37. Żeliwo sferoidalne, otrzymywanie, podział, oznaczenie, struktury, właściwości
Żeliwo - stop odlewniczy żelaza z węglem zawierający ponad 2% do 3.6% węgla w postaci
cementytu lub grafitu. Występowanie konkretnej fazy węgla zależy od szybkości chłodzenia.
Chłodzenie powolne sprzyja wydzielaniu się grafity. Także i dodatki stopowe odgrywają tu
pewna role. Krzem powoduje skłonność do wydzielania się grafitu, a mangan przeciwnie,
stabilizuje cementyt. Żeliwo otrzymuje się przez wygrzewanie surówki z dodatkami złomu
stalowego lub żeliwnego w piecach zwanych żeliwniakami. Tak powstały materiał stosuje się
do wykonywania odlewów. Żeliwo charakteryzuje się niewielkim 1.0% do 2.0% skurczem
odlewniczym, łatwością wypełniania form, a po zastygnięciu cechują obrabialnością. Wyroby
odlewnicze po zastygnięciu, by usunąć ewentualne ostre krawędzie i pozostałości formy
odlewniczej poddaje się szlifowaniu. Odlewu poddaje się także procesowi sezonowania,
którego celem jest zmniejszenie wewnętrznych naprężeń, które mogą doprowadzić do
odkształceń lub uszkodzeń wyrobu. Żeliwo, dzięki wysokiej zawartości węgla posiada
wysoka odporność na korozje. Grafit powstaje w procesie rozpadu cementytu(grafityzacji),
cementyt jest związkiem nie stałym i ulega rozpadowi na ferryt i grafit(mniejsza energia
swobodna).
W odróżnieniu od pozostałych grup żeliw szarych bardzo dobre własności  zarówno, jak i
plastyczne  wykazuje żeliwo sferoidalne. Uzyskuje się je w wyniku modyfikowania podczas
odlewania żeliwa o tendencji do krzepnięcia jako szare, lecz o bardzo małym stężeniu siarki i
fosforu. Jako modyfikatorów używa się magnezu lub ceru. W wyniku tego zabiegu
technologicznego grafit występuje w tych żeliwach w postaci kulistej.
Żeliwo sferoidalne należy do grupy żeliw szarych które dzielą się:
- szare zwykłe (zawiera grafit płatkowy różnej wielkości)
- żeliwo sferoidalne (zawiera grafit sferoidalny(kulkowe)
- żeliwo modyfikowane (zawiera drobny grafit płatkowy)
- żeliwo wermikularne
Żeliwo sferoidalne cechuje się duża zawartością węgla od 2.5 do nawet 4%(Si 0.5-5%-duży
wpływ na grafityzacje-rozszerza zakres wydzielania się grafitu z cieczy bo latwo rozpuszcze
się w pelicie i ferrycie zastępując węgiel) i dzięki temu poprawiają się własności żeliwa:
-lepsza lejnośc
-maleje skurcz
-zwiększa się skłonność do wydzielania grafitu(lepsza skrawalność, własności ślizgowe,
tłumienie drgań)
Żeliwa sferoidalne cechują się rózną strukturą zależna od zawartości węgla i różnych
dodatków(modyfikatorów), wyróżniamy głównie po obróbce cieplnej:
-perlityczne
-perlityczno-ferrytyczne
-ferrytyczne
Nazewnictwo: EN-GJS-350-22 gdzie EN-norma europejska G-odlewany J-żeliwo
S-sferoidalny 350-minimalne Rm 22-minimalne A%(wydłużenie względne).
Żeliwo sferoidalne powstaje podczas podwójnego modyfikowania, pierwsze magnezem i
cerem(lub ich stopami) a następnie żelazokrzemem. Co w efekcie daje grafit drobny,
równomiernie rozmieszczony(magnez i cer daje kulkowy kształt-podwyższa energie
graniczną międzyfazową). Przed modyfikowaniem trzeba odsiarczyć . Można obrabiać
cieplnie, RM do 1400 MPa A-8-10%.
Odmianą żeliwa sferoidalnego jest zeliwo ADI-iglast, lekko przesycony węglem ferryt i faza
ł o dużej odporności na zużycie i zmęczenie, wytrzymały i ciągliwy(koła zębaty wały
korbowe walce, pierścienie tlokowe)
Żeliwo sferoidalne ADI - Instytut Odlewnictwa opracował technologię wytwarzania żeliwa
sferoidalnego znanego za granicÄ… pod nazwÄ… "Austempered Ductile Iron" (ADI). Jest to
żeliwo o osnowie metalowej składającej się z igieł ferrytu bainitycznego i nasyconego
węglem, stabilnego austenitu. Dzięki połączeniu wysokiej wytrzymałości na rozciąganie i
odporności na ścieranie z bardzo dobrą plastycznością, żeliwo ADI znajduje zastosowanie w
wielu gałęziach przemysłu jako substytut staliwa stopowego i stali nawęglanej, bądz

ulepszanej cieplnie.
38. Stale drobno i gruboziarniste, uzyskiwanie drobnoziarniści, wpływ wielkości ziarna
na właściwości.
Podczas austenityzowania (przemiana perlitu w austenit) dąży się zwykle do otrzymania
możliwie jednorodnego austenitu, jako że ma to duży wpływ na procesy zachodzące podczas
chłodzenia. Długotrwałe wygrzewanie lub znaczne podwyższanie temperatury korzystnie
wpływa na ujednorodnienie austenitu, z drugiej jednak strony prowadzi do niepożądanego
rozrostu jego ziarn. Austenit bezpośrednio po powstaniu z perlitu jest drobnoziarnisty,
gdyż podczas grzania powstaje duża liczba zarodków, które stają się póz
niej ziarnami. Liczba
tych zarodków jest tym większa, im większa jest szybkość grzania. Rozrost ziarna przebiega
samorzutnie, jest to związane ze zmniejszeniem energii swobodnej układu. Proces ten
hamują nierozpuszczone cząstki innych faz, dlatego też stale, w których znajduje się
duża ilość bardzo drobnych, trudno rozpuszczalnych w austenicie cząstek, wykazują
małą skłonność do rozrostu ziarn. W stalach tych rozrost ziarn, niekiedy bardzo szybki,
może się rozpocząć dopiero wtedy, gdy cząstki te rozpuszczą się. Również w stalach
uspokajanych aluminium wielkość ziarn podczas nagrzewania zwiększa się nieznacznie.
Stale o małej skłonności do rozrostu ziarn nazywane są stalami drobnoziarnistymi
w odróżnieniu od stali o dużej skłonności do tego rozrostu zwanych stalami
gruboziarnistymi, w których proces ten rozpoczyna się bezpośrednio po powstaniu austenitu.
To niejednakowe zachowanie siÄ™ stali drobnoziarnistych i gruboziarnistych w temperaturach
wyższych niż Ac1 ilustruje schematycznie rys. 1.
Bardzo często rozrost ziarna typowy dla stali gruboziarnistych nazywamy rozrostem
normalnym albo inaczej ciągłym. Tego typu rozrost ziarna ze wzrostem temperatury
austenityzacji jest charakterystyczny dla stali średnio- i wysoko węglowych oraz
wysokostopowych. W przypadku stali drobnoziarnistych rozrost ziarn austenitu jest
poczÄ…tkowo nieznaczny i dopiero po osiÄ…gniÄ™ciu temperatury 950 ÷ 1000 °C
(1223 ÷ 1273 K) ziarno zaczyna siÄ™ szybko rozrastać. Ten typ rozrostu nazywamy
rozrostem anormalnym, występuje on najczęściej w stalach konstrukcyjnych
niestopowych oraz niskostopowych.
Rozrost ziarna nie odbywa się równomiernie, większe ziarna, mające większą trwałość
termodynamiczną, pochłaniają mniejsze, a same rozrastają się. Stąd występują pewne
kontrasty w wielkości ziarna i dopiero w wyższych temperaturach ziarno staje się bardziej
równomierne. Po ochłodzeniu ziarno końcowe ma taką wielkość jaką osiągnęło ziarno
austenitu podczas austenityzowania  rys. 2.
Należy pamiętać, że pojęcie stali drobnoziarnistej i gruboziarnistej dotyczy
skłonności do rozrostu ziarna austenitu i nie należy go łączyć z wielkością ziarna
rzeczywistego. Stal drobnoziarnista może mieć rzeczywiste ziarno grube, o ile zostanie
przegrzana, i odwrotnie  stal gruboziarnista może mieć rzeczywiste ziarno drobne, o ile
będzie nagrzana do temperatur nieznacznie tylko przewyższających temperaturę (Ac3). Z tego
wzgląd nie ma różnicy we właściwościach pomiędzy stalami grubo- i drobnoziarnistymi, o ile
zostały one właściwie obrobione cieplnie i mają ziarno rzeczywiste jednakowej wielkości.
Różnica we właściwościach pomiędzy tymi stalami wystąpi wtedy, gdy ziarno rzeczywiste
będzie różne.
Podatność stali do przegrzania, wyrażająca się skłonnością ziarna austenitu do rozrostu
pod wpływem temperatury i czasu, nazywamy przegrzewnością. Przegrzewność stali ma
duże znaczenie technologiczne. Stale drobnoziarniste są mniej skłonne do przegrzewania.
Mają one szerszy zakres temperatur hartowania niż stale gruboziarniste. Przeróbkę
plastyczną na gorąco stali drobnoziarnistych można zakończyć przy wyższych
temperaturach niż stali gruboziarnistych bez obawy otrzymania grubego ziarna
rzeczywistego.
Z licznych badań prowadzonych nad czynnikami wpływającymi na rozrost ziarn
austenitu wynika, że hamująco na ten rozrost wpływają, oprócz parametrów
austenityzowania, wydzielenia drobnodyspersyjnych faz obcych, głównie azotków
i węglików, niektórych dodatków stopowych (Ti, V, Zr, Nb). Duży wpływ na wielkość
ziarna ma również szybkość grzania  wpływ ten dotyczy głównie stali do hartowania
powierzchniowego.
Stale drobnoziarniste umożliwiają stosowanie szerszego zakresu temperatury
austenityzowania podczas obróbki cieplnej oraz wyższej temperatury obróbki plastycznej na
gorÄ…co.
Drobnoziarnista struktura austenitu pierwotnego wpływa na poprawę właściwości
mechanicznych(udarność Rm itp.) i eksploatacyjnych stali normalizowanych, hartowanych i
ulepszanych cieplnie.
39. Martenzyt, jego budowa i właściwości, wpływ węgla
1.1.1. Przemiana martenzytyczna. Martenzyt-przesycony węglem ferryt (perlit nie zdążyl
się zarodkować)
Przemiana martenzytyczna (nazywana przemianą bezdyfuzyjną lub ścinającą) zachodzi w
stalach po przechłodzeniu austenitu poniżej temperatury Ms (ang. martensite start) z
prędkością równą lub większą od prędkości krytycznej (rys. 4b). W wyniku powyższej
przemiany powstaje martenzyt tj. przesycony roztwór węgla w żelazie ą, o strukturze
tetragonalnej, powstającej przez zniekształcenie komórki sieci A2 (ferrytu) obecnością
atomów węgla w lukach oktaedrycznych. Parametry sieci tetragonalnej martenzytu, a tym
samym jego właściwości zależą głównie od zawartości węgla w martenzycie. Martenzyt
cechuje wysoka twardość i mała ciągliwość spowodowana obniżeniem symetrii sieci i
wysokimi naprężeniami wywołanymi przez atomy międzywęzłowe oraz obecność defektów
sieciowych (dyslokacji, mikrobliz
niaków).
Przemiana martenzytyczna rozpoczyna siÄ™ po przekroczeniu temperatury Ms i zachodzi z
bardzo dużą prędkością 1000-7000 m/s. Czas tworzenia jednej płytki martenzytu wynosi
ok.10-7s. Warunkiem przebiegu przemiany martenzytycznej jest ciągłe obniżanie temperatury
aż do osiągnięcia temperatury Mf (ang. martensite finish), poniżej której przemiana
martenzytyczna nie zachodzi, pomimo pozostania w strukturze pewnej ilości austenitu.
Przyczyną pozostawania w strukturze pewnej ilości austenitu (zwanego austenitem
szczątkowym) jest znaczny wzrost objętości martenzytu w porównaniu z austenitem o około
3-4%, co powoduje wzrost naprężeń ściskających w strukturze i zahamowanie dalszej
przemiany austenitu. Ilość austenitu szczątkowego po przemianie martenzytycznej zależy
od: zawartości węgla w stali, temperatury początku i końca przemiany martenzytycznej,
temperatury austenityzowania stali i szybkości chłodzenia w zakresie temperatur Ms i
Mf.
Wpływ węgla na temperaturę początku i końca przemiany martenzytycznej oraz
zawartość austenitu szczątkowego w stali węglowej przedstawiono na rys.6 i 7. W miarę
wzrostu zawartości węgla w stali zarówno temperatura Ms, jak i Mf ulega obniżeniu,
przy czym w stalach o zawartoÅ›ci ponad 0,6% C temperatura Mf leży poniżej zera °C i
dla zmniejszenia ilości austenitu szczątkowego w strukturze konieczne jest
przeprowadzenie obróbki podzerowej (tzw. wymrażania). Ilość austenitu szczątkowego w
stali wzrasta również jeżeli podczas chłodzenia w zakresie temperatur Ms i Mf próbka
zostanie izotermicznie wytrzymana.
Rys. 6. Wpływ węgla na Rys. 7. Wpływ węgla na
temperaturę przemiany zawartość austenitu.
martenzytycznej (Ms i Mf)
szczÄ…tkowego.
Martenzyt ma budowę iglastą lub składa się z płytek złożonych z przylegających listew.
Węgiel utrudnia przemianę, zwiększa ilośc energii wewnętrznej jaka jest potrzebna do
przemiany martenzytycznej. Im więcej węgla tym Mf niższa. Zawsze zostaje austenit
szczątkowy(zbyt duże naprężenia ściskające)
Gdy dużo węgla to duża twardość i nieodkształcalność, odporność na ścieranie. Kruchy małą
odporność na uderzenia.
40. Rodzaje odpuszczania, struktury i wpływ na właściwości
Po hartowaniu stali zwykle następuje proces odpuszczania, ponieważ struktura taka jest
niestosowana w praktyce (wysokie naprężenia własne, brak ciągliwości i kruchość).
Martenzyt jest faża metastabilną(trwala tylko poprzez zamrożenie dyfuzji wegla(niska
temperatur). Podwyższenie temperatury i reaktywacja dyfuzji spowoduje wydzielenie się
nadmiar węgla z martenzytu i utworzą się węgliki(cementyt), również nastąpi przemiana
austenitu szczątkowego i oraz zanik defektów sieci, poprzez poligonizacje i rekrystalizacje.
Powtórne nagrzanie zahartowanej stali do temperatury niższej od A1 nazwano
odpuszczaniem.
Śledzi się odpuszczanie poprzez zmiane długości próbki(krzywe dylatometryczne), lub
zmiana twardości
Odpuszczanie  rodzaj obróbki cieplnej, której poddawana jest stal wcześniej zahartowana.
Celem odpuszczania jest usunięcie naprężeń hartowniczych oraz zmiana własności
fizycznych zahartowanej stali, a przede wszystkim zmniejszenie twardości, a
podniesienie udarności zahartowanej stali.
Odpuszczanie polega na rozgrzaniu zahartowanego wcześniej przedmiotu do temperatury w
granicach 150° do 650 °C, przetrzymywaniu w tej temperaturze przez pewien czas, a
następnie schłodzeniu. W czasie odpuszczania całość lub część martenzytu zawartego w
zahartowanej stali rozpada siÄ™, wydzielajÄ…c bardzo drobne ziarna cementytu, tworzÄ…c fazÄ™
zwanÄ… sorbitem lub troostytem.
Przemiany zachodzące w martenzycie podczas nagrzewania można podzielić na cztery etapy.
Śledzenie tych przemian umożliwiają badania dylatometryczne.
Pierwsze stadium, w temperaturze 80 200 °C, jest zwiÄ…zane z rozkÅ‚adem martenzytu i
wydzieleniem w nim wÄ™glika µ-Fe2C o strukturze heksagonalnej. NastÄ™puje zmniejszenie
stężenia węgla w austenicie, zmniejszenie tetragonalności martenzytu i tworzy się
martenzyt o sieci regularnej  martenzyt odpuszczony. Odróżnia się go po tym że ma
ciemne igły po wytrawieniu. Weglik E kompensuje zmiane twardości(zmiejszenie
przesycenia węglem) Wytrzymałościowe bez zmian A,K, Z zwiększa się nieznacznie
Drugie stadium, w temperaturze 200 300 °C, jest zwiÄ…zane z dalszym wydzielaniem
siÄ™ z roztworu wÄ™glika µ, skutkiem czego zawartość wÄ™gla w martenzycie maleje do okoÅ‚o
0,15%; równocześnie zachodzi dyfuzyjna przemiana austenitu szczątkowego w strukturę
o charakterze bainitycznym; w etapie tym powstaje mieszanina ferrytu nieznacznie
przesyconego wÄ™glem oraz wÄ™glika µ. W miarÄ™ wydzielania siÄ™ wÄ™glików z martenzytu
stopień tetragonalności jego struktury sieciowej c/a maleje. Jeśli było dużo austenitu
szczątkowego to twardość po rozpadze rośnie. Struktura dalej martenzyt odpuszczania(ale
jeszcze mniej przesycony iglasty ferryt i koherentne wydzielenia węglika E. Od 250
stopni mamy nieodwracalną kruchość.
Trzecie stadium przebiega w temperaturze 300 400 °C. NastÄ™puje caÅ‚kowite
wydzielenie wÄ™gla z roztworu, a wÄ™glik µ ulega przemianie w cementyt; struktura
otrzymana na tym etapie jest mieszaninÄ… ferrytu i cementytu(troostyt odpuszczania).
Zanik przesycenia ferrytu zmniejszenie naprężen własnych powoduje zmniejszenie
twardości do 45-40 HRC RM HRC szybko maleje a A,K,Z wolno rośnie.
Czwarte stadium przebiega w temperaturze 400 650 °C.
Zachodzi koagulacja czÄ…steczek cementytu, wzrastajÄ…ca ze wzrostem temperatury.
Struktura otrzymana w tym zakresie temperatur, będąca mieszaniną ferrytu i cementytu,
nazywa się sorbitem (cząstki cementytu mają kształt globularny). Na tym etapie następuje
całkowite usunięcie naprężeń. Koagulacja cementytu(większy i widoczniejszy) . Ferryt
iglasty pomartenzytyczny kształt. Spada twardasc wzrasta plastyczność Struktura to ferryt
i ziarnisty cementyt 23-35HRC Sorbit ma najlepsza strukture i dlatego najcześciej
stosowany.
Rodzaje odpuszczania ze względu na temperaturę:
Odpuszczanie niskie
Przeprowadza siÄ™ je w temperaturach w granicach 150 250 °C. Celem jego jest
usuniecie naprężeń hartowniczych, przy zachowaniu w strukturze wysokiego
udziału martenzytu, a przez to zachowanie wysokiej twardości. Stosuje się
przy narzędziach.
Odpuszczanie średnie
Przeprowadza siÄ™ je w temperaturach w granicach 250° 500 °C. Stosowane w celu
uzyskania wysokiej wytrzymałości i sprężystości przy znacznym obniżeniu twardości.
Stosowane przy obróbce sprężyn, resorów, części mechanizmów pracujących na
uderzenie np. młoty, części broni maszynowej, części samochodowych itp.
Odpuszczanie wysokie
Przeprowadza siÄ™ je w temperaturach powyżej 500 °C w celu uzyskania wysokiej
wytrzymałości przy niskiej twardości. Stal odpuszczana wysoko nadaje się do obróbki
skrawaniem.
Podczas odpuszczania występuje kruchość odpuszczania, którą dzieli się na:
kruchość odpuszczania I rodzaju  kruchość nieodwracalna, występuje
w zakresie temperatur 250-450 °C, powoduje zmniejszenie odpornoÅ›ci na
pękanie
kruchość odpuszczania II rodzaju  kruchość odwracalna, występuje
powyżej 500 °C i powolnym chÅ‚odzeniu
Na dole zależność tem odpuszczania na twardośc HRC i krzywa dylatometryczna(deltaL od
temp