Laboratorium z Materiałoznawstwa

Przemysław Chrzanowski Z-13

Stopy odlewnicze.

Żeliwo jest stopem żelaza z węglem o zawartości na ogół >2% C, przeznaczonym na odlewy. Otrzymuje się je przez przetopienie surówki odlewniczej z dodatkiem złomu żeliwnego i stalowego w żeliwiaku, piecu płomiennym albo (obecnie coraz częściej) elektrycznym łukowym lub indukcyjnym. W przemyśle krajowym wytwarza się z żeliwa ponad 85% odlewów

Klasyfikacja żeliwa jako podstawę przyjmuje strukturę stopu: w szczególności postać występowania węgla oraz kształt wydzieleń grafitu. Natomiast skład chemiczny ma zna­czenie tylko w przypadku żeliw o specjalnych własnościach. Ogólna klasyfikacja żeliwa jest następująca:

- żeliwo białe

- żeliwo szare: żeliwo zwykłe

żeliwo modyfikowane

żeliwo sferoidalne

żeliwo ciągliwe

- żeliwo stopowe

Spośród własności technologicznych żeliwa decydujących o jego przeznaczeniu, trzeba wymienić dobrą lejność, dzięki niskiej temperaturze topnienia i dobrej rzadko płynności. Skurcz odlewniczy żeliwa białego jest taki sam jak staliwa (1,6—2,1 %), natomiast skurcz żeliwa szarego jest bardzo mały 0,6—1,1 %, ponieważ kontrakcja objętości podczas krzep­nięcia kompensowana jest powiększeniem objętości w rezultacie grafityzacji.

Skrawalność żeliwa jest różna: białe z powodu dużej twardości są trudno skrawalne, co ogranicza ich zastosowanie, szare dzięki wydzieleniom grafitu przerywającym osnowę metaliczną są dobrze skrawalne. Mała plastyczność i wrażliwość na naprężenia cieplne sprawia, że żeliwa są trudno spawalne.

Ujemną cechą żeliwa jest kruchość spowodowana obecnością cementytu w żeliwie białym albo grafitu w żeliwie szarym. W związku z tym dla żeliwa najkorzystniejsze są naprężenia ściskające, następnie zginające, a najmniej korzystne - rozciągające. Nato­miast bardzo cenną własnością żeliwa szarego jest dobra zdolność tłumienia drgań (ok.5 razy większa niż stali). Również dodatnia cechą żeliwa szarego jest wyjątkowo mała wrażliwość na działanie zewnętrznych karbów (stan powierzchni, zmiany przekroju). Obie te cechy są spowodowane obecnością grafitu ~ nieciągłością osnowy metalicznej i mikrokarbami wewnętrznymi. Dlatego żeliwo jest materiałem powszechnie stoso­wanym na łoża obrabiarek, skrzynie biegów i płyty fundamentowe silników i urzą­dzeń.

Żeliwo szare dzięki obecności grafitu jest bardzo odporne na ścieranie przy dobrych własnościach ślizgowych i małej rozszerzalności cieplnej. Bowiem grafit sam ma własności smarne, a ponadto wchłania smar i utrzymuje go na powierzchni trącej. Właściwości te powodują powszechne zastosowanie żeliwa na pierścienie tłokowe, tłoki, tuleje i bloki cylindrowe oraz panewki.

Wadą żeliwa szarego, jak wspomniano, jest szczególna wrażliwość struktury i własności mechanicznych (szczególnie twardości) na grubość ścianki .

Żeliwa szare (z wyjątkiem całkowicie zgrafityzowanych ferrytycznych i wysokostopowych austenitycznych) podlegają przemianie eutektoidalnej. Wpływ szybkości chłodzenia. i pierwiastków stopowych na tę przemianę jest podobny do wpływu na stal o odpowiednim składzie chemicznym, ale zwłaszcza w żeliwach stopowych bardziej złożony wobec obecności grafitu, węglików i ewentualnego zjawiska grafityzacji. Dzięki temu żeliwa szare perlityczne można poddawać ulepszaniu cieplnemu.

Stosunkowo niska wytrzymałość i duża kruchość żeliwa, a z drugiej strony niska cena materiału od lat inspirowała prace badawcze poświęcone możliwości poprawy jego własności mechanicznych. Prace te przyniosły efekty: wykorzystanie teorii krystalizacji doprowadziło do opracowania żeliwa modyfikowanego i sferoidalnego, a rozszerzenie badań :na kinetykę przemiany eutektoidalnej z uwzględnieniem wpływu pierwiastków stopowych do opracowania wysokojakościowych żeliw stopowych ulepszanych cieplnie. Ponadto, chronologicznie wcześniejsze prace nad grafityzacją cementytu umożliwiły otrzymywanie żeliw ciągliwych.

Żeliwem białym (przełom jasny) nazywa się stop, w którym całkowita ilość węgla jest związana w postaci cementytu, zgodnie z metastabilną równowagą układu Fe-Fe ₃C

W praktyce przemysłowej nazywa się żeliwem białym odlew, który ma na całym prze­kroju jednakową strukturę, zaś żeliwem utwardzonym odlew, którego tylko powierzchniowa warstwa ma strukturę żeliwa białego dzięki szybszemu odprowadzeniu ciepła, a rdzeń - strukturę żeliwa szarego.

Żeliwem szarym (przełom ciemny) nazywa się stop zawierający najwyżej 0,8 % C zwią­zanego w postaci cementytu, a pozostałą ilość w postaci grafitu płatkowego. W żeliwie szarym cementyt może więc występować tylko w postaci perlitu. Struktura żeliwa szarego zależy od stopnia grafityzacji, przy czym optymalne własności mechaniczne ma żeliwo o osnowie perlitycznej z równomiernie rozłożonymi drobnymi wydzieleniami grafitu płatkowego.

Żeliwo sferoidalne dzięki niskim kosztom wykonywania odlewów skutecznie konkuruje. z odlewami staliwnymi, a nawet odkuwkami, zastępując zaś żeliwo szare z grafitem piątko­wym umożliwia znaczne zmniejszenie przekroju, czyli ciężaru odlewu. Zastosowanie żeliwa sferoidalnego stale się rozszerza; jako typowe należy wymienić przemysł motory­zacyjny, dla którego obecnie wykonuje się wałki rozrządu, korbowody, części układu. .kierowniczego, a nawet wały korbowe, ponadto koła zębate i wrzeciona obrabiarek,, części armatury przemysłowej oraz walce hutnicze. Zastąpienie odkuwki odlewem w wielu przypadkach umożliwia projektowanie funkcjonalniejszych kształtów, ponieważ zanikają, ograniczenia związane z technologią kucia.

Żeliwem ciągliwym nazywa się żeliwo uplastycznione zabiegiem obróbki cieplnej (grafityzowanie) albo cieplno-chemicznej (odwęglanie) zawierające wolny węgiel w postaci tzw. węgla żarzenia. Struktura i własności żeliwa ciągliwego zależą od sposobu uplastyczniania.

Grafityzowanie polega na wyżarzaniu w 950-1000°C przez kilkadziesiąt godzin w atmo­sferze obojętnej. Dawniej stosowano wyżarzanie w skrzyniach staliwnych wypełnionych piaskiem lub żużlem, obecnie stosuje się atmosferę gazową, np. Azot.

Z powodu barwy przełomu żeliwo grafityzowane o osnowie ferrytycznej nazywane jest żeliwem ciągliwym czarnym, a o osnowie perlitycznej — żeliwem ciągliwym perlitycznym. To ostatnie ma blisko 2 razy większą wytrzymałość kosztem znacznie mniejszej ciągliwości

Zaletą grafityzowania jest jednakowa struktura na przekroju nawet znacznej grubości. Żeliwo ciągliwe czarne stosowane jest na takie odlewy nie wymagające większej wytrzymałości, a przy tym tanie, jak części maszyn rolniczych, maszyn do szycia, artykułów gospodarstwa domowego itp. Żeliwo ciągliwe perlityczne ma analogiczne zastosowanie na części silniej obciążone. Przy nieco większej zawartości do l % Mn odlewy o prostych .kształtach z żeliwa ciągliwego perlitycznego można hartować w oleju od 850°C i odpuszczać w 600—650°C w celu uzyskania większej wytrzymałości.

Odwęglanie polega na wyżarzaniu w 1000°C przez kilkadziesiąt godzin w atmosferze utleniającej. Stosowane dawniej wyżarzanie w skrzyniach wypełnionych hematytem lub zgo­rzeliną z dodatkiem piasku zastąpiono atmosferą gazową. Doprowadza się do retorty odpowiednią ilość pary wodnej, która w rezultacie reakcji powietrza i pary z węglem od­lewów wytwarza atmosferę odwęglającą albo doprowadza się produkty niezupełnego spa­lania gazów przemysłowych (CO, CO₂, H₂, H₂O i N₂). Ważne jest, aby atmosfera gazowanie działała utleniająco na Fe, ponieważ warstwa zgorzeliny utrudnia odwęglanie. W czasie wyżarzania następuje grafityzacja oraz utlenianie węgla z powierzchniowej warstwy od­lewu. W miarę postępu procesu tworzy się gradient stężenia i węgiel z warstw podpowierzchniowych dyfunduje odrdzeniowo ulegając dalszemu utlenianiu. Struktura żeliwa odwęglonego zmienia się na przekroju z powodu ograniczonej drogi dyfuzji węgla. Cał­kowite odwęglanie obserwuje się na głębokości 6-8 mm od powierzchni — odpowiada mu struktura ferrytyczna, przechodząca głębiej w ferrytyczno perlityczną i perlityczną z węglem żarzenia w rdzeniu (rys. 7.29). Dlatego odwęglaniu nie poddaje się odlewów o grubości przekraczającej 12 mm.

Z powodu jasnej barwy przełomu całkowicie odwęglonego, żeliwo takie nazywane jest żeliwem ciągliwym białym. Dodatnią cechą żeliwa ciągliwego białego jest dobra spawalność (przy całkowitym odwęgleniu). Natomiast mimo większej zawartości siarki jest ono gorzej skrawalne niż żeliwo ciągliwe czarne. Dlatego żeliwo ciągliwe białe stosuje się na cienko­ścienne odlewy niezbyt obciążone i nie wymagające większej obróbki skrawaniem części maszyn, pojazdów mechanicznych artykułów gospodarstwa domowego itp

---