Tworzywa odlewnicze

Tworzywa odlewnicze dzieli się na stopy żelaza

(żeliwa i staliwa) i stopy metali nieżelaznych. Podstawowy
stop żelaza z węglem (do 4,5% C) nazywa się surówką.
Żeliwo jest to stop żelaza z węglem, zawierający zwykle
od 2,2% do 3,8% C. Otrzymuje się je z powtórnego
przetopienia surówki w piecach zwanych żeliwiakami.
Staliwo jest to stal zawierająca od 0,1 do 0,6% C i
odlewana w formach odlewniczych. Około 90% odlewów
wykonuje się ze stopów żelaza, w tym na odlewy z żeliwa
szarego przypada około 85% produkcji, na odlewy ze
staliwa około 10%, a na odlewy z żeliwa ciągliwego 5%
produkcji. W krajach wysoko uprzemysłowionych stale
wzrasta

produkcja

odlewów

stopów

metali

nieżelaznych,

głównie

aluminium,

miedzi,

cynku,

magnezu i ołowiu.

Żeliwa szare

Najbardziej rozpowszechnionym odlewniczym stopem żelaza jest żeliwo szare, w
którym cały węgiel (ponad 2%) lub znaczna jego część występuje w postaci
płatków grafitu. Powszechność stosowania odlewów z żeliwa szarego wypływa z
jego dobrych właściwości użytkowych przy stosunkowo małych kosztach
produkcji (małe koszty topienia, bardzo dobre właściwości odlewnicze, mały,
około 1%, skurcz odlewniczy, zdolność tłumienia drgań, dobra skrawalność).
Żeliwo szare dzieli się, zgodnie z PN-EN 1561:2000, na sześć gatunków, które
oznaczamy znakiem EN-GJL- i liczbami 100, 150, 200, 250, 300, 350. Liczby te
podają minimalną wytrzymałość na rozciąganie R

[MPa]. Materiał może być też

oznaczony odpowiednimi numerami, np. EN-JL1010 (dla żeliwa EN-GJL-100),
EN-JL1060 (dla żeliwa EN-GJL350). Wytrzymałość i twardość żeliwa szarego jest
silnie zależna od grubości ścianek odlewu, co pokazano w tabl.

Grubość ścianki [mm]

Wytrzymałość na rozciąganie

[MPa] min

Twardość Brinella

[HB 30] min

2,5÷ 5

230

260

5÷ 10

205

225

10 ÷ 20

180

205

20÷40

155

185

Żeliwa EN-GJL-100, 150 (ferrytyczne) stosuje się na odlewy handlowe, rury
kanalizacyjne, żeliwa EN-GJL-200, 300 (ferrytyczno-perlityczne) na cylindry,
tłoki,

łoża

obrabiarek

EN-GJL-350 (perlityczne) stosuje się na silnie obciążone elementy maszyn,
korpusy silników, turbin.

Żeliwa sferoidalne

Żeliwo sferoidalne stosuje się w przypadkach, w których wymagana jest duża
wytrzymałość i wysoka granica plastyczności (kadłuby, korpusy), duża
wytrzymałość zmęczeniowa w granicach 157-f-196 MPa (wały korbowe i
rozrządu) oraz duża odporność na ścieranie (tuleje, koła zębate). Żeliwo to
otrzymuje się przez dodanie do żeliwa szarego modyfikatorów (magnezu lub
stopów magnezu), w wyniku czego część węgla wydziela się w czasie
krzepnięcia w postaci kulek grafitu, a nie jak w żeliwie szarym w postaci
płatków grafitu. Żeliwo sferoidalne dzieli się, zgodnie z PN-EN 1563:2000, na
trzynaście gatunków Podstawą klasyfikacji jest wytrzymałość na rozciąganie R

Oznaczenia materiału dokonuje się za pomocą znaku lub numeru (tabl. 1.2). W
tablicy pokazano tylko kilka podstawowych gatunków materiału.

Oznaczenie materiału

[MPa]

Umowna granica

plastyczności

p0,2

[MPa]

Wydłużenie A

[%] min

Twardość

Brinella [HB]

Znak

Numer

EN-GJS-350-22 EN-JS1010

350

220

160 max

EN-GJS-400-18 EN-JS1020

400

250

130÷175

HN-GJS-500-7

EN-JS1050

500

320

170÷230

KN-GJS-900-22 EN-JS1090

900

600

270÷360

Żeliwa białe
Zawierają one węgiel (poza roztworem w żelazie) całkowicie w postaci
związanej z żelazem (cementyt) lub innymi pierwiastkami. Obecność cementytu
sprawia, że żeliwo to jest bardzo twarde i odporne na ścieranie, ze względu na
nieobrabialność za pomocą skrawania i złe właściwości odlewnicze nie znajduje
większego zastosowania. Najczęściej żeliwo białe jest materiałem wyjściowym
do produkcji żeliwa ciągliwego.

Żeliwa ciągliwe
Otrzymuje się je z żeliwa białego przez wyżarzanie w temperaturze 900÷1000°C
przez długi czas (około 1000 godzin), dzięki czemu materiał staje się plastyczny,
osiągając wydłużenie do 12% oraz całkowicie obrabiany skrawaniem przy
wytrzymałości na rozciąganie 290÷700 MPa. Stosowane jest do wytwarzania
drobnych odlewów części maszyn rolniczych, motoryzacyjnych (np. przeguby
Cardana), armatury itp. Zgodnie z PN-EN 1562:2000, dzieli się je na dwa
rodzaje

Białe

[Mpa]

min

[HB]

Czarne

[Mpa] min

[HB]

EN-GJMW-350-4 EN-

JM1010

350

230

EN-GJMB-300-6 EN-

JM1110

300

150

EN-GJMW-550-4 EN-

JM1050

550

250

EN-GJMB 550-4 EN-

JM1160

550

180÷230

EN-GJMB 800-1 EN-

JM1200

800

270÷320

Cyfry w znakach podają kolejno minimalną wytrzymałość na rozciąganie i
minimalne wydłużenie A

3,4

. Przykłady oznaczeń:

-żeliwo ciągliwe białe (odwęglone), np. EN-GJMW-350-4 o R

= 350 MPa i A

3,4

= 4%,
-żeliwo ciągliwe czarne (nieodwęglone), np. EN-GJMB-300-6 o R

= 300 MPa i

= 6%.

Staliwa stopowe konstrukcyjne

Według PN-H-83156:1997 rozróżnia się 23 gatunki staliwa konstrukcyjnego
stopowego. Oznaczenie gatunku składa się z: litery L, liczby określającej średnią
zawartość węgla w setnych częściach procenta, liter oznaczających pierwiastki
stopowe:

—

wanad,

—

mangan,

—

krzem,

H — chrom, N — nikiel, M - molibden, np. gatunek L35HGS zawiera:
0,30÷040% C, 0,60÷0,80% Si, 1,10÷1,50% Mn, 0,60÷0,90% Cr.

Temperatura zalewania [°C]

1420 ÷

1480

Skurcz liniowy [%]

1,9 ÷ 2,3

Wytrzymałość na rozciąganie R

, [MPa]

węglowe
stopowe (po normalizowaniu i odpuszczaniu)

150÷330

450 ÷800

Wydłużenie A

[%]

węglowe
stopowe (po normalizowaniu i odpuszczaniu)

15 ÷ 25

10 ÷20

Twardość [HB]
węglowe
stopowe (po normalizowaniu i odpuszczaniu)

114÷170

135 ÷270

Ogólna charakterystyka
staliw

Obróbka cieplna odlewów ma na celu poprawę właściwości mechanicznych
odlewu. Przykładowo — staliwo L40HF normalizowane ma R

= 790 MPa, a po

ulepszaniu cieplnym R

wzrasta do 1200 MPa. Zależnie od potrzeby

przeprowadza się obróbkę cieplną w celu zmniejszenia twardości przed obróbką
skrawaniem, usunięcia naprężeń własnych odlewu, utwardzania odlewu.
Podstawową obróbką cieplną, którą należy stosować do wszystkich ważniejszych
odlewów, jest wyżarzanie odprężające, umożliwiające usunięcie z odlewu
naprężeń powstających podczas krzepnięcia. Naprężenia te mogłyby być,
podczas późniejszej pracy urządzenia, przyczyną pęknięcia oraz korozji
naprężeniowej.

Do odlewów żeliwnych można stosować zabiegi podobne do wykonywanych w
czasie obróbki cieplnej stali, a więc różnego rodzaju wyżarzanie, hartowanie
oraz odpuszczanie. Najczęściej jest to wyżarzanie odprężające w temperaturze
około 500°C, usuwające naprężenia powstałe podczas krzepnięcia odlewu.
Często stosuje się wyżarzanie zmiękczające (760÷820°C) powodujące częściową
grafityzację cementytu.

Odlewy staliwa zawsze normalizuje się, a ponadto można poddawać je
różnym rodzajom obróbki cieplno-chemicznej, jak: nawęglaniu, azotowaniu,
hartowaniu z odpuszczaniem itp.

Stopy metali nieżelaznych

Największe znaczenie mają stopy aluminium, miedzi i cynku. W przemyśle
lotniczym szerokie zastosowanie znajdują stopy magnezu. Sposób oznaczeń
opiera się na systemie oznaczeń numerycznych i na podstawie symboli
chemicznych. Cyfry po symbolach chemicznych oznaczają średnią zawartość
procentową głównych składników stopowych.
Ogólna charakterystyka odlewniczych stopów metali nieżelaznych podana jest w
tabl.

Stopy

aluminium

miedzi

cynku

magnezu

Temperatura zalewania [°C]

680 ÷ 760 1000÷1150 420÷550 700÷800

Skurcz liniowy [%]

l÷2

1,4÷2,3

l÷2

Wytrzymałość na rozciąganie R

[MPa]

150÷330

150÷700 150 ÷300 90÷220

Wydłużenie A

[%]

0,2 ÷7,0

2÷20

l÷2

2÷6

Twardość [HB]

50÷100

45÷200

70÷ l00

40÷65

Odlewnicze stopy aluminium

Podział stopów zawarto w PN-EN 1706:2002. Zarówno oznaczenie numeryczne,
jak i oznaczenie symbolami chemicznymi zaczyna się od liter EN AB-. Oznacza
się również typ stopu, np. stopy typu AlCu składają się ze 2 stopów (w
nawiasach oznaczenie symbolami chemicznymi):
1. EN AB-21000 (EN AB-AlCu4MgTi);
2. EN AB-21100 (EN AB-AlCu4Ti).
Stopy aluminium charakteryzują się małą gęstością przy dobrej wytrzymałości i
znalazły szerokie zastosowanie w budowie maszyn. Przykładem jest często
stosowany na skomplikowane odlewy silumin EN AB-43200, czyli EN AB-
AlSilOMg(Cu), oznaczany dawniej jako AK9. Odlewy te można, w celu
zwiększenia twardości, poddawać hartowaniu i odpuszczaniu. Odlewy ze stopów
aluminium z miedzią, magnezem oraz niektóre stopy magnezu poddaje się
przesyceniu i starzeniu.
Stopy cynku

Stopy cynku według PN-EN 12844:2001 nadają się na odlewy o dużej
dokładności wymiarowej. Stopy cynku z aluminium, zwane „znalami", stosowane
są przede wszystkim na odlewy ciśnieniowe np. ZnA14 (Z40), na stopy
łożyskowe np. ZnABOCul, wyroby prasowane, armaturę. Przeważnie mają
niedostateczną odporność na korozję i pełzanie.

Stopy magnezu

W praktyce stosowane są przede wszystkim stopy magnezu z aluminium,
cynkiem

manganem.

W porównaniu ze stopami aluminium mają znacznie mniejszą gęstość, lepszą
obrabialność skrawaniem i mniejsza, granicę plastyczności. W celu
podwyższenia właściwości mechanicznych, stopy magnezu z aluminium można
poddawać obróbce cieplnej (przesycanie i starzenie). Najszersze zastosowanie
stopy magnezu znajdują w budowie przyrządów precyzyjnych i w przemyśle
lotniczym.

Stopy miedzi

Wykaz stopów miedzi i ich własności mechaniczne podaje norma PN-EN
1982:2002. Materiał oznacza się znakiem lub numerem, jest on podany w 40
tablicach, Obejmujących stopy miedzi z chromem, cynkiem, cyną, ołowiem,
aluminium, manganem i aluminium, oraz niklem. Oznaczenia znakiem oparto na
systemie oznaczenia podanym w ISO 1190-1. Oznaczenia za pomocą numeru są
zgodne z systemem podanym w EN-1412. Do oznaczenia dodaje się przyrostki -B
(materiał w postaci gąsek) lub -C (materiał w postaci odlewów). W przypadku
odlewów należy podać stosowany proces odlewania w postaci dwóch liter, np.
-GS oznacza odlewanie do form piaskowych, -GM odlewanie kokilowe. I tak
odlew stopu miedzi z cyną i ołowiem CuSn5Zn5Pb5-C ma numer CC491K i
zawiera około 85% Cu, 5% Sn, 5% Zn, 5% Pb. Stopy miedzi odznaczają się dobrą
lejnością, a odlewy dobrą skrawalnością oraz Odpornością na ścieranie i
korozję. Można je poddawać obróbce cieplnej jak: wyżarzanie odprężające i
ujednorodniające, hartowanie, odpuszczanie przesycanie (brązy berylowe) i
starzenie.