1. WIADOMOŚCI  PODSTAWOWE

Podstawą do omawiania stopów żelaza jest przedstawiony na rys. l układ równowagi fazowej żelazo - cementyt i żelazo - grafit.

Rys.1. Układ żelazo-cementyt i żelazo-grafit

 

Żeliwa są to stopy żelaza z węglem o teoretycznej zawartości Od 2 do 6,67 % węgla. Poza tym stopy te zawierają jeszcze: Si,Mn,P i S, a niekiedy także dodatki stopowe jak: Ni,Cr,Mo,Al i inne. Żeliwa otrzymuje się przez przetopienie surówki z domieszka złomu żeliwnego i stalowego w piecach szybowych - żeliwiakach, płomiennych albo elektrycznych.

Żeliwa można ogólnie podzielić na kilka gatunków, które różnią się postacią w jakiej występuje w nich węgiel.

Żeliwo białe.

Żeliwo białe jest to żeliwo, w którym cały węgiel występuje w  połączeniu z żelazem w postaci cementytu Fe3C, dlatego też przełom tych żeliw jest jasny. W zależności od zawartości węgla i struktury rozróżnia się następujące rodzaje żeliw białych:

1) żeliwa podeutektyczne o zawartości 2 -  4,3 % C;  składniki strukturalne takich żeliw to: perlit, cementyt wtórny, ledeburyt przemieniony.

2) żeliwa eutektyczne o zawartości 4,3 % C; struktura tych żeliw składa się, tylko z ledeburytu przemienionego.

3) żeliwa nadeutektyczne o zawartości powyżej 4,3 % C; struktura tych żeliw składa się z cementytu pierwotnego na tle ledeburytu przemienionego.

Z uwagi na duża, zawartość wolnego cementytu żeliwa białe są bardzo twarde  oraz kruche i praktycznie  nieskrawalne. Z tego powodu są one stosowane do dalszego przerobu na żeliwa ciagliwe.

Żeliwo szare.

Żeliwo szare jest to żeliwo, w którym cały węgiel lub jego część występuje w postaci wolnej - grafitu, dlatego przełom tych żeliw jest matowoszary. Ilość  węgla związanego (Fe3C) może wahać się w granicach od zera do zawartości eutektoidalnej. Mikrostruktura żeliwa szarego posiada następujące składniki strukturalne: osnowę metaliczna, grafit, eutektyke, fosforowa oraz wtrącenia niemetaliczne. W zależności 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 stosowane. Jak widać, osnowa metaliczna żeliwa szarego jest podobna do stali.

Grafit nadaje żeliwu pewne cechy specjalne, których nie posiadają inne materiały metalowe. W żeliwie szarym występuje on w postaci płatków. Dzięki jego obecności żeliwo szare jest materiałem odpornym na ścieranie, mało wrażliwym na działanie karbów zewnętrznych, oraz ma największą zdolność pochłaniania drgań spośród wszystkich stopów żelaza. Grafit ma zdolność  pochłaniania smaru i utrzymywania go na powierzchni trącej. Stad  zastosowanie żeliwa szarego na pierścienie tłokowe, tłoki, panewki, tuleje cylindrowe.

Proces tworzenia się grafitu z cieczy  podczas  krystalizacji żeliwa, jak i tworzenie się jego w stanie stałym z cementytu nazywa się grafityzacją. Zasadniczą rolę w procesie grafityzacji w żeliwach szarych odgrywają występujące w nich składniki chemiczne.

Węgiel oraz krzem sprzyjają grafityzacji. Na rysunku 2 przedstawiony jest wykres zależności struktury odlewu żeliwnego od zawartości węgla i krzemu, tzw. wykres Maurera.

Rys.2. Wykres przedstawiający zależność struktury odlewu żeliwnego (o grubości ścianki 50 mm) od zawartości węgla i krzemu  w żeliwie:

I - żeliwo białe.

II - żeliwo szare perlityczne.

III - żeliwo szare ferrytyczne.

Przez odpowiedni dobór zawartości węgla i krzemu można regulować stopień grafityzacji oraz wpływać na strukturę osnowy metalicznej. Mangan oraz siarka  przeciwdziałają grafityzacji czyli sprzyjają zabielaniu żeliwa. Fosfor podnosi rzadkopłynność żeliwa a w strukturze występuje w postaci potrójnej eutektyki fosforowej Fe3C –Fe3P - austenit, zwanej steadytem. Eutektyka ta jest twarda i krucha, dlatego powinna być rozmieszczona równomiernie w postaci drobnych wydzieleń. Podnosi ona odporność żeliwa na ścieranie.

Aby w sposób przybliżony przewidzieć w praktyce strukturę, jaką będzie  miał  odlew żeliwny zależnie od łącznej zawartości węgla i krzemu, chłodzony z  określoną szybkością zależną od grubości ścianki, można posłużyć się tzw. wykresem Greinera przedstawionym na rysunku 3.

Rys.3. Wykres przedstawiający zależność struktury odlewu żeliwnego od łącznej  zawartości  węgla i krzemu oraz od grubości ścianki:

I - żeliwo białe,

II - żeliwo szare perlityczne,

III - żeliwo szare ferrytyczne.

 

Aby uzyskać w strukturze żeliwa szarego grafit rozdrobniony i rozłożony równomiernie, stosujemy metodę, modyfikacji żeliwa. Modyfikowanie żeliwa polega na dodaniu modyfikatora (żelazo-krzem, wapnio-krzem, aluminium lub mieszanina tych składników) na rynnę spustowa lub do kadzi przy odlewaniu żeliwa. Struktura po modyfikacji nadaje żeliwu wysokie własności wytrzymałościowe.

Żeliwo sferoidalne.

Żeliwem sferoidalnym nazywamy żeliwo, w którym grafit ma kształt zbliżony do kulistego. Ta postać grafitu jest najkorzystniejsza, gdyż mniej osłabia osnowę metaliczna żeliwa od płatkowej. Żeliwo takie otrzymuje się przez dodanie do ciekłego żeliwa o określonym składzie chemicznym ceru lub magnezu.

Podstawowymi składnikami struktury osnowy metalicznej żeliwa sferoidalnego są perlit i ferryt. Oprócz struktury perlitycznej lub ferrytycznej występuje często struktura pośrednia, ferrytyczno-perlityczna.

Żeliwa sferoidalne znalazły szerokie zastosowanie w przemyśle budowy maszyn zastępując staliwo, stal i żeliwo ciągliwe. Z żeliwa sferoidalnego wykonuje się takie odpowiedzialne części maszyn jak:

wały korbowe do samochodów i traktorów, koła zębate, wirniki, pierścienie tłokowe. Żeliwo sferoidalne można obrabiać cieplnie.

Żeliwo ciągliwe.

Żeliwo ciągliwe otrzymuje się przez długotrwałe wyżarzanie grafityzujące odlewów wykonanych z żeliwa białego. Na rysunku 4 przedstawiono przebieg wyżarzania żeliwa białego w celu otrzymania żeliwa ciągliwego.

Rys.4. Przebieg wyżarzania żeliwa białego w celu otrzymania żeliwa ciągliwego o podłożu ferrytycznym (linia ciągła) i żeliwa ciągliwego o podłożu perlitycznym lub mieszanym ferrytyczno-perlitycznym (linia przerywana).

 

W czasie wyżarzania następuje rozkład cementytu na austenit względnie ferryt i wolny węgiel zwany węglem żarzenia. Węgiel żarzenia ma kształt zaokrąglonych skupień na tle osnowy metalicznej. Taka postać występowania grafitu zmniejsza nieciągłość osnowy i dlatego żeliwo ciągliwe wykazuje dobrą plastyczność.

 

Zależnie od atmosfery wyżarzania rozróżnia się żeliwo ciągliwe czarne (o czarnym przełomie), którego wyżarzanie przeprowadza się w atmosferze obojętnej oraz żeliwo ciągliwe białe (o białym przełomie), którego proces żarzenia odbywa się w atmosferze utleniającej.

Pod wzglądem strukturalnym żeliwo ciągliwe można podzielić na trzy grupy;

a) żeliwo ciągliwe ferrytyczne, którego struktura składa się z wydzieleń węgla żarzenia równomiernie rozłożonych w osnowie ferrytycznej.

b) żeliwo ciągliwe ferrytyczno-perlityczne o strukturze zawierającej wtrącenia węgla żarzenia, otoczone ferrytem na tle perlitu.

c) żeliwo ciągliwe perlityczne, o strukturze złożonej z węgla

żarzenia, wydzielonego na tle perlitu. Własności żeliwa ciągliwego czarnego o podłożu ferrytycznym są zbliżone do własności czystego ferrytu. Żeliwo ciągliwe o podłożu perlitycznym ma wytrzymałość na rozciąganie zbliżoną  do żeliwa szarego modyfikowanego, dobrą odporność na ścieranie, cechy plastyczne nieco wyższe i niższą twardość. Żeliwo to daje się obrabiać cieplnie jak stal i tą drogą można uzyskać znaczne podwyższenie cech mechanicznych.  Żeliwo ciągliwe czarne ma duże zastosowanie na części maszyn w przemyśle rolniczym, samochodowym, kolejnictwie, górnictwie i innych.

Żeliwo ciągliwe białe stosuje się natomiast do drobnych części maszyn i przedmiotów codziennego użytku.

 

Zmiany objętościowe żeliw

Rozpad mieszaniny eutektycznej lub eutektoidalnej, związany z przemianą cementytu w grafit i ferryt powoduje znaczne zmiany wymiarowe w odlewach. Mówi się o puchnięciu żeliwa po przeprowadzeniu wyżarzania grafityzującego. Wynika to z ponad trzykrotnej różnicy gęstości cementytu (ς ~ 7,85 G/cm3) i grafitu (ς ~ 2,3 G/cm3). Współczynnik rozszerzalności liniowej żeliwa, wywołanej przemianą cementytu w grafit, wynosi a = 8,04 10-3. Przyrost wymiaru liniowego żeliwa określa zależność: Dl = lO x  a x %((C) grafitu/100. Zamianę zawartości grafitu z procentów ciężarowych na objętościowe  określa zależność:

Go - udział objętościowy grafitu w strukturze żeliwa szarego [%],

Gw - udział wagowy grafitu w strukturze żeliwa szarego [%],

Ow = (100 - Gw) - udział wagowy osnowy metalicznej w strukturze żeliwa szarego [%].