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.
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.
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:
W ramach grupy żeliwa sferoidalnego wyróżnia się 13 gatunków sklasyfikowanych na podstawie wytrzymałości na rozciąganie i wydłużenia.
Są to na przykład:
Chcesz wiedzieć dlaczego te właściwości są ważne? Przeczytaj artykuł Jaki materiał wybrać na odlew?
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.
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:
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.
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 |
Jakie są zastosowania żeliwa sferoidalnego? Ze względu na szeroką gamę jego właściwości, znajduje ono zastosowania w różnych gałęziach przemysłu.
Są to między innymi:
Potrzebujesz pomocy w wycenie odlewów i doborze materiałów odlewniczych? Napisz do nas.
Chcesz zlecić wykonanie odlewów profesjonalistom? W tym przypadku sprawdź naszą ofertę.
