37. Żeliwo sferoidalne, otrzymywanie, podział, oznaczenie, struktury, właściwości

Ż

eliwo - stop odlewniczy żelaza z węglem zawierający ponad 2% do 3.6% węgla w postaci

cementytu lub grafitu. Występowanie konkretnej fazy węgla zależy od szybkości chłodzenia.
Chłodzenie powolne sprzyja wydzielaniu się grafity. Także i dodatki stopowe odgrywają tu
pewna role. Krzem powoduje skłonność do wydzielania się grafitu, a mangan przeciwnie,
stabilizuje cementyt. Żeliwo otrzymuje się przez wygrzewanie surówki z dodatkami złomu
stalowego lub żeliwnego w piecach zwanych żeliwniakami. Tak powstały materiał stosuje się
do wykonywania odlewów. Żeliwo charakteryzuje się niewielkim 1.0% do 2.0% skurczem
odlewniczym, łatwością wypełniania form, a po zastygnięciu cechują obrabialnością. Wyroby
odlewnicze po zastygnięciu, by usunąć ewentualne ostre krawędzie i pozostałości formy
odlewniczej poddaje się szlifowaniu. Odlewu poddaje się także procesowi sezonowania,
którego celem jest zmniejszenie wewnętrznych naprężeń, które mogą doprowadzić do
odkształceń lub uszkodzeń wyrobu. Żeliwo, dzięki wysokiej zawartości węgla posiada
wysoka odporność na korozje. Grafit powstaje w procesie rozpadu cementytu(grafityzacji),
cementyt jest związkiem nie stałym i ulega rozpadowi na ferryt i grafit(mniejsza energia
swobodna).

W odróżnieniu od pozostałych grup żeliw szarych bardzo dobre własności – zarówno, jak i
plastyczne – wykazuje żeliwo sferoidalne. Uzyskuje się je w wyniku modyfikowania podczas
odlewania żeliwa o tendencji do krzepnięcia jako szare, lecz o bardzo małym stężeniu siarki i
fosforu. Jako modyfikatorów używa się magnezu lub ceru. W wyniku tego zabiegu
technologicznego

grafit

występuje

w

tych

ż

eliwach

w

postaci

kulistej.

Żeliwo sferoidalne należy do grupy żeliw szarych które dzielą się:
-

szare

zwykłe (zawiera

grafit

płatkowy

różnej

wielkości)

-

ż

eliwo

sferoidalne (zawiera

grafit

sferoidalny(kulkowe)

-

ż

eliwo

modyfikowane (zawiera

drobny

grafit

płatkowy)

- żeliwo wermikularne

Ż

eliwo sferoidalne cechuje się duża zawartością węgla od 2.5 do nawet 4%(Si 0.5-5%-duży

wpływ na grafityzacje-rozszerza zakres wydzielania się grafitu z cieczy bo latwo rozpuszcze
się w pelicie i ferrycie zastępując węgiel) i dzięki temu poprawiają się własności żeliwa:
-lepsza lejnośc
-maleje skurcz
-zwiększa się skłonność do wydzielania grafitu(lepsza skrawalność, własności ślizgowe,
tłumienie drgań)
Ż

eliwa sferoidalne cechują się rózną strukturą zależna od zawartości węgla i różnych

dodatków(modyfikatorów), wyróżniamy głównie po obróbce cieplnej:
-perlityczne
-perlityczno-ferrytyczne
-ferrytyczne

Nazewnictwo: EN-GJS-350-22 gdzie EN-norma europejska G-odlewany J-żeliwo
S-sferoidalny 350-minimalne Rm 22-minimalne A%(wydłużenie względne).

Ż

eliwo sferoidalne powstaje podczas podwójnego modyfikowania, pierwsze magnezem i

cerem(lub ich stopami) a następnie żelazokrzemem. Co w efekcie daje grafit drobny,
równomiernie rozmieszczony(magnez i cer daje kulkowy kształt-podwyższa energie
graniczną międzyfazową). Przed modyfikowaniem trzeba odsiarczyć . Można obrabiać
cieplnie, RM do 1400 MPa A-8-10%.

Odmianą żeliwa sferoidalnego jest zeliwo ADI-iglast, lekko przesycony węglem ferryt i faza
γ

o dużej odporności na zużycie i zmęczenie, wytrzymały i ciągliwy(koła zębaty wały

korbowe walce, pierścienie tlokowe)

Ż

eliwo sferoidalne ADI - Instytut Odlewnictwa opracował technologię wytwarzania żeliwa

sferoidalnego znanego za granicą pod nazwą "Austempered Ductile Iron" (ADI). Jest to
ż

eliwo o osnowie metalowej składającej się z igieł ferrytu bainitycznego i nasyconego

węglem, stabilnego austenitu. Dzięki połączeniu wysokiej wytrzymałości na rozciąganie i
odporności na ścieranie z bardzo dobrą plastycznością, żeliwo ADI znajduje zastosowanie w
wielu gałęziach przemysłu jako substytut staliwa stopowego i stali nawęglanej, bądź
ulepszanej cieplnie.

38. Stale drobno i gruboziarniste, uzyskiwanie drobnoziarniści, wpływ wielkości ziarna
na właściwości.

Podczas austenityzowania (przemiana perlitu w austenit) dąży się zwykle do otrzymania

możliwie jednorodnego austenitu, jako że ma to duży wpływ na procesy zachodzące podczas

chłodzenia. Długotrwałe wygrzewanie lub znaczne podwyższanie temperatury korzystnie

wpływa na ujednorodnienie austenitu, z drugiej jednak strony prowadzi do niepożądanego

rozrostu jego ziarn. Austenit bezpośrednio po powstaniu z perlitu jest drobnoziarnisty,

gdyż podczas grzania powstaje duża liczba zarodków, które stają się później ziarnami. Liczba

tych zarodków jest tym większa, im większa jest szybkość grzania. Rozrost ziarna przebiega

samorzutnie, jest to związane ze zmniejszeniem energii swobodnej układu. Proces ten

hamują nierozpuszczone cząstki innych faz, dlatego też stale, w których znajduje się

duża ilość bardzo drobnych, trudno rozpuszczalnych w austenicie cząstek, wykazują

małą skłonność do rozrostu ziarn. W stalach tych rozrost ziarn, niekiedy bardzo szybki,

może się rozpocząć dopiero wtedy, gdy cząstki te rozpuszczą się. Również w stalach

uspokajanych aluminium wielkość ziarn podczas nagrzewania zwiększa się nieznacznie.

Stale o małej skłonności do rozrostu ziarn nazywane są stalami drobnoziarnistymi

w odróżnieniu od stali o dużej skłonności do tego rozrostu zwanych stalami

gruboziarnistymi, w których proces ten rozpoczyna się bezpośrednio po powstaniu austenitu.

To niejednakowe zachowanie się stali drobnoziarnistych i gruboziarnistych w temperaturach

wyższych niż A

c1

ilustruje schematycznie rys. 1.

Bardzo często rozrost ziarna typowy dla stali gruboziarnistych nazywamy rozrostem

normalnym albo inaczej ciągłym. Tego typu rozrost ziarna ze wzrostem temperatury

austenityzacji jest charakterystyczny dla stali średnio- i wysoko węglowych oraz

wysokostopowych. W przypadku stali drobnoziarnistych rozrost ziarn austenitu jest

początkowo

nieznaczny

i dopiero

po

osiągnięciu

temperatury

950 ÷ 1000 °C

(1223 ÷ 1273 K) ziarno zaczyna się szybko rozrastać. Ten typ rozrostu nazywamy

rozrostem anormalnym, występuje on najczęściej w stalach konstrukcyjnych

niestopowych oraz niskostopowych.

Rozrost ziarna nie odbywa się równomiernie, większe ziarna, mające większą trwałość

termodynamiczną, pochłaniają mniejsze, a same rozrastają się. Stąd występują pewne

kontrasty w wielkości ziarna i dopiero w wyższych temperaturach ziarno staje się bardziej

równomierne. Po ochłodzeniu ziarno końcowe ma taką wielkość jaką osiągnęło ziarno

austenitu podczas austenityzowania – rys. 2.

Należy pamiętać, że pojęcie stali drobnoziarnistej i gruboziarnistej dotyczy

skłonności do rozrostu ziarna austenitu i nie należy go łączyć z wielkością ziarna

rzeczywistego. Stal drobnoziarnista może mieć rzeczywiste ziarno grube, o ile zostanie

przegrzana, i odwrotnie – stal gruboziarnista może mieć rzeczywiste ziarno drobne, o ile

będzie nagrzana do temperatur nieznacznie tylko przewyższających temperaturę (A

c3

). Z tego

wzgląd nie ma różnicy we właściwościach pomiędzy stalami grubo- i drobnoziarnistymi, o ile

zostały one właściwie obrobione cieplnie i mają ziarno rzeczywiste jednakowej wielkości.

Różnica we właściwościach pomiędzy tymi stalami wystąpi wtedy, gdy ziarno rzeczywiste

będzie różne.

Podatność stali do przegrzania, wyrażająca się skłonnością ziarna austenitu do rozrostu

pod wpływem temperatury i czasu, nazywamy przegrzewnością. Przegrzewność stali ma

duże znaczenie technologiczne. Stale drobnoziarniste są mniej skłonne do przegrzewania.

Mają one szerszy zakres temperatur hartowania niż stale gruboziarniste. Przeróbkę

plastyczną na gorąco stali drobnoziarnistych można zakończyć przy wyższych

temperaturach niż stali gruboziarnistych bez obawy otrzymania grubego ziarna

rzeczywistego.

Z licznych badań prowadzonych nad czynnikami wpływającymi na rozrost ziarn

austenitu wynika, że hamująco na ten rozrost wpływają, oprócz parametrów

austenityzowania, wydzielenia drobnodyspersyjnych faz obcych, głównie azotków

i węglików, niektórych dodatków stopowych (Ti, V, Zr, Nb). Duży wpływ na wielkość

ziarna ma również szybkość grzania – wpływ ten dotyczy głównie stali do hartowania

powierzchniowego.

Stale drobnoziarniste umożliwiają stosowanie szerszego zakresu temperatury

austenityzowania podczas obróbki cieplnej oraz wyższej temperatury obróbki plastycznej na

gorąco.

Drobnoziarnista struktura austenitu pierwotnego wpływa na poprawę właściwości

mechanicznych(udarność Rm itp.) i eksploatacyjnych stali normalizowanych, hartowanych i
ulepszanych cieplnie.

39. Martenzyt, jego budowa i właściwości, wpływ węgla

1.1.1. Przemiana martenzytyczna. Martenzyt-przesycony węglem ferryt (perlit nie zdążyl
się zarodkować)

Przemiana martenzytyczna (nazywana przemianą bezdyfuzyjną lub ścinającą) zachodzi w

stalach po przechłodzeniu austenitu poniżej temperatury M

s

(ang. martensite start) z

prędkością równą lub większą od prędkości krytycznej (rys. 4b). W wyniku powyższej
przemiany powstaje martenzyt tj. przesycony roztwór węgla w żelazie

α

, o strukturze

tetragonalnej, powstającej przez zniekształcenie komórki sieci A2 (ferrytu) obecnością
atomów węgla w lukach oktaedrycznych. Parametry sieci tetragonalnej martenzytu, a tym
samym jego właściwości zależą głównie od zawartości węgla w martenzycie. Martenzyt
cechuje wysoka twardość i mała ciągliwość spowodowana obniżeniem symetrii sieci i
wysokimi naprężeniami wywołanymi przez atomy międzywęzłowe oraz obecność defektów
sieciowych (dyslokacji, mikrobliźniaków).

Przemiana martenzytyczna rozpoczyna się po przekroczeniu temperatury M

s

i zachodzi z

bardzo dużą prędkością 1000-7000 m/s. Czas tworzenia jednej płytki martenzytu wynosi
ok.10

-7

s. Warunkiem przebiegu przemiany martenzytycznej jest ciągłe obniżanie temperatury

aż do osiągnięcia temperatury M

f

(ang. martensite finish), poniżej której przemiana

martenzytyczna nie zachodzi, pomimo pozostania w strukturze pewnej ilości austenitu.

Przyczyną pozostawania w strukturze pewnej ilości austenitu (zwanego austenitem

szczątkowym) jest znaczny wzrost objętości martenzytu w porównaniu z austenitem o około
3-4%, co powoduje wzrost naprężeń ściskających w strukturze i zahamowanie dalszej
przemiany austenitu. Ilość austenitu szczątkowego po przemianie martenzytycznej zależy
od: zawartości węgla w stali, temperatury początku i końca przemiany martenzytycznej,
temperatury austenityzowania stali i szybkości chłodzenia w zakresie temperatur M

s

i

M

f

.

Wpływ węgla na temperaturę początku i końca przemiany martenzytycznej oraz

zawartość austenitu szczątkowego w stali węglowej przedstawiono na rys.6 i 7. W miarę
wzrostu zawartości węgla w stali zarówno temperatura M

s

, jak i M

f

ulega obniżeniu,

przy czym w stalach o zawartości ponad 0,6% C temperatura M

f

leży poniżej zera °C i

dla zmniejszenia ilości austenitu szczątkowego w strukturze konieczne jest
przeprowadzenie obróbki podzerowej (tzw. wymrażania). Ilość austenitu szczątkowego w
stali wzrasta również jeżeli podczas chłodzenia w zakresie temperatur M

s

i M

f

próbka

zostanie izotermicznie wytrzymana.

Rys.

6.

Wpływ

węgla

na

temperaturę

przemiany

martenzytycznej (M

s

i M

f

)

szczątkowego.

Rys.

7.

Wpływ

węgla

na

zawartość austenitu.

Martenzyt ma budowę iglastą lub składa się z płytek złożonych z przylegających listew.
Węgiel utrudnia przemianę, zwiększa ilośc energii wewnętrznej jaka jest potrzebna do
przemiany martenzytycznej. Im więcej węgla tym Mf niższa. Zawsze zostaje austenit
szczątkowy(zbyt duże naprężenia ściskające)
Gdy dużo węgla to duża twardość i nieodkształcalność, odporność na ścieranie. Kruchy małą
odporność na uderzenia.

40. Rodzaje odpuszczania, struktury i wpływ na właściwości

Po hartowaniu stali zwykle następuje proces odpuszczania, ponieważ struktura taka jest
niestosowana w praktyce (wysokie naprężenia własne, brak ciągliwości i kruchość).
Martenzyt jest faża metastabilną(trwala tylko poprzez zamrożenie dyfuzji wegla(niska
temperatur). Podwyższenie temperatury i reaktywacja dyfuzji spowoduje wydzielenie się
nadmiar węgla z martenzytu i utworzą się węgliki(cementyt), również nastąpi przemiana
austenitu szczątkowego i oraz zanik defektów sieci, poprzez poligonizacje i rekrystalizacje.
Powtórne nagrzanie zahartowanej stali do temperatury niższej od A1 nazwano
odpuszczaniem.
Śledzi się odpuszczanie poprzez zmiane długości próbki(krzywe dylatometryczne), lub
zmiana twardości

Odpuszczanie – rodzaj obróbki cieplnej, której poddawana jest stal wcześniej zahartowana.
Celem odpuszczania jest usunięcie naprężeń hartowniczych oraz zmiana własności
fizycznych zahartowanej stali, a przede wszystkim zmniejszenie twardości, a
podniesienie udarności zahartowanej stali.

Odpuszczanie polega na rozgrzaniu zahartowanego wcześniej przedmiotu do temperatury w
granicach 150° do 650 °C, przetrzymywaniu w tej temperaturze przez pewien czas, a
następnie schłodzeniu. W czasie odpuszczania całość lub część martenzytu zawartego w
zahartowanej stali rozpada się, wydzielając bardzo drobne ziarna cementytu, tworząc fazę
zwaną sorbitem lub troostytem.

Przemiany zachodzące w martenzycie podczas nagrzewania można podzielić na cztery etapy.
Ś

ledzenie tych przemian umożliwiają badania dylatometryczne.

Pierwsze stadium, w temperaturze 80–200 °C, jest związane z rozkładem martenzytu i

wydzieleniem w nim węglika ε-Fe

2

C o strukturze heksagonalnej. Następuje zmniejszenie

stężenia węgla w austenicie, zmniejszenie tetragonalności martenzytu i tworzy się
martenzyt o sieci regularnej – martenzyt odpuszczony. Odróżnia się go po tym że ma
ciemne igły po wytrawieniu. Weglik E kompensuje zmiane twardości(zmiejszenie
przesycenia węglem) Wytrzymałościowe bez zmian A,K, Z zwiększa się nieznacznie

Drugie stadium, w temperaturze 200–300 °C, jest związane z dalszym wydzielaniem

się z roztworu węglika ε, skutkiem czego zawartość węgla w martenzycie maleje do około
0,15%; równocześnie zachodzi dyfuzyjna przemiana austenitu szczątkowego w strukturę
o charakterze bainitycznym; w etapie tym powstaje mieszanina ferrytu nieznacznie
przesyconego węglem oraz węglika ε. W miarę wydzielania się węglików z martenzytu
stopień tetragonalności jego struktury sieciowej c/a maleje. Jeśli było dużo austenitu
szczątkowego to twardość po rozpadze rośnie. Struktura dalej martenzyt odpuszczania(ale
jeszcze mniej przesycony iglasty ferryt i koherentne wydzielenia węglika E. Od 250
stopni mamy nieodwracalną kruchość.

Trzecie stadium przebiega w temperaturze 300–400 °C. Następuje całkowite

wydzielenie węgla z roztworu, a węglik ε ulega przemianie w cementyt; struktura
otrzymana na tym etapie jest mieszaniną ferrytu i cementytu(troostyt odpuszczania).
Zanik przesycenia ferrytu zmniejszenie naprężen własnych powoduje zmniejszenie
twardości do 45-40 HRC RM HRC szybko maleje a A,K,Z wolno rośnie.

Czwarte stadium przebiega w temperaturze 400–650 °C.

Zachodzi koagulacja cząsteczek cementytu, wzrastająca ze wzrostem temperatury.
Struktura otrzymana w tym zakresie temperatur, będąca mieszaniną ferrytu i cementytu,
nazywa się sorbitem (cząstki cementytu mają kształt globularny). Na tym etapie następuje
całkowite usunięcie naprężeń. Koagulacja cementytu(większy i widoczniejszy) . Ferryt

iglasty pomartenzytyczny kształt. Spada twardasc wzrasta plastyczność Struktura to ferryt
i ziarnisty cementyt 23-35HRC Sorbit ma najlepsza strukture i dlatego najcześciej
stosowany.

Rodzaje odpuszczania ze względu na temperaturę:

Odpuszczanie niskie
Przeprowadza się je w temperaturach w granicach 150–250 °C. Celem jego jest
usuniecie naprężeń hartowniczych, przy zachowaniu w strukturze wysokiego
udziału martenzytu, a przez to zachowanie wysokiej twardości. Stosuje się
przy narzędziach.

Odpuszczanie średnie
Przeprowadza się je w temperaturach w granicach 250°–500 °C. Stosowane w celu
uzyskania wysokiej wytrzymałości i sprężystości przy znacznym obniżeniu twardości.
Stosowane przy obróbce sprężyn, resorów, części mechanizmów pracujących na
uderzenie np. młoty, części broni maszynowej, części samochodowych itp.

Odpuszczanie wysokie

Przeprowadza się je w temperaturach powyżej 500 °C w celu uzyskania wysokiej
wytrzymałości przy niskiej twardości. Stal odpuszczana wysoko nadaje się do obróbki
skrawaniem.

Podczas odpuszczania występuje kruchość odpuszczania, którą dzieli się na:

kruchość odpuszczania I rodzaju – kruchość nieodwracalna, występuje
w zakresie temperatur 250-450 °C, powoduje zmniejszenie odporności na
pękanie

kruchość odpuszczania II rodzaju – kruchość odwracalna, występuje
powyżej 500 °C i powolnym chłodzeniu

Na dole zależność tem odpuszczania na twardośc HRC i krzywa dylatometryczna(deltaL od
temp