Odlewnicze stopy żelaza

Staliwa niestopowe

i staliwa stopowe

Ż

eliwa

Staliwo jest stopem żelaza z

węglem do około 1,5% i

ewentualnie z dodatkami

stopowymi przeznaczonym na

odlewy

Staliwa niestopowe

• Ważnym materiałem konstrukcyjnym,

stosowanym w postaci odlewów jest
staliwo niestopowe.

• Otrzymuje się je w wyniku odlewania do

form, w których krzepnie uzyskując
wymagany kształt użytkowy.

Klasyfikacja staliw niestopowych

• Staliwa niestopowe (węglowe) dzieli się na

dwie grupy podlegające odpowiednio
odbiorowi:

1. Na podstawie własności mechanicznych

(granica plastyczności R

e

, granica

wytrzymałości na rozciąganie R

m

, udarność

KU, przewężenie Z, wydłużenie A),

2. Na podstawie własności mechanicznych

oraz składu chemicznego

Oznaczanie staliw

niestopowych

•

Znak staliwa składa się z dwóch liczb
określających wyrażone w MPa wartości
minimalnej granicy plastyczności

R

e

oraz

minimalnej wytrzymałości na rozciąganie
R

m

(np. 200-400), po których w przypadku

staliw niestopowych podlegających
odbiorowi także na podstawie składu
chemicznego, umieszczona jest litera W
(np. 270-480W).

Skład chemiczny i własności mechaniczne

staliw niestopowych konstrukcyjnych

20

21

15

550

340

1,5

340-550W

22

25

18

480

270

1,2

270-480W

45

31

22

450

230

1,2

230-450W

45

40

25

400

200

0,6

1

0,25

200-400W

KV,

J

Z,
%

A,

%

R

m

,

MPa

R

e

,

MPa

Si

Mn

C

Minimalne własności mechaniczne

Maksymalne

stężenie głównych

pierwiastków , %

Znak

staliwa

)

2

2) P≤0,035, Ni ≤0,4, Cr ≤0,35, Cu ≤0,4, Mo ≤0,15, V ≤0,05, Ni+Cr+Cu+Mo+V ≤1

Oznaczanie staliw

niestopowych c.d.

• Staliwa niestopowe konstrukcyjne są także

stosowane na

odlewy do pracy pod

ciśnieniem. Staliwa te poddaje się
wyżarzaniu normalizującemu

(+N) lub

ulepszaniu cieplnemu

(+QT). Oznaczenia

tych staliw zaczynają się od litery

G, po

czym są identyczne z oznaczeniami
odpowiadających im stali.

Skład chemiczny i własności mechaniczne

staliw niestopowych do pracy pod

ciśnieniem

27

24

450

240

1,6

0,2

G17Mn5+N

35

22

480

280

1,2

0,25

GP280GH+QT

40

22

420

240

1,2

0,23

GP240GH+QT

27

22

420

240

0,6

1,2

0,25

GP240GR+N

KV,

J

A,

%

Rm,

MPa

Re,

MPa

Si

Mn

C

Minimalne własności mechaniczne

Maksymalne

stężenie głównych

pierwiastków , %

Znak staliwa

1) P≤0,03, S ≤0,02, Ni ≤0,4, Cr ≤0,3, Cu ≤0,3, Mo ≤0,12, V ≤0,03, Ni+Cr+Cu+Mo+V ≤1

Struktura i własności staliw

niestopowych

• Własności staliw zależą głównie od stężenia

węgla.

• Staliwa szczególnie nisko- i średniowęglowe

cechują się dobrą spawalnością.

• Składnikami strukturalnymi występującymi

w staliwie niestopowym jest ferryt i perlit.

Wpływ stężenia węgla na

własności mechaniczne staliw

niestopowych

0

0,1

,

0,3 0,4 0,5 0,6

0,2

STĘŻENIE WĘGLA [%]

100

200

300

400

500

600

700

R

e

,

R

m

[M

P

a

]

10

20

30

40

50

60

70

Z

,A

[%

]

80

160

240

K

U

[

J

]

KU

A

Re

Rm

Z

Staliwa stopowe

•Staliwa stopowe to takie, do których celowo wprowadza
się pierwiastki stopowe, aby nadać im wymagane
własności. Przeważnie stosowane są staliwa, które
zawierają kilka składników stopowych, w tym głównie Ni,
Cr, Si, Mn, często dodatki Mo, V, W, Ti, Nb, Co i B.

•Gdy łącznie stężenie dodatków nie przekracza 2,5%
staliwo uważane jest za niskostopowe, gdy jest zawarte
w przedziale 2,5-5% - za średniostopowe, a przy
stężeniu większym od 5% za wysokostopowe.

•Oznaczenie staliw stopowych rozpoczyna się od litery G
lub L, a następujący po nich znak jest zgodny z
systemem oznaczania odpowiedniej grupy stali.

Klasyfikacja staliw stopowych

•

Staliwa stopowe dzieli się na:

1.

Konstrukcyjne i maszynowe

•

staliwa ogólnego przeznaczenia,

•

staliwa do pracy pod ciśnieniem

pokojowej i podwyższonej

temperaturze,

•

staliwa do pracy pod ciśnieniem w

niskiej

temperaturze,

•

staliwa odporne na ścieranie

2.

Staliwa stopowe narzędziowe,

3.

Staliwa stopowe żaroodporne i żarowytrzymałe,

4.

Staliwa stopowe odporne na korozję.

Staliwa stopowe konstrukcyjne

i maszynowe

• Staliwa te stosowane są na silnie obciążone odlewy i

cechują się wysoką

wytrzymałością na rozciąganie

, przy

dużej

granicy plastyczności

i dużej ciągliwości.

• Skład chemiczny staliwa powinien być dobrany tak, aby

przy danej grubości ścianki odlewu umożliwiał

zahartowanie odlewu na wskroś oraz uzyskanie
jednolitych i dobrych własności mechanicznych na całym
przekroju odlewu po ulepszaniu cieplnym.

• Dodatki stopowe w tych staliwach przede wszystkim

podnoszą ich

hartowność

.

Staliwa stopowe żaroodporne

i żarowytrzymałe

•

Głównym składnikiem żaroodpornych staliw stopowych jest

chrom

, zapewniający dużą żaroodporność.

•

Staliwa żaroodporne i żarowytrzymałe dzielimy na:

Wysokochromowe – stosowane na odlewy mało obciążone,

pracujące w temperaturze utleniającej do 750-1150°C

Chromowo-niklowe
- ferrytyczno-austenityczne – stosowane na odlewy pracujące w

atmosferze utleniającej do 1100°C, odporne na działanie kąpieli
solnych,

- austenityczne – stosowane na odlewy pracujące pod

znacznym obciążeniem w atmosferze utleniającej do 900-
1150°C,

staliwa wysokoniklowe są mało odporne na działanie

gazów ze związkami siarki

!

Orientacyjny skład chemiczny

i maksymalna temperatura pracy staliw

ż

aroodpornych wysokochromowych

900

18

≤

1

1,6

GX160CrSi18

1050

24,5

≤

1

0,4

GX40CrSi24

750

7

0,75

1,8

0,28

GX30CrSi7

Cr

Mn

Si

C

Maksymalna

temperatura

pracy, °C

Ś

rednie stężenie pierwiastków *, %

Znak staliwa

Orientacyjny skład chemiczny i własności

ż

aroodpornych staliw chromowo-niklowych

1020

6

420

220

-

37,5

19,5

1,8

0,4

GX40NiCrSi38-19

950

8

450

230

-

10

22

1,8

0,4

GX40CrNiSi22-10

1100

3

550

250

-

4,5

26,5

1,8

0,4

GX40CrNi27-4

A, %

R

m

,

MPa

R

e

,

MPa

Nb

Ni

Cr

Si

C

Maksymalna

temperatura

pracy, °C

Minimalne własności

Stężenie pierwiastków*, %

Znak staliwa

Staliwa stopowe odporne na

korozję

•

Podstawowym dodatkiem stopowym jest chrom ≥
12%, a ponadto nikiel, molibden i miedź.

•

Staliwa stopowe odporne na korozję dzielimy na:

Martenzytyczne – stosowane na odlewy odporne na

korozję atmosferyczną, w parze wodnej i w wodzie
morskiej, w przemyśle chemicznym, na wały turbin
wodnych i parowych, śruby okrętowe, armatura wodna

Austenityczne - stosowane na odlewy odporne na

działanie kwasów organicznych, wody morskiej,

pompy, zbiorniki, rurociągi, odlewy do pracy pod
ciśnieniem, elementów kotłów parowych i innych
urządzeń, zaworów o żarowytrzymałości do ok.550°C,

niektóre staliwa można stosować do -196 °C.

Staliwa stopowe odporne na

korozję c.d.

Austenityczno-ferrytyczne - stosowane na

odlewy o większej wytrzymałości w
porównaniu ze staliwami austenitycznymi
(szczególnie odporne na korozję
naprężeniową),

odlewy do pracy pod ciśnieniem,

elementy kotłów parowych i innych urządzeń,
zaworów o dużej wytrzymałości,
odlewy na zbiorniki ciśnieniowe do ok.250°C,

niektóre staliwa można stosować do - 70 °C

.

Orientacyjny skład chemiczny i własności

staliw stopowych odpornych na korozję

50

15

760

550

590-

620

1000-

1050

N ≤0,2

≤

0,7

4,3

12,8

≤

0,06

GX4CrNi13-

4

20

15

620

450

650-

750

950-

1050

-

≤

0,5

≤

1

12,5

≤

0,

5

GX12Cr12

KV,

J

A,

%

Rm,

MPa

Re,

MPa

odpus
zczani

a

hartowa

nia

Inne

Mo

Ni

Cr

C

Minimalne własności

Temperatura

°C

Stężenie pierwiastków, %

Znak

staliwa

Orientacyjny skład chemiczny i własności

austenitycznych i austenityczno-ferrytycznych

staliw stopowych odpornych na korozję

30

20

590

420

1040-

1140

N: 0,15

-

-

6,5

26

≤

0,08

GX6CrNiN

26-7

Staliwa austenityczno-ferrytyczne

60

30

430

165

1080-

1180

N ≤0,2

≤

2

2,25

28

20,5

≤

0,03

GX2CrNiMo

28-20-2

Staliwa w pełni austenityczne

80

30

440

195

1080-

1150

N ≤0,2

-

2,25

10,5

19

≤

0,03

GX2CrNiMo

19-11-2

Staliwa austenityczne

Z,
%

A,

%

Rm,

MPa

Re,

MPa

Inne

Cu

Mo

Ni

Cr

C

Minimalne własności

Tempe

ratura

przesy

cania,

°C

Stężenie pierwiastków, %

Znak

staliwa

Odlewnicze stopy żelaza

Ż

eliwa niestopowe,

Ż

eliwa stopowe

Ż

eliwa niestopowe

• Żeliwo należy do materiałów odlewniczych

najpowszechniej stosowanych w budowie
maszyn. Decydują o tym niski koszt
produktów, niska temperatura topnienia,
dobre własności wytrzymałościowe oraz
dobra skrawalność.

• Żeliwo zawiera ok. 2-4% węgla.

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), w których

węgiel występuje głównie jako

grafit

i częściowo

związanej jako

cementyt w perlicie

; mają one

szerokie zastosowanie. Ze względu na kształt
wydzieleń grafitu wyróżnia się żeliwo z grafitem

płatkowym, sferoidalne i ciągliwe

,

•

połowiczne

(pstre) – węgiel w postaci cementytu

i grafitu.

węgiel żarzenia

[C] cementyt [Fe

3

C]

perlit [P]

I

IIa

II

IIb

III

IV

V

perlit

perlit

P+C

P+C+G

P+G

F+C

ż

arz

.

P+G

F+G

P+F+
G

grafit [G]

ferryt [F]

grafit sferoidalny

grafit

ferryt

I- białe, IIa- połowiczne, II- szare perlityczne, IIb- szare ferrytyczno-perlityczne,

III- szare ferrytyczne, IV- sferoidalne, V- ciągliwe

Typowe struktury żeliw

Wzorce kształtu grafitu

wg PN-EN ISO 945:1999

Oznaczanie żeliw

•

Ż

eliw zgodnie z PN-EN 1560:2001, są oznaczane na

podstawie:

1.

symboli – znak składa się liter EN-GJ, litery

określającej postać grafitu lub cementytu i jeśli to

konieczne następnej litery identyfikującej mikro lub
makrostrukturę. Następne części znaku (oddzielone od
siebie kreskami) klasyfikują żeliwo wg własności lub

składu chemicznego,

2.

lub numerów – oznaczenie to zaczyna się od liter EN-
J, następnie jest litera określająca strukturę (zwłaszcza

postać grafitu) i czterocyfrowy numer, np. EN-JS1131

•

Wg norm krajowych oznaczenia żeliw zaczynają się

od litery Z.

Podział i znakowanie żeliw szarych

• żeliwa szare zwykłe i żeliwa modyfikowane

EN-GJL-100(100 – R

m

[N/mm

2

])

EN-GJL-350 (żeliwo modyfikowane)

• ż

eliwa sferoidalne

EN-GJS-350-22 (350 - R

m

[N/mm

2

], 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

Wykres Maurera wskazujący rodzaj struktury, jaka powinna powstać w

odlewie żeliwnym o grubości 50 mm w zależności od zawartości węgla i

krzemu

Wpływ chłodzenia na strukturę

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

Wpływ chłodzenia na strukturę

Klasyfikacja żeliwa szarego

• Szare zwykłe
• Modyfikowane za pomocą 0,1-0,5% Fe-

Si,Ca-Si,Al

• Sferoidalne, modyfikowane za pomocą Mg

lub Ce

Warunki wytwarzania i struktura

ż

eliw ciągliwych

Warunki wytwarzania i struktura

ż

eliw ciągliwych

czas

te

m

pe

ra

tur

a

I stopień graf.

II stopień graf.

Fe

3

C→3Fe+C

Wpływ grafitu na własności

ż

eliw

•

Grafit powoduje zmniejszenie własności
wytrzymałościowych żeliwa i zmianę niektórych
innych własności, a szczególnie:

1. Działa jako karb wewnętrzny, stanowiąc

nieciągłości w metalu, zmniejsza skurcz
odlewniczy,

2. Polepsza skrawalność,
3. Zwiększa własności ślizgowe,
4. Sprzyja tłumieniu drgań,
5. Powoduje zmniejszenie wytrzymałości

zmęczeniowej.

Wpływ domieszek na proces

grafityzacji

•

Grafityzację

1. Ułatwiają – krzem i fosfor,
2. Utrudniają – mangan i siarka.

Wpływ szybkości chłodzenia na

strukturę i własności żeliw

• Wraz ze zwiększeniem grubości ścianek

odlewu zwiększa się ilość i grubość
płatków wydzielonego grafitu, co powoduje
zmniejszenie własności
wytrzymałościowych.

• Zapobiega się temu zjawisku poprzez

zmniejszenie stężenia węgla i krzemu oraz
innych pierwiastków grafityzujących
w żeliwie

Porównanie własności żeliw niestopowych

-

-

110-

190

10-20

260-

300

300-

400

Węgile

ż

arzenia w

osnowie

ferrytu

Czarne

Dobra wytrzymałość plastyczność
i odporność na obciążenia
dynamiczne, liczne zastosowania

--

-

120-

220

5-10

280-

320

350-

450

Powierzchnio

wo odwęglona

2,5% C

0,8% Si

Białe

Ciągliwe

900-

1000

1000-

1250

240-

290

3

300-

400

600-

750

Grafit kulisty

w osnowie

perlitycznej

Perlityczne

Dobre własności mechaniczne
i plastyczne, ,dobra lejność,
liczne zastosowania

900-

950

750-

900

130-

170

10-25

200-

300

400-

450

Grafit kulisty

w osnowie

ferrytycznej

3,5% C

2% Si

Ferrytyczne

Sferoidal

ne

Mała wrażliwość struktury na
grubość ścianki odlewu, gorsza
lejność i obabialnośc oraz
wyższy koszt wytwarzania niż
ż

eliwa szarego zwykłego

450-

650

750-

1000

210-

320

0,5

200-

275

300-

400

Drobne płatki

grafitu w

osnowie

perlitycznej

2,75% C

2,25% Si

Perlityczne

Szare

modyfiko

wane

180-

240

0,5

100-

200

150-

250

Grafit

płatkowy w

osnowie

perlitycznej

Perlityczne

Niewielka wytrzymałość

i plastyczność, dobra lejność

i obrabialność, duża zdolność
do tłumienia drgań, niski koszt
wytwarzania, powszechne
zastosowanie

350-

450

600-

800

100-

150

0,5-1

85-

140

125-

200

Grafit

płatkowy w

osnowie

ferrytycznej

3,25% C

2% Si

Ferrytyczne

Szare

zwykłe

450-

500

-

450-

600

0

-

300-

450

3,25% C

0,25% Si

Wysoko-
węglowe

Znaczna kruchość, twardość,
i odporność na ścieranie, zła
obrabialność, używane do
produkcji żeliwa ciągliwego.

500-

700

-

450-

550

0

-

250-

300

Ledeburyt

przemie-

niony

2,75% C

1% Si

Nisko-

węglowe

Białe

Cechy eksploatacyjne

Rg.

MPa

Rc,

MPa

HB

A, %

Re,

MPa

Rm,

MPa

Struktura

Główne

składniki

Grupa żeliw

Ż

eliwa stopowe

•

Do żeliw stopowych są wprowadzane dodatki stopowe,
występujące oprócz domieszek.

•

Pierwiastki te są dodawane w celu polepszenia
własności użytkowych żeliwa, a w szczególności:

1.

Zwiększenia własności mechanicznych,

2.

Zwiększenia odporności na ścieranie,

3.

Polepszenia odporności na działanie korozji
elektrochemicznej,

4.

Polepszenia odporności na działanie korozji gazowej
w podwyższonej temperaturze,

5.

Polepszenia własności fizycznych np. magnetycznych
lub elektrycznych.

Oznaczanie żeliw stopowych

• Zgodnie z PN-88/H-83144 znak żeliwa

stopowego szarego lub połowicznego
rozpoczyna się literami - Zl, białego – Zb,
sferoidalnego – Zs, po czym podane są
symbole pierwiastków stopowych i liczby
określające średnie stężenie pierwiastka
w żeliwie.

Ż

eliwa 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%)

Ż

eliwa stopowe o podwyższonej

odporności na ścieranie

• Ż

eliwa 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.

• Ż

eliwa 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.

Ż

eliwa stopowe żaroodporne

i żarowytrzymałe

•

Wyróżniamy następujące żeliwa stopowe
ż

aroodporne:

1.

Chromowe – (0,6-3%) odlewy pracujące w
temperaturze do ok. 550-650°C, np. elementy
konstrukcyjne pieców, palenisk, aparatury chemicznej,
niektóre elementy silników,

2.

Krzemowe – (4,5-6%) odlewy pracujące w temp. do
ok. 700°C, np. retorty, ruszty,

3.

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,

Ż

eliwa stopowe żaroodporne

i żarowytrzymałe c.d.

4.

Wysokochromowe - (25-34%) odlewy pracujące w
atmosferze utleniającej w temperaturze do ok. 1100
°C, żeliwa odporne na ścieranie oraz działanie
niektórych czynników korozyjnych,

5.

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.

•

Ż

arowytrzymałość ulega znacznemu zwiększeniu

prze dodatek Mo.

Ż

eliwa stopowe odporne na

korozję

•

Zwiększenie odporności na korozję w szczególności
powodują Si, Cr i Ni,

•

Wyróżniamy następujące żeliwa stopowe odporne na
korozję:

1.

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,

2.

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,

Ż

eliwa 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,

Ż

eliwa 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.

Ż

eliwa 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: R

m

(380-500 MPa),

A (6-45%), HB (130-250), KCU (20-40 J/cm

2

)