Wydział

Mechaniczny

Instrukcja do zaj

ęć

laboratoryjnych

Temat

ć

wiczenia: Badanie mikroskopowe struktur surówek i

ż

eliw

Numer

ć

wiczenia: 4

Laboratorium z przedmiotu:

MATERIAŁOZNAWSTWO

2000

Wydział (Instytut): Mechaniczny
Katedra (Zakład): Materiałoznawstwa


Zawarto

ść

instrukcji:

1) Wprowadzeniu

2) Cel i zakres

ć

wiczenia laboratoryjnego

3) Metodyka bada

ń

a) opis stanowiska
b) przebieg realizacji eksperymentu
c) prezentacja i analiza wyników bada

ń

4) Wymagania BHP

5) Sprawozdania studenckie (cel i zakres

ć

wiczenia laboratoryjnego, opis stanowiska

badawczego, przebieg realizacji eksperymentu, zestawienie i analiza wyników bada

ń

,

wnioski, inne)

6) Literatura

1. WPROWADZENIE

1.1. Wiadomo

ś

ci podstawowe

ś

eliwem nazywamy surówk

ę

, z której bezpo

ś

rednio po wytopieniu w wielkim piecu

wykonano odlewy, lub stop powstały z przetopienia w

ż

eliwiaku, czy innym piecu odlewniczym

surówki z dodatkiem złomu

ż

eliwnego i stalowego oraz czasami

ż

elazostopu (

ż

elazokrzem,

ż

elazomangan,

ż

elazochrom itp). Najwa

ż

niejszym składnikiem

ż

eliw, poza

ż

elazem, jest

w

ę

giel, którego zawarto

ść

mo

ż

e wynosi 2,0 - 6,7 % (najczy

ś

ciej 2,5 - 4,5%). W zale

ż

no

ś

ci

od składu chemicznego rozró

ż

nia si

ę

dwa rodzaje

ż

eliw.

ś

eliwa, w których zawarto

ść

innych

pierwiastków, poza w

ę

glem, jest wi

ę

ksza ni

ż

:

Si - 4 %

Cu - 0,2 %

Mn -1,2 %

Co - 0,2 %

P-1,5%

W-0 ,2 %

Cr-0,3%

AI-0,1%

Ni - 0,3 %

V - 0,05%

nazywamy stopowymi.

ś

eliwa, w których zawarto

ść

pierwiastków jest mniejsza od wy

ż

ej

podanej nazywamy niestopowym.

W

ę

giel w

ż

eliwach mo

ż

e wyst

ę

powa

ć

w stanie wolnym pod postaci

ą

grafitu lub w stanie

zwi

ą

zanym pod postaci

ą

cementytu.

Zale

ż

nie od postaci w

ę

gla w

ż

eliwie rozró

ż

nia si

ę

:

a)

ś

eliwo białe , w którym cały w

ę

giel jest zwi

ą

zany w postaci cementytu lub innych w

ę

glików i z

tego powodu przełom jego jest jasny.

b)

ś

eliwo szare, w którym znaczna cz

ęść

w

ę

gla lub cała jego ilo

ść

jest w stanie wolnym pod

postaci

ą

grafitu i z tego powodu przełom jego jest szary.

c)

ś

eliwo pstre (połowiczne), stanowi

ą

ce materiał po

ś

redni pomi

ę

dzy

ż

eliwem białym i

szarym. W pewnych warstwach materiału w

ę

giel wyst

ę

puje przewa

ż

nie jako grafit, w innych

jako cementyt.

1. 2. Składniki strukturalne

ż

eliw

Oprócz: składników strukturalnych omówionych w

ć

wiczeniu 5 (ferryt, perlit, austenit,

ledeburyt, cementyt), w

ż

eliwach mog

ą

dodatkowo wyst

ę

powa

ć

jeszcze składniki strukturalne,

typowe dla

ż

eliw, a mianowicie grafit, eutektyka fosforowa i siarczki.

Grafit - jest odmian

ą

alotropow

ą

w

ę

gla pierwiastkowego. Charakteryzuje si

ę

ciemnoszar

ą

barw

ą

z metalicznym połyskiem, jest mi

ę

kki, w dotyku tłusty, posiada wytrzymało

ść

na

rozci

ą

ganie około 20 MPa. Kształt, wielko

ść

i rozmieszczenie grafitu w surówkach i

ż

eliwach

mog

ą

by

ć

ró

ż

ne. Klasyfikacj

ę

postaci grafitu podaje norma PN-/H-04661. Wyró

ż

nia ona

nast

ę

puj

ą

cy kształt grafitu: płatkowy prosty, płatkowy zwichrzony, płatkowy iglasty,

gwiazdkowy, kr

ę

tkowy, postrz

ę

piony, zwarty, kulkowy nieregularny, kulkowy regularny.

Rozmieszczenie grafitu mo

ż

e by

ć

: równomierne, nierównomierne, gał

ą

zkowe, siatkowe,

rozetkowe, mi

ę

dzydendrytyczne. Na rys.1 a, b, c, d, przedstawiono mikrostruktury

ż

eliwa,

zawieraj

ą

ce niektóre z wymienionych postaci grafitu.

Rys. 1. Struktura

ż

eliwa szarego nietrafionego z grafitem: a) płatkowym, b)płatkowym, c)

kulistym, d) postrz

ę

pionym (w

ę

giel

ż

arzenia) pow. x100

Eutektyka fosforowa jest to potrójna mieszanina składaj

ą

ca si

ę

z fosforku

ż

elaza (Fe

3

P),

cementytu (Fe

3

C) oraz perlitu z wydzielonym cementytem drugorz

ę

dowym, zwana steadytem,

o temperaturze topnienia 953°C. Ze wzgl

ę

du na to,

ż

e eutektyka jest twardym i kruchym

składnikiem, w

ż

eliwach maszynowych zawarto

ść

fosforu nie powinna przekracza

ć

0,5 %.

Eutektyki fosforowa powinna wyst

ę

powa

ć

w postaci drobnych wydziele

ń

, o równomiernym

rozło

ż

eniu. Obecno

ść

eutektyki fosforowej podwy

ż

sza odporno

ść

ż

eliwa na

ś

cieranie.

Siarczki w

ż

eliwach wyst

ę

puj

ą

pod postaci

ą

wieloboków o szaroniebieskim zabarwieniu. S

ą

to najcz

ęś

ciej siarczki manganu MnS lub te

ż

siarczki

ż

elaza FeS.

1. 3. Czynniki wpływaj

ą

ce na struktur

ę

i wła

ś

ciwo

ś

ci

ż

eliw

Zasadniczy wpływ na struktur

ę

ż

eliw wywiera 6zybko

ść

chłodzenia podczas

krystalizacji i skład chemiczny stopu. Powolne chłodzenie sprzyja powstawaniu

ż

eliwa

szarego z grafitem, natomiast szybkie chłodzenie sprzyja wydzielaniu si

ę

cementytu, czyli

powstawaniu

ż

eliwa białego.

ś

eliwa zawieraj

ą

z reguły znaczne ilo

ś

ci domieszek, a

niektóre z nich w sposób istotny wpływaj

ą

na struktur

ę

i własno

ś

ci zmieniaj

ą

c przede

wszystkim warunki grafityzacji. Pierwiastkami, które sprzyjaj

ą

grafityzacji s

ą

: w

ę

giel, krzem,

nikiel, mied

ź

i aluminium. Krzem jest pierwiastkiem, który najsilniej działa zarówno na

wydzielanie si

ę

grafitu podczas krzepni

ę

cia jak i nast

ę

pnego chłodzenia oraz

przyspiesza rozkład cementytu podczas obróbki cieplnej

ż

eliwa. Zawarto

ść

krzemu

w

ż

eliwie zwyczajnym waha si

ę

od 0,3 - 3 %, a w

ż

eliwach specjalnych (kwasoodpornych)

zawarto

ść

krzemu mo

ż

e dochodzi

ć

do 18%). Nikiel działa grafityzuj

ą

co, podobnie jak krzem,

lecz jego działanie jest znacznie słabsze. Wi

ę

ksze zawarto

ś

ci niklu ( 3 - 6 %)

zmniejszaj

ą

krytyczn

ą

szybko

ść

chłodzenia, co ułatwia otrzymanie struktur bainitycznych

lub martenzytycznych, zwłaszcza przy równoczesnej zawarto

ś

ci chromu lub molibdenu. Mied

ź

zwi

ę

ksza odporno

ść

ż

eliwa na korozj

ę

; działanie grafityzuj

ą

ce miedzi jest 5-ciokrotnie

słabsze ani

ż

eli krzemu. Aluminium działa grafityzuj

ą

co i odtleniaj

ą

co; dodawane jest

najcz

ęś

ciej dla zwi

ę

kszenia odporno

ś

ci

ż

eliwa na korozj

ę

.

Pierwiastkami, które przeciwdziałaj

ą

grafityzacji s

ą

: mangan, chrom, wanad, molibden, wodór,

bor, azot, siarka, tellur.

Mangan w

ż

eliwie wyst

ę

puje zwykle w ilo

ś

ci 0,3 - 1,2 %, ł

ą

czy si

ę

ch

ę

tnie z siark

ą

tworz

ą

c

trudno topliwy siarczek manganu MnS, którego cz

ęść

przechodzi do

ż

u

ż

la, a cz

ęść

pozostaje

w roztworze ciekłym, tworz

ą

c nierozpuszczaln

ą

zawiesin

ę

, spełniaj

ą

c

ą

rol

ę

o

ś

rodków

krystalizacji. Działanie manganu stabilizuj

ą

ce cementyt, czyli hamuj

ą

ce proces grafityzacji

ujawnia si

ę

wyra

ź

nie dopiero podczas przemian w stanie stałym, natomiast w czasie

krzepni

ę

cia działanie manganu jest stosunkowo słabe (szczególnie przy zwykle spotykanych

zawarto

ś

ciach do ok. 1,2%). Chrom jest pierwiastkiem energicznie przeciwdziałaj

ą

cym

grafityzacji; I % chromu równowa

ż

y pod tym wzgl

ę

dem działanie ok. 1% krzemu. Chrom, w

ilo

ś

ci do 30%, dodaje si

ę

w celu zwi

ę

kszenia kwaso- i

ż

aroodporno

ś

ci

ż

eliw. Siarka wyst

ę

puje

jako zanieczyszczenie we wszystkich

ż

eliwach, a jej zawarto

ść

ograniczona jest zwykle do

0,12 %. Przy wi

ę

kszych zawarto

ś

ciach powoduje g

ę

stopłynno

ść

. krucho

ść

na gor

ą

co oraz

zmniejsza odporno

ść

ż

eliwa na korozj

ę

. Fosfor jest domieszk

ą

szkodliw

ą

gdy

ż

powoduje

krucho

ść

ż

eliwa zarówno na zimno jak i na gor

ą

co. Jednak czasem wprowadzany jest celowo,

dla uzyskania wi

ę

kszej odporno

ś

ci

ż

eliwa na

ś

cieranie lub w celu zwi

ę

kszenia

rzadkopłynno

ś

ci, przy produkcji odlewów cienko

ś

ciennych.

Pozostałe pierwiastki tej grupy (V, Mo, H, B, A, Te) przeciwdziałaj

ą

grafityzacji, brak

jednak ogólnie przyj

ę

tych pogl

ą

dów na temat mechanizmu ich oddziaływania.

1.4.

ś

eliwo białe

Jak ju

ż

wspomniano, powstawaniu struktury

ż

eliwa białego sprzyja niska zawarto

ść

krzemu i

zwi

ę

kszona zawarto

ść

manganu w

ż

eliwie oraz szybkie chłodzenie podczas krzepni

ę

cia.

Struktury

ż

eliwa białego wynikaj

ą

z wykresu Fe-Fe

3

C, przy czym s

ą

uzale

ż

nione - w

przeciwie

ń

stwie do

ż

eliw szarych - od ogólnej zawarto

ś

ci w

ę

gla. W ten sposób rozró

ż

nia si

ę

ż

eliwa białe podeutektyczne o zawarto

ś

ci w

ę

gla 2 - 4,3%, eutektyczne o zawarto

ś

ci w

ę

gla

4,3%. Główn

ą

zalet

ą

ż

eliwa białego jest jego twardo

ść

oraz odporno

ść

na

ś

cieranie

(zwłaszcza przy tarciu). Wytrzymało

ść

na rozci

ą

ganie

ż

eliwa białego jest niska, natomiast

wytrzymało

ść

na

ś

ciskanie jest pi

ę

cio- lub sze

ś

ciokrotnie wi

ę

ksza. Obróbka skrawaniem jest

trudna.

ś

eliwo białe ma stosunkowo ograniczone zastosowanie z powodu krucho

ś

ci i trudnej

obróbki. Odlewy takie stosuje si

ę

, kiedy odporno

ść

na

ś

cieranie jest czynnikiem

decyduj

ą

cym, a warunki pracy nie wymagaj

ą

ci

ą

gliwo

ś

ci, jak np.: wykładziny i

ś

limaki

mieszalników materiałów sypkich, kule w młynach kulowych, klocki hamulcowe, niektóre typy
ci

ą

gadeł itp.

1.5.

ś

eliwa szare

Struktura

ż

eliwa szarego składa si

ę

z metalicznej osnowy, grafitu wtr

ą

ce

ń

zawieraj

ą

cych

fosfor (eutektyka fosforowa), lub siark

ę

(MnS, FeS). O wła

ś

ciwo

ś

ciach

ż

eliw

szarych decyduje w głównej mierze rodzaj osnowy metalicznej oraz ilo

ść

i kształt wydziele

ń

grafitowych. W zale

ż

no

ś

ci od rodzaju osnowy metalicznej

ż

eliwo szare dzieli si

ę

na:

1)

ś

eliwo szare perlityczne (rys. 2a) o strukturze składaj

ą

cej si

ę

z perlitu z

wtr

ą

ceniami grafitu.

2)

ś

eliwo szare ferrytyczno-perlityczne (rys. 2b), którego struktura składa si

ę

z ferrytu,

perlitu i wtr

ą

ce

ń

grafitu.

3)

ś

eliwo szare ferrytyczne, którego osnowa metaliczna składa si

ę

z ferrytu, a cały w

ę

giel

zawarty w stopie znajduje si

ę

w postaci grafitu

Rys. 2. Struktura

ż

eliwa szarego o osnowie: a) perlitycznej, b) ferrytyczno-

perlitycznej. Trawiono nitalem, pow. X 250

Rodzaj osnowy metalicznej zale

ż

y przede wszystkim od szybko

ś

ci chłodzenia. W

miar

ę

coraz szybszego chłodzenia

ż

eliwa po odlaniu otrzymuje si

ę

struktury, w których

grafit rozło

ż

ony jest w osnowie ferrytycznej, ferrytyczno-perlitycznej lub perlitycznej. Przy

coraz wi

ę

kszych szybko

ś

ciach chłodzenia w

ę

giel mo

ż

e wydziela

ć

si

ę

w postaci

cementytu (Fe

3

C), na skutek czego powstaje struktura

ż

eliwa pstrego (rys. 3), a nawet

białego (rys. 4a, b).

Przy stałej szybko

ś

ci chłodzenia struktura

ż

eliwa zale

ż

y od głównie od zawarto

ś

ci w

ę

gla i

krzemu. W

ę

giel i krzem działaj

ą

grafityzuj

ą

co na cementyt, powoduj

ą

c wzrost ilo

ś

ci

ferrytu, co wpływa na obni

ż

enie własno

ś

ci mechanicznych

ż

eliwa. Najwy

ż

sze własno

ś

ci

wytrzymało

ś

ciowe wykazuje

ż

eliwo perlityczne, przy czym własno

ś

ci te wzrastaj

ą

w

miar

ę

zmniejszania si

ę

płytek perlitu. Poniewa

ż

fosfor w

ż

eliwie powoduje wzrost

twardo

ś

ci i polepszenie lejno

ś

ci, jego zawarto

ść

w odlewach odpornych na

ś

cieranie

mo

ż

e wynosi

ć

do 0,45%, a w odlewach cienko

ś

ciennych nawet do 0,75%.

Rys. 3. Struktura

ż

eliwa pstrego. Trawiono nitalem, pow. x 100

Rys. 4. Struktura

ż

eliwa białego: a) podeutektycznego, b) nadeutektycznego.

Trawiono nitalem, pow. x 100

W zale

ż

no

ś

ci od wielko

ś

ci i kształtu wydziele

ń

grafitowych rozró

ż

nia si

ę

nast

ę

puj

ą

ce rodzaje

ż

eliw szarych:

1)

ś

eliwa szare zwykle (grafit w postaci płatkowej),

2)

ś

eliwa modyfikowane (grafit w postaci płatkowej o rozdrobnionej strukturze),

3)

ś

eliwa sferoidalne (grafit kulkowy).

ś

eliwo szare zwykłe dzi

ę

ki obecno

ś

ci grafitu płatkowego ma bardzo du

żą

zdolno

ść

tłumienia drga

ń

, co wykorzystuje si

ę

w wielu zastosowaniach, takich jak:

ło

ż

a obrabiarek, bloki cylindrów, kariery silników samochodowych, płyty

fundamentowe ró

ż

nych maszyn. Poza tym obecno

ść

płatków grafitu o bardzo

niskich własno

ś

ciach mechanicznych, stanowi

ą

cych jak gdyby pustki w osnowie

metalicznej i tworz

ą

cych karby wewn

ę

trzne, których wpływ przewa

ż

a nad

wpływem karbów zewn

ę

trznych, powoduje,

ż

e

ż

eliwo szare jest mało wra

ż

liwe na

działanie karbu Badania w kierunku polepszenia własno

ś

ci mechanicznych

ż

eliwa

szarego zwykłego doprowadziły do tego,

ż

e stosuj

ą

c modyfikacj

ę

procesu

produkcyjnego, mo

ż

emy zmienia

ć

kształt grafitu, a wiec składnika strukturalnego,

wpływaj

ą

cego w istotny sposób na własno

ś

ci

ż

eliwa.

W

ż

eliwach modyfikowanych modyfikacja ta polega na wprowadzaniu do ciekłego

ż

eliwa, przed odlaniem tzw. modyfikatora w postaci sproszkowanego

ż

elazokrzemu lub niewielkich ilo

ś

ci magnezu. Zastosowanie

ż

elazokrzemu ma za

zadanie przede wszystkim odtlenienie i odgazowanie

ż

eliwa oraz wytworzenie,

tzw "zarodków grafitu", ułatwiaj

ą

cych krzepni

ę

cie

ż

eliwa jako

ż

eliwa szarego o

du

ż

ej liczbie małych płatków grafitowych w osnowie perlitycznej (rys. 5)

a)

b)

Rys. 5. Struktura

ż

eliwa szarego modyfikowanego: a) nietrawionego, pow. x 100;

b) trawionego, pow. x 250

Uzyskana struktura wpływa na znaczne polepszenie wytrzymało

ś

ci na

rozci

ą

ganie (do 600 MPa), zachowuj

ą

c jednak nadal niskie warto

ś

ci takich

wska

ź

ników jak wydłu

ż

enie i udarno

ść

(poni

ż

ej 0,1 MJ/m

J

).

ś

eliwo sferoidalne. Dalsz

ą

popraw

ę

własno

ś

ci mechanicznych

ż

eliwa szarego

uzyskuje si

ę

poprzez modyfikacj

ę

ciekłego

ż

eliwa stopem magnezu, w wyniku

czego uzyskuje si

ę

drobnoziarnist

ą

kulist

ą

struktur

ę

grafitu w osnowie ferrytycznej,

ferrytyczno-perlitycznej lub perlitycznej (rys. 6). Znakowanie, klasyfikacj

ę

i

własno

ś

ci

ż

eliwa sferoidalnego okre

ś

la norma PN-/H-83123.

a)

b)

Rys. 6. Struktura

ż

eliwa sferoidalnego: a) o osnowie ferrytycznej, b) perlityczno-

ferrytycznej Trawiono nitalem, pow. x 250

1.6.

ś

eliwo stopowe

W celu podwy

ż

szenia własno

ś

ci, mechanicznych

ż

eliwa lub nadania mu

specjalnych własno

ś

ci jak:

ż

aroodporno

ść

,

ż

arowytrzymało

ść

odporno

ść

na korozj

ę

,

odporno

ść

na

ś

cieranie itp. stosuje si

ę

odpowiednie dodatki stopowe, takie jak

krzem, aluminium, chrom, mangan, nikiel, molibden itd. Zawarto

ś

ci głównego

składnika stopowego mog

ą

by

ć

do

ść

znaczne, np. zawarto

ść

krzemu w

ż

eliwie

stopowym mo

ż

e dochodzi

ć

do 18%, aluminium do 31%, chromu do 36%, manganu

do 17%, niklu do 36%. Wpływ poszczególnych składników na zmian

ę

własno

ś

ci

ż

eliw jest podobny jak w stalach stopowych. Chrom, aluminium, krzem zwi

ę

kszaj

ą

odporno

ść

na korozj

ę

oraz

ż

arowytrzymało

ść

. Poza tym chrom poprawia własno

ś

ci

mechaniczna oraz odporno

ść

na

ś

cieranie, natomiast krzem, szczególnie przy

wi

ę

kszych zawarto

ś

ciach, powoduje du

żą

krucho

ść

i pogorszenie własno

ś

ci

wytrzymało

ś

ciowych.

ś

eliwo wysokokrzemowe z dodatkiem Cr. Ni, i Mo jest

ż

eliwem kwasoodpornym

Mangan i nikiel sprzyjaj

ą

tworzeniu si

ę

struktury austenitycznej, a wi

ę

c o

własno

ś

ciach niemagnetycznych. Poza tym mangan zwi

ę

ksza odporno

ść

na

ś

cieranie. Osnowa metaliczna

ż

eliw stopowych mo

ż

e by

ć

podobnie jak stali

stopowych: ferrytyczna, perlityczna, austenityczna lub ledeburytyczna O strukturze
danego,

ż

eliwa decyduje nie tylko skład chemiczny, lecz równie

ż

zastosowana

obróbka cieplna (np. wy

ż

arzanie, przesycenie, hartowanie itp. ) przeprowadzona w

celu polepszenia własno

ś

ci mechanicznych lub specjalnych

ś

eliwa stopowe ze

wzgl

ę

du na swoje ró

ż

norodne własno

ś

ci maj

ą

zastosowanie w wielu przemysłach, jak

np. motoryzacyjnym, elektrotechnicznym, naftowym, chemicznym, papierniczym,
spo

ż

ywczym, do wyrobu cz

ęś

ci silników, cz

ęś

ci do pomp. aparatury elektrycznej,

aparatury gazowej, retort, zaworów, form szklarskich, walców, tarcz mły

ń

skich, kul

do młynów, tulei, rolek itd.

1.7.

ś

eliwo ci

ą

gliwe

ś

eliwo ci

ą

gliwe uzyskuje si

ę

przez odpowiedni

ą

obróbk

ę

ciepln

ą

ż

eliwa białego

podeutektycznego w atmosferze odw

ę

glaj

ą

cej lub oboj

ę

tnej W zale

ż

no

ś

ci od

rodzaju zastosowanej obróbki cieplnej i uzyskanej struktury rozró

ż

nia si

ę

:

a)

ż

eliwo ci

ą

gliwe białe,

b)

ż

eliwo ci

ą

gliwe czarne,

c)

ż

eliwo ci

ą

gliwe perlityczne.

ś

eliwo ci

ą

gliwe białe otrzymuje si

ę

przez wy

ż

arzanie w temperaturze 1000 - 1050"C w

czasie 24 - 100 godzin -odlewów z

ż

eliwa białego w atmosferze odw

ę

glaj

ą

cej

zło

ż

onej z CO, CO

2

, H

2

, H

2

O, N

2

. Starsza metoda wy

ż

arzania polegała na uło

ż

eniu

odlewów w skrzyniach staliwnych i zasypaniu ich mieszanin

ą

sproszkowanej rudy

ż

elaznej lub zgorzeliny b

ę

d

ą

cych

ź

ródłem tlenu.

Podczas procesu wy

ż

arzania zachodzi zjawisko odw

ę

glania warstwy

powierzchniowej odlewu, natomiast dalej od powierzchni przedmiotu ulega
grafityzacji, czyli rozkładowi na ferryt lub perlit i grafit zwany w

ę

glem

ż

arzenia.

Struktura

ż

eliwa ci

ą

gliwego jest zale

ż

na od przekroju danej cz

ęś

ci. Dla cz

ęś

ci do 10

mm grubo

ś

ci mo

ż

e zaj

ść

podczas wy

ż

arzania całkowite odw

ę

glenie, tak

ż

e struktura

gotowych produktów b

ę

dzie na wskro

ś

ferrytyczna. Je

ż

eli grubo

ść

ś

cianek

przekracza 12 mm, wtedy zwykle nie uzyskuje si

ę

całkowitego odw

ę

glenia a

struktura w gł

ę

bi materiału b

ę

dzie składa

ć

si

ę

z w

ę

gla

ż

arzenia o osnowie

ferrytyczno-perlitycznej lub perlitycznej {rys. 7).

ś

eliwo te oznacza si

ę

symbolem

"W".

Rys 7 Struktura

ż

eliwa ci

ą

gliwego białego z w

ę

glem

ż

arzenia o osnowie

ferrytyczno-perlilycznej Trawiono nilalem, pow. x 250

Oprócz symbolu ka

ż

dy gatunek

ż

eliwa ci

ą

gliwego oznaczony jest zgodnie z

PN-92/H-83221 liczby czterocyfrow

ą

, w której dwie pierwsze cyfry podaj

ą

wymagan

ą

minimaln

ą

wytrzymało

ść

na rozciapanie, a dwie pozostałe minimalne

wydłu

ż

enie (A

3

%) Wymieniona norma wyszczególnia nast

ę

puj

ą

ce gatunki

ż

eliwa

ci

ą

gliwego białego o symbolach: W 35-04 (R

m

=350 MPa, A=4%), W 38-12, W

40-05, W 40-07

ś

eliwo ci

ą

gliwe białe stosuje si

ę

głównie w budowie maszyn: i

pojazdów na cienko

ś

cienne odlewy, którym nie stawia si

ę

wysokich wymaga

ń

wytrzymało

ś

ciowych jak np. ł

ą

czniki do rur, cz

ęś

ci do zamków do drzwi, kołpaki

(uchwyty) do zawieszania izolatorów sieci wysokiego napi

ę

cia, piasty kół, pedały,

obudowy mechanizmów itp.

ś

eliwo ci

ą

gliwe czarne otrzymuje si

ę

przez

ż

arzenie w temperaturze ok. 950°C

odlewów z

ż

eliwa białego w atmosferze oboj

ę

tnej. Dawniej wy

ż

arzanie przedmiotów

przeprowadzano w skrzyniach staliwnych zasypanych piaskiem, natomiast obecnie
wy

ż

arzanie prowadzi si

ę

w szczelnie zamkni

ę

tych muflach, gdzie skład atmosfery

ustala si

ę

sam, albo doprowadza si

ę

gaz oboj

ę

tny, np. mo

ż

liwie czysty azot

Przebieg procesu wy

ż

arzania przedstawiono na rys. 8. Podczas wygrzewania przy

wysokiej temperaturze zachodzi całkowita grafityzacja cementytu eutektycznego, a
tak

ż

e cz

ęś

ci cementytu wtórnego. W celu dalszej grafityzacji cementytu wtórnego

oraz cementytu eutektoidalnego zawartego w perlicie nale

ż

y prowadzi

ć

powolne

chłodzenie, przy czym w zakresie temperatur 760 - 68CTC szybko

ść

chłodzenia nie

powinna by

ć

wi

ę

ksza ni

ż

3 - 5 °C na godzin

ę

. Po tak przeprowadzonej obróbce

cieplnej struktura

ż

eliwa składa si

ę

z ferrytu i w

ę

gla

ż

arzenia.

ś

eliwo to oznacza si

ę

symbolem „B". Norma PN-92/H-83221 wyszczególnia trzy gatunki

ż

eliwa ci

ą

gliwego

czarnego.

Rys. 8. Schemat obróbki cieplnej

ż

eliwa ci

ą

gliwego czarnego i perlitycznego

ś

eliwo ci

ą

gliwe czarne ma najwi

ę

ksze zastosowanie na cz

ęś

ci maszyn rolniczych,

maszyn do szycia, ł

ą

czniki rur, odlewy armaturowe, w kolejnictwie oraz w przemy

ś

le

samochodowym.

ś

eliwo ci

ą

gliwe perlityczne

Je

ż

eli chcemy uzyska

ć

ż

eliwo o osnowie bardziej wytrzymałej . perlitycznej wtedy

po pierwszym okresie

ż

arzenia przy temperaturze 950"C prowadzimy szybsze

chłodzenie, np. w powietrzu, dzi

ę

ki czemu struktura osnowy składa si

ę

z perlitu albo i

ferrytu (rys. 9).

ś

eliwo to oznacza si

ę

symbolem „P" (norma PN-92/H-83221).

Rys. 9. Struktura

ż

eliwa ci

ą

gliwego perlitycznego. Trawiono nitalem, pow. x 100

ś

eliwo ci

ą

gliwe perlityczne ma podobne zastosowanie jak

ż

eliwo ci

ą

gliwe czarne,

lecz w przypadkach, w których potrzebna jest wy

ż

sza wytrzymało

ść

.

1.8. Obróbka cieplna odlewów

ż

eliwnych

Mimo,

ż

e skład chemiczny

ż

eliw jest jako

ś

ciowo podobny do stali, a ró

ż

ni si

ę

od

niej tylko procentow

ą

zawarto

ś

ci

ą

składników, to jednak

ż

eliwa odmiennie reaguj

ą

na procesy obróbki cieplnej. Zwi

ą

zane to jest przede wszystkim z obecno

ś

ci

ą

grafitu oraz wy

ż

sz

ą

zawarto

ś

ci

ą

krzemu. Poniewa

ż

jednak osnowa metaliczna

ż

eliwa

jest bardzo zbli

ż

ona strukturalnie do struktury zwykłej stali, pozwala to. na

stosowanie do

ż

eliwa prawie wszystkich rodzajów obróbki cieplnej stosowanych

normalnie do wysokow

ę

glowych stali. Powy

ż

sze dotyczy głównie

ż

eliw szarych,

natomiast

ż

eliwa białe podlegaj

ą

zazwyczaj specjalnej obróbce cieplnej, maj

ą

cej na

celu uzyskanie tzw.,

ż

eliwa ci

ą

gliwego.

W stosunku do odlewów z

ż

eliwa szarego mo

ż

na stosowa

ć

nast

ę

puj

ą

ce rodzaje

obróbki cieplnej:
a) wy

ż

arzanie

b) hartowanie zwykłe i izotermiczne
c) ulepszanie cieplne.

Wy

ż

arzanie

ż

eliwa szarego

Wy

ż

arzanie jest najcz

ęś

ciej stosowanym rodzajem obróbki cieplej

ż

eliwa

szarego i ma głównie na celu jego zmi

ę

kczenie w celu poprawienia obrabialno

ś

ci. Cel

ten uzyskuje si

ę

na skutek rozpadu cementytu na grafit i austenit lub ferrytu w

podwy

ż

szonych temperaturach.

W zale

ż

no

ś

ci od parametrów obróbki cieplnej tj temperatury i czasu wy

ż

arzania

rozró

ż

nia si

ę

:

- wy

ż

arzanie odpr

ęż

aj

ą

ce - stosowane dla cz

ęś

ciowego lub całkowitego usuni

ę

cia

napr

ęż

e

ń

odlewniczych, polegaj

ą

ce na przetrzymywaniu odlewów

ż

eliwnych w

temperaturze poni

ż

ej 650*C w ci

ą

gu kilku godzin i nast

ę

pnym powolny chłodzeniu

przynajmniej w górnym zakresie temperatur;

- wy

ż

arzanie ferrytyzuj

ą

ce - stosowane zazwyczaj dla poprawienia obrabialno

ś

ci

ż

eliw niestopowych i niskostopowych. Istot

ą

tego procesu jest zapewnienie przemiany

perlitu na ferryt i grafit, co uzyskuje si

ę

podczas wy

ż

arzania temperaturze 700 -

760°C, w okresie czasu zapewniaj

ą

cym przebieg procesu grafityzacji;

- wy

ż

arzanie zupełne - stosowane dla

ż

eliw o wysokiej zawarto

ś

ci dodatków

stopowych przeprowadza si

ę

zwykle w zakresie temperatur 785 - 900°C. Po

wy

ż

arzaniu odlewów w wy

ż

szych temperaturach zaleca si

ę

aby od temperatur ok.790-

680°C stosowa

ć

powolne chłodzenie;

- wy

ż

arzanie grafityzuj

ą

ce - przeprowadza si

ę

w celu rozło

ż

enia du

ż

ych wydziele

ń

w

ę

glików wyst

ę

puj

ą

cych w strukturze

ż

eliwa szarego na grafit i perlit, a w niektórych

zastosowaniach dla doprowadzenia tego rozpadu a

ż

do struktury ferrytyczno-

grafitowej. Temperatura wy

ż

arzania grafityzuj

ą

cego wynosi zazwyczaj 900 - 950"C,

natomiast czas procesu mo

ż

e zmienia

ć

si

ę

od kilku minut do kilku godzin;

- wy

ż

arzanie normalizuj

ą

ce - stosowane jest dla poprawy własno

ś

ci

mechanicznych jak np. twardo

ś

ci lub wytrzymało

ś

ci na rozci

ą

ganie. Proces

normalizowania

ż

eliwa szarego przeprowadza si

ę

w temperaturze 890 - 930°C przez

okres ok. 1 godz. na ka

ż

de 25 mm grubo

ś

ci przekroju Chłodzenie do temperatury

otoczenia odbywa

ć

si

ę

mo

ż

e z piecem lub w spokojnym powietrzu, zale

ż

nie od

wymaganej ko

ń

cowej twardo

ś

ci odlewów.

Hartowanie

ż

eliwa szarego

Hartowanie jest jednym z procesów obróbki cieplnej, maj

ą

cym na celu

zwi

ę

kszenie twardo

ś

ci i odporno

ś

ci na

ś

cieranie materiału poddanego temu

procesowi. Hartowanie polega na nagrzaniu przedmiotu do temperatury
austenityzacji. wygrzaniu przez okre

ś

lony czas a nast

ę

pnie szybkim chłodzeniu do

temperatury otoczenia lub nieco wy

ż

szej. Spo

ś

ród kilku rodzajów procesów

hartowania, w stosunku do

ż

eliw szarych bywa najcz

ęś

ciej stosowane hartowanie.

a) z przemiana izotermiczna,
b) stopniowe,
c) powierzchniowe.

Hartowanie z przemian

ą

izotermiczn

ą

polega na wygrzewaniu odlewów w

temperaturze austenityzacji a nast

ę

pnie szybkim ochłodzeniu w gor

ą

cych k

ą

pielach

solnych, olejowych lub ołowiowych, o temperaturze 230 - 425°C. Przetrzymywanie
przedmiotu hartowanego w k

ą

pieli trwa tak długo, a

ż

przechłodzony austenit

zamieni si

ę

całkowicie na nowa struktur

ę

, zwan

ą

bainitem, po czym dopiero nast

ę

puje

dalsze chłodzenie do temperatury otoczenia z dowoln

ą

szybko

ś

ci

ą

Hartowanie stopniowe polega na szybkim ochłodzeniu odlewów ze stanu

austenitycznego w k

ą

pielach solnych, olejowych lub ołowiowych, wytrzymaniu w

temperaturze 205 - 260°C dla wyrównanie temperatury a nast

ę

pnie chłodzeniu na

powietrzu do temperatury otoczenia. Z uwagi na wyst

ę

powanie znacznych

napr

ęż

e

ń

, odlewy po hartowaniu stopniowym musz

ą

by

ć

poddane tzw.

odpuszczaniu, tj. wy

ż

arzaniu poni

ż

ej temperatur krytycznych.

Hartowanie powierzchniowe jest bardzo cz

ę

sto stosowanym procesem

utwardzania

ż

eliwa szarego Proces ten polega na odpowiednim nagrzaniu i

chłodzeniu tylko warstwy powierzchniowej przedmiotu hartowanego. Hartowa

ć

powierzchniowo mo

ż

na zarówno

ż

eliwo stopowe jak i niestopowe, przy czyn

optymalne własno

ś

ci warstwy zahartowanej osi

ą

ga si

ę

przy zawarto

ś

ci w

ż

eliwie

0,50 - 0,70% w

ę

gla zwi

ą

zanego.

Poza przedstawionymi powy

ż

ej rodzajami hartowania, przeprowadza si

ę

jeszcze jeden rodzaj obróbki cieplnej, maj

ą

cy na celu popraw

ę

własno

ś

ci

mechanicznych

ż

eliwa a w szczególno

ś

ci wytrzymało

ś

ci i odporno

ś

ci na zu

ż

ycie

powierzchniowe, jest to tzw. ulepszanie cieplne. Ulepszanie cieplne

ż

eliw polega na

poł

ą

czeniu zabiegu hartowania w oleju z temperatur austenityzacji (850 - 90CTC), z

nast

ę

pnym odpuszczaniem w temperaturach znacznie poni

ż

ej zakresu przemiany A

(

w czasie ok. 1 godz. na ka

ż

de 25 mm grubo

ś

ci

ś

cianki w najgrubszym przekroju. Czas

nagrzewania

ż

eliwa podczas hartowania powinien by

ć

stosunkowo krótki, aby nie

dopu

ś

ci

ć

do grafityzacji cementytu zawartego w perlicie. Natomiast wygrzewanie w

temperaturze hartowania powinno by

ć

dostatecznie długie, aby nie tylko perlit uległ

austenityzacji, lecz równie

ż

drobny grafit uległ rozpuszczeniu w austenicie.

Ulepszanie cieplne stosuje si

ę

zazwyczaj do

ż

eliw wysokogatunkowych maj

ą

cych w

osnowie nieznaczne ilo

ś

ci wydzielonego grafitu.

2. CEL I ZAKRES

Ć

WICZENIA LABORATORYJNEGO

Celem

ć

wiczenia jest poznanie zale

ż

no

ś

ci pomi

ę

dzy struktur

ą

i wła

ś

ciwo

ś

ciami

ż

eliw.

Zakres

ć

wiczenia obejmuje:

- zapoznanie si

ę

ze strukturami

ż

eliw białych i szarych,

- analiza zale

ż

no

ś

ci wła

ś

ciwo

ś

ci wytrzymało

ś

ciowych

ż

eliw od ich struktury.

3. METODYKA BADA

Ń

a) opis stanowiska Wyposa

ż

enie i materiały:

• Mikroskop metalograficzny,
• Próbki metalograficzne:

•

ż

eliwo szare zwykłe 150,

•

ż

eliwo modyfikowane 300,

•

ż

eliwo sferoidalne Zs 400-15,

• ci

ą

gliwego czarnego B,

• ci

ą

gliwego białego W,

• ci

ą

gliwego perlitycznego P.

b) przebieg

ć

wiczenia

1) Wykona

ć

obserwacje mikroskopowe zgładów nietrawionych

ż

eliw z

ró

ż

nymi postaciami grafitu : sklasyfikowa

ć

je zgodnie z PN-/H-04661.

2) Wykona

ć

obserwacje mikroskopowe zgładów trawionych, wybranych

ż

eliw

białych i szarych zwykłych i sklasyfikowa

ć

je zgodnie z PN-/H-

04661, uwzgl

ę

dniaj

ą

c rodzaj i ilo

ść

osnowy metalicznej oraz kształt,

wielko

ść

i rozmieszczenie grafitu, cementytu i eutektyki fosforowej.

3) Wykona

ć

rysunki badanych struktur.

4. WYMAGANIA BHP

Do wykonywanego

ć

wiczenia laboratoryjnego stosowane s

ą

ogólne przepisy

bezpiecze

ń

stwa i higieny pracy dotycz

ą

ce Laboratorium Materiałoznawstwa. Przed

przyst

ą

pieniem do ogl

ą

dania mikrostruktur zapozna

ć

si

ę

z instrukcj

ą

bezpiecznej obsługi mikroskopu optycznego, a przede wszystkim nie dotyka

ć

r

ę

kami

cz

ęś

ci optycznych i zasilaj

ą

cych mikroskopu.

5. SPRAWOZDANIA STUDENCKIE

Sprawozdania studenckie powinny zawiera

ć

:

• cel i zakres

ć

wiczenia laboratoryjnego,

• opis stanowiska badawczego,
• szkice struktur mikroskopowych badanych

ż

eliw z opisem składników struktury

oraz wła

ś

ciwo

ś

ci i zastosowa

ń

tych materiałów,

• analiza wpływu struktury na wła

ś

ciwo

ś

ci

ż

eliw,

•

wnioski.

6. LITERATURA

1. Ciszewski A., Radomski T., Szummer A.:

Ć

wiczenia laboratoryjne

z materiałoznawstwa. Warszawa 1995

2. Laboratorium materiałoznawstwa, Skrypt PB, Białystok, 1990
3. Przybyłowicz K.: Metaloznawstwo, WNT Warszawa, 1998