Post on 11-Jan-2017
1
Literatura podstawowa
1. Haimann R., Metaloznawstwo. OW PWr., Wrocław 2000, 1980,
2. Dobrzański L.A., Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo,
WNT Warszawa 2002
3. Przybyłowicz K. i J., Materiałoznawstwo w pytaniach i odpowiedziach,
WNT, Warszawa, 2000,
Literatura dodatkowa
1. Ashby M.F., Jones D.R.H., Materiały inżynierskie t. 1 i 2 . WNT
Warszawa, 1996.,
2
1. Układ Fe-Fe3C. Fazy i struktury oraz ich własności
2. Stale niestopowe. Wpływ domieszek na własności stali
3. Podział stali. Zasady znakowania stali. Staliwa i ich klasyfikacja
4. Układ żelazo grafit. Wpływ domieszek na własności żeliw
5. Modyfikowanie żeliw. Klasyfikacja i zasady znakowania żeliw
6. Podstawy teoretyczne obróbki cieplnej. Przemiana perlit-austenit,
austenit-perlit
7. Przemiana martenzytyczna. Wykres CTPi i CTPc. Technologia obróbki
cieplnej stali
8. Hartowanie powierzchniowe. Obróbka cieplno-chemiczna. Nawęglanie.
Azotowanie.
9. Stale stopowe.
10. Spawalność stali.
11. Stale narzędziowe.
12. Stopy miedzi.
13. Stopy lekkie
14. Stopy łożyskowe i materiały spiekane3
4
Wybrane właściwości czystego żelaza pierwiastek polimorficzny - dwie odmiany alotropowe ( oraz ), trzecia () tylko przy ciśnieniach 12
GPa,
gęstość ρ = 7,87 Mg/m3, moduł Younga E = 206 105 Mpa,
pierwiastek pospolity w przyrodzie (5,2 % wag.) – związany w tlenki, węglany, wodorotlenki, siarczki,
- duży problem z otrzymywaniem czystego żelaza (zwykle minimum ok. 0,1 % wag. domieszek),
- najwięcej węgla (używany do redukcji rud), azotu, groźnej siarki, fosforu, itd.,
5
Fazy układu stabilnego Fe-C lub układu metastabilnego Fe-Fe3C
ferryt: Fe(C) - roztwór stały węgla w żelazie o strukturze A2 (podstawowy,
międzywęzłowy, graniczny),
austenit: Fe(C) - roztwór stały węgla w żelazie o strukturze A1 (podstawowy,
międzywęzłowy, graniczny),
grafit (odmiana alotropowa węgla) - faza stabilna,
cementyt (Fe3C) - metastabilny węglik żelaza (faza pośrednia, międzymetaliczna,
międzywęzłowa złożona),Sieć krystaliczna ferrytu RPC (A2)
lk = 8
ww = 0,68
a = 0,286 nm (w temp. pokojowej)
a = 0,293 nm (w 1394 C)
6 luk oktaedrycznych/komórkę
spłaszczone luki oktaedryczne
(0,633x0,633x0,155d)
mała rozpuszczalność węgla
(tetragonalne zniekształcenie komórki)
- zajęta co 1650 luka w 727 C
(0,0218 % wag. C)
płaszczyzny poślizgu {110}
- nie są najgęściej upakowane,
- tylko kierunki najgęstszego ułożenia 1116
Sieć krystaliczna austenitu RSC (A1)
lk = 12
ww = 0,74
4 luki oktaedryczne/komórkę
(średnica luki 0,414d)
znaczna rozpuszczalność węgla
średnica luki = 0,106 nm (w 916 C)
średnica jonu węgla = 0,154 nm
- zajęta co 11 luka w 1148 C (2,11 %wag.C)
- zajęta co 28 luka w 727 C (0,77 %wag. C)
płaszczyzna poślizgu {111}
(jest najgęściej upakowana z możliwych)
7
8
9
odległość między atomami w warstwie = 0,142 nm
odległość między warstwami = 0,340 nm
● właściwości wytrzymałościowe grafitu są tak
małe, że traktujemy jego wydzielenia jako
nieciągłość osnowy metalowej stopu,
10
Wykres równowagi stabilnej Fe – C (opis fazowy)
fazy stałe: ferryt, austenit, grafit
11
Wykres równowagi metastabilnej Fe – Fe3C (opis fazowy)
fazy stałe: ferryt, austenit, cementyt
12
Wykres równowagi metastabilnej Fe – Fe3C (opis strukturalny)
różny przebieg krystalizacji austenitu powoduje, w warunkach technicznych, odmienną segregację domieszek
oraz dodatków stopowych i wpływa pośrednio również na właściwości stopów w temperaturze pokojowej
14
przemiana
alotropowa
15
struktura stopu 0,77%C – perlit
(stal przeznaczona zwykle na
narzędzia po dalszej obróbce cieplnej)
● płytkowa mieszanina ferrytu i
cementytu (grubości płytek 7:1),
- dyspersja i właściwości zależą
od szybkości chłodzenia,
- w jednym ziarnie austenitu
powstaje bardzo wiele różnie
zorientowanych w przestrzeni
kolonii perlitu,
ferryt perlit płytkowy
Rm [MPa] 300 800
Re (R0,2) [MPa] 150 500
A10 [%] 40 810
HB 90 200260
3% nital (Mi1Fe), 2000x
3% nital (Mi1Fe), 1000x 3% nital (Mi1Fe), 250x
16
3% nital (Mi1Fe), 100x
3% nital (Mi1Fe), 250x
siatka Fe3CII
struktura stopu 1,2%C – perlit + Fe3CII
(stal zaeutektoidalna, przeznaczona zwykle na narzędzia ale po
odpowiedniej obróbce cieplnej stanu wyjściowego i końcowego)
● Fe3CII wydziela się na granicach ziaren austenitu
oraz może utworzyć ciągłą i kruchą otoczkę (siatkę),
● siatka cementytu dyskwalifikuje każdy użytkowy wyrób,
● usuwanie siatki cementytu wymaga długotrwałego
wyżarzania sferoidyzującego (wydzielenia kulkowe Fe3C),
perlit
3% nital (Mi1Fe), 1000x
17
struktura stopu 0,65%C – perlit + ferryt● strukturalnie wolny ferryt (na granicach ziaren byłego
austenitu),
- podwyższa ciągliwość oraz zdolność do odkształceń
plastycznych,
- obniża wskaźniki wytrzymałościowe,
● struktura wyjściowa na sprężyny, lemiesze pługów, szyny
kolejowe, itp.
3% nital (Mi1Fe), (A. Krajczyk)
struktura 0,4%C – ferryt + perlit
3% nital (Mi1Fe), (A. Krajczyk)
● około pół na pół strukturalnie wolnego ferrytu i perlitu,
● optymalne skojarzenie wytrzymałości i ciągliwości,
● struktura wyjściowa stosowana na części maszyn,3% nital (Mi1Fe), (A. Krajczyk)
18
3% nital (Mi1Fe) (A. Krajczyk)
3% nital (Mi1Fe) 3% nital (Mi1Fe)(A. Krajczyk) (A. Krajczyk)
struktura stopu 0,2%C – ferryt + perlit
● zdecydowana przewaga udziału ferrytu nad perlitem,
- wysoka ciągliwość ale niska wytrzymałość,
● górna granica %C zapewniająca łatwą spawalność stali,
● struktura stali konstrukcyjnych (łatwo spawalnych)
(podwyższanie wytrzymałości w inny sposób niż przez
wzrost %C),
19
Fe3CIII
ziarna ferrytu
tiosiarczan sodu
(barwi tylko ferryt)
3% nital (Mi1Fe)
3% nital (Mi1Fe), 2000x
struktura stopu 0,02%C – ferryt + Fe3CIII
● ferryt z wydzieleniami Fe3CIII na granicach ziaren,
● stal konstrukcyjna najczęściej umacniana odkształceniowo,
np. gwoździe, wkręty, elementy karoserii pojazdów, itp.
● przyśpieszone chłodzenie zabezpiecza zwykle przed
wydzieleniami cementytu – ferryt lekko przesycony węglem,
20
21
Wpływ zawartości węgla na właściwości stali
Fe Fe3C ferrytaustenit
stopowy
perlit
płytkowy
Rm [MPa] 245 - 300 750 800
Re (R0,2) [MPa] 137 - 150 300 500
A10 [%] 50 - 40 50 810
HB 75 800 90 200 200260
(właściwości austenitu podano dla stali wysokostopowej,
dla której jest on trwały w temperaturze pokojowej)
(R. Haimann)
][).(%650300 MPaCwagRm
HBHBRm3
104,3 me RR 65,0
(dla stali przedeutektoidalnych)(M. Blicharski)
22
23
Żeliwa białe – stopy układu Fe-Fe3C powyżej 2,11 %C● stop eutektyczny (4,3 %C) - ledeburyt przemieniony (w temperaturze poniżej 727 °C)
- ciemny perlit, który powstał z austenitu (składnika ledeburytu),
- jasny cementyt (drugi składnik ledeburytu),
- wydzielający się cementyt drugo- i trzeciorzędowy nie tworzy osobnych, strukturalnie wolnych wydzieleń
(lokalnie pogrubiają się już wcześniej istniejące wydzielenia cementytu),
])[( 33 CFeCFeP ledeburyt przemieniony
3% nital (Mi1Fe), 250x 3% nital (Mi1Fe), 500x
- dendrytycznie rozłożony perlit (dendryty austenitu powyżej 727 C) na tle ledeburytu przemienionego
(cementyt drugorzędowy wyraźnie pogrubia cementyt eutektyczny wokół dendrytów byłego austenitu),
3% nital (Mi1Fe), 250x3% nital (Mi1Fe), 63x
stop przedeutektyczny (ok. 3,5 %C) - w temperaturze poniżej 727 C
])[()( 333 CFeCFeCFe PP
(znikoma ilość niewidocznego cementytu trzeciorzędowego)ledeburyt przemieniony
(+)
własności żeliw białych przedeutektycznych oraz eutektycznych:
- struktury twarde (450600 HB, Rm = 300450 MPa), odporne na ścieranie ale kruche oraz źle obrabialne,
- zastosowanie ograniczone:
- półprodukt przy wytwarzaniu żeliwa ciągliwego (z grafitem kłaczkowym),
- niektóre elementy odporne na ścieranie ale kruche,
- zabielone fragmenty powierzchni odlewów z żeliw szarych (część węgla w postaci grafitu),
stop zaeutektyczny (powyżej 4,3 %C) - w temperaturze poniżej 727 C- cementyt pierwszorzędowy (nazywany też pierwotnym) na tle ledeburytu przemienionego
(niewielka ilość cementytu drugorzędowego oraz znikoma trzeciorzędowego – praktycznie niewidoczne),
- duże płytki kruchego cementytu pierwotnego uniemożliwiają zastosowanie takiego żeliwa,
- struktura spotykana w surówkach na wstępnych etapach produkcji stopów żelaza,
3% nital (Mi1Fe), 500x3% nital (Mi1Fe), 100x
])[( 333 CFeCFeCFe PI ledeburyt przemieniony
(+)
26
STALIWO Staliwo – stal w postaci lanej, nie poddana obróbce
plastycznej
Wady staliw:
Gruboziarnistość,
cechy struktury Widmannstattena,
skłonność do segregacji C, P, S
Obróbka cieplna staliw: wyżarzażanie:
Ujednoradniające,
Normalizujące
Odprężające ( dla dużych odlewów)
27
28
Definicje stal, staliwo, żeliwoStale - stopy żelaza z węglem zawierające do 2,11 % węgla, przeznaczone do
przeróbki plastycznej.
Staliwa - stopy żelaza z węglem zawierające do 2,11 % węgla, nie przerobione
plastycznie, lecz odlewane do form. Cechy staliw: gruboziarnistość, struktura
Widmannstattena, niejednorodność – skłonność do segregacji C, P, S.
Własności mechaniczne niższe niż stali o takiej samej zawartości węgla.
Obróbka cieplna w celu poprawy własności :
Wyżarzażanie: ujednoradniające, normalizujące i odprężające (dla dużych
odlewów)
Żeliwa – stopy żelaza z węglem zawierające powyżej 2,11 % węgla
Surówka – produkt wielkiego pieca, półprodukt w wyrobie stali i żeliw.
Struktura ja w przypadku żeliw białych (zgodnie z wykresem Fe-Fe3C)
29
Odtlenianie staliOdtlenianie stali: cel – usunięcie rozpuszczonego tlenku węgla CO
a) Dodanie pierwiastków o większym niż węgiel powinowactwie do tlenu
b) Zastosowanie próżni
Stal uspokojona - odtleniona manganem, krzemem i aluminium nie
zachodzą reakcje powodujące wydzielanie gazów
Stal półuspokojona – odtleniona manganem i aluminium
wydzielanie CO w końcowym etapie krzepnięcia
Stal nieuspokojona – odtleniona jedynie manganem wydzielanie
CO z chwilą wlania do wlewnicy
Zmniejszenie rozpuszczalności tlenu w stali podczas krzepnięcia
jest przyczyną intensywnego wydzielania się CO, powodującego
tworzenie się pęcherzy i gwałtowne mieszanie kąpieli
Przekroje wlewków ze stali:
a) Nieuspokojona
b) b) Półuspokojona
c) c) Uspokojona
30
Zawartość i rodzaj
domieszek
Stopieńodtlenienia
Ilość, kształt,sposób
rozmieszczeniawtrąceń
niemetalicznych
Zawartość węgla
Właściwości stali
31
Stale niestopoweCharakterystyka mikrostruktur
W temperaturze otoczenia struktury stali węglowych są następujące:
Przy zawartości węgla teoretycznie nie przekraczającej 0,008%, występuje struktura ferrytyczna
Przy zawartości węgla 0,008-0,02%, na granicach ziaren ferrytu pojawiają się wydzielenia
cementytu trzeciorzędowego. Stopy nazywane są zwykle żelazem technicznym.
Stale o zawartości do 0,77% C noszą nazwę stali podeutektoidalnych. Ich struktura składa się z
dwóch składników, a mianowicie ferrytu i perlitu, przy czym w miarę wzrostu zawartości węgla w
stali wzrasta zawartość perlitu w strukturze. Strukturę określamy jako ferrytyczno-perlityczną lub
perlityczno-ferrytyczną w zależności od stosunku obu składników.
Stal o zawartości 0,77% węgla ma strukturę perlityczną i nosi nazwę stali eutektoidalnej.
Stale o zawartości 0,77-2,11% węgla nazywają się stalami nadeutektoidalnymi i mają strukturę
składającą się z perlitu i cementytu wtórnego.
32
Stale niestopowe charakterystyka mikrostruktury i zastosowaniaZe względu na zastosowanie stale niestopowe dzieli się na konstrukcyjne
(do ok. 0,65%C) i narzędziowe (powyżej 0,65%C do (praktycznie) około 1,7%C) .
W grupie stali niestopowych możemy wyróżnić gatunki:
Niskowęglowe (miękkie – do około 0,25%C) – gatunki spawalne
Średniowęglowe (półtwarde – od 0,25 od 0,65%C)
Wysokowęglowe (twarde – powyżej 0,65%C)
33
Wpływ zawartości węgla na właściwości stali
Fe Fe3C ferrytaustenit
stopowy
perlit
płytkowy
Rm [MPa] 245 - 300 750 800
Re (R0,2) [MPa] 137 - 150 300 500
A10 [%] 50 - 40 50 810
HB 75 800 90 200 200260
(właściwości austenitu podano dla stali wysokostopowej,
dla której jest on trwały w temperaturze pokojowej)
HBHBRm3
104,3 me RR 65,0
][).(%650300 MPaCwagRm
(dla stali przedeutektoidalnych)
34
Wpływ domieszek na właściwości staliWystępują w stalach jako pozostałość procesu metalurgicznego wytapiania stali
lub w wyniku przetapiania złomu. Zawartość domieszek zależy od technologii
wytapiania stali
35
Wpływ domieszek na właściwości staliWpływ manganu i krzemu
Mangan - występuje w stalach węglowych
jako pozostałość z procesu wytapiania stali,
a głównie odtleniania i odsiarczania.
Rozpuszcza się w ferrycie lub cementycie.
Podwyższa wytrzymałość stali i wpływa
korzystnie na grzewalność. Wiąże siarkę w
siarczek manganu MnS, zapobiegając
owstawaniu szkodliwego siarczku żelaza
FeS
Krzem – pochodzi z procesów odtleniania.
Jest odtleniaczem hamującym tworzenie się
pęcherzy w czasie krzepnięcia stali. Występuje w
postaci roztworu stałego w ferrycie. Podwyższa
wytrzymałość stali, a zwłaszcza granicę
sprężystości. Pogarsza zgrzewalność.
36
Wpływ domieszek na właściwości staliWpływ siarki
Siarka – należy do domieszek szkodliwych.
Nie rozpuszcza się w żelazie i z tego względu występuje w postaci siarczków, głównie żelaza lub manganu.
Siarczek żelazowy FeS który tworzy razem z żelazem eutektykę w temperaturze 988oCi a w obecności tlenu w
temperaturze 940 0 C . FeS tworzy na granicach ziaren otoczkę. Podczas przeróbki plastycznej na gorąco,
następuję nadtapianie się tych otoczek siarczkowych, co prowadzi do powstania pęknięć i naderwań – tzw.
kruchość na gorąco.
Dodatek manganu zmniejsza szkodliwe działanie siarki. Mangan ma
duże powinowactwo do siarki, w przypadku dostatecznej jego ilości w
stali nie zachodzi tworzenie się siarczku żelazawego, lecz manganu.
Siarczek manganu – trudnotopliwy (1620oC) i występuje w postaci
oddzielnych wtrąceń, przez co nie powoduje kruchości na gorąco.
37
Wpływ domieszek na właściwości staliWpływ fosforu
Fosfor – należy do domieszek szkodliwych.
Występuje w stali w postaci roztworu stałego w ferrycie.
Podwyższa wytrzymałość i twardość.
Gwałtownie obniża właściwości plastyczne stali.
Wykazuje silną skłonność do segregacji.
Podwyższa temperaturę w której staje się ona krucha, wywołując tzw. kruchość na zimno.
Poprawia skrawalność.
Przy jednoczesnej zawartości miedzi poprawia odporność na korozję.
38
Wpływ domieszek na właściwości staliWpływ azotu, tlenu i wodoru
Azot – należy do domieszek
szkodliwych.
Tworzy twarde i kruche azotki.
Tlen – występuje
w postaci związanej lub w
roztworze stałym
Powoduje kruchość na gorąco.
Wodór – rozpuszcza się w stali.
Powoduje jej kruchość . Powoduje
powstanie pęknięć wewnętrznych,
określanych jako płatki śnieżne
39
Wpływ wtrąceń niemetalicznych na właściwości stali
Wtrącenia
endogeniczne egzogeniczne
Siarczki, tlenki, krzemiany
(azotki)Cząstki materiałów ogniotrwałych
Zespół cech bez wpływu na właściwości stali:
Kontrolowana ilość i wielkość
Globularny kształt
Równomierne rozmieszczenieZespół cech wpływających negatywnie na właściwości
stali:
Duża ilość i rozmiary
Rozmieszczenie po granicach ziaren – kruchość
Wtrącenie wydłużone w kierunku przeróbki plastycznej,
rozmieszczone w pasmach -> silna anizotropia właściwości
40
Stale niestopoweWtrącenia niemetaliczne w obrazie mikroskopowym
Widoczne skupiska kruchych wtrąceń niemetalicznych
rozmieszczonych zgodnie
z kierunkiem obróbki plastycznej.
Stan nietrawiony.
Ziarna o niejednorodnej wielkości
z rozmieszczonymi zgodnie
z kierunkiem obróbki plastycznej kruchymi
wtrąceniami niemetalicznymi.
Stan trawiony.
41
Wpływ technologii wytwarzania na strukturę stali i staliw
Struktura Widmanstättena Pasmowość
Może występować w stalach o składzie
nieeutektoidalnym – sprzyja jej silne przechłodzenie
oraz duże ziarno austenitu. Charakterystyczną
cechą jest bardzo duże ziarno oraz iglaste
wydzielenia fazy podeutektoidalnej (ferrytu) lub
nadeutektoidalnej (cementytu wtórnego) na tle
perlitu. Spotyka się w staliwach, spoinach i
blachach.
Charakteryzuje się występowaniem ferrytu i pelitu
w postaci na przemian ułożonych pasm.
Sprzyja jej powolne chłodzenie, stwarzające
warunki do dyfuzji węgla na większą odległość.
Związana jest z segregacją dendrytyczną.
Występuje w wyrobach walcowanych.
42
Wpływ technologii wytwarzania na strukturę stali i staliw
Sferoidyt – powstaje podczas obróbki cieplnej stali określanej jako wyżarzanie
sferoidyzujące lub zmiękczające. Polega na zmianie cementytu płytkowego
(charakterystycznego dla perlitu) w cementyt sferoidalny.
Stale o strukturze sferoidytu mają mniejszą twardość, lepszą skrawalność oraz mniejszą
skłonność do rozrostu ziarna
Stan zmiękczony jest stanem wyjściowym dla wielu gatunków stali!
43
Klasyfikacja gatunków stali kryterium: skład chemicznyDefinicja i Klasyfikacja Gatunków Stali
PN-EN 10020 : 2003
Klasyfikacja według składu chemicznego:
-stale niestopowe;
-stale odporne na korozję;
-inne stale stopowe
Klasyfikacja głównych klas jakościowych stali
niestopowych:
-stale niestopowe jakościowe
Mają na ogół określone wymagania
dotyczące właściwości
-stale niestopowe specjalne
Cechują się wysokim stopniem czystości
metalurgicznej, wyrażający się niską
zawartością wtrąceń niemetalicznych.
Wymaga się od nich (opcjonalnie):
określonej udarności w stanie
ulepszonym cieplnie, określonej
hartowności. Inne wymagania związane
są z zastosowaniem.
44
Systemy oznaczania stali niestopowych Cześć 1: Znaki stali, symbole główne – PN-EN 10027-1:1994
Norma podaje zasady oznaczania stali za pomocą symboli literowych i cyfrowych,
które są tak dobrane, że wskazują na główne cechy stali, np.
•na zastosowanie stali,
•na właściwości mechaniczne lub fizyczne,
•względnie na skład chemiczny stali
Pozwala w uproszczony sposób identyfikować poszczególne gatunki stali.
Znaki stali podzielono na dwie grupy:
- Grupa 1: Znaki stali zawierające symbole wskazujące na zastosowanie
oraz mechaniczne lub fizyczne właściwości stali
- Grupa 2: Znaki stali zawierające symbole wskazujące na skład
chemiczny stali.
Są one podzielone na dalsze 4 podgrupy.
Budowa znaków stali
- w przypadku staliwa znak gatunku poprzedza litera G
45
Grupa 1: Stale oznaczane wg ich zastosowania
i właściwości mechanicznych lub fizycznych
Symbol
główny+ Symbol
dodatkowy+ Symbol
oznaczający
specjalne
wymagania
np. wielkość
ziarna
+ Symbol
określający
rodzaj
powłoki
na gotowym
wyrobie
Przykładowe symbole główne:
- S - stale konstrukcyjne
- P - stale pracujące pod ciśnieniem
- L - stale na rury przewodowe
- E - stale maszynowe
za którymi umieszcza się liczbę będącą minimalną granicą plastyczności w N/mm2
dla najmniejszego zakresu grubości wyrobu.
- B, Y, R, H, D, T, M – stale do zbrojenia betonu, do betonu sprężonego, na szyny itd.
po czym liczba charakteryzująca określone właściwości dla tego typu stali
Przykład: S185, S355NL
46
Grupa 2: Stale oznaczane wg składu chemicznego
Stale niestopowe
Stale niestopowe (bez stali automatowych) o średniej zawartości manganu <1%
Znak składa się z następujących symboli, umieszczonych kolejno po sobie
- litery C
- liczby będącej 100-krotną średnią wymaganą zawartością procentową
węgla
- symbole dodatkowe (patrz Norma)
Przykład: C35, C45
UWAGA: w literaturze fachowej, podręcznikach – szczególnie wydanych w minionych
latach znakowanie stopów żelaza (stali, staliw i żeliw) podane jest wg poprzednio
obowiązujących pol-skich norm. Stąd, pełna wiedza w tym zakresie wymaga
dodatkowego przestudiowania i zapozna-nia się z wprawdzie nie zawsze jeszcze
obowiązującym ale stosowanym sposobem znakowania.
47
Grupa 2: Stale oznaczane wg składu chemicznegoStale niestopowe
Stale niestopowe o średniej zawartości manganu ≥1%, niestopowe stale
automatowe i stale stopowe (bez stali szybkotnących) o zawartości
każdego pierwiastka stopowego < 5%
Znak składa się z
- liczby będącej 100-krotną wymaganą średnią zawartością węgla
- symboli pierwiastków chemicznych oznaczających składniki stopowe w
stali
(w kolejności malejącej zawartości pierwiastków, w przypadku identycznej
zawartości dwóch lub więcej pierwiastków w kolejności alfabetycznej)
- liczb oznaczających zawartości poszczególnych pierwiastków stopowych w
stali. Każda liczba oznacza średni procent pierwiastka pomnożony przez
współczynnik wg tablicy poniżej i zaokrąglony do najbliższej liczby
całkowitej. Liczby dotyczące poszczególnych pierwiastków należy oddzielić
kreską poziomą.
-symbole dodatkowe (patrz Norma)
Przykład: 28Mn6
48
Systemy oznaczania staliCześć 2: System cyfrowy – PN-EN 10027-2:1994
System cyfrowy stali uzupełnia system oznaczania stali ustalony w Części 1 normy
Ogólne zasady:
- każdy numer stali dotyczy tylko jednego gatunku stali i odwrotnie,
- numery gatunkom stali nadaje Europejskie Biuro Rejestracyjne
- Europejskie Biuro Rejestracyjne nowelizuje i publikuje listę zarejestrowanych stali w
od-powiednich odstępach czasu
- numerów stali w zasadzie nie zmienia się
Numer składa się z cyfr wg następującego schematu:
A.BB XX(XX)
gdzie A – numer grupy materiału (dla stali 1),
BB – numer grupy stali (wg Tablicy 1 w EN 10027-2),
XX(XX) – kolejny numer (cyfry w nawiasach są dla użycia w przyszłości)
Przykład: 1.4821 („1” na początku oznacza stal) co odpowiada stali stopowej
X15CrNiSi25-4
49
50
1. Klasyfikacje stali
51
52
53
54
2. Systemy oznaczania stali
55
56
Grupa 1.
Symbole wskazujące na
zastosowanie oraz
mechaniczne lub fizyczne
własności stali.
(dla staliwa znak gatunku
poprzedza litera G)
57
Grupa 2. System znakowy według składu chemicznego stali. (w przypadku staliwa znak gatunku poprzedza litera G).
podgrupa klasyfikacyjna symbole główne znaku stali
●stale niestopowe1)
o średniej zawartości Mn<1%
C
średnia lub
reprezentatywna
zawartość C [%] x 100
_ _
●stale niestopowe1)
o średniej zawartości Mn≥1%
●niestopowe stale automatowe
●stale stopowe2)
o zawartości każdego pierwiastka
stopowego < 5%
_
średnia lub
reprezentatywna
zawartość C [%] x 100
symbole chem.
pierwiastków
stopowych
średnia zawartość pierw.
stop. [%wag] x współ.3)
●stale stopowe2)
zawierające przynajmniej jeden
pierwiastek stopowy ≥ 5%
X
średnia lub
reprezentatywna
zawartość C [%] x 100
symbole chem.
pierwiastków
stopowych
średnia zawartość [%wag]
pierwiastków stopowych
●stale stopowe szybkotnące
HS - - kolejno zawartość:
W, Mo, V, Co [%wag]
przykłady znaków stali (tylko symbole główne): C35, 28Mn6, X5CrNi18-10, HS2-9-1-8 1)
bez stali automatowych 2)
bez stali szybkotnących 3)
współczynniki (mnożniki) dla pierwiastków stopowych: 4 (Cr, Co, Mn, Ni, Si, W)
10 (Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr)
100 (Ce, N, P, S)
1000 (B)
58
4. Stale konstrukcyjne (Structural Steels)
● wytwarzane głównie przez walcowanie na gorąco (Hot Rolled Structural Steels),
- walcowanie konwencjonalne głównym celem jest nadanie odpowiedniego kształtu,
- większy koszt (konieczna często późniejsza obróbka cieplna), coraz rzadziej stosowane,
- walcowanie cieplno-plastyczne nadanie kształtu oraz wytworzenie korzystnej mikrostruktury,
- założone zabiegi OC są przeprowadzane łącznie z obróbką plastyczną,
- możliwe jest uzyskiwanie znacznie lepszych właściwości niż zabiegami tradycyjnymi,
● stosowane w dużych ilościach w inżynierii lądowej, wodnej, chemicznej itp.
(budynki, mosty, statki, platformy wiertnicze, pojazdy, rurociągi, zbiorniki ciśnieniowe itp.)
- grubość najczęściej powyżej 1,5 mm,
- jakość powierzchni i tolerancje wymiarowe zwykle nie wysokie walcowanie na gorąco),
● głównym sposobem łączenia jest spawanie (główne wymaganie to łatwa spawalność)
59
4.1. Regulowane walcowanie(regulowanemu walcowaniu towarzyszy często regulowane chłodzenie proces cieplno-plastyczny)
EN rozdziela regulowane walcowanie na:
- walcowanie termomechaniczne oraz
- walcowanie normalizujące (zastępujące tradycyjne i kosztowne normalizowanie),
● walcowanie w wielu dokładnie kontrolowanych przepustach w celu otrzymania i wykorzystania
jak najwięcej miejsc zarodkowania ziaren ferrytu drobnoziarnisty ferryt:- poprzez uzyskanie drobnego ziarna austenitu dzięki wielokrotnej rekrystalizacji
Twal Trek RWR – regulowane walcowanie rekrystalizujące,
- poprzez pozostawienie drobnego austenitu nie zrekrystalizowanego
Twal Trek RWK – regulowane walcowanie konwencjonalne,
- dodatkowe miejsca zarodkowania na odkształconych i wydłużonych granicach oraz wewnątrz ziaren
na granicach bliźniaczych, pasmach ścinania, wtrąceniach itp.,
● proces cieplno-plastyczny umożliwia również:
- wydzielenie związków mikrododatków o odpowiednio dużej dyspersji,
- dopiero podczas starzenia w T 600°C,
- hartowanie (bez dodatkowego nagrzewania) na struktury bainitu lub martenzytu,
60
Schematy regulowanego walcowania
Przebieg walcowania i chłodzenia w RWK
(B. Kuźnicka)
walcowanie termomechaniczne (wg EN)
walcowanie normalizujące (wg EN)
(M. Blicharski)
61
wymagania stawiane stali konstrukcyjnej:
Uwaga!
producenci stali podają ceny zawile, np. koncerny Thyssen-Krupp i Salzitter stosują system:
cena podstawowa (cena najtańszej stali w grupie), np. 690 EUR/t dla S185 (blacha gruba),
+ dopłata w zależności od gatunku, postaci, stanu i rodzaju stali, opakowania, transportu itp.,
(na wykładzie podawany będzie informacyjnie poziom dopłaty zależnej od gatunku stali)
62
realizacja wymagań: - podwyższanie wytrzymałości
- przy zachowaniu niewielkiej zawartości C (spawalność, ciągliwość),
- przy zastosowaniu niewielkiej ilości dodatków stopowych (cena),
umocnienie
roztworowe ferrytu
umocnienie ferrytu
granicami ziaren
umocnienie
quasi-perlitem
umocnienie wynikające
ze struktury bainitycznej
umocnienie wynikające
z ulepszania cieplnego
umocnienie wydzieleniowe
związkami mikrododatków
umocnienie wydzieleniowe
prawie czystą miedzią
III I II
Mn (do 2,1%)
Si (do 0,8%)
normalizowanie lub walcowanie normalizujące
Nb, V, Ti, Al (zwykle 0,15%) przesycanie + starzenie
(ok. 0,07% C, 2,5% Cu)
0,12% C – kontrolowane chłodzenie
przy odpowiednim kształcie CTPc0,20% C – hartowanie + wysokie odpuszczanie
63
ad. I - umacnianie roztworowe + normalizowanie:
● umocnienie roztworowe ferrytu,- najstarszy, najmniej efektywny sposób podwyższania wytrzymałości,
- Mn (najczęściej ok. 1,5% ale nawet do 2,1%),
- Si (najczęściej 0,5% ale nawet do 0,8%),- stosowane zwykle jako dodatkowe przy innych sposobach podwyższania wytrzymałości,
● normalizowanie,
- rozdrobnienie ziaren ferrytu,
- podwyższanie wytrzymałości oraz ciągliwości jednocześnie !!!,
- najefektywniejszy sposób obniżania TPSK ,
- quasi-perlit (quasi-eutektoid),
- zwiększenie dyspersji płytek (perlit bardziej drobnopłytkowy),
- zwiększenie ilości perlitu nierównowagi (mniejsza zawartość węgla większa objętość),
(coraz mniejsze znaczenie: - tendencja do obniżania % C poniżej 0,09% - bez perytektyki oraz niższa TPSK ,
- wzrost udziału do 20% perlitu w strukturze nie podwyższa istotnie Re )
● oba sposoby pozwalają osiągać Re do 355 MPa (walc. tradycyjne) lub nawet do 460 MPa
po regulowanym walcowaniu normalizującym (ziarna ferrytu nawet do 23 m)
np.: S355 przy 0,22% C,
S460N przy 0,20%C oraz walcowaniu normalizującym,
64
Stale konstrukcyjne niestopowe, walcowane na gorąco (zwykle tradycyjnie) – PN-EN 10025:2002
690 EUR/t (S185)
+dopłata:
1667 EUR/t
Thysson-Krupp - 2007
(stale jakościowe niestopowe)
stan dostawy:
- surowy,
- po normalizowaniu,N,
- specjalnie
uspokojone,
postać:- wyroby płaskie
(blachy, taśmy),
- wyroby długie
(pręty, kształtowniki)
zastosowanie:
- mało odpowiedzialne
konstrukcje,J (Kmin = 27 J),
K (Kmin = 40 J),
R (w temp. pokojowej),
0 (w 0°C),
2 (w - 20°C)
(M. Blicharski)
65
Stale konstrukcyjne spawalne drobnoziarniste
(PN-EN 10113-2:1998)
stan po normalizowaniu lub walcowaniu
normalizującym (N)
stale jakościowe i specjalne niestopowe i stopowe
stosowane na mocno obciążone
elementy konstrukcji spawanych
(również w temp. obniżonych)
Stale konstrukcyjne
spawalne drobnoziarniste
(PN-EN 10113-3:1998)
stan po walcowaniu
termomechanicznym (M)
stale jakościowe i specjalne
niestopowe i stopowe
dopłata:
53273 EUR/t
Thysson-Krupp – 10.2007
66
ad. II -umacnianie wydzieleniowe:
● umocnienie wydzieleniowe związkami mikrododatków,
- mikrododatki (Nb, V, Ti, Al) zwykle 0,15%, przy niewielkiej zawartości 0,030,12% C,
- złożone związki mikrododatków z C i N, ale również z S i O (Ti),
- mikrododatki wpływają (w sposób mocno zróżnicowany) na:
- wielkość ziarna austenitu po nagrzaniu do walcowania,
- przebieg oraz temperaturę rekrystalizacji podczas walcowania,
- przebieg przemiany austenitu w ferryt,
- ich związki powodują umocnienie wydzieleniowe ferrytu (wewnątrz ziaren),- zwykle proces cieplno-plastyczny z wydzielaniem związków w T 600° C,
Wpływ temperatury i mikrododatków na
średnicę ziarna austenitu
Wpływ mikrododatków rozpuszczonych w austenicie
na temperaturę rekrystalizacji stali (0,07%C, 1,40%Mn, 0,25%Si)
67
Stale konstrukcyjne o podwyższonej wytrzymałości umacniane wydzieleniowo – PN-EN 10137-3:2000
- przeznaczone na blachy grube i blachy uniwersalne (370 mm),
(stale specjalne stopowe)
produkowane w procesie cieplno-plastycznym (regulowane walcowanie oraz regulowane chłodzenie)
68
● umocnienie wydzieleniowe prawie czystą miedzią,- nowa grupa stali opracowana w latach 80-tych, początkowo dla US Navy,
- stale niskowęglowe (0,060,08% C + 1,01,6% Cu + 0,853,5% Ni),
- przesycanie + starzenie Re 700 MPa, TPSK - 100° C,
- ferryt z wydzieleniami fazy (96% Cu) o dużej dyspersji,
(faza jest mniej twarda niż ferryt !! dobra udarność w niskiej temperaturze)
- gatunki ASTM A710, HSLA-80/100 (Navy), HPS-100 (Bridge) – nazwa handl. „Spartan IV”,
- w normach EN występują gatunki umacniane Cu, ale bez dodatku Ni, np. S690A,
ad. III - umocnienie wynikające z ulepszania cieplnego,
- niskowęglowy (ok. 0,20% C) sorbit odpuszczania Re do 960 MPa,
- zwykle hartowane bezpośrednio z temperatur walcowania z następnym odpuszczaniem,
- najwyższa wytrzymałość uzyskiwana w stalach o niewielkiej zawartości C i dod. stopowych,
- na konstrukcje przenoszące duże obciążenia (zarówno w temp. pokojowej jak i obniżonej)
ad. III - umocnienie wynikające ze struktury bainitycznej,
- niskowęglowy (ok. 0,12% C) bainit Re = 600700 MPa,
- zwykle kontrolowane chłodzenie bezpośrednio po walcowaniu termomechanicznym,
- konieczna hartowność dzięki dodatkom Mo (ok. 0,5%) oraz B (ok. 0,005%),
69
Przykłady zastosowania stali „Spartan IV” umacnianych wydzieleniowo miedzią
(International Steel Group, Inc., www.intlsteel.com)
(http://www.advex.net/Divisions_Heavy_Fabrication.shtml)
70
71
Stale konstrukcyjne o podwyższonej wytrzymałości do ulepszania cieplnego – PN-EN 10137-2:2000
690 EUR/t (dla S185)
+dopłata do gatunków:
311666 EUR/t
Thysson-Krupp – 10.2007
(stale specjalne stopowe)
(M. Blicharski)
72
Stale konstrukcyjne o podwyższonej wytrzymałości walcowane cieplno-plastycznie i przeznaczone
do obróbki plastycznej na zimno – PN-EN 1049 -2:2000
- wyroby płaskie o grubości 1,520 mm
jako
ścio
we
um
acn
iane w
yd
zie
len
iow
o
sp
ecja
lne
ba
inityczn
e
690 EUR/t (dla S185)
+dopłata:
40235 EUR/tThysson-Krupp – 10.2007
73
Wpływ boru na wykres CTPi stali niskowęglowej z 0,5% Mo
74
Czy stopy żelaza (stale niskostopowe) muszą być podatne na ciągłą korozję? stalowe słupy w Indiach (najsłynniejszy w Delhi oraz podobne w Dhar, Madhya Pradesh,
Kodachadri hills, Karnataka, Mandu, Madhya Pradesh, Mount Abu, Rajasthan, Orissa,
- DIP (Delhi Iron Pillar) „nie koroduje” od ok. 1700 lat – dlaczego?
- wszystkie są stalami (nie odlewami) niskowęglowymi o podwyższonej zawartości P,
Dhar iron pillar (w trzech częściach)
The iron pillar at Kodachadri in KarnatakaDelhi iron pillar
75
DIP (Delhi Iron Pillar)- waga ok. 6100 kg, wysokość 7,375 m, średnica 41,634 cm,
- wytworzony metodą zgrzewania (kucie na gorąco) ok. 200 elementów o masie 3040 kg,
- skład chemiczny elementów: 0,030,28 %C; 0,1140,48 %P; 0,040,056 %Si; 0,005 %S; 0,03 %Cu,
- pokryty warstwą tlenków o grubości 50600 μm, która blokuje dalszą korozję (występuje FePO4),
- pierwsze badania metalograficzne: R.J. Hadfield w 1912,
- ostatnie kompleksowe badania: 2004 (Indira Gandhi Centre of Atomic Research)
(Balder Ray, P. Kalyanasundaram, T. Jaykumar, C.Babu Rao,
B. Venkataraman, U.Kamachi Muldali, A.Joseph, Anish Kumar) - po szlifowaniu przyrost warstwy tlenków 0,395 mm/rok,
po upływie roku zmniejszył się do 0,040 mm/rok
Kompleksowe badania różnych fragmentów DIP (2004)Struktury różnych elementów DIP (od drobnej ferrytyczno-
-perlitycznej do iglastej struktury Widmannstattena)
76
5. Stale konstrukcyjne trudno rdzewiejące- stale o zwiększonej odporności na korozję atmosferyczną (w war. wiejskich i przemysłowych),
- po pewnym czasie korozji na powierzchni tworzy się względnie stabilna warstwa uwodnionego,
złożonego tlenku Fe, P, Cr i Cu, która zatrzymuje dalszy postęp procesu (brązowa „patyna”),
- wymagają odpowiednich warunków do utworzenia warstwy ochronnej („sucha” pogoda),
- pierwsze stale pod nazwą „Cor-Ten” w 1933 (United States Steel Corporation),
- niewielkie dodatki Cu, P, Si, Cr, które najlepiej działają w grupie,
- najsilniej działa P (co najmniej 0,1%) ale mocno obniża udarność i spawalność,
- dodawany obecnie tylko do niektórych stali typu Cor-Ten A,
- zdecydowanie działa Cu ale tylko do 0,3% efektywnie,
- umiarkowanie Si (najkorzystniej do 0,25%) oraz Cr (najkorzystniej do 0,6%),
- Mn (umocnienie roztworowe razem z Cr),
- V (umocnienie wydzieleniowe),● znaczenie tych stali wzrosło po roku 1960 (opracowanie stali Cor-Ten B oraz C z normalną zawartością P)
zastosowanie:
- tradycyjnie w „brudnych” zakładach i konstrukcjach (huty, kopalnie, koksownie, część wagonów),
- ścianki Larsena,
- ostatnio nawet pokrycia dachów (malowanych tylko dekoracyjnie),
77
Skład chemiczny stali Cor-Ten [% wag]
Stale konstrukcyjne trudno rdzewiejące – PN-EN 10155:1997 + Ap1:2003 (M. Blicharski)
dopłata:
~130 EUR/t
(stale niskostopowe specjalne)
Salzgitter Flastahl GmbH
78
79
Żeliwa(odlewnicze stopy żelaza, w których część lub cały węgiel jest w postaci wolnej – grafit)
● masowe wytwarzanie stali rozpoczęło się dopiero w drugiej połowie XIX wieku,
- metody wynalezione przez Bessemera (1856), Siemensa (1863) oraz Martina (1865),
- uzyskano aż dziesięciokrotny spadek ceny i niesłychany wzrost produkcji
(na całym świecie z ok. 60 tys. ton w roku 1850 do ok. 28 mln ton w roku 1900),
● wcześniej, po zastosowaniu koksu (Anglia 1735), masowo produkowano tylko żeliwo,
- możliwość wytapiania w prymitywnych piecach (wystarczy temperatura ok. 1160 °C !!!),
- szczególnie w epoce wiktoriańskiej (Anglia 18371901) – wszelkie możliwe zastosowania !!!
- ozdoby, meble ogrodowe, trumny,
- mosty (pierwszy w 1779 – istnieje do dzisiaj), kolumny oraz sklepienia architektoniczne, statki,
- cylindry silników parowych, łoża tokarek, różne części maszyn,
- do dzisiaj żeliwa są dużo tańsze od stali i staliw (stal odlewana) – dla złożonych kształtów,
● właściwości żeliw szarych (z klasycznym grafitem płatkowym):- bardzo mała wytrzymałość na rozciąganie oraz odporność na obciążenia udarowe,
- duża wytrzymałość na ściskanie, duża odporność na zużycie powierzchni ślizgowych,
- dobre tłumienie drgań, mniejszy niż w staliwach skurcz odlewniczy oraz naprężenia własne,
● w połowie XX wieku - modyfikowanie żeliw (zmiana kształtu grafitu - do sferoidalnego),
- renesans stosowania żeliw oraz nowe obszary zastosowań (zastępują stal i staliwo),- płatki grafitu krótkie, krępe, tępo zakończone,
- zwarty węgiel żarzenia,
- grafit sferoidalny – idealny kształt (prawie nie obniża właściwości wytrzymałościowych),
80
● postać grafitu - wytrzymałościowo najgorsza (płatkowa) oraz najlepsza (kulista)
schemat grafitu
płatkowego
L.A. Dobrzański) (R.F. Cochrane)
grafit sferoidalny
nie trawione – grafit płatkowy (długi, cienki, ostro
zakończony)
grafit sferoidalny w osnowie ferrytycznej
81
żeliwo szare z grafitem płatkowym – historycznie najstarsze ale dalej stosowane (zwykle modyfikowane)
grafit niemodyfikowany
stan trawiony – osnowa ferrytyczna
(R.F. Cochrane)
(A. Krajczyk)
grafit modyfikowany (wermikularny) (A. Krajczyk)
stan trawiony – osnowa perlityczno-ferrytyczna
stan nietrawiony
82
brama z żeliwa – pałac Buckingham, Londyn ogrodzenie z żeliwa – Wimpole Hall, Cambridge
83
konstrukcje mostów z żeliwa szarego
rzeka Severn, Anglia
„Ironbridge -1779 (H.K.D.H. Bhadeshia)
Victoria Bridge -1850
84
konstrukcja mostu z żeliwa szarego - „Ironbridge” (1779)
(rzeka Severn, Anglia)
(żeliwo z grafitem płatkowym)
85
● żeliwo szare w dawnym budownictwie
86
87
● rury żeliwne (kanalizacja) – dawniej i dzisiaj
(żeliwo z grafitem płatkowym)
88
obecnie – przykłady bardziej wyrafinowanych zastosowań
wał korbowy samochodu sportowego – „TVR Tuscan Speed 6”
(żeliwo sferoidalne hartowane izotermicznie)
wahacz zawieszenia – „Ford Mustang Cobra”
(żeliwo sferoidalne hartowane izotermicznie)
(H.K.D.H. Bhadeshia)
89
element zawieszenia ciężkiego samochodu ciężarowego
żeliwo sferoidalne hartowane izotermicznie
(odlewnia: „Steele and Lincoln Foundry”
inne przykłady
zastosowania żeliw
blok silnika
(„nie ma dobrego
diesla bez żeliwa”)
tarcza
hamulcowakorbowody
90
żeliwo sferoidalne – najwyższe właściwości mechaniczne
stan trawiony – osnowa ferrytyczna (A. Krajczyk)
stan trawiony – osnowa perlityczno-ferrytyczna (A. Krajczyk)
stan trawiony – osnowa bainityczna (hart. izotermiczne)
91
Wykres równowagi metastabilnej Fe – Fe3C oraz Fe - Cgr (opis fazowy)fazy stałe: ferryt, austenit, cementyt lub grafit
92
Proces grafityzacji● polega na rozkładzie metastabilnego cementytu na węgiel wolny (grafit) oraz roztwór stały,
● w zależności od temperatury grafityzacji:
Fe3C Cgr + T
A1
Fe3C Cgr +
● grafityzacji (rozkładowi cementytu) sprzyjają pierwiastki destabilizujące cementyt, tzn.
zwiększające jego energię swobodna F (pierwiastki rozpuszczone w cementycie):
- krzem (jego wpływ traktowany jest jako poziom odniesienia),
- aluminium (trzykrotnie większy wpływ ale rzadko stosowane),
- nikiel, miedź, fosfor (wielokrotnie słabiej niż Si),
- oraz węgiel ( im więcej węgla w stopie tym mniej trwały cementyt),
● modyfikowanie (dostarczanie podkładek do zarodkowania grafitu) ułatwia grafityzację,
- większość badaczy uważa, że w cieczy jednak najpierw krystalizuje cementyt (6,67 %C) a dopiero
później następuje jego rozkład na grafit (100 %C) i austenit,
- krystalizacja grafitu w cieczy jest mniej prawdopodobna (wymagałaby większego ruchu atomów),
93
Klasyfikacja żeliw
grafit płatkowy grafit żarzenia grafit sferoidalny bez grafitu(od płatków długich, cienkich, ostro
zakończonych do krótkich, grubych,
tępo zakończonych - w wyniku
modyfikowania)
(kłaczkowy ale coraz
bardziej zwarty w
wyniku modyfikowania)
(podwójnie
modyfikowany)
(ledeburyt)
94
● trzy główne grupy żeliw w zależności od postaci (kształtu grafitu):
95
● skład chemiczny żeliw (najważniejszy C oraz Si),
● Mn (0,41,4%) – jako domieszka lub celowy dodatek,
- hamuje grafityzację w niższych temperaturach (utrudnia rozkład perlitu, ułatwia jego sferoidyzację),
- wiąże bardzo szkodliwą S w niegroźne MnS,
● S <0,12%, zwykle 0,080,1% - domieszka szkodliwa (hamuje grafityzację, zmniejsza lejność, duży skurcz),
● P (0,11,0%) – jako domieszka lub celowy dodatek (dodatni wpływ na grafityzację),
- tworzy niskotopliwą (ok. 953°C) eutektykę ( + Fe3C + Fe3P) nazywaną steadytem,- poprawia lejność, podwyższa odporność na ścieranie, siatka steadytu powoduje kruchość,
96
● eutektyka fosforowa (steadyt) w żeliwie szarym
siatka wtrąceń steadytu
pojedyncze wtrącenia steadytu
(A. Krajczyk)
97
● wzorce kształtu grafitu według PN-EN ISO 945:1999(w normie podano również wzorce wielkości i sposobu rozmieszczenia grafitu)
I II III
IV V VI(za L.A. Dobrzańskim)
98
Żeliwa szare - z grafitem płatkowym, zwykłe i modyfikowane
● wpływ zawartości C i Si na strukturę osnowy
metalowej żeliw szarych,
(poglądowy wykres Maurera
dla grubości ścianki 50 mm)
● wpływ szybkości chłodzenia (grubości ścianki)
na osnowę metalowa żeliwa szarego,
99
100
● klasyfikacja żeliw szarych
(B. Kuźnicka)
101
● kryterium klasyfikacji żeliw szarych może być minimalne Rm lub minimalna twardość (HB)
- oba parametry są powiązane ze sobą (zależność empiryczna wg PN-EN 1561:2000):
HB = RH (A + B Rm) powszechnie przyjmuje się: A = 100, B = 0,44
- współczynnik RH nazywany jest twardością względną (zwykle 0,81,2 tzn. 20%),
- dokładność wartości RH jest miarą powtarzalności wyrobów danego wytwórcy (odlewni),
- pomiar Rm wykonuje się na dwa przybliżone sposoby:
-próba rozciągania odlewanych osobno prętów próbnych,
-próba rozciągania odcinanych z odlewu specjalnych próbek przylanych (jest dokładniejsza),
- pomiar HB wykonuje się bezpośrednio na odlewie w przewidzianych do tego miejscach (nadlewkach)
102
● modyfikowanie żeliwa szarego (stosowana jest zwykle osnowa perlityczna – najwyższe Rm),
- główne cele modyfikowania:
- krótkie, krępe i tępo zakończone płatki grafitu, równomierna wielkość i rozmieszczenie,
- uniezależnienie kształtu, wielkości i sposobu rozmieszczenia grafitu od grubości ścianki, - modyfikatory (dostarczają podkładek ułatwiających zarodkowanie grafitu),
- stopy nazywane „żelazokrzemem” (Si + 30% Fe oraz dodatki Ca, Al, Ni, Ti), które
po rozpuszczeniu w ciekłym żeliwie tworzą związki ułatwiające zarodkowanie grafitu,
grafit płatkowy niemodyfikowany grafit płatkowy modyfikowany
103
Przykłady struktur żeliwa szarego perlitycznego
z modyfikowanym grafitem płatkowym,
przypuszczalnie:
EN-GJL-300 lub
EN-GJL-350
(A. Krajczyk)
grafit płatkowy modyfikowany,
rozmieszczony międzydendrytycznie,
taki kształt nazywany jest „wermikularnym”
104
● porównanie zachowania się przy rozciąganiu oraz skręcaniu
stali niskowęglowej oraz żeliwa szarego:
przełom ciągliwy
rozdzielczy
przełomy kruche
przełom ciągliwy
poślizgowy
105
● podsumowanie zalet oraz właściwości żeliwa szarego:
- dobra lejność oraz mały skurcz w porównaniu do staliw,
- zdolność do tłumienia drgań,
- niewrażliwość na działanie karbu (zewnętrznego),
- bardzo dobre właściwości ślizgowe (grafit),
- bardzo dobra skrawalność (małe opory oraz łamliwy wiór),
- odporność na korozję lepsza niż stali niestopowej,
- wytrzymałość na ściskanie podobna jak dla stali,
- wytrzymałość na rozciąganie mała (max 350 MPa)
(B. Kuźnicka)
106(B. Kuźnicka)
107
108
Żeliwo sferoidalne (nazywane również podwójnie modyfikowanym)● otrzymywane przez podwójne modyfikowanie żeliwa szarego,
- modyfikowanie żelazokrzemem (z dodatkami Ca, Al, Sr, Ba) w celu ułatwienia
zarodkowania grafitu (podkładki) – grafit drobny oraz równomiernie rozmieszczony,
- modyfikowanie magnezem oraz/lub cerem w celu uzyskania sferoidalnego kształtu grafitu
(podwyższanie energii granicy międzyfazowej),
- modyfikatory to stopy nazywane „zaprawami” (Si z Mg, Cu z Mg i Cr, Ni z Mg i Cr)
● kąpiel metalowa przed modyfikowaniem wymaga specjalnego odsiarczania (< 0,03% S)
w celu zapobiegnięcia powstawania siarczków pierwiastków modyfikujących (Mg, Cr),
● niska temperatura topnienia i wrzenia Mg (650°C oraz 1107°C) oraz duże powinowactwo do tlenu
wymagają specjalnych metod wprowadzania modyfikatorów do kąpieli metalowej,
- najefektywniejsze metody polegają na podawaniu modyfikatorów w strugę metalu wlewanego do formy,
● żeliwa sferoidalne można klasycznie obrabiać cieplnie (podobnie jak stale) - Rm = 700900 MPa,
● żeliwo sferoidalne ADI (Austempered Ductile Iron) hartowane z przemianą izotermiczną osiąga
Rm = 8001400 MPa, przy wydłużeniu A = 81%
(struktura iglastego lekko przesyconego węglem ferrytu oraz austenitu nieprzemienionego)
- duża odporność na zużycie i zmęczenie, ekonomiczne o bardzo dobrej kombinacji wytrzymałości
oraz ciągliwości, konkurencyjne do stali w wielu wyszukanych zastosowaniach (np. koła zębate),
109
110
111
112
● przykłady zastosowań żeliwa ciągliwego
113
ciągliwe perlityczno-ferrytyczne, np. GJMB-600-3
ciągliwe ferrytyczne, np. GJMB-350-10 ciągliwe perlityczno-ferrytyczne, np. GJMB-450-6
114
(B. Kuźnicka)
115(L.A. Dobrzański)
116
117
PODSTAWY OBRÓBKI CIEPLNEJ (na przykładzie stopów żelaza)OC – proces technologiczny obejmujący zespół operacji, np. grzanie, chłodzenie materiałów w stanie stałym,
- wynikiem OC są zmiany struktury a więc właściwości materiału, np. stali.
Teoretyczne podstawy OC są nauką o przemianach zachodzących w materiałach wskutek:
- zmiany temperatury, czasem również ciśnienia,
- wpływie szybkości grzania i chłodzenia na mechanizmy i kinetykę tych przemian,
(L.A. Dobrzański)
118Schemat zabiegów OC
119
(L.A. Dobrzański)
120(L.A. Dobrzański)
121
Przemiana dyfuzyjna perlit austenit(nazywana austenityzowaniem)
Celem austenityzowania jest zwykle otrzymanie jednorodnego oraz drobnoziarnistego
austenitu co wpływa z kolei na przebieg przemian podczas chłodzenia.
a) konieczne przegrzanie o T dla uzyskania napędzającej przemianę F,
perlit
austenit
A1 Ac1 Temperatura
727°C
(p + Fe3C) S
0,02 %C 6,67 %C 0,77 %C
122
b) powstanie zarodków austenitu na granicy międzyfazowej,
c) rośnięcie zarodków ziarna austenitu niejednorodnego,
d) ujednorodnienie ziaren austenitu,
123
na szybkość przemiany (w warunkach grzania ciągłego) wpływa:
- szybkość nagrzewania wartość przegrzania T szybkość dyfuzji atomów C
- budowa perlitu,
- tym szybciej im drobniejsze płytki w perlicie,
- najwolniej gdy cementyt kulkowy,
w stalach nieeutektoidalnych austenityzowanie
kończy się
w wyższych temperaturach (muszą ulec
rozpuszczeniu
fazy przyeeutektoidalne -ferryt lub Fe3CII)
wykres dla stali eutektoidalnej
124
Samorzutny proces rozrostu ziaren austenitu
początkowo po przemianie ziarna są bardzo drobne (duża LZ b. duża pow. zarodkowania),
zwiększenie temperatury lub czasu wygrzewania rozrost ziaren
stale gruboziarniste – skłonne do rozrostu ziaren natychmiast (już w niejednorodnym),
stale drobnoziarniste – drobne wydzielenia innych faz hamują rozrost ziaren (teoria barier)
(ruch granic dopiero po rozpuszczeniu lub koagulacji tych faz),
stale gruboziarniste stale drobnoziarniste
- niestopowe (specjalnie uspokojone)
(np. tlenki, azotki Al)
- stopowe (dodatki lub mikrododatki)
(np. węgliki Ti, V, W)
125
Przemiana dyfuzyjna austenit perlitprzemiana eutektoidalna przechłodzonego austenitu
- izotermiczne wygrzewanie w temp. Ar1 = A1 - T (przechłodzenie stałe),
- ciągłe chłodzenie (nieprzerwany wzrost przechłodzenia),
zarodki dwufazowe (na granicach ziaren austenitu) ale nie obie fazy jednocześnie
(uważa się, że pierwszy zarodkuje Fe3C co ułatwia zarodkowanie ferrytu itd.),
rośnięcie zarodka płytkowa kolonia perlitu
- wzrost kolonii perlitu jest różny w kierunku
czołowym i bocznym (Mehl)
budowa płytkowa, gdyż zapewnia
największą szybkość przemiany,
- późniejsze wyżarzanie sferoidyzacja Fe3C,
126Różnie zorientowane kolonie perlitu w stali eutektoidalnej, trawione Mi1Fe
127
Kinetyka przemiany austenit perlit (przy T = const)krzywa kinetyki przemiany
- charakterystyczny kształt litery S,
- występuje okres inkubacji,
- chwilowa szybkość przemiany zależy od
stopnia zaawansowania przemiany,
szybkość przemiany v = f (T) ,
dla danego T jest określana umownie
w punkcie przegięcia krzywej (maksymalna),
- wykazuje maksimum przy T 175 K,
- później maleje z powodu utrudnień w dyfuzji C,
p
v
k
T = const
v
vk
p
Krzywe kinetyki przemiany perlitycznej
dla różnych przechłodzeń
(każda w warunkach izotermicznych)
128
Wykres izotermicznej przemiany austenitu - CTPi
dyfuzyjna przemiana perlityczna od temperatury Ar1 do Tm (T 175 K) mieszanina płytkowa
- odległość między płytkami od 1,0 do 0,1 m,
- płytki ferrytu około 7 razy grubsze od płytek cementytu,
p k
Tm
Perlit grubopłytkowy
Perlit drobnopłytkowy
sorbit hartowania (płytki widoczne przy pow. ok. 500x)
troostyt hartowania (płytki niewidoczne pod
mikroskopem optycznym)
bainit górny
bainit dolny
martenzyt
CTPi dla stali eutektoidalnej (0,77 %C)(R. Haimann)
129
• im większe przechłodzenie T tym mniejsza odległość międzypłytkowa (s) w perlicie
Rp 0,2
MPa
s-1/2, mm-1/2
Średnia
odległość
międzypłytkowa
s [μm]
0,6-1,0 0,25-0,30 0,10-0,15
Twardość HB 180-250 250-350 350-450
(B. Kuźnicka)
130
Przemiana perlityczna w stalach nieeutektoidalnych
w stopach nieeutektoidalnych, w warunkach nierównowagi (znaczne
przechłodzenia) tworzy się perlit drobnopłytkowy o zawartości węgla
odbiegającej od 0,77% nazywany quasi-eutektoidem (quasi-perlitem),
zjawisko sztucznego zwiększania udziału perlitu w strukturze
wykorzystywane jest, np. w niskowęglowych spawalnych stalach
konstrukcyjnych (przyśpieszone chłodzenie austenitu na powietrzu),
quasi-eutektoidem
po przechłodzeniu do temp. Tq nawet w stalach o małej zawartości C
powstaje sam drobnopłytkowy quasi-perlit (twardy i nieciągliwy),
w stalach zaeutektoidalnych zjawisko to można wykorzystać
do likwidacji Fe3CII ale tracimy np. na skrawalności,
Obszar quasi-eutektoidu w zależności
od przechłodzenia przed przemianą
perlityczną. (R. Haimann)
131
CTPi – warunki izotermiczne (L.A. Dobrzański) CTPc – chłodzenie ciągłe
Wykres CTPc stali niestopowej (0,35% C)
(R. Haimann)
twardość HV
132
Cechy przemiany perlitycznej w warunkach nierównowagi:
przemiana dyfuzyjna (T zarodek rośnięcie zarodka)
wykazuje okres inkubacji, w którym następuje wstępna dyfuzja węgla w austenicie,
produktem przemiany jest płytkowa mieszanina ferrytu i cementytu,
zarodki perlitu powstają na granicach ziaren austenitu i wrastają w metastabilny
austenit,
może zachodzić w warunkach izotermicznych oraz podczas ciągłego chłodzenia,
przebiega do końca,
im większe przechłodzenie, tym drobniejsze płytki perlitu,
w stopach nieeutektoidalnych – quasi-eutektoid o zawartości węgla różnej od 0,77%,
(płytkowa mieszanina zajmuje większą objętość w strukturze niż w warunkach
równowagi)
133
134
Przemiana martenzytycznabezdyfuzyjna przemiana alotropowa austenit ferryt (tzn. Fe Fe czyli sieci A1 A2)
- zachowana jest ta sama koncentracja węgla ferryt przesycony węglem (martenzyt),- warunek: chłodzenie z szybkością większą niż krytyczna (F, DC = 0)
(ominięcie krzywej początku przemian dyfuzyjnych – uniemożliwienie dyfuzji węgla),
- siłą napędową przemiany jest duża różnica F austenitu i martenzytu w temperaturze Ms,
F
CTPi dla stali eutektoidalnejSchemat zmian F austenitu, perlitu i martenzytu
(R. Haimann)
135
przebudowa sieci RSC RPC w wyniku niewielkich (w stosunku do d) skoordynowanych przesunięć całych
płaszczyzn atomowych w stosunku do pewnych płaszczyzn niezmiennych nazywanych habitus, - na powierzchni próbki pojawia się relief o kształcie iglastym (płytki lub listwy martenzytu),
- rosną z szybkością rozchodzenia się dźwięku (odkształceń sprężystych) – ok. 105-7 m/s,
- są nachylone względem siebie pod kątem 60 lub 120 ,
ścisły związek orientacji sieci M oraz - płaszczyzny {111} austenitu stają się płaszczyznami {110} ferrytu,
granica między płytkami martenzytu oraz austenitem jest koherentna – w jednym ziarnie austenitu powstaje
ogromna ilość płytkowych lub listwowych ziaren martenzytu,
przemiana jest atermiczna – wymaga ciągłego obniżania temperatury większa objętość M niż ),
(L.A. Dobrzański)
(R. Haimann)
Uproszczony schemat powstawania płytek martenzytu
w ziarnie austenitu – wielkość płytek zależy od wielkości
ziarna austenitu (martenzyt grubo- lub drobnoiglasty)
136
Schemat kolejnych stadiów zmiany sieci krystalicznej austenitu w sieć martenzytu wg Kurdiumowa i Sachsa,
a - graniastosłup skośny utworzony przez atomy leżące na płaszczyznach {111} w sieci RSC,
b - pod działaniem siły tnącej graniastosłup ulega wyprostowaniu,
c – graniastosłup prosty utworzony przez atomy sieci RPC leżące na płaszczyznach {110}
137
(L.A. Dobrzański)
(M.F. Ashby)
138
Kolejne fazy przemiany
martenzytycznej w miarę
chłodzenia między temperaturą
Ms a Mf
(B. Kuźnicka)
139
wzrost płytki martenzytu polega na wielokrotnym niejednorodnym ścinaniu,
realizowanym przez poślizg dyslokacji oraz bliźniakowanie
(jest to proces bardzo podobny do poślizgu dyslokacji i bliźniakowania podczas odkształcania plastycznego)
Relief na powierzchni – martenzyt w monokrysztale austenitu.(M.F. Ashby)
140
Dwa zasadnicze typy martenzytów w stalach (listwowy oraz płytkowy)
- listwy (szerokość 0,13m, stosunek wymiarów ok. 1:7:30),
- równoległe listwy tworzą tzw. pakiety,
- powstają w większości stopów żelaza,
- dominują przy mniejszych zawartościach węgla,
- płytki o kształcie zbliżonym do soczewek,
- dominują przy większych zawartościach węgla,
Schemat kryształów martenzytu płytkowegoa) całkowicie zbliźniaczonego
b) częściowo zbliźniaczonegoWpływ zawartości węgla na typ tworzącego się martenzytu
141
Martenzyt listwowy
(niskowęglowa stal niestopowa,
rdzeń stali nawęglanej)
(A. Krajczyk)
Martenzyt średnioiglasty
(stal o zawartości 0,4% C)
Martenzyt gruboiglasty (płytkowy)(stal wysokowęglowa)
(A. Krajczyk)
(ok. 700x)
(ok. 150x)
143Wpływ chłodzenia przerwanego na ilość
austenitu szczątkowego
(L.A. Dobrzański)
(R. Haimann)
przemiana martenzytyczna nie zachodzi zwykle do końca,
- temperatura Mf (martensite finish) ma charakter umowny,
po jej przekroczeniu pozostaje niewielka ilość austenitu
nieprzemienionego (austenit szczątkowy) – wszechstronnie
ściskanego płytkami martenzytu (o większej objętości niż austenit),
- ilość austenitu szczątkowego zależy od szybkości chłodzenia,
także przerwanie chłodzenia zwiększa jego ilość,
- duża ilość austenitu szczątkowego jest wykorzystywana w
nowych generacjach stali na karoserie samochodów (np. stale TRIP),
a
c
1. Martenzyt (przesycony węglem ferryt) charakteryzuje się zdeformowaną siecią RPC,
- deformacja tetragonalna (c a) tym większa im więcej węgla,
- tetragonalność jest wynikiem pewnego uporządkowania rozmieszczenia nadmiarowych atomów węgla
w obrębie komórki sieci tak aby wzrost F był jak najmniejszy,
(L.A. Dobrzański)
Wpływ zawartości węgla na przebieg przemiany oraz budowę i właściwości martenzytu(+)
145
2. Wpływ zawartości węgla na temperaturę początku i końca przemiany martenzytycznej,od ok. 0,40,5% C temperatura Mf znajduje się poniżej temperatury pokojowej,
dokończenie przemiany jest możliwe dopiero w temperaturach ujemnych (obróbka podzerowa)
- wzrost kosztów,
- niebezpieczeństwo wypaczeń lub pęknięć przedmiotów,
(R. Haimann)
(M. Blicharski)
146
Austenit nieprzemieniony oraz
niewielka ilość martenzytu płytkowego
- stal wysokowęglowa i wysokostopowa
- Ms nieznacznie przekroczona,
- Mf nisko w temperaturach ujemnych,
Martenzyt płytkowy wysokowęglowy
na tle austenitu nieprzemienionego
- stal wysokowęglowa niestopowa,
- Mf nie została osiągnięta,
- w grubych igłach martenzytu widoczne
płaszczyzny habitus (niezmienne)
(B. Kuźnicka)
(A. Krajczyk)
147
3. Wpływ zawartości węgla na właściwości martenzytu
duża twardość oraz nieodkształcalność (plastycznie) odpowiednio duża zawartość węgla
- umocnienie roztworowe silnie przesycony węglem roztwór stały (ferryt),
- umocnienie zgniotowe (wzrost gęstości dyslokacji) zgniot fazowy
(rezultat przyrostu objętości),
- umocnienie granicami ziaren ogromna ilość płytek martenzytu
zamiast jednego ziarna austenitu,
Twardość martenzytu
Umowna granica plastyczności martenzytu(E. Just)
(P.G. Winchel, M. Cohen)
148
Charakterystyczne cechy przemiany martenzytycznej w stopach żelaza z węglem:
bezdyfuzyjna, atermiczna, w stalach nieodwracalna – wymaga ciągłego chłodzenia między Ms oraz Mf ,
polega na skoordynowanym przemieszczeniu atomów bez zmiany sąsiedztwa,
zachodzi przez ścinanie wg mechanizmu poślizgu lub bliźniakowania,
produktem przemiany jest martenzyt listwowy lub płytkowy o własnościach zależnych od zawartości węgla
oraz o objętości właściwej większej od objętości austenitu,
pomiędzy sieciami austenitu i martenzytu zachowana jest ścisła zależność orientacji,
zwykle nie zachodzi całkowicie (do końca) – pozostaje niewielka ilość ściśniętego austenitu szczątkowego,
wolne chłodzenie lub izotermiczne wytrzymywanie (między Ms oraz Mf) stabilizuje austenit zwiększając
ilość austenitu szczątkowego,
Martenzyt średnio- i wysokowęglowy (twardy i odporny na ścieranie) był od dawna wykorzystywany:
- w narzędziach,
- na powierzchni części maszyn narażonych na ścieranie,
- jako struktura wyjściowa do dalszej obróbki cieplnej sprężyn i części maszyn.
Ostatnio również w niskowęglowych stalach konstrukcyjnych (ciągliwych, łączonych spawaniem lub
zgrzewaniem) wykorzystuje się wysoką wytrzymałość i granicę plastyczności martenzytu, np. stale DP
(ferryt + martenzyt) na karoserie samochodowe.Bezdyfuzyjna przemiana typu martenzytycznego występuje:
- w wielu metalach i ich stopach, np. metale z pamięcią kształtu (przemiana odwracalna),
- w materiałach ceramicznych, np. zawierających cyrkonię (ZrO2),
- w polimerach i materiałach biologicznych, np. niektórym bakteriom zmiana kształtu pomaga wbić się w
skórę,
149
Przemiana bainityczna
przemiana w pośrednim zakresie temperatur, między Tm (ok. 550 C) oraz MS (ok. 200 C),
- charakter bezdyfuzyjno-dyfuzyjny przemiany:
- zbyt mała ruchliwość atomów Fe bezdyfuzyjna (jak martenzytyczna) przebudowa sieci A1 A2,
- wystarczająca ruchliwość atomów C w austenicie lub w powstałym iglastym przesyconym ferrycie
krystalizują drobne, cienkie blaszki Fe3C lub Fe2,6C (węglik )
mieszanina iglastego, przesyconego ferrytu oraz
drobnych, nieciągłych, płytkowych wydzieleń Fe3C
lub węglika (w niższych temperaturach)
od temperatury przemiany zależą:
- przesycenie ferrytu,
- przebieg przemiany,
- morfologia struktury,
- umownie wyróżniamy:
- bainit górny (Tm 350 C),
- bainit dolny (350°C MS)
ogólny schemat przebiegu przemiany bainitycznej,
„przygotowanie” do przemiany
(rozsegregowanie atomów C)
bainit (końcowe produkty przemiany) (L.A. Dobrzański)
(-+)
151
powstawanie bainitu górnego Fe3C
- listwy (płytki) ferrytu o szerokości ok. 0,5 m, między którymi
znajduje się cementyt,
- płytki ferrytu mogą się poszerzać i wydłużać,
- krótkie płytki cementytu mają takie ukierunkowanie
jak iglaste płytki ferrytu,
- struktura ma często charakter pierzasty
(igły ferrytu wyrastają od granic ziaren austenitu)
powstawanie bainitu dolnego
TEM
- wzrost cząstek węglików (Fe3C lub ) zachodzi wewnątrz
płytek ferrytu bainitycznego (pod kątem 55 do osi płytek),
- ferryt bainityczny, coraz bardziej przesycony węglem,
staje się podobny do martenzytu,
- igły są nachylone do siebie pod kątami 60 i 120 ,
powstają nie tylko przy granicach ale i wewnątrz ziarn,
- zwiększa się ilość austenitu szczątkowego,
- bainit dolny trawi się silniej (ciemniejszy) niż martenzyt
(obecność w igłach ferrytu cząstek drugiej fazy),
Martenzyt
Bainit dolny
(A. Krajczyk)(R. Haimann)
(M. Blicharski)
(przesycenie węglem, rozdrobnienie zależą od T)
(+)
(L.C. Chang, H.K.D.H. Bhadeshia)
153
Charakterystyczne cechy przemiany bainitycznej:
wykazuje okres inkubacji, podczas którego następują dyfuzyjne zmiany zawartości węgla w mikroobszarach ,
zarodkuje w mikroobszarach uboższych w węgiel oraz rośnie według atermicznej przemiany martenzytycznej,
wzrost bainitu kontrolowany jest dyfuzją węgla (zależną od temperatury),
w mikroobszarach bogatszych w węgiel wydzielają się węgliki,
mechanizm przebiegu przemiany zależy od temperatury (bainit górny i dolny),
produktem przemiany jest mieszanina: niskowęglowego, częściowo przesyconego ferrytu o dużej gęstości
dyslokacji (ferryt bainityczny) oraz cementytu lub węglika w postaci drobnych płytkowych wydzieleń,
ferryt bainityczny wykazuje określoną względem austenitu orientację,
Właściwości bainitu:
bainit górny – struktura ogólnie niekorzystna:
- wytrzymałość oraz twardość (ok. 45 HRC) podobna do drobnopłytkowych struktur perlitycznych,
- ciągliwość jest gorsza (szczególnie pierzastego) – iglasty przesycony ferryt z Fe3C na granicach igieł,
bainit dolny – struktura często wykorzystywana:
- wytrzymałość oraz twardość (ok. 55 HRC) wyższa niż struktur perlitycznych,
- ciągliwość lepsza niż bainitu górnego,
- morfologia oraz właściwości praktycznie identyczne jak martenzytu odpuszczonego w niskich temperaturach,
154
Przemiany podczas odpuszczania(przemiany dyfuzyjne po podgrzaniu zahartowanej na martenzyt stali)
● struktura wyjściowa: martenzyt hartowania - MH (przesycony ferryt tetragonalny + austenit szczątkowy)
- fazy metastabilne trwałe w temperaturze pokojowej zamrożenie ruchliwości atomów C oraz Fe,
- struktura nie stosowana w praktyce wysokie naprężenia własne, brak ciągliwości, kruchość,
● żądany zespół właściwości uzyskujemy po wygrzaniu (odpuszczaniu) w wybranej temperaturze (poniżej A1),
- podwyższenie temperatury reaktywacja dyfuzji atomów C zmiany struktury zmiany właściwości,
Wykres odpuszczania stali 0,35% C Wykres odpuszczania stali 0,45% C(L.A. Dobrzański)
(R. Haimann)
155
● przemiany odpuszczania można badać i śledzić różnymi metodami:
- zmiany długości próbki (krzywe dylatometryczne) – największe znaczenie dydaktycznie,
- zmiany twardości (metoda prosta, często stosowana w praktyce),
(zmiany długości L mierzone są po ochłodzeniu próbek) Temperatura odpuszczania
156
I stadium – do ok. 200°C (początek wyraźnych zmian zależy od zawartości węgla),
● 80 (100)°C - przegrupowanie atomów C w martenzycie (bez tworzenia węglików),
początek relaksacji naprężeń,
● ok. 80 200°C, - powstają węgliki przejściowe o dużej dyspersji,
- płytki (koherentne z tetragonalnym ferrytem),
- heksagonalny węglik (Fe2,4C),
- wg ostatnich badań - rombowy węglik (Fe2C),
- maleje przesycenie ferrytu (do ok. 0,2%C),- maleje tetragonalność ferrytu,- maleją naprężenia (mniejsze przesycenie + relaksacja), - gęstość i rozmieszczenie dyslokacji pozostaje (przeszkadza węglik ),- austenit szczątkowy pozostaje,
● struktura: martenzyt odpuszczania
(mieszanina lekko przesyconego iglastego ferrytu + koherentne wydzielenia węglika + austenit
szczątkowy),- morfologia i właściwości podobne do bainitu dolnego,
(Modp trawi się silniej niż MH)
● właściwości:- Rm , R0,2 , HRC nadal wysokie (prawie bez zmian)
(malejące umocnienie roztworowe zastępowane przez nowe umocnienie wydzieleniowe)
- ciągliwość (K, A, Z) nadal niewielka ale zdecydowanie wyższa niż martenzytu hartowania (MH ),
157
II stadium – ok. 200 - 300°C (objętość rośnie zanika austenit szczątkowy),● przemiana austenitu szczątkowego (przemiana podobna do powstawania bainitu dolnego),
● produkty rozpadu sz są identyczne jak w przypadku rozpadu martenzytu hartowania w I stadium,
● struktura: nadal nazywana martenzytem odpuszczania
(mieszanina jeszcze mniej przesyconego iglastego ferrytu + koherentne wydzielenia węglika ),
● właściwości:
- Rm , R0,2 , HRC - lekko maleją (wyższa temperatura, mniej przesycony ferryt, mniejsza dyspersja węglika )
- rosną ale z niższego poziomu, gdy austenitu szczątkowego było dużo (nie osiągnięta Mf ),
- udarność (K) - od ok. 250°C zaczyna spadać (nieodwracalna kruchość odpuszczania) spowodowana
przypuszczalnie prawie ciągłą otoczką węglika wzdłuż byłych granic ziaren austenitu,
Wpływ temperatury odpuszczania na
udarność stali niestopowej (0,42%C)
(ASM Handbook, T.4 – 1991)
158
III stadium – ok. 300 - 400°C (objętość maleje zanika przesycenie ferrytu, zarodkuje cementyt),● reszta nadmiaru węgla wydziela się z ferrytu,
● zarodkuje cementyt oraz rośnie w postaci ziarenek (niedostrzegalne mikroskopem optycznym),
- zarodkowanie cementytu w ferrycie (wykorzystanie nadmiaru C w ferrycie),
- przekształcenie płytek węglika w ziarenka cementytu (przemiana węglikowa „in situ”),
- cementyt ma mniejszą F oraz zanika koherencja węglika w regularnym już ferrycie,
● struktura: troostyt odpuszczania (martenzyt średnio odpuszczony)
(mieszanina iglastego, pomartenzytycznego ferrytu + niekoherentne ziarenka cementytu),
- struktura trawi się silnie i szybko ciemnieje, cementyt ziarnisty (zbyt drobny dla mikroskopu optycznego)
● właściwości:
- Rm , R0,2 , HRC - szybko maleją
(wartości jednak nadal dość wysokie),
- ciągliwość (K, A, Z) – wolno rośnie
(wartości jednak nadal dość niskie),
(R. Haimann)
159
troostyt odpuszczania
stal średniowęglowa (ok. 04%C)
(A. Krajczyk)
160
IV stadium – ok. 400°C A1 (koagulacja cementytu oraz rekrystalizacja zgniotu fazowego),
● ziarenka cementytu koagulują – stają się widoczne przy powiększeniach mikroskopu optycznego ( 500x),
● nieprzesycony ferryt do temperatury ok. 650°C zachowuje iglasty pomartenzytyczny kształt,
- ruch granic ferrytu (rekrystalizacja) jest blokowany wydzieleniami drobnego cementytu,
- zgniot fazowy podlega tylko procesom zdrowienia,
● powyżej ok. 650°C następuje ruch granic szerokokątowych – rosną nowe równoosiowe ziarna ferrytu,
- ruch granic ferrytu umożliwia dopiero odpowiednio wysoki stopień koagulacji cementytu,
● struktura:
- do ok. 650°C sorbit odpuszczania (martenzyt wysoko odpuszczony)
(mieszanina iglastego, pomartenzytycznego ferrytu + skoagulowane ziarenka cementytu),
-powyżej 650°C sferoidyt - po długotrwałym wyżarzaniu
(mieszanina kulkowego cementytu na tle zrekrystalizowanego ferrytu)
● właściwości sorbitu odpuszczania (optymalne skojarzenie wytrzymałości oraz ciągliwości):
- parametry wytrzymałościowe (Rm , R0,2 ) – zdecydowanie wyższe niż dla stanu przed hartowaniem,
- ciągliwość (K, A, Z) – nie gorsza a najczęściej wyższa niż dla stanu wyjściowego (przed hartowaniem),
- twardość (ok. 2335 HRC) umożliwia jeszcze stosunkowo łatwe skrawanie,
● sorbit odpuszczania jest najczęściej stosowaną strukturą w częściach maszyn,
161
sorbit odpuszczania
(stal niskostopowa 0,4%C)
cementyt
(A. Krajczyk)700x
1400x
162
sorbit odpuszczania
(stal niestopowa 0,25%C)
(A. Krajczyk)150x
600x
cementyt
163
(A. Krajczyk)
(H.K.D.H. Bhadeshia)
sferoidyt (160-250) HB
(na przykładzie stali narzędziowych, ok. 1%C)
po wyżarzaniu zmiękczającym - tuż poniżej A1,
(bez hartowania)
cementyt
TEMpo hartowaniu oraz odpuszczaniu w 700°C
164
Wybrane zagadnienia technologii obróbki cieplnej1. Temperatury nagrzewania przed hartowaniem stali.
● stale przedeutektoidalne: 30 (h. w wodzie) 50 (h. w oleju) °C nad A3 ,
● stale zaeutektoidalne: 30 (woda) 50 (olej) °C nad A1 (w celu uniknięcia dużej ilości sz )
- ale wcześniej odpowiednia postać Fe3CII (najlepiej sferoidyt),
- unikamy konieczności usuwania sz co wiązałoby się z obniżeniem twardości,
- mniejsze naprężenia własne (niższa temperatura),
- Fe3CII podwyższa odporność na ścieranie,
Twardość zahartowanej stali: a) twardość martenzytu,
b) hartowanie znad Acm ,
c) hartowanie znad A1 ,(R. Haimann)
165
prawidłowa struktura stali
zaeutektoidalnej po OC
(twarda i odporna na ścieranie po
hartowaniu znad A1 oraz
odpuszczaniu niskim (do 250°C)
300x
1200x
Fe3CII
(A. Krajczyk)
166
2. Sposoby hartowania objętościowego.
● problemem jest różnica temperatur powierzchni i rdzenia naprężenia cieplne +
naprężenia po przemianie martenzytycznej,
Schemat hartowania zwykłego. (M. Blicharski)
- duże naprężenia cieplne (I rodzaju) + naprężenia
wynikające z przemiany martenzytycznej (II i III rodzaju),- przedmioty o nieskomplikowanym kształcie,
- zaletą jest prostota i łatwa możliwość mechanizacji,- można zastosować podchładzanie (początkowe
chłodzenie na powietrzu) – hartowanie z podchładzaniem,
Schemat hartowania w dwóch ośrodkach
(hartowanie przerywane)- przedmiot wyjmuje się z wody gdy powierzchnia
ma ok. 300°C i przenosi do oleju,- wadą jest trudność ustalenia czasu przeniesienia, - zaletą są mniejsze naprężenia własne,
167
Schemat hartowania stopniowego.- oziębianie przedmiotów w stopionych solach ( MS),
- pozwala uniknąć naprężeń cieplnych (I rodzaju),
- wadą jest mała intensywność chłodzenia kąpieli,
wymagająca stali o większej hartowności,
Schemat hartowania izotemicznego (bainitycznego)- w wielu stalach jedyny sposób uzyskania struktury
bainitycznej, - mniejsze naprężenia własne,
- wyższa ciągliwość,
- mniej austenitu szczątkowego,
- najczęściej nie wymaga odpuszczania,
- wadą jest mała intensywność chłodzenia kąpieli,
wymagająca stali o większej hartowności,
168
3. Hartowność oraz sposoby jej oznaczania.● hartowność – ogólnie: zdolność materiału do utwardzania się w głąb w wyniku oziębiania,
- dla stali: zdolność do tworzenia struktury martenzytycznej podczas chłodzenia od temperatury
austenityzowania (miarą hartowności jest grubość warstwy zahartowanej) – PN-93/H-01200,
● o właściwościach stali w stanie zahartowanym decydują dwie cechy:
- utwardzalność – podatność stali na hartowanie mierzona maksymalną twardością po hartowaniu,
- warunki austenityzowania (temperatura różna dla stali przed- oraz zaeutektoidalnych),
- stężenia węgla w austenicie,
- obecność oraz stężenie dodatków stopowych,
- hartowność (używa się też określenia „przehartowalność”) - zależy od:
- składu chemicznego ( rośnie z zawartością C oraz pierwiastków stopowych – główny cel ich stosowania),
- wielkości ziaren (im większe ziarna tym większa hartowność – tego nie wykorzystujemy !!),
- jednorodności austenitu (im bardziej jednorodny tym większa hartowność),
- obecności nierozpuszczonych faz (obniżają hartowność ułatwiają zarodkowanie i przemiany dyfuzyjne).
● hartowność jest głównym kryterium doboru stali, np. maszynowych, sprężynowych, narzędziowych,
- wysoka hartowność (kosztowna dodatki stopowe) jest konieczna gdy:
- przedmiot ma tak skomplikowany kształt, że musi być wolno chłodzony przy hartowaniu,
- chcemy zahartować przedmiot odpowiednio głęboko,
169
● na przekroju hartowanego pręta występują różne prędkości chłodzenia,
- miarą głębokości pełnego zahartowania jest krytyczna szybkość hartowania (vkr),- parametr ten (vkr) jest zbyt trudny do wykorzystania w praktyce,
- dla ułatwienia wprowadzono pojęcie średnicy krytycznej
(opracowano proste i powtarzalne metody jej wyznaczania),
vrdzenia
vkrvpow
Wpływ zawartości węgla na
krytyczną szybkość hartowania,
vpowierzchni
v vkr
vkr
vrdzenia (v vkr)
strefa
zahartowana
na martenzyt
strefa
zahartowana
na martenzyt
strefa
niezahartowana
całkowicie
170
● chłodzone pręty ze stali o małej, średniej oraz dużej hartowności,
-średnica krytyczna Dn
- średnica pręta zahartowanego w określonych warunkach chłodzenia,
- w osi pręta struktura składa się z n % martenzytu, np. D50 , D80 , D99,9 ,
średnica krytyczna D100
(L.A. Dobrzański)
171
● najłatwiej określić głębokość, na której występuje 50% martenzytu (D50 )
- metodą pomiaru twardości,
- poprzez obserwacje mikroskopowe,
strefa półmartenzytyczna
Wpływ zawartości węgla na twardość strefy
półmartenzytycznej w stalach.
Dla części silnie obciążonych, w których strefa
półmartenzytyczna w rdzeniu jest niedopuszczalna
można określać strefy o większej zawartości martenzytu,
wykorzystując odpowiednie wykresy doświadczalne.
172
● przykład wyznaczania średnicy krytycznej D50 metodą krzywych U,
- metoda historyczna, pracochłonna (nie stosowana obecnie w praktyce),
Krzywe rozkładu twardości na przekroju prętów o różnej średnicy
(stal 0,3% C oraz 3% Ni, hartowana w wodzie)
173
● średnica krytyczna Dk (najczęściej jako D50) dotyczy określonego ośrodka chłodzącego wraz z
określoną intensywności poruszania w tym ośrodku (H)
● wprowadzono pojęcie idealnej średnicy krytycznej D w idealnym ośrodku chłodzącym (H =)
(miara hartowności niezależna od warunków chłodzenia jako umowny poziom odniesienia)
Uproszczony schemat nomogramu, np. do określania idealnej średnicy krytycznej
lub średnic krytycznych w różnych ośrodkach (według Grossmana)
H – współczynnik
intensywności
chłodzenia
174
● szczegółowa zależność miedzy idealnymi (D ) oraz rzeczywistymi (Dk ) średnicami krytycznymi
H – współczynnik
intensywności
chłodzenia
Idealna średnica krytyczna D , mm
Hartowność stali:
mała D 50 mm,
średnia D = 5080 mm,
duża D = 80150 mm,
bardzo duża D 150 mm,
175
● określanie hartowności metodą chłodzenia od czoła – metoda Jominy’ego,- znormalizowane urządzenie, próbka oraz warunki próby powtarzalność i dokładność wyników,
- założono, że szybkość chłodzenia w określonych odległościach od czoła jest jednakowa dla
większości stali niestopowych oraz niskostopowych o średnich wartościach vkr
- wynikiem próby jest krzywa hartowności, tzn. zależność: HRC = f (odległości od czoła),- twardość HRC mierzona na zeszlifowanej powierzchni bocznej próbki (wzdłuż tworzącej walca),
1 - zbiornik z wodą,
2 - wanna,
3 - zawór,
4 - dysza wodna,
5 - przesłona,
6 - uchwyt próbki,
7 - próbka
(L.A. Dobrzański)
176
● przykładowe krzywe i pasma hartowności wyznaczone w próbie Jominy’ego
- optymalne wykorzystanie danej stali w konkretnym przedmiocie wymaga kontrolnych badań zakupionej
partii stali lub zamawiania u producenta wąskiego pasma hartowności dodatkowe koszty,
D = 55 mm D = 130 mm
21 2,7
Pasmo hartowności dla stali 35HM (35CrMo4)
Schemat wyznaczania szybkości chłodzenia w
strefie półmartenzytycznej D oraz D50 (z nomogramów),
- jak optymalnie wyznaczyć D oraz D50 ?!
177
● wpływ ilości martenzytu w środku przekroju na właściwości części maszyn,
● niejednorodna struktura na przekroju (za mało martenzytu):
- mniejsza wytrzymałość zmęczeniowa,
- mniejsza ciągliwość (udarność),
nieprawidłowa struktura dla części
silnie i bardzo silnie obciążonych,
Twardość zahartowanej stali przy różnym
udziale martenzytu w zależności od % C.
Nomogram do określania krytycznych średnic idealnych
dla różnych udziałów martenzytu w środku pręta.
(wg J.M. Hodge’a i M.A. Orehoskiego) (R. Haimann)
178
4. Odpuszczanie zahartowanej stali.● zabieg odpuszczania wykonujemy niezwłocznie po hartowaniu (maksymalnie 0,53 godz.),
- dla zapobieżenia pękaniu (tym szybciej im więcej węgla),
● temperaturę odpuszczania dobiera się zależnie od planowanych własności przedmiotu,
● czas odpuszczania wynosi zwykle 12,5 godz. (możliwie krótki ze względów ekonomicznych),
- w praktyce na każde 25 mm wymiaru przekroju przyjmuje się 1 godzinę odpuszczania,
● temperatura oraz czas odpuszczania są parametrami częściowo zamiennymi,
- korzystniejszy jest dłuższy czas odpuszczania w niższej temperaturze (dla tej samej twardości),
- zysk na ciągliwości oraz jednorodności właściwości,
- stratą jest wzrost kosztów zabiegu,
Wpływ czasu i temperatury odpuszczania na twardość stali 0,82% C, 0,75% Mn (wg Baina)
179
● odpuszczanie niskie: 150250 °C - martenzyt odpuszczania (zwykle 5863 HRC)
- zmniejszenie naprężeń hartowniczych (poprzez zmianę struktury oraz relaksację naprężeń),
- zachowanie wysokiej twardości i wytrzymałości (Rm , R0,2 ) ale bardzo mała ciągliwość (K),- zastosowanie: gdy wymagamy dużej twardości i odporności na ścieranie oraz godzimy się na
niewielką ciągliwość,
(narzędzia, łożyska toczne, przedmioty po nawęglaniu, hartowaniu powierzchniowym itp.)
● odpuszczanie średnie: 350500 °C - troostyt odpuszczania (zwykle 4050 HRC)
- zapewnia wysoką jeszcze wytrzymałość (Rm , R0,2 , Rspr ),
- wzrost ciągliwości (K, Z, A) nie jest duży ale często już zadowalający,
- zdecydowane zmniejszenie twardości ale jeszcze trudna skrawalność,
- zastosowanie: gdy wymagamy znacznej granicy sprężystości oraz godzimy się na małą ciągliwość,
np. elementy sprężyste,
gdy narzędzie powinno mieć podwyższoną ciągliwość ale nie musi być ostre,
np. narzędzia pneumatyczne, matryce itp.)
● odpuszczanie wysokie : 500650 °C - sorbit odpuszczania (zwykle 2335 HRC)
- najlepsze skojarzenie własności wytrzymałościowych oraz ciągliwości,
● Rm , R0,2 - zwykle o 3050% wyższa niż w stanie wyjściowym (po normalizowaniu),
● udarność (K) – zwykle o 2050% wyższa niż w stanie wyjściowym (po normalizowaniu),
● twardość umożliwia już stosunkowo łatwe skrawanie,
- hartowanie + wysokie odpuszczanie nosi odrębną nazwę: „ulepszanie cieplne”,
- zastosowanie: powszechne do przedmiotów ze stali maszynowych średniowęglowych,
180
5. Rodzaje wyżarzania.● podstawowym celem jest zmiana struktury zmiana właściwości !!,
(R. Haimann)
181
● wyżarzanie zupełne oraz normalizujące (normalizowanie)
- identyczne temperatury nagrzewania (3050 K nad A3 lub Acm), różna szybkość chłodzenia,
● wyżarzanie zupełne stali przedeutektoidalnych,- chłodzenie: bardzo wolne (zwykle z piecem),
- zmiany struktury:
- uzyskanie struktury równowagowej, ujednolicenie struktury na przekroju przedmiotu,
- zwykle pewne rozdrobnienie ziarna ferrytu dwukrotne przekrystalizowanie,
- zmniejszenie dyspersji perlitu (większa odległość między płytkami),
-zmiany właściwości:
- obniżenie twardości oraz wytrzymałości (Rm , Re ), zmniejszenie naprężeń własnych,
- polepszenie ciągliwości (K, Z, A),
- podwyższenie obrabialności,
- zastosowanie: po walcowaniu lub kuciu (stan: wyżarzony), odlewy (usuwanie struktury Widmannstättena)
● wyżarzanie normalizujące stali przedeutektoidalnej),
- chłodzenie: stosunkowo szybkie (w spokojnym powietrzu),
- zmiany struktury:
- uzyskanie struktury nierównowagi (ale w zakresie przemian dyfuzyjnych),
- silne rozdrobnienie ziarna ferrytu (większe przechłodzenie T LZ),
- zwiększenie dyspersji perlitu (rośnie twardość),
- zwiększenie ilości perlitu (quasi-eutektoid) oraz zmniejszenie ilości ferrytu
(struktura stali „udaje” większą zawartość węgla),
- zmiany właściwości:
- podwyższenie twardości oraz wytrzymałości (Rm , Re ) – główny cel,
- zwykle tylko niewielkie obniżenie ciągliwości (K, Z, A) przeciwdziała drobne ziarno ferrytu,
- pogorszenie obrabialności,
- zastosowanie:
- w hutach (stan dostawy: normalizowany) – odkuwki, odlewy, wyroby płaskie, długie itp.,
- często obróbka poprzedzająca hartowanie,
182
● w stalach zaeutektoidalnych:
- wyżarzanie zupełne prowadzi do siatki Fe3CII praktycznie nie stosowane,
- normalizowanie,
- pozwala zgubić siatkę Fe3CII (quasi-perlit o większej zawartości węgla),
- utrudnia obrabialność (twardość do 45 HRC) rzadko stosowane, Rm, Rp 0,2
[MN m-2]
1000
800
600
400
200
00,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Zawartość węgla, %
K
[ J]140
120
100
80
60
40
20
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
20
40
60
A [%]
(K)
Zawartość węgla, %
Właściwości stali po
wyżarzaniu zupełnym oraz
normalizowaniu
(B. Kuźnicka)
183
Stal niestopowa (0,05% C)
wyżarzanie zupełne
(stan równowagi)
wyżarzanie normalizujące
(rozdrobnienie ziarna oraz
wzrost udziału quasi-perlitu)
(A. Krajczyk)
184
Stal niestopowa (0,4% C)
wyżarzanie zupełne
wyżarzanie normalizujące
(A. Krajczyk)
185
Typowe wadliwe struktury stali przedeutektoidalnej
Stal 0,2% C - pasmowość (segregacja dendrytyczna przy
krzepnięciu + walcowanie na gorąco + wolne chłodzenie)
Stal 0,15% C - struktura Widmannstättena
(przegrzanie duże ziarno + szybkie chłodzenie ale przemiany dyfuzyjne)
+ w
yża
rzan
ieStal 0,2% C - po normalizowaniu (usuwanie wad struktury)
- usuwania wadliwych struktur:
- wyżarzanie zupełne lub normalizujące,
- często stosuje się wyżarzanie podwójne:
- najpierw zupełne (w ok. 50°C wyższej temp.)
- następnie normalizowanie (rozdrobnienie ziaren)
186
Stal 0,15% C - struktura Widmannstättena (nieregularne
wydzielenia ferrytu na granicach ziaren austenitu oraz iglasty
ferryt wewnątrz ziaren austenitu)Pasma ferrytu i perlitu jako wynik segregacji dendrytycznej
187
Stal wysokostopowa (Cr+Ni)
odporna na korozję
(struktura ferrytyczno-austenityczna)
pasmowość
(L. Mroczkowski)
pow. mikroskopu 400x
struktura Widmannstättena
(SWC złącza spawanego)
iglasty austenit
188
● wyżarzanie sferoidyzujące ( często nazywane zmiękczającym)
● teoretycznie dostatecznie długie wygrzewanie
w temperaturze tuż poniżej A1
(Fe3C przyjmie postać kulistą – energetycznie korzystniejszą)
● w praktyce nagrzanie stali do temperatury tuż nad AC1
oraz wykorzystanie niejednorodnego austenitu z cząstkami
nierozpuszczonego Fe3C,
- wygrzewanie w temperaturze 1030°C nad AC1 ,
- wolne chłodzenie ( 10 K/s) w zakresie przemiany
perlitycznej (aby odpowiednio duże sferoidy Fe3C),
● stosowane są różne sposoby skrócenia czasu zabiegu:
- wyżarzanie wahadłowe,
- wyżarzanie z przemianą izotermiczną,
● zastosowanie:
- obowiązkowe dla stali zaeutektoidalnych (już w hutach),
- polepszenie skrawalności,
- najwłaściwsza struktura przed hartowaniem,
(stale narzędziowe, łożyska toczne itp. )Diagramy wyżarzania sferoidyzującego:
a – z powolnym chłodzeniem,
b – wahadłowego,
c – z przemianą izotermiczną,
189
Schemat zmian struktury podczas
wyżarzania sferoidyzującego stali eutektoidalnej
sferoidyzacja niezupełna
Stal 0,8%C - perlit płytkowy
sferoidyzacja pełna
(A. Krajczyk)
190
Stal 0,3%C po wyżarzaniu
sferoidyzującym (zmiękczającym)
(R.F. Cochrane, University of Leeds)
191
● wyżarzanie ujednoradniające
Przed wyżarzaniem:
mikrosegregacja dendrytyczna
(nadstop tytanu stosowany na implanty)
Po wyżarzaniu:
jednorodne ziarna roztworu stałego
192
● wyżarzanie rekrystalizujące- celem jest usunięcie skutków odkształcenia plastycznego na zimno,
- skutkiem są drobne ziarna, przywrócenie pierwotnej plastyczności,
Przed wyżarzaniem Po wyżarzaniu(B. Kuźnicka)
193
194
Obróbka powierzchniowa(ograniczamy się do obróbki mającej na celu utwardzenie powierzchni)
- stosowana wówczas, gdy od przedmiotu wymagamy wysokiej twardości i odporności na ścieranie
oraz jednocześnie zapewnienia odpowiednio wysokiej ciągliwości (udarności) przedmiotu,
– jest to niemożliwe do spełnienia poprzez klasyczne hartowanie objętościowe oraz odpuszczanie,
- zrealizowanie tych pozornie sprzecznych celów umożliwia obróbka powierzchniowa:
- hartowanie powierzchniowe – najtańsze ale nie umożliwiające idealnego spełnienia celów,
- obróbka cieplno-chemiczna – droga ale umożliwiająca osiągnięcie założonych wymagań,
(nawęglanie, azotowanie, borowanie itp. )
● hartowanie powierzchniowe,- ideą jest osiągnięcie jak najwyższej twardości oraz odporności na ścieranie na powierzchni oraz
zachowanie odpowiednio ciągliwego rdzenia,
- ciągliwy rdzeń zapewnia struktura stali przedeutektoidalnej, zwykle 0,350,5% C,
- stan po normalizowaniu (najczęściej stosowany – struktura ferrytyczno-perlityczna),
- stan po ulepszaniu cieplnym (struktura sorbitu odpuszczania), - powierzchnia, po hartowaniu oraz niskim odpuszczaniu, zwykle 200°C
(ale twardość i odporność na ścieranie właściwa dla wybranej zawartości węgla),
- zabieg polega na szybkim nagrzaniu do struktury austenitu tylko warstwy powierzchniowej
przedmiotu oraz następnie szybkim chłodzeniu (vvkr),
195
grubość warstwy zahartowanej warunki pracy,
- najczęściej 1,53,0 mm,
- przy dużych naciskach miejscowych (45 mm),
- bardzo duże naciski (nawet 1015 mm),
- ale nie więcej niż ok. 20% pola przekroju,
Przykładowy zakres temperatur hartowania (dla stali C35)
Rzeczywisty rozkład twardości w warstwie
powierzchniowej (dla stali C45 zahartowanej indukcyjnie).
196
● hartowanie płomieniowe(produkcja małoseryjna, przedmioty o dużych rozmiarach)
- powierzchni płaskichgaz
woda
chłodząca
powierzchnia
hartowana
- powierzchni walcowych powierzchnia hartowana
płomień
woda chłodząca
197
Przykłady profili warstw zahartowanych płomieniowo
KołaKoła zębate Koła pasowe Tuleje
(B. Kuźnicka)
198
● hartowanie indukcyjne(stosowane w produkcji wielkoseryjnej – wysoki koszt urządzenia, indywidualne wzbudniki, kosztowne badania)
prądy wirowe indukowane w przedmiocie
płyną jedynie w cienkiej warstwie powierzchniowej
(w przypadku prądów o wielkiej częstotliwości)
Schemat nagrzewania indukcyjnego wałka (2)
we wzbudniku jednozwojowym (1).
- grubość warstwy nagrzanej regulowana jest częstotliwością prądu (f):
fμ
ρKg
g – grubość warstwy zahartowanej
K – stała proporcjonalności
- rezystywność stali
- przenikalność magnetyczna stali
f – częstotliwość prądu
199
● przykłady struktur przedmiotów hartowanych powierzchniowo
stal 0,4% C,
normalizowana
przed zabiegiem
ferryt + quasi-perlit
(w rdzeniu)
martenzyt odpuszczania
(na powierzchni)stal 0,6% C,
ulepszana cieplnie
przed zabiegiem
martenzyt odpuszczania
z austenitem szczątkowym
(na powierzchni)
sorbit odpuszczania
(w rdzeniu)
200
-przykład hartowania powierzchniowego
stali z pasmowością,
- miękkie plamy nierozpuszczonych
pasmowych skupisk ferrytu,
(temperatura austenityzowania była prawidłowa dla
uśrednionej zawartości węgla – nie uwzględniono
pasmowości)
-przykład hartowania powierzchniowego
żeliwa sferoidalnego, martenzyt odpuszczania
(na powierzchni)
struktura perlityczno-ferrytyczna
(w rdzeniu)
201
● hartowanie laserowe- wiązka z lasera może być łatwo kierowana nawet w trudno dostępne miejsca przedmiotu,
- specjalne systemy soczewek oraz zwierciadeł (przesuwanych, obracanych, drgających)
- grubość warstwy zahartowanej może być dokładnie regulowana oraz może być bardzo cienka (np. 0,2 mm)
wiązka laserowa
zwierciadło skupiające
zwierciadło miedziane
nagrzewana
powierzchnia
- przykładem nietypowych zastosowań jest hartowanie powierzchniowe gotowych narzędzi
(narzędzia wcześniej zahartowane, odpuszczone oraz zaostrzone)
- rośnie twardość powierzchniowa (o 1015%) wskutek bardzo drobnoiglastego martenzytu hartowania
(o grubości np. ok. 0,2 mm),
202
- przykłady praktycznie nieograniczonych możliwości hartowania laserowego
zwierciadło
pierścień
nagrzewany
promień
pierścieniowy
przedmiot
stożkowe
zwierciadło
miedziane
laser
utwardzany pierścień
wewnętrzny (B. Kuźnicka) (R. Haimann)
203
Obróbka cieplno - chemiczna stali- dyfuzyjna zmiana składu chemicznego oraz struktury i właściwości warstwy powierzchniowej,
- odporność na ścieranie,
- odporność korozyjna i erozyjna,
- odporność na zmęczenie,
- własności fizyczne powierzchni,
Podział metod obróbki
cieplno-chemicznej.
(L.A. Dobrzański)
204
trzy główne procesy fizyko-chemiczne zachodzące jednocześnie:
- powstawanie aktywnych atomów w środowisku otaczającym przedmiot (różne reakcje chemiczne),
- adsorpcja atomów na powierzchni przedmiotu (wynik przyciągania przez atomy z przedmiotu),
- dyfuzja zaadsorbowanych atomów w głąb przedmiotu (wędrówka atomów w sieci krystalicznej),
-mechanizmy dyfuzji w ciałach krystalicznych:
- międzywęzłowy,
- wakansowy,
- prosta lub pierścieniowa wymiana miejsc,
- wzdłuż granic ziarn lub dyslokacji,
- relaksacyjny (wzdłuż stref o rozluźnionej strukturze),międzywęzłowy wakansowy wymiana miejsc
Schemat reakcji zachodzących podczas obróbki. Metody obróbki - stan ośrodka nasycającego dyfuzyjnie.
(L.A. Dobrzański)
205
nawęglanie
- uzyskanie twardej i odpornej na ścieranie powierzchni,
- zachowanie rdzenia o dobrej ciągliwości,
- przedmiot hartowany objętościowo + nisko odpuszczany,
- powierzchnia nawęglana do zwykle 0,85÷1,1% C,
- więcej węgla problemy unikania siatki Fe3CII lub n ,
- rdzeń zwykle < 0,25% C (martenzyt jeszcze ciągliwy),
- własności zależą od ilości C, temperatury hartowania oraz
głębokości zahartowania,ośrodek stały,
stal C10
ośrodek gazowy,
stal C10
Przykładowy rozkład zawartości węgla
oraz twardości po hartowaniu i niskim odpuszczaniu.(R. Haimann)
206
problemy obróbki cieplnej stali po nawęglaniu:
- rozrost ziarna austenitu w trakcie nawęglania,
- dobór temperatury hartowania (powierzchni i rdzenia jednocześnie),
- uniknięcie siatki Fe3CII oraz zbyt dużej ilości n ,
a) hartowanie bezpośrednio z temperatur nawęglania,
- najprostsze (łatwe do automatyzacji przy wielkich seriach) ale:
- stale drobnoziarniste (zabezpieczone przed rozrostem ziarna),
- dla powierzchni temperatura za wysoka więc:
- nawęglanie do max 0,8÷0,9% C,
- często wymrażanie (dla usunięcia n ),
powierzchnia: martenzyt odpuszczania + odpowiednio
mało austenitu nieprzemienionego,
rdzeń: martenzyt niskowęglowy, nisko odpuszczony,
(A. Krajczyk)
207
b) hartowanie bezpośrednie z podchładzaniem,
- nadal łatwe do automatyzacji w produkcji wielkoseryjnej ale:
- stale drobnoziarniste (zabezpieczone przed rozrostem ziarna),
- dla powierzchni prawidłowa temperatura hartowania więc:
- możliwe nawęglanie do wyższych zawartości C ale:
- kontrolowane wydzielanie Fe3CII (brak siatki),
- kontrolowana ilość n ,
- za niska temperatura hartowania rdzenia,
- ferryt z martenzytem średnio lub wysokowęglowym
(ciągliwość zapewnia ferryt w odpowiedniej ilości),
powierzchnia: martenzyt odpuszczania + Fe3CII oraz
odpowiednio mało austenitu nieprzemienionego,
rdzeń: ferryt + martenzyt średniowęglowy
(przykład gdy wytrzymałość wysoka, ciągliwość mała)(A. Krajczyk)
208
c) wielozabiegowa obróbka cieplna po nawęglaniu,
- uzyskanie odpowiednio drobnego ziarna austenitu,
- zwiększenie zawartości węgla na powierzchni,
- obecność Fe3CII zwiększa odporność na ścieranie,
- optymalizacja temperatury hartowania,
- uzyskanie najlepszego zespołu własności,
- uniknięcie powstania wadliwych struktur na powierzchni:
gruboiglastość martenzytu,
zbyt duża ilość austenitu
nieprzemienionegosiatka cementytu
drugorzędowego
(A. Krajczyk)
209
● azotowanie
- zwiększenie twardości i odporności na ścieranie warstw wierzchnich,
- wyższa twardość (do 1100 HV) oraz wyższa temperatura pracy (do ok. 500°C) niż po nawęglaniu,
- zwiększenie wytrzymałości na zmęczenie (naprężenia ściskające w warstwie nawet do 800 MPa),
- zwiększenie odporności na korozję atmosferyczną,
- azotujemy wyłącznie stale stopowe (trwałość azotków maleje w kolejności: AlN, VN, CrN, WN, MoN),
- warstwa najczęściej tylko 0,2-0,6 mm, temperatura zwykle 500-560 °C, czasy bardzo długie,
- przed azotowaniem przedmioty ulepsza się cieplnie (podparcie cienkiej warstwy naazotowanej),
210
Mikrostruktura warstwy naazotowanej:
- na powierzchni jasna warstewka faz oraz ,
- w całej objętości struktura sorbitu odpuszczania,
- przy powierzchni sorbit ciemniejszy z powodu
obecności azotków utwardzających warstwę,
(L.A. Dobrzański 2006)
( 41CrAlMo7-10)
(R. Haimann)
(A. Krajczyk)
211
212
Wpływ dodatków stopowych w stopach żelaza
● bardzo często: Mn, Si, Cr, Ni, W, Mo, V,
● rzadziej: Al, Cu, Co, Ti, Nb, Zr,
● ostatnio: N, B, P,
1. Wpływ na przemiany alotropowe żelaza.
Mn
Ni
(Co)
C
N
Cu
Fe % M % MFeWykres z otwartym polem austenitu. Wykres z poszerzonym polem austenitu.
- bierzemy pod uwagę tylko zawartość M rozpuszczoną w austenicie lub ferrycie,
213
- mniej ważne, gdyż stosowane w niewielkich ilościach,
Wykres z otwartym polem ferrytu lub
wykres z zamkniętym polem austenitu.
Al
Si
V
Cr
Mo
W
Ti
B
S
Zr
Nb
Ta
Fe
Fe
Fe
% M
% M
% M
Wykresy ze zwężonym polem austenitu.
214
2. Wpływ pierwiastków stopowych na układ Fe – C – M
-bierzemy pod uwagę tylko zawartość M rozpuszczoną w austenicie lub ferrycie,
- im silniej węgliko- oraz azotkotwórczy M tym mniej będzie go w roztworze (ferryt, austenit),
Wpływ dodatków stopowych na położenie
charakterystycznych punktów wykresu Fe – Fe3C.
Wpływ dodatków stopowych na temperaturę
przemiany eutektoidalnej.
(R. Haimann)
215
Zakres występowania
austenitu w stopach Fe-C-M
(L.A. Dobrzański)
216
3. Struktury stali stopowych (układ Fe – C – M)
Wpływ pierwiastków ferrytotwórczych
(Cr, Mo, W, Si, Al, Ti)
Wpływ pierwiastków austenitotwórczych
(Ni, Mn, N, C)
(L.A. Dobrzański)
217
4. Wpływ dodatków stopowych
na własności ferrytu
(R. Haimann)
218
MC , M2C
węgliki proste
M3C , M23C6 , M7C3 M6C
węgliki proste i złożone
np. Fe3C , (Fe, Mn)3C , Fe21Mo2C6
w. złożone,
np. Fe3W3C
fazy międzywęzłowe proste
fazy międzywęzłowe o strukturze złożonej
Fe, Mn, Cr, W, Mo Ta, Nb, V, Hf, Zr, Ti
trwałość węglików temperatura austenityzowania
w stalach stopowych skład węglików zależy od składu stali:
- przykładowo w stali HS6-5-2 (SW7M): M3C (Fe2,5 W0,05 Mo0,07 Cr0,31)C1,02
MC (Fe0,06 W0,1 Mo0,15 V0,66 Cr0,07)
6. Węgliki w stalach stopowych
klasyfikacja wg Goldschmidta
(M. Blicharski)
219
8. Wpływ pierwiastków stopowych na przemiany podczas chłodzenia.
Pierwiastki nie tworzące węglików Pierwiastki tworzące węgliki
- dwa minima trwałości austenitu:
600650°C (przem. perlityczna),
300400°C (przem. bainityczna)
r
(R. Haimann)
(-+)
221
9. Wpływ pierwiastków stopowych na przemianę martenzytyczną
- zachowane zostają wszystkie cechy przemiany martenzytycznej (wpływ M jest nieistotnie mały),
- istotny jest wpływ M na temperatury Ms oraz Mf co wpływa na ilość austenitu nieprzemienionego,
- dodatki stopowe (M) prawie nie zmieniają twardości martenzytu, często zmniejszają jego kruchość,
(R. Haimann)
222
10. Wpływ pierwiastków stopowych na hartowność
Metoda zalecana w normie
ASTM A255-1985
(stanowi rozwinięcie metody
M. A. Grossmanna)
Idealna średnica krytyczna podstawowa DIw zależy:
- od zawartości C oraz wielkości ziarna austenitu pierwotnego dla stali średnio- i niskowęglowych
(wg A.F. Retany i D.V. Doane`a),DI50 = DIw · kd1 · kd2 · …. ·kdn
(L.A. Dobrzański)
(-+)
224
11. Wpływ pierwiastków stopowych na przemiany odpuszczania.
● przemiany w temperaturach ok. 450°C podobnie jak w stalach niestopowych,
- możliwy jest istotny ruch dyfuzyjny tylko atomów C,
- atomy pierwiastków stopowych (M) powodują tylko opóźnienie i spowolnienie przemian
(wydzielanie węglików przejściowych , , , rozpad austenitu szczątkowego, zarodkowanie cementytu),
- szczególnie duży jest wpływ na rozpad austenitu szczątkowego (często dopiero 450°C),
- powstaje cementyt stopowy (Fe, M)3C wbudowując w siebie atomy M zawarte w osnowie,
- Si najsilniej podnosi temperaturę przemiany węglika w cementyt (nawet 450°C),
● przemiany w temperaturach 450°C przebiegają inaczej (z udziałem ruchu dyfuzyjnego M)
- cementyt pozbywa się atomów „niechcianych” (Si, Ni, Co) oraz wciąga węglikotwórcze (Mn, Cr itd.),
- proces ten utrudnia i opóźnia koagulację cementytu stopowego,
- pierwiastki silniej węglikotwórcze niż Fe oraz Mn tworzą węgliki stopowe:
- przez przemianę „in situ” zastępując cząstki cementytu (zarodkowanie „w miejscu”), np. Cr,
- przez zarodkowanie niezależne – nowy węglik powstaje niezależnie od istniejącego cementytu,
- na dyslokacjach, często koherentne, duża dyspersja twardość wtórna (Mo, W, V),
- cementyt ulega rozpuszczeniu na rzecz bardziej trwałych węglików,
- austenit szczątkowy (mimo zmniejszenia zawartości C oraz M) przemienia się często dopiero
w trakcie chłodzenia w martenzyt, który wymaga kolejnego odpuszczania,
225
- schemat wpływu dodatków stopowych na procesy odpuszczania
Mhartstopowy
(Fprzes + + n)stop
Fp+ (Fe, M)3C
II
do 500°C
I II III IV
n n + węgliki
Mhart + n
Fstop + (Fe, M)3C
np. Mn, Cr
np. Si, Ni
MnCm
zarodk. „in situ”
(w cementycie)
zarodk. niezależne
(wtórna twardość)
Mhart
mart. hart.
Mh (Fp+)+ n
martenzyt odpuszczania
n (Fp+ ) (F+Fe3C)
Fptroostyt odp.
Todpusz [°C]
koagulacja Fe3C
sorbit odpuszczania
rekrystalizacja F
sferoidyt
226
- zjawisko twardości wtórnej w stalach stopowych,● twardość wtórna wzrost twardości wydzielanie się węglików zarodkujących niezależnie
(niezależnie od cząstek cementytu) wzrost dyspersji (często koherentne),
- zarodkowanie węglików dopiero 450°C, niezależne, głównie na dyslokacjach,
- węgliki Mo, W i V (wcześniej musza być rozpuszczone w austenicie),
- głównie wykorzystywane w stalach narzędziowych (szybkotnących, do pracy na gorąco)
oraz innych pracujących w podwyższonych temperaturach (np. w energetyce),
(za M. Blicharskim)
227
- odwracalna kruchość odpuszczania w stalach stopowych
● kruchość nieodwracalna (kruchość 300, kruchość na niebiesko) po odpuszczaniu w 200350°C,
- przypuszczalnie atomy S i P segregują do granic ziaren podczas austenityzowania co później ułatwiazarodkowanie węglika oraz cementytu – prawie ciągła otoczka stale niestopowe i stopowe,
● kruchość odwracalna (kruchość 500) po odpuszczaniu w 400600°C,
- powstaje podczas wolnego chłodzenia w tym zakresie temperatur , tylko w stalach stopowych,
- przypuszczalnie równowagowa współsegregacja atomów zanieczyszczeń (As, Sn, P, Sb) oraz atomów
pierwiastków stopowych (Ni, Mn, Si) do granic ziaren byłego austenitu, co powoduje ich osłabienie,- Mo, Ti, Zr opóźniają lub zapobiegają kruchości (tylko rozpuszczone w ferrycie),
- Mn, Si zdecydowanie sprzyjają jej występowaniu,
- Ni, Cr umiarkowanie sprzyjają (mocniej gdy są razem),
nieodwracalna odwracalna
-szybkie chłodzenie (400600°C)
zapobiega lub usuwa kruchość
odwracalną (w st. stopowych),
stal o składzie:
0,4%C + 5%Cr + 2%Mo +
0,5%V
(R. Haimann) (M. Blicharski)
228
Struktury stali odpornych na korozję elektrochemiczną
ferrytyczneferrytyczno-austenityczne
„duplex steel”
austenityczno-martenzytyczne
0,08 (0,05 lub 0,03)%C
przy (11,518,5)%Cr
metastabilne odkształcane na zimno
w obniżonych temperaturach
np. drut na sprężyny,
o regulowanej przemianie
- formowane w stanie austenitu,
- niskotemperaturowa OC z
umacnianiem wydzieleniowym mart.,
austenityczne
martenzytyczne
0,12 ale do 1,0 %C
przy (1218) %Cr
0,06 %C
przy (1216) %Cr
oraz (46,5) %Ni
oraz
od 0,02 do 0,15 %C
przy (1727) %Cr
oraz (733,5) %Ni
0,03 (0,05) %C
przy (18,529) %Cr
oraz (4,57) %Ni
oraz (0,080,35) %N
umacniane wydzieleniowo
(austenityczne lub martenzytyczne)
od 0,015 do 0,09 %C
przy (1217) %Cr
oraz (422,5) %Ni
oraz Nb, Al, Ti, V, B
austenityczne
bez niklu
1 %N oraz np. 18 %Mn
przy np. 18 %Cr
nowe
badane
wdrożone
PN-EN
(+)PN-EN 10088-1:2005(U)
(razem 110 różnych gatunków)
229(H.K.D.H. Bhadeshia,
University of Cambridge)
230(M. Shimada)
(www.up.ac.za/academic/mmi/immri)
(www.matsceng.ohio-state.edu)- przykłady korozji międzykrystalicznej
przełomy międzykrystaliczne
powierzchnia zgładu – mikroskop optyczny
(SEM)
(-+)
231
(M. Blicharski)
(Oliver Greven, Stahl-Institut der RWTH Aachen)
Korozja międzykrystaliczna w stali austenitycznej (1.4301)
- zależy silnie od temperatury i czasu (możliwości dyfuzji atomów Cr)(-+)
232
rosnące znaczenie azotu jako dodatku stopowego (austenitotwórczy),
- zwiększa zdecydowanie odporność na korozję międzykrystaliczną (dla stali austenitycznych),
- silnie umacnia roztworowo stale austenityczne,
- umożliwia szybkie i silne umocnienie odkształceniowe austenitu,
- azot oraz Mn zastępują drogi nikiel w działaniu austenitotwórczym,
- rozpuszczalność N w austenicie stopowym jest duża (> 1%) oraz rośnie ze wzrostem zawartości Mn,
- ale duże problemy technologiczne (niewielka rozpuszczalność N w ciekłej stali),
(M. Blicharski)
(18% Cr + 18% Mn)
(-+)
Umocnienie roztworowe austenitu azotem
Wpływ N na umocnienie odkształceniowe
233
- znaczne zmniejszenie zawartości Ni,
(H.K.D.H. Bhadeshia, University of Cambridge)
(+)
234
Stal duplex (IC381) – ciemny ferryt
Stal duplex (A219) – ciemny ferryt, żółty
austenit oraz niepożądana biała faza
(powoduje kruchość stopu)
(H.K.D.H. Bhadeshia, University of Cambridge)
(-+)
235
Stale ferrytyczne – PN-EN 10088-1:2005(U) (L.A. Dobrzański)
236
Stale martenzytyczne – PN-EN 10088-1:2005(U)(L.A. Dobrzański)
237
Stale utwardzane wydzieleniowo – PN-EN 10088-1:2005(U)
(L.A. Dobrzański)
238
Stale austenityczne – PN-EN 10088-1:2005(U)
239
Stale austenityczne (cd) – PN-EN 10088-1:2005(U)
(L.A. Dobrzański)
(-+)
240
Stale ferrytyczno-austenityczne – PN-EN 10088-1:2005(U)
241
242
3. Spawalność stali
243
244
245Wpływ zawartości węgla na TPSK stali ferrytyczno-perlitycznej.
Zależność pracy łamania (K) oraz
charakteru przełomu od temperatury,
zdefiniowanie TPSK .
Wpływ udziału perlitu w strukturze na
pracę łamania w zakresie przełomu ciągliwego
(M. Blicharski)
246
● przykłady kruchego pękania statków
247- często zbyt niska temperatura eksploatacji,
248
249
cd. „Lake Carling”
250
najlepsza w tym czasie
gruba blacha w Europie
Stal poszycia Titanica
(poszycie nitowane)
251
252
11.Stale narzędziowe
do pracy na zimno do pracy na gorąco szybkotnące
niestopowe stopowe
- niskostopowe,
- średniostopowe,
- wysokostopowe,
wyłącznie stopowe:
- niskostopowe,
- średniostopowe,
- wysokostopowe,
wyłącznie
wysokostopowe
Ogólnie stosowane na narzędzia do kształtowania materiałów:
- metali,
- przez kucie, cięcie, wyciskanie, ciągnienie, walcowanie,
- przez odlewanie do form metalowych,
- polimerów, ceramik, kompozytów,
Główne wymagania stawiane stalom narzędziowym:
- jak największa żywotność (trwałość),
- twardość całej struktury (podstawowy parametr ale często nie wystarczający),
- odporność na ścieranie (twardość osnowy oraz twardość i zawartość węglików),
- często odporność na odpuszczające działanie ciepła (twardość wtórna),
- często również udarność (drobnoziarnistość, kompromis z twardością, dodatek Ni),
253
odporność na ścieranie
- zwiększa się z twardością osnowy struktury (najlepszy wysokowęglowy martenzyt odpuszczania),
- zwiększa się z zawartością oraz twardością dużych wydzieleń węglików,
- węgliki nie rozpuszczone w trakcie austenityzowania (drugorzędowe i pierwotne)
- twardość węglików zależy od ich rodzaju oraz składu chemicznego, np. twardość cementytu
rośnie z ok. 800 HV do ok. 1400 HV wraz ze wzrostem ilości rozpuszczonego w nim Cr,
Twardość węglików występujących w
stali szybkotnącej. (M. Blicharski)
254
11.1. Stale narzędziowe do pracy na zimno na narzędzia, które podczas pracy zwykle nie nagrzewają się ponad 250°C,
wymagania i ich realizacja:
- główne: duża twardość i odporność na ścieranie,
- niskie odpuszczanie (ok. 180°C) po hartowaniu z nad A1 stali zaeutektoidalnej,
(zwykle martenzyt odpuszczania + nierozpuszczone węgliki + austenit szczątkowy < 10%)
- często dodatkowo ciągliwość (udarność) obciążenia dynamiczne, wstrząsy,
- stal o obniżonej zawartości węgla (ale niższa twardość i odporność na ścieranie),
- zmniejszenie ilości C tylko w martenzytycznej osnowie (ubogi w C i M austenit z węglikami),
- podwyższenie temperatury odpuszczania (często wymaga efektów twardości wtórnej),
- zwykle hartowność,
- hartowanie w oleju lub nawet w powietrzu mniejsze zmiany wymiarowe, zniekształcenia,
- w niektórych duży udział węglików stale ledeburytyczne (wysokochromowe),
- niektóre przewidziane do obróbki cieplno-chemicznej (np. naweglanie),
255
przykłady wykresów odpuszczania stali narzędziowych do pracy na zimno
(M. Blicharski)
256
zestawienie stali narzędziowych do pracy na zimno (PN-EN ISO 4957:2004)
257
przykłady struktur stali narzędziowych
do pracy na zimno stal niestopowa 1,2%C
(cementyt drugorzedowy na
tle drobnoiglastego martenzytu)
stal klasy ledeburytycznej
źle przekuta
(pasma węglików pierwotnych
na tle skrytoiglastego martenzytu)
stal niskostopowa 1,4%C + 1,4%Cr
(cementyt stopowy i węgliki drugorzędowe
na tle drobnoiglastego martenzytu)
258
11.2. Stale szybkotnące
259
Schemat obróbki cieplnej
stali szybkotnącej(M. Blicharski)
260
Przemiany zachodzące
podczas odpuszczania
stali szybkotnącej
Wpływ temperatury
austenityzowania
na wykres odpuszczania
HS18-0-1
Zestawienie stali szybkotnących
(PN-EN ISO 4957:2004)
261
przykłady struktur stali szybkotnących
prawidłowa struktura stali szybkotnacej
(węgliki pierwotne na tle skrytoiglastego
martenzytu)
stal szybkotnąca źle przekuta
(pasma węglików pierwotnych
na tle skrytoiglastego martenzytu)
(A. Krajczyk)
262
11.3. Stale narzędziowe do pracy na gorąco
263
zestawienie stali narzędziowych do pracy na gorąco (PN-EN ISO 4957:2004)
264
265
MIEDŹ I STOPY MIEDZI
Pierwsze ozdoby wykonane z miedzi znaleziono na terenie obecnego Iraku a pochodzą
z IX w p.n.e.
Nazwa cuprum pochodzi od głównego dostawcy miedzi dla imperium rzymskiego -
Cypru
Miedź należy do pierwiastków mało rozpowszechnionych w skorupie ziemskiej,
około 0,01%. Dla porównania Al = 8%, Fe = 5%, Na = 3%, Mg = 2%, Ti = 0,4%, C =
0,02%.
Jest metalem dość drogim: 8 100$/T, Al = 3 000$/T, Ni = 20 500$/T.
Wybrane właściwości miedzi
266
Czysta miedź
Miedź ma bardzo dobrą
przewodność cieplną i elektryczną.
Po srebrze jest najlepszym
przewodnikiem.
Domieszkami szkodliwymi
pogarszającymi przewodność i
własności mechaniczne są:,
P, Si, As, Be, Al, Sn, Ni.
267
268
Metalurgia
miedzi
269
Metody umacniania miedzi:
a. rozdrobnienie ziarna przez odkształcenie plastyczne i rekrystalizację,
b. umocnienie w wyniku odkształcenia plastycznego na zimno.
Gniot 70%; Rm = 400MPa (z 220MPa), Rpl = 370MPa (z 57MPa).
PODSTAWOWE STOPY MIEDZI
Europejski system znakowy.
Składa się z symbolu Cu + główne dodatki stopowe + ich średnia zawartość.
Np. CuZn20, CuAl7Si2. Dodatkowo na końcu znaku może znajdować się
litera:
B – materiał w postaci gąsek, C – w postaci odlewu.
Np. CuSn5Zn5Pb5-C.
270
Europejski system numerycznySkłada się z sześciu znaków:
C C, W, X 000 - 999 A - S
Cu C – odlew,
W – obróbka plastyczna
X - nieznormalizowany
Numer stopu Np.
A – wydłużenie,
H – twardość,
G – wielkość
ziarna
Np. CW024A, CC300G, itp.
271
Klasyfikacja stopów miedzi
272
Stopy miedzi z cynkiem = mosiądze.
Podział mosiądzów
Dwuskładnikowe Wieloskładnikowe Ołowiowe
Do przeróbki plastycznej Do przeróbki
plastycznej
Odlewnicze Do przeróbki
plastyczne
Odlewnicze
jednofazowe i dwufazowe jednofazowe i
dwufazowe
dwufazowe dwufazowe dwufazowe
273
Mosiądze dwuskładnikowe
Mosiądze dwuskładnikowe:
a. jednofazowe: faza α = Cu(Zn),
do 39%Zn,
b. dwufazowe: faza α i β, = CuZn,
od 39 do 45%Zn.
Mosiądze wykazują dobrą odporność na
korozję atmosferyczną ale nie są
odporne na działanie soli żelaza,
siarczanów, chlorków i jodków.
Ad. a. Wykazują kruchość w zakresie temperatur 300 – 7000 C i dlatego odróbkę plastyczną
należy przeprowadzić w temp. poniżej 3000 C lub powyżej 7000 C,
Ad. b. Obróbkę plastyczną przeprowadza się w temperaturach w których są one jednofazowe,
274a. Mosiądz jednofazowy, faza α = Cu(Zn)
275
Mosiądz dwufazowy, faza α = Cu(Zn) + β = CuZn
276
277
Zastosowanie:CuZn5 - CuZn15; rurki włoskowate, rury chłodnic, wężownice, membrany, łuski
amunicji,
CuZn20 – CuZn37; rury skraplaczy, elementy zamków błyskawicznych, wyroby
artystyczne,
CuZn40 (dwufazowy); przemysł okrętowy, architektura, aparatura chemiczna
278
Mosiądze wieloskładnikowe – wpływ pierwiastków stopowych:
Si – obniża plastyczność, zwiększa odporność na ścieranie, zmniejsza
wrażliwość
na korozję naprężeniową (pękanie sezonowe) – CuZn31Si1,
Al – polepsza odporność na korozję, umacnia mosiądze, zwiększa
żaroodporność,
pogarsza spawalność i lutowanie – CuZn37Mn3Al2PbSi,
Sn – zwiększa odporność na ścieranie i korozję – CuZn36Sn1Pb,
Fe – rozdrabnia ziarno, zwiększa odporność na ścieranie ale zmniejsza
odporność
na korozję – CuZn23Al6Mn4Fe3Pb,
Mn – polepsza odporność na korozję i ścieranie – CuZn39Mn1Pb1,
Ni – polepsza odporność na korozję i własności mechaniczne –
CuZnNi3Mn2AlPb.
279
Korozja mosiądzów:
A. Naprężeniowa (pękanie
sezonowe):
- przy dużych naprężeniach
rozciągających,
- w środowisku wilgotnym,
- pękanie następuje po granicach
ziaren,
- skłonność wzrasta wraz z
zawartością cynku.
Usuwanie:
- Wyżarzanie w temperaturze 5600C,
- Częściowe usuwanie, wyżarzanie w
temperaturze 250-2700C,
B. Odcynkowanie
- w mosiądzach o podwyższonej
zawartości Zn,
- polega na rozpuszczaniu powierzchni
mosiądzów i osadzaniu się na niej
warstwy miedzi,
- zachodzi w środowisku wodnym,
- zapobiega się przez dodatek arsenu
(0,02 – 0,06%) lub 1% cyny.
280
MOSIĄDZE OŁOWIOWE
Są to mosiądze dwufazowe z dodatkiem ołowiu w ilości 0,3 do 3,5%.
Ołów dodawany jest w celu polepszenia skrawalności. Dodatek ten
zmniejsza opory tarcia i powoduję lepszą łamliwość wióra. Obniża jednak
własności wytrzymałościowe.
Przykładowe gatunki: CuZn37Pb0,5, CuZn38Pb1,5, CuZn40Pb2.
BRĄZY CYNOWE
Są to stopy z cyną zawierające co najmniej 2%Sn ( na ogół 11 – 15%Sn)
281
282
Mała szybkość dyfuzji cyny w miedzi, duża różnica między liniami likwidus i
solidus oraz bardzo duża różnica w temperaturach topnienia Cu (10830 C) i Sn (2320 C)
jest powodem skłonności brązów cynowych do segregacji dendrytycznej (od 5%Sn).
Może pojawić się twardy i kruchy eutektoid (α + δ) – łożyska ślizgowe.
Usunięcie segregacji odbywa się przez wyżarzanie w temperaturze 700 - 7500 C
przez 24 godz.
Podział brązów cynowych
Do przeróbki plastycznej Odlewnicze
Dwuskładniko
we
Wieloskładnikowe Dwuskładnikowe Wieloskładnikowe
jednofazowe jednofazowe
283
Stop Cu – 8%Zn.
Po odlaniu. Na tle fazy α = Cu(Zn)
wydzielenia eutektoidu (α + δ )
Stop Cu – 8%Zn.
Po wyżarzaniu homogenizującym.
Faza α = Cu(Zn)
284
Własności mechaniczne
Brązy cynowe wykazują:
- dużą odporność na korozję w wodzie
zwykłej i morskiej,
- odporność na korozję naprężeniową,
- dobre własności odlewnicze,
- można je przerabiać plastycznie na
zimno do 8%Sn,
po odkształceniu stosowane na
sprężyny, przyrządy aparatury
kontrolnej.
285
Stopień odkształcenia plastycznego
Przykładowe zastosowanie:
Do przeróbki plastycznej: sprężyny, rurki manometryczne, połączenia elektryczne, sita
papiernicze (CuSn4 – CuSn8).
Odlewnicze: łożyska, panewki, części maszyn narażone na korozję w przemyśle okrętowym
i papierniczym (CuSn10-C, CuSn5Zn5Pb5-C, CuSn5Pb20-C).
286
Brązy ołowiowe
Przykładowe zastosowanie:
Do przeróbki plastycznej: sprężyny, rurki
manometryczne, połączenia elektryczne,
sita papiernicze (CuSn4 – CuSn8).
Odlewnicze: łożyska, panewki, części
maszyn narażone na korozję w
przemyśle okrętowym i papierniczym
(CuSn10-C, CuSn5Zn5Pb5-C,
CuSn5Pb20-C).
CuSn5Pb20-C
287
BRĄZY ALUMINIOWE
Należą do jednych z najlepszych stopów miedzi.
-jednofazowe do 9,4% Al,
- powyżej 9,4% Al można je
hartować i odpuszczać,
- wykazują dobre własności
mechaniczne w temperaturach
otoczenia i podwyższonych,
- odporne na ścieranie, kawitację
i erozję,
- odporne na korozyjne działanie
wody morskiej i wielu kwasów,
- ulegają pasywacji (Al2O3),
- nie odporne na działanie zasad,
- skłonne do rozrostu ziaren
288
Brązy dwuskładnikowe i wieloskładnikowe do przeróbki plastycznej
1. Jednofazowy CuAl8 ma dobre własności plastyczne i można go obrabiać na zimno i gorąco,
2. Dwufazowe (α + γ2) takie jak: CuAl6Si2Fe, CuAl10Fe3Mn2, CuAl10Ni5Fe4 obrabiać
plastycznie można tylko w temperaturach podwyższonych, kiedy występuje faza β. Wykazują w tych
temperaturach skłonność do rozrostu ziaren, dlatego dodaje się pierwiastki stopowe takie jak:
Fe, Mn, Si i Ni. Pierwiastki te podwyższają też własności mechaniczne. Brązy dwufazowe można
hartować i odpuszczać a uzyskane własności mechaniczne są zbliżone do uzyskiwanych w stalach
niestopowych średniowęglowych.
CuAl10Ni3Fe2-C, wyżarzony CuAl10Ni3Fe2-C, hartowany
289
Przykładowe własności mechaniczne
Gatunek Rm
[MPa]
A [%] HB
CuAl8 - jednofazowy
Stan wyżarzony
400 50 80
CuAl10Ni5Fe4 -
dwufazowy
Wyżarzony 650 5 160
Po obróbce cieplnej.
Hartowanie i
odpuszczanie
780 9 250
290
Brązy aluminiowe odlewnicze
1. Jednoskładnikowy, CuAl9-C,
2. Wieloskładnikowe, CuAl10Fe2-C, CuAl10Ni3Fe5Ni5-C,
CuAl11Fe6Ni6-C - można obrabiać cieplnie.
Przykładowe zastosowanie
Silnie obciążone i narażone na ścieranie i korozję części maszyn,
w przemyśle okrętowym, lotniczym, chemicznym.
291
Brązy berylowe
Należą do grupy brązów specjalnych i wyróżniają się bardzo dobrymi własnościami
mechanicznymi.
Ich zasadniczą wadą jest to, że beryl należy do pierwiastków bardzo drogich i deficytowych.
W skorupie ziemskiej jest go jedyni 0,0002%.
Beryl rozpuszcza się w miedzi w
temperaturze 8660 C w ilości 2,7%
a temperaturze 3000 C tylko 0,2%.
W związku z tym stopy te można
przesycać (800 - 8200 C) i starzyć
(300 - 3500 C).
Po przesyceniu; Rm = 300 –
600MPa, HB = 130, A = 30%,
Po starzeniu: Rm = 1150 –
1200MPa, HB = 320, A = 1,5%
292
Właściwości:
Bardzo dobre własności sprężyste i duża
odporność na ścieranie, duża odporność
na korozję.
Zastosowanie:
Sprężyny, membrany, narzędzia nie
dające iskry (tankowce, materiały
wybuchowe)
Stopień odkształcenia plastycznego [%]
Własności:
Bardzo dobre własności sprężyste i duża odporność na ścieranie, duża odporność na korozję.
Zastosowanie:
Sprężyny, membrany, narzędzia nie dające iskry (tankowce, materiały wybuchowe)
293
Brąz berylowy po przesyceniu i starzeniu.
Na tle roztworu stałego α = Cu(Be)
wydzielenia fazy CuBe
MIEDZIONIKLE
Stopy miedzi o zawartości niklu powyżej 5%. Tworzą układ równowagi ciągłej.
Stosowane na rury wymienników ciepła, urządzenia klimatyzacyjne, itp. (CuNi9Sn2,
CuNi30Fe1Mn1 – C), oraz do wyrobu monet (CuNi25).
294
295
296
Metalurgia
aluminium
297
1825 – H.C. Oersted (Dania) pierwsze Al na drodze redukcji chlorku ,
1852 – 1890 wyprodukowano ok. 200t aluminium na drodze chemicznej redukcji związków, 1886 – metody otrzymywania Al na drodze elektrolizy, P.T. Heroult (Francja), C.M. Hall (USA) 1906 – stopy aluminium zdecydowane podwyższenie wytrzymałości, A. Wilm (Niemcy)
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%Fahrzeug-, Schiff-,Flugzeugbau
Bauwesen (z.B.Verkleidungen)
Maschinenbauallgemein
Verpackungen
Elektro Industrie
budowa pojazdów,
statków, samolotów
budownictwo
budowa maszyn
opakowania
elektrotechnika
Główne dziedziny zastosowań Al
Ud
zia
ł p
rocen
tow
y
298
Junkers W33 „Bremen“ (D-1167) - 1927
NSU - 1923
299
porównanie własności Al z innymi metalami
- maksymalna wytrzymałość w stopach (po obróbkach cieplno-mechanicznych),
Be – niestety toksyczny i bardzo drogi,
Ti – trudny w przetwarzaniu oraz drogi,
(O. Beffort, EMPA)
300aluminium technicznie czyste po zgniocie 80% oraz
rekrystalizacji i rozroście ziaren
aluminium technicznie czyste po zgniocie 80%
(A. Krajczyk)
301
302
303
Systemy oznaczania odlewniczych stopów aluminium (PN-EN 1780-1 oraz 2)
304
305
podział stopów aluminium w zależności od usytuowania na wykresie równowagi
EN AW- serie:
1xxx (Al 99,..)
3xxx (Al Mn)
5xxx (Al Mg)
8xxx (Al Fe)
EN AW- serie:
2xxx (Al Cu)
6xxx (Al MgSi)
7xxx (Al Zn)
8xxx (Al Li)
EN AC- 4xx (Al Si)
odlewnicze
bez eutektyki:
EN AC- serie:
2xx (Al Cu)
5xx (Al Mg)
7xx (Al Zn)
306
Stopy odlewnicze stopy aluminium z krzemem (siluminy) – stopy z eutektyką
307
308
stopy aluminium z krzemem (siluminy) – stopy z eutektyką
- dobra rzadkopłynność oraz lejność i mały skurcz odlewniczy, niska temperatura odlewania,
- wadą jest gruboziarnista struktura, której zapobiega modyfikowanie:
- podeutektyczne i eutektyczne – sodem (także Sr lub niekiedy Sb), którego związki ułatwiają
zarodkowanie oraz tworząc „błonkę” utrudniają wzrost kryształów Si (drobne i bardziej owalne),
(punkt eutektyczny przesuwa się w kierunku wyższych zawartości Si i niższej temperatury),
- nadeutektyczne – fosforem (cząstki AlP stanowią zarodki heterogeniczne),
- zastosowanie:
- eutektyczne i nadeutektyczne, np. tłoki silników spalinowych (znaczna żarowytrzymałość),
- podeutektyczne, np. elementy dla przemysłu okrętowego i elektrycznego, pracujące w
podwyższonej temperaturze i w wodzie morskiej,
- wieloskładnikowe stopy Al z Si, np. głowice silników spalinowych, alufelgi oraz inne
odlewy w przemyśle maszynowym.
309
niemodyfikowana eutektyka
( + Si) układu Al-Si
obszar eutektyki niezmodyfikowanej
(częsta wada struktury)
modyfikowana eutektyka
układu Al-Si
Si
Pow. 125x
Pow. 125x
310
prawidłowo modyfikowany silumin przedeutektyczny
modyfikowanie
przesuwa linie
wykresu AlSi13Mg1CuNi
(nieudane
modyfikowanie)
eutektyka
niezmodyfikowana
311
silumin zaeutektyczny
niemodyfikowany(nieregularne wydzielenia Si
na tle eutektyki ( + Si))
silumin zaeutektyczny
po modyfikowaniu(regularne wydzielenia Si
na tle drobnoiglastej eutektyki)
(A. Krajczyk)
312
Przykłady odlewniczych stopów aluminium z krzemem wg PN-EN 1706:2001
Minimalne właściwości
Znak stopu
(C od ang. „casting”) Rp0,2
MPa
Rm
MPa
A5
%
HB
Uwagi dotyczące stanu
EN AC-AlSi11 70 150 6 45 stan surowy
EN AC-AlSi5Cu1Mg 200 230 1 100 przesycanie i starzenie
EN AC-AlSi5Cu3Mg 180 270 2,5 85 przesycanie i starzenie
EN AC-AlSi5Cu3Mn 200 230 1 90 przesycanie i starzenie
EN AC-AlSi9Cu1Mg 235 275 1,5 105 przesycanie i starzenie
EN AC-AlSi12CuNiMg 240 280 1 100 przesycanie i starzenie
EN AC-AlSi2MgTi 180 240 3 85 przesycanie i starzenie
EN AC-AlSi7Mg0,3 190 230 2 75 przesycanie i starzenie
313
typowa struktura obręczy koła (alufelgi),
(modyfikowany silumin przedeutektyczny),
- prawidłowa drobna eutektyka ( + Si),
- typowy dendrytyczny kształt wydzieleń
roztworu stałego ,
- silnie rozgałęzione dendryty negatywnie
wpływają na własności mechaniczne, np. Rm, K
314
metody odlewania stopów aluminium i magnezu,
Casting
Low pressure casting
High pressure casting
Investiment casting
Sand or plaster casting
Permanent mold casting
Die casting
Squeeze casting
Thixocasting
Thixomolding
RheocastingSemi-solid forming
Hot chamber DC
Cold chamber DC
(kokilowe)
(forma piaskowa lub gipsowa)
(forma trwała)
(metoda traconego wosku)
(z gorącą komorą)
(z zimną komorą)
(w stanie półstałym)
(przez prasowanie)
(odlewanie)
(nowe metody formowania)
315
ciśnieniowe odlewanie (formowanie) w stanie półstałym „semi-solid forming”,
- wykorzystanie tiksotropowego zachowania się stopu
w temperaturach między linią likwidus a solidus,
- rozbicie dendrytów roztworu stałego na drobne i zaokrąglone
ziarna poprzez intensywne mieszanie w stanie półstałym,
- wtłaczanie do formy w stanie tiksotropowym
z rozbitymi dendrytami,(O. Granath – Jönköping
University)
316
stopy odlewnicze bez eutektyki (Al-Mg, Al-Cu, Al-Zn)
stopy odlewnicze Al-Mg (poza siluminami najczęściej stosowane stopy odlewnicze Al)
317
stopy odlewnicze Al-Mg
STOPY ALUMINIUM Z MAGNEZEM
Stopy odlewnicze Al-Mg –najczęściej stosowane stopy odlewnicze (oprócz siluminów).
- największa odporność na korozję i mała gęstość (Mg - 1,7g/cm3),
- własności odlewnicze gorsze niż siluminów (nie wchodzimy w obszar eutektyki),
- struktura dwufazowa jest niekorzystna więc:
- przesycanie,
- w niektórych możliwe starzenie - w stopach Al-Mg-Si (utwardzają wydzielenia Mg2Si),
- zastosowanie:
- odlewy o dużej odporności na korozję a także silnie obciążone i narażone na uderzenia,
np. armatura morska, elementy aparatury chemicznej, elementy samochodów,
Przykłady odlewniczych stopów aluminium z magnezem wg PN-EN 1706:2001
Minimalne właściwości
Znak stopu Rp0,2
MPa
Rm
MPa
A5
%
HB
Uwagi dotyczące stanu
EN AC-AlMg3 70 140 3 50 surowy (po odlewaniu)
EN AC-AlMg5 90 160 3 55 surowy (po odlewaniu)
EN AC-AlMg5Si 100 160 3 60 surowy (po odlewaniu)
stopy odlewnicze Al-Cu oraz Al-Zn- są rzadziej stosowane - skład chemiczny, własności i rekomendowane zastosowanie można znaleźć
w normie PN-EN 1706:2001 lub aktualnych informatorach producentów,
318
Stopy odlewnicze Al-Cu – stosowane rzadziej niż stopy Al-Si i Al-Mg.
- trudności technologiczne przy wytwarzaniu odlewów (skłonność do pęknięć na gorąco oraz porowatości skurczowej),
- możliwe utwardzanie wydzieleniowe odlewów (Cu, Mg),
- stosowane na średnio i bardzo obciążone elementy samochodów i maszyn,
Przykłady odlewniczych stopów aluminium z miedzią wg PN-EN 1706:2001
Minimalne właściwości
Znak stopu Rp0,2
MPa
Rm
MPa
A5
%
HB
Uwagi dotyczące stanu
EN AC-AlCu4MgTi 200 300 5 90 przesycane i starzone
EN AC-AlCu4Ti 200 300 3 95 przesycane i starzone
Stopy Al-Cu-Mg do obróbki plastycznej (durale miedziowe)
- wysokie właściwości wytrzymałościowe,
- mała żarowytrzymałość i odporność na korozję,
- obróbka cieplna: - wyżarzanie ujednoradniające przed obróbką plastyczną,
- wyżarzanie rekrystalizujące po zgniocie,
- utwardzanie wydzieleniowe (przesycanie w wodzie z ok. 500ºC oraz kilkudniowe
starzenie samorzutne w temp. pokojowej lub starzenie sztuczne w ok. 180ºC),
- wytrzymałość można jeszcze zwiększyć poprzez obróbkę plastyczną (gniot 3÷5%) po starzeniu samorzutnym,
- stosowane na elementy maszyn, pojazdów, taboru kolejowego, samolotów i w budownictwie,
319
Stopy do obróbki plastycznej walcowanie na gorąco oraz na zimno,
- wytwarzanie płyt, blach, taśm, folii,
walcowanie na gorąco walcowanie na zimno
320
ciągnienie na gorąco oraz na zimno,
- wytwarzanie drutów, prętów, rur, kształtowników
wyciskanie na gorąco,
dwuczęściowa matryca do wyciskania profilu
przykłady profili
wyciskanych
321
kucie na gorąco,
322
historycznie pierwsze stopy Al-Cu (ok. 4%), obecnie stopy wieloskładnikowe,
- stopy Al-Cu utwardzane wydzieleniowo (durale, duraluminium) – seria 2000,
323
324
325
326
327
328
329
330
wpływ temperatury i czasu starzenia na wytrzymałość stopów:
- dwuskładnikowy klasyczny AlCu4 - wieloskładnikowy serii 6000 (AlMgSi)
- starzenie samorzutne daje najwyższą wytrzymałość,
- żarowytrzymałość prostych stopów AlCu jest niewielka
(powyżej 100°C obniża się szybko z upływem czasu)
- najwyższą wytrzymałość daje starzenie sztuczne
(fazy o złożonym składzie),
- wyższa żarowytrzymałość zależna od temperatury
starzenia,
należy pamiętać, że im wyższa wytrzymałość tym mniejsza ciągliwość (potrzebny kompromis)
331
332
333
AlCu4MgSi w stanie przesyconym – na tle przesyconego roztworu = Al (Cu, Mg) wydzielenia zanieczyszczeń (Cu2FeAl)
(A. Krajczyk)
(J. Marrow,
University of Manchester)
Przestarzony stop AlCu4 – wydzielenia CuAl2 na granicach ziarn oraz w przestrzeniach międzydendrytycznych
334
Wieloskładnikowe stopy Al-Cu (seria 2000) – durale wieloskładnikoweStopy Al-Cu wieloskładnikowe (durale wieloskładnikowe)
- wyższa żarowytrzymałość, dobra odporność na korozję gazową i erozję,
- niższa wytrzymałość niż starzonych naturalnie durali miedziowych,
- obróbka cieplna: jak wyżej, ale przesycanie z ok. 530ºC i starzenie tylko sztuczne,
- stosowane na elementy konstrukcji samolotów, środków transportu i maszyn pracujących w temperaturach
do ok. 350ºC,
Przykłady stopów Al-Cu do obróbki plastycznej (wyroby wyciskane) - wg PN-EN 573-3:2005
Minimalne właściwości
Znak stopu
(w normie 18 gatunków) Rp0,2
MPa
Rm
MPa
A5
%
HB
Uwagi dotyczące stanu
EN AW-AlCu4MgSi 270 400 10 - przesycanie, starzenie naturalne
EN AW-AlCu4Mg1 310 450 8 - przesycanie, zgniot, starzenie naturalne
EN AW-AlCu4SiMn 420 465 7 - przesycanie, starzenie sztuczne
EN AW-AlCu4SiMg
EN AW-AlCu6Mn
EN AW-AlCu5,5MgMn
EN AW-AlCu2,5NiMg
EN AW-AlCu2Mg1,5Ni
EN AW-AlCu2Li2Mg1,5 nowy stop z litem (niższy ciężar)
Stopy Al-Cu-Mg (seria 2000) - durale miedziowe
- wysokie właściwości wytrzymałościowe, ale mała żarowytrzymałość i odporność na korozję,
- utwardzanie wydzieleniowe (przesycanie w wodzie z ok. 500ºC oraz kilkudniowe
starzenie samorzutne w temp. pokojowej lub starzenie sztuczne w ok. 180ºC),
- wytrzymałość można jeszcze zwiększyć poprzez obróbkę plastyczną (gniot 3÷5%) po starzeniu samorzutnym,
- stosowane na elementy maszyn, pojazdów, taboru kolejowego, samolotów i w budownictwie,
335
Wieloskładnikowe stopy Al z Zn (seria 7000) - durale cynkoweSTOPY ALUMINIUM Z CYNKIEM
Wieloskładnikowe stopy Al z Zn, zawierające Mg i Cu (durale cynkowe) - 0,8÷8,4%Zn oraz do 3,7%Mg, do 2,6%Cu oraz niekiedy dodatki Mn, Cr, Ti, Zr,
- najwyższe właściwości wytrzymałościowe ze wszystkich stopów aluminium, (Rm do ok. 700 MPa, Rp0,2 do ok. 600 MPa, A5 = 2÷5% )
- wady:
- mała odporność na działanie podwyższonej temperatury,
- mała odporność na korozję (szczególnie naprężeniową) – często platerowane Al,
- obróbka cieplna:
- wyżarzanie rekrystalizujące (390÷430ºC),
- przesycanie w wodzie z 465÷480ºC,
- starzenie sztuczne (120÷150ºC) przez 24 h (samorzutne do 60 dni – nie jest stosowane),
- głównie jako stopy do obróbki plastycznej szeroko stosowane na elementy maszyn, pojazdów,
taboru kolejowego, konstrukcji lotniczych,
- niektóre stopy można stosować jako odlewnicze, np. EN AC-AlZn5Mg, ale nawet po przesycaniu
i naturalnym starzeniu właściwości są niskie (Rm min 190MPa, Rp0,2 min 120 MPa, A5 = 4%)
Przykłady wieloskładnikowych stopów Al-Zn do obróbki plastycznej wg PN-EN 573-3:1998
Minimalne właściwości
Znak stopu Rp0,2
MPa
Rm
MPa
A5
%
HB
Uwagi dotyczące stanu
EN AW-AlZn5,5MgCu 470 540 7 161 przesycony, starzony sztucznie
EN AW-AlZn4,5Mg1 280 350 10 104 przesycony, starzony sztucznie
EN AW-AlZn5Mg3Cu 420 490 7 - przesycony, starzony sztucznie
EN AW-AlZn8Mg2,5Cu1,5Cr
EN AW-AlZn5Mg1,5CuZr
336
Stopy Al-Mg (seria 5000) oraz Al-Mg-Si (seria 6000) - hydronaliaStopy Al-Mg do obróbki plastycznej (hydronalia) oraz zbliżone do nich stopy Al-Mg-Si: - struktura zwykle dwufazowa (roztwór stały α i wydzielenia fazy β),
- właściwości:
- podwyższone mechaniczne, możliwe dalsze zwiększanie umocnieniem zgniotowym,
wydzieleniowym oraz nisko- i wysokotemperaturową obróbką cieplno-mechaniczną,
- odporność na korozję w środowisku wody i atmosfery morskiej,
- dobra spawalność,
- podatność na głębokie tłoczenie,
- zastosowanie:
- średnio obciążone elementy w przemyśle okrętowym i lotniczym,
- urządzenia przemysłu spożywczego i chemicznego,
- opakowania, np. na puszki do napojów,
Przykłady stopów Al-Mg do obróbki plastycznej (wyroby wyciskane) wg PN-EN 573-3:1998
Minimalne właściwości
Znak stopu Rp0,2
MPa
Rm
MPa
A5
%
HB
Uwagi dotyczące stanu
EN AW-AlMg4,5Mn0,7 125 270 12 - umocniony zgniotem
EN AW-AlMg5Cr
100 200 10 - przesycony, starzony naturalnie
EN AW-AlMgSiPb 260 310 6 - przesycony, starzony sztucznie
EN AW-AlMg1SiPb 240 260 10 - przesycony, starzony sztucznie
110 205 16 - przesycony, starzony naturalnie
EN AW-AlMg1SiCu 240 290 10 - przesycony, starzony sztucznie
EN AW-AlMg1Si0,8CuMn
- norma wyróżnia ponad 80 gatunków wraz ze stopami Al-Mg-Si
- wiele stopów charakteryzuje się dobrą odpornością na korozję tylko po starzeniu naturalnym
(mniejsza wytrzymałość), natomiast po starzeniu sztucznym odporność korozyjna znacznie spada
ale większa wytrzymałość,
337
Stopy Al-Mn (seria 3000) – alumany (nie utwardzane wydzieleniowo)
STOPY ALUMINIUM Z MANGANEM (stopy bez możliwości utwardzania wydzieleniowego – patrz wykres)
Stopy Al-Mn do obróbki plastycznej - do 1,5%Mn oraz dodatek Mg lub Cu,
- dobra odporność na korozję w agresywnych ośrodkach korozyjnych,
- wykazują tendencję do gruboziarnistości i segregacji strefowej czemu przeciwdziałają nawet
niewielkie dodatki Ta, Ti, Zr lub B,
- struktura to roztwór α z wydzieleniami fazy β na granicach ziarn,
- obróbka cieplna polega na wyżarzaniu ujednorodniającym i rekrystalizującym,
- zastosowanie: - urządzenia produkcyjne i transportowe w przemyśle spożywczym i chemicznym,
- spawane zbiorniki na ciecze i gazy techniczne,
Przykłady stopów Al-Mn do obróbki plastycznej wg PN-EN 573-3:2005
Minimalne właściwości
Znak stopu (w normie 15 gatunków)
Rp0,2
MPa
Rm
MPa
A5
%
HB
Uwagi dotyczące stanu
EN AW-AlMn0,6
EN AW-AlMn1
EN AW-AlMn0,5Mg0,5
EN AW-AlMn1Mg05 130 150 2 48 umocniony zgniotem (twardy)
EN AW-AlMn1Mg1Cu
338
stopy Al z litem (wieloskładnikowe)
- opracowane niedawno ( do 4% Li),
- specjalne metody metalurgiczne
(reaktywność Li z tlenem),
- mniejsza gęstość stopów o ok. 810%
(gęstość Li = 0,53 g/cm3),
- stopy wieloskładnikowe do obróbki
plastycznej utwardzane wydzieleniowo,
- wytrzymałość równa lub większa w
porównaniu z duralami klasycznymi,
- dobra odporność na zmęczenie,
- dobra udarność w niskich temperaturach,
- zastosowanie:
- elementy nowoczesnych samolotów (poszycie, podłogi, użebrowanie)
wg PN-EN 573-3 (durale wieloskładnikowe, seria 8000)
- obecnie produkowane stopy wieloskładnikowe o zawartości 1,92,7% Li (do 4% Li wymaga specjalnych metod
krzepnięcia)EN AW-AlLi2,5Cu1Mg1
EN AW-AlCu2Li2Mg1,5
339
zamiennik – ALFOT (Taiwan)
stop 6061
(EN AW-AlMg1SiCu)
oryginał - VW
stop 6082 (EN AW-AlSi1MgMn)
340
stop 6082 (EN AW-AlSi1MgMn)
341
342
343
Type 2000 all aluminum-alloy train for Sanyo Electric Railway
In Japan, over 10,000 aluminum-alloy trains have been manufactured since the first aluminum-alloy train in 1962
344
345
0
50
100
150
200
250
300
Dehngrenze Zugfestigkeit
Al rein
Al Mg0,8
Al Mg1,4
Al Mg3
Al Mg4
Al Mg5
0
50
100
150
200
250
300
Dehngrenze Zugfestigkeit
Al rein
Al Mg0,8
Al Mg1,4
Al Mg3
Al Mg4
Al Mg5
Re (R0,2) Rm(B. Kuźnicka)
Stopy
odlewniczeSkład utwardzanie
dyspersyjne
Stopy do
przeróbki
plastycznejSkład
utwardzanie
dyspersyjne
1xx Al > 99% Nie 1xxx Al > 99% Nie
2xx Al-Cu Tak 2xxx Al-Cu,
Al-Cu-Li
Tak
3xx Al-Si-Cu,
Al-Mg-Si
częściowo 3xxx Al-Mn Nie
4xx Al-Si, Al-Mg-Si Nie 4xxx Al-Si,
Al-Mg-Si
Tak z Mg
5xx Al-Mg Nie 5xxx Al-Mg Nie
6xxx Al-Mg-Si Tak
7xx Al-Mg-Zn Tak 7xxx Al-Mg-Zn Nie
8xx Al-Sn Tak 8xxx Al-Li,Sn,Zr,B Tak
346
347
348
kompozyty wielowarstwowe (najnowsze rozwiązania poszycia samolotów)
- wysokowytrzymałe durale wieloskładnikowe (ale o niskiej ciągliwości) przekładane warstwami
jednokierunkowo wzmacnianego kompozytu epoksydowo-szklanego (pod różnym kątem),
- materiał o nazwie „GLARE” opracowany dawno (w latach 80-tych) ale kosztowny w formowaniu,
- zastosowany ostatnio na elementy poszycia Airbus A360
349
350
STOPY STOSOWANE NA ŁOŻYSKA ŚLIZGOWE
Panewki i tuleje
Wymagania:
- mały współczynnik tarcia,
- duża odporność na ścieranie,
- mała rozszerzalność cieplna,
- dobra przewodność cieplna,
- dobra lejność,
-dobra odporność na korozję
i erozję,
- dobra wytrzymałość zmęczeniowa,
- zdolność do pochłaniania
zanieczyszczeń
351
1. Stopy łatwotopliwe i babbity cynowe i ołowiowe (panewki
bimetaliczne).
Grupa stopów Znak stopu HB Osnowa Kryształy nośne i
(antylikwacyjne)
Babbity cynowe
SnSb12Cu6Pb 25
Faza α = Sn(As)
Faza β, = SnSb
(Cu3Sn)
SnSb8Cu4 22
SnSb8Cu4Cd 28
Babbity ołowiowe
PbSb15SnSnAs 18
Eutektyka (Pb, As) Faza β, = SnSb
(Cu3Sn)
PbSb15Sn10 21
PbSb14Sn9CuAs 22
PbSb10Sn6 27
352
2. Stopy na osnowie miedzi.
Gorsze od babbitów w warunkach suchego tarcia, ale mogą pracować w temperaturach
do 3000 C. mają lepsze własności mechaniczne.
brązy cynowe (najlepsze ale najdroższe); CuSn10-C, CuSn11P-C,
brązy cynowo-cynkowe tzw. Spiże; CuSn7Zn2Pb3- C, CuSn5Zn5Pb5-C,
brązy cynowo- ołowiowe; CuSn5Pb20-C
w przypadku bardzo dużych nacisków stosuje się brązy aluminiowe; CuAl11Fe6Ni6-C.
Czopy muszą być utwardzone powierzchniowo.
3. Żeliwa
Żeliwa; są to żeliwa perlityczne bez ferrytu, ale z eutektyką fosforową. Zła praca w
warunkach złego smarowania. Czopy musza być utwardzane.
Nazwa Znak stopu Temp. top. 0 C
Wooda BiPb25Sn12Cd12 70
Lipowitza BiPb26Sn13Cd10 80
Lichtenberga BiPb30Sn20 92
Newtona BiPb31Sn19 96
Strzykawkowy PbSn20Bi20 195
353
354
Stopy łożyskowe
Stopy te, stosowane do wykonywania panewek i tulei łożyskowych muszą spełniać
liczne wymagania wynikające ze specyficznych warunków pracy łożysk ślizgowych.
Materiały te musza wykazywać:
dobre własności mechaniczne: dostateczna wytrzymałość statyczna,
zmęczeniowa i udarowa w temperaturze pracy
odpowiednie własności powierzchniowe: mały współczynnik tarcia suchego, mała
rozszerzalność cieplna, dobra przewodność cieplna, duża odporność na
ścieranie, zdolność do absorbowania zanieczyszczeń i startych cząstek
współpracujących materiałów
odporność na korozję i erozję oraz na działanie kwasów znajdujących się w
środkach smarnych
Stopy łożyskowe dzieli się najczęściej według zawartości składników podstawowych
na: stopy na osnowie cynowej, ołowiowej, miedzi, aluminium, żelaza i cynku.
355
Stopy łożyskowe na osnowie cynowej,
cynowo-ołowiowej i ołowiowej
Stopy na osnowie cynowej nazywane babbitami zawierają około 80-90%
cyny z dodatkiem antymonu oraz miedzi. Struktura tych stopów składająca się z
miękkiej osnowy roztworu stałego cyny, w której rozmieszczone są równomiernie
twarde kryształy związków miedzi, cyny i antymonu zapewnia dobre własności.
Miękka osnowa łatwo dopasowuje się do powierzchni czopa , natomiast twardsze
kryształy zapobiegają jej szczepianiu się i ułatwiają utrzymywanie cienkiej warstewki
środka smarnego. Stopy te są drogie i dlatego są stosowane głównie do silnie
obciążonych łożysk silników spalinowych, turbin, sprężarek wirowych, pomp oraz
innych panewek o dużym natężeniu pracy przy znacznych prędkościach
obwodowych.
Stopy łożyskowe cynowo-ołowiowe zawierające około 75-90% ołowiu są
znacznie tańsze, lecz własności ich są gorsze od stopów wysokocynowych. Oprócz
dodatków cyny i antymonu mogą zawierać także miedź, nikiel, arsen i kadm. Są one
bardziej miękkie, mają większy współczynnik tarcia, są bardziej kruche i mniej
odporne na obciążenia udarowe. Osnowy ich nie stanowi roztwór stały lecz
eutektyka w której składnikami podstawowymi są ołów oraz antymon. W osnowie tej
są rozmieszczone kryształy faz międzymetalicznych występujących pierwiastków.
356
Stopy łożyskowe na osnowie miedzi
Stopami łożyskowymi na osnowie miedzi są przede wszystkim brązy. W
porównaniu ze stopami na bazie cyny i ołowiu mają one wyższą temperaturę
topnienia oraz znacznie lepsze własności mechaniczne w temperaturach otoczenia
oraz podwyższonych. Najlepsze własności mają brązy cynowe oraz cynowo-
fosforowe zawierające około 10% cyny. Wskutek dużej różnicy temperatur początku
i końca krzepnięcia brązy te charakteryzują się silną segregacją dendrytyczną .
Dendryty te spełniają rolę elementów nośnych i dlatego brązy stosuje się na panewki
zawsze w stanie lanym. Po wyżarzeniu brązy tracą własności przeciwcierne.
Stosuje się je na silnie obciążone łożyska, pracujące w warunkach korozyjnych,
źle smarowne lub narażone na obciążenia udarowe.
Tańsze, ale ustępujące im pod względem własności są brązy cynowo-
cynkowo-ołowiowe (spiże). W celu uzyskania dobrych własności mechanicznych
należy te brązy odlewać w kokilach lub odśrodkowo a powierzchnię wewnętrzną
panewek wylewać cienką warstewka babbitu.
357
c.d.
W wypadku dużych nacisków i prędkości obwodowych stosuje się
brązy cynowo-ołowiowe. dobre własności ślizgowe tych brązów wynikają
z ich niejednorodnej budowy. Wykazują one zdolność łatwego
dopasowywania się do powierzchni czopów i maja dobre przewodnictwo
cieplne.
Dobre własności ślizgowe wykazują również brązy krzemowe i
dlatego również używa się ich na panewki łożysk ślizgowych, szczególnie
wtedy gdy występują duże naciski przy małych prędkościach obwodowych.
W wypadku bardzo dużych nacisków należy stosować odlewnicze
brązy aluminiowe zawierające około 10 %Al, które wykazują bardzo duża
odporność na ścieranie i w wielu zastosowaniach mogą zastąpić droższe
brązy cynowe. W wypadku ich zastosowania należy utwardzać czopy
wałów( nawęglać lub hartować powierzchniowo). Podobnie jak wszystkie
brązy maja one małe współczynniki tarcia płynnego ale w przypadku
pogorszenia warunków smarowania powodują większe zużycie czopów niż
babbity.
358
Stopy łożyskowe na osnowie aluminium
Materiały te są stosowane w celu zastąpienia dużo droższych
stopów na osnowie miedzi i cyny. Struktura ich jest podobna do
babitów i brązów. W miękkiej osnowie roztworu stałego na bazie
aluminium z dodatkami miedzi lub krzemu, rozmieszczone są
twardsze kryształy faz międzymetalicznych albo eutektyki. Cząstki
tych faz są twarde i jeśli występują w postaci igieł to stopy tego typu
należy stosować po przekuciu które je kruszy i rozdrabnia.
Wadą wszystkich stopów łożyskowych na osnowie aluminium
jest stosunkowo duży współczynnik rozszerzalności cieplnej.
359
Stopy łożyskowe na osnowie cynku
Stopy łożyskowe na osnowie cynku z dodatkami miedzi i
aluminium mają mniejsze zastosowanie praktyczne. Mogą być
stosowane na panewki pracujące przy małych i średnich
prędkościach oraz obciążeniach. Wadą tych stopów jest skłonność
do korozji.
360
Żeliwa przeciwcierne
Stopami łożyskowymi na osnowie żelaza są żeliwa. Grafit płatkowy
występujący w strukturze żeliw szarych wywiera korzystny wpływ na ich
własności ślizgowe i umożliwia ich zastosowanie na łożyska ślizgowe.
Żeliwa przeznaczone na panewki łożysk ślizgowych powinny posiadać
osnowę perlityczną bez wolnego cementytu oraz ferrytu. Pożądana jest
obecność eutektyki fosforowej rozmieszczonej w postaci drobnych ,
równomiernie rozmieszczonych wtrąceń. Współczynnik tarcia, zużycie
ścierne panewki oraz współpracującego z nią czopa wału, przy
zastosowaniu żeliw przeciwciernych, są tylko nieznacznie większe niż w
przypadku zastosowania brązów cynowych. Wadą żeliw jest ich skłonność
do powstawania pęknięć pod wpływem obciążeń udarowych oraz zła praca
w warunkach niewystarczającego smarowania. Panewki wykonane z żeliw
przeciwciernych muszą współpracować z utwardzonymi czopami wałów o
gładkiej powierzchni.