Leszek Kłyk Wrocław

Wydz. Mechaniczno-Energetyczny 2.XI.2000

rok II grupa C

czwartek godz. 11¹⁵

ŻELIWA - MIKROSTRUKTURY, WŁASNOŚCI, ZASTOSOWANIE

Celem ćwiczenia jest poznanie różnych postaci grafitu i sposobów jego klasyfikacji wg PN - 75/H - 04661, oraz poznanie typowych mikrostruktur żeliw, które znalazły zastosowa­nie w budowie maszyn, jako materiał konstrukcyjny

WSTĘP TEORETYCZNY

Żeliwa są stopami żelaza z węglem, które zawierają ponad 2,06% tego składnika. Zgodnie z wykresem żelazo-cementyt w mikrostrukturze tych stopów występuje ledeburyt, a udział ce­mentytu przekracza 30%. W żeliwach niestopowych cementyt jest tym mniej trwały, im większa jest zawartość węgla. Podczas wolnego chłodzenia następuje rozkład cementytu na grafit i au­stenit lub ferryt, zależnie od temperatury, w której proces ten zachodzi.

Żeliwa białe są to żeliwa, w których cały węgiel występuje w postaci związanej, powierzchnie przełomów są metaliczne - białe.

Żeliwa szare są to żeliwa, w których węgiel występuje w postaci grafitu.

Żeliwa połowiczne to takie, w których wraz z grafitem występuje cementyt strukturalnie wolny.

Grafit płatkowy

Grafit ma małe własności mechaniczne i dlatego jego kształt, ilość i wielkość oraz sposób rozmieszczenia w metalicznej osnowie ma zasadniczy wpływ na własności wytrzymałościowe żeliw. Wydzielenia grafitu można traktować jako nieciągłości zmniejszające przekrój użyteczny a w razie niekorzystnego kształtu (płatki) także jako wewntrzne wady spiętrzające naprężenia. W zwykłych żeliwach szarych grafit ma najczęściej taki niekorzystny kształt płatków. Długie, powyginane, ostro zakończone płatki grafitu bardzo obniżają takie własności mechaniczne żeliw, jak wytrzymałość na rozciąganie Rm, wytrzymałość na zginanie i wytrzymałość na skręcanie Rs.

Grafit modyfikowany posiada wyraźnie lepsze własności mechaniczne dzięki wprowadzeniu do ciekłego żeliwa niewielkich ilości żelazokrzemu, stopów żelazokrzemu z aluminium lub stopu krzemu z wapniem (tzw. modyfikatora). W następstwie tego w żeliwie tworzy się duża liczba drobnych wtrąceń, związków tych pierwiastków, na których krystalizuje grafit.

Grafit pierwotny - iglasty powstaje, jeśli równoważnikowa zawartość węgla w żeliwie, określona wzorem: Ce = %C + 0,3% Si, jest większa niż 4,3 (żeliwa zaeutektyczne), chłodzenie przebiega bardzo powoli. Po ochłodzeniu z większą szybkością grafit ma kształt gwiazdkowy, a po bardzo szybkim chłodzeniu powstają wydzielenia grafitu eutektycznego.

Grafit płatkowy rozmieszczony rozetkowo (międzydendrytycznie) powstaje wskutek bardzo szybkiego chłodzenia.

Grafit kulkowy regularny. W obecności takich modyfikatorów, jak magnez, grafit krystalizuje w kształcie sferoidów. Przy sferoidalnych wydzieleniach grafitu działanie karbu niemal zanika, a zmniejszenie przekroju użytecznego jest niewielkie. Dzięki temu nie następuje obniżenie własności mechanicznych osnowy metalowej i własności tych żeliw są porównywalne z własnościami staliw.

Grafit postrzępiony (węgiel żarzenia) powstaje w żeliwach ciągliwych podczas żarzenia grafityzującego i dlatego jest nazywany węglem żarzenia. Wydzielenia tego węgla są skupione i nazywane grafitem kłaczkowym. Dzięki takiemu kształtowi własności mechaniczne żeliw ciągliwych są lepsze niż zwykłych żeliw szarych i zbliżone do własności żeliw sferoidalnych.

Klasyfikacja grafitu w żeliwach wg PN - 75/H - 04661

• ze względu na kształt,

• wielkości,

• rozmieszczenia.

Klasyfikacji dokonuje się na szlifach nietrawionych, przy powiększeniu 100x, przez porównanie wydzieleń widzianych na szlifie z wzorcami zamieszczonymi w normie. Kształt wydzieleń grafitu w żeliwach podzielono na 9 rodzajów:

• Gf1 - płatkowy prosty,

• Gf2 - płatkowy zwiększony,

• Gf3 - płatkowy iglasty,

• Gf4 - gwiazdkowy,

• Gf5 - krętkowy,

• Gf6 - postrzępiony,

• Gf7 - zwarty,

• Gf8 - kulkowy nieregularny

• Gf9 - kulkowy regularny.

Mikrostruktury żeliw szarych i połowicznych

Własności mechaniczne żeliw szarych zależą przede wszystkim od postaci grafitu albo od mikrostruktury osnowy metalowej. Mikrostruktura żeliw zależy od wielu czynników, z których najważniejsze to skład chemiczny oraz warunki, w jakich przebiegało krzepnięcie i dalsze chłodzenie. Zarówno domieszki jak i składniki stopowe spotykane w żeliwach mogą hamować lub przyspieszać grafityzację, wpływając w ten sposób na to, jaka część węgla występuje w postaci grafitu, a jaka pozostaje w metalowej osnowie, w roztworze stałym lub jako cementyt. Ta część węgla, zwana węglem związanym, decyduje o mikrostrukturze żeliw.

Wpływ zawartości węgla i krzemu na mikrostrukturę osnowy metalowej żeliw.

Przy stałej zawartości węgla, wzrost zawartości krzemu powoduje stopniową zmianę struktury od żeliwa białego, w którym nie ma węgla w postaci grafitu, do żeliwa szarego ferrytycznego, w którym cały węgiel występuje w tej postaci. Podobnie zmienia się struktura żeliw wówczas, gdy przy stałej zawartości krzemu zwiększa się zawartość węgla.

Wykres równowagi żelazo-grafit Fe - C

D5

Grafit płatkowy rozmieszczony międzydendrytycznie. Żeliwo szare. Stan nietrawiony - D. Powiększenie 80x. Gw 15 wielkość do 15 μm Gr 7 - rozmieszczenie wydzieleń grafitu

D4

Grafit sferoidalny. Żeliwo szare. Stan nietrawiony - D. Powiększenie 80x. Gw 25 wielkość 15 do 30 μm Gr 1 - rozmieszczenie równomierne Gf9 - kształt regularny

E5

Eutektyka fosforowa Żeliwo perlityczne z eutektyką fosforową. Stan trawiony - E. Powiększenie 80x. Gf2 - kształt zwiększony Gw 45 - wielkość 30 do 60 μm

E8

Żeliwo ciągliwe ferrytyczne. Żeliwo szare. Stan trawiony - E. Gf6 - kształt postrzępiony Gw 25 - wielkość 15 do 30 μm Gr1 - rozmieszczenie równomierne

4

---