Żeliwo

Wyjściowy stop żelaza z węglem otrzymuje się z wielkiego pieca. Jest to tzw. surówka, zawierająca 3÷4,5% węgla. Surówka – przetopiona po raz wtóry ze złomem żeliwnym lub stalowym i dodatkami (jak np. żelazokrzem, żelazomangan) – nosi nazwę żeliwa. Węgiel może występować w surówce lub w żeliwie albo w postaci grafitu, albo związany z żelazem w postaci węglika żelaza (Fe3C), czyli cementytu (węglik żelaza, zwany też karbidkiem żelaza jest bardzo twardy, jego twardość leży między twardością korundu i diamentu).

Jeżeli większa część zawartego węgla wydzieli się pod postacią grafitu, to przełom takiej surówki lub żeliwa ma barwę szarą i strukturę przedstawioną na rys. nr 2.1.

Rys. 2.1. Żeliwo szare (pow. X 250), Grafit (ciemne żyłki na tle perlitu)
Źródło: Poradnik mechanika. Tom I, Wydawnictwo NaukowoTechniczne, Warszawa, 1994.

Jeżeli węgiel w surówce występuje pod postacią cementytu, to przełom jest jasny; mamy wówczas surówkę lub żeliwo białe o strukturze przedstawionej na rys. nr 2.2. Wskutek obecności cementytu, który jest najtwardszym składnikiem, żeliwo białe jest twarde, kruche, trudno obrabialne i ma gorsze własności odlewnicze.

Rys. 2.2. Żeliwo białe (pow. x 100). Wtrącenia perlitu (ciemne pola) na tle ledeburytu przemienionego
Źródło: Poradnik mechanika. Tom I, Wydawnictwo NaukowoTechniczne, Warszawa, 1994.

Wreszcie, jeżeli węgiel występuje w pewnych skupieniach jako grafit, a w innych jako cementyt, to żeliwo takie lub surówkę nazywa się pstrym albo połowicznym (rys. nr 2.3).

Rys. 2.3. Żeliwo pstre (połowiczne) (pow. x250). Grafit (ciemne żyłki) na tle perlitu i cementyt (białe pola)
Źródło: Poradnik mechanika. Tom I, Wydawnictwo NaukowoTechniczne, Warszawa, 1994.

Struktura surówek i żeliwa jest zależna głównie od składu chemicznego i szybkości stygnięcia. Z głównych składników żeliwa krzem sprzyja wydzielaniu się grafitu, a więc powstawaniu przełomu szarego, mangan odwrotnie wpływa na wydzielenie się węgla pod postacią cementytu, a więc na powstawanie przełomu białego. Wolne stygnięcie sprzyja grafityzacji i powstawaniu przełomu szarego, szybkie natomiast, wydzielaniu się cementytu i tworzeniu się przełomu białego.

Żeliwa węglowe

1. Wiadomości wstępne

Żeliwo zawiera 2,2÷3,6% węgla (teoretycznie ponad 2,0%). Obecność grafitu w strukturze żeliwa powoduje, że żeliwo jest kruche, natomiast ma dobre własności odlewnicze. Fosfor w żeliwie powoduje rzadkopłynność, dzięki czemu żeliwo dobrze wypełnia formy; duża ilość fosforu zwiększa jednak kruchość odlewu. Siarka pogarsza własności odlewnicze i zwiększa kruchość.
Jakość żeliwa zależy głównie od postaci, w jakiej wydziela się węgiel. Najwyższe własności wytrzymałościowe wykazuje żeliwo mające w całej masie drobną perlityczną strukturę, na tle której występuje węgiel bądź pod postacią grafitu drobnopłytkowego lub kulistego (sferoidalnego), bądź też węgla żarzenia. Jest to tzw. żeliwo perlityczne.

2. Żeliwo szare

Żeliwo szare (rys. nr 2.4) odznacza się dobrymi własnościami odlewniczymi, jest rzadko płynne, dobrze wypełnia formy i po skrzepnięciu daje skurcz ok. 1%; odlewy o przełomie szarym cechuje dobra obrabialność.

Rys. 2.4. Podstawa wykonana z żeliwa szarego
Źródło: http://www.metalodlew.pl/oferta/przemysl_chemiczny_i_petrochemiczny

i. Żeliwo modyfikowane

Istnieje kilka metod otrzymywania żeliwa o podwyższonych własnościach wytrzymałościowych, spośród których największe znaczenie ma metoda modyfikowania. Polega ona na dodawaniu do żeliwa o odpowiednim składzie, tuż przed odlaniem na rynnę albo do kadzi odlewniczej, w bardzo niewielkiej ilości (0,1–1–0,8%) tzw. modyfikatorów. Jako modyfikatory służą: stop krzemu z wapniem, żelazokrzem, stop żelazokrzemu z aluminium, magnez, stopy magnezu z miedzią i niklem, elektrony, stopy ceru itd. Działanie modyfikatora polega prawdopodobnie na tworzeniu wielu ośrodków krystalizacji i pokierowaniu krystalizacją w ten sposób, żeby wytworzył się drobny, równomiernie rozłożony grafit płytkowy, na drobnym podłożu perlitycznym. Żeliwo takie nazywa się modyfikowanym.

Modyfikowanie podwyższa znacznie własności mechaniczne żeliwa, zwłaszcza odporność na ścieranie, zwiększa odporność na korozję oraz zmniejsza rośnięcie żeliwa w podwyższonych temperaturach przy wielokrotnym nagrzewaniu. Modyfikowanie zmniejsza również wpływ grubości odlewu na jego własności wytrzymałościowe.

ii. Żeliwo sferoidalne

Żeliwem sferoidalnym (rys. nr 2.5 i 2.6) nazywa się żeliwo, w którym grafit występuje pod postacią sferoidalnych skupień, a nie płatków; taki kształt grafitu uzyskuje się w wyniku modyfikacji żeliwa magnezem. Rozróżnia się dwa zasadnicze rodzaje żeliwa sferoidalnego:
o osnowie perlityczneji, zawierającej czasem nieco ferrytuii,
o osnowie czysto ferrytycznej.

Rys. 2.5. Korpus zaworu wykonany z żeliwa sferoidalnego
Źródło: http://www.metalodlew.pl/oferta/przemysl_chemiczny_i_petrochemiczny

Rys. 2.6. Grafit sferoidalny w żeliwie perlitycznym (pow. x 75)
Źródło: Poradnik mechanika. Tom I, Wydawnictwo NaukowoTechniczne, Warszawa, 1994.

iii. Żeliwo ciągliwe

Żeliwo ciągliwe otrzymuje się przez długotrwałe wyżarzanie odlewów z żeliwa białego, wskutek czego następuje grafityzacja, tj. rozkład cementytu występującego w żeliwie białym na grafit i żelazo, przy czym grafit wydziela się pod postacią tzw. węgla żarzenia. Otrzymany materiał jest ciągliwy i zbliżony własnościami do stali. Jeżeli wyżarzanie prowadzi się w ośrodku chroniącym przed utlenianiem (w skrzyniach z piaskiem lub w atmosferze ochronnej), to w wyniku otrzymuje się strukturę ferrytyczną z rozsianym w dużej ilości węglem żarzenia (rys. 2.28). Przełom takiego żeliwa jest ciemny oraz matowy i stąd nazwa — żeliwo ciągliwe czarne. Cechy wytrzymałościowe zależne są w znacznym stopniu od sposobu wytopu.

3. Żeliwo stopowe

W celu podwyższenia odporności żeliwa na działanie czynników atmosferycznych, chemikaliów, wysokich temperatur oraz na ścieranie stosuje się dodatki stopowe, jak krzem, nikiel, chrom, aluminium i molibden, dodawane w dużych ilościach. Dodatki te albo zwiększają odporność na korozję, powodując powstawanie jednorodnej struktury austenitycznej (nikiel i molibden), albo sprzyjają tworzeniu się w danym ośrodku pasywnej, niepodlegającej korozji, warstewki (krzem, chrom, aluminium). Odporność na działanie czynników chemicznych nie jest uniwersalna. Zależnie od składu i warunków pracy dane żeliwo może być odporne na te lub inne czynniki; np. żeliwo krzemowe (ok. 14% Si) jest bardzo odporne na kwas azotowy, fosforowy, octowy, a zwłaszcza siarkowy, natomiast podlega łatwo korozji w kwasie solnym i ługach. Występują trzy typy żeliwa stopowego: żaroodporne (9 gatunków), odporne na korozję (8 gatunków), odporne na ścieranie (33 gatunki).

Opracowano na podstawie materiałów KOWEZIU.