BADANIA MIKROSKOPOWE ŻELIW NIESTOPOWYCH

Żeliwa są stopami odlewniczymi na osnowie żelaza o zawartości węgla w granicach 2,0-3,8%, szeroko stosowanymi w budowie maszyn. Dużą popularność zdobyły żeliwa szare dzięki takim z a 1 e t o m, jak:

1) łatwość odlewania nawet skomplikowanych kształtów w formach piaskowych lub metalowych (kokilach),

2) możliwość ograniczenia obróbki skrawaniem do minimum oraz do­bra skrawalność,

3) dobra wytrzymałość (zbliżona do stali nisko- lub średniowęglo­wych),

4) duża zdolność tłumienia drgań,

5) dobra odporność na ścieranie,

6) mała rozszerzalność cieplna (cechy 5 i 6 spowodowały masowe sto­sowanie żeliw w przemyśle motoryzacyjnym na cylindry, tłoki, pierście­nie ślizgowe),

7) niski koszt wytwarzania.

Do w a d żeliw należy zaliczyć głównie ich małą ciągliwość i udar­ność oraz małą wytrzymałość na rozciąganie w porównaniu z wytrzyma­łością na ściskanie.

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA TWORZENIE SIĘ GRAFITU

Skłonność do grafitacji wynika z relacji układów Fe-Fe₃C i Fe-grafit. Li­nie równowagi poszczególnych faz z grafitem są bardziej przesunięte ku wyższym temperaturom niż linie równowagi tych faz z cementytem. Ozna­cza to, że w pewnej temperaturze, leżącej między temperaturą eutektoi­dalną i eutektyczną, stop odpowiadający linii SE będzie składał się z aus­tenitu nasyconego węglem w równowadze z cementytem, ale przesycane­go w równowadze z grafitem, a więc zdolność rozpuszczania się grafitu jest mniejsza niż cementytu. Stąd wniosek, że grafit jest fazą bardziej trwałą niż cementyt. Ewidentnym dowodem tego jest możliwość rozkładu cementytu na grafit w wyniku długotrwałego wyżarzania, co nie znaczy, że grafit musi się wydzielać przed cementytem. Do utworzenia zarodka grafitu, jako czystego węgla, wymagane jest większe przemieszczenie ato­mów węgla i żelaza przez dyfuzję niż w przypadku utworzenia zarodka cementytu. Dlatego też, pomimo że energia swobodna mieszaniny grafitu z cieczą, austenitem lub ferrytem jest mniejsza niż mieszaniny cementytu z tymi fazami, grafit zarodkuje z dużą trudnością.

Bezpośrednie wydzielanie grafitu może być ułatwione przez zarodko­wanie heterogeniczne na nierozpuszczonych całkowicie cząstkach faz sta­łych, m.in. grafitu. Liczbę zarodków można zwiększać sztucznie przez wprowadzenie odpowiednich substancji do ciekłego żeliwa. Proces taki nazywamy modyfikacją.

• pierwiastki zabielające

Mangan i siarka, które przeciwdzia­łając grafityzacji przyczyniają się do zabielenia żeliwa. Zawartość Mn wynosi 0,5-0,7%. Wpływ siarki zależy od ilości manganu i przy małej zawartości Mn jej działanie zabielające jest silniejsze. Siarka zmniejsza też rzadkopłynność żeliwa, a tym samym pogarsza jego własności odlewnicze. Dlatego zawartość siarki w żeliwie jest ograniczona do 0,12%, przy czym w odlewach cienkościennych nie powinno jej być więcej niż 0,08%.

• pierwiastki grafityzujące

W technicznych stopach żelaza z węglem istotny wpływ na przebieg grafityzacji wywierają domieszki: Si, Mn, S. Do składników sprzyjają­cych grafityzacji należy krzem, który wprowadza się w ilości 0,3-5%.

Fosfor w małym stopniu wpływa na grafityzację, ale jest pożądanym składnikiem żeliw ze względu na polepszanie ich rzadkopłynności oraz zwiększenie twardości i odporności na ścieranie. Jego zawartość zmienia się w granicach 0,2-1% i powinna być większa w odlewach cienkościen­nych. Występuje on w postaci eutektyki fosforowej (steadytu) złożonej z ferrytu, cementytu .i fosforku żelaza (Fe₃P), która jest widoczna jako jasny składnik strukturalny o charakterystycznych wklęsłych granicach. Składnik ten jest jednak bardzo kruchy.

Istotnym czynnikiem wpływającym na grafityzację jest też szybkość chłodzenia żeliwa po odlaniu do formy. Przy szybkim chłodzeniu (np. w kokilach) występuje duża skłonność do zabielania, podczas gdy to samo żeliwo odlane do formy piaskowej może być szare.

• wpływ szybkości chłodzenia

Miarą szybkości chłodzenia jest grubość ścianki odlewu - im więk­sza jest grubość, tym wolniejsze jest studzenie. Na rysunku 3 przed­stawiono zależność struktury żeliwa od zawartości (C+Si) i grubości ścia­nek. Wynika z niego, iż istnieje możliwość regulacji struktury żeliwa w szerokich granicach: od białego do szarego-ferrytycznego przez dobór odpowiedniego składu żeliwa w zależności od grubości odlewu.

Przy szybkim chłodzeniu (np. w kokilach) występuje duża skłonność do zabielania, podczas gdy to samo żeliwo odlane do formy piaskowej może być szare.Szybkość chłodzenia żeliwa po odlaniu do formy jest istotnym czynnikiem wpływającym na grafityzację

RODZAJE GRAFITU I JEGO WPŁYW NA WŁAŚCIWOŚCI

Grafit jako faza niemetaliczna wpływa osłabiająco na metal, gdyż sam ma małą wytrzymałość i twardość. Płatki grafitu wytwarzają w osno­wie metalicznej nieciągłości o ostrych krawędziach, które działają jak karb, a więc zwiększają skłonność do kruchego pękania. Stąd wytrzyma­łość na rozciąganie, udarność i ciągliwość żeliw są znacznie mniejsze niż stali o strukturze analogicznej jak osnowa żeliwa.

Wytrzymałość na ściskanie i twardość, mało zależne od obecności grafitu, są zbliżone do odpowiednich wartości dla stali o takiej samej strukturze, jak osnowy grafitu.

Oczywiście znaczny wpływ na własności żeliwa mają postać i dys­persja grafitu. Im większy jest udział grafitu i im grubsze są płatki, tym niższa jest wytrzymałość i ciągliwość żeliwa. Na dyspersję grafitu można wpływać przez tzw. modyfikację. Polega ona na wprowadzeniu do cie­kłego żeliwa tuż przed odlewaniem (do kadzi lub rynny spustowej) mo­dyfikatora, którym najczęściej jest sproszkowany żelazo-krzem. Operacja taka pozwala na znaczne rozdrobnienie grafitu płatkowego, a tym samym wzrost wytrzymałości do R_m = 450 MPa.

Klasyfikacja grafitu, , uwzględnia trzy c e c h y m o r f o- l o g i c z n e grafitu: wielkość, kształt i rozmieszczenie. Pod względem k s z t a ł t u grafit dzieli się na 9 klas, np. płatkowy (pro­sty, zwichrzony lub iglasty), gwiazdkowy, krętkowy, postrzępiony, zwarty lub kulkowy. Ze względu na w i e 1 k o ś ć rozróżnia się 8 klas, przy czym podstawą do zaliczenia żeliwa do odpowiedniej klasy jest długość lub śred­nica wydzieleń grafitu w μm. Do najniższej klasy zalicza się grafit mniej­szy od 15 μm, a do najwyższej - większy od 1000 μm.

R o z m i e s z c z e n i e grafitu jest podstawą do zaliczenia żeliwa do jednej z siedmiu klas. Rozróżnia się rozmieszczenie równomierne, nie­równomierne, gałązkowe, siatkowe, rozetkowe lub międzydendrytyczne. Szczególnie niekorzystne są wydzielenia grubopłytkowego grafitu nad­eutektycznego, natomiast bardzo drobny grafit eutektyczny o charakte­rze płatkowym i równomiernym rozłożeniu w osnowie jest pożądany.

Niekorzystne jest również nierównomierne rozłożenie grafitu, np, mię­dzydendrytyczne, gdzie grafit jest rozłożony pomiędzy dendrytycznymi ziarnami ferrytu.

Szczególnie pożądanym kształtem grafitu jest grafit kulkowy (sferoi­dalny), który występuje w żeliwach wysoko jakościowych.

Żeliwo białe (nazwa pochodzi od jasnego przełomu), w którym cały węgiel jest związany zawiera w strukturze ledeburyt przemieniony z cementy­tem pierwotnym lub perlitem. Jest ono bardzo twarde, ale zarazem kru­che. Nie można go obrabiać mechanicznie przez skrawanie, lecz jedynie szlifować. Jest stosowane jako półprodukt do wytwarzania żeliwa ciąg­liwego. Niekiedy stosuje się żeliwo zabielone, które na powierzchni ma strukturę ledeburyczną, a wewnątrz jest szare. Taka struktura odlewu sprzyja zwiększeniu jego odporności na ścieranie.

Nazwa żeliwa szarego pochodzi od ciemnego przełomu spowodowa­nego obecnością grafitu. Własności żeliw szarych zależą .nie tylko od struktury osnowy metalicznej, ale również od postaci grafitu. Struktura osnowy może być ferrytyczna, ferrytyczno-perlityczna lub perlityczna. Ze wzrostem ilości perlitu w osnowie wzrasta wy­trzymałość i twardość żeliwa, a maleje wydłużenie ( tabl. 1.).

MODYFIKACJA ŻELIW

. Polega ona na wprowadzeniu do cie­kłego żeliwa tuż przed odlewaniem (do kadzi lub rynny spustowej) mo­dyfikatora, którym najczęściej jest sproszkowany żelazo-krzem. Operacja taka pozwala na znaczne rozdrobnienie grafitu płatkowego, a tym samym wzrost wytrzymałości do R_m = 450 MPa. Żeliwa o najwyższych wytrzymałościach 300 i 350 są wytwa­rzane jako żeliwa modyfikowane.

KLASYFIKACJA I ZNAKOWANIE ŻELIW

Klasyfikacja żeliw sferoidalnych jest przeprowadzana na podstawie normy PN-92/H-83123. Obejmuje ona dziewięć gatunków żeliwa o wy­trzymałości w granicach 350-900 (350-22,400-18,400-15,450-10,500-7,600-3,700-2,800-2,900-2) MPa i wydłużeniu A₅ - w granicach odpowiednio 2-22%. Symbol żeliwa składa się z liczby trzycyfrowej, która oznacza minimalną wytrzymałość na rozciąganie w MPa oraz oddzielonej od niej pauzą liczby określającej minimalne wydłużenie A₅.

Klasyfikacja żeliwa ciągliwego. Żeliwo ciągliwe klasyfi­kuje się wg normy PN-92/H-83221. Żeliwo białe oznacza się symbolem W(W 35-04,38-12,40-05,45-07) a czarne symbolem B(B 30-06,32-12,35-10). Norma uwzględnia jeszcze żeliwo ciągliwe perlityczne P(P 45-06,50-05,55-04,60-03,65-02,70-02,80-01). Po oznaczeniu literowym następuje liczba czterocyfrowa. Dwie pierwsze cyfry oznaczają minimalną wytrzymałość na rozcią­ganie w MPa podzieloną przez 10, dwie następne minimalne wydłużenie A₃ w procentach.

ŻELIWO CIĄGLIWE - SPOSÓB WYTWARZANIA, STRUKTURA, I WŁAŚCIWOŚCI

Należą one do gatunku żeliw mających, podobnie jak żeliwa sferoidalne, pewną ciągliwość, ale w odróżnieniu od nich własno­ści te są im nadawane przez odpowiednią obróbkę cieplną, zwaną wyża­rzaniem grafitującym. Elementy po odlaniu muszą mieć strukturę żeliwa białego (wydzielenia grafitu są niedopuszczalne), a w wyniku grafityzacji następuje rozkład cementytu na grafit zgodnie z reakcją:

Fe₃C→3Fe+C(grafit)

Istnieją dwie metody wytwarzania żelu ciągliwego. P i e r w s z a m e t o d a, zwana amerykańską, polega na wyżarzaniu odlewów w atmo­sferze obojętnej. W wyniku tego następuje jedynie zmiana postaci wy­stępowania węgla, bez zmiany jego ilości w odlewie. W efekcie uzy­skujemy żeliwo ciągliwe czarne (nazwa pochodzi od ciemnego przełomu).

D r u g a m e t o d a, zwana europejską, polega na wyżarzaniu odle­wów w atmosferze utleniającej, dzięki czemu następuje nie tylko roz­kład cementytu, ale również wydyfundowanie węgla do atmosfery (od­węglanie). Otrzymane w ten sposób żeliwo nazywamy ciągliwym białym (przełom jest jasny).

Skład chemiczny żeliwa wyjściowego jest uwarunkowany grubością odlewów i wymaganą strukturą osnowy żeliwa ciągliwego, jak również metodą jego wytwarzania. Ogólnie mieści się w granicach: 2,2-3,3% C; 0,6-1,4% Si; < 0,5% Mn; < 0,1% S; < 0,2% P, z tym że przy wytwarza­niu żeliwa ciągliwego czarnego zawartość węgla powinna być bliższa dol­nej granicy. Nie może więc ono być wytapiane w żeliwiakach, co stanowi w a d ę tej metody (podraża koszt wytwarzania).

1

---