Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. J. i J. Śniadeckich w Bydgoszczy

SPRAWOZDANIE nr2

Badanie mikroskopowe żeliwa

... gr. A

Data oddania sprawozdania: Ocena za sprawozdanie:

1) Definicja żeliwa

Żeliwo to odlewniczy stop żelaza z węglem, zawierający ponad 2,11% C oraz pierwiastki: Si, Mn, P i S. Polska terminologia rozróżniania surówki i żeliwa. Ich skład chemiczny jest zbliżony. Różnica polega na tym, że surówka jets producentem wielkiego pieca, służącym do dalszej przeróbki (surowiec) na stal lub żeliwo, natomiast z żeliwa wykonuje sie odlew.

2) Klasyfikacja żeliwa

a) Żeliwo niestopowe:

Do materiałów odlewniczych powszechnie stosowanych w budowie maszyn należy żeliwo. Decydują o tym miedzy innymi: stosunkowo niski koszt produktów, niska temperatura topnienia , dobre własności wytrzymałościowe oraz dobra skrawalność. Żeliwo zawiera około 2÷4 węgla. W zależności, w jakiej występuje węgiel, rozróżnia się:

• żeliwa szare, w którym węgiel występuje w postaci grafitu,

• żeliwa białe, w których węgiel jest związany w postaci cementytu Fe₃C (nie ma grafitu),

• żeliwa połowiczne (pstre), w których występuje zarówno cementyt, jak i grafit.

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

Żeliwo szare niestopowe (węglowe) można podzielić na trzy grupy:

• żeliwo szare zwykłe,

• żeliwo modyfikowane,

• żeliwo sferoidalne.

b) Żeliwo stopowe:

Do żeliwa stopowego wprowadzone są dodatki stopowe, występujące oprócz domieszek. pierwiastki te są dodawane w celu polepszenia własności użytkowych żeliw, a w szczególności:

• zwiększenia własności mechanicznych,

• zwiększenia odporności na ścieranie,

• polepszenia odporności na działanie korozji elektrochemicznej,

• polepszenia odporności na działanie korozji gazowej w podwyższonej temperaturze,

• polepszenia własności fizycznych, np. magnetycznych lub elektrycznych.

Skład chemiczny żeliwa jest dobierany tak, aby w wyniku dodania pierwiastków stopowych nie zmieniać niekorzystnie ich struktury i własności. z tego względu należy dobierać odpowiednio dodatki o działaniu grafitującym i zabielającym.

3) Definicja surówek

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.

Zgodnie z obowiązującą normą PN-EN 10020:2003 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

4) Klasyfikacja surówek

I) 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.

II) 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:

• drzewno węglowa, wytopiona na węglu drzewnym

• koksowa, wytopiona na koksie.

Ze względu na przeznaczenie:

• besemerowska, 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.

Surówka (w postaci pierwotnej lub powtórnie przetopiona – zwykle z dodatkiem złomu oraz żelazostopów) w odlewie użytkowym nazywa się żeliwem (inna nazwa: żelazo lane).

5) Opisać i scharakteryzować składniki struktury poznane na zajęciach

1. Żeliwo szare (grafit płatkowy)- ciemny składnik osnowy to perlit, a jasny to ferryt. Nazwa osnowy ferrytyczno-perlityczna. Żeliwo szare ferrytyczne charakteryzuje się niską wytrzymałością, dobrą skrawalnością, małą odpornością na zużycie ścierne. Twardość i wytrzymałość żeliwa szarego zwiększa się w miarę zwiększania udziału perlitu w strukturze. Wytrzymałość perlitycznego wynosi ok. 350 – 450 MPa przy twardości 200 – 250 HB. Żeliwa szare cechuje dobra zdolność do tłumienie drgań.
   Działanie modyfikatora polega na odgazowaniu kąpieli i wymuszeniu heterogenicznego zarodkowania grafitu na licznych drobnych cząsteczkach tlenków. W wyniku tego żeliwo krzepnie jako szare, a węgiel wydziela się w postaci bardzo licznych, drobnych płatków grafitu, równomiernie rozmieszczonych w osnowie.

2. Żeliwo sferoidalne (grafit kulkowy)- dobór składu chemicznego żeliwa i sposobu chłodzenia nie zapewnia uzyskania osnowy ferrytycznej bezpośrednio po odlewaniu, żeliwo można poddać dodatkowemu wyżarzaniu. Po nagrzaniu do ok. 850 - 920^oC zachodzi przemiana perlitu w ausenit, który po ochłodzeniu do temperatury poniżej eutektoidalnej, zwykle 720-800^oC, podczas wygrzewania przez ok.10 h przemienia się w ferryt i grafit. Żeliwa sferoidalne są stosowane między innymi na wały korbowe, koła zębate, walce, pierścienie tłokowe, rury. Osnowa ferrytyczna posiada przekrój, który przypomina nam kulki, lecz nie wiadomo czy jakieś drobiny, które występują to są zanieczyszczenia czy grafit.

Właściwości mechaniczne żeliwa sferoidalnego

Wytrzymałość na rozciąganie	Rm ≥ 420 MPa
Granica plastyczności	Rp 0,2 ≥ 270 MPa,
Wydłużenie względne	A0 ≥ 10%

3. Żeliwo szare (grafit płatkowy)

Najkorzystniejsze własności ma żeliwo modyfikowane o osnowie perlitycznej- grafit perlityczno szare. Jego wytrzymałość na rozciąganie Rm może wynosić 300 – 400 MPa, stąd modyfikację stosuje się często do żeliw szarych o podwyższonej wytrzymałości. Żeliwo modyfikowane, podobnie jak żeliwo szare zwykłe, wykazuje bardzo niski własności plastyczne. Żeliwo szare przypomina swoim kształtem kwiat.

4. Żeliwo połowiczne (grafit płatkowy)

Żeliwo, które występuje w postaci grafitu i cementytu.

Wydzielenia to cementyt ledeburytyczny.

Osnowa nie jest widoczna.

Można zauważyć obszary jaśniejsze i ciemniejsze

Ma właściwości pośrednie pomiędzy żeliwem szarym, a białym.

Kształt grafitu płatkowy.

Zgład niewytrawiony.

5. Żeliwo sferoidalne (grafit kulkowy)

Żeliwo sferoidalne z grafitem kulkowym posiada osnowę perlityczno-ferrytycznej o rozmieszczeniu ferrytu wokół grafitu. Również występują ziarna ferrytu wokół grafitu tzw. „bawole oczy”.

Żeliwa sferoidalne znalazły szerokie zastosowanie w przemyśle budowy maszyn zastępując staliwo, stal i żeliwo ciągliwe. Z żeliwa sferoidalnego wykonuje się takie odpowiedzialne części maszyn jak:wały korbowe do samochodów i traktorów, koła zębate, wirniki, pierścienie tłokowe. Żeliwo sferoidalne można obrabiać cieplnie.

Właściwości mechaniczne żeliwa sferoidalnego

Wytrzymałość na rozciąganie	Rm ≥ 420 MPa
Granica plastyczności	Rp 0,2 ≥ 270 MPa,
Wydłużenie względne	A0 ≥ 10%

6. Żeliwo białe (ledeburyt)

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

Ciemny składnik osnowy to perlit, natomiast jasny to ferryt jednakże nazwa wspólna tych dwóch składników to ledeburyt przemieniony.

Ledeburyt przemieniony – austenit ledeburytyczny o składzie 0,77% C ulega przemianie eutektoidalnej. 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

7. Żeliwo ciągliwe (węgiel Żarzenia)

Żeliwo otrzymane w wyniku długotrwałego wyżarzania żeliwa białego. Grafit powstaje dopiero podczas wyżarzania grafityzującego. Wyżarzenie grafityzujące zwane grafityzacją wtórną, czyli rozpad powstałego już cementytu. Wydzielenia węgla w postaci grafitu kłaczkowego (węgla żarzenia) są skupione, w niewielkim stopniu wpływają na osłabienie użytecznego przekroju materiału i nie wywołują dużej koncentracji naprężeń. Żeliwo takie posiada bardzo dobre własności wytrzymałościowe, porównywalne do żeliwa sferoidalnego i stali.

Właściwości mechaniczne żeliwa ciągliwego:

• wytrzymałość na rozciąganie, R_mMPa: 400 - 700 (osnowa perlityczna); 250 - 400 (osnowa ferrytyczna)

• granica plastyczności, R_e[MPa]: 250 - 420 (osnowa perlityczna); 180 - 270 (osnowa ferrytyczna)

• wydłużenie, A[%]: 2 - 5 (osnowa perlityczna); 3 - 20 (osnowa ferrytyczna)

• wytrzymałość na zginanie, R_g[MPa]: 600 - 1100 (osnowa perlityczna)

• wytrzymałość na ściskanie, R_c[MPa]: 1400 - 2200 (osnowa perlityczna)

• udarność bez karbu, KC[kJ/m²]: 2,0 - 5,0 (osnowa perlityczna); 8,0 - 25,0 (osnowa ferrytyczna)

• twardość, HB: 170 - 350 (osnowa perlityczna); 90 - 130 (osnowa ferrytyczna)

6) Podział żeliwa

Żeliwo dzieli się na następujące kategorie:

1. żeliwo szare:

• szare zwykłe (zawiera grafit płatkowy różnej wielkości)

• żeliwo sferoidalne – zawiera grafit sferoidalny

• żeliwo modyfikowane – zawiera drobny grafit płatkowy

• żeliwo wermikularne

1. żeliwo białe

2. żeliwo połowiczne

3. żeliwo ciągliwe – zawiera grafit postrzępiony (grafit kłaczkowy)

4. żeliwo stopowe – zawiera dodatki stopowe, takie jak krzem,  nikiel,  chrom,  molibden, aluminium i inne.

7) Definicja grafitu

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. Znaczny wpływ na własności żeliwa maja postać i dyspersje grafitu. Im większy jest udział grafitu może być:

• płatkowy,

• gwiazdkowy,

• krętkowy

• postrzępiony,

• zwarty,

• kulkowy.

Kształt kulkowy (sferoidalny) jest szczególnie pożądany i występuje w żeliwach wysoko jakościowych. Rozmieszczenie grafitu w żeliwach może być:

• równomierne,

• nierównomierne,

• gałązkowe,

• siatkowe,

• rozetkowe,

• międzydendrytyczne.

Szczególnie niekorzystne są wydzielenia grubo płatkowe grafitu oraz wydzielenia między dendrytyczne, natomiast bardzo drobny grafit o charakterystycznym płatkowym i równomiernym rozłożeniu w osnowie jest pożądany.

Wpływ zawartości grafitu w żeliwie na jego własności.

Grafit powoduje:

• zmniejszenie skurczu odlewniczego żeliwa

• polepszenie obrabialności

• polepszenie skrawalności

• tłumienie drgań

• zwiększenie własności ślizgowych

• zwiększenie wytrzymałości zmęczeniowej

8) Wnioski

• Z uwagi na dużą zawartość wolnego cementytu, żeliwa białe są bardzo twarde  oraz kruche i praktycznie  nie skrawalne. Z tego powodu są one stosowane do dalszego przerobu na żeliwa ciągliwe. Żeliwo białe jest żeliwem niezawierającym grafitu, w którym cały węgiel występuje w postaci związanej. Przełom tego żeliwa jest biały – stąd ta nazwa. Strukturę żeliwa białego stanowi ledeburyt przemieniony i ewentualnie – steadyt.

• Węgiel całkowity (C_c) zawarty w żeliwie szarym występuje w dwóch postaciach:

*jako węgiel niezwiązany (grafit C_gr)

*jako węgiel związany (C_zw)

Zatem C_c = C_gr + C_zw. Zawartość w żeliwie szarym C_zw może wynosić do ok. 0,8%.

• Żeliwo sferoidalne w odróżnieniu od pozostałych grup żeliw szarych posiada bardzo dobre własności wytrzymałościowe i plastyczne oraz przejawia znacznie mniejszą skłonność do koncentracji naprężeń, dzięki kulistej postaci grafitu.

• Żeliwo połowiczne posiada strukturę stanowiącą mieszaninę typową zarówno dla żeliw białych jak i szarych. Jego strukturę stanowi perlit, ledeburyt przemieniony, cementyt, grafit oraz steadyt. Żeliwa połowiczne podobnie jak żeliwa białe nie znajdują bezpośredniego zastosowania.

• Struktura żeliwa jest głównym czynnikiem określającym jego własności. Rodzaj struktury jest wynikiem oddziaływania wielu czynników takich jak: skład chemiczny, warunki obróbki cieplnej, warunki topnienia, odlewania, krzepnięcia oraz stygnięcia odlewów.

• Żeliwo jest materiałem najczęściej stosowanym w budowie maszyn. Rozpowszechnienie w przemyśle zawdzięcza głównie dzięki dobrym własnościom wytrzymałościowym, dobrej skrawalności, niskiej temperaturze topnienia oraz względnie niskim kosztom produkcji.