Wykres równowagi żelazo-węgiel

Na osi poziomej podana jest procentowa zawartość węgla w stopie, na osi pionowej temperatura. Z wykresu można odczytać jaką struktukturę posiada stop, przy założeniu równowagowego procesu wytwarzania. Podczas chłodzenia lub podgrzewania stopów żelaza zachodzi w nich wiele przemian.

Linia ABCD i AHJECF przedstawiają przebieg topienia przy nagrzewaniu albo krzepnięciu podczas chłodzenia. linie HNJ, GSE, GPSK, PQ) przedstawiają przebieg przemian w stanie stałym.

Jezeli ciekły stop żelaza z węglem zacznie stygnąć, to początek krzepnięcia w zależności od steżenia wegla, będzie się znajdował na linii likwidusu ABCD a koniec krzepniecia na linii AHJECF - linia solidusu. W temperaturze powyżej linii likwidusu stop występuje w stanie ciekłym, pomiędzy liniami likwidusu i solidusu stop w stanie częściowo ciekłym a poniżej linii solidusu stop występuje jako stały.

Jeżeli skrzepnięy stop będziemy chłodzić już w stanie stałym czyli poniżej temp. 1130°C to będą wtedy występowały przemiany w stanie stałym. Przemiany te są spowodowane wystepowaniem odmian alotropowych żelaza, różniących się budową krystalograficzną, własnościami fizycznymi, chemicznymi i mechanicznymi.

Rozróżniamy odmiany alotropowe żelaza α, γ, δ(α), przy czym odmiana α do 768ºC jest ferromagnetyczna, natomiast powyżej tej temperatury jest paramagnetyczna (niemagnetyczna)

Przemiany alotropowe zachodzą w temperaturach:

Przemiana perytektyczna zachodzi w temp. 1495ºC, jest przemianą, podczas której, w czasie chłodzenia, dwie fazy (jedna z nich ciekła) przemieniają się w jedną fazę stałą. L + α →β

Przemiana eutektyczna Przemianę Ciecz → α + β nazywamy przemianą eutektyczną. Zachodzi w temp. 1148ºC.Przemiana eutektyczna jest przemianą, w której udział biorą trzy fazy. Podczas przemiany, w czasie chłodzenia, ciecz przemienia się w dwie fazy stałe jednocześnie.

Przemiana eutektoidalna Zachodzi w temp. 727ºC, jest przemianą, w której biorą udział trzy fazy. Podczas chłodzenia faza stała przemienia się w dwie inne fazy stałe jednocześnie. γ → α + β

Wykres żelazo-węgiel odnosi się do przemian w stanie zbliżonym do do równowagi, tzn. zachodzących bardzo wolno.

Stal – stop żelaza z węglem plastycznie obrobiony i obrabialny cieplnie o zawartości węgla nieprzekraczającej 2,11% co odpowiada granicznej rozpuszczalności węgla w żelazie (dla stali stopowych zawartość węgla może być dużo wyższa). Węgiel w stali najczęściej występuje w postaci perlitu płytkowego. Niekiedy jednak, szczególnie przy większych zawartościach węgla cementyt występuje w postaci kulkowej w otoczeniu ziaren ferrytu.

Stal obok żelaza i węgla zawiera zwykle również inne składniki. Do pożądanych składników stopowych zalicza się głównie metale (chrom, nikiel, mangan, wolfram, miedź, molibden, tytan). Pierwiastki takie jak tlen, azot, siarka oraz wtrącenia niemetaliczne, głównie tlenków siarki, fosforu zwane są zanieczyszczeniami.

Stal otrzymuje się z surówki w procesie świeżenia – stary proces, w nowoczesnych instalacjach hutniczych dominują piece konwertorowe, łukowe, próżniowe, pozwalające na uzyskanie wysokiej jakości stali.

Stal dostarczana jest w postaci różnorodnych wyrobów hutniczych – wlewki, pręty okrągłe, kwadratowe, sześciokątne, rury okrągłe, profile zamknięte i otwarte (płaskowniki, kątowniki, ceowniki, teowniki, dwuteowniki), blachy.

Im większa zawartość węgla, a w konsekwencji udział twardego i kruchego cementytu, tym większa twardość stali, węgiel w stalach niskostopowych wpływa na twardość poprzez wpływ na hartowność stali, im większa zawartość węgla tym dłuższy czas jest potrzebny do przemiany perlitycznej – co w konsekwencji prowadzi do przemiany bainitycznej i martenzytycznej. W stalach stopowych wpływ węgla na twardość jest również spowodowany tendencją niektórych metali, głównie chromu, do tworzenia związków z węglem – głównie węglików o bardzo wysokiej twardości.

ŻELIWA KONSTRUKCYJNE STOPOWE.

Żeliwa są stopami odlewniczymi na osnowie żelaza o zawartości węgla w granicach 2,0 - 3,8% oprócz węgla żeliwa zawsze zawierają dodatki krzemu i manganu oraz przeważnie więcej niż stale siarki i fosforu. Żeliwa wytapia się w specjalnych piecach zwanych żeliwiakami, w których wsadem jest surówka wielkopiecowa, złom żelazny, koks i topniki. Używa się też piece elektryczne łukowe lub indukcyjne w przypadku, gdy chcemy uzyskać żeliwo o mniejszej zawartości węgla . Wytwarza się je jako żeliwa : szare, sferoidalne i ciągtiwe. Żeliwa szare nazwę swoją zawdzięczają ciemnemu przełomowi spowodowanemu zawartością grafitu .Ten typ żeliwa jest szeroko stosowany w budowie maszyn dzięki wielu zaletom takim jak: łatwość odlewania, dobra skrawalność, dobra wytrzymałość, duża zdolność tłumienia drgań, dobra odporność na ścieranie, niski koszt wytwarzania . Wadą tych żeliw jest ich mała ciągliwość i udarność, spowodowana płatkowym charakterem wydzieleń grafitu.

Żeliwo to stosowane jest na koła zębate, wały korbowe, walki rozrządu, korbowody, walce do walcowania metali, itp.

Żeliwa ciągliwe są gatunkiem żeliw o podobnych właściwościach jak żeliwa sferoidalne. Wytwarza się je w procesie obróbki cieplnej. Odlane elementy muszą mieć strukturę żeliwa białego (zawiera w strukturze ledeburyt przemieniony z cementytem pierwotnym lub perlitem, bardzo twarde lecz kruche, można je jednie szlifować - nie skrawać, przełom jego jest biały), wyżarza się w atmosferze obojętnej lub utleniającej w temp. ok. 1000 C . W atmosferze obojętnej metoda zwana amerykańską, cementyt ulega grafityzacji. W efekcie uzyskujemy żeliwo ciągliwe czarne. W drugiej metodzie, zwanej europejską, wyżarza się odlew w atmosferze utleniającej co powoduje rozkład cementytu i utlenienie węgla do atmosfery (nawet do 2 cm z powierzchni odlewu). Żeliwo tak otrzymane nazywamy ciągliwym białym. Osnowa żeliwa zależy od sposobu chłodzenia w zakresie przemiany perlitycznej. Bardzo wolne chłodzenie - kilka stopni/ godz. osnowa ferrytyczna . Im szybsze schładzanie tym mniej perlitu ulegnie rozkładowi i osnowa będzie ferrytyczno - perlityczna lub perlityczna

Żeliwa stopowe cechują specjalne własności jak odporność na korozję, żaroodporność, podwyższone własności mechaniczne . Uzyskuje się te parametry poprzez dodanie pierwiastków stopowych do kadzi przed odlewaniem do form . l tak np. żeliwa zaw. do 35% Ni o osnowie austenitycznej są odporne na korozję w roztworach soli, zasad, wodzie morskiej i rozcieńczonych kwasach nieorganicznych. Żeliwa zaw. (do 1,5%) Ni, Cr, Mo, Cu, mają podwyższone własności mechaniczne i odporność na korozję atmosferyczną – głównie stosowane jako żeliwa konstrukcyjne. Większe ilości Cr, Al, Si uodparniają żeliwa antykorozyjnie w ośrodkach agresywnych i nadają im właściwości żaroodporne np. 5-7% Si ok. 1,5% Cr powoduje, że żeliwo może być stosowane w temp 600-800 C, 24% Al powoduje odporność żeliwa na działanie gazów (nawet zaw. zw. siarki) do 1000 C. Ponadto należy dodać, że żeliwa można poddawać tak jak stale obróbce cieplnej wpływając na ich własności.

Hartowanie – rodzaj obróbki cieplnej stali, składający się z dwóch bezpośrednio po sobie następujących faz. Pierwsza faza to nagrzewanie materiału do temperatury powyżej przemiany austenitycznej (dla stali węglowej 727°C; zwykle 30°C do 50°C powyżej temperatury przemiany austenitycznej) i wygrzewanie, tak długo jak to potrzebne, by nastąpiła ona w całej objętości hartowanego obiektu. Drugą fazą jest szybkie schładzanie. Szybkość schładzania musi być taka, by z austenitu nie zdążył wydzielić się cementyt i jego struktura została zachowana do temperatury przemiany martenzytycznej, w której to austenit przemienia się w fazę zwaną martenzytem. Stal posiadająca strukturę martenzytyczną nazywana jest stalą martenzytyczną lub hartowaną. Hartowanie przeprowadza się, by podnieść twardość i wytrzymałość stali.

Przy hartowaniu niezwykle istotny jest dobór szybkości schładzania. Zbyt wolne schładzanie powoduje wydzielanie się cementytu i uniemożliwia przemianę martenzytyczną, podczas gdy zbyt szybkie chłodzenie powoduje powstanie zbyt dużych naprężeń hartowniczych, które mogą doprowadzić do trwałych odkształceń hartowanego elementu lub jego pęknięć.

Szybkość schładzania wpływa także na głębokość hartowania. Przy elementach o większych rozmiarach, których grubość przekracza maksymalną głębokość hartowania, tylko część objętości przedmiotu hartowanego zostanie zahartowana. W takiej sytuacji martenzyt powstanie w warstwach powierzchniowych. Im głębiej zaś, tym udział martenzytu maleje, a cementytu wzrasta. Bardzo często jest to zjawisko pożądane, wtedy, gdy element ma być twardy na powierzchni, a ciągliwy w swym rdzeniu. Głębokość hartowania zależy także od hartowności stali.

Odpuszczanie – jest operacją cieplną, któremu poddawana jest stal wcześniej zahartowana. Celem odpuszczania jest usunięcie naprężeń hartowniczych oraz zmiana własności fizycznych zahartowanej stali, a przede wszystkim zmniejszenie twardości, a podniesienie udarności zahartowanej stali.

Odpuszczanie polega na rozgrzaniu zahartowanego wcześniej przedmiotu do temperatury w granicach 150° do 650 °C, przetrzymywaniu w tej temperaturze przez pewien czas, a następnie schłodzeniu. W czasie odpuszczania całość lub część martenzytu zawartego w zahartowanej stali rozpada się, wydzielając bardzo drobne ziarna cementytu, tworząc fazę zwaną sorbitem lub troostytem.

Brązy – stopy miedzi z innymi metalami i ewentualnie innymi pierwiastkami, w których zawartość miedzi zawiera się w granicach 80-90% wagowych. Składy brązów specyfikuje Polska Norma PN-xx/H-87050.

Brązy posiadają dobre własności wytrzymałościowe, są łatwo obrabialne. Brązy wysokostopowe poddają się także hartowaniu. Posiadają dobre właściwości przeciwcierne, są odporne na wysoką temperaturę i korozję. Zastosowanie brązów jest ograniczone ze względu na ich wysoką cenę.

Brązy dzieli się na brązy do obróbki plastycznej, dostarczane w formie wyrobów hutniczych – blach, pasów, taśm, prętów, drutów i rur oraz brązy odlewnicze, dostarczane w postaci sztab lub kęsów.

Pośród brązów do obróbki plastycznej wyróżnia się:

Brąz cynowy

Zawiera od 1% do 9% cyny: Ma barwę szarą, której intensywność wzrasta wraz z zawartością cyny. Mogą zawierać także inne dodatki stopowe, takie jak cynk (2,7% do 5%), ołów (1,5% do 4,5%) oraz domieszki fosforu (0,1% do 0,3%) z zanieczyszczeniami nie przekraczającymi 0,3%. Symbole brązów cynowych to B2 (CuSn2), B4 (CuSn4), B6 (CuSn6), B43 (CuSn4Zn3), B443 (CuSn4Zn4Pb3), B444 (CuSn4Zn4Pb4). Brązy cynowe używane są na elementy sprężyste, trudno ścieralne, a przy większej zawartości ołowiu na tuleje i panwie łożyskowe, monety, elementy pracujące w wodzie morskiej, armaturę.

Brąz aluminiowy

Zawiera od 4% do 11% aluminium: Może zawierać także inne dodatki stopowe, takie jak żelazo (2,0% do 5,5%), mangan (1,5% do 4,5%) oraz nikiel (3,5% do 5,5%), z zanieczyszczeniami nie przekraczającymi 1,7%. Symbole brązów aluminiowych to BA5 (CuAl5), BA8 (CuAl8), BA93 (CuAl9Fe3), BA1032 (CuAl10Fe3Mn2), BA1044 (CuAl10Fe4Ni4), BA92 (CuAl9Mn4). Cechują się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi. Brązy aluminiowe stosowane są na części do przemysłu chemicznego, elementy pracujące w wodzie morskiej, monety, styki ślizgowe, części łożysk, wały, śruby, sita.

Brąz berylowy

Zawiera od 1,6% do 2,1% berylu: Może zawierać także inne dodatki stopowe, takie jak nikiel w połączeniu z kobaltem (0,2% do 0,4%) oraz tytan (0,1% do 0,25%), z zanieczyszczeniami nie przekraczającymi 0,5%. Symbole brązów berylowych to BB2 (CuBe2Ni (Co)), BB1T (CuBe1,7NiTi), BB2T (CuBe2NiTi). Brązy berylowe stosowane są na elementy sprężyste, elementy aparatury chemicznej, elementy żaroodporne, np. gniazda zaworów, narzędzia nieiskrzące.

Brąz krzemowy

BK31 (CuSi3Mn1): Zawiera 2,7% do 3,5 krzemu i 1,0% do 1,5% manganu, przy zanieczyszczeniach nie przekraczających 1,0%. Stosowany jest na siatki, elementy sprężyste, elementy w przemyśle chemicznym, elementy odporne na ścieranie, konstrukcje spawane.

Brąz manganowy

BM123 (CuMn12Ni3): zawiera 11,5% do 13% manganu i 2,5% do 3,5% niklu przy dopuszczalnych zanieczyszczeniach do 1%. Stosowany na oporniki wysokiej jakości.

Brązy odlewnicze

Brązy odlewnicze stosuje się do odlewania części i elementów do zastosowań podobnych jak w przypadku brązów do obróbki plastycznej oraz do odlewania pomników.

Stopem zaliczanym czasami do brązów jest także spiż

Miedź

Czysta miedź metaliczna jest czerwono-brązowym, miękkim metalem o bardzo dobrym przewodnictwie cieplnym i elektrycznym. Nie ulega na powietrzu korozji, ale reaguje z zawartym w powietrzu dwutlenkiem węgla pokrywając się charakterystyczną zieloną patyną. Gdy w powietrzu zawarte jest dużo dwutlenku siarki zamiast zielonej patyny obserwuje się czarny nalot siarczku miedzi.

Siarczan miedzi(II) CuSO4 ma własności odkażające, a bezwodny ma silne własności higroskopijne i jest stosowany do suszenia rozpuszczalników. Kompleksy miedzi są trwałe, jednak dość łatwo jest zmieniać stopień utlenienia miedzi w takich kompleksach i dlatego są one często stosowane jak katalizatory reakcji redoks. Roztwory wodne soli miedzi(I) są intensywnie zielone, a roztwory soli miedzi(II) intensywnie niebieskie, co wykorzystuje się w miareczkowaniu kolorymetrycznym układów redoks.

Mosiądz - stop miedzi i cynku zawierający do 40% tego metalu. Mosiądze mogą zawierać także dodatki takich metali jak ołów, aluminium, cyna , mangan, żelazo i chrom oraz krzem.

Mosiądz ma kolor żółty (złoty), lecz przy mniejszych zawartościach cynku zbliża się do naturalnego koloru miedzi. Stop ten jest odporny na korozję, ciągliwy, łatwy do obróbki plastycznej. Posiada dobre właściwości odlewnicze.

Mosiądze stosuje się na wyroby armatury, osprzęt odporny na wodę morską, śruby okrętowe, okucia budowlane, np. klamki. Na elementy maszyn w przemyśle maszynowym, samochodowym, elektrotechnicznym, okrętowym, precyzyjnym, chemicznym. Ważnym zastosowaniem mosiądzu jest produkcja instrumentów muzycznych.

Ze względu na skład mosiądze dzieli się na:

·Mosiądze dwuskładnikowe - M95 (CuZn5), M90 (CuZn10), M85 (CuZn15), M80 (CuZn20), M80 (CuZn20), M75 (CuZn25), M70 (CuZn30), M68 (CuZn32), M63 (CuZn37), M60 (CuZn40).

·Mosiądze ołowiowe - zawierające dodatki ołowiu. Ołów dodawany jest w celu polepszenia skrawalności materiału. Do mosiądzów ołowiowych należą MO64 (CuZn34Pb3), MO62 (CuZn36Pb1.5), MO61 (CuZn36Pb3), MO58A (CuZn39Pb2), MO58b (CuZn40Pb2), MO58 (CuZn40Pb2) oraz także odlewnicze MO60 (CuZn38Pb1.5), MO59 (CuZn39Pb2),.

·Mosiądze specjalne - zawierają dodatki takich pierwiastków jak cyna, aluminium, mangan, żelazo, krzem lub/i nikiel. Należą do nich:

Mosiądze cynowe - MC90 (CuZn10Sn), MC70 (CuZn28Sn1), MC62 (CuZn38Sn1),

Mosiądze aluminiowe - MA77 (CuZn20Al2), MA59 (CuZn36Al3Ni2) i także odlewnicze MA58 (CuZn38Al3Mn2Fe1) i MA67 (CuZn38A13)

Mosiądze manganowe - MM59 (CuZn40Mn), MM57 (CuZn40FeMnSnAl), MM56 (CuZn40Mn3Al) oraz odlewnicze MM47 (CuZn43Mn4Pb3Fe), MM55 (CuZn40Mn3Fe), MM58 (CuZn38Mc2Pb2),

Mosiądz niklowy - MN65 (CuZn29Ni6).

Mosiądz krzemowy - MK80 (CuZn16Si3) stosowany także jako odlewniczy.

·Mosiądze wysokoniklowe - to stopy miedzi, cynku i niklu z dodatkiem manganu. Ze względu na srebrzysty kolor stop ten popularnie nazywany jest "nowym srebrem" lub argentanem. Stop ten ma bardzo dobre własności sprężyste i oporność na korozję - MZN18 (CuNi18Zn27), MZ20N18 (CuNi18Zn20), MZN15 (CuNi15Zn21), MZN12 (CuNi12Zn24). Mosiądze wysokoniklowe używane są na części sprężyste, okucia i wyroby jubilerskie.

Korozja mosiądzu W normalnych warunkach eksploatacji mosiądz wykazuje dobrą odporność na korozję atmosferyczną i w wodzie. Jednak w miękkiej, zawierającej chlor wodzie mosiądz podlega procesowi odcynkowania. Mosiądz jest także narażony na mechanizm korozji zwany sezonowym pękaniem.