Materiałoznawstwo i Nauka o materiałach żeliwa (Akademia Morska w Szczecinie)
Akademia Morska w Szczecinie Instytut In\ynierii Transportu Zakład Techniki Transportu Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotów Materiałoznawstwo i Nauka o materiałach Identyfikacja materiałów konstrukcyjnych \elaznych - \eliwa Opracowała: mgr in\. Joanna Tuleja Zatwierdził: dr in\. Jarosław Chmiel Szczecin 2008 2 1. Wprowadzenie Stopy \elaza nale\ą do najwa\niejszej 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 \elaza (ok. 4,5%) najczęściej w postaci tlenków z których we względnie łatwy sposób mo\na odzyskać \elazo; - względnie niska temperatura topnienia \elaza 1583�C umo\liwia jego otrzymywanie w stanie ciekłym co jest szczególnie istotne przy formowaniu i kształtowaniu, niemo\ność wystąpienia dyfuzji w stanie stałym co powoduje, \e właściwości stopów \elaza w temperaturze otoczenia pozostają niezmienne; - stopy \elaza charakteryzują się występowaniem przemian fazowych, efektem tego jest mo\liwość uzyskania materiałów konstrukcyjnych o bardzo ró\norodnych właściwościach, które mo\emy dostosować do naszych potrzeb. Na dzień dzisiejszy ponad 90% materiałów metalicznych stosowanych przez człowieka stanowią stopy \elaza. 2. Podstawowe pojęcia Podstawowymi składnikami materiałów metalicznych \elaznych są: \elazo; węgiel. Stopy \elaza ze względu na zawartość węgla dzielimy na: staliwa i stale; \eliwa i surówki. śeliwo - jest stopem \elaza z węglem o zawartości węgla teoretycznie powy\ej 2%, praktycznie powy\ej 1,5%. W przemyśle krajowym z \eliwa wykonuje się ponad 85% odlewów. Klasyfikacja żeliw Klasyfikacja \eliwa jako podstawę przyjmuje strukturę stopu: w szczególności postać występowania węgla oraz kształt wydzieleń grafitu. Skład chemiczny ma znaczenie tylko w przypadku \eliw o specjalnych właściwościach Ogólnie \eliwa dzielimy na: - białe; - szare (zwykłe, modyfikowane, sferoidalne, ciągliwe); - stopowe. Ze względu na postać występowania węgla \eliwa mo\emy 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 \eliwa dzielimy na: - ferrytyczne; 3 - perlityczne, - ferrytyczno - perlityczne. Ogólne właściwości żeliw - dobra lejność, dzięki niskiej temperaturze topnienia i dobrej rzadkopłynności; - skurcz odlewniczy \eliwa białego jest taki sam jak staliwa (1,6 - 2.1%), natomiast skurcz odlewniczy \eliwa szarego jest bardzo mały 0,6 - 1,1%, ubytek objętości podczas krzepnięcia stopu jest rekompensowany przez wzrost objętości wskutek procesu grafityzacji; - skrawalność \eliwa jest ró\na - 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 \eliwie białym lub grafitu w \eliwie szarym; - mała plastyczność i wra\liwość na naprę\enia cieplne sprawia, \e \eliwa są trudnospawalne; - ok. 4 razy jest większa odporność \eliw na przenoszenie obcią\eń ściskających w porównaniu z rozciągającymi. Rodzaj \eliwa Szare Białe Zalety - łatwość odlewania - jest bardzo twarde i nawet skomplikowanych odporne na ścieranie i kształtów; zachowuje te cechy do - mo\liwość ograniczenia temperatur przekraczających obróbki skrawaniem do 400�C; minimum oraz dobra - jest odporne chemicznie. skrawalność; - dość dobra wytrzymałość, zbli\ona do stali nisko- lub średniowęglowych; - du\a zdolność tłumienia drgań (5 razy większa ni\ stali); - du\a odporność na ścieranie; - bardzo dobre własności ślizgowe - mała rozszerzalność cieplna (cechy 5 i 6 spowodowały masowe zastosowanie \eliw w 4 przemyśle motoryzacyjnym na cylindry, tłoki i pierścienie ślizgowe); - wyjątkowo mała wra\liwość na działanie karbu; - niski koszt wytwarzania; - mo\liwość stosowania obróbki cieplnej. Wady - mała ciągliwość i udarność, - ze względu na du\ą - mała wytrzymałość na twardość obróbka \eliwa rozciąganie w porównaniu białego wymaga odpowiednich z wytrzymałością na narzędzi np. węglików ściskanie, spiekanych; - mogą mieć niejednorodną - Ze względu na własności strukturę zale\ną od \eliwo białe ma ograniczone grubości ścianki; zastosowanie do odlewów odpornych na ścieranie nie - mogą być porowate wymagających większej oraz zawierać rzadzizny i obróbki skrawaniem; jamy skurczowe; - odlewy kokilowe cechują - konieczne jest utworzenie w jednym procesie produktu du\e naprę\enia wewnętrzne finalnego ze względu na dlatego powinny być trudności obróbkowe. odprę\ane. Ao\a obrabiarek, skrzynie Wykładziny i ślimaki Zastosowanie 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, ro\na, naczynia kuchenne itp. Czynniki wpływające na tworzenie się grafitu w \eliwach Istotny wpływ na proces grafityzacji wywierają domieszki i zanieczyszczenia: - Si i P ułatwiają grafityzację; - Mn i S przeciwdziałają grafityzacji, powodują zabielenie \eliwa.. Oprócz składu chemicznego na strukturę i własności \eliw wpływa szybkość chłodzenia odlewów 3. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze strukturami ró\nych rodzajów \eliw, ich własnościami, zastosowaniem i oznaczeniami 5 4. Przebieg ćwiczenia Ćwiczenie polega na dokładnej obserwacji struktur ró\nych rodzajów \eliw. Wykonujący ćwiczenie ma za zadanie zidentyfikować badane materiały i wskazać poszczególne elementy struktury analizowanych stopów 5. Sprawozdanie Sprawozdanie powinno zawierać: - definicje \eliwa; - podstawowe sposoby klasyfikacji \eliw, - rysunki mikrostruktur identyfikowanych \eliw wraz z dokładnymi - opisami poszczególnych składników fazowych i strukturalnych; - wytyczne dotyczące oznaczania analizowanych grup materiałów; - przykłady zastosowania poszczególnych grup \eliw. 6. Wymagania - Podstawowe pojęcia charakteryzujące \eliwa - Sposoby klasyfikacji \eliw. - Definicje składników fazowych i strukturalnych \eliw. - Właściwości \eliw. - Przykłady zastosowania \eliw. 7. Literatura 1. Prowans St.: Materiałoznawstwo", PWN, Warszawa 1986 Blicharski M.: Wstęp do in\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