Żeliwa

ŻELIWA NIESTOPOWE
Żeliwo – stop żelaza z węglem,
zawierający 2,5-4,5% C i inne
pierwiastki (Si, Mn, P, S), przeznaczony
do wykonywania części maszyn,
urządzeń przemysłowych i wyrobów
drodze
codziennego
użytku
na
odlewania.
Żeliwo niestopowe i stopowe
Zależnie od postaci węgla wyróżnia się żeliwa:
• białe (jasny przełom), w których węgiel
występuje w postaci cementytu; mają one
ograniczone zastosowanie,
• szare - z grafitem (szary przełom),
węgiel występuje głównie jako grafit i
związanej jako cementyt w perlicie;
szerokie zastosowanie. Ze względu
wydzieleń grafitu wyróżnia się żeliwo
płatkowym, sferoidalne i ciągliwe,
w których
częściowo
mają one
na kształt
z grafitem
• połowiczne (pstre) – węgiel w postaci cementytu
i grafitu.
Wykres równowagi Fe-C; linia ciągła- wykres Fe-Fe3C;
linia przerywana - wykres Fe-C(grafit).
Opis fazowy wykresu równowagi Fe-C(grafit)
Zmiana energii swobodnej ciekłego stopu (FL) i mieszaniny austenit + cementyt
(FA+C) oraz mieszaniny austenit + grafit (FA+G) ze zmianą temperatury
Wydzielanie się cementytu z roztworu ciekłego lub austenitu przebiega łatwiej niż
wydzielanie grafitu, lecz termodynamicznie bardziej stabilna jest mieszanina
austenitu z grafitem niż austenitu z cementytem. W temperaturze przemiany
eutektycznej (w 1147°C) krystalizacja przebiega z wytworzeniem cementytu L → γ
+ Fe3C, zaś powolne chłodzenie zakresie temperatur 1153 - 1147°C powoduje
tworzenie się z ciekłego roztworu mieszaniny austenitu i grafitu.
Wykres Maurera wskazujący rodzaj struktury, jaka powinna powstać w
odlewie żeliwnym o grubości 50 mm w zależności od zawartości węgla i
krzemu
Wykres Greinera-Kingenstein'a wskazujący rodzaj struktury, jaka powinna
powstać w odlewie żeliwnym w zależności od grubości ścianki odlewu oraz
sumarycznej zawartości węgla i krzemu
Żeliwa białe
Struktura zgodna z wykresem równowagi fazowej FeFe3C: podeutektyczne, eutektyczne i nadeutektyczne
Właściwości:
twarde i kruche, nie nadają się do obróbki skrawaniem,
dobre właściwości odlewnicze
wysoka odporność na ścieranie.
wysoka twardość (300-500 HB) i odporność na ścieranie,
są wynikiem obecności w żeliwie białym znacznej ilości
cementytu (700÷800 HB).
wytrzymałość na rozciąganie niewielka, natomiast
znaczna (4÷6 razy większa) wytrzymałość na ściskanie.
Stosowane są na okładziny sprzęgieł, walce
drogowe, kule do młynów, ślimaki mieszalników,
przenośniki materiałów sypkich.
STRUKTURA ŻELIW Z GRAFITEM
OSNOWA
METALICZNA
GRAFIT
FAZY
ZAWIERAJĄCE
FOSFOR I SIARKĘ
EUTEKTYKA FOSFOROWA
(Feα+Fe3P+Fe3C)
(Feα+Fe3P+C)
SIARCZKI
MnS, FeS
Rodzaje osnowy metalicznej i wydzieleń grafitu w żeliwach z
grafitem
Podział i znakowanie żeliw szarych
• żeliwa szare zwykłe i żeliwa modyfikowane (PN-EN
1561:2000):
EN-GJL-100(100 – Rm [N/mm2])
EN-GJL-350 (żeliwo modyfikowane)
• żeliwa sferoidalne (PN-EN 1563:2000)
EN-GJS-350-22 (350 - Rm [N/mm2], 22 – A [%])
EN-GJS-450-10
EN-GJS-500-7
EN-GJS-600-3
EN-GJS-700-2
EN-GJS-800-2
EN-GJS-900-2
Żeliwa szare krzepnące bez regulowania procesu
krystalizacji zawiera duże płatki grafitu, których obecność
wpływa ujemnie na właściwości mechaniczne (Rm<250
N/mm2). Posiada dużą zdolność zdolność tłumienia drgań.
Żeliwa modyfikowane: W celu podwyższenia właściwości
wytrzymałościowych, przeprowadza się proces modyfikacji
żeliw.
Modyfikacja polega na wprowadzeniu do ciekłego stopu
modyfikatora (np. Fe-Si, Ca-Si) w ilości do 0,5% masy stopu.
Modyfikator powoduje zwiększenie ilości zarodków
krystalizacji, a tym samym rozdrobnienie płatków grafitu, oraz
uzyskanie struktury perlitu w osnowie metalicznej.
Te dwa czynniki są powodem wyższej wytrzymałości żeliw
modyfikowanych (Rm>300 N/mm2).
Żeliwa sferoidalne (z grafitem sferoidalnym): proces
technologiczny wytwarzania żeliwa polega na
wprowadzeniu do ciekłego stopu niewielkiej ilości substancji
(Cr, Mg, Mg-Ni), które zmieniają napięcie powierzchniowe i
powodują utworzenie wydzieleń grafitu w postaci
sferoidalnej oraz wprowadzeniu modyfikatora (np. Fe-Si,
Ca-Si) w celu zwiększenia ilości zarodków krystalizacji, co
sprzyja powstaniu struktury drobnoziarnistej.
Struktura osnowy: ferrytyczna, ferrytyczno-perlityczna,
perlityczna.
Właściwości: wytrzymałość i plastyczność wyższe niż w
żeliwach szarych, ale mniejsza zdolność tłumienia drgań.
Żeliwa połowiczne – żeliwa o zróżnicowanej strukturze:
typowej dla żeliw szarych i żeliw białych. Węgiel przyjmuje
postać grafitu, lub występuje w postaci związanej – jako
cementyt.
Zastosowanie: żeliwa te nie są wykorzystywane w sposób
bezpośredni, niekiedy stosuje się „odlewy zabielone”, które
po odlaniu początkowo poddawane są chłodzeniu z dużą
szybkością, w wyniku czego warstwa wierzchnia ma
strukturę żeliwa białego. Zmniejszenie szybkości
chłodzenia, po zakrzepnięciu warstwy żeliwa białego,
powoduje uzyskanie w rdzeniu struktury żeliwa szarego.
Pomiędzy warstwą żeliwa białego, a rdzeniem żeliwa
szarego tworzy się warstewka żeliwa połowicznego
(pstrego). Występują one w takich elementach jak: walce
hutnicze, bębny młynków, które wymagają dużej
odporności.
Żeliwa ciągliwe – otrzymywane z żeliwa białego w
wyniku wyżarzania grafityzującego. W czasie obróbki
cieplnej cementyt ulega rozkładowi z wydzieleniem węgla
żarzenia w postaci kłaczkowatych skupień.
Kłaczkowa postać grafitu wpływa korzystnie na
właściwości mechaniczne żeliwa.
Proces wyżarzania żeliwa przebiega w zakresie temperatur
~1000-700ºC w czasie ~ 100 godzin.
W zależności od parametrów procesu otrzymane żeliwo
ciągliwe dzieli się na:
•Żeliwo ciągliwe białe (atmosfera odwęglająca),
•Żeliwo ciągliwe czarne (atmosfera obojętna),
•Żeliwo ciągliwe perlityczne.
lub
Żeliwo ciągliwe białe
Żeliwo ciągliwe czarne:
O osnowie ferytycznej
O osnowie perlitycznej
Podział i znakowanie żeliw ciągliwych
• żeliwa ciągliwe czarne
ENGJMB-300-26 (osnowa ferrytyczna)
ENGJMB-350-22 (osnowa ferrytyczna)
ENGJMB-450-6 (osnowa perlityczna)
ENGJMB-550-4 (osnowa perlityczna)
ENGJMB-700-2 (osnowa perlityczna)
ENGJMB-800-1 (osnowa perlityczna)
• żeliwa ciągliwe białe
ENGJMW-350-4
ENGJMW-360-12
ENGJMW-400-5
ENGJMW-550-4
Przebieg wyżarzania odlewów z żeliwa białego w celu uzyskania żeliwa
ciągliwego czarnego:
a- żeliwo ferrytyczne,
b- żeliwo perlityczne
Właściwości mechaniczne żeliw z grafitem w zależności od
osnowy metalicznej i postaci grafitu
[N/mm2]
Z grafitem
płatkowym
Korzystne właściwości technologiczne żeliw,
wynikające z obecności grafitu:
• mała wrażliwość na karby zewnętrzne, np. zmianę
przekroju elementu konstrukcji, z uwagi na liczne karby
wewnętrzne
•mały skurcz odlewniczy
•dobra skrawalność
•dobre właściwości ślizgowe
•duża zdolność tłumienia drgań
•dobra wytrzymałość zmęczeniowa
Typowe zastosowania żeliw
Rodzaj żeliwa
Zastosowanie
Białe
Odlewy odporne na ścieranie, nie wymagające większej
obróbki skrawaniem: wykładziny i ślimaki mieszalników i
przenośników materiałów sypkich,kule młynów kulowych,
klocki hamulcowe
Szare z grafitem
płatkowym
Masowo produkowane odlewy nie przenoszące obciążeń
(ruszty, płyty i drzwi pieców, grzejniki, wanny, zlewy),
odlewy części maszyn, wlewnice, cylindry
samochodowe, tłoki
Sferoidalne
Części samochodowe (wałki rozrządu, korbowody, wały
korbowe, części układu kierowniczego), koła zębate i
wrzeciona obrabiarek, części armatury przemysłowej,
walce hutnicze
Ciągliwe
Osnowa
ferrytyczna
Odlewy nie wymagające większej wytrzymałości, a przy
tym tanie: części maszyn rolniczych,maszyn do szycia,
artykułów gospodarstwa domowego
Osnowa
perlityczna
Odlewy silniej obciążone: wałki rozrządu, wały korbowe,
krzywki, koła zębate, klucze maszynowe, podstawy dział
Żeliwa stopowe
Żeliwa stopowe
•
•
1.
2.
3.
4.
5.
Do żeliw stopowych są wprowadzane dodatki stopowe,
występujące oprócz domieszek.
Pierwiastki te są dodawane w celu polepszenia
własności użytkowych żeliwa, a w szczególności:
Zwiększenia własności mechanicznych,
Zwiększenia odporności na ścieranie,
Polepszenia odporności na działanie korozji
elektrochemicznej,
Polepszenia odporności na działanie korozji gazowej
w podwyższonej temperaturze,
Polepszenia własności fizycznych np. magnetycznych lub
elektrycznych.
Żeliwa stopowe o podwyższonej
odporności na ścieranie
•
Głównymi pierwiastkami stopowymi
znajdującymi się w stopach o podwyższonej
odporności na ścieranie są:
1. Dla żeliw niskostopowych: Ni, Cr, Cu, Mo, V,
Ti, W (łącznie < 3%),
2. Dla żeliw średniostopowych: Ni, Cr, Al, Si
(Łącznie 3-20%),
3. Dla żeliw wysokostopowych Ni, Cr, Al, Si, Mn
( łącznie >20%)
Żeliwa stopowe o podwyższonej
odporności na ścieranie
• Żeliwa niskostopowe stosowane są na elementy maszyn o
dobrej odporności na ścieranie, na działanie podwyższonej
temperatury, a także spalin i wód naturalnych, np.
elementy silników, pomp, sprężarek, koła zębate.
• Żeliwa średnio i wysokostopowe stosuje się na elementy
pracujące w cięższych warunkach, silnie obciążone
elementy maszyn, w przemyśle energetycznym,
transporcie pneumatycznym, części pomp szlamowych,
łopatki turbinowe, odlewy odporne na ścieranie w
warunkach obciążeń udarowych.
Żeliwa stopowe żaroodporne
i żarowytrzymałe
•
1.
2.
3.
Wyróżniamy następujące żeliwa stopowe żaroodporne:
Chromowe – (0,6-3%) odlewy pracujące w
temperaturze do ok. 550-650°C, np. elementy
konstrukcyjne pieców, palenisk, aparatury chemicznej,
niektóre elementy silników,
Krzemowe – (4,5-6%) odlewy pracujące w temp. do
ok. 700°C, np. retorty, ruszty,
Aluminiowe – (3-8%) odlewy pracujące w atmosferze
utleniającej w temperaturze do ok. 750-800 °C, np.
elementy kotłów, tygle do topienia stopów metali
lekkich, elementy aparatury chemicznej,
Żeliwa stopowe żaroodporne
i żarowytrzymałe c.d.
4.
5.
•
Wysokochromowe - (25-34%) odlewy pracujące w
atmosferze utleniającej w temperaturze do ok. 1100 °C,
żeliwa odporne na ścieranie oraz działanie niektórych
czynników korozyjnych,
Wysokoniklowe – (18-22%) odlewy odporne na
utlenianie i obciążenia mechaniczne w temp. do ok. 800
°C, np. elementy aparatury chemicznej, pomp, elementy
pieców oraz żeliwo odporne na działanie niektórych
czynników korozyjnych.
Żarowytrzymałość ulega znacznemu zwiększeniu
prze dodatek Mo.
Żeliwa stopowe odporne na
korozję
•
•
1.
2.
Zwiększenie odporności na korozję w szczególności
powodują Si, Cr i Ni,
Wyróżniamy następujące żeliwa stopowe odporne na
korozję:
Krzemowe (14-16%) – odlewy o wysokiej odporności
na korozję w stężonych i rozcieńczonych kwasach oraz
roztworach soli, mało obciążone mechanicznie np.
elementy pomp i armatury chemicznej,
Niklowo – miedziowe (13,5-17,5 % Ni, 5,5-7,5%Cu) –
odlewy odporne na działanie kwasu siarkowego,
kwasów organicznych, zasad ( z wyjątkiem amoniaku),
roztworów soli i gazów utleniających w temp. do ok.
700 °C, w przemyśle chemicznym, maszynowym,
naftowym i okrętowym,
Żeliwa stopowe odporne na korozję
c.d.
3. Wysokoniklowe sferoidalne – (18-32%) –
odlewy odporne na działanie zasad,
rozcieńczonych kwasów, roztworów soli i
gazów utleniających w temp. ok. 800 °C, np.
pompy, zawory, obudowy turbo-zespołów,
kolektory spalin,
4. Wysokoniklowe –szare (18-22%) - odlewy
odporne na działanie większości kwasów, zasad
i soli oraz na utlenianie w temp. do ok. 800 °C,
w przemyśle chemicznym, papierniczym,
maszynowym, hutniczym
i spożywczym,
Żeliwa stopowe odporne na korozję
c.d.
5. Wysokochromowe – (25-34%) –
odlewy elementów odpornych na działanie
roztworów kwasów, zasad i soli oraz
czynników utleniających w temp. do ok.
1100 °C, w przemyśle chemicznym
i spożywczym.
Żeliwa stopowe do pracy w niskiej
temperaturze (w zakresie do - 200 °C)
• Do pracy w niskiej temp. stosowane są żeliwa
o strukturze austenitycznej, np. EN-GJSA-XNiMn23-4,
(EN-GJSA - żeliwa sferoidalne)
• Orientacyjny skład chemiczny i własności mechaniczne
żeliw austenitycznych do pracy w niskiej temperaturze:
Skład chemiczny: C (2,2 -3), Si (1,7-3),
Mn (0,7-4,4), Ni (18-24), Cr (≤4), Cu (≤3,4), V (≤0,5)
Własności mechaniczne: Rm (380-500 MPa),
A (6-45%), HB (130-250), KCU (20-40 J/cm2)