Żeliwo stopowe - jakie są jego rodzaje, właściwości i zastosowania?

Dziś omówimy szerzej żeliwo stopowe, jego rodzaje, właściwości, skład oraz zastosowania. Żeliwo, jak wiemy z tekstu Czym różni się staliwo od żeliwa?, to najliczniej reprezentowana grupa wysokowęglowych, 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%.

Węgiel może występować w żeliwie w postaci grafitu, albo być związany z żelazem pod postacią węglika żelaza (Fe3C), czyli cementytu, którego twardość oscyluje pomiędzy twardością korundu i diamentu. Występowanie konkretnej fazy węgla zależy od szybkości chłodzenia i składu chemicznego stopu. 

Z tego artykułu dowiesz się:

• czym jest żeliwo stopowe i jak się je wytwarza,
• jaki jest skład chemiczny i popularne dodatki do żeliw stopowych,
• jakie są typy i właściwości żeliw stopowych oraz ich poszczególne zastosowania,
• gdzie wykorzystuje się żeliwo stopowe

Żeliwo stopowe

Żeliwo stopowe jest żeliwem wzbogaconym o dodatki stopowe, dzięki którym wzrasta  odporność żeliwa na działanie czynników atmosferycznych, chemikaliów, wysokich temperatur, ścieranie, itp. 

Dodatki w postaci krzemu, niklu, chromu, molibdenu, aluminium i innych pierwiastków, pozwalają na modyfikację właściwości chemicznych i fizycznych konkretnych stopów, a tym samym dostosowanie ich do specyficznych wymagań stawianych przez odbiorców odlewów. 

Liczba gatunków żeliwa stopowego jest bardzo duża i można klasyfikować je w różny sposób:

• ze względu na zawartość dodatków stopowych (niskostopowe < 3% i wysokostopowe > 3%),
• ze względu na rodzaj dominującego pierwiastka (np. krzemowe, niklowe, chromowe, manganowe),
• ze względu na właściwości (np. odporne na ścieranie, odporne na korozję, żaroodporne).

Żeliwo stopowe - wytwarzanie

Żeliwo otrzymuje się przetapiając surówkę z dodatkami złomu stalowego lub żeliwnego w piecach zwanych żeliwiakami.

Do żeliw stopowych wprowadzane są dodatki stopowe, występujące niezależnie od domieszek. Wspomniane wyżej pierwiastki są dodawane w celu polepszenia właściwości użytkowych żeliw, takich jak:

• właściwości mechaniczne,
• właściwości fizyczne,
• odporność na ścieranie,
• odporność na działanie korozji elektrochemicznej i gazowej,
• odporność na czynniki atmosferyczne.

Ich skład chemiczny jest dobierany w sposób, który pozwala na zachowanie odpowiedniej struktury i właściwości. Z tego powodu należy ze szczególną uwagą dobierać dodatki o działaniu grafityzującym i zabielającym.

Skład chemiczny żeliwa stopowego - dodatki

Konkretne żeliwo stopowe, zależnie od składu i warunków pracy, może uzyskać odpowiednie właściwości dzięki poszczególnym dodatkom stopowym.

Ze względu na dużą liczbę żeliw stopowych, włączając te znormalizowane, nie sposób omówić je całościowo. Zamiast tego posłużymy się przykładami. Na wybranych, najpopularniejszych pierwiastkach stopowych, omówimy ich wpływ i zastosowania.

Krzem

• zwiększa odporność na korozję,
• polepsza właściwości w pracy w wysokiej temperaturze (w ilości 4,5 ➗ 8%), ponieważ zmniejsza skłonność do łuszczenia warstwy powierzchniowej,
• zwiększa odporność na działanie kwasów (w ilości 14 ➗ 17%,  z dodatkiem 5% Chromu i 1% Molibdenu): azotowego, fosforowego, octowego i w szczególności siarkowego (uwaga! podlega łatwo korozji w kwasie solnym i ługach).

Chrom

• poprawia odporność na kruszenie i pękanie,
• zwiększa odporność na korozję,
• zwiększa odporność na wysoką temperaturę,
• wykonane z jego domieszką żeliwa są żaroodporne i żarowytrzymałe.

Nikiel

• zapewnia optymalną żaroodporność,
• zwiększa odporność na korozję.

Molibden

• zwiększa odporność na korozję,
• zwiększa żarowytrzymałość.

Mangan

• wiąże się z siarką usuwając jej niekorzystny wpływ w żeliwie.

Aluminium

• odlewy z jego dodatkiem są odporne na działanie środowiska gazowego tlenu, węgla oraz siarki,
• zwiększa odporność na wysoką temperaturę.

Typy żeliw stopowych

Jak już wspomniano, najbardziej rozpowszechnionym podziałem żeliw stopowych jest ten, którego kryterium jest określone przez właściwości odlewu. Zgodnie z PN-88/H-83144 dzieli się je więc na żeliwo odporne na korozję, żeliwo odporne na ścieranie i żeliwo żaroodporne.

Żeliwo odporne na korozję

To grupa żeliw, odpornych na niszczenie materiałów w ramach ekspozycji na zewnętrzne czynniki. Ten typ żeliw jest zdominowany przez żeliwa wysokochromowe i chromowo-niklowe. W jego ramach wyróżniamy też żeliwa z dodatkiem niklu i molibdenu stabilizujące odporny na korozję austenit poprzez dodatek krzemu, chromu lub aluminium, tworzących odporną na korozję warstwę na powierzchni odlewu.

Żeliwo o podwyższonej odporności na ścieranie

Ten typ żeliw stopowych jest odporny na ubytek masy, objętości lub grubości na skutek ścierania wierzchniej warstwy elementów, które ze sobą współpracują. Takie właściwości mają na przykład żeliwa niklowe, wysokochromowe i wysokomanganowe.

Żeliwo żaroodporne i żarowytrzymałe

Chociażby niestopowe żeliwo szare odznacza się niewielką żaroodpornością, na której polepszenie wpływa dodatek stopowy, na przykład w formie chromu lub krzemu. 

W tej kategorii na szczególną uwagę zasługują:

• Silal: tworzywo przeznaczone na odlewy elementów do pracy w temperaturach dochodzących do 600–800 °C, o podniesionej zawartości manganu i krzemu. Jego wadą jest podwyższona kruchość.
• Nicrosilal: tworzywo podobne do silalu, z dodatkiem 16-20% niklu. Ma ono lepsze parametry wytrzymałościowe.
• Niresist: to materiał wysoce żaroodporny, a jednocześnie odporny na korozję. Zawiera 2,5% krzemu, do 2% manganu, do 16% niklu, do 4  chromu i do 8% miedzi.

Żeliwo stopowe - zastosowanie

Żeliwa stopowe zyskują zastosowanie w wielu branżach i gałęziach przemysłu, zależnie od właściwości konkretnego stopu. 

Odlewy żeliwne stopowe można znaleźć na przykład:

• we włazach ściekowych,
• rurach,
• piecach,
• przemyśle chemicznym,
• przemyśle farmaceutycznym,
• przemyśle motoryzacyjnym,
• w odlewach wykorzystywanych w warunkach podatnych na styczność z kwasami, rdzę czy wysoką temperaturę.