AKADEMIA MORSKA W SZCZECINIE

WYDZIAŁ INŻYNIERYJNO – EKONOMICZNY TRANSPORTU

Instytut Inżynierii Transportu

Zakład Techniki Transportu

INSTRUKCJA

Żelazo i jego stopy cz. II : Żeliwa

MATERIAŁOZNAWSTWO I NAUKA O MATERIAŁACH

LABORATORIUM

dr inż. Jarosław Chmiel

Opracował:

mgr inż. Joanna Tuleja

Zatwierdził:

dr inż. Jarosław Chmiel

Obowiązuje od: wrzesień 2012

Akademia Morska w Szczecinie. Wszelkie prawa autorskie zastrzeżone.

Akademia Morska w Szczecinie. Wszelkie prawa autorskie zastrzeżone.

1.

Wprowadzenie

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;

żeliwa i surówki.

Żeliwo - 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.

Akademia Morska w Szczecinie. Wszelkie prawa autorskie zastrzeżone.

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 występowania węgla 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;

- perlityczne,

- 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.

Akademia Morska w Szczecinie. Wszelkie prawa autorskie zastrzeżone.

Rodzaj

Szare

Białe

żeliwa

Zalety

-

łatwość odlewania nawet

-

jest bardzo

skomplikowanych kształtów;

twarde i odporne na

-

możliwość ograniczenia

ścieranie i zachowuje te

obróbki skrawaniem do minimum

cechy do temperatur

oraz dobra skrawalność;

p

r

z

e

k r

a

c

zających 400°C;

-

dość dobra wytrzymałość,

-

jest odporne chemicznie.

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

przemyśle motoryzacyjnym na 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

-

mała wytrzymałość na rozciąganie w

dużą twardość obróbka

porównaniu z wytrzymałością na

żeliwa białego wymaga

ściskanie,

odpowiednich narzędzi

-

mogą mieć niejednorodną

np. węglików spiekanych;

strukturę zależną od grubości

-

Ze względu na

ścianki;

własności

-

mogą być porowate oraz

żeliwo białe ma

zawierać rzadzizny i jamy skurczowe;

ograniczone

-

odlewy kokilowe cechują duże

zastosowanie do odlewów

naprężenia wewnętrzne dlatego

odpornych na ścieranie

powinny być odprężane.

nie

wymagających

większej

obróbki skrawaniem;

-

konieczne jest

utworzenie w jednym

procesie produktu

finalnego ze względu na

trudności obróbkowe.

Zastoso-

Łoża obrabiarek, skrzynie biegów,

Wykładziny i ślimaki

wanie

płyty fundamentowe silników,

mieszalników i

pierścienie tłokowe, tłoki, tuleje i bloki

przenośników materiałów

cylindrowe oraz panewki, ruszty, płyty i

sypkich, kule młynów,

drzwi pieców, grzejniki c. o., wanny,

kulowych, klocki

zlewy, rożna, naczynia kuchenne itp.

hamulcowe, walce hutnicze

Akademia Morska w Szczecinie. Wszelkie prawa autorskie zastrzeżone.

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

4.

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.

Akademia Morska w Szczecinie. Wszelkie prawa autorskie zastrzeżone.

7.

Literatura

1. Prowans St.: Materiałoznawstwo", PWN, Warszawa 1986 Blicharski M.: „Wstęp do inżynierii 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

Akademia Morska w Szczecinie. Wszelkie prawa autorskie zastrzeżone.