Żeliwo — definicja, rodzaje (szare, białe), właściwości i zastosowania

Żeliwo — definicja, rodzaje, właściwości i zastosowania: poznaj różnice między żeliwem szarym a białym, skład, przewodność cieplną i praktyczne zastosowania w przemyśle i kuchni.

Żeliwo jest stopem żelaza. Termin ten jest zwykle używany w odniesieniu do żeliwa szarego. Istnieją dwa główne rodzaje żeliwa: żeliwo szare i żeliwo białe. Różnice między nimi polegają głównie na ilości krzemu w stopie. Wszystkie żeliwa zawierają około 95% żelaza. Żeliwo szare ma 3% krzemu i 2% węgla. Białe żeliwo ma mniej krzemu.

Krzem w żeliwie szarym powoduje, że węgiel zmienia się w grafit. Powoduje to, że ma ono ciemnoszary lub prawie czarny kolor. Przy mniejszej ilości krzemu, węgiel w żeliwie białym zmienia się w cementyt lub węglik żelaza (Fe3C). Powoduje to powstawanie białych pęknięć na powierzchni i nadaje żeliwu białemu jego nazwę.

Żeliwo szare jest bardzo dobre w przewodzeniu ciepła. Z tego powodu jest często używane do produkcji naczyń kuchennych.

Definicja i skład chemiczny

Żeliwo to grupa stopów żelaza zawierających stosunkowo duże ilości węgla i krzemu. Typowe zawartości pierwiastków w żeliwie mieszczą się w przybliżeniu w ramach:

• węgiel (C): ok. 2–4% (w różnych odmianach);
• krzem (Si): zwykle 0,5–3% — wyższa zawartość sprzyja tworzeniu grafitu;
• mangan, siarka, fosfor oraz dodatki stopowe (np. manganu, miedzi, niklu) w niewielkich ilościach.

Dokładny skład i szybkość chłodzenia decydują o mikrostrukturze (grafit, cementyt, perlity itp.) i tym samym o właściwościach mechanicznych żeliwa.

Rodzaje żeliwa

Najczęściej wyróżnia się:

• Żeliwo szare – zawiera grafit w postaci płatków (łusek). Dzięki grafitowi żeliwo szare ma dobrą przewodność cieplną, tłumi drgania i jest łatwe w odlewaniu. Wadą są koncentratory naprężeń przy końcach płytek grafitu, co obniża wytrzymałość na rozciąganie i sprawia, że żeliwo jest kruche.
• Żeliwo białe – węgiel występuje głównie w postaci cementytu (Fe3C), co daje twardą, lecz kruchą strukturę o jasnym złamie. Stosuje się je tam, gdzie wymagana jest wysoka odporność na ścieranie (np. wkłady młotkowe, części gniotące).
• Żeliwo sferoidalne (żeliwo ciągliwe, nodularne) – grafit występuje w postaci kulistych noduli (uzyskiwane przez dodatek Mg lub Ce). Dzięki temu ma znacznie lepszą wytrzymałość i plastyczność niż żeliwo szare i jest powszechnie stosowane w elementach konstrukcyjnych (bloki silników, mostki, zawieszenia).
• Żeliwo ciągliwe (malleable) – otrzymywane przez wyżarzanie żeliwa białego, co powoduje rozpad cementytu i tworzenie skośnych lub krzaczastych cząstek węgla, dające lepszą udarność i plastyczność.

Właściwości mechaniczne i fizyczne

• Wytrzymałość na rozciąganie i odkształcalność: żeliwo szare jest stosunkowo kruche i ma niższą wytrzymałość na rozciąganie; żeliwo sferoidalne i ciągliwe wykazują znacznie większą plastyczność.
• Wytrzymałość na ściskanie: dobra, dlatego żeliwo sprawdza się w elementach obciążonych ściskaniem.
• Tłumienie drgań: wysoka zdolność tłumienia drgań (zwłaszcza żeliwo szare) – ważne w maszynach i obudowach urządzeń precyzyjnych.
• Przewodność cieplna: dobra – stąd zastosowania w naczyniach kuchennych, płytach kuchennych i elementach grzejnych.
• Odporność na ścieranie: żeliwo białe jest bardzo odporne na ścieranie; stosowane w elementach eksploatowanych abrazyjnie.
• Obróbka skrawaniem: żeliwo szare ma dobrą obrabialność dzięki smarującym właściwościom grafitu; żeliwo białe jest trudniejsze do obróbki bez uprzedniego zmiękczania.

Zastosowania

• Żeliwo szare: bloki silników, głowice cylindrów, elementy maszyn (łaźnie, korpusy pomp), podstawy maszyn, naczynia kuchenne (patelnie, garnki), płyty pieców i kominków.
• Żeliwo białe: wkłady młyńskie, walce, części gniotące, elementy odporne na ścieranie.
• Żeliwo sferoidalne: elementy samochodowe (wahacze, mosty), rury ciśnieniowe, zawieszenia, części wymagające dobrej wytrzymałości i udarności.
• Żeliwo ciągliwe: części maszyn o skomplikowanych kształtach, gdzie potrzebna jest większa plastyczność niż w żeliwie szarym.

Produkcja i obróbka

Żeliwo powstaje w wyniku odlewania stopionego metalu w formy. Szybkość chłodzenia, skład chemiczny oraz dodatki (np. magnez dla żeliwa sferoidalnego) determinują ostateczną mikrostrukturę i właściwości. Dodatkowe operacje to:

• odlewanie i formowanie,
• naprawy i obróbka cieplna (np. wyżarzanie żeliwa białego, uwęglenie),
• obróbka skrawaniem i powierzchniowa (hartowanie, azotowanie tam, gdzie wymagane są specjalne właściwości).

Recykling i bezpieczeństwo

Żeliwo jest szeroko recyklingowane — złom żeliwny jest cennym surowcem do hutnictwa żelaza i stali. W procesach produkcyjnych należy jednak kontrolować zawartość zanieczyszczeń (S, P), które wpływają na jakość odlewów. W trakcie obróbki i przy remoncie odlewów warto stosować odpowiednie środki ochrony (ochrona dróg oddechowych, zabezpieczenie przed odpryskami) ze względu na pyły i wysokie temperatury przy topieniu.

Podsumowanie

Żeliwo to uniwersalny materiał odlewczy o szerokim spektrum odmian — od twardego, ścieralnego żeliwa białego po plastyczne żeliwo sferoidalne. Wybór konkretnej odmiany zależy od wymagań dotyczących wytrzymałości, odporności na ścieranie, tłumienia drgań oraz zdolności do obróbki. Dzięki dobrej przewodności cieplnej i tłumieniu drgań żeliwo szare nadal jest chętnie wykorzystywane m.in. w przemyśle ciężkim oraz do produkcji naczyń kuchennych.

Pytania i odpowiedzi

P: Co to jest żeliwo?

P: Ile jest głównych rodzajów żeliwa?

P: Na czym polegają różnice między żeliwem szarym a białym?

P: Ile żelaza znajduje się we wszystkich żeliwach?

Q: Jaka jest ilość krzemu w żeliwie szarym?

P: Co powoduje, że węgiel w żeliwie szarym zmienia się w grafit?

P: Dlaczego żeliwo szare jest często używane do produkcji naczyń kuchennych?

Szukaj według litery