Żeliwa

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 grafity. 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 żeliwniakami. 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. Odlewu 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:

o żeliwo szare zwykłe,

o żeliwo modyfikowane,

o 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 ausenit, 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

o żeliwo ciągliwe białe (odwęglone)

o żeliwo ciągliwe czarne (nie odwęglone), 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 ziarn 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.