Odlewnicze stopy żelaza

STALIWA - są to stopy odlewnicze żelaza z węglem ( i innymi pierwiastkami ) o niskiej jego zawartości do 1,5% w stanie lanym, wytapiane w piecach martenowskich lub elektrycznych, w procesach zasadowym lub kwaśnym oraz w konwentorach Thomasa. Staliwa są stopami na odlewy części maszyn i urządzeń. Właściwości staliw, podobnie jak stali węglowych, zależą głównie od stężenia węgla. Staliwa nisko i średniowęglowe są dobrze spawalne. Produkcja staliwa ciągle rośnie ze względu na jego korzystne właściwości. Składnikami struktury staliwa są ferryt i perlit. W zależności od przebiegu chłodzenia może w nich występować struktura:

• Globulityczna - charakteryzująca się ziarnem o kształcie zbliżonym do okrągłego.

• Widmannstattena - iglasta budowa ferrytu w osnowie perlitu.

Obróbka cieplna staliw polega głównie na wyżarzaniu ujednoradniającym lub normalizującym, Odlewy te można również hartować a także obrabiać cieplno - chemicznie.

• Staliwa węglowe.

• Znakowanie : Znak gatunku staliwa węglowego składa się z literki W , liczby oznaczającej minimalną granicę plastyczności R_e oraz liczby oznaczającej minimalną wytrzymałość na rozciąganie R_m.

• Właściwości : Staliwa niskowęglowe do 0,2% C odznaczają się złą lejnością. Struktura odlewów może zawierać wady np. mikrojamy skurczowe, mikropęknięcia, pęcherze gazowe. Wraz ze zwiększeniem zawartości węgla lejność staliwa polepsza się , a struktura pozbawiona jest wad. Wadą staliwa jest silny wpływ grubości ścianki odlewu na własności mechaniczne tzn. wraz ze wzrostem grubości odlewu zmniejszają się . Własności te można poprawić przez obróbkę cieplną: ujednorodnianie a następnie normalizowanie. Oba zabiegi polepszają ciągliwość odlewu.

• Zastosowanie: Staliwa niskowęglowe (0,10-0,25% C) stosuje się na części przenoszące niewielkie obciążenia, jak korpusy silników elektrycznych, części kolejowe i samochodowe np. zderzaki, stery, kotwice. Staliwa średniowęglowe (0,2-0,4% C) na części bardziej obciążone np. koła bose, łańcuchowe, zębate, podstawy maszyn, korpusy pras i młotów. Staliwa wysokowęglowe (0,4-0,6% C) na części maszyn bardzo silnie obciążonych i narażonych na ścieranie np. koła zębate napędów walcowniczych.

• Staliwa stopowe.

• Znakowanie: Znak gatunku składa się z litery L oznaczający stan lany stopu , dwucyfrowej liczby wyrażonej w setnych procenta oznaczającej zawartość węgla (0,35% C) oraz symbolów pierwiastków stopowych wg malejącej ich zawartości.

• Gatunki:

• L35GSM - (G-mangan, S-krzem, M-molibden) 0,32-0,40% C; 1,20-1,40% Mn; 0,60-0,80% Si; 0,30-0,40% Mo

• L40H - (H-chrom) 0,35-0,45% C; 0,50-0,80% Mn; 0,20-0,40% Si; 0,80-1,10% Cr

• L35HGS - (H-chrom, G-mangan, S-krzem) 0,30-0,40% C; 1,00-1,30% Mn; 0,60-0,80% Si; 0,60-0,90% Cr.

• Właściwości: L35GSM- staliwo konstrukcyjne o podwyższonej odporności na ścieranie. Węgiel - wzrost jego zawartości zwiększa twardość i wytrzymałość na rozciąganie, a także granicę plastyczności, obniża natomiast wydłużenie, przewężenie i udarność. Mangan - podwyższa granicę plastyczności , zwiększa twardość i R_m. Krzem - zwiększa twardość staliwa oraz R_m, własności plastyczne pozostają bez zmian.

ŻELIWA - są to odlewnicze stopy żelaza z węglem ( i innymi pierwiastkami ) o wysokiej jego zawartości do 2%, wytapiane w żeliwiaku lub piecu elektrycznym. Otrzymuje się je w wyniku wtórnego przetopu surówki, złomu i dodatków. Żeliwo należy do najpowszechniej stosowanych tworzyw na odlewy stosowane w przemyśle maszynowym oraz do wykonania wyrobów powszechnego 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,

Najważniejszym składnikiem żeliw jest węgiel - może występować w nich w postaci grafitu, albo cementytu Fe₃C, w zależnośći od postaci rozróżnia się:

• Żeliwa szare - głównie grafit - przełom jest szary.

• Żeliwa białe - cementyt - przełom jest jasny.

• Żeliwa połowiczne (pstre) - skupienia grafitu i cementytu - przełom jest pstry.

• Żeliwo ciągliwe białe.

Żeliwo ciągliwe (PN-92/H-83221) to żeliwo uplastycznione zabiegiem obróbki cieplnej (grafityzowanie) lub cieplno-chemicznej (odwęglanie) zawierające wolny węgiel w postaci tzw. węgla żarzenia.

• Właściwości: Żeliwo ciągliwe białe otrzymywane jest żarzenie odlewów z żeliwa białego w atmosferze odwęglającej. Odznacza się dobrą spawalnością oraz gorszą skrawalnością niż żeliwo szare.

• Zastosowanie: W budowie maszyn i pojazdów na cienkościenne drobne odlewy, nie wymagające większej obróbki skrawaniem. Artykuły gospodarstwa domowego.

• Żeliwo szare sfefoidalne.

Węgiel obecny w żeliwie sferoidalnym (PN-92/H-83123) ma kształt kulisty , otrzymuje się przez dodanie przed odlaniem do żeliwa krzepnącego jako szare - magnezu lub ceru dlatego grafit krystalizuje się w kształcie kulistym

• Właściwości: Kulisty kształt podwójnie zwiększa wytrzymałość i plastyczność nawet dwudziestokrotnie. Żeliwo sferoidalne odznacza się mniejszą zdolnością tłumienia drgań i wrażliwością na działanie karbu. Jest ono znacznie mniej kruche.

• Zastosowanie: Do budowy części samochodowych i traktorów np. na korpusy maszyn i przekładni, wały korbowe, korbowody. Również na silniki Diesla .

• Żeliwo szare zwykłe.

Żeliwem szarym zwykłym PN-92/H-83123; nazywa się stop zawierający najwyżej 0,8% C związanego w postaci cementytu, a pozostałą ilość w postaci grafitu płatkowego.

• Właściwości: Do najistotniejszych właściwości żeliwa szarego zalicza się zdolność tłumienia drgań, dużą wytrzymałość na ściskanie, małą wrażliwość na działanie karbu i odporność na ścieranie.

• Zastosowanie: Znajduje ono zastosowanie ze względu na tłumienie drgań: na łoża obrabiarek, bloki cylindrów, kartery silników samochodowych, płyty fundamentowe. Ze względu na odporność na ścieranie: pierścienie tłokowe, koła zębate.

Znakowanie:

Oznaczenie żeliwa na podstawie symboli

Oznaczenie na podstawie symboli powinno obejmować najwyżej sześć pozycji, przy czym niektóre z nich mogą zostać w ogóle nie wykorzystane:

- pozycja 1: EN

- pozycja 2: Symbol dla żeliwa - GJ (G- oznacza materiał odlewany, J - oznacza żeliwo),

- pozycja 3: Symbol dla postaci grafitu (L-grafit płatkowy, S - kulkowy, M -żarzenia, V - wermikularny, N - struktura nie zawierająca grafitu, ledeburyt, Y - struktura specjalne),

- pozycja 4: Symbol dla mikrostruktury lub makrostruktury (A - austenit, F - ferryt, P - per-lit, M - martenzyt, L - ledeburyt, Q - stan po hartowaniu, T - stan po hartowaniu i odpusz-czaniu, B - przełom czarny, W przełom biały),

- pozycja 5: Symbol dla klasyfikacji według właściwości mechanicznych (np. EN-GJL-HB155, EN-GJN-HV350) lub składu chemicznego (EN-GJL-XNiMn13-7, EN-GJN-X300CrNiSi9-5-2), szczegóły w omawianej normie pkt 4.2.6,

- pozycja 6: Symbol dla wymagań dodatkowych (D - odlew surowy, H - odlew po obróbce cieplnej itd.)

Oznaczenie żeliwa na podstawie numerów

Oznaczenie powinno obejmować dziewięć znaków:

- pozycja 1-3 :przedrostek EN-

- pozycja 4: litera J

- pozycja 5: litera charakteryzująca strukturę grafitu (jak w poz.3 oznaczenia na podstawie symboli)

- pozycja 6: 1-cyfrowy znak, charakteryzujący podstawowe właściwości żeliwa (wg Tablicy 6 opisywanej normy)

- pozycje 7 i 8: 2-cyfrowy znak od 00 do 99, charakteryzujący dany materiał

- pozycja 9: 1-cyfrowy znak, charakteryzujący specjalne wymagania danego materiału (wg Tablicy 7 opisywanej normy)

Przykłady:

Znak:

EN-GJL-150 (żeliwo szare, R_m min 150 N/mm²)

EN-GJMW-350-4 (żeliwo ciągliwe białe, R_m min 350 N/mm², A_3,4 - 4%)

EN-GJMB-300-6 (żeliwo ciągliwe czarne, R_m min 300 N/mm², A_3,4 - 6%)

Numer:

EN-JL 1020 - żeliwo szare,

EN-JM1010 - żeliwo ciągliwe białe

EN-JM1110 - żeliwo ciągliwe czarne

Metale nieżelazne i ich stopy

Aluminium:

Metal ten krystalizuje w sieci A1, a więc cechuje się dużą plastycznością. Ma parametr sieci α = 0,40408 nm, temperaturę topnienia 660,4°C, temperaturę wrzenia 2060°C. Mała gęstość 2,7 Mg/m³ (3 razy mniejsza niż żelaza) kwalifikuje ten metal do grupy metali lekkich. Dzięki tej własności i stosunkowo bogatemu występowaniu w przyrodzie (ok. 7%) jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym i transporcie. Aluminium cechuje się dobrym przewodnictwem cieplnym i elektrycznym (gorszym jednak niż miedź), stąd jego zastosowanie na przewody elektryczne. Na powietrzu pokrywa się cienką warstwą A12O3, która chroni je przed dalszym utlenianiem. Jest odporne na działanie wody, wielu kwasów organicznych, związków azotowych. Natomiast nie jest odporne na działanie wodorotlenków (np. NaOH, KOH), kwasów beztlenowych (HF, HCl), wody morskiej i jonów rtęci. Wytrzymałość czystego wyżarzonego aluminium jest niska Rm = 70 - 120 MPa, Re = 20 - 40 MPa, wydłużenie A₁₀ = 30 - 45. Twardość wynosi 15 - 30 HB; może jednak być umacniane przez zgniot.

Zastosowanie:

-używany przy wytwarzaniu aparatury chemicznej i folii kondensatorowych;

-folie, powłoki kablowe i do platerowania;

-przewody elektryczne;

-wyroby codziennego użytku.

Do najczęstszych zanieczyszczeń aluminium należą Fe, Si, Cu, Zn, Ti, które obniżają plastyczność i przewodnictwo elektryczne, natomiast zwiększają twardość i wytrzymałość. Aluminium przerabia się plastycznie - walcuje (blachy, folie) lub wyciska (pręty, rury, drut, kształtowniki). Obróbkę plastyczną można przeprowadzać na zimno lub na gorąco (ok. 450°C). Aluminium ma duże powinowactwo do tlenu, stąd jego zastosowanie w aluminotermii oraz do odtleniania stali. Oprócz tego jest szeroko stosowane w przemyśle spożywczym oraz do aluminiowania dyfuzyjnego stali.

Stopy aluminium. 

Własności wytrzymałościowe czystego aluminium są stosunkowo niskie, dlatego stosuje się stopy, które po odpowiedniej obróbce cieplnej mają wytrzymałość nawet kilkakrotnie większą. Stopy aluminium cechują się korzystnym parametrem konstrukcyjnym, tzn. stosunkiem wytrzymałości do ciężaru właściwego, który jest większy niż dla stali, a oprócz tego ich udarność nie maleje w miarę obniżania temperatury, dzięki czemu w niskich temperaturach mają większą udarność niż stal. Mają jednak niską wytrzymałość zmęczeniową. Stopy aluminium dzieli się na odlewnicze (PN-76/H-88027) oraz do obróbki plastycznej (PN-79/-88026). Niektóre nadają się zarówno do odlewania, jak i przeróbki plastycznej. Do odlewniczych zaliczamy stopy przeważnie wieloskładnikowe o większej zawartości pierwiastków stopowych (5 - 25%), np. z krzemem (AK11 - silumin); z krzemem i magnezem (AK7), z krzemem, miedzią, magnezem i manganem (AK52), z krzemem, miedzią, niklem, magnezem i manganem (AK20) i inne. Cechują się one dobrą lejnością i małym skurczem. Stopy do przeróbki plastycznej zawierają na ogół mniejsze ilości dodatków stopowych, głównie miedź (do ok. 5%), magnez (do ok. 6%) i mangan (do 1,5%), rzadziej krzem, cynk, nikiel, chrom, tytan. Niektóre stopy aluminium można poddawać utwardzaniu wydzieleniowemu, po którym ich własności wytrzymałościowe nie są gorsze niż wielu stali.

Cynk

Cynk jest pierwiastkiem ciężkim (g = 7,1 Mg/m³), niskotopliwym (temperatura topnienia 419°C, wrzenia 906°C). Krystalizuje w sieci A3 o parametrach a = 0,267 nm i c = 0,495 nm, c/a = 1,856. Obróbkę plastyczną cynku przeprowadza się w temp. 100-h-150°C Jest odporny na korozję atmosferyczną i dlatego stosuje się go do antykorozyjnego zabezpieczenia stali (cynkowania blach, rur, drutu). Najczęściej stosuje się cynkowanie ogniowe lub elektrolityczne, rzadziej natryskowe lub dyfuzyjne. Najczęstszymi zanieczyszczeniami cynku są: Pb, Cd, Fe, Cu, As, Sb i Sn, przy czym najbardziej szkodliwa jest cyna, tworząca z cynkiem i ołowiem niskotopliwe eutektyki rozłożone na granicach ziarn. Wywołują one pęknięcia podczas obróbki plastycznej oraz korozję międzykrystaliczną. Dlatego też zawartość cyny jest ograniczona do 0,001% w cynku rektyfikowanym i do 0,05% w cynku hutniczym. Własności wytrzymałościowe cynku są dość niskie: w stanie walcowanym R_m = 120 - 140 MPa, 32 - 34 HB, natomiast wydłużenie jest znaczne A₁₀ = ok. 55%. Główne zastosowanie cynku, oprócz powłok ochronnych, to: wyrób ogniw elektrycznych, płyt poligraficznych oraz dodatek stopowy do różnych stopów. 

Stopy cynku 

Największe zastosowanie znalazły stopy cynku z aluminium o zawartości 3,5-r-30% Al, tzw. znale. Oprócz Al zawierają one zwykle do ok. 5% Cu i 0,05% Mg, dlatego też struktury tych stopów należy interpretować na podstawie układu Zn-Al i Zn-Cu.

Nikiel

Nikiel jest metalem cięższym od żelaza (q = 8,9 Mg/m³), ale jego temperatura topnienia jest nieco niższa niż żelaza i wynosi 1452°C. Krystalizuje w sieci A\ o parametrze a = 0,35238 nm. Nikiel cechuje duża odporność na korozję (stąd jego zastosowanie do galwanicznego pokrywania żelaza).Własności wytrzymałościowe niklu w stanie wyżarzonym są następujące: R_m = 440 MPa, R_g = 150 MPa, A₁₀ = 45%, 90 HB. Może być znacznie umocniony przez zgniot. Nikiel stosuje się głównie jako pierwiastek stopowy do stali i innych stopów metali. Wytwarza się również stopy na osnowie niklu, np. z miedzią lub chromem, a także stopy wieloskładnikowe. Nikiel otrzymuje się metodą elektrolityczną, karbonylkową lub ogniową jako hutniczy. Klasyfikacja gatunków niklu do obróbki plastycznej i przetapiania jest ujęta w normach, odpowiednio PN-79/H-82180 i PN-79/H-82181. 

Stopy niklu Stopy z miedzią (tzw. monele) są głównie stosowane jako stopy odporne na korozję. Można je poddawać obróbce plastycznej na zimno i go rąco, a także spawać. Monele zawierają 20 - 40% Cu i niewielkie dodatki żelaza i manganu. Mają wysokie własności wytrzymałościowe (R_m do 700 MPa) i antykorozyjne, które zachowują aż do temp. 500°C. Są stosowane na łopatki turbin parowych oraz elementy aparatury chemicznej, a także jako druty oporowe i do wytwarzania wyrobów galanteryjnych. Do moneli odlewniczych wprowadza się niewielki dodatek krzemu, który poprawia ich lejność. Stopy z miedzią i cynkiem mają barwę podobną do srebra i dlatego nazywa się je nowymi srebrami (argentan, alpaka).Zawierają 20 - 30% Ni, 45 - 60% Cu i 20 - 35°/o Zn. Znalazły zastosowanie do wyrobu galanterii, przedmiotów ozdobnych i sztućców. Stopy z chromem, zwane nichromami, są żarowytrzymałe. Oprócz niklu zawierają 10H-20%Cr, 10 - 0% Fe i 2 - 4% Mn. Są stosowane głównie na elementy grzewcze pieców. Podobnie wieloskładnikowymi stopami niklu są nimoniki, stosowane także jako stopy żarowytrzymałe m.in. do wyrobu łopatek turbin gazowych. Z innych stopów niklu na uwagę zasługuje stop alumel o składzie NiA12Mn2Sil, który jest stosowany do wyrobu drutu termoparowego. Drut ten wraz z chromelem (NiCrlO) tworzy termopary powszechnie stosowane do pomiaru temperatury w zakresie do ok. 1100°C. Inną popularną kombinację drutów termoparowych daje nikiel wraz z nichromem. Poza wymienionymi specjalnymi zastosowaniami niklu jest on powszechnie wykorzystywany jako pierwiastek stopowy stali.

Tytan i jego stopy
Tytan występuje w dwóch odmianach alotropowych: o układzie heksagonalnym i o układzie regularnym; temperatura przemiany alotropowej wynosi 882°C. Jest, pod względem zawartości w skorupie ziemskiej, czwartym metalem po żelazie, aluminium i magnezie. Tytan charakteryzuje bardzo duża wytrzymałość mała gęstość, duża plastyczność i bardzo dobra odporność korozyjna na wodę morską, chlorki, kwasy organiczne i atmosferę powietrza. Tytan nie utlenia się w temperaturze do 200°C.

Stopy tytanu

Głównymi pierwiastkami stopowymi tytanu są: Al, Sn, Mo, V, Mn, Fe i Cr, przy czym zawartość Al wynosi przeważnie 3-6%. Pierwiastki rozpuszczające się w tytanie (Al i Cr) zwiększają jego wytrzymałość. Pierwiastki o ograniczonej rozpuszczalności (Al, Cr, Mn, Fe) umożliwiają umocnienie wydzieleniowe stopu. Znanych jest wiele stopów tytanu, z których 15-20% ma znaczenie przemysłowe, a najpopularniejszy spośród nich, stop Ti6A14V, ma ponad 50% udział w ogólnej produkcji. W zależności od składu chemicznego stopy Ti mogą być jednofazowe bądź dwufazowe. Najkorzystniejsze kombinacje właściwości mają stopy dwufazowe: większa wytrzymałość od jednofazowych i są obrabianie plastycznie i cieplnie. Zawierają one zwykle Al i pierwiastki stabilizujące fazę p: V, Mo, Cr, Fe, Mn, Ni i (lub) Co.
Stopy tytanowo-aluminiowe zawierają 2-6% Al, najpowszechniejszy stop tytanu; jest przeznaczony zarówno do przeróbki plastycznej, jak i do odlewania; po wyżarzeniu w temperaturze 750°C wykazuje: R„=ok. 960 MPa, A5=ok. 9%;
Ti-6Al-4V jest przykładem stopów Ti, przeznaczonych zarówno do przeróbki plastycznej, jak i do odlewania. Odlewy wykazują w porównaniu z odkuwkami z tego stopu mniejsze wartości: Ro,2 - ok. 13%, R„- 0-5%, A5- ok. 40%.
Zalety stopów Ti decydują o stosowaniu tych stopów we w budowie samolotów oraz silników odrzutowych i rakiet, w budowie kadłubów okrętów, wytwarzaniu części armatury należącej do wyposażenia statków, w przemyśle chemicznym na aparaturę i zbiorniki kwasu azotowego oraz przy wytwarzaniu narzędzi chirurgicznych.

Znaki:

Literowe lub literowo-liczbowe oznaczenia gatunków metali lub stopów określające:

- w przypadku metali - symbol chemiczny metalu i minimalną zawartość metalu oraz informacje uzupełniające,

- w przypadku stopów - symbol chemiczny metalu podstawowego i symbole chemiczne do-datków stopowych i ich średnią zawartość oraz inne uzupełniające informacje

Dla metali szlachetnych i ich stopów dopuszcza się inne oznaczenia

Zasady tworzenia znaku:

Stopy oznacza się symbolem chemicznym metalu podstawowego i bezpośrednio po nim (bez odstę-pu) symbolami chemicznymi dodatków stopowych oraz liczbami określającymi ich procentową zawartość. Jako pierwszy, po symbolu chemicznym metalu podstawowego, podaje się symbol che-miczny najważniejszego dodatku stopowego. Symbole chemiczne pozostałych dodatków stopo-wych podaje się w kolejności malejącej ich zawartości. W przypadku jednakowej zawartości dwu lub więcej dodatków stopowych (wyłączając najważniejszy dodatek stopowy), o ich kolejności de-cyduje porządek alfabetyczny symbolu..

Zawartość dodatku stopowego w znaku gatunku podaje się jako średnia procentową jego zawartość zaokrągloną do liczby całkowitej. Dopuszcza się podawanie w znaku gatunku średnich procento-wych zawartości dodatków stopowych zaokrąglonych do pierwszego znaku po przecinku.

W znaku gatunku nie podaje się w zasadzie liczbowej zawartości ani składnika podstawowego ani dodatków stopowych, których średnia zawartość wynosi poniżej 1% (chyba że dodatek ten jest ważny dla charakterystyki stopu).

Przykład: CuZn20, CuZn40Pb2, CuSn4Zn7Pb5, AlSi11

Cechy:

Umowne skrótowe oznaczenia literowe, literowo-liczbowe lub barwne gatunków metali lub stopów, stosowane głównie do cechowania półwyrobów i wyrobów z metali nieżelaznych i ich stopów. W dokumentacji zewnętrznej (zamówienia, oferty) w przypadku posługiwania się cechą, należy poda-wać ją łącznie z numerem odpowiedniej normy. Zasady tworzenia cech gatunków metali i stopów określają odpowiednie normy klasyfikacyjne, w których cecha gatunku metalu lub stopu powinna być podana obok znaku gatunku.

W przypadku mosiądzów cecha składa się z symbolu literowego pochodzącego od nazwy stopu (M-mosiądz) i procentowej zawartości miedzi. Jeżeli jest to mosiądz wieloskładnikowy podaje się rów-nież (po literze M) symbol literowy dodatku stopowego. W przypadku brązów i siluminów podaje się symbol literowy podstawowego pierwiastka i symbol literowy najważniejszego dodatku stopo-wego oraz zawartość procentową dodatków stopowych (osobno dla każdego pierwiastka). W przy-padku brązów dwuskładnikowych cynowych podaje się jedynie symbol brązu (B) i zawartość pro-centową cyny. Stopy łożyskowe cyny i ołowiu posiadają symbol literowy „Ł” i zawartość procen-tową cyny.

Przykład: M70, MM58, MKO80, B10, BO30 AK9, Ł89

Bibliografia:

http://www.zmio.ps.pl/Tworzywa_metaliczne/01_Znakowanie.pdf

Wykłady

---