WYK ŁAD 8

1. Wprowadzenie

• Definicja - żeliwo stop żelaza z węglem, zawierającym ok. 2,5-4,5 C oraz pewne ilości domieszek pochodzących z procesu metalurgicznego (krzem, mangan, siarka, fosfor).

• Zaleta żeliwa – w stanie ciekłym dobrze wypełnia formy (używane do wyrobu wielu części maszyn i urządzeń wytwarzanych przez odlewanie)

• Skład chemiczny i budowa wewnętrzna żeliwa: podobna do surówki żelaza wytwarzanej w wielkim piecu ( do celów odlewniczych otrzymuje się przez przetopienie surówki odlewniczej z dodatkiem złomu żeliwnego – piec żeliwniak)

2.Wpływ procesów metalurgicznych na skład chemiczny i budowę żeliwa

• Wpływ procesów metalurgicznych na skład chemiczny i budowę żeliwa jest niewielki i ma znaczenie drugorzędne

• Występowanie węgle w żeliwie: podobnie jak w surówce w postaci związanej z żeliwem jako cementyt lub wolnej jako grafit

• Żeliwo w którym występuje cementyt – przełom jasny błyszczący (żeliwo białe), zaś obecność wolnego węgla w postaci grafitu – przełom ciemny matowy (żeliwo szare)

3.Własności mechaniczne żeliwa

• Zależą od wielu czynników:

• Budowa wewnętrzna (zależna od składników stopowych i szybkości chłodzenia)

• Skład składników strukturalnych żeliwa

• W pewnej mierze skład chemiczny

• Żeliwo Białe – odznacza się dużą twardością i małą odpornością na uderzenie

• Żeliwo Szare – nie wykazuje dużej twardości, jego kruchość jest znaczna

4.Wpływ czynników o charakterze budowy wewnętrznej żeliwa

• O charakterze budowy wewnętrznej żeliwa decydują:

• Składniki stopowe

• Szybkość chłodzenia

• Składniki stopowe żeliwa jak: mangan chrom siarka wpływają korzystnie na trwałość cementytu (zwiększona zawartość tych składników sprzyja powstawaniu żeliwa białego)

• Inne składniki stopowe jak: krzem glin nikiel sprzyjają powstawaniu grafitu w żeliwie

• UWAGA: zmniejszenie szybkości chłodzenia odlewów żeliwnych sprzyja wydzieleniu się grafitu ( można wpływać na jego wewnętrzną budowę)

5. Podział żeliwa ze względu na skład chemiczny

• Ze względu na skład chemiczny żeliwo dzielimy na:

• Podeutektyczne

• Eutektyczne

• Nadeutektyczne

• W cieczy o składzie żeliwa podeutektycznego podczas krzepnięcia wydziela się najpierw austenit, a następnie mieszanina austenitu i cementytu czyli ledeburyt

• W żeliwie białym eutektycznym i nadeutektycznym podczas chłodzenia austenit wchodzący w skład ledeburytu ulega zamianie na perlit (po wydzieleniu się nadmiaru węgla w postaci cementytu)

• Żeliwo Szare: grafit zależnie od warunków powstawania może przybierać postać płatków o mniejszych lub większych rozmiarach lub kulek

• Kształt grafitu występującego w żeliwie w znacznym stopniu decyduje o własnościach wytrzymałościowych żeliwa

• Słabe własności wytrzymałościowe grafitu powodują: zmniejszenie wytrzymałości żeliwa głównie na rozciąganie (stop zmniejszania wytrzymałości zależy od kształtu i rozmieszczeniu grafitu w żeliwie) grafit gniazdowy i kulkowy (sferoidalny) w mniejszym stopniu obniża własności wytrzymałościowe żeliwa)

6. Skład chemiczny niektórych rodzajów żeliwa zwykłego

Znak Klasy żeliwa	Skład chemiczny	RrkG/mm2	HbkG/mm2
	C	Si	Mn
ZI14	3,4	2.05	0,6
ZI18	3,3	1,9	0,7
ZI22	3,2	1,8	0,8
ZI26	3,1	1,7	0,9
ZI30	3,0	1,6	0,9

7. Żeliwo modyfikowane

• Żeliwo modyfikowane: do samego żeliwa przed samym odlewem dodaje się pewnych substancji (modyfikatorów) w celu polepszenia własności wytrzymałościowych (powstanie drobnoziarnistego grafitu)

• Podstawowe modyfikatory to

• Stop żelaza z krzemem

• Wapnia z krzemem

• Aluminium

• Wprowadzenie modyfikatorów wymaga: temperatury żeliwa powinna kształtować na poziomie ok. 1400st.C (modyfikator dodany do żeliwa ma za zadania odtlenianie żeliwa oraz powstanie drobnych płatków grafitu)

• Prawidłowo przeprowadzona modyfikacja powoduje powstanie żeliwa o strukturze perlitycznej z równomiernie rozłożonymi płatkami grafitu

• Własności wytrzymałościowe żeliwa modyfikowanego: lepsze niż zwykłego żeliwa szarego, ponadto bardziej odporne na korozje i pęcznienie (spowodowane rozpadem cementytu na grafit i ferryt)

8.Żeliwo sferoidalne

• Proces wytwarzania żeliwa sferoidalnego składa się z dwóch zabiegów :

• Sferoidyzacja grafitu (dodanie do żeliwa niewielkich ilości magnezu lub stopu magnezu z miedzią i niklem) – magnez wpływa na powstawanie grafitu w kształcie kulek

• Modyfikacja przeprowadzona natychmiast po sferoidyzacji (modyfikatorem – żelazokrzem)

• Budowa żelaza sferoidalnego: budowa ferrytyczno –perlityczna z małymi sferycznymi skupieniami grafitu (kulki)

• Szereg właściwości żeliwa sferoidalnego można poprawić poprzez wprowadzenie dodatków stopowych

9. Obróbka cieplna żeliwa

• Obróbka cieplna żeliwa białego: które jest twarde i kruche – poprawa jego własności plastycznych (zabieg uplastyczniania) długotrwałe wyżarzenia przedmiotów odlanych z żeliwa białego w temperaturze 900st.C (żeliwo ciągliwe otrzymuje się)

• Metody Uplastyczniania

• Odwęglenie: (odwęglenie żeliwa białego (przedmiotów) w skrzyniach żeliwnych zawierających zgorzelinę lub rudę żelaza (temp. 800-100st.C zabieg trwa około 4 dni) w tej temperaturze cementyt rozpada się w żeliwie (wydzielający węgiel zostaje utleniony tlenem zawartym w środowisku)

• Grafityzacja: przeprowadzenie wyżarzania nie w środowisku utleniającym, lecz obojętnym najczęściej w piasku (powstający węgiel żarzenia nie ulega utlenianiu)

WYKLAD 9 - Metale niezależne i ich stopy.

1.Wprowadzenie

• Rozpowszechnionymi metalami niezależnymi w budowie maszyn są:

  • miedź

  • aluminium

  • magnez

  • nikiel

• Według normy PN/H-82120 rozróżnia się pięć gatunków miedzi najwyższy gatunek oznaczony cechą M0

• Największa dopuszczalna zawartość zanieczyszczeń w miedzi M0 nie powinna przekraczać 0,05%

• Drugim gatunkiem miedzi jest M1, w którym zawartość zanieczyszczeń nie przekracza 0,1%

• Oba gatunki M0 i M1 oczyszczone są elektronicznie – dzięki dużej przewodności elektrycznej zastosowanie w elektronice

• Gatunki oznaczone cechami M2, M3, M4 podlegają rafinacji hutniczej (duża zawartość zanieczyszczeń > 0,3% dla M2, > 1% dla M3 i M4)

• Tego rodzaju gatunki miedzi mają zastosowanie głównie do produkcji stopów o mniejszym stopniu czystości, wyrobu blach na zbiorniki i aparaturę dla gorzelni

2.Główne zanieczyszczenia miedzi

• Głównymi zanieczyszczeniami miedzi są:

  • bizmut

  • antymon

  • arsen

  • ołów

  • fosfor

  • siarka

  • tlen

• Własności mechaniczne miedzi: zależą od stopnia zanieczyszczenia oraz stopnia zgniotu na zimno

• Poprawę własności wytrzymałościowych miedzi można uzyskać przez przeróbkę plastyczną na zimno (zgniot na zimno jedyny sposób utwardzenia czystych metali)

3.Związki miedzi o trujących właściwościach

• Miedź aktywna pod względem chemicznym – tworzy liczne związki o trujących własnościach

• Urządzenia miedziane stosowane w przemyśle spożywczym powinny być pobielane cyną i nie zawierać ołowiu (działanie trujące)

4.Odmiany stopów miedzi

• W praktyce wyróżnia się następujące stopy miedzi:

  • stopy miedzi z cynkiem

  • stopy miedzi z cyna

  • stopy miedzi z aluminium

  • stopy miedzi z berylem

  • stopy miedzi z fosforem

  • stopy miedzi z krzemem

  • stopy miedzi z manganem

  • stopy miedzi z ołowiem

• Podział stopów miedzi w zależności od głównego składnika stopowego:

• mosiądze

• brązy

• stopy wieloskładnikowe

5.Mosiądze

• Mosiądze: są to stopy miedzi z cynkiem i ewentualnie dodatkiem innych pierwiastków

• Podział mosiądzu ze względu na skład fazowy:

  • jednofazowe (zawierające 2-39% Zn *(cynku) o bardzo dużej plastyczności; zastosowanie – wyroby głęboko tłoczone i obrabiane plastycznie na zimno

  • dwufazowe (zawierające 39-45% Zn , zdecydowanie większa wytrzymałość przy znacznie mniejszej plastyczności

    • Mosiądze stopowe: zawierają oprócz cynku także inne pierwiastki stopowe takie jak: aluminium, ołów, żelazo, mangan, nikiel, cynę, krzem – powodujące zwiększenie ich wytrzymałości i odporności na korozję i ścieranie oraz dobra właściwości wytrzymałościowe (zastosowanie – obciążenia statyczne)

    • Mosiądz o zawartości powyżej 67% Cu nazywamy tombakiem: czerwono-żółty stop miedzi z cynkiem; zastosowanie – wyroby artykułów artystycznych i jubilerskich, instrumenty muzyczne, części maszyn, cienka folia

    • Norma PN/H-87025 dzieli mosiądze na:

      • odlewnicze (30-40% cynku, niewielka ilość manganu, krzemu, aluminium oraz ołowiu – ułatwia obróbkę skrawaniem

      • mosiądze do przeróbki plastycznej

        • mosiądze odlewnicze dzięki dobrej lejności dobrze wypełniają formę odlewniczą (można odlewać w kokilach pod ciśnieniem)

        • wadą mosiądzów odlewniczych to: tendencja do odparowania cynku, duży skurcz odlewniczy (jamy osadowe)

        • mosiądze do przeróbki plastycznej o strukturze jednofazowej poddają się dobrze przeróbce plastycznej (obróbce skrawaniem mosiądze o strukturze dwufazowej)

6.Mosiądze specjalne

• Obok mosiądzów zwykłych stosuje się w przemyśle mosiądze specjalne (przez wprowadzenie innych składników stopowych jak: nikiel, krzem, cyna aluminium, mangan i innych

• W zależności od wprowadzonego składnika stopowego nadaje się ich nazwy:

  • mosiądz niklowy

  • mosiądz krzemowy

    • Zadaniem składników stopowych to poprawa niektórych ich własności

7.Brązy

• Stopy miedzi z cyną oraz z dodatkiem innych metali noszą nazwę brązów

• Właściwości mechaniczne i elektryczne brązów zależą w dużym stopniu od:

  • składu chemicznego stopu

  • niewielkiej domieszki innych składników

    • Z reguły brązy o lepszych właściwościach mechanicznych mają gorsze właściwości elektryczne i na odwrót

    • Brązy wykazują tendencje do segregacji, dlatego do obróbki plastycznej nadają się tylko brązy o zawartości cyny nie przekraczającej 10%

    • Przeróbka plastyczna jest zawsze wykonywana na zimno (na gorąco nie dają się przerabiać plastycznie)

    • Brązy cynowe – zawartość do 6% cyny odznaczają się dużą ciągliwością i dobrymi własnościami mechanicznymi (dodatek cyny zwiększenie zawartości podwyższa własności wytrzymałościowe i sprężyste stopu) – koła zębate i większe sprężyny

    • Brązy krzemowe – stopy miedzi z krzemem do ok. 5% krzemu i innymi pierwiastkami stopowymi: Mn, Ni, Fe, Zn, Cr (dodatek krzemu powoduje zwiększenie twardości i wytrzymałości miedzi a obniża plastyczność stopu)

    • Właściwości mechaniczne najbardziej poprawia Fe, zaletą brązów krzemowych to: dobre właściwości wytrzymałościowe w tym zmęczeniowe, odporność na korozję, lejność i skrawalność

    • Brązy krzemowe odlewnicze stosowane są: do produkcji części maszyn i łożysk pracujących przy dużych zmiennych obciążeniowych i jednocześnie wysokiej temperaturze

8.Brązy aluminiowe

• stopy miedzi z aluminium nie przekraczającym 10% oraz pierwiastkami stopowymi nazywamy brązami aluminiowymi (dodatek aluminium, podwyższa twardość i wytrzymałość miedzi)

• Dodatek niklu: wpływa na własności brązów aluminiowych jak również żelazo oraz na przewodność cieplną i elektryczną

• Dodatek manganu: zwiększa wytrzymałość na rozciąganie oraz na zmniejszenie wydłużenia jak również na poprawę odporności stopu na korozyjne działanie wody morskiej

• Brązy aluminiowe wykazują dobre właściwości wytrzymałościowe i plastyczne (właściwości odlewnicze nieco gorsze, dalszą wadą to skurcz co utrudnia procesy odlewnicze)

• Brązy aluminiowe przerobione są na:

  • gorąco w postaci kształtowych odkuwek

  • zimno w postaci prętów, rur, drutów i blach

  • w postaci odlewów używane do wyrobu armatur, panewek, łożysk ślizgowych

    • Zastosowanie brązów aluminiowych: szerokie zastosowanie w przemyśle chemicznym, elektrochemicznym, budowie maszyn i okrętów

WYKŁAD 10

1.Brązy berylowe

• Stopy miedzi z berylem ok. 2% i inne dodatki stopowe jak nikiel, kobalt i tytan dodawane w niewielkich ilościach do 0,5% nazywane są brązami berylowymi

• Stopy te przerabia się głównie:

• Plastycznie na zimno

• Gorąco

• Oraz utwardza wydzieleniowe

• Stosuję się także do odlewania

• Zastosowanie: narzędzia, które nie powinny dawać iskry przy uderzeniu (ze względu na pożar lub wybuch)

2.Brązy fosforowane

• Są to brązy cynowe ok. 10% z dodatkiem 0,4-1,0% fosforu; charakteryzują się większą twardością lecz mniejszą plastycznością niż brązy cynowe

• Zastosowanie: na wysokoobciążeniowe łożyska pracujące w warunkach dużej wartości szybkości kątowej współpracujących elementów , koło zębate (przekładnie ślimakowe), panewki w silnikach samochodowych i lotniczych

• Wprowadzenie fosforu do brązu cynowego zwiększa wprawdzie kruchość lecz poprawia własności odlewnicze i mechaniczne

3.Brązy ołowiowe

• Zawierają do ok.35% ołowiu oraz dodatki jak: do ok.11% cyny, do 4% niklu, do 3% cynku oraz niewielkie ilości manganu, fosforu i arsenu

• Nie podlegają obróbce cieplnej

• Zastosowanie: do wylewania łożysk ślizgowych pracujących przy dużych prędkościach i pod znacznym obciążeniem

• Role twardych kryształów w brązach ołowianych pełni miedź

4.Aluminium i jego stopy

• Aluminium (glin) jest metalem lekkim (2,7g/cm3), który charakteryzuje się wysoką plastycznością na zimno i na gorąco (wytrzymałość na rozciąganie Rm=70-120MPa, granica plastyczności 20-40MPa)

• Istotną cechą aluminium to: wysokie przewodnictwo elektryczne i cieplne

• Właściwości fizyczne aluminium zależą od czystości chemicznej oraz jego obróbki plastycznej i cieplnej (wysoka plastyczność umożliwia walcowanie z niego cienkich folii)

• Umocnione aluminium wykazują wyższą twardość i wytrzymałość

• Aluminium można łączyć drogą:

• Spawania łukowego (w osłonie argonu)

• Lutowania (w temp.450-570K miękkie lub 830-870K spoiwa twarde)

• Zgrzewania na zimno pod wysokim ciśnieniem

• Podział aluminium pod względem sposobu wytwarzania:

• Aluminium rafinowane (99,95-99,999% Al)

• Aluminium hutnicze (99,0-99,8 Al.)

• Aluminium hutnicze rafinowane oznacza się cechą: Al0 (największa zawartość zanieczyszczeń nie przekracza 0,1%)

• Aluminium hutnicze dzieli się na trzy gatunki oznaczone cechami: Al1, Al2, Al3 (dopuszczalna zawartość zanieczyszczeń wynosi kolejno: 0,3%, 0,5% 1%

• Własności aluminium zależą w znacznej mierze od stopnia jego czystości i rodzaju zanieczyszczeń (niekorzystnie na jego własności wpływają tlenki i krzemiany – pogorszenie własności odlewniczych i plastycznych oraz utrudniają obróbkę skrawaniem)

• Zastosowanie:

• Aluminium rafinowane Al0: budowa specjalnej aparatury chemicznej; kondensatory elektrolityczne

• Aluminium hutnicze Al1: do wyrobu aparatury chemicznej, folii do opakowań spożywczych

• Aluminium Al2: do wyrobu kabli i przewodów elektrycznych, naczyń oraz stopów aluminiowych

• Aluminium Al3: do wyrobu aluminiowych stopów odlewniczych i części urządzeń narażonych na korozję

5.Stopy aluminium

• Stopy aluminium: wprowadzenie różnych składników stopowych jak: miedź, krzem, cynk, mangan, niekiedy aluminium, nikiel, chrom (zastępują w technice czyste aluminium ze względu na jego niskie właściwości mechaniczne)

• Stopy aluminium charakteryzują się: znacznie mniejszą masą właściwą i większą udarnością w niskiej temperaturze niż stal oraz dobrą odpornością na wpływy atmosferyczne

• Podział stopów aluminium ze względu na technologie przeróbki

• Odlewnicze o składzie chemicznym i własnościach mechanicznych określonych w

PN-EN 1760 : 2001

• Do obróbki plastycznej o składzie chemicznych i oznaczeniach wg normy

PN-EN 573-3 : 2007

6.Stopy odlewnicze

• Stopy odlewnicze: zwykle wieloskładnikowe o zawartości dodatków stopowych 5-25% (charakteryzują się dobrą lejnością, dobrze wypełniają formy odlewnicze, minimalną skłonnością do powstawania skurczu odlewniczego i porowatością)

• Własności mechaniczne odlewów i gorsze niż wyrobów po obróbce plastycznej (segregacja i porowatość)

• Typowymi stopami odlewniczymi są siluminy o zawartości 4-30% krzemu oraz wieloskładnikowe z miedzią, magnezem i manganem

• Siluminy ze względu na swoją żaroodporność sosowane są na wysoko obciążone tłoki i głowice silników spalinowych oraz elementy przemysłu okrętowego i elektrycznego

7.Stopy do obróbki plastycznej

• Stopy do obróbki plastycznej: wykonanie elementów kutych o złożonych kształtach, słabo obciążonych elementów konstrukcji lotniczej i pojazdów mechanicznych (zawierają ok 5% pierwiastków stopowych jak: Cu, Mg, Mn niekiedy 1% Si, Zn, Ni, Cr)

• Jednym z najbardziej znanych i stosowanych stopów to stop Al-Cu-Mg zwany zwany duraluminium z niewielkimi dodatkami: Mn, Fe, Si (charakteryzują się dobrymi własnościami mechanicznymi przy stosunkowo małej masie właściwej (2,8g/cm3) oraz dużą odpornością na korozję)

• Zastosowanie: w przemyśle lotniczym, samochodowym i chemicznym na elementy spawane i zgrzewane o dużej odporności na korozję

• Stopy aluminium oznacza się znakami chemicznymi składników oraz liczbami określającymi procentową zawartość tych składników w stopie np. AlSi12Cu1Ni1Mg (literka 1 oznacza stop odlewniczy)

8.Magnez i jego stopy

• Magnez jest metalem lekkim krystalizującym w sieci A3 (po zetknięciu z tlenem szybko reaguje, tworząc warstwę pasywną tlenków utrudniających dalszą korozję) – w wyższych temperaturach zapala się samoczynnie i płonie oślepiającym blaskiem

• Właściwości mechaniczne i plastyczne są niskie (jako technicznie czysty nie ma zastosowania konstrukcyjnego, ale jest ważnym dodatkiem stopowym powodującym odtlenienie i modyfikację stopów metali)

• Wytrzymałość czystego magnezu jest mała (zwiększyć można poprzez wprowadzenie składników stopowych)

• Zastosowanie: do wyrobu przyrządów i aparatów lotniczych, aparatów pomiarowych i przedmiotów codziennego użytku

Stopy magnezu:

-odlewnicze i do przeróbki plastycznej

-ulepszenie poprzez obróbkę cieplną (nie ma wyżarzania bo ma dużą segregacje składników stopowych)

-składnik stopowy to aluminium i cynk, które poprawiają wytrzymałość i lejność

-zalety to bardzo mała masa i duża wytrzymałość mechaniczna, ale trudna technologia produkcji

Sposoby wytwarzania niklu:

- hutniczy

-chemiczny

-elektrolityczny

Zanieczyszczenia to: siarka, węgiel

Zastosowanie: w stanie czystym nikiel stosuje się do pobielania powierzchni narażonych na korozję, w przemyśle chemicznym do wyrobu zbiorników, do wyrobu armatur i wyrobu różnych przyrządów.

Stopy miedzi z niklem:

-nikielin

-konstantan

-stop Monelo

Konstantan odznacza się dużą stałością oporu w dużych zakresach temperatur oraz dużą siłą termoelektryczną.

Stop Monela – odporny na działanie korozyjne czynników chemicznych (stosowany do budowy łopatek niektórych turbin parowych, okrętów, w chemii wirówek)

Nowe srebro- stop niklu z miedzią i cynkiem (podobne do srebra, duży połysk, odporność na korozję, srebrny kolor, rzadko stosowany bo drogi)