Laboratorium Materiałoznawstwo	Data ćw: 20.12.2013r.	Grupa: Sic L04	Politechnika Świętokrzyska w Kielcach
Temat ćwiczenia: Żeliwa
Wykonał: Mariusz Suchenia	Ocena:	Data:	Podpis:

Żelazo jest pierwiastkiem metalicznym o temperaturze topnienia 1534°C i temperaturze wrzenia

3070°C. W przyrodzie występuje głównie w postaci tlenków, węglanów, wodorotlenków i siarczków,

jako magnetyt (Fe3O4), hematyt (Fe2O3), syderyt (FeCO3,), limonit (2Fe2O3-3H2O) i piryt (FeS2).

Z rud tlenkowych w redukcyjnym procesie hutniczym w wielkim piecu otrzymuje się tzw. surówkę,

będącą stopem żelaza z węglem, krzemem, manganem, siarką, fosforem, tlenem, azotem i in.

. Surówka podlega dalszej przeróbce w plecach stalowniczych, podczas której utlenia się

znaczna część domieszek, tak że w większości przypadków łączna ich ilość

nie przekracza 1%. Otrzymany produkt nazywa się stalą węglową.

Żelazo występuje w dwóch odmianach alotropowych: α i γ.

Żelazo α, termodynamicznie trwałe od niskich temperatur do temperatury 910°C oraz od temperatury

1390 do 1534°C, ma strukturę krystaliczną o sieci regularnej przestrzennie centrowanej.

Warto wspomnieć, że wysokotemperaturową odmianę żelaza α często nazywa się żelazem δ.

Żelazo γ, termodynamicznie trwałe w temperaturach 910 do 1390°C, ma strukturę krystaliczną o sieci

regularnej ściennie centrowanej.

Gęstość żelaza α w temperaturze 20°C wynosi 7,86 g/cm3

, gęstość żelaza γ w temperaturze 916°C

- 8,05 g/cm3

.

Przemiany zachodzące w czystym żelazie podczas jego studzenia lub ogrzewania najlepiej omówić

posługując się krzywą studzenia. Jak widać na, poza przystankiem w temperaturze 1534°C,

związanym z krzepnięciem żelaza, na krzywej występują jeszcze trzy przystanki temperatury. Pierwszy

z nich w temperaturze 1390°C odpowiada przemianie alotropowej żelaza α w żelazo γ.

Drugi przystanek ma miejsce w temperaturze 910°C i odpowiada przemianie alotropowej żelaza γ

w żelazo α. Trzeci wreszcie, znacznie krótszy przystanek w temperaturze 768°C związany

jest z przemianą magnetyczną żelaza

Przemiany alotropowe są związane z przebudową struktury krystalicznej, co powoduje zmianę

własności fizycznych, chemicznych i mechanicznych. W efekcie powstają inne odmiany tego samego

żelaza, noszące nazwę odmian alotropowych. W przeciwieństwie do tego, przy przemianie

magnetycznej zmieniają się jedynie niektóre własności elektryczne, magnetyczne i cieplne, tak że jest

ona szczególnym rodzajem przemiany, zupełnie różnym od alotropowej.

Struktury stali węglowych

W temperaturze otoczenia, w zależności od zawartości węgla, struktury stali węglowych

są następujące:

■ Przy zawartości węgla teoretycznie nie przekraczającej 0,008%, występuje struktura

ferrytyczna (rys. 3.4).

■ Przy zawartości węgla 0,008-0,02%, na granicach ziarn ferrytu pojawiają się wydzielenia

cementytu trzeciorzędowego. Jak już wspomniano, takie stopy nazywane są zwykle

żelazem technicznym.

■ Stale o zawartości do 0,8% C noszą nazwę stali podeutektoidalnych. Ich struktura składa

się z dwóch składników, a mianowicie ferrytu i perlitu, przy czym w miarę wzrostu

zawartości węgla w stali wzrasta zawartość perlitu w strukturze (rys. 3.5-3.7).

■ Stal o zawartości 0,8% węgla ma strukturę perlityczną (rys. 3.8) i nosi nazwę stali

eutektoidalnej.

■ Stale o zawartości 0,8-2,06% węgla nazywają się stalami nadeutektoidalnymi i mają

strukturę składającą się z perlitu i cementytu wtórnego. W miarę wzrostu zawartości

węgla, wzrasta ilość cementytu w strukturze (rys. 3.9 i 3.10). Teoretycznie maksymalna

zawartość cementytu wtórnego występuje w stali o granicznej zawartości węgla 2,06%

i wynosi wtedy około 20%.

Rozpatrując własności mechaniczne stali węglowych można stwierdzić, że najniższą wytrzymałość

i najwyższą plastyczność w temperaturze pokojowej ma stal o strukturze ferrytycznej. W miarę wzrostu

zawartości węgla, a więc również wzrostu zawartości perlitu w strukturze, rośnie wytrzymałość

i twardość stali, przy jednoczesnym obniżaniu się plastyczności. Maksymalną wytrzymałość (w stanie

wyżarzonym) ma stal eutektoidalna (0,8% C). Dalszy wzrost zawartości węgla powoduje podwyższanie

twardości, gdyż w strukturze pojawia się cementyt wtórny, równocześnie jednak maleje efektywna

wytrzymałość stali, ponieważ staje się ona mało plastyczna.

Struktura stali wykazuje często charakterystyczną pasmowość, która jest wynikiem obróbki

plastycznej na gorąco.

Oprócz omówionych wyżej składników strukturalnych, w każdej stali występują ponadto różnego typu

wtrącenia niemetaliczne. Pod względem wielkości wtrącenia te dzieli się na podmikroskopowe,

mikroskopowe i makroskopowe.

Oznaczanie wtrąceń niemetalicznych w stali polega na obserwacji mikroskopowej

(pod powiększeniem 90÷110×) powierzchni odpowiednio reprezentatywnie pobranych

i przygotowanych próbek i określeniu rodzaju, kształtu, ilości, wielkości i rozmieszczenia wtrąceń przez

porównanie z ustalonymi wzorcami. Skład chemiczny i skład fazowy wtrąceń niemetalicznych można

określać za pomocą mikrosondy elektronowej.

Wykres żelazo-węgiel

Fazy i składniki strukturalne stopów żelazo – węgiel:

Ferryt – roztwór stały, międzywęzłowy węgiel w Fe-α. Ze względu na małą zawartość węgla własności niewiele różnią się od Fe-α, R_m.=300 MPa, 80HB. Na zgładach krystalograficznych widoczny jako jasny składnik.

Austenit- roztwór stały, międzywęzłowy w Fe-γ o max rozpuszczalności węgla 2,11%.
W zgładach występuje jako składnik z charakterystycznymi prostoliniowymi granicami bliźniaczymi.

Perlit – jest eutektoidem o zawartości 0,77%C jest zbudowany na przemian z płytek ferrytu i cementytu. Pod mikroskopem po trawieniu Nitalem perlit przybiera wygląd szarych perlistych obszarów. Przy większych powiększeniach widoczna jest wyraźna płytkowa budowa.

Ledeburyt – jest mieszaniną eutektyczną austenitu i cementytu. Cechuje się dużą twardością ok. 450 HB i kruchością

Cementyt – jest węglikiem żelaza Fe₃C o strukturze rombowej. W stopach żelaza występuje w postaci cementytu wtórnego, pierwotnego, trzeciorzędowego lub jako składnik eutektyki ledeburytu albo eutektoidu (perlitu). Jest bardzo twardy 700 HB i zarazem kruchy.
Po trawieniu Nitalem przyjmuje postać jasnych wydzieleń o różnych kształtach płytkowych lub kulistych (sferoidalnych), widoczny jest w postaci czarnych wydzieleń.

Rodzaje żeliw:

Żeliwa są stopami odlewniczymi na osnowie Fe o zawartości 2-3,8%C. Dużą popularność zdobyły żeliwa szare: łatwość odlewu, wytrzymałość, dobre zdolności tłumienia drgań, dobra odporność na ścieranie, małą rozszerzalność cieplna i niskie koszty wytwarzania, wadą jest mała ciągliwość i udarność oraz mała wytrzymałość na rozciąganie (ściskanie). Żeliwa szare i wysokojakościowe są stosowane w budowie maszyn. Mamy żeliwa: stopowe, sferoidalne, modyfikowane i ciągliwe. Żeliwa są stopami złożonymi i zawierają dodatki Si, F, S. Z wykresu Fe-Fe₃C wynika, że właściwości żeliwa zależą od składu i szybkości chłodzenia (grafitacji). Żeliwo szare pochodzi od przełomu spowodowanego obecnością grafitu.

Żeliwa szare-największe zastosowanie przemysłowe mają jak dotąd żeliwa szare. Grafit występuje tu w postaci nieregularnych płatków różnej wielkości, tworząc nieciągłości w osnowie metalicznej. Wytrzyma-łość grafitu w porównaniu z osnową można przyjąć za równą zeru, stąd też żeliwa szare odznaczają się niską wytrzymałością na roz-ciąganie i zginanie, przy dość dobrej wytrzymałości na ściskanie. Wytrzymałość zmęczeniowa żeliw szarych jest również niewielka ze względu na obecność wspomnianych karbów strukturalnych. Z tego też powodu żeliwa szare są również mało wrażliwe na działa-nie wad powierzchniowych.

Żeliwa białe – nazwa pochodzi od jasnego przełomu zawierającego w strukturze ledeburyt, perlit i cementyt, są bardzo twarde i kruche, są stosowane do wytwarzania żeliwa ciągliwego jako półprodukt. Żeliwa ciągliwe mają podobnie jak żeliwa szare lepsze własności mechaniczne poprzez odpowiednią obróbkę cieplną, dlatego elementy po odlaniu muszą mieć strukturę żeliwa szarego.

Żeliwa sferoidalne-żeliwami sferoidalnymi nazywa się żeliwa, w których grafit powstaje podczas krzepnięcia w postaci kulkowej. Uzyskuje się je w wyniku procesu modyfikacji, polegającym na wprowadzeniu do metalu (bezpośrednio przed odlaniem) dodatku sferoidyzującego w postaci magnezu, ceru, lan-tanu, wapnia itp. Struktura osnowy żeliw sferoidalnych, podobnie jak żeliw szarych zwykłych może być ferry-tyczna, ferrytyczno-perlityczna lub perlityczna. Dzięki kulistej postaci grafitu, żeliwa sferoidalne mają znacznie lepsze własności mechaniczne i z powodzeniem zastępują nie tylko staliwo lecz również niektóre odkuwki stalowe. Wytwarza się z nich takie części silników samochodowych jak wały korbowe, rozrządu, cylindry i pierścienie tło-kowe. W budowie obrabiarek żeliwo sferoidalne wykorzystuje się na koła zębate, wrzeciona, kor-pusy itd.

Sferoidyzacja powoduje zmniejszenie zdolności żeliwa szarego do tłumienia drgań. Aby za-chować dobre własności wytrzymałościowe i jednocześnie nie stracić zdolności do tłumienia drgań opracowano żeliwa wermikularne w których grafit przyjmuje kształt pośredni, krętkowy, zwichro-wany, gwiaździsty.

Staliwo-jest stopem żelaza z węglem (do ok. 1,5%) w stanie lanym, przeznaczonym na odlewy podlegające dużym obciążeniom dynamicznym. Klasyfikacja staliwa jest analogiczna jak stali.

Staliwo ma duży skurcz odlewniczy 1,6 do 2,1% (a staliwa stopowe często większy) i wymaga temperatury odlewania 1600 ÷ 1700^oC. Z powodu dużej gęstopłynności i dużej jamy skurczowej formowanie odlewów staliwnych wymaga dużych nadlewów i układu wlewowego. Staliwa nisko-węglowe (<0,2%C) i niektóre wysokostopowe odznaczają się złą lejnością. Struktura odlewów mo-że zawierać wady: mikrorzadzizny, pęknięcia, pęcherze itp. Ze zwiększeniem zawartości węgla lejność staliwa poprawia się tak, że odlewanie staliwa średnio- i wysokowęglowego nie nastręcza trudności, a struktura odlewu pozbawiona jest wad.

Żeliwa stopowe – w celu uzyskania specjalnych własności np. odporności na korozję, podwyższenie własności mechanicznych wprowadza się różne pierwiastki stopowe np. do
ok. 1,5% dodatków Ni, Cr, Cu, Mb powoduje zwiększenie własności mechanicznych
co umożliwia stosowanie tych żeliw jako żeliwo konstrukcyjne natomiast większe dodatki Al, Cr, Si nadają własności antykorozyjne i żaroodporne.