Wybór słuszności odlew z żeliwa sferoidalnego ocena sprowadza się do jednego centralnego kompromisu: plastyczność kontra wytrzymałość . Jeśli dana część musi abslubbować uderzenia, uginać się pod obciążeniem lub łatwo obrabiać, wybierz gatunek o niższej wytrzymałości i większym wydłużeniu, np. 60-40-18 . Jeśli Twoja część musi wytrzymać duże obciążenia statyczne i zużycie przy mniejszym uwzględnieniu obciążeń udarowych, wybierz gatunek o wyższej wytrzymałości, np. 100-70-03 or 120-90-02 . W przypadku większości ogólnych zastosowań inżynieryjnych — takich, w których tradycyjnie wykorzystuje się stal miękką — 65-45-12 jest domyślnym punktem początkowym.
Wybór gatunku zgodnie z normą ASTM A536 opiera się na trzycyfrowym systemie nazewnictwa: wytrzymałość na rozciąganie (ksi), granica plastyczności (ksi) i procentowe wydłużenie. Zrozumienie, co każda z tych liczb oznacza dla konkretnego zastosowania, jest kluczem do uniknięcia zarówno nadmiernej inżynierii (płacenie za siłę, której nie potrzebujesz), jak i niedostatecznej inżynierii (określenie klasy, która nie będzie działać).
ASTM A536 to amerykańska norma dotycząca odlewów z żeliwa sferoidalnego, która definiuje każdy gatunek za pomocą trzyczęściowej liczby: minimalnej wytrzymałości na rozciąganie (w tysiącach psi), minimalnej granicy plastyczności (w tysiącach psi) i minimalnego procentu wydłużenia. Na przykład klasa 65-45-12 oznacza wytrzymałość na rozciąganie 65 ksi (448 MPa), granicę plastyczności 45 ksi (310 MPa) i 12% wydłużenia.
Tym, co sprawia, że żeliwo sferoidalne zachowuje się tak odmiennie od zwykłego żeliwa szarego, jest jego mikrostruktura. Cechą charakterystyczną żeliwa sferoidalnego zgodnie z normą ASTM A536 jest mikrostruktura grafitu sferoidalnego, uzyskana poprzez dodanie magnezu lub ceru podczas topienia. Ten okrągły, sferoidalny kształt grafitu – zamiast ostrego grafitu płatkowego występującego w żeliwie szarym – minimalizuje koncentrację naprężeń i inicjację pęknięć, co nadaje żeliwie sferoidalnemu jego imiennikową ciągliwość i odporność na uderzenia.
ASTM A536 definiuje rodzinę standardowych gatunków, przy czym każdy z nich ma inną wytrzymałość równoważącą i plastyczność.
| Ocena | Wytrzymałość na rozciąganie (min) | Granica plastyczności (min) | Wydłużenie (min) |
|---|---|---|---|
| 60-40-18 | 60 000 psi (414 MPa) | 40 000 psi (276 MPa) | 18% |
| 65-45-12 | 65 000 psi (448 MPa) | 310 MPa (45 000 psi) | 12% |
| 80-55-06 | 80 000 psi (552 MPa) | 379 MPa (55 000 psi) | 6,0% |
| 100-70-03 | 100 000 psi (689 MPa) | 70 000 psi (483 MPa) | 3,0% |
| 120-90-02 | 120 000 psi (827 MPa) | 90 000 psi (621 MPa) | 2,0% |
Istnieje również druga grupa gatunków do zastosowań specjalnych — 60-42-10, 70-50-05 i 80-60-03 — które oferują nieco inny stosunek wytrzymałości do ciągliwości w przypadku projektów o bardziej szczegółowych wymaganiach niż gatunki standardowe.
Gatunek 60-40-18 charakteryzuje się maksymalną ciągliwością, doskonałą obrabialnością i wytrzymałością w niskich temperaturach, dzięki całkowicie ferrytycznej osnowie, która zapewnia wysokie wydłużenie i udarność. Gatunek ten zwykle wymaga pełnego wyżarzania ferrytycznego, aby osiągnąć swoje właściwości. Jest to naturalny wybór w przypadku części narażonych na obciążenia udarowe, pracę w niskich temperaturach lub gdy obrabialność jest priorytetem nad surową wytrzymałością.
ASTM A536 klasa 65-45-12 jest najważniejszym elementem rodziny żeliwa sferoidalnego i stopem wybieranym przez większość projektantów podczas przekształcania konstrukcji ze stali miękkiej w odlew z żeliwa sferoidalnego, ponieważ jego wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności są bardzo zbliżone do stali miękkiej. Gatunek ten może być zazwyczaj stosowany w postaci odlewu, bez dodatkowej obróbki cieplnej, co pomaga kontrolować koszty produkcji.
Jeśli zastosowanie wymaga umiarkowanej plastyczności i odporności na uderzenia w połączeniu z wyższą wytrzymałością, dobrym kandydatem jest gatunek 80-55-06. Podobnie jak 65-45-12, może być zazwyczaj dostarczany w postaci odlewu, oferując użyteczny środek pomiędzy plastycznymi niższymi gatunkami a twardszymi, mniej wybaczającymi błędy gatunkami o wysokiej wytrzymałości.
Gatunki o wyższej wytrzymałości, takie jak 100-70-03, opierają się na osnowie głównie perlitycznej, aby zapewnić wytrzymałość i odporność na zużycie, kosztem zmniejszonego wydłużenia. Klasa 120-90-02 charakteryzuje się bardzo wysoką wytrzymałością i odpornością na zużycie, chociaż nie jest tak odporna na zużycie jak specjalistyczne chromowane białe żelazka. Te najwyższej klasy gatunki zazwyczaj wymagają hartowania i odpuszczania, normalizowania i odpuszczania lub izotermicznej obróbki cieplnej, aby osiągnąć swoje określone właściwości i najlepiej nadają się do mocno obciążonych komponentów, gdzie ciągliwość jest kwestią drugorzędną.
Wymagania dotyczące obróbki cieplnej różnią się znacznie w zależności od rodziny gatunków i bezpośrednio wpływają na czas realizacji i koszt produkcji.
| Ocena | Wymagana obróbka cieplna |
|---|---|
| 60-40-18 | Wyżarzanie pełne ferrytujące |
| 65-45-12 | W stanie surowym (nie wymaga obróbki) |
| 80-55-06 | W stanie surowym (nie wymaga obróbki) |
| 100-70-03 | Hartowanie i temperowanie, normalizowanie i temperowanie lub obróbka izotermiczna |
| 120-90-02 | Hartowanie i temperowanie, normalizowanie i temperowanie lub obróbka izotermiczna |
Wybór gatunku w stanie surowym, takiego jak 65-45-12 lub 80-55-06, zamiast gatunku poddanego obróbce cieplnej, takiego jak 100-70-03, może znacząco skrócić zarówno koszty, jak i czas realizacji — warto to wziąć pod uwagę, jeśli zastosowanie nie wymaga ściśle parametrów gatunku o wyższej wytrzymałości.
Właściwości udarowe żeliwa sferoidalnego zależą od mikrostruktury, a standardowe gatunki ASTM A536 nie określają domyślnie wymagań dotyczących udarności — badania udarności są zgodne z odrębną normą ISO 1083, jeśli jest to wymagane w projekcie technicznym. Do zastosowań niskotemperaturowych lub wymagających dużej udarności warto szczególnie zamówić gatunek w pełni ferrytyczny o większym wydłużeniu, ponieważ niższa zawartość perlitu w mikrostrukturze (zwykle poniżej 15%) pozwala materiałowi spełnić rygorystyczne kryteria udarności, takie jak 12 dżuli w temperaturze -20°C.
Jeśli Twoje zastosowanie obejmuje zimny klimat, obciążenia udarowe lub krytyczną dla bezpieczeństwa odporność na uderzenia, zaznacz to wyraźnie w swojej odlewni, zamiast zakładać, że standardowe oznaczenie gatunku obejmuje je automatycznie.
Przed sfinalizowaniem oceny warto przede wszystkim upewnić się, że żeliwo sferoidalne to właściwa rodzina materiałów. Żeliwo sferoidalne zapewnia doskonałą równowagę pomiędzy wytrzymałością, ciągliwością, kosztem i możliwością odlewania, dzięki czemu dobrze nadaje się do elementów konstrukcyjnych i dynamicznych. Dla porównania, żeliwo szare jest tańsze, ale kruche i nie nadaje się do zastosowań dynamicznych lub obciążonych udarem, podczas gdy stal węglowa zapewnia wyższą wytrzymałość i spawalność, ale jest trudniejsza do odlewania i droższa w obróbce.
Żeliwo sferoidalne charakteryzuje się również doskonałymi właściwościami tłumienia drgań i hałasu dzięki mikrostrukturze grafitu, często przewyższając stal w zastosowaniach dynamicznych — jest to ważny czynnik w przypadku takich komponentów, jak skrzynie biegów, koła zamachowe i obudowy maszyn, gdzie kontrola wibracji ma równie duże znaczenie jak sama wytrzymałość.
Typowe zastosowania maszyn przęsłowych z żeliwa sferoidalnego ASTM A536, zaworów, wózków widłowych, elementów kolei oraz skrzyń biegów i kół zamachowych — odzwierciedla to, jak szeroka jest ta rodzina gatunków w różnych branżach. Wybór gatunku od samego początku oznacza różnicę pomiędzy komponentem, który działa niezawodnie przez cały okres użytkowania, a takim, który albo przedwcześnie ulega uszkodzeniu pod obciążeniem, albo kosztuje więcej, niż jest to konieczne do wyprodukowania.
