Data: 20 V 2002 |
Temat: Mikroskopowe badania stali stopowych |
Ocena: |
Rok: II WMiIM |
Artur Szajding |
Zespół: 2 |
WSTĘP
Stale stopowe to stale z dodatkiem składników stopowych. Stosowanie stali stopowych ma na celu poprawienie określonych własności.
Podział stali stopowych ze względu na zastosowanie:
narzędziowe
konstrukcyjne
Stale narzędziowe stosuje się do wyrobu narzędzi. Od stali konstrukcyjnych różnią się większą zawartością węgla i dodatków stopowych (zwłaszcza węglikotwórczych). Stale te zawierają powyżej 0,7% węgla.
Stale narzędziowe dzielimy na:
do pracy na zimno
do pracy na gorÄ…co
szybkotnÄ…ce
Stale konstrukcyjne stosowane są do wyrobu części maszyn oraz na wszelkiego rodzaju konstrukcje. Najczęściej są to stale średniowęglowe o zawartości minimum 0,25%C z dodatkiem Cr, Mn, Mo, Ni. Stale konstrukcyjne zawierają do 0,7% węgla.
Dzielimy je na:
do ulepszania cieplnego
łożyskowe
resorowe
do utwardzania powierzchniowego
do nawęglania
do azotowania
do hartowania powierzchniowego
Wpływ pierwiastków stopowych na własności stali.
Nikiel - austenitotwórczy; rozszerza zakres austenitu. Jego rozpuszczalność w Fe-γ jest nieograniczona, w Fe-α ograniczona. W stalach nie tworzy węglików, lecz rozpuszcza się w austenicie i ferrycie, zwiększając jego twardość i udarność, również w obniżonych temperaturach. Sprzyja grafityzacji i zwiększa szybkość koagulacji cementytu. Obniża temperaturę A1 silniej niż Mn, a także zawartość węgla w perlicie. Obniża temperaturę Ms i Mf (zwiększa ilość austenitu szczątkowego). Hartowność zwiększa w sposób umiarkowany. Jest częstym dodatkiem do stali konstrukcyjnych, nierdzewnych, utwardzanych wydzieleniowo oraz stopów specjalnych (magnetycznych, invar).
Kobalt - austenitotwórczy; rozszerza zakres austenitu. Rozpuszcza się nieograniczenie w Fe-γ w mniejszym stopniu w Fe-α. Ma powinowactwo do węgla zbliżone do żelaza. W stalach nie tworzy węglików. Sprzyja grafityzacji, zmniejsza hartowność. Podwyższa punkt Ms, a więc zmniejsza ilość austenitu szczątkowego. Jest stosowany w stalach szybkotnących, stopach na magnesy trwałe alnico, w węglikach spiekanych, w stalach maraging.
Mangan - austenitotwórczy; rozszerza zakres austenitu. Jego rozpuszczalność w Fe-γ jest nieograniczona, w Fe-α ograniczona. Ma większe od żelaza powinowactwo do węgla i siarki, gromadzi się w cementycie Fe3C i węglikach. Bardzo zwiększa hartowność. Obniża Ms i Mf a więc zwiększa ilość austenitu szczątkowego. Obniża temperaturę A1 oraz zawartość węgla w perlicie. Rozpuszczony w ferrycie bardzo zwiększa jego twardość; udarność tylko do ok. 1%. Sprzyja rozrostowi ziarna austenitu. Neutralizuje szkodliwy wpływ siarki i tlenu w stali, dlatego w każdej stali występuje do zawartości ok. 0,5%. W stalach austenitycznych może częściowo zastąpić nikiel. Jest składnikiem stali Hadfielda.
Chrom - ferrytotwórczy; zwęża zakres austenitu. W żelazie γ rozpuszcza się do 12%, w Fe-α nieograniczenie. Z żelazem tworzy kruchą fazę σ. Ma większe powinowactwo do węgla niż żelazo, rozpuszcza się w cementycie; przy większych zawartościach tworzy węgliki. Nieznacznie podnosi temperaturę A1 i zmniejsza zawartość węgla w perlicie. Ferryt utwardza dopiero przy wyższych zawartościach, zmniejszając jednocześnie udarność. Obniża punkt Ms, zwiększając ilość austenitu szczątkowego. Dość silnie podwyższa hartowność. Przy większych zawartościach wywołuje twardość wtórną. Powoduje tzw. kruchość 475 ferrytu chromowego. Wprowadza się go do stali konstrukcyjnych, narzędziowych, nierdzewnych i żaroodpornych.
Molibden - ferrytotwórczy. Rozpuszczalność w Fe-γ ograniczona, znacznie mniejsza niż w Fe-α. Ma większe powinowactwo do węgla niż chrom i wolfram. Tworzy złożone węgliki typu M6C oraz metastabilne typu M2C, które w czasie odpuszczania wywołują twardość wtórną. Bardzo zwiększa hartowność stali. Stromo podnosi A1 oraz obniża zawartość węgla w perlicie. Rozpuszczony w ferrycie zwiększa jego twardość, ale zmniejsza udarność. Jest dodawany do stali konstrukcyjnych w ilości ok. 0,3%, gdzie zapobiega kruchości odpuszczania. Wprowadza się go do stali narzędziowych do pracy na gorąco i szybkotnących. W stalach żarowytrzymałych podnosi granicę pełzania, a w kwasoodpornych zwiększa odporność korozyjną na działanie chlorków. Sprzyja drobnoziarnistości stali.
Wolfram - ferrytotwórczy. Rozpuszczalność w Fe-α ograniczona, ale większa niż W Fe-γ. Jest węglikotwórczy. Tworzy w stalach węgliki M6C i M2C. Te ostatnie wywołują przy odpuszczaniu twardość wtórną. W sposób umiarkowany podwyższa hartowność stali. Zwiększa temperaturę A1 i silnie zmniejsza zawartość węgla w perlicie. Sprzyja drobnoziarnistości stali. Zwiększa twardość ferrytu, ale bardzo obniża jego udarność. Jest wprowadzany do stali narzędziowych, gdyż tworzy twarde węgliki. Jest głównym składnikiem stali szybkotnących; w stalach żaroodpornych zwiększa odporność na pełzanie.
Wanad - silnie ferrytotwórczy. Rozpuszczalność w Fe-α nieograniczona, w Fe-γ do 1%. Jest silnie węglikotwórczy. Tworzy bardzo trwałe węgliki. Sprzyja drobnoziarnistości stali. Podnosi temperaturę A1. Bardzo zwiększa hartowność stali, gdy jest rozpuszczony w austenicie. Wprowadza się go do stali konstrukcyjnych jako mikrododatek (do ok. 0,3%); do stali narzędziowych albo jako mikrododatek, albo w większej ilości (np. do stali szybkotnących), gdyż tworzy bardzo twarde węgliki i wywołuje twardość wtórną. W stalach żarowytrzymałych zwiększa odporność na pełzanie.
Tytan - ferrytotwórczy. Rozpuszczalność w Fe-α ograniczona (ok.7%), w Fe-γ mała (<1%). Ma bardzo duże powinowactwo do węgla. Tworzy węgliki typu MC, zubożając austenit w węgiel. Rozdrabnia ziarno austenitu. Z żelazem tworzy związek Fe2Ti, który utwardza dyspersyjnie stal. Silnie podwyższa punkt A1, a punkt S przesuwa w lewo. Węgliki typu TiC trudno rozpuszczają się w austenicie (1200 - 1300°C), dlatego tytan obniża hartowność stali. Jako dodatek do stali nierdzewnych uodparnia stal na korozję między krystaliczną. Dodany do żaroodpornych stopów niklu podnosi ich odporność na pełzanie. Ma skłonność do wiązania azotu i tlenu, dlatego jest składnikiem drutów do spawania.
Niob i tantal - są to pierwiastki działające podobnie jak tytan - ferrytotwórcze, silnie węglikotwórcze. Tworzą węgliki typu MC o dużej twardości i trwałości. Wiążą azot. Silnie rozdrabniają ziarno austenitu. Niob stosuje się przeważnie jako mikro dodatek do stali. W stalach nierdzewnych zapobiega korozji międzykrystalicznej.
Krzem -ferrytotwórczy. Rozpuszczalność w Fe-α ograniczona (ok. 18'%), w Fe-γ mała (ok. 2%). Nie tworzy w stalach węglików, sprzyja natomiast grafityzacji i odwęglaniu stali. Rozpuszczony w ferrycie silnie go umacnia. Przy zawartości większej niż ok. 1% zmniejsza własności plastyczne. Zwiększa temperaturę A1, a punkt S przesuwa w lewo silniej niż Cr lub Mn. Nie wpływa na położenie punktu Ms. Hartowność zwiększa umiarkowanie, pośrednio między Ni i Cr. Zmniejsza skłonność stali do odpuszczania. Zwiększa żaroodporność i żarowytrzymałość. Ze względu na duże powinowactwo do tlenu jest stosowany jako odtleniacz. Krzem jest częstym dodatkiem do stali konstrukcyjnych (zwłaszcza resorowych), transformatorowych, żarowytrzymałych oraz niektórych narzędziowych.
Aluminium - ferrytotwórcze. Rozpuszczalność w Fe-α do 35%, w Fe-γ do 1,1%. Ma mniejsze powinowactwo do węgla niż żelazo, sprzyja grafityzacji. Rozpuszczone w austenicie nieznacznie zwiększa hartowność. Wiąże azot w postaci AlN i rozdrabnia ziarno austenitu, co z kolei zmniejsza hartowność. Jest silnym odtleniaczem stali, dlatego zawsze znajduje się w stali uspokojonej w ilości 0,02 - 0,2%. Wprowadza się je do stali do azotowania, gdyż tworzy bardzo twarde azotki. Jest dodatkiem w stalach żaroodpornych, gdzie poprawia odporność na korozję gazową. Jest stosowane do dyfuzyjnej obróbki cieplno-chemicznej celem nadania stalom odporności na utlenianie w wysokich temperaturach.
Miedź - tworzy z żelazem podobny układ jak węgiel, z szerszym polem austenitu. Rozpuszczalność w Fe-γ wynosi ok. 9,5%, a w Fe-α 2,1%, obniżając się z temperaturą. Można to wykorzystać do utwardzania. Nie tworzy węglików, sprzyja grafityzacji. Nieznacznie zwiększa hartowność. Uodparnia stal na korozję atmosferyczną, wody rzecznej oraz wody zawierającej SO2 i CO2. Wchodzi w skład austenitycznych stali kwasoodpornych (2 - 3%), gdzie zwiększa odporność na HCl i H2SO4. Utrudnia przeróbkę plastyczną stali na gorąco, gdyż słabo rozpuszcza się w żelazie, a rozkładając się na granicach ziarn powoduje nadtapianie granic i pękanie stali. Dodatek niklu (ok. 0,5'%) przeciwdziała temu zjawisku.
Bor - wprowadza się do stali w ilości ok. 0,003%, ponieważ znacznie zwiększa jej hartowność przy zawartościach węgla do 0,6%. Przy wyż-szych zawartościach boru hartowność stali maleje, a zwiększa się skłonność do rozrostu ziarna austenitu, gdyż bor obniża energię powierzchniową granic ziarn. Na granicach ziarn austenitu tworzy węglikoborki, które utrudniają wydzielanie ferrytu przedeutektoidalnego. Zwiększa aktywność węgla w austenicie. Hamuje dyfuzję po granicach ziarn. Z żelazem tworzy borki FeB i Fe2B o bardzo dużej twardości, które można wytworzyć na powierzchni elementów narażonych na ścieranie w procesie obróbki cieplno-chemicznej zwanej borowaniem.
Tlen, wodór, azot. Dwa pierwsze pierwiastki stanowią domieszki wpływające szkodliwie na własności stali, trzeci niekiedy jest celowo wprowadzany. Rozpuszczalność tlenu w ciekłym żelazie wynosi 0,16%, a w stanie stałym jest znikomo mała (ok. 0,003%). Z żelazem tworzy tlenki FeO, Fe2O3, Fe3O4, które szkodliwie wpływają na własności; zwłaszcza na udarność. Dlatego do stali wprowadza się pierwiastki o większym powinowactwie do tlenu (Al, Mn, Si), które tworzą mniej szkodliwe tlenki.
Wodór rozpuszcza się w stali w stanie ciekłym i w stanie stałym. Szybko dyfunduje. Już ok. 2 ppm wodoru w stali szynowej obniża jej ciągliwość(zwłaszcza przewężenie). W stali o dużej wytrzymałości wywołuje mikropęknięcia, zwane płatkami. Można im zapobiec stosując bardzo powolne chłodzenie poniżej 250°C lub przez próżniowe odgazowanie ciekłej stali.
Azot rozpuszcza się w austenicie i ferrycie. W ferrycie wykazuje zmienną rozpuszczalność z temperaturą i może być wykorzystany do utwardzania wydzieleniowego stali. W wyniku oddziaływania z dyslokacjami tworzy wyraźną granicę plastyczność i wywołuje starzenie po zgniocie. Dlatego jest szkodliwy w stalach do głębokiego tłoczenia. Jego obecność w stalach do spawania jest również szkodliwa, gdyż wywołuje kruchość w strefie wpływu ciepła. Azot można związać dodatkami Al i Ti. Powstałe azotki zapobiegają rozrostowi ziarna austenitu. Szybką dyfuzję w żelazie i tworzenie twardych azotków wykorzystano w obróbce cieplno-chemicznej zwanej azotowaniem.