Sprawozdanie

Badanie mikroskopowe surówek i żeliw

Inżynieria biomedyczna

gr D

Data oddania sprawozdania: 12.11.2012

1. Surówka – półprodukt redukcji rudy w piecu, ma bardzo wysoką zawartość węgla (powyżej 2%), zwykle 3,5-4,5% i liczne zanieczyszczenia, co czyni ją bardzo kruchą i nieprzydatną bezpośrednio jako materiał, z wyjątkiem ograniczonych zastosowań. Surówka jest stopem żelaza z węglem, krzemem, manganem, fosforem i siarką. Nazwa pochodzi stąd, że jest to półprodukt przewidziany do dalszej przeróbki, czyli surowiec.

Surówka przeznaczona jest do dalszej przeróbki w stanie ciekłym na stal lub żeliwo. Surówkę dostarcza się w stanie ciekłym lub w stanie stałym w postaci gąsek lub granulek

Graniczne stężenia masowe pierwiastków wyrażone w procentach nie mogą przekroczyć:

Pierwiastek chemiczny	Stężenie masowe  %
Mn	≤ 30
Si	≤ 8
P	≤ 3
Cr	≤ 10
Inne dodatki stopowe ogółem	≤ 10

2. Podział surówek

- Ze względu na budowę (strukturę) rozróżnia się surówki:

• biała – o białym przełomie, zawierająca węgiel wyłącznie w stanie związanym w postaci cementytu

• szara – o szarym przełomie, zawierająca węgiel w stanie wolnym, w postaci grafitu

• pstra (połowiczna) – zawierająca skupienia węgla zarówno w stanie związanym jak i wolnym.

Wpływ na budowę surówki mają: skład chemiczny i szybkość chłodzenia.

- Ze względu na zawartość fosforu:

• fosforowa, o zawartości fosforu do 1,2%

• hematytowa, o zawartości fosforu do 0,1%.

- Ze względu na sposób otrzymania:

• drzewnowęglowa, wytopiona na węglu drzewnym

• koksowa, wytopiona na koksie.

- Ze względu na przeznaczenie:

• bessemerowska, o dużej zawartości krzemu, nie zawierająca fosforu i siarki, przeznaczona do wytworzenia stali metodą Bessemera

• martenowska, przeznaczona do wytworzenia stali w piecu martenowskim

• tomasowska, o dużej zawartości fosforu i małej zawartości krzemu, przeznaczona do wytworzenia stali metodą Thomasa,

• odlewnicza, przeznaczona do przetopu w odlewni żeliwa.

3. Żeliwo - stop odlewniczy żelaza z węglem, krzemem, manganem, fosforem, siarką i innymi składnikami, zawierający od 2,11 do 4,3% węgla w postaci cementytu lub grafitu. Występowanie konkretnej fazy węgla zależy od szybkości chłodzenia i składu chemicznego stopu. Chłodzenie powolne sprzyja wydzielaniu się grafitu. Także i dodatki stopowe odgrywają tu pewną rolę. Według obowiązującej normy żeliwo definiuje się jako tworzywo, którego głównym składnikiem jest żelazo i w którym zawartość węgla przekracza 2% (obecność dużych zawartości składników węglikotwórczych może zmienić podaną zawartość węgla). Krzem ma wpływ zarówno na proces modyfikowania grafitu, jak i na sam proces grafityzacji. W procesie modyfikowania dodawany najczęściej w postaci stopu, żelazokrzemu, do ciekłego żeliwa, wpływa na zarodkowanie grafitu, w wyniku czego płatki grafitu stają się drobniejsze i bardziej równomiernie rozmieszczone. Podczas procesu grafityzacji pierwiastek ten, działając podobnie jak węgiel, zwiększa skłonność do tworzenia grafitu, a nie cementytu podczas krystalizacji i przemiany eutektoidalnej.

Krzem występuje w żeliwie w ilościach od 0,5 do 5%, ale najczęściej jego zawartość wynosi od 1,0 do 3,0%.

Mangan wykazując większe powinowactwo do węgla niż żelazo, tworzy bardziej trwałe niż cementyt węgliki Mn₃C lub (Fe, Mn)₃C. W rezultacie mangan zapobiega grafityzacji. Dodatkowo łatwo wiąże się z siarką, usuwając jej niekorzystny wpływ w żeliwie.

Siarka jest domieszką szkodliwą. Jej obecność powoduje pogorszenie właściwości odlewniczych żeliwa przez zmniejszenie rzadkopłynności i zwiększenie skłonności do tworzenia się pęcherzy gazowych.

Fosfor stosuje się w ilości od 0,2 do 1,8%. Nie wpływa w istotny sposób na proces grafityzacji, jednak tworzy eutektykę fosforową (steadyt), która charakteryzuje się niską temperaturą topnienia (około 950 °C) i bardzo dużą twardością (około 500 HB).

Żeliwo otrzymuje się przez przetapianie surówki z dodatkami złomu stalowego lub żeliwnego w piecach zwanych żeliwiakami. 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 obrabialnością. Wyroby odlewnicze po zastygnięciu, by usunąć ewentualne ostre krawędzie i pozostałości formy odlewniczej, poddaje się szlifowaniu.

Odlew 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 wysoką odporność na korozję.

4. Klasyfikacja żeliwa

Niestopowe

- w zależności od postaci w jakiej występuje węgiel

1. Szare – węgiel w postaci grafitu

• Szare zwykłe – grafit płatkowy

- ferrytyczne

- perlityczne

• Modyfikowane – drobne płatki grafitu

- perlityczne

• Sferoidalne – grafit kulisty

- ferrytyczne

- perlityczne

• Wermikularne – grafit ma kształt pośredni miedzy płatkowym a sferoidalnym

1. Białe – węgiel związany z cementycie

• Niskowęglowe

• Wysokowęglowe

Struktura żeliwa białego : ledeburyt przemieniony . W żeliwie podeutektycznym wystepuje przewaga perlitu a w żeliwie nadeutektycznym cementytu. Ze względu na bardzo dużą kruchość i złą skrawalność nie znalazły zastosowania.

1. Połowiczne – wystepuje zarówno cementyt i grafit

2. Ciągliwe

• Białe – struktura powierzchniowo odwęglona

• Czarne – węgiel żarzenia w osnowie ferrytu

Stopowe

- ze względu na strukturę

1. O Osnowie

- austenitu

- ferrytu

- perlitu

- martenzytu lub bainitu

- różna z węglikami

1. Postać węgla

- grafit płatkowy, modyfikowany lub sferoidalny

- węgliki

- żeliwa stopowe odporne na ścieranie

1. Nisko i średniostopowe szare

2. Sferoidalne

3. Średniostopowe niklowo-chromowe białe

4. Wysokochromowe białe

5. Wysoko-manganowe białe

- żeliwa stopowe białe odporne na ścieranie

1. Niskostopowe

2. Niklowo-chromowe i chromowo-niklowe

3. Wysokochromowe

- żeliwa stopowe żaroodporne

1. Chromowe

2. Krzemowe

3. Aluminiowe

4. Wysokochromowe

5. Wysokoniklowe

- żeliwa stopowe odporne na korozję

1. Krzemowe

2. Niklowo-miedziowe

3. Wysokoniklowe sferoidalne

4. Wysokoniklowe szare

5. Wysokochromowe

- żeliwa stopowe do pracy w niskiej temperaturze – o strukturze austenitycznej

- żeliwa stopowe o specjalnych własnościach fizycznych

Własności niemagnetyczne wykazują żeliwa o strukturze austenitycznej zawierające Ni lub Mn

5. Składniki struktury

1. Surówki eutektycznej

Ledeburyt – składnik strukturalny stopów żelazo-węgiel powstały w wyniku przemiany eutektycznej zawierający austenit i cementyt.

II typy ledeburytu

1. Ledeburyt - mieszanina austenitu z cementytem powstająca z cieczy o składzie eutektycznym (4,3%C) przy temperaturze 1148 °C. Bezpośrednio po utworzeniu zawiera 48% cementytu i 52% austenitu o składzie 2,11%C. W trakcie chłodzenia w zakresie temperatur 1148÷727 °C z austenitu ledeburytycznego wydziela się cementyt. Powoduje to obniżenie zawartości austenitu w mieszaninie i zubożenie go w węgiel

2. Ledeburyt przemieniony – występujący w surówce eutektycznej.

Austenit ledeburytyczny o składzie 0,77%C ulega przemianie euktektoidalnej. Z tego powodu ledeburyt przemieniony jest to mieszanina perlitu i cementytu. Podczas chłodzenia ledeburyt jest stabilny do temperatury 727 °C, poniżej której rozpada się austenit. Ledeburyt przechodzi wtedy w ledeburyt przemieniony. Pierwotnie występujący w niej cementyt, zachowuje swą postać, a austenit przemienia się na mieszaninę ferrytu i cementytu

1. Żeliw

Morfologia grafitu

- bardzo miękki, mała wytrzymałość

Może się tworzyć przy krzepnięciu z cieczy jako - płatkowy, na skutek przemiany eutektoidalnej austenitu lub w wyniku rozpadu cementytu w żeliwie białym poddanym długotrwałemu wyżarzaniu w temperaturze nieznacznie niższej od solidusu. W stopach eutektycznych grafit wydziela się z cieczy w postaci drobnych płatków w eutektyce grafitowej. Grube płatki grafitu pierwotnego wydzielają się w czasie krzepnięcia żeliw nadeutektycznych.

Wpływ grafitu na własności żeliw:

Powoduje zmniejszenie własności wytrzymałościowych żeliwa i zmianę niektórych innych własności:
- działa jak karb wewnętrzny stanowiąc nieciągliwość w metalu

- zmniejsza skurcz odlewniczy

- polepsza skrawalność

- zwiększa własności ślizgowe

- sprzyja tłumieniu drgań

- powoduje zwiększenie wytrzymałości zmęczeniowej

Wpływ domieszek na proces grafityzacji

Istotny wpływ wywierają domieszki i zanieczyszczenia. Spośród głównych domieszek i zanieczyszczeń – Si i P ułatwiają grafityzację, a Mn i S przeciwdziałają jej.
Fosfor częściowo rozpuszcza się w ferrycie, tworząc jednak zwykle niskotopliwą potrójną eutektykę fosforową Fe₃C-Fe₃P-Fe(α) – steadyt.

Cechy morfologiczne wydzieleń grafitu sklasyfikowano w normie PN-EN ISO 954:1999 wyróżniając 6 wzorców kształtu, 5 wzorców rozmieszczenia i 8 wzorców wielkości cząstek grafitu.

Wzorce kształtu grafitu

Grafit kulkowy występuje w żeliwie sferoidalnym. Ta postać grafitu przywraca własności plastyczne tworzywa, znacznie podnosi wytrzymałość na rozciąganie oraz nieznacznie obniża twardość.

Grafit płatkowy występuje w żeliwie szarym. Grafit w tej postaci wywołuje w tworzywie znaczne naprężenia jest „pustką” materiałową, obniża w sposób istotny wytrzymałość na rozciąganie, obniża twardość. Likwiduje własności plastyczne.

Ta postać grafitu ma jednak pewne pozytywne cechy: pochłania drgania przez co żeliwo odporne jest na wstrząsy mechaniczne. W wyniku pewnego zabiegu (modyfikacja) otrzymujemy znaczne rozdrobnienie wydzielin grafitu oraz likwidujemy niekorzystne jego rozłożenie. Im grubsze płatki tym mniejsza jest wytrzymałość.

Żeliwo ciągliwe jest otrzymywane z żeliwa białego w wyniku wyżarzania grafityzującego. Podczas tej operacji cementyt ulega rozpadowi i wydziela się tzw węgiel żarzenia ( grafit żarzenia) w postaci kłaczkowatych skupień.

Węgiel żarzenia zapewnia umiarkowane własności wytrzymałościowe, wysoką plastyczność oraz niską twardość. Występuje w żeliwie ciągliwym czarnym oraz w żeliwie ciągliwym perlitycznym. Żeliwo ciągliwe jest stosowane w przemyśle górniczym, samochodowym, ciągnikowym, rolniczym, do wytwarzania drobnych elementów maszyn.

6. Wnioski

W wyniku celowych zabiegów technologicznych w czasie procesów metalurgicznych grafit może zostać rozdrobniony w przypadku żeliwa modyfikowanego lub doprowadzony do postaci kulistej – w przypadku żeliwa sferoidalnego. Długotrwała obróbka cieplna niektórych żeliw białych powoduje uzyskanie tzw. węgla żarzenia w strukturze otrzymanego żeliwa ciągliwego.

Literatura: L.A Dobrzański – Metaloznawstwo opisowe stopów żelaza

www.wikipedia.pl