156
Ćwiczenie 18
SURÓWKI I ŻELIWA
1. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z typowymi strukturami surówek i żeliw; po-
lega ono na obserwacji mikroskopowej struktur surówek białych i różnych gatunków
żeliwa szarego.
2. WIADOMOR
CI PODSTAWOWE
Surówki albo żeliwa są to stopy żelaza z węglem o teoretycznej zawartoS
ci od 2,11
do 6,67% węgla. Poza tym stopy te zawierają jeszcze takie składniki, jak: krzem,
mangan, fosfor i siarkę, a niekiedy także dodatki stopowe, jak: nikiel, chrom, molibden,
aluminium i inne.
Polska terminologia rozróżnia surówki i żeliwa, przy czym różnica pomiędzy tymi
stopami dotyczy wyłącznie technologii ich otrzymywania. Surówki są bezpoS
rednim
produktem wielkiego pieca, natomiast żeliwa otrzymuje się po przetopieniu surówki
w piecach odlewniczych. OdnoS
nie do struktury nie ma różnicy pomiędzy surówkami
i żeliwami, toteż wszystko co dotyczy surówek białych i szarych dotyczy również
odpowiednich gatunków żeliwa.
W zależnoS
ci od postaci występowania węgla i uwarunkowanego tym zabarwie-
nia przełomu rozróżnia się surówki i żeliwa białe i szare. Ponadto istnieją również
żeliwa ciągliwe otrzymane po specjalnej obróbce cieplnej odlewów z żeliwa białego.
2.1. Surówki białe
W surówkach białych węgiel występuje tylko pod postacią cementytu; dlatego też
przełom ich jest jasny. W zależnoS
ci od zawartoS
ci węgla i struktury rozróżnia się
następujące rodzaje surówek białych:
1) surówki podeutektyczne o zawartoS
ci 2,11 - 4,3% węgla,
2) surówki eutektyczne o zawartoS
ci 4,3% węgla,
3) surówki nadeutektyczne o zawartoS
ci 4,3 - 6,67% węgla..
Surówki białe podeutektyczne składają się w zakresie temperatur 1148 - 727�C
z dendrytów austenitu z cementytem wtórnym na tle ledeburytu, a poniżej 727�C z per-
litu, cemntytu wtórnego i ledeburytu przemienionego. Surówki białe eutektyczne zbu-
Opracował: Stanisław Rudnik
157
dowane są w wysokich temperaturach z ledeburytu, a poniżej 727�C z ledeburytu
przemienionego. Surówki zaS
białe nadeutektyczne w zakresie 1148 - 727�C składają
się z ledeburytu i cementytu pierwotnego, a poniżej 727�C z cementytu pierwotnego
i ledeburytu przemienionego. Ponieważ podczas chłodzenia po zakrzepnięciu żeliwa
wszelkie przemiany zachodzą tylko wewnątrz ziarn austenitu, forma (kształt) poszcze-
gólnych składników strukturalnych nie zmienia się. Dlatego też żeliwa białe mają przy
temperaturze otoczenia podobną strukturę, jak bezpoS
rednio po zakrzepnięciu.
Z uwagi na dużą iloS
ć cementytu, surówki i żeliwa białe są bardzo twarde i kruche,
i praktycznie nieskrawalne. Również i własnoS
ci odlewnicze surówek białych są złe
i z tego powodu są one stosowane do dalszego przerobu na stal. Nie stosuje się odle-
wów z żeliwa białego na częS
ci konstrukcyjne. Wyjątek stanowi żeliwo ciągliwe, któ-
re otrzymuje się przez obróbkę cieplną odlewów z żeliwa białego.
2.2. Żeliwa szare
W żeliwach szarych węgiel występuje częS
ciowo w postaci związanej jako ce-
mentyt, a częS
ciowo w postaci wolnej jako grafit. Skutkiem obecnoS
ci grafitu przełom
tego rodzaju żeliwa jest matowo-szary, stąd też i ich nazwa. Praktycznie maksymalna
iloS
ć węgla związanego nie przekracza zawartoS
ci węgla w perlicie (0,8% C).
2.2.1. Proces grafityzacji
Grafit jest odmianą alotropową węgla i krystalizuje, jak to przedstawia rys. 18.1,
w układzie heksagonalnym. Ma on budowę warstwową; atomy węgla w poszczegól-
nych równoległych do siebie warstwach tworzą heksagonalne pierS
cienie.
Ze względu na złożony charakter, zagadnienie
grafityzacji (czyli powstanie kryształów grafitu w że-
liwie) do chwili obecnej nie zostało całkowicie wyja-
S
nione. Rozpatrując strukturę i skład chemiczny au-
stenitu, cementytu i grafitu można stwierdzić, że
istnieje pewne podobieństwo budowy krystalicznej
austenitu i cementytu, podczas gdy struktury krysta-
liczne austenitu i grafitu są zasadniczo różne.
Również pod względem składu chemicznego au-
stenit (2,11% węgla) i cementyt (6,67% węgla) mniej
,4
różnią się od siebie niż austenit i grafit (100% węgla).
Rys. 18.1.
Z tych względów wydzielanie cementytu z austenitu
Budowa krystaliczna grafitu
lub z cieczy przebiega łatwiej niż wydzielanie grafi-
tu. Z drugiej strony grafit jest fazą bardziej trwałą
niż cementyt, tzn. mieszanina austenit-grafit ma mniejszy zapas energii swobodnej niż
mieszanina austenit-cementyt, jak to przedstawia rys. 18.2.
,4
158
Czynniki termodynamiczne sprzyja-
FL
ją więc wydzielaniu się nie cementytu
lecz grafitu. Rozważając proces grafi-
tyzacji należy uwzględnić oba te czyn-
F +
niki. Jak widać z rys. 18.2, linie przed-
stawiające zmianę energii swobodnej
F +
roztworu ciekłego (FL) i mieszaniny au-
stenit-cementyt (FA + C) przecinają się
4 4
przy temperaturze 1148�C, natomiast li-
te �er t r ,
nia zmiany energii swobodnej trwalszej,
Rys. 18.2.
termodynamicznej mieszaniny austenit-
Zmiana energii swobodnej roztworu ciekłego (FL),
grafit (FA + G) przebiega poniżej linii ener- mieszaniny austenitu z cementytem (FA + C)
i mieszaniny austenitu z grafitem (FA + G) w za-
gii swobodnej mieszaniny asustenit-ce-
leżnoS
ci od temperatury
mentyt i przecina linię energii swobodnej
cieczy przy temperaturze 1154�C.
Poniżej temperatury 1148�C krystalizacja przebiegać będzie z wytworzeniem ce-
mentytu, ponieważ z podanych już względów wydzielanie cementytu zachodzi łatwiej
pomimo faktu, że mieszaniną faz o mniejszej energii swobodnej jest ciecz + grafit.
W zakresie temperatur 1148-1154�C wydzielanie z cieczy mieszaniny austenit-cementyt
nie jest w zasadzie możliwe, w warunkach równowagi powinna się wydzielać miesza-
nina austenit-grafit.
Na rys. 18.3 przedstawiono nietrwały układ równowagi fazowej (Fe-Fe3C) oraz
układ stabilny (Fe-Cgrafit). Linie układu stabilnego w stosunku do układu metatrwałego
są przesunięte w kierunku wyższych temperatur. Grafit może więc krystalizować bez-
poS
rednio z cieczy przy chłodzeniu w wąskim zakresie temperatur pomiędzy liniami
wykresów równowagi trwałej i nietrwałej, tj. gdy stopień przechłodzenia cieczy jest
mały lub niewielkie są szybkoS
ci chłodzenia.
Grafit powstawać może ponadto w wyniku rozkładu cementytu w stanie stałym.
Proces ten ma charakter dyfuzyjny i praktycznie przebiega tylko przy temperaturach
podwyższonych. Przy temperaturze poniżej linii P S K fazami trwałymi są ferryt
i grafit, dlatego też w tym zakresie temperatur cementyt rozkłada się wg reakcji:
Fe3C F + Cgrafit
gdzie: F  ferryt
Biorąc pod uwagę, że rozpuszczalnoS
ć węgla w ferrycie jest nieznaczna, proces
ten może prowadzić praktycznie do całkowitej grafityzacji, tj. do przemiany całej iloS
ci
cementytu w grafit. Przy temperaturze powyżej linii P S K fazami trwałymi są au-
stenit i grafit i dlatego cementyt w tym zakresie temperatur rozkłada się według reakcji:
Fe3C A + Cgrafit
gdzie: A  austenit.
er
s
e
gi d F
159
A
1538
B
L
J
1400
N Fe3C
1394
L + ł
L + Fe3C
D
C
1200 E 2,08 1154�C
E C F
ł 1148�C
1000
G ł + Fe3C
M 0S
800
738�C
P S K
727�C
600
ą + Fe3C
400
200
0246
1 357
Fe C, %
Rys. 18.3. Metatrwały układ równowagi fazowej (Fe-Fe3C) oraz układ stabilny (Fe-Cgrafit)
Wytworzony w wyniku grafityzacji austenit łącznie z istniejącym już poprzednio au-
stenitem ulega przy chłodzeniu przemianom zgodnie z układem Fe-Fe3C na perlit
względnie ferryt i perlit, zależnie od iloS
ci węgla w austenicie. Gdy chłodzenie poniżej
linii PSK było bardzo powolne, może ulec grafityzacji w tym czasie również cementyt
eutektoidalny (zawarty w perlicie).
Ogólnie biorąc szybkie chłodzenie sprzyja tworzeniu się żeliwa białego, natomiast
powolne chłodzenie powoduje powstawanie grafitu i tym samym żeliwa szarego.
2.2.2. Mikrostruktura żeliwa szarego
W żeliwie szarym rozróżnia się następujące składniki strukturalne: osnowę meta-
liczną, grafit, eutektykę fosforową oraz wtrącenia niemetaliczne.
W zależnoS
ci od osnowy metalicznej podział żeliwa szarego jest następujący:
1) żeliwa ferrytyczne (ferryt i grafit),
2) żeliwa ferrytyczno-perlityczne (ferryt, perlit i grafit),
3) żeliwa perlityczne (perlit i grafit),
4) żeliwa nadeutektoidalne (perlit, cementyt wtórny i grafit)  praktycznie nie stoso-
wane.
Jak widać osnowa metaliczna żeliwa szarego jest podobna do stali.
temperatura, �C
160
2.2.3. Wpływ grafitu na własnoS
ci mechaniczne żeliwa
Grafit obniża mechaniczne własnoS
ci żeliwa, przy czym wpływ ten jest zależny od
iloS
ci, wielkoS
ci, kształtu i rozmieszczenia. Przy zachowaniu pozostałych warunków
niezmiennych, wpływ grafitu na własnoS
ci żeliwa jest tym większy, im jest go więcej;
dlatego też w praktyce stosuje się żeliwa o niezbyt dużej zawartoS
ci węgla (zazwyczaj
nie więcej niż 4% węgla całkowitego, w czym 3 % w postaci grafitu). Oprócz iloS
ci
grafitu na własnoS
ci żeliwa mają również wpływ wielkoS
ć, kształt i rozmieszczenie
grafitu.
Grafit może występować w żeliwach jako grafit miałkowy, grafit krętkowy, grafit
sferoidalny oraz jako węgiel żarzenia (grafit kłaczkowy). Wydzielenia grafitu powinny
być drobne i równomiernie rozłożone. W takim żeliwie osłabienie osnowy metalicznej
wywołane obecnoS
cią grafitu jest najmniejsze. ObecnoS
ć grafitu sferoidalnego po-
zwala na uzyskanie żeliwa o wysokiej wytrzymałoS
ci i dobrych własnoS
ciach pla-
stycznych.
2.2.4. Składniki chemiczne żeliwa szarego
Jednym z najważniejszych składników żeliwa szarego jest krzem; jest to typowy
pierwiastek sprzyjający grafityzacji. Przez odpowiedni dobór zawartoS
ci węgla i krze-
mu oraz szybkoS
ci chłodzenia można regulować stopień grafityzacji oraz wpływać na
strukturę osnowy metalicznej. Wykres zależnoS
ci struktury odlewu żeliwnego o gru-
boS
ci S
cianki 50 mm od zawartoS
ci węgla i krzemu w żeliwie przedstawiono na rys.18.4.
Na rys. 18.5 zamieszczono wykres ujmujący zależnoS
ć struktury odlewu żeliwnego
od łącznej zawartoS
ci węgla i krzemu oraz od gruboS
ci S
cianki odlewu (która decyduje
o szybkoS
ci chłodzenia). ZawartoS
ć krzemu w żeliwach odlewniczych waha się od
5 7,0
4
6,0
3
II III 5,0
I
2
I II III
4,0
050 75
25
1
0 1 2 3 4 5 6 7
gruboS
ć S
cianki, mm
Rys. 18.4.
Rys. 18.5.
Wykres Maurera zależnoS
ci struktury odlewu że- Wykres Greigera - Klingensteina zależnoS
ci struk-
liwnego o gruboS
ci S
cianki 50 mm od zawartoS
ci
tury odlewu żeliwnego od łącznej zawartoS
ci węgla
węgla i krzemu w żeliwie: I  żeliwa białe, II  że- i krzemu oraz gruboS
ci S
cianki odlewu: I  żeliwa
liwa szare perlityczne, III  żeliwa szare ferry- białe, II  żeliwa szare perlityczne, III  żeliwa szare
tyczne
ferrytyczne
C, %
C+Si, %
161
0,5 do 3,5%. Zwiększając zawartoS
ć krzemu można osłabić wpływ szybkoS
ci chło-
dzenia, otrzymując żeliwo szare nawet przy dużych szybkoS
ciach chłodzenia.
Siarka w żeliwie szarym jest domieszką szkodliwą; pogarsza ona własnoS
ci odlew-
nicze żeliwa i sprzyja jego zabieleniu. Dlatego też siarki w żeliwach winno być jak
najmniej.
Mangan jest wprawdzie pierwiastkiem węglikotwórczym i utrudnia grafityzację,
jednak jego obecnoS
ć w żeliwach szarych w zawartoS
ciach 0,4 - 1,2% jest pożądana
ze względu na fakt, że mangan wiąże siarkę, przeciwdziałając jej szkodliwemu działa-
niu, a ponadto odtlenia żeliwo.
Fosfor występuje w żeliwach w zawartoS
ciach 0,1 - 1,5 % i jest pożądanym skład-
nikiem, gdyż obniża temperaturę topnienia żeliwa i podnosi jego rzadkopłynnoS
ć. Fos-
for występuje w żeliwie w postaci potrójnej eutektyki fosforowej Fe3C-Fe3P-Fe, zwanej
steadytem o temperaturze topnienia 960�C. Ze względu na to, że eutektyka fosforo-
wa jest składnikiem twardym i kruchym w żeliwach maszynowych zawartoS
ć fosforu
nie powinna jednak przekraczać 0,5%, a eutektyka powinna być możliwie równomier-
nie rozmieszczona w postaci drobnych wydzieleń.
O ile żeliwo zawiera jeszcze inne specjalnie wprowadzone dodatki, to takie żeliwo
nazywamy stopowym.
2.2.5. Żeliwa szare niestopowego
Ocenę jakoS
ci żeliwa szarego dokonuje się na podstawie próby rozciągania. Wg
normy PN-EN 1561: 2000 (zastąpiła ona normę, PN-92/H-83101), obejmującej po-
szczególne klasy żeliwa szarego niestopowego, poszczególne klasy żeliwa oznacza
się symbolem EN-GJL oraz trzycyfrową liczbą okreS
lającą minimalną wytrzymałoS
ć
na rozciąganie, okreS
loną na próbkach wykonanych z wałków o S
rednicy 30 mm np.
EN-GJL 150. Żeliwo o wyższej wytrzymałoS
ci uzyskuje się w drodze modyfikacji.
Polega ona na wprowadzeniu przed odlewaniem do ciekłego żeliwa niewielkiej iloS
ci
modyfikatorów, np. żelazo-krzemu lub wapnio-krzemu w iloS
ci 0,1 - 0,5%. Modyfika-
tor powoduje rozdrobnienie struktury, a zwłaszcza grafitu i umożliwia otrzymanie jed-
norodnej struktury odlewu nawet przy przekrojach znacznie się od siebie różniących
gruboS
cią.
2.2.6. Żeliwo sferoidalne
W żeliwie sferoidalnym grafit ma postać kulek, osnowa metaliczna może być fer-
rytyczna, ferrytyczno-perlityczna lub perlityczna. Sferoidyzację grafitu uzyskuje się
przez wprowadzenie do ciekłego żeliwa magnezu lub jego stopów względnie ceru lub
jego stopów. Tego rodzaju żeliwa wykazują nie tylko dobre własnoS
ci wytrzymało-
S
ciowe, lecz także i pewną elastycznoS
ć, której miarą jest wydłużenie. Klasyfikację
żeliwa sferoidalnego ujmuje norma EN-PN 1563: 2000 wprowadzona zamiast normy
PN-92/H-83123.
162
Poszczególne gatunki żeliwa sferoidalnego oznaczone są symbolem EN-GJS oraz
liczbą cztero lub pięciocyfrową, z której trzy pierwsze oznaczają minimalną wytrzy-
małoS
ć na rozciąganie (Rm), a jedna lub dwie następne minimalne wydłużenie (A5) np.
żeliwo gatunku EN-GJS-600-3 winno mieć minimalne Rm e" 600 MPa/mm2 i A5 e" 3%.
Produkowane gatunki żeliwa sferoidalnego w zależnoS
ci od struktury osnowy
metalicznej posiadają właS
ciwoS
ci mechaniczne mieszczące się w zakresie:
Rm = 350-900 MPa i wydłużenie A5 e" 22-2%.
Jeżeli podczas procesu sferoidyzacji wprowadzona zostanie do żeliwa mniejsza
iloS
ć sferoidyzatora powstający grafit uzyska postać poS
rednią pomiędzy płatkowym
a sferoidalnym. Żeliwo o takim graficie nosi nazwę żeliwa wermikularnego. Nie jest
ono do tej pory znormalizowane.
2.2.6. Żeliwo ciągliwe
Żeliwo ciągliwe otrzymuje się przez wyżarzenie grafityzujące odlewów z żeliwa
białego. W czasie wyżarzania następuje rozkład cementytu na austenit względnie fer-
ryt i wolny węgiel zwany węglem żarzenia. Węgiel żarzenia ma kształt zaokrąglonych
skupień na tle osnowy metalicznej. Taka postać występowania grafitu zmniejsza nie-
ciągłoS
ć osnowy metalicznej i dlatego żeliwo ciągliwe wykazuje dobrą plastycznoS
ć.
Im drobniejsze są wydzielenia węgla żarzenia, tym własnoS
ci mechaniczne żeliwa
ciągliwego są wyższe. Rozróżnia się żeliwo ciągliwe białe i żeliwo ciągliwe czarne.
Żeliwo ciągliwe białe otrzymuje się przez wyżarzanie odwęglające przy tempera-
turze 950-1000�C przez okres 60-90 godzin z następnym studzeniem. Podczas wyża-
rzania odlewy znajdują się w specjalnych skrzyniach wypełnionych pokruszoną rudą
żelaza lub zgorzeliną. W wyniku wyżarzania powierzchniowa warstwa odlewów ule-
ga odwęgleniu i ma strukturę ferrytyczną bez węgla żarzenia, natomiast w rdzeniu
występuje węgiel żarzenia na tle osnowy perlityczno-ferrytycznej. Przełom takiego
żeliwa jest biały.
Żeliwo ciągliwe czarne otrzymuje się przez wyżarzanie odlewów w warunkach
 obojętnych , którymi zwykle jest piasek kwarcowy, rozdrobniony żużel itp. Wyżarza-
nie to przeprowadza się w dwu etapach:
1) pierwszy okres wyżarzania przy temperaturze 950-1000�C przez czas konieczny
do rozłożenia swobodnego cementytu,
2) drugi okres przy temperaturach poniżej linii PSK dla rozłożenia cementytu wtórne-
go i eutektoidalnego.
Wyżarzanie to, którego schemat podaje rys.18.6, trwa 70-80 godz. Głównymi skład-
nikami strukturalnymi tego żeliwa są: węgiel żarzenia, ferryt i małe iloS
ci perlitu. Wskutek
obecnoS
ci węgla żarzenia przełom tego żeliwa jest czarny. Przy szybszym stygnięciu
poniżej linii PSK (np. w powietrzu) cementyt eutektoidalny nie ulega grafityzacji i struk-
tura żeliwa będzie się składała z węgla żarzenia i perlitu. Takie żeliwo zwie się ciągli-
wym żeliwem perlitycznym.
163
-
4
- g dz.
- g dz. g dz. g dz.
Rys. 18.6.
Wykres wyżarzania że-
7 - g dz. z s, g dz.
liwa ciągliwego czarnego
Klasyfikacja produkowanego w Polsce żeliwa ciągliwego, ich oznaczenia i klasy-
fikację podaje norma PN-EN 1562:2000, która zastąpiła normę PN-92/H-83221. Zgod-
nie z tą normą rozróżnia się:
1) żeliwo ciągliwe białe o symbolu EN-DJMW
2) żeliwo ciągliwe czarne o symbolu EN-GJMB
Oprócz symbolu każdy gatunek żeliwa ciągliwego jest oznaczony liczbą czterocy-
frową lub pięciocyfrową, z której trzy pierwsze cyfry oznaczają minimalną wytrzy-
małoS
ć na rozciąganie w MPa, ), a jedna lub dwie następne minimalne wydłużenie
(A3) np. EN-GJMB-450-6.
3. MATERIAŁY I URZĄDZENIA
Mikroskopy metalograficzne, komplet zgładów metalograficznych, atlas metalo-
graficzny.
4. PRZEBIEG ĆWICZENIA
Ćwiczenie polega na dokładnej obserwacji zgładów różnego rodzaju surówek i że-
liw pod mikroskopem. Oglądane struktury należy starannie przerysować na arkusz
białego papieru, zwracając uwagę na poprawne pokazanie charakterystycznych cech
danej struktury. Na rysunku należy zaznaczyć składniki strukturalne, a ponadto podać
powiększenie mikroskopu, przy którym oglądano opisywaną strukturę i odczynnik,
którym próba została wytrawiona.
5. WYTYCZNE DO OPRACOWANIA SPRAWOZDANIA
Sprawozdanie z ćwiczenia winno zawierać:
1) Klasyfikację żeliw według norm,
�
t r ,
te er
164
2) Rysunki oglądanych mikrostruktur wraz z opisami.
3) Klasyfikację postaci grafitu dla próbki wybranej próbki wg PN-75/H-04661.
4) Przykłady zastosowania żeliwa ciągliwego i sferoidalnego.
6. LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA
[1] Dobrzański L.A.: Metaloznawstwo i obróbka cieplna stopów metali. Wyd.
Pol.R
l., Gliwice 1993.
[2] Gulajew A.P.: Metaloznawstwo.  R
ląsk , Katowice 1967.
[3] Polskie normy:
PN-EN 1561: 2000, PN-EN 1562: 2000, PN-EN 1563: 2000.
PN-75/H-04663: Żeliwo szare, sferoidalne i ciągliwe. Badania metalograficzne.
OkreS
lenie struktury.
[4] Rudnik S.: Metaloznawstwo. PWN, Warszawa 1986.
[5] Staub F: Metaloznawstwo. R
l.W.T., Katowice 1994.
[6] Wesołowski K: Metaloznawstwo. T. 2. WNT, Warszawa 1969.