background image

Ż

eliwa

wcze

ś

niej, po zastosowaniu 

koksu

(Anglia 1735), 

masowo produkowano tylko 

ż

eliwo

,

- ozdoby, meble ogrodowe, trumny, 
- mosty (pierwszy w 1779 – istnieje do dzisiaj), kolumny oraz sklepienia architektoniczne, statki,
- cylindry silników parowych, ło

ż

a tokarek, ró

ż

ne cz

ęś

ci maszyn, 

- szczególnie w epoce wiktoria

ń

skiej (Anglia 1837

÷÷÷÷

1901) – wszelkie mo

ż

liwe zastosowania !!!

(odlewnicze stopy 

ż

elaza, w których cz

ęść

 lub cały w

ę

giel jest w postaci wolnej –

grafit

)

(konwertor)

(piec martenowski)

- mo

ż

liwo

ść

 wytapiania w prymitywnych piecach (wystarczy temperatura 

ok. 1160 

°

C !!!

),

masowe wytwarzanie stali rozpocz

ę

ło si

ę

 dopiero w drugiej połowie XIX wieku,

- metody wynalezione przez Bessemera (1856), Siemensa (1863) oraz Martina (1865),

- uzyskano a

ż

 dziesi

ę

ciokrotny spadek ceny i niesłychany wzrost produkcji

(na całym 

ś

wiecie z ok. 60 tys. ton w roku 1850 do ok. 28 mln ton w roku 1900),

(+)

w połowie XX wieku -

modyfikowanie 

ż

eliw

(zmiana kształtu grafitu - do 

sferoidalnego

),

- do dzisiaj 

ż

eliwa s

ą

 du

ż

o ta

ń

sze od stali i staliw (stal odlewana) – dla zło

ż

onych kształtów,

wła

ś

ciwo

ś

ci 

ż

eliw szarych (z klasycznym grafitem płatkowym):

-

bardzo mała wytrzymało

ść

 na rozci

ą

ganie oraz odporno

ść

 na obci

ąż

enia udarowe

,

du

ż

a wytrzymało

ść

 na 

ś

ciskanie, du

ż

a odporno

ść

 na zu

ż

ycie powierzchni 

ś

lizgowych,

dobre tłumienie drga

ń

, mniejszy ni

ż

 w staliwach skurcz odlewniczy oraz napr

ęż

enia własne, 

- renesans stosowania 

ż

eliw oraz nowe obszary zastosowa

ń

 (zast

ę

puj

ą

 stal i staliwo),

- płatki grafitu krótkie, kr

ę

pe, t

ę

po zako

ń

czone,

- zwarty w

ę

giel 

ż

arzenia,

-

grafit sferoidalny – idealny kształt

(prawie nie obni

ż

a wła

ś

ciwo

ś

ci wytrzymało

ś

ciowych),

- np. wały korbowe oraz wałki rozrz

ą

du w silnikach spalinowych,

background image

posta

ć

 grafitu - wytrzymało

ś

ciowo najgorsza (płatkowa) oraz najlepsza (kulista) 

nie trawione – grafit płatkowy (długi, cienki, ostro zako

ń

czony)

schemat grafitu
płatkowego

L.A. Dobrza

ń

ski)

(R.F. Cochrane)

(+)

nie trawione – grafit płatkowy (długi, cienki, ostro zako

ń

czony)

grafit sferoidalny w osnowie ferrytycznej

grafit sferoidalny

schemat
budowy

http://de.wikipedia.org/wiki/

(R.F. Cochrane)

background image

ż

eliwo szare z grafitem płatkowym – historycznie najstarsze ale dalej stosowane (zwykle modyfikowane)

stan nietrawiony

(R.F. Cochrane)

(A. Krajczyk)

grafit niemodyfikowany

grafit modyfikowany (wermikularny)

(+)

stan trawiony – osnowa ferrytyczna

stan trawiony – osnowa perlityczno-ferrytyczna

(A. Krajczyk)

background image

brama z 

ż

eliwa – pałac Buckingham, Londyn

ogrodzenie z 

ż

eliwa – Wimpole Hall, Cambridge

(-)

(H.K.D.H. Bhadeshia)

www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/

(

ż

eliwo z grafitem płatkowym)

background image

konstrukcje mostów z 

ż

eliwa szarego  

„Ironbridge -1779

„Ironbridge -1779

(H.K.D.H. Bhadeshia)

(-)

rzeka Severn, Anglia

„Ironbridge -1779

Victoria Bridge -1850

(H.K.D.H. Bhadeshia)

background image

konstrukcja mostu z 

ż

eliwa szarego - „Ironbridge” (1779)

(rzeka Severn, Anglia) 

(

ż

eliwo z grafitem płatkowym)

(-)

(

www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2001/adi/cast.iron

- fot. Yokota Tamoyki)

background image

● ż

eliwo szare w dawnym budownictwie

(-)

background image

(www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/)

(-)

(fot. S. Kühn)

http://de.wikipedia.org/wiki/

C.S.S. Virginia (1850-1865)

background image

posta

ć

 grafitu - wytrzymało

ś

ciowo najgorsza (płatkowa) oraz najlepsza (kulista) 

nie trawione – grafit płatkowy (długi, cienki, ostro zako

ń

czony)

schemat grafitu
płatkowego

L.A. Dobrza

ń

ski)

(R.F. Cochrane)

(+)

nie trawione – grafit płatkowy (długi, cienki, ostro zako

ń

czony)

grafit sferoidalny w osnowie ferrytycznej

grafit sferoidalny

schemat
budowy

http://de.wikipedia.org/wiki/

(R.F. Cochrane)

background image

rury 

ż

eliwne (kanalizacja) – dawniej i dzisiaj

(

ż

eliwo z grafitem płatkowym)

(-)

(

ż

eliwo sferoidalne - 2004)

background image

wał korbowy samochodu sportowego – „TVR Tuscan Speed 6”
(

ż

eliwo sferoidalne hartowane izotermicznie)

obecnie – przykłady bardziej wyrafinowanych zastosowa

ń

(-+)

wahacz zawieszenia – „Ford Mustang Cobra”
(

ż

eliwo sferoidalne hartowane izotermicznie)

(H.K.D.H. Bhadeshia)

www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2001/adi/cast.iron

background image

element zawieszenia ci

ęż

kiego samochodu ci

ęż

arowego 

inne przykłady
zastosowania 

ż

eliw

blok silnika
(„nie ma dobrego
diesla bez 

ż

eliwa”)

tarcza
hamulcowa

(-+)

ż

eliwo sferoidalne hartowane izotermicznie

(odlewnia: „Steele and Lincoln Foundry”

(H.K.D.H. Bhadeshia)

hamulcowa

korbowody

background image

ż

eliwo sferoidalne – najwy

ż

sze wła

ś

ciwo

ś

ci mechaniczne

(+-)

stan trawiony – osnowa ferrytyczna

stan trawiony – osnowa perlityczno-ferrytyczna

(A. Krajczyk)

(A. Krajczyk)

stan trawiony – osnowa bainityczna (hart. izotermiczne)

(M.A. Yescas-Gonzales - Cambridge)

background image

Wykres równowagi metastabilnej Fe – Fe

3

C oraz 

Fe - C

gr

(opis fazowy)

fazy stałe: 

ferryt, austenit

, cementyt lub 

grafit

(+)

γγγγ

C

gr

αααα

C

gr

background image

Proces grafityzacji

polega na rozkładzie metastabilnego cementytu na w

ę

giel wolny (grafit) oraz roztwór stały,

w zale

ż

no

ś

ci od temperatury grafityzacji:

T

A

1

Fe

3

C

gr

+

γγγγ

Fe

3

C

gr

+

αααα

grafityzacji (rozkładowi cementytu) sprzyjaj

ą

 pierwiastki destabilizuj

ą

ce cementyt, tzn. 

zwi

ę

kszaj

ą

ce jego energi

ę

 swobodna F (pierwiastki rozpuszczone w cementycie):

(+)

-

krzem (jego wpływ traktowany jest jako poziom odniesienia)

,

aluminium (trzykrotnie wi

ę

kszy wpływ ale rzadko stosowane),

nikiel, mied

ź

, fosfor (wielokrotnie słabiej ni

ż

 Si),

oraz 

w

ę

giel

( im wi

ę

cej w

ę

gla w stopie tym mniej trwały cementyt),

modyfikowanie (dostarczanie podkładek do zarodkowania grafitu) ułatwia grafityzacj

ę

,

wi

ę

kszo

ść

 badaczy uwa

ż

a, 

ż

e w cieczy jednak najpierw krystalizuje cementyt (6,67 %C) a dopiero

ź

niej nast

ę

puje jego rozkład na grafit (100 %C) i austenit,

- krystalizacja grafitu w cieczy jest mniej prawdopodobna (wymagałaby wi

ę

kszego ruchu atomów),

background image

Klasyfikacja 

ż

eliw

(+)

grafit płatkowy

grafit 

ż

arzenia

grafit sferoidalny

bez grafitu

(od płatków długich, cienkich, ostro 
zako

ń

czonych do krótkich, grubych, 

t

ę

po zako

ń

czonych  - w wyniku 

modyfikowania)

(kłaczkowy ale coraz 
bardziej zwarty w 
wyniku modyfikowania)

(ledeburyt)

(podwójnie 
modyfikowany)

(B. Ku

ź

nicka)

background image

trzy główne grupy 

ż

eliw w zale

ż

no

ś

ci od postaci (kształtu grafitu):

(+-)

(B. Ku

ź

nicka)

background image

skład chemiczny 

ż

eliw (najwa

ż

niejszy 

C

oraz 

Si

),

(+)

Mn

(0,4

÷÷÷÷

1,4%) – jako domieszka lub 

celowy dodatek

,

hamuje grafityzacj

ę

 w ni

ż

szych temperaturach (utrudnia rozkład perlitu, ułatwia jego sferoidyzacj

ę

),

wi

ąż

e bardzo szkodliw

ą

 S w niegro

ź

ne MnS,

<0,12%, zwykle 0,08

÷÷÷÷

0,1% -

domieszka szkodliwa

(hamuje grafityzacj

ę

, zmniejsza lejno

ść

, du

ż

y skurcz),

P  (0,1

÷÷÷÷

1,0%) – jako domieszka lub 

celowy dodatek

(dodatni wpływ na grafityzacj

ę

),

- tworzy niskotopliw

ą

 (ok. 953

°

C) eutektyk

ę

 (

αααα

+ Fe

3

C + Fe

3

P) nazywan

ą

 

steadytem

,

- poprawia lejno

ść

, podwy

ż

sza odporno

ść

 na 

ś

cieranie, siatka steadytu powoduje krucho

ść

,

background image

eutektyka fosforowa (steadyt) w 

ż

eliwie szarym

(+-)

pojedyncze wtr

ą

cenia steadytu

siatka wtr

ą

ce

ń

 steadytu

(A. Krajczyk)

background image

wzorce kształtu grafitu według PN-EN ISO 945:1999

I

II

III

(w normie podano równie

ż

 wzorce wielko

ś

ci i sposobu rozmieszczenia grafitu)

(-+)

IV

V

VI

(za L.A. Dobrza

ń

skim)

background image

Ż

eliwa szare -

z grafitem płatkowym, zwykłe i modyfikowane

(pogl

ą

dowy wykres Maurera 

dla grubo

ś

ci 

ś

cianki 50 mm)

wpływ zawarto

ś

ci C i Si na struktur

ę

 osnowy metalowej 

ż

eliw szarych,

(+)

wpływ szybko

ś

ci chłodzenia (grubo

ś

ci 

ś

cianki) 

na osnow

ę

 metalowa 

ż

eliwa szarego,

(R. Haimann)

background image

klasyfikacja 

ż

eliw szarych

(+)

(B. Ku

ź

nicka)

background image

kryterium klasyfikacji 

ż

eliw szarych mo

ż

e by

ć

 

minimalne R

m

lub 

minimalna twardo

ść

(HB)

- oba parametry s

ą

 powi

ą

zane ze sob

ą

 (zale

ż

no

ść

 empiryczna wg PN-EN 1561:2000):

HB RH 

××××

(

××××

R

m

)       powszechnie przyjmuje si

ę

100,  B 0,44

- współczynnik

RH

nazywany jest twardo

ś

ci

ą

 wzgl

ę

dn

ą

 (zwykle 0,8

÷

1,2  tzn. 

±

20%),

- dokładno

ść

 warto

ś

ci RH jest miar

ą

 powtarzalno

ś

ci wyrobów danego wytwórcy (odlewni),

pomiar R

m

wykonuje si

ę

 na dwa przybli

ż

one sposoby:

-próba rozci

ą

gania odlewanych osobno pr

ę

tów próbnych,

-próba rozci

ą

gania odcinanych z odlewu specjalnych próbek przylanych (jest dokładniejsza),

pomiar HB wykonuje si

ę

 bezpo

ś

rednio na odlewie w przewidzianych do tego miejscach (nadlewkach)

(-+)

(L.A. Dobrza

ń

ski)

background image

modyfikowanie 

ż

eliwa szarego (stosowana jest zwykle osnowa perlityczna – najwy

ż

sze R

m

)

- główne cele modyfikowania: 

- krótkie, kr

ę

pe i t

ę

po zako

ń

czone płatki grafitu, równomierna wielko

ść

 i  rozmieszczenie,

- uniezale

ż

nienie kształtu, wielko

ś

ci i sposobu rozmieszczenia grafitu od grubo

ś

ci 

ś

cianki, 

- modyfikatory (dostarczaj

ą

 podkładek ułatwiaj

ą

cych zarodkowanie grafitu),

stopy nazywane „

ż

elazokrzemem”  (Si 30% Fe oraz dodatki Ca, Al, Ni, Ti), które 

po rozpuszczeniu w ciekłym 

ż

eliwie tworz

ą

 zwi

ą

zki ułatwiaj

ą

ce zarodkowanie grafitu,

(+)

grafit płatkowy niemodyfikowany

grafit płatkowy modyfikowany

(http://de.wikipedia.org/wiki/)

background image

Przykłady struktur 

ż

eliwa szarego perlitycznego

z modyfikowanym grafitem płatkowym,

przypuszczalnie:  

EN-GJL-300  lub 
EN-GJL-350

(A. Krajczyk)

(-+)

grafit płatkowy modyfikowany, 
rozmieszczony mi

ę

dzydendrytycznie,

taki kształt nazywany jest „

wermikularnym

” 

background image

porównanie zachowania si

ę

 przy rozci

ą

ganiu oraz skr

ę

caniu

stali niskow

ę

glowej oraz 

ż

eliwa szarego:

przełomy kruche

przełom ci

ą

gliwy

rozdzielczy

stal

stal

ż

eliwo

ż

eliwo

(+-)

Próba rozci

ą

gania

Próba skr

ę

cania

przełom ci

ą

gliwy

po

ś

lizgowy

background image

podsumowanie zalet oraz wła

ś

ciwo

ś

ci 

ż

eliwa szarego: 

dobra lejno

ść

 oraz mały skurcz w porównaniu do staliw,

zdolno

ść

 do tłumienia drga

ń

,

niewra

ż

liwo

ść

 na działanie karbu (zewn

ę

trznego),

bardzo dobre wła

ś

ciwo

ś

ci 

ś

lizgowe (grafit),

(+)

bardzo dobra skrawalno

ść

 (małe opory oraz łamliwy wiór),

odporno

ść

 na korozj

ę

 lepsza ni

ż

 stali niestopowej,

wytrzymało

ść

 na 

ś

ciskanie podobna jak dla stali,

wytrzymało

ść

 na rozci

ą

ganie mała  (max 350 MPa) 

(B. Ku

ź

nicka)

background image

(+)

(B. Ku

ź

nicka)

background image

(+-)

(L.A. Dobrza

ń

ski)

background image

Ż

eliwo sferoidalne (nazywane równie

ż

 podwójnie modyfikowanym)

otrzymywane przez podwójne modyfikowanie 

ż

eliwa szarego,

modyfikowanie 

ż

elazokrzemem (z dodatkami Ca, Al, Sr, Ba) w celu ułatwienia 

zarodkowania grafitu (podkładki) – grafit drobny oraz równomiernie rozmieszczony,

modyfikowanie magnezem  oraz/lub  cerem  w celu uzyskania sferoidalnego kształtu grafitu

(podwy

ż

szanie energii granicy mi

ę

dzyfazowej),

k

ą

piel metalowa przed modyfikowaniem wymaga specjalnego odsiarczania (< 0,03% S) 

w celu zapobiegni

ę

cia powstawania siarczków pierwiastków modyfikuj

ą

cych (Mg, Cr),   

- modyfikatory to stopy nazywane „zaprawami” (Si Mg, Cu Mg Cr, Ni Mg Cr) 

(+)

niska temperatura topnienia i wrzenia Mg (650

°

C oraz 1107

°

C) oraz du

ż

e powinowactwo do tlenu

wymagaj

ą

 specjalnych metod wprowadzania modyfikatorów do k

ą

pieli metalowej, 

najefektywniejsze metody polegaj

ą

 na podawaniu modyfikatorów w strug

ę

 metalu wlewanego do formy,

● ż

eliwa sferoidalne mo

ż

na klasycznie obrabia

ć

 cieplnie (podobnie jak stale)  - R

m

700

÷÷÷÷

900 MPa,

● ż

eliwo sferoidalne ADI (Austempered Ductile Iron) hartowane z przemian

ą

 izotermiczn

ą

 osi

ą

ga

R

m

800

÷÷÷÷

1400 MPa, przy wydłu

ż

eniu 8

÷÷÷÷

1%  

(struktura iglastego lekko przesyconego w

ę

glem ferrytu oraz austenitu nieprzemienionego)

- du

ż

a odporno

ść

 na zu

ż

ycie i zm

ę

czenie, ekonomiczne o bardzo dobrej kombinacji wytrzymało

ś

ci 

oraz ci

ą

gliwo

ś

ci, konkurencyjne do stali w wielu wyszukanych zastosowaniach (np. koła z

ę

bate),    

background image

(+)

(B. Ku

ź

nicka)

background image

(+)

(B. Ku

ź

nicka)

background image

(+-)

(L.A. Dobrza

ń

ski)

background image

przykłady zastosowa

ń

 

ż

eliwa ci

ą

gliwego

(-+)

background image

(+-)

(A. Krajczyk)

ci

ą

gliwe ferrytyczne, np. GJMB-350-10 

ci

ą

gliwe perlityczno-ferrytyczne, np. GJMB-450-6 

ci

ą

gliwe perlityczno-ferrytyczne, np. GJMB-600-3 

background image

(B. Ku

ź

nicka)

(+-)

background image

(-)

(L.A. Dobrza

ń

ski)