POLITECHNIKA SZCZECIC
SKA
INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAA
OWEJ
ZAKA
AD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA
PRZEDMIOT: PODSTAWY NAUKI O MATERIAA
ACH II (Tworzywa Meta-
liczne)
Temat ćwiczenia:
STRUKTURY ODLEWNICZYCH STOPÓW ŻELAZA
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z ogólną charakterystyką żeliw i staliw, ich klasyfika-
cją, własnościami użytkowymi i mechanicznymi, badanie mikrostruktury, ocena składników struk-
turalnych zgodnie z PN-/H-04661
1. WIADOMOŚCI OGÓLNE
Żeliwo odlewniczy stop żelaza z węglem o takiej zawartości węgla która zapewnia krzepnięcie
z przemianą eutektyczną (praktycznie 2,5 do 4.5%C), zawierający pewne ilości krzemu (do 3,5%),
manganu (do 1%), fosforu (do 0,8%) i siarki (do 0,3%) pochodzenia metalurgicznego.
Węgiel w żeliwach (poza osnową) może występować w postaci związanej jako cementyt (ogól-
nie węgliki) bądz
w postaci wolnej jako grafit w zależności od czego rozróżnia się:
- żeliwa szare - węgiel w postaci grafitu,
- żeliwa białe - węgiel związany w cementycie,
- żeliwa połowiczne (pstre) z węglem występującym zarówno w postaci wolnej jak i związa-
nej.
Struktura żeliw zależy zarówno od składu chemicznego jak i szybkości krystalizacji metalu, co
związane jest z grubością ścianki odlewu, (rys.1).
7,0
6,0
5,0
4,0
10 20 30 40 50
0
grubość ścianki odlewu, mm
Rys.1. Wpływ zawartości węgla i krzemu oraz grubości ścianki odlewu na strukturę żeliwa szarego
Pierwiastki występujące w żeliwie można zestawić według ich wpływu na zdolność żeliwa do
grafityzacji podczas krzepnięcia:
- ułatwiające grafityzacje  Al., C, Si, Ni, Cu, P
- utrudniajÄ…ce grafityzacjÄ™  W, Mn, Mo, S, Cr, V,
Ważnym składnikiem żeliw jest fosfor, który zwiększa rzadkopłynność, nie oddziałując w istot-
ny sposób na proces grafityzacji. Fosfor tworzy odrębny składnik strukturalny, potrójną eutektykę
fosforową zwaną steadytem, która powiększa twardość i odporność żeliwa na ścieranie, ale przy
większej ilości powoduje również kruchość w niskiej temperaturze, (rys. 2).
1
Struktury odlewniczych stopów żelaza
Zawartość C+Si, %
f
e
r
r
y
e
t
y
c
r
z
n
e
a
z
s
p
e
r
p
l
i
t
y
c
z
o
b
n
o
-
f
e
Å‚
i
r
r
o
y
a
t
y
c
z
w
p
n
Å‚
e
e
r
e
l
i
t
y
i
c
z
c
n
e
z
n
e
Żeliwa szare:
Największe zastosowanie przemysłowe mają jak dotąd żeliwa
szare. Grafit występuje tu w postaci nieregularnych płatków różnej
wielkości, tworząc nieciągłości w osnowie metalicznej. Wytrzyma-
łość grafitu w porównaniu z osnową można przyjąć za równą zeru,
stąd też żeliwa szare odznaczają się niską wytrzymałością na roz-
ciąganie i zginanie, przy dość dobrej wytrzymałości na ściskanie.
Wytrzymałość zmęczeniowa żeliw szarych jest również niewielka
ze względu na obecność wspomnianych karbów strukturalnych. Z
Rys.2. Potrójna eutektyka fosfo- tego też powodu żeliwa szare są również mało wrażliwe na działa-
rowa w żeliwie szarym
nie wad powierzchniowych.
a) b)
perlit
grafit
ferryt
Rys.3. Żeliwo szare a) ferrytyczno-perlityczne b) perlityczne. Traw. Nital, x500.
Główną zaletą żeliwa szarego są dobre własności odlewnicze: wysoka rzadkopłynność, mały
skurcz odlewniczy (0,6 do 1,25%), dobre wypełnianie wnęki form itd. Inne zalety żeliwa szarego
związane z obecnością grafitu w strukturze to dobre własności przeciwcierne, zdolność tłumienia
drgań, dobra obrabialność. Dodatkową zaletą tych żeliw jest niska cena.
Żeliwa szare są powszechnie stosowanym materiałem konstrukcyjnym w przemyśle maszyno-
wym, kolejowym, samochodowym (np. korpusy maszyn, płyty fundamentowe, pierścienie tłokowe,
bębny hamulcowe, tuleje cylindrowe, armatura itd.).
Własności wytrzymałościowe żeliw szarych zależą przede wszystkim od postaci i wielkości
wydzieleń grafitu. Zmieniając postać z płatkowej np. na kulistą i rozdrabniając wydzielenia można
uzyskać znaczny przyrost Rm, R0.2 a A5 może osiągnąć poziom 20%.
Odmianą żeliw szarych są żeliwa modyfikowane, zawierające bardzo drobny grafit płatkowy,
dzięki czemu ich wytrzymałość jest znacznie wyższa niż żeliw zwykłych. Rozdrobnienie grafitu
uzyskuje się przez dodanie do żeliwa przed odlaniem tzw. modyfikatora, najczęściej w postaci
sproszkowanego żelazokrzemu.
Żeliwa sferoidalne
Żeliwami sferoidalnymi nazywa się żeliwa, w których grafit powstaje podczas krzepnięcia w
postaci kulkowej. Uzyskuje siÄ™ je w wyniku procesu modyfikacji, polegajÄ…cym na wprowadzeniu
do metalu (bezpośrednio przed odlaniem) dodatku sferoidyzującego w postaci magnezu, ceru, lan-
tanu, wapnia itp.
Struktura osnowy żeliw sferoidalnych, podobnie jak żeliw szarych zwykłych może być ferry-
tyczna, ferrytyczno-perlityczna lub perlityczna (rys. 4).
c)
b)
a)
Rys.4. Żeliwo sferoidalne z osnową a) ferrytyczną, b) ferrytyczno-perlityczną, c) perlityczną.
2
Struktury odlewniczych stopów żelaza
Dzięki kulistej postaci grafitu, żeliwa sferoidalne mają znacznie lepsze własności mechaniczne i
z powodzeniem zastępują nie tylko staliwo lecz również niektóre odkuwki stalowe. Wytwarza się z
nich takie części silników samochodowych jak wały korbowe, rozrządu, cylindry i pierścienie tło-
kowe. W budowie obrabiarek żeliwo sferoidalne wykorzystuje się na koła zębate, wrzeciona, kor-
pusy itd.
Sferoidyzacja powoduje zmniejszenie zdolności żeliwa szarego do tłumienia drgań. Aby za-
chować dobre własności wytrzymałościowe i jednocześnie nie stracić zdolności do tłumienia drgań
opracowano żeliwa wermikularne w których grafit przyjmuje kształt pośredni, krętkowy, zwichro-
wany, gwiaz
dzisty.
Żeliwa białe
Żeliwa białe jako materiał konstrukcyjny prawie nie mają szerszego zastosowania technicznego,
natomiast powierzchniowa warstwa żeliwa białego na żeliwie szarym, powstająca przez tzw. zabie-
lenie (tj. szybkie lokalne ochłodzenie odlewu) jest stosowana w celu zwiększenia odporności mate-
riału na ścieranie. Zabielenie żeliwa szarego stosuje się czasem w przypadku mniej odpowiedzial-
nych prowadnic korpusów maszyn, bieżni kół wagoników roboczych itp.
Żeliwo białe jest materiałem wyjściowym do wytwarzania żeliwa ciągliwego.
a) b)
Rys.5. Struktura żeliwa białego: a) podeutektycznego b) nadeutektycznego, x500.
Żeliwa ciągliwe
Żeliwami ciągliwymi nazywa się żeliwa białe, które ulegają określonemu uplastycznieniu dzięki
obróbce cieplnej (grafityzowanie) albo cieplno - chemicznej (odwęglanie) i zawierają grafit w po-
staci tzw. węgla żarzenia.
Grafityzowanie polega na wyżarzaniu w
oC
950 ÷ 1000oC przez kilkadziesiÄ…t godzin w at-
żeliwo ciągliwe czarne
1000
mosferze obojętnej. W pierwszym okresie gra-
A1
fityzacji rozkłada się cementyt pierwotny (z
ledeburytu) i pewna część wtórnego aż do usta-
żeliwo ciągliwe perlityczne
lenia równowagi węgla żarzenia i nasyconego
węglem austenitu. Dalszy rozkład cementytu
Czas, godz.
wtórnego jest możliwy tylko przy obniżaniu
Rys.6. Schemat obróbki cieplnej -grafityzowania żeliwa.
temperatury, ponieważ zmniejsza się wtedy
rozpuszczalność węgla w austenicie. Powolne obniżanie temperatury do ok. Ar1 zapewnia okres
pośredniej grafityzacji, w którym węgiel żarzenia wydziela się z austenitu. Dalszy przebieg wyża-
rzania zależy od rodzaju wymaganej osnowy. Węgiel żarzenia w osnowie ferrytycznej (tzn. całko-
witÄ… grafityzacjÄ™ cementytu wtórnego) zapewnia bardzo powolne studzenie (3 ÷ 5oC/h) w zakresie
760 ÷ 670oC. WÄ™giel żarzenia w osnowie perlitycznej zapewnia powolne chÅ‚odzenie (50oC/h) bez-
pośrednio po zakończeniu pierwszego okresu grafityzacji, a w osnowie ferrytyczno  perlitycznej 
pośrednia grafityzacja w temperaturze około 670oC przez odpowiedni czas, (rys. 6).
Z powodu barwy przełomu żeliwo grafityzowane o osnowie ferrytycznej nazywane jest żeli-
wem ciągliwym czarnym, a o osnowie perlitycznej, żeliwem ciągliwym perlitycznym.
3
Struktury odlewniczych stopów żelaza
temperatura
a) b)
Rys.7. Struktura żeliwa ciągliwego: a) czarnego, b) perlitycznego, x500
Zaletą grafityzowania jest jednakowa struktura na przekroju nawet znacznej grubości (rys. 7).
Żeliwo ciągliwe czarne stosowane jest na odlewy nie wymagające większej wytrzymałości, a przy
tym tanie, jak części maszyn rolniczych, maszyn do szycia, artykułów gospodarstwa domowego itp.
Żeliwo ciągliwe perlityczne ma zastosowanie na części silniej ob-
ciążone.
a)
Odwęglanie polega na wyżarzaniu w 1000oC przez kilkadzie-
siąt godzin w atmosferze utleniającej. W czasie wyżarzanie nastę-
puje grafityzacja oraz utlenianie węgla z powierzchniowej warstwy
odlewu. W miarę postępu procesu tworzy się gradient stężenia i
węgiel z warstw podpowierzchniowych dyfunduje odrdzeniowo
ulegając dalszemu utlenianiu. Struktura żeliwa odwęglonego zmie-
nia się na przekroju (rys. 8). Całkowite odwęglenie obserwuje się
b)
na gÅ‚Ä™bokoÅ›ci 6 ÷ 8 mm od powierzchni  odpowiada mu struktura
ferrytyczna (rys. 8a), przechodząca głębiej w ferrytyczno-
perlityczną (rys. 8b) i perlityczną z węglem żarzenia (rys. 8c) w
rdzeniu. Dlatego odwęglaniu nie poddaje się odlewów o grubości
powyżej 12 mm. Z powodu jasnej barwy przełomu całkowicie od-
węglonego, żeliwo takie nazywane jest żeliwem ciągliwym białym.
Dodatnią cechą tego rodzaju żeliwa jest dobra spawalność, nato-
c)
miast jest gorzej skrawalne od żeliwa ciągliwego czarnego, dlatego
stosuje się je na cienkościenne odlewy niezbyt mocno obciążone i
nie wymagające większej obróbki skrawaniem części maszyn, po-
jazdów mechanicznych, artykułów gospodarstwa domowego itp.
Rys.8. Struktura żeliwa
ciągliwego białego, x500
Żeliwa stopowe
Żeliwami stopowymi nazywa się żeliwa zawierające dodatkowo pierwiastki takie jak chrom, ni-
kiel, molibden, aluminium, tytan, wanad, miedz
, wolfram, bor lub zwiększone ilości krzemu i man-
ganu. Dobór ww. pierwiastków oraz ich wzajemne stosunki ilościowe decydują o własnościach
wytrzymałościowych, odporności na ścieranie i działanie środowisk korozyjnych oraz oddziaływa-
nie atmosfer utleniających w wysokich temperaturach. Polska Norma omawia 48 gatunków żeliw
stopowych podzielonych według właściwości na trzy grupy: żeliwa stopowe żaroodporne, odporne
na korozję i odporne na ścieranie.
4
Struktury odlewniczych stopów żelaza
Rys.9. Żeliwo stopowe chromowe odporne na ścieranie. Pow 100x i 500x
Staliwo jest stopem żelaza z węglem (do ok. 1,5%) w stanie lanym, przeznaczonym na odlewy
podlegające dużym obciążeniom dynamicznym. Klasyfikacja staliwa jest analogiczna jak stali.
Staliwo ma duży skurcz odlewniczy 1,6 do 2,1% (a staliwa stopowe często większy) i wymaga
temperatury odlewania 1600 ÷ 1700oC. Z powodu dużej gÄ™stopÅ‚ynnoÅ›ci i dużej jamy skurczowej
formowanie odlewów staliwnych wymaga dużych nadlewów i układu wlewowego. Staliwa nisko-
węglowe (<0,2%C) i niektóre wysokostopowe odznaczają się złą lejnością. Struktura odlewów mo-
że zawierać wady: mikrorzadzizny, pęknięcia, pęcherze itp. Ze zwiększeniem zawartości węgla
lejność staliwa poprawia się tak, że odlewanie staliwa średnio- i wysokowęglowego nie nastręcza
trudności, a struktura odlewu pozbawiona jest wad.
Własności fizyczne i chemiczne staliwa praktycznie nie
Rm
różnią się od własności stali o takim samym składzie.
%
MPa
Własności mechaniczne zależą głównie od zawartości
Rm
510
węgla i są nieco mniejsze niż w przypadku stali, zwłasz-
50
cza plastyczność, natomiast wytrzymałość na pełzanie
430 40
często jest większa. Mała stosunkowo plastyczność sta-
liwa wynika ze struktury dendrytycznej (segregacja C, P
30
Z
i pierwiastków stopowych). Wadą staliwa jest silny
20
340
A
wpływ grubości ścianki odlewu (szybkości krzepnięcia)
10
50 100
150 mm
na własności mechaniczne, Ze wzrostem grubości odle-
grubość ścianki odlewu
wu zmniejsza się zarówno Rm, A i Z, przy czym najsil-
Rys.10. Wpływ grubości ścianki odlewu na
niejszy spadek odpowiada grubościom do ok. 75 mm
własności mechaniczne staliwa.
(rys.10). Własności mechaniczne staliwa można popra-
wić obróbką cieplną: ujednorodnienie, normalizowanie,
odprężanie a także hartowanie i odpuszczanie.
Badanie struktury żeliw szarych, sferoidalnych i ciągliwych
Obserwację mikrostruktury żeliwa należy przeprowadzić pod powiększeniem 100-500x, zależ-
nie od rodzaju badania.
Oceny struktury dokonuje się na podstawie określenia cech głównych składników struktural-
nych omawianych żeliw tj.: grafitu i osnowy metalowej wg PN-/H-04661.
Badanie grafitu na zgładach nietrawionych obejmuje ocenę:
- kształtu
- wielkości wydzieleń
- rozmieszczenia
Ocenę wielkości wydzieleń grafitu przeprowadza się na podstawie średniej długości lub średni-
cy trzech największych wydzieleń w polu widzenia zgładu i co najmniej w trzech miejscach na
zgładzie. Wyniki podaje się w mikrometrach.
Badanie osnowy metalowej obejmuje:
- rodzaj osnowy (powiększenie 500x)
- ilość perlitu lub ferrytu w procentach (pow. 100x i co najmniej 3 miejsca na zgładzie).
5
Struktury odlewniczych stopów żelaza
wydłużenie / przewężenie
Badanie struktury żeliw białych
Badanie struktury polega na opisie składników strukturalnych badanych stopów.
Zgodnie z układem równowagi Fe-Fe3C, w zależności od zawartości węgla wyróżniamy żeliwa
białe:
Rodzaj żeliwa białego Składniki struktury
podeutektyczne (poniżej 4,3% C), perlit, ledeburyt przemieniony
eutektyczne (4,3% C), ledeburyt przemieniony
ledeburyt przemieniony, cementyt
nadeutektyczne (powyżej 4,3% C).
pierwotny
Badanie struktury staliw węglowych
Badanie struktury polega na opisie składników strukturalnych badanych staliw.
2. PRZEBIEG ĆWICZENIA
1) przygotowanie mikroskopu metalograficznego do badań
2) obserwację nie trawionych zgładów próbek żeliwa szarego, celem oceny kształtu, wielkości
i rozmieszczenia wydzieleń grafitu,
3) narysowanie i opisanie zgodnie z Polską Normą zaobserwowanych wydzieleń grafitu,
4) obserwację wytrawionych zgładów próbek żeliwa szarego, sferoidalnego i ciągliwego, ce-
lem oceny osnowy metalowej,
5) ocena obecności wtrąceń eutektyki fosforowej w żeliwach szarych,
6) narysowanie i opisanie zgodnie z PolskÄ… NormÄ… zaobserwowanych mikrostruktur
7) obserwację, narysowanie i opisanie wytrawionych zgładów próbek żeliwa białego
8) obserwację, narysowanie i opisanie wytrawionych zgładów próbek staliwa węglowego
Sprawozdanie
Sprawozdanie z ćwiczeń powinno zawierać
1. krótka charakterystyka badanych żeliw
2. opisane rysunki wydzieleń grafitu i mikrostruktur
3. wnioski
3. PYTANIA KONTROLNE
1. Definicja żeliwa, staliwa
2. Podział i zastosowanie żeliw
3. Postać występowania węgla i grafitu w żeliwach
4. Wpływ struktury (rodzaju grafitu, osnowy metalowej) na własności mechaniczne żeliw sza-
rych
5. Wpływ składu chemicznego na strukturę żeliw
6. Rola fosforu w żeliwach szarych
7. Porównanie własności mechanicznych staliw i stali
8. Wpływ grubości ścianki odlewu na własności mechaniczne staliw
SPIS LITERATURY
1. Podrzucki Cz., Żeliwo, Wyd. ZG STOP, Kraków 1991
2. Prowans St., Materiałoznawstwo, PWN, W-wa-Poznań, 1977
3. Ciszewski A., Radomski T., Szummer A., Metalowe Tworzywa Konstrukcyjne, Wyd. Po-
lit.Warszawskiej, W-wa 1993
4. Kosowski A., Metaloznawstwo Stopów Odlewniczych. Wyd.AGH, Kraków 1996.
5. Przybyłowicz K., Metaloznawstwo. WNT, W-wa 1996.
6. Wesołowski K., Metaloznawstwo i Obróbka Cieplna. WNT, W-wa 1981.
6
Struktury odlewniczych stopów żelaza
7. Metaloznawstwo, praca zb. pod red. F.Stauba., ÅšlÄ…skie Wyd.Techn., Katowice 1994.
8. PN-75/H-04661 Żeliwo szare, sferoidalne i ciągliwe. Badania metalograficzne. Określanie
mikrostruktury.
9. PN-EN ISO 945:1999 Żeliwo. Określanie cech wydzieleń grafitu
10. PN-EN 1561:2000 Żeliwo szare
11. PN-EN 1562:2000 Żeliwo ciągliwe
12. PN-EN 1563:2000 Żeliwo sferoidalne
7
Struktury odlewniczych stopów żelaza