Wydział
Mechaniczny
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych
Temat ćwiczenia: Badanie mikroskopowe struktur surówek i \
eliw
Numer ćwiczenia: 4
Laboratorium z przedmiotu:
MATERIAA
OZNAWSTWO
2000
Wydział (Instytut): Mechaniczny
Katedra (Zakład): Materiałoznawstwa
Zawartość instrukcji:
1) Wprowadzeniu
2) Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego
3) Metodyka badań
a) opis stanowiska
b) przebieg realizacji eksperymentu
c) prezentacja i analiza wyników badań
4) Wymagania BHP
5) Sprawozdania studenckie (cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego, opis stanowiska
badawczego, przebieg realizacji eksperymentu, zestawienie i analiza wyników badań,
wnioski, inne)
6) Literatura
1. WPROWADZENIE
1.1. Wiadomości podstawowe
śeliwem nazywamy surówkę, z której bezpośrednio po wytopieniu w wielkim piecu
wykonano odlewy, lub stop powstały z przetopienia w \
eliwiaku, czy innym piecu odlewniczym
surówki z dodatkiem złomu \
eliwnego i stalowego oraz czasami \
elazostopu (\
elazokrzem,
\
elazomangan, \
elazochrom itp). Najwa\
niejszym składnikiem \
eliw, poza \
elazem, jest
węgiel, którego zawartość mo\
e wynosi 2,0 - 6,7 % (najczyściej 2,5 - 4,5%). W zale\
ności
od składu chemicznego rozró\
nia siÄ™ dwa rodzaje \
eliw. śeliwa, w których zawartość innych
pierwiastków, poza węglem, jest większa ni\
:
Si - 4 % Cu - 0,2 %
Mn -1,2 % Co - 0,2 %
P-1,5% W-0,2%
Cr-0,3% AI-0,1%
Ni - 0,3 % V - 0,05%
nazywamy stopowymi. śeliwa, w których zawartość pierwiastków jest mniejsza od wy\
ej
podanej nazywamy niestopowym.
Węgiel w \
eliwach mo\
e występować w stanie wolnym pod postacią grafitu lub w stanie
zwiÄ…zanym pod postaciÄ… cementytu.
Zale\
nie od postaci węgla w \
eliwie rozró\
nia siÄ™:
a) śeliwo białe , w którym cały węgiel jest związany w postaci cementytu lub innych węglików i z
tego powodu przełom jego jest jasny.
b) śeliwo szare, w którym znaczna część węgla lub cała jego ilość jest w stanie wolnym pod
postacią grafitu i z tego powodu przełom jego jest szary.
c) śeliwo pstre (połowiczne), stanowiące materiał pośredni pomiędzy \
eliwem białym i
szarym. W pewnych warstwach materiału węgiel występuje przewa\
nie jako grafit, w innych
jako cementyt.
1. 2. Składniki strukturalne \
eliw
Oprócz: składników strukturalnych omówionych w ćwiczeniu 5 (ferryt, perlit, austenit,
ledeburyt, cementyt), w \
eliwach mogą dodatkowo występować jeszcze składniki strukturalne,
typowe dla \
eliw, a mianowicie grafit, eutektyka fosforowa i siarczki.
Grafit - jest odmianą alotropową węgla pierwiastkowego. Charakteryzuje się ciemnoszarą
barwą z metalicznym połyskiem, jest miękki, w dotyku tłusty, posiada wytrzymałość na
rozciąganie około 20 MPa. Kształt, wielkość i rozmieszczenie grafitu w surówkach i \
eliwach
mogą być ró\
ne. Klasyfikację postaci grafitu podaje norma PN-/H-04661. Wyró\
nia ona
następujący kształt grafitu: płatkowy prosty, płatkowy zwichrzony, płatkowy iglasty,
gwiazdkowy, krętkowy, postrzępiony, zwarty, kulkowy nieregularny, kulkowy regularny.
Rozmieszczenie grafitu mo\
e być: równomierne, nierównomierne, gałązkowe, siatkowe,
rozetkowe, międzydendrytyczne. Na rys.1 a, b, c, d, przedstawiono mikrostruktury \
eliwa,
zawierające niektóre z wymienionych postaci grafitu.
Rys. 1. Struktura \
eliwa szarego nietrafionego z grafitem: a) płatkowym, b)płatkowym, c)
kulistym, d) postrzępionym (węgiel \
arzenia) pow. x100
Eutektyka fosforowa jest to potrójna mieszanina składająca się z fosforku \
elaza (Fe3P),
cementytu (Fe3C) oraz perlitu z wydzielonym cementytem drugorzędowym, zwana steadytem,
o temperaturze topnienia 953°C. Ze wzgl Ä™du na to, \
e eutektyka jest twardym i kruchym
składnikiem, w \
eliwach maszynowych zawartość fosforu nie powinna przekraczać 0,5 %.
Eutektyki fosforowa powinna występować w postaci drobnych wydzieleń, o równomiernym
rozło\
eniu. Obecność eutektyki fosforowej podwy\
sza odporność \
eliwa na ścieranie.
Siarczki w \
eliwach występują pod postacią wieloboków o szaroniebieskim zabarwieniu. Są
to najczęściej siarczki manganu MnS lub te\
siarczki \
elaza FeS.
1. 3. Czynniki wpływające na strukturę i właściwości \
eliw
Zasadniczy wpływ na strukturę \
eliw wywiera 6zybkość chłodzenia podczas
krystalizacji i skład chemiczny stopu. Powolne chłodzenie sprzyja powstawaniu \
eliwa
szarego z grafitem, natomiast szybkie chłodzenie sprzyja wydzielaniu się cementytu, czyli
powstawaniu \
eliwa białego. śeliwa zawierają z reguły znaczne ilości domieszek, a
niektóre z nich w sposób istotny wpływają na strukturę i własności zmieniając przede
wszystkim warunki grafityzacji. Pierwiastkami, które sprzyjają grafityzacji są: węgiel, krzem,
nikiel, miedz
i aluminium. Krzem jest pierwiastkiem, który najsilniej działa zarówno na
wydzielanie się grafitu podczas krzepnięcia jak i następnego chłodzenia oraz
przyspiesza rozkład cementytu podczas obróbki cieplnej \
eliwa. Zawartość krzemu
w \
eliwie zwyczajnym waha siÄ™ od 0,3 - 3 %, a w \
eliwach specjalnych (kwasoodpornych)
zawartość krzemu mo\
e dochodzić do 18%). Nikiel działa grafityzująco, podobnie jak krzem,
lecz jego działanie jest znacznie słabsze. Większe zawartości niklu ( 3 - 6 %)
zmniejszają krytyczną szybkość chłodzenia, co ułatwia otrzymanie struktur bainitycznych
lub martenzytycznych, zwłaszcza przy równoczesnej zawartości chromu lub molibdenu. Miedz

zwiększa odporność \
eliwa na korozję; działanie grafityzujące miedzi jest 5-ciokrotnie
słabsze ani\
eli krzemu. Aluminium działa grafityzująco i odtleniająco; dodawane jest
najczęściej dla zwiększenia odporności \
eliwa na korozjÄ™.
Pierwiastkami, które przeciwdziałają grafityzacji są: mangan, chrom, wanad, molibden, wodór,
bor, azot, siarka, tellur.
Mangan w \
eliwie występuje zwykle w ilości 0,3 - 1,2 %, łączy się chętnie z siarką tworząc
trudno topliwy siarczek manganu MnS, którego część przechodzi do \
u\
la, a część pozostaje
w roztworze ciekłym, tworząc nierozpuszczalną zawiesinę, spełniającą rolę ośrodków
krystalizacji. Działanie manganu stabilizujące cementyt, czyli hamujące proces grafityzacji
ujawnia siÄ™ wyraz
nie dopiero podczas przemian w stanie stałym, natomiast w czasie
krzepnięcia działanie manganu jest stosunkowo słabe (szczególnie przy zwykle spotykanych
zawartościach do ok. 1,2%). Chrom jest pierwiastkiem energicznie przeciwdziałającym
grafityzacji; I % chromu równowa\
y pod tym względem działanie ok. 1% krzemu. Chrom, w
ilości do 30%, dodaje się w celu zwiększenia kwaso- i \
aroodporności \
eliw. Siarka występuje
jako zanieczyszczenie we wszystkich \
eliwach, a jej zawartość ograniczona jest zwykle do
0,12 %. Przy większych zawartościach powoduje gęstopłynność. kruchość na gorąco oraz
zmniejsza odporność \
eliwa na korozjÄ™. Fosfor jest domieszkÄ… szkodliwÄ… gdy\
powoduje
kruchość \
eliwa zarówno na zimno jak i na gorąco. Jednak czasem wprowadzany jest celowo,
dla uzyskania większej odporności \
eliwa na ścieranie lub w celu zwiększenia
rzadkopłynności, przy produkcji odlewów cienkościennych.
Pozostałe pierwiastki tej grupy (V, Mo, H, B, A, Te) przeciwdziałają grafityzacji, brak
jednak ogólnie przyjętych poglądów na temat mechanizmu ich oddziaływania.
1.4. śeliwo białe
Jak ju\
wspomniano, powstawaniu struktury \
eliwa białego sprzyja niska zawartość krzemu i
zwiększona zawartość manganu w \
eliwie oraz szybkie chłodzenie podczas krzepnięcia.
Struktury \
eliwa białego wynikają z wykresu Fe-Fe3C, przy czym są uzale\
nione - w
przeciwieństwie do \
eliw szarych - od ogólnej zawartości węgla. W ten sposób rozró\
nia siÄ™
\
eliwa białe podeutektyczne o zawartości węgla 2 - 4,3%, eutektyczne o zawartości węgla
4,3%. Główną zaletą \
eliwa białego jest jego twardość oraz odporność na ścieranie
(zwłaszcza przy tarciu). Wytrzymałość na rozciąganie \
eliwa białego jest niska, natomiast
wytrzymałość na ściskanie jest pięcio- lub sześciokrotnie większa. Obróbka skrawaniem jest
trudna.
śeliwo białe ma stosunkowo ograniczone zastosowanie z powodu kruchości i trudnej
obróbki. Odlewy takie stosuje się, kiedy odporność na ścieranie jest czynnikiem
decydującym, a warunki pracy nie wymagają ciągliwości, jak np.: wykładziny i ślimaki
mieszalników materiałów sypkich, kule w młynach kulowych, klocki hamulcowe, niektóre typy
ciągadeł itp.
1.5. śeliwa szare
Struktura \
eliwa szarego składa się z metalicznej osnowy, grafitu wtrąceń zawierających
fosfor (eutektyka fosforowa), lub siarkę (MnS, FeS). O właściwościach \
eliw
szarych decyduje w głównej mierze rodzaj osnowy metalicznej oraz ilość i kształt wydzieleń
grafitowych. W zale\
ności od rodzaju osnowy metalicznej \
eliwo szare dzieli siÄ™ na:
1) śeliwo szare perlityczne (rys. 2a) o strukturze składającej się z perlitu z
wtrÄ…ceniami grafitu.
2) śeliwo szare ferrytyczno-perlityczne (rys. 2b), którego struktura składa się z ferrytu,
perlitu i wtrąceń grafitu.
3) śeliwo szare ferrytyczne, którego osnowa metaliczna składa się z ferrytu, a cały węgiel
zawarty w stopie znajduje siÄ™ w postaci grafitu
Rys. 2. Struktura \
eliwa szarego o osnowie: a) perlitycznej, b) ferrytyczno-
perlitycznej. Trawiono nitalem, pow. X 250
Rodzaj osnowy metalicznej zale\
y przede wszystkim od szybkości chłodzenia. W
miarę coraz szybszego chłodzenia \
eliwa po odlaniu otrzymuje się struktury, w których
grafit rozło\
ony jest w osnowie ferrytycznej, ferrytyczno-perlitycznej lub perlitycznej. Przy
coraz większych szybkościach chłodzenia węgiel mo\
e wydzielać się w postaci
cementytu (Fe3C), na skutek czego powstaje struktura \
eliwa pstrego (rys. 3), a nawet
białego (rys. 4a, b).
Przy stałej szybkości chłodzenia struktura \
eliwa zale\
y od głównie od zawartości węgla i
krzemu. Węgiel i krzem działają grafityzująco na cementyt, powodując wzrost ilości
ferrytu, co wpływa na obni\
enie własności mechanicznych \
eliwa. Najwy\
sze własności
wytrzymałościowe wykazuje \
eliwo perlityczne, przy czym własności te wzrastają w
miarę zmniejszania się płytek perlitu. Poniewa\
fosfor w \
eliwie powoduje wzrost
twardości i polepszenie lejności, jego zawartość w odlewach odpornych na ścieranie
mo\
e wynosić do 0,45%, a w odlewach cienkościennych nawet do 0,75%.
Rys. 3. Struktura \
eliwa pstrego. Trawiono nitalem, pow. x 100
Rys. 4. Struktura \
eliwa białego: a) podeutektycznego, b) nadeutektycznego.
Trawiono nitalem, pow. x 100
W zale\
ności od wielkości i kształtu wydzieleń grafitowych rozró\
nia siÄ™
następujące rodzaje \
eliw szarych:
1) śeliwa szare zwykle (grafit w postaci płatkowej),
2) śeliwa modyfikowane (grafit w postaci płatkowej o rozdrobnionej strukturze),
3) śeliwa sferoidalne (grafit kulkowy).
śeliwo szare zwykłe dzięki obecności grafitu płatkowego ma bardzo du\
Ä…
zdolność tłumienia drgań, co wykorzystuje się w wielu zastosowaniach, takich jak:
Å‚o\
a obrabiarek, bloki cylindrów, kariery silników samochodowych, płyty
fundamentowe ró\
nych maszyn. Poza tym obecność płatków grafitu o bardzo
niskich własnościach mechanicznych, stanowiących jak gdyby pustki w osnowie
metalicznej i tworzących karby wewnętrzne, których wpływ przewa\
a nad
wpływem karbów zewnętrznych, powoduje, \
e \
eliwo szare jest mało wra\
liwe na
działanie karbu Badania w kierunku polepszenia własności mechanicznych \
eliwa
szarego zwykłego doprowadziły do tego, \
e stosujÄ…c modyfikacjÄ™ procesu
produkcyjnego, mo\
emy zmieniać kształt grafitu, a wiec składnika strukturalnego,
wpływającego w istotny sposób na własności \
eliwa.
W \
eliwach modyfikowanych modyfikacja ta polega na wprowadzaniu do ciekłego
\
eliwa, przed odlaniem tzw. modyfikatora w postaci sproszkowanego
\
elazokrzemu lub niewielkich ilości magnezu. Zastosowanie \
elazokrzemu ma za
zadanie przede wszystkim odtlenienie i odgazowanie \
eliwa oraz wytworzenie,
tzw "zarodków grafitu", ułatwiających krzepnięcie \
eliwa jako \
eliwa szarego o
du\
ej liczbie małych płatków grafitowych w osnowie perlitycznej (rys. 5)
a) b)
Rys. 5. Struktura \
eliwa szarego modyfikowanego: a) nietrawionego, pow. x 100;
b) trawionego, pow. x 250
Uzyskana struktura wpływa na znaczne polepszenie wytrzymałości na
rozciąganie (do 600 MPa), zachowując jednak nadal niskie wartości takich
wskaz
ników jak wydłu\
enie i udarność (poni\
ej 0,1 MJ/mJ).
śeliwo sferoidalne. Dalszą poprawę własności mechanicznych \
eliwa szarego
uzyskuje się poprzez modyfikację ciekłego \
eliwa stopem magnezu, w wyniku
czego uzyskuje siÄ™ drobnoziarnistÄ… kulistÄ… strukturÄ™ grafitu w osnowie ferrytycznej,
ferrytyczno-perlitycznej lub perlitycznej (rys. 6). Znakowanie, klasyfikacjÄ™ i
własności \
eliwa sferoidalnego określa norma PN-/H-83123.
a) b)
Rys. 6. Struktura \
eliwa sferoidalnego: a) o osnowie ferrytycznej, b) perlityczno-
ferrytycznej Trawiono nitalem, pow. x 250
1.6. śeliwo stopowe
W celu podwy\
szenia własności, mechanicznych \
eliwa lub nadania mu
specjalnych własności jak: \
aroodporność, \
arowytrzymałość odporność na korozję,
odporność na ścieranie itp. stosuje się odpowiednie dodatki stopowe, takie jak
krzem, aluminium, chrom, mangan, nikiel, molibden itd. Zawartości głównego
składnika stopowego mogą być dość znaczne, np. zawartość krzemu w \
eliwie
stopowym mo\
e dochodzić do 18%, aluminium do 31%, chromu do 36%, manganu
do 17%, niklu do 36%. Wpływ poszczególnych składników na zmianę własności
\
eliw jest podobny jak w stalach stopowych. Chrom, aluminium, krzem zwiększają
odporność na korozję oraz \
arowytrzymałość. Poza tym chrom poprawia własności
mechaniczna oraz odporność na ścieranie, natomiast krzem, szczególnie przy
większych zawartościach, powoduje du\
ą kruchość i pogorszenie własności
wytrzymałościowych.
śeliwo wysokokrzemowe z dodatkiem Cr. Ni, i Mo jest \
eliwem kwasoodpornym
Mangan i nikiel sprzyjają tworzeniu się struktury austenitycznej, a więc o
własnościach niemagnetycznych. Poza tym mangan zwiększa odporność na
ścieranie. Osnowa metaliczna \
eliw stopowych mo\
e być podobnie jak stali
stopowych: ferrytyczna, perlityczna, austenityczna lub ledeburytyczna O strukturze
danego, \
eliwa decyduje nie tylko skład chemiczny, lecz równie\
zastosowana
obróbka cieplna (np. wy\
arzanie, przesycenie, hartowanie itp. ) przeprowadzona w
celu polepszenia własności mechanicznych lub specjalnych śeliwa stopowe ze
względu na swoje ró\
norodne własności mają zastosowanie w wielu przemysłach, jak
np. motoryzacyjnym, elektrotechnicznym, naftowym, chemicznym, papierniczym,
spo\
ywczym, do wyrobu części silników, części do pomp. aparatury elektrycznej,
aparatury gazowej, retort, zaworów, form szklarskich, walców, tarcz młyńskich, kul
do młynów, tulei, rolek itd.
1.7. śeliwo ciągliwe
śeliwo ciągliwe uzyskuje się przez odpowiednią obróbkę cieplną \
eliwa białego
podeutektycznego w atmosferze odwęglającej lub obojętnej W zale\
ności od
rodzaju zastosowanej obróbki cieplnej i uzyskanej struktury rozró\
nia siÄ™:
a) \
eliwo ciągliwe białe,
b) \
eliwo ciÄ…gliwe czarne,
c) \
eliwo ciÄ…gliwe perlityczne.
śeliwo ciągliwe białe otrzymuje się przez wy\
arzanie w temperaturze 1000 - 1050"C w
czasie 24 - 100 godzin -odlewów z \
eliwa białego w atmosferze odwęglającej
zło\
onej z CO, CO2, H2, H2O, N2. Starsza metoda wy\
arzania polegała na uło\
eniu
odlewów w skrzyniach staliwnych i zasypaniu ich mieszaniną sproszkowanej rudy
\
elaznej lub zgorzeliny będących z
ródłem tlenu.
Podczas procesu wy\
arzania zachodzi zjawisko odwęglania warstwy
powierzchniowej odlewu, natomiast dalej od powierzchni przedmiotu ulega
grafityzacji, czyli rozkładowi na ferryt lub perlit i grafit zwany węglem \
arzenia.
Struktura \
eliwa ciÄ…gliwego jest zale\
na od przekroju danej części. Dla części do 10
mm grubości mo\
e zajść podczas wy\
arzania całkowite odwęglenie, tak \
e struktura
gotowych produktów będzie na wskroś ferrytyczna. Je\
eli grubość ścianek
przekracza 12 mm, wtedy zwykle nie uzyskuje się całkowitego odwęglenia a
struktura w głębi materiału będzie składać się z węgla \
arzenia o osnowie
ferrytyczno-perlitycznej lub perlitycznej {rys. 7). śeliwo te oznacza się symbolem
"W".
Rys 7 Struktura \
eliwa ciągliwego białego z węglem \
arzenia o osnowie
ferrytyczno-perlilycznej Trawiono nilalem, pow. x 250
Oprócz symbolu ka\
dy gatunek \
eliwa ciÄ…gliwego oznaczony jest zgodnie z
PN-92/H-83221 liczby czterocyfrową, w której dwie pierwsze cyfry podają
wymaganą minimalną wytrzymałość na rozciapanie, a dwie pozostałe minimalne
wydłu\
enie (A3 %) Wymieniona norma wyszczególnia następujące gatunki \
eliwa
ciągliwego białego o symbolach: W 35-04 (Rm=350 MPa, A=4%), W 38-12, W
40-05, W 40-07 śeliwo ciągliwe białe stosuje się głównie w budowie maszyn: i
pojazdów na cienkościenne odlewy, którym nie stawia się wysokich wymagań
wytrzymałościowych jak np. łączniki do rur, części do zamków do drzwi, kołpaki
(uchwyty) do zawieszania izolatorów sieci wysokiego napięcia, piasty kół, pedały,
obudowy mechanizmów itp.
śeliwo ciągliwe czarne otrzymuje się przez \
arzenie w temperaturze ok. 950°C
odlewów z \
eliwa białego w atmosferze obojętnej. Dawniej wy\
arzanie przedmiotów
przeprowadzano w skrzyniach staliwnych zasypanych piaskiem, natomiast obecnie
wy\
arzanie prowadzi się w szczelnie zamkniętych muflach, gdzie skład atmosfery
ustala się sam, albo doprowadza się gaz obojętny, np. mo\
liwie czysty azot
Przebieg procesu wy\
arzania przedstawiono na rys. 8. Podczas wygrzewania przy
wysokiej temperaturze zachodzi całkowita grafityzacja cementytu eutektycznego, a
tak\
e części cementytu wtórnego. W celu dalszej grafityzacji cementytu wtórnego
oraz cementytu eutektoidalnego zawartego w perlicie nale\
y prowadzić powolne
chłodzenie, przy czym w zakresie temperatur 760 - 68CTC szybkość chłodzenia nie
powinna być większa ni\
3 - 5 °C na godzin Ä™. Po tak przeprowadzonej obróbce
cieplnej struktura \
eliwa składa się z ferrytu i węgla \
arzenia. śeliwo to oznacza się
symbolem  B". Norma PN-92/H-83221 wyszczególnia trzy gatunki \
eliwa ciÄ…gliwego
czarnego.
Rys. 8. Schemat obróbki cieplnej \
eliwa ciÄ…gliwego czarnego i perlitycznego
śeliwo ciągliwe czarne ma największe zastosowanie na części maszyn rolniczych,
maszyn do szycia, łączniki rur, odlewy armaturowe, w kolejnictwie oraz w przemyśle
samochodowym.
śeliwo ciągliwe perlityczne
Je\
eli chcemy uzyskać \
eliwo o osnowie bardziej wytrzymałej . perlitycznej wtedy
po pierwszym okresie \
arzenia przy temperaturze 950"C prowadzimy szybsze
chłodzenie, np. w powietrzu, dzięki czemu struktura osnowy składa się z perlitu albo i
ferrytu (rys. 9). śeliwo to oznacza się symbolem  P" (norma PN-92/H-83221).
Rys. 9. Struktura \
eliwa ciÄ…gliwego perlitycznego. Trawiono nitalem, pow. x 100
śeliwo ciągliwe perlityczne ma podobne zastosowanie jak \
eliwo ciÄ…gliwe czarne,
lecz w przypadkach, w których potrzebna jest wy\
sza wytrzymałość.
1.8. Obróbka cieplna odlewów \
eliwnych
Mimo, \
e skład chemiczny \
eliw jest jakościowo podobny do stali, a ró\
ni siÄ™ od
niej tylko procentową zawartością składników, to jednak \
eliwa odmiennie reagujÄ…
na procesy obróbki cieplnej. Związane to jest przede wszystkim z obecnością
grafitu oraz wy\
szą zawartością krzemu. Poniewa\
jednak osnowa metaliczna \
eliwa
jest bardzo zbli\
ona strukturalnie do struktury zwykłej stali, pozwala to. na
stosowanie do \
eliwa prawie wszystkich rodzajów obróbki cieplnej stosowanych
normalnie do wysokowęglowych stali. Powy\
sze dotyczy głównie \
eliw szarych,
natomiast \
eliwa białe podlegają zazwyczaj specjalnej obróbce cieplnej, mającej na
celu uzyskanie tzw., \
eliwa ciÄ…gliwego.
W stosunku do odlewów z \
eliwa szarego mo\
na stosować następujące rodzaje
obróbki cieplnej:
a) wy\
arzanie
b) hartowanie zwykłe i izotermiczne
c) ulepszanie cieplne.
Wy\
arzanie \
eliwa szarego
Wy\
arzanie jest najczęściej stosowanym rodzajem obróbki cieplej \
eliwa
szarego i ma głównie na celu jego zmiękczenie w celu poprawienia obrabialności. Cel
ten uzyskuje siÄ™ na skutek rozpadu cementytu na grafit i austenit lub ferrytu w
podwy\
szonych temperaturach.
W zale\
ności od parametrów obróbki cieplnej tj temperatury i czasu wy\
arzania
rozró\
nia siÄ™:
- wy\
arzanie odprÄ™\
ające - stosowane dla częściowego lub całkowitego usunięcia
naprÄ™\
eń odlewniczych, polegające na przetrzymywaniu odlewów \
eliwnych w
temperaturze poni\
ej 650*C w ciągu kilku godzin i następnym powolny chłodzeniu
przynajmniej w górnym zakresie temperatur;
- wy\
arzanie ferrytyzujące - stosowane zazwyczaj dla poprawienia obrabialności
\
eliw niestopowych i niskostopowych. IstotÄ… tego procesu jest zapewnienie przemiany
perlitu na ferryt i grafit, co uzyskuje siÄ™ podczas wy\
arzania temperaturze 700 -
760°C, w okresie czasu zapewniaj Ä…cym przebieg procesu grafityzacji;
- wy\
arzanie zupełne - stosowane dla \
eliw o wysokiej zawartości dodatków
stopowych przeprowadza siÄ™ zwykle w zakresie temperatur 785 - 900°C. Po
wy\
arzaniu odlewów w wy\
szych temperaturach zaleca siÄ™ aby od temperatur ok.790-
680°C stosowa ć powolne chÅ‚odzenie;
- wy\
arzanie grafityzujące - przeprowadza się w celu rozło\
enia du\
ych wydzieleń
węglików występujących w strukturze \
eliwa szarego na grafit i perlit, a w niektórych
zastosowaniach dla doprowadzenia tego rozpadu a\
do struktury ferrytyczno-
grafitowej. Temperatura wy\
arzania grafityzujÄ…cego wynosi zazwyczaj 900 - 950"C,
natomiast czas procesu mo\
e zmieniać się od kilku minut do kilku godzin;
- wy\
arzanie normalizujące - stosowane jest dla poprawy własności
mechanicznych jak np. twardości lub wytrzymałości na rozciąganie. Proces
normalizowania \
eliwa szarego przeprowadza siÄ™ w temperaturze 890 - 930°C przez
okres ok. 1 godz. na ka\
de 25 mm grubości przekroju Chłodzenie do temperatury
otoczenia odbywać się mo\
e z piecem lub w spokojnym powietrzu, zale\
nie od
wymaganej końcowej twardości odlewów.
Hartowanie \
eliwa szarego
Hartowanie jest jednym z procesów obróbki cieplnej, mającym na celu
zwiększenie twardości i odporności na ścieranie materiału poddanego temu
procesowi. Hartowanie polega na nagrzaniu przedmiotu do temperatury
austenityzacji. wygrzaniu przez określony czas a następnie szybkim chłodzeniu do
temperatury otoczenia lub nieco wy\
szej. Spośród kilku rodzajów procesów
hartowania, w stosunku do \
eliw szarych bywa najczęściej stosowane hartowanie.
a) z przemiana izotermiczna,
b) stopniowe,
c) powierzchniowe.
Hartowanie z przemianą izotermiczną polega na wygrzewaniu odlewów w
temperaturze austenityzacji a następnie szybkim ochłodzeniu w gorących kąpielach
solnych, olejowych lub oÅ‚owiowych, o temperaturze 230 - 425°C. Przetrzymywanie
przedmiotu hartowanego w kąpieli trwa tak długo, a\
przechłodzony austenit
zamieni się całkowicie na nowa strukturę, zwaną bainitem, po czym dopiero następuje
dalsze chłodzenie do temperatury otoczenia z dowolną szybkością
Hartowanie stopniowe polega na szybkim ochłodzeniu odlewów ze stanu
austenitycznego w kąpielach solnych, olejowych lub ołowiowych, wytrzymaniu w
temperaturze 205 - 260°C dla wyrównanie temperatury a nastÄ™pnie chÅ‚odzeniu na
powietrzu do temperatury otoczenia. Z uwagi na występowanie znacznych
naprÄ™\
eń, odlewy po hartowaniu stopniowym muszą być poddane tzw.
odpuszczaniu, tj. wy\
arzaniu poni\
ej temperatur krytycznych.
Hartowanie powierzchniowe jest bardzo często stosowanym procesem
utwardzania \
eliwa szarego Proces ten polega na odpowiednim nagrzaniu i
chłodzeniu tylko warstwy powierzchniowej przedmiotu hartowanego. Hartować
powierzchniowo mo\
na zarówno \
eliwo stopowe jak i niestopowe, przy czyn
optymalne własności warstwy zahartowanej osiąga się przy zawartości w \
eliwie
0,50 - 0,70% węgla związanego.
Poza przedstawionymi powy\
ej rodzajami hartowania, przeprowadza siÄ™
jeszcze jeden rodzaj obróbki cieplnej, mający na celu poprawę własności
mechanicznych \
eliwa a w szczególności wytrzymałości i odporności na zu\
ycie
powierzchniowe, jest to tzw. ulepszanie cieplne. Ulepszanie cieplne \
eliw polega na
połączeniu zabiegu hartowania w oleju z temperatur austenityzacji (850 - 90CTC), z
następnym odpuszczaniem w temperaturach znacznie poni\
ej zakresu przemiany A(
w czasie ok. 1 godz. na ka\
de 25 mm grubości ścianki w najgrubszym przekroju. Czas
nagrzewania \
eliwa podczas hartowania powinien być stosunkowo krótki, aby nie
dopuścić do grafityzacji cementytu zawartego w perlicie. Natomiast wygrzewanie w
temperaturze hartowania powinno być dostatecznie długie, aby nie tylko perlit uległ
austenityzacji, lecz równie\
drobny grafit uległ rozpuszczeniu w austenicie.
Ulepszanie cieplne stosuje siÄ™ zazwyczaj do \
eliw wysokogatunkowych majÄ…cych w
osnowie nieznaczne ilości wydzielonego grafitu.
2. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO
Celem ćwiczenia jest poznanie zale\
ności pomiędzy strukturą i właściwościami
\
eliw.
Zakres ćwiczenia obejmuje:
- zapoznanie siÄ™ ze strukturami \
eliw białych i szarych,
- analiza zale\
ności właściwości wytrzymałościowych \
eliw od ich struktury.
3. METODYKA BADAC

a) opis stanowiska Wyposa\
enie i materiały:
" Mikroskop metalograficzny,
" Próbki metalograficzne:
" \
eliwo szare zwykłe 150,
" \
eliwo modyfikowane 300,
" \
eliwo sferoidalne Zs 400-15,
" ciÄ…gliwego czarnego B,
" ciągliwego białego W,
" ciÄ…gliwego perlitycznego P.
b) przebieg ćwiczenia
1) Wykonać obserwacje mikroskopowe zgładów nietrawionych \
eliw z
ró\
nymi postaciami grafitu : sklasyfikować je zgodnie z PN-/H-04661.
2) Wykonać obserwacje mikroskopowe zgładów trawionych, wybranych \
eliw
białych i szarych zwykłych i sklasyfikować je zgodnie z PN-/H-
04661, uwzględniając rodzaj i ilość osnowy metalicznej oraz kształt,
wielkość i rozmieszczenie grafitu, cementytu i eutektyki fosforowej.
3) Wykonać rysunki badanych struktur.
4. WYMAGANIA BHP
Do wykonywanego ćwiczenia laboratoryjnego stosowane są ogólne przepisy
bezpieczeństwa i higieny pracy dotyczące Laboratorium Materiałoznawstwa. Przed
przystąpieniem do oglądania mikrostruktur zapoznać się z instrukcją
bezpiecznej obsługi mikroskopu optycznego, a przede wszystkim nie dotykać rękami
części optycznych i zasilających mikroskopu.
5. SPRAWOZDANIA STUDENCKIE
Sprawozdania studenckie powinny zawierać:
" cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego,
" opis stanowiska badawczego,
" szkice struktur mikroskopowych badanych \
eliw z opisem składników struktury
oraz właściwości i zastosowań tych materiałów,
" analiza wpływu struktury na właściwości \
eliw,
" wnioski.
6. LITERATURA
1. Ciszewski A., Radomski T., Szummer A.: Ćwiczenia laboratoryjne
z materiałoznawstwa. Warszawa 1995
2. Laboratorium materiałoznawstwa, Skrypt PB, Białystok, 1990
3. Przybyłowicz K.: Metaloznawstwo, WNT Warszawa, 1998