Imię i nazwisko Damian Garncarek	Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Kaliszu
Mechanika i budowa Maszyn Grupa I/1 semestr III	Temat: Odlewnicze stopy żelaza
Data : 02.12.2008 r.	Nr ćw. L3.	Ocena:

1.Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest poznanie budowy metalograficznej i zastosowanie odlewniczych stopów żelaza, czyli staliw i żeliw

2. Wyposażenie stanowiska badawczego.

Stanowisko, przy którym odbywają się ćwiczenia wyposażone jest w :

• Próbki żeliw i staliw

• oddzielny opis do każdej z próbek

• mikroskop o sumie powiększeń x250

• zasilacz 6V

3.Wiadomosci wprowadzające do tematyki ćwiczeń

Żeliwa

Dla żeliwa charakterystyczną cechą jest występowanie w ich strukturze składnika eutektyki ledeburycznej z cementytem pierwotnym - w żeliwach białych, względnie eutektyki grafitowej z grafitem pierwotnym - w żeliwach szarych. Na jeden albo drugi z wymienionych modli krzepnięcia wpływa przede wszystkim szybkość chłodzenia, poza tym skład chemiczny żeliwa. Wykres F. Greinera i T. Klingensteina ujmuje wpływ pośrednich grubości ścianek odlewu oraz składu w zakresie podstawowym składnikom żeliw (C + Si) na uzyskiwaną po krzepnięciu strukturę (rys. 1).

Żeliwo szare o strukturze perlitycznej, o najkorzystniejszych własnościach mechanicznych, przedstawia pole II. Im wyższa jest zawartość sumy C + Si, tym żeliwo staje się bardziej wrażliwe na grubość ścianek i zakres II się zawęża, przechodząc w zakres Iib, względnie nawet w zakresie III. Z wykresu wynika że odlew o skomplikowanych kształtach i różnych grubościach ścianek w różnych miejscach nie ma jednakowej struktury. Przy małych grubościach ścianek i przy mniejszej sumie C + Si, powstaje już struktura żeliwa zabielonego (pole IIb), względnie nawet żeliwa białego (pole I). Z wykresu można korzystać tylko orientacyjnie, gdyż na strukturę żeliwa ma jeszcze wpływ cały szereg innych czynników, jak rodzaj materiałów wsadowych, metoda topnienia żeliwa, rodzaj pieca, dodatkowe modyfikacje i inne.

W praktyce odlewniczej wytwarza się przeważnie żeliwo szare bez wtrąceń cementytu utrudniających obróbkę mechaniczną.

W niektórych przypadkach, gdy chodzi o znaczną twardość i odporność na ścieranie powierzchni części maszyn jak walców młyńskich, dysz, klocków hamulcowych, stosuje się tzw. Żeliwo utwardzane z cementytem w warstwie powierzchniowej. Taką strukturę uzyskuje się przez intensywne ochładzanie powierzchni krzepnącego odlewu; w rdzeniu odlewu wolniej chłodzonym zostaje zachowana struktura żeliwa szarego perlitycznego, nawet ferrytyczno - perlitycznego, o dobrych własnościach tłumienia drgań.

Żeliwa zabielonego w całej objętości z reguły nie stosuje się na części konstrukcyjne, o otrzymane przypadkowo usuwa się z dalszej produkcji ze względu na trudność w obróbce mechanicznej.

Żeliwo białe nie nadaje się na części konstrukcyjne, gdyż z powodu dużej zawartości wolnego cementytu ledeburytycznego jest materiałem bardzo twardym, kruchym i nieobrabialnym.

Żeliwo szare

Struktura żeliwa szarego składa się z grafitu, metalicznej osnowy oraz zawierający wtrącenia fosforu lub siarki. Własności żeliwa zależą przede wszystkim od ilości kształtu grafitu oraz od charakteru osnowy. Im grafitu jest więcej, tym niższa jest wytrzymałość żeliwa. Kształt grafitu w żeliwie szarym maże być najrozmaitszy, jak też jego rozłożenie i wielkość

Występowanie grafitu w żeliwie jest jednej strony przyczyną dużej kruchości, tym większej im większych płatach grafitu występuje w udarności żeliw płatkowych nie przekracza 98,1 kJ/m², z drugiej strony czyni to tworzywo łatwo obrabialnym. Doskonale obrabiane żeliwa są nisko gatunkowe o dużych płatach grafitu i miękkim położeniu ferrytycznym, dość dobrze też są obrabialne żeliwa o równomiernie rozłożonym mniejszym graficie płatkowym, natomiast wtrącenia wolnego cementytu już znacznie utrudnia obróbkę.

Podłoże metaliczne w żeliwie może być ferrytyczen perlityczne, lub ferrytyczno - perlityczne

Poza tym własności mechaniczne żeliwa są uwarunkowane wtrąceniami zawierającymi P i S. Fosfor rozpuszcza się częściowo w ferrycie zależnie od głównej zawartości węgla w żeliwie; przy zawartości 3,5% C maksymalna rozpuszczalność w ferrycie wynosi 0,3%. Pozostała ilość P występuje w temperaturze otoczenia w postaci potrójnej eutektyki fosforowej, stanowiącą drobnoziarnistą mieszaninę ferrytu fosforowego, zwanym stędytem.

Ważną cechą żeliwa szarego jako materiału konstrukcyjnego jest jego mała rozszerzalność cieplna, dlatego jest stosowana na takie części jak tłoki, panewki. Natomiast nie nadaje się to tworzywo na części narażone obciążeniem udarowym, ani gdy wymagana jest pewna plastyczność. Z drugiej strony jest to materiał tani, o znacznej wytrzymałości zmęczeniowej, odporny na działanie karbu i na ścieranie, posiada w dużym stopniu zdolność tłumienia drgań i stąd jego szerokie zastosowanie, zwłaszcza że wyższe jego gatunki mają R_c, Z_g i HB nie wiele niższe od stali.

Żeliwo ciągliwe

Żeliwo ciągliwe uzyskuje swe własności plastyczne na swej drodze specjalnej obróbki cieplnej; produkuje się je przez poddanie odlewów z żeliwa białego długo trwałemu wyżarzaniu, podczas którego zachodzi rozpad cementytu pierwotnego i wtórnego na żelazo i grafit żarzenia. Własności plastyczne uzyskuje się dzięki kulkowej postaci wydzielonego grafitu żarzenia, jako zbliżone do własności charakterystycznych do metalicznego podłożą.

Żeliwo ciągliwe czarne. Wyjściowym materiałem do otrzymywania żeliwa ciągliwego czarnego jest żeliwo białe o składzie: 2,2 - 2,8% C, 0,2 - 0,4% Mn, 0,8 - 1,4% Si, max 0,2% P i 0,1% S. Skład żeliwa wyjściowego dobiera się odpowiednio do wielkości przedmiotu, aby otrzymać całkowicie biały odlew, czyli w grubych odlewach wymagana jest mała suma C + Si; ewentualnie bowiem wtrącenie grafitu płatkowego w białym żeliwie wyjściowym powodowałby osadzenie się grafitu pochodzącego z rozpadu cementytu podczas wyżarzania na pierwotnych płatkach i nie tworzenia się kulistych form węgla żarzenia.

Struktura odlewów składa się z ledeburytu przemienionego i perlitu. Podczas wyżarzania tej struktury zachodzi kolejno: grafityzacja cementytu eutektycznego, następnie cementytu wtórnego, wreszcie cementytu zawartego w perlicie.

Żeliwa wysokojakościowe

Żeliwo sferoidalne cechuje grafit pierwotny, wykrystalizowany wprost z cieczy w postaci kulistej, bardzo korzystnej, gdyż znacznie mniej osłabiającej metaliczną osnowę żeliwo od postaci płatkowej. Prace nad otrzymaniem grafitu w postaci kulistej były od dawna prowadzone, ale dopiero w roku 1949 doprowadziły one do technicznego opanowania tej metody. Polega ona na wprowadzeniu do ciągliwego żeliwa przed jego odlewaniem małej ilości określonych dodatków, bardzo silnie redukujących, kierujących krystalizacją w ten sposób że powstają kuliste, względnie zbliżonych do kulistych (sferoidalne), ziarna grafitu.

Dotychczas brak pełnego teoretycznego wyjaśnienia procesu sferoidyzacji grafitu magnezem. Niewątpliwie odgrywa tu rolę kilka czynników, jak budowa sieci przestrzennej produktów reakcji z Mg, zmiana napięcia powierzchniowego przez Mg i stopień przechłodzenia żeliwa. Symbolem żeliwa sferoidalnego jest Zs. W liczbie czterocyfrowej pierwsza część dwucyfrowa oznacza minimalne R_m., druga część - min. A%.

Dzięki dobrym własnością i niższym kosztem wytworzenia żeliw sferoidalnego znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle budowy maszyn, zastępując stal, staliwo, czy żeliwo ciągliwe. Ważniejsze części wykonywane z żeliwa sferoidalnego to: wały, koła zębate, wirniki walce do blach grubych i cienkich.

Żeliwa stopowe otrzymuje się przez wprowadzenie żelazostopów do wsadu i celem ich wytwarzania jest otrzymanie stopów:

1. O podwyższonych cechach mechanicznych,

2. O specjalnych własnościach jak:

1. żaroodporność, żarowytrzymałość,

2. odporność na korozję,

3. specjalne własności fizyczne, elektryczne lub magnetyczne.

Dodatek składników stopowych na skutek ich rozpuszczalności w ferrycie powoduje rozdrobnienie struktury osnowy i tym samym podwyższenie własności mechanicznych. Poza tym składniki stabilizujące cementyt (Cr iMn) wpływają na zachowanie cech mechanicznych w wyższych temperaturach. Najczęściej dodaje się do żeliw konstrukcyjnych składniki stopowe w ilości do 1,5% celem podniesienia ich własności mechanicznych.

Dodatek do żeliwa szarego małej ilości Cu wpływa na wzrost jego odporności na korozję atmosferyczną, ale specjalnie odporne na nią są wysoko stopowe żeliwa z dużymi dodatkami Si lub Cr, Ni Mo.

Staliwo

Staliwo - stal w postaci lanej (czyli odlana w formy odlewnicze), nie poddana obróbce plastycznej. W odmianach użytkowych zawartość węgla nie przekracza 1%, suma typowych domieszek również nie przekracza 1%. Własności mechaniczne staliwa są nieco niższe niż własności stali o takim samym składzie po obróbce plastycznej. Wynika to z charakterystycznych dla odlewów: gruboziarnistości i pustek międzykrystalicznych. Staliwo ma natomiast znacznie lepsze własności mechaniczne od żeliwa, w szczególności - jest plastycznie obrabialne, a odmiany o zawartości węgla poniżej 0,25% są również dobrze spawalne. Staliwo jest materiałem gorszym do odlewnictwa , posiada duży skurcz objętościowy i liniowy.

Podział Staliwa

STALIWO DZIELI SIĘ:

Ze względu na skład chemiczny rozróżnia się staliwa:

WĘGLOWE - zawierające tylko składniki zwykłe i zanieczyszczenia z przerobu hutniczego :

Węgiel:0,10% do 0.60%

Mangan: 0,40% do 0,90%

Krzem: 0,20% do 0,50%

STOPOWE - zawierające dodatkowo wprowadzone celowo domieszki stopowe

Ze względu na własności fizyczne i związane z nimi możliwości praktycznego zastosowania, wyróżnia się staliwa:

WĘGLOWE

- zwykłej jakości

- wyższej jakości

- najwyższej jakości

Jakość wyznaczona jest określonymi w normach parametrami

STOPOWE

- manganowe

- manganowo-krzemowe

- chromowe

- chromowo-molibdenowe

- chromowo-manganowo-krzemowe

- żaroodporne

- odporne na korozję (nierdzewne i kwasoodporne)

- konstrukcyjne do pracy w podwyższonych temperaturach

Lp.	Nazwa	Znak	Rrmin(Rm)		HB		A5 [%]	Rozciąganie			Ściskanie		Zginanie			Skręcanie
								Qr (Re)	Zrj	Zrc	Qc	Zcj	Qg	Zgj	Zgo	Qs (Qt)	Zsj (Ztj)	Zso (Zto)
1	Staliwo węglowe konstrukcyjne (N 1.2)	L400	400		114-156		26	250	200	120	335	270	290	240	135	150	160	95
2			L450	450		131÷174		20	260	225	135	350	310	300	270	155	155	180	110
3			L500	500		140÷197		20	320	250	150	430	340	370	300	170	190	200	120
4			L600	600		160÷212		16	360	300	180	490	410	415	360	205	215	240	145
5			L650	650		170÷223		15	380	325	195	515	440	440	390	220	230	260	155
6		Staliwo stopowe konstrukcyjne (N 1.3)	L35G	650			192	14	400	325	195	540	440	460	390	220	240	260	155
7			L30H	700			192	15	450	350	210	610	475	515	420	240	270	280	170
8			L25HM	750			197	12	450	375	225	610	510	515	450	255	270	300	180
9			L35HNM	750			207	15	550	375	225	740	510	530	450	255	330	300	180
10			L35HGS	850			230	12	650	425	225	880	580	745	510	290	390	340	205
11			Rr	Rc									zależnie od kształtu przekroju
12	Żeliwo szare (N 1.1)	Zl100	100	-		192	-	-	-	-	-	-
13			Zl150	150	800		212	-	-	60	-	-							180
14			Zl200	200	800		225	-	-	90	45	-							240
15			Zl250	250	1000		245	-	-	110	50	-							300
16			Zl300	300	1150		262	-	-	130	90	-							360
17			Zl350	350	1350		277	-	-	150	100	-							420
18			Zl400	400	1550		292	-	-	180	120	-							480
19							A3	R0,5
20	Żeliwo ciągliwe (N 1.4)	ZcB4505	450			220	5	260	225	135	340	290	285	250	150	110	160	95
21			ZcC3006	300			190	6	170	150	90	220	190	190	170	100	120	110	60
22			ZcC3510	350			180	10	210	175	105	275	225	230	195	115	145	125	75
23			ZcP4507	450			220	7	280	225	135	365	290	240	250	150	195	160	95
24			ZcP7002	700			280	2	550	350	210	715	450	605	390	230	385	250	145

Żeliwo

Oznaczenie żeliwa na podstawie symboli według PN-EN 1560 (System oznaczania żeliwa. Symbole i numery materiału.)
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 specjalna),
- pozycja 4: Symbol dla mikrostruktury lub makrostruktury (A - austenit, F - ferryt, P - perlit, M - martenzyt, L - ledeburyt, Q - stan po hartowaniu, T - stan po hartowaniu i odpuszczaniu, 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),
- pozycja 6: Symbol dla wymagań dodatkowych (D - odlew surowy, H - odlew po obróbce cieplnej itd.)

Oznaczenie żeliwa na podstawie numerów według PN-EN 1560

(System oznaczania żeliwa. Symbole i numery materiału.)
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
- pozycje 7 i 8: 2-cyfrowy znak od 00 do 99, charakteryzujący dany materiał
- pozycja 9: 1-cyfrowy znak, charakteryzujący specjalne wymagania danego materiału

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

OZNACZENIA STALIW STOPOWYCH

Jest to oznaczenie według składu chemicznego i składa się z symbolu „L” po nim zawartość węgla w setnych częściach % oraz oznaczenia dodatkowe identyczne jak w oznaczeniach stali

OZNACZENIA STALIW

Ogólna forma oznaczenia jest następująca:

X000Y

gdzie:

X - oznaczenie rodzaju stali np.:

S - Stale konstrukcyjne (np. S235)
E - Stale maszynowe (np. E295)
P - Stale na urz. ciśnień. (np. P460)
L - Stale na rury (np. L360)
B - Stale do zbrojenia (np. B500)
Y - Stale do betonu spręż. (np. Y720)
R - Stale na szyny (np. R820)
H - Stale do walcowania na zimno

DC, DD - Stale do walcowania (np. DD02, DC03)

000 - liczba odpowiadająca Re (granicy plastyczności w MPa) lub Rm (granicy doraźnej wytrzymałości w MPa), twardości HRC lub oznaczenie cyfrowe kolejności stali w kierunku stali o rosnącej wytrzymałości

Y - oznaczenie dodatkowe np.:

H - stal konstrukcyjna na kształtowniki ( np. S355J0H)
N - stal konstrukcyjna spawalna wyżarzona ( np. S275N)
GD - stal do powlekania na gorąco ( np. S280GD+..)
U - stal na narzędzia ( np. C80U)
+Z - stal powlekana cynkiem ( np. S320GD+Z)
M - stal walcowana ( np. S550MC)
C - stal walcowana na zimno

Q - stal po ulepszaniu cieplnym ( np. S500Q)
L - stal do pracy w obniżonych temperaturach ( np. S690QL

4.Przebieg ćwiczenia

Mamy do dyspozycji następujące próbki :

Nr próbki 3.1 - żeliwo EN-GJL-250

Nr próbki 3.2 - żeliwo sferoidalne EN-GJS-500-07

Nr próbki 3.4 - żeliwo L500

Nr próbki 3.8 - żeliwo sferoidalne EN-GJS-450-10

Nr próbki 3.9 - żeliwo sferoidalne EN-GJS-700-2

Wykonać ekspertyzę próbek , określić rodzaj i gatunek materiału .

- określić , czy badany materiał stanowi staliwo czy żeliwo ,

- za pomocą atlasu struktur określić przez porównanie w sposób orientacyjny gatunek materiału - wpisać symbol ,

- na podstawie norm wypisać orientacyjne własności mechaniczne ,

- podać typowe zastosowanie ,

- narysować struktury badanych próbek

5.Wyniki badań.

Próbka nr 3.8

Żeliwo sferoidalne EN-GJS-450-10 , wg normy PN-EN 1563

Rm min 450N/mm2 , A 3,4-10%

(stare oznaczenie : 2S450-10)

Symbol : 450-10 wg normy PN-92/H-83123

Własności : kulista postać grafitu

Zastosowanie : przepustnice międzykołnierzowe , wałki korbowe

Próbka nr 3.2

Żeliwo sferoidalne EN-GJS-500-7 wg normy PN-EN 1563

Rm min 500N/mm2 , A 3,4-7%

Symbol : 500-7 wg normy PN -92/H-83123

Własności : wytrzymałość do 900MPa

Zastosowanie : Części maszyn rolniczych , koła zębate itp.

Próbka nr 3.1

Żeliwo szare EN-GJL-250 wg normy PN-EN 1561

( nietrawiona perlitycznie-na górze i trawione-na dole )

R_m min 250 N/mm²

Symbol : 250 wg normy PN -92/H-83101

Własności : mały skurcz liniowy , objętościowy , dobra leistość , możliwość cienkich odlewów , dobra skrawalność , odporność na ścieranie

Zastosowanie : stosowana w budownictwie , korby konstrukcyjne

Próbka nr 3.9

Żeliwo sferoidalne EN-GJS-700-2 wg normy PN-EN 1563

R_m min 700 N/mm 2 , A 3,4-2 %

Symbol : 700-2 wg normy PN-92/H-83123

Własności : wytrzymałość do 900MPa

Zastosowanie : maszyny rolnicze , koła zębate

Próbka nr 3.4

Staliwo węglowe L500 wg normy PN85/H-83152

Liczba 500 oznacza zawartość węgla w setnych częściach

Symbol : GS-P2

Własności : duży skurcz objętościowy i liniowy

Zastosowanie : ogólne zastosowanie

6. Wnioski.

Przeprowadzone ćwiczenie pomogło mi zapoznać się z budową żeliw oraz staliw. Dzięki badaniu metalograficznemu stopów żelaza można rozpoznać właściwości badanych próbek. Ćwiczenia tego typu pomagają w zrozumieniu teorii z zakresu metaloznawstwa. Badane próbki różnią się od siebie budową, co doskonale widać na powiększeniu uzyskanemu poprzez mikroskop. Stopy różnią się miedzy sobą przede wszystkim budowa i wielkością ziaren.

---