Żeliwa
Odlewnicze (przez wlanie ciekłego metalu do formy) stopy żelaza z węglem ponad 2,11% C oraz pierwiastki (Si, Mn, P i S) są nazywane żeliwami. Polska terminologia rozróżnia surówki i żeliwa. Ich skład chem. Jest zbliżony. Różnica między nimi polega głównie na tym, że surówka jest produktem wielkiego pieca, służącym do dalszej przeróbki na stal lub żeliwo, natomiast z żeliwa wykonuje się odlewy.
Kład chem. Zwykle stosowanych żeliw jest następujący: 2,11 - 3,8% C, 0,5 -3,5% Si, 0,2 - 1,0% Mn, 0,05 - 0,8% P, 0,02 - 0,15% S.
Żeliwa, w których cały węgiel jest związany (nie ma grafitu), są nazywane białymi ( nazwa pochodzi od jasnego przełomu), natomiast żeliwa, w których znaczna część węgla występuje w postaci grafitu, są nazywane żeliwami szarymi (nazwa pochodzi od szarego przełomu). Mikrostruktura żeliwa białego może być interpretowana przy oparciu się na metastabilnym układzie Fe-Fe3C, również mikrostruktura osnowy żeliwa może być interpretowana na podstawie tego ukł. przy zawartości C odpowiadającej zawartości węgla związanego. Jednak ze względu na dość duże zawartości krzemu interpretacja mikrostruktury żeliw przy oparciu się na układzie Fe-Fe3C jest jedynie przybliżona.
W stopach żelazo-węgiel układem stabilnym jest układ żelazo-grafit, jednak ze względu na to, że zarodkowanie grafitu jest bardzo trudne, prawie zawsze krystalizacja zachodzi zgodnie z układem metastabilnym (Fe-Fe3C).PO dodaniu krzemu różnica temperatur między stabilną i metastabilną przemianą eutektyczną rośnie, co sprzyja zachodzeniu przemiany zgodnie z ukł. stabilnym. Krzem jest zatem pierwiastkiem sprzyjającym wydzielaniu się grafitu. Odwrotnie działają natomiast Mn i S (stabilizują Fe3C). Ze względu na dużą twardość i kruchość żeliwo białe jest bardzo rzadko stosowane, zwykle jest półproduktem do wytwarzania żeliwa ciągliwego.
Żeliwo szare
Struktura żeliw szarych składa się z metalicznej osnowy i fazy grafitowej. Osnowa może być ferrytyczna, ferrytyczno-perlityczna lub perlityczna. W zależności od kształtu grafitu wyróżnia się żeliwa z grafitem płatkowym, żeliwa sferoidalne z grafitem kulistym oraz żeliwa ciągliwe z grafitem kłaczkowym. Najczęściej jest stosowane żeliwo szare z grafitem płatkowym. Przy stałej szybkości chłodzenia (zależnej w dużej mierze od grubości ścianki odlewu) struktura żeliwa szarego zależy głównie od zawartości węgla oraz krzemu. Klasyfikacja żeliwa szarego jest oparta na wytrzymałości na rozciąganie. Polska norma wyróżnia 6 gatunków żeliw: 100, 150, 200, 250, 300 i 350. Liczby oznaczające gatunek żeliwa określają minimalną wytrzymałość na rozciąganie dla danego gatunku. Wytrzymałość na ściskanie żeliwa szarego jest ok. 4 razy większa od Rm natomiast wydłużenie nie przekracza 1%.
Żeliwo sferoidalne
Dodanie do ciekłego żeliwa małych ilości magnezu (0,03-0,08%) lub ceru powoduje, że podczas krzepnięcia odlewu grafit wydziela się nie w postaci płatków lecz kulistych cząstek. Uzyskane w ten sposób żeliwo nazywamy żeliwem sferoidalnym. Zależnie od składu chemicznego i grubości ścianek odlewu osnowę żeliwa sferoidalnego może stanowić ferryt lub ferryt i perlit. Klasyfikacja żeliwa sferoidalnego jest oparta na własnościach mechanicznych. 3 cyfry na początku oznaczają min. wytrzymałość na rozciąganie, natomiast 2 cyfry na końcu - min. wydłużenie. Min. wytrzymałość na rozciąganie żeliwa sferoidalnego jest zawarta w zakresie od 350 do 900 MPa, natomiast wydłużenie wynosi od 2 do 22%. Ze wzrostem wytrzymałości wydłużenie żeliwa maleje.
Żeliwo ciągliwe
Żeliwo ciągliwe otrzymuje się z żeliwa białego poprzez obróbkę cieplną. Ze względu na strukturę wyróżnia się żeliwo ciągliwe białe, czarne i perlityczne.
Żeliwo ciągliwe białe otrzymuje się poprzez wyżarzanie odlewów z żeliwa białego w atmosferze odwęglającej. Podczas wyżarzania następuje rozkład cementytu ( Fe3C3Fe + C) i odwęglanie( oddyfundowanie węgla z odlewu do atmosfery pieca ).
Żeliwo ciągliwe czarne otrzymuje się poprzez wyżarzanie odlewów w atmosferze obojętnej. Podczas wyżarzania następuje jedynie rozkład cementytu i tworzenie przez uwolniony węgiel cząstek grafitu w kształcie prażonej kukurydzy. W strukturze takiego żeliwa występuje ferryt i grafit lub ferryt, perlit i grafit.
Żeliwo ciągliwe perlityczne otrzymuje się podobnie jak żeliwo ciągliwe czarne, z tym że grafityzacji ulega jedynie cementyt pierwotny i wtórny. Wyżarzanie w 950˚C prowadzi do rozkładu cementytu ledeburytu, natomiast w zakresie temperatur 760 - 680˚C - do rozkładu cementytu perlitu.
Żeliwo ciągliwe jest oznaczane symbolami literowymi: W - białe, B - czarne, P - perlityczne i liczbowymi. Min. wytrzymałość na rozciąganie żeliwa ciągliwego zawiera się w przedziale 300 - 800 MPa, natomiast min. wydłużenie zmienia się od 1 do 12%. Ze wzrostem wydłużenie Rm maleje.
Z analizy własności mechanicznych żeliw szarych wynika, że zależą one od struktury oraz kształtu, ilości, wielkości i rozmieszczenia fazy grafitowej. Największy wpływ na własności plastyczne orz odporność na pękanie żeliw ma grafit. Ze względu na to, że jest on miękki kruchy, jego wydzielenia mogą być traktowane jako pory lub pustki w materiale. Z tej przyczyny najmniejszą plastyczność i odporność na pękanie maja żeliwa z grafitem płatkowym o ostrych krawędziach ( działanie karbu ). Żeliwa, w których wydzielenia grafitu są kuliste, małe i równomiernie rozmieszczone w osnowie, mają najlepsze właściwości plastyczne. Właściwości wytrzymałościowe żeliwa na ściskanie są znacznie lepsze niż na rozciąganie, co jest spowodowane zamykaniem się porów podczas ściskania, w przeciwieństwie do ich rozwierania się podczas rozciągania. Własności wytrzymałościowe żeliwa o takim samym kształcie, wielkości i ilości cząstek grafitu rosną ze wzrostem ilości węgla związanego, natomiast własności plastyczne maleją. Twardość i wytrzymałość na ściskanie żeliw są w niewielkim stopniu zależne od kształtu cząstek grafitu.
Pomimo małej wytrzymałości na rozciągnie oraz małej ciągliwości i odporności na pękanie żeliwo szare jest atrakcyjnym tworzywem, gdyż charakteryzuje się:
dobrą wytrzymałość na ściskanie
dużą zdolnością do tłumienia drgań
bardzo dobra skrawalnością (zwłaszcza w przypadku grafitu płatkowego, który powoduje łamanie się wióra)
dobra odpornością na ścieranie (wydzielenia grafitu absorbują smar, a miękki i śliski grafit jest również środkiem smarującym)
łatwością nadawania skomplikowanych kształtów ( ze względu na niską temp. Topnienia i mała lepkość ciekłego żeliwa)
niskim kosztem wytwarzania wyrobów.
Żeliwa stopowe
Rozmaitość żeliw stopowych jest duża. Pierwiastki stopowe dodaje się do żeliw w celu nadania im pożądanych własności, jak np. odporności na korozję, kwasoodporności, żaroodporności lub polepszenia własności mechanicznych.
(„Wstęp do inżynierii materiałowej” M. Blicharski)