Temat: Badanie mikroskopowe żeliw

1. Wprowadzenie

Żeliwo jest technicznym stopem żelaza z węglem i innymi pierwiastkami zawierającym ponad 2% węgla. Żeliwo węglowe zawiera praktycznie: 2,5-4,5% C oraz krzem, mangan, fosfor i siarkę. Żeliwa stopowe zawierają ponadto inne składniki stopowe, wprowadzone celowo podczas procesu metalurgicznego, które w sposób decydujący wpływają na właściwości użytkowe tego żeliwa.

Żeliwo jest stopem kruchym i nie daje się obrabiać plastycznie ani na zimno, ani na gorąco. Z uwagi na dobre właściwości odlewnicze, takie jak: dobra lejność, niewielka skłonność do segregacji oraz stosunkowo niska temperatura topnienia, nadaje się ono dobrze do wyrobu odlewów - tablica 1.

Tablica 1

Zastosowanie żeliw węglowych

l. ŻELIWA BIAŁE: na odlewy o dużej odporności na ścieranie, np. na dysze do piaskownic.

- Utwardzone: walce do metali, walce młyńskie i papiernicze, tarcze do młynków.

- Żeliwa ciągliwe: sprzęt motoryzacyjny - obudowy: przekładni, mechanizmu różnicowego, rolki, tuleje, podkładki itp. Tabor komunikacyjny, części hamulców, opaski resorów, panewki łożysk itp., armatura elektryczna, łączniki do rur, części maszyn rolniczych, maszyn do szycia.

2. ŻELIWA SZARE:

- Zwykłe: części maszyn narażone na obciążenia zmienne, zdolne do tłumienia drgań, takie jak: płyty fundamentowe, łoża, skrzynki biegów, stojaki, suporty, pierścienie tłokowe, tuleje cylindrowe, bloki cylindrowe, głowice, tłoki, bębny hamulcowe, wały korbowe.

Jakościowe: części maszyn narażone na zmienne obciążenia dynamiczne o znacznej wytrzymałości, takie jak: wały korbowe, koła zębate, gąsienice ciągników, korpusy pras, młotów, walcarek, korpusy i wirniki pomp, matryce do prasowania i tłoczenia, głowice frezarskie.

3. ŻELIWA SFEROIDALNE: - części maszyn narażone na znaczne obciążenia zmienne i

odporne na ścieranie, takie jak: wały korbowe, wałki rozrządcze, cylindry, pierścienie tłokowe, koła zębate, wrzeciona, korpusy, ruchome części silników spalinowych i sprężarek, turbin, korpusy pras hydraulicznych itp.

Żeliwo jest więc odlewniczym stopem żelaza otrzymywanym przez wtórny przetop surówki odlewniczej, złomu żeliwnego i stalowego oraz żelazostopów. Podstawowym składnikiem stopowym, decydującym o właściwościach żeliwa jest węgiel. Może on występować w żeliwie w formie związanej - jako cementyt (Fe₃C, układ metastabilny) lub w postaci wolnej - jako grafit (układ stabilny).

Żeliwa dzieli się - w zależności od postaci występującego w nim węgla – na żeliwa białe, szare i połowiczne. Podział ten został dokonany na podstawie obserwacji przełomów próbek żeliwnych. Przełom żeliwa, w którym węgiel występuje w postaci cementytu jest jasny i błyszczący, stad nazwano je żeliwem białym. Obecność w żeliwie grafitu jest przyczyną szarej barwy przełomu i takie żeliwo nazwano żeliwem szarym. Natomiast obecność w żeliwie zarówno węgla w postaci związanej jako cementytu pierwotnego, jak i w postaci wolnej - grafitu, powoduje pstre zabarwienie przełomu i żeliwo takie nazwano połowicznym.

Rys. 2. Struktura żeliwa w zależności od zawartości węgla i krzemu wg E. Maurera: Pole I – żeliwo białe, II – strefa przejściowa, III – żeliwo szare perlityczne, IV – strefa przejściowa, V – żeliwo szare ferrytyczne

Otrzymywana w żeliwach struktura i związane z ta strukturą właściwości nie są jednoznacznie określone składem chemicznym żeliwa, lecz zależą również od warunków w jakich przebiega krzepnięcie i stygnięcie żeliwa. W przypadku żeliw węglowych np. większa szybkość chłodzenia podczas stygnięcia oraz większa zawartość manganu sprzyjają powstawaniu struktury żeliwa białego natomiast mniejsza szybkość chłodzenia oraz większa zawartość węgla i krzemu - powstawaniu struktury żeliwa szarego. Siarka w żeliwie sprzyja powstawaniu struktury żeliwa białego, jednakże w większości spotykanych żeliw jest ona wiązana przez mangan, z którym tworzy już w kąpieli ciekłej trwałe siarczki MnS o temp. topnienia 1610°C. Fosfor w żeliwie występuje w tak znacznych ilościach, że pomimo swej częściowej rozpuszczalności w ferrycie tworzy związek Fe₃P.

Rys.3. Struktura żeliwa w zależności od łącznej zawartości węgla i krzemu oraz grubości ścianki odlewu wg F. Greinera i T. Klingensteina: Pole I - żeliwo białe, II - żeliwo pstre, III -żeliwo perlityczne, IV- żeliwo perlityczno-ferrytyczne, V- żeliwo ferrytyczne

W żeliwach stopowych powstawaniu struktury żeliwa białego sprzyjają wszystkie pierwiastki węglikotwórcze oraz aluminium w zakresie 12-17%, natomiast wydzielaniu węgla w postaci grafitu sprzyjają dodatki: aluminium w ilości do 10% lub powyżej 18%, krzemu, magnezu oraz częściowo niklu i miedzi.

STRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI PODSTAWOWYCH ŻELIW WĘGLOWYCH

Żeliwa białe

Struktura żeliwa białego jest zgodna z wykresem równowagi fazowej żelazo-cementyt. W zależności od zawartości węgla i występujących w żeliwie węglowym dodatków stopowych, wyróżnia się żeliwa o strukturze podeutektycznej, eutektycznej lub nadeutektycznej.

Znając skład chemiczny żeliwa węglowego, można, uwzględniając wpływ pierwiastków stopowych na zawartość węgla w eutektyce, określić w przybliżeniu strukturę żeliwa, obliczając tzw. równoważnik węgla C_E:

C_E = (%C_całk.) + 0,33 (%P) + 0,30 (%Si)

C_E równe 4,3% oznacza żeliwo eutektyczne, C_E mniejsze od 4,3% oznacza żeliwo podeutektyczne, zaś C_E większe od 4,3% - żeliwo nadeutektyczne. Podstawowymi składnikami strukturalnymi żeliw białych są:

- cementyt pierwotny,

- ledeburyt przemieniony,

- perlit.

Cementyt pierwotny występuje w żeliwach nadeutektycznych w postaci białych ziarn, jasnych igieł lub płytek w osnowie ledeburytu przemienionego.

Ledeburyt przemieniony występujący we wszystkich żeliwach białych ma charakter dendrytyczny, zaś przy przecięciu zgładu prostopadle do ramion dendrytu, perlit występuje w postaci ciemnych drobnych kropek. Charakter dendrytyczny nadaje strukturze ledeburytu cementyt pierwotny. Ledeburyt jest składnikiem strukturalnym twardym (HB = 450) i kruchym oraz trudno skrawalnym. Perlit występuje w żeliwach podeutektycznych oraz w ledeburycie przemienionym. W żeliwach podeutektycznych ma on postać ciemnych obszarów pomiędzy polami ledeburytu. Przy większych powiększeniach można zaobserwować płytkową budowę perlitu.

Rys.4. Struktura żeliwa białego podeutektycznego. Trawiona Nitalem, pow. 200x

Żeliwo białe jest stopem twardym i kruchym. Wysoka twardość i związana z nią odporność na ścieranie, są wynikiem obecności w żeliwie białym znacznej ilości cementytu. Wytrzymałość na rozciąganie żeliwa białego jest niewielka, natomiast posiada znaczną (4-6 razy większą) wytrzymałość na ściskanie. Czysty cementyt w zależności od wielkości ziarn, płytek lub igieł oraz od ilości rozpuszczonego w nim manganu wykazuje twardość
w granicach 700-840 HB. Ledeburyt przemieniony, zawierający w swojej strukturze obok cementytu pierwotnego również perlit (lub bainit), posiada twardość w granicach 440-510HB, w zależności od twardości cementytu pierwotnego oraz stopnia dyspersji cementytu w perlicie. Żeliwa białe podeutektyczne wykazują twardość w granicach od 280HB dla struktury perlitycznej z cementytem wtórnym i śladami ledeburytu do ok. 450 HB - dla struktury ledeburytycznej z niewielką ilością perlitu.

Żeliwo połowiczne

W żeliwie połowicznym węgiel występuje zarówno w formie związanej - jako cementyt pierwotny w ledeburycie, jak i w postaci wolnej jako grafit. Stad żeliwo połowiczne posiada najczęściej strukturę złożoną z grafitu, perlitu i ledeburytu przemienionego. Strukturę żeliwa połowicznego można spotkać w odlewach z żeliwa szarego zabielonych powierzchniowo w celu zwiększenia odporności powierzchni odlewu na ścieranie. Struktura żeliwa połowicznego występuje wtedy w warstwie przejściowej pomiędzy powierzchnią o strukturze żeliwa białego, a rdzeniem o strukturze żeliwa szarego.

Twardość żeliwa połowicznego waha się w granicach od ok. 240 HB do ok.400 HB.

Rys.5. Struktura żeliwa białego nadeutektycznego. Trawiona Nitalem, pow. 200x

W żeliwie szarym przeważająca ilość węgla występuje w postaci wolnej - grafitu. Cementyt może występować w perlicie lub też jako cementyt wtórny. Właściwości żeliwa szarego zależą od ilości, wielkości, postaci i rozmieszczenia grafitu oraz od rodzaju osnowy metalicznej. Ze względu na rodzaj osnowy żeliwo szare dzieli się na:

- ferrytyczne,

- ferrytyczno-perlityczne,

- perlityczne.

Osnowa ferrytyczna posiada mniejszą twardość i wytrzymałość na rozciąganie niż osnowa perlityczna. O ile jednak twardość żeliwa szarego jest praktycznie twardością jego osnowy metalicznej, o tyle wytrzymałość żeliwa zależy jeszcze od rodzaju występującego w żeliwie szarym grafitu.

Rys. 6. Struktura żeliwa połowicznego. Trawiona Nitalem, pow. 100x

Grafit posiada bardzo mała wytrzymałość oraz niski moduł sprężystości, który jest przyczyną występowania nieciągłości w sprężystej osnowie metalicznej i dlatego żeliwo szare posiada zdolność tłumienia drgań. Im więcej grafitu w osnowie i im większe są jego płatkowe wydzielenia, tym zdolność do tłumienia drgań jest lepsza. Grubopłatkowy grafit powoduje jednak bardzo znaczne osłabienie osnowy metalicznej i jest przyczynę niskiej wytrzymałości takiego żeliwa. Wzrost wytrzymałości żeliwa można uzyskać przez rozdrobnienie wydzieleń grafitu. Uzyskuje się to przez tzw. modyfikację żeliwa, polegające na dodaniu podczas spustu na rynnę lub do kadzi dodatkowego składnika - modyfikatora, którym może być żelazokrzem, żelazomangan, wapniokrzem lub aluminium. Otrzymane w ten sposób żeliwo nazywano
dawniej modyfikowanym, a obecnie określa się je jako żeliwo szare jakościowe.

Rys. 7. Struktura żeliwa połowicznego. Trawiona Nitalem, pow. 100x

Rys.8. Struktura żeliwa szarego ferrytycznego. Trawiona Nitalem, pow. 250x

Żeliwo szare ferrytyczne posiada wytrzymałość na rozciąganie równa ok. 100 MPa i twardość ok. 100-120 HB. Żeliwo szare perlityczne o grubopłatkowym graficie uzyskuje wytrzymałość dochodzącą do ok. 250 MPa, przy twardości ok. 220 HB. Przez modyfikację można otrzymać żeliwo o strukturze perlitycznej o wytrzymałości dochodzącej do 450 MPa, przy twardości 220-260 HB.

W strukturze żeliwa szarego oprócz grafitu, ferrytu i perlitu mogą występować jeszcze dwa szczególne składniki strukturalne: siarczki manganu i eutektyka fosforowa. Siarczki manganu występują w postaci wieloboków o matowym zabarwieniu zarówno w ziarnach ferrytu, jak i polach perlitu.

Eutektyka fosforowa - steadyt, składająca się z fosforku żelaza Fe₃P, cementytu i roztworu fosforu w ferrycie, występuje wewnątrz obszarów perlitu w postaci kropkowanych pól o charakte­rystycznych wklęsłych bokach lub przy większych zawartościach fosforu w postaci typowych gniazd eutektycznych. Wklęsły kształt steadytu jest wynikiem jego niskiej temperatury topnienia, wynoszącej 953 C.

Rys.9. Struktura żeliwa szarego perlitycznego z wydzieleniami ferrytu i eutektyki fosforowej. Trawiona Nitalem, pow. 400x

Szczególną pozycję wśród żeliw szarych węglowych zajmuje żeliwo sferoidalne. Uzyskuje się je przez modyfikowanie cerem lub stopami magnezu z żeliwa, które bez tej modyfikacji zakrzepłoby jako białe lub połowiczne. Żeliwo to charakteryzuje się najwyższym i właściwościami wytrzymałościowymi oraz niewielkimi właściwościami plastycznymi, ponieważ sferoidalne wydzielenia grafitu nie stanowią większych nieciągłości w osnowie metalicznej. Z tej samej przyczyny żeliwo sferoidalne posiada znacznie mniejszą od żeliwa o graficie grubopłatkowym zdolność do tłumienia drgań.

Żeliwo sferoidalne ferrytyczne posiada wytrzymałość na rozciąganie do ok. 450 MPa i twardość 140-180 HB. Wykazuje ono przy tym pewne właściwości plastyczne, osiągając wartość wydłużenia względnego (A₅) do ok. 10%.

Żeliwo sferoidalne perlityczne posiada wytrzymałość do ok. 700 MPa i twardość 260-300 HB oraz wydłużenie (A₅) ok. 2%. Charakterystycznym szczegółem strukturalnym, obserwowanym na zgładach żeliwa sferoidalnego perlitycznego, są obwódki, utworzone z ziarn ferrytu, występujące wokół sferoidalnych wydzieleń grafitu.

Rys.10. Struktura żeliwa sferoidalnego nietrawionego. Pow. 200x

STRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI ŻELIWA CIĄGLIWEGO

Żeliwo ciągliwe jest materiałem, uzyskiwanym przez odpowiednią obróbkę cieplna żeliwa białego. Przez długotrwałe wyżarzanie żeliwa białego można, w pewnych zakresach temperatur, uzyskać rozpad cementytu pierwotnego i wydzielenie grafitu w charakterystycznej skupionej postaci - tzw. węgla żarzenia. W zależności od sposobu prowadzenia wyżarzania grafityzującego rozróżnia się:

• żeliwo ciągliwe białe, otrzymywane po wyżarzaniu żeliwa białego w atmosferze utleniającej, powodującej wypalenie węgla;

• żeliwo ciągliwe czarne, otrzymywane po wyżarzaniu żeliwa białego w atmosferze obojętnej, doprowadzając proces grafityzacji do końca, tzn. rozpadu cementytu zawartego w perlicie;

• żeliwo ciągliwe perlityczne, otrzymywane po wyżarzaniu żeliwa białego w atmosferze obojętnej bez doprowadzenia procesu grafityzacji do końca, tzn. tylko rozpadu cementytu pierwotnego i wtórnego, znajdujących się w stanie równowagi z austenitem.

Przełomy z żeliwa ciągliwego białego wykazują przy powierzchni matowobiałą barwę, odpowiadająca strukturze ferrytycznej, przechodzącą łagodnie w srebrzystą w pobliżu środka ścianki odlewu, co odpowiada strukturze perlitycznej.

Przełomy z żeliwa ciągliwego czarnego są na całej powierzchni szare, zaś struktury stanowi ferryt ze śladowymi ilościami nierozłożonego perlitu oraz węgiel żarzenia.

Przełom żeliwa ciągliwego perlitycznego ma barwę srebrzystą z czarnymi punktami; strukturę stanowi perlit lub inny produkt rozpadu austenitu oraz węgiel żarzenia. Wokół wydzieleń węgla żarzenia występują charakterystyczne obwódki utworzone przez ziarna ferrytu.

Rys.11. Struktura żeliwa ciągliwego czarnego. Trawiona Nitalem, pow. 500x

Żeliwo ciągliwe białe posiada wytrzymałość na rozciąganie w granicach 350-450 MPa, twardość ok. 220 HB oraz wydłużenie względne (A₅) około 5%.

Żeliwo ciągliwe czarne posiada Rm = 300-350 MPa, twardość 170-190 HB i wydłużenie do 15%.

Żeliwo ciągliwe perlityczne posiada wytrzymałość dochodzącą do 750 MPa, twardość 220-280 HB i wydłużenie od 2 do 7%.

STRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI ŻELIW SPECJALNYCH

Żeliwa stopowe o specjalnych właściwościach można podzielić na następujące grupy:

- odporne na ścieranie,

- odporne na korozję,

- żaroodporne,

- o dużym elektrycznym oporze właściwym.

Wiele gatunków żeliw stopowych wykazuje równocześnie kilka z tych właściwości.

Żeliwa odporne na ścieranie

Żeliwami o dobrej odporności na ścieranie są praktycznie wszystkie żeliwa białe, jednakże zastosowanie ich ograniczone jest z powodu niewielkiej wytrzymałości i znacznej kruchości. Zmniejszenie kruchości żeliwa białego można uzyskać przez wprowadzenie dodatku ok. 5% niklu i zwiększenie zawartości manganu, co prowadzi do uzyskania struktury ledeburytyczno-austenitycznej. Dodatek ok. 2% chromu, przy niskiej zawartości manganu, powoduje uzyskanie struktury ledeburytyczno-martenzytycznej o twardości ok. 600 HB. W podobny sposób dodatki chromu i niklu powodują powstanie w żeliwie szarym struktury martenzytycznej.

Do żeliw odpornych na ścieranie należą również żeliwa austenityczne, manganowe i wysokoniklowe. Żeliwa te posiadają strukturę austenityczną z wydzieleniami grafitu oraz węglikami typu ledeburytycznego, co daje im obok odporności na ścieranie zdolność do tłumienia drgań.Najważniejszą grupę, wśród żeliw odpornych na ścieranie, stanowią żeliwa wysokochromowe, posiadające przy zawartościach chromu do 18% strukturę ledeburytyczno-austenityczną, zaś przy zawartościach chromu 24-30% - strukturę ferrytyczną z wydzieleniami węglików pierwotnych i ledeburytycznych.

Żeliwa odporne na korozję

Żeliwa węglowe są stosunkowo mało odporne na działanie czynników chemicznych. Przez wprowadzenie dodatków, takich jak: krzem, krzem z molibdenem, chrom, chrom z niklem, chrom z molibdenem lub chrom z aluminium, można te odporność znacznie zwiększyć. Najbardziej odpornymi na korozję są w praktyce żeliwa wysokokrzemowe, niklowe i chromowe.

Żeliwa wysokokrzemowe, zawierające 14-18% Si, są w zasadzie odporne na działanie wszystkich kwasów tlenowych. Przez dodatek 3-4% molibdenu uzyskuje się w nich również odporność na działanie chlorowodoru oraz gorących kwasów. Struktura tych żeliw jest ferrytyczna z wydzieleniami grafitu, możliwe są też wydzielenia niewielkich ilości ledeburytu. Żeliwa krzemowe posiadają bardzo niską wytrzymałość na rozciąganie (ok. 100 MPa) i dość znaczną twardość (320-460 HB).

Żeliwa wysokoniklowe austenityczne charakteryzują się znaczną odpornością na działanie zarówno kwasów, jak i stężonych ługów. Posiadają one najczęściej strukturę złożoną z austenitu, grafitu i węglików, przez co obok właściwości antykorozyjnych zachowują zdolność do tłumienia drgań i odporność na ścieranie (zwłaszcza przy większej zawartości węgla).

Żeliwa wysokochromowe wykazują obok odporności na ścieranie dobre właściwości antykorozyjne, przy czym dla uzyskania tych właściwości, zawartość węgla w żeliwach może być mniejsza (1,2-2%) niż w przypadku, gdy wymagana jest największa odporność na ścieranie.

Żeliwa żaroodporne

Żeliwa zwykłe nie są odporne na działanie temperatur powyżej 250°C, gdyż przy wielokrotnym nagrzewaniu może w nich następować grafityzacja cementytu, będąca przyczyną powstawania naprężeń. Drugą przyczyną powstawania naprężeń jest bardzo znaczna niejednorodność strukturalna żeliwa i związane z nią różne współczynniki rozszerzalności cieplnej poszczególnych faz.Najczęściej spotykanymi w żeliwach żaroodpornych dodatkami stopowymi są chrom, nikiel i aluminium. Oprócz nich stosuje się dodatki krzemu, molibdenu i miedzi. Żeliwa wysokoniklowe posiadają najczęściej strukturę austenityczną lub przy mniejszych zawartościach niklu austenityczno-martenzytyczną z wydzieleniami grafitu. Nie różnią się one na ogół od żeliw odpornych na korozję. Żeliwa wysokochromowe posiadają struktury identyczne jak żeliwa wysokochromowe odporne na ścieranie, przy czym największa żaroodporność (do 120O°C) uzyskuje się w żeliwach zawierających ok. 1,5% C i 35% Cr. żeliwa aluminiowe posiadają przy zawartości aluminium 8 i 25% strukturę żeliwa szarego, zaś przy zawartości 16% Al - strukturę żeliwa białego.

Żeliwa oporowe

Żeliwa stosowane na elementy grzejne są materiałami bardzo kruchymi. W porównaniu z materiałami obrobionymi plastycznie posiadają znacznie wyższą oporność. Oporność właściwa żeliwa zależy głównie od zawartości krzemu i węgla i ze wzrostem tej zawartości oporność rośnie. Żeliwa oporowe krzemowe posiadają strukturę ferrytyczną, zaś żeliwa niklowo-chromowe - strukturę austenityczną.