Żeliwa - Notatki - Materiałoznastwo, Notatki z Materiały inżynieryjne

Pobierz Żeliwa - Notatki - Materiałoznastwo i więcej Notatki w PDF z Materiały inżynieryjne tylko na Docsity! Ż e l i w a b ia ł e połowiczne szare sferoidalne ciągliwe Rys. 5.1. Klasyfikacja żeliwa ze względu na postać zawartego węgla 5. ŻELIWA Żeliwa są to stopy żelaza z węglem i innymi pierwiastkami, o zawartości węgla powyżej 1,7% (zazwyczaj w zakresie 2—5%C), przeznaczone na odlewy. Otrzymuje się je przez stopienie w żeliwiaku surówki wielkopiecowej z dodat- kiem złomu żeliwnego lub stalowego oraz żelazostopów. Ze względu na skład chemiczny żeliwa dzieli się na niestopowe i stopowe. Żeliwa niestopowe zawierają do 3,5% Si, do 1% Mn, poniżej 0,8%P i poniżej 0,3%S. Żeliwa stopowe posiadają celowo wprowadzone dodatki stopowe: Cr, Si, Ni i inne, dla nadania specjalnych właściwości, np. żaroodporności czy odporności na korozję. Żeliwa klasyfikuje się również w zależności od postaci węgla, który może występować jako: • grafit, • cementyt. Żeliwa zawierające węgiel tylko w postaci związanej czyli cementytu to żeliwa białe, natomiast żeliwa zawierające węgiel głównie w postaci wolnej, czyli grafitu, to żeliwa szare, sferoidalane i ciągliwe. Ponadto w pewnych częściach odlewu węgiel może występować głównie w postaci grafitu, w innych zaś - w postaci cementytu. Żeliwa takie nazywa się połowicznymi lub pstrymi. Podział żeliw oparty na tej zasadzie zawiera PN-80/H-01552. Schematycznie został on przedstawiony na rys. 5.1. podeutektyczne czarne eutektyczne perlityczne nadeutektyczne białe docsity.com 68 5.1. Struktury żeliw Żeliwa charakteryzują się różnorodną strukturą, decydującą o zastosowa- niu stopów. 5.1.1. Struktury żeliw białych Żeliwo białe zawdzięcza swą nazwę matowo-białej barwie przełomu. Jego struktura uzależniona jest od zawartości węgla. Ponieważ cały węgiel znaj- dujący się w żeliwie białym jest związany w cementycie, więc strukturę tych stopów analizujemy na bazie układu Fe-Fe3C. Żeliwa zawierające do 4,3 %C mają strukturę podeutektyczną, zawierające 4,3%C - eutektyczną, a ponad 4,3 %C - nadeutektyczną, co przedstawiono schematycznie na rys. 5.2. Struk- turę jednego z żeliw - białego podeutektycznego pokazano na fot. 5.1. Rys. 5.2. Podział żeliw białych według struktury 5.1.2. Struktury żeliw z grafitem Żeliwa z grafitem posiadają w przełomie barwę szarą wskutek obecności wolnego węgla. Grafit, osnowa metaliczna oraz fazy zawierające fosfor i siarkę są głównymi składnikami struktury tych żeliw, rys. 5.3. Ze względu na strukturę osnowy metalicznej żeliwa z grafitem dzieli się na: ■ perlityczne (fot. 5.2), których strukturę tworzy perlit z wydzielinami grafitu. Perlit zawiera 0,77%C, więc w żeliwie perlitycznym ilość węgla związanego wynosi 0,77%C. Reszta węgla występuje w stanie wolnym, tj. w postaci grafitu, ■ perlityczno-ferrytyczne (fot. 5.3), których struktura składa się z ferrytu, perlitu i wydzieleń grafitu, a ilość węgla związanego jest mniejsza od 0,77%C, ■ ferrytyczne (fot. 5.4), których osnowę metaliczną stanowi ferryt (zaw. węgla - 0,008 %C), zaś prawie cały węgiel zawarty w stopie jest pod postacią grafitu. Przedstawiona struktura żeliw z grafitem, a właściwie ich osnowa metalicz- na jest podobna do kolejnych struktur stali eutektoidalnej, podeutektoidalnej i żelaza technicznego. Zatem pod względem struktury żeliwa z grafitem różnią się od siali tylko tym, że występują w nich wydzielenia grafitu, decydujące o ich specyficznych właściwościach. Ż e l i w a b i a ł e podeutektyczne ledeburyt przem. perlit, Fe3CII eutektyczne ledeburyt przem. nadeutektyczne ledeburyt przem. Fe3CI docsity.com Z aw ar to ść C ,% Żeliwo białe Żeliwo szare perlityczne Żeliwo szare ferrytyczno- perlityczne 3 4 Żeliwo połowiczne O 1 2 3 4 5 6 7 2 1 Żeliwo szare ferrytyczne 71 Rys. 5.5. Wykres Maurera wskazujący rodzaj struktury, jaka powinna powstać w odlewie żeliwnym o grubości 50 mm w zależności od zawartości węgla i krzemu Ad. 2. Warunki nagrzewania i chłodzenia Krzepnięcie żeliwa może zachodzić według układu Fe-Fe3C lub Fe-grafit, przedstawionego szkicowo na rys. 5.6. W układzie Fe-grafit temperatury przemian są nieco wyższe, a punkty krytyczne nieco przesunięte w lewo w stosunku do układu Fe-Fe3C. Zamiast cementytu występuje tam grafit. Wydzielanie się cementytu z austenitu lub roztworu ciekłego przebiega łatwiej niż wydzielanie grafitu, lecz termodynamicznie bardziej stabilna jest mieszanina austenitu z grafitem niż austenitu z cementytem. Poniżej tem- peratury przemiany L→Fe α + Fe3C, 1147°C, krystalizacja przebiega z wy- tworzeniem cementytu, zaś wygrzewanie w temperaturze 1147—1153°C powo- duje tworzenie się mieszaniny austenitu i grafitu (rys. 5.7). Analogicznie przebiegają procesy przy rozkładzie austenitu na mieszaninę ferrytu i cemen- tytu lub ferrytu z grafitem. Ponieważ temperatura 727°C jest temperaturą przemiany Feγ → Feα + Fe3C, a temperatura przemiany Feγ → Feα + Cgrafit jest wyższa i wynosi 738°C, zatem w zakresie 738 — 727°C austenit może się rozkładać jedynie na mieszaninę ferrytu i grafitu zgodnie z warunkami termodynamicznymi. Grafit powstaje więc z cieczy podczas chłodzenia w wąskim zakresie temperatur między liniami wykresów równowagi stabilnej i niestabilnej, tj. gdy przechłodzenie, a zatem i szybkości chłodzenia są małe. Cementyt natomiast powstaje podczas szybkiego chłodzenia. Wydzielanie się grafitu z fazy ciekłej lub z austenitu przebiega powoli, gdyż praca potrzebna do utworzenia zarodka grafitu jest znaczna, a rozrost Z a w a r t o ś ć Si,% docsity.com Rys. 5.6. Układ Fe-C; linia ciągła - układ żelazo - cementyt, linia przerywana - układ żelazo - grafit Rys. 5.7. Zmiana energii swobodnej ciekłego stopu (FL) i mieszaniny austenit + cementyt (FA+C) oraz mieszaniny austenit + grafit (FA+G) ze zmianą temperatury kryształów wymaga intensywnej dyfuzji węgla. Stąd wniosek, że powstawanie grafitu w stopach żelaza z węglem, zachodzące w warunkach małych prędkości chłodzenia, byłoby zjawiskiem dość rzadkim, gdyby nie to, że roztopione 72 docsity.com 73 żeliwo zawiera w postaci zawiesiny) bardzo drobne cząstki wtrąceń stałych, w tym również cząstki grafitu. Są one zarodkami krystalizacji, na których osadzają się atomy węgla tworzące kryształy grafitu. Znaczne przegrzanie żeliwa powyżej temperatury topnienia powoduje rozpuszczanie tych cząstek, zwiększając tendencję do krzepnięcia żeliwa jako białego. Wprowadzenie natomiast do żeliwa różnego rodzaju dodatków (patrz niżej ad. 3) może doprowadzić do powstania licznych zarodków krystalizacji grafitu. Wpływ szybkości chłodzenia na strukturę żeliwa ilustruje wykres Greine- ra-Klingenstein'a, przedstawiający zależność struktury żeliwa od grubości ścianki (decydującej o szybkości chłodzenia) i łącznej zawartości węgla i krzemu. Z praktyki wiadomo, że żeliwo w jednym odlewie może mieć różne struktury. W cienkich częściach odlewu i w warstwach leżących przy powierz- chni stopień grafityzacji jest mniejszy niż w częściach grubszych i w rdzeniu odlewu. Inaczej mówiąc, w miejscach, gdzie szybkość chłodzenia jest większa, tworzy się więcej cementytu, tam zaś, gdzie żeliwo chłodzi się wolniej, powstaje więcej grafitu. Znajduje to potwierdzenie na wykresie Greinera-Klingensteina. Służy on do orientacyjnej oceny struktury żeliwa w odlewie o znanej zawartości węgla i krzemu oraz danych grubościach ścianek. Z wykresu tego (rys. 5.8) wynika, że bardzo duże szybkości chłodzenia powodują powstanie żeliwa białego lub połowicznego, mniejsze - żeliw z grafitem o osnowie od perlitycznej do ferrytycznej. Rys. 5.8. Wykres Greinera-Klingenstein'a. Zależność struktury żeliwa od grubości ścianki odlewu i łącznej zawartości węgla i krzemu Z a w a rt o ść C + S i. % 7 Żeliwo szare ferrytyczne Grubość ścianki, mm5025 6 5 4 Ż e li w o b ia łe Ż . p oł ow ic zn e Żeliwo szare perl i tyczne Żeliwo sza re ferrytyczno- perlityczne docsity.com N ap rę że ni e a) b) a) b) Rys. 5.9. Wpływ kształtu wydzieleń grafitu na rozkład naprężeń rozciągających na przekroju próbki z żeliwa z grafitem: a) płatkowym, b) sferoidalnym Rys. 5.10. Tłumienie drgań: a) w żeliwie szarym, b) w stopie aluminium Wydzielenia grafitu są z jednej strony szkodliwe, a z drugiej nadają żeliwom pewne niezwykle cenne właściwości, których nie posiada stal, czyniąc je lepszym tworzywem do określonych zastosowań. Grafit nadaje żeliwom następujące, korzystne właściwości technologiczne i użytkowe: • dobrą skrawalność, gdyż zwiększa łamliwość wióra, • dobre tłumienie wibracji i drgań (rys. 5.10), gdyż grafit, szczególnie płatkowy, przeciwdziała odkształceniom sprężystym, • dobre właściwości odlewnicze - mały skurcz i dobre wypełnianie formy, • małą wrażliwość na wady powierzchniowe i karby (gwałtowne zmiany przekroju, podcięcia), gdyż żeliwo zawiera karby wewnętrzne w postaci wydzieleń grafitu, 76 docsity.com • dobre właściwości przeciwcierne. Wykruszony podczas tarcia dwóch powie- rzchni grafit miesza się ze smarem, polepszając właściwości smarne, a puste miejsca w osnowie metalicznej, pozostałe po wykruszeniu grafitu, służą za awaryjne zbiorniki smaru, mogące zasilać powierzchnie trące w nieprzewi- dzianych okolicznościach. Skąd zastosowanie żeliwa szarego na pierścienie tłokowe, tuleje cylindrowe i panewki łożysk ślizgowych. Fazy zawierające fosfor i siarkę Eutektyka fosforowa jest składnikiem twardym (650— 800 HB). Osadzona w dostatecznie wytrzymałym podłożu, np. perlitycznym, zwiększa odporność na ścieranie powierzchni odlewów. Korzystna w takim wypadku zawartość fosforu wynosi 0,3%. Większa jego ilość znacznie podnosi kruchość żeliwa. Eutektyka fosforowa osadzona w miękkiej osnowie ferrytycznej jest szkodliwa, gdyż łatwo się, wykrusza powodując intensywne ścieranie po- wierzchni. Zwiększona zawartość fosforu w żeliwie poprawia właściwości odlewnicze, zapewniając lepsze wypełnianie formy. Żeliwa o zawartości fosforu do 1% używa się więc na odlewy o skomplikowanych kształtach lub cienkich ściankach: wanny, zlewozmywaki, posągi, kraty. Siarczki pogarszają jakość żeliwa, zwiększając skłonność do wydzielania pęcherzy gazowych i tworzenia jam skurczowychoraz zwiększając gęstopłyn- ność ciekłego żeliwa. Dlatego zawartość siarki musi być ograniczona do 0,15%. 77 5.2. Gatunki, właściwości, zastosowanie żeliw 5.2.1. Żeliwa białe Żeliwa białe są twarde i kruche, nie nadają się do obróbki skrawaniem, mają jednak dobre właściwości odlewnicze i wysoką odporność na ścieranie. Stosowane są więc na walce drogowe, okładziny sprzęgieł, śrut do bębnowego oczyszczania, kule do młynów, ślimaki mieszalników, przenośniki materiałów sypkich. Często zamiast żeliwa białego na całym przekroju stosuje się żeliwo utwardzone (zabielone) o bardzo twardej Warstwie wierzchniej z żeliwa białego i tłumiącym drgania rdzeniu z żeliwa szarego. Zróżnicowaną strukturę uzys- kuje się dzięki wstawieniu metalowych ochładzalników przy powierzchni formy dla zwiększenia prędkości chłodzenia danych części odlewu. Takie żeliwa stosuje się na łoża obrabiarek, walce do walcowania metali, walce młyńskie oraz do produkcji kół wagonowych. Żeliwa białe są również stosowane jako materiał wyjściowy do uzyskania odlewów z żeliwa ciągli- wego. docsity.com 78 5.2.2. Żeliwa szare Żeliwa szare zawierają grafit w postaci płatkowej (gwiazdkowej lub krętkowej) w osnowie metalicznej ferrytycznej, ferrytyczno-perlitycznej lub perlitycznej. Podstawą klasyfikacji żeliw szarych, stosowanej przez PN-86/H-83101, jest minimalna wytrzymałość na rozciąganie Rm w MPa (mieszcząca się w przedziałach co 50 MPa, zaczynając od 100 MPa aż do 350 MPa), podawana w symbolu żeliwa po znaku Zl, np. Z1200 (badania przeprowadza się na próbkach o średnicy do == 20 mm wytoczonych z od- lanego pręta o średnicy 30 mm). Wydłużenie i przewężenie żeliw szarych podaje się rzadko, gdyż są bliskie zeru.' Symbolem Z1X oznacza się tzw. żeliwo handlowe bez zagwarantowanej wytrzymałości, przeznaczone na odlewy poddawane minimalnym obciążeniom mechanicznym w trakcie eksploatacji. Właściwości wytrzymałościowe żeliwa szarego uzależnione są głównie od rodzaju osnowy metalicznej oraz wydzieleń grafitu. Na podstawie danych zawartych w tablicy 5.1 można więc określić w przybliżeniu gatunek żeliwa szarego w zależności od struktury jego osnowy metalicznej. W tablicy 5.2 podano gatunki i symbole żeliw szarych oraz odpowiadające im zastosowania. Żeliwa o symbolach Z1300 i Z1350 należą do grupy żeliw modyfikowanych wysokojakościowych, otrzymywanych w sposób szczególny, opisany w rozdz. 5.1.3. Skład wsadu jest tak dobrany, że bez modyfikacji żeliwo krzepłoby jako białe. Żeliwo modyfikowane posiada osnowę perlityczną o dużej dyspersji i bardzo dużą ilość małych płatków grafitu, co wpływa na zwiększenie wytrzymałości, a w konsekwencji na obniżenie ciężaru i wielkości części maszyn. Modyfikacja poprawia też odporność na ścieranie, korozję i działanie podwyższonych temperatur oraz zmniejsza wpływ grubości odlewu na właś- ciwości wytrzymałościowe. Żeliwo modyfikowane ma też szczególnie duże zdolności tłumienia drgań, co ma znaczenie przy zastosowaniu go na wały wykorbione, koła zębate, gąsiennice ciągników, tłoki, tuleje i inne części maszyn narażone na obciążenia dynamiczne. Wytrzymałość żeliwa modyfikowanego bez obróbki cieplnej lub dodatków stopowych może dochodzić do 450 MPa, zaś przez obróbkę cieplną można tę granicę podwyższyć do 600 MPa. Na fot. 5.2¸5.3 przedstawiono struktury żeliwa szarego ferrytyczno-perlitycznego i perlitycznego. 5.2.3. Żeliwa sferoidalne Żeliwo sferoidalne otrzymano po raz pierwszy w 1949 roku. Do jego produkcji stosuje się wsad skłonny do zakrzepnięcia jako żeliwo szare, ale o bardzo małej ilości zanieczyszczeń siarką. docsity.com T em p er at u ra , °C 1000 2 3 800 A1 5 600 400 200 1 10 + 15 15 6 Czas , h 30 10 8 7 I II 4 b a 6 A1 (Fe-grafit) 81 obróbce cieplnej (grafityzacji) lub cieplno-chemicznej (grafityzacji i odwęg- leniu), mającej na celu jego uplastycznienie. Żeliwo uzyskane w wyniku takich zabiegów nazywa się żeliwem ciągliwym. Zgodnie z normą (PN-92/H-832221), żeliwo ciągliwe oznacza się literą: • B - żeliwo ciągliwe czarne, • P - żeliwo ciągliwe perlityczne, • W - żeliwo ciągliwe białe. Następnie w oznaczeniu umieszcza się minimalną wytrzymałość na rozciąganie w MPa, podzieloną przez 10, i minimalne wydłużenie, zmierzone na próbce o średnicy 12 mm. Dla przykładu W 40 — 05 oznacza żeliwo ciągliwe białe o minimalnej wytrzymałości na rozciąganie 400 MPa i minimalnym wy- dłużeniu A3 = 5%. Żeliwa ciągliwe czarne Proces otrzymywania odlewów z żeliwa ciągliwego czarnego polega na wyżarzaniu odlewów z żeliwa białego w atmosferze obojętnej. Czynnikami, które powodują zmianę struktury odlewów, są tu temperatura i czas. Schemat procesu obróbki cieplnej odlewów dla otrzymania żeliwa ciągliwego czarnego (o osnowie ferrytycznej) i perlitycznego (o osnowie perlitycznej) pokazano na rys. 5.11. Materiałem wyjściowym jest żeliwo białe podeutektyczne o struk- turze ledeburytu przemienionego, perlitu i cementytu wtórnego pkt. 1). Po nagrzaniu żeliwa do temperatury Ac1 perlit przemienia się w austenit, ledeburyt przemieniony - w ledeburyt, a w temperaturach wyższych cementyt rozpuszcza się do pewnego stopnia w austenicie. W temperaturze wyżarzania (950 —1000°C) cementyt (również zawarty w ledeburycie) ulega rozkładowi (grafityzacji) na węgiel żarzenia i austenit. Po dostatecznie długim czasie (pkt. 3) stop uzyskuje strukturę austenitu i grafitu (węgla żarzenia). Dalszy etap procesu to chłodzenie stopu do temperatury nieco powyżej Ar1 (ok. 760°C), dla wydzielenia cementytu wtórnego z austenitu (pkt. 5), a następnie powolne Rys. 5.11. Przebieg wyżarzania odlewów żeliwa białego w celu uzyskania żeliwa ciągliwego; a - żeliwo czarne, b - żeliwo perlityczne docsity.com Gatunek żeliwa Żeliwo ciągliwe czarne (ferrytyczne) Żeliwo ciągliwe perlityczne Żeliwo ciągliwe białe Znak gatunku B 30-06 P 45 -06 P 5 5 - 0 4 P 65 -02 P 70 -02 W 3 5 - 0 4 W 3 8 - 1 2 W 4 0 - 0 5 W 45-07 Struktura ferryt z grafitem (węglem żarzenia) perlit z grafitem (węglem żarzenia) blisko brzegu ferryt, głębiej ferryt z węglem żarzenia, przecho- dzący w perlit i ferryt z grafitem w postaci węgla żarzenia Zastosowanie Części maszyn do szycia i zmechani- zowanego sprzętu gospodarstwa domo- wego, elementy samochodów i ma- szyn rolniczych nie wymagające od- porności na ścieranie, ale o dobrej obrabialności (kartery silnika, skrzyn- ki biegów) Koła zębate, koła rozrządu, wały korbowe, łańcuchy transporterów. Tłoki i pierścienie tłokowe, korbowo- dy, przewody Cardana Piasty do kół, pedały, części zamków do drzwi, klucze, łączniki do rur, części przewodów hamulcowych, armatura w taborze kolejowym (główki łącznikowe, korpusy zawo- rów) 82 chłodzenie do temperatury około 679°C (pkt. 6), pozwalające na rozkład cementytu na węgiel żarzenia. W tym samym czasie austenit przemienia się w mieszaninę ferrytu i cementytu kulkowego, a następnie ferrytu i węgla żarzenia w wyniku grafityzacji cementytu (pkt. 6). Otrzymane żeliwo o struk- turze ferrytu z węglem żarzenia (fot. 5.14) nosi nazwę żeliwa ciągliwego czarnego. Nazwa pochodzi stąd, że przełom odlewów z tego stopu odznacza się czarną, jedwabistą barwą. Gatunki i zastosowanie żeliw ciągliwych czarnych przedstawiono w tablicy 5.4. Żeliwo ciągliwe perlityczne Innym rodzajem żeliwa ciągliwego o zwiększonej wytrzymałości w stosun- ku do żeliwa czarnego jest żeliwo perlityczne. Żeliwo to można otrzymać kilkoma sposobami. Jednym z nich jest wyżarzanie odlewów z żeliwa białego zgodnie ze schematem przedstawionym na rys. 5.11, krzywa b. Ciągłe chłodze- nie od temperatury 1000°C do temperatury poniżej Ar1 powoduje wydzielenie się cementytu wtórnego z austenitu i przemianę austenitu w perlit (pkt 4 na rys. 5.11). Wytrzymanie w tej temperaturze przez pewien czas powoduje Tablica 5.4 Gatunki żeliw ciągliwych, wg PN-92/H-83221, i ich zastosowanie docsity.com 83 grafityzację cementytu wtórnego. Czas jest zbyt krótki, aby uległ grafityzacji cementyt zawarty w perlicie. Strukturą końcową jest więc perlit i węgiel żarzenia (pkt. 8 na rys. 5.11, fot. 5.15). Gatunki i zastosowanie żeliw ciągliwych perlitycznych przedstawiono w tabeli 5.4. Żeliwa ciągliwe białe Proces otrzymywania odlewów z żeliwa ciągliwego białego jest podobny jak w wypadku żeliwa ciągliwego czarnego, z tą różnicą, że wyżarzanie przeprowadza się w atmosferze odwęglającej. Prowadzi to do grafityzacji cementytu, a następnie do odwęglenia powierzchniowej warstwy odlewu. W miarę postępu zabiegu wydłużenie drogi dyfuzji doprowadza do zahamowa- nia procesu. W rezultacie odwęglenie następuje w warstwie powierzchniowej o grubości do ok. 6 mm. Skutkiem tego struktura jest zróżnicowana na przekroju odlewu (fot. 5.16). W zewnętrznej warstwie występuje czysty ferryt, głębiej ferryt z węglem żarzenia, a w rdzeniu perlit z węglem żarzenia. Przełom żeliwa ciągliwego białego jest jasny i błyszczący, stąd jego nazwa. Ze względu na zróżnicowanie struktury i właściwości na przekroju odlewu żeliwo ciągliwe białe stosuje się jedynie dla odlewów cienkościennych o grubo- ści nie większej niż 20 — 25 mm, nie podlegających większym obciążeniom. Przykłady zastosowań przedstawiono w tablicy 5.4. docsity.com