Żeliwo – rodzaje, spawanie, zastosowanie, właściwości

13 lipca 2020 0

Właściwości żeliwa

Żeliwo to materiał o wielu możliwościach i szerokim zastosowaniu. Choć zwykle kojarzy nam się z grzejnikami czy też patelniami żeliwnymi, można go użyć do wytworzenia wielu innych produktów. Jeśli chcesz wiedzieć, czym jest żeliwo i do czego jest stosowane, zapraszamy do lektury!

Żeliwo to stop, który posiada stężenie węgla powyżej 2%, a jego maksymalna zawartość nie jest stała. Może bowiem wynosić od 3,8 do nawet 6,7%. Ponadto warto wiedzieć, że żeliwo powstaje w procesie odlewania i nie jest poddawane procesowi obróbki plastycznej.

Co to jest żeliwo i jak powstaje?

Żeliwo stanowi stop żelaza z węglem, a bardzo często również z krzemem, siarką, fosforem czy manganem. Wytwarzane jest w piecach szybowych, tzw. żeliwiakach. Powstaje z połączenia surówki oraz złomu. Poszczególne elementy z żeliwa wytwarzane są poprzez odlewanie do form. Odlewy mogą mieć bardzo różnorodne i skomplikowane kształty, dzięki temu, że żeliwo ma doskonałe właściwości lejne.

Wśród najczęstszych zalet żeliwa wymienia się przede wszystkim znakomitą wytrzymałość, wysoką odporność na ścieranie, skuteczność w tłumieniu drgań, łatwość odlewania złożonych form, a także niski koszt wytwarzania.

Żeliwo to materiał, który jest wykorzystywany od setek lat do różnych celów. To jeden z pierwszych stopów, który nie został znaleziony przez człowieka w postaci metali rodzimych, ale nauczyliśmy się go wytwarzać samodzielnie za pomocą wytapiania rudy żelaza. W trakcie wytapiania węgiel najczęściej przedostawał się do stopionego żelaza. Po stopieniu węgiel rozpuszczano w ciekłym azocie i w stopie węgiel reagował chemicznie z żelazem lub tworzył roztwór. Biorąc pod uwagę to, ile węgla przedostało się do stopu w trakcie wytapiania, żelazo uzyskano po zestaleniu. Żeliwo było otrzymywane w momencie, kiedy więcej węgla dostało się w trakcie wytapiania. Dostrzeżono, że gdy stop zawiera dużo węgla, robi się twardszy, a zarazem kruchy. Z upływem czasu jednak zaczęto odróżniać żeliwo od stali, a także otrzymywać pożądany procent węgla w stopie. Następnie, kiedy technologia znacząco się rozwinęła, powstawały coraz to kolejne rodzaje obróbki i spawania żeliwa.

Rodzaje żeliwa

Żeliwo występuje w co najmniej pięciu różnych odmianach. Poniżej przedstawiamy i krótko opisujemy każdą z nich. Wyróżniamy m.in.:

Żeliwo białe – wyróżnia się twardością, a zarazem kruchością. Nie nadaje się do obróbki mechanicznej (poza szlifowaniem).

Żeliwo szare – jego nazwa wynika z tego, że w jego składzie występuje grafit. Ostateczne właściwości żeliwa szarego zależą od postaci zastosowanego grafitu. W przypadku pyłku żeliwo nie jest zbyt wytrzymałe, a do tego ma małą ciągliwość.

Żeliwo stopowe – jest to rodzaj żeliwa, które można łączyć z różnymi dodatkami stopowymi, dzięki którym nadaje się mu specjalnych właściwości, takich jak odporność na powstawanie rdzy czy żaroodporność.

Żeliwo sferoidalne – jest to stop żelaza i węgla, który powstaje w wyniku krzepnięcia stopionego wsadu z wydzieleniami węgla w kształcie podobnym do kuli. Wyróżnia się lepszą wytrzymałością w porównaniu do żeliwa z grafitem płytkowym. Żeliwo sferoidalne jest tworzywem ciągliwym.

Żeliwo ciągliwe – w przeciwieństwie do żeliwa sferoidalnego ciągliwość uzyskuje na skutek obróbki cieplnej, która nazywana jest wyżarzaniem grafityzującym.

Żeliwo zastosowanie

Poniżej przedstawiamy najpopularniejsze zastosowanie żeliwa z podziałem na konkretne rodzaje:

Żeliwo białe – stosowane jest do wykonywania odlewów o wysokiej odporności na ścieranie, które nie wymagają już dodatkowej obróbki skrawaniem. Wśród nich wyróżnia się m.in. kule młynów, klocki hamulcowe czy elementy mieszalników materiałów sypkich.

Żeliwa szare z grafitem płytkowym – wykorzystywane głównie do tworzenia odlewów, które nie przenoszą obciążeń, czyli grzejników, wanien, umywalek, komponentów piekarników (drzwi, rusztów), jak również części maszyn, takich jak cylindry, wlewnice czy tłoki.

Żeliwa ciągliwe (osnowa ferrytyczna) – wytwarza się z niego części maszyn do szycia, maszyn rolniczych czy artykuły gospodarstwa domowego.

Żeliwa ciągliwe (osnowa perlityczna) – produkuje się w niego bardziej obciążone odlewy, np. wałki rozrządu, wały korbowe, klucze maszynowe czy koła zębate.

Żeliwo sferoidalne – stosowane do produkcji części samochodowych, takich jak wałki rozrządu, elementy układu kierowniczego czy wały korbowe, a także do wytwarzania elementów armatury, kół zębatych czy wrzecion obrabiarek.

Przykładem zastosowanie żeliwa są np piasty żeliwne dostępne w sklepie EBMiA.pl – https://www.ebmia.pl/1714-piasty-gh-zeliwne

Spawanie żeliwa

Spawanie żeliwa gazowego to połączenie elementów płomieniem oraz prętem z wypełniającego metalu. Spawanie wykorzystywane jest do zespalania części metalowych, niemetalicznych, a także stopów o różnych temperaturach topnienia, jednak ich grubość nie może przekraczać 30 mm. Najpopularniejszą metodą spawania jest spawanie żeliwa łukiem elektrycznym. Dzięki niemu stopiony metal łączący różne elementy, oddziałuje z metalem elektrody, co sprawia, że tworzy się solidny szew. By szew się nie utleniał, elektroda musi być powleczona specjalną powłoką ochronną. Może być to m.in. topnik lub gaz obojętny, czyli hel czy też argon. Spawanie łukowe – zarówno ręczne, jak również na urządzeniach półautomatycznych oraz automatycznych – umożliwia połączenie części z żeliwa, miedzi, stali konstrukcyjnej, aluminium oraz innym stopów. Jeśli chodzi o temperaturę topnienia, to jest ona uzależniona od węgla, który jest zawarty w materiale. Im ta zawartość jest większa, tym temperatura jest niższa, natomiast płynność w trakcie ogrzewania wyższa.

Temperatura topnienia żeliwa

Żeliwo to stop żelaza, w którym poza składnikami w mieszaninie są także trwałe substancje, czyli krzem, siarka, mangan, fosfor oraz domieszki. Materiał ten może mieć różne typy, a zależy to od stopu, który określany jest przez strukturę pęknięcia. Temperatura topnienia żeliwa wynosi ok. 1200°C, co oznacza, że jest o ok. 300°C niższa od temperatury topnienia czystego żelaza. Warto także rozróżnić żeliwo szare, którego temperatura topnienia wynosi 1260°C, a po wylaniu do formy – 1400°C oraz żeliwo białe, którego temperatura topnienia wynosi 1350°C, natomiast po wylaniu do formy – 1450°C.

Żeliwo jest to jeden z najlepszych metali do wytopu. Wynika to z jego niskiej kurczliwości oraz wysokiej płynności, dzięki którym jest naprawdę bardzo wydajne w użyciu w trakcie odlewania. Co ciekawe, występuje one w około stu różnych rodzajach, a każdy z nich różni się zastosowaniem, fakturą oraz technologią wytwarzania.

Jak spawać żeliwo?

Spawanie żeliwa nie jest zadaniem dla amatorów. Bez wątpienia wymaga doświadczenia, ale dla każdego, kto choć raz miał styczność z obróbką tego materiału – jest to proces realny do wykonania. Wynika to bowiem z faktu, że w większości sytuacji chodzi o naprawę elementów żeliwnych, a nie połączenie ich z innymi metalami. Naprawy wykonywane są zwykle w odlewni w trakcie wytwarzania wyrobów żeliwnych albo w celu usunięcia wad odlewniczych, które zostały odkryte w trakcie obróbki. Naprawy są niezbędne w szczególności wtedy, gdy wywiercone otwory są nieodpowiednio ulokowane.

Problemy związane ze spawaniem żeliwa wynikają z jego funkcji. Przede wszystkim ma ono wysoką zawartość węgla, co sprawia, że powstają wytrącenia grafitowe. Odpowiadają one za szary odcień żeliwa. W trakcie odlewania stopione żeliwa wlewane jest do formy, a następnie pozostawiane do wystygnięcia. Jeśli mamy do czynienia, które zawierają duże ilości węgla, wolne schładzanie uchroni materiał przed pękaniem. Warto mieć to na uwadze w trakcie spawania żeliwa.

Jeśli chodzi o najpopularniejsze metody spawania żeliwa, to wyróżnia się spawanie na zimno oraz na gorąco. Rzadziej wykorzystywana metoda to metoda na półkorców.

Spawanie żeliwa TIG

Spawanie żeliwa metodą TIG to nic innego, jak spawanie go argonem przy pomocy niezużywającej się elektrody wolframowej. Wyróżnia się trzy podstawowe obszary spawania. Pierwszy z nich dotyczy sytuacji, a której spawane elementy są połączone szwem żeliwnym. Drugi dotyczy tego samego, jednak różni się tym, że szew wykonany jest ze stali niskostopowej. Trzeci zaś dotyczy sytuacji, w której szew wykonany jest z metalu nieżelaznego.

Można więc śmiało stwierdzić, że spawanie żelaza metodą TIG przy użyciu argonu można wykonać przy zastosowaniu różnych kompozycji elementów wypełniających. Warto jednak mieć na uwadze fakt, że ta sama technologia argonowa do spawania żeliwa powinna obejmować podgrzewanie elementów poddawanych obróbce. Mimo tego, że często występują dodatki, które pozwalają na gotowanie żeliwa bez podgrzewania.

Jeśli występują niewielkie niezgodności, chociażby w postaci małych pęknięć, jak również w przypadku spawania cienkich odlewów stosowana jest metoda TIG przy użyciu spoiwa z drutów niklowych, żelazno-niklowych lub prętów żeliwnych.

Spawanie żeliwa na zimno

Spawanie na gorąco nie zawsze jest możliwe. Wynika to m.in. ze zbyt dużego rozmiaru części. W takiej sytuacji wykorzystuje się spawanie na zimno, co oznacza, że część jest chłodzona, lecz nie jest zimna. Temperaturę części podnosi się do około 38°C. W przypadku, gdy element zlokalizowany jest nieopodal silnika, można go uruchomić na kilka minut przed wykonaniem spawania. Warto jednak mieć na uwadze fakt, że element ten musi mieć taką temperaturę, by można było go dotknąć dłońmi.

W przypadku spawania żeliwa na zimno wykonuje się krótkie spoiny, które mają długość maksymalnie 2-3 cm. Należy również pamiętać o kuciu spoiny po spawaniu. Przedtem konieczne jest jednak odczekanie do momentu, gdy szew spawalniczy oraz części ostygną samodzielnie. Nie powinno się ich schładzać sprężonym powietrzem czy wodą. Warto także zadbać o to, by spawanie wykonywane było w jednym kierunku, a końce spoin się nie zbiegały.

Czym spawać żeliwo

Spawanie żeliwa najczęściej wykonuje się za pomocą inwertorowych spawarek do żeliwa MIG oraz TIG. Jeśli chodzi o spawanie żeliwa metodą MIG/MAG, to do tego celu wykorzystuje się migomat lub półautomat. Zarówno jedna, jak i druga opcja zakłada zastosowanie łuku elektrycznego prądu przemiennego oraz zapewniają świetną jakość spoin. Spawanie MIG/MAG wykonywane jest elektrodą topliwą. Z kolei spawanie żeliwa TIG wykonywane jest za pomocą elektrody wolframowej nietopliwej w osłonie gazów obojętnych. Dzięki temu można osiągnąć bardzo dobre efekty spawania. Do tego procesu stosuje się łuk elektryczny prądu stałego.

Elektrody do żeliwa

Podczas wykonywania spawania żeliwa na zimno, do uzyskania jak najlepszych efektów konieczne jest zastosowanie specjalnych elektrod do żeliwa, które w składzie jako główny składnik zawierają nikiel i/lub miedź. Nikiel bowiem rozpuszcza się w nieskończoność w żelazie i nie wytwarza węglików. Dzięki temu nie powstaje strefa bielonego żeliwa, a osadzony metal charakteryzuje się niską twardością, a także może być w bardzo prosty sposób przetwarzany. Miedź zresztą także nie tworzy związków z węglem, lecz nie rozpuszcza się ona w żelazie, co oznacza, że szew spawalniczy nie będzie jednorodny.

Na rynku można znaleźć bardzo wiele różnorodnych elektrod otulonych do żeliwa – zarówno na bazie miedzi, jak i niklu. Elektrody miedziowo-żelazowe są to pręty miedziane, które maja powłokę zawierającą proszek żelaza. Z kolei nikiel i żelazo-nikiel zwiera aż do 90% lub więcej niklu.