Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Zamościu
Laboratorium Inżynieria Materiałowa	Temat ćwiczenia: Struktury i właściwości żeliw
Semestr: II	Wykonał: Daniel Kula	Data:	Ocena:

1.Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie mikrostruktury oraz właściwości żeliw oraz powiązanie struktury żeliw z ich właściwościami a także zapoznanie z podstawowymi zabiegami cieplnymi mającymi na celu otrzymanie żądanych struktur.

2.Wstęp teoretyczny

Żeliwo jest technicznym stopem żelaza z węglem i innymi pierwiastkami zawierającym ponad 2% węgla. Żeliwo węglowe zawiera praktycznie: 2,5-4,5% C oraz krzem, mangan, fosfor i siarkę. Żeliwa stopowe zawierają ponadto inne składniki stopowe, wprowadzone celowo podczas procesu metalurgicznego, które w sposób decydujący wpływają na właściwości użytkowe tego żeliwa .Żeliwo jest stopem kruchym i nie daje się obrabiać plastycznie ani na zimno, ani na gorąco. Z uwagi na dobre właściwości odlewnicze, takie jak: dobra lejność, niewielka skłonność do segregacji oraz stosunkowo niska temperatura topnienia, nadaje się ono dobrze do wyrobu odlewów.

• Zastosowanie żeliw węglowych

l. ŻELIWA BIAŁE: na odlewy o dużej odporności na ścieranie, np. na dysze do piaskownic.

- Utwardzone: walce do metali, walce młyńskie i papiernicze, tarcze do młynków.

- Żeliwa ciągliwe: sprzęt motoryzacyjny - obudowy: przekładni, mechanizmu różnicowego, rolki, tuleje, podkładki itp. Tabor komunikacyjny, części hamulców, opaski resorów, panewki łożysk itp., armatura elektryczna, łączniki do rur, części maszyn rolniczych, maszyn do szycia.

1. ŻELIWA SZARE:

- Zwykłe: części maszyn narażone na obciążenia zmienne, zdolne do tłumienia drgań, takie jak: płyty fundamentowe, łoża, skrzynki biegów, stojaki, suporty, pierścienie tłokowe, tuleje cylindrowe, bloki cylindrowe, głowice, tłoki, bębny hamulcowe, wały korbowe.

- Jakościowe: części maszyn narażone na zmienne obciążenia dynamiczne o znacznej wytrzymałości, takie jak: wały korbowe, koła zębate, gąsienice ciągników, korpusy pras, młotów, walcarek, korpusy i wirniki pomp, matryce do prasowania i tłoczenia, głowice frezarskie.

3. ŻELIWA SFEROIDALNE: - części maszyn narażone na znaczne obciążenia zmienne i odporne na ścieranie, takie jak: wały korbowe, wałki rozrządcze, cylindry, pierścienie tłokowe, koła zębate, wrzeciona, korpusy, ruchome części silników spalinowych i sprężarek, turbin, korpusy pras hydraulicznych itp.

• STRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI PODSTAWOWYCH ŻELIW WĘGLOWYCH

Żeliwa białe

Struktura żeliwa białego jest zgodna z wykresem równowagi fazowej żelazo-cementyt. W zależności od zawartości węgla i występujących w żeliwie węglowym dodatków stopowych, wyróżnia się żeliwa o strukturze podeutektycznej, eutektycznej lub nadeutektycznej.

Znając skład chemiczny żeliwa węglowego, można, uwzględniając wpływ pierwiastków stopowych na zawartość węgla w eutektyce, określić w przybliżeniu strukturę żeliwa, obliczając tzw. równoważnik węgla C_E:

C_E = (%C_całk.) + 0,33 (%P) + 0,30 (%Si)

C_E równe 4,3% oznacza żeliwo eutektyczne, C_E mniejsze od 4,3% oznacza żeliwo podeutektyczne, zaś C_E większe od 4,3% - żeliwo nadeutektyczne. Podstawowymi składnikami strukturalnymi żeliw białych są:

- cementyt pierwotny,

- ledeburyt przemieniony,

- perlit.

Cementyt pierwotny występuje w żeliwach nadeutektycznych w postaci białych ziarn, jasnych igieł lub płytek w osnowie ledeburytu przemienionego.

Ledeburyt przemieniony występujący we wszystkich żeliwach białych ma charakter dendrytyczny, zaś przy przecięciu zgładu prostopadle do ramion dendrytu, perlit występuje w postaci ciemnych drobnych kropek. Charakter dendrytyczny nadaje strukturze ledeburytu cementyt pierwotny. Ledeburyt jest składnikiem strukturalnym twardym (HB = 450) i kruchym oraz trudno skrawalnym. Perlit występuje w żeliwach podeutektycznych oraz w ledeburycie przemienionym. W żeliwach podeutektycznych ma on postać ciemnych obszarów pomiędzy polami ledeburytu. Przy większych powiększeniach można zaobserwować płytkową budowę perlitu.

Żeliwo białe jest stopem twardym i kruchym. Wysoka twardość i związana z nią odporność na ścieranie, są wynikiem obecności w żeliwie białym znacznej ilości cementytu. Wytrzymałość na rozciąganie żeliwa białego jest niewielka, natomiast posiada znaczną (4-6 razy większą) wytrzymałość na ściskanie. Czysty cementyt w zależności od wielkości ziarn, płytek lub igieł oraz od ilości rozpuszczonego w nim manganu wykazuje twardość
w granicach 700-840 HB. Ledeburyt przemieniony, zawierający w swojej strukturze obok cementytu pierwotnego również perlit (lub bainit), posiada twardość w granicach 440-510HB, w zależności od twardości cementytu pierwotnego oraz stopnia dyspersji cementytu w perlicie. Żeliwa białe podeutektyczne wykazują twardość w granicach od 280HB dla struktury perlitycznej z cementytem wtórnym i śladami ledeburytu do ok. 450 HB - dla struktury ledeburytycznej z niewielką ilością perlitu.

Żeliwo połowiczne

W żeliwie połowicznym węgiel występuje zarówno w formie związanej - jako cementyt pierwotny w ledeburycie, jak i w postaci wolnej jako grafit. Stad żeliwo połowiczne posiada najczęściej strukturę złożoną z grafitu, perlitu i ledeburytu przemienionego. Strukturę żeliwa połowicznego można spotkać w odlewach z żeliwa szarego zabielonych powierzchniowo w celu zwiększenia odporności powierzchni odlewu na ścieranie. Struktura żeliwa połowicznego występuje wtedy w warstwie przejściowej pomiędzy powierzchnią o strukturze żeliwa białego, a rdzeniem o strukturze żeliwa szarego. Twardość żeliwa połowicznego waha się w granicach od ok. 240 HB do ok.400 HB.

W żeliwie szarym przeważająca ilość węgla występuje w postaci wolnej - grafitu. Cementyt może występować w perlicie lub też jako cementyt wtórny. Właściwości żeliwa szarego zależą od ilości, wielkości, postaci i rozmieszczenia grafitu oraz od rodzaju osnowy metalicznej. Ze względu na rodzaj osnowy żeliwo szare dzieli się na:

- ferrytyczne,

- ferrytyczno-perlityczne,

- perlityczne.

Osnowa ferrytyczna posiada mniejszą twardość i wytrzymałość na rozciąganie niż osnowa perlityczna. O ile jednak twardość żeliwa szarego jest praktycznie twardością jego osnowy metalicznej, o tyle wytrzymałość żeliwa zależy jeszcze od rodzaju występującego w żeliwie szarym grafitu.

Grafit posiada bardzo mała wytrzymałość oraz niski moduł sprężystości, który jest przyczyną występowania nieciągłości w sprężystej osnowie metalicznej i dlatego żeliwo szare posiada zdolność tłumienia drgań. Im więcej grafitu w osnowie i im większe są jego płatkowe wydzielenia, tym zdolność do tłumienia drgań jest lepsza. Grubopłatkowy grafit powoduje jednak bardzo znaczne osłabienie osnowy metalicznej i jest przyczynę niskiej wytrzymałości takiego żeliwa. Wzrost wytrzymałości żeliwa można uzyskać przez rozdrobnienie wydzieleń grafitu. Uzyskuje się to przez tzw. modyfikację żeliwa, polegające na dodaniu podczas spustu na rynnę lub do kadzi dodatkowego składnika - modyfikatora, którym może być żelazokrzem, żelazomangan, wapniokrzem lub aluminium. Otrzymane w ten sposób żeliwo nazywano
dawniej modyfikowanym, a obecnie określa się je jako żeliwo szare jakościowe.

Żeliwo szare ferrytyczne posiada wytrzymałość na rozciąganie równa ok. 100 MPa i twardość ok. 100-120 HB. Żeliwo szare perlityczne o grubopłatkowym graficie uzyskuje wytrzymałość dochodzącą do ok. 250 MPa, przy twardości ok. 220 HB. Przez modyfikację można otrzymać żeliwo o strukturze perlitycznej o wytrzymałości dochodzącej do 450 MPa, przy twardości 220-260 HB.

W strukturze żeliwa szarego oprócz grafitu, ferrytu i perlitu mogą występować jeszcze dwa szczególne składniki strukturalne: siarczki manganu i eutektyka fosforowa. Siarczki manganu występują w postaci wieloboków o matowym zabarwieniu zarówno w ziarnach ferrytu, jak i polach perlitu.

Eutektyka fosforowa - steadyt, składająca się z fosforku żelaza Fe₃P, cementytu i roztworu fosforu w ferrycie, występuje wewnątrz obszarów perlitu w postaci kropkowanych pól o charakte­rystycznych wklęsłych bokach lub przy większych zawartościach fosforu w postaci typowych gniazd eutektycznych. Wklęsły kształt steadytu jest wynikiem jego niskiej temperatury topnienia, wynoszącej 953 C.

Szczególną pozycję wśród żeliw szarych węglowych zajmuje żeliwo sferoidalne. Uzyskuje się je przez modyfikowanie cerem lub stopami magnezu z żeliwa, które bez tej modyfikacji zakrzepłoby jako białe lub połowiczne. Żeliwo to charakteryzuje się najwyższym i właściwościami wytrzymałościowymi oraz niewielkimi właściwościami plastycznymi, ponieważ sferoidalne wydzielenia grafitu nie stanowią większych nieciągłości w osnowie metalicznej. Z tej samej przyczyny żeliwo sferoidalne posiada znacznie mniejszą od żeliwa o graficie grubopłatkowym zdolność do tłumienia drgań.

Żeliwo sferoidalne ferrytyczne posiada wytrzymałość na rozciąganie do ok. 450 MPa i twardość 140-180 HB. Wykazuje ono przy tym pewne właściwości plastyczne, osiągając wartość wydłużenia względnego (A₅) do ok. 10%.

3.Przebieg ćwiczenia

Ćwiczenia polega na obserwacji i opisaniu próbek różnych gatunków żeliw oraz analizy różnic w mikrostrukturach danych próbek .

4.Wnioski

Żeliwa ze względu na swoje właściwości zarówno fizyczne, chemiczne oraz mechaniczne są niezastąpionym materiałem z których wykonywane są najróżniejsze podzespoły maszyn ,a także produkty codziennego użytku .

Do najważniejszych zalet żeliwa należą:

-Niska cena.

-Łatwość nadania kształtów (lejność).

-Dobra obrabialność.

-Duża obrabialność.

-Duża zdolność do tłumienia drgań.

-Brak naprężeń.

-Niewrażliwość na działanie karbu i częste zmiany kształtu.

-Duża stałość wymiarów.

-Duża odporność na ścieranie.

Mikrostruktura żeliw zależy w wielkim stopniu od procesu wytwarzania ,jakimi pierwiastkami wzbogacony jest stop żelazo węgiel .

---