Ż

eliwa

●

wcze

ś

niej, po zastosowaniu

koksu

(Anglia 1735),

masowo produkowano tylko

ż

eliwo

,

- ozdoby, meble ogrodowe, trumny,
- mosty (pierwszy w 1779 – istnieje do dzisiaj), kolumny oraz sklepienia architektoniczne, statki,
- cylindry silników parowych, ło

ż

a tokarek, ró

ż

ne cz

ęś

ci maszyn,

- szczególnie w epoce wiktoria

ń

skiej (Anglia 1837

÷÷÷÷

1901) – wszelkie mo

ż

liwe zastosowania !!!

(odlewnicze stopy

ż

elaza, w których cz

ęść

lub cały w

ę

giel jest w postaci wolnej –

grafit

)

(konwertor)

(piec martenowski)

- mo

ż

liwo

ść

wytapiania w prymitywnych piecach (wystarczy temperatura

ok. 1160

°

C !!!

),

●

masowe wytwarzanie stali rozpocz

ę

ło si

ę

dopiero w drugiej połowie XIX wieku,

- metody wynalezione przez Bessemera (1856), Siemensa (1863) oraz Martina (1865),

- uzyskano a

ż

dziesi

ę

ciokrotny spadek ceny i niesłychany wzrost produkcji

(na całym

ś

wiecie z ok. 60 tys. ton w roku 1850 do ok. 28 mln ton w roku 1900),

(+)

●

w połowie XX wieku -

modyfikowanie

ż

eliw

(zmiana kształtu grafitu - do

sferoidalnego

),

- do dzisiaj

ż

eliwa s

ą

du

ż

o ta

ń

sze od stali i staliw (stal odlewana) – dla zło

ż

onych kształtów,

●

wła

ś

ciwo

ś

ci

ż

eliw szarych (z klasycznym grafitem płatkowym):

-

bardzo mała wytrzymało

ść

na rozci

ą

ganie oraz odporno

ść

na obci

ąż

enia udarowe

,

- du

ż

a wytrzymało

ść

na

ś

ciskanie, du

ż

a odporno

ść

na zu

ż

ycie powierzchni

ś

lizgowych,

- dobre tłumienie drga

ń

, mniejszy ni

ż

w staliwach skurcz odlewniczy oraz napr

ęż

enia własne,

- renesans stosowania

ż

eliw oraz nowe obszary zastosowa

ń

(zast

ę

puj

ą

stal i staliwo),

- płatki grafitu krótkie, kr

ę

pe, t

ę

po zako

ń

czone,

- zwarty w

ę

giel

ż

arzenia,

-

grafit sferoidalny – idealny kształt

(prawie nie obni

ż

a wła

ś

ciwo

ś

ci wytrzymało

ś

ciowych),

- np. wały korbowe oraz wałki rozrz

ą

du w silnikach spalinowych,

●

posta

ć

grafitu - wytrzymało

ś

ciowo najgorsza (płatkowa) oraz najlepsza (kulista)

nie trawione – grafit płatkowy (długi, cienki, ostro zako

ń

czony)

schemat grafitu
płatkowego

L.A. Dobrza

ń

ski)

(R.F. Cochrane)

(+)

nie trawione – grafit płatkowy (długi, cienki, ostro zako

ń

czony)

grafit sferoidalny w osnowie ferrytycznej

grafit sferoidalny

schemat
budowy

http://de.wikipedia.org/wiki/

(R.F. Cochrane)

ż

eliwo szare z grafitem płatkowym – historycznie najstarsze ale dalej stosowane (zwykle modyfikowane)

stan nietrawiony

(R.F. Cochrane)

(A. Krajczyk)

grafit niemodyfikowany

grafit modyfikowany (wermikularny)

(+)

stan trawiony – osnowa ferrytyczna

stan trawiony – osnowa perlityczno-ferrytyczna

(A. Krajczyk)

brama z

ż

eliwa – pałac Buckingham, Londyn

ogrodzenie z

ż

eliwa – Wimpole Hall, Cambridge

(-)

(H.K.D.H. Bhadeshia)

www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/

(

ż

eliwo z grafitem płatkowym)

konstrukcje mostów z

ż

eliwa szarego

„Ironbridge -1779

„Ironbridge -1779

(H.K.D.H. Bhadeshia)

(-)

rzeka Severn, Anglia

„Ironbridge -1779

Victoria Bridge -1850

(H.K.D.H. Bhadeshia)

konstrukcja mostu z

ż

eliwa szarego - „Ironbridge” (1779)

(rzeka Severn, Anglia)

(

ż

eliwo z grafitem płatkowym)

(-)

(

www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2001/adi/cast.iron

- fot. Yokota Tamoyki)

● ż

eliwo szare w dawnym budownictwie

(-)

(www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/)

(-)

(fot. S. Kühn)

http://de.wikipedia.org/wiki/

C.S.S. Virginia (1850-1865)

●

posta

ć

grafitu - wytrzymało

ś

ciowo najgorsza (płatkowa) oraz najlepsza (kulista)

nie trawione – grafit płatkowy (długi, cienki, ostro zako

ń

czony)

schemat grafitu
płatkowego

L.A. Dobrza

ń

ski)

(R.F. Cochrane)

(+)

nie trawione – grafit płatkowy (długi, cienki, ostro zako

ń

czony)

grafit sferoidalny w osnowie ferrytycznej

grafit sferoidalny

schemat
budowy

http://de.wikipedia.org/wiki/

(R.F. Cochrane)

●

rury

ż

eliwne (kanalizacja) – dawniej i dzisiaj

(

ż

eliwo z grafitem płatkowym)

(-)

(

ż

eliwo sferoidalne - 2004)

wał korbowy samochodu sportowego – „TVR Tuscan Speed 6”
(

ż

eliwo sferoidalne hartowane izotermicznie)

obecnie – przykłady bardziej wyrafinowanych zastosowa

ń

(-+)

wahacz zawieszenia – „Ford Mustang Cobra”
(

ż

eliwo sferoidalne hartowane izotermicznie)

(H.K.D.H. Bhadeshia)

www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2001/adi/cast.iron

element zawieszenia ci

ęż

kiego samochodu ci

ęż

arowego

inne przykłady
zastosowania

ż

eliw

blok silnika
(„nie ma dobrego
diesla bez

ż

eliwa”)

tarcza
hamulcowa

(-+)

ż

eliwo sferoidalne hartowane izotermicznie

(odlewnia: „Steele and Lincoln Foundry”

(H.K.D.H. Bhadeshia)

hamulcowa

korbowody

ż

eliwo sferoidalne – najwy

ż

sze wła

ś

ciwo

ś

ci mechaniczne

(+-)

stan trawiony – osnowa ferrytyczna

stan trawiony – osnowa perlityczno-ferrytyczna

(A. Krajczyk)

(A. Krajczyk)

stan trawiony – osnowa bainityczna (hart. izotermiczne)

(M.A. Yescas-Gonzales - Cambridge)

Wykres równowagi metastabilnej Fe – Fe

3

C oraz

Fe - C

gr

(opis fazowy)

fazy stałe:

ferryt, austenit

, cementyt lub

grafit

(+)

γγγγ

+ C

gr

αααα

+ C

gr

Proces grafityzacji

●

polega na rozkładzie metastabilnego cementytu na w

ę

giel wolny (grafit) oraz roztwór stały,

●

w zale

ż

no

ś

ci od temperatury grafityzacji:

T

A

1

Fe

3

C

⇒

⇒

⇒

⇒

C

gr

+

γγγγ

Fe

3

C

⇒

⇒

⇒

⇒

C

gr

+

αααα

●

grafityzacji (rozkładowi cementytu) sprzyjaj

ą

pierwiastki destabilizuj

ą

ce cementyt, tzn.

zwi

ę

kszaj

ą

ce jego energi

ę

swobodna F (pierwiastki rozpuszczone w cementycie):

(+)

-

krzem (jego wpływ traktowany jest jako poziom odniesienia)

,

- aluminium (trzykrotnie wi

ę

kszy wpływ ale rzadko stosowane),

- nikiel, mied

ź

, fosfor (wielokrotnie słabiej ni

ż

Si),

- oraz

w

ę

giel

( im wi

ę

cej w

ę

gla w stopie tym mniej trwały cementyt),

●

modyfikowanie (dostarczanie podkładek do zarodkowania grafitu) ułatwia grafityzacj

ę

,

- wi

ę

kszo

ść

badaczy uwa

ż

a,

ż

e w cieczy jednak najpierw krystalizuje cementyt (6,67 %C) a dopiero

pó

ź

niej nast

ę

puje jego rozkład na grafit (100 %C) i austenit,

- krystalizacja grafitu w cieczy jest mniej prawdopodobna (wymagałaby wi

ę

kszego ruchu atomów),

Klasyfikacja

ż

eliw

(+)

grafit płatkowy

grafit

ż

arzenia

grafit sferoidalny

bez grafitu

(od płatków długich, cienkich, ostro
zako

ń

czonych do krótkich, grubych,

t

ę

po zako

ń

czonych - w wyniku

modyfikowania)

(kłaczkowy ale coraz
bardziej zwarty w
wyniku modyfikowania)

(ledeburyt)

(podwójnie
modyfikowany)

(B. Ku

ź

nicka)

●

trzy główne grupy

ż

eliw w zale

ż

no

ś

ci od postaci (kształtu grafitu):

(+-)

(B. Ku

ź

nicka)

●

skład chemiczny

ż

eliw (najwa

ż

niejszy

C

oraz

Si

),

(+)

●

Mn

(0,4

÷÷÷÷

1,4%) – jako domieszka lub

celowy dodatek

,

- hamuje grafityzacj

ę

w ni

ż

szych temperaturach (utrudnia rozkład perlitu, ułatwia jego sferoidyzacj

ę

),

- wi

ąż

e bardzo szkodliw

ą

S w niegro

ź

ne MnS,

●

S

<0,12%, zwykle 0,08

÷÷÷÷

0,1% -

domieszka szkodliwa

(hamuje grafityzacj

ę

, zmniejsza lejno

ść

, du

ż

y skurcz),

●

P (0,1

÷÷÷÷

1,0%) – jako domieszka lub

celowy dodatek

(dodatni wpływ na grafityzacj

ę

),

- tworzy niskotopliw

ą

(ok. 953

°

C) eutektyk

ę

(

αααα

+ Fe

3

C + Fe

3

P) nazywan

ą

steadytem

,

- poprawia lejno

ść

, podwy

ż

sza odporno

ść

na

ś

cieranie, siatka steadytu powoduje krucho

ść

,

●

eutektyka fosforowa (steadyt) w

ż

eliwie szarym

(+-)

pojedyncze wtr

ą

cenia steadytu

siatka wtr

ą

ce

ń

steadytu

(A. Krajczyk)

●

wzorce kształtu grafitu według PN-EN ISO 945:1999

I

II

III

(w normie podano równie

ż

wzorce wielko

ś

ci i sposobu rozmieszczenia grafitu)

(-+)

IV

V

VI

(za L.A. Dobrza

ń

skim)

Ż

eliwa szare -

z grafitem płatkowym, zwykłe i modyfikowane

(pogl

ą

dowy wykres Maurera

dla grubo

ś

ci

ś

cianki 50 mm)

●

wpływ zawarto

ś

ci C i Si na struktur

ę

osnowy metalowej

ż

eliw szarych,

(+)

●

wpływ szybko

ś

ci chłodzenia (grubo

ś

ci

ś

cianki)

na osnow

ę

metalowa

ż

eliwa szarego,

(R. Haimann)

●

klasyfikacja

ż

eliw szarych

(+)

(B. Ku

ź

nicka)

●

kryterium klasyfikacji

ż

eliw szarych mo

ż

e by

ć

minimalne R

m

lub

minimalna twardo

ść

(HB)

- oba parametry s

ą

powi

ą

zane ze sob

ą

(zale

ż

no

ść

empiryczna wg PN-EN 1561:2000):

HB = RH

××××

(A + B

××××

R

m

) powszechnie przyjmuje si

ę

: A = 100, B = 0,44

- współczynnik

RH

nazywany jest twardo

ś

ci

ą

wzgl

ę

dn

ą

(zwykle 0,8

÷

1,2 tzn.

±

20%),

- dokładno

ść

warto

ś

ci RH jest miar

ą

powtarzalno

ś

ci wyrobów danego wytwórcy (odlewni),

- pomiar R

m

wykonuje si

ę

na dwa przybli

ż

one sposoby:

-próba rozci

ą

gania odlewanych osobno pr

ę

tów próbnych,

-próba rozci

ą

gania odcinanych z odlewu specjalnych próbek przylanych (jest dokładniejsza),

- pomiar HB wykonuje si

ę

bezpo

ś

rednio na odlewie w przewidzianych do tego miejscach (nadlewkach)

(-+)

(L.A. Dobrza

ń

ski)

●

modyfikowanie

ż

eliwa szarego (stosowana jest zwykle osnowa perlityczna – najwy

ż

sze R

m

),

- główne cele modyfikowania:

- krótkie, kr

ę

pe i t

ę

po zako

ń

czone płatki grafitu, równomierna wielko

ść

i rozmieszczenie,

- uniezale

ż

nienie kształtu, wielko

ś

ci i sposobu rozmieszczenia grafitu od grubo

ś

ci

ś

cianki,

- modyfikatory (dostarczaj

ą

podkładek ułatwiaj

ą

cych zarodkowanie grafitu),

- stopy nazywane „

ż

elazokrzemem” (Si + 30% Fe oraz dodatki Ca, Al, Ni, Ti), które

po rozpuszczeniu w ciekłym

ż

eliwie tworz

ą

zwi

ą

zki ułatwiaj

ą

ce zarodkowanie grafitu,

(+)

grafit płatkowy niemodyfikowany

grafit płatkowy modyfikowany

(http://de.wikipedia.org/wiki/)

Przykłady struktur

ż

eliwa szarego perlitycznego

z modyfikowanym grafitem płatkowym,

przypuszczalnie:

EN-GJL-300 lub
EN-GJL-350

(A. Krajczyk)

(-+)

grafit płatkowy modyfikowany,
rozmieszczony mi

ę

dzydendrytycznie,

taki kształt nazywany jest „

wermikularnym

”

●

porównanie zachowania si

ę

przy rozci

ą

ganiu oraz skr

ę

caniu

stali niskow

ę

glowej oraz

ż

eliwa szarego:

przełomy kruche

przełom ci

ą

gliwy

rozdzielczy

stal

stal

ż

eliwo

ż

eliwo

(+-)

Próba rozci

ą

gania

Próba skr

ę

cania

przełom ci

ą

gliwy

po

ś

lizgowy

●

podsumowanie zalet oraz wła

ś

ciwo

ś

ci

ż

eliwa szarego:

- dobra lejno

ść

oraz mały skurcz w porównaniu do staliw,

- zdolno

ść

do tłumienia drga

ń

,

- niewra

ż

liwo

ść

na działanie karbu (zewn

ę

trznego),

- bardzo dobre wła

ś

ciwo

ś

ci

ś

lizgowe (grafit),

(+)

- bardzo dobra skrawalno

ść

(małe opory oraz łamliwy wiór),

- odporno

ść

na korozj

ę

lepsza ni

ż

stali niestopowej,

- wytrzymało

ść

na

ś

ciskanie podobna jak dla stali,

- wytrzymało

ść

na rozci

ą

ganie mała (max 350 MPa)

(B. Ku

ź

nicka)

(+)

(B. Ku

ź

nicka)

(+-)

(L.A. Dobrza

ń

ski)

Ż

eliwo sferoidalne (nazywane równie

ż

podwójnie modyfikowanym)

●

otrzymywane przez podwójne modyfikowanie

ż

eliwa szarego,

- modyfikowanie

ż

elazokrzemem (z dodatkami Ca, Al, Sr, Ba) w celu ułatwienia

zarodkowania grafitu (podkładki) – grafit drobny oraz równomiernie rozmieszczony,

- modyfikowanie magnezem oraz/lub cerem w celu uzyskania sferoidalnego kształtu grafitu

(podwy

ż

szanie energii granicy mi

ę

dzyfazowej),

●

k

ą

piel metalowa przed modyfikowaniem wymaga specjalnego odsiarczania (< 0,03% S)

w celu zapobiegni

ę

cia powstawania siarczków pierwiastków modyfikuj

ą

cych (Mg, Cr),

- modyfikatory to stopy nazywane „zaprawami” (Si z Mg, Cu z Mg i Cr, Ni z Mg i Cr)

(+)

●

niska temperatura topnienia i wrzenia Mg (650

°

C oraz 1107

°

C) oraz du

ż

e powinowactwo do tlenu

wymagaj

ą

specjalnych metod wprowadzania modyfikatorów do k

ą

pieli metalowej,

- najefektywniejsze metody polegaj

ą

na podawaniu modyfikatorów w strug

ę

metalu wlewanego do formy,

● ż

eliwa sferoidalne mo

ż

na klasycznie obrabia

ć

cieplnie (podobnie jak stale) - R

m

= 700

÷÷÷÷

900 MPa,

● ż

eliwo sferoidalne ADI (Austempered Ductile Iron) hartowane z przemian

ą

izotermiczn

ą

osi

ą

ga

R

m

= 800

÷÷÷÷

1400 MPa, przy wydłu

ż

eniu A = 8

÷÷÷÷

1%

(struktura iglastego lekko przesyconego w

ę

glem ferrytu oraz austenitu nieprzemienionego)

- du

ż

a odporno

ść

na zu

ż

ycie i zm

ę

czenie, ekonomiczne o bardzo dobrej kombinacji wytrzymało

ś

ci

oraz ci

ą

gliwo

ś

ci, konkurencyjne do stali w wielu wyszukanych zastosowaniach (np. koła z

ę

bate),

(+)

(B. Ku

ź

nicka)

(+)

(B. Ku

ź

nicka)

(+-)

(L.A. Dobrza

ń

ski)

●

przykłady zastosowa

ń

ż

eliwa ci

ą

gliwego

(-+)

(+-)

(A. Krajczyk)

ci

ą

gliwe ferrytyczne, np. GJMB-350-10

ci

ą

gliwe perlityczno-ferrytyczne, np. GJMB-450-6

ci

ą

gliwe perlityczno-ferrytyczne, np. GJMB-600-3

(B. Ku

ź

nicka)

(+-)

(-)

(L.A. Dobrza

ń

ski)