Livena gvoždja kao - WordPress.com · danas liju: bregaste osovine, klipnjače, izduvne grane, delovi pogonskog i upravljačkog sistema, kolenasta vratila, veoma opterećeni zupčanici,

Mašinski/Tehnički materijali - Dr Marko Pantić 1

Mašinski/Tehnički materijali

Livena gvoždja kao mašinski materijali


Livena gvožđa, sadrže više od 2% C kao i Si, Mn, P i S. Svi ovi sastojci u

znatnoj meri utiču na korisne osobine legura gvožđa, a naročito Si (1-3%) pa

se one mogu smatrati trojnim legurama Fe-C-Si.

Prema nameni tehničko gvožđe delimo na sirovine za dalju preradu (za

proizvodnju liva i čelika) i livena gvožđa.

Podela

livenog

gvožđa


Liveno gvožđe se dobija pretapanjem sivog sirovog gvoždja (uz dodatak starog

gvožđa) u kupolnoj peći, plamenoj peći i sve češće u električnim lučnim ili

indukcionim pećima. Među najveće potrošače odlivaka spada energetika,

mašinogradnja, rudarstvo, hemijska industrija i industrija motornih vozila.

Livačke legure na bazi gvožđa, zavisno od stanja u kome se pojavljuje

ugljenik, dele se na:

• sivo i

• belo liveno gvoždje (LG), a u širem smislu i na

• čelični liv (ČL).

Belo liveno gvoždje

perlit

ledeburit

cementit

Strukture belog livenog gvožđa


Prema obliku grafita u sivom livenom gvožđu razlikuju se:

sivi liv - SL (lamelarni grafit),

nodularni liv - NL (zrnast grafit) i

temper liv - TeL (grafit oblika snežnih pahuljica).

Osobine livenih gvožđa iste vrste u velikoj meri zavise od veličine i oblika odlivka.

Sivi liv Nodularni liv Temper liv

lamelarni

grafit

zrnast

grafit

grafit oblika

snežnih pahuljica


Oblast komercijalnih livenih

gvožđa.

Shematski prikaz struktura

livenih gvožđa u zavisnosti od

različitih termičkih obrada


Sivo liveno gvožđe - sivi liv (SL)

Od već navedenih oblika grafita u livenim gvožđima najnepovoljniji je lamelarni,

jer preseca metalnu masu i stoga smanjuje jačinu na kidanje i još više istegljivost.

GrafitGrafit

Naponske linijeNaponske linije

Naponsko stanje zategnutog uzorka u funkciji položaja i oblika grafita


Naziv sivi liv potiče od tamnog izgleda prelomljenog odlivka. Od ukupne

količine ugljenika u sivom livu, najviše - 0.8% C vezano je u obliku karbida gvožđa,

a preostala količina izlučena je u obliku lamelarnog grafita.

Metalna osnova (matrica) livenog gvožđa, zavisno od % C i % Si može biti perlitna,

perlitno-feritna i feritna.


Prostorni izgled (a) i mikrofotografije lamela grafita (b) u sivom livenom gvožđu (x 100).


Metalna matrica sivog liva je u stvari čelična, a razlika je samo u slobodnom

ugljeniku - grafitu. Ako je u legurama Fe-C, sadržaj ugljenika veći od 2% jedan

njegov deo se sjedinjuje sa Fe, a preostali deo ugljenika, pri sporom hladjenju,

taloži se u obliku grafita.

Hemijski sastav sivog liva obično je u granicama: 2.8-3.5% C; 0.5-0.8% Mn;

1.5-3% Si; 0.2-1.2% P i 0.04-0.15% S.

Sniženje sadržaja ugljenika ispod 2.8% pogoršava livkost, a povećanje iznad 3.5%

daje više grafita i pogoršava mehaničke osobine.

Pored povećanog sadržaja ugljenika u odnosu na čelik, može se uočiti da sivi liv

ima i povećan sadržaj Si i P. Uticaj silicijuma je veoma značajan jer on umanjuje

rastvorljivost ugljenika u gvoždju, pa ostaje više slobodnog ugljenika u vidu grafita.

Ipak sadržaj Si ne sme preći 3% jer se stvara veoma tvrd fero-silicijum.


U cilju usitnjavanja grafita, to znači popravljanja strukturnih i mehaničkih

osobina, izvodi se modifikacija livenog gvoždja. Modifikacija se zasniva na tome

da se rastopljenom livenom gvoždju, dodaje grafitizacioni modifikator (inokulant).

Kao modifikatori najčešće se koriste fero-silicijum (Fe-Si) ili silikokalcijum (Si-Ca).

Ovaj tretman omogućuje da se kod odlivaka različite debljine zidova dobije

perlitna struktura u kojoj su ravnomerno raspoređene i međusobno izolovane

grafitne lamele srednje veličine.

Modifikaciji se podvrgavaju livena gvoždja sa relativno malim sadržajem C (2.8-

3.3%) i Si (1.1-1.5%).


Na osnovu minimalne jačine na kidanje sivi liv se deli na sledeće klase:

Klasa SL SL100 SL150 SL200 SL250 SL300 SL350 SL400

min Rm, MPa 100 150 200 250 300 350 400

max HB 192 201 216 238 250 270 280

Mehaničke karakteristike sivog liva

Odlivci od sivog liva imaju nisku tvrdoću, malu jačinu na kidanje, ali 3-5 puta

veću jačinu na pritisak. To je zato što napone zatezanja prenosi samo metalna

osnova, a ne i lamele praškastog grafita, dok pri dejstvu pritiska i one učestvuju

u raspodeli napona.


U pozitivne osobine sivog liva spadaju: relativno jeftina proizvodnja, dobra livkost,

dobra mašinska obradljivost odlivaka i otpornost na abraziju.

Sem toga, unutrašnje grafitne lamele čine da sivi liv dobro prigušuje oscilacije

(deluju kao amortizer pri udarnom ili naizmenično promenljivom opterećenju).

Takođe, sivi liv ima i dobre klizne

osobine jer grafit deluje kao mazivo. To

je i razlog što se odlivci od sivog liva

koriste za blokove motora, klipne

prstenove (karike). Antifrikcione osobine

određene su odnosima perlita i ferita u

metalnoj matrici, kao i količinom i

oblikom grafita. Za veća opterećenja

traži se bar 85% perlita.


Zahvaljujući prigušenju oscilacija, od

sivog liva izradjuju se postolja mašina

alatki, ploča za temelje dinamički

opterećenih mašina i sl., a zahvaljujući

otpornosti na habanje izrađuju se i

kočioni diskovi i doboši.




Mana odlivaka od SL je velika osetljivost na sve vrste koncentratora napona

(površinske prsline, nagle promene preseka, zarezi). To se umanjuje

konstrukcionim merama (radijusi zaobljenja), metalurškim merama

(modifikacija) i termičkom obradom (popuštanjem zaostalih napona). U tom se

cilju odlivci žare pri 500-570ºC, što ne samo da smanjuje napone već i

stabilizuje dimenzije.

Vreme držanja na temperaturi žarenja je 3

do 10 sati zavisno od oblika i veličine

odlivka. Hlađenje posle žarenja mora da

bude sporo što se izvodi zadržavanjem

odlivka u peći dok se zajedno ne ohlade do

sobne temperature. Na ovaj način snižava

se nivo zaostalih napona za 80-90%.

Ponekad se koristi prirodno starenje za

popuštanje napona u odlivcima. To se

postiže držanjem odlivaka u skladištu

livnice u roku 6 do 10 meseci.

(3-10 sati) sa peći

500-570°C

Žarenje radi smanjenja napona


Uticaj legirajućih elemenata na zateznu čvrstoću i tvrdoću


Strukturna ispitivanja SL


Određivanje veličine i oblika grafitnih uključaka


Nodularno (duktilno) liveno gvožđe (NL)

Nodularni liv spada u relativno nove livačke legure budući da je pronađen i

patentnim pravom zaštićen 1949. godine.

To je u suštini visokokvalitetno sivo liveno gvožđe sa grafitom zrnastog

(nodularnog, sfernog) oblika, ravnomerno raspoređenim u metalnoj matrici.


Feritna osnova Feritno-perlitna osnova Perlitna osnova


Sferni tj. loptasti oblik grafita postiže se uvođenjem u prethodno desumporisani

rastop male količine magnezijuma i/ili cera (u metalnom obliku ili legure sa Cu ili

Ni) i zatim modifikacijom. Time se zadržavaju dobre livačke osobine kao kod

sivog liva, uz neuporedivo bolje mehaničke osobine.

Mehaničke osobine nodularnog liva, uslovljene metalnom matricom, koja može

biti: feritna, feritno-perlitna, perlitna, date su u narednoj tablici gde je: Rm- jačina

na kidanje, Rp- konvencionalni napon tečenja, A5.65- izduženje.

min Rm, MPa min Rp, MPa min A5.65, % Tvrdoća, HB Struktura

370 230 17 140-180 feritna

400 250 12 150-200 feritna

500 320 7 170-240 feritno-perlitna

600 370 3 190-270 perlitno-feritna

700 420 2 230-300 perlitna

800 480 2 250-300 perlitno-sorbitna


Najveća je upotreba odlivaka od nodularnog liva u motornoj industriji, za koju se

danas liju: bregaste osovine, klipnjače, izduvne grane, delovi pogonskog i

upravljačkog sistema, kolenasta vratila, veoma opterećeni zupčanici, vretena

mašina alatki, delovi industrijskih armatura (ventili i sve što uz njih ide), kao i za

kućišta pumpi visokog pritiska


Delovi industrijskih armatura

izrađeni od nodularnog liva


Temperovano liveno gvoždje (TeL)

Pod pojmom temperovanje podrazumeva se naknadno žarenje (grafitizacija) ili

razugljenisavanje odlivaka strukture belog livenog gvoždja (Fe3C).

Zavisno od načina dugotrajnog žarenja razlikujemo tri vrste temperovanog liva i

to: beli temperovani liv, crni temperovani liv i temperovani liv sa crnim jezgrom.


Beli temperovani liv

Beli temperovani liv se dobija dugotrajnim žarenjem belog livenog gvožđa u

oksidacionoj atmosferi – običnim pećima, pri čemu nastaje razlaganje cementita

na gvožđe i temper grafit , kao i manje ili veće razugljeničenje površinskog sloja.

Grafitizacija (postupak razlaganja cementita) po klasičnom postupku traje veoma

dugo, oko 140 časova.

U oksidacionoj

atmosferi


Mikrostruktura belog temperovanog liva na površinskom sloju je čisto feritna;

u prelaznoj zoni perlitno feritna, a jezgro odlivka ima perlitnu strukturu sa

gnezdasim rasporedom grafita.


Veličina razugljeničenog sloja iznosi

i nekoliko milimetara usled čega

tanji zidovi odlivka mogu imati i čisto

feritnu osnovu.

Mehanička svojstva belog

temperovanog liva, zavisno od

debljine zidova odlivka, data su u

sledećoj tabeli.

Temper liv sa čisto feritnom osnovom


Crni temperovani liv

Crni temperovani liv dobija se dugotrajnim žarenjem belog livenog gvožđa u

zaštitnoj atmosferi, pri čemu se cementit u strukturi razlaže, a ugljenik se u

potpunosti, ili pak njegov pretežni deo, izlučuje u oblik temper ugljenika.

Grafitizacija crnog temperovanog liva se odvija u dve faze.

Termički tretman

pri dobijanju crnog

temperovanog liva

U zaštitnoj

atmosferi


U prvoj fazi, I grafitizacija, na temperaturi 900-1000°C, razlaže se cementit na

austenit i elementarni ugljenik – grafit u obliku temper ugljenika.

U drugoj fazi, II grafitizacija, austenit se razlaže na ferit i elementarni ugljenik.

Belo liveno gvožđe Struktura posle

I grafitizacije Struktura posle

II grafitizacije


1000

A1

Te

mp

era

tura

, °

C

Prva grafitizacija (Fe3C iz ledeburita 3Fe + C)

Druga grafitizacija (Fe3C iz perlita 3Fe + C)

Feritna

osnova (1)

Feritno-perlitnaosnova (2)

Perlitna

osnova (3)

3 - 5 °C/h od 760 - 680 °C

Vreme, h

U drugoj fazi žarenja presićenog austenita, pri T ≈ 700ºC, koriste se dve, a katkad i tri varijante

hladjenja.

Kriva 1 odgovara veoma sporom hladjenju oko temperature A1, tako da se formira feritna

metalna osnova, obogaćena dodatnim temper ugljenikom u toku drugog stadijuma grafitizacije.

Pri znatno većoj brzini hladjenja (kriva 3) dobija se perlitna osnova. U ovom slučaju slobodan

ugljenik rasporedjen u metalnoj osnovi potiče samo od prvog stadijuma grafitizacije, jer u ovim

uslovima hladjenja (po liniji 3) izostaje druga grafitizacija.

Ako se legura pothladi brzinom oko 20ºC/min do 500ºC, i pri ovoj temperaturi izotermički žari

dobiće se feritno-perlitna osnova sa dodatnim temper ugljenikom izlučenim u drugom stadijumu

grafitizacije (po liniji 2).


Crni temper liv sa

feritnom osnovom Crni temper liv sa

perlitnom osnovom

Mikrostruktura CTeL, zavisno od stepena razlaganja cementita u II fazi može biti

feritna, perlitna ili feritno-perlitna sa temper ugljenikom.


Mehanička svojstva crnog temperovanog liva, predviđena našim standardom,

data su u sledećoj tabeli.


Temperovani liv sa crnim jezgrom

Hemijski sastav ovog liva odgovara sastavu crnog temperovanog liva, a dugotrajno

žarenje odlivaka izvodi se kao za beli temperovani liv.

U strukturi temperovanog liva sa crnim jezgrom uočavaju se tri zone:

u jezgru odlivka struktura je feritna sa temper ugljenikom,

u površinskom sloju usled razugljeničenja struktura je feritna,

u graničnoj zoni, između površinskog sloja i jezgra, obrazuje se tanak

perlitni sloj.

Mikrostruktura

temperovanog liva

sa crnim jezgrom

Površinski sloj – feritna

struktura

Granična zona – tanak

perlitni sloj

Jezgro – feritna struktura

sa temper ugljenikom


Delovi napravljeni

od temperovanog

liva


Belo liveno gvožđe (svetao prelom) je legura Fe-C u kojoj je celokupna količina

ugljenika vezana u obliku cementita.

Belo liveno gvožđe je tvrdo (550 HB), veoma otporno na habanje, a ove osobine

zadržava i preko 400ºC, dok ugljenični čelici uz manju otpornost na habanje, na

ovim temperaturama već pokazuju pad tvrdoće. Mašinska obrada belog livenog

gvožđa moguća je samo pomoću alata od sinterovanih karbida, ali to nije presudno

budući da se od belog livenog gvoždja uglavnom izradjuju odlivci koji ne zahtevaju

veću obradu rezanjem. To su npr. pužni prenosnici i ekstruderi mešalica i

transportera rasutih materijala, kugle drobilica, kočioni valjci i dr.

Belo liveno gvoždje

Struktura belog

livenog gvožđa


Čelični liv (ČL)

Čelični livovi su legure gvožđa i ugljenika (do 1.5% C) od kojih se izrađuju odlivci

izloženi u radu visokim dinamičkim opterećenjima. Podela čeličnih livova, kad je reč

o hemijskom sastavu, analogna je podeli čelika.

U poređenju sa livenim gvožđem, čelični liv ima veće livačko skupljanje (za ČL

1.6-2.1%, a za sivi liv 1%), višu temperaturu livenja (1600-1700ºC) i lije se samo u

suvim peščanim kalupima.

Fizičke i hemijske osobine čeličnog liva praktično se ne razlikuju od čelika istog

sastava. Što se tiče mehaničkih osobina, a naročito svojstava plastičnosti, one su

nešto niže, dok je otpornost na puzanje često viša.

Mana čeličnog liva je veliki uticaj debljine zida odlivka (brzine očvršćavanja) na

mehaničke osobine. Sa porastom debljine zida odlivka opadaju istovremeno

istegljivost i kontrakcija poprečnog preseka.

Mehaničke osobine odlivaka od čeličnog liva mogu se popraviti termičkom

obradom.

Prema sadržaju ugljenika nelegirani livovi dele se na: niskougljenične (0.10-

0.25% C), srednjeugljenične (0.25-0.40% C) i visokougljenične (0.4-0.6% C).


Hvala na pažnji

Documents

Livena gvoždja kao - WordPress.com · danas liju: bregaste osovine, klipnjače, izduvne grane, delovi pogonskog i upravljačkog sistema, kolenasta vratila, veoma opterećeni zupčanici,