Stale i stopy szlachetne

Technologia metali

Co czyni stale szlachetne

szlachetnymi?

Technologia metali

•

Wyjątkowa odporność na korozję

•

Trzy klasy stali szlachetnych: martenzytowa,
ferrytowa, austeniczna

•

Główny składnik uszlachetniający: Cr (> 13%)

–

Cr umożliwia tworzenie cienkiej powłoki
ochronnej Cr2O3 na stali eksponowanej na
powietrzu

–

Cr czyni stal szlachetną!

Stale szlachetne

Technologia metali

•

Glin i jego stopy są najpowszechniej stosowanymi metalami

nieżelaznymi

•

Stopy glinu: zwiększanie wytrzymałości przez obróbkę na

zimno oraz dodatki stopowe (Cu, Mg, Si, Mn, Zn)

–

Obróbka na zimno: metal jednofazowy, zwiększanie

wytrzymałości roztworu stałego

–

Obróbka cieplna: utwardzanie przez wytrącanie nowej fazy

(np. MgZn

2

)

•

Właściwości

–

Niska gęstość (2.7 g/cm

3

) w porównaniu do stali (7.9 g/cm

3

)

–

Wysoka przewodność elektryczna i termiczna

–

Odporność na korozję w niektórych otoczeniach istotnych

dla zastosowań

–

Łatwość formowania (np. rolowanie cienkich folii)

–

Al ma strukturę FCC; jej ciągliwość zachowana jest nawet w

bardzo niskich temperaturach

–

Wada: niska temperatura topnienia (660°C)

Glin i jego stopy

Technologia metali

Rodzaje stopów glinu

Technologia metali

Zastosowania do budowy samolotów
oraz zbiorniki paliw statków
kosmicznych

•

Stosuje się stopy Al o wysokiej wytrzymałości
(stop 7075) w celu wzmocnienie szkieletu
samolotu

•

Stop 7075 zawiera Zn i Cu jako dodatki
zwiększające wytrzymałość materiału (zawartość
Cu uniemożliwia spawanie)

•

Stop 7075 charakteryzuje się najlepszą zdolnością
do obróbki mechanicznej

Technologia metali

Zastosowanie w przemyśle
samochodowym

•

Stosowanie w
samochodach może
obniżyć wagę auta o 55%
w porównaniu z
zastosowaniem stali

•

Można uzyskać podobne
parametry wytrzymałości
na zderzenia jak
elementy stalowe

•

Ford wyprodukował
specjalny model w
większości ze stopów Al
o b. dobrych
parametrach
bezpieczeństwa

Technologia metali

Zastosowanie w przemyśle
samochodowym

Technologia metali

Zastosowanie w przemyśle
samochodowym

Struktura nadwozia Audi A2:
wyciskane profile aluminiowe,
elementy wytłaczane z blachy,
odlewane ciśnieniowo moduły
węzłowe

Audi A2 - Karoseria wykonana
z blachy aluminiowej

Technologia metali

Zastosowanie do produkcji kabli
przesyłowych

•

Linie przesyłowe są
największym odbiorcą
prętów i drutów ze stopów
Al (praktycznie nie ma
konkurenta)

•

Stopy Al są łatwym i
ekonomicznym sposobem
dostarczania energii
elektrycznej

Technologia metali

Zastosowanie w budownictwie,
gospodarstwie domowym

• Ramy okienne, drzwi
• Pokrycia elewacji i dachów
• Profile aluminiowe
• Folia spożywcza
• Części urządzeń domowych

(lodówki)

• Okucia, klamki,..

Technologia metali

Inne zastosowania przemysłowe Al

• Chemia: aparatura chemiczna
• Metalurgia: produkcja blach
• Kosmetyczny: składnik pudru
• Żywnościowy: dodatki w

piekarnictwie i mleczarstwie

• Opakowaniowy: puszki, tacki,

folie

• Farmaceutyczny: składniki

niektórych leków (antacid)

Technologia metali

•

Czysta miedź

–

Miękka i plastyczna: trudna do obróbki mechanicznej

–

Łatwa obróbka na zimno

–

Wysoka odporność na korozję w różnych atmosferach

•

Stopy miedzi: poprawiana wytrzymałość drogą obróbki na

zimno lub/i stapianiem z dodatkami

•

Brąz i mosiądz – najbardziej popularne stopy miedzi

•

Zastosowania: ozdoby jubilerskie, cartridge, samochodowe

radiatory, instrumenty muzyczne, elektronika, monety

Miedź i jej stopy

Technologia metali

•

Brąz – stop Cu i Sn

•

Pierwszy materiał metalowy

wytopiony celowo przez kowala

•

< 25% Sn

•

Mosiądz – stop Cu i Zn

–

5-30% Zn

–

Zn zwiększa wytrzymałość, kowalność i

formowalność Cu

Brązy i mosiądze

Technologia metali

Diagram fazowy Cu - Zn

Technologia metali

Nowy materiał posiadający wyjątkowe właściwości

•

Niska gęstość (4.5 g/cm

3

)

•

Wysoka temperatura topnienia (1668°C)

•

Wysoki moduł elastyczności (107 GPa)

•

Wyjątkowa wytrzymałość

•

Odporny na korozję w niskich temperaturach (TiO2)

•

Wysoka ciągliwość, łatwość obróbki mechanicznej

•

Wady:

•

Chemiczna reaktywność z innymi materiałami

•

Korozja w wysokich temperaturach

•

Wysoki koszt

Zastosowania: samoloty, statki kosmiczne, przemysł

naftowy i chemiczny

Tytan i jego stopy

Technologia metali

Typowe zastosowanie: wysokowytrzymałe implanty, wyposażenie
instalacji chemicznych, szkielety samolotów, statków kosmicznych

Przykłady stopów Ti

Technologia metali

Superstopy na bazie Ni

• Super: modyfikowane

są wtrąceniami innej
fazy

• Tą fazą może być faza

„własna” lub „obca”

• Faza własna: Ni

3

Al (g’)

• Faza obca: Y

2

O

3

Technologia metali

Diagram fazowy Ni-Al

Technologia metali

•

Superstopy

–

Na bazie Ni

–

Inne dodatki stopowe: Nb, Mo, W, Ta, Cr, Ti

–

Przykład:

IN792: Ni-12Cr-10Co-2Mo-4W-3.5Al-4Ti-4Ta-

0.01B-0.09Zr-0.1C-0.5Hf

•

Zastosowania: elementy turbin silników lotniczych

–

Łopatki i dyski turbin, brak „płynięcia” i odporność

na korozję w wysokich temperaturach (1000°C)

–

Istotna jest niska gęstość – części wirujące

narażone na naprężenia w trakcie pracy !

Superstopy: przykłady,
zastosowanie

Technologia metali

Wytrzymałość materiałów w
wysokich T

Technologia metali

Łopatki turbiny silnika lotniczego
z superstopu na bazie Ni

Technologia metali

•

Współczesne technologie silników
lotniczych szukają możliwości zwiększenia
sprawności- wysokie temperatury!

•

Materiały stosowane do produkcji turbin
muszą pracować w coraz to wyższych T

•

Stosowane stopy na bazie Ni skojarzone z
innowacyjnymi systemami chłodzenia

Wymagania materiałowe w stosunku
do turbiny silnika lotniczego

Technologia metali

Konwencjonal
ne odlewanie

Technologie zwiększające

odporność na odkształcenia

łopatek turbin

Struktura ziarnowo-kolumnowa
uzyskana drogą kierunkowej
solidyfikacji ze stopu

Łopatka turbiny
jako pojedynczy
kryształ

Technologia metali

Powłoki – bariery termiczne
(TBC)

•

Jak zastosować jeszcze wyższe temperatury w silnikach

lotniczych?

•

Temperatura topnienia superstopów stosowanych do

produkcji turbin wynosi 1230-1315°C

•

Temperatura w komorze spalania gazów > 1370°C

Thermally Grown

Oxide (TGO)

(1-10m)

Ceramic Top Coat (100-400m)

(Y

2

O

3

-Stabilized ZrO

2

)

Bond Coat (~100m)

Substrate

Cooling Air

Hot Gases

Thermally Grown

Oxide (TGO)

(1-10m)

Ceramic Top Coat (100-400m)

(Y

2

O

3

-Stabilized ZrO

2

)

Bond Coat (~100m)

Substrate

Cooling Air

Hot Gases

TBC obniża temperaturę
powierzchni łopatki
zbudowanej z superstopu

Technologia metali

•

Temperatury topnienia między 2468°C (Nb) a 3410°C (W)

–

Wiązania międzyatomowe wyjątkowo silne

–

Duże wartości modułu elastyczności, duża wytrzymałość
i twardość w temperaturze pokojowej i podwyższonych T

•

Zastosowania:

–

Ta i Mo są dodawane do stali szlachetnych w celu
polepszenia odporności na korozję

–

Stopy Mo: elementy konstrukcyjne statków kosmicznych

–

Stopy W: włókna żarowe, elementy aparatury Rtg,
elektrody spawalnicze

Metale i stopy wysokotemperaturowe
(refractories)

Technologia metali

Zależność twardości od

wytrzymałości na rozciąganie dla

stali, mosiądzu i surówki

Technologia metali

Korelacja pomiędzy rozmaitymi

właściwościami mechanicznymi dla

różnych stopów