Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki
bg‑gray1

Co to jest żeliwo?

bg

Żeliwo jest to stop żelaza z węglem, zawierający od 2,11% do 6,67% masowych węgla, a także inne dodatki, takie jak: mangan, krzem, wapń czy fosfor. Temperatura topnienia czystego żelaza wynosi 1535°C. Zawartość węgla w żeliwie przekracza wartość 2% i obniża temperaturę topnienia o około 300°C. W zależności od procesu produkcji, węgiel występuje jako:

  • cementyt, czyli węglik żelaza o wzorze Fe 3 C , występujący w żeliwie białym,

  • grafitgrafitgrafit, występujący w żeliwie szarym.

Ważne!

Stal również jest stopem żelaza z węglem, ale zawartość masowa węgla w stopie nie może przekroczyć 2,11%.

bg‑gray1

Produkcja żeliwa

bg

Żeliwo otrzymuje się klasycznie podobnie jak stal w wielkich piecachwielki piecwielkich piecach, w których rudy żelaza, składające się głównie z tlenków żelaza – magnetytu Fe 3 O 4 i hematytu Fe 2 O 3 , są prażone z koksem (węglem). Tlenki żelaza ulegają redukcji do czystego żelaza, a głównym czynnikiem redukującym jest tlenek węgla(II).

W pierwszym etapie węgiel jest spalany:

2 C + O2 2 CO

Wytworzony tlenek węgla(II) reaguje z tlenkami żelaza:

Fe3O4+CO3 FeO+CO2
Fe3O4+4 CO3 Fe+4 CO2
FeO+COFe+CO2 
Fe2O3+3 CO2 Fe+3 CO2

Ilość węgla wykorzystywana do produkcji żeliwa zależy od stopnia zanieczyszczenia rud żelaza, które mogą zawierać dodatkowe pierwiastki:

(Kliknij na poniższe zakładki, aby dowiedzieć się więcej.)

R1eH3i7Dq5s4S
Krzem (Si) Krzem reaguje z żelazem tworzy krzemek żelaza o wzorze FeSi. Poprzez podobieństwo do węgla krzem utrudnia reakcję węgla z żelazem przez co hamuje powstawanie cementytu. Ponadto krzem sprzyja rozkładowi cementytu na pierwiastki – żelazo oraz węgiel (pod postacią grafitu)., Mangan (Mn) Mangan reaguje z węglem tworząc węglik manganu. W przeciwieństwie do krzemu wpływa na powstawanie cementytu. Obecny w stopie mangan usuwa siarkę ze stopu tworząc siarczek manganu, który w reakcjach wielkopiecowych jest łatwo usuwalny., Fosfor (P) Fosfor wchodzi w reakcję z żelazem tworząc fosforek żelaza o wzorze Fe3P, który jest rozpuszczalny w żelazie. Fosfor w ilości 1,25% obniża temperaturę topnienia żeliwa do temperatury 950oC przez co surowiec taki nadaje się do tworzenia odlewów. Obecność fosforu zmniejsza natomiast wytrzymałość żeliwa., Siarka (S) Siarka reaguje z żelazem tworząc siarczek żelaza FeS i znacznie zwiększa gęstość stopu już przy zawartości 0,1%. Zawartość siarki na poziomie 0,3% znacznie zmniejsza właściwości lejne żeliwa, przez co nie nadaje się ono do odlewania. Siarka hamuje również powstawanie grafitu, zmniejsza wytrzymałość materiału przez co jest składnikiem niepożądanym.

Finalna zawartość węgla w żeliwie uzależniona jest od żądanych właściwości mechanicznych końcowego stopu (zazwyczaj w granicy 2‑3%). Żeliwo możemy podzielić na dwa typy: szare i białe.

bg‑gray1

Żeliwo szare

bg

Żeliwo szare zawdzięcza swoją nazwę szaremu kolorowi przełomuprzełomprzełomu stopu. Powolny proces chłodzenia sprawia, że krystalizuje się w nim grafit. W żeliwie szarym węgiel występuje w postaci grafitu, który jest odpowiedzialny za szare zabarwienie stopu. Zawiera duży procent krzemu oraz mały manganu. Wykorzystuje się go do wykonywania odlewów, ponieważ dobrze wypełnia formy, a przy krzepnięciu niewiele się kurczy (o około 1%) i jest łatwy w obróbce. Dzięki swoim właściwościom stosowany jest do wyrobu:

  • pomp;

  • sprężarek;

  • drzwiczek paleniskowych;

  • płyt kuchennych;

  • garnków;

  • piecyków;

  • grzejników.

Ciekawostka
R19rJvl9axOSV
Most Iron Bridge w miejscowości Ironbridge (Wielka Brytania).
Źródło: www.commons.wikimedia.org, licencja: CC BY-SA 3.0.

W 1779 roku nad rzeką Severn (Wielka Brytania) wybudowano pierwszą w historii dużą konstrukcję żeliwną – Iron Bridge, o długości 30,6 m. Do produkcji wykorzystano ponad 386 ton żeliwa, a najcięższy z elementów miał masę ponad 5 ton. Wcześniej mosty wykonywane były z kamienia lub z drewna. Ten, wykonany w 1779 roku został oddany do użytku w 1781. Ze względu na przemieszczanie się zboczy mostu ruch drogowy został tam wstrzymany dopiero w 1934 roku. W 1986 roku budowlę wpisano na listę światowego dziedzictwa UNESCO.

bg‑gray1

Żeliwo białe

bg

W wyniku szybkiego chłodzenia w surowym materiale krystalizuje się cementyt. Zawiera dużą ilość manganu oraz małą ilość krzemu. Charakteryzuje się dużą twardością, ale przy tym jest kruche. Odznacza się również gęstopłynnością i trudnością w obróbce, przez co ma gorsze właściwości odlewnicze. Żeliwo białe wykorzystuje się głównie do produkcji stali poprzez usunięcie nadmiaru węgla (do poziomu poniżej 1,7%) oraz innych pierwiastków, takich jak: fosfor, siarka i krzem. Ponadto, ze względu na odporność na ścieranie, produkuje się z niego materiały do mieszania substancji sypkich czy kul młynów do ucierania.

bg‑gray1

Podsumowanie

bg

Żeliwo jest materiałem powszechnie stosowanym. Wynika to z łatwości jego produkcji oraz niskich kosztów wytwarzania. Należy do materiałów wytrzymałych oraz odpornych na ścieranie. Ze względu na dużą zawartość żelaza dobrze przewodzi ciepło.

Właściwość

Stal

Żeliwo

Zawartość węgla

do 2,11%

od 2,11% do 6,67%

Wytrzymałość na ściskanie

mniejsze

większe

Twardość

mniejsza

większa

Kowalność

większa

mniejsza

Spawalność

większa

mniejsza

Odporność na korozję

mniejsza

większa

Słownik

przełom
przełom

powierzchnia powstała w wyniku całkowitego rozdzielenia próbki obciążonej w dowolny sposób

grafit
grafit

odmiana alotropowa węgla

wielki piec
wielki piec

piec szybowy, wykorzystywany do produkcji stopów żelaza

Bibliografia

Kosińki T., Chemia. Podręcznik dla techników rolniczych, Warszawa 1964.

Penkala T., Podstawy chemii ogólnej, Warszawa 1982.

Siwicki J., Technologia chemiczna nieorganiczna. Cz. 1, Warszawa 1966.