Co to jest żeliwo szare? Skład, właściwości i zastosowania

Co to jest żeliwo szare?

Żeliwo szare jest stopem żelaza zawierającym 2,5 do 4,0 procent węgla i 1,0 do 3,0 procent krzemu wagowo, w którym większość węgla występuje w postaci płatków grafitu rozmieszczonych w żelaznej osnowie. Kiedy bada się powierzchnię pęknięcia, płatki grafitu nadają metalowi charakterystyczny szary kolor – stąd wzięła się nazwa. Jest to najczęściej produkowana forma żeliwa na świecie około 70 do 75 procent całkowitej produkcji żeliwa na świecie .

Krótka odpowiedź na pytanie „czym jest żeliwo szare” jest następująca: jest to tani, łatwo odlewalny materiał konstrukcyjny, charakteryzujący się doskonałym tłumieniem drgań, dobrą wytrzymałością na ściskanie, wyjątkową obrabialnością i naturalną kruchością. Jest to materiał wybierany wszędzie tam, gdzie tłumienie, odporność na zużycie i złożona geometria mają większe znaczenie niż wytrzymałość na rozciąganie lub udarność — który obejmuje szeroki zakres zastosowań przemysłowych, motoryzacyjnych i infrastrukturalnych.

Żeliwo szare jest produkowane w Chinach nieprzerwanie od co najmniej V wieku p.n.e. i stanowiło podstawę produkcji przemysłowej w XVIII i XIX wieku. Pomimo konkurencji ze strony żeliwa sferoidalnego, stali i aluminium pozostaje niezastąpiony w zastosowaniach, w których jego specyficznej kombinacji właściwości nie może ekonomicznie dorównać żaden inny materiał.

Mikrostruktura, która definiuje żeliwo szare

Cechą charakterystyczną żeliwa szarego jest jego mikrostruktura: płatki grafitu osadzone w metalicznej osnowie z ferrytu, perlitu lub ich kombinacji . Zrozumienie tej mikrostruktury wyjaśnia praktycznie każdą właściwość mechaniczną i fizyczną materiału.

Płatki grafitu: źródło zarówno mocnych, jak i słabych stron

W żeliwie szarym nadmiar węgla, którego nie można rozpuścić w osnowie żelaza, wytrąca się podczas krzepnięcia w postaci grafitu. Wysoka zawartość krzemu (1,0 do 3,0 procent) sprzyja tej grafityzacji, hamując tworzenie się węglika żelaza (cementytu), z którego w przeciwnym razie wytwarzałoby się żeliwo białe – materiał twardy, kruchy i prawie nieobrabialny.

Płatki grafitu pełnią rolę wewnętrznej sieci koncentratorów naprężeń. Pod obciążeniem rozciągającym pęknięcia inicjują się na ostrych końcach płatków i szybko rozprzestrzeniają się w osnowie, nadając żeliwo szaremu charakterystyczną niską wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie bliskie zeru. Jednak te same płatki zapewniają krytyczne korzyści: przerywają propagację pęknięć pod wpływem cyklicznych wibracji (tłumienie), zapewniają efekt samosmarujący, który zmniejsza zużycie i sprawiają, że materiał jest wyjątkowo łatwy w obróbce, ponieważ płatki działają jak łamacze wiórów.

Rodzaje płatków grafitowych: klasyfikacja ASTM A247

ASTM A247 klasyfikuje morfologię płatków grafitu na pięć typów, które bezpośrednio wpływają na właściwości mechaniczne:

• Typ A (rozkład równomierny, orientacja losowa): Najbardziej pożądany rodzaj płatków. Wytwarzany przez umiarkowane tempo chłodzenia dobrze zaszczepionym żelazem. Zapewnia najlepszą kombinację wytrzymałości, obrabialności i tłumienia.
• Typ B (grupy rozet): Wytwarzany przez umiarkowanie szybkie chłodzenie. Nieznacznie obniżone właściwości mechaniczne w porównaniu do typu A. Powszechne w odlewach cienkościennych.
• Typ C (nałożone wielkości płatków, grafit Kish): Związany z kompozycjami nadeutektycznymi. Duże płatki grafitu pierwotnego znacznie zmniejszają wytrzymałość i wskazują na problem ze składem lub niewystarczającą inokulację.
• Typ D (międzydendrytyczny, przechłodzony): Drobne, losowo zorientowane płatki powstałe w wyniku szybkiego chłodzenia lub niedostatecznego zaszczepienia. Wyższa twardość, ale zmniejszona obrabialność; powszechne w cienkich przekrojach lub w pobliżu powierzchni odlewu.
• Typ E (międzydendrytyczny, preferowana orientacja): Występuje w silnie podeutektycznych żelazach z szybkim chłodzeniem. Tworzy kierunkowość właściwości mechanicznych i zmniejsza skrawalność.

Matryca: ferrytyczna, perlityczna lub mieszana

Osnowa żelaza otaczająca płatki grafitu określa wytrzymałość i twardość żeliwa szarego. A w pełni perlityczna matryca zapewnia najwyższą wytrzymałość na rozciąganie i twardość (zwykle od 200 do 300 HB), ponieważ perlit – naprzemienne warstwy ferrytu i cementytu – jest z natury silniejszy niż sam ferryt. A w pełni ferrytyczna matryca wytwarza bardziej miękkie, łatwiejsze w obróbce żelazo o niższej wytrzymałości. Większość dostępnych na rynku gatunków żeliwa szarego ma osnowę mieszaną ferrytyczno-perlityczną, z zawartością perlitu kontrolowaną składem stopu i szybkością chłodzenia.

Skład chemiczny żeliwa szarego

Właściwości żeliwa szarego są bezpośrednio kontrolowane przez jego skład chemiczny. W kompozycji dominuje pięć pierwiastków, a każdy z nich pełni specyficzną rolę metalurgiczną:

Ekwiwalent węgla (CE) to powszechnie stosowany jednocyfrowy wskaźnik pozwalający przewidzieć zachowanie się żelaza szarego: CE =%C (%Si%P) / 3 . CE wynoszący 4,3 to eutektyka; wartości poniżej 4,3 są podeutektyczne (silniejsze, twardsze, lepsze dla gatunków konstrukcyjnych), a wartości powyżej 4,3 są nadeutektyczne (bardziej płynne, lepsze w przypadku skomplikowanych odlewów, ale niższa wytrzymałość).

Właściwości mechaniczne żeliwa szarego

Żeliwo szare ma charakterystyczny i wysoce asymetryczny profil właściwości. Jego mocnymi stronami są dokładnie te właściwości, które są najbardziej potrzebne w zastosowaniach ciężkich, podatnych na wibracje i intensywne zużycie; jego słabe strony – kruchość i niska wytrzymałość na rozciąganie – po prostu wyznaczają granice właściwego użytkowania.

• Wytrzymałość na rozciąganie: 100 do 400 MPa w zależności od gatunku. Jest to najsłabszy wymiar mechaniczny żeliwa szarego - znacznie gorszy od żeliwa sferoidalnego i stali. Żeliwa szarego nigdy nie należy stosować w głównych elementach konstrukcyjnych przenoszących rozciąganie.
• Wytrzymałość na ściskanie: 3 do 5 razy większa od wytrzymałości na rozciąganie —zwykle 570 do 1380 MPa. Właśnie dlatego żeliwo szare doskonale sprawdza się w zastosowaniach takich jak podstawy obrabiarek, bloki silników i konstrukcje kolumn, w których dominują obciążenia ściskające.
• Twardość: Liczba twardości Brinella (BHN) od 150 do 320. Wyższej jakości żeliwa perlityczne zbliżają się do 300 BHN, zapewniając doskonałą odporność na zużycie. Twardość żeliwa szarego jest głównym powodem jego stosowania na elementy hamulców i powierzchnie ślizgowe maszyn.
• Wydłużenie: Mniej niż 1 procent — w praktyce zero odkształceń plastycznych przed pęknięciem. Żeliwo szare jest z natury kruche i nie można go obrabiać na zimno ani formować po odlaniu.
• Zdolność tłumienia drgań: 20 do 25 razy większa niż stal i znacznie wyższa niż w przypadku żeliwa sferoidalnego. Płatki grafitu pochłaniają i rozpraszają energię wibracji, czyniąc żeliwo szare dominującym materiałem na podstawy obrabiarek, bloki silników i ramy sprężarek, gdzie kontrola rezonansu ma kluczowe znaczenie.
• Przewodność cieplna: 46 do 52 W/(m·K) – wyższa niż w przypadku większości stali i znacznie wyższa niż w przypadku stali nierdzewnej. Ułatwia to odprowadzanie ciepła z tarcz hamulcowych, głowic cylindrów i naczyń kuchennych.
• Moduł sprężystości: 66 do 172 GPa – szeroki zakres odzwierciedlający wpływ objętości, rozmiaru i orientacji płatków grafitu na sztywność. Jest to wartość niższa niż w przypadku stali (200 GPa), co oznacza, że ​​żelazo szare ugina się bardziej na jednostkę naprężenia.

Gatunki i standardy żeliwa szarego

Żeliwo szare produkowane jest w znormalizowanych gatunkach, które określają minimalną wytrzymałość na rozciąganie oraz, w niektórych normach, zakresy twardości. Podstawowe standardy stosowane na całym świecie to ASTM A48, ISO 185 i EN 1561.

ASTM A48 (Ameryka Północna)

ASTM A48 klasyfikuje żeliwo szare według minimalnej wytrzymałości na rozciąganie w ksi. Numer gatunku jest bezpośrednio równy minimalnej wytrzymałości na rozciąganie: Klasa 20 = minimum 138 MPa (20 ksi). . Klasy wahają się od 20 do 60, przy czym wyższe liczby wskazują na mocniejsze, twardsze i bardziej perlityczne mikrostruktury.

ISO 185 i EN 1561 (międzynarodowe)

Zgodnie z normą ISO 185 i europejską normą EN 1561, gatunki żeliwa szarego są oznaczone jako EN-GJL-100 do EN-GJL-350 , gdzie liczba wskazuje minimalną wytrzymałość na rozciąganie w MPa. EN-GJL-250 (minimalna wytrzymałość na rozciąganie 250 MPa) jest w przybliżeniu odpowiednikiem klasy 35 do 40 ASTM i jest najczęściej określanym gatunkiem do zastosowań motoryzacyjnych i ogólnych w inżynierii w Europie i Azji.

Jak powstaje żeliwo szare

Produkcja żeliwa szarego jest prostsza niż większości innych metali konstrukcyjnych, co jest istotnym powodem jego niskiego kosztu. Proces jest zasadniczo spójny we wszystkich odlewniach na całym świecie, chociaż szczegóły różnią się w zależności od rodzaju sprzętu i wymagań gatunku.

1. Przygotowanie wsadu i topienie: Surowce — surówka, złom stalowy, zwroty żeliwa (wpusty, piony, odrzucone odlewy) i żelazostopy — są ładowane do elektrycznego pieca indukcyjnego lub żeliwiaka. Piece żeliwiakowe, w których jako paliwo wykorzystuje się koks, są metodą tradycyjną i nadal popularną w przypadku produkcji na dużą skalę ze względu na niższe koszty energii. Piece indukcyjne zapewniają ściślejszą kontrolę składu i są preferowane w przypadku prac o wyższej jakości.
2. Korekta chemii: Skład roztopionego żelaza mierzy się za pomocą optycznej spektrometrii emisyjnej (OES) i reguluje przez dodanie żelazokrzemu, żelazomanganu lub innych przedstopów. Zawartość węgla reguluje się poprzez dodanie węgla (grafitu) lub rozcieńczenie złomem stalowym. Docelowy CE ustalany jest w zależności od zamierzonego gatunku i grubości przekroju odlewu.
3. Inokulacja: Przed wylaniem modyfikator żelazokrzemowy dodaje się do kadzi lub bezpośrednio do strumienia formy. Zaszczepianie sprzyja tworzeniu się płatków grafitu typu A, redukuje przechłodzony grafit (typ D) i minimalizuje tworzenie się wychłodzeń na cienkich przekrojach. Szczepienie późnym strumieniem —dodawanie modyfikatora do strumienia metalu wchodzącego do formy — jest najskuteczniejszą metodą i stanowi standardową praktykę w nowoczesnych odlewniach.
4. Przygotowanie formy i zalewanie: Większość żeliwa szarego jest odlewana w formach z zielonego piasku (zagęszczony wilgotny piasek wokół wzoru). Metal wylewa się w temperaturach pomiędzy 1300°C i 1450°C w zależności od grubości przekroju i złożoności. Doskonała płynność żeliwa szarego — lepsza niż w przypadku stali i żeliwa sferoidalnego — umożliwia niezawodne wypełnianie cienkich przekrojów i skomplikowanych geometrii.
5. Zestalanie i wytrząsanie: Żelazo szare ulega ekspansji eutektycznej podczas krzepnięcia w miarę wytrącania się grafitu, co częściowo kompensuje ogólne zmniejszenie objętości. Zmniejsza to nasilenie porowatości skurczowej w porównaniu do odlewów stalowych. Po zastygnięciu formę wytrząsa się i odlew oddziela od piasku.
6. Czyszczenie i wykończenie: Bramy, nadstawki i nadlewkę usuwa się poprzez szlifowanie lub śrutowanie. Kontrola wymiarowa i badanie twardości weryfikują zgodność ze specyfikacją. Wyżarzanie odprężające przy 500°C do 600°C jest czasami wykonywany na odlewach precyzyjnych obrabiarek, aby zminimalizować zmiany wymiarów podczas późniejszej obróbki.

Gdzie stosuje się żeliwo szare: zastosowania według branż

Pozycja żeliwa szarego w produkcji opiera się na podstawowym zestawie właściwości – tłumieniu drgań, wytrzymałości na ściskanie, odporności na zużycie, lejności i obrabialności – które sprawiają, że jest to preferowany materiał do określonej i szerokiej klasy zastosowań, któremu nie dorównuje żaden inny materiał pod względem stosunku kosztu do wydajności.

Motoryzacja: bloki silnika i elementy hamulców

Dominującym materiałem pozostaje żeliwo szare tarcze hamulcowe i bębny hamulcowe w pojazdach osobowych i użytkowych pomimo konkurencji ze strony kompozytów i ceramiki. Wysoka przewodność cieplna (szybko rozpraszające ciepło hamulców), doskonałe właściwości tribologiczne (stały współczynnik tarcia o klocki hamulcowe) i bardzo niski koszt na kilogram sprawiają, że jest on funkcjonalnie i ekonomicznie nie do pobicia w tym zastosowaniu. Typowa tarcza hamulcowa pojazdu osobowego waży 7 do 12 kg i jest produkowany z żeliwa szarego klasy 30 lub 35.

Bloki silników z żeliwa szarego są nadal powszechne w pojazdach użytkowych, silnikach wysokoprężnych i silnikach benzynowych o dużej pojemności skokowej, gdzie zdolność tłumienia materiału zmniejsza hałas i wibracje w porównaniu z aluminium. Tuleje cylindrowe w blokach aluminiowych są również często wykonane z żeliwa szarego, aby zapewnić wymaganą odporność na zużycie na powierzchni otworu.

Obrabiarki i urządzenia przemysłowe

Łóżka, kolumny i wrzecienniki tokarek, frezarek, centrów obróbczych i szlifierek są prawie powszechnie odlewane z żeliwa szarego - głównie klasy 30 do 40. Decydującym czynnikiem jest zdolność tłumienia żeliwa szarego : podstawa obrabiarki, która skutecznie tłumi wibracje, zapewnia lepsze wykończenie powierzchni i dłuższą żywotność narzędzia niż równoważna stalowa konstrukcja spawana. Podstawy obrabiarek z żeliwa szarego charakteryzują się również doskonałą stabilnością wymiarową w czasie i mniejszą wrażliwością na odprężanie naprężeń szczątkowych niż spawane konstrukcje stalowe.

Rury, zawory i infrastruktura wodna

Rury z żeliwa szarego były podstawą miejskich systemów dystrybucji wody od XIX wieku. Chociaż żeliwo sferoidalne w dużej mierze zastąpiło żeliwo szare w nowych instalacjach wodociągowych, na całym świecie w użyciu są setki tysięcy kilometrów rur wodociągowych z żeliwa szarego , niektóre mają ponad 100 lat. Zawory, pokrywy włazów i elementy drenażowe z żeliwa szarego są nadal produkowane w dużych ilościach do zastosowań infrastrukturalnych, gdzie obciążenie ściskające i odporność na korozję są ważniejsze niż wytrzymałość na rozciąganie.

Naczynia kuchenne i sprzęt kulinarny

Naczynia kuchenne z żeliwa — patelnie, piekarniki holenderskie, patelnie — to żeliwo szare w najbardziej widocznym dla konsumentów zastosowaniu. Wysoka pojemność cieplna materiału i równomierne rozprowadzanie ciepła sprawiają, że jest on lepszy od cienkiej stali nierdzewnej w przypadku zadań wymagających ciągłego, równomiernego dostarczania ciepła. Dobrze wysezonowana patelnia z szarego żeliwa tworzy naturalną, nieprzywierającą warstwę spolimeryzowanego oleju, łącząc porowatość materiału i teksturę powierzchni w funkcjonalną powierzchnię do gotowania. Wysokiej jakości naczynia kuchenne z żeliwa służą przez pokolenia, jeśli są właściwie konserwowane.

Sprężarki, pompy i elementy hydrauliczne

Cylindry i ramy sprężarek, korpusy pomp i bloki zaworów hydraulicznych są zwykle odlewane z żeliwa szarego klasy 30 do 40. Wytrzymałość materiału na ciśnienie pod naprężeniami ściskającymi w połączeniu z doskonałą obrabialnością w celu uzyskania precyzyjnych powierzchni otworów i powierzchni uszczelniających oraz dobrą odpornością na zacieranie i zużycie powodowane przez cząstki przenoszone przez płyn, sprawia, że jest to niezawodny i opłacalny wybór dla urządzeń do zasilania cieczą pracujących przy ciśnieniach do 250 barów .

Żeliwo szare a inne rodzaje żeliwa: kiedy którego używać

Żeliwo nie jest pojedynczym materiałem – to cała rodzina. Wybór odpowiedniego członka tej rodziny wymaga zrozumienia, co oferuje każdy typ i jakie właściwości żeliwa szarego dają mu przewagę, a jakie wadę.

Wybierz szare żelazo gdy tłumienie drgań, wytrzymałość na ściskanie, obrabialność i niski koszt są priorytetami, a obciążenie rozciągające lub odporność na uderzenia nie są wymaganiami projektowymi. Wybierz żeliwo sferoidalne, gdy wymagana jest wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie lub odporność na uderzenia. Wybieraj żelazo białe tylko do zastosowań wymagających ekstremalnego ścierania, gdzie nie jest wymagana obróbka skrawaniem.

Skrawalność: dlaczego żeliwo szare jest jednym z metali najłatwiejszych w obróbce

Żeliwo szare jest wzorcem obrabialności wśród metali żelaznych. Płatki grafitu służą jako łamacze wiórów, wytwarzając krótkie, kruche wióry zamiast długich, ciągliwych wiórów charakterystycznych dla stali. To radykalnie zmniejsza siły skrawania, temperaturę narzędzia i szybkość jego zużycia. Grafit działa również jako suchy smar pomiędzy narzędziem a przedmiotem obrabianym, dodatkowo zmniejszając tarcie.

• Prędkości skrawania: Można obrabiać gatunki ferrytyczne (klasa 20–25). 200 do 300 m/min z narzędziami z węglika powlekanego. Gatunki perlityczne (klasa 40–60) wymagają zmniejszonych prędkości od 100 do 200 m/min ze względu na wyższą twardość i ścieralność.
• Obróbka na sucho jest standardem: W przeciwieństwie do stali, żeliwo szare jest rutynowo obrabiane na sucho. Chłodziwo może powodować pękanie pod wpływem szoku termicznego w żeliwie szarym na styku narzędzie-przedmiot obrabiany i generalnie należy go unikać w operacjach toczenia, frezowania i wytaczania.
• Wykończenie powierzchni: Obrabiarki z żeliwa szarego do wykończeń powierzchni od Ra 0,8 do 3,2 μm ze standardowymi narzędziami węglikowymi do operacji toczenia i wytaczania, wystarczające do większości powierzchni łożysk i uszczelnień bez dodatkowego szlifowania.
• Zużycie ścierne narzędzi: Pomimo łatwego cięcia płatki grafitu są lekko ścierne dla krawędzi narzędzi skrawających, szczególnie w gatunkach o wysokiej zawartości krzemu. Narzędzia z węglika powlekanego (TiN, TiCN, Al₂O₃) lub CBN są stosowane w produkcji wielkoseryjnej w celu utrzymania stałej trwałości narzędzia.

Ograniczenia żeliwa szarego i kiedy go nie używać

Każdy materiał ma granice odpowiedniego zastosowania. Zrozumienie ograniczeń żeliwa szarego zapobiega katastrofalnym błędom projektowym i pomaga w podejmowaniu właściwych decyzji dotyczących zastąpienia materiału.

• Nie stosować w głównych konstrukcjach nośnych: Żeliwo szare nigdy nie powinno być głównym elementem nośnym konstrukcji poddawanej znacznym naprężeniom rozciągającym lub zginającym. Jego wydłużenie bliskie zeru oznacza, że ​​nie ostrzega przed pęknięciem i nie powoduje redystrybucji plastycznej przeciążeń.
• Brak obciążenia udarowego i udarowego: Zastosowania wymagające nagłych obciążeń udarowych – główki młotów, haki do podnoszenia, wsporniki o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa – są zasadniczo niezgodne z kruchym pękaniem żeliwa szarego. Zamiast tego należy zastosować żeliwo sferoidalne lub stal.
• Trudne do spawania: Wysoka zawartość węgla i kruchość żeliwa szarego sprawiają, że spawanie jest technicznie trudne i zawodne. Możliwe jest spawanie naprawcze po podgrzaniu do 300°C do 600°C i elektrody na bazie niklu, ale złącza spawane z żeliwa szarego nigdy nie są tak niezawodne jak metal macierzysty i nie powinny być stosowane w zastosowaniach wymagających utrzymania ciśnienia lub konstrukcyjnych.
• Nie można obrabiać na zimno: Żeliwo szare nie ma zdolności do odkształcenia plastycznego w temperaturze pokojowej. Nie można go zginać, formować, zwijać ani rozciągać. Wszelkie kształtowanie musi odbywać się poprzez odlewanie lub obróbkę skrawaniem.
• Korozja w środowiskach agresywnych: Żelazo szare koroduje w środowisku mokrym, kwaśnym lub zasolonym. Powłoki ochronne — farba, powłoka epoksydowa, bitumiczna — są wymagane w przypadku prac na zewnątrz lub w ziemi. Płatki grafitu mogą działać jako katody w ogniwach galwanicznych, przyspieszając rozpuszczanie żelaza w środowiskach zawierających elektrolit bez ochrony.
• Czułość sekcji: Właściwości różnią się znacznie w zależności od grubości przekroju tego samego odlewu. Cienkie sekcje schładzają się szybciej, tworząc drobniejsze, twardsze mikrostruktury; grube sekcje schładzają się powoli, tworząc grubszy grafit i bardziej miękkie matryce. Projekt musi uwzględniać tę zmienność lub określać zakresy twardości w krytycznych miejscach.