Liveno gvožđe

Ploče od livenog željeza na klaviru.

Dijagram stanja (fazni dijagram) željezo – ugljenik. Liveno željezo je legura željeza i ugljenika, te nekih drugih legirnih elemenata, gde je sadržaj ugljenika veći od 2,06% (maseni udeo).

Cevi od livenog željeza.

Tava od livenog željeza (sivi liv).

Most od livenog željeza.

Stare peći na drva od livenog željeza.

Žilavi liv (mikrostruktura) pod povećanjem od 100 puta.

Liveno gvožđe podrazumeva leguru železa i ugljenika, sa masenim udelom ugljenika iznad približno 2,1%. Kao prateći legirajući elementi najčešće se upotrebljavaju silicijum, mangan, hrom i nikl. Liveno gvožđe je legura hemijskog elementa gvožđa sa visokim udelom ugljenika (> 2%) i silicijuma (uglavnom > 1,5%), a po pravilu sadrži i druge elemente poput mangana, hroma i fosfora. Ako se ugljenik u mikrostrukturi ohlađenog gvožđa nalazi u obliku grafita onda govorimo o leguri pod imenom sivo liveno gvožđe. Ako se pak ugljenik u mikrostrukturi ohlađenog gvožđa nalazi u obliku cementita (Fe₃C) onda se legura naziva belo liveno gvožđe.

Legura gvožđa se kao materijal umnogome razlikuje od čelika. Specifična težina gvožđa se nalazi između 7.100 i 7.250 kg/m³ i niža je od specifične težine čelika odnosno specifične težine čistog gvožđa, koja je u principu ista, i iznosi oko 7.850 kg/m³. Zbog visokog sadržaja ugljenika liveno gvožđe se ne može ni kovati ni savijati. Zahvaljujući eutektičkoj reakciji gvožđe ima daleko nižu tačku topljenja od čelika koja za eutektičko gvožđe iznosi oko 1.150 °C. Prema sadržaju ugljenika i silicijuma livena gvožđa se dele na podeutektička, eutektička i nadeutektička. U tu svrhu se gradi ugljenični ekvivalent prema formuli: $CE=C+1/3Si$. Podeutektička gvožđa imaju ugljenični ekvivalent do 4,3%, eutektička oko 4,3% a nadeutektička preko 4,3%. Podeutektičke i nadeutektičke sorte livenog gvožđa imaju nešto višu temperaturu topljenja od eutektičkih.

Ako je u pitanju sivo liveno gvožđe onda imamo pred sobom materijal koji usled istaloženog lamelarnog grafita poseduje lošije mehaničke osobine od čelika, pogotovo kada je elastičnost u pitanju. Sa druge strane gvožđe poseduje bolju toplotnu provodnost, odličnu livnost i bolju izdržljivost kada je u pitanju zadržavanje originalnog oblika (zbog niske elastičnosti), kao i povišenu otpornost na koroziju u odnosu na čelik. Ako uz to dodamo izuzetnu sposobnost amortizacije oscilacija jasno nam je zašto su postolja (fundamenti) većine glomaznih mašina izrađena upravo od gvožđa. Mehaničke karakteristike kao i koroziona postojanost mogu se dodatno poboljšati dodatkom legirajićih elemenata kao što su: silicijum, mangan, hrom i nikl.

Bolje mehaničke osobine se postižu modifikacijom oblika istaloženog grafita u obliku nodula (sferni oblik), u nodularnom livu, ili u obliku vermikula (lat. vermiculus — crv), u vermikularnom livu, u procesu odstranjivanja rastvorenog kiseonika i sumpora uz pomoć magnezijuma kao legirajućeg elementa.

Jedna takođe važna forma legure gvožđa je temperovano gvožđe (temper liv) kada se posle izdvajanja ledeburitne faze (u eutektičkoj reakciji) materijal još jednom temperira na povišenoj temperaturi. Povišena temperatura omogućava da termodinamički nepovoljna lamelarna struktura (preveliki donos između površine i zapremine mikrokonstituenta) pređe u svoju stabilniju formu i približi se idealnom sfernom obliku. Sferni oblik inače ima minimalan odnos površina/zapremina pa samim tim i najmanju slobodnu energiju i predstavlja ravnotežno stanje.

Vrste livenog željeza

Zavisno od strukture liveno željezo se deli se na:

• sivi liv (ugljenik je izlučen kao grafit u obliku ljusaka ili lamela). U praksi se pod livenim željezom obično podrazumeva sivi liv, koji se najviše primenjuje,
• beli liv ili tvrdi liv (ugljenik je izlučen kao tvrdi cementit, Fe₃C),
• kovljivi liv ili temper liv se dobija od belog liva, čiji su odlivci tvrdi i krti, te se za dobivanje manje tvrdoće, veće žilavosti, kovkosti i bolje obradljivosti, odlivci iz belog liva moraju podvrgnuti decementacijskom žarenju.
• žilavi liv ili nodularni liv (ugljenik je izlučen kao grafit u obliku kuglica). Žilavi je liv legiran i manganom (Mn) radi dezoksidacije otopine, te cepivom na bazi magnezijuma (Mg), koji osigurava izlučivanje grafita u obliku kuglica, što mu uz povoljnu čvrstoću i tvrdoću daje i zadovoljavajuću žilavost i duktilnost.
• crvićasti liv ili vermikularni liv je po sastavu sličan sivom livu, uz dodatak magnezijuma. Prilikom livenja izvodi se cepljenje titanijumom, usled čega se grafit izlučuje u obliku crvića i čvorića.

U livenom željezu ima osim željeza i ugljenika, još i silicijuma, mangana, fosfora i sumpora. Sastav sivog i belog liva može se menjati u sledećim granicama: 2,0 – 4,5% C, 0,5 – 3,5% Si, do 1,3% Mn, do 1% P i 0,06 – 0,15% S. Za taj liv je svojstven visok postotak ugljenika koji se izlučuje kao grafit ili je vezan u cementit (Fe₃C).

Sivi liv

Glavni članak: Sivi liv

Sivi liv je legura željeza i ugljenika, gde se ugljenik izlučuje iz legure kao grafit, i to za vreme skrućivanja ili pri njenom žarenju (temperiranje), pa se time postiže bolja obradivost i veća sposobnost prigušivanja vibracija. Na izlučivanje grafita utiču hemijski sastav, način skrućivanja i obrada legure. Vrlo je važna količina ugljenika i silicijuma u leguri sa željezom. Što je ta količina veća, to se više izlučuje grafita, i veći su grafitni listići. U osnovnoj strukturi grafit je strano telo vrlo male zatezne čvrstoće (20 N/mm²) i tvrdoće. Grafitni listići presecaju osnovni čelični liv i imaju zarezno delovanje. Što ima više grafitnih listića i što su oni grublji, to su i mehanička svojstva liva lošija (od 120 – 300 N/mm²).

Beli liv

Beli liv ili tvrdi liv je liveno željezo gde je sav ugljenik vezan kao cementit ili gvožđe karbid (Fe₃C). Belo skrućivanje liva postiže se prikladnim hemijskim sastavom i većom brzinom hlađenja. Beli je liv tvrd i krhak. Dodatkom legirnih elemenata promeni se mikrostruktura karbida i osnovnog materijala, jer perlit pređe u medustrukture i martenzit. Razlikuju se beli tvrdi liv i liv s tvrdom korom.

Beli tvrdi liv

Beli tvrdi liv ima u čitavom preseku beli prelom. Ugljenik je vezan, odlivci su tvrdi i krhki. Služi za izradu delova izloženih trošenju (habanje). Odlivci se ne smeju dinamički opteretiti, a mogu se obrađivati samo brušenjem. U belom tvrdom livu lako se stvaraju usahline (šupljine od livenja). Odlivci od belog tvrdog liva posebno se primenjuju u drobilicama, mlinovima, za hidrauličke klipove, za mlinske kugle i slično. Lije se u peščane kalupe i kokile.

Liv s tvrdom korom

Liv s tvrdom korom je tehnički važniji od belog tvrdog liva, posebno zato što se u tu grupu ubrajaju i neki livovi za valjke. Svojstva liva s tvrdom korom zavisna su od hemijskog sastava i brzine hlađenja. On ima na površini beli prelom, koji prema jezgru polagano prelazi u sivi prelom. Prelazi između pojedinih zona ne smeju biti oštri da se tvrda kora zbog pojava napetosti ne odvoji. Radi stvaranja tvrde kore legura se uliva u kokile ili u kalupe s ugrađenim rašladnim pločama na mestima gde se traži velika tvrdoća. Ugljenik povećava u prvom redu tvrdoću spoljašnje kore, a smanjuje čvrstoću. Tvrdoća liva s velikim sadržajem ugljenika iznosi i do 500 HB (tvrdoća po Brinelu). Silicijum smanjuje stabilnost cementita i povećava sivo skrućivanje. Mangan olakšava stvaranje cementita i ujedno vezuje štetan sumpor. Dodatkom nikla, hroma i bakra može se uticati na osnovnu strukturu (na stvaranje martenzita, odnosno sorbita), a time i na svojstva liva.

Kovkasti liv

Glavni članak: Kovkasti liv

Kovkasti liv ili temper liv je takva legura željeza i ugljenika koja u sirovom odlivenom obliku ima beli prelom. Naknadnom toplotnom obradom (decementacijskim žarenjem) postiže se raspadanje cementita i izlučivanje grafita (crni kovljivi liv) ili razugljičenje liva (beli kovljivi liv).

Decementacijskim žarenjem (temperiranjem) dobija se na žilavosti odlivka. Poboljšanje se naročito primenjuje za manje predmete složenog oblika, koji moraju imati dobra mehanička svojstva, a bilo bi ih preskupo izrađivati kovanjem, dok bi livenje takvih predmeta od čeličnog liva bilo otežano. Ako se odlivak žari u oksidacijskoj atmosferi, ugljenik oksidira, a prelom tako obrađenog odlivka je beo. Odlivak će imati sivi prelom ako se žari u neutralnoj atmosferi, jer će se grafit izlučivati u obliku sitnih čvorića. Zbog fine i ravnomerne raspodele grafita, materijal ima bolja mehanička svojstva nego sivi liv. Prema svojim svojstvima kovkasti liv se nalazi između sivog i čeličnog liva.

Žilavi liv

Glavni članak: Žilavi liv

Žilavi liv ili nodularni liv je vrsta livenog željeza s kugličastim grafitom. Mehanička svojstva tog liva zavise u prvom redu od oblika grafita. Pri kugličastom obliku grafita nema zareznog delovanja u osnovnoj strukturi liva. Žilavi liv se po svojim mehaničkim svojstvima svrstava između sivog i čeličnog liva. Postupak proizvodnje žilavog liva se odvija u dva koraka. Prvo se dodaje magnezijum (ređe cerijum ili kalcijum) da se legura dezoksidira, a zatim se dodatkom cepiva na osnovi silicijuma ubacuju u leguru klice kristalizacije, što sprečava belo skrućivanje. Zato grafit izlučen u leguri ima kugličasti oblik. Žilavi liv se dobiva od podeutektičke ili nadeutektičke legure sastava: 3 – 3,9% C, 1,7 – 2,8% Si, 0,1 - 0,5% Mn, manje od 0,08% P i manje od 0,01% S.

Crvićasti liv

Glavni članak: Crvićasti liv

Crvićasti liv ili vermikularni liv po sastavu je sličan sivom livu, uz dodatak magnezijuma. Prilikom livenja izvodi se cepljenje titanijumom, usled čega se grafit izlučuje u obliku crvića i čvorića. Zbog strukture izlučenog grafita, crvićasti liv ima svojstva sivog i svojstva žilavog liva (nodularnog liva). Po odlivnosti sličan je sivom livu, a po mehaničkim svojstvima žilavom livu. Dobro podnosi promene temperatura. Uz to se dobro obrađuje rezanjem, a s obzirom da dobro prigušuje vibracije i da ima otpornost na trošenje, crvićasti liv se često primenjuje za izradu blokova motora i za izradu glava velikih brodskih motora.

Литератра

• John Gloag and Derek Bridgwater, A History of Cast Iron in Architecture, Allen and Unwin, London (1948)
• Peter R Lewis, Beautiful Railway Bridge of the Silvery Tay: Reinvestigating the Tay Bridge Disaster of 1879, Tempus (2004) ISBN 978-0-7524-3160-4
• Peter R Lewis, Disaster on the Dee: Robert Stephenson's Nemesis of 1847, Tempus (2007) ISBN 978-0-7524-4266-2
• George Laird, Richard Gundlach and Klaus Röhrig, Abrasion-Resistant Cast Iron Handbook, ASM International (2000) ISBN 978-0-87433-224-7
• Harold T. Angus, Cast Iron: Physical and Engineering Properties, Butterworths, London (1976) ISBN 0408706880
• Tylecote, R. F. (1992). A History of Metallurgy, Second Edition. London: Maney Publishing, for the Institute of Materials. ISBN 978-0901462886. 
• Wagner, Donald B. (1993). Iron and Steel in Ancient China. BRILL. ISBN 978-90-04-09632-5. 
• Wagner, Donald B. (maj 2008). Science and Civilisation in China: Volume 5, Chemistry and Chemical Technology, Part 11, Ferrous Metallurgy. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-87566-0. 
• Temple, Robert (1986). The Genius of China: 3000 years of science, discovery and invention. New York: Simon and Schuster. 
• Ragsdale, John G. (2015). Dutch Ovens Chronicled: Their use in the United States. Fayetteville: The University of Arkansas Press. ISBN 978-1-55728-690-1. 
• Geerligs, PD; Brabin, BJ (avgust 2003). „Food prepared in iron cooking pots as an intervention for reducing iron deficiency anemia in developing countries: a systematic review.”. J Hum Nutr Diet. 16 (4): 275—81. PMID 12859709. doi:10.1046/j.1365-277x.2003.00447.x. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• Degarmo, E. Paul; Black, J T.; Kohser, Ronald A. (2003), Materials and Processes in Manufacturing (9th izd.), Wiley, ISBN 9780471033066. 
• Schweitzer, Philip A. (2003), Metallic materials, CRC Press, ISBN 9780203912423. 
• Smith, William F.; Hashemi, Javad (2006), Foundations of Materials Science and Engineering (4th izd.), McGraw-Hill, ISBN 9780072921946. 

Spoljašnje veze

• Cast Iron In China and Europe
• Metallurgy of Cast Irons, Cambridge University
• Paper on the Tay bridge disaster
• Spanish cast-iron bridges