MMiOC

Materiały Metaliczne i Obróbka Cieplna
Krzysztof Rożniatowski
Jerzy Szawłowski
Materiały Metaliczne
Spośród 111 pierwiastków znanych do 1995 roku ponad
80 to metale.
Metale odznaczają się charakterystycznymi cechami:
–dobrą przewodnością cieplną i elektryczną
–plastycznością (zdolnością do trwałych odkształceń)
–połyskiem (zdolnością do odbijania promieni
świetlnych)
Żelazo jest głównym metalem kuli ziemskiej (45% masy).
Jego zawartość w skorupie ziemskiej oceniana jest na
blisko 5% wag.)
Układ okresowy pierwiastków
IA
1
2
3
4
5
2He
Wodór
IIA
IIIA
IVA
VA
VIA
VIIA
Hel
3Li
4Be
5B
6C
7N
8O
9F
10Ne
Lit
Beryl
Bor
Węgiel
Azot
Tlen
Fluor
Neon
11Na
12Mg
13Al
14Si
15P
16S
17Cl
18Ar
Sód
Magnez
Glin
Krzem
Fosfor
Siarka
Chlor
Argon
19K
20Ca
21Sc
22Ti
23V
24Cr
25Mn
26Fe
27Co
28Ni
29Cu
30Zn
31Ga
32Ge
33As
34Se
35Br
36Kr
Potas
Wapń
Skand
Tytan
Wanad
Chrom
Mangan
Żelazo
Kobalt
Nikiel
Miedź
Cynk
Gal
German
Arsen
Selen
Brom
Krypton
37Rb
38Sr
39Y
40Zr
41Nb
42Mo
43Tc
44Ru
45Rh
46Pd
47Ag
48Cd
49In
50Sn
51Sb
52Te
53I
54Xe
Rubid
Stront
Itr
Cyrkon
Niob
Molibden
Technet
Ruten
Rod
Pallad
Srebro
Kadm
Ind
Cyna
Antymon
Tellur
Jod
Ksenon
56Ba
Bar
*57La
Lantan
72Hf
Hafn
73Ta
Tantal
74W
Wolfram
75Re
Ren
76Os
Osm
77Ir
Iryd
78Pt
Platyna
79Au
Złoto
80Hg
Rtęć
81Tl
Tal
82Pb
Ołów
83Bi
Bizmut
84Po
Polon
85At
Astat
86Rn
87Fr
88Ra
104Rf
105Db
106Sg
107Bh
108Hs
109Mt
110Uun
111Uuu
112Uub
Frans
Rad
**89Ac
Aktyn
Seaborg
Bohr
Has
Meitner
Cs
6 55
Cez
7
0
1H
* Lantanowce
** Aktynowce
IIIB
58Ce
IVB
VB
Rutherford Dubn
59Pr
VIB
VIIB
VIII
IB
IIB
60Nd
Prazeodym Neodym
61Pm
62Sm
63Eu
64Gd
65Tb
66Dy
67Ho
68Er
69Tm
70Yb
71Lu
Cer
Promet
Samar
Europ
Gadolin
Terb
Dyspoz
Holm
Erb
Tul
Iterb
Lutet
90Th
Tor
91Pa
Protaktyn
93Np
Neptun
94Pu
Pluton
95Am
Ameryk
96Cm
Kiur
97Bk
Bekerel
98Cf
Kaliforn
99Es
Einstein
100Fm
Ferm
101Md
102No
Mendelew Nobel
92U
Uran
103Lr
Lorens
Radon
wł. elektryczne
• Przewodność elektryczna miedzi:
4
wł. cieplne
włókna krzemionkowe
• Przewodność cieplna
miedzi zmniejsza się wraz
ze wzrostem zawartości
cynku
5
wł. magnetyczne
• przenikalność
magnetyczna:
-korzyści z dodatku Si do Fe
6
Produkcja surówki
•
załadunek
ujście powietrza
żużel
wejście powietrza
surówka
Wielki piec, piec szybowy
służący do wytapiania surówki
z rud żelaza. Przez górną
gardziel pieca wsypuje się rudę,
paliwo (koks) i zasadowe
topniki, a od spodu wdmuchuje
się gorące powietrze.
Zbierającą się surówkę i żużel
odprowadza się kilka razy na
dobę uzupełniając jednocześnie
wsad. Produktami ubocznymi
procesu są żużel i gaz
wielkopiecowy.
Obecne wielkie piece mają wysokość do
30 m, pojemność do 3000m3 , wydajność
do 6000 t surówki na dobę.
Skład surówki
•
•
•
Fe o zawartości 4% C, 0.4%
Si, 0.3% Mn, 0.025% S, i do
1.5% P
– Zbyt wiele jak na
zastosowania komercyjne
Odlewane do form piaskowych
W stanie ciekłym
transportowane do stalowni
Stal
• Każda stal zawiera maksymalnie do 2% węgla i inne
pierwiastki
• Wytrzymałość może się zmieniać w szerokim zakresie
(100MPa do 2000MPa)
– Przemiana alotropowa jest kluczem przy produkcji stali o
wysokiej wytrzymałości
• Wytrzymałość zależy głównie od zawartości węgla oraz
stosowanej obróbki cieplnej
– Inne pierwiastki stopowe wpływają głównie na hartowność stali
Wytwarzanie stali
Tlen
Argon
• Utlenienie węgla w surówce do
postaci CO
• Tradycyjne procesy wykorzystują
powietrze
– Bessemer
• Nowoczesne procesy wykorzystują
czysty tlen
– BOS (basic oxygen steelmaking)
– Niektóre stale są produkowane
w łukowych piecach
elektrycznych
Metalurgia kadziowa
Drut ze
składnikiem
stopowym
Lanca
• Obróbka w kadziach służy do
dalszej poprawy jakości stali
Przedmuch argonem
– Podczas topienia stal jest
przedmuchiwana argonem
– Proszki i gazy wtryskiwane są do
roztopionego metalu lancą
– Wsuwany jest drut z rdzeniem
zawierającym składniki stopowe
– Zachodzi dalsze odwęglenie
– Kontrola kształtu wtrąceń
– Stopowanie
Odtlenienie i odgazowanie
próżnia
forma
• W procesach stalowniczych
dochodzi do wzrostu zawartości
tlenu w stopie
• Dodatki Al, FeMn lub FeSi
tworzą tlenki, które wypływają na
powierzchnię jako żużel
• Tlen, wodór i azot mogą być
usunięte poprzez odgazowanie
w próżni
– Odlewanie stali w próżni
– Odparowanie gazów
Odlewanie wlewka
• Tradycyjna, o niskiej
wydajności metoda
• Niska jakość
• Stale specjalne
– Stale o specjalnych
właściwościach
magnetycznych,
– Stale narzędziowe,
– Stale nierdzewne
• Stopy kolorowe
s.nieuspokojona
s.uspokojona
s.półuspokojona
Odlewanie ciągłe
kadź pośrednia
• Do produkcji stali
konstrukcyjnych i instalacji
ciśnieniowych
chłodzenie natryskowe
• Stal uspokojona
• Wysoka wydajność i jakość
rolki prowadzące
produkcji (powtarzalność)
kanał chłodzący
• W wielu państwach stal odlewa
się już tylko w ten sposób
forma impulsowa
Przetapianie i czyszczenie strefowe
• Produkcja stali o
najwyższej jakości
Roztapiana
elektroda
Transformator
• Czyszczony wlewek jest
używany jako zużywająca
się elektroda w piecu
Miska z żużlem
łukowym
Chłodzona wodą •
ruchoma forma
Oczyszczona stal
Wlewek można przetopić
również w piecu
indukcyjnym
• Wlewek można przetopić
również poprzez
przepuszczenie prądu
przez roztopiony żużel
ΔσGranica Plastynczości struktury(MPa)
+150
Węgiel i azot
(międzywęzłowy)
Cu
P
Cr
Ni
Mo
P
Si
+75
Cu
Mn
Mo
0
2.0 % Stop
1.0
Nikiel
Cr
-75
Umowna granica plastyczności
MN/m2
240
rozpuszczone pierwiastki
międzywęzłowe
N
200
C
160
W
120
Mo
B
80
roztwór stały
rozpuszczony
w pierwiastkach
formujących ferryt
V
40
Cu
0
Ni
Si
roztwór stały
rozpuszczony
w pierwiastkach
formujących austenit
Mn
Co
-40
0
20
40
60
80 100 120 140 160
Pierwiastek stopowy
Zależność typu Hall’a-Petch’a
= H
220
200
HV
H
180
o
+ K
H
(S
)
V
1 / 2
Wielkość ziarna [µ m]
110 40
16
10
4,5
6
3
2,5
50
o
0
Próg kruchości [ C]
2
Granica Plastyczności [MN/m ]
450
300
-50
-100
granica
plastyczności
150
5
-150
I.T.T
10
20
15
- 12
- 12
Wielkość ziarna d (mm )
200
CV=0,75
HB
180
160
140
0.10
CV=0,64
CV=0,78
0.15
l
-1/2
0.20
0.25
d.z.
g.z.
d /
d
d /
d
*
d.z.
g.z.
drobne ziarno-d.z.
grube ziarno-g.z.
Wytrzymałość na rozciąganie, MN/m
2
1200
1050
900
750
600
450
Martenzyt
300
Bainit
Ferryt+
perlit
400
500
600
700
o
Temperatura przemiany, C
800
Przykładowe kryteria klasyfikacji stali
Kryterium podziału
Skład chemiczny
Przykładowe rodzaje i grupy stall
Podstawowe zastosowanie
niestopowa (węglowa), stopowa
konstrukcyjna, narzędziowa, o szczególnych
własnościach
Jakość (m.in. stężenie S i P)
jakościowa, specjalna
Sposób wytwarzania
martenowska, elektryczna, konwertorowa i inne
Sposób odtleniania
uspokojona, półuspokojona, nieuspokojona
Rodzaj produktów
blachy, pręty, druty, rury, odkuwki, itp.
Postać
lana, kuta, walcowana na gorąco, walcowana na
zimno, ciągniona
surowy, wyżarzony normalizująco, ulepszony cieplnie i
inne
Stan kwalifikacyjny
Stężenie graniczne pierwiastków stopowych w stalach
Pierwiastek chemiczny
;
Stężenie graniczne masowe %
Aluminium
0,3
Bor
0,0008
Bizmut
0,1
Chrom
0,3
Cyrkon
0,05
Kobalt
0,3
Krzem
0,6
Lantanowce (każdy)
0,1
Mangan
1,65 2)
Miedz
0,4
Molibden
0,08
Nikiel
0,3
Niob
0,06
Ołów
0,4
Selen
0,1
Tellur
0,1
Tytan
0,05
Wanad
0,1
Wolfram
0,3
Inne (oprocz C, P, S, N) (każdy)
0,1
1)
Wartości graniczne wykorzystuje się do klasyfikacji stali porownując je z wartością minimalą stężenia każdego pierwiastka podanego w
normach szczegółowych, a jeśli podana jest tylko wartośc maksymalna - do klasyfikacji (za wyjątkiem Mn) przyjmuje się wartośc
stanowiącą 70% tego stężenia maksymalnego.
2)
Jeżeli wymagania dotyczące manganu obejmują wyłącznie stężenie maksymalne, dopuszcza się wówczas wartość 1,8%.
Klasyfikacja stali w zależności od składu
chemicznego
•
•
•
•
Stal – węgiel w granicach od 0.05% do 2.0% C
Żelazo techniczne - poniżej 0.05% C
Stale niskostopowe (<5%  pierwiastków stopowych)
Stale wysokostopowe
• Żeliwo - ponad 2% C (to już nie stal – stal musi być
poddana przeróbce plastycznej !)
Wpływ perlitu na właściwości mechaniczne
Rm
Wydłużenie
40% (A5)
900 MPa
Rm
700 MPa
30%
20%
500 MPa
Wydłużenie
10%
300 MPa
0%
100%
% ferrite
cementyt
% perlitu
0%
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
% węgiel
Klasyfikacja stali w zależności od
zastosowania
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Stale konstrukcyjne
Stale na urządzenia
ciśnieniowe
Stale na rurociągi
Stale głębokotłoczne
Stale wysokowytrzymałe
Stale odporne na korozję
Stale narzędziowe
Stale łożyskowe
……………………..
……………………..
Stale do pracy w podwyższonych temperaturach:
Charakteryzuje się wysoką odpornością na pełzanie nawet do 200
tys. godzin pracy z obciążeniem
• Przeważa struktura ferrytyczno - perlityczna lub martenzytyczna
• Ich temperatura pracy może osiągać do 600oC
• Zastosowanie: energetyka, na rury kotłowe,
odbijające od spalin, itp.
• Przykłady: 10H2M; 16M; 15HM
przegrzewacze
Pełzanie
1 - F=const
2 – s=const
Stale stopowe
Stale do pracy w temperaturach podwyższonych
Są stosowane głównie w energetyce na rury wymiennikowe, armaturę
kotłów i turbin, walczaki kotłów parowych itp. pracujące w temperaturach do
ok. 500 oC i dlatego dodatkowo muszą być odporne na zmęczenie cieplne,
pełzanie, korozję.
Można tu wyróżnić następujące grupy stali:
–
niskostopowe, o zawartości do 0,15 % C i łącznej zawartości
dodatków stopowych do 3%, np. 16M, 15HM, 15HMF, 10H2M,
–
średniostopowe, o zawartości węgla od 0,15 do 0,35% i
łącznej zawartości dodatków stopowych do 5%, np. 19G2,
20MF, 20HM, 21HMF, 20H3MWF, 34HN3M,
–
wysokostopowe, o zawartości dodatków stopowych powyżej
5%, np. 15H11MF, 23H12MNF, 15H12WMF.
Stale do pracy w podwyższonych temperaturach
Stal przeznaczona na elementy maszyn i urządzeń pracujących w
wysokich temperaturach powinna posiadać dwie podstawowe
właściwości:
Żaroodporność – to odporność stopu na działanie czynników
chemicznych: głównie powietrza oraz spalin i ich agresywnych
składników w temperaturze wyższej niż 600C. H5M, H18N25S2 ,
H23N13
Żarowytrzymałość – jest nazywana odporność stopu na
odkształcenie z czym wiąże się zdolność do wytrzymywania
obciążeń mechanicznych w wysokiej temperaturze – powyżej 600C.
Stale ferrytyczne są stosowane na nie obciążone mechanicznie
części aparatury chemicznej pieców i kotłów przemysłowych, części
palników gazowych, skrzynie do nawęglania i inne. Stale
austenityczne o większej żarowytrzymałości są stosowane na
podobne elementy lecz obciążone mechanicznie.
Stale żaroodporne
• Stale wysokochromowe 5-30%, (im więcej chromu tym większa
żaroodporność);
• Ich temperatura pracy może osiągać do 900oC;
• Struktura ferrytyczna lub austenityczna
• Zastosowanie: w przemyśle chemicznym i naftowym, w aparaturze
chemicznej, itp.
• Np.: H9S2, H13J, H18N9S2,
Stale żarowytrzymałe
Wysoka wytrzymałość od 600oC do 1000oC;
• Są równocześnie żaroodporne;
• Podstawowe pierwiastki składowe to: Cr, Mo, Ni, V, W, Mn, (Al, Ti do
1%);
• Zastosowanie: w przemyśle chemicznym i naftowym,
farmaceutycznym, do aparatury pracującej pod obciążeniem;
• Np.: H18JS, H2ST, H26N4
Stale zaworowe
• Stale krzemowo – chromowe o strukturze perlitycznej poddaje się
hartowaniu w temperaturze 1010- 1060C i odpuszczaniu w temp 700-790C
z chłodzeniem w wodzie, co zapobiega kruchości odpuszczenia. Strukturę
stali stanowi martenzyt odpuszczony
• Odporna na korozje w spalinach silników tłokowych
• Stale o strukturze austenitycznej poddaje się przesycaniu z temperatury
1050-1100C z chłodzeniem w wodzie i starzeniu w temperaturze 700-750C.
W wyniku tej obróbki otrzymuje się strukturę austenitu z dyspersyjnymi
wydzieleniami węglików M6C, M23C6 oraz węglikoazotków
• Odporne na ścieranie
• Zastosowanie: na zawory silników motocyklowych i samochodowych, na
bardzo silnie obciążone zawory wylotowe, na zawory silników lotniczych
pracujących w temperaturze do 900oC
• Np.: H9S2, H10S2M, 4H14N14W2M, 5 0H21G9N4A
Stale do pracy w obniżonej temperaturze
• są stosowane w zakresie od poniżej 0oC do temperatury wrzenia helu tj.
ok. -269oC,
• Zastosowanie w chemii i w petrochemii, chłodnictwie, przemyśle
lotniczym, nuklearnym i kosmonautyce,
• Wraz z obniżeniem temperatury pracy zwiększa się wytrzymałość,
natomiast zmniejsza się ciągliwość i odporność stali na kruche pękanie,
• Stale niklowe (Ni: 0.5-10%, C: 0.1-0.2,
Mn: 0.5-1.3% )
Energia zerwania [J]
200
0,11% C
150
0,2% C
100
0,31% C
0,41% C
0,49% C
50
0,60% C
0,8% C
0
-150
-100
-50
0
50
100
o
Temperatura próby [ C]
150
200
PRACA ŁAMANIA (J)
120
36% Ni
sieć A1
100
80
13% Ni
60
40
20
0
-200
8,5% Ni
5% Ni
3,5% Ni
2% Ni
stal węglowa
0,2% C
-150
-100
-50
0
TEMPERATURA BADANIA (°C)
PRACA ŁAMANIA, KV (J)
400
Stężenie Mn, %
2,0
300
1,0
0,5
0
200
100
0
-80
-40
0
40
80
120 160
TEMPERATURA (°C)
Stale stopowe
Stale do pracy przy niskich temperaturach
Charakteryzują się dużą ciągliwością przy niskich temperaturach, tzn.
temperatura przejścia plastyczno-kruchego dla tych stali musi być możliwie
niska. Zakres temperatur ich stosowania wynosi 20 oC do - 273 oC.
Obniżenie temperatury, zwłaszcza znacznie poniżej 0 oC, powoduje wzrost
granicy plastyczności i wytrzymałości, z równoczesnym zmniejszeniem
plastyczności.
W zależności od zakresu temperatur przejścia plastyczno-kruchego
stosowane są stale:
–
do ok. -50 oC - stale typu SSPW z mikrododatkami,
–
od ok. -50 do - 200 oC - stale niklowe normalizowane i
ulepszane cieplnie o zawartości: 2,5% Ni do -60 oC, 3,5% Ni
do -100 oC, 5% Ni do -120 oC i 9% Ni do -200 oC.
–
od ok. -200 do -270 oC stale specjalne austenityczne
chromowo-niklowe typu 18/8 i chromowo - manganowe z
dodatkami niklu i azotu.
Czynniki wpływające na kruchość stali
PRACA ŁAMANIA, KV (J)
120
100
80
dwukrotne hartowanie
i odpuszczanie
hartowanie
i odpuszczanie
60
40
20
normalizowanie
normalizowanie
i odprężanie
0
-220 -200 -180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40
TEMPERATURA BADANIA (°C)
-20
0
Stale odporne na korozję
Czemu stale nierdzewne nie rdzewieją?
Szybkość korozji (mm/rok)
Stale nierdzewne nie rdzewieją bo ulegają pasywacji
0.2
0.1
0
0
5
% Chromu
10
Pasywność stali odpornych na korozję
•
Pasywność osiągamy dzięki
samoodbudowującej się
warstwie tlenków
– Szczelną, zwartą warstwę
osiągamy przy zawartościach
Cr > 11%
– Pasywność rośnie wraz ze
wzrostem zawartości chromu
do ok. 17%
– Najwyższą odporność
uzyskują stale o zawartości
17-18 % chromu
•
Odporność na korozję zależy od
stanu warstwy wierzchniej
(pasywnego filmu na powierzchni)
•
Stan (odporność) warstwy
wierzchniej można optymalizować
pod kątem różnych środowisk
pracy poprzez modyfikację składu
chemicznego – wprowadzenie
takich pierwiastków jak: Ni, Mo, N,
Cu....
Rodzaje stali odpornych na korozję
•
•
•
•
•
Ferrytyczne
Austenityczne
Martenzytyczne
Martenzytyczno-Austenityczne
Ferrytyczno-Austenityczne
Rola pierwiastków stopowych w stalach
odpornych na korozję
•
•
•
Pierwiastki stopowe sterują zarówno strukturą stali oraz
ich odpornością na korozję
Pierwiastki stopowe stabilizują strukturę austenityczną
(np. nikiel) lub ferrytyczną (np. chrom)
Rodzaj fazy lub faz tworzących stal zależy od ilości i
wzajemnego stosunku pierwiastków stopowych
Rodzaj tworzącej się struktury (fazy) można określić
posługując się wykresem Schaefflera-Delonga
Mikrostrukturę można kształtować w pewnym zakresie
stosując zabiegi obróbki cieplnej
NiE =%NI+30 %C+0,5 %Mn+30 %N
tu
y
r 5%
r
fe
0%
%
1
0
%
20
%
40
28
austenit A
24
20
16
A+M
A+F
12
8
4
0
100%
A+
M+
F
martenzyt M
M+F
0
4
8
12
16
80 %
ferryt F
20
24
28
32 36
Cr E=%Cr+1,4 %Mo+1,5 %Si+0,5 %Nb+2 %Ti
40
Równoważnik Niklu
Wykres Schaefflera-Delonga
Martenzytyczno-Austenityczne
•410
Martenzytyczne
•904
Austenityczne
•316Ferrytyczno-Austenityczne
•304
•2507
•
2205
•2304
•430
Ferrytyczne
Równoważnik Chromu
Równoważnik Chromum = %Cr + 1.5%Si + %Mo
Równoważnik Niklu = %Ni + 30(%C + %N) + 0.5(%Mn + %Cu + %Co)
Właściwości wytrzymałościowe stali
odpornych na korozję
Naprężenie (MPa)
Martenzytyczne
1000
Martenzytyczno-Austenityczne
750
Ferrytyczno-Austenityczne
500
Ferrytyczne
250
0
0
10
20
Austenityczne
30
40
50
Odkształcenie (%)
60
Wytrzymałość i udarność stali odpornych na
korozję
•
Wytrzymałość można podnieść na drodze:
Rozdrobnienia mikrostruktury
Odkształcenia plastycznego na zimno
Wprowadzenia wydzieleń fazy umacniającej
Zmianę składu chemicznego (umocnienie roztworowe)
•
Struktury RPC (ferryt) są kruche w niskich temperaturach
•
Austenit nie jest kruchy w niskich temperaturach
•
Kruchość często idzie w parze z wysoką wytrzymałością
•
Umocnienie zasadniczo zmniejsza udarność stali
•
Rozdrobnienie mikrostruktury podnosi zarówno wytrzymałość jak i
udarność stali
Udarność stali odpornych na korozję
•
Udarność zmienia się w funkcji temperatury
Energia łamania
Austenityczna
Ferrytczno-Austenityczna
Ferrytyczna
Martenzytyczna
-200
-100
0
Temperatura (°C)
100
Wydzielenia
Stale odporne na korozję cechuje mała stabilność struktury w
wysokich temperaturach
– Węgliki i azotki (550°C - 800°C).
• Niepożądane we wszystkich rodzajach stali Chłodź szybko,
• Obniżają odporność na korozję i udarność ogranicz ilość C i N
lub dodaj Ti
– Fazy intermetaliczne (700°C - 900°C).
• Szkodliwe w stalach ferrytycznych i austenitycznych (>17%
Cr + Mo).
Chłodź
szybko
• Obniżają odporność na korozję i udarność
– Kruchość 475°C (350°C - 550°C).
• Szkodliwy wpływ w stalach ferrytycznych i martenzytycznych
(>15% Cr).
Staraj się nie
• Obniżona udarność
używać w tej
temperaturze
Stale odporne na korozję
Stale trudnordzewiejące
• Wykazują większą odporność na korozję atmosferyczną od stali węglowej;
• Zawiera ok. 0,1% węgla oraz dodatki 1-3% pasywującego chromu i około 0,05% miedzi;
• zastosowanie głównie jako stale spawalne pracujące w środowisku atmosfery
przemysłowej oraz morskiej;
• Np.: H3S, 10HAVP
Stal nierdzewna
• Zawiera około 13-18% Cr
• Struktura zależy przede wszystkim od zawartości węgla:
• odporna na korozję chemiczną w tym na utleniacze w atmosferze, powietrze, wody
naturalnej i pary wodnej, rozcieńczonych kwasów i soli oraz na działanie ropy naftowej,
paliw, olejów i alkoholi, a także środków spożywczych.
• Np.: X6Cr13 , X6Cr17
Struktura ferrytycznej stali odpornej na korozję
Struktura martenzytycznej stali odpornej na
korozję.
Zastosowanie martenzytycznej stali odpornej
na korozję
0.1%C
Instalacje chemiczne i petrochemiczne, łopatki turbin, sprężarki
0.3%C
Noże, przekładnie, łożyska, zawory
0.6%C
Żyletki
1%C
Narzędzia chirurgiczne, łożyska pracujące w wysokiej temperaturze
Stale martenzytyczno –
austenityczne mają
podobne zastosowanie,
cechują się wyższą
udarnością.
Stale kwasoodporne
• Zawierają około 0,1% C, 18% Cr, 8-10%Ni
• odporne na korozje elektrochemiczną, kwasów organicznych i
nieorganicznych, związków azotu i roztworów soli i agresywnych
środków spożywczych;
• zastosowanie: w przemyśle spożywczym i chemicznym;
• Np.:X10CrNi18-8, X6CrNiNb18-10
Struktura austenitycznej stali odpornej na
korozję
Stężenie węgla
w równowadze
z węglikami ok. 0,002%
Stężenie średnie 18%
Stężenie chromu
zapewniające
odporność chemiczną ok. 12%
%Cr
%C
a)
węglik
Stężenie średnie 0,1%
Granica ziarna
Stężenie węgla
w równowadze
z węglikami ok. 0,002%
węglik
%Cr
%C
b)
Granica ziarna
Stężenie chromu
zapewniające
odporność chemiczną ok. 12%
Stal ferrytyczno-austenityczna odporna
na korozję (duplex)
Typowy skład: 22%Cr, 5%Ni, 0.03%C, 0.08%N
– Świetna odporność na korozję
Wytrzymałość blisko 2x
wyższa niż stali
Wysoka udarność.
austenitycznych przy
Możliwość osiągania wysokiej wytrzymałości
podobnej odporności na
Łatwość kształtowania
korozję
Dobra spawalność (choć wymaga wysokiej kultury
technicznej)
Wysoka cena
• Również w środowisku chlorków
–
–
–
–
–
Przewiduje się
rozwój stali o
wyższej zawartości
N
Struktura ferrytyczno - austenitycznej stali
odpornej na korozję (duplex)
Ferryt
Austenit
Zastosowanie stali duplex
•
Wysokowytrzymały zamiennik dla stali austenitycznych
– wysoka wytrzymałość pozwala zredukować masę i koszt wyrobu
•
Rury, zbiorniki, morskie jednostki pływające, przemysł chemiczny,
petrochemiczny, gazowniczy i papierniczy
Elementy strukturalne od których wymaga się odporności na korozję
zmęczeniową, np.:
– rolki w przemyśle papierniczym
– pompy pracujące w środowisku wody morskiej
•
Podstawy obróbki cieplnej stali
• Obróbka cieplna jest to zespół odpowiednio dobranych
zabiegów cieplnych prowadzących do zmiany
właściwości stali poprzez zmiany struktury w stanie
stałym w wyniku zmian temperatury i czasu.
• Ze względu na czynniki wpływające na kształtowanie
struktury oraz właściwości metali i stopów można
wyróżnić następujące rodzaje obróbki cieplnej:
• obróbkę cieplną zwykłą,
• obróbkę cieplno-chemiczną,
• obróbkę cieplno-mechaniczną (zwaną także obróbką cieplnoplastyczną),
• obróbkę cieplno-magnetyczną.
Klasyfikacja obróbki cieplnej zwykłej
Zabiegi obróbki cieplnej
Przemiany perlitu w austenit
Schemat wpływu temperatury austenityzowania na wielkość
ziarna austenitu w stalach drobno- i gruboziarnistych
(DAD, DAG - wielkość ziarna austenitu w stali drobnoziarnistej i gruboziarnistej, DP - wielkość ziarna perlitu)
Zakresy temperaturowe zabiegów wyżarzania
1100
ujednorodniające

800

700
izu
al
rm
Temperatura, oC
900

wyżarzanie
P
Fe3C
no
zu
pe
łne
G
ją
ce
1000
niezupełne
S
wyżarzanie odprężające
600
Fe3C
0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4
zawartość, %C
Wykres CTP dla stali eutektoidalnej
Austenit
700
Ps
600
500
400
Bs
Pf
Perlit
Bf
Bainit
Początek
300
Koniec
Ms
200
Mf
100
Martenzyt
0.1
1
10
100
1000 10,000
sekund
A3
α+
A3
A1
A1
Fs
Ps
A1
T?
A1
1 2 3
Ms
(A)
50% przemiany
α+C m
727 C
Temperatura
Temperatura
o
Ps
50% przemiany
Ms
log czas
Tm a x
log czas
Przemiany austenitu
723ºC
Temp
P

B
gruby
Perlit
drobny
górny
Bainit
dolny
Ms
Mf
’
’(martenzyt)
czas
T
T
Ta
Ta
Ac3
o
Temperatura C
o
Temperatura C
Tc3
Tkr
Czas, s
t
F
Ms
P
Tkr
B
Czas, s
log t
Tworzenie martenzytu
•
•
•
Wysokie szybkości chłodzenia - hartowanie
– Szybkie schładzanie w oleju lub wodzie
Zahamowanie dyfuzji węgla
– Nie może powstać perlit jak i ferryt ppowstające na drodze
zarodkowania i wzrostu (związanego z dyfuzją C) ziaren
Ścięcie sieci austenitu
– Powstaje struktura RPC o znacznym stopniu tetragonalności
– Węgiel rozmieszczony równomiernie w sieci martenzytu
(powstaje przesycony roztwór stały węgla w ferrycie o
znacznym stopniu tetragonalności)
Martenzyt
Wysoka wytrzymałość (do 2000 MPa) i twardość (900 HV) ale i niepożądana
kruchość
Martenzyt
Austenit szczątkowy
Martenzyt powstaje na drodze ścinania w ziarnach austenitu.
Część austenitu ze względu na wygenerowany poziom naprężeń nie
przemieni się w martenzyt – jest to austenit szczątkowy
Martenzyt
Martenzyt powstaje z
austenitu na drodze
ścinania sieci krystalicznej
– przemiany bezdyfuzyjnej
(bez zarodkowania i
wzrostu). Produkt ścinania
jest iglasty.
W tym przypadku, ze
względu na wysoką
zawartość węgla (1.2%) w
strukturze obserwuje się
austenit szczątkowy.
c
a
a
a
a
a
Sieć regularna
(Ferryt)
Sieć tetragonalna
(Martenzyt)
Twardość Rockwella Rc
70
65
austenit
szczątkowy
60
55
50
45
40
35
0
0.2
0.4
0.6
0.8
%C Wagowy
1
1.2
Austenit szczątkowy pomiędzy igłami
martenzytu
Czynniki wpływające na tworzenie struktury
martenzytycznej w stali
• Wysoka szybkość
chłodzenia
• Podwyższenie
hartowności materiału
• Hartowność jest zależna
od zawartości
pierwiastków stopowych
i węgla
• Hartowność jest zależna
od wielkości ziarna
austenitu
Ocena hartowności materiału
pręt
1,27cm
x
5,01cm
para
strumień
wody
powierzchnia
znaczniki
twardości
Ocena hartowności materiału
Określenie hartowności
• Średnica pręta, Di, który po hartowaniu na wskroś posiada
w rdzeniu nie mniej niż 50% martenzytu
– Zależy od szybkości chłodzenia
– Idealna średnica krytyczna wyznaczana jest dla teoretycznie
najszybszego z możliwych sposobów chłodzenia (hartowania), DC
– Zależy od średnicy ziarna austenitu
Temperatura
Szybkośc chłodzenia
a)
b)
d
Vchł
c)
Dk
Vk1
Vk2
Vk3
AC1
MS
AC1
Vk1
MS
AC1
Vk2
Czas
MS
Vk3
zawartość
martenzytu
40
93%
90%
50%
20
0
powierzchnia
Twardość HRC
60
40
rdzeń
zawartość
martenzytu
99%
90%
50%
20
0
powierzchnia
rdzeń
Szybkość chłodzenia
Twardość HRC
60
stal
niestopowa
stal
stopowa
vk r
a
a
b
b
vk r
Odpuszczanie
•
•
•
•
Wygrzewanie martenzytu w zakresie 100 - 600˚C
Zmiękcza i poprawia udarność martenzytu
Obniża twardość i wytrzymałość struktury
Zjawisko zależne od temperatury i prowadzi do:
–
–
–
–
–
Obniżenia naprężeń w stali
Wydzielania węglika  z martenzytu
Wydzielania cementytu z martenzytu
Przemiany węglika  w cementyt
Przemiany austenitu szczątkowego w martenzyt odpuszczony
lub bainit
– Zmiany geometrii wydzieleń cementytu (sferoidyzacji) - sorbit
Odpuszczanie
Temperaturą
odpuszczania
możemy sterować
właściwościami stali
Do zajścia przemian
w czasie
odpuszczania
potrzebny jest czas
hartowanie
naprężenie
wytrzymałość
na rozciąganie
naprężenie
uplastyczniające
odpuszczanie
odkształcenie
Obróbką cieplną sterujemy strukturą stali
(a) perlit, (b) bainit, (c) odpuszczony martenzyt
wszystkie zdjęcia w tej samej skali, stal 0.7%C
Obróbką cieplną sterujemy strukturą stali
Sorbit (charakterystyczne kuliste
wydzielenia węglików – cementytu)
Inżynieria powierzchni
Inżynieria powierzchni jest dziedziną powstałą wskutek dążenia do
osiągnięcia w materiałach bardzo dobrych właściwości
wytrzymałościowych, dużej twardości i odporności na ścieranie, przy
jednoczesnym zachowaniu dobrych właściwości plastycznych.
Inżynieria powierzchni
Hartowanie powierzchniowe
Polega ono na nagrzaniu jedynie powierzchni hartowanego materiału i
szybkim chłodzeniu (aby uzyskać strukturę martenzytu).
Ze względu na rodzaje nagrzewania powierzchni hartowanie
powierzchniowe dzielimy na:
-Kąpielowe (nagrzewanie odbywa się w roztopionych metalach).
-Płomieniowe (nagrzewanie za pomocą płomienia).
-Indukcyjne (nagrzewanie za pomocą prądów o dużej częstotliwości indukowane prądy wirowe krążąc przy powierzchni powodują silne jej
rozgrzanie).
Inżynieria powierzchni
Obróbka cieplno-chemiczna
Do uzyskania odpowiedniego kompromisu między twardością a
plastycznością stosuje się (oprócz hartowania) również obróbkę
cieplno-chemiczną, która polega na dyfuzyjnym wprowadzeniu do
warstwy powierzchniowej obcego pierwiastka, w celu wywołania
odpowiednich zmian.
Obróbkę cieplno-chemiczną można podzielić na trzy grupy:
-Dyfuzyjne nasycanie niemetalami
-Dyfuzyjne nasycanie metalami
-Dyfuzyjne nasycanie wieloskładnikowe
Inżynieria powierzchni
Ogólne procesy obróbki cieplno — chemicznej można
podzielić na trzy podstawowe grupy:
- dyfuzyjne nasycanie niemetalami,
- dyfuzyjne nasycanie metalami,
- dyfuzyjne nasycanie wieloskładnikowe.
Z kolei dyfuzyjne nasycanie niemetalami dzieli się na:
- nawęglanie,
- węgloutwardzanie cieplne,
- azotowanie,
- utlenianie,
- siarkowanie dyfuzyjne,
- borowanie dyfuzyjne,
- krzemowanie dyfuzyjne.
Inżynieria powierzchni
W czasie obróbki cieplno-chemicznej zachodzą trzy procesy:
-Dysocjacja (rozkład cząsteczek i powstanie aktywnych atomów)
-Adsorpcja (rozpuszczanie się aktywnych atomów w powierzchni
metalu)
-Dyfuzja (przemieszczanie się obcych atomów w głąb metalu).
Rodzaj reakcji
Dysocjacja
Wymiana
Redukcja
Ośrodek
AB
AB
AB + C
Strefa przypowierzchniowa
AB
Podłoże
metalowe M.
A+ B
AB + M.
A + MB
AB + C
BC
A+
Inżynieria powierzchni
Nawęglanie i węgloutwardzanie
Nawęglanie jest to dyfuzyjne nasycanie węglem warstwy powierzchniowej
przedmiotu, natomiast węgloutwardzanie jest to proces oparty na
nawęglaniu a następnym hartowaniu i niskim odpuszczaniu.
Rozróżnia się dwa główne sposoby:
Proszkowe - wygrzewanie w temp. ok. 900-950 °C w obecności
proszku do nawęglania - karburyzatora - w czasie kilku (kilkunastu)
godzin bez możliwości jakiejkolwiek kontroli procesu).
Gazowe - (wygrzewanie w środowisku gazowym, w temp. ok. 900950°C; proces znacznie krótszy i łatwiejszy w kontrolowaniu)
Nawęglanie i węgloutwardzanie stosuje się do stali niskowęglowych
(niskostopowych), w celu otrzymania warstwy o głębokości 0,6-2,0 mm.
Inżynieria powierzchni
Nawęglanie i
węgloutwardzanie
Inżynieria powierzchni
Azotowanie
Rozróżnia się dwa rodzaje azotowania:
Utwardzające - powoduje utwardzenie stref przypowierzchniowych twarda i trudno ścieralna warstwa o grubości 0,1-0,6 mm - w temp.
480-600 °C i w czasie 10-100 godzin
Przeciwkorozyjne - powoduje zwiększenie odporności na korozję trwa ok. 1 godziny w temp. ok. 600-700 °C; grubość warstwy
naazotowanej 0,02-0,04 mm
Azotuje się średniowęglowe stale stopowe bogate w pierwiastki tworzące
twarde i trwałe związki z azotem (Al., Cr, V, Mo)
Inżynieria powierzchni
Węgloazotowanie
Węgloazotowanie polega na nasycaniu stali jednocześnie węglem i
azotem.
Rozróżnia się dwa rodzaje węgloazotowania:
Niskotemperaturowe (stosowane do narzędzi tnących, w celu
lepszej odporności na ścieranie i twardości - w temp. ok. 500-600
°C - gr. warstwy ok. 0,02-0,15 mm)
Wysokotemperaturowe - stosowane do części konstrukcyjnych ze
stali średniowęglowych - w temp. ok. 800-950 °C - gr. warstwy
poniżej 1 mm; wymaga dodatkowej obróbki cieplnej)
Skład chemiczny oraz wybrane właściwości stali
do azotowania, wg PN-EN 10085:2003
Inżynieria powierzchni
Metalizowanie dyfuzyjne
Metalizowanie dyfuzyjne polega na nasycaniu powierzchni materiału
różnymi metalami (Cr,Al.,Zn,Ti), w celu uzyskania dużej twardości,
odporności na ścieranie i korozję oraz żaroodporności
Skład chemiczny stali niestopowych konstrukcyjnych, wg PN-EN 10022:2002
Skład chemiczny stali do ulepszania cieplnego, wg PN-EN 10083 : 2003
Skład chemiczny oraz wybrane właściwości stali do
azotowania, wg PN-EN 10085:2003
Żeliwo
Żeliwo szare
Żeliwo białe nadeutektyczne
Żeliwo
• Żeliwo ma ponad 2.06% C
• Zwykle zawiera od 3 do 4% węgla
1600 C
d
L
1400 C
Zwróćmy 1200 C
uwagę na
1000 C
niską
temperaturę
topnienia, 800 C
która ułatwia 
odlewanie 600 C

2.06%C
400 C
Fe
1% C
2% C
3% C
4% C
5% C
6% C
6.70% C
Cechy charakterystyczne żeliwa
•
•
•
•
Stop żelaza z węglem (zwykle 2 do 4.5% węgla) oraz 0.5 do 3%
krzemu
Niższa temperatura topnienia i większa płynność niż stali (lepsze
właściwości odlewnicze)
Niski koszt materiału zwykle produkowanego poprzez odlewanie do
form piaskowych
Możliwość sterowania strukturą i właściwościami poprzez zmianę
składu chemicznego i szybkość chłodzenia
– Wytrzymałość (lepiej jeśli materiał jest ściskany)
– Twardość
– Odporność na pękanie
– Przewodność cieplna
– Zdolność do tłumienia drgań
Podział żeliw
Żeliwo białe
-Podeutektyczne
-Eutektyczne
Postawą klasyfikacji jest
-Nadeutektyczne
struktura i właściwości
Żeliwo szare
wytrzymałościowe – Rm i A5
-Zwykłe
-Modyfikowane (+FeSi, CaSi, Al)
-Sferoidalne (+Ce, Mg)
Żeliwo ciągliwe
-Białe
-Czarne (ferrytyczne)
-Perlityczne
Postać grafitu w żeliwach szarych
Różne postacie grafitu występującego w żeliwach
szarych – wzorce kształtu:
a) płatkowy prosty, b) kłaczkowy, c) kulkowy regularny
Różne postacie grafitu występującego w żeliwach
szarych – wzorce rozmieszczenia: a) gałązkowe,
b) rozetkowe, c) międzydendrytyczne
Schematyczna struktura płatków grafitu (a) oraz struktura
rzeczywista żeliwa szarego (b)
Płatki grafitu w
osnowie
ferrytycznej
Żeliwo szare Żeliwo sferoidalne
Si (1~3%)
Kulki grafitu
w osnowie
ferrytycznej
Tłumienie drgań
Żeliwo białe
Perlit
Cementyt
Żeliwo ciągliwe
Węgiel
żarzenia w
osnowie
ferrytycznej
100
Energia pochłonięta(ft-lb)
żelazo ciągliwe(bez karbu)
80
grafit kulisty
płatki grafitu
60
40
żelazo ciągliwe(z karbem)
20
żelazo szare(z karbem lub bez)
0
-129
-73
18
38
93
o
Temperatura ( C)
149
204
Typowe struktury żeliwa szarego
Typowe struktury żeliwa szarego
(a) żeliwo białe podeutektyczne, (b) żeliwo ciągliwe czarne (ferrytyczne) –
widoczny węgiel żarzenia i wtrącenia MnS w osnowie ferrytycznej, (c) żeliwo
ciągliwe perlityczne, (d) żeliwo sferoidalne o osnowie ferrytycznej, (e) żeliwo
sferoidalne o osnowie ferrytyczno-perlitycznej, (f) żeliwo sferoidalne o
osnowie perlitycznej – widoczne pola steadytu
Wpływ składu chemicznego i warunków
odlewania na strukturę żeliwa
d – grubość ścianki
Ce’’ – równoważnik
węgla
•
•
•
Wolne chłodzenie ułatwia tworzenie grafitu
Grube ścianki (przekroje) zapewniają wolniejsze chłodzenie
Formy piaskowe zapewniają wolniejsze chłodzenie natomiast kokile
– szybsze, co sprzyja tworzeniu cementytu
Równoważnik węgla
•
•
•
•
Ce’=C+0.33 S lub Ce’’=C+0.3 Si
Wartości Ce’ powyżej 4.3 oznaczają ułatwione zarodkowanie i
wzrost grafitu co prowadzi do powstania żeliwa szarego
Wartości Ce’ poniżej 4.3 wiążą się łatwiejszym krzepnięciem
austenitu i ułatwiają tworzenie żeliwa białego
Odpowiednio, dla Ce’’: > 4 wiąże się z tworzeniem żeliwa
szarego, < 4 tworzeniem żeliwa białego
Żeliwo ciągliwe
Żeliwo ciągliwe jest materiałem, uzyskiwanym przez odpowiednia
obróbkę cieplną żeliwa białego. Przez długotrwale wyżarzanie żeliwa
białego można, w pewnych zakresach temperatur, uzyskać rozpad
cementytu pierwotnego i wydzielenie grafitu w charakterystycznej
skupionej postaci - tzw. węgla żarzenia.
W zależności od sposobu prowadzenia wyżarzania grafityzującego
rozróżnia się:
żeliwo ciągliwe białe, otrzymywane po wyżarzaniu żeliwa białego w
atmosferze utleniającej, powodującej wypalenie węgla;
żeliwo ciągliwe czarne (ferrytyczne), otrzymywane po wyżarzaniu żeliwa
białego w atmosferze obojętnej, doprowadzając proces grafityzacji do
końca, tzn. rozpadu cementytu zawartego w perlicie;
żeliwo ciągliwe perlityczne, otrzymywane po wyżarzaniu żeliwa białego w
atmosferze obojętnej bez doprowadzenia procesu grafityzacji do końca,
tzn. tylko rozpadu cementytu pierwotnego i wtórnego, znajdujących się w
stanie równowagi z austenitem.
Mikrostruktura żeliwa ciągliwego – czarnego
(ferrytycznego)
Struktura i właściwości żeliw specjalnych
Żeliwa stopowe o specjalnych właściwościach można
podzielić na następujące grupy:
-odporne na ścieranie,
-odporne na korozję,
-żaroodporne,
-o dużym elektrycznym oporze właściwym.
Wiele gatunków żeliw stopowych wykazuje
równocześnie kilka z tych właściwości.
Żeliwa odporne na ścieranie
Żeliwami o dobrej odporności na ścieranie są praktycznie wszystkie żeliwa białe.
Zmniejszenie kruchości żeliwa białego można uzyskać przez wprowadzenie
dodatku ok. 5% niklu i zwiększenie zawartości manganu, co prowadzi do
uzyskania struktury ledeburytyczno austenitycznej. Dodatek ok. 2% chromu,
przy niskiej zawartości manganu, powoduje uzyskanie struktury ledeburytyczno
— martenzytycznej a twardości ok. 600 HB. W podobny sposób dodatki chromu i
niklu powodują powstanie w żeliwie szarym struktury martenzytycznej.
Do żeliw odpornych no ścieranie należą również żeliwa austenityczne,
manganowe i wysokoniklowe. Żeliwa te posiadają strukturę austenityczną z
wydzieleniami grafitu oraz węglikami typu ledeburytycznego, co daje im obok
odporności no ścieranie zdobność do tłumienia drgań.
Najważniejszą grupę, wśród żeliw odpornych na ścieranie, stanowią żeliwa
wysokochromowe, posiadające przy zawartościach chromu do 18% strukturę
ledeburytyczno-austenityczna, zaś przy zawartościach chromu 24-30% strukturę ferrytyczną z wydzieleniami węglików pierwotnych i ledeburytycznych.
Żeliwa odporne na korozję
Przez wprowadzenie dodatków do żeliwa węglowego takich jak: krzem, chrom,
aluminium, można podnieść odporność na korozję. Najbardziej odpornymi no
korozję są w praktyce żeliwa wysokokrzemowe, niklowe i chromowe.
Żeliwa wysokokrzemowe, zawierające 14—18% Si, są odporne na działanie
wszystkich kwasów tlenowych. Przez dodatek 3-4% molibdenu uzyskuje się w nich
również odporność na działanie chlorowodoru oraz gorących kwasów. Struktura
tych żeliw jest ferrytyczna z wydzieleniami grafitu, możliwe są też wydzielenia
niewielkich ilości ledeburytu. Żeliwa krzemowe posiadają bardzo niską
wytrzymałość na rozciąganie (ok. 100 MPa) i dość znaczną twardość (320-460 HB).
Żeliwa wysokoniklowe austenityczne charakteryzują się znaczną odpornością na
działanie zarówno kwasów, jak i stężonych ługów. Posiadają one najczęściej
strukturę złożoną z austenitu, grafitu i węglików, przez co obok właściwości
antykorozyjnych zachowują zdolność do tłumienia drgań i odporność na ścieranie.
Żeliwa wysokochromowe wykazują obok odporności na ścieranie dobre właściwości
antykorozyjne, przy czym dla uzyskania tych właściwości, zawartość węgla w
żeliwach może być mniejsza (1,2-2%) niż w przypadku, gdy wymagana jest
największa odporność na ścieranie.
Żeliwa żaroodporne
Żeliwa zwykłe nie są odporne na działanie temperatur powyżej 250C, gdyż przy
wielokrotnym nagrzewaniu może w nich następować grafityzacja cementytu,
będąca przyczyną powstawania naprężeń. Drugą przyczyną powstawania
naprężeń jest bardzo znaczna niejednorodność strukturalna żeliwa i związane z
nią różne współczynniki rozszerzalności cieplnej poszczególnych faz.
Najczęściej spotykanymi w żeliwach żaroodpornych dodatkami stopowymi są
chrom, nikiel i aluminium. Oprócz nich stosuje się dodatki krzemu, molibdenu i
miedzi. Żeliwa wysokoniklowe posiadają najczęściej strukturę austenityczną lub
przy mniejszych zawartościach niklu austenityczno - martenzytyczną z
wydzieleniami grafitu. Nie różnią się one na ogół od żeliw odpornych na korozję.
Żeliwa wysokochromowe posiadają struktury identyczne jak żeliwa
wysokochromowe odporne na ścieranie, przy czym największą żaroodporność
(do 1200C) uzyskuje się w żeliwach zawierających ok. 1,5% C i 35% Cr. Żeliwa
aluminiowe posiadają przy zawartości aluminium 8 i 25% strukturę żeliwa
szarego, zaś przy zawartości 16% Al strukturę żeliwa białego.
Utwardzone
ŻELIWA BIAŁE
na odlewy o dużej
odporności na
ścieranie
Żeliwa
ciągliwe
sprzęt motoryzacyjny, obudowy przekładni, mechanizmu
różnicowego, rolki, tuleje, podkładki itp. Tabor komunikacyjny,
części hamulców, opaski resorów, panewki łożysk itp.,
armatura elektryczna, łączniki do rur, części maszyn
rolniczych, maszyn do szycia.
Zwykle
części maszyn narażone na obciążenia zmienne, zdolne do
tłumienia drgań, takie jak: płyty fundamentowe, łoża, skrzynki
biegów, stojaki, suporty, pierścienie tłokowe, tuleje cylindrowe,
bloki cylindrowe, głowice, tłoki, bębny hamulcowe, wały
korbowe.
Jakościowe
części maszyn narażone na zmienne obciążenia dynamiczne
o znacznej wytrzymałości, takie jak: wały korbowe, koła
zębate, gąsienice ciągników, korpusy pras, młotów, walcarek,
korpusy i wirniki pomp, matryce do prasowania i tłoczenia,
głowice frezarskie.
ŻELIWA SZARE
ŻELIWA
SFEROIDALNE
walce do metali, walce młyńskie i papiernicze, tarcze do
młynków.
części maszyn narażone na znaczne obciążenia zmienne i odporne na
ścieranie takie jak: wały korbowe, wałki rozrządcze, cylindry, pierścienie
tłokowe, koła zębate, wrzeciona, korpusy, ruchome części silników
spalinowych i sprężarek, turbin, korpusy pras hydraulicznych itp.
Żeliwo sferoidalne ADI
•
ADI jest to żeliwo niskostopowe (najczęściej z dodatkiem Mn, Mo, Ni, Cu
lub Sn), które po hartowaniu z przemianą izotermiczną wykazuje
mikrostrukturę składającą się z mieszaniny ferrytu bainitycznego i austenitu
szczątkowego (nieprzemienionego).
•
Udział tego ostatniego może mieścić się w przedziale 5 - 40%, w zależności
od parametrów procesu produkcji żeliwa. Taka mikrostruktura pozwala na
uzyskiwanie wytrzymałości na rozciąganie w przedziale 750 - 1600 MPa i
wydłużenie - w przedziale między 16 - 2%.W literaturze technicznej
strukturę taką określa się mianem "ausferryt".
•
Żeliwo ADI wykazuje bardzo dużą odporność na zmienne obciążenia.
Dzięki dość znacznemu udziałowi austenitu szczątkowego w osnowie,
żeliwo ADI utwardza się pod wpływem uderzenia, zgniotu lub obróbki
mechanicznej, podobnie jak staliwo Hadfielda.
•
Zdolność żeliwa ADI do utwardzania powierzchniowego wykorzystuje się
jako podstawę do większego obciążania części maszyn obrabianych
mechanicznie.
Żeliwo ADI (Austempered Ductile Iron)
- niskostopowe
- żeliwo sferoidalne
- dodatki stopowe Mn, Mo, Ni, Cu lub Sn
Żeliwo obrabiane cieplnie
hartowanie z przemianą izotermiczną
Ferryt + austenit szczątkowy (5-40%)
Właściwości
RM = 750-1600[MPa]
R5 = 16 - 1 [%]
HB = 230-550
dobra odporność na zużycie
dobra odporność na zmienne obciążenia
Żeliwo sferoidalne ADI
Austenitised at 950°C, austempered at 350°C for 64 min
Żeliwo sferoidalne ADI
Żeliwo sferoidalne ADI
Korzyści z stosowania:
• mniejsze o 40 - 50% zużycie energii elektrycznej przy produkcji,
• lepsza obrabialność (przed obróbką cieplną), a tym samym mniejsze
zużycie narzędzi skrawających,
• zmniejszenie hałasu części współpracujących,
• mniejsza masa odlewów w porównaniu ze stalą,
• znaczna wytrzymałość zmęczeniowa.
• lepsza odporność na zacieranie się materiału,
• w wielu przypadkach większa trwałość w eksploatacji
Żeliwo sferoidalne ADI
Zastosowanie żeliwa ADI:
• motoryzacja: koła zębate pierścieniowe, przekładnie, rozrządy, korbowody,
wałki rozrządu, zwrotnice osi przedniej, elementy zawieszenia, elementy
cierne hamulców
• kolejnictwo: koła lokomotyw, sprzęgła, klocki hamulcowe, elementy
zawieszenia wagonów
• rolnictwo: lemiesze pługów, elementy spychaczy, części podwozia maszyn
rolniczych, koła zębate
• górnictwo: korpusy i obudowy pomp, wirniki, wały korbowe, wały
napędzane, wiertła
• budowa maszyn: koła jezdne i łańcuchowe, prowadnice, przecinaki, wałki
transporterów, łopatki, rozdrabniacze, rolki, wykładziny młynów i kruszarek,
zęby koparek, ogniwa gąsienic, ogniwa łańcuchów, przekładnie zębate
śrubowe, walcowe, ślimakowe, stożkowe
• przemysł zbrojeniowy: łuski i kielichy pocisków, klocki hamulcowe
pojazdów, stopy gąsienic pojazdów, obudowy pojazdów opancerzonych
Żeliwo sferoidalne ADI
• The austempered ductile iron crankshaft
for the TVR sportscar
Żeliwo sferoidalne ADI
• Austempered ductile iron
suspension arm for a Ford Mustang
Cobra
truck trailer suspension arm made from austempered
ductile iron, Steele and Lincoln Foundry.
Staliwo
Staliwo jest to stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami, zawierający do
około 2,0% węgla, otrzymywany w procesach stalowniczych w stanie ciekłym
odlewany do form odlewniczych. Odlewy takie mogą być używane bezpośrednio
po zakrzepnięciu bez obróbki cieplnej lub mogą być obrabiane cieplnie,
względnie poddawane obróbce cieplno-chemicznej.
Jako materiał konstrukcyjny staliwo wykazuje wiele zalet
• ma lepsze własności wytrzymałościowe i plastyczne w porównaniu z żeliwem
• dobrą spawalność (zwłaszcza niskowęglowe i niskostopowe)
• wykazuje gorsze właściwości odlewnicze ze względu na skurcz dochodzący do
2% i wysoką temperaturę topnienia dochodzącą do 1600°C.
Staliwa węglowe konstrukcyjne
ogólnego przeznaczenia
• Gatunki oznacza się dwiema liczbami trzycyfrowymi lub dwiema liczbami
trzycyfrowymi i literą W, np.: 200-400, 200-400W, 230-450, 230-450W, 270-480,
• Pierwsza liczba oznacza wymaganą minimalną wartość R e lub Rg, w MPa, a
druga - minimalną wytrzymałość na rozciąganie Rm również w MPa.
• Staliwa, których oznaczenie nie zawiera litery W, nie mają obowiązującego
składu chemicznego poza fosforem (max 0,035%) i siarką (max 0,035%).
• Gatunki z literą W mają max 0,25% C i zróżnicowaną w zależności od gatunku
zawartość Mn od max 1,00% do max 1,50%, oraz określoną maksymalną
zawartość pozostałych pierwiastków (jednakowa dla tych gatunków): ≤ 0,60% Si,
≤ 0,035% P, ≤ 0,035% S, ≤ 0,40% Ni, ≤ 0,35% Cr, ≤ 0,40% Cu, ≤0,15% Mo i ≤
0,05% V.
•Wytrzymałość na rozciąganie Rm zależy od gatunku staliwa i zawiera się w
granicach od 400÷ 550 MPa do 550 ÷ 700 MPa, a wydłużenie Amin odpowiednio od 25% do 15%.
•Staliwa węglowe konstrukcyjne ogólnego przeznaczenia mogą być obrabiane
cieplnie. Zwykle poddaje się je normalizowaniu, wyżarzaniu zupełnemu lub
wyżarzaniu odprężającemu.
Staliwa stopowe
• Staliwa stopowe, podobnie jak stale, zawierają specjalnie wprowadzone
dodatki stopowe, które nadają im określone własności.
• Sposób znakowania gatunków staliw stopowych jest analogiczny, jak
stali stopowych konstrukcyjnych, z tą różnicą, że w przypadku staliw na
początku znaku znajduje się litera G (kiedyś L). Za literą G (L) znajdują
się cyfry określające średnią zawartość węgla w setnych częściach
procenta, następnie litery (symbole) analogiczne jak w przypadku stali
stopowych konstrukcyjnych, które określają pierwiastki stopowe, i cyfry,
które podają średnią zawartość danego pierwiastka w procentach.
• Jeżeli zawartość pierwiastka stopowego nie przekracza średnio 2%, to
podaje się tylko litery stanowiące symbole tego pierwiastka.
Staliwa stopowe konstrukcyjne
• Staliwa tej grupy: L20G, L35G, L15GM, L30GS, L35GM, L35GN,
L30H, L40H, L17HM, L25HM, L25HN, L35HM, L40HF, L30HMF,
L30HGNM, L35HGS, L35HNM, L20HN3M, L30H2N2M, 35H2MF,
L12H13, L12H13N4M, L0H13N4M.
• W normie podany jest skład chemiczny poszczególnych gatunków i ich
właściwości mechaniczne.
• Wytrzymałość na rozciąganie Rm powyższych staliw w stanie
normalizowanym zawiera się w graniach od 450 do 800 MPa, a w stanie
ulepszonym cieplnie po normalizowaniu – od 450 do 1200 MPa.
Staliwa do pracy w podwyższonych temperaturach
• 9 gatunków: L20, L16M, L20M, L20HM, L18H2M, L15HMF, L18HM, L21HMF,
L17HMF).
• Staliwa te charakteryzują się określonymi własnościami mechanicznymi
określoną granicą pełzania w zakresie temperatury do 600°C.
Staliwa żaroodporne i żarowytrzymałe
• Staliwo żaroodporne charakteryzuje się odpornością na bezpośrednie działanie
płomienia lub spalin w wysokich temperaturach.
• Gatunki LH18S2, LH26, LH29S2G, LH26N4S2 - wysokochromowe staliwa
żaroodporne przeznaczone do pracy przy małych obciążeniach. Zawartość węgla
jest wysoka (1,3 ÷ 1,5% C, z wyjątkiem LH26 - 0,5% C). Struktura tych staliw
składa się z perlitu i węglików lub ferrytu i węglików.
• Gatunki LH17N8G, LH19N14G, LH23N18G, LH25H19S2, LH17N37S2G są
chromowoniklowymi staliwami żarowytrzymałymi i żaroodpornymi, o strukturze
austenitycznej. Stosowane są one również jako kwasoodporne w
podwyższonych temperaturach.
Staliwa stopowe odporne na korozję
(nierdzewne i kwasoodporne)
• Charakteryzują się zwiększoną odpornością na działanie korozyjne
atmosfery, kwasów oraz niektórych ośrodków korozyjnych
• Ze względu na zawartość pierwiastków stopowych i struktury osnowy
rozróżnia się następujące staliwa odporne na korozję.:
- chromowe martenzytyczne (LOH13, LH14, LH14N),
- chromowo-niklowe austenityczne (LH18N9, LH18N9T,
LH16N5G6),
- chromowo-niklowo-molibdenowe austenityczne (LH18N10M2,
L0H18N10M2, L0H18N9M, LH18N10M2T),
- chromowo-niklowe austenityczno-ferrytyczne (L0H12N4M,
LH21N5, LH12N5M, LH21N5T).
• Wszystkie gatunki staliwa odpornego na korozję mogą być spawane.
Zastosowanie tych staliw jest podobne jak stali nierdzewnych i
kwasoodpomych o podobnym składzie chemicznym.
Staliwa odporne na ścieranie
• 12 gatunków: L20HGSNM, L25SHNM, L30HGN2M, L35GSM, L40GM,
L40H3T, L100AGM, L40HM, L20G13, L120G13H, L120G13T oraz
L30GS (wg PN-87/H-83156).
• Stosowane są w stanie normalizowanym i ulepszonym
• Typowe aplikacje: korpusy sprzęgieł, elementy czerpaków, koparek,
koła zębate, części maszyn budowlanych, ogniwa gąsienicowe, płyty
pancerne, szczęki do kruszarek, koła jezdne do suwnic itp.
• Staliwa L120G13, L120G13H i L120G13T (wysokowęglowe i
wysokomanganowe) mają strukturę austenityczną i są szczególnie
odporne na zużycie. Stosowane są w stanie przesyconym najczęściej na
rozjazdy kolejowe, gąsienice traktorowe i części łamaczy i kruszarek.
Staliwa narzędziowe
• 18 gatunków staliw do pracy na zimno i gorąco: L150HSM, L155HNM,
L180HNM, L200HNM. L200HSNM, L70H2GNM, L90HMF, L120H21NM,
L180H20F, L35H17N2M. L40H5MF, L45HN2MF, L65HNM, L75HMF,
L100H2M, L120HWMF. L120HNMF, L210H21S.
• Staliwa te stosuje się w stanie obrobionym cieplnie, aby zapewnić
odpowiednią twardość.