ŻELIWO

Żeliwo - stop odlewniczy żelaza z węglem zawierający ponad 2% do 3,6% węgla w postaci cementytu lub grafitu. Występowanie konkretnej fazy węgla zależy od szybkości chłodzenia. Chłodzenie powolne sprzyja wydzielaniu się grafitu. Także i dodatki stopowe odgrywają tu pewna role. Krzem powoduje skłonność do wydzielania się grafitu, a mangan przeciwnie, stabilizuje cementyt. Żeliwo otrzymuje się przez wygrzewanie 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 cechują obrabialnością. Wyroby odlewnicze po zastygnięciu, by usunąć ewentualne ostre krawędzie i pozostałości formy odlewniczej poddaje się szlifowaniu. Odlewy 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 wysoka odporność na korozje.

Do materiałów odlewniczych najpowszechniej stosowanych w budowie maszyn należy żeliwo. Decydują o tym m.in.: stosunkowo niski koszt produktów, niska temperatura topnienia, dobre właściwości wytrzymałościowe oraz dobra skrawalność.

W zależności od postaci, w jakiej występuje węgiel, rozróżnia się żeliwa:

• szare, w których węgiel występuje w postaci grafitu,

• białe, w których węgiel związany jest w cementycie,

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

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.

Strukturę żeliwa stanowi osnowa metaliczna, którą może być ferryt, perlit lub ich mieszaniny, ewentualnie z cementytem i wtrąceniami niemetalicznymi, a także grafit o różnej wielkości i kształcie. Grafit jest bardzo miękki, a jego wytrzymałość jest bliska zeru.

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

Żeliwo szare (węglowe) można podzielić na trzy grupy:

• żeliwo szare zwykłe,

• żeliwo modyfikowane,

• żeliwo sferoidalne.

Żeliwa szare mogą cechować się strukturą osnowy: ferrytyczną, ferrytyczno - perlityczną oraz perlityczną. W strukturze żeliwa szarego - poza osnową metaliczną - występuje również grafit płatkowy, steadyt (eutektyka fosforowa) oraz wtrącenia niemetaliczne.

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.

Najkorzystniejsze własności ma żeliwo modyfikowane o osnowie perlitycznej. 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.

W odróżnieniu od pozostałych grup żeliw szarych bardzo dobre własności - zarówno, jak i plastyczne - wykazuje żeliwo sferoidalne. Uzyskuje się je w wyniku modyfikowania podczas odlewania żeliwa o tendencji do krzepnięcia jako szare, lecz o bardzo małym stężeniu siarki i fosforu. Jako modyfikatorów używa się magnezu lub ceru. W wyniku tego zabiegu technologicznego grafit występuje w tych żeliwach w postaci kulistej.

W zależności od struktury osnowy żeliwo sferoidalne może być ferrytyczne, ferrytyczno-perlityczne lub perlityczne. Osnową może być też bainit lub martenzyt odpuszczony, uzyskiwany po dodatkowej próbce cieplnej. Żeliwo sferoidalne krzepnie zwykle jako perlityczne lub ferrytyczno-perlityczne. Jeśli 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 - 920oC zachodzi przemiana perlitu w austenit, który po ochłodzeniu do temperatury poniżej eutektoidalnej, zwykle 720-800oC, 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.

Strukturę żeliwa białego stanowi ledeburyt przemieniony i ewentualnie - steadyt. W żeliwie podeutektycznym występuje przewaga perlitu, natomiast w żeliwie nadeutektycznym - cementytu. Ze względu na bardzo dużą kruchość i złą skrawalność żeliwa białe nie znalazły bezpośredniego zastosowania, chociaż stanowią półprodukt do wytwarzania żeliw ciągliwych.

Żeliwo Połowiczne ma strukturę stanowiącą mieszaninę struktur typowych zarówno dla żeliw szarych, jak i białych. Występuje więc w nim perlit, ledeburyt przemieniony, cementyt, grafit, a także steadyt. Żeliwa połowiczne nie znajdują również bezpośredniego zastosowania. Niekiedy stosuje się jednak tzw. odlewy zabielone. Elementy, takie jak walce hutnicze i bębny młynów, od których jest wymagana duża odporność na ścieranie, po odlaniu początkowo chłodzi się z dużą szybkością, w wyniku czego na powierzchni powstaje warstwa żeliwa białego. Zmniejszanie szybkości chłodzenia po zakrzepnięciu warstwy zewnętrznej odlewu powoduje uzyskanie w rdzeniu struktury żeliwa szarego. Między twardą warstwą zewnętrzną, a plastycznym rdzeniem tworzy się wówczas warstwa pośrednia o strukturze żeliwa połowicznego.

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

Żeliwo ciągliwe charakteryzuje się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi i plastycznymi. Jest stosowane między innymi w przemysłach: górniczym, samochodowym, ciągnikowym, rolniczym, do wytwarzania licznych, drobnych elementów maszyn.

W zależności od parametrów procesu technologicznego żeliwo ciągliwe można podzielić na dwie grup

• żeliwo ciągliwe białe (odwęglone),

• żeliwo ciągliwe czarne (nieodwęglone), z wyróżnieniem w tej grupie żeliwa ciągliwego perlitycznego o wytrzymałości na rozciąganie powyżej ok. 400 MPa.

Do żeliw stopowych są wprowadzane dodatki stopowe, występujące oprócz domieszek. Pierwiastki te są dodatkowe w celu polepszenia właściwości 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 żeliw jest dobierany tak, aby w wyniku dodania pierwiastków stopowych nie zmienić niekorzystnie ich struktury i własności. Z tego wzg. Należy dobierać odpowiednio dodatki o działaniu grafityzującym i zabielającym.

W żeliwach niskostopowych obecność jednego lub kilku dodatków stopowych decyduje o wystąpieniu drobnej struktury perlitu, co powoduje zwiększenie własności wytrzymałościowych, w tym twardości oraz odporności na ścieranie. Żeliwa średniostopowe, zawierające Si lub Al, wykazują ferrytyczną strukturę osnowy. Żeliwa chromowe cechują się strukturą ledeburytyczną. Przy niewielkim stężeniu Ni, w obecności Mo i praktycznie przy braku innych pierwiastków stopowych, żeliwa w stanie surowym mają osnowę bainityczną. Osnową białych żeliw niklowych, niklowo - chromowych i chromowo - molibdenowych jest martenzyt z bainitem i austenitem szczątkowym. Wysokostopowe żeliwa chromowe, krzemowe i aluminiowe wykazują strukturę ferrytyczną. Żeliwa wysokoniklowe i niklowo - chromowe oraz żeliwa średnio- i wysokomanganowe cechują się austenityczną strukturą osnowy. Ponieważ kształt i wielkość ziaren grafitu decyduje o własnościach żeliw stopowych, żeliwa szare często są modyfikowane.

Żeliwo odporne na ścieranie - dzięki odpowiedniemu skomponowaniu składu chemicznego i zastosowaniu modyfikacji uzyskano żeliwo z grafitem płatkowym odznaczające się zdecydowanie wyższymi, w porównaniu do standardowego żeliwa, właściwościami mechanicznymi w zakresie wysokich wartości eutektycznego równoważnika węgla

- CE = 4,0 - 4,6%;

- Rm = 260 - 315 MPa;

- HB = 230 - 285.

Właściwości te są stabilne w szerokim zakresie grubości ścianki odlewu gdyż pomimo istotnego zmniejszania szybkości stygnięcia rozmiary płatków grafitu nie powiększają się istotnie a struktura osnowy pozostaje perlityczna nawet przy zawartości krzemu przekraczającej 3,5%.

Właściwości tego żeliwa, zwłaszcza podwyższona twardość, wskazują na możliwość jego zastosowania na części maszyn współpracujące w warunkach smarowania (tuleje, panewki, koła zębate) oraz elementy hamulców pracujące w warunkach tarcia suchego (bębny, tarcze, klocki). Taka przydatność tworzywa została potwierdzona jego zastosowaniem na elementy cierne w hamulcu pojazdów gąsienicowych.

Stabilność właściwości mechanicznych w dużych przekrojach jest przesłanką do wykonywania z tego żeliwa odlewów ciężkich i o zróżnicowanej grubości ścianek. Możliwości zastosowań są bardzo szerokie: tubingi, korpusy ciężkich maszyn i obrabiarek, odlewy walców oraz tulei cylindrowych do silników okrętowych.

Odporność żeliwa na ścieranie jest zwiększana przez dodatki stopowe powodujące wzrost twardości osnowy oraz zmianę ilości, postaci, wymiarów i rozmieszczenia wydzieleń grafitu, a w niektórych gatunkach zupełne wyeliminowanie tego składnika strukturalnego.Działanie dodatków stopowych w żeliwach o podwyższonej odporności na ścieranie polega również na zapewnieniu jednolitej struktury na całym przekroju odlewów, niezależnie od cech geometrycznych, głównie grubości ścianek odlewu. Wraz ze zwiększeniem grubości odlewu do żeliwa wprowadza się w coraz większym stężeniu pierwiastki z dopuszczalnego dla danego gatunku zakresu. Do pierwiastków stopowych dodawanych do żeliw tej grupy należą: Cr, Ni, Mo, W, Cu, V, Ti i P. pierwiastki te mogą być dodawane pojedynczo lub w różnych zestawieniach.

Żeliwo sferoidalne ADI - Instytut Odlewnictwa opracował technologię wytwarzania żeliwa sferoidalnego znanego za granicą pod nazwą "Austempered Ductile Iron" (ADI). Jest to żeliwo o osnowie metalowej składającej się z igieł ferrytu bainitycznego i nasyconego węglem, stabilnego austenitu. Dzięki połączeniu wysokiej wytrzymałości na rozciąganie i odporności na ścieranie z bardzo dobrą plastycznością, żeliwo ADI znajduje zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu jako substytut staliwa stopowego i stali nawęglanej, bądź ulepszanej cieplnie.

Żeliwo szare wykazuje niewielką żaroodporność, którą można polepszyć przez wprowadzenie dodatków stopowych. Przy stężeniu 10% Ni żeliwa wysokochromowe uzyskują strukturę austenityczną o żarowytrzymałości większej od struktury ferrytycznej. Całkowicie stabilny austenit otrzymuje się również przez wprowadzenie Mn, częściej łącznie z Ni. Nikiel, polepszają żarowytrzymałość oraz plastyczność żeliwa, słabiej od Si i Cr podnosi odporność na utlenianie.

Żarowytrzymałość ulega znacznemu zwiększeniu przez dodatek Mo. Dodatek Al, zmniejszając własności mechaniczne żeliwa w temperaturze pokojowej, znacznie podwyższa żaroodporność, a przy tym także podatność żeliwa na pęcznienie. Zjawisko to jest związane z trwałym zwiększeniem objętości żeliwa i występuje w wyniku długotrwałego wygrzewanie odlewu w warunkach pracy w temperaturze wyższej od ok. 400oC lub w wyniku wielokrotnego podgrzewania odlewu do tej temperatury z następnym chłodzeniem do temperatury pokojowej. Pęcznienie jest związane z grafityzacją żeliwa w stanie stałym, utlenianiem wewnętrznym oraz rozszerzaniem się i kurczeniem żeliwa w czasie nagrzewania i chłodzenia w zakresie temperatury krytycznej. W wysokiej temperaturze następuje utlenianie wewnętrzne, związane z wypalaniem wolnego grafitu, Fe lub Si przez gazy penetrujące wzdłuż płatkowych wydzielin grafitu w głąb odlewu. Z tego względu znacznie większą żaroodporność od żeliwa szarego wykazuje żeliwo białe, nieulegające pęcznieniu.

Żeliwo, nawet niestopowe, wykazuje większą odporność na korozję niż stale lub staliwa niestopowe. Dalsze zwiększanie na korozję powodują pierwiastki stopowe, spośród których najintensywniej oddziałują Si, Cr, Ni, w mniejszym stopniu Mn, a także Cu.

Własności fizyczne żeliw, w tym głównie własności magnetyczne i elektryczne, są zależne od struktury stopu. Własności niemagnetyczne wykazują żeliwa o strukturze austenicznej, zawierające Ni lub Mn. Żeliwa o strukturze austenicznej cechują się również bardzo dużą elektryczną opornością właściwą, mniejszą jednak niż żeliwa aluminiowe. Elektryczna oporność właściwa rośnie wraz ze zwiększeniem grubości płatkowych wydzieleń grafitu oraz zwiększeniem stężenia C, Si, Ni i Al. w żeliwie. Zmniejszenie oporności właściwej powodują Cr, Mo i V oraz wydzielenia cementytu i węglików stopowych.

OTRZYMYWANIE ŻELIWA

Stopy żelaza z węglem zawierające powyżej 2% węgla nazywa się żeliwami. Cechą charakterystyczną tych stopów jest to, że nie mają one właściwości plastycznych.

Żeliwo otrzymuje się przez przetopienie surówki odlewniczej (gąsek) z dodatkiem złomu żeliwnego, stalowego i topników. Podobnie jak w wielkich piecach, w celu uzyskania właściwej temperatury stosujemy koks. Topienie przeprowadza się w specjalnych piecach, zwanych żeliwiakami.

W zależności od rodzaju przetapianej surówki, a przede wszystkim od zawartości w niej węgla, krzemu lub manganu, oraz od szybkości stygnięcia otrzymuje się żeliwo szare, białe lub stopowe.

Przeciętne składy chemiczne żeliw niestopowych zawarte są w następujących przedziałach:

• węgiel C 2,2-3,6%,

• krzem Si 0,5^3,0%,

• mangan Mn 0,4 + 1,2%,

• fosfor P 0,3 + 1,0%,

• siarka S 0,08+0,1%.

Żeliwiak jest to piec szybowy do wytapiania żeliwa. Ładunek żeliwiaka podobny jest do ładunku wielkiego pieca; składa się on z: koksu, surówki żelaznej, złomu żeliwnego, złomu stalowego i topników, przy czym pierwszą warstwę, licząc od dołu, stanowi koks (następne układa się w wyżej podanej kolejności).

Powietrze niezbędne do spalania jest wprowadzane przez dysze umieszczone w dolnej części pieca. Poniżej dysz znajduje się kotlina, w której zbiera się roztopione żeliwo, oraz dwa otwory spustowe-pierwszy dla żeliwa, drugi dla żużlu. Temperatura w żeliwiaku wynosi ok. 1750T.

Po przetopieniu ciekły metal jest wlewany do form odlewniczych w celu uzyskania wyrobu lub gąsek do dalszej przeróbki, jest dobrze obrabialne. Żeliwo stopowe ma polepszone właściwości wytrzymałościowe i ścierne, podobnie jak żeliwo sferoidalne i modyfikowane.

Żeliwa mają bardzo duże zastosowanie w różnych gałęziach prze­mysłu. Wykonuje się z nich armaturę, rury wodociągowe i kanaliza­cyjne, korpusy pomp i wentylatorów, odlewy kadłubów obrabiarek, silników spalinowych, grzejniki, kotły itp.

Żeliwo szare. Przełom próbki tego żeliwa ma kolor szary. Żeliwo szare jest kruche i nie nadaje się do kucia, walcowania i przeciągania. Świeży przełom ma powierzchnię o budowie ziarnistej. W stanie płynnym żeliwo to jest rzadkie, dobrze się odlewa: w stanie stałym łatwo daje się obrabiać przez skrawanie. Zawartość węgla, który występuje w postaci grafitu, wynosi 2,2-5-3,6%. Gęstość 6,9-7,4 g/cm3, temperatura topnienia 1135 —1350°C.

Właściwości żeliwa zależą głównie od zawartości węgla i szkodliwych domieszek. Wśród szkodliwych domieszek główne miejsce zajmują siarka i fosfor, które bardzo trudno usunąć w procesie wytopu. Większa zawartość siarki w żeliwie czyni je gęstopłynnym, co jest przyczyną złego wypełniania form odlewniczych, a odlewy po wystygnięciu mają pęcherze i twarde miejsca. Żeliwo z większą zawartością fosforu w stanie płynnym bardzo dobrze wypełnia formy, lecz po ostygnięciu staje się kruche. Dzięki temu z żeliwa fosforowego można odlewać wyroby o skomplikowanych kształtach, które jednak nie mogą być narażone na duże obciążenia.

W żeliwie oprócz siarki i fosforu występują w niewielkich iloś­ciach krzem i mangan. Zawartość manganu w żeliwie sprzyja po­wstawaniu żeliwa białego, a obecność krzemu wpływa na tworzenie się miękkiego żeliwa szarego.

Żeliwo białe. Biały przełom próbki tego żeliwa ma budowę gruboziarnistą. Żeliwo to jest kruche i bardzo twarde, źle wypełnia formy odlewnicze i ma duży skurcz; nie nadaje się do dalszej obróbki mechanicznej. Wskutek tych właściwości żeliwo białe ma ograniczone zastosowanie i nadaje się jedynie na odlewy części maszyn, których powierzchnie mają być odporne na ścieranie, np. walców, tarcz do młynów, drzwiczek do pieców. W żeliwie białym węgiel występuje w postaci cementytu.

Żeliwo ciągliwe otrzymuje się przez długotrwałe wyżarzanie odlewów z żeliwa białego. W wyniku wyżarzania następuje rozpad cementytu na żelazo i węgiel. Wyżarzanie odbywa się w wysokich temperaturach i przebiega wg reakcji chemicznej Fe₃C-»3Fe+C. Uzyskane w wyniku tych procesów żeliwo ciągliwe zajmuje, pod względem właściwości mechanicznych, pośrednie miejsce między żeliwem szarym i stalą. Jest ono bardziej ciągliwe od żeliwa szarego, jednak ustępuje pod tym względem stali.

Wiele drobnych elementów, jak np. kształtki do instalacji rurowych (łączniki), części maszyn, klucze, które są produkowane masowo, a od których wymaga się pewnej odporności na uderzenia, wyrabia się z żeliwa ciągliwego.

Żeliwo stopowe. Właściwości mechaniczne i fizyczne żeliwa można zmienić przez dodanie niektórych pierwiastków, jak np.: niklu, chromu, manganu, krzemu, glinu, miedzi itp.

Szerokie zastosowanie w technice znalazły żeliwa stopowe z zawartością niklu, który znacznie zwiększa wytrzymałość żeliwa. Chrom w ilości ok. 2% dodawany jest do żeliw narażonych na działanie wysokich temperatur (żeliwa ognioodporne).

Żeliwa stopowe są stosowane do specjalnych celów, np. gdy wymagana jest: kwasoodporność, żaroodporność, odporność na ko­rozję.

Żeliwo sferoidalne otrzymuje się przez zastosowanie spec­jalnych procesów, w wyniku których grafit występuje w postaci skupień kulistych. Taki układ znacznie polepsza właściwości mechaniczne żeliwa sferoidalnego w porównaniu z żeliwem szarym czy też białym. Żeliwo sferoidalne stosuje się do produkcji niektórych części maszyn rolniczych, obrabiarek, samochodów i ciągników oraz armatury przemysłowej. Żeliwo to ma bowiem oprócz korzystnych właściwości odlewniczych około dwukrotnie większą wytrzymałość na rozciąganie niż żeliwo szare. Ponadto żeliwo sferoidalne ma większą odporność na korozję w warunkach atmosferycznych i eksploatacyjnych. Oprócz tego odznacza się ono dużą wytrzymałością na wysokie temperatury. Właściwości odlewnicze żeliwa sferoidalnego są znacznie lepsze niż staliwa. Wykonując odlewy armatury przemysłowej z żeliwa sferoidalnego, uzyskuje się:

• znacznie mniejszą masę armatury,

• możliwość wykorzystania armatury dla chemicznie agresywnych czynników gazowych i ciekłych,

• możliwość stosowania armatury do wyższych temperatur.

Żeliwo modyfikowane. W celu uzyskania wysokich właściwości wytrzymałościowych żeliwa stosuje się między innymi metodę modyfikowania. Polega ona na dodawaniu do ciekłego żeliwa, tuż przed odlaniem, pewnych dodatków, zwanych modyfikatorami, w ilości 0,1-0,8%. Najczęściej są to stopy żelazo-krzem (Fe-Si), wapnio-krzem (Ca-Si) oraz aluminium lub ich mieszaniny.

Modyfikowanie podwyższa znacznie właściwości mechaniczne żeliwa, zwłaszcza odporność na ścieranie, zwiększa też odporność na korozję.

---