Wydział Technologii Chemicznej
STALIWA I ŻELIWA
Autorstwa
Dawida Mikołajczyka
Bartosza Pietrzaka
Bartłomieja Musiała
ICP 2009/2010
Żeliwa
Stop odlewniczy żelaza z węglem, krzemem, manganem, fosforem, siarką i innymi składnikami zawierającymi od 2 do 3,6% węgla w postaci cementytu lub grafitu. Żeliwo otrzymuje się przez przetapianie surówki z dodatkami złomu stalowego lub żeliwnego w piecach zwanych żeliwiakami. Stosuje się te same domieszki c w stali jednak z różnymi stężeniami. Stosowany w
przemyśle motoryzacyjnym, piece żeliwnych, kaloryferach, inżynierii sanitarnej.
Skladnkiem ledeburytu, czyli mieszaniny eutektycznej w układzie żelazo-cementyt jest cementyt. Cementyt (Fe3C) jest związkiem nietrwałym, a jego energia swobodna jest dodatnia w całym zakresie temperatur jego występowania. Ta energia swobodna jest siłą pędną przebiegającego samorzutnie rozkładu cementytu na tworzące go pierwiastki. Produktami tego rozkładu jest wolny węgiel w postaci grafitu oraz (biorąc pod uwagę rozpuszczalność węgla w żelazie) roztwór stały. Zależnie od temperatury rozkładu może to być ferryt albo austenit. Ze względu na postać węgla, rozkład ten jest nazywany grafityzacją. Kinetykę rozkładu cementytu determinują dwa czynniki, z których jednym jest dyfuzja, a drugim wartość siły pędnej tj. nadwyżki energii swobodnej cementytu w warunkach tej reakcji. Czynniki te zachowują się odmiennie i w niskiej temperaturze, kiedy dyfuzja przebiega wolno, siła pędna jest duża oraz w temperaturze wysokiej, przy dużej ruchliwości atomów siła pędna jest mała. W rezultacie należy się spodziewać, że w żadnym zakresie temperatur grafityzacja nie będzie przebiegała szybko.
Na kinetykę rozkładu cementytu wpływa również to, że objętość produktów rozkładu jest większa niż objętość cementytu. Ma to duży wpływ na zarodkowanie cząstek grafitu, które ułatwiają wszelkiego rodzaju defekty objętościowe, np. dyfuzja węgla.
Patrząc na wykres (14.1) należy zwrócić uwagę na to, iż węgliki manganu i chromu są trwałe w całym zakresie temperatur, a różnica ich energii swobodnej w stosunku do mieszaniny z grafitem jest zawsze ujemna. Tłumaczy to zwiększenie się trwałości, a nawet całkowitą trwałość cementytu stopowego, w którym są rozpuszczone te pierwiastki.
PODZIAŁ ŻELIW WEDŁUG STRUKTURY
W żeliwie węgiel może jednocześnie występować w postaci związanej oraz w postaci wolnej (grafitu).
Przez pojecie węgiel związany rozumie się łączną zawartość węgla występującego w postaci cementytu oraz znajdującego się w roztworze stałym. Jeśli zatem wszystek węgiel występuje w postaci związanej to w żeliwie nie występuje grafit, a jego strukturę określa wykres równowagi metastabilnej. W żeliwie tym występuje ledeburyt, a duży udział cementytu powoduje, że takie żeliwo jest twarde i kruche, a jego przełom jest metaliczny – jasny.
Wygląd przełomu jest często stosowanym kryterium podziału żeliwa i w omawianym wypadku przełom ten nazwano białym, a żeliwo – żeliwem białym. Z drugim przypadkiem krańcowym spotykamy się wtedy, gdy wszystek węgiel występuje w postaci grafitu. Strukturę tego żeliwa określa wykres równowagi trwałej, żelazo-grafit, a grafit rozmieszczony jest w osnowie metalowej, która jest ferryt. Ciemno szare wydzielenia grafitu ściemniają przełom takiego żeliwa i dlatego żeliwo z dużym udziałem grafitu jest nazywane żeliwem szarym. Jest żeliwo pośrednie, w którym część węgla występuje w postaci związanej, a reszta w postaci grafitu. W miarę powiększania się zawartości węgla związanego zmienia się struktura osnowy metalowej i w ferrycie pojawia się coraz więcej perlitu, przy zawartości węgla związanego około 0,77% była ona całkowicie perlityczna. Dalsze zwiększanie zawartości węgla związanego powoduje pojawienie się w perlicie początkowo strukturalnie wolnego cementytu wtórnego, a następnie obszarów z ledeburytem przemienionym. Znajduje to odbicie w wyglądzie przełomu żeliwa, gdyż obszary z cementytem i ledeburytem są białe, a reszta przełomu (z grafitem) jest szara. Takie żeliwo nazywamy żeliwem połowicznym, a odlewy z takim przełomem – odlewami zabielonymi.
Ponieważ zmianę wyglądu przełomu wywołuje dopiero obecność strukturalnie wolnego cementytu, więc żeliwo o osnowie metalowej perlitycznej jest jeszcze żeliwem szarym.
W miarę wzrostu zawartości węgla związanego mamy
a)żeliwo szare:
-ferrytyczne,
-ferrytyczno-perlityczne,
-perlityczno-ferrytyczne,
-perlityczne,
b)żeliwo połowiczne z cementytem wtórnym lub z cementytem wtórnym i ledeburytem przemienionym, ale i pewną ilością grafitu,
c)żeliwo białe, bez grafitu
W praktyce przemysłowej zastosowanie znalazło przede wszystkim żeliwo szare, gdyż daje się ono łatwo obrabiać skrawaniem i wykazuje wiele zalet. Żeliwo połowiczne, wskutek obecności cementytu oraz ledeburytu przemienionego jest twarde i odporne na ścieranie i stosowane głownie wtedy, gdy pożądane s takie właściwości. Przeważnie są to odlewy zabielone lub utwardzone, w których struktury żeliwa połowicznego, a nawet białego występują jedynie w warstwach powierzchniowych, natomiast rdzeń zachowuje struktury żeliwa szarego. Żeliwo białe stosuje się bardzo rzadko, ale odlewy z tego żeliwa są surowcem do otrzymywania żeliw ciągliwych
Wpływ węgla i domieszek na właściwości żeliwa
Węgiel ( C ) 2,5% - 3,6% (może jednak być mniejsza lub większa)
Duża zawartość węgla zwiększa grafityzacje, jednak po przekroczeniu punktu eutektycznego (mieszanina dwóch lub więcej faz krystalicznych o określonym składzie) powstaje grafit pierwotny co negatywnie wpływa na wytrzymałość żeliwa. Policzyć ten punkt można ze wzoru
Wzrost zawartości węgla (a tym samym grafitu) wpływa na zmniejszenie skurczu, polepszenie skrawalności i właściwości ślizgowych, oraz zdolności do tłumienia drgań.
Krzem (Si) 0,5% - 5%
Krzem w żeliwie ma wpływ na grafityzacje i wpływa na występowanie węgla w postaci wolnej.
Rozszerza zakres temperatur pomiędzy liniami eutektycznymi co ułatwia wydzielanie się grafitu ze stopu:
Si jest praktycznie nierozpuszczalny w Cementycie (Fe3C - jedna z podstawowych faz międzymetalicznych z grupy węglików, występującą w stopach żelaza z węglem i innymi pierwiastkami), co zwiększa niestabilność cementytu, a tym samym węgiel wydziela się w postaci niezwiązanej. Przy zbliżonej zawartości węgla i krzemu poprawia się lejność żeliwa.
Mangan (Mn) 0,4% - 1,4%
Tworzy węglik Mn3C , trwalszy od Fe3C. W strukturze żeliwa jest rozmieszczony nierównomiernie. Zwiększa stabilność cementytu a tym samym przeciwdziała grafityzacji, jednak przy zawartości mniejszej niż 0,3% sprzyja grafityzacji.
Przy stężeniach powyżej 1% Mangan zwiększa twardość, wytrzymałość na rozciąganie, oraz odporność na ścieranie, maleje jednak skrawalność.
Fosfor (P) 2,4% - 6,89%
Rozpuszcza się w roztworze stałym żeliwa – mieszance Fe3C, Fe3P i roztworu stałego. Fosfor w mieszance krzepnie na samym końcu, a tym samym wypełnia wolna przestrzenie miedzy F-C, i powoduje powstawanie łuków w strukturze żeliwa, dzięki temu możliwe jest rozróżnienie faz.
Zawartość fosforu sprawia że żeliwo jest twarde, odporne na ścieranie i kruche.
Siarka (S) 0,08% - 0,12%
Z Mn tworzy Siarczki Mn-S, które są trudnotopliwe i nierozpuszczlane. Dlatego do związania całej siarki stosuje się nadmiar manganu: zgodnie ze wzorem
Siarka niezwiązana hamuje grafityzacje, może powodować lokalne zabielenia, wpływa także na kształt i rozmieszczenie wydzieleń grafitu. Pogarsza także lejność żeliwa. Siarka w żeliwach jest domieszką szkodliwą dlatego stosuje się zwykle 0,08% jej zawartości.
Staliwa
Staliwo- stop żelaza z węglem w postaci lanej, nie poddany obróbce plastycznej. W odmianach użytkowych zawartość węgla nie przekracza 1,5%. Własności mechaniczne staliwa są nieco niższe niż własności stali o takim samym składzie po obróbce plastycznej. Wynika to z charakterystycznych dla odlewów: gruboziarnistości i pustek międzykrystalicznych. Staliwo jest plastycznie obrabialne, a odmiany o zawartości węgla poniżej 0,25% są również dobrze spawalne. Ze względu na skład chemiczny rozróżnia się staliwa:
- niestopowe (węglowe) - zawierające tylko składniki zwykłe i zanieczyszczenia z przerobu hutniczego. Staliwa niestopowe są ważnym materiałem konstrukcyjnym, stosowanym w postaci odlewów. Otrzymuje się je w wyniku odlewania do form, w których krzepnie, uzyskując wymagany kształt użytkowy.
Staliwa niestopowe dzieli się na dwie grupy podlegające odpowiednio odbiorowi:
-na podstawie własności mechanicznych,
-na podstawie własności mechanicznych oraz składu chemicznego.
Skład chemiczny staliw węglowych zestawiono w
Staliwa niestopowe konstrukcyjne są także stosowane na odlewy do pracy pod ciśnieniem. Staliwa te poddaje się wyżarzaniu normalizującemu z temperatury 900-980*C lub ulepszaniu cieplnemu polegającemu na hartowaniu z temperatury 890-980*C i odpuszczaniu w 600-700*C.
Struktura i własności staliw niestopowych.
Własności staliw zależą głównie od stężenia węgla. Staliwa, szczególnie nisko- i średniowęglowe, cechują się dobrą spawalnością. Korzystny zespół własności mechanicznych i technologicznych, decyduje o stale rosnącym udziale produkcji staliwa w ogólnej produkcji stopów żelaza z węglem.
Obróbka cieplna staliw niestopowych.
W celu usunięcia niekorzystnej struktury pierwotnej, niejednorodności składu chemicznego, a także naprężeń odlewniczych, odlewy staliwne poddaje się obróbce cieplnej, głównie wyżarzaniu ujednorodniającemu lub normalizującemu, a także wyżarzaniu odprężającemu. Odlewy staliwne można również hartować i odpuszczać, a także obrabiać cieplno-chemicznie, stosując zasady podobne jak przy obróbce cieplnej elementów stalowych o zbliżonym składzie chemicznym.
- stopowe – zawierające dodatkowo wprowadzone celowo domieszki stopowe. Staliwa stopowe zawierają dodatki stopowe o stężeniu przekraczającym wartości graniczne takie same jak dla stali stopowych. Gdy łączne stężenie dodatków stopowych nie przekracza 2,5%, staliwo jest uważane za niskostopowe, gdy jest zawarte w przedziale 2,5-5%- za średniostopowe, a przy stężeniu większym niż 5%- za wysokostopowe. Ze względu na zastosowanie, staliwa stopowe dzieli się na konstrukcyjne, odporne na ścieranie, odporne na korozję, żaroodporne i żarowytrzymałe oraz narzędziowe.
Staliwa stopowe konstrukcyjne i maszynowe.
Są stosowane na silnie obciążone odlewy i cechują się wysoką wytrzymałością na rozciąganie, przy dużej granicy plastyczności i dużej ciągliwości. Skład chemiczny staliwa powinien być dobrany tak, aby przy danej grubości ścianki odlewu umożliwiał zahartowanie odlewu na wskroś oraz uzyskanie jednolitych i dobrych własności mechanicznych na całym przekroju odlewu po ulepszaniu cieplnym. Dlatego główne znaczenie pierwiastków stopowych w tych staliwach polega na zwiększeniu ich hartowności.
W grupie staliw stopowych konstrukcyjnych wyróżnia się:
a) staliwa ogólnego przeznaczenia
b) staliwa do pracy pod ciśnieniem
- do pracy w pokojowej i podwyższonej temperaturze
- do pracy w niskiej temperaturze
c) staliwa odporne na ścieranie
Staliwa stopowe odporne na korozję.
Podobnie jak stale o tym samym przeznaczeniu, w zależności od składu chemicznego wykazują strukturę martenzytyczną, austenityczną lub austenityczno-ferrytyczną. Podstawowym ich dodatkiem stopowym jest Cr(chrom),a w staliwach o strukturze austenitycznej – ponadto Ni(nikiel) i N(azot). Staliwa zawierające ponad 18% Ni(nikiel) są nazywane super austenitycznymi lub całkowicie austenitycznymi, ze względu na bardzo stabilną strukturę austenityczną. Dodatek Mo(molibden) od 2 do 7% zwiększa odporność korozyjną staliw austenitycznych na działanie niektórych kwasów, dodatek Cu(miedż) do ok.4% zmniejsza skłonność do korozji naprężeniowej, a dodatek Nb(niob) lub Ta(tantal) zapobiega korozji międzykrystalicznej.
Staliwa stopowe żaroodporne i żarowytrzymałe.
Głównym składnikiem żaroodpornych staliw stopowych jest Cr(chrom), zapewniający dużą żaroodporność. Staliwa wysokochromowe średniowęglowe mają w stanie równowagi strukturę ferrytu z węglikami, natomiast wysokowęglowe z dodatkiem do 2,5% Si(krzem) mają strukturę perlitu z węglikami. W staliwach chromowo-niklowych dodatek niklu powoduje utworzenie struktury ferrytyczno-austenitycznej lub całkowicie austenitycznej. Duże stężenie Cr(chrom) i Ni(nikiel) wraz z pozostałymi dodatkami stopowymi zapewnia tym staliwom żaroodporność i żarowytrzymałość, ale także dobrą odporność na korozję oraz wystarczającą plastyczność umożliwiającą produktom z niektórych stali pracę w obniżonej temperaturze.
Staliwa stopowe narzędziowe.
Ze względu na strukturę i własności wśród staliw stopowych narzędziowych można wyróżnić kilka grup. W szczególności średniowęglowe, nisko- oraz średniostopowe staliwa do ulepszania cieplnego są stosowane na matryce kuźnicze, formy i wkładki do odlewania stopów Al(glin) i Cu(miedż) oraz walce hutnicze.
Staliwa nadeutektoidalne zawierają węgliki chromu zwiększające odporność na zużycie w temperaturze do 250*C oraz węgliki wolframu i molibdenu zapewniające większą odporność na zużycie w podwyższonej temperaturze. Staliwa te cechują się dużą twardością, są jednak kruche.
Wysokochromowe staliwo o dobrych własnościach wytrzymałościowych i dużej odporności na korozję jest stosowane na rozwłókniacze w przemyśle papierniczym.
Tabele i wykresy
klejarka