Żeliwo ciągliwe to materiał, który od dziesięcioleci pozostaje jednym z filarów nowoczesnej techniki, mimo ogromnego postępu w dziedzinie stali i tworzyw sztucznych. Łączy w sobie stosunkowo niskie koszty wytwarzania z bardzo korzystnym zestawem właściwości mechanicznych, dzięki czemu znajduje szerokie zastosowanie w budowie maszyn, motoryzacji, przemyśle energetycznym, górniczym, kolejowym i wielu innych gałęziach gospodarki. To szczególny rodzaj żeliwa, który dzięki odpowiednio prowadzonej obróbce cieplnej uzyskuje cechy zbliżone do stali, zachowując jednocześnie prostotę i ekonomiczność produkcji typową dla klasycznego żeliwa. Zrozumienie sposobu jego wytwarzania, struktury, właściwości oraz ekonomicznego znaczenia pozwala lepiej docenić rolę, jaką odgrywa w nowoczesnym przemyśle, zwłaszcza tam, gdzie wymagana jest wysoka wytrzymałość, odporność na zmęczenie i niezawodność w trudnych warunkach eksploatacji.

Charakterystyka żeliwa ciągliwego i jego miejsce wśród stopów żelaza

Żeliwo ciągliwe należy do grupy stopów żelaza z węglem, w których zawartość węgla przekracza 2%, podobnie jak w klasycznym żeliwie szarym czy sferoidalnym. Różni się jednak od nich zarówno mikrostrukturą, jak i sposobem wytwarzania. Powstaje bowiem nie bezpośrednio z ciekłego metalu odlawanego do form, a poprzez obróbkę cieplną uprzednio otrzymanego żeliwa białego. Celem tej obróbki jest przekształcenie niekorzystnej struktury białej – z dużym udziałem twardego, kruchego cementytu – w strukturę bogatą w miękki, wydzielony w postaci grudek węgiel zwany grafitem odkształconym (kłaczastym lub rozetowym), rozproszony w osnowie metalicznej (ferrytycznej, perlitycznej lub mieszanej.

W klasycznym podziale żeliw wyróżnia się najczęściej:

• żeliwo szare – z grafitem płatkowym, dobre odlewniczo, ale kruche na rozciąganie,
• żeliwo sferoidalne – z grafitem kulistym, o bardzo dobrych właściwościach wytrzymałościowych,
• żeliwo białe – praktycznie pozbawione wolnego grafitu, za to pełne cementytu, twarde i kruche, używane rzadko jako materiał konstrukcyjny,
• żeliwo ciągliwe – właśnie pośredni materiał, uzyskiwany z żeliwa białego poprzez długotrwałe wyżarzanie.

Ta ostatnia grupa, czyli żeliwo ciągliwe, bywa nazywana również żeliwem kowalnym, co odnosi się do jego zwiększonej plastyczności oraz możliwości poddawania niewielkim odkształceniom plastycznym, takim jak prostowanie czy lekkie gięcie. W praktyce w większości zastosowań wykorzystuje się głównie jego odporność na obciążenia zmienne, udarowe i ścieranie, a nie pełne możliwości kucia na gorąco jak w przypadku stali.

Żeliwo ciągliwe dzieli się na dwie podstawowe odmiany, wynikające z różnic w osnowie i warunkach obróbki cieplnej:

• żeliwo ciągliwe ferrytyczne – o osnowie miękkiej, ferrytycznej, zapewniającej dużą plastyczność i udarność, ale niższą wytrzymałość na rozciąganie,
• żeliwo ciągliwe perlityczne – o osnowie twardszej, z przewagą perlitu, cechujące się wyższą wytrzymałością, twardością i odpornością na ścieranie, kosztem nieco mniejszej plastyczności.

Mikrostruktura żeliwa ciągliwego powstaje przez rozkład cementytu i wydzielenie z niego grafitu w postaci nieregularnych grudek lub kłaczków, dużo mniej niekorzystnych pod względem koncentracji naprężeń niż cienkie, ostro zakończone płytki grafitu w żeliwie szarym. Ma to ogromny wpływ na właściwości mechaniczne: zmniejsza kruchość, zwiększa rozciągliwość oraz odporność na pękanie i zmęczenie.

Z punktu widzenia użytkownika żeliwo ciągliwe jest więc kompromisem między łatwością i kosztem produkcji a właściwościami eksploatacyjnymi. Tam, gdzie żeliwo szare okazuje się zbyt kruche, a żeliwo sferoidalne lub odpowiednia stal zbyt drogie, żeliwo ciągliwe stanowi atrakcyjną alternatywę.

Proces wytwarzania żeliwa ciągliwego i jego odmiany technologiczne

Produkcja żeliwa ciągliwego jest złożona i składa się z dwóch zasadniczych etapów: najpierw wytwarzane jest żeliwo białe o odpowiednim składzie chemicznym, a następnie poddaje się je specjalistycznej obróbce cieplnej – długotrwałemu wyżarzaniu odwęglającemu lub grafityzującemu. To właśnie ten drugi etap nadaje mu charakterystyczną strukturę i właściwości.

Wytwarzanie odlewów z żeliwa białego

Punktem wyjścia jest żeliwo białe, uzyskiwane najczęściej w piecach żeliwiackich, elektrycznych lub kubłowych, z surowców takich jak surówka, złom stalowy, złom żeliwny, dodatki stopowe i modyfikatory. Aby zapewnić powstanie struktury białej, a nie szarej, dąży się do:

• obniżenia zawartości krzemu – ponieważ Si sprzyja wydzielaniu grafitu i powstawaniu żeliwa szarego,
• kontrolowania zawartości węgla – typowo 2,2–3,2% C dla żeliwa białego przeznaczonego na żeliwo ciągliwe,
• stosowania odpowiedniego szybkości chłodzenia – dzięki czemu zahamowane zostaje wydzielanie grafitu, a powstaje cementyt.

Metale są topione i rafinowane w piecu, a następnie ciekłe żeliwo wlewa się do form odlewniczych, najczęściej piaskowych, rzadziej metalowych. Uzyskane odlewy mają twardą, kruchą strukturę, nieprzydatną jeszcze jako materiał konstrukcyjny. Są jednak doskonałym półproduktem do dalszego przetwarzania w żeliwo ciągliwe.

Skład chemiczny żeliwa białego do wyrobu żeliwa ciągliwego dobiera się bardzo starannie. Oprócz kontrolowanej zawartości węgla i krzemu istotne są także:

• mangan – wiążący siarkę, ale przy zbyt wysokim poziomie utrudniający proces odwęglania,
• siarka i fosfor – zanieczyszczenia niepożądane, obniżające udarność i plastyczność, więc ich zawartość powinna być możliwie niska,
• dodatki stopowe (np. nikiel, chrom, molibden) – stosowane w szczególnych zastosowaniach, gdy wymagana jest wyższa odporność na ścieranie, korozję czy temperaturę.

Wyżarzanie odwęglające i grafityzujące

Najważniejszym etapem wytwarzania żeliwa ciągliwego jest długotrwała obróbka cieplna, prowadzona w piecach komorowych, szybrowych lub nawet ciągłych. Kluczowe znaczenie ma dobór temperatury, czasu i atmosfery w piecu. Wyróżnia się dwa podstawowe procesy technologiczne:

• Wyżarzanie białego żeliwa w atmosferze utleniającej (odwęglanie) – prowadzi do zmniejszenia zawartości węgla w warstwach przypowierzchniowych odlewu, w efekcie czego powstaje miękka, plastyczna warstwa zewnętrzna z grafitem rozetowym, podczas gdy rdzeń może pozostać twardszy. Stosuje się to w wyrobach, gdzie ważna jest łatwość obróbki skrawaniem i dobra udarność powierzchniowa.
• Wyżarzanie w atmosferze neutralnej lub słabo redukującej (grafityzowanie) – w tym przypadku cały przekrój odlewu ulega przemianom, cementyt rozpada się w całości, a węgiel wydziela się jako grafit odkształcony, jednocześnie tworząc odpowiednią osnowę ferrytyczną lub perlityczną.

Proces składa się z kilku faz. Typowy cykl obejmuje:

• powolne nagrzewanie odlewów do temperatury rzędu 850–950°C,
• długie wygrzewanie (kilkanaście, a nawet kilkadziesiąt godzin), podczas którego następuje rozpad cementytu i wydzielanie grafitu,
• ewentualne dalsze obniżanie temperatury do ok. 700–750°C w celu regulacji przemian strukturalnych osnowy,
• powolne chłodzenie w piecu w celu uniknięcia naprężeń wewnętrznych i pęknięć.

Czas całego cyklu technologicznego może wynosić od kilkudziesięciu godzin do nawet kilku dni, w zależności od grubości ścianek odlewu, żądanej struktury oraz zastosowanego pieca. To jeden z powodów, dla których produkcja żeliwa ciągliwego wymaga dobrze zorganizowanego parku piecowego i racjonalnego planowania wsadów.

Odmiany żeliwa ciągliwego: ferrytyczne, perlityczne i specjalne

Na podstawie osnowy metalicznej i uzyskanej struktury mikrokrystalicznej żeliwo ciągliwe dzieli się na kilka odmian użytkowych. Każda z nich jest projektowana pod określony zakres zastosowań.

Żeliwo ciągliwe ferrytyczne charakteryzuje się przeważającą ilością ferrytu w osnowie, z rozproszonym grafitem kłaczastym. Uzyskuje się je przy dłuższym wygrzewaniu i wolniejszym chłodzeniu, często w atmosferze sprzyjającej odwęglaniu powierzchni. Właściwości mechaniczne typowe dla tej odmiany to:

• niższa wytrzymałość na rozciąganie niż w przypadku odmiany perlitycznej,
• bardzo dobra plastyczność (wydłużenie względne),
• wysoka udarność,
• łatwość obróbki skrawaniem.

Żeliwo ciągliwe perlityczne osiąga się przez krótsze wygrzewanie w wyższej temperaturze oraz szybsze chłodzenie, co sprzyja tworzeniu się perlitu w osnowie. W efekcie uzyskuje się:

• wyższą wytrzymałość na rozciąganie i twardość,
• lepszą odporność na ścieranie,
• mniejszą, ale wciąż istotną plastyczność.

Istnieją także odmiany pośrednie, np. żeliwo ciągliwe o osnowie ferrytyczno-perlitycznej, oraz specjalne gatunki stopowe, wzbogacone w nikiel, chrom, molibden czy miedź. Te ostatnie stosuje się tam, gdzie wymagane są szczególne własności, takie jak:

• podwyższona wytrzymałość w wysokich temperaturach,
• odporność korozyjna (np. w agresywnym środowisku chemicznym),
• wyjątkowo wysoka odporność na ścieranie (np. w górnictwie).

Po zakończeniu obróbki cieplnej odlewy z żeliwa ciągliwego poddaje się zabiegom wykończeniowym: oczyszczaniu powierzchni (śrutowanie, piaskowanie), usuwaniu nadlewów i układów wlewowych, obróbce skrawaniem (toczenie, wiercenie, frezowanie) oraz ewentualnej obróbce powierzchniowej (fosforanowanie, galwanizacja, powłoki malarskie). W wielu przypadkach końcowy produkt uzyskuje się bez dodatkowego ulepszania cieplnego, co stanowi przewagę ekonomiczną nad stalą.

Zastosowania przemysłowe i znaczenie gospodarcze żeliwa ciągliwego

Żeliwo ciągliwe cieszy się dużą popularnością w wielu branżach przemysłu, ponieważ zapewnia korzystny stosunek kosztu do uzyskiwanych właściwości eksploatacyjnych. Możliwość odlewania złożonych kształtów, stosunkowo łatwa obróbka, wysoka odporność na obciążenia zmienne oraz dobra trwałość w zmiennych warunkach pracy czynią je materiałem pierwszego wyboru w szerokim spektrum zastosowań.

Motoryzacja i transport

Jednym z najważniejszych odbiorców odlewów z żeliwa ciągliwego jest przemysł motoryzacyjny. W pojazdach samochodowych, dostawczych i ciężarowych żeliwo ciągliwe stosuje się m.in. na:

• elementy układu zawieszenia – zwrotnice, wahacze, wsporniki,
• części układu kierowniczego – przekładnie, korpusy, ramiona,
• elementy układu hamulcowego – niektóre typy zacisków hamulcowych, uchwyty, jarzma,
• obudowy przekładni, elementy mocowań silnika, zamki i zaczepy drzwiowe.

Mocną stroną żeliwa ciągliwego w motoryzacji jest szczególnie dobra odporność na zmęczenie materiału, czyli długotrwałe działanie zmiennych obciążeń, jakie występują podczas jazdy po nierównościach, hamowania, przyspieszania czy skręcania. Dzięki temu części wykonane z tego materiału zachowują stabilność wymiarową i nie ulegają przedwczesnym pęknięciom.

Równie istotne są dobre własności odlewnicze – skomplikowane kształty można odlać stosunkowo łatwo, bez konieczności kosztownych procesów obróbki plastycznej typowej dla stali. W przypadku części o dużych seriach produkcyjnych, takich jak komponenty samochodów osobowych, przekłada się to na znaczące oszczędności kosztowe, przy zachowaniu wymaganej niezawodności.

W transporcie szynowym i kolejowym żeliwo ciągliwe wykorzystuje się m.in. do produkcji elementów sprzęgów, mocowań, uchwytów, detali układów hamulcowych, a także komponentów infrastruktury torowej. Odlewy te narażone są na duże obciążenia mechaniczne i drgania, a jednocześnie muszą być łatwe w wytwarzaniu i stosunkowo tanie w wymianie.

Przemysł maszynowy, górniczy i rolniczy

W budowie maszyn żeliwo ciągliwe konkuruje zarówno ze stalą konstrukcyjną, jak i żeliwem sferoidalnym. Szczególnie chętnie wykorzystuje się je tam, gdzie wymagane są:

• stosunkowo wysokie obciążenia mechaniczne,
• możliwość wykonania złożonej geometrii odlewu,
• potrzeba dobrej odporności na ścieranie i uderzenia.

Typowe przykłady obejmują:

• korpusy małych przekładni i mechanizmów,
• elementy łączące i mocujące,
• zębatki, dźwignie, jarzma, obudowy sprzęgieł,
• części pomp i zaworów pracujących przy umiarkowanych ciśnieniach i temperaturach.

W przemyśle górniczym i wydobywczym z żeliwa ciągliwego wytwarza się m.in. elementy osprzętu wiertniczego, detale urządzeń transportu ciągłego, segmenty łańcuchów i zaczepów, a także liczne akcesoria montażowe. W tym środowisku szczególne znaczenie ma odporność na ścieranie oraz zdolność do pracy w warunkach udarowych, przy częstych uderzeniach i drganiach.

Branża rolnicza wykorzystuje żeliwo ciągliwe do produkcji komponentów maszyn uprawowych, siewników, kombajnów, pras oraz osprzętu do ciągników. Materiał ten jest ceniony za stosunkowo niską cenę, możliwość szybkiego odtworzenia zużytych części w drodze odlewniczej oraz skuteczną pracę w warunkach zapylenia, wilgoci i zmiennych obciążeń.

Energetyka, ciepłownictwo i armatura

Istotną grupę zastosowań stanowią instalacje energetyczne, ciepłownicze i wodne. Z żeliwa ciągliwego produkuje się:

• korpusy zaworów, przepustnic, zasuw i zasuw burzowych,
• elementy armatury wodociągowej i kanalizacyjnej – trójniki, kolana, złączki,
• detale armatury gazowej i olejowej.

W tych aplikacjach liczy się odporność na ciśnienie, szczelność połączeń oraz wytrzymałość zmęczeniowa, a także kompatybilność z różnymi mediami roboczymi – wodą, parą, gazami, olejami. Żeliwo ciągliwe zapewnia dobrą stabilność wymiarową w długim okresie eksploatacji, co ma istotne znaczenie dla bezpieczeństwa pracy całych instalacji.

W energetyce cieplnej, zwłaszcza lokalnej i komunalnej, materiał ten znajduje zastosowanie w obudowach urządzeń pomocniczych, elementach mechanizmów regulacyjnych oraz akcesoriach montażowych, takich jak uchwyty, wsporniki czy konsole. Jego odporność na korozję w typowych warunkach pracy jest wystarczająca, a w razie potrzeby można ją zwiększyć przez powłoki ochronne lub odpowiednie dodatki stopowe.

Odlewy dla budownictwa i infrastruktury

W budownictwie i infrastrukturze miejskiej żeliwo ciągliwe konkuruje często z żeliwem szarym i ze stalą. Znajduje zastosowanie m.in. jako materiał na:

• pokrywy studzienek ulicznych o podwyższonej wytrzymałości,
• elementy balustrad, ogrodzeń i krat o funkcji zarówno technicznej, jak i dekoracyjnej,
• akcesoria montażowe instalacji sanitarnych, grzewczych i wentylacyjnych.

W tych zastosowaniach docenia się możliwość odlewania drobnych detali o skomplikowanej geometrii, dobrą odporność na warunki atmosferyczne oraz stabilność wymiarową w czasie. Ponieważ odlewy takie produkuje się zwykle w dużych seriach, ważna jest również powtarzalność właściwości, którą żeliwo ciągliwe oferuje dzięki dojrzałej i powtarzalnej technologii wyżarzania.

Znaczenie gospodarcze i miejsce na tle konkurencyjnych materiałów

Patrząc szerzej, żeliwo ciągliwe ma duże znaczenie gospodarcze w skali zarówno krajowej, jak i międzynarodowej. Umożliwia produkcję ogromnej liczby elementów maszyn, pojazdów, armatury i infrastruktury w sposób ekonomiczny, przy zapewnieniu odpowiedniego poziomu niezawodności. Jest szczególnie ważne w krajach o rozwiniętym przemyśle motoryzacyjnym i maszynowym, gdzie popyt na tego typu odlewy jest ciągły i stabilny.

Na rynku materiałów konstrukcyjnych żeliwo ciągliwe konkuruje głównie z:

• żeliwem sferoidalnym – które często przewyższa je pod względem wytrzymałości i plastyczności, ale bywa droższe w produkcji i nie zawsze jest potrzebne w zastosowaniach o średnim poziomie obciążeń,
• stalą odlewniczą – trudniejszą w odlewaniu skomplikowanych kształtów, wymagającą zwykle bardziej rozbudowanego cyklu cieplnego, droższą, ale dającą najwyższe parametry mechaniczne,
• tworzywami sztucznymi i kompozytami – lekkimi i odpornymi na korozję, lecz zazwyczaj niezdolnymi do przenoszenia dużych obciążeń mechanicznych i udarowych w trudnych warunkach.

Istotną przewagą żeliwa ciągliwego jest stosunkowo niska cena surowców oraz dobrze opanowana technologia. W odlewniach, które dysponują odpowiednimi piecami do długotrwałego wyżarzania, można uzyskać wysoką powtarzalność właściwości przy rozsądnych kosztach energii i pracy. Pozwala to na produkcję konkurencyjną zarówno na rynek lokalny, jak i eksportowy.

Z punktu widzenia gospodarki narodowej rozwinięty sektor odlewów z żeliwa ciągliwego przekłada się na:

• możliwość lokalnej produkcji komponentów dla motoryzacji, energetyki, budownictwa i rolnictwa,
• ograniczenie importu części zamiennych i podzespołów,
• tworzenie miejsc pracy w odlewniach, zakładach obróbki mechanicznej i firmach kooperujących.

Choć w ostatnich dekadach obserwuje się rosnącą popularność żeliwa sferoidalnego, a także lekkich stopów aluminium i magnezu, żeliwo ciągliwe utrzymuje silną pozycję rynkową. W wielu zastosowaniach oferuje optymalny kompromis między wytrzymałością, plastycznością, łatwością odlewania a kosztem jednostkowym. Postęp w dziedzinie obróbki cieplnej, automatyzacja procesów wyżarzania oraz lepsza kontrola składu chemicznego stopu sprawiają, że materiał ten wciąż pozostaje aktualny technologicznie, a jego rola w kluczowych gałęziach przemysłu jest daleka od marginalizacji.