KURZUS: Anyagismeret

MODUL: Szerkezeti anyagok

21. lecke: Vas alapú ötvözetek, öntöttvasak

|  | Az öntöttvas fogalma Milyen tényezők és hogyan befolyásolják az öntöttvasak kristályosodását és átalakulását A lehűlési sebesség és az ötvözők hatása az öntöttvasak szövetszerkezetére Öntöttvas diagrammok és azok területei A fehér töretű (karbidos) öntöttvas tulajdonságai, felhasználási területei A szürke töretű öntöttvasak tulajdonságai, fajtái A szürke töretű öntöttvasak tulajdonságait befolyásoló tényezők (grafit alakja, mérete, eloszlása és az alapszövet milyensége) A lemezgrafitos öntöttvasak jellemzői, felhasználási lehetőségeik A gömbgrafitos öntöttvasak jellemzői, felhasználási lehetőségeik A temperöntvény fogalma, fajtái, felhasználási lehetőségei A kéregöntvény fogalma, felhasználási lehetőségei Az öntöttvasak szilárdságának összehasonlítása Az öntöttvasak kiválasztásának szempontjai
|  | A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti:
|  | megadni a lemezgrafitos és a gömbgrafitos öntöttvasak tulajdonságait definiálni az öntöttvas fogalmát jellemezni a temper- és a kéregöntvényt megadni a temper- és kéregöntvények jellemzőit felhasználási területnek megfelelő öntöttvasat kiválasztani
|  | Vas alapú ötvözetek, öntöttvasak
Lásd 14. lecke. |  | Az öntöttvas 2,06%-nál több karbont, ezen kívül számos szokásos kísérő elemet, szennyező és nyomelemeket tartalmazó sokalkotós vas-karbon ötvözet. Mint azt már a korábbiakban ismertettük a nagy C tartalmú ötvözetek az ötvözőelemek milyenségétől és mennyiségétől valamint a lehűlési sebességtől függően kétféle rendszerben kristályosodhatnak. A grafitos öntöttvasak törete szürke, míg a karbidosé a cementit ezüstös színe miatt fehér.
|  | Az öntöttvasak töretét befolyásoló tényezők
|  | Lehűlési sebesség gyors hűtés ⇒ cementites szövetet segíti elő lassú hűtés ⇒ grafitos szövetet segíti elő Ötvözőelemek cementites szövetet elősegítő ötvözők: S, Mn, Cr, W, Mo, V grafitos szövetet elősegítő ötvözők: C, Si, Al, Ni, Cu, Co
|  | A grafitosodást tehát elősegíti a lassú lehűlés vagy nagy falvastagság valamint a következő ötvözők: Co, P, Cu, Ni, Si, Ti, C, Al, a W, Mn, Mo, Cr, V, S, Mg, Ce, B ötvözők pedig a grafitosodást gátolják.
|  | A gyakorlati öntöttvasak lehetnek:
|  | Hagyományos öntöttvasak: Lemezgrafitos öntöttvasak (ferrit + perlit + lemezes grafit) Fehér nyersvas (perlit + vaskarbid) és származékai: Fehér temperöntvény Fekete temperöntvény Gömbgrafitos öntöttvasak (Mg vagy Ce kezelés) Perlites gömbgrafitos öntöttvas Ferrites gömbgrafitos öntöttvas
|  | Az öntöttvasakat a könnyű feldolgozhatóság, jó önthetőség jellemzi.
|  | Tulajdonságaik eltérnek az acélokétól. Az eltérést az alapanyagba ágyazott grafit okozza. A grafit megszakítja a fémes kapcsolatot, éles bemetszésként hat, jelentősen lecsökkenti a szilárdságot, és az alakváltozó képességet.
|  | A grafit szilárdságcsökkentő hatása a alakjától, méretétől és eloszlásától függ. A lemezek méretének csökkentésével, és alakjának megváltoztatásával kedvezően befolyásolhatjuk a szilárdsági tulajdonságokat.
|  | A szilárdságot az is befolyásolja, hogy a grafit milyen fémes alapszövetben található.
|  | Ennek megfelelően az öntöttvas tulajdonságait a fémes alapszövet az ún. mátrix (lehet: ferrit, perlit és ferrit-perlit), ill. a grafit alakja, mérete, eloszlása határozza meg.
|  | Öntöttvas diagramok
|  | Maurer diagram
1. ábra. Maurer-féle öntöttvas diagram
|  | A Maurer diagram az ötvözőelemek, nevezetesen a C és a Si hatását mutatja a kristályosodásra és az átalakulásra, azaz a szövetszerkezetre. A diagramnak három fő területe van. Az I. területben (legkisebb C és Si tartalom) a fehér töretű, karbidos öntöttvasak találhatók. Szövete: perlit és ledeburit. A III. területben (legnagyobb C és Si tartalom) a tisztán szürke, azaz a grafitos rendszer szerint kristályosodott és átalakult öntöttvasak vannak. Szövete ferrit és grafit. A II. területben a grafitosan kristályosodott, de a karbidos rendszer szerint átalakult szürke öntvények vannak. A szövet perlit és grafit. A II.a és II. b. területekben a szomszédos fázisok illetve szövetelemek találhatók.
30 mm átmérőjű homokformában hűlt öntvényeken határozta meg a szövetet. |  | Megjegyzés: A Maurer diagram nem veszi figyelembe a lehűlési sebesség hatását.
|  | A lehűlési sebesség hatását a Greiner- Klingenstein diagramban figyelhetjük meg.
|  | Greiner-Klingenstein diagram
A területek azonosak a Maurer diagramnál leírtakkal. |  |
2. ábra. Greiner-Klingenstein-féle öntöttvas diagram
|  | A függőleges tengelyen a C és a Si együttes mennyisége van feltüntetve, míg a vízszintes tengelyen a falvastagság van feltüntetve mm-ben. A falvastagság az öntödékben könnyebben mérhető és összefüggésben van a lehűlési sebességgel. A kis falvastagságú öntvény gyorsabban hűl.
|  | Az öntöttvasak tulajdonságai. A karbidos öntöttvas
A fehér színű a vaskarbid, a sötét a kristályosodáskor keletkezett ausztenit átalakulásából keletkezett perlit. |  |
3. ábra. Fehér töretű öntöttvas szövete
|  | A hipoeutektikus öntöttvasban primér ausztenit kristályosodik - többnyire dendritesen - és a dendritágak között helyezkedik el a lédeburit.
|  | A keletkező szövet, kemény, rideg, kopásálló.
Pl. mérleg alátámasztó ék, görgők stb. |  | Az ötvözetlen fehérvasöntvények igen ridegek. Keménysége min. 400 HB. Csak öntéssel munkálhatók meg. Felhasználási területük általában alárendelt minőségű, kopással szemben ellenálló alkatrészek gyártása, amelyek esetében forgácsolásra nem kerül sor, mert csak köszörüléssel vagy igen drága szerszámokkal munkálhatók meg.
Felhasználható pl. szén és ásványbányászatban a tégla és kerámiaiparban az útépítésben dolgozó gépek erős kopásnak kitett alkatrészeinek gyártására. |  | Ötvözéssel (Cr, Mo, V, W) kopásálló vasöntvényt kapunk.
|  | Lemezgrafitos öntöttvasak
|  | A szövetszerkezet: az alapszövet ferrit vagy perlit, amelyben a grafit lemezes formában található.
|  | Tulajdonságok: Jó önthetőség, kis zsugorodás dermedés közben Kiváló rezgéscsillapító hatás Jó siklási tulajdonságok Kis szilárdság, kis nyúlás, rideg, inkább nyomó igénybevétellel terhelhető Jó forgácsolhatóság A szilárdság növelés lehetőségei: A perlit arányának növelése az alapszövetben A grafit lemezek méretének csökkentése (modifikált öntöttvas - csapoláskor FeSi vagy CaSi adagolással)
|  | Gyakorlati öntöttvasak
|  | Lemezgrafitos öntöttvas
GJL-250. Jelentése: GJ betűk az öntöttvasra utalnak, az L a lemezgrafitot jelenti, a 250 a legkisebb szakítószilárdság N/mm2-ben. |  | A lemezgrafitos öntöttvasak szabványos jelölése: MSZ EN 1561:99 szerint GJL-100, GJL-150, GJL-200, GJL-250, GJL-300, GJL-350 (Régi jel: Öv 100...Öv 350)
|  | A szakítószilárdság 100-250 MPa, a keménység 155-275 HB között változik, függ az öntvény falvastagságától, és a lehűlés sebességétől. A nyomószilárdsága kb. négyszer, hajlítószilárdsága kb. kétszer nagyobb, mint a szakítószilárdsága.
Revésedés = magasabb hőmérsékleten bekövetkező felületi oxidáció |  | Jól forgácsolható, jó kopásállóságú, jó siklási és olajtárolási tulajdonsággal rendelkezik, vetemedésre, termikus kifáradásra kevésbé érzékeny, grafittartalma miatt a korrózióval és a revésedéssel szemben ellenállóbb, mint az ötvözetlen acél.
|  | Hátrányos tulajdonsága, hogy a kielégítő keménység és nyomószilárdság mellett kicsi a szakítószilárdsága és a grafitlemezek bemetsző hatása miatt a dinamikus igénybevétellel szembeni ellenállása csekély.
|  | Felhasználási területe: Az öntöttvasak felhasználása széles , a falvastagságtól és a szilárdságtól függ. Olyan területeken ahol elsősorban a kiváló önthetőség fontos pl. fürdőkád, zuhany tálca, radiátor, díszrács, utcai gáz lámpa oszlop stb. a GJL-100 (Öv 100) általános célra, a nagyobb szilárdságú GLJ-150 pl. kisebb falvastagságú (4-8 mm) öntvények pl. csőkarimák, csőszerelvények, kötéldobok, a GJL-200 pl. 8-15 mm falvastagságú öntvények csapágyházak, lendítő kerekek, dugattyú gyűrűk stb.
|  | Gépágyak, gépállványok, fékpofák, hengerfejek stb. készítésére a GJL-250; 300; 350 használatos. A nagyobb szilárdság csak kezeléssel érhető el. Az öntésnél szilárd Fe-Si-t visznek be, ami idegen fajtájú csiraként hat a kristályosodásnál, és a grafit lemezek méretének csökkenését eredményezi. A kezelést módosításnak vagy modifikálásnak is nevezik.
|  | Lemezgrafitos öntöttvas
Rm 100-150 N/mm2, keménység 155-250 HB |  |
4. ábra. Ferrites szürkeöntvény szövete
Rm 250-300 N/mm2, keménység 240-280 HB |  |
5. ábra. Perlites szürkeöntvény szövete
Rm 200-250 N/mm2, keménység 195-270 HB |  |
6. ábra. Ferrit-perlites szürkeöntvény szövete
|  | Gömbgrafitos öntöttvasak
|  | A grafit gömb alakban történő kristályosodását hipoeutektikus öntöttvasaknál magnézium, hipereutektikus öntöttvasaknál cérium beoltásával érik el (bonyolult, költséges technológia) Szövetszerkezet: ferrit-perlites alapszövetbe ágyazott gömbös grafit Jól önthető, kedvező kopásállóságú, a lemezgrafitos öntöttvashoz képest kiváló a szilárdsága, hőállósága
Rm 350-450 N/mm2, nyúlás 10-20% |  |
7. ábra. Ferrites gömbgrafitos öntöttvas
Rm 500-700 N/mm2, nyúlás 5-10% |  |
8. ábra. Ferrit-perlites gömbgrafitos öntöttvas
|  | A gömbgrafitos öntöttvasak
A GJ az öntöttvasat az S a gömbgrafitot jelenti. A jelölés első száma a szakítószilárdság, a második a nyúlás az LT, ill az RT az üzemi hőmérsékletre utal. Ha az alapszövet (mátrix) ferrit , Rm < 400 N/mm2 KV ütőmunka is mérhető. Értéke kb. 12-14 J) |  | A gömbgrafitos öntöttvas szabványos jelölése: MSZ EN 545:96, MSZ EN 598, MSZ EN 969 szerint GJS 350-22-LT vagy RT; GJS 400-18LT; GJS 700-2 GJS 900-2 A szakítószilárdság 350...900 MPa között változik, a nyúlás 22...2% között, felületi edzéssel 55-60 HRC keménység érhető el Gépalkatrészek, (pl. forgattyús tengelyek, hajtórudak, fogaskerekek), belső nyomásnak kitett házak, mezőgazdasági gépalkatrészek készítésére használatosak
|  | Tempervasak
|  | A tempervas célszerű hőkezelés útján előállított szívós öntöttvas.
|  | A temperöntvények alapanyaga a fehér nyersvas (a karbon vaskarbid - Fe3C alakban van jelen)
|  | Fehér temperöntvény: az öntvényt oxidáló atmoszférában hőkezelve (1050 C°-on 25-100 óra) a vaskarbid elbomlik, a karbon a felületre diffundál és ott kiég, a szerkezet ferrit-perlites lesz (C% < 0,35) Fekete temperöntvény: az öntvényt semleges atmoszférában hőkezelve (1050 C°-on 18-24 óra, majd szabályozott hűtés) a vaskarbid elbomlik, és temperszén formájában a ferrites alapszövetben marad
|  | Fehér tempervas
|  | Szabványos jelölés: MSZ ISO 5922-1991 W 35-04; W 38-12; W 40-05; W 45-07 A szakítószilárdság 340...480 MPa között változik, függ az öntvény falvastagságától, a nyúlás 15...4% között, a keménység 200..230 HB Jól önthetők, de a karbon kiégetés miatt csak kis falvastagságú és méretű öntvények készíthetők Kisebb alkatrészek, használati eszközök (pl. szekrénykulcsok, csőidomok) készítésére használatosak
A képen a világos a ferrit, sötét a perlit. A felületen a C teljesen kiég, ezért a szövet ferrit, beljebb a nagyobb C tartalom miatt ferrit, perlites, majd perlites. Vastagabb falvastagság esetén középen megjelenhet a temperszén is. (fekete színű a képen). A lassú diffúzió miatt a falvastagság korlátozott kisebb, mint 10-12 mm. Jelölés pl. W 35-04. Jelentése: W white=fehér, az első szám a szakítószilárdság tizede, a második a nyúlás. |  |
Fehér temperöntvény a felülettől befelé haladva
9. ábra | 1/3
|  | Fekete és perlites tempervas
|  | Szabványos jelölés: MSZ ISO 5922-1991 B 30-06; B 32-12; B 35-10; (fekete tempervasak) P 45-06; P 50-05; P55-04; ... P 70-02; P 80-01 (perlites tempervasak) A szakítószilárdság 300...800 MPa között változik, függ az alapszövettől, a nyúlás 12...1% között, a keménység 150..310 HB között alakul Jól önthetők, a B jelű tempervasak csőidomokhoz használatosak, a P jelűek nagyobb szilárdságú és kopásállóságú öntvényekhez (pl. fékpofák)
|  | A temperöntvények mechanikai tulajdonságaik alapján növelt szilárdságú öntvények (ductile iron).
|  | A fekete temperöntvényt mezőgazdasági, textilipari, gépkocsi és vagon alkatrészek. pl. tengelykapcsoló házak, forgattyús tengelyek, sebességváltó házak, lánc- és fogaskerekek stb. készítésére használják.
A világos a ferrit, a sötét a temperszén. Jele pl. B 35-10. A B a black = fekete, az első szám a szakítószilárdság tizede, a második a nyúlás. |  |
12. ábra. Ferrites fekete temperöntvény szövete
A világos a ferrit, a sötét a temperszén. Jele pl. P 45-06. A P a perlitre utal, az első szám a szakítószilárdság tizede, a második a nyúlás. |  |
13. ábra. Perlit-ferrites fekete temperöntvény szövete
|  | Kéregöntvény
|  | A gyakorlatban sokszor szükséges az igen kemény felületű ( ≈ 500 HB), kopásálló, belül szívósabb szerkezetet biztosító alkatrészt előállítani. A kéregöntvények olyan öntvények, melyeknek a külső kérgét gyors hűtéssel karbidosan , a többi részeket pedig lassan grafitosan kristályosítják. Ezt úgy érik el, hogy az öntvény kopásnak kitett részét fém formába (kokilla) a többi részét pedig homokformában formázzák.
|  | Felhasználása: malomipari, műanyagipari hengerek, őrlő golyók, szelepemelők stb.
14. ábra. Szelepemelő fehéren kristályosodott kérge
|  | A kéreg gyorsan hűl az öntvény formájába beépített hűtővasak hatására ezért karbidos lesz, ami kemény, kopásálló, míg a többi lassan hűlt rész grafitosan, szürkén kristályosodik.
|  | Átolvasztás
|  | A kéregöntényekhez hasonló darabokat kapunk, ha a szürkeöntvény koptató igénybevételnek kitett részét átolvasztjuk. A darab nagy tömege hatására a kis térfogatban megolvasztott fém nagyon gyorsan hűl és karbidosan kristályosodik, kemény, kopásálló lesz. Az átolvasztáshoz nagy energia szükséges pl. ív (argon védőgáz alatt vagy elektronsugár (vákuum alatt). A kéreg tulajdonságai a lényegesen finomabb szerkezet miatt kedvezőbbek, mint a kéregöntvény esetében.
15. ábra. Átolvasztással kezelt vezérmű tengely
16/a ábra. A kéreg alakja argon védőgáz alatt ívfénnyel átolvasztott vezérműtengelyen
16/b ábra. A kéreg alakja argon védőgáz alatt elektronsugárral átolvasztott vezérműtengelyen
|  | Öntöttvasak szilárdságának összehasonlítása (Rm, MPa)
17. ábra. Az öntöttvasak szilárdságának összehasonlítása
|  | Az ábrán kék színnel a használati tartományt jelöltük.
|  | Öntöttvasak kiválasztásának szempontjai
|  | Az alkatrész igénybevétele és a méretek függvényében meghatározott szilárdság Az igénybevétel jellegéből (pl. dinamikus hatás) becsült minimális nyúlás Koptató hatás esetében a keménység, kopásállóság Az öntvény alakja, falvastagsága - megmunkálhatósági kritérium

|  | Ellenőrző kérdések
| 1. Vizsgálja meg a lemezgrafitos öntöttvasak jellemző tulajdonságaira vonatkozó alábbi megállapításokat!
Húzóigénybevételnek jól ellenáll |
Rideg, szilárdsága kicsi |
Kiválóan önthető |
Nem vagy alig forgácsolható |
Jó siklási tulajdonságai vannak |
Csillapítóképessége nagy |
Szilárdsága a grafitlemezek méretétől, eloszlásán kívül a fém mátrixtól függnek |
Szilárdsága kizárólag a grafitlemezek méretétől és eloszlásától függ |
| 2. Vizsgálja meg a gömbgrafitos öntöttvasak jellemző tulajdonságaira vonatkozó alábbi megállapításokat!
Nyomógénybevételnek jól ellenáll |
Maradó alakváltozásra is képes |
Kiválóan önthető |
A ferrites alapszövetűek esetében ütőmunka is mérhető |
Jó siklási tulajdonságai vannak |
Csillapítóképessége nagy |
Szilárdsága a a grafitgömbök méretétől, eloszlásán kívül a fém mátrixtól függnek |
Alapszövete perlites |
| Válassza ki a megadott válaszok közül az adott mondatba illőt!
| 3. Az öntöttvasak tulajdonságai ... függnek.
| a kristályosodás és átalakulás módjától
| a grafit alakjától, méretétől
| a grafit alakjától, méretétől, eloszlásától
| az alapszövet milyenségétől
| Jelölje meg az egy helyes megoldást!
| 4. A megadott ötvözőelemek közül melyik segíti elő a grafitos kristályosodást?
| Si
| Mn
| Cr
| V
| 5. Válassza ki a megadott válaszok közül a karbidos öntöttvasra jellemzőt!
| jól önthető, kiváló rezgéscsillapító, jól forgácsolható.
| Kis szilárdságú, rideg, jól forgácsolható.
| Kemény, rideg, kopásálló.
| Nyomó igénybevételnek nagyon jól ellenáll, jól forgácsolható, korrózióálló.
| 6. Válassza ki a megadott válaszok közül a lemezgrafitos öntöttvasra jellemzőt!
| Jól önthető, kiváló rezgéscsillapító, jól forgácsolható.
| Kis szilárdságú, szívós, jól alakítható.
| Kemény, rideg, kopásálló.
| Húzó igénybevételnek nagyon jól ellenáll, jól forgácsolható, korrózióálló.
| 7. Válassza ki a megadott válaszok közül a gömbgrafitos öntöttvasra jellemzőt!
| Jól önthető, kiváló rezgéscsillapító, jól forgácsolható.
| Nagy szilárdságú, képlékenyen alakítható, jól forgácsolható.
| Kemény, rideg, kopásálló.
| Nyomó igénybevételnek nagyon jól ellenáll, alig forgácsolható, korrózióálló.
| 8. Válassza ki a megadott válaszok közül a temper öntvényekre igaz megállapítást!
| Hőkezelt öntvény, alapanyaga lemezgrafitos öntöttvas.
| Vékony falú, hőkezelt öntvény, alapanyaga fehér töretű.
| Hőkezelt öntvény, az öntés előtt Si adagolásával kezelik.
| Hőkezelt öntvény az öntés előtt Mg hozzáadásával kezelik.
| 9. Mi jellemzi a kéregöntvényt?
| A kéreg szürke- a mag fehér töretű.
| A kéreg fehértöretű, kopásálló, a mag szürke.
| A kéreg fehértöretű, kopásálló, szívós, a mag szürke.
| A kéreg a gyorshűtés hatására fehér töretűvé válik, a mag rideg marad.
| 10. Válasszon anyagot személygépkocsi vezérműtengelyhez az alábbiak közül!
| Karbidos öntöttvas.
| Lemezgrafitos öntöttvas.
| Lemez vagy gömbgrafitos öntöttvas, felületi kezeléssel a bütyök felülete szívóssá téve.
| Lemez vagy gömbgrafitos öntöttvas, felületi kezeléssel a bütyök felülete kopásállóvá téve.