Żeliwoto grupa stopów żelaza z węglem o zawartości węgla większej niż 2%.Jego użyteczność wynika ze stosunkowo niskiej temperatury topnienia.Składniki stopu wpływają na jego kolor po pęknięciu: żeliwo białe zawiera domieszki węglików, które umożliwiają proste przechodzenie pęknięć, żeliwo szare ma płatki grafitowe, które odchylają przechodzące pęknięcie i inicjują niezliczone nowe pęknięcia w miarę pękania materiału, a żeliwo sferoidalne ma kształt kulisty grafitowe „guzki”, które zapobiegają dalszemu postępowi pęknięcia.

Głównymi pierwiastkami stopowymi żeliwa są węgiel (C) w ilości od 1,8 do 4% wag. i krzem (Si) w ilości 1–3% wag.Stopy żelaza o niższej zawartości węgla nazywane są stalą.

Żeliwo ma tendencję do kruchości, z wyjątkiem żeliwa ciągliwego.Dzięki stosunkowo niskiej temperaturze topnienia, dobrej płynności, lejności, doskonałej obrabialności, odporności na odkształcenia i odporności na zużycie, żeliwo stało się materiałem konstrukcyjnym o szerokim zastosowaniu i znajduje zastosowanie w rurach, maszynach i częściach przemysłu motoryzacyjnego, takich jak cylindry głowice, bloki cylindrów i obudowy skrzyni biegów.Jest odporny na uszkodzenia spowodowane utlenianiem.

Najwcześniejsze artefakty żeliwne pochodzą z V wieku p.n.e. i zostały odkryte przez archeologów na terenie dzisiejszego Jiangsu w Chinach.Żeliwo było używane w starożytnych Chinach w działaniach wojennych, rolnictwie i architekturze.W XV wieku w Burgundii we Francji i w Anglii w okresie reformacji zaczęto wykorzystywać żeliwo do produkcji armat.Ilości żeliwa wykorzystywanego do produkcji armat wymagały produkcji na dużą skalę. Pierwszy żeliwny most został zbudowany w latach siedemdziesiątych XVIII wieku przez Abrahama Darby'ego III i jest znany jako Żelazny Most w Shropshire w Anglii.Do budowy budynków używano także żeliwa.

Elementy stopowe

Właściwości żeliwa zmieniają się poprzez dodanie różnych pierwiastków stopowych lub stopów.Obok węgla, krzem jest najważniejszym środkiem stopowym, ponieważ wypycha węgiel z roztworu.Niski procent krzemu pozwala na pozostanie węgla w roztworze, tworząc węglik żelaza i produkcję żeliwa białego.Wysoki procent krzemu wypycha węgiel z roztworu, tworząc grafit i produkcję żeliwa szarego.Inne dodatki stopowe, mangan, chrom, molibden, tytan i wanad, przeciwdziałają krzemowi, sprzyjają zatrzymywaniu węgla i tworzeniu się tych węglików.Nikiel i miedź zwiększają wytrzymałość i skrawalność, ale nie zmieniają ilości powstającego grafitu.Węgiel w postaci grafitu powoduje, że żelazo staje się bardziej miękkie, zmniejsza skurcz, zmniejsza wytrzymałość i zmniejsza gęstość.Siarka, która jest w dużej mierze zanieczyszczeniem, jeśli jest obecna, tworzy siarczek żelaza, który zapobiega tworzeniu się grafitu i zwiększa twardość.Problem z siarką polega na tym, że powoduje ona lepkość stopionego żeliwa, co powoduje defekty.Aby przeciwdziałać działaniu siarki, dodaje się mangan, ponieważ oba tworzą siarczek manganu zamiast siarczku żelaza.Siarczek manganu jest lżejszy od stopu, dlatego ma tendencję do wypływania ze stopu do żużla.Ilość manganu potrzebna do zneutralizowania siarki wynosi 1,7 × zawartość siarki + 0,3%.Jeśli doda się więcej manganu, wówczas powstanie węglik manganu, który zwiększa twardość i stygnięcie, z wyjątkiem żeliwa szarego, gdzie do 1% manganu zwiększa wytrzymałość i gęstość.

Nikiel jest jednym z najpowszechniejszych pierwiastków stopowych, ponieważ uszlachetnia strukturę perlitu i grafitu, poprawia wytrzymałość i wyrównuje różnice twardości pomiędzy grubościami przekroju.Chrom dodaje się w małych ilościach, aby zredukować wolny grafit, wywołać chłód i ponieważ jest silnym stabilizatorem węglikowym;nikiel jest często dodawany w połączeniu.Można dodać niewielką ilość cyny jako substytut 0,5% chromu.Miedź dodaje się do kadzi lub pieca w ilości rzędu 0,5–2,5% w celu zmniejszenia wychłodzenia, udoskonalenia grafitu i zwiększenia płynności.Molibden dodaje się w ilości rzędu 0,3–1% w celu zwiększenia wychłodzenia i udoskonalenia struktury grafitu i perlitu;często dodaje się go w połączeniu z niklem, miedzią i chromem, tworząc żelazo o wysokiej wytrzymałości.Tytan dodaje się jako środek odgazowujący i odtleniający, ale zwiększa także płynność.Do żeliwa dodaje się 0,15–0,5% wanadu w celu stabilizacji cementytu, zwiększenia twardości i zwiększenia odporności na zużycie i ciepło.0,1–0,3% cyrkonu pomaga tworzyć grafit, odtleniać i zwiększać płynność.

Do stopionego żelaza ciągliwego dodaje się bizmut w skali 0,002–0,01%, aby zwiększyć ilość dodanego krzemu.Do białego żelaza dodaje się bor, aby wspomóc produkcję żelaza ciągliwego;zmniejsza również gruboziarniste działanie bizmutu.

Żeliwo szare

Żeliwo szare charakteryzuje się mikrostrukturą grafitową, która powoduje, że pęknięcia materiału mają szary wygląd.Jest to najczęściej stosowane żeliwo i najczęściej stosowany materiał odlewniczy pod względem masy.Większość żeliw ma skład chemiczny 2,5–4,0% węgla, 1–3% krzemu, a resztę żelaza.Żeliwo szare ma mniejszą wytrzymałość na rozciąganie i udarność niż stal, ale jego wytrzymałość na ściskanie jest porównywalna ze stalą nisko- i średniowęglową.Te właściwości mechaniczne są kontrolowane przez wielkość i kształt płatków grafitu obecnych w mikrostrukturze i można je scharakteryzować zgodnie z wytycznymi podanymi przez ASTM.

Żeliwo białe

W żeliwie białym widoczne są białe spękania powierzchni spowodowane obecnością osadu węglika żelaza zwanego cementytem.Przy niższej zawartości krzemu (środka grafityzującego) i większej szybkości chłodzenia węgiel w żeliwie białym wytrąca się ze stopu w postaci cementytu fazy metastabilnej, Fe₃C, a nie grafit.Cementyt wytrącający się ze stopu tworzy stosunkowo duże cząstki.Gdy węglik żelaza wytrąca się, wyciąga węgiel z pierwotnego stopu, przesuwając mieszaninę w kierunku bardziej zbliżonej do eutektyki, a pozostałą fazą jest dolny austenit żelazowo-węglowy (który po ochłodzeniu może przekształcić się w martenzyt).Te węgliki eutektyczne są o wiele za duże, aby zapewnić korzyści w postaci tak zwanego utwardzania wydzieleniowego (jak w przypadku niektórych stali, w których znacznie mniejsze wydzielenia cementytu mogą hamować [odkształcenie plastyczne], utrudniając ruch dyslokacji w osnowie czystego ferrytu żelaza).Raczej zwiększają twardość nasypową żeliwa po prostu ze względu na swoją własną bardzo wysoką twardość i znaczny udział objętościowy, tak że twardość nasypową można w przybliżeniu określić za pomocą reguły mieszanin.W każdym razie zapewniają twardość kosztem wytrzymałości.Ponieważ węglik stanowi dużą część materiału, żeliwo białe można rozsądnie zaklasyfikować jako cermetal.Żelazo białe jest zbyt kruche, aby można je było stosować w wielu elementach konstrukcyjnych, ale dzięki dobrej twardości i odporności na ścieranie oraz stosunkowo niskiemu kosztowi znajduje zastosowanie w takich zastosowaniach, jak powierzchnie ścieralne (wirnik i spirala) pomp szlamowych, wykładziny płaszczowe i pręty podnoszące w kulach młyny i młyny autogeniczne, kule i pierścienie w młynach węglowych oraz zęby łyżki kopiącej koparki (chociaż w tym zastosowaniu bardziej powszechna jest odlewana stal martenzytyczna średniowęglowa).

Trudno jest schłodzić grube odlewy wystarczająco szybko, aby stopiony materiał zestalił się w całości w postaci białego żeliwa.Można jednak zastosować szybkie chłodzenie w celu zestalenia otoczki z żeliwa białego, po czym pozostała część ochładza się wolniej, tworząc rdzeń z żeliwa szarego.Powstały odlew, tzwodlew na zimno, ma tę zaletę, że ma twardą powierzchnię i nieco twardsze wnętrze.

Stopy żelaza białego o wysokiej zawartości chromu umożliwiają odlewanie w piasku masywnych odlewów (na przykład 10-tonowego wirnika), ponieważ chrom zmniejsza szybkość chłodzenia wymaganą do wytworzenia węglików przy większej grubości materiału.Chrom wytwarza również węgliki o imponującej odporności na ścieranie.Te stopy o wysokiej zawartości chromu przypisują swoją wyjątkową twardość obecności węglików chromu.Główną formą tych węglików są eutektyki lub pierwotne M₇C₃węgliki, gdzie „M” oznacza żelazo lub chrom i może się różnić w zależności od składu stopu.Węgliki eutektyczne tworzą się w postaci wiązek pustych w środku sześciokątnych prętów i rosną prostopadle do sześciokątnej płaszczyzny podstawy.Twardość tych węglików mieści się w przedziale 1500-1800HV.

Żeliwo ciągliwe

Żeliwo ciągliwe zaczyna się od odlewu z żeliwa białego, które następnie poddaje się obróbce cieplnej przez dzień lub dwa w temperaturze około 950 ° C (1740 ° F), a następnie schładza przez dzień lub dwa.W rezultacie węgiel zawarty w węgliku żelaza przekształca się w grafit i ferryt plus węgiel (austenit).Powolny proces pozwala, aby napięcie powierzchniowe uformowało grafit w sferoidalne cząstki, a nie płatki.Ze względu na niższy współczynnik kształtu sferoidy są stosunkowo krótkie i oddalone od siebie oraz mają mniejszy przekrój poprzeczny w porównaniu z propagującym pęknięciem lub fononem.Mają również tępe granice, w przeciwieństwie do płatków, co łagodzi problemy z koncentracją naprężeń występujące w żeliwie szarym.Ogólnie rzecz biorąc, właściwości żeliwa ciągliwego są bardziej podobne do właściwości stali miękkiej.Istnieje ograniczenie wielkości części, którą można odlać z żeliwa ciągliwego, ponieważ jest ona wykonana z żeliwa białego.

Żeliwo sferoidalne