7. Metale nieżelazne i ich stopy

744

744

7 roz 8-11-02 18:25 Page 744

7.1. Aluminium i jego stopy

745

745

Stopy monetarne

7 roz 8-11-02 18:25 Page 745

7.3. Inne metale nieżelazne
i ich stopy

7.3.1. Nikiel i jego stopy

WŁASNOŚCI NIKLU

Nikiel ma liczbę atomową równą 28, a masę atomową – 58,6934. Nie wykazuje

odmian alotropowych, krystalizując w sieci ściennie centrowanej układu regularne-
go A1 o parametrze a = 0,3516 nm, co decyduje o tym, że metal ten jest podatny na
obróbkę plastyczną zarówno na zimno, jak i na gorąco. Temperatura topnienia Ni
wynosi 1453°C, a temperatura wrzenia 2730°C. Gęstość Ni wynosi 8,902 g/cm

3

.

Nikiel jest metalem ferromagnetycznym poniżej punktu Curie, tj. 358°C.

W stanie zmiękczonym uzyskuje wytrzymałość na rozciąganie R

m

= 450 MPa i wy-

dłużenie A = 45%, a w stanie odkształconym na zimno z 50% stopniem gniotu –
R

m

= 750 MPa, a A = 3%. Zachowuje wysokie własności mechaniczne w tempera-

turze podwyższonej do ok. 500°C.

Własności Ni pogarszają szkodliwe zanieczyszczenia, głównie C, O i S. Zanie-

czyszczenia Co, Fe, Si i Cu tworzące z Ni roztwory stałe, powodują jedynie nie-
znaczne zmiany własności, głównie zwiększenie rezystywności. Zanieczyszczenia
Bi, Pb, Se, tworzące niskotopliwe eutektyki, znacznie zmniejszają ciągliwość Ni,
a As, Sb, Cd i P tworzą z Ni twarde i kruche fazy, obniżające własności mecha-
niczne.

Nikiel jest odporny na korozję atmosferyczną oraz w środowisku wody mor-

skiej, wód mineralnych i kwasów organicznych, nie wykazuje natomiast odporno-
ści na działanie kwasów azotowego i fosforowego oraz związków siarki.

ZASTOSOWANIE NIKLU

Nikiel, należący do ważnych metali technicznych, jest stosowany w ograniczo-

nym stopniu ze względu na stale powiększający się jego deficyt. W zależności od
metody wytwarzania można wyróżnić nikiel elektrolityczny, karbonylkowy, hutni-
czy i rafinowany ogniowo, o różnych stopniach czystości. Nikiel rafinowany, za-
wierający co najmniej 99,8 do 99,95% Ni, jest dostarczany w postaci brykietów,
katod, granul, śrutu lub proszku (np. NR9995 według PN-ISO 6283:2000). Dwa
gatunki Ni do obróbki plastycznej Ni99,0 i Ni99,0–LC (niskowęglowy, ≤0,02% C)
podano w PN-ISO 9722:2000; krajowe gatunki Ni są także ujęte w dotychczaso-
wej normie PN-79/H-82180. W tablicy 7.43 podano udział różnych zastosowań
technicznych niklu.

Nikiel jest cennym dodatkiem stopowym stali (porównaj rozdz. 6.4÷6.7) oraz

osnową licznych stopów. Czysty nikiel stosuje się na podzespoły w lotnictwie i ko-
smonautyce (w tym na obudowy silników rakietowych), w elektronice i elektro-
technice, na elementy specjalnej aparatury badawczej i chemicznej odpornej na

746

7 roz 8-11-02 18:25 Page 746

działanie substancji żrących oraz na sprzęt w przetwórstwie żywności. Nikiel uży-
wany jest także w galwanotechnice oraz jako katalizator w wielu procesach che-
micznych.

OGÓLNA KLASYFIKACJA STOPÓW NIKLU

Ze względu na zastosowanie stopy niklu można podzielić na: konstrukcyjne,

oporowe, o szczególnych własnościach fizycznych, w tym stopy magnetycznie
miękkie (porównaj rozdz. 8.5.6), odporne na korozję i żarowytrzymałe. Ponadto
niektóre stopy niklu znajdują zastosowanie jako stopy z pamięcią kształtu (porów-
naj rozdz. 7.3.11).

Orientacyjny skład chemiczny stopów niklu do obróbki plastycznej po-

dano w tablicy 7.44 (według PN-ISO 9722:2000). Oznaczenie tych stopów
(zgodnie z ISO/TR9721:1992) rozpoczyna się od symbolu Ni, po nim są ko-
lejno symbole oraz średnie stężenie głównych pierwiastków stopowych, np.
NiCr20Co13Mo4Ti3Al. Wymagania dotyczące stopów niklu do obróbki plastycz-
nej znajdują się także w normach obejmujących produkty hutnicze: płyty, blachy
i taśmy w PN-ISO 6208:2000, rury w PN-ISO 6207:2001, druty w PN-ISO
9724:2000, pręty w PN-ISO 9723:2001, odkuwki w PN-ISO 9725:1998. Krajowe
stopy niklu do obróbki plastycznej są opisane także w dotychczasowej normie PN-
80/H-87045. Gatunki stopów stosowanych na spoiwa do lutowania twardego
podano w projekcie PN-EN 1044, a krajowe – w PN-70/M-69413.

STOPY KONSTRUKCYJNE NIKLU

Do stopów konstrukcyjnych należy przede wszystkim nikiel stopowy objęty

dotychczasową normą PN-79/H-87046, zawierający zwykle jeden pierwiastek sto-
powy – na ogół 0,1÷0,2% Si, 1÷5,4% Mn, do 0,1% Mg lub 3,7÷4,2% W. Nikiel sto-
powy jest stosowany w elektronice, przemyśle elektrycznym, chemicznym i ma-
szynowym. Najczęściej stosowanymi stopami konstrukcyjnymi niklu są monele,
zawierające 27÷34% Cu, do 2% Mn i do 2,5% Fe (tabl. 7.44). Mają one strukturę
roztworu stałego. Własności wytrzymałościowe moneli są zwiększane głównie

7.3. Inne metale nieżelazne i ich stopy

747

Tablica 7.43

Udział zastosowań technicznych niklu (według Nickel Development Institute, USA)

Zastosowanie

Ogólny udział masowy, %

Stale odporne na korozję

57

Stale stopowe

9,5

Stopy niklu

13

Stopy miedzi

2,3

Platerowanie

10,4

Odlewnictwo

4,4

Inne

3,4

7 roz 8-11-02 18:25 Page 747

przez dodatki Fe i Mn, natomiast własności fizyczne i twardość stopu zależą
przede wszystkim od stężenia Ni. Ze względu na dużą odporność na korozję mo-
nele są stosowane na zbiorniki oraz elementy aparatury chemicznej i maszyn

7. Metale nieżelazne i ich stopy

748

Tablica 7.44

Orientacyjny skład chemiczny stopów niklu do obróbki plastycznej

Znak stopu

Stężenie pierwiastków

1)

, %

CrFe

Co

Mo

Cu

Mn

Si

C

B

Al

Ti

inne

NiCo20Cr15Mo5Al4Ti

14,9

≤1

20

5

≤0,2

≤1

≤1

0,15

0,006

4,7

1,2

2)

NiCo20Cr20Mo5Ti2Al

20

≤0,7

20

5,8

≤0,2

≤0,6

≤0,4

0,06

≤0,005

0,45

2,2

Ti+Al: 2,6,

2)

NiCr20Co13Mo4Ti3Al

19,5

≤2

13,5

4,3

≤0,1

≤1

≤0,1

0,06

0,006

1,4

3

Zr: 0,05,

2)

NiCr20Co18Ti3

19,5

≤1,5

18

–

≤0,2

≤1

≤1

≤0,13

≤0,02

1,5

2,5

Zr: 0,15

NiCr22Co12Mo9

22

≤3

12,5

9

≤0,5

≤1

≤1

0,1

≤0,006

1,2

≤0,6

–

NiCr15Fe7Ti2Al

15,5

7

–

–

≤0,5

≤1

≤0,5

≤0,08

–

0,7

2,5

Nb+Ta: 0,95

NiCr15Fe8

15,5

8

–

–

≤0,5

≤1

≤0,5

≤0,15

–

–

–

–

NiCr15Fe8-LC

15,5

8

–

–

≤0,5

≤1

≤0,5

≤0,02

–

–

–

–

NiCr19Fe19Nb5Mo3

19

18,5

–

3

≤0,3

≤0,4

≤0,4

≤0,08

≤0,006

0,5

0,9

Nb+Ta: 5,1

NiCr21Fe18Mo9

21,8

18,5

1,5

9

–

≤1

≤1

0,1

≤0,01

–

–

W: 0,6

NiCr22Fe20Mo6Cu2Nb

22,3

19,5

≤2,5

6,5

2

1,5

≤1

≤0,05

–

–

–

Nb+Ta: 2,1

NiCr22Fe20Mo7Cu2

22,3

19,5

≤5

7

2

≤1

≤1

≤0,015

–

Nb+Ta: ≤0,5, W ≤1,5

NiCr23Fe15Al

23

15

–

–

≤1

≤1

≤0,5

≤0,1

–

1,35

–

–

NiCr26Fe20Co3Mo3W3

25,5

19,5

3,3

3,3

–

≤2

≤1,5

≤0,1

–

–

–

W: 3,3

NiCr29Fe9

29

9

–

–

≤0,5

≤0,5

≤0,5

≤0,05

–

–

–

–

NiCr16Mo16Ti

16

≤3

≤2

15,5

–

≤1

≤0,08 ≤0,015

–

–

≤0,07

–

NiCr21Mo13Fe4W3

21,3

4

≤2,5

13,5

–

≤0,5

≤0,08 ≤0,015

–

–

–

W: 3, V ≤0,35

NiCr22Mo9Nb

21,5

≤5

≤1

9

–

≤0,5

≤0,5

≤0,1

–

≤0,4

≤0,4

Nb+Ta: 3,7

NiCr20Ti

19,5

≤5

≤5

–

≤0,5

≤1

≤1

0,12

–

–

0,4

Pb ≤0,005

NiCr20Ti2Al

19,5

≤1,5

≤2

–

≤0,2

≤1

≤1

0,07

≤0,008

1,4

2,3

2)

NiCu30

–

≤2,5

–

–

31

≤2

≤0,5

≤0,3

–

–

–

–

NiCu30-LC

–

≤2,5

–

–

31

≤2

≤0,5

≤0,04

–

–

–

–

NiCu30Al3Ti

–

≤2

–

–

30,5

≤1,5

≤0,5

≤0,25

–

2,7

0,5

–

NiFe30Cr21Mo3

21,5

30

–

3

2,3

≤1

≤0,5

≤0,05

–

–

0,9

–

NiFe36Cr12Mo6Ti3

12,5

36

–

5,8

≤0,2

≤0,5

≤0,4

0,04

0,015

≤0,35

2,9

–

NiMo16Cr15Fe6W4

15,5

5,5

≤2,5

16

–

≤1

≤0,08

≤0,01

–

–

–

W: 3,8

NiMo28

≤1

≤2

≤1

28

–

≤1

≤0,1

≤0,02

–

–

–

–

NiMo30Fe5

≤1

5

≤2,5

28

–

≤1

≤1

≤0,05

–

–

–

V: 0,3

1)

P ≤0,007÷0,04, S ≤0,01÷0,03; wartości bez znaku ≤ oznaczają stężenie średnie.

2)

Ag ≤0,0005, Bi ≤0,0001÷0,0005, Pb ≤0,001÷0,002.

7 roz 8-11-02 18:25 Page 748

pracujących w ośrodkach korozyjnych, np. instalacje do produkcji węglowodorów,
wymienniki ciepła, pompy, zawory. Bardzo wysoką wytrzymałość, przekraczającą
nawet 1000 MPa, można uzyskać po utwardzaniu wydzieleniowym stopu Ni-
Cu30Al3Ti, który można stosować na wały napędowe statków, ale także na spręży-
ny oraz narzędzia chirurgiczne.

STOPY OPOROWE NIKLU

Do podstawowych stopów oporowych niklu należą chromel, alumel i nichrom.

Chromel zawierający ok. 9÷10% Cr, wykazuje strukturę roztworu stałego Cr w Ni.
Chrom powoduje zwiększenie rezystywności, żaroodporności i żarowytrzymałości
Ni. Alumel zawierający do 2,5% Al, 2% Mn i 2% Si, wykazuje również strukturę roz-
tworu stałego. Chromel i alumel są stosowane na termoelementy do pomiaru tem-
peratury, w których chromel jest elektrodą dodatnią (porównaj rozdz. 8.5.2). Ni-
chromy, zawierające 15÷20% Cr, wykazują wysokie własności mechaniczne, dobrą
żarowytrzymałość i dużą rezystywność, ok. 70–krotnie większą niż Cu. Nichromy
są używane na elementy oporowe grzejne i rezystory oraz na termoelementy pra-
cujące w temperaturze do ok. 900°C. Dodatek ok. 0,1% Ce powoduje blisko
10–krotne przedłużenie czasu pracy elementów grzejnych wykonanych z nichromu
i podwyższenie temperatury ich pracy do 1200°C. Nichromy mogą zawierać do ok.
25% Fe, które obniża temperaturę pracy do 800°C.

Stopy typu kanthal, stosowane na elementy grzewcze w zakresie temperatury

do 1300°C, zawierają 20÷35% Cr, 4÷7% Al, a także do 3% Co i do 0,1% C.

STOPY NIKLU O SZCZEGÓLNYCH WŁASNOŚCIACH FIZYCZNYCH

Spośród stopów niklu o szczególnych własnościach fizycznych należy wymie-

nić przede wszystkim inwary, elinwary i permalloye. Stopy typu inwar, zawierające
36÷52% Ni i resztę Fe, a w niektórych gatunkach ponadto do 5% Cr lub 1,25% Mn,
cechują się niemal stałym współczynnikiem rozszerzalności liniowej w zależności
od składu chemicznego w zakresie temperatury od 20 do ok. 300°C lub od –80 do
100°C.

W przypadku zastąpienia części Ni kobaltem otrzymuje się stop zwany kowa-

rem lub fernico, zawierający ok. 30% Ni, 15÷20% Co i resztę Fe, o mniejszym od
inwaru temperaturowym współczynniku rozszerzalności liniowej. Stopy typu inwar
i kowar są stosowane do złączy metal–ceramika lub metal–szkło, np. w produkcji
lamp w elektrotechnice.

Stopy typu elinwar, zawierające 33÷43% Ni, 5÷9% Cr, do 0,4% C, a także do 4%

W, do 2% Ti, do 3% Mn i resztę Fe, cechują się stałymi wartościami modułu sprę-
żystości wzdłużnej E i poprzecznej

µ

w określonym zakresie temperatury. Są sto-

sowane do produkcji przyrządów precyzyjnych, kamertonów i sprężyn.

Stopy Ni z dodatkiem ok. 20÷22% Fe, zwane permalloyami, charakteryzują się

ok. 10–krotnie większą przenikalnością magnetyczną od żelaza technicznego. Uję-
to je w dotychczasowej normie PN-75/H-87047. Jako magnetycznie miękkie (po-
równaj rozdz. 8.5.6) są stosowane w przyrządach pracujących w stałych polach,
głównie w radiotechnice i telekomunikacji. Przenikalność magnetyczną permalloy-
ów można zwiększyć przez zastąpienie części Fe dodatkiem ok. 3% Mo.

7.3. Inne metale nieżelazne i ich stopy

749

7 roz 8-11-02 18:25 Page 749

STOPY NIKLU ODPORNE NA KOROZJĘ, ŻAROWYTRZYMAŁE I ZAWOROWE

W tablicy 7.45 przedstawiono główne zastosowania stopów niklu odpornych na

korozję i żarowytrzymałych.

Podstawowe stopy Ni odporne na korozję typu hastelloy zawierają do 20% Fe

i do 25% Mo, częściowo zastępowanego przez Cr, którego stężenie może docho-
dzić również do 20%. Na rysunku 7.22 przedstawiono wpływ stężenia niklu i mo-
libdenu na odporność korozyjną wybranych stopów niklu. Stopy te zawierają po-
nadto niewielkie dodatki Si, Mn, V lub W, a stężenie C jest w nich ograniczone do
ok. 0,1%, np. stop NiFe30Cr21Mo3 (tabl. 7.44, według PN-ISO 9722:2000). Mogą
być stosowane do budowy aparatury chemicznej pracującej we wrzących lub gorą-
cych kwasach siarkowym i solnym, a także na elementy turbin gazowych, urządze-
nia do przetwarzania paliwa jądrowego, instalacje przesyłania paliwa i sprzęt do
wytrawiania (tabl. 7.45). Stop NiCr29Fe9 jest stosowany na osprzęt mający kon-
takt z roztworami kwasów azotowego i fluorowodorowego oraz na elementy pracu-
jące w wysokiej temperaturze w atmosferze gazów zawierających siarkę,
a NiCr22Fe20Mo7Cu2 na płuczki wieżowe spalin i zbiorniki do przechowywania
kwasów fosforowego i siarkowego.

Żarowytrzymałe stopy Ni zawierają głównie dodatki do 20% Cr lub do 20%

Mo i do 10% Fe, a także niewielkie dodatki Si, Mn, Ti, Nb, V lub W. Mogą być
wprowadzane ponadto – w stężeniu 5÷10% – dodatki Al lub Cu, a także Co –
w stężeniu do 15%. Do często stosowanych stopów tej grupy należą tzw. nimonic
(krajowy odpowiednik w dotychczasowych normach PN-H-93230:1998 i PN-H-
93233:1998) i inconel. Żarowytrzymałe stopy Ni są stosowane na łopatki wirników

7. Metale nieżelazne i ich stopy

750

Tablica 7.45

Podstawowe zastosowania stopów niklu odpornych na korozję i/lub żarowytrzymałych

Obszar zastosowania

Wytwarzane elementy

Energetyczne turbiny parowe

dysze, łopatki, przegrzewacze międzystopniowe

Silniki tłokowe

turboładowarki, zawory wydechowe, gniazda zaworowe, świece zapłonowe

Przetwórstwo metali

narzędzia i matryce do pracy na gorąco

Lotnicze turbiny gazowe

tarcze, komory spalania, dysze, osłony, wały, systemy wydechowe, łopatki,
obudowy, kierownice, palniki, odwracacze ciągu, dopalacze

Zastosowania medyczne

zastosowania stomatologiczne, elementy protez

Statki kosmiczne

elementy silników rakietowych, pokrycia aerodynamiczne

Oprzyrządowanie do obróbki cieplnej

palety, mufle pieców, osprzęt, taśmy przenośników, kosze, wentylatory

Systemy elektrowni jądrowych

trzpienie zaworów, sprężyny, kierownice

Przemysł chemiczny i petrochemiczny

dysze, wentylatory, zawory, zbiorniki, rury, pompy

Systemy kontroli zanieczyszczeń

płuczki wieżowe, oprzyrządowanie do odsiarczania gazów (kierownice,
wentylatory, przegrzewacze międzystopniowe)

Urządzenia technologiczne

piece, wentylatory spalin, dopalacze

Systemy gazyfikacji węgla i skraplania spalin

wymienniki ciepła, podgrzewacze, rury

Urządzenia papiernicze

rury, listwy zgarniające, chlorotory

7 roz 8-11-02 18:25 Page 750

oraz dysze turbin gazowych, silników rakietowych i odrzutowych oraz elementy
aparatury chemicznej, pracujące w wysokiej temperaturze i w warunkach korozji
gazowej (tabl. 7.45, porównaj także rozdz. 6.6.5). W przemyśle lotniczym i ko-
smicznym stosowane są m.in. stopy NiCr15Fe7Ti2Al, NiCr19Fe19Nb5Mo3,
NiCr22Fe20Mo6Cu2Nb (tabl. 7.44).

WPŁYW DODATKÓW STOPOWYCH

NA STRUKTURĘ ŻAROWYTRZYMAŁYCH STOPÓW NIKLU

Skład chemiczny i niektóre własności stopów niklu żaroodpornych i żarowytrzy-

małych (według EN 10095:1999) podano w tablicy 7.46. Są dostarczane w postaci
blach, taśm, prętów i kształtowników walcowanych na gorąco i na zimno. Do szcze-
gólnych stopów żarowytrzymałych można zaliczyć także stopy stosowane na zawo-
ry silników spalinowych. Stopy NiCr20TiAl i NiFe25Cr20NbTi (według PN-EN
10090:2001) po utwardzaniu wydzieleniowym (przesycaniu z 1000÷1080°C i starze-
niu w ok. 700°C) są stosowane na najbardziej obciążone zawory wylotowe.

Część z żarowytrzymałych stopów niklu jest stosowana w stanie lanym, np.

GX50NiCr65–15 oraz wieloskładnikowy GX45NiCrCoW35–25–15–5 (według
ISO 11973:1999); można je użytkować w stanie surowym, tj. bez obróbki cieplnej
po odlewaniu.

7.3. Inne metale nieżelazne i ich stopy

751

Rysunek 7.22

Wpływ Ni i Mo na odporność
korozyjną stopów niklu
(według W.L. Mankinsa
i S. Lamba)

7 roz 8-11-02 18:25 Page 751

W tablicy 7.47 porównano znaczenie dodatków stopowych w nadstopach na

osnowie niklu lub żelaza.

7. Metale nieżelazne i ich stopy

752

Tablica 7.46

Orientacyjny skład chemiczny i niektóre własności żaroodpornych i żarowytrzymałych stopów niklu

Znak stopu

Stężenie pierwiastków

1)

, %

R

z /10000

2)

, MPa

Żaroodporne

w powietrzu do

temperatury, °C

C

Ni

CrFe

Si

Mo

inne

700°C

800°C

NiCr15Fe

0,08

≥72

15,5

8

≤0,5

–

–

63

29

1150

NiCr20Ti

0,11

≥67

19,5

≤5

≤1

–

Co ≤5, Ti: 0,4

36

17

1150

NiCr22Mo9Nb

0,07

≥58

21,5

≤5

≤0,5

9

Nb+Ta: 3,7

190

63

1000

NiCr23Fe

0,07

60,5

23

≤18

≤0,5

–

Al: 1,4, B ≤0,006

101

31

1200

NiCr28FeSiCe

0,09

≥45

27,5

23

2,8

–

Ce: 0,06

40

19

1200

1)

P ≤0,02, S ≤0,01÷0,015, Mn ≤0,5÷1, Cu ≤0,3÷0,5, Co ≤1÷1,5, Ti ≤0,3÷0,5, Al ≤0,3÷0,4;

stężenie średnie.

wartości bez znaku ≥ lub ≤ oznaczają

2)

Czasowa wytrzymałość na pełzanie w podanej temperaturze.

Tablica 7.47

Znaczenie pierwiastków stopowych w nadstopach na osnowie niklu lub żelaza
(opracowano według W.L. Mankinsa i S. Lamba)

Oddziaływanie

Pierwiastki stopowe w nadstopach

na osnowie Ni

na osnowie Fe

Umocnienie roztworu stałego

Co, Cr, Fe, Mo, W, Ta

Cr, Mo

Stabilizacja struktury sieciowej A1

C, W, Ni

- typu MC

Tworzenie

węglików

W, Ta, Ti, Mo, Nb

Ti

- typu M

7

C

3

Cr

- typu M

23

C

6

Cr, Mo, W

Cr

- typu M

6

C

Mo, W

Mo

Tworzenie węglikoazotków typu M(C,N)

C, N

C, N

Tworzenie fazy

γ

' Ni

3

(Al,Ti)

Al, Ti

Al, Ni, Ti

Opóźnienie tworzenia fazy heksagonalnej

γ

Ni

3

Ti

Al, Zr

Podwyższanie temperatury solvus fazy

γ

'

Co

Utwardzanie wydzieleniowe

Al, Ti, Nb

Al, Ti, Nb

Tworzenie fazy

γ

'' Ni

3

Nb

Nb

Odporność na utlenianie

Al, Cr

Cr

Zwiększanie odporności korozyjnej na gorąco

La, Th

La, Y

Odporność na nasiarczanie

Cr

Cr

Polepszanie udarności

B

1)

, Zr

B

Segregacja na granicach ziarn

B, C, Zr

1)

W nadmiernym stężeniu tworzy borki.

7 roz 8-11-02 18:25 Page 752

Pierwiastki występujące w tych stopach oraz stopach kobaltu i żelaza, w zależ-

ności od własności i ich oddziaływania na strukturę, mogą być zaliczone do 5 głów-
nych grup (rys. 7.23), jako:

tworzące i umacniające roztwór stały

γ

o sieci Al, stanowiący osnowę,

tworzące fazę międzymetaliczną

γ′

(A

3

B) o sieci regularnej płasko centrowanej

typu L1

2

,

wpływające na skład fazowy i strukturę granic ziarn,
tworzące fazy węglikowe lub borkowe,
stanowiące domieszki.

Nikiel stanowi podstawowy składnik większości z tych stopów, determinując

ich strukturę, stabilność faz i zachowanie w procesach technologicznych. Tytan
i tantal stabilizują fazę

γ

. Żelazo może częściowo zastępować nikiel, chociaż wzrost

stężenia żelaza wpływa niekorzystnie na żaroodporność, gdyż tlenki zawierające
ten pierwiastek wykazują zmniejszoną przyczepność do podłoża, oraz powoduje
zwiększenie podatności stopów niklu na wydzielenie fazy międzymetalicznej

δ

.

Dodatek kobaltu wpływa na podwyższenie żarowytrzymałości i poprawę wła-

sności technologicznych roztworu stałego

γ

i powoduje zmniejszenie rozpuszczal-

ności w osnowie aluminium i tytanu.

Chrom zapewnia dobrą odporność na utlenianie w wysokiej temperaturze,

a ponadto przyczynia się do umocnienia osnowy stopu i zwiększenia odporności
na pełzanie i własności plastycznych. Dodatek aluminium wpływa na wzrost żaro-
odporności i tworzenie umacniających faz międzymetalicznych

γ′

.

7.3. Inne metale nieżelazne i ich stopy

753

Rysunek 7.23

Oddziaływanie pierwiastków stopowych w żarowytrzymałych stopach Ni, Fe i Co
(według K. Bungardta, A. Steinena i F. Schuberta)

7 roz 8-11-02 18:25 Page 753

Molibden i wolfram głównie wpływają na umocnienie osnowy w stopach

Ni–(Co)–Cr a także Fe–Ni–Cr, a także są związane w fazie

γ′

.

Tytan, niob, tantal i wanad mogą zastępować aluminium w fazie

γ′

, tworzą jed-

nak także wydzielenia prostych węglików według kolejności: Ta, Nb, Ti i V, niesta-
bilnych przy dłuższym czasie i w wyższej temperaturze pracy lub wygrzewania.

Węgiel występuje w omawianych stopach niklu w następującym stężeniu maso-

wym:

ok. 0,05% C w stopach przerobionych plastycznie,
0,12÷0,18% C w stopach odlewniczych.
Bor w stężeniu do 0,02% podwyższa wytrzymałość na pełzanie, wpływając na

morfologię granic ziarn, a dodatki do 0,05% Zr oraz do 2% Hf wpływają na morfo-
logię wydzieleń na granicach ziarn i podwyższenie odporności na pełzanie oraz od-
porności na kruche pękanie w wysokiej temperaturze.

Cer oraz inne pierwiastki ziem rzadkich dodawane w niewielkim stężeniu

zwiększają odporność na wysokotemperaturowe utlenianie. Powyżej 0,2% Si wy-
wiera korzystny wpływ na żaroodporność, a magnez w stężeniu 0,01÷0,05% popra-
wia własności mechaniczne stopów Ni obrobionych plastycznie. Żarowytrzymałe
stopy niklu wykazują strukturę roztworu stałego

γ

, a po przekroczeniu ok. 10% Al

występuje faza

γ′

. Rozpuszczalność Al w roztworze stałym

γ

zależy od temperatu-

ry, umożliwiając utwardzanie wydzieleniowe tych stopów przez obróbkę cieplną.
Dodatki Cr, Ti i Nb wpływają na zmianę rozpuszczalności Al w fazie

γ

, a obszar

dwufazowy

γ

+

γ′

ulega zawężeniu (rys. 7.24÷7.27).

7. Metale nieżelazne i ich stopy

754

Rysunek 7.24

Przekrój izotermiczny wykresu równowagi stopów Ni–Al od strony niklu (według F. Schuberta i E. Horn)

7 roz 8-11-02 18:25 Page 754

7.3. Inne metale nieżelazne i ich stopy

755

24

18

12

6

6

12

18

24

76

82

88

94

Ni

Ti

Al

Rysunek 7.25

Przekrój izotermiczny
wykresu równowagi
Ni–Cr–Al (według F.
Schuberta i E. Horn)

Rysunek 7.26

Przekrój izotermiczny
wykresu równowagi
Ni–Ti–Al (według F.
Schuberta i E. Horn)

7 roz 8-11-02 18:25 Page 755

Charakterystyczne struktury żarowytrzymałych stopów na osnowie niklu przed-

stawiono schematycznie na rysunku 7.28.

ROZWÓJ ŻAROWYTRZYMAŁYCH STOPÓW NIKLU

Rozwój stopów niklu oraz innych stopów żarowytrzymałych schematycznie

przedstawiono na rysunku 7.29, gdzie:
1. stopy obrabiane plastycznie,
2. stopy topione próżniowo,
3. stopy krystalizujące kierunkowo – kolumnowe,
4. stopy krystalizujące kierunkowo – monokrystaliczne.

Rozwój materiałów na elementy turbin gazowych determinowany jest przede

wszystkim zwiększeniem temperatury pracy (rys. 7.30). Dalsze możliwości zwięk-
szania temperatury poprzez modyfikację składu chemicznego stopów lub techno-
logii otrzymywania elementów są coraz bardziej ograniczone.

POKRYCIA OCHRONNE NA ŻAROWYTRZYMAŁYCH STOPACH NIKLU

Maksymalna temperatura, w której spełniane są wymagania odpowiednich wła-

sności użytkowych przez stopy krystalizowane kierunkowo oraz monokryształy nie
przekracza 1100°C, a dalszy jej wzrost jest możliwy jedynie przez zastosowanie

7. Metale nieżelazne i ich stopy

756

Rysunek 7.27

Przekrój izotermiczny wykresu równowagi Ni–Nb–Al (według F. Schuberta i E. Horn)

7 roz 8-11-02 18:25 Page 756

pokryć ochronnych, aluminiowych lub modyfikowanych na osnowie aluminium,
takich jak: Al–Si, Al–Cr, Al–Pt, Pt–AlCr.

Pokrycia opisywane ogólnie jako MeCrAlY, gdzie Me to Co, Ni, NiCo, a także

CoNiCrAlYHfSi oraz CoCrAlYSi oraz pokrycia typu barier cieplnych TBC (ther-
mal barrier coating), tworzących izolację cieplną chroniącą stop przed oddziaływa-
niem wysokiej temperatury. Materiałem na te pokrycia jest ZrO

2

–Y

2

O

3

lub Al

2

O

3

,

Al

2

O

3

+5% Ni, a jako międzywarstwy stosowane są pokrycia typu Me–CrAl.

Rodzaj i morfologia warstw w różnym stopniu oddziałują na trwałość zmęcze-

niową stopów niklu z pokryciami. Najkorzystniej zachowują się warstwy adhezyj-
no–dyfuzyjne.

7.3.2. Kobalt i jego stopy

WŁASNOŚCI KOBALTU

Kobalt wykazuje dwie odmiany alotropowe. W temperaturze pokojowej wystę-

puje odmiana

α

o sieci heksagonalnej A3, a w temperaturze wyższej od 417°C –

odmiana

β

o sieci regularnej ściennie centrowanej typu A1. Liczba atomowa Co

wynosi 27, masa atomowa – 58,9332, a gęstość – 8,832 g/cm

3

. Temperatura top-

nienia Co osiąga 1494°C, a temperatura wrzenia 2900°C.

7.3. Inne metale nieżelazne i ich stopy

757

Rysunek 7.28

Schematy podstawowych struktur stopów na osnowie niklu (według E. Hornbogena): a), b) różne morfologie
fazy

γ

’, c) koherentna faza

γ

’ oraz faza niekoherentna (tlenki, węgliki, borki), d) eutektyka po kierunkowej

krystalizacji, e) granica wolna od wydzieleń, f), g) granica z segregacją atomów bądź faz niekoherentnych,
h) struktura płytkowa po przemianie nieciągłej

7 roz 8-11-02 18:25 Page 757

7. Metale nieżelazne i ich stopy

758

Rysunek 7.29

Rozwój żarowytrzymałych stopów niklu i kobaltu oraz technologii ich wytwarzania (na rysunku przedstawiono
firmowe oznaczenia gatunków stopów) (według Y. Koizumi, T. Kobayashi i in.)

Rysunek 7.30

Rozwój materiałów
oraz pokryć ochronnych
determinowany wzrostem
temperatury pracy
elementów turbin
do roku 2010
(według P. Saho
i G.W. Gowarda)

7 roz 8-11-02 18:25 Page 758

Wytrzymałość kobaltu na rozciąganie waha się od 235 do 945 MPa w zależno-

ści od tego czy jest odlewany czy przetapiany strefowo. Moduł sprężystości
wzdłużnej przy rozciąganiu wynosi 211 GPa, przy ścinaniu 826 GPa, a przy ści-
skaniu 183 GPa.

Kobalt charakteryzuje się dobrą odpornością na korozję atmosferyczną, w śro-

dowiskach wód gruntowych, siarkowodoru, wodorotlenków sodu i potasu, ulegając
korozji pod działaniem chloru, bromu, amoniaku i dwutlenku siarki. Jest stosowa-
ny do elektrolitycznego powlekania metali i stopów o dużej odporności na korozję,
jako lepiszcze w produkcji węglików spiekanych oraz jako dodatek stopowy w sta-
lach szybkotnących, stopach na magnesy (porównaj rozdz. 8.5.6) oraz stopach ża-
rowytrzymałych. Podstawowe zastosowania kobaltu podano w tablicy 7.48. Gatun-
ki kobaltu są ujęte w dotychczasowej normie PN-75/H-18019.

STOPY KOBALTU

Dwuskładnikowe stopy kobaltu nie znalazły szerszego zastosowania. Żarowy-

trzymałe stopy kobaltu zawierają zwykle kilka spośród następujących pierwiast-
ków: Fe, Ni, Si, Mn, Ti, W, V, Be, Ta oraz C, B lub N. Znaczenie tych pierwiast-
ków jest analogiczne jak w stopach niklu (porównaj rozdz. 7.3.1). Stop o nazwie vi-
talium – oprócz Co – zawiera przykładowo 25% Cr, 5% W, 3% Fe, 2% Ni, 0,6% Mn
i 0,25% C. Stopy żarowytrzymałe, do których należą także stopy typu Haynes, za-
wierające 20÷22,5% Cr, 7÷15% W, 0,1÷0,6% C, 1,5÷3% Fe, 10÷22% Ni, 0,35÷1% Si,
a także ok. 3,5% Ta, 0,2% Ti, 0,5% Zr i 0,5% La, charakteryzują się dużą wytrzy-
małością na pełzanie. Wykazują jednak małą plastyczność i z tego względu są

7.3. Inne metale nieżelazne i ich stopy

759

Tablica 7.48

Techniczne zastosowania kobaltu

Grupa zastosowań

Zastosowanie

Stopy na osnowie
kobaltu

stopy odporne na zużycie

stopy wysokotemperaturowe

stopy odporne na korozję

Dodatek stopowy

materiały magnetycznie twarde i miękkie wysokotemperaturowe

nadstopy żarowytrzymałe na osnowie niklu

stopy odporne na zużycie i do napawania

stale szybkotnące, narzędziowe i inne

materiały narzędziowe na osnowie kobaltu

faza wiążąca węglików spiekanych

stopy oporowe

wysokotemperaturowe stopy sprężynowe i łożyskowe

stopy magnetostrykcyjne

stopy o specjalnej rozszerzalności oraz stałym module sprężystości

Inne

pigmenty farb

sztuczne źródła promieniowania

γ

(kobalt 60)

7 roz 8-11-02 18:25 Page 759

stosowane przeważnie w stanie lanym, głównie na elementy maszyn do pracy
w podwyższonej temperaturze. Stopy te poddaje się utwardzaniu wydzieleniowemu
z przesycaniem w wodzie z temperatury 1000÷1100°C i starzeniem przez ok. 50 h
w temperaturze 700÷800°C. Niektóre z nich, np. GX30CoCr50–28 (według ISO
11973:1999), można także stosować w stanie surowym, tj. bez obróbki cieplnej po
odlewaniu.

Kobalt jest głównym lub jednym z kilku składników stopu na magnesy trwałe

(porównaj rozdz. 8.5.6). Stopy te mają dużą indukcję nasycenia, średnią przeni-
kalność magnetyczną i wysokie własności wytrzymałościowe. Do stopów tych na-
leży permedur, zawierający 50% Co i 50% Fe oraz niekiedy niewielki dodatek V.
Stop o nazwie permiwar zawiera 25% Co, do 25% Fe, do 45% Ni oraz do 7% Mo,
a hiperco 35% Co, do 65% Fe i do 2% Cr.

Stopy odlewnicze, zawierające 2÷4% C, 35÷55% Co, 25÷35% Cr, 10÷25% W

oraz do 10% Fe, zwane stellitami, bywają stosowane na narzędzia skrawające, cią-
gadła i matryce do wyciskania na gorąco oraz do pokrywania metodami metaliza-
cji natryskowej elementów maszyn narażonych na ścieranie w wysokiej temperatu-
rze i atmosferze gazów spalinowych. Znaczenie stellitów zmalało z chwilą po-
wszechnego zastosowania węglików spiekanych do zbrojenia różnych narzędzi.
W tablicy 7.49 podano typowe zastosowania różnych stopów kobaltu odpornych
na zużycie ścierne, poślizgowe i erozyjne.

7. Metale nieżelazne i ich stopy

760

Tablica 7.49

Typowe zastosowania stopów kobaltu odpornych na zużycie (według P. Crooka)

Zastosowanie

Grupa

stopów

Forma

Typowe zużycie

Przemysł
samochodowy

powierzchnia gniazd zaworów silników
spalinowych

stellity

napoiny

erozja z udziałem ścierniwa stałego,
korozja wysokotemperaturowa

Energetyka

powierzchnie zasuw i zaworów

stellity

napoiny

zużycie poślizgowe, erozja kawitacyjna

osłony erozyjne turbin parowych

stellity,
Haynes

blachy

erozja z udziałem ścierniwa
stałego i kropel cieczy

Przemysł stoczniowy

łożyska usterzenia

stellity

napoiny

zużycie poślizgowe

Hutnictwo stali

krawędzie tnące okrojników i wykrojników
kuźniczych wysokotemperaturowych

stellity

napoiny

zużycie poślizgowe i ścierne, uderzenia

walce robocze

stellity

napoiny

zużycie poślizgowe i ścierne, uderzenia

Chemia procesowa

powierzchnie zasuw i zaworów

stellity

napoiny

zużycie poślizgowe, erozja kawitacyjna

elementy robocze do wyciskania polimerów stellity

napoiny

zużycie poślizgowe i ścierne

pierścienie uszczelniające pomp

stellity

napoiny

zużycie poślizgowe

formy baterii suchych

stellity

odlewy

ścieranie

Przemysł celulozowo-
papierniczy

prowadnice pił łańcuchowych

Haynes

blachy,
napoiny

zużycie poślizgowe i ścierne

Przemysł tekstylny

noże do dywanów

stellity

blachy,
napoiny

zużycie ścierne

Gazownictwo
i naftownictwo

łożyska świdrów

stellity

napoiny

zużycie poślizgowe i ścierne

7 roz 8-11-02 18:25 Page 760

7.1. Aluminium i jego stopy

761

761

Struktura
1) nadstopu na osnowie Ni w stanie

lanym, pow. 200x;

2) cienkiej folii ze stopu niklu typu

NiCr13Al6Mo4Nb2FeTiCo po odlaniu
i starzeniu; wydzielenia

β

,

γ′

,

Ni

3

(Al,Ti,Nb), pow. 58000x;

3) stopu Ni-Cu, pow. 100x;
4) przełomu kobaltu, pow. 1000x,

mikroskop skaningowy;

5) czystego ołowiu, pow. 60x;
6) stopu Pb-Sb, pow. 600x;
7) czystego cynku, pow. 80x;
8) stopu Zn-Al odlewanego matrycowo,

pow. 100x

1

2

3

4

5

6

7

8

Stopy metali nieżelaznych

7 roz 8-11-02 18:26 Page 761

7. Metale nieżelazne i ich stopy

762

762

Struktura
1) czystego tytanu, pow. 100x;
2) tytanu technicznego, pow. 1000x,

światło spolaryzowane;

3) stopu TiMo5Al3, pow. 1000x, światło

spolaryzowane;

4) stopu TiAl5Mo4Fe1Cr1, pow. 1000x,

światło spolaryzowane;

5) stopu TiAl6V4 umocnionego

odkształceniowo, pow. 100x, światło
spolaryzowane;

6) stopu TiAl6V4 w stanie dostawy,

pow. 1000x;

7) stopu TiAl6Mo2Cr2 w stanie

dostawy, pow. 1000x;

8) stopu TiAl6Sn2,5, pow. 50x

1

2

3

4

5

6

7

8

Tytan i jego stopy

7 roz 8-11-02 18:26 Page 762

7.3.3. Tytan i jego stopy

OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA TYTANU

Tytan jest pierwiastkiem o liczbie atomowej 22 i masie atomowej 47,8671. Ma

dwie odmiany alotropowe: Ti

α

w temperaturze pokojowej krystalizujący w ukła-

dzie heksagonalnym, który w temperaturze 882,5°C ulega przemianie na wysoko-
temperaturowy Ti

β

, krystalizujący w układzie regularnym. Średnie parametry ko-

mórki Ti

α

o sieci gęsto upakowanej typu A3 wynoszą: a = 0,29503 nm i c =

0,46831 nm, natomiast parametr komórki Ti

β

o sieci przestrzennie centrowanej ty-

pu A2 wynosi a = 0,332 nm.

Temperatura topnienia Ti wynosi ok. 1668°C, a wrzenia – ok. 3260°C. Gęstość

Ti w temperaturze pokojowej wynosi ok. 4,507 g/cm

3

, natomiast w 885°C (Ti

β

) –

ok. 4,35 g/cm

3

i jest znacząco mniejsza od Fe, Ni lub Cu. Pojemność cieplna wła-

ściwa Ti w temperaturze pokojowej wynosi 540,5 J/(kg

⋅

K). Tytan charakteryzuje

się bardzo małą przewodnością cieplną, ok. 18,9 W/(m

⋅

K), mniejszą niż żelaza

3÷4 razy, a miedzi aż 16 razy. Współczynnik rozszerzalności cieplnej Ti jest rów-
nież mniejszy niż Fe i wynosi ok. 8,2

⋅

10

–6

1/K.

Własności elektryczne Ti są podobne do innych pierwiastków przejściowych.

Jego rezystywność wynosi ok. 0,421

µΩ⋅

m i zwiększa się przy nawet niewielkich

dodatkach innych pierwiastków. Tytan jest pierwiastkiem paramagnetycznym.

W produkcji tytanu metalicznego największe znaczenie mają minerały z grupy

rutylu (dwutlenki tytanu – TiO

2

) i ilmenitu (złożone tlenki tytanu z dwuwartościo-

wym żelazem – FeTiO

3

). Główną trudnością w wyprodukowaniu czystego Ti jest

jego silne powinowactwo do tlenu, azotu i węgla. Metoda przemysłowego otrzymy-
wania tego metalu polega na redukcji czterochlorku tytanu magnezem w obecno-
ści gazu szlachetnego w temperaturze 800÷900°C. Produktem tego procesu jest ty-
tan w postaci gąbczastej, zwany gąbką tytanową, którą następnie przetapia się na
lity metal, najczęściej dwukrotnie w próżniowym piecu elektrycznym łukowym,
rzadziej w piecu elektronowym lub plazmowym. Jedną z innych stosowanych me-
tod wytwarzania tytanu jest termiczna dysocjacja czterojodku tytanu. Metoda ta
jest droga, ale dająca bardzo czysty tytan, tzw. jodkowy. Metaliczny tytan jest dro-
gi, gdyż w porównaniu z innymi metalami konstrukcyjnymi, jego wytwarzanie zwią-
zane jest z dużym zużyciem energii i surowców.

WŁASNOŚCI TECHNOLOGICZNE TYTANU I STOPÓW TYTANU

Tytan i jego stopy należą do materiałów konstrukcyjnych nadających się do

kształtowania metodami obróbki plastycznej, jednak wymagają zachowania spe-
cjalnych warunków, np. zabezpieczania przed utlenianiem w wysokiej temperatu-
rze. Kształtowanie stopów tytanu w temperaturze pokojowej jest trudne ze wzglę-
du na duży opór odkształcenia.

Spawanie tytanu wykonuje się w osłonie gazów obojętnych, pod topnikiem lub

w próżni, co zabezpiecza obszar spawany przed reagowaniem z gazami atmosferycz-
nymi. Uzyskane spoiny mają własności porównywalne z materiałem rodzimym.

Wykonywanie odlewów ze stopów tytanu stwarza znaczne trudności z powodu

wysokiej temperatury topnienia, dużej rozpuszczalności tlenu i azotu w ciekłym
tytanie oraz dużej lepkości stopów w temperaturze odlewania (związanej z małą

7.3. Inne metale nieżelazne i ich stopy

763

7 roz 8-11-02 18:26 Page 763