Żeliwo – co to jest i jakie ma zastosowanie?

Żeliwo to stop żelaza z węglem (powyżej 2%), otrzymywany w procesie odlewania. Wyróżnia się wysoką wytrzymałością na ściskanie i kruchością, dzięki czemu znajduje zastosowanie w przemyśle, motoryzacji i budownictwie. Jakie jest podstawowe zastosowanie żeliwa? Które typy materiału cechują się największą wytrzymałością? Poznaj szczegóły dotyczące tego tematu, zapoznając się z poniższą treścią.

Co to jest żeliwo i jak powstaje?

Żeliwo – co to jest? Wbrew pozorom stop ten nie jest w żadnym wypadku metalem. To materiał, który składa się w większości z dwóch, połączonych ze sobą metodą piecową, pierwiastków chemicznych. W żeliwie znajdziemy także szereg innych składników. W zależności od ich domieszki można mówić o poszczególnych typach żeliwa. Najprostsza definicja wskazuje, że jest to stop składający się z żelaza oraz węgla. Nie jest to jednak precyzyjne tłumaczenie, ponieważ żeliwo może zawierać domieszki krzemu, manganu czy grafitu w wartościach kilkuprocentowych. Wyjaśnienie tego terminu warto uzupełnić również o wartość procentową węgla w stopie. Jeśli jest ona wyższa niż 2%, to wówczas można mówić o żeliwie. Jeśli węgla jest mniej, to najczęściej mamy wtedy do czynienia ze staliwem.

Żeliwo powstaje w piecach hutniczych, zwanych żeliwiakami, dzięki którym możliwe jest stopienie dużej ilości surówki oraz dodatku surowca wtórnego. Rozgrzana masa trafia stamtąd do form, dzięki który, może zostać uformowana w zasadzie w dowolny kształt. Istotne jest, aby proces przelewania masy do modeli był wykonany z największą precyzją. Późniejsze poprawki kształtu odlewu mogą być trudne do zrealizowania, jeśli byłyby w ogóle możliwe. Proces wytwórczy nie zawsze wygląda tak samo – wiele zależy od tego, jaki rodzaj żeliwa chcemy uzyskać.

Właściwości żeliwa

Żeliwo jest stopem wytwarzanym przez człowieka. Pierwszy raz zostało stworzone przypadkowo – szybko jednak zauważono, jak ciekawe i korzystne są jego parametry użytkowe. To mocny materiał, który stosuje się do produkowania wytrzymałych i niezwykle solidnych peryferii. Główne właściwości fizyczne żeliwa to:

• stosunkowo wysoka wytrzymałość na działanie czynników zewnętrznych,
• nisko kosztowy proces wytwarzania żeliwa w piecach,
• swoboda w tworzeniu różnorodnych form dzięki procesowi odlewania,
• możliwość wykorzystania materiału w warunkach ciągłych drgań, np. pracy silnika,
• wysoka temperatura topnienia umożliwiająca stosowanie żeliwa w różnych środowiskach,
• dostateczne przewodnictwo ciepła oraz energii elektrycznej,
• długowieczność – przedmioty żeliwne mogą służyć przez dziesięciolecia.

Zastosowanie żeliwa

Stop żelaza i węgla ma olbrzymią ilość zastosowań. Dzięki swoim właściwościom żeliwo jest łatwe i tanie w produkcji. Optymalne parametry wytrzymałościowe sprawiają, że materiał ten jest stosowany w wielu branżach.

Przemysł maszynowy i ciężki

Żeliwo w przemyśle maszynowym i ciężkim stosuje się głównie w elementach konstrukcyjnych o dużej masie i stabilnym obciążeniu. Wykorzystuje się je do produkcji korpusów maszyn, podstaw obrabiarek oraz obudów przekładni. Jego główną zaletą jest zdolność tłumienia drgań oraz dobra stabilność wymiarowa podczas pracy.

Motoryzacja i elementy układów mechanicznych

W motoryzacji żeliwo stosowane jest w komponentach narażonych na wysokie temperatury i intensywne zużycie. Wykonuje się z niego tarcze i bębny hamulcowe, bloki silników oraz elementy układów napędowych. Materiał dobrze znosi cykliczne obciążenia i zapewnia długą żywotność części.

Budownictwo i infrastruktura

W budownictwie żeliwo wykorzystywane jest w elementach infrastruktury technicznej, które muszą przenosić duże obciążenia. Najczęściej są to włazy kanalizacyjne, pokrywy studzienek oraz elementy systemów odwodnieniowych. Materiał charakteryzuje się wysoką odpornością na ściskanie i trwałością w warunkach zewnętrznych.

Instalacje sanitarne i hydrauliczne

Żeliwo znajduje zastosowanie w instalacjach wodno-kanalizacyjnych, gdzie liczy się trwałość i odporność na długotrwałe działanie mediów. Wykonuje się z niego rury, kształtki oraz elementy armatury. Dodatkowo dobrze tłumi hałas przepływającej wody, co ma znaczenie w instalacjach budynkowych.

Sprzęt AGD i elementy codziennego użytku

W sprzęcie AGD żeliwo stosuje się głównie w elementach wymagających akumulacji i równomiernego rozkładu ciepła, takich jak garnki, patelnie czy płyty grzewcze. Występuje także w piecach, meblach ogrodowych i elementach dekoracyjnych, gdzie liczy się trwałość oraz stabilność konstrukcji.

Rodzaje żeliwa

Każdy rodzaj żeliwa ma nieco inne przeznaczenie. Samych typów tego stopu można wyróżnić przynajmniej kilka. Niektóre z nich uzyskuje się dzięki zastosowaniu specjalnej mieszaniny dodatków. Inne zaś tworzone są dzięki wdrożeniu dodatkowych procesów, np. wyżarzania żeliwa. Jakie typy materiału w formie stopu można przede wszystkim wyróżnić?

Żeliwo stopowe

Żeliwo stopowe zawiera dodatkowe składniki uzupełniające, takie jak chrom, nikiel, molibden lub mangan. Niekiedy wyróżnia się poszczególne podtypy żeliwa, które biorą nazwę właśnie od udziału pierwiastka w jego składzie – np. żeliwo manganowe, żeliwo chromowe. Zbiorczo jednak tę grupę określa się mianem materiału stopowego. Żeliwo stopowe jest bardzo wytrzymałe na działanie sił mechanicznych, kwasów i korozji. Możliwe jest zastosowanie żeliwa stopowego w warunkach styczności z dużą wilgocią powietrza, a nawet strumieniami wody.

Żeliwo szare

Wygląd tego żeliwa specjalnie nie zachwyca – to po prostu zwykły, szary materiał, który nie wyróżnia się wyglądem spośród innych typów żeliwa. Jest to najczęściej spotykany typ tego stopu. Posiada widoczną strukturę grafitową. Jest stosunkowo łatwe do obróbki mechanicznej. Nie nadaje się z kolei do rozciągania i obciążania, a to ze względu na swoją wysoką kruchość. Przedmioty wykonane z żeliwa szarego znajdują się w wielu domostwach – są to piece, kaloryfery czy umywalki.

Żeliwo białe

Czyli żeliwo cementytowe, które posiada jasnoszarą barwę. Powszechnie uważane za materiał o nieco mniejszej wytrzymałości, niż popularne żeliwo szare. Jest to materiał stosunkowo kruchy (nie oznacza to jednak, że narzędzia z żeliwa białego da się łatwo złamać w rękach). Z żeliwa białego nie wytwarza się części konstrukcyjnych -choćby ze względu na to, iż jest ono nieobrabialne. Stosuje się je do produkcji mieszadeł, łożysk, bębnów, głowic.

Żeliwo sferoidalne

Sferoidalność polega na dodaniu specjalnego wsadu węglowego w toku produkcji. Wydzielenie węglowe ma formę podobną do kuli. Proces ten nazywany jest sferoidyzacją, co oznacza zmianę kształtu cząstek. W żeliwie sferoidalnym występują kuliste wtrącenia grafitowe zamiast blaszek. Poprawia to parametry związane z rozciągliwością i elastycznością. Żeliwo sferoidalne może być poddawane większym obciążeniom ciśnieniowym – stosuje się je do produkcji turbin wodnych, wałów czy kół zębatych.

Żeliwo ciągliwe

Mocny rodzaj żelaza, który jest w stanie wytrzymać duże obciążenia. Z tego względu jest porównywane do stali. Żeliwo ciągliwe produkowane jest z żeliwa białego- przez wyżarzanie. Jest stosowane w zastosowaniach wymagających formowalności i elastyczności. Można z niego wykonać części do urządzeń AGD, klucze maszynowe, a nawet maszyny rolnicze.

Normy i oznaczenia żeliwa

Żeliwo klasyfikuje się według norm europejskich EN 156x, które określają zarówno jego strukturę, jak i minimalne właściwości mechaniczne. Oznaczenia mają postać skrótu literowego oraz wartości liczbowych określających wytrzymałość materiału.

Najważniejsze grupy oznaczeń:

• EN-GJL – żeliwo szare (grafit płatkowy)
  Liczba po oznaczeniu (np. EN-GJL-200) oznacza minimalną wytrzymałość na rozciąganie w MPa. Stosowane głównie w elementach odlewanych o dobrej zdolności tłumienia drgań.
• EN-GJS – żeliwo sferoidalne (grafit kulisty)
  Na przykład: EN-GJS-400-15
  Pierwsza wartość oznacza wytrzymałość na rozciąganie (MPa), druga – wydłużenie w procentach. Materiał o wysokiej wytrzymałości i dobrej plastyczności.
• EN-GJMB / EN-GJMW – żeliwo ciągliwe
  Oznaczenia określają typ osnowy (czarna lub biała) oraz właściwości mechaniczne po wyżarzaniu. Stosowane w elementach wymagających większej odporności na obciążenia dynamiczne niż żeliwo szare.

FAQ – najczęściej zadawane pytania o żeliwo

Czym się różni żelazo od żeliwa?

Żelazo to pierwiastek chemiczny, natomiast żeliwo jest stopem żelaza z węglem i dodatkami stopowymi. Różnią się właściwościami – żeliwo jest twardsze, ale bardziej kruche niż czyste żelazo.

Czy żeliwo to w 100% stal?

Nie. Żeliwo i stal to dwa różne materiały. Żeliwo ma wyższą zawartość węgla (powyżej 2%), co powoduje jego kruchość, natomiast stal ma go mniej i jest bardziej plastyczna oraz odporna na odkształcenia.

Czy żeliwo pęka?

Tak, żeliwo może pękać przy obciążeniach udarowych lub rozciągających. Wynika to z jego struktury i wysokiej kruchości, choć nie dotyczy to wszystkich typów – np. żeliwo sferoidalne jest znacznie bardziej odporne.

Dlaczego nie moczy się żeliwa?

Żeliwo może ulegać korozji w kontakcie z wilgocią, dlatego wymaga odpowiedniego zabezpieczenia powierzchni. Nie powinno być pozostawiane w wodzie ani narażane na długotrwałe działanie wilgoci bez ochrony antykorozyjnej.