śeliwa
śeliwa są stopami \
elaza z węglem o zawartości węgla powy\
ej 2%
(zazwyczaj w zakresie 2 ÷ 6,7%). DziÄ™ki temu ich temperatury topnienia
sÄ… ni\
sze ni\
stali i wynoszÄ… ok. 1200°C. SÄ… szeroko rozpowszechnione
jako stopy odlewnicze, tanie, o dobrej lejności umo\
liwiajÄ…cej
otrzymywanie odlewów o zło\
onym kształcie i wadze od kilku gramów
do kilkuset ton. Węgiel w \
eliwie mo\
e występować w postaci związanej
z \
elazem jako cementyt lub jako grafit o ró\
nych kształtach. O tym, w
jakiej postaci będzie występował węgiel w \
eliwie, decydują: skład
chemiczny i szybkość chłodzenia podczas krystalizacji \
eliwa.
Cementyt jest fazą metastabilną i przy małej szybkości chłodzenia, du\
ej
zawartości węgla i obecności takich pierwiastków, jak krzem i nikiel,
mo\
e ulegać grafityzacji, czyli rozkładać się na grafit i \
elazo (właściwie
jest to ferryt, gdy\
atomy węgla rozpuszczają się w sieci Feą):
Si
Fe3C mała szybkość chłodzenia 3 Fe + Cgrafit
Zwykle zawartość krzemu w \
eliwie wynosi 0,8 ÷ 4,5%. ZmieniajÄ…c
zawartość krzemu mo\
na regulować stosunek ilości węgla związanego,
czyli cementytu, do ilości grafitu i zmieniać właściwości \
eliwa. śeliwa
zawierające węgiel w postaci cementytu noszą nazwę \
eliw białych
(jasny przełom), a zawierające grafit  \
eliw szarych (ciemny przełom).
Poza węglem i krzemem w \
eliwach występują takie pierwiastki jak:
mangan, fosfor i siarka.
Mangan przeciwdziała wydzielaniu się węgla w postaci grafitu i
odbieleniu \
eliwa. Jego zawartość w \
eliwie nie przekracza 1,0% i do tej
zawartości jego wpływ jest korzystny, gdy\
zwiększa wytrzymałość oraz
twardość \
eliwa. Przy większej zawartości manganu wzrasta skurcz i
\
eliwo staje siÄ™ kruche.
Fosfor zwiększa rzadkopłynność \
eliwa, dlatego dopuszcza siÄ™ jego
zawartość do 0,4%. Dla odlewów \
eliwnych, które winny być wytrzymałe
dopuszcza siÄ™ 0,15% P, poniewa\
fosfor zwiększa kruchość \
eliwa.
Siarka znacznie obni\
a lejne i mechaniczne właściwości \
eliwa, utrudnia
wydzielanie się grafitu, zwiększa skurcz, kruchość i obni\
a
rzadkopłynność. Nie dopuszcza się do przekroczenia zawartości 0,1%.
Odlewy z \
eliwa stopowego mogą zawierać nikiel, chrom, molibden,
wolfram, wanad, miedz
i inne pierwiastki. Jeśli sumaryczna ilość
pierwiastków stopowych jest poni\
ej 2,5%, to odlewy z takiego \
eliwa
1
nale\
ą do niskostopowych; przy sumarycznej zawartości składników
stopowych 2,5 ÷ 10%  do Å›redniostopowych i powy\
ej 10%  do
wysokostopowych.
Jak wy\
ej wspomniano, na grawitacjÄ™ \
eliwa ma istotny wpływ szybkość
chłodzenia odlewu. Im mniejsza szybkość chłodzenia odlewu, tym łatwiej
przebiega proces grafityzacji. Dlatego te\
przy jednym i tym samym
składzie \
eliwa w odlewach mo\
na otrzymać ró\
ne struktury w ich
przekrojach. Na powierzchni odlewu, gdzie szybkość chłodzenia jest
du\
a, mo\
liwe jest powstanie struktury \
eliwa białego, a wewnątrz
odlewu mo\
e powstać \
eliwo z ró\
nym stopniem grafityzacji.
Aby uchronić się przed zabielaniem \
eliwa, na odlewy o małych
przekrojach stosuje siÄ™ \
eliwo o podwy\
szonej zawartości pierwiastków
grafityzujących w porównaniu z \
eliwem na odlewy o du\
ych
przekrojach.
śeliwa mo\
emy podzielić na: białe, szare gdzie wyró\
niamy między
innymi: sferoidalne i ciÄ…gliwe.
śeliwa białe
Jak ju\
wspomniano, w \
eliwie białym węgiel występuje w postaci
cementytu. Podział tych \
eliw i ich struktury wynikają bezpośrednio z
wykresu równowagi Fe Fe3C. Są one następujące:
1) \
eliwo białe podeutektyczne zawierające od 2% do 4,3% węgla, o
strukturze składającej się z perlitu, ledeburytu przemienionego i
cementytu wtórnego;
2) \
eliwo białe eutektyczne zawierające 4,3% węgla, o strukturze
ledeburytu przemienionego;
3) \
eliwo białe nadeutektyczne zawierające od 4,3% do 6,67% C (w praktyce
do 5% C), o strukturze składającej się z ledeburytu przemienionego
i cementytu pierwotnego.
Na rysunku 1 przedstawiono mikrostruktury \
eliwa podeutektycznego,
eutektycznego i nadeutektycznego. Cementyt powoduje, i\
\
eliwa białe są
twarde i odporne na ścieranie, lecz kruche i trudno obrabialne. W
zasadzie \
eliwo to nie jest u\
ywane na odlewy, ale stanowi jedynie
pośredni materiał do produkcji \
eliwa ciągliwego. Jeśli potrzebna jest
du\
a twardość i odporność na zu\
ycie pewnych powierzchni odlewu
\
eliwa szarego (jak np. ma to miejsce przy produkcji kół wagonów
kolejowych), to wówczas wytwarza się w tych miejscach strukturę \
eliwa
białego przez szybkie chłodzenie. Forma piaskowa w tych miejscach ma
2
metalową płytę, która zapewnia szybkie odprowadzenie ciepła
i tzw. zabielenie warstwy wierzchniej odlewu.
a) b)
c)
Rys. 1. śeliwo białe (wytrawione Nital): a  podeutektyczne (ciemne dendryty perlitu na tle
ledeburytu przemienionego i cementytu drugorzÄ™dowego), pow. 250×; b  eutektyczne, ledeburyt
przemieniony, pow. 250×; c  nadeutektyczne (jasne, iglaste krysztaÅ‚y cementytu pierwotnego na
tle ledeburytu przemienionego, pow. 250×
śeliwa szare
W \
eliwie szarym węgiel mo\
e występować w postaci grafitu lub grafitu
i węgla związanego w cementycie. Grafit przybiera dzięki obecności
krzemu kształt płatków (na przekroju mających kształt \
yłek).
MikrostrukturÄ™ takiego \
eliwa bez trawienia pokazano na rys. 2.
3
Rys. 2. Å›eliwo szare nie wytrawione (modyfikowane). Grafit w formie pÅ‚atków; pow. 100×
Płatki grafitu otoczone są przez osnowę metaliczną, która odpowiednio do
stopnia grafityzacji cementytu mo\
e być: perlityczna, ferrytyczna lub
ferrytyczno-perlityczna. W zale\
ności od struktury metalicznej osnowy odró\
nia
siÄ™ trzy gatunki \
eliwa szarego:
1. śeliwo szare perlityczne ma strukturę składającą się z płatków
grafitu otoczonych perlitem. Poniewa\
w perlicie występuje
cementyt, zatem część węgla zawartego w \
eliwie jest w postaci
związanej w ilości 0,8% C (tyle węgla zawiera perlit), a reszta w
stanie wolnym, tj. w postaci grafitu (rys. 3 a).
2. śeliwo szare ferrytyczne ma strukturę składającą się z płatków
grafitu otoczonych ziarnami ferrytu. Cały węgiel zawarty w \
eliwie
jest w stanie wolnym, tj. w postaci grafitu (rys. 3 b).
3. śeliwo szare ferrytyczno-perlityczne ma strukturę składającą się z
płatków grafitu w osnowie ferrytu i perlitu. Ilość węgla związanego w
postaci cementytu w tym \
eliwie jest mniejsza ni\
0,8%.
a) b)
Rys. 3. Mikrostruktury \
eliwa szarego: a  \
eliwo szare modyfikowane, grafit + perlit + eutektyka
fosforowa (trawione Nital), pow. 500×; b  \
eliwo ferrytyczne, grafit w formie du\
ych płatków
(nietrawione), pow. 100×
4
Wielkość i rozmieszczenie płatków grafitu ma istotny wpływ na
właściwości \
eliwa, znaczniejszy ni\
osnowa metaliczna. Większa ilość
grafitu zmniejsza wytrzymałość na rozciąganie i ciągliwość, ale
zachowuje wysoką wytrzymałość i plastyczność \
eliwa przy ściskaniu.
Obni\
enie wytrzymałości na rozciąganie wynika z tego, i\
wydzielenia
grafitu, z uwagi na jego zerową wytrzymałość zmniejszają rzeczywisty
przekrój materiału przenoszącego obcią\
enie i poza tym działają jako
karby koncentrujÄ…ce naprÄ™\
enia. Wa\
nÄ…, korzystnÄ… cechÄ… \
eliwa szarego,
wynikającą z obecności grafitu, jest zdolność do tłumienia drgań (z tego
względu u\
ywane jest ono na korpusy obrabiarek). Poza tym, grafit
poprawia obrabialność i zmniejsza współczynnik tarcia \
eliwa. Lepsze
właściwości otrzymuje się przez modyfikowanie \
eliwa krzemkiem
wapnia ( zarodkowanie cieczy), co prowadzi do rozdrobnienia grafitu;
jest to tzw. \
eliwo modyfikowane.
śeliwa ciągliwe
W \
eliwie szarym grafit powstaje w wyniku grafityzacji cementytu
podczas krystalizacji. W \
eliwach ciÄ…gliwych grafityzacjÄ™ przeprowadza
się drogą obróbki cieplnej w stanie stałym, a mianowicie poprzez
wy\
arzanie grafityzujÄ…ce \
eliwa białego (w którym cały węgiel jest
zwiÄ…zany w postaci cementytu) w temperaturze ok. 850°C.
Wy\
arzanie przeprowadza się w atmosferze obojętnej (\
eliwo ciÄ…gliwe
czarne) lub w atmosferze odwęglającej (\
eliwo ciągliwe białe). Nazwy
\
eliw pochodzą od wyglądu przełomu. Powstający grafit występuje w
postaci skupisk niteczek zwanych węglem \
arzenia. Jest to korzystniejsza
forma grafitu ni\
grafitu płatkowego i dlatego \
eliwa ciÄ…gliwe majÄ… dobrÄ…
plastyczność.
W \
eliwie ciągliwym czarnym osnową otaczającą węgiel \
arzenia sÄ…
ziarna ferrytu i \
eliwo to nazywane jest \
eliwem ciÄ…gliwym ferrytycznym
(rys. 4 a). W \
eliwie ciągliwym białym w warstwie powierzchniowej (3
÷ 5 mm) wystÄ™puje ferryt, natomiast w rdzeniu, w przedmiotach o
większej grubości ścianek (powy\
ej 10 mm) występuje węgiel \
arzenia
na tle osnowy perlityczno-ferrytycznej (rys. 4 b).
5
 a) b)
Rys. 4. Mikrostruktury \
eliw ciÄ…gliwych (wytrawiane, Nital): a  \
eliwo ciągliwe czarne, węgiel
\
arzenia + ferryt, w niektórych ziarnach ferrytu (szare) siarczki manganu, pow. 100×; b  \
eliwo
ciągliwe białe, węgiel \
arzenia + ferryt + perlit, pow. 100×
śeliwa sferoidalne
Dodanie do \
eliwa w trakcie krystalizacji magnezu lub ceru (lub obu
pierwiastków razem) zmienia mechanizm tworzenia się grafitu, w wyniku
czego otrzymuje się grafit w postaci kulek. Ta postać grafitu wywołuje
najmniejsze osłabienie właściwości mechanicznych, dlatego \
eliwo
sferoidalne wykazuje dobre właściwości wytrzymałościowe i niezłą
plastyczność. Po odlaniu osnowa \
eliwa jest w zasadzie perlityczna, ale
mo\
na ją zmienić przez obróbkę cieplną. Tak więc osnowa mo\
e być
perlityczna, ferrytyczno-perlityczna lub ferrytyczna. Na rysunku 5
przedstawiono strukturÄ™ \
eliwa sferoidalnego ferrytyczno-perlitycznego.
Rys. 5. Mikrostruktura \
eliwa sferoidalnego ferrytyczno-perlitycznego (trawione Nital); ciemne
kuleczki grafitu na tle jasnego ferrytu i szarego perlitu, pow. 250×
śeliwo sferoidalne ferrytyczne (rys. 6) ma du\
ą ciągliwość, a
wytrzymałość na rozciąganie równą ok. 400 MPa, natomiast \
eliwo
sferoidalne perlityczne ma małą ciągliwość, ale du\
ą wytrzymałość na
rozciÄ…ganie dochodzÄ…cÄ… do 1000 MPa.
6
Rys. 6. Å›eliwo szare sferoidalne; trawienie Nital; grafit + ferryt; pow. 250×
Do \
eliw stosuje się obróbkę cieplną w celu:
 usunięcia naprę\
eń własnych (pozostałych po chłodzeniu odlewu) poprzez
wy\
arzanie w temperaturach ok. 630°C lub sezonowanie, czyli
przetrzymywanie w temperaturze otoczenia przez ok. rok;
 zahartowania i odpuszczania; hartowanie przeprowadza siÄ™ z
temperatury ok. 870°C;
 otrzymania \
eliwa szarego ferrytycznego, poprzez wy\
arzanie \
eliwa
szarego o zwiÄ™kszonej nieco zawartoÅ›ci krzemu (ok. 2 ÷ 2,5%) w
temperaturze 700 ÷ 760°C.
Dobierając odpowiednią obróbkę cieplną mo\
na w \
eliwie szarym
otrzymać ró\
ne metaliczne osnowy: perlit, ferryt, martenzyt i bainit.
Nagrzewanie \
eliwa do temperatury 750 ÷ 870°C prowadzi do powstania
dwóch faz: grafitu (który ju\
był) i austenitu (powstałego z przemiany
strukturalnej osnowy w temperaturze powy\
ej A1). Chłodzenie
umiarkowanie wolne z tej temperatury daje osnowÄ™ perlitycznÄ…, szybkie 
martenzytyczną. Przechładzając do temperatury powy\
ej Ms (temperatura
poczÄ…tku przemiany w martenzyt) mo\
na otrzymać bainit.
Z \
eliw stopowych nale\
y wymienić \
eliwa austenityczne, w których
dodatki niklu, chromu, miedzi lub manganu na tyle rozszerzajÄ… zakres
istnienia stabilnego austenitu, i\
istnieje on w temperaturze pokojowej i
poni\
ej. śeliwa te są odporne na korozję i podwy\
szonÄ… temperaturÄ™ oraz
mają specjalne właściwości, np. małą rozszerzalność i są niemagnetyczne.
Oznaczenie \
eliwa według Polskich Norm składa się z litery Z, po której
występują małe litery: l  dla \
eliwa szarego, s  dla \
eliwa sferoidalnego,
c  dla \
eliwa ciągliwego. Następne du\
e litery oznaczajÄ…: B  \
eliwo
ciągliwe białe, C  \
eliwo ciÄ…gliwe czarne, P  \
eliwo ciÄ…gliwe
7
perlityczne. Po symbolu literowym sÄ… liczby: trzycyfrowe  w \
eliwach
szarych oznaczające minimalną wytrzymałość na rozciąganie w MPa,
pięciocyfrowe  w innych \
eliwach, z których początkowe trzy oznaczają
minimalną wytrzymałość na rozciąganie w MPa, a dwie ostatnie 
wydłu\
enie w %.
Przykłady oznaczeń: Zl 300  \
eliwo szare o Rm = 300 MPa; Zs 50007 
\
eliwo sferoidalne o Rm = 500 MPa i A = 7%; ZcB 40005  \
eliwo
ciągliwe białe o Rm = 400 MPa i A = 5%.
Zastosowanie \
eliw w okrętownictwie
śeliwa szare zwykłe, z uwagi na niskie własności mechaniczne i du\
Ä…
kruchość (brak wydłu\
enia), mają ograniczone zastosowanie. Mogą być
u\
yte na części, od których wymagana jest du\
a zdolność tłumienia drgań
mechanicznych, a nara\
one są na małe obcią\
enia. Wymagania stawiane
\
eliwom szarym dla konstrukcji okrętowych podają przepisy tow.
Klasyfikacyjnych, np. Polskiego Rejestru Statków.
śeliwa modyfikowane, dzięki rozdrobnionym wydzieleniom grafitu,
wykazują lepsze własności mechaniczne i większe wydłu\
enie, wobec
czego mogą być u\
yte na średnio obcią\
one części maszyn i urządzeń.
śeliwa takie znajdują zastosowanie do wykonywania odlewów korpusów
silników, skrzynek przekładniowych, tulei silników spalinowych,
korpusów ło\
ysk linii wałów, wirników pomp, aparatury sanitarnej.
śeliwa sferoidalne, dzięki grafitowi w formie kulkowej, wykazują
znacznie lepsze własności mechaniczne oraz większe wydłu\
enie, a
ponadto mogą podlegać obróbce cieplnej, która znacznie zwiększa
własności mechaniczne. Takie \
eliwa znajdujÄ… szerokie zastosowanie w
przemyśle maszynowym, transporcie i budownictwie. Dynamiczny
rozwój produkcji \
eliw sferoidalnych spowodował, i\
ich zastosowanie w
ostatnich latach przewy\
sza wszystkie inne stopy odlewnicze.
śeliwo sferoidalne jest stosowane do wykonywania zaworów i łączników
rurociągów do paliw i gazów płynnych, na części pomp i sprę\
arek, na
tłoki silników spalinowych, wały wykorbione silników wysokoprę\
nych i
benzynowych, korpusy Å‚o\
ysk linii wałów na okrętach.
Znaczne zastosowanie znajdujÄ… te\
\
eliwa sferoidalne stopowe, których
mo\
na u\
yć do produkcji części maszyn pracujących w podwy\
szonych
temperaturach (rozrząd silników odrzutowych) i obni\
onych (pompy do
ciekłych gazów).
8
 9