Co to jest żeliwo sferoidalne? Właściwości, stopnie i zastosowania

Co to jest żeliwo sferoidalne?

Żeliwo sferoidalne — zwane także żeliwem sferoidalnym lub żeliwem sferoidalnym (SG) — to rodzaj żeliwa, w którym grafit występuje w postaci raczej kuliste guzki niż płatki . Ta różnica strukturalna nadaje żeliwie sferoidalnemu jego charakterystyczną cechę: zdolność do odkształcenia plastycznego przed pęknięciem, zamiast nagłego pękania jak w przypadku konwencjonalnego żeliwa szarego.

Krótka odpowiedź na pytanie „czym jest żeliwo sferoidalne” jest następująca: jest to wysokowytrzymały, odporny na uderzenia materiał odlewniczy z żelaza, który łączy w sobie lejność i obrabialność żeliwa z właściwościami mechanicznymi zbliżonymi do stali. Wytrzymałość na rozciąganie mieści się w zakresie od 414 MPa do ponad 900 MPa w zależności od gatunku, osiągalne są wartości wydłużenia od 2 do 18 procent — wartości, których żeliwo szare przy wydłużeniu bliskim zera nie jest w stanie osiągnąć.

Żeliwo sferoidalne zostało opracowane w 1943 roku przez Keitha Millisa w International Nickel Company, który odkrył, że dodanie niewielkich ilości magnezu do roztopionego żelaza powoduje zestalenie grafitu w kulistą postać. Produkcja komercyjna rozpoczęła się pod koniec lat czterdziestych XX wieku, a żeliwo sferoidalne trwa obecnie jeden z najpowszechniej produkowanych materiałów inżynierskich na świecie , o światowym wydobyciu przekraczającym 25 mln ton rocznie.

Czym żeliwo sferoidalne różni się od żeliwa szarego na poziomie mikrostrukturalnym

Kluczem do zrozumienia żeliwa sferoidalnego jest jego mikrostruktura. W żeliwie szarym grafit tworzy się w postaci połączonych ze sobą płatków w metalowej osnowie. Płatki te działają jak wcześniej istniejące pęknięcia – pod wpływem naprężenia pękanie inicjuje się na końcach płatków i szybko się rozprzestrzenia, powodując kruche uszkodzenie praktycznie bez odkształcenia plastycznego.

W żeliwie sferoidalnym dodatek 0,03 do 0,05 procent magnezu wagowo do roztopionego żelaza (proces zwany brodawkowaniem lub obróbką magnezem) powoduje, że grafit krzepnie w postaci dyskretnych kulek – guzków – a nie płatków. Każdy guzek jest nieciągłą cząstką grafitu bez ostrych końcówek inicjujących pękanie. Żelazna matryca pomiędzy guzkami może odkształcić się plastycznie pod wpływem naprężenia, zanim jakiekolwiek pęknięcie będzie mogło się rozprzestrzenić, nadając materiałowi plastyczność.

Osnowa otaczająca guzki grafitu może być ferrytyczna, perlityczna lub stanowić kombinację obu, a skład osnowy przede wszystkim określa właściwości mechaniczne dowolnego gatunku żeliwa sferoidalnego. Obróbka cieplna może przekształcić osnowę z perlitycznej w ferrytyczną (wyżarzanie) lub wytworzyć mikrostruktury hartowane w celu uzyskania maksymalnej wytrzymałości.

Kluczowe właściwości mechaniczne żeliwa sferoidalnego

Właściwości mechaniczne żeliwa sferoidalnego odróżniają je od innych gatunków żeliwa i czynią z niego prawdziwą inżynieryjną alternatywę dla stali w wielu zastosowaniach. Poniższe właściwości mają zastosowanie do gatunków standardowych zgodnie z ASTM A536:

• Wytrzymałość na rozciąganie: 414 MPa (60 000 psi) dla klasy 60-40-18 do 827 MPa (120 000 psi) dla klasy 120-90-02. Hartowane żeliwo sferoidalne (ADI) osiąga przekraczającą wytrzymałość na rozciąganie 1400 MPa .
• Granica plastyczności: Od 276 MPa do 621 MPa (40 000 do 90 000 psi) dla standardowych gatunków, przy ADI sięgającym ponad 1100 MPa.
• Wydłużenie: W zależności od stopnia złamania od 2 do 18 procent. Oferty dla klas 60-40-18 Wydłużenie 18 procent — poziom związany z metalami o wysokiej ciągliwości.
• Twardość: 140 do 300 twardości Brinella (BHN) dla gatunków standardowych; Gatunki ADI osiągają wartość od 269 do 477 BHN w zależności od temperatury odpuszczania.
• Odporność na uderzenia: Znacząco wyższe niż żeliwo szare. Wartości wpływu Charpy’ego wynoszące 7 do 100 J są osiągalne w zależności od gatunku i temperatury, w porównaniu do wartości bliskich zeru w przypadku żeliwa szarego.
• Siła zmęczeniowa: Około 45 do 49 procent wytrzymałości na rozciąganie w przypadku zmęczenia przy zginaniu obrotowym - porównywalne z wieloma stalami średniowęglowymi.
• Moduł sprężystości: 159 do 172 GPa — niższa niż stal (200 GPa), ale znacznie wyższa niż aluminium (69 GPa), zapewniająca dobry stosunek sztywności do ciężaru w odlewach o grubych przekrojach.

Gatunki i normy żeliwa sferoidalnego

Żeliwo sferoidalne produkowane jest w wielu gatunkach określonych na podstawie wytrzymałości na rozciąganie, granicy plastyczności i minimalnego wydłużenia. Konwencja nazewnictwa w ASTM A536 bezpośrednio koduje te właściwości: Klasa 65-45-12 oznacza minimalną wytrzymałość na rozciąganie 65 000 psi, minimalną granicę plastyczności 45 000 psi i minimalne wydłużenie 12 procent.

Międzynarodowe gatunki żeliwa sferoidalnego zdefiniowano w pkt ISO1083 (np. EN-GJS-400-18, EN-GJS-500-7, EN-GJS-700-2) oraz europejską normę EN 1563. Konwencja nazewnictwa jest inna, ale zakresy właściwości są ściśle porównywalne z gatunkami ASTM A536.

Żeliwo sferoidalne hartowane: wariant o wysokiej wydajności

Żeliwo sferoidalne hartowane austenitycznie (ADI) produkowane jest poprzez poddanie standardowego żeliwa sferoidalnego specjalistycznemu cyklowi obróbki cieplnej: austenityzacja w temperaturze 850°C do 950°C , a następnie hartowanie izotermiczne w łaźni solnej w temp 230°C do 400°C . W ten sposób powstaje mikrostruktura ausferrytu – mieszanina ferrytu iglastego i austenitu stabilizowanego węglem – która zapewnia niezwykłe połączenie wytrzymałości, plastyczności i wytrzymałości.

Gatunki ADI według ASTM A897 osiągają wytrzymałość na rozciąganie 900 do 1400 MPa o wartościach wydłużenia od 1 do 10 procent – właściwości pokrywające się ze stalą średniostopową, ale przy 10 procent mniejsza gęstość i znacznie niższy koszt w przypadku produkcji o złożonej geometrii, która wymagałaby rozległej obróbki z prętów. ADI jest stosowany w przekładniach, wałach korbowych, ogniwach gąsienic i elementach konstrukcyjnych rolnictwa, gdzie decydujący jest stosunek wydajności do kosztów.

Żeliwo sferoidalne a żeliwo szare kontra stal: bezpośrednie porównanie

Zrozumienie, gdzie znajduje się żeliwo sferoidalne w stosunku do żeliwa szarego i stali, pomaga inżynierom podjąć właściwą decyzję o wyborze materiału. Każdy materiał ma określoną kopertę wydajności i profil kosztów.

Tabela ilustruje, dlaczego żeliwo sferoidalne zajmuje tak dominującą pozycję w inżynierii: zapewnia wytrzymałość i ciągliwość porównywalną do stali, zachowuje właściwości tłumiące i właściwości lejne żeliwa, a przy tym kosztuje znacznie mniej na kilogram gotowego elementu niż odlewy stalowe, gdy w grę wchodzą złożone geometrie.

Jak powstaje żeliwo sferoidalne: proces produkcyjny

Produkcja żeliwa sferoidalnego wymaga ściślejszej kontroli procesu niż w przypadku żeliwa szarego. Etap obróbki magnezu jest najbardziej krytyczną i wymagającą technicznie częścią procesu.

1. Przygotowanie żelaza bazowego: Bazowe stopione żelazo jest zwykle przygotowywane z kontrolowanym składem 3,6 do 3,8 procent węgla i 2,0 do 2,8 procent krzemu wagowo. Przed obróbką magnezem zawartość siarki należy zmniejszyć do poziomu poniżej 0,02%, ponieważ siarka reaguje z magnezem i pochłania go, zapobiegając tworzeniu się grudek.
2. Leczenie magnezem (guzkowanie): Magnez dodaje się do roztopionego żelaza — zazwyczaj w postaci stopu magnezu i żelazokrzemu (FeSiMg), aby złagodzić gwałtowną reakcję. Obróbkę przeprowadza się w kadzi metodą warstwową, zanurzeniową lub wtryskiem drutowym. Resztkowa zawartość magnezu w obrobionym żelazie musi być 0,03 do 0,05 procent —zbyt mała powoduje niepełną guzowatość; za dużo powoduje powstawanie węglików.
3. Inokulacja: Natychmiast po obróbce magnezem dodaje się modyfikator żelazokrzemowy, aby wspomóc zarodkowanie grafitu i zapobiec tworzeniu się węglików podczas krzepnięcia. Zaszczepienie musi nastąpić w ciągu krótkiego okna — zazwyczaj w ciągu 10 do 15 minut — aby zachować skuteczność przed blaknięciem.
4. Odlewanie: Obrobione żelazo wlewa się do form piaskowych, form trwałych lub urządzeń do odlewania odśrodkowego, w zależności od geometrii części. Nieco wyższy współczynnik skurczu żeliwa sferoidalnego w porównaniu z żeliwem szarym wymaga starannego zaprojektowania nadlewu, aby zapobiec porowatości wewnętrznej.
5. Obróbka cieplna (opcjonalnie): Odlane żeliwo sferoidalne może być wyżarzane w celu pełnego ferrytyzacji osnowy (poprawy ciągliwości), normalizowane w celu wytworzenia osnowy perlitycznej (zwiększenie wytrzymałości) lub hartowane w celu uzyskania gatunków ADI.
6. Weryfikacja jakości: Guzkowatość (procent grafitu występującego w postaci kulek w porównaniu z formami nieregularnymi) jest weryfikowana metalograficznie. Guzkowatość powyżej 85 procent jest wymagany w większości zastosowań konstrukcyjnych; poniżej 80 procent właściwości mechaniczne są znacznie niższe od wymagań gatunku.

Gdzie stosuje się żeliwo sferoidalne: główne zastosowania w przemyśle

Połączenie wytrzymałości, plastyczności, lejności i kosztu żeliwa sferoidalnego sprawia, że jest to domyślny materiał wybierany w niezwykle szerokiej gamie gałęzi przemysłu. To nie jest materiał niszowy – to koń pociągowy.

Motoryzacja i transport

Zastosowania motoryzacyjne pochłaniają największą część światowej produkcji żeliwa sferoidalnego. Kluczowe komponenty obejmują wały korbowe, wałki rozrządu, obudowy mechanizmów różnicowych, zwrotnice, wahacze zawieszenia i zaciski hamulcowe. Typowy pojazd osobowy zawiera 30 do 60 kg żeliwa sferoidalnego . Wytrzymałość zmęczeniowa materiału i podatność na obróbkę skrawaniem sprawiają, że idealnie nadaje się do obracających się i poruszających się ruchem posuwisto-zwrotnym części układu napędowego, które w przeciwnym razie wymagałyby kosztownych odkuwek stalowych.

Infrastruktura wodno-ściekowa

Rury z żeliwa sferoidalnego w dużej mierze zastąpiły rury z żeliwa szarego i betonu w systemach wodociągowych i kanalizacyjnych na całym świecie. Połączenie wysokiej wytrzymałości na rozciąganie, elastyczności pod wpływem ruchu gruntu, odporności na korozję (szczególnie w przypadku okładzin cementowych) i długiej żywotności — 50 do 100 lat oczekiwany — sprawia, że jest to materiał wybierany na miejskie sieci wodociągowe, rury ciśnieniowe i armaturę. AWWA C151/A21.51 reguluje specyfikacje rur z żeliwa sferoidalnego w Ameryce Północnej.

Sprzęt rolniczy i budowlany

Obudowy osi ciągników, korpusy cylindrów hydraulicznych, obudowy skrzyni biegów i elementy zaczepu osprzętu są rutynowo odlewane z żeliwa sferoidalnego. Materiał wytrzymuje obciążenia udarowe spowodowane nierównym terenem i operacjami w terenie, które mogłyby spowodować pękanie żeliwa szarego, zapewniając jednocześnie lepszą obrabialność i niższy koszt niż równoważne odlewy stalowe.

Ropa naftowa, gaz i zawory

Zasuwy, zawory kulowe, zawory zwrotne i korpusy zaworów do rurociągów przemysłowych są zwykle odlewane z żeliwa sferoidalnego klasy 65-45-12 lub 80-55-06. Zdolność materiału do utrzymywania ciśnienia, podatność na obróbkę skrawaniem w przypadku precyzyjnych powierzchni gniazd i odporność na korozję sprawiają, że jest on preferowany w stosunku do żeliwa szarego w każdym zastosowaniu, w którym pęknięcie korpusu zaworu stanowiłoby zdarzenie zagrażające bezpieczeństwu.

Energia Wiatrowa

Wielkoformatowe odlewy z żeliwa sferoidalnego są kluczowymi elementami konstrukcyjnymi turbin wiatrowych. Odlewy piast do turbin wielomegawatowych mogą ważyć 10 do 30 ton , z ramami gondoli, obudowami łożysk głównych i odlewami zamków wirnika, również wykonanymi z żeliwa sferoidalnego. Połączenie wysokiej wytrzymałości, odporności zmęczeniowej i możliwości odlewania skomplikowanych pustych geometrii o dużych grubościach przekroju sprawia, że ​​żeliwo sferoidalne jest niezastąpione w tym zastosowaniu.

Ograniczenia i uwagi dotyczące stosowania żeliwa sferoidalnego

Żeliwo sferoidalne nie jest rozwiązaniem uniwersalnym. Zrozumienie jego ograniczeń pozwala uniknąć kosztownych błędów projektowych i niewłaściwego zastosowania materiałów.

• Czułość sekcji: Właściwości mechaniczne pogarszają się w bardzo grubych przekrojach poprzecznych (powyżej 75 do 100 mm), gdzie powolne chłodzenie w środku zmniejsza guzowatość i sprzyja tworzeniu się perlitu lub węglika. Duże odlewy wymagają starannego dostosowania stopu i mogą wymagać obróbki cieplnej w celu uzyskania jednakowych właściwości.
• Niższa plastyczność w niskich temperaturach: W przeciwieństwie do stali, żeliwo sferoidalne nie utrzymuje wartości udarności Charpy’ego w temperaturach poniżej zera. Poniżej w przybliżeniu -20°C , standardowe ferrytyczne żeliwo sferoidalne ulega przemianie z plastycznej w kruchą. Zastosowania niskotemperaturowe wymagają specjalnych gatunków o niskiej zawartości krzemu lub stopów niklu.
• Spawanie jest trudne: Żeliwo sferoidalne is weldable but requires careful preheat (typically 250°C do 400°C ), odpowiednie spoiwa (elektrody na bazie niklu lub elektrody o wysokiej zawartości niklu) i kontrolowane chłodzenie po spawaniu, aby zapobiec pękaniu. Spawanie jest techniką naprawy, a nie metodą łączenia większości elementów z żeliwa sferoidalnego.
• Odporność na korozję jest umiarkowana: Żeliwo sferoidalne koroduje w agresywnym środowisku — szczególnie w glebach bogatych w chlorki i w warunkach kwaśnych. Powłoki ochronne (wykładzina cementowa, żywica epoksydowa, cynk) są standardem w przypadku infrastruktury podziemnej. Niezabezpieczonego żeliwa sferoidalnego nie należy stosować w zanurzeniu lub zakopaniu bez zabezpieczenia przed korozją.
• Gęstość jest wyższa niż aluminium: O godz 7,1 g/cm3 — w porównaniu z aluminium, które waży 2,7 g/cm3 — żeliwo sferoidalne jest cięższe. W zastosowaniach, w których istotna jest waga, gdzie nie są wymagane zalety wytrzymałościowe żeliwa sferoidalnego, bardziej odpowiednie mogą być odlewy z aluminium lub magnezu.

Skrawalność i wykończenie żeliwa sferoidalnego

Żeliwo sferoidalne jest dobrze obrabiane w porównaniu ze stalą, chociaż jest nieco bardziej ścierne niż żeliwo szare ze względu na zwarte grudki grafitu. Grafit w żeliwie szarym zapewnia wbudowany efekt smarowania, który nieznacznie zmniejsza zużycie narzędzia; Grafit sferoidalny z żeliwa sferoidalnego nie zapewnia takich samych korzyści.

• Prędkości skrawania: Gatunki ferrytyczne (60-40-18, 65-45-12) maszyna przy prędkościach skrawania 150 do 250 m/min z narzędziami węglikowymi. Gatunki perlityczne (80-55-06, 100-70-03) wymagają zmniejszonych prędkości od 100 do 180 m/min ze względu na wyższą twardość.
• Wykończenie powierzchni: Żeliwo sferoidalne można obrabiać do wykończenia powierzchni od Ra 0,8 do 1,6 μm przy użyciu standardowych narzędzi z węglików spiekanych – odpowiednich do większości powierzchni uszczelniających i nośnych bez konieczności szlifowania.
• Powłoka i obróbka powierzchniowa: Żeliwo sferoidalne dobrze znosi galwanizację, fosforanowanie, malowanie, malowanie proszkowe i powłoki natryskowe termicznie. Hartowanie płomieniowe i hartowanie indukcyjne gatunków perlitycznych pozwala uzyskać twardość powierzchniową ok 50 do 58 HRC do powierzchni narażonych na zużycie, takich jak krzywki wałków rozrządu i czopy wału korbowego.