Instytut Inżynierii Transportu
Zakład Techniki Transportu
Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotów
Materiałoznawstwo
i
Nauka o materiałach
Identyfikacja materiałów konstrukcyjnych żelaznych - żeliwa Opracowała: mgr inż. Joanna Tuleja
Zatwierdził: dr inż. Jarosław Chmiel
Szczecin 2008
Stopy żelaza należą do najważniejszej grupy materiałów konstrukcyjnych stosowanych przez człowieka. Wykorzystywane są od ok. 2000 roku p.n.e. i prawdopodobnie jeszcze długo ten stan się nie zmieni. Przyczyny popularności tej grupy materiałów wynikają z:
- powszechności występowania w skorupie ziemskiej żelaza (ok. 4,5%) najczęściej w postaci tlenków z których we względnie łatwy sposób można odzyskać żelazo;
- względnie niska temperatura topnienia żelaza 1583°C umożliwia jego otrzymywanie w stanie ciekłym co jest szczególnie istotne przy formowaniu i kształtowaniu, niemożność wystąpienia dyfuzji w stanie stałym co powoduje, że właściwości stopów żelaza w temperaturze otoczenia pozostają niezmienne;
- stopy żelaza charakteryzują się występowaniem przemian fazowych, efektem tego jest możliwość uzyskania materiałów konstrukcyjnych o bardzo różnorodnych właściwościach, które możemy dostosować do naszych potrzeb.
Na dzień dzisiejszy ponad 90% materiałów metalicznych stosowanych przez człowieka stanowią stopy żelaza.
2. Podstawowe pojęcia
Podstawowymi składnikami materiałów metalicznych żelaznych są: żelazo; węgiel.
Stopy żelaza ze względu na zawartość węgla dzielimy na: staliwa i stale; ż eliwa i surówki.
śeliwo - jest stopem żelaza z węglem o zawartości węgla teoretycznie powyżej 2%, praktycznie powyżej 1,5%.
W przemyśle krajowym z żeliwa wykonuje się ponad 85% odlewów.
Klasyfikacja żeliw
Klasyfikacja żeliwa jako podstawę przyjmuje strukturę stopu: w szczególności postać występowania węgla oraz kształt wydzieleń grafitu. Skład chemiczny ma znaczenie tylko w przypadku żeliw o specjalnych właściwościach
Ogólnie żeliwa dzielimy na:
- białe;
- szare (zwykłe, modyfikowane, sferoidalne, ciągliwe);
- stopowe.
Ze względu na postać wystę powania wę gla żeliwa możemy podzielić na:
- białe, węgiel w postaci cementytu;
- szare, węgiel w postaci grafitu;
- połowiczne (pstre lub nadperlityczne), węgiel występuje w postaci
- grafitu i cementytu.
Ze względu na rodzaj osnowy żeliwa dzielimy na:
- ferrytyczne;
3
- ferrytyczno - perlityczne.
Ogólne właściwości żeliw
- dobra lejność, dzięki niskiej temperaturze topnienia i dobrej rzadkopłynności;
- skurcz odlewniczy żeliwa białego jest taki sam jak staliwa (1,6 - 2.1%), natomiast skurcz odlewniczy żeliwa szarego jest bardzo mały 0,6 - 1,1%, ubytek objętości podczas krzepnięcia stopu jest rekompensowany przez wzrost objętości wskutek procesu grafityzacji;
- skrawalność żeliwa jest różna - białe są trudno skrawalne ze względu na bardzo wysoką twardość, szare dzięki wydzieleniom grafitu przerywającym osnowę metaliczną są dobrze skrawalne;
- kruchość spowodowana obecnością cementytu w żeliwie białym lub grafitu w żeliwie szarym;
- mała plastyczność i wrażliwość na naprężenia cieplne sprawia, że żeliwa są trudnospawalne;
- ok. 4 razy jest większa odporność żeliw na przenoszenie obciążeń ściskających w porównaniu z rozciągającymi.
Rodzaj żeliwa
Szare
Białe
Zalety
- łatwość odlewania
- jest bardzo twarde i
nawet skomplikowanych
odporne na ścieranie i
kształtów;
zachowuje te cechy do
- możliwość ograniczenia
temperatur przekraczających
obróbki skrawaniem do
400°C;
minimum oraz dobra
- jest odporne chemicznie.
skrawalność;
- dość dobra
wytrzymałość, zbliżona do
stali nisko- lub
średniowęglowych;
- duża zdolność tłumienia
drgań (5 razy większa niż
stali);
- duża odporność na ścieranie;
- bardzo dobre
własności ślizgowe
- mała rozszerzalność
cieplna (cechy 5 i 6
spowodowały masowe
zastosowanie żeliw w
4
cylindry, tłoki i pierścienie
ślizgowe);
- wyjątkowo mała
wrażliwość na działanie karbu;
- niski koszt wytwarzania;
- możliwość stosowania obróbki
cieplnej.
Wady
- mała ciągliwość i udarność,
- ze względu na dużą
- mała wytrzymałość na
twardość obróbka żeliwa
rozciąganie w porównaniu
białego wymaga odpowiednich
z wytrzymałością na
narzędzi np. węglików
ściskanie,
spiekanych;
- mogą mieć niejednorodną
- Ze względu na własności
strukturę zależną od
żeliwo białe ma ograniczone
grubości ścianki;
zastosowanie do odlewów
- mogą być porowate
odpornych na ścieranie nie
oraz zawierać rzadzizny i
wymagających większej
jamy skurczowe;
obróbki skrawaniem;
- odlewy kokilowe cechują
- konieczne jest utworzenie w
duże naprężenia wewnętrzne
jednym procesie produktu
dlatego powinny być
finalnego ze względu na
odprężane.
trudności obróbkowe.
Zastosowanie
Łoża obrabiarek, skrzynie
Wykładziny i ślimaki
biegów, płyty fundamentowe mieszalników i przenośników silników, pierścienie tłokowe,
materiałów sypkich, kule
tłoki, tuleje i bloki cylindrowe
młynów, kulowych, klocki
oraz panewki, ruszty, płyty i
hamulcowe, walce hutnicze
drzwi pieców, grzejniki c. o.,
wanny, zlewy, rożna, naczynia
kuchenne itp.
Czynniki wpływające na tworzenie się grafitu w żeliwach
Istotny wpływ na proces grafityzacji wywierają domieszki i zanieczyszczenia:
- Si i P ułatwiają grafityzację;
- Mn i S przeciwdziałają grafityzacji, powodują zabielenie żeliwa..
Oprócz składu chemicznego na strukturę i własności żeliw wpływa szybkość chłodzenia odlewów
3. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze strukturami różnych rodzajów żeliw, ich własnościami, zastosowaniem i oznaczeniami
5
Przebieg ćwiczenia
Ćwiczenie polega na dokładnej obserwacji struktur różnych rodzajów żeliw.
Wykonujący ćwiczenie ma za zadanie zidentyfikować badane materiały i wskazać poszczególne elementy struktury analizowanych stopów
5.
Sprawozdanie
Sprawozdanie powinno zawierać:
- definicje żeliwa;
- podstawowe sposoby klasyfikacji żeliw,
- rysunki mikrostruktur identyfikowanych żeliw wraz z dokładnymi
- opisami poszczególnych składników fazowych i strukturalnych;
- wytyczne dotyczące oznaczania analizowanych grup materiałów;
- przykłady zastosowania poszczególnych grup żeliw.
6.
Wymagania
- Podstawowe pojęcia charakteryzujące żeliwa
- Sposoby klasyfikacji żeliw.
- Definicje składników fazowych i strukturalnych żeliw.
- Właściwości żeliw.
- Przykłady zastosowania żeliw.
7.
Literatura
1. Prowans St.: Materiałoznawstwo", PWN, Warszawa 1986 Blicharski M.: „Wstę p do inż ynierii materiałowe/', WNT, Warszawa 2001 (
2. Dobrzański L.A.: Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach", WNT, Warszawa 1999
3. Topoliński T.: Materiałoznawstwo", WUATR, Bydgoszcz 1999
4. Domke W.: „Vademecum materiałoznawstwa", WNT, Warszawa 1989
5. Przybyłowicz K. Metaloznawstwo
6