Czynniki decydujące o strukturze żeliwa

O strukturze żeliwa decydują następujące czynniki:

1) skład chemiczny,

2) warunki nagrzewania i chłodzenia, 3) rodzaj wsadu metalowego, dodatków, 4) obróbka cieplna gotowych odlewów.

Ad. 1. Skład chemiczny

Poza węglem w żeliwie niestopowym występują inne pierwiastki: krzem, mangan, siarka, fosfor, w istotny sposób wpływające na strukturę żeliwa.

Krzem i węgiel sprzyjają powstawaniu żeliwa z grafitem. Wpływ tych dwóch pierwiastków na rodzaj struktury, jaka może powstać w odlewie żeliwnym o grubości ścianki 50 mm, przy zawartości 0,5% Mn, przedstawiono na wykresie Maurera (rys. 5.5). Z wykresu wynika, że mała zawartość krzemu i węgla sprzyja powstawaniu żeliwa białego, a wyższa - żeliwa szarego o osnowie perlitycznej, najwyższa - żeliwa szarego o osnowie ferrytycznej.

Mangan utrudnia grafityzację i dlatego jego dodatek stosuje się często celowo dla uzyskania osnowy perlitycznej.

Siarka sprzyja zabielaniu żeliwa, ale ze względu na ograniczoną ilość (0,15%) jej wpływ na strukturę żeliwa jest niewielki, może natomiast pogorszyć rzadkopłynność. Fosfor nie wpływa na skłonność do grafityzacji zwiększa zaś rzadkopłynność żeliwa. Wpływ siarki i fosforu na właściwości żeliwa omówio­

no szerzej w rozdziale 5.1.4.

Zawartość 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 → F eα + 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,%

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

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

Zawartość C + Si.%

7

Żeliwo s z a r e f e r r y t y c z n e

Grubość ścianki, mm 25 50

6

5

4

Żeliwo białe Ż. połowiczne Żeliwo s z a r e

p e r l i t y c z n e

Żeliwo s z a r e

ferrytyczno- perlityczne

Ad. 3. Rodzaj wsadu metalowego i dodatków

Na rodzaj struktury żeliwa ma również wpływ rodzaj wsadu metalowego użytego do wytopu. Dla przykładu, wsad z surówki o grubopłatkowym graficie daje żeliwo o dużych wydzieleniach grafitu. Cechę tę nazywa się dziedzicznoś-cią żeliwa. Dodanie krzemu w postaci stopów Ca-Si lub Fe-Si (modyfikatorów) do ciekłego żeliwa w kadzi lub na rynnę spustową odtlenia stop, a jednocześnie wprowadza dodatkowe mikrocząstki fazy stałej (Si02, CaSi itp.), sprzyjające powstawaniu rozdrobnionej struktury o bardzo małych płatkach grafitu.

Proces ten nazywa się modyfikacją.

Ponadto specjalne dodatki, np. zawierające Mg, powodują formowanie grafitu w postaci kulistej, co umożliwia otrzymywanie żeliwa sferoidalnego.

Proces ten jest dokładniej omówiony w rozdz. 5.2.3.

Ad. 4. Obróbka cieplna gotowych odlewów

Gotowe wyroby z żeliwa mogą być poddawane operacjom obróbki cieplnej w celu zmiany struktury na korzystniejszą z punktu widzenia wy-trzymałości i ciągliwości. Są to operacje wyżarzania odlewów z żeliwa białego w celu uzyskania żeliwa ciągliwego oraz operacje hartowania i odpuszczania żeliw sferoidalnych, w celu uzyskania bardziej wytrzymałej osnowy.

5-1-4. Wpływ składników struktury na właściwości żeliw z grafitem

Właściwości żeliw uzależnione są od elementów struktury: rodzaju osnowy metalicznej, kształtu, wielkości i rozłożenia wydzieleń grafitu oraz rodzaju i ilości faz zawierających fosfor i siarkę.

Osnowa metaliczna

W mikrostrukturze żeliwa z grafitem rozróżnić można osnowę metaliczną:

perlityczną, perlityczno-ferrytyczną i ferrytyczną, której budowę omówiono w rozdz. 5.1.2. Rodzaj osnowy wywiera istotny wpływ na właściwości żeliwa, głównie na wytrzymałość na rozciąganie, ściskanie, twardość i odporność na ścieranie oraz w pewnym stopniu na plastyczność (dolne wartości graniczne wydłużenia są typowe dla żeliw o osnowie perlitycznej, górne dla żeliw ferrytycznych). Właściwości mechaniczne różnych rodzajów żeliw w zależności od osnowy przedstawiono w tablicy 5.1.

Z tablicy 5.1. wynika, że najwyższe właściwości wytrzymałościowe wykazu-ją żeliwa o osnowie perlitycznej. Maksymalne wartości podane w tabeli dla

żeliwa sferoidalnego odnoszą się do osnowy metalicznej ulepszonej przy pomocy dodatkowej obróbki cieplnej.

Żeliwo Właściwości mechaniczne żeliw z grafitem w zależności

od osnowy metalicznej

Grafit

Grafit ma niskie właściwości mechaniczne, jego wytrzymałość na roz-ciąganie Rm wynosi 20 MPa, (dla porównania Rm ferrytu wynosi 280 MPa).

Można go więc w przybliżeniu traktować jako nieciągłość (pęknięcie, pustkę, karb), a żeliwo z wydzieleniami grafitu jako stal o dużej ilości pustek i pęknięć.

Zatem im większy jest udział objętościowy grafitu, tym gorsze są właściwości mechaniczne żeliwa. Przy jednakowej objętości grafitu właściwości żeliwa będą zależeć od kształtu, wielkości i rozmieszczenia jego cząstek.

Grafit płatkowy ułatwia tworzenie mikropęknięć początkujących znisz-czenie materiału, stąd niska wytrzymałość na rozciąganie żeliwa. Jednak w miarę jak wydzielenia grafitu przybierają kształt coraz bardziej zbliżony do kulistego, ich ujemny wpływ na wytrzymałość żeliwa maleje, gdyż koncentracja naprężeń wokół wydzieleń kulistych jest znacznie mniejsza niż wydłużonych.

Porównanie wpływu kształtu grafitu na rozkład naprężeń rozciągających na przekroju próbek z żeliwa z grafitem płatkowym i sferoidalnym przedstawiono na rys. 5.9.

Żeliwo z grafitem kulkowym - sferoidalne - wykazuje dużo większą wytrzymałość na rozciąganie niż żeliwo z grafitem płatkowym - szare, a żeliwo z grafitem zwartym lub postrzępionym (węglem żarzenia) - ciągliwe przyjmuje wartości pośrednie (tabl. 5.1).

Plastyczność żeliw w zależności od kształtu wydzieleń grafitu przedstawia się tak, jak to pokazano w tablicy 5.1, od minimalnej dla żeliw z grafitem płatkowym (0,2% A5), do bardzo dużej dla żeliw z grafitem sferoidalnym ( 1 0 - 1 5 % A5).

Naprężenie

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,

• 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