Żeliwo sferoidalne - właściwości, cechy i zastosowanie

Żeliwo sferoidalne - jakie są jego właściwości, cechy i zastosowanie?

Żeliwo to najliczniej reprezentowana grupa odlewniczych stopów żelaza (Fe). Konkretniej, są to stopy żelaza z węglem, w których zawartość węgla wynosi powyżej 2%, z maksymalną zawartością wahającą się w przedziale od 3,8% do 6,7%.

Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o żeliwie, jego właściwościach i zastosowaniu, sprawdź nasz artykuł Czym różni się żeliwo od staliwa?

Dziś z kolei omówimy szczególny rodzaj żeliwa, a mianowicie żeliwo sferoidalne, stanowiące jedno z największych odkryć w dziedzinie tworzyw odlewniczych.

Z tego artykułu dowiesz się:

  • czym jest żeliwo sferoidalne, jaki jest jego skład chemiczny i rodzaje,
  • jak wytwarza się żeliwo sferoidalne,
  • jakie są właściwości mechaniczne żeliwa sferoidalnego,
  • jakie wady i zalety ma żeliwo sferoidalne,
  • gdzie żeliwo sferoidalne znajduje zastosowanie.

Żeliwo sferoidalne

Żeliwo jest materiałem, który powstaje z żelaza oraz węgla w postaci grafitu. Z kolei żeliwo sferoidalne jest jednym z gatunków żeliwa szarego. W żeliwie szarym stop przyjmuje formę tzw. "blaszek", jednak dzięki wprowadzeniu na odpowiednim etapie technologicznym magnezu do stopu żeliwa, w żeliwie sferoidalnym grafit przyjmuje formę kulistą.

Ten gatunek żeliwa jest znany od lat ‘40 ubiegłego wieku. To wówczas odkryto, że dzięki wprowadzeniu małej ilości magnezu do żeliwa szarego węgiel nie krystalizuje się w postaci płatków, ale w postaci sfer grafitowych, nadających żeliwu sferoidalnemu doskonałe właściwości mechaniczne. Chociaż początkowo ten materiał odlewniczy był stosowany sporadycznie, ostatecznie zrewolucjonizował produkcję i zakres stosowania żeliwa. Obecnie jego udział w produkcji wszystkich odlewów sięga co najmniej 30% w Europie, USA i Japonii. 

Ze względu na jego właściwości wysoce przewyższające żeliwo szare, należy je rozróżniać – nazwanie żeliwa sferoidowego szarym jest błędem. 

Jaki skład chemiczny ma żeliwo sferoidalne?

Skład chemiczny żeliwa sferoidalnego różni się od składu żeliwa szarego przede wszystkim większą zawartością węgla i krzemu, a także znacząco mniejszą dopuszczalną zawartością siarki (<0,02%). Ów skład z jednej strony jest wynikiem dążenia do uniknięcia tzw. ciemnych plam, które są efektem wypływania (floatacji) grafitu, czemu sprzyja wysoka zawartość węgla, z drugiej strony natomiast przeciwdziała nadmiernemu skurczowi odlewów. Skurcz odlewów to zmiana wymiarów materiału podczas krzepnięcia i stygnięcia odlewu. W połączeniu z nierównomiernym stygnięciem, skurcz jest odpowiedzialny za powstawanie w odlewie m.in. naprężeń i pęknięć.

Jeżeli zjawisko skurczu jest wielkością krytyczną, należy dążyć do otrzymania żeliwa sferoidalnego o osnowie ferrytycznej bezpośrednio po odlaniu (bez obróbki cieplnej). 

“Odlewnictwo”, Wyd. Naukowo Techniczne

Ilość manganu i fosforu w odlewie zależeć będzie od gatunku żeliwa sferoidalnego, w szczególności zaś od rodzaju osnowy metalowej. Tak więc na przykład w żeliwie o osnowie ferrytycznej, zapewniającej świetne właściwości plastyczne, ich zawartość powinna być możliwie najniższa. W odlewach z żeliwa sferoidalnego, od których wymaga się wysokiej wytrzymałości, zawartość manganu powinna być z kolei odpowiednio wyższa. 

W ten sposób, zależnie od składu chemicznego, możemy otrzymać różne gatunki żeliwa sferoidalnego, o różnych mikrostrukturach osnowy metalowej:

  • ferrytycznej,
  • perlityczno-ferrytycznej,
  • ferrytyczno-perlitycznej,
  • zależnej od obróbki cieplnej (baintycznej i martenzytycznej).

Rodzaje żeliwa sferoidalnego

W ramach grupy żeliwa sferoidalnego wyróżnia się 13 gatunków sklasyfikowanych na podstawie wytrzymałości na rozciąganie i wydłużenia.

Są to na przykład:

  • GGG40 (EN - GJS - 400 - 15): cechujące się bardzo dobrą skrawalnością i optymalną udarnością, wytrzymałością zmęczeniową, przewodnością elektryczną i zdolnością tłumienia hałasu i wibracji,
  • GGG50 (EN - GJS - 500 - 7): cechujące się dobrą jakością powierzchni i świetną zdolnością tłumienia hałasu i wibracji, wysoką odpornością na ścieranie, twardością,
  • GGG60 (EN - GJS - 600 - 3): o odporności na ścieranie i wytrzymałości wyższej niż stopy GGG40 i GGG50, cechujące się dobrą skrawalnością, nadające się do konwencjonalnego utwardzania, świetnie tłumiące hałas i wibracje.

Chcesz wiedzieć dlaczego te właściwości są ważne? Przeczytaj artykuł Jaki materiał wybrać na odlew?

Żeliwo sferoidalne - wytwarzanie

W przypadku wytwarzania żeliwa sferoidalnego wymagana jest większa kontrola niż w przypadku innych gatunków żeliwa. Poza odpowiednim składem, równie istotna jest temperatura ciekłego żeliwa, która przed rozpoczęciem sferoidyzacji nie powinna być niższa niż 1400˙C. To ważne, ponieważ w procesie sferodyizacji dochodzi do pochłaniania ciepła - wprowadzenie już 1% magnezu obniża temperaturę o 88˙C. 

Po sferoidyzacji ciekły stop jest modyfikowany celem rozdrobnienia “kulek” grafitu, aby zapewnić ich właściwą gęstość, wynoszącą przecięnie 125 ➗ 175 sferoidów (ziaren) na mm².

Właściwości mechaniczne żeliwa sferoidalnego

Żeliwo sferoidalne, zależnie od zakresów naprężeń, jest sztywne i sprężyste. Po przekroczeniu granicy plastyczności staje się jednak elastyczne. Jego twardość i udarność są z kolei wysokie w całym zakresie występujących naprężeń. Do tego ma dobre właściwości ślizgowe, jest odporne na duże obciążenia, ściskanie i ścieranie. 

Dzięki temu, że żeliwo sferoidalne:

  • jest udarne, to znaczy, że jest wysoce oporne na uszkodzenia powstałe na skutek uderzeń (zarówno przy tąpnięciach gruntu, jak i układaniu czy w pracy konstrukcyjnej i mechanicznej),
  • jest wytrzymałe na rozciąganie i ma umowną granicę plastyczności, jego wytrzymałość jest porównywalna z wytrzymałością stali konstrukcyjnej,
  • ma dużą sztywność obwodową, nie ulega deformacji na skutek obciążeń statycznych i dynamicznych.

Właściwości mechaniczne żeliwa sferoidalnego a aspekt środowiskowy

Żeliwo sferoidalne dzięki swoim właściwościom mechanicznym świetnie radzi sobie w zmieniających się warunkach, dzięki czemu wykonane z nich odlewy mają wysoki współczynnik bezpieczeństwa.

Z tego powodu wykonuje się z niego na przykład rury wodociągowe. Po pierwsze,  duża wytrzymałość mechaniczna materiałów i złączy gwarantuje, że wykopy i zagęszczanie gruntu przy zasypce będą wymagać mniejszej uwagi, bez uszczerbku dla żywotności rurociągu. Dzięki temu, że żeliwo sferoidalne jest odporne na ciśnienie, obciążenie i destabilizację podłoża oraz dobrze pracuje pod wpływem sił statycznych i dynamicznych działających na rury deformująco, jest ono materiałem pozwalającym uniknąć kosztownych napraw, awarii, pęknięć i utraty szczelności.

Żeliwo sferoidalne - wady i zalety

Podsumowując, jakie są wady i zalety tego gatunku żeliwa?  Zebraliśmy je skrótowo w poniższej tabeli.

zalety żeliwa sferoidalnego wady żeliwa sferoidalnego
bardzo dobre własności wytrzymałościowe mała przewodność cieplna
świetne właściwości plastyczne stosunkowo wysoki koszt produkcji
wysoka udarność skłonność do powstawania naprężeń w odlewie
stosunkowo wysoka wytrzymałość zmęczeniowa
mała skłonność do koncentracji naprężeń
odporność na ścieranie

 

Żeliwo sferoidalne - zastosowanie

Jakie są zastosowania żeliwa sferoidalnego? Ze względu na szeroką gamę jego właściwości, znajduje ono zastosowania w różnych gałęziach przemysłu. 

Są to między innymi:

  • produkcja części samochodowych i części maszyn (wałki rozrządu, wały korbowe, pierścienie tłokowe, koła zębate, zawory),
  • maszyny rolnicze,
  • elementy rozdrabniarek,
  • wrzeciona obrabiarek,
  • armatura żeliwna,
  • rury wodociągowe,
  • armatura hydrauliczna,
  • turbiny wodne,
  • i wiele innych.

Potrzebujesz pomocy w wycenie odlewów i doborze materiałów odlewniczych? Napisz do nas.

Chcesz zlecić wykonanie odlewów profesjonalistom? W tym przypadku sprawdź naszą ofertę.

Czym różni się staliwo od żeliwa?

Różnice pomiędzy staliwem a żeliwem

Odlewnictwo jest jedną z podstawowych technologii wytwarzania przedmiotów – a konkretnie odlewów – z metali, ich stopów i innych materiałów. Nie bez powodu to metal jest podstawowym tworzywem, z którego korzysta się chociażby podczas budowy konstrukcji, maszyn, urządzeń i narzędzi. W końcu to materiał wytrzymały odporny na uszkodzenia, o dobrej skrawalności. Chociaż metal sam w sobie jest bardzo twardy, można obrabiać go poprzez dodatki stopowe, dzięki którym zyskuje plastyczność. I tak też łącząc żelazo z węglem, otrzymujemy staliwo oraz żeliwo. Jakie są zatem różnice pomiędzy staliwem a żeliwem? Jakie są ich właściwości, zalety i zastosowania? Zapraszamy do przeczytania artykułu z naszej Bazy wiedzy o odlewnictwie. 

Z tego artykułu dowiesz się:

  • dlaczego właściwie materiał odlewu jest ważny,
  • czym jest staliwo i jakie są rodzaje staliwa,
  • jakie są zastosowania staliwa, a także czym różni się od stali,
  • czym jest żeliwo, jakie są rodzaje żeliwa,
  • jakie są zastosowania żeliwa,
  • jakie są różnice pomiędzy staliwem a żeliwem.

Dlaczego materiał odlewu jest ważny?

Tworzywa odlewnicze, aby były wydajne i odpowiednie dla zaprojektowanych dla nich zastosowań, muszą spełniać bardzo konkretne wymagania w dwóch zakresach:

  • właściwości eksploatacyjnych, czyli np. wytrzymałości i odporności korozyjnej,
  • właściwości technologicznych, czyli np. odpowiednia płynność i zdolność wypełniania wnęki formy pozwalająca na precyzyjną odtwarzalność kształtu odlewu wraz ze wszystkimi detalami.

Takimi materiałami, które charakteryzują się elastycznością zastosowań, a przy tym wysoką jakością efektów, są właśnie staliwo i żeliwo. Oba z nich powstają w procesie stapiania żelaza z węglem, różnią się jednak stosunkiem tych pierwiastków, dodatkami i właściwościami. 

Staliwo

Staliwo to odlewniczy stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami, o zawartości do 1,5% węgla i nie więcej niż 1% innych domieszek. Ponadto, w stanie lanym charakteryzuje się ono gruboziarnistą strukturą charakterystyczną dla odlewu i nie podlegającą zmianie na drodze obróbki plastycznej. 

Jakie są rodzaje staliwa?

Wyróżnia się staliwo:

  • węglowe, zawierające tylko zwykłe składniki oraz zanieczyszczenia pochodzące z przerobu hutniczego,
  • stopowe, zawierające wprowadzone dodatkowo domieszki stopowe.

Jakie właściwości ma staliwo?

właściwość dlaczego to ważne?
plastyczność staliwo jest podatne na dowolne kształtowanie - oznacza to że można z jego pomocą stworzyć odlewy dostosowane do specyficznych potrzeb klienta,
dobra spawalność staliwo świetnie sprawdza się w branżach, które w procesie produkcji wykorzystują spawanie,
dobra skrawalność staliwo wyjątkowo dobrze reaguje na obróbkę cieplno-chemiczną,
wysoka wytrzymałość staliwo jest odporne np. na ścieranie i korozję, dzięki temu jest chętnie wykorzystywane w produkcji, mechanice, przemyśle zajmującym się wytwórczością maszyn i w ośrodkach wodnych oraz w pracy przy podwyższonej temperaturze.


Zastosowanie staliwa

Staliwo znajduje zastosowanie między innymi w:

  • odlewnictwie do kruszarek szczękowych, stożkowych, młotkowych i udarowych,
  • odlewnictwie zębów i ogniw gąsienic do koparek i ładowarek,
  • produkcji części do młynów stosowanych w przeróbce rud metali, węgla kamiennego i brunatnego, czy surowców mineralnych.
  • akcesoriach posadzkowych dla górnictwa,
  • elementach do ciężkich maszyn roboczych,
  • elementach wozów dostawczych
  • tworzeniu odlewów płyt anodowych i kokili,
  • motoryzacji.

Jakie oznaczenie ma staliwo?

Każdy gatunek staliwa określa znak, na który składa się litera L (oznaczająca stal laną), oznaczenie grupy (I albo II) i liczba określająca minimalną wytrzymałość na rozciąganie (Rm) w MPa.

Według normy PN-ISO 3755:1994, w przypadku staliwa węglowego znak staliwa jest składową dwóch liczb (a konkretnie pierwszej oznaczającej granicę plastyczności oraz drugiej, oznaczającej minimalną wytrzymałość na rozciąganie - obie w MPa, np. 200-400). W przypadku staliw węglowych podlegających odbiorowi również ze względu na skład chemiczny, na końcu oznaczenia dodaje się również literę W, np. 340-550W.

Staliwo a stal

Stal to, zgodnie z obowiązującymi normami, materiał, w którym zawartość żelaza jest większa niż jakiegokolwiek innego pierwiastka. Do tego zawartość węgla w stali jest mniejsza niż 2% i znajdują się w niej inne pierwiastki. 

Stal jest ciągliwa, dzięki czemu nadaje się do obróbki plastycznej na gorąco, a przy niższej zawartości węgla również na zimno. Staliwo ma nieco niższe właściwości mechaniczne niż stal o podobnym składzie, poddana obróbce plastycznej. Staliwo charakteryzuje się jednak niższymi kosztami produkcji, w ramach właściwości i efektów wydajnych w wymagających warunkach, nawet takich jak praca powyżej 600︒C. 

Żeliwo

Żeliwo tymczasem to stop o stężeniu węgla wynoszącym powyżej 2%. Maksymalna zawartość węgla w żeliwie nie jest stała – może wynosić od 3,8% do 6,7%. Często do żeliwa dodaje się również krzem, siarkę fosfor czy mangan. 

Żeliwo powstaje w wyniku połączenia złomu i surówki, a jego poszczególne elementy wytwarza się przez odlewanie do form. Warto nadmienić, że odlewy z żeliwa mogą mieć różnorodne i bardzo skomplikowane kształty, co jest skutkiem doskonałych właściwości lejnych. Co więcej, nie poddaje się żeliwa procesowi obróbki plastycznej i produkowane jest ono wyłącznie w procesie odlewania. 

Jakie są rodzaje i gatunki żeliwa?

Wyróżnia się żeliwo:

  • szare (szare zwykłe, sferoidalne, modyfikowane, wermikularne i ciągliwe),
  • stopowe,
  • białe,
  • połowiczne.

Jakie są właściwości żeliwa?

właściwość dlaczego to ważne?
wysoka wytrzymałość świetnie sprawdza się w produkcji elementów, które muszą działać sprawnie w zmieniających się warunkach,
odporność na ścieranie ten parametr oznacza odporność na mechaniczne uszkodzenia,
łatwość odlewania różnorodnych form dzięki swojej lejności żeliwo pomaga na tworzenie skomplikowanych, złożonych odlewów o nietypowych kształtach,
dobra skrawalność żeliwo dobrze reaguje na obróbkę mechaniczną,
skuteczność tłumienia drgań stopy żeliwne nadają się do izolacji przeciwdrganiowej, na przykład maszyn, urządzeń i instalacji.


Zastosowanie

Żeliwo znajduje zastosowanie między innymi w:

  • przemyśle motoryzacyjnym,
  • produkcji pieców żeliwnych,
  • produkcji kaloryferów,
  • inżynierii sanitarnej,
  • wyposażeniu kuchennym,
  • maszynach do szycia,
  • maszynach rolniczych,
  • produkcji sprzętów AGD,
  • produkcji schodów, 
  • wytwarzanie narzędzi.

Różnice i podobieństwa pomiędzy staliwem a żeliwem

Czym różni się staliwo i żeliwo? Jakie właściwości decydują o tym, że warto użyć jednego z tych stopów? Aby łatwo to wyjaśnić przygotowaliśmy prostą tabelę, biorąc pod uwagę najczęściej wymieniane cechy tych stopów.

właściwość staliwo żeliwo
koszt koszt produkcji niższy od stali, ale wyższy niż żeliwo, niski koszt produkcji,
zawartość węgla niższa zawartość węgla, do 1,5% węgla,  co najmniej 2% wyższa zawartość węgla, od 3,8% do 6,7%,
parametry techniczne większa wytrzymałość i plastyczność, większa lejność i skuteczność tłumienia drgań,


Masz jeszcze jakieś pytania? Napisz do nas.

Zapoznaj się również z naszą ofertą odlewów staliwnych i odlewów żeliwnych.