1.Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest poznanie budowy metalograficznej i zastosowanie odlewniczych stopów żelaza, czyli staliw i żeliw

2. Wyposażenie stanowiska badawczego.

Stanowisko,  przy   którym   odbywają   się   ćwiczenia wyposażone   jest w :

-          Próbki żeliw i staliw

-          oddzielny opis do każdej z próbek

-          mikroskop o sumie powiększeń x250

-          zasilacz 6V

3.Wiadomosci wprowadzające do tematyki ćwiczeń

Żeliwa

Dla żeliwa charakterystyczną cechą jest występowanie w ich strukturze składnika eutektyki ledeburycznej z cementytem pierwotnym – w żeliwach białych, względnie eutektyki grafitowej z grafitem pierwotnym – w żeliwach szarych. Na jeden albo drugi z wymienionych modli krzepnięcia wpływa przede wszystkim szybkość chłodzenia, poza tym skład chemiczny żeliwa. Wykres F. Greinera i T. Klingensteina ujmuje wpływ pośrednich grubości ścianek odlewu oraz składu w zakresie podstawowym     składnikom żeliw (C + Si) na uzyskiwaną po krzepnięciu strukturę      (rys. 1).

Żeliwo szare o strukturze perlitycznej, o najkorzystniejszych własnościach mechanicznych, przedstawia pole II. Im wyższa jest zawartość sumy C + Si, tym żeliwo staje się bardziej wrażliwe na grubość ścianek i zakres II się zawęża, przechodząc w zakres Iib, względnie nawet w zakresie III. Z wykresu wynika że odlew o skomplikowanych kształtach i różnych grubościach ścianek w różnych miejscach nie ma jednakowej struktury. Przy małych grubościach ścianek i przy mniejszej sumie C + Si, powstaje już struktura żeliwa zabielonego (pole IIb), względnie nawet żeliwa białego (pole I). Z wykresu można korzystać tylko orientacyjnie, gdyż na strukturę żeliwa ma jeszcze wpływ cały szereg innych czynników, jak rodzaj materiałów wsadowych, metoda topnienia żeliwa, rodzaj pieca, dodatkowe modyfikacje i inne.

W praktyce odlewniczej wytwarza się przeważnie żeliwo szare bez wtrąceń cementytu utrudniających obróbkę mechaniczną.

W niektórych przypadkach, gdy chodzi o znaczną twardość i odporność na ścieranie powierzchni części maszyn jak walców młyńskich, dysz, klocków hamulcowych, stosuje się tzw. Żeliwo utwardzane z cementytem w warstwie powierzchniowej. Taką strukturę uzyskuje się przez intensywne ochładzanie powierzchni krzepnącego odlewu; w rdzeniu odlewu wolniej chłodzonym zostaje zachowana struktura żeliwa szarego perlitycznego, nawet ferrytyczno – perlitycznego, o dobrych własnościach tłumienia drgań.

Żeliwa zabielonego w całej objętości z reguły nie stosuje się na części konstrukcyjne, o otrzymane przypadkowo usuwa się z dalszej produkcji ze względu na trudność w obróbce mechanicznej.

Żeliwo białe nie nadaje się na części konstrukcyjne, gdyż z powodu dużej zawartości wolnego cementytu ledeburytycznego jest materiałem bardzo twardym, kruchym i nieobrabialnym.

Żeliwo szare

Struktura żeliwa szarego składa się z grafitu, metalicznej osnowy oraz zawierający wtrącenia fosforu lub siarki. Własności żeliwa zależą przede wszystkim od ilości kształtu grafitu oraz od charakteru osnowy. Im grafitu jest więcej, tym niższa jest wytrzymałość żeliwa. Kształt grafitu w żeliwie szarym maże być najrozmaitszy, jak też jego rozłożenie i wielkość

Występowanie grafitu w żeliwie jest jednej strony przyczyną dużej kruchości, tym większej im większych płatach grafitu występuje w udarności żeliw płatkowych nie przekracza 98,1 kJ/m2, z drugiej strony czyni to tworzywo łatwo obrabialnym. Doskonale obrabiane żeliwa są nisko gatunkowe o dużych płatach grafitu i miękkim położeniu ferrytycznym, dość dobrze też są obrabialne żeliwa o równomiernie rozłożonym mniejszym graficie płatkowym, natomiast wtrącenia wolnego cementytu już znacznie utrudnia obróbkę.

Podłoże metaliczne w żeliwie może być ferrytyczen perlityczne, lub ferrytyczno – perlityczne

Poza tym własności mechaniczne żeliwa są uwarunkowane wtrąceniami zawierającymi P i S. Fosfor rozpuszcza się częściowo w ferrycie zależnie od głównej zawartości węgla w żeliwie; przy zawartości 3,5% C maksymalna rozpuszczalność w ferrycie wynosi 0,3%. Pozostała ilość P występuje w temperaturze otoczenia w postaci potrójnej eutektyki fosforowej, stanowiącą drobnoziarnistą mieszaninę ferrytu fosforowego, zwanym stędytem.

Ważną cechą żeliwa szarego jako materiału konstrukcyjnego jest jego mała rozszerzalność cieplna, dlatego jest stosowana na takie części jak tłoki, panewki. Natomiast nie nadaje się to tworzywo na części narażone obciążeniem udarowym, ani gdy wymagana jest pewna plastyczność. Z drugiej strony jest to materiał tani, o znacznej wytrzymałości zmęczeniowej, odporny na działanie karbu i na ścieranie, posiada w dużym stopniu zdolność tłumienia drgań i stąd jego szerokie zastosowanie, zwłaszcza że wyższe jego gatunki mają Rc, Zg i HB nie wiele niższe od stali.

Żeliwo ciągliwe

Żeliwo ciągliwe uzyskuje swe własności plastyczne na swej drodze specjalnej obróbki cieplnej; produkuje się je przez poddanie odlewów z żeliwa białego długo trwałemu wyżarzaniu, podczas którego zachodzi rozpad cementytu pierwotnego i wtórnego na żelazo i grafit żarzenia. Własności plastyczne uzyskuje się dzięki kulkowej postaci wydzielonego grafitu żarzenia, jako zbliżone do własności charakterystycznych do metalicznego podłożą.

Żeliwo ciągliwe czarne. Wyjściowym materiałem do otrzymywania żeliwa ciągliwego czarnego jest żeliwo białe o składzie: 2,2 - 2,8% C, 0,2 – 0,4% Mn, 0,8 – 1,4% Si, max 0,2% P i 0,1% S. Skład żeliwa wyjściowego dobiera się odpowiednio do wielkości przedmiotu, aby otrzymać całkowicie biały odlew, czyli w grubych odlewach wymagana jest mała suma C + Si; ewentualnie bowiem wtrącenie grafitu płatkowego w białym żeliwie wyjściowym powodowałby osadzenie się grafitu pochodzącego z rozpadu cementytu podczas wyżarzania na pierwotnych płatkach i nie tworzenia się kulistych form węgla żarzenia.

Struktura odlewów składa się z ledeburytu przemienionego i perlitu. Podczas wyżarzania tej struktury zachodzi kolejno: grafityzacja cementytu eutektycznego, następnie cementytu wtórnego, wreszcie cementytu zawartego w perlicie.

Żeliwa wysokojakościowe

Żeliwo sferoidalne cechuje grafit pierwotny, wykrystalizowany wprost z cieczy w postaci kulistej, bardzo korzystnej, gdyż znacznie mniej osłabiającej metaliczną osnowę żeliwo od postaci płatkowej. Prace nad otrzymaniem grafitu w postaci kulistej były od dawna prowadzone, ale dopiero w roku 1949 doprowadziły one do technicznego opanowania tej metody. Polega ona na wprowadzeniu do ciągliwego żeliwa przed jego odlewaniem małej ilości określonych dodatków, bardzo silnie redukujących, kierujących krystalizacją w ten sposób że powstają kuliste, względnie zbliżonych do kulistych (sferoidalne), ziarna grafitu.

Dotychczas brak pełnego teoretycznego wyjaśnienia procesu sferoidyzacji grafitu magnezem. Niewątpliwie odgrywa tu rolę kilka czynników, jak budowa sieci przestrzennej produktów reakcji z Mg, zmiana napięcia powierzchniowego przez Mg i stopień przechłodzenia żeliwa. Symbolem żeliwa sferoidalnego jest Zs. W liczbie czterocyfrowej pierwsza część dwucyfrowa oznacza minimalne Rm., druga część – min. A%.

Dzięki dobrym własnością i niższym kosztem wytworzenia żeliw sferoidalnego znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle budowy maszyn, zastępując stal, staliwo, czy żeliwo ciągliwe. Ważniejsze części wykonywane z żeliwa sferoidalnego to: wały, koła zębate, wirniki walce do blach grubych i cienkich.

Żeliwa stopowe otrzymuje się przez wprowadzenie żelazostopów do wsadu i celem ich wytwarzania jest otrzymanie stopów:

1. O podwyższonych cechach  mechanicznych,
2. O specjalnych własnościach jak:

a)      żaroodporność, żarowytrzymałość,

b)      odporność na korozję,

c)      specjalne własności fizyczne, elektryczne lub magnetyczne.

Dodatek składników stopowych na skutek ich rozpuszczalności w ferrycie powoduje rozdrobnienie struktury osnowy i tym samym podwyższenie własności mechanicznych. Poza tym składniki stabilizujące cementyt (Cr iMn) wpływają na zachowanie cech mechanicznych w wyższych temperaturach. Najczęściej dodaje się do żeliw konstrukcyjnych składniki stopowe w ilości do 1,5% celem podniesienia ich własności mechanicznych.

Dodatek do żeliwa szarego małej ilości Cu wpływa na wzrost jego odporności na korozję atmosferyczną, ale specjalnie odporne na nią są wysoko stopowe żeliwa z dużymi dodatkami Si lub Cr, Ni Mo.

Staliwo

Staliwo - stal w postaci lanej (czyli odlana w formy odlewnicze), nie poddana obróbce plastycznej. W odmianach użytkowych zawartość węgla nie przekracza 1%, suma typowych domieszek również nie przekracza 1%. Własności mechaniczne staliwa są nieco niższe niż własności stali o takim samym składzie po obróbce plastycznej. Wynika to z charakterystycznych dla odlewów: gruboziarnistości i pustek międzykrystalicznych. Staliwo ma natomiast znacznie lepsze własności mechaniczne od żeliwa, w szczególności - jest plastycznie obrabialne, a odmiany o zawartości węgla poniżej 0,25% są również dobrze spawalne. Staliwo jest materiałem gorszym do odlewnictwa , posiada duży skurcz objętościowy i liniowy.
 

Podział Staliwa

STALIWO DZIELI SIĘ:

Ze względu na skład chemiczny rozróżnia się staliwa:

WĘGLOWE - zawierające tylko składniki zwykłe i zanieczyszczenia z przerobu hutniczego :

Węgiel:0,10% do 0.60%

Mangan: 0,40% do 0,90%

Krzem: 0,20% do 0,50%

STOPOWE - zawierające dodatkowo wprowadzone celowo domieszki stopowe

Ze względu na własności fizyczne i związane z nimi możliwości praktycznego zastosowania, wyróżnia się staliwa:

WĘGLOWE

- zwykłej jakości
- wyższej jakości
- najwyższej jakości

Jakość wyznaczona jest określonymi w normach parametrami

STOPOWE

- manganowe
- manganowo-krzemowe
- chromowe
- chromowo-molibdenowe
- chromowo-manganowo-krzemowe
- żaroodporne
- odporne na korozję (nierdzewne i kwasoodporne)
- konstrukcyjne do pracy w podwyższonych temperaturach