Co to są stale stopowe?
Stale stopowe to obrobione plastycznie stopy żelaza, które oprócz węgla zawierają pierwiastki celowo wprowadzone, jeżeli ich zawartości są większe niż określa norma PN-EN, np. dla Si > 0,5%.
Jaki jest cel stosowania stali stopowych?
Wprowadzając do żelaza dodatki stopowe, możemy znacznie zmieniać jego własności. Każdy pierwiastek zmienia w charakterystyczny sposób stop, w zależności od jego wprowadzonej ilości. Pierwiastki stopowe znacznie poprawiają efekty ulepszania cieplnego zwiększając własności mechaniczne. Krzem, mangan czy aluminium dodaje się do stopów w celu wyeliminowania szkodliwego działania domieszek siarki i tlenu w stali. Pierwiastki stopowe w stalach konstrukcyjnych mają na celu przede wszystkim zwiększenie ich hartowności, natomiast w stalach narzędziowych uodparniają stal na odpuszczające działanie ciepła oraz zwiększają odporność na ścieranie a także żarowytrzymałość. Pierwiastki stopowe dodaje się także w celu nadania specjalnych własności fizycznych, np. magnetycznych.
Klasyfikacja stali stopowych wg zastosowania.
Wg zastosowania stale można podzielić na trzy grupy: konstrukcyjne, narzędziowe oraz o specjalnych własnościach. KONSTUKCYJNE - stosowane są do wytwarzania części maszyn i konstrukcji. Zaliczają się do nich stale do nawęglania, ulepszania, azotowania, łożyskowe, sprężynowe i dla budownictwa. Z wyjątkiem łożyskowych, mają małą lub średnią zawartość C i są niskostopowe - na ogół łączna ilość pierw. stopowych nie przekracza 5%. NARZĘDZIOWE - powinny cechować się dużą twardością - większą niż obrabiany materiał, oraz dużą odpornością na odpuszczanie - przy nagrzewaniu, np. ostrza noża tokarskiego. Ich własności nadaje się przez hartowanie i odpuszczanie. Wyróżniamy stale narzędziowe do pracy na zimno, na gorąco i szybkotnące. STALE SPECJALNE - stopy żelaza o zróżnicowanych zastosowaniach i właściwościach: nierdzewnie, żaroodporne i kwasoodporne, zaworowe, odporne na ścieranie, o specjalnych własnościach magnetycznych i elektrycznych, o określonych parametrach rozszerzalności cieplnej itp.
Klasyfikacja stali wg struktury.
Wg struktury stal można sklasyfikować w stanie równowagi lub po przyspieszonym chłodzeniu. W STANIE RÓWNOWAGI stale można podzielić pod względem struktury na: podetektoidalne, eutektoidalne (perlityczne), nadetektoidalne i ledeburytyczne. PO PRZYSPIESZONYM CHŁODZENIU na powietrzu, na: perlityczne, bainityczne, martenzytyczne, austenityczne lub ferrytyczne.
W jakich fazach stali występują pierwiastki stopowe?
Pierwiastki stopowe mogą rozpuszczać się w ferrycie lub austenicie, tworzyć azotki, węgliki i węglikoazotki, tworzyć fazy międzymetaliczne z żelazem lub między sobą, tworzyć związki z domieszkami, np. siarką, znajdować sie we wtrąceniach niemetalicznych, lub w stanie wolnym, np. Pb.
Wpływ pierwiastków stopowych na zakres występowania austenitu.
Wg klasyfikacji Wevera pierwiastki stopowe, które tworzą z żelazem roztwory stałe można podzielić na dwie grupy: rozszerzające i zwężające zakres austenitu. Do pierwszej grupy należą pierwiastki, które podwyższają temp. A4 i obniżają temp. A3. Tworzą one dwa typy układów: z otwartym polem austenitu - nikiel, kobalt, mangan (austenitotwórcze) - oraz z rozszerzonym polem austenitu - (oprócz węgla) azot i miedź. Do drugiej grupy należą pierwiastki, które obniżają A4 i podwyższają A3. Także tworzą dwa układy z żelazem - z zamkniętym polem austenitu: chrom, molibden, wolfram, wanad i tytan (pierwiastki węglikotwórcze), krzem, glin, fosfor (ferrytotwórcze), oraz drugi układ: z zawężonym polem austenitu: tantal, niob, cyrkon i bor. Przy większej zawartości pierwiastków stopowych w żelazie, stop będzie miał strukturę austenityczną lub ferrytyczną aż do temp. solidus, co oznacza, że w takich stalach nie zachodzą przemiany fazowe przy nagrzewaniu i chłodzeniu.
Wpływ pierwiastków stopowych na rozrost ziarna austenitu.
Za wyjątkiem manganu i boru pierwiastki stopowe zmniejszają rozrost ziarn austenitu. Wynika to ze zmniejszenia szybkości dyfuzji oraz segregacji atomów na granicach ziarn, utrudniającej migrację tych granic. Wiele pierwiastków tworzy hamujące rozrost ziarn dyspersyjne cząstki węglików i innych faz trudno rozpuszczalnych w austenicie. Pierwiastki, które nie tworzą węglików w niewielkim stopniu wpływają na rozrost ziarn (nikiel, kobalt, krzem). Pierwiastki węglikotwórcze mają duży wpływ na hamowanie rozrostu ziarn austenitu, tym większy, im ma większe powinowactwo do węgla (chrom, molibden, wolfram, wanad, tytan). Także aluminium silnie rozdrabnia ziarno stali, tworząc drobne wydzielenia azotków przechodzących do roztworu dopiero przy 950 st. C. Stale manganowe ze względu na skłonność do rozrostu ziarn są wrażliwe na przegrzanie, dlatego wprowadza się do nich pierwiastki węglikotwórcze, najczęściej wanad i niob.
Wpływ pierwiastków stopowych na kinetykę przemian przechłodzonego austenitu i hartowność.
Kinetykę przemiany przechłodzonego austenitu charakteryzują wykresy CTP sporządzone przy stałej temperaturze, lub podczas ciągłego chłodzenia. Określają one szybkości przemiany w różnych temperaturach. Rozpuszczone w austenicie pierwiastki stopowe mogą wpływać na jego przemianę na dwa sposoby: przesuwając w prawo lub lewo krzywe początku i końca przemiany oraz zmieniając charakter krzywych początku i końca przemiany. Wszystkie pierwiastki stopowe oprócz kobaltu zwiększają trwałość austenitu i przesuwają krzywą początku i końca przemiany w prawo. Równocześnie pierwiastki o dużym powinowactwie do węgla (Cr, W, Mo, V, Ti) zmieniają także charakter krzywej początku i końca przemiany, oddzielając zakresy perlityczny od bainitycznego zakresem zwiększonej trwałości austenitu i przesuwając w prawo oba zakresy. Pierwiastki stopowe nie rozpuszczone w austenicie, występujące w postaci oddzielnych faz (węglików, azotków, tlenków), powodują odwrotne działanie, tworząc zarodki przemiany dyfuzyjnej austenitu Fazy te wiążą także pierwiastki stopowe, w efekcie powodując przesunięcie krzywej początku i końca przemiany w lewo. Hartowność wiąże się z trwałością austenitu. Pierwiastki stopowe wpływają na wielkość ziarna austenitu, jego niejednorodność i skład chemiczny. Pierwiastki zwiększające ziarno austenitu, zwiększają jego hartowność i odwrotnie. Najsilniej zwiększają hartowność: Mo, Cr, Mn, słabiej Si, Ni. Bor w stalach o małej i średniej zaw. C, ale dobrze odtlenionych i odazotowanych, już przy znikomej ilość znacznie zwiększa ich hartowność, przy czym Al i Ti zwiększają efektywność boru wiążąc reagujący z nim azot.
Wpływ pierwiastków stopowych na przemianę martenzytyczną i proces odpuszczania.
Pierwiastki stopowe nie wpływają na szybkość przemiany martenzytycznej, a tylko na położenie punktów początku i końca tej przemiany. Wszystkie pierwiastki oprócz aluminium i kobaltu obniżają zakres temp., w którym austenit ulega przemianie w martenzyt, natomiast krzem jest neutralny. Stale węglowe po zahartowaniu są mało odporne na odpuszczające działanie temperatury - już powyżej 200 st. C szybko tracą twardość, co jest poważną wadą stali węglowych. Dodatek pierwiastków stopowych zmniejsza szybkość dyfuzji, opóźniając wydzielanie węglików, tym samym zmniejszając skłonność stali do odpuszczania. Ponadto pierwiastki mocno węglikotwórcze w większych ilościach wywołują twardość wtórną.
Co to jest twardość wtórna i od czego zależy?
Twardość wtórna jest to efekt wpływu zawartości węgla i węglikotwórczych składników w stali. Powyżej temp. 450 st. C w stalach z dużą zawartością pierwiastków węglikotwórczych szybkość dyfuzji tych składników jest tak duża, że tworzą się węgliki, które mają większe powinowactwo węgla niż żelazo i w takich warunkach, w temp. 500-550 st. C cementyt staje się niestabilny i i ulega rozpuszczeniu lub zmienia się w węglik in situ. Im więcej zawartości węgla i węglikotwórczych pierwiastków stopowych rozpuszczonych w austenicie, tym utwardzenie wtórne jest większe.
Węgliki i azotki w stalach stopowych.
Fazy węglików i azotków w stalach stopowych tworzą przejściowe pierwiastki stopowe (Mn, Cr, V, Ti, Mo, Nb, Zr, W, Ta, Hf, a także Al i Si tworzą azotki). Można je podzielić na dwie grupy pod względem stosunku wielkości średnic atomowych faz w stosunku do metalu. Jeśli stosunek ten jest mniejszy lub równy 0,59 powstają fazy międzywęzłowe o prostych sieciach, jeśli większy od 0,59 powstają fazy o złożonych strukturach. Fazy międzywęzłowe (np. TiC, HfC, VC, V2C, Nb2C, Ta2C, MoC, Mo2C, W2C) są trwałe, trudno rozpuszczalne w austenicie i bardzo twarde. Wydzielając się przy odpuszczaniu mają dużą dyspersję i silnie umacniają stal, a w wysokich temperaturach hamują rozrost ziarn. Węgliki o złożonych strukturach (cementyt, węgliki Cr, Mn, W, Mo) nie są tak trwałe i twarde jak fazy międzywęzłowe. W stalach zawierających azot mogą występować azotki aluminium, tytanu, wanadu i boru.
Wtrącenia niemetaliczne i ich wpływ na własności stali.
Wtrącenia niemetaliczne w stalach można podzielić na: egzogeniczne - cząstki materiałów ogniotrwałych lub żużla (krzemiany, aluminaty, spinele), oraz endogeniczne - produkty reakcji składników stali i domieszek (tlenki żelaza, krzemu, aluminium, manganu, siarczki manganu i metali ziem rzadkich, azotki aluminium, tytanu, wanadu). Wtrącenia endogeniczne wytwarza się celowo, eliminując obecność w stali tlenu, siarki i azotu. Fazy kruche wtrąceń niemetalicznych obniżają własności mechaniczne stali. Niektóre są plastyczne w temp. obróbki plastycznej i powodują włóknistość struktury. Twarde wtrącenia, np. tlenek glinu, utrudniają skrawanie i powodują przyspieszone tępienie narzędzi. Wtrącenia siarczkowe natomiast poprawiają skrawalność.
Własność i zastosowanie stali konstrukcyjnych.
Stale konstrukcyjne stosuje się do wyrobu części maszyn, pojazdów, broni i rozmaitych konstrukcji. Od stali konstrukcyjnych wymaga się dużej wytrzymałości i ciągliwości - dlatego znaczna część tego typu stali ma pierwiastki stopowe poprawiające hartowność i służy do ulepszania cieplnego. Większość stali konstrukcyjnych pracuje w warunkach zmiennych naprężeń i dlatego wymaga się od nich odporności na zmęczenie i kruche pękanie. Do stali konstrukcyjnych pracujących w niskich temperaturach dodaje się nikiel, w celu poprawienia udarności w takich warunkach. Ze stali konstrukcyjnych wytwarza się także sprężyny i resory - cechują się one wysoką granicą sprężystości, co uzyskuje się zwiększając zawartość węgla w stali, a także takich pierw. stopowych jak krzem, mangan czy wanad. Stale konstrukcyjne łożyskowe natomiast muszą się cechować wysoką twardością i odpornością na ścieranie. Także mają podwyższoną zaw. C, Mn i Si. Stale konstrukcyjne do utwardzania powierzchniowego przez nawęglanie, azotowanie i hartowanie powierzchniowe - stosuje się głównie na części maszyn. Specjalną odmianą stali konstrukcyjnej jest stal mikroskopowa.
Podział stali konstrukcyjnych.
W Polsce stale konstrukcyjne dzielono na dwie główne grupy - stali na elementy konstrukcji i maszyn oraz na budowlane. Stale konstrukcyjne możemy podzielić na: stale do ulepszania cieplnego, do nawęglania, do azotowania, do hartowania powierzchniowego, na sprężyny i resory, na łożyska toczne, do pracy w obniżonych temp., do pracy w podwyższonych temp., specjalne - w tym mikroskopowe.
Podaj charakterystykę stali konstrukcyjnych do ulepszania, do nawęglania i azotowania, do hartowania powierzchniowego, sprężynowych i łożyskowych, do pracy w podwyższonych i obniżonych temperaturach.
Stale konstrukcyjne DO ULEPSZANIA to najpowszechniejsza grupa stali. Stosuje się je wyrobu maszyn i pojazdów. Charakteryzują się wysoką wytrzymałością i wysoką granicą plastyczności przy zachowaniu dużej ciągliwości. Hartując i odpuszczając wysoko stale konstrukcyjne, otrzymujemy strukturę sorbityczną. Aby zwiększyć hartowność tak, by hartować elementy na wskroś, dodaje się do tych stali pierwiastki stopowe tj. Mn, Cr, Si, Ni, Mo, wanad. Stosuje się także stale bainityczne - niskowęglowe z dodatkiem Mo, Mn i boru - są one spawalne i mają wysoką granicę plastyczności przy chłodzeniu nawet dużych przekrojów na powietrzu. Stale DO NAWĘGLANIA - po nawęglaniu i Obr. Cieplnej powinny cechować się twardą powierzchnią i ciągliwym rdzeniem. Zazwyczaj zawierają poniżej 0,25% C oraz Mn i Cr.
STALE DO AZOTOWANIA zwykle nie wpływają na poprawę twardości stali, a na odporność korozyjną. Jednak w specjalnie dobranych stopach tworzących azotki, można uzyskać znaczne polepszenie twardości. Stale DO HARTOWANIA POWIERZCHNIOWEGO mają średnią zawartość węgla, 0,3-0,5% i stosuje się je na elementy o małych przekrojach, lub niewymagających hartowania na wskroś w przypadku większych. STALE SPRĘŻYNOWE powinny się cechować wysoką granicą plastyczności i dobrą wytrzymałością zmęczeniową, a ich powierzchnia powinna być nie odwęglona. Do cienkich sprężyn stosuje się stale węglowe, do grubszych o większej hartowności, z dodatkami Mn, Si, Cr. Większa zawartość C podnosi granicę plastyczności. Stale na ŁOŻYSKA toczne to stale o największej zawartości C 0,9-1,1%. Zawierają do 2%Cr, Mn, Si, Mo. Wymaga się od nich dużej twardości i jednorodności strukturalnej. Przed hartowaniem poddaje się te stale wyżarzaniu sferoidyzującemu na cementyt kulkowy. O żywotności łożysk decyduje uzyskanie drobnych cząstek sferoidalnych cementytu o równomiernym rozłożeniu. Stale odporne na wysoką temperaturę cechują się odpornością na odkształcenie plastyczne w wysokich temp. (ok. 600 st.C). Wykonuje się z nich np. rury kotłowe. Są to zazwyczaj stale niskowęglowe zaw. czasem dodatek Cr i Mo. Cechą stali do pracy w obniżonych temp. jest obniżona przejściowa temp. kruchości. Jest ona zależna od składu chemicznego i struktury stali. Dobre własności tutaj wykazują stale niskowęglowe, drobnoziarniste o zaw. ok. 1% Mn. Korzystna jest struktura sorbityczna i austenityczna. Ciągliwość stali w obniżonych temp. zwiększa nikiel, 3-5%, a do stali na zbiorniki ciekłego gazu nawet 10% - stale takie mają niską zawartość węgla i są spawalne.
Co to są stale mikroskopowe - ich zastosowania.
Stale mikroskopowe to modyfikacja stali niskotopliwych o podwyższonej wytrzymałości, różniące się zaw. C (0,35-0,5%). Ich wysokie własności otrzymuje się poprzez utwardzanie wydzielinowe węglikami i azotkami wanadu, przy przyspieszonym chłodzeniu po kuciu. Są bardzo odporne na zmęczenie, osiągają do 700 Mpa. Re i Rm do 1160 MPa. Stosuje się je min. do wyrobu wałów korbowych, wałków rozrządu, zwrotnice, koła zębate. itp.
Wymagania stawiane stalom narzędziowym.
Od stali narzędziowych wymaga się możliwie dużej twardości i odporności na ścieranie, a także odporności na odpuszczające działanie wysokiej temp. w przypadku narzędzi pracujących w wysokiej temp. Twardość i wytrzymałość na ścieranie uzyskuje się poprzez dodanie pierw. stopowych tworzących węgliki stopowe, (molibden, wolfram, wanad) Pierwiastki te hamują też skłonność martenzytu do odpuszczania.
Podział stali narzędziowych.
Stale narzędziowe możemy podzielić na trzy główne grupy: stale do pracy na zimno (do 250 st. C, stale do pracy na gorąco (do 600 st.), stale szybkotnące. Stale do pracy na zimno można podzielić na trzy grupy pod względem składu chemicznego: o małej zaw. C - do 0,5%, o średniej zaw. C - 0,6-1,5%, i o wysokiej zaw. C 1,5-2,15%. Stale narzędziowe do pracy na gorąco można podzielić na dwie grupy: o mniejszej zaw. C - 0,3-0.4% i większej zaw. pierw. stopowych, oraz o większej zaw. C - ok. 0,5% i mniejszej zaw. pierwiastków stopowych.
Własność i zastosowanie stali narzędziowych do pracy na zimno.
Stale narzędziowe do pracy na zimno stosuje się na narzędzia do obróbki drewna, skóry, papieru, gumy, tworzyw polimerowych i metali nie osiągających przy obróbce temp powyżej 250 st.C, czyli np. wiertła, gwintowniki, tłoczniki, młoty itp. Z ta kich stali wykonuje się ponadto sprawdziany. Ich najważniejszą cechą jest wysoka twardość i odporność na ścieranie, a w stalach obciążonych udarowo - stosunkowo dużej ciągliwości. Większość z nich to stale średniostopowe, a zaw. C zawiera się w przedziale 0,5-2%.
Własności i zastosowanie stali narzędziowych do pracy na gorąco.
Stale narzędziowe do pracy na gorąco najczęściej stosuje się do wyrobu narzędzi do obróbki plastycznej na gorąco. Powinny cechować się wysoką odpornością na ścieranie, możliwie dużą twardością i odpornością na odpuszczające działanie ciepła, a jednocześnie dostateczną ciągliwością. Dalszymi wymogami są odporność na zmęczenie termiczne i przewodnictwo cieplne. Są to najczęściej stale średniowęglowe (0,3-0,55%C) z takimi pierw. stopowymi jak: Cr, Mo, V, W. Si itd., przy czym chrom występuje we wszystkich stalach w ilości 1-5%. Stale z dodatkiem boru stosowane były do wyrobu dużych matryc, kowadeł i pras.
Co to są stale szybkotnące.
Są to stale przeznaczone do skrawania z dużymi prędkościami, wytrzymujące temp czerwonego żaru na ostrzu. Są to stale odporne na odpuszczające działanie ciepła - dlatego zawierają dużo węgla (0,8-1,4%) i pierwiastki węglikotwórcze wywołujące twardość wtórną - w sumie ponad 30%.
Obróbka cieplna stali szybkotnących.
Obróbka cieplna stali szybkotnących rozpoczyna się od wyżarzania homogenizującego w celu ujednorodnienia ich składu. Potem się je kuje w temp. 1100 st. C, powodując rozdrabnianie węglików pierwotnych typu ledeburytycznego. Stopień przekucia powinien być ośmiokrotny, a najmniej cztero. Następnie można już tę stal walcować. Przed obróbkę mechaniczną stal poddaje się wyżarzaniu zmiękczającemu (temp. 800-840 st.C). Hartowanie przeprowadza się przy temp. bliskiej solidusu (1120-1260 st.C) w oleju, po austenityzowaniu w piecach solnych, zapobiegających odwęgleniu i utlenieniu stali. W celu wyeliminowania naprężeń własnych nagrzewa się dwu lub trzystopniowo. Po zahartowaniu odpuszcza się stal szybkotnącą, najczęściej trzykrotnie, w temp. 560 st.C. - ma to na celu zwiększenie twardości przez rozkład austenitu szczątkowego i wytworzenie węglików dyspersyjnych tupu MC i M2C. Twardość wzrasta do ponad 66HRC. Czasem stosuje się też kombinację odpuszczania z wymrażaniem bezpośrednio po hartowaniu, zanim austenit szczątkowy się ustabilizuje w temp. otoczenia.
Metody wytwarzania narzędzi ze stali szybkotnących (zalety i wady).
Narzędzia można wytwarzać trzema metodami: przez odlewanie metoda traconego wosku, ze stali odlanej i przerobionej plastycznie, ze stali otrzymanej metoda metalurgii proszków. Najgorsze własności maja narzędzia wytwarzane metoda odlewania na gotowo, ze względu na gruboziarnista segregacje węglików, ale są najtańsze. Najlepsze są narzędzia wytwarzane metoda metalurgii proszków, gdyż wymienione wady w ogóle nie występują. Jakość narzędzi zależy jednak w znacznym stopniu od właściwie przeprowadzonej obróbki cieplnej. Stal nie może ulec nadtopieniu lub przegrzaniu i nie może mieć rozrośniętego ziarna, a także nie powinna mieć rozrośniętego ziarna, nie powinna tez być odwęglona lub utleniona.
Węgliki spiekane i stellity.
Węgliki spiekane uzyskuje się metoda metalurgii proszków. Skład: węgliki wolframu, tytanu, tantalu i niobu jako spoiwo stosuje się kobalt. Odznaczają się bardzo dobra twardością oraz odpornością na ścieranie, są mniej kruche od stelitów. Wady: duża kruchość i wysoka cena.
Stellity są to stopy na osnowie kobaltu o składzie 2-3%C, 35-55%Co, 25-33%Cr, 10-25%W oraz do 10% Fe. Stosowane są one przede wszystkim tam, gdzie wymagana jest duża trwałość, twardość i odporność na działanie chemikaliów np. kwasu siarkowego. Narzędzia odlewa się w formach. Po zastygnięciu twardość stelitu wynosi około 61 HRC. Odporność na temp. to 700-800◦C. Narzędzia wykonane ze satelitów nie podlegają obróbce cieplnej.
Stale nierdzewne (kwasoodporne) ferrytyczne i ich zastosowanie.
Stale o zawartości 17%Cr i C<0.05%. Przykład: X6Cr13 (0H13). są one odporne na korozje atmosferyczną, na działanie wody i pary wodnej, gorących par ropy naftowej, roztworów amoniaku i kwasów nieorganicznych, a wyżej chromowane także na stopioną siarkę oraz roztwory soli i mydła. Są odporne na kwasy utleniające, nie SA odporne na kwasy redukcyjne. Najniżej węglowe są spawalne.
Wymień pierwiastki stopowe wchodzące w skład stali ferrytycznych i martenzytycznych.
stali ferrytycznych: Cr, Al, Ti, Mo, Al., Nb, S
stali martenzytycznych: Cr, Ni, Mo, Nb, Al., Cu
Stale nierdzewne i kwasoodporne austenityczne i ich zastosowanie.
Strukturę austenityczną uzyskuje się w stalach prawie bez węglowych zawierających chrom i nikiel. Zawartość niklu konieczna do uzyskania struktury austenitycznej wynosi ok. 8%. Dlatego szeroko jest stosowana stal o zawartości 18% Cr i 9% Ni. Jest głównie stosowana w przemyśle spożywczym do wyrobów artykułów gospodarstwa domowego. Stale austenityczne są odporne na działanie kwasu azotowego, nie są natomiast odporne na kwasy redukujące.
Drogi zapobiegania korozji międzykrystalicznej stali nierdzewnych.
Ograniczenie zawartości węgla do 0.02-0.03%. stosowanie przesycania stali do temp. 1000-1100 0C, co prowadzi do równomiernego rozrostu węgla. Unikanie po przesycaniu nagrzewania do temp. 500-800 0C, aby przeciwdziałać wydzielaniu się węglików na granicach ziarn. Wprowadzanie do stali tytanu i niobu, co najmniej w ilości od 5 do 10 krotnej zawartości węgla.
Stale żaroodporne i żarowytrzymałe.
Żaroodpornością nazywamy odporność na działanie gazów utleniających, natomiast żarowytrzymałość jest to odporność na odkształcenia w temperaturach wyższych od 500°C czyli na pełzanie. Żaroodporność jest ściśle związana ze skłonnością stali do tworzenia zgorzeliny. Jeśli jest zwarta i ściśle przylegająca do podłoża, a szybkość dyfuzji jonów metalu i tlenu w zgorzelinie jest mała, to korozja gazowa jest ograniczona. Warunki te spełniają stale ferrytyczne i austenityczne o małej zawartości węgla, podwyższonych zawartościach chromu i niklu i zawierające dodatkowo krzem i aluminium. Stale z niklem są jednak mało odporne na atmosfery zawierające siarkę. Żarowytrzymałości sprzyjają te czynniki, które ograniczają samodyfuzję, prowadzą do powstania trwałych wydzieleń obcych fez, zwłaszcza na granicach ziarn oraz grube ziarno. W stalach austenitycznych współczynniki samodyfuzji są znacznie mniejsze niż w ferrytycznych. Dzięki czemu są one bardziej odporne na pełzanie.
Stale zaworowe.
Szczególną grupę stali żarowytrzymałych, używanych na zawory w silnikach spalinowych, stanowią stale zaworowe. Charakteryzują się one dużą odpornością na korozję w atmosferze spalin, w temperaturze do ok. 750°C. Odporność tę zapewniają główne dodatki Si i Cr, stąd nazwa tych stali - silchromy. Dużą twardość i odporność na ścieranie zapewnia im stosunkowo duże stężenie węgla - 0,4-0,6%. Ponieważ stale o strukturze austenitycznej wykazują większą wytrzymałość w wysokiej temperaturze, niż stale o strukturze perlitycznej, niektóre gatunki mają duże stężenie Cr i Ni. Częściowo Ni może być zastępowany tańszym Mn, również austenitotwórczym. Dodatki W i Mo powodują zwiększenie żarowytrzymałości i rozdrobnienie ziarn. W stalach o strukturze perlitycznej dodatki te powodują zwiększenie odporności na odpuszczanie i przeciwdziałają kruchości odpuszczania.
Stale odporne na ścieranie.
Staliwo, w którym następuje bardzo powolne zużycie powierzchowne, tzw. ścieranie. Jest stalą wysokowęglową zawierającą 11 do 14%manganu. Jest tak twarda, że nie daje się jej obrabiać skrawaniem. Gotowe elementy odlewa się w formach, dlatego choć nazywana jest stalą, technicznie jest staliwem. Stal Hadfielda - (o oznaczeniu: X120Mn13) - stal o dużej odporności na ścieranie. Zawiera 1,1-1,3%C i 12-13%Mn. Powyżej 950°C stal Hadfielda posiada strukturę austenityczną. Po ochłodzeniu do temperatury pokojowej, jest mieszaniną ferrytu i cementytu manganowego. Stal ta charakteryzuje się bardzo dużą skłonnością do umocnienia, gdyż pod wpływem zgniotu tworzą się w niej mikrobliźniaki. Twardość takiej stali wynosi ok. 500 HB.
Aluminium - jego własności i zastosowanie.
Aluminium cechuje się dobrym przewodnictwem cieplnym i elektrycznym (gorszym jednak niż miedź) dzięki czemu znalazło zastosowanie na przewody elektryczne. Wytrzymałość czystego aluminium jest niska: Rm = 70-120 MPa, wydłużenie As = 30-40%, przewężenie Z = 80-90%. Twardość wynosi 15-30 HB, może jednak być zwiększona przez zgniot. Dlatego jest stosowane głównie w postaci stopów. Na powietrzu pokrywa się cienką warstwą tlenku Al2O3, która chroni przed dalszym utlenianiem, jest odporne na działanie wody, H2C03, H2S. wielu kwasów ograniczanych i związków azotu. Natomiast nie jest odporne na działanie wodorotlenków (np. NaOH, KOH), kwasów beztlenowych (HF. HCI), wody morskiej jonów rtęci. Zastosowanie: do wytwarzania aparatury chemicznej i folii kondensatorowych, folie powłoki kablowe i do platerowania, przewody elektryczne przedmioty codziennego użytku (noże, sztućce).
Miedź i jego stopy.
Miedź. Krystalizuje w sieci A1 (RSC). Nie posiada odmian alotropowych. Temp topnienia 1085 oC, gęstość 8.93Mg/m3. Czysta miedz ma bardzo dobrą przewodność cieplną wyrabia się z niej wymienniki ciepła i krystalizatory. Miedź jest bardzo plastyczne, także na zimno. Plastyczność odbijają domieszki. Zastosowanie: w budownictwie (rury wodociągowe, CO).
Stopy miedzi dzieli się na: a)odlewnicze; b)przeznaczone do obróbki plastycznej. Wyróżnia się następujące grupy stopów miedzi: a)z cynkiem (mosiądze), b)z cynkiem i ołowiem, c)z cynkiem i niklem, d)z niklem(miedzionikle), e)z cyną (brązy), f)z aluminium, g)z innymi pierwiastkami stopowymi, których łączne stężenie przekracza 5%, h)niskostopowe, w których stężenie pierwiastków stopowych jest mniejsze niż 5%.
Co to są mosiądze?
Mosiądze to stopy miedzi z cynkiem. Najczęściej stosuje się stopy o zaw. do 40% Zn, które w zależności od zawartości Zn mogą być jedno lub dwufazowe. Są też mosiądze stopowe, zawierające oprócz Zn takie pierwiastki jak Al, Pb, Fe, Mn, Ni, Sb, Si.
Rodzaje mosiądzów, ich własności i zastosowanie.
Mosiądze dwuskładnikowe jako stopy Cu i Zn - ze względu na skład fazowy dzieli się na: 1) jednofazowe - o strukturze roztworu α i stężeniu od 2 do 39% Zn, 2) dwufazowe - o strukturze mieszaniny α+β i stężeniu od 39 do 45% Zn. Mosiądze jednofazowe cechuje b. duża plastyczność, co umożliwia stosowanie ich na wyroby głęboko tłoczone i obrabiane plastycznie na zimno. Duża plastyczność w podwyższonej temperaturze umożliwia ich obróbkę plastyczną na gorąco. Dodatek Zn do 30% zwiększa plastyczność oraz wytrzymałość mosiądzu. Wytrzymałość mosiądzów zawierających ok. 30 do 45% Zn zwiększa się przy znacznym zmniejszeniu plastyczności. Mosiądze w znacznym stopniu umacniają się w wyniku zgniotu. W zależności od stopnia gniotu mogą być dostarczane w różnym stanie. Przy większych stopniach gniotu jest stosowane międzyoperacyjne wyżarzanie rekrystalizujące mosiądzów w temperaturze 500-580°C. Mosiądze charakteryzują się dobrą odpornością na korozję, szczególnie atmosferyczną i w wodzie morskiej. Odporność mosiądzów na korozję zwiększa się wraz ze wzrostem stężenia Cu. Najczęściej spotykanymi rodzajami korozji mosiądzów jest odcynkowanie oraz korozja naprężeniowa, zwana pękaniem sezonowym mosiądzów. Odcynkowanie zachodzi w mosiądzach dwufazowych o stężeniu Zn przekraczającym 20% zanurzonych w elektrolitach zawierających Cl. W elektrolitach takich Cu oraz Zn przechodza do roztworu, z którego Cu wytrąca się w postaci gąbczastej, co wzmaga korozję. Odcynkowanie nie powoduje zmian kształtu korodującego przedmiotu, lecz wpływa na znaczne obniżenie własności wytrzymałościowych mosiądzu.
Pękanie sezonowe jest międzykrystaliczną korozją naprężeniową mosiądzów jedno- lub dwufazowych, obrobionych plastycznie na zimno i poddanych działaniu ośrodka zawierającego amoniak. Temu rodzajowi korozji można zapobiegać przez wyżarzanie odprężające w temperaturze 200-300°C. Własności mosiądzów dwuskładnikowych są polepszane przez wprowadzenie dalszych dodatków stopowych. Należą do nich Si, Al, Sn, Pb, Fe, Mn, Ni i As, dodawane pojedynczo lub w różnych zestawieniach, zwykle o łącznym stężeniu nie przekraczającym 4%. Dodatki te z wyjątkiem niklu rozpuszczają się w roztworze stałym i zmieniają strukturę mosiądzu podobnie jak cynk. Dodawane pierwiastki stopowe powodują zwiększenie wytrzymałości i odporności mosiądzów na korozję. Wieloskładnikowe mosiądze odlewnicze zwykle cechuje dobra odporność na korozję i ścieranie oraz dobre własności wytrzymałościowe przy obciążeniach statycznych. Stosuje się je głównie na armaturę, osprzęt, łożyska, śruby okrętowe i elementy maszyn.
Co to są brązy?
Brązy to stopy miedzi z cyną lub innym głównym pierwiastkiem stopowym - Al, Si, Be. Najstarsze są cynowe - cechują się doskonałą lejnością. Brązy są szeroko stosowane w przemyśle. Wytwarza się z nich panewki, ślimaki i ślimacznice, siatki, sprężyny, armaturę itd.
Brązy cynowe, ich struktura, własności i zastosowanie.
Techniczne stopy Cu z Sn mają zazwyczaj strukturę roztworu α. Duży zakres temperatury krystalizacji brązów o strukturze α sprzyja jednak ich skłonności do segregacji. Z tego powodu w stopach chłodzonych w warunkach rzeczywistych, nawet przy niewielkim stężeniu Sn, oprócz niejednorodnej fazy α tworzą się fazy, które w warunkach równowagi występują przy większym stężeniu Sn. Segragacja może być w pewnym stopniu usunięta przez długotrwałe wyżarzanie ujednorodniające w ciągu 24 h w temperaturze 700-750°C. Brązy cynowe wykazują dobrą odporność na korozję, szczególnie w środowisku atmosfery przemysłowej i wody morskiej. Odporność ta ulega polepszeniu wraz ze zwiększeniem stężenia Sn, lecz do wartości nie większej od zapewniającej wystąpienie struktury dwufazowej, decydującej o ułatwieniu korozji. Brązy cynowe o strukturze jednorodnego roztworu α cechuje duża plastyczność i z tego względu mogą być obrabiane na zimno, podobnie jak stopy o niejednorodnej strukturze α, zawierające więcej niż 4% Sn. W praktyce do obróbki plastycznej przeznaczone są brązy cynowe zawierające do 8% Sn, choć obrabia się je źle, przy dużej skłonności do pęknięć. W stanie obrobionym plastycznie na zimno brązy cynowe charakteryzują się dużymi własnościami mechanicznymi, co ułatwia stosowanie ich w przemyśle chemicznym, papierniczym i okrętowym, m.in. na elementy aparatury kontrolno-pomiarowej, siatki, sprężyny, tulejki, łożyska ślizgowe. W celu polepszenia niektórych własności oraz zaoszczędzenia Sn są produkowane brązy cynowe wieloskładnikowe zawierające oprócz Sn dodatki Zn lub Pb. Dodatek Zn przeciwdziała segregacji brązów cynowych przez zmniejszenie zakresu temperatury krystalizacji fazy α, sprzyjając ujednorodnieniu ich własności mechanicznych i zwiększeniu własności wytrzymałościowych. Cynk jest dobrym odtleniaczem i poprawia lejność tych stopów. Ołów, nie tworzący roztworów, polepsza skrawalność brązu cynowego, zmniejsza współczynnik tarcia.
Miedzionikle, ich własności i zastosowanie.
Stopy miedzi z niklem. Stopy te, których głównym dodatkiem jest Ni o stężeniu do 40%, zawierają także 1÷2% Si, Al, Fe lub Mn. Nikiel powoduje podwyższenie własności mechanicznych, odporności na korozję, rezystywności oraz siły termoelektrycznej miedzionikli. Zastosowanie do wytwarzania monet, w elektrotechnice oraz do wytwarzania termoelementów oraz w przemyśle okrętowym.
Stopy łożyskowe, ich struktura.
Dużą rolę w technice odgrywają stopy cyny i ołowiu (stopy łożyskowe) stosowane do wylewania panewek ślizgowych w samochodach, wagonach, sprężarkach, turbinach i innych maszynach. Stopy te mają miękką i plastyczną osnowę z cząstkami nośnymi twardych faz zapewniających dużą odporność na ścieranie, niską temp topnienie i dużą przewodność cieplną. Najlepsze własności mają stopy na osnowie cyny z dodatkiem miedzi i antymony zwane „babbitami”. Mogą one przenosić wysokie naciski powierzchniowe (powyżej 10MPa).
Nowe technologie wytwarzania materiałów łożyskowych.
Do nowych technologii wytwarzania materiałów łożyskowych możemy zaliczyć metalurgię proszków. Materiały takie produkuje się na dwa sposoby: wytwarza się je ze spieków na osnowie żelaza i brązu (samosmarujące tuleje łożysk ślizgowych), albo poprzez natryskiwanie plazmowe powłoki zawierającej fazę o dobrych własnościach ślizgowych( np. grafit, PTFE, MoS2). Materiały te stosuje się tam, gdzie smarowanie jest niemożliwe lub utrudnione.
Co to jest metalurgia proszków?
Metalurgia proszków jest dziedziną techniki, obejmującą metody wytwarzania proszków metali i materiałów metalowych lub ich mieszanin z proszkami niemetalowymi oraz otrzymywania półproduktów i produktów z tych proszków bez konieczności roztapiania głównego składnika. Zajmuje się wytwarzaniem gotowych elementów użytkowych drogą spiekania (czyli spieków).
Jakie tworzywa wytwarza się metodą metalurgii proszków?
Metodą metalurgii proszków wytwarza się różne części maszyn i mechanizmów, w tym materiały łożyskowe i elementy cierne, styki elektryczne, metale trudno topliwe (wolfram, tantal), płytki skrawające i kompozyty metalowo-ceramiczne tzw. Cermetale.
Zalety metalurgii proszków.
Do zalet metalurgii proszków należy zaliczyć: *a)możliwość formowania gotowych elementów bez potrzeby kosztownej obróbki mechanicznej (np. koła zębate, krzywki, sitka do maszynek do mięsa itp.) *b)niewielki koszt produkcji pod warunkiem masowego jej charakteru (konieczność zamortyzowania kosztów oprzyrządowania) *c)możliwość automatyzacji procesu wytwarzania *d)małe zużycie materiałów i energii *e)możliwość wytwarzania tworzyw o składzie i strukturze nieosiągalnych innymi metodami (wolfram-serbro na styki, brąz-grafit)
Co to są cermetale? Podaj przykłady.
Cermetalami nazywamy kompozyty metalowo-ceramiczne. Do kompozytów zaliczamy spieki metalowo-ceramiczne. Celem ich wytworzenia jest uzyskanie optymalnych własności w grupie materiałów ciernych i żarowytrzymałych. Przykłady: Mo-ZrO2, W-Cr-Al2O3 (stosowany na dysze rakiet), SAP
Zestaw C
- 1 -