Podstawy nauki o materiałach Struktura i własności staliw
Transkrypt
Podstawy nauki o materiałach Struktura i własności staliw
Podstawy nauki o materiałach Struktura i własności staliw Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Spis Treści ¾ Wiadomości podstawowe ¾ Staliwo niestopowe ¾ Staliwo stopowe ¾ Piece do wytapiania staliwa Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Produkcja podstawowych wyrobów hutnictwa w Polsce Produkcja podstawowych wyrobów hutnictwa w Polsce (tys. t) Wyszczególnienie 1938 1950 1960 1970 Stal surowa 1980 1990 2000 1441 2515 6681 11 795 19 485 13 625 10 498 Aluminium hutnicze — — 26,0 98,8 Miedź elektrolityczna — 10,5 21,7 72,2 Cynk metaliczny 108 114 176 209 95,1 357 217 46,0 346 132 46,9 518 162 Ołów rafinowany 82,0 64,8 • 20,0 22,2 39,7 54,5 Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Żelazo 26Fe - pierwiastek chem. z bloku d, grupy 8; ciężki metal, aktywny chemicznie, posiada właściwości ferromagnetyczne. Rok odkrycia starożytność. Stosowany w hutnictwie jako główny składnik stali, żeliwa i innych stopów; także pełni funkcję katalizatora (substytut platyny). Otrzymywane w tzw. wielkim piecu podczas redukcji rud żelaza węglem i tlenkiem węgla. Staliwo - jest to odlewniczy stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami o zawartości do 2% węgla. Otrzymuje się go w wyniku zalewania formy ciekła stalą. Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Układ żelazo-węgiel V ferryt α(δ) 1600 A cie cz+ ferryt α(δ) II 153 8 B 149 5 H J 1400 N 4,26% C' C 4,30% O 1154 C 1148OC led eburyt c iecz+ auste nit III 2,08% E' E 2,11% 1000 XIb ferryt α + perlit + 200 ce mentyt trzecioQ -rzêd owy 0,008 0 XIc perlit+ c em entyt F K' K 727OC XId perlit+ cem entyt+ lede buryt przem ieniony 3 F' VIIIc l ede buryt+cementyt p ierwotny O O 2 cem entyt p ierwotny+ c iecz D O 1227 C IV 738 C 230 C 1 Fe-Fe 3C Fe-C cementyt Fe3 C 400 fe rryt α + ce m entyt trze c iorzêd o wy VIII b a ustenit+ ledeburyt+ cem entyt wtórny ledeburyt p rzemieniony VIIIa 912 Gaustenit+ ferryt α a ustenit+ 800 IXa 0,68% ce mentyt wtórny M O S' 770 IXb P' P S 0,0218% 0,77% 600 XIa perlit O X ferryt α Ferroma gnetycznyPara mag netyczny 1394 OC ferryt α(δ) + austenitVI 1200 austenit γ VII TEMPERATURA ( C ) D' I ciecz XIe ledeburyt p rzem ieniony+ c em entyt 4 5 6 6,67 7 STĘŻENIE MAS OWE C (%) Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Klasyfikacja staliwa Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Podział staliwa niestopowego: Ze względu na zawartość węgla: ¾ Staliwo niskowęglowe ¾ Staliwo średniowęglowe ¾ Staliwo wysokowęglowe Ze względu na zastosowanie: ¾ Staliwo zwykłej jakości ¾ Staliwo wysokiej jakości Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Struktury staliw niestopowych W zależności od przebiegu chłodzenia odlewu, w staliwie niestopowym, w stanie surowym może występować struktura: - globulityczna, która charakteryzuje się ziarnem o kształcie zbliżonym do okrągłego - Widmannstattena charakterystyczną cechą takiej struktury są płytkowe wydzielenia ferrytu ułożone przeważnie pod kątem 60° i 120° Struktura Widmanstattena w staliwie podeutektoidalnym Struktura staliwa niestopowego (200-400) Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Oznaczenia staliw niestopowych Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Wpływ stężenia węgla na własności mechaniczne staliw niestopowych w stanie wyżarzonym (według K. Roescha i K. Zimmermanna Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Skład chemiczny i własności mechaniczne staliw niestopowych konstrukcyjnych Gatunek staliwa Stężenie głównych pierwiastków Minimalne własności mechaniczne Re MPa Rm Mpa A % Z % KV J C Mn Si 200-400 200 400 25 40 30 0,25 1,00 0,60 200-400W 200 400 25 40 45 0,25 1,00 0,60 230-450 230 450 22 31 25 0,25 1,20 0,60 230-450W 230 450 22 31 45 0,25 1,20 0,60 270-480 270 480 18 25 22 0,25 1,20 0,60 270-480W 270 480 18 25 22 0,25 1,20 0,60 340-550 340 550 15 21 20 0,25 1,50 0,60 340-550W 340 550 15 21 20 0,25 1,50 0,60 P ≤ 0,035; S ≤ 0,035; Ni ≤ 0,4; Cr ≤ 0,35; Cu ≤ 0,4; Mo ≤ 0,15; V ≤ 0,05; Ni + Cr + Cu + Mo + V ≤ 1,0 Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Podział staliwa stopowego ze względu na zastosowanie: • Staliwa konstrukcyjne • Staliwa odporne na ścieranie • Staliwa odporne na korozję • Staliwa żaroodporne i żarowytrzymałe • Staliwa narzędziowe Podział staliwa według stężenia dodatków stopowych: • staliwo niskostopowe łączne stężenie dodatków stopowych nie przekracza 2,5% • staliwo średniostopowe łączne stężenie dodatków stopowych zawarte jest w przedziale 2,5 – 5% • staliwo wysokostopowe łączne stężenie dodatków stopowych większe niż 5% Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Staliwa stopowe konstrukcyjne Skład chemiczny: Staliwa te zawierają od 0,15 – 0,45%C ze względu na optymalny stosunek Re/Rm i właściwości odlewnicze, a łączna zawartość pierwiastków stopowych nie przekracza 4%. Skład chemiczny powinien zostać tak dobrany aby można było przy danej grubości ścianki, zahartować odlew na wskroś oraz uzyskać jednolite i dobre własności mechaniczne na całym przekroju ścianki po ulepszaniu cieplnym. Dlatego też zwiększenie hartowności jest ważnym celem pierwiastków stopowych. Własności: Staliwa te cechują się dobrą wytrzymałością i plastycznością oraz znaczną odpornością na zmienne i dynamiczne obciążenia. Obróbka cieplna: Odlewy poddaje się najczęściej ulepszaniu cieplnemu, choć niekiedy także wyżarzaniu ujednorodniającemu lub normalizującemu. Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Struktura staliwa stopowego konstrukcyjnego ogólnego przeznaczenia (G30Cr3) Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Staliwo manganowe (konstrukcyjne) Gatunki staliwa manganowego mają zróżnicowaną zawartość węgla, a mangan zawiera się w granicach 1,0 – 1,6%, mogą także zawierać dodatki krzemu i molibdenu. Staliwa zawierające tylko mangan mają mikrostrukturę pierwotną złożoną z ferrytu i minimalną zawartość perlitu lub perlitycznoferrytyczną w przypadku większej zawartości węgla. Dodatek krzemu do zawartości 0,8% bądź molibdenu do 0,3% sprzyja tworzeniu się mikrostruktury z przewagą perlitu. Zastosowanie: Ze staliw manganowych wytwarza się odlewy odporne na obciążenia zmienne i ścieranie takie jak np.: koła zębate, zwrotnice i piasty kół samochodowych, kule do młynów itp. Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Staliwo chromowe (konstrukcyjne) Staliwo chromowe zawiera chrom w granicach 0,5-1,1%. Mikrostrukturę ma złożoną z perlitu i ferrytu umiejscowioną wzdłuż granicy ziarn pierwotnego austenitu, którego ilość zmniejsza się wraz ze zwiększeniem zawartości węgla. Często zawiera także molibden w granicach 0,2 – 0,6%. Zastosowanie: Staliwo chromowe stosuje się do wytwarzania odlewów o dużych przekrojach, silnie obciążonych i narażonych na ścieranie. [3,8] Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Wpływ węgla i manganu na mechaniczne właściwości stali manganowej Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Staliwo odporne na ścieranie Staliwo odporne na ścieranie powinno się charakteryzować właściwościami przeciwciernymi. Staliwa odporne na ścieranie można podzielić ze względu na główne pierwiastki stopowe na: • manganowe • chromowe Staliwo manganowe (odporne na ścieranie) Staliwa manganowe zawierające wyłącznie mangan (L45G i L120G13) mogą mieć mikrostrukturę perlityczno-ferrytyczną przy niskich zawartościach manganu i węgla, lub austenityczną z wydzieleniami węglików przy wysokiej zawartości manganu i węgla, jest nazywane staliwem Hadfielda. Staliwa zawierające poza manganem takie pierwiastki jak molibden, nikiel, chrom i krzem (L40GM, L20HGSNM, L35GSM, L30HGN2M, L120G13H, L120G13T) może mieć mikrostrukturę pierwotną złożoną z perlitu (chrom, molibden) poprzez bainit (chrom, nikiel, molibden) ze śladami ferrytu i węglikami wydzielonymi na granicach ziarn do austenitycznej (chrom) z węglikami i obszarami martenzytu wydzielonego wzdłuż granic ziarn. Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Staliwa odporne na ścieranie Minimalne własności Gatunki Twardość HB Rodzaj obróbki cieplnej Rm [MPa] Re [MPa] A5 [% ] Z [% ] 750 450 15 30 min 200 Normalizowanie 850 650 10 30 min 250 Ulepszanie 750 450 14 30 min 200 Normalizowanie 850 700 10 30 min 250 Ulepszanie L40HM 1000 850 8 20 min 400 Ulepszanie L20HGSNM 1300 1100 6 22 388-477 Ulepszanie L35GSM 1100 850 8 18 min 300 Ulepszanie L30HGN2M 1030 860 9 22 min 430 Ulepszanie 1000 600 8 14 min 220 Normalizowanie 1200 850 3 6 min 410 Ulepszanie L25SHNM min 400 Normalizowanie L100H6M 495-601 Ulepszanie cieplne 170-217 Przesycanie L120G13H 170-241 Przesycanie L120G13T 170-217 Przesycanie L45G L40GM L40H3T L120G13 L30GS nie podlegają sprawdzaniu wg PN-87/H-83156 Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Staliwa chromowe odporne na ścieranie Staliwa chromowe odporne na ścieranie zawiera 1,0 – 6,5% chromu i 0,32 - 1,1% węgla, tym więcej im więcej staliwo zawiera chromu. Może też zawierać molibden i tytan (L40HM, L40H3T, L100H6M) – dwa pierwsze gatunki mają mikrostrukturę złożoną z bainitu. Mikrostruktura trzeciego gatunku złożona jest z perlitu i węglików występujących na granicach ziarn oraz przestrzeniach międzykrystalicznych. Staliwo niklowo-krzemowe-chromowo-molibdenowe Do niego jest zaliczany gatunek L25SHNM, jego mikrostruktura po odlaniu jest złożona z bainitu – obecność krzemu w tym staliwie zapewnia utwardzenie bainitu. Zastosowanie: Staliwo odporne na ścieranie stosuje się do otrzymywania odlewów elementów koparek, szczęk i młotków do kruszarek, wykładziny młynów cementowych, ogniw gąsienicowych, rozjazdów kolejowych itp. Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Staliwa stopowe odporne na korozje Ich podstawowym dodatkiem stopowym jest Cr, staliwa o strukturze austenitycznej zawierają poza Cr także Ni i N. Mo zwiększa odporność korozyjną, na działanie niektórych kwasów staliw austenitycznych. Aby zapobiec korozji międzykrystalicznej dodaje się Nb lub Ta W zależności od składu chemicznego staliwa stopowe odporne na korozję wykazują strukturę: - martenzytyczną, - austenityczną - austenityczno-ferrytyczną. Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Staliwa stopowe odporne na korozję (martenzytyczne) Własności mechaniczne Rm MPa A % KV J Stężenia pierwiastków % C Mn Si Cr Ni Mo Cu ≥620-1100 ≥5-16 ≥25-30 ≤0,15 ≤1 ≤1 11,5-17 ≤6 ≤2 N Nb+Ta ≤4 ≤0,05 ≤0,35 V ≤0,08 Struktura: Martenzyt wysokoodpuszczony (ferryt i węgliki) Obróbka cieplna martenzytycznych staliw stopowych odpornych na korozję: - hartowanie z 950-1070˚C i odpuszczanie w 460-750˚C Zastosowanie: Odlewy te są odporne na korozję atmosferyczną, w parze wodnej i w wodzie morskiej, w przemyśle mleczarskim i chemicznym, wały turbin wodnych i parowych, śruby okrętowe , armatura wodna. Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Staliwa stopowe odporne na korozję (austenityczne) Własności mechaniczne Rm MPa A % KV J Stężenia pierwiastków % C Mn Si Cr Ni Mo Cu ≥440-500 ≥20-35 ≥30-45 ≤0,07 ≤2 ≤1,5 18-25 9-30,5 ≤2 Struktura: N ≤4 ≤0,22 Nb+Ta ≤1 austenit Obróbka cieplna austenitycznych staliw stopowych odpornych na korozję: - przesycanie z 1050-1240˚C z chłodzeniem w wodzie Zastosowanie: Odlewy te są odporne na działanie kwasów organicznych i nieorganicznych, wody morskiej pompy, zbiorniki, rurociągi, odlewy do pracy pod ciśnieniem, elementy kotłów parowych i innych urządzeń, zaworów o żarowytrzymałości do około 550˚C, niektóre staliwa można stosować do -196˚C. Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Staliwa stopowe odporne na korozję (austenityczn-ferrytyczne) Własności mechaniczne Rm MPa A % KV J Stężenia pierwiastków % C Mn Si Cr Ni Mo Cu N W ≥590-650 ≥20-22 ≥30-50 ≤0,08 ≤2 ≤1,5 21-27 4,5-8,5 ≤5 ≤3,5 0,1-0,25 ≤1 Struktura: austenit i ferryt Obróbka cieplna austenitycznych staliw stopowych odpornych na korozję: - przesycanie z 1040-1150˚C z chłodzeniem w wodzie Zastosowanie: Odlewy te są szczególnie odporne na korozję naprężeniową, mają większą wytrzymałość w porównaniu ze staliwami austenitycznymi. Odlewy do pracy pod ciśnieniem, elementy kotłów parowych i innych urządzeń, zaworów o dużej żarowytrzymałości, odlewy na zbiorniki ciśnieniowe do około 250˚C, niektóre staliwa można stosować do -70˚C. Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Staliwo chromowe Staliwa zawierające wyłącznie chrom w granicach 12-15% mają strukturę pierwotną złożoną z ferrytu, w której występują obszary martenzytu lub martenzytu z wydzieleniami ferrytu w przestrzeniach międzydendrytycznych, zależy to od zawartości węgla. Zastosowanie: Otrzymywanie odlewów narażonych na działanie atmosferyczne wody, pary, gorących par i rozcieńczonych roztworów alkalicznych Staliwo chromowo-niklowe Staliwa chromowo-niklowe zawierają 12-22% chromu i 0,7-6% niklu, zapewnia to zmianę mikrostruktury od martenzytycznej przy niskich zawartościach tych pierwiastków do austenitycznej z wydzieleniami ferrytu, fazy σ i węglików chromu na granicach ziarn przy wyższej zawartości chromu i niklu. Staliwa chromowo-niklowe zawierają jeszcze molibden, tytan lub mangan Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Staliwa chromowo-niklowe z molibdenem zawierają 11,519% chromu, 3,5-11,0% niklu i 1,0-2,5% molibdenu mikrostruktura złożona jest z martenzytu przy niskich zawartościach chromu i niklu przechodzącą w austenityczną z wydzieleniami niewielkiej ilości węglików, a później ferrytu i fazy σ przy mniejszych zawartościach chromu i niklu. Molibden zwiększa odporność korozyjną na działanie jonów chlorkowych. Staliwa chromowo-niklowe z tytanem zwiększa odporność na korozję międzykrystaliczną. Tytan wprowadzamy w zależności od zawartości węgla, sprzyja on tworzeniu się mikrostruktury z większym udziałem ferrytu. Zastosowanie: Stosuje się do odlewania części pomp i innych urządzeń dla przemysłu azotowego, siarkowego, farmaceutycznego i urządzeń pracujących w środowisku wody morskiej. Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Wpływ zawartości węgla na odporność na korozję staliwa chromowego Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Staliwa żaroodporne przede wszystkim określa się składem chemicznym staliwa, rodzajem błonek tlenkowych, a w mniejszym stopniu jego strukturą. Żaroodporne nazywamy staliwo, które w wyższych temperaturach odporne jest na utlenianie (tworzenie się zgorzeliny). Staliwa żarowytrzymałe zależy od struktury, wielkości ziarna, postaci w której znajdują się w stopie wzmacniające fazy, ich więzi z roztworem stałym, czystości granic ziarn. Żarowytrzymałe nazywa się staliwo, które w wysokich temperaturach zachowuje dużą wartość właściwości mechanicznych, a przede wszystkim stosunkowo dużą wartość wytrzymałości na pełzanie. Pierwiastki zwiększające żaroodporność: ¾ Chrom ¾ Nikiel ¾ Krzem Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Staliwa stopowe żarowytrzymałe i żaroodporne - wysokochromowe Własności mechaniczne Twardość HB ≤300 Stężenia pierwiastków % C Mn Si Cr Ni Mo 0,2-1,8 ≤1 1-2,5 6-30 ≤1 ≤0,5 Struktura: Wysokochromowe staliwa średniowęglowe – ferryt i węgliki Wysokochromowe staliwa wysokowęglowe z dodatkiem do 2,5%Si – perlit i węgliki Obróbka cieplna: - wyżarzanie w 800-850˚C Zastosowanie: Żaroodporne i żarowytrzymałe staliwa na odlewy mało obciążone pracujące w atmosferze utleniającej do 750-1150˚C Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Staliwa stopowe żarowytrzymałe i żaroodporne – chromowo-niklowe: Austenityczne Własności mechaniczne Rm MPa A % ≥420-450 ≥4-20 Struktura: Stężenia pierwiastków % C Mn Si Cr Ni Mo Co W Nb 0,05-0,65 ≤2 ≤2,5 16-27 8-39 ≤3 ≤22 ≤3 ≤1,8 austenit i węgliki Obróbka cieplna: - stosowane w stanie surowym Zastosowanie: Żarowytrzymałe staliwa na odlewy pracujące pod znacznym obciążeniem w atmosferze utleniającej do 900-1150˚C, staliwa wysokoniklowe odporne na działanie gazów ze związkami siarki. Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Staliwa stopowe żarowytrzymałe i żaroodporne – chromowo-niklowe: Ferrytyczno-austenityczne Własności mechaniczne Struktura: Rm MPa Twardość HB ≥550 ≤400 A % Stężenia pierwiastków % C Mn Si Cr Ni Mo ≥3 0,3-0,5 ≤1,5 1-2,5 25-28 3-6 ≤0,5 ferryt, austenit i węgliki Obróbka cieplna: - stosowane w stanie surowym Zastosowanie: Żarowytrzymałe staliwa na odlewy pracujące w atmosferze utleniającej do 1100˚C, odporne na działanie kąpieli solnych. Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Staliwa stopowe narzędziowe Gatunki HB L40H5MF L45HN2MF 430-535 min 210 335-455 L150HSM 240-360 L155HNM 240-360 L75HMF 230-280 L180HNM 240-360 walce hutnicze L100H2M 230-280 L200HNM 240-360 L120HWMF min 320 L200HSN1VT 240-360 L120HNMF 240-400 kule miażdżące i pierścienie bieżne do młynów węglowych L90HMF 230-350 walce hutnicze L210H21NM min 560 bandaże, odlewy dla elektrowni L180H20F min 480 kule staliwne dla cementowni L35H17N2M 400-500 rozwłókniacze dla przemysłu 290-350 papierniczego L210H21S matryce kuźnicze walce hutnicze, kule miażdżące do 250-410 młynów węglowych HB L65HNM formy i wkładki do form ciśnieniowych min 210 Gatunki L70H2GNM Przykłady zastosowania min 200 Przykłady zastosowania walce hutnicze 260-310 240-360 max 380 min 500 pierścienie do przeciągania Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Staliwo to ze względu na strukturę i własności można zaliczyć do kilku grup. W szczególności wyróżnić można średniowęglowe, nisko- i średniostopowe staliwa do ulepszania cieplnego, do której grupy można zaliczyć staliwa L45HN2MF, L40H5MF oraz L65HNM. Chrom jest podstawowym pierwiastkiem stopowym staliwa narzędziowego. Poza chromem staliwa narzędziowe posiadać mogą jeszcze takie pierwiastki stopowe jak nikiel, molibden i wanad. Molibden wprowadza się celem zwiększenia hartowności i tworzenia węglików zwiększających twardość. Wanad wprowadza się celem uzyskania w mikrostrukturze węglików typu V4C3. Mikrostruktura tego staliwa zmienia się od austenitycznej ze śladami węglików przy dużej zawartości chromu i niklu poprzez bainityczną dla zawartości chromu i niklu po około 1,3% do perlitycznej przy jeszcze mniejszych zawartościach chromu i niklu od podanych oraz molibdenu około 0,2%. Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Te gatunki które nie zawierają niklu, posiadają obok chromu molibden o zawartości 0,15-1,6% i podwyższoną zawartość krzemu 0,3-1,7% oraz wanad, są to L150HSM, L90HMF, L180H20F, L40H5MF, L75HMF, L120HNMF, L210H21S. Staliwa te mają mikrostrukturę martenzytyczną przy wysokich zawartościach molibdenu do perlitycznej przy mniejszych zawartościach tego pierwiastka. Odlewy ze staliwa narzędziowego poddaje się często wyżarzaniu i ulepszaniu cieplnemu, a zaletą tego staliwa jest spawalność, co umożliwia regenerację narzędzi. Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Materiały wsadowe w stalownictwie Materiały wsadowe i pomocnicze wprowadzone do procesu wytapiania mają podstawowy wpływ na jakość otrzymywanego staliwa. Wsad stalowniczy składa się z materiałów metalicznych i topników, a także z dodatków nawęglających. Do materiałów metalicznych zalicza się: • zasadniczy wsad: surówkę wielkopiecową przeróbczą, złom, syntikom • dodatki utleniające: rudę żelaza, zgorzelinę • żelazostopy i odtleniacze Topniki to materiały żużlotwórcze: • kamień wapienny • wapno • fluoryt • boksyt • piasek Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Konwertory Odmiany procesu konwertorowego: • besemerowski • tomasowski • tropenasowski • tlenowy LD • kaldo Schematyczne przedstawienie trzech sposobów doprowadzenia dmuchu do kąpieli metalowej w konwertorze a – dmuch z dołu b – dmuch z boku c – dmuch z góry Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Schemat konwertora tlenowego Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Piece elektryczne łukowe Źródłem ciepła jest łuk elektryczny, który może nagrzewać wsad w sposób pośredni bądź bezpośredni. Nagrzewanie pośrednie następuje wtedy, gdy łuk płonie między elektrodami, natomiast nagrzewanie bezpośrednie , gdy łuk płonie między elektrodami a wsadem W odlewniach wytapia się stal przede wszystkim w piecach łukowych o wyłożeniu zasadowym (dolomitowym, magnezytowym). Jako wsad stosuje się surówkę i złom lub tylko odpowiednio przygotowany złom W piecach tego rodzaju wytwarza się stal na odlewy stopowe lub też na odlewy ze staliwa niestopowego wyższej jakości, z powodzeniem mogą być w niej wykonywane odlewy cienkościenne. W elektrycznych piecach łukowych można wytapiać stal ze zastosowaniem świeżenia lub też sposobem odzyskowym, polegającym na przetapianiu złomu w celu odzyskania zawartych w nim składników stopowych. Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Piece elektryczne łukowe Schemat pieca łukowego Pełny proces wytapiania stali obejmuje: • naprawę pospustową pieca • ładowanie wsadu do pieca • roztapianie wsadu • świeżenie • ściągnięcie żużla • odtlenianie • korektę składu chemicznego • ewentualne wprowadzenie dodatków stopowych • odtlenianie żelazokrzemem • spust stali Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Piec elektryczny indukcyjny Podział pieców elektrycznych indukcyjnych pod względem konstrukcji: • piec indukcyjny bezrdzeniowy (tyglowy) • piec indukcyjny rdzeniowy ( kanałowy) W piecu elektrycznym indukcyjnym bezrdzeniowym uzwojenie pierwotne stanowi induktor, a uzwojenie wtórne zwarta masa wsadu metalowego w środku induktora. Induktor wykonany z rurki miedzianej chłodzonej wodą, otaczający tygiel ceramiczny, zasilany przez generator prądem sieciowej lub średniej częstotliwości, wytwarza szybkozmienne pole magnetyczne, w wyniku czego we wsadzie występują prądy wirowe. Przy ściance tygla występują największe natężenia prądów wirowych, powodując intensywniejsze nagrzewanie warstwy przypowierzchniowej metalu i przyczyniając się do konwekcyjnego ruchu cieczy. Zmienne pole magnetyczne wywołuje elektrodynamiczny ruch kąpieli metalowej, a w rezultacie dokładne mieszanie metalu, przyspieszając proces homogenizacji i odtleniania stali Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Schemat pieca indukcyjnego Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Piec martenowski Proces martenowski (proces Siemensa–Martina) – jest to proces otrzymywania stali z surówki i złomu stalowego (z dodatkiem topników), przeprowadzany w piecach płomiennych. Proces martenowski polega na usunięciu domieszek (węgla, krzemu, manganu, fosforu, siarki) z ciekłego wsadu przez ich utlenienie w wysokiej temperaturze (świeżenie). Bardzo wysoką temp. (1700–1750°C) uzyskuje się dzięki regeneracji ciepła spalin w pracujących parami regeneratorach (komorach o wyłożeniu ogniotrwałym). W piecach maretenowskich realizowano trzy sposoby wytapiania stali: - proces złomowy bezsurówkowy wsad metalowy składa się prawie w 100% ze złomu stalowego - proces złomowo-surówkowy wsad metalowy składa się z surówki 25-40% i złomu stalowego 60-75% - proces surówkowo-złomowo-rudowy wsad metalowy składa się w 75% z surówki i w 2% ze złomu stalowego Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Rozróżnia się: - proces martenowski zasadowy — w piecach o zasadowym wyłożeniu komory roboczej, (dolomitowym, rzadziej magnezytowym). W procesie martenowskim zasadowym zazwyczaj jako topnika dodaje się do wsadu wapno w celu usunięcia domieszek fosforu, częściowo siarki (przechodzą one do żużla) i uzyskania stali o dobrych właściwościach mech. - proces martenowski kwaśny — w piecach o wyłożeniu kwaśnym (krzemionkowym). Proces martenowski kwaśny był i jest rzadko stosowany, gdyż wymaga bardzo czystych materiałów wsadowych (nie można w tym procesie usunąć ze wsadu domieszek fosforu i siarki). Paliwami gazowymi i ciekłymi w procesie martenowskim są: • gaz czadnicowy, zawierający CO, H2, CO2, węglowodory i azot • gaz ziemny zawierający metan CH4 oraz niewielkie ilości CO, CO2 i N2 • olej opałowy Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Schemat pieca martenowskiego Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Piec indukcyjny - spust Spust Zalewnie Konwertor http://mittal.cmdok.dt.pl Struktura i własności staliw © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006