Wykres równowagi żelazo-węgiel ( wg Chipmana); linia ciągła – układ niestabilny Fe-Fe3C, linia przerywana – układ stabilny Fe-C ( grafit). Współrzędne punktów dla Fe-C: C’-4,2/1153,E’-2,1/1153, S’-0,65/740.
W układzie żelazo-grafit przemiany mają analogiczny przebieg, z tym że zamiast cementytu występuje grafit. Tak więc przemiana eutektyczna, która zachodzi w temperaturze 1154°C, polega na wydzielaniu się z cieczy o składzie punktu C' (4,26%C ) eutektyki złożonej z austenitu o składzie punktu E' i drobnego grafitu. Natomiast przemiana eutektoidalna polega na rozkładzie austenitu o składzie punktu S’ (0,68% C) na mieszaninę eutektoidalna złożoną z ferrytu i grafitu.
Definicje i właściwości podstawowych faz.
Ferryt jest roztworem stałym, międzywęzłowym węgla w żelazie α. Fakt, że średnica atomu węgla jest większa od średnicy luk powoduje, że rozpuszczalność węgla jest mała i nie przekracza 0,022%. Ferryt jako oddzielny składnik strukturalny występuje w stalach podeutektoidalnych - tzw. ferryt przedeutektoidalny, ale wchodzi również w skład perlitu i ledeburytu przemienionego. Ze względu na małą zawartość węgla własności ferrytu niewiele różnią się od własności czystego żelaza a, i tak Rm = ok. 300 MPa, 80 HB. Al0 = 40%, KC = ok. 180 J/cm2. Na zgładach metalograficznych jest widoczny jako jasny składnik. Mikrofotografia czystego ferrytu jest pokazana na rysunku. Ferryt przedeutektoidalny występuje w postaci oddzielnych ziarenek na przemian z ziarnami perlitu (struktura komórkowa) lub na granicach ziarn perlitu.
Mikrofotografia ferrytu Mikrofotografia perlitu w skali eutektoidalnej
Austenit jest roztworem stałym, międzywęzłowym węgla w Fe-γ o maksymalnej rozpuszczalności węgla 2,11%. Większa rozpuszczalność węgla wiąże się z kulistym kształtem lub oktaedrycznych. Ze względu na typ sieci A1, ma największą gęstość spośród wszystkich faz układu. W warunkach równowagi nie może istnieć poniżej temperatury A1 (727°C). Wprowadzenie pierwiastków austenitotwórczych (np. Mn, Ni) obniża zakres istnienia austenitu do temperatury pokojowej. Własności mechaniczne austenitu w temperaturze pokojowej są następujące Rm = ok. 700-800 MPa, Re = ok. 250 MPa, 200 HB, Al0 = 40-60%, KC = ok. 200-300 J/cm2. W próbie rozciągania odkształca się równomiernie (me tworzy się szyjka). Na zgładach metalograficznych występuje jako składni z charakterystycznymi, prostoliniowymi granicami bliźniaczymi.
Perlit jest eutektoidem o zawartości 0,77% C. Powstaje w wyniku przemiany eutektoidalnej, która zachodzi w temp. 727°C. Jest zbudowany na przemian z płytek ferrytu i cementytu o stosunku grubości 7:1. Dyspersja perlitu (tzn. odległość między płytkami) jest odwrotnie proporcjonalna do wielkości przechłodzenia względem temperatury A1. Własności mechaniczne perlitu zależą od jego dyspersji tzn. wytrzymałość i twardość rosną ze wzrostem stopnia dyspersji i wynoszą: R„ = ok. 700-800 MPa, Re = ok. 400 MPa, ok. 180-220 HB, Am = ok 8% KC = ok. 40 J/cm2. Perlit jest składnikiem strukturalnym stali i surówek podeutektycznych białych i surówek szarych perlitycznych.
Mikrofotografia cementytu kulkowego na tle ferrytu
Ledeburyt jest mieszaniną eutektyczną austenitu i cementytu. Powstaje z roztworu ciekłego o zawartości 4,3% C. Jest składnikiem strukturalnym surówek białych. Cechuje go dość znaczna twardość (ok. 450 HB) i kruchość. Występuje również w niektórych narzędziowych stalach stopowych. Poniżej temperatury 727CC występuje jako ledeburyt przemieniony w wyniku przemiany austenitu ledeburytycznego w perlit.
Mikrofotografia ledeburytu przemienionego w surówce białej eutektycznej
Cementyt jest węglikiem żelaza (Fe3C) o strukturze rombowej. Zawiera 6,67% masy węgla.
Ze względu na znaczny udział wiązania metalicznego ma własności metaliczne. Jego gęstość jest mniejsza niż żelaza i wynosi 7,68 Mg/m3. Temperatura topnienia 1227°C.
Atomy żelaza mogą być zastępowane w cementycie atomami Cr, Mn i Mo, a atomy węgla atomami azotu. W ten sposób powstaje tzw. cementyt stopowy lub azotowy. Cementyt jest składnikiem bardzo twardym - może rysować szkło (700 HB), ale zarazem kruchym.
Surówki i żeliwo są stopami odlewniczymi ze względu na to, że w ich strukturze znajduje się ledeburyt ( co sprawia że są materiałami mało ciągliwymi i nie obrabia ich się plastycznie). Stopy te zawierają powyżej 2% węgla oraz dodatkowo zawierają dodatki takie jak Mn, Si oraz domieszki P i S. Ze względu na budowę (strukturę) rozróżnia się surówki i żeliwa:
Ø białe - białym przełomie, zawierająca węgiel wyłącznie w stanie związanym w postaci cementytu
Ø szare- o szarym przełomie, zawierająca węgiel w stanie wolnym, w postaci grafitu
Ø pstre (połowiczne), zawierająca skupienia węgla zarówno w stanie związanym jak i wolnym.
Węgiel w żeliwie może występować w dwóch postaciach: w stanie wolnym jako grafit lub w postaci związanej jako węglik żelaza (cementyt).
Czynnikami decydującymi o otrzymywaniu żeliwa szarego, białego lub połowicznego zależą od jego:
Ø składu( np. żeliwo białe-jest to mieszanina żelaza z węglem w którym węgiel występuje w postaci cementytu).
Ø szybkości chłodzenia(np. wolne studzenie żeliwa sprzyja powstawaniu grafitu który występuje w żeliwie szarym)
Ø dodatków takich jak Mn, Si czy S.
Zależność struktury żeliwa od zawartości węgla i krzemu
Z wykresu wynika, że im więcej jest węgla i krzemu w żeliwie, tym więcej będzie w strukturze grafitu, a mniej cementytu. Inny wpływ niż krzem wykazują mangan i siarka, które przeciwdziałają grafityzacji, przyczyniają się do zabielania żeliwa. Zawartość Mn wynosi 0,5-0,7%. Wpływ siarki zależy od ilości manganu i przy małej zawartości Mn jej działanie zabielające jest silniejsze. Siarka zmniejsza też rzadkopłynność żeliwa, a tym samym pogarsza jego własności odlewnicze. Dlatego zawartość siarki w żeliwie jest ograniczona do 0,12%, przy czym w odlewach cienkościennych nie powinno jej być więcej niż 0,08%.
Oznaczenie żeliw
UWAGA: w literaturze fachowej, podręcznikach – szczególnie wydanych w minionych latach znakowanie stopów żelaza (stali, staliw i żeliw) podane jest wg poprzednio obowiązujących polskich norm. Podane oznaczanie żeliw zostało podane według ostatnio wprowadzonych norm PN-EN 13835:2005+A1:2006(u).
Oznaczenie żeliwa na podstawie symboli
Oznaczenie na podstawie symboli powinno obejmować najwyżej sześć pozycji, przy czym niektóre z nich mogą zostać w ogóle nie wykorzystane:
Ø pozycja 1: EN
Ø -pozycja 2: Symbol dla żeliwa – GJ (G- oznacza materiał odlewany, J – oznacza żeliwo),
Ø - pozycja 3: Symbol dla postaci grafitu (L-grafit płatkowy, S – kulkowy, M –żarzenia, V – wermikularny, N – struktura nie zawierająca grafitu, ledeburyt, Y – struktura specjalne),
Ø pozycja 4: Symbol dla mikrostruktury lub makrostruktury (A – austenit, F – ferryt, P – per-lit, M – martenzyt, L – ledeburyt, Q – stan po hartowaniu, T – stan po hartowaniu i odpusz-czaniu, B – przełom czarny, W przełom biały),
Ø - pozycja 5: Symbol dla klasyfikacji według właściwości mechanicznych (np. EN-GJL-HB155, EN-GJN-HV350) lub składu chemicznego (EN-GJL-XNiMn13-7, EN-GJN-X300CrNiSi9-5-2), szczegóły w omawianej normie pkt 4.2.6,
Ø - pozycja 6: Symbol dla wymagań dodatkowych (D – odlew surowy, H – odlew po obróbce cieplnej itd.)
Oznaczenie żeliwa na podstawie numerów
Oznaczenie powinno obejmować dziewięć znaków:
Ø pozycja 1-3 :przedrostek EN-
Ø pozycja 4: litera J
Ø pozycja 5: litera charakteryzująca strukturę grafitu (jak w poz.3 oznaczenia na podstawie symboli)
Ø pozycja 6: 1-cyfrowy znak, charakteryzujący podstawowe właściwości żeliwa (wg Tablicy 6 opisywanej normy)
Ø pozycje 7 i 8: 2-cyfrowy znak od 00 do 99, charakteryzujący dany materiał
Ø pozycja 9: 1-cyfrowy znak, charakteryzujący specjalne wymagania danego materiału (wg Tablicy 7 opisywanej normy)
Przykłady:
Znak:
EN-GJL-150 (żeliwo szare, Rm min 150 N/mm2)
EN-GJMW-350-4 (żeliwo ciągliwe białe, Rm min 350 N/mm2, A3,4 – 4%) EN-GJMB-300-6 (żeliwo ciągliwe czarne, Rm min 300 N/mm2, A3,4 – 6%)
Numer:
EN-JL 1020 - żeliwo szare,
EN-JM1010 - żeliwo ciągliwe białe
EN-JM1110 - żeliwo ciągliwe czarne
Żeliwo szare jest to żeliwo, w którym węgiel występuje w postaci grafitu. Nazwa jego pochodzi od faktu, iż jego przełom ma szary kolor. Uznawane za żeliwo wyższej jakości, jest bardziej ciągliwe, łatwiej obrabialne, charakteryzuje się dobrą lejnością i posiada mniejszy skurcz odlewniczy – (rzędu 1,0%), niż żeliwo białe. Wytwarza się z niego odlewy korpusów, obudów, bloków pomp, sprężarek i silników.
Żeliwo modyfikowane jest to żeliwo, do którego dodaje się, tuż przed zalaniem formy, pewną, niewielką, zbliżoną do 1,0% ilość modyfikatorów. Najczęściej są to żelazokrzem, stop żelazokrzemu z wapniem, magnez i inne. Działanie ich polega na zwiększeniu ilości ośrodków krystalizacji, co wpływa na podniesienie drobnoziarnistości żeliwa oraz poprawienie jego właściwości odlewniczych i wytrzymałościowych.
Żeliwo sferoidalne jest to ...
Koziol1988