mašinski materijali-liveno gvožđe

Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 1

Mašinski materijali- Predavanje (SS)-

Liveno gvoždje


Livena gvoždja, sadrže više od 2% C kao i Si, Mn, P i S. Svi ovi sastojci u znatnoj meri utiču na korisne osobine legura gvoždja, 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.

Podelalivenoggvožđa


Liveno gvoždje se dobija pretapanjem sivog sirovog gvoždja (uz dodatak starog gvoždja) u kupolnoj peći, plamenoj peći i sve češće u električnim lučnimili indukcionim pećima. Medju najveće potrošače odlivaka spada energetika, mašinogradnja, rudarstvo, hemijska industrija i industrija motornih vozila.

Livačke legure na bazi gvoždja, 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 gvoždjeperlit

ledeburit

cementit

Strukture belog livenog gvožđa


Prema obliku grafita u sivom livenom gvoždju razlikuju se:

sivi liv - SL (lamelarni grafit),

nodularni liv - NL (zrnast grafit) i

temper liv - TeL (grafit oblika snežnih pahuljica).

Osobine livenih gvoždja 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 livenihgvožđa.

Shematski prikaz strukturalivenih gvožđa u zavisnosti od različitih termičkih obrada


Sivo liveno gvožđe - sivi liv (SL)

Od već navedenih oblika grafita u livenim gvoždjima 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 gvoždja (cementit-Fe3C sadržan u perlitu), a preostala količina izlučena je u obliku lamelarnog grafita. U sivom livu nema slobodnog cementita, već samo u vidu eutektoida-perlita. Metalna osnova (matrica) livenog gvoždja, 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).


Moguće strukture livenog gvoždja zavisno od sadržaja Si i C daje Maurerov dijagram, odnosno Grajner - Klingenštajnov dijagram koji uzima u obzir (C + Si) i debljinu zida odlivka.

Ovi dijagrami, odnose se ne samo na sivi liv, već na sve vrste livenih gvoždja. Maurerov dijagram danas nema veći značaj jer ne uzima u obzir brzinu hladjenja, tj. debljinu zida odlivka, a pominje se uglavnom iz istorijskih razloga.

Maurerov dijagram Grajner - Klingenštajnov dijagram


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 rasporedjene i medjusobno 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%), koja bi bez inokulanata imala strukturu meliranog liva (ledeburit, perlit i grafit).


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

280270250238216201192max HB

400350300250200150100min Rm, MPa

SL400SL350SL300SL250SL200SL150SL100Klasa SL

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 jevtina 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).

Takodje, 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

odredjene 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 izradjuju 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 konstrukci-onim 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. Hladjenje 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 pronadjen i patentnim pravom zaštićen 1949. godine. To je u suštini visokokvalitetno sivo liveno gvoždje sa grafitom zrnastog (nodularnog, sfernog) oblika, ravnomerno rasporedjenim u metalnoj matrici.


Feritna osnova Feritno-perlitna osnova Perlitna osnova


Sferni tj. loptasti oblik grafita postiže se uvodjenjem u prethodno desumporisani rastop male količine magnezijuma (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.

perlitno-sorbitna250-3002480800

perlitna230-3002420700

perlitno-feritna190-2703370600

feritno-perlitna170-2407320500

feritna150-20012250400feritna140-18017230370

StrukturaTvrdoća, HBmin A5.65, %min Rp, MPamin Rm, MPa


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, te 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.


Mikrostruktura belog temperovanog liva na površinskom sloju, obzirom na proces razugljeničenja, 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 tretmanpri dobijanju crnogtemperovanog liva


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 gvožđeStruktura posleI grasfitizacije

Struktura posleII grasfitizacije


1000

A1

Tem

pera

tura

, °C

Prva grafitizacija (Fe3C iz ledeburita → 3Fe + C)

Druga grafitizacija (Fe3C iz perlita → 3Fe + C)

Feritnaosnova (1)

Feritno-perlitnaosnova (2)

Perlitnaosnova (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 saferitnom osnovom

Crni temper liv saperlitnom 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


Delovi napravljeniod temperovanogliva


Belo liveno gvoždje (svetao prelom) je legura Fe-C u kojoj je celokupna količina ugljenika vezana u obliku cementita.

Belo liveno gvoždje 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 gvoždja 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 beloglivenog gvožđa


Čelični liv (ČL)

Čelični livovi su legure gvoždja i ugljenika (do 1.5% C) od kojih se izradjuju odlivci izloženi u radu visokim dinamičkim opterećenjima. Podela čeličnih livova, kad je rečo hemijskom sastavu, analogna je podeli čelika.U poredjenju sa livenim gvoždjem, 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

mašinski materijali-liveno gvožđe