Akademia Morska w Szczecinie Instytut InŜynierii Transportu Zakład

Akademia Morska w Szczecinie
Instytut InŜynierii Transportu
Zakład Techniki Transportu
Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotów
Materiałoznawstwo
i
Nauka o materiałach
Identyfikacja materiałów konstrukcyjnych Ŝelaznych - Ŝeliwa
Opracowała: mgr inŜ. Joanna Tuleja
Zatwierdził: dr inŜ. Jarosław Chmiel
Szczecin 2008
2
1. Wprowadzenie
Stopy Ŝelaza naleŜą do najwaŜniejszej grupy materiałów konstrukcyjnych
stosowanych przez człowieka. Wykorzystywane są od ok. 2000 roku p.n.e. i prawdopodobnie
jeszcze długo ten stan się nie zmieni. Przyczyny popularności tej grupy materiałów wynikają
z:
- powszechności występowania w skorupie ziemskiej Ŝelaza (ok. 4,5%) najczęściej w
postaci tlenków z których we względnie łatwy sposób moŜna odzyskać Ŝelazo;
- względnie niska temperatura topnienia Ŝelaza 1583°C umoŜliwia jego otrzymywanie w
stanie ciekłym co jest szczególnie istotne przy formowaniu i kształtowaniu, niemoŜność
wystąpienia dyfuzji w stanie stałym co powoduje, Ŝe właściwości stopów Ŝelaza w
temperaturze otoczenia pozostają niezmienne;
- stopy Ŝelaza charakteryzują się występowaniem przemian fazowych, efektem tego jest
moŜliwość uzyskania materiałów konstrukcyjnych o bardzo róŜnorodnych
właściwościach, które moŜemy dostosować do naszych potrzeb.
Na dzień dzisiejszy ponad 90% materiałów metalicznych stosowanych przez człowieka
stanowią stopy Ŝelaza.
2. Podstawowe pojęcia
Podstawowymi składnikami materiałów metalicznych Ŝelaznych są: Ŝelazo; węgiel.
Stopy Ŝelaza ze względu na zawartość węgla dzielimy na: staliwa i stale; Ŝeliwa i surówki.
śeliwo - jest stopem Ŝelaza z węglem o zawartości węgla teoretycznie powyŜej 2%,
praktycznie powyŜej 1,5%.
W przemyśle krajowym z Ŝeliwa wykonuje się ponad 85% odlewów.
Klasyfikacja żeliw
Klasyfikacja Ŝeliwa jako podstawę przyjmuje strukturę stopu: w szczególności postać
występowania węgla oraz kształt wydzieleń grafitu. Skład chemiczny ma znaczenie tylko w
przypadku Ŝeliw o specjalnych właściwościach
Ogólnie Ŝeliwa dzielimy na:
- białe;
- szare (zwykłe, modyfikowane, sferoidalne, ciągliwe);
- stopowe.
Ze względu na postać występowania węgla Ŝeliwa moŜemy podzielić na:
- białe, węgiel w postaci cementytu;
- szare, węgiel w postaci grafitu;
- połowiczne (pstre lub nadperlityczne), węgiel występuje w postaci
- grafitu i cementytu.
Ze względu na rodzaj osnowy Ŝeliwa dzielimy na:
- ferrytyczne;
3
-
perlityczne,
ferrytyczno - perlityczne.
Ogólne właściwości żeliw
-
-
-
dobra lejność, dzięki niskiej temperaturze topnienia i dobrej
rzadkopłynności;
skurcz odlewniczy Ŝeliwa białego jest taki sam jak staliwa (1,6 - 2.1%), natomiast
skurcz odlewniczy Ŝeliwa szarego jest bardzo mały 0,6 - 1,1%, ubytek objętości
podczas krzepnięcia stopu jest rekompensowany przez wzrost objętości wskutek
procesu grafityzacji;
skrawalność Ŝeliwa jest róŜna - białe są trudno skrawalne ze względu na bardzo
wysoką twardość, szare dzięki wydzieleniom grafitu przerywającym osnowę
metaliczną są dobrze skrawalne;
kruchość spowodowana obecnością cementytu w Ŝeliwie białym lub grafitu w Ŝeliwie
szarym;
mała plastyczność i wraŜliwość na napręŜenia cieplne sprawia, Ŝe Ŝeliwa są
trudnospawalne;
ok. 4 razy jest większa odporność Ŝeliw na przenoszenie obciąŜeń
ściskających w porównaniu z rozciągającymi.
Rodzaj Ŝeliwa
Zalety
-
-
-
-
-
Szare
łatwość
odlewania
nawet skomplikowanych
kształtów;
moŜliwość ograniczenia
obróbki skrawaniem do
minimum oraz dobra
skrawalność;
dość
dobra
wytrzymałość, zbliŜona do
stali nisko- lub
średniowęglowych;
duŜa zdolność tłumienia
drgań (5 razy większa niŜ
stali);
duŜa odporność na ścieranie;
bardzo
dobre
własności ślizgowe
mała rozszerzalność
cieplna (cechy 5 i 6
spowodowały masowe
zastosowanie Ŝeliw w
4
-
-
Białe
jest
bardzo
twarde i
ścieranie i
odporne
na
zachowuje te cechy do
temperatur przekraczających
400°C;
jest odporne chemicznie.
Wady
Zastosowanie
przemyśle motoryzacyjnym na
cylindry, tłoki i pierścienie
ślizgowe);
- wyjątkowo mała
wraŜliwość na działanie karbu;
- niski koszt wytwarzania;
- moŜliwość stosowania obróbki
cieplnej.
- mała ciągliwość i udarność,
- mała wytrzymałość na
rozciąganie w porównaniu
z wytrzymałością na
ściskanie,
- mogą
mieć niejednorodną
strukturę zaleŜną od
grubości ścianki;
- mogą być porowate
oraz zawierać rzadzizny i
jamy skurczowe;
- odlewy kokilowe cechują
duŜe napręŜenia wewnętrzne
dlatego powinny być
odpręŜane.
ŁoŜa obrabiarek, skrzynie
biegów, płyty fundamentowe
silników, pierścienie tłokowe,
tłoki, tuleje i bloki cylindrowe
oraz panewki, ruszty, płyty i
drzwi pieców, grzejniki c. o.,
wanny, zlewy, roŜna, naczynia
kuchenne itp.
-
ze względu na duŜą
twardość obróbka Ŝeliwa
białego wymaga odpowiednich
narzędzi np. węglików
spiekanych;
- Ze względu na własności
Ŝeliwo białe ma ograniczone
zastosowanie do odlewów
odpornych na ścieranie nie
wymagających
większej
obróbki skrawaniem;
- konieczne jest utworzenie w
jednym procesie produktu
finalnego ze względu na
trudności obróbkowe.
Wykładziny i ślimaki
mieszalników i
przenośników
materiałów sypkich, kule
młynów, kulowych, klocki
hamulcowe, walce hutnicze
Czynniki wpływające na tworzenie się grafitu w Ŝeliwach
Istotny wpływ na proces grafityzacji wywierają domieszki i zanieczyszczenia:
- Si i P ułatwiają grafityzację;
- Mn i S przeciwdziałają grafityzacji, powodują zabielenie Ŝeliwa..
Oprócz składu chemicznego na strukturę i własności Ŝeliw wpływa szybkość
chłodzenia odlewów
3. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze strukturami róŜnych rodzajów Ŝeliw, ich
własnościami, zastosowaniem i oznaczeniami
5
4.
Przebieg ćwiczenia
Ćwiczenie polega na dokładnej obserwacji struktur róŜnych rodzajów Ŝeliw.
Wykonujący ćwiczenie ma za zadanie zidentyfikować badane materiały i wskazać
poszczególne elementy struktury analizowanych stopów
5.
Sprawozdanie
Sprawozdanie powinno zawierać:
-
definicje Ŝeliwa;
-
podstawowe sposoby klasyfikacji Ŝeliw,
-
rysunki mikrostruktur identyfikowanych Ŝeliw wraz z dokładnymi
-
opisami poszczególnych składników fazowych i strukturalnych;
-
wytyczne dotyczące oznaczania analizowanych grup materiałów;
-
przykłady zastosowania poszczególnych grup Ŝeliw.
6.
7.
Wymagania
-
Podstawowe pojęcia charakteryzujące Ŝeliwa
-
Sposoby klasyfikacji Ŝeliw.
-
Definicje składników fazowych i strukturalnych Ŝeliw.
-
Właściwości Ŝeliw.
-
Przykłady zastosowania Ŝeliw.
Literatura
1. Prowans St.: Materiałoznawstwo", PWN, Warszawa 1986 Blicharski M.: „Wstęp do
inŜynierii materiałowe/', WNT, Warszawa 2001 (
2. Dobrzański L.A.: Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach", WNT,
Warszawa 1999
3. Topoliński T.: Materiałoznawstwo", WUATR, Bydgoszcz 1999
4. Domke W.: „Vademecum materiałoznawstwa", WNT, Warszawa 1989
5. Przybyłowicz K. Metaloznawstwo
6