��POLITECHNIKA SZCZECIC
SKA INSTYTUT IN{
YNIERII MATERIAA
OWEJ ZAKA
AD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA PRZEDMIOT: PODSTAWY NAUKI O MATERIAA
ACH II (Tworzywa Meta- liczne) Temat 
wiczenia: STRUKTURY ODLEWNICZYCH STOP�W {
ELAZA Celem 
wiczenia jest zapoznanie si
z og�ln
charakterystyk
|
eliw i staliw, ich klasyfika- cj
, wB
asno[
ciami u|
ytkowymi i mechanicznymi, badanie mikrostruktury, ocena skB
adnik�w struk- turalnych zgodnie z PN-/H-04661 1. WIADOMOZ
CI OG�LNE {
eliwo odlewniczy stop |
elaza z w
glem o takiej zawarto[
ci w
gla kt�ra zapewnia krzepni
cie z przemian
eutektyczn
(praktycznie 2,5 do 4.5%C), zawieraj
cy pewne ilo[
ci krzemu (do 3,5%), manganu (do 1%), fosforu (do 0,8%) i siarki (do 0,3%) pochodzenia metalurgicznego. W
giel w |
eliwach (poza osnow
) mo|
e wyst
powa
w postaci zwi
zanej jako cementyt (og�l- nie w
gliki) b
dz
w postaci wolnej jako grafit w zale|
no[
ci od czego rozr�|
nia si
: - |
eliwa szare - w
giel w postaci grafitu, - |
eliwa biaB
e - w
giel zwi
zany w cementycie, - |
eliwa poB
owiczne (pstre) z w
glem wyst
puj
cym zar�wno w postaci wolnej jak i zwi
za- nej. Struktura |
eliw zale|
y zar�wno od skB
adu chemicznego jak i szybko[
ci krystalizacji metalu, co zwi
zane jest z grubo[
ci
[
cianki odlewu, (rys.1). 7,0 6,0 5,0 4,0 10 20 30 40 50 0 grubo[

[
cianki odlewu, mm Rys.1. WpB
yw zawarto[
ci w
gla i krzemu oraz grubo[
ci [
cianki odlewu na struktur
|
eliwa szarego Pierwiastki wyst
puj
ce w |
eliwie mo|
na zestawi
wedB
ug ich wpB
ywu na zdolno[

|
eliwa do grafityzacji podczas krzepni
cia: - uB
atwiaj
ce grafityzacje  Al., C, Si, Ni, Cu, P - utrudniaj
ce grafityzacj
 W, Mn, Mo, S, Cr, V, Wa|
nym skB
adnikiem |
eliw jest fosfor, kt�ry zwi
ksza rzadkopB
ynno[

, nie oddziaB
uj
c w istot- ny spos�b na proces grafityzacji. Fosfor tworzy odr
bny skB
adnik strukturalny, potr�jn
eutektyk
fosforow
zwan
steadytem, kt�ra powi
ksza twardo[

i odporno[

|
eliwa na [
cieranie, ale przy wi
kszej ilo[
ci powoduje r�wnie|
krucho[

w niskiej temperaturze, (rys. 2). 1 Struktury odlewniczych stop�w |
elaza Zawarto[

C+Si, % f e r r y e t y c r z n e a z s p e r p l i t y c z o b n o - f e B
i r r o y a t y c z w p n B
e e r e l i t y i c z c n e z n e {
eliwa szare: Najwi
ksze zastosowanie przemysB
owe maj
jak dot
d |
eliwa szare. Grafit wyst
puje tu w postaci nieregularnych pB
atk�w r�|
nej wielko[
ci, tworz
c nieci
gB
o[
ci w osnowie metalicznej. Wytrzyma- B
o[

grafitu w por�wnaniu z osnow
mo|
na przyj

za r�wn
zeru, st
d te|
|
eliwa szare odznaczaj
si
nisk
wytrzymaB
o[
ci
na roz- ci
ganie i zginanie, przy do[

dobrej wytrzymaB
o[
ci na [
ciskanie. WytrzymaB
o[

zm
czeniowa |
eliw szarych jest r�wnie|
niewielka ze wzgl
du na obecno[

wspomnianych karb�w strukturalnych. Z Rys.2. Potr�jna eutektyka fosfo- tego te|
powodu |
eliwa szare s
r�wnie|
maB
o wra|
liwe na dziaB
a- rowa w |
eliwie szarym nie wad powierzchniowych. a) b) perlit grafit ferryt Rys.3. {
eliwo szare a) ferrytyczno-perlityczne b) perlityczne. Traw. Nital, x500. GB
�wn
zalet
|
eliwa szarego s
dobre wB
asno[
ci odlewnicze: wysoka rzadkopB
ynno[

, maB
y skurcz odlewniczy (0,6 do 1,25%), dobre wypeB
nianie wn
ki form itd. Inne zalety |
eliwa szarego zwi
zane z obecno[
ci
grafitu w strukturze to dobre wB
asno[
ci przeciwcierne, zdolno[

tB
umienia drgaD
, dobra obrabialno[

. Dodatkow
zalet
tych |
eliw jest niska cena. {
eliwa szare s
powszechnie stosowanym materiaB
em konstrukcyjnym w przemy[
le maszyno- wym, kolejowym, samochodowym (np. korpusy maszyn, pB
yty fundamentowe, pier[
cienie tB
okowe, b
bny hamulcowe, tuleje cylindrowe, armatura itd.). WB
asno[
ci wytrzymaB
o[
ciowe |
eliw szarych zale|

przede wszystkim od postaci i wielko[
ci wydzieleD
grafitu. Zmieniaj
c posta
z pB
atkowej np. na kulist
i rozdrabniaj
c wydzielenia mo|
na uzyska
znaczny przyrost Rm, R0.2 a A5 mo|
e osi
gn

poziom 20%. Odmian
|
eliw szarych s
|
eliwa modyfikowane, zawieraj
ce bardzo drobny grafit pB
atkowy, dzi
ki czemu ich wytrzymaB
o[

jest znacznie wy|
sza ni|
|
eliw zwykB
ych. Rozdrobnienie grafitu uzyskuje si
przez dodanie do |
eliwa przed odlaniem tzw. modyfikatora, najcz
[
ciej w postaci sproszkowanego |
elazokrzemu. {
eliwa sferoidalne {
eliwami sferoidalnymi nazywa si
|
eliwa, w kt�rych grafit powstaje podczas krzepni
cia w postaci kulkowej. Uzyskuje si
je w wyniku procesu modyfikacji, polegaj
cym na wprowadzeniu do metalu (bezpo[
rednio przed odlaniem) dodatku sferoidyzuj
cego w postaci magnezu, ceru, lan- tanu, wapnia itp. Struktura osnowy |
eliw sferoidalnych, podobnie jak |
eliw szarych zwykB
ych mo|
e by
ferry- tyczna, ferrytyczno-perlityczna lub perlityczna (rys. 4). c) b) a) Rys.4. {
eliwo sferoidalne z osnow
a) ferrytyczn
, b) ferrytyczno-perlityczn
, c) perlityczn
. 2 Struktury odlewniczych stop�w |
elaza Dzi
ki kulistej postaci grafitu, |
eliwa sferoidalne maj
znacznie lepsze wB
asno[
ci mechaniczne i z powodzeniem zast
puj
nie tylko staliwo lecz r�wnie|
niekt�re odkuwki stalowe. Wytwarza si
z nich takie cz
[
ci silnik�w samochodowych jak waB
y korbowe, rozrz
du, cylindry i pier[
cienie tB
o- kowe. W budowie obrabiarek |
eliwo sferoidalne wykorzystuje si
na koB
a z
bate, wrzeciona, kor- pusy itd. Sferoidyzacja powoduje zmniejszenie zdolno[
ci |
eliwa szarego do tB
umienia drgaD
. Aby za- chowa
dobre wB
asno[
ci wytrzymaB
o[
ciowe i jednocze[
nie nie straci
zdolno[
ci do tB
umienia drgaD
opracowano |
eliwa wermikularne w kt�rych grafit przyjmuje ksztaB
t po[
redni, kr
tkowy, zwichro- wany, gwiaz
dzisty. {
eliwa biaB
e {
eliwa biaB
e jako materiaB
konstrukcyjny prawie nie maj
szerszego zastosowania technicznego, natomiast powierzchniowa warstwa |
eliwa biaB
ego na |
eliwie szarym, powstaj
ca przez tzw. zabie- lenie (tj. szybkie lokalne ochB
odzenie odlewu) jest stosowana w celu zwi
kszenia odporno[
ci mate- riaB
u na [
cieranie. Zabielenie |
eliwa szarego stosuje si
czasem w przypadku mniej odpowiedzial- nych prowadnic korpus�w maszyn, bie|
ni k�B
wagonik�w roboczych itp. {
eliwo biaB
e jest materiaB
em wyj[
ciowym do wytwarzania |
eliwa ci
gliwego. a) b) Rys.5. Struktura |
eliwa biaB
ego: a) podeutektycznego b) nadeutektycznego, x500. {
eliwa ci
gliwe {
eliwami ci
gliwymi nazywa si
|
eliwa biaB
e, kt�re ulegaj
okre[
lonemu uplastycznieniu dzi
ki obr�bce cieplnej (grafityzowanie) albo cieplno - chemicznej (odw
glanie) i zawieraj
grafit w po- staci tzw. w
gla |
arzenia. Grafityzowanie polega na wy|
arzaniu w oC 950 � 1000oC przez kilkadziesi
t godzin w at- |
eliwo ci
gliwe czarne 1000 mosferze oboj
tnej. W pierwszym okresie gra- A1 fityzacji rozkB
ada si
cementyt pierwotny (z ledeburytu) i pewna cz
[

wt�rnego a|
do usta- |
eliwo ci
gliwe perlityczne lenia r�wnowagi w
gla |
arzenia i nasyconego w
glem austenitu. Dalszy rozkB
ad cementytu Czas, godz. wt�rnego jest mo|
liwy tylko przy obni|
aniu Rys.6. Schemat obr�bki cieplnej -grafityzowania |
eliwa. temperatury, poniewa|
zmniejsza si
wtedy rozpuszczalno[

w
gla w austenicie. Powolne obni|
anie temperatury do ok. Ar1 zapewnia okres po[
redniej grafityzacji, w kt�rym w
giel |
arzenia wydziela si
z austenitu. Dalszy przebieg wy|
a- rzania zale|
y od rodzaju wymaganej osnowy. W
giel |
arzenia w osnowie ferrytycznej (tzn. caB
ko- wit
grafityzacj
cementytu wt�rnego) zapewnia bardzo powolne studzenie (3 � 5oC/h) w zakresie 760 � 670oC. W
giel |
arzenia w osnowie perlitycznej zapewnia powolne chB
odzenie (50oC/h) bez- po[
rednio po zakoD
czeniu pierwszego okresu grafityzacji, a w osnowie ferrytyczno  perlitycznej  po[
rednia grafityzacja w temperaturze okoB
o 670oC przez odpowiedni czas, (rys. 6). Z powodu barwy przeB
omu |
eliwo grafityzowane o osnowie ferrytycznej nazywane jest |
eli- wem ci
gliwym czarnym, a o osnowie perlitycznej, |
eliwem ci
gliwym perlitycznym. 3 Struktury odlewniczych stop�w |
elaza temperatura a) b) Rys.7. Struktura |
eliwa ci
gliwego: a) czarnego, b) perlitycznego, x500 Zalet
grafityzowania jest jednakowa struktura na przekroju nawet znacznej grubo[
ci (rys. 7). {
eliwo ci
gliwe czarne stosowane jest na odlewy nie wymagaj
ce wi
kszej wytrzymaB
o[
ci, a przy tym tanie, jak cz
[
ci maszyn rolniczych, maszyn do szycia, artykuB
�w gospodarstwa domowego itp. {
eliwo ci
gliwe perlityczne ma zastosowanie na cz
[
ci silniej ob- ci
|
one. a) Odw
glanie polega na wy|
arzaniu w 1000oC przez kilkadzie- si
t godzin w atmosferze utleniaj
cej. W czasie wy|
arzanie nast
- puje grafityzacja oraz utlenianie w
gla z powierzchniowej warstwy odlewu. W miar
post
pu procesu tworzy si
gradient st
|
enia i w
giel z warstw podpowierzchniowych dyfunduje odrdzeniowo ulegaj
c dalszemu utlenianiu. Struktura |
eliwa odw
glonego zmie- nia si
na przekroju (rys. 8). CaB
kowite odw
glenie obserwuje si
b) na gB

boko[
ci 6 � 8 mm od powierzchni  odpowiada mu struktura ferrytyczna (rys. 8a), przechodz
ca gB

biej w ferrytyczno- perlityczn
(rys. 8b) i perlityczn
z w
glem |
arzenia (rys. 8c) w rdzeniu. Dlatego odw
glaniu nie poddaje si
odlew�w o grubo[
ci powy|
ej 12 mm. Z powodu jasnej barwy przeB
omu caB
kowicie od- w
glonego, |
eliwo takie nazywane jest |
eliwem ci
gliwym biaB
ym. Dodatni
cech
tego rodzaju |
eliwa jest dobra spawalno[

, nato- c) miast jest gorzej skrawalne od |
eliwa ci
gliwego czarnego, dlatego stosuje si
je na cienko[
cienne odlewy niezbyt mocno obci
|
one i nie wymagaj
ce wi
kszej obr�bki skrawaniem cz
[
ci maszyn, po- jazd�w mechanicznych, artykuB
�w gospodarstwa domowego itp. Rys.8. Struktura |
eliwa ci
gliwego biaB
ego, x500 {
eliwa stopowe {
eliwami stopowymi nazywa si
|
eliwa zawieraj
ce dodatkowo pierwiastki takie jak chrom, ni- kiel, molibden, aluminium, tytan, wanad, miedz
, wolfram, bor lub zwi
kszone ilo[
ci krzemu i man- ganu. Dob�r ww. pierwiastk�w oraz ich wzajemne stosunki ilo[
ciowe decyduj
o wB
asno[
ciach wytrzymaB
o[
ciowych, odporno[
ci na [
cieranie i dziaB
anie [
rodowisk korozyjnych oraz oddziaB
ywa- nie atmosfer utleniaj
cych w wysokich temperaturach. Polska Norma omawia 48 gatunk�w |
eliw stopowych podzielonych wedB
ug wB
a[
ciwo[
ci na trzy grupy: |
eliwa stopowe |
aroodporne, odporne na korozj
i odporne na [
cieranie. 4 Struktury odlewniczych stop�w |
elaza Rys.9. {
eliwo stopowe chromowe odporne na [
cieranie. Pow 100x i 500x Staliwo jest stopem |
elaza z w
glem (do ok. 1,5%) w stanie lanym, przeznaczonym na odlewy podlegaj
ce du|
ym obci
|
eniom dynamicznym. Klasyfikacja staliwa jest analogiczna jak stali. Staliwo ma du|
y skurcz odlewniczy 1,6 do 2,1% (a staliwa stopowe cz
sto wi
kszy) i wymaga temperatury odlewania 1600 � 1700oC. Z powodu du|
ej g
stopB
ynno[
ci i du|
ej jamy skurczowej formowanie odlew�w staliwnych wymaga du|
ych nadlew�w i ukB
adu wlewowego. Staliwa nisko- w
glowe (<�0,2%C) i niekt�re wysokostopowe odznaczaj
si
zB

lejno[
ci
. Struktura odlew�w mo- |
e zawiera
wady: mikrorzadzizny, p
kni
cia, p
cherze itp. Ze zwi
kszeniem zawarto[
ci w
gla lejno[

staliwa poprawia si
tak, |
e odlewanie staliwa [
rednio- i wysokow
glowego nie nastr
cza trudno[
ci, a struktura odlewu pozbawiona jest wad. WB
asno[
ci fizyczne i chemiczne staliwa praktycznie nie Rm r�|
ni
si
od wB
asno[
ci stali o takim samym skB
adzie. % MPa WB
asno[
ci mechaniczne zale|

gB
�wnie od zawarto[
ci Rm 510 w
gla i s
nieco mniejsze ni|
w przypadku stali, zwB
asz- 50 cza plastyczno[

, natomiast wytrzymaB
o[

na peB
zanie 430 40 cz
sto jest wi
ksza. MaB
a stosunkowo plastyczno[

sta- liwa wynika ze struktury dendrytycznej (segregacja C, P 30 Z i pierwiastk�w stopowych). Wad
staliwa jest silny 20 340 A wpB
yw grubo[
ci [
cianki odlewu (szybko[
ci krzepni
cia) 10 50 100 150 mm na wB
asno[
ci mechaniczne, Ze wzrostem grubo[
ci odle- grubo[

[
cianki odlewu wu zmniejsza si
zar�wno Rm, A i Z, przy czym najsil- Rys.10. WpB
yw grubo[
ci [
cianki odlewu na niejszy spadek odpowiada grubo[
ciom do ok. 75 mm wB
asno[
ci mechaniczne staliwa. (rys.10). WB
asno[
ci mechaniczne staliwa mo|
na popra- wi
obr�bk
ciepln
: ujednorodnienie, normalizowanie, odpr
|
anie a tak|
e hartowanie i odpuszczanie. Badanie struktury |
eliw szarych, sferoidalnych i ci
gliwych Obserwacj
mikrostruktury |
eliwa nale|
y przeprowadzi
pod powi
kszeniem 100-500x, zale|
- nie od rodzaju badania. Oceny struktury dokonuje si
na podstawie okre[
lenia cech gB
�wnych skB
adnik�w struktural- nych omawianych |
eliw tj.: grafitu i osnowy metalowej wg PN-/H-04661. Badanie grafitu na zgB
adach nietrawionych obejmuje ocen
: - ksztaB
tu - wielko[
ci wydzieleD
- rozmieszczenia Ocen
wielko[
ci wydzieleD
grafitu przeprowadza si
na podstawie [
redniej dB
ugo[
ci lub [
redni- cy trzech najwi
kszych wydzieleD
w polu widzenia zgB
adu i co najmniej w trzech miejscach na zgB
adzie. Wyniki podaje si
w mikrometrach. Badanie osnowy metalowej obejmuje: - rodzaj osnowy (powi
kszenie 500x) - ilo[

perlitu lub ferrytu w procentach (pow. 100x i co najmniej 3 miejsca na zgB
adzie). 5 Struktury odlewniczych stop�w |
elaza wydB
u|
enie / przew
|
enie Badanie struktury |
eliw biaB
ych Badanie struktury polega na opisie skB
adnik�w strukturalnych badanych stop�w. Zgodnie z ukB
adem r�wnowagi Fe-Fe3C, w zale|
no[
ci od zawarto[
ci w
gla wyr�|
niamy |
eliwa biaB
e: Rodzaj |
eliwa biaB
ego SkB
adniki struktury podeutektyczne (poni|
ej 4,3% C), perlit, ledeburyt przemieniony eutektyczne (4,3% C), ledeburyt przemieniony ledeburyt przemieniony, cementyt nadeutektyczne (powy|
ej 4,3% C). pierwotny Badanie struktury staliw w
glowych Badanie struktury polega na opisie skB
adnik�w strukturalnych badanych staliw. 2. PRZEBIEG 
WICZENIA 1) przygotowanie mikroskopu metalograficznego do badaD
2) obserwacj
nie trawionych zgB
ad�w pr�bek |
eliwa szarego, celem oceny ksztaB
tu, wielko[
ci i rozmieszczenia wydzieleD
grafitu, 3) narysowanie i opisanie zgodnie z Polsk
Norm
zaobserwowanych wydzieleD
grafitu, 4) obserwacj
wytrawionych zgB
ad�w pr�bek |
eliwa szarego, sferoidalnego i ci
gliwego, ce- lem oceny osnowy metalowej, 5) ocena obecno[
ci wtr
ceD
eutektyki fosforowej w |
eliwach szarych, 6) narysowanie i opisanie zgodnie z Polsk
Norm
zaobserwowanych mikrostruktur 7) obserwacj
, narysowanie i opisanie wytrawionych zgB
ad�w pr�bek |
eliwa biaB
ego 8) obserwacj
, narysowanie i opisanie wytrawionych zgB
ad�w pr�bek staliwa w
glowego Sprawozdanie Sprawozdanie z 
wiczeD
powinno zawiera
1. kr�tka charakterystyka badanych |
eliw 2. opisane rysunki wydzieleD
grafitu i mikrostruktur 3. wnioski 3. PYTANIA KONTROLNE 1. Definicja |
eliwa, staliwa 2. PodziaB
i zastosowanie |
eliw 3. Posta
wyst
powania w
gla i grafitu w |
eliwach 4. WpB
yw struktury (rodzaju grafitu, osnowy metalowej) na wB
asno[
ci mechaniczne |
eliw sza- rych 5. WpB
yw skB
adu chemicznego na struktur
|
eliw 6. Rola fosforu w |
eliwach szarych 7. Por�wnanie wB
asno[
ci mechanicznych staliw i stali 8. WpB
yw grubo[
ci [
cianki odlewu na wB
asno[
ci mechaniczne staliw SPIS LITERATURY 1. Podrzucki Cz., {
eliwo, Wyd. ZG STOP, Krak�w 1991 2. Prowans St., MateriaB
oznawstwo, PWN, W-wa-PoznaD
, 1977 3. Ciszewski A., Radomski T., Szummer A., Metalowe Tworzywa Konstrukcyjne, Wyd. Po- lit.Warszawskiej, W-wa 1993 4. Kosowski A., Metaloznawstwo Stop�w Odlewniczych. Wyd.AGH, Krak�w 1996. 5. PrzybyB
owicz K., Metaloznawstwo. WNT, W-wa 1996. 6. WesoB
owski K., Metaloznawstwo i Obr�bka Cieplna. WNT, W-wa 1981. 6 Struktury odlewniczych stop�w |
elaza 7. Metaloznawstwo, praca zb. pod red. F.Stauba., Z
l
skie Wyd.Techn., Katowice 1994. 8. PN-75/H-04661 {
eliwo szare, sferoidalne i ci
gliwe. Badania metalograficzne. Okre[
lanie mikrostruktury. 9. PN-EN ISO 945:1999 {
eliwo. Okre[
lanie cech wydzieleD
grafitu 10. PN-EN 1561:2000 {
eliwo szare 11. PN-EN 1562:2000 {
eliwo ci
gliwe 12. PN-EN 1563:2000 {
eliwo sferoidalne 7 Struktury odlewniczych stop�w |
elaza