Metaliczne materiały konstrukcyjne

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



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


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)


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


symbole chem.

pierwiastków

stopowych

średnia zawartość pierw.

stop. [%wag] x współ.3)

●stale stopowe2)

zawierające przynajmniej jeden

pierwiastek stopowy ≥ 5%

X

średnia lub

reprezentatywna


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


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


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


Znak stopu Rp0,2

MPa

Rm

MPa

A5

%

HB


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


Znak stopu Rp0,2

MPa

Rm

MPa

A5

%

HB


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


Znak stopu

(w normie 18 gatunków) Rp0,2

MPa

Rm

MPa

A5

%

HB


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


Znak stopu Rp0,2

MPa

Rm

MPa

A5

%

HB


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


Znak stopu Rp0,2

MPa

Rm

MPa

A5

%

HB


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


Znak stopu (w normie 15 gatunków)

Rp0,2

MPa

Rm

MPa

A5

%

HB


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.

Metaliczne materiały konstrukcyjne

Documents