• Klasyfikacja materiałów ceramicznych

a) ceramika inżynierska,

b) cermetale,

c) ceramika porowata,

d) szklą,

e) ceramika szklana.

• Ceramika inżynierska, określana również jako ceramika specjalna lub ceramika drobnoziarnista, wytwarzana jest w wyniku spiekania w wysokiej temperaturze, bez udziału fazy ciekłej, bardzo czystych związków, takich jak tlenki, węgliki, azotki ale także diament; wykazuje w stanie stałym postać krystaliczną bez udziału fazy szklistej oraz prawie teoretyczną gęstość.

• Cermetale złożone są z drobnych cząstek krystalicznych, np. węglików lub azotków równomiernie rozmieszczonych w osnowie metali lub ich stopów stanowiących lepiszcze o udziale masowym 5 -15%, wykazując gęstość prawie teoretyczną.

• Ceramika porowata określana jest również tradycyjną, klasyczną lub wielkotonażową z tego względu, że zwykle obejmuje masowo produkowane materiały budowlane, ogniotrwałe lub stosowane w technice sanitarnej w tym kamionkę, porcelanę, dachówkę i cegłę. Ceramika porowata charakteryzuje się sporym udziałem fazy szklistej otaczającej składniki krystaliczne, utworzone głównie z Al203, Si02 i H20 występujących w różnych proporcjach (głównie z gliny, krzemionki lub kwarcu, skalenia lub kaolinu).

• Szkła mogą być uważane za odmianę materiałów ceramicznych, pomimo przewagi struktury bezpostaciowej nad krystaliczną. Stan struktury szkieł jest pośredni między stanami: ciekłym i stałym. Stan ten nie jest stanem równowagi i jest osiągany przez powstrzymanie krystalizacji w wyniku szybkiego chłodzenia.

• Ceramika szklana zwana też dewitryfikatami lub pyroceramiką powstaje przez krystalizację (odszklenie) masy szklanej w ściśle określony sposób, umożliwiający utworzenie struktury bardzo drobnoziarnistej, bez porowatości, z pozostałością tylko ok. 2% fazy szklistej. Otrzymuje się ją w wyniku krystalizacji szkła na zarodkach tworzonych przez niewielkie dodatki Au, Ag lub Au pod wpływem promieniowania ultrafioletowego lub podczas obróbki cieplnej. Materiały te mają własności mechaniczne i odporność na udary cieplne znacznie wyższe od szkieł, a niektóre własności lepsze od ceramiki inżynierskiej.

Materiały kompozytowe

• Materiały kompozytowe są połączeniami dwóch lub więcej odrębnych i nie rozpuszczających się w sobie faz, z których każda odpowiada innemu podstawowemu materiałowi inżynierskiemu, zapewniającymi lepszy zespół własności i cech strukturalnych, od właściwych dla każdego z materiałów składowych oddzielnie.

• Faza powodująca wzmocnienie kompozytów nazywana także zbrojeniem może być wprowadzona w postaci:

a) drobnych cząstek,

b) krótkich włókien lub płatków,

c) włókien ciągłych.

• Druga faza kompozytów, w której umieszczone są cząstki lub włókna zbrojące, jest nazywana osnową. -

PODSTAWOWE GRUPY MATERIAŁÓW

• -Materiałami w pojęciu technicznym nazywane są dala stałe o własnościach

umożliwiających ich stosowanie przez człowieka do wytwarzania produktów.

• Najogólniej wśród materiałów o znaczeniu technicznym można wyróżnić:

a) materiały naturalna, wymagające jedynie nadania kształtu do technicznego zastosowania.

b) materiały inżynieralde, nie występujące w naturze lecz wymagające zastosowania złożonych procesów wytwórczych do ich przystosowania do potrzeb technicznych po wykorzystaniu surowców dostępnych w naturze.

• Przykładami materiałów naturalnych są: drewno, niektóre kamienie, skały i minerały. ,

w

• Do podstawowych grup materiałów inżynierskich tradycyjnie są zaliczane:

a) metale i ich stopy,

b) polimery,

e) materiały ceramiczne.

PRZYKŁADY ZASTOSOWANIA MATERIAŁÓW W NOWOCZESNYCH

PRODUKTACH

Współczesny produkt złożony jest z bardzo wielu elementów, wykonanych z bardzo różnych materiałów, np. typowy samochód składa się z około 15 000 elementów, a samolot pasażerski z ponad 4 000 000 elementów.

EKONOMICZNE UWARUNKOWANIA STOSOWANIA MATERIAŁÓW

• Zdecydowana większość materiałów inżynierskich pochodzi z surowców pozyskiwanych ze skorupy ziemskiej, wydobywanych w kopalniach w postaci rud i następnie wzbogacanych w celu umożliwienia ich ekstrakcji lub syntezy.

• Nieliczne materiały inżynierskie syntezuje się z surowców pozyskiwanych z atmosfery lub oceanów. W tablicy przedstawiono udziały masowe pierwiastków chemicznych występujących na Ziemi.

Udział masowy pierwiastków na Ziemi <w

Koszty właściwe podstawowych grup materiałów technicznych

• Koszt materiału w odniesieniu do 1 kg określa się jako koszt właściwy materiału.

• Koszty właściwe różnych materiałów mogą różnić się od siebie nawet o 6 rzędów wielkości.

• Najtańsze są paliwa i materiały budowlane, chociaż ceny tych ostatnich mogą być zróżnicowane między sobą ponad 10-krotnie.

• Znacznie większe koszty, lecz porównywalne między sobą i zróżnicowane w każdej z grup nawet 100- krotnie, wykazują stopy metali, polimery, materiały ceramiczne i szkło oraz materiały kompozytowe.

• Materiały specjalne, w tym cermetale narzędziowe, metale szlachetne i diament, mogą osiągać koszt właściwy od 102 do 105 razy większy niż półwyroby hutnicze ze stali niestopowej lub niskostopowej.

Udział kosztów materiałowych w kosztach właściwych różnych grup produktów

• Porównywać można również koszty właściwe produktów

• Najlepsze efekty ekonomiczne uzyskuje się przy wytwarzaniu produktów wysokoprzetworzonych o najwyższym możliwym poziomie technicznym.

• Koszt właściwy materiału może być nawet 100 000 razy mniejszy od właściwego kosztu całego produktu

• W takich przypadkach nieuzasadniona jest pozorna oszczędność na materiałach. Wręcz przeciwnie, spośród wszystkich dostępnych, należy wykorzystać materiały o najlepszych własnościach i największej niezawodności.

WIĄZANIA PIERWOTNE I WTÓRNE MIĘDZY ATOMAMI

• Tworzenie się wiązań miedzy atomami polega na wymianie lub uwspólnienlu elektronów walencyjnych.

• Wyróżnia się następujące rodzaje wiązań pierwotnych między atomami:

a) jonowe,

b) atomowe (kowalencyjne),

c) metaliczne.

• Wiązanie jonowe powstaje, gdy elektrony walencyjne jednego atomu elektrododatniego są przyłączane przez drugi atom elektroujemny (rys.).

• W wyniku utraty elektronów walencyjnych przez jeden atom i przyłączenia tych elektronów przez drugi, oba atomy uzyskują oktetowe konfiguracje elektronowe.

• Wiązanie jonowe powoduje dużą oporność elektryczną i cieplną oraz kruchość uzyskiwanych substancji, które są przezroczyste, często o różnym zabarwieniu.

Wiązanie atomowe (kowalencyjne) powstaje, gdy elektrony walencyjne pierwotnie rożnych atomów tworzą pary elektronów należące wspólnie do jąder dwóch atomów (rys.)

• Wiązania atomowe, poza gazami, występują także w substancjach stałych, takich jak np. Si, Ge i diament

• Wiązanie metaliczne występuje w dużych skupiskach atomów pierwiastków metalicznych, które po zbliżeniu się na wystarczająco małą odległość, oddają swoje elektrony walencyjne na rzecz całego zbioru atomów.

• Elektrony walencyjne przemieszczają się swobodnie pomiędzy rdzeniami atomowymi (jonami dodatnimi), tworząc tzw. gaz elektronowy.

• Wiązanie metaliczne nie ma charakteru kierunkowego, jak pozostałe rodzaje wiązań. Rdzenie atomowe na skutek elektrostatycznego oddziaływania elektronów swobodnych dążą do jak najgęstszego wypełnienia przestrzeni.

• Wyróżnia się następujące rodzaje wiązań wtórnych:

a) wiązania międzycząsteczkowe van der Waalsa - występują między chwilowymi dipolami elektrycznymi, utworzonymi z atomów na skutek nierównomiernego rozkładu ładunków w ich chmurach elektronowych (rys); siły te powodują skraplanie gazów szlachetnych oraz łączą w stan stały cząsteczki, np. H2, powstałe w wyniku wiązania atomowego.

b) wiązania siłami Londona mogą wystąpić między cząsteczkami obojętnymi w przypadku okresowych zmian ładunku w cząsteczkach, powodując ich przyciąganie (rys.)

c) wiązanie wodorowe występuje między cząsteczkami, w których wodór jest kowalencyjnie związany z fluorem (HF), tlenem (H20) lub azotem (NH3) (rys.).

OGÓLNY PRZEGLĄD GŁÓWNYCH GRUP MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH Metale i ich stopy

• Układy wieloskładnikowe złożone z więcej niż jednego pierwiastka, charakteryzujące się przewagą wiązania metalicznego tworzą stopy metali.

• Składy stopów metali są zawarte w szerokich granicach bez obowiązywania zasad stechiometrii.

• Metale i ich stopy cechują następujące własności:

a) dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne,

b) dodatni temperaturowy współczynnik rezystywności (opór elektryczny zwiększa się z podwyższeniem temperatury),

c) połysk metaliczny, polegający na odbijaniu promieni świetlnych od wypolerowanych powierzchni,

d) plastyczność, czyli zdolność do trwałych odkształceń pod wpływem przyłożonych naprężeń.

Metale otrzymuje się z rud, będących najczęściej tlenkami.

• Procesy metalurgiczne polegają zwykle na redukcji, prowadzącej do ekstrakcji metalu z rudy oraz na rafinacji, usuwającej z metalu pozostałe zanieczyszczenia.

• Elementy metalowe zwykle wykonywane są metodami:

a) odlewniczymi,

b) przeróbki plastycznej,

c) obróbki skrawaniem, _ _

d) metalurgii proszków.

• Własności metali i stopów są kształtowane metodami obróbki cieplnej.

• Powierzchnia elementów metalowych często jest uszlachetniana metodami inżynierii powierzchni, zwiększającymi min. odporność na korozję lub odporność na zużycie.

Polimery

• Polimery, nazywane także tworzywami sztucznymi lub plastikami, są materiałami organicznymi, złożonymi ze związków węgla. Polimery są tworzone przez węgiel, wodór i inne pierwiastki niemetaliczne z prawego górnego rogu układu okresowego.

• Polimery są związkami makrocząsteczkowymi i powstają w wyniku połączenia wiązaniami kowalencyjnymi w łańcuchy wielu grup atomów zwanych monomerami jednego lub kilku rodzajów.

• W skład polimerów wchodzą również dodatki barwników lub pigmentów, katalizatorów, napełniaczy, zmiękczaczy (plastyfikatorów), antyutleniaczy i innych.

Struktura polimerów

• W temperaturze pokojowej polimery są bezpostaciowe lub krystaliczne.

• Poszczególne makrocząsteczki w polimerach połączone są ze sobą znacznie słabszymi wiązaniami wtórnymi, które mogą być silniejsze w przypadku:

a) usieciowana, polegającego na utworzeniu silnych wiązań między makrocząsteczkami, np. jonowych w tzw. jonomerach,

b) usztywniania łańcucha, na skutek występowania równomiernie powtarzających się wiązań poprzecznych, łączących makrocząsteczki w podwójne łańcuchy.

• W zależności od kształtu I budowy makrocząsteczek oraz wiązań między nimi, polimery dzielą się na:

a) liniowe,

b) liniowe z rozgałęzieniami,

c) nieznacznie usieciowane z wiązaniami poprzecznymi,

d) silnie usieciowane.

• Polimery liniowe są zbudowane z monomerów z dwoma aktywnymi wiązaniami, połączonych liniowo w łańcuch Polimery te są termoplastyczne (termoplasty). Dają się łatwo wyciągać w wysokowytrzymałe włókna, jak np poliamidy w tym nylon. Do polimerów liniowych należą także polietylen, polichlorek winylu, polipropylen oraz polistyren.

• Polimery silnie usieciowane powstają z monomerów, mających więcej niż dwa aktywne wiązania, w wyniku czego powstają cząsteczki dwu- lub trójwymiarowe. Utworzona w ten sposób silna struktura zapobiega mięknięciu łych materiałów podczas podgrzewania i decyduje o tym, że stanowią polimery utwardzalne, (duroplasty). Do polimerów utwardzalnych należą żywice: fenolowo-formaldehydowa (bakelit), epoksydowa i poliestrowa.

• Polimery rozgałęzione i nieznacznie usieciowane pod względem struktury i własności wykazują pośrednie położenie między podanymi wyżej.

Materiały ceramiczne

• Ceramikę stanowią materiały nieorganiczne o jonowych i kowalencyjnych wiązaniach międzyatomowych, wytwarzane zwykle w wysokotemperaturowych procesach związanych z przebiegiem nieodwracalnych reakcji

• Do tej grupy materiałów zaliczane są również szkła oraz beton i cement, pomimo że przy ich wytwarzaniu zachodzą nie wszystkie z w/w procesów.

Struktura metali i stopów Podstawowe elementy krystalografii

• W kryształach atomy są ułożone w odstępach okresowo powtarzających się w co najmniej trzech nierównoległych kierunkach (rys.).

Każda prosta łącząca środki dowolnych dwóch atomów w krysztale jest nazywana prostą sieciową.

• Najbliższa odległość atomów na prostej sieciowej w sieci prymitywnej nosi nazwę podstawowego periodu identyczności lub parametru sieci.

• Przesunięcie, tzw. translacja prostej sieciowej, o period identyczności w kierunku różnym od kierunku prostej powoduje wyznaczenie płaszczyzny sieciowej

• Płaszczyzna sieciowa poddana translacjom w kierunku do niej nierównoległym tworzy sieć przestrzenną.

elementami sieci przestrzennej są zatem

a) płaszczyzny sieciowe.

b) proste stadowe

c) węzły sieci, stanowiące punkty przecięcia prostych sieciowych

•Trzy rodziny równoległych płaszczyzn sieciowych dzielą sieć przestrzenną na identyczne równoległościany o parametrach a, bic.

- Równoległościany te są nazywane elementarnymi komórkami sieciowymi i w pełni charakteryzują dany kryształ o sieci prymitywnej.

• Komórka sieciowa może być opisana przez jej podstawowe pentody identyczności (parametry sieci}

• Gęstość wypełnienia sieci rdzeniami atomowymi charakteryzuje liczba koordy­nacyjna Ij,, równa liczbie najbliższych i równo oddalonych rdzeni atomowych od dowolnego wybranego rdzenia atomowego w sieci krystalicznej.

• Stopień wypełnienia przestrzeni sieci krystaliczne] jest określony przez stosunek objętość? przestrzeni zajętej przez atomy do całkowitej objętości komórki sieciowej.

• Sieć krystaliczną można scharakteryzować także przez podanie liczby rdzeni atomowych przypadających na jedną elementarną komórkę sieciową.

Struktury sieciowe metali

• Metale krystalizują wyłącznie w pięciu układach krystalograficznych: regularnym, heksagonalnym, tetragonalnym, rombowym i romboedrycznym.

• Większość metali krystalizuje w układach krystalograficznych charakteryzujących się wysoką symetrią i dużą gęstością zapełnienia sie przestrzennej atomami, w szczególności w sieciach:

a) A1 - ściennie (płasko) centrowanej układu regularnego (RSC),

b) A2 - przestrzennie centrowanej układu regularnego (RPC).

c) A3 - heksagonalnej zwartej (HZ).

• Elementarną komórkę sieci regularnej ściennie centrowanej A1 w kształcie sześcianu tworzy 14 rdzeni atomowych.

• Liczba koordynacyjna wynosi 12.

• W sieci A1 między węzłami tworzą się dwa rodzaje przestrzeni międzywęzłowych -tzw. luk (rys.).

• W stopach metali lub zanieczyszczonych metalach w lukach tych mogą występować atomy innych pierwiastków o odpowiednio małej średnicy, np. atomy węgla w sieci żelaza gammę.

Wady budowy krystalicznej i Ich wpływ na własności metali

• Metale i kryształy innych pierwiastków wykazują skończone wymiary i liczne wady budowy krystalicznej

• Najogólniej wady te ze względu na ich cechy geometryczne można podzielić na:

a) punktowe,

b) finiowe,

c) powierzchniowe.

• Wady budowy krystalicznej w istotny sposób wpływają na własności

wytrzymałościowe i plastyczne metali.

■ Najlepszymi własnościami wytrzymałościowymi powinny cechować się metale o idealnej budowie krystalicznej, a ich wytrzymałość powinna przewyższać około 1000-krotnie wytrzymałość metali technicznych.

• Potwierdza to fakt, ze bardzo wysokie własności uzyskują kryształy włoskowate, tak zwane wiskery, tj. monokryształy o jednej tytko dyslokacji śrubowej.

budowy krystalicznej (rys.), co można osiągnąć przez:

a) stosowanie stopów metali o strukturze polikrystalicznej,

b) w wyniku rozdrobnienia ziam,

c)wydzielania faz o dużej dyspersji,

d) odkształcenia plastycznego na zimno.

• Do wad punktowych, cechujących się niewielkimi wymiarami we wszystkich kierunkach, należą wakanse, tj. wolne węzły w sieci krystalicznej, oraz atomy międzywęzłowe, które zajęły pozycje w lukach, opuszczając węzły sieci na skutek drgańl cieplnych.

a) dyslokacje krawędziowe,

b) dyslokacje śrubowe,

c) dyslokacje mieszane.

Polikrystaliczna struktura metali

• Metale w stanie stałym mogą występować jako:

a) monokryształy,

b) polikryształy.

• Monokryształy charakteryzują się prawidłowym rozmieszczeniem przestrzennym atomów z zachowaniem jednakowej orientacji wszystkich elementarnych komórek sieciowych w całej objętości kryształu.

- Monokryształy są ciałami anizotropowymi i dlatego wykazują silną zależność własności fizycznych, mechanicznych i innych od kierunku pomiaru lub pobrania próbki.

• Metale techniczne są zwykle polikryształami

• Składają się z ziam, z których każde ma w przybliżeniu prawidłową strukturę krystaliczną (rys.).

- Przypadkowa orientacja krystaliczna poszczególnych ziam w metalach polikrystalicznych decyduje o niemal jednakowych własnościach tych materiałów w różnych kierunkach (materiały quasi-izotropowe).

• Granice ziam stanowią wady powierzchniowe budowy krystalicznej.

• W metalu polikrystalicznym granice oddzielają ziarna różniące się wzajemną orientacją krystaliczną, a w stopach technicznych ponadto składem chemicznym.

• W zależności od kata dezorientacji krystalicznej granice ziam dzieli się na:

a) wąsko kątowe.

b) szeroko kątowe

• Granice wąsko kątowe mają budowę dyslokacyjną (rys.).

• Granice wąsko kątowe daszkowe łączą kryształy o wspólnym kierunku krystalograficznym równoległym do granicy.

• Granice wąskokątowe skrętne powstają w miejscu połączenia kryształów o wspólnym kierunku sieciowym prostopadłym do granicy (rys.).

a Granice szeroko kątowe charakteryzują się dużym kątem dezorientacji krystalicznej ziam, na styku których powstają.

Stopy metali ł fazy

• Stopy są substancjami dwu- lub wieloskładnikowymi, makroskopowo wykazującymi własności metaliczne.

• Co najwyżej jeden z głównych składników stopu jest metalem.

• Składnikami stopów są substancje proste, np. pierwiastki, lub złożone - np. związek ulegające przemianom.

• Stopy metali charakteryzują się wiązaniem metalicznym jako jedynym lub występującym oprócz innych rodzajów wiązań.

• Skład chemiczny stopów jest wyrażany przez:

a) stężenie masowe składników,

b) stężenie atomowe składników.

• Stopy mogą mieć strukturę jedno- lub wielofazową

" Stopy metali są wytwarzane głównie przez topienie i krystalizację ze stanu ciekłego

• W wyniku tych procesów z cieczy będącej zwykle roztworem wszystkich składników stopa mogą powstać

a) roztwory stałe

b) fazy międzymetaliczne

c) mieszaniny faz.

• Roztwór suty stanowi jednorodną fazę o wiązaniu metalicznym i strukturze krystal o własnościach typowo metalicznych.

• Metal. którego atomy występu/ą w sieci w przewadze, jest rozpuszczalnikiem. Drugi składnik jest nazywany pierwiastkiem rozpuszczonym.

• Jeżeli stężenie składnika rozpuszczonego jest ograniczone w pewnym zakresie, roztwó stały jest nazywany roztworem starym granicznym.

• W przypadku nieograniczona rozpuszczalności obydwu składników w stanie stałym w całym zakresie stężeń, tj. od 0 do 100%, roztwór stały jest roztworem stałym ciągłym.

• W przypadku gdy atomy pierwiastka rozpuszczonego są usytuowane w sposób nieuporządkowany w przestrzeniach międzywęzłowych sieci metalu rozpuszczalnika, roztwór stały jest nazywany roztworem stałym międzywęzłowym (rys.)..

• Roztwory stałe międzywęzłowe są roztworami granicznymi, a rozpuszczalność graniczna zmienia się zwykle wraz ze zmianą temperatury

ODKSZTAŁCENIE I REKRYSTALIZACJA

• Metale jako ciała plastyczne ulegają pod działaniem sił zewnętrznych odkształceniu, które polega na zmianie ich wymiarów i kształtu, nie ulegając przy tym zniszczeniu

• Zjawisko to umożliwia kształtowanie metali w drodze przeróbki plastycznej

• Pizy odkształceniu metali w miarę wzrostu naprężeń występują początkowo odkształcenia sprężyste, następnie odkształcenia plastyczne, po czym w miarę dalszego wzrostu naprężeń następuje zniszczenie materiału

Odkształcenie sprężyste

* Odkształcenia sprężyste są to odkształcenia przemijające, które zanikają po odciążeniu (Odkształcony element metalowy powraca do swego pierwotnego kształtu i wymiarów).

Struktura metali i stopów Podstawowe elementy krystalografii

• W kryształach atomy są ułożone w odstępach okresowo powtarzających się w co najmniej trzech nierównoległych kierunkach

• Każda prosta łącząca środki dowolnych dwóch atomów w krysztale jest nazywana prostą sieciową.

• Najbliższa odległość atomów na prostej sieciowej w sieci prymitywnej nosi nazwę podstawowego periodu identyczności lub parametru sieci.

• Przesunięcie, tzw translacja prostej sieciowej, o pen od tóenrycznoso w kierunku różnym od kierunku prostej powoduje wyznaczenie płaszczyzny sieciowej

• Płaszczyzna sieciowa poddana translacjom w kierunku do niej nie równoległym tworzy sieć przestrzenną.

• Biementami sieci przestrzennej są zatem

a) płaszczyzny sieciowe.

b) proste steciowe

c) węzły sieci, stanowiące punkty przecięcia prostych sieciowych

•Trzy rodziny równoległych płaszczyzn sieciowych dzielą sieć przestrzenną na identyczne równoległościany o parametrach a, O/c.

- Równoległościany te są nazywane elementarnymi komórkami sieciowymi i w pełni charakteryzują dany kryształ o sieci prymitywnej.

• Komórka sieciowa może być opisana przez jej podstawowe penody identyczności (parametry sieci) a. 6 i c oraz kąty między nimi zawarte

- Chłodzenie stali podeutektoidalnej

Obniżenie temperatury cieczy metalicznej stopu II do temperatury odpowiadającej linii AB powoduje wydzielanie z cieczy kryształów ferrytu wysokotemperaturowego a(o~) o udziale zwiększającym się, aż do osiągnięcia temperatury 1495°C (rys.). W temperaturze tej przebiega reakcja perytektyczna L + a(5) -> y. Nadmiar cieczy w tym stopie decyduje o uzyskaniu mieszaniny austenitu (y) i cieczy (L) po zakończeniu przemiany perytektycznej. Ciecz z taj mieszaniny przemienia się z kolei w kryształy austenitu (y). Poniża} linii JE występuje wyłącznie austenit (y). Dalsze chłodzenie stopu z temperatury odpowiadającej linii GS powoduje zapoczątkowanie przemiany austenitu I (y) w ferryt (a). Skład austenitu (y) przesuwa się do odpowiadającego punktowi S. W temperaturze 727*0 przebiega przemiana eutektoidalna utworzonego austenitu (y) w perlit. Pozostałą część osnowy stopu stanowi ferryt (o), którego skład przesuwa się do odpowiadającego punktowi P.

* Chłodzenie stali nadeutektoidalnej

W stopie itt (z obniżeniem temperatury do odpowiadającej linii SC, z cieczy bezpośrednio powstaje austenit (y)- Jego udział stopniowo zwiększa się w tym stopie w miarę dalszego chłodzenia W temperaturze niższej od odpowiadającej linii JE występuje wyłącznie austenit (y). Po ochłodzeniu do temperatury odpowiadającej linii SE austenit (V) uzyskuje pełne nasycenie węglem. Powoduje to wydzielanie kryształów cementytu wtórnego Pe^Cn o udziale zwiększającym się z obniżeniem temperatury do 727*C. Skład austenitu <y) zmienia się wzdłuż linii SE do odpowiadającego punktowi S. W temperaturze 727 WC następuje^rzemiana euŁefcfcridafna austenitu (y) w perlit, a wydzielony uprzednio cementyt wtórny Fe3Cn nie utega zmianie. Po ochłodzenw do temperatury pokojowej strukturę stopu stanów/ perlit i cementyt wtórny.

|

* Chłodzenie surówki podeutektycznej

I Krystalizacja stopu (rozpoczyna się od wydzielania austenitu (y) wzdłuż tinii BC Skład cieczy (L) zmienia się do odpowiadającego punktowi C. Po osiągnięciu temperatury 'i^48"C przebiega przemiana eutektyczna L -> y + Fe3C,. Bezpośrednio z cieczy powstaje ledeburyt, czyli mieszanina eutektyczna złożona z austenitu (y) i cementytu pierwotnego Fe3C,. Podczas dalszego chłodzenia, z przesyconego austenitu wydzielają się kryształy cementytu wtórnego Fe3C„. Skład austenitu przesuwa się ob odpowiadającego punktowi S. Ochłodzenie stopu do temperatury 727 °C powoduje przemianę eutektoidalną austenitu pierwotnego (y) w perlit. Austenit (y) tworzący iedeouryt także przemienia się w perlit. Powstaje w ten sposób ledeburyt przemieniony. Poniżej temperatury 727 °C strukturę stopu stanowi perlit, ledeburyt pfzerriieniony i cementyt wtórny. Dalsze chłodzenie stopu do temperatury pokojowej

- Chłodzenie surówki nadeutektycznej

Wraz z ochładzaniem stopu V (rys.) do temperatury odpowiadającej linii CO, bezpośrednio z cieczy metalicznej (L) zaczynają wydzielać się kryształy cementytu pierwotnego Fe^C,. W miarę dalszego chłodzenia stopniowo zwiększa się udział tych kryształów. Jednocześnie ciecz (L) ubożeje w węgiel, aż do stężenia odpowiadającego punktowi C. W temperaturze 1148°C pozostała ciecz krzepnie jako eutektyka (y + Fe3C,) nazywana ledeburytem. Dalsze chłodzenie stopu do temperatury 727 °C wpływa na wydzielanie nadmiaru węgla z austenitu ledeburytycznego (y) w postaci cementytu drugorzędowego Fe3C|,. W temperaturze 727*0 austenit (y) przemienia się w perlit, tworząc ledeburyt przemieniony. Poniżej temperatury eutektoidalnej, strukturę stopu stanowi ledeburyt przemieniony i cementyt pierwotny Fe3C,. Taką samą strukturę (z bardzo małym udziałem cementytu trzeciorzędowego Fe3C„,) stop wykazuje w temperaturze pokojowej.

Ogólna charakterystyka stali węglowych

• Stal jest stopem żelaza z węglem o zawartości do 2% węgla.

• Do zasadniczych domieszek zawsze występujących w stalach węglowych w mniejszej lub większej ilości należą mangan, krzem, fosfor i siarka.

• Zawartość tych pierwiastków w stalach węglowych nie przekracza zwykle następujących wartości:

mangan krzem fosfor siarka

- 0,8%,

- 0,4%, 0,05%,

- 0,05%.

• Ponadto stal węglowa może jeszcze zawierać małe ilości miedzi, chromu i niklu, pochodzące ze złomu stalowego oraz rozpuszczone gazy, jak wodór, tlen i azot

Wpływ składników chemicznych na własności stali węglowych

• Węgieł jest głównym składnikiem stopowym stali węgłowych, silnie wpływającym na ich własności, nawet przy niewielkich zmianach zawartości.

• Wzrost zawartości węgla podwyższa wytrzymałość na rozciąganie (Rm), granicę plastyczności (RJ oraz twardość stall (HS), natomiast własności plastyczne, jak wydłużenie (A), przewężenie (Z) oraz udamość (U) ulegają obniżeniu (rys.).

• Wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności wzrastają tylko do 0,8% węgl uwagi na zbyt duża, przy wyższych zawartościach węgla ilość kruchego cementytu.

• Wzrost zawartości węgła pogarsza również zgrzewalność, obrabialność oraz spawałność.

' Mangan występuje w stalach węglowych jako pozostałość z procesu wytapiania stali, a głównie odtleniania i odsiarczania, w postaci roztworu stałego w ferrycie lub cementycie. Wiąże on siarkę na siarczek manganu MnS, przez co zapobiega powstaniu szkodliwego siarczku żelaza FeS.

* Krzem pochodzi z procesów odtleniania stan. Jest on energicznym odtieniaczem hamującym tworzenie się pęcherzy w czasie krzepnięcia stali. Krzem występuje w stali w postaci roztworu stałego w ferrycie; podnosi wytrzymałość start.

* Fosfor należy do domieszek szkodliwych, obniża własności plastyczne stall oraz podwyższa temperaturę, w której stal staje się krucha, wywołując kruchość na zimno.

■ Siarka należy do domieszek szkodliwych, praktycznie nie rozpuszcza się w żelazie I występuje w stali w postaci siarczków. Siarczek żelaza jest łatwo topliwy (temp. topn. 1193'C) i tworzy z żelazem łatwo topliwą eutektykę Fe-FeS o temperaturze topnienia 9S5°C. Eutektyka występuje przeważnie na granicach ziam powodując kruchość na gorąco. Dodatek manganu do stali zmniejsza szkodliwe działanie siarki:

FeS + Mn -> MnS + Fe

Siarczek manganawy (MnS) jest trudno topimy (temperatura topnienia 1620°C) i występuje zazwyczaj w postaci oddzielnych wtrąceń.

• Tlen występuje wstali w postaci związanej lub w roztworze stałym, powodując kruchość stali na gorąco, podobnie jak i siarka.

• Wodór również rozpuszcza się w stali i powoduje jej kruchość.

• Azot w stali tworzy twarde i kruche azotki.

•Obecność miedzi w ilości do 0,2% jest korzystna z uwagi na odporność staff Korozję atmosferyczną.

na

Wiadomości ogólne

Surówki i żeliwa

• Surówki albo żeliwa są to stopy żelaza z węglem, o teoretycznej zawartości 2 -5,67% węgla.

- Poza tym stopy te zawierają jeszcze krzem, mangan, fosfor i siarkę, a niekiedy także specjalne dodatki stopowe.

• Polska terminologia rozróżnia surówki i żeliwa, przy czym różnica ta dotyczy wyłącznie technologii Ich otrzymywania: surówki są bezpośrednim produktem wielkiego pieca, natomiast żeliwa otrzymuje się po przetopieniu surówki w piecach odlewniczych.

• W zależności od postaci występowania węgla i uwarunkowanego tym zabarwienia przełomu rozróżnia się surówki I żeliwa białe I szara.

• W surówkach białych węgiel występuje wyłącznie pod postacią cementytu i dlatego przełom Ich jest jasny.

• W żeliwach szarych węgiel występuje częściowo w postaci związanej jako cementyt, a częściowo w postaci wolnej jako grafit.

fi Surówki zawierające składniki strukturalne żeliwa białego i szarego noszą nazwę surówek połowicznych lub pstrych.

* Właściwość odlewnicze surówek białych są złe - nie stosuje się odlewów z żeliwa białego na części konstrukcyjne; wyjątek stanowi żeliwo ciągliwe, które otrzymuje się przez obróbkę cieplną odlewów z żeliwa białego.

Żeliwa szare

• Podział żeliwa szarego w zależności od osnowy metalicznej:

a) żeliwa ferrytyczne (ferryt i grant),

b) żeliwa ferrytyczno- perlityczne (ferryt, perlit i grafit),

c) żeliwa perlityczne (perlit i grafit).

• Osnowa metaliczna żeliwa szarego podobna jest do stali, z tym że w żeliwie szarym występują ponadto wtrącenia grafitu, co powoduje różnicę we własnościach pomiędzy tymi tworzywami.

• Wytrzymałość żeliwa szarego jest niższa niż stali, a ponadto żeliwo jest kruche, w zasadzie pozbawione plastyczności.

• Na własności żeliwa mają wpływ oprócz ilości grafitu także jego wielkość, kształt i sposób rozmieszczenia.

• Najlepsze własności ma żeliwo o małej ilości grafitu równomiernie rozłożonego postaci drobnych odosobnionych wtrąceń; w takim żeliwie osłabienie osnowy metalicznej zaznacza się najsłabiej, a jego wytrzymałość zbliża się do wytrzymałości

• Istnienie wtrąceń grafitu polepsza skrawalność żeliwa, czyniąc wiór kruchym.

• Grafit zwiększa odporność żeliwa na ścieranie, co umożliwia stosowanie żeliwa jako materiału łożyskowego.

• Grafit, zwłaszcza w postaci płatków, powoduje tłumienie drgań.

- Żeliwo szare niestopowe można podzielić na trzy grupy, a mianowicie:

1) żeliwa zwykłe maszynowe,

2) żeliwa modyfikowane,

3) żeliwa sferoidalne.

• Modyfikacja polega ona na wprowadzeniu przed odlewaniem do ciekłego metalu niewielkich ilości modyfikatorów, np. żelazo-krzemu lub wapni- krzemu w ilości 0,1 -0,5%. Modyfikator powoduje rozdrobnienie struktury, a zwłaszcza grafitu.

• Sferoidyzację grafitu uzyskuje się przez wprowadzenie przed odlewaniem do ciekłego żeliwa magnezu l jego stopów.

Żeliwo ciągliwe

• Żeliwo ciągliwe otrzymuje się przez wyżarzanie grafityzujące odlewów z żeliwa białego, w czasie którego cementyt ulega rozpadowi z wydzieleniem wolnego węgla (grafitu), zwanego węglem żarzenia.

• Osnowa metaliczna żeliwa ciągliwego jest zbliżona do stali, a węgiel żarzenia występuje w postaci kłaczkowatych skupień.

• Przy tego rodzaju postaci występowania grafitu osnowa metaliczna jest mniej poprzerywana, niż to ma miejsce w przypadku grafitu płatkowego i żeliwa ciągliwe wykazują dobre własności mechaniczne, a zwłaszcza dobrą, w porównaniu z innymi rodzajami żeliwa, plastyczność.

• Żeliwo ciągliwe znajduje szerokie zastosowanie przy wytwarzaniu drobnych części maszyn.

ALUMINIUM I JEGO STOPY Własności i zastosowanie aluminium

Aluminium jest metalem barwy srebrzystobiałej. bardzo miękkim ł plastycznym.

Ciężar właściwy afurnrnium wynosi ty (ko 26,5 kNAn3, Ij. ok. 3-krotnie mniejszy od żelaza.

Jest to bardzo ważna własność powodująca, że aluminium stosuje się wszędzie tam, Igdzie potrzebne są lekkie materiały konstrukcyjne (przemysł lotniczy, okrętowy, budowa silników i karoserii pojazdów).

Ałuminium wykazuje dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne (przewodnictwo elektryczne aluminium stanowi 66% przewodnictwa elektrycznego miedzi).

* Aluminium jest odporne na działanie atmosferyczne, kwasów tlenowych, a także jsuchych gazów jak amoniak, chlor, dwutlenek węgla, dwutlenek siarki.

Nie jest natomiast odporne na wodorotlenki sodowy, potasowy, wapniowy, kwasy 'bezWenowe oraz związki siarki.

• Odporność chemiczną aluminium na działanie ośrodków tlenowych tłumaczy się tym, że posiadając duże powinowactwo do tlenu, aluminium utlenia się powierzchniowo.

• Wytworzona w ten sposób warstewka tlenku jest szczelna i silnie przylegająca, tak że nie przepuszcza gazów w głąb metalu chroniąc go przed korozją.

• Ta warstewka tlenku jest ponadto przezroczysta, co powoduje, że aluminium zachowuje swój metaliczny kolor.

Ogólne wiadomości o stopach aluminium

* Niskie własności mechaniczne czystego aluminium ograniczają zastosowanie tego metalu jako materiału konstrukcyjnego.

* Przez stopienie aluminium z niektórymi składnikami otrzymuje się bardzo cenne stopy o znacznie wyższych własnościach wytrzymałościowych 1 dobrych własnościach plastycznych.

* Stopy te noszą nazwę stopów lekkich.

* Do najczęściej spotykanych składników stopowych w stopach aluminium należą: miedź, krzem, magnez, mangan, cynk.

* Większość dodatków stopowych tworzy twarde i kruche fazy międzymetaliczne, bądź z aluminium, bądź też i z innymi składnikami stopu.

* Stopy ałuminium w stanie odlanym posiadają miękką i plastyczną osnowę, którą stanowią kryształy roztworu stałego dodatków stopowych w aluminium.

* Na ich granicy występują utwardzające dodatki stopowe w formie eutektyki lub wolnych faz międzymetalicznych.

* Stopy aluminium można podzielić na:

1) stopy odlewnicze,

2) stopy przerabialne plastycznie.

- Granicę pomiędzy tymi stopami stanowi maksymalna rozpuszczalność składnika stopowego w aluminium w temperaturze eutsktycznej (rys.).

* Stopy, które po nagrzaniu mają jednofazową strukturę roztworu stałego są bardzo plastyczne - należą więc one do grupy stopów przerabialnych plastycznie,

* Stopy, w których zawartość składników przekracza ich graniczną rozpuszczalność w aluminium zawierają w swej strukturze eutektykę - są mało plastyczne i należą do stopów odlewniczych.

* Podział ten rúe jest jednak zupełnie ścisły i isfriieją stopy, które mogą być zarówno odlewane jak I przerabiane plastycznie.

•Wysokie własności wytrzymałościowe można nadać tym stopom poddając je zabiegom utwardzana dyspersyjnego

Lekkie stopy odlewnicze

• Stopy odlewnicze aluminium odlewa się do form piaskowych, kokil lub pod ciśnieniem.

• Do najbardziej rozpowszechnionych stopów odlewniczych aluminium należą siluminy, tj. stopy aluminium z krzemem.

• Zawierają one zwykle 11 -14% Si, to znaczy, że ich skład zbliżony jest do składu eutektyki w układzie aluminium-krzem.

• Siluminy mają bardzo dobre własności odlewnicze (nadzwyczaj dobra lejnosc umożliwia otrzymywanie elementów o bardzo skomplikowanym kształcie i cienkich Ściankach).

• Po zakrzepnięciu struktura siluminów jako stopów w nadeutektycznych składa się z dużych o ostrych granicach kryształów krzemu na tle gruboziarnistej eutektyki (rys).

• W celu rozdrobnienia ziarna I podwyższenia własności mechanicznych poddaje się siluminy modyfikacji (dodatek sodu w ilości 0,1% lub soli sodowych)

• Pod wpływem modyfikatora skład eutektyki ulega przesunięciu w prawo - silumin nadeutektyczny staje się stopem podeutektycznym o strukturze kryształów roztworu a na tle drobnoziarnistej eutektyki (a + Si).

•Na odlewy, od których nie wymaga się wysokich własności mechanicznych można stosować stopy aluminium z miedzią.

• Są to stopy podeutektyczne o zawartości 4-13% miedzi.

• Do pierwszej grupy stopów nateżą stopy aluminium

• Do stopów o wyższej wytrzymałości należą stopy duralumin (dural), które zawierają trzy zasadnicze dodatki stepowe: 3 - 5,5% miedzi, 0,5 - 2% magnezu i do 1 % manganu.

■ Wymienione składniki stopowe tworzą 7 aluminium różnego rodzaju fazy międzymetaliczne.

• Fazy te występujące w stanie równowagi, podczas nagrzewania ulegają rozpuszczeni w aluminium.

• Przez szybkie chłodzenie otrzymuje się wówczas roztwór przesycony, z którego w czasie następnego starzenia fazy te z kolei wydzielają się.

• Stwarza to możliwość obróbki cieplnej dursjuminlum.

• Temperatura przesycania wynosi 490 - 510 °C; chłodzenie następuje w wodzie, w oleju lub nawet na powietrzu.

■ Po przesycaniu otrzymuje się stop o budowie jednofazowej, miękki o niskiej wytrzymałości i dużej plastyczności i w tym stanie elementy duralowe można kształtować plastycznie oraz nitować.

• Przesycony duralumin podlega następnie starzeniu.

• Może ono zachodzić samorzutnie w temperaturach otoczenia i wówczas zwane jest starzeniem naturalnym, przy czym najlepsze własności mechaniczne osiąga durai po 5

• Proces starzenia można przyspieszyć przez podgrzanie i takie przyspieszone starzenie nosi nazwę starzenia sztucznego.

• Zależność wytrzymałości na rozciąganie od temperatury i czasu starzenia przedstawia rys.

Miedz - WŁASNOŚCI) ZASTOSOWANIE

• Miedź ma barwę czerwonawą, jest metalem bardzo miękkim, o niskiej wytrzymałości na rozciągania, ale o bardzo dobrych własnościach plastycznych.

• Czysta miedź w stanie wyżarzonym ma następujące własności mechaniczne:

wytrzymałość AS rozciąganie - 230+240N/mm3,

granica plastyczności Rg - 25*50 N/mm3>

wydłużenia -4,ft »40+60%,

przewężenie Z m 60+ 90%.

twardość Brinella ok. 33 HB.

• Miedź można umocnić tylko na drodze przeróbki plastycznej na zimno.--—

•Ze wzrostem stopnia zgniotu następuje podwyższenie własności wyirzyinatościowych przy obniżeniu własności plastycznych (rys.). y

* Miedź ma wysokie przewodnictwo cieplne oraz wysokie przewodnictwo elektryczne

- Bardzo ważną własnością miedzi jest jej stosunkowo duża odporność na korozję - w wilgotnym powietrzu miedź pokrywa się warstewką zasadowego węglanu miedzi (patyną] chroniącą ją w pewnym stopniu przed dalszą korozją, o ile tylko w atmosferze nie ma dwutlenku starki.

- Zastosowanie miedzi technicznie czystej zależy od ilości zawartych w niej zanieczyszczeń - do celów elektrotechnicznych konieczna jest miedź wysokiej czystości (maksymalna zawartość zanieczyszcza- 0,1%).

* Stopy miedzi są po stalach i stopach lekkich najbardziej rozpowszechnionymi stopami

technicznymi.

* Mosiądzami nazywamy stopy miedzi, w których głównym składnikiem stopowym jest cynk.

* Brązy są to stopy miedzi, w których głównym składnikiem stopowym jest jakiś inny pozaj cynkiem pierwiastek - brązy cynowa, aluminiowe, niklowe, ołowiowe, manganowe, krzemowe i berylowe.

* W pojęciu potocznym pod nazwą brązy rozumie się brązy cynowa.

Mosiądze ■

• Stopy miedzi z cynkiem, zwane mosiądzami, należą do najbardziej rozr^wsze<*inlonych stopów miedzi.

•Zawartość cynku w praktycznie stosowanych mosiądzach nie przekracza 45% ad^ stopy o wyższej zawartości cynku są bardzo kruche 'gdyż

• W zakresie praktycznie stosowanych stopów, tj. do ok 45% Zn. występują dwie fazy

a) faza a - roztwór cynku w miedzi o sieci pteskocentrowanej układu regularnego (Al);

b) faza p - roztwór stały na bazie fazy międzymetalicznej CuZn o sieci przestrzennie centrowanej układu regularnego (A2).

• Stosowane w technice mosiądze ze względu na swoją budowę dzieli się na:

a) mosiądze o o jednorodnej strukturze roztworu stałego, zawierające do 39% Zn,

b) mosiądze dwufazowe o strukturze będącej mieszaniną kryształów o i 0, zawierające 39 - 45% cynku

Mosiądze przerabiam© plastycznie na zimno mają strukturę roztworu stałego a.

- Mosiądze CuZn5 j CuZnIO - duże przewodnictwo cieplne;

- Mosiądz Cu2n15 natęży do grupy mosiądzów o zawartości 80 - 90% miedzi

noszących dawniej nazwę tombaków - wyroby jubilerskie i złotnicze.

- Mosiądz CuZn30 i CuZn32 - szczególnie dobra plastyczność (z mosiądzu tego typu

wykonuje się łuski pocisków i dlatego nazwano go mosiądzem łuskowym).

• Mosiądze do przeróbki plastycznej na gorąco to mosiądze dwufazowe o strukturze a + 0. np. mosiądz Cu2n40.

• Pręty o różnych przekrojach otrzymuje się na drodze wyciskania.

• Obróbka mechaniczna mosiądzów dwufazowych jest ułatwiona, gdyż obecność fazy powoduje tworzenie się kruchego i łamliwego wióra.

j Własności wytrzymałościowe mosiądzów można podwyższyć przez zgniot

Mosiądze odlewnicze - na odlewy stosuje się zwykle mosiądze dwufazowe.

Zawierają one m. in. ołów i krzem, które polepszają lejność, oraz aluminium, mangan i żelazo, które podwyższają własności mechaniczna.

* Ważną cechą mosiądzów jest ich odporność na korozję atmosferyczną

* Spośród różnych rodzajów korozji jakim mosiądze podlegają, do najgroźniejszych można zaliczyć odcynkowanie i sezonowe pękanie.

• Odcynkowanie zachodzi, gdy elementy mosiężne znajdują się w obecności niektórych elektrolitów, zwłaszcza zawierających jony chloru. Cynk i miedź przechodzą wówczas^ równocześnie do roztworu, z którego następnie wydziela się z powrotem miedź w postaci gąbczaste/. Po dłuższym okresie znaczną część przekroju zajmuje gąbczasta miedź, podczas gdy cynk pozostaje w roztworze, co prowadzi w końcu do pęknięć. Niebezpiecznie, ze przebieg korozji nie uwidacznia się na zewnątrz i elementy do momentu ich pęknięcia zachowują swój pierwotny kształt.

• Pękaniu sezonowemu podlegają elementy posiadające wewnętrzne naprężenie rozciągające. Jeżeli takie wytwory znajdują się w atmosferze lekko korodującej, to ośrodek korozyjny działa głównie wzdłuż granic ziam osłabiając wytrzymałość materiału. Skłonność mosiądzów do sezonowego pękania można zmniejszyć przez wyżarzanie odprężające w temperaturach 200*300'C.

* Specjalną grupę wśród wieloskładnikowych mosiądzów stanowią mosiąrJ. wysokoniklowe, znane powszechnie pod nazwą „nowe srebra".

ze

Oprócz głównego dodatku stopowego, którym jest cynk, zawierają jeszcze nikiel.

• Dzięki obecności niklu mosiądze te odznaczają się pięknym srebrzystym zabarwieniem, są bardzo plastyczne, mają dużą odporność na działanie atmosfery, duzą oporność elektryczną oraz małe przewodnictwo cieplne.

Brązy cynowe

■ Brązy cynowe są najstarszymi stopami metali znanymi w historii. - Poza miedzią i cyną zawierać one mogą jeszcze cynk, ołów, fosfor i nikiel.

* Zakres zastosowania brązów cynowych jest ograniczony, jednak odgrywają one ważną rolę w technice, przede wszystkim jako odlewy, a także jako materiał przerobiony plastycznie.

* Specyficzna zastosowanie brązów cynowych to dzwony i wyroby artystyczne.

* Zawartość cyny w technicznie stosowanych brązach nie przekracza zwykle 16 - 20%.

* W zakresie praktycznie stosowanych stopów ffl. do około 20% cyny) w normafnvch" temperaturach trwałe są tylko dwie fazy: y y) a'nycn

a - roztwór stary cyny w miedz}.

6 - faza międzymetaliczna Cu31Sna wchodząca w skład eutektoidu (a +

• Stosowane w technice brązy cynowe można podziełić na dwie grupy

1) brązy przerabialne plastycznie,

2) brązy odlewnicza

• Brązy przerabialne plastycznie zawierają maksymalnie 7-8% cyny.

Ze względu na zastosowanie odlewnicze brązy cynowe dzieli się na trzy grupy:

1) brązy maszynowe, np. CuSnIO,

2) brązy armaturowe, np. CuSn5Zn5Pb5,

3) brązy łożyskowe, np. CuSn10Pb1O.

• W celu obniżenia kosztów produkcji, wprowadza się do brązów cynowych 5 -10% cynku, który rozpuszcza się w miedzi, nie wpływając w sposób istotny na ich strukturę.

• Brązy cynowe-cynkowe nazywano dawniej spiżami.

■ Kruchy brąz o zawartości 16 - 22% cyny stosowany jest do odlewania dzwonów i nazywany był dawniej brązem dzwonowym.

Brązy aluminiowe

• Brązy aluminiowe są stopami miedzi i aluminium.

• Stanowią one jedną z najważniejszych grup stopów miedzi i wypierała brązy cynowe, od których są tańsze, a w wielu przypadkach także technologicznie bardziej przydatne.

• Mają one najlepsze własności wytrzymałościowe spośród stopów miedzi oraz znacznie większą odporność na korozję.

• Nadają się one zarówno na odlewy, jak i na materiał przerabiany plastycznie.

• Brązy aluminiowe odznaczają się szczególnie dużą w porównaniu z innymi stopami miedzi, odpornością na korozję - powstająca na ich powierzchni warstewka tlenku aluminium jest nadzwyczaj ścisła i chroni elementy przed przenikaniem korozji w głąb.

• Szczególnie dużą odporność wykazują brązy aluminiowe na korozyjne działanie wody morskiej.

• Z tego względu znajdują one duże zastosowanie na śruby okrętowe, korpusy i części pomp oraz osprzęt okrętowy.

Brązy krzemowe

| Brązy krzemowe znajdują zastosowanie jako materiał zastępujący brązy cynowe; są tańsze, wykazują lepsze od nich własności mechaniczne oraz wyższą odporność na

korozję.

• Brązy krzemowe zawierają do 5% krzemu.

{Brązy berylowe

- Stopy miedzi z berylem zawierają zwykle 2,0 - 2,5% berylu.

• Beryl jest składnikiem drogim i rzadkim, co ogranicza zastosowania tych stopów.

• Brązy berylowe wyróżniają się bardzo wysokimi własnościami mechanicznymi (ich wytrzymałość Jest zbliżona do wytrzymałości stali sprężynowej).

• Mają one również wysoką granicę plastyczności, dużą twardość i odporność na ścieranie oraz wysoką wytrzymałość zmęczeniową

• Brązy berylowe znalazły również zastosowanie na narzędzia do pracy w warunka , w których nie może powstać Iskra.

• Brązy manganowe zawierają do 15% manganu.

I Dodatek manganu do miedzi obniża gwałtownie zarówno przewodność elektryczną jak tez i cieplny współczynnik oporu, więc głównym zastosowaniem brązów manganowych są matenały na elementy oporowe.

- Brązy ołowiowe zawierają do 40% ołowiu, a ponadto również cynę (do 11 %), nikiel {do 4%), cynk (do 3%),

• Znajdują one szerokie zastosowanie jako materiał łożyskowy.

- Oba te metale są praktycznie w sobie nierozpuszczalne i budowa ich stopów to dendryty miedzi z wtrąceniami ołowiu.

■ Chłodzenie Malt ferrytycznej

Obniżenie temperatury cieczy metalicznej o składzie chemicznym stopu I do odpowiadającej linii AS powoduje krzepnięcie kryształów fenylu wysokotemperaturowego a(5) z cieczy (L) (rys.). Zakres krzepnięcia ograniczony jest liniami AB i AH. W obszarze AHN stop ma strukturę ferrytu afó) - Z obniżeniem temperatury poniżej linii HN następuje przemiana ferrytu o(6) w austenit (y). Poniżej temperatury AU występuje austenit (y). Po obniżeniu temperatury poniżej linii GS następuje przemiana austenitu (y) w ferryt (a). W miarę dalszego obniżania temperatury ubywa austenitu (y) i po osiągnięciu punktu F występuje 100% ferrytu (a) maksymalnie nasyconego węglem. Przy dalszym chłodzeniu, na granicach ziam ferrytu (o), nadmiar węgla wydziela się wzdłuż linii PQ w postaci cementytu trzeciorzędowego Fe3CM,.

Mikrostruktury stopów układu Fe - Fe,C

• Próby określania własności wytrzymałościowych metali na podstawie praw rządzących oddziaływaniem atomów w doskonałej sieci krystalicznej nie dawały zadowalających rezultatów.

• W praktyce metale okazały się słabsze niż to wynikało z teorii ich budowy.

• Zastosowanie teorii dyslokacji do wyjaśnienia mechanizmu poślizgu pozwoliło na usunięcie tych niezgodności - w rzeczywistym krysztale poślizg przy odkształceniu plastycznym jest procesem przemieszczania się dyslokacji.

• Do wytworzenia dyslokacji niezbędna jest dość duża początkowa siła F. O ile dyslokacja już powstała, to ob wywołania odkształcenia potrzebne są już siły znacznie mniejsze.

•Zmiany, jakie zachodzą w strukturze i właściwościach metali pod wpływem odkształcenia plastycznego na zimno, określa się pojęciem zgniotu.

• Za miarę zgniotu przyjęto stopień odkształcenia, wyrażony ubytkiem przekroju w procentach:

•Zagęszczenie dyslokacji, które powstaje przy odkształceniu plastycznym, powoduje, że zdolność do przemieszczenia się dyslokacji maleje (ruch dyslokacji jest hamowany, lub blokowany wzajemnie przez inne dyslokacje).

• W wyniku tego opór przeciwko odkształceniu stopniowo wzrasta l, aby je dalej kontynuować, trzeba stosować coraz większe siły.

• Zjawisko to nosi nazwę umocnienia.

• Na własności wytrzymałościowe metali mają wpływ następujące czynniki:

1) siły wiąsań miedzyatomowych,

2) gęstość dyslokacji i innych defektów sieciowych,

3) wady struktury krystalicznej, powstałe zarówno na skutek zgniotu, jak i obróbki cieplne

4) wymiary ziarna,

5) submikroskopowe wydzielenie faz utwardzających, których obecność na płaszczyznac poślizgu utrudnia odkształcanie metałi.

Proces rekrystalizacji

• Po nagrzaniu, w związku ze zwiększoną ruchliwością atomów, skutki zgniotu zostają usunięte i metal odzyskują prawidłową strukturę krystaliczną.

• Całość zjawisk zachodzących podczas nagrzewania zgniecionego metalu można podzielić na następujące etapy:

1) zdrowienie,

2) poligonizacja,

3) rekrystalizacja pierwotna,

4) rozrost ziam,

5) rekrystalizacja wtórna.

• W mikrostrukturze metalu w czasie zdrowienia (temp. dla żelaza 300 - 400 st C) nie zachodzą żadne zmiany widoczne pod mikroskopem optycznym.

• Następuje zmniejszenie gęstości dyslokacji i zanik wakansów.

• Przy nieco wyższych temperaturach następuje proces poligonizacjl - dyslokacje ulegają spiętrzeniu, grupując się w rzędach, ziarna zgniecionego metalu rozpadają się na szereg podziam skręconych względem siebie o niewielkie kąty (rys.).

• Przywrócenie zgniecionemu metalowi prawidłowej struktury krystalicznej oraz własności, które posiadał on przed przeróbką plastyczną, następuje po nagrzaniu go powyżej temperatury rekrystalizacji.

• W miejsce odkształconych ziam krystalicznych z zaburzoną siecią przestrzenną powstają nowe ziarna krystaliczne o prawidłowej strukturze sieciowej.

• Zrekrystalizowane ziarna rozrastają się - proces ten przebiega samorzutnie, wskutek naturalnego dążenia układu do zmniejszenia zasobu swej energii wewnętrznej.

• W temperaturach znacznie przewyższających temperaturę rekrystalizacji, zachodzić może rekrystalizacja wtórna. Polega ona na szybkim rozroście niektórych ziam kosztem ziam drobnych.

UKŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ

Pojęcia podstawowe

- Przemiany zachodzące w u Wadach wieloskładnikowych są złożone i przedstawia się je graficznie na układach równowagi (wykresach równowagi).

| Układy równowagi razowej iłustrują całokształt przemian zachodzących w stopach zarówno w stanie ciekłym, jak i w stanie stałym, w zależności od temperatury i składu chemicznego.

* Można za Ich pomocą ustalić, jakie przemiany zachodzą w stopach o określonym składzie chemicznym podczas nagrzewania lub chłodzenia i jaką strukturę otrzymuje się w wyniku tych przemian.

• Z wykresów równowagi można odczytać, z jakich faz składa się stop o określonym składzie w określonej temperaturze oraz ustalić ich liczbę.

• Wyodrębnioną z otoczenia grupę ciał, będącą przedmiotem badania, nazywamy układem (np, stop metaliczny).

• Faza jest jednorodną częścią układu o jednakowych własnościach fizycznych i jednakowym składzie chemicznym, oddzielona powierzchnią rozdziału od pozostałych części układ j.

Stop dwu metali nie rozpuszczających się w sobie w stanie stałym, np. żelaza i ołowiu, będzie się składał po zakrzepnięciu z dwu faz (kryształów ołowiu i żelaza).

Stop dwu metali rozpuszczających się nieograniczenie w stanie ciekłym po stopieniu startowi tylko jedną fazę, tj. ciekły roztwór tych metali.

• Składnikami nazywamy substancje proste lub złożone, z których mogą powstać wszystkie fazy danego układu. Składnikami mogą być pierwiastki albo związki chemiczne.

• Jest rzeczą istotną wyraźne rozróżnienie pojęcia składnika i fazy.

Np. czysty metal w temperaturze topnienia jest układem jednoskładnikowym, lecz składa się z dwu faz, tj. kryształów i cieczy.

Brąz jest stopem złożonym z dwu składników: z miedzi i cyny, a po stopieniu składa się z jednej fazy ciekłego roztworu obu tych składników.

Nieograniczona rozpuszczalność w stanie stałym (roztwory stałe ciągłe)

* Metale, których wzajemna rozpuszczalność zarówno w stanie ciekłym, jak i w stanie stałym jest nieograniczona, tworzą po stopieniu jednorodny roztwór ciekły, zaś wstanie stałym jednorodne kryształy roztworu stałego.

• W celu sporządzenie wykresu równowagi fazowej trzeba przeprowadzić analizę termiczną szeregu stopów o różnym stosunku wagowym obu metali, polegającą na wykreśleniu krzywych chłodzenia lub nagrzewania.

UKŁAD RÓWNOWAGI FAZOWEJ ŻELAZO—WĘGIEL Ogólną charakterystyka żelaza

* Żelazo nie występuje w przyrodzie w postaci rodzimej.

* Przez redukcję tlenków można uzyskać żelazo zawierające ok. 0,007% domieszek i zanieczyszczeń, których stężenie może być jeszcze zmniejszone w wyniku topienia strefowego w wysokiej próżni.

• Parametr sieci a każdej odmiany alotropowej żelaza zwiększa się wraz z podwyższeniem temperatury (rys.)

Wykresy równowagi układu żelazo - węgieł

• Rozróżnia się dwa wykresy równowagi układu żelazo-węgiel:

a) stabilny żelazo-grafit.

b) - cementyt.

• W zależności od składu chemicznego, warunków odprowadzania ciepła, a także innych czynników, z roztworu ciekłego może krzepnąć zarówno cementyt, jak i grafit.

* Węgiel może występować w stopach z żelazem w postaci wolnej jako grafit lub w postaci związanej z żelazem jako węglik żelaza Fe3C, zwany cementytem.

• Grafit jest odmianą alotropową węgla, krystalizującą w układzie heksagonalnym

* Cementyt jest to związek chemiczny ze faza z węglem o zawartości 6,67% wagowych węgla, krystalizujący w układzie rombowym.

Materiały ceramiczne tlenkowe

* Materiały ceramiczne oparte na tlenku aluminium Al203 stosowane są:

- na podłoża w elektronice,

- świece zapłonowe,

- przewodniki i izolatory ognioodporne, -łożyska,

- zbiorniki chemiczne, -zawory wodne,

- endoprotezy.

• Materiały te są klasyfikowane w zależności od udziału czystego tlenku aluminium (od 96 do 99.9%).

* Cząsteczki tetragonalne 2r02 mogą być dodawane do innych materiałów

ceramicznych, np. złożonych z tlenków aluminium, azotków krzemu i węglików krzemu

polepszając ich odporność na pękanie.

Materiały te są stosowane na:

- noże przemysłowe oraz narzędzia skrawające,

- powierzchnie w środowisku ściernym i korozyjnym,

- narzędzia i matryce,

- jako materiał biomedyczny.

Materiały ceramiczne nie tlenkowe

IW skład materiałów ceramicznych nie tlenkowych wchodzą azotki krzemu Si3N4, węgliki krzemu SiC i azotki boru BN.

* Materiały te wykazują wytrzymałość i ciągliwość w wysokiej temperaturze powyżej 1300°C, są stabilne w środowisku chemicznym, wykazują dobrą odporność na zużycie i niski współczynnik tarcia.

Są stosowane:

- w turbinach i silnikach rakietowych,

- na gniazda i główki zaworów,

- na rotory turbosprężarek oraz komory spalania.

- na łożyska pracujące w różnych środowiskach,

- na końcówki urządzeń do cięcia strumieniem wodnym,

- na wysokowydajne narzędzia skrawająca

• Część cząstek ma wydłużony kształt, losowo zorientowany, co nadaje tym materiałom ceramicznym własności zbliżone do materiałów kompozytowych, a zatem zapewnia wyższe własności wytrzymałościowe i ciągliwe, zwłaszcza agresywnym środowisku i wysokiej temperaturze.

w

Cermetale inżynierskie

• Cermetale złożone są z drobnych cząstek krystalicznych, np. węglików lub azotków równomiernie rozmieszczonych w osnowie melati lub ich stopów stanowiących fazę wiążącą, o udziale masowym 5+15%, wykazując gęstość prawie teoretyczną.

* Materiały te bywają również zaliczane w skład ceramiki inżynierskiej lub w skład materiałów kompozytowych.

* Cermetale są wytwarzane metodami metalurgii proszków ze spiekaniem w wysokiej temperaturze, najczęściej niższej od temperatury topnienia każdego ze składników.

• Niektóre z tych materiałów mogą być poddawane obróbce cieplne}, podobnie jak stopy metali.

» Najbardziej typowymi przedstawicielami tej grupy materiałów inżynierskich są węgliki spiekane i cermetale narzędziowa.

* Cermetale inżynierskie mogą być klasyfikowane, pod względem udziału w nich głównych składników, na:

- węgliki,

- węglikoazotki, -azotki,

- tlenki, -borki,

- różne związki zawierające węgiel,

* Cermetale zawierające węgliki stanowią najliczniejszą grupę jako węgliki spiekane.

* Cermetale bazujące na węglikach są stosowane jako materiały narzędziowe i odporne na ścieranie.

* Azotki tytanu i boru są stosowane na narzędzia.

* Grupa cermetali zawierających tlenek uranu UOz i dwutlenek toru Th02 znajduje zastosowania jako paliwo jądrowa.

* Cermetale z Denkami aluminium A J203 i innymi Heńkami ogniotrwałymi są stosowane na elementy manipulatorów pracujących w ciekłych metalach i elementy pieców.

* Cermetale zawierające mieszaniny ZrB2 i SiC są odporne na erozję w gazowych

Ceramika porowata

• Ceramika porowata, określana jest również tradycyjną, klasyczną lub wielkotonażowa z tego względu, że zwykłe obejmuje masowo produkowane materiały budowlane, ogniotrwałe łub stosowane m.in. w technice sanitarnej, w tym min. porcelanę, kamionkę, dachówkę i cegłę.

• Ceramika porowata obejmuje produkty z gliny oraz materiały ogniotrwałe i charakteryzuje się sporym udziałem fazy szklistej otaczającej składniki krystaliczne, utworzone głównie z At303, Si02 i H20 występujących w rożnych proporcjach {głównie i gliny, krzemionki lub kwarcu, skalenia lub kaolinu).

Ceramika porowata charakteryzuje się 5+15% udziałem porów, po wypaleniu w wysokiej temperaturze, stosowanym w ceru odprowadzenia wody.

• W skład ceramiki porowatej zaliczany jest również cement oraz beton, wytwarzane w wyniku wypalania w wysokiej temperaturze, przemielenia uzyskanego w ten sposób klinkieru w drobny proszek i następnego tężenia i twardnienia, po zmieszaniu z wodą i drobnoziarnistym piaskiem — w przypadku zaprawy cementowej, tub z wodą, piaskiem

i kruszywem - w przypadku betonu.

Materiały ogniotrwałe

• Materiały ogniotrwałe są materiałami ceramicznymi stosowanymi na piece przemysłowe i na wymurówki kadzi na ciekłe metale, pracujące w temperaturze do ok. 1700"C i cechujące się:

- ogniotrwałością zwykłą i pod obciążeniem,

- odpornością na udary cieplne,

- odpornością na ścieranie i na działanie żużli.

• Materiały ogniotrwałe mogą być formowane, odlewane i wycinane ze skał naturalnych oraz mogą być stosowane w postaci ziam, proszków lub włókien.

• W zależności od ogniotrwałości materiały te dzieli się na:

-zwykłe (do 1700*0,

- wysokoogniotrwałe (1700>2000°C),

- o bardzo wysokiej ogniotrwałości (powyżej 2000°C).

Ze względu na własności chemiczne materiały ogniotrwałe dzieli się na:

- kwaśne, zawierające Si02 i Alj03,

- zasadowe, w skład których wchodzą CaO i MgO.

Kamionka• Kamionka jest materiałem ceramicznym wytwarzanym z gliny kamionkowej z dodatkami, w skład którego wchodzą Si02, AJ203, tlenki potasu, sodu i żelaza, wypalanym jedno- lub dwukrotnie (w 1200+1300*C) i zwykle szkliwionym.

Kamionka cechuje się wytrzymałością na ściskanie ok. 800 MPa oraz dużą rezy stywnością i odpornością chemiczną, wobec czego jest stosowana w elektrotechnice, na produkty stosowane w gospodarstwie domowym i sanitarne, rury kanalizacyjne, elementy aparatury chemicznej i laboratoryjnej.

Klinkier

Klinkier jest materiałem ceramicznym wytwarzanym z glin żelazisrycb, wapienno-zelazistych lub wapienno-magnezjowych, wypalanym w ok. 1300°c o dużej wytrzymałości i udamoścj, małej porowatości i nasiąkliwości, stosowanym jako materiał drogowy, budowlany i posadzkowy.

Porcelana

• Porcelana jest spiekanym materiałem ceramicznym z muUrtu, kwarcu i szkła skaleniowego i dzieli się na:

-twardą, - miękką.

• Porcelanę wypala się jednokrotnie w temperaturze 850-1 0Q0*C (nieszkliwional lub dwukrotnie w 1280+1320*0 (szkliwioną) i w 1350*1460°C (twardą).

- z masy lejnej przez odlewanie w formach gipsowych lub

- z masy plastycznej przez tłoczenie lub prasowanie.

• Do szkliwienia służą najczęściej szkliwa skaleniowe, a farby naszkliwne do zdobieni

• W zależności od zastosowania porcelanę dzieli się na:

- stołową,

- artystyczną,

- elektrotechniczną,

- laboratoryjną,

- dentystyczną.

szkła i ceramika szklana

• Szkła mogą być uważane za odmianę materiałów ceramicznych, pomimo przewagi struktury bezpostaciowej nać krystaliczną,

• Stan struktury szkieł jest pośredni miedzy stanami ciekłym i stałym - stan ten nie jest i stanem równowagi I jest osiągany przez powstrzymanie krystalizacji, w wyniku

| szybkiego chłodzenia w zakresie temperatury krzepnięcia

- Szkła podlegają odszkleniu (dewitryfikacji), stając się materiałami krystalicznymi.

• Podstawowymi składnikami szkłotwórczymi są trzy tlenki kwasowe: Si02, b203 i PJD tlenki arsenu i germanu, a także siarka, selen i fluorek ołowiu.

• W skład szkła, oprócz, składników szkło twórczych, mogą wchodzić modyfikatory wiązań sieci przestrzennej oraz tlenki pośrednie.

• Szkło jest przezroczyste dla światła widzialnego, a współczynnik załamania światła może być regulowany przez odpowiednie dodatki tlenków, np. ołowiu.

• Podobnie można zmieniać zabarwienie przez dodatki tlenków metaff przejściowych, co może nawet doprowadzić do utraty przezroczystości.

• Szkło jest izolatorem elektrycznym, a także cechuje się bardzo małą przewodnością cieplną.

Włókna szklane

• Przez wyciskanie ciekłego szkła przez oczko o średnicy 0,793*3,175 mm i następne szybkie ciągnienie otrzymywane są ciągłe włókna szklane o końcowej średnicy 3+20 urn.

• Wydzielić można kilka typów włókien szklanych o różnym składzie chemicznym zapewniającym wymagane własności:

- włókna szklane E zawierające aluminioborokrzemian wapnia i stężenie alkaliów mniejsze oć 2%, o ogólnych zastosowaniach i wysokiej wytrzymałości i rezystywnośa,

- włókna szklane S zawierające aluminiokrzemian magnezu o wysokiej wytrzymałości na rozciąganie głównie o zastosowaniach militarnych,

- włókna szklane C sodowo-wapntowo-borokrzemianowe ze względu na stabilność chemiczną stosowane w środowisku korozyjnym i w materiałach kompozytowych kontaktujących się lub zawierających materiały kwaśne.

Ceramika szklane

• Ceramika szklana zwana też dewitryflkatami lub pyroceramiką powstaje przez krystalizację (odszklenie) masy szklanej w ścisłe określony sposób, umożliwiający utworzenie struktury bardzo drobnoziarnistej, bez porowatości, z pozostałością tytko ok. 2% fazy szklistej

- Otrzymuje się ją w wyniku krystalizacji szkła na zarodkach tworzonych przez niewielkie dodatki Cu. Ag lub Au pod wpływem promieniowania ultrafioletowego.

»Możliwe jest również uzyskanie podobnych materiałów przez dodatki katalizatorów, np. platynowców lub tlenków tytanu, bez konieczności napromieniowania lecz podczas obróbki cieplnej.

- Materiały te mają własności mechaniczne i odporność na udary cieplne znacznie większe od szkieł, a niektóre własności lepsze od ceramiki inżynierskiej.

Materiały węglowe

• Węgieł występuje W następujących odmianach alotropowych

-grafit, -cłament, - fullereny. -nanorurW.

• Węgiel może także występować w stanie amorficznym.

Graffi

• Grafit jako odmiana alotropowa węgla ma strukturę warstwową.

* izolowane pojedyncze warstwy zbudowane z regularnych sześcokątów, których wierzchołki są zajęte przez atomy węgla, są nazywane grafenami.

* Każdy z atomów węgla w grafenie jest silnie połączony wiązaniami kowalencyjnymi z trzema sąsiednimi ułożonymi w tej samej płaszczyźnie (rys.).

* Czwarty elektron uczestniczy w wiązaniu Van der Waalsa pomiędzy warstwami atomów.

• W konsekwencji grafit cechuje się dobrymi własnościami smarnymi, a w kierunkach równoległych do płaszczyzn z heksagonalnymi układami atomów węgla charakteryzuje się bardzo dobrym przewodnictwem elektrycznym.

• Ponadto grafit wykazuje Się wysoką wytrzymałością i dobrą stabilnością chemiczną w wysokiej temperaturze 1 atmosferze nieutleniającej. wysokim przewodnictwem cieplnym, niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej i wysoką odpornością na szoki cieplne, wysoką adsorpcją gazów oraz dobrą obrabialnością.

• Jest używany na elementy grzejne pieców elektrycznych, na elektrody do spawania łukowego, w piecach topielnych, na formy odlewnicze dla stopów metali oraz do spiekania materiałów ceramicznych, jako materiał ogniotrwały 1 izolacyjny, na zbiorniki reaktorów chemicznych, dysze rakiet, styki elektryczne, szczotki kolektorowe i rezystory, elektrody baterii oraz w urządzeniach oczyszczających powietrze.

• Diament w temperaturze pokojowej i przy ciśnieniu atmosferycznym jest metastabilna odmianą alotropowa węgla

• Wszystkie wiązania każdego atomu węgla z 4 innymi atomami węgla są kowalencyjne.

• Własności mechaniczne, elektryczne i optyczne warstw diamentowych Jub diamentopodobnych są zbliżone do diamentu litego, co umożliwia wytwarzanie produktów o nowych pożądanych własnościach, np. narzędzi o wysokich własnościach ciernych, soczewek o wysokiej przezroczystości i odporności na zużycie, endoprotez

i implantów o dużej biokompatybilności.

Techniki osadzania próżniowego metodami fizycznymi - techniki PVD

Ogólna charakterystyka ,,

• Obecnie znanych jest kilkadziesiąt odmian i modyfikacji metod PVD (Physical Vapor Deposition); wszystkie je łączy to, iż opierają się na wykorzystaniu różnych zjawisk fizycznych przebiegających przy obniżonym do 10 -10"5 Pa ciśnieniu:.

— uzyskania par metali i stopów (poprzez erozję żródta par w wyniku odparowania lub rozpylenia), mogących stanowić substraty dla ewentualnej późniejszej reakcji chemicznej),

—jonizacji elektrycznej dostarczonych gazów i otrzymanych par metali (im większy stopień jonizacji, tym lepiej), ;

— krystalizacji z otrzymanej plazmy metalu lub związku w stanie gazowym (centra krystalizacji mogą powstawać w istniejących klasterach różnych faz w etanie gazowym) albo na stosunkowo zimnym podłożu,

— kondensacji składników plazmy (cząstek, atomów, jonów) na stosunkowo zimnym podłożu,

—ewentualnego wspomagania fizycznego (niekiedy i chemicznego) zachodzących

procesów.

• Niemal we wszystkich metodach PVD osadzona na podłożu powloką powstaje ze strumienia zjonizowanego gazu - PLAZMY-kierowanej elektrycznie na stosunkowo zimne podłoże.

• Dlatego niekiedy metody osadzania powłok z plazmy (z wykorzystaniem jonów) noszą nazwę osadzania lub pokrywania jonowego albo metod PVD wspomaganych plazmą (Płasma Assisted PVD - PAPVD) lub wykorzystujących jony (lon Assisted PVD -IAPVD).

■ Warstwy powierzchniowe uzyskiwane tymi metodami mają charakter materiałów o właściwościach kompozytu.

• W tabl. podano elementarne procesy zachodzące z różnym nasileniem w różnych metodach osadzania jonowego.

* Najkorzystniejszy zakres energii jonów wynosi od kilku do kilkudziesięciu elektronowoltów.

* jest to zakres energii rzędu energii wiązania atomów na powierzchni powłoki i nie przekracza energii progowej rozpylania.

• Przy tych energiach występuje desorpcja atomów zanieczyszczeń, w tym gazów resztkowych, usuwane są słabo związane atomy z pozycji międzywęzłowych, tworzą się defekty powierzchniowe, powstają centra zarodkowania (kondensacji) o wysokiej gęstości, występuje zwiększona ruchliwość powierzchniowa atomów i aktywność chemiczna powierzchni.

• Zjawiska ta prowadzą do uzyskiwania powłok o maksymalnej grubości rzędu kilku -kilkunastu mikrometrów, dobrych właściwościach fizycznych i dobrej adhezji do podłoża nawet przy jego niskiej temperaturze.

Podział metod PVD

• Istniejące metody PVD różnią się:

1) umiejscowieniem strefy otrzymywania i jonizowania par substratu, czyli nanoszonego materiału (strefy oddzielne iub wspólne);

2) sposobem otrzymywania I jonizowania par substratu przez:

— odparowanie termiczne stopionego oporowo, indukcyjnie, elektronowo (najczęściej stosowane), łukowo łub laserowo substratu;

— sublimację temperaturową, czyli przejście substratu znajdującego się w stanie stałym bezpośrednio w stan pary w wyładowaniu łukowym ciągłym tub impulsowym;

•— rozpylanie metalu lub związku w stanie stałym:

- jonowe (katodowe lub anodowe) - rozpylanie elektrody ujemnej (katody) lub dodatniej (anody) pod wpływem bombardowania jonami" o przeciwnym znaku,

- magnetronowe - rozpylanie elektrody w wyładowaniu jarzeniowym w skrzyżowanych polach elektrycznym i magnetycznym w celu zwiększenia koncentracji plazmy wyładowania jarzeniowego i jej zlokalizowania w bezpośrednim sąsiedztwie magnetronu;

3) usytuowaniem miejsca otrzymywania par substratu poprzez odparowanie:

— jednoczesne z całego lustra roztopionego w parowniku substratu,

— lokalne z kolejnych fragmentów powierzchni substratu w stanie stałym;

4) sposobem osadzania (nanoszenia) par metalu na podłożu przez:

— naparowanie (Evaporation - E) - nanoszenie nie zjonizowanych (metoda klasyczna) lub nieznacznie zjonizowanych (rzędu dziesiętnych części procentu) par metalu (np. A!, Cr, B, Si, Ni), uzyskiwanych metodami termicznymi przez odparowanie (metody wspomagane); zwykle nieznaczna jonizacja par metalu lub związku następuje w innej strefie niż otrzymywanie par;

— napylanie jonowe fub platerowanie jonowe (ton Rating - IP) - nanoszenie par metalu lub związku, uzyskiwanych przez odparowanie lub sublimację temperaturową, zjonizowanych bardziej niż przy wspomaganych metodach naparowania; zwykle jonizacja par metalu lub związku następuje w strefie otrzymywania par; istnieje duża różnorodność metod napylania;

— rozpylanie (S) • odmiana napylania: nanoszenie silnie zjonizowanych par metalu lub związku, uzyskiwanych przez rozpylanie metalowej elektrody (tzw. tarczy) jonami gazu obojętnego (najczęściej argonu); w swej istocie rozpylanie nie dotyczy sposobu osadzania substratu na podłożu, który jest analogiczny Jak przy napylaniu jonowym, lecz tytko sposobu uzyskiwania substratu metalowego;

5) brakiem (proces prosty: S lub istnieniem intensyfikacji procesu nanoszenia warstw przez:

— stosowanie gazów reaktywnych (np. N2 , węglowodorów, 02 , NH3), umożliwiających w wyniku reakcji chemicznej z parami metali uzyskanie odpowiedniego twardego związku (np. TiN, VC, Al203) na pokrywanej powierzchni (tzw. metody reaktywne; R -Reactive)

— aktywowanie procesu jonizacji gazów i par metali za pomocą dodatkowych procesów fizycznych: wyładowania Jarzeniowego, stałych lub zmiennych pól elektrycznych, pól magnetycznych, dodatkowych źródeł emisji elektronów, podgrzewania podłoża w celu uzyskania zjawiska dyfuzji (tzw. metody aktywowane; A - 4cfcVatecp lub przez ich kombinację (tzw. metody mieszane: aktywowane reaktywne AR),

Urządzenia do osadzania powłok metodami PVD

• Wszystkie urządzenia do osadzania powłok metodami PVD, które można nazwać napylarkami (odpowiednio: odparowaniowymi - oporowymi, elektronowymi, laserowymi, łukowymi, Impulsowo-plazmowymi; rozpyfeniowyml - diodowymi, triodowymi, katodowymi, jonowymi, magnetronowymi), niezależnie od rodzaju reatizowanej metody, składają się z następujących podstawowych elementów funkcjonalno-konstrukcyjnych:

-~ komory próżniowej, o kształcie prostokątnym, cylindrycznym lub stanowiącym ich kombinację, wykonanej zwykle ze stali nierdzewnej i służącej do umieszczenia głowic napylających wraz z wyposażeniem oraz elementów mocowania i przemieszczania wsadu względem głowic;

— głowic napylających (odpowiednio: odparowaniowych lub rozpyleniowych) do wytwarzania i kierowania - przy wykorzystaniu pól elektrycznych i magnetycznych -jonów lub atomów do strefy jonizacji i krystalizacji; ta ostatnia znajduje się w pobliżu lub na powierzchni wsadu;

— układów wytwarzania i podtrzymywania próżni, składających się z zespołów pomp próżniowych olejowych i dyfuzyjnych; zwykle układy te są wyposażone w zawory próżniowe i przyrządy do mierzenia* wysokości próżni (

Rodzaje powłok

Powłoki osadzane metodami PVD dzieli się na dwie grupy:

— proste, zwane powłokami jednowarstwowymi lub monowarstwowymi, składające się z jednego materiału - metalu (np. Al, Cr, Mo, Cu, Ag, Au) lub faz (np. TiN, TiC);

— złożone, składające się z więcej niż jednego materiału (metalu, fazy lub związku), przy czym materiały te są różnie względem siebie rozmieszczone. Rozróżnia się pięć typów powłok złożonych:

a) stopowe (wieloskładnikowe), w których podsieć jednego pierwiastka metalicznego jest częściowo wypełniona innym pierwiastkiem metalicznym (podobnie jak w roztworach substytucyjnych). Najlepiej zbadane są roztwory azotków: TiN, VN, ZrN, NbN, HfN, TaN, WN, CrN, MoN z węglikami TiC, VC, ZrC, NbC, HfC, TaC. Związki węglików i azotków zwykle tworzą ze sobą ciągłe roztwory stałe I jako związki potrójne i poczwórne wykazują lepsze właściwości niż powłoki proste, zwłaszcza właściwości tribologiczne.

b) wielofazowe, stanowiące mieszaninę dwóch lub więcej rozdzielnych faz składników, np. TiN/Ti2N;

c) kompozytowe, stanowiące również mieszaninę dwóch lub więcej faz i będące szczególnym typem powłok wielofazowych, w których jedna faza jest dyskretnie rozproszona w innej fazie występującej w sposób ciągły, np. TiC/Al203;

d) wielowarstwowe, zwane multrwarstwami lub mikrolaminatami warstwowymi, składające się z nałożonych na siebie kolejno warstw różnych materiałów (powłok prostych), o różnych właściwościach, tworzących między sobą również warstwy przejściowe, np. TiN/ĄIN. Zwykle warstwa wewnętrzna (przejściowa w stosunku do podłoża) zapewnia dobrą przyczepność do podłoża, jedna lub więcej warstw środkowych (pośrednich) zapewnia twardość i wytrzymałość powłoki, a warstwa zewnętrzna zapewnia dobre właściwości tribologiczne (np. niski współczynnik tarcia), antykorozyjne (odporność na działanie różnych środowisk agresywnych) i dekoracyjne (barwa, połysk). Przykładem powłoki wielowarstwowej, stosowanej na narzędziach z węglików spiekanych w celu zwiększenia ich trwałości eksploatacyjnej, jest powłoka trzywarstwowa TiC/Ti(C,N)/TiN lub TiC/TiN/A^C^;

e) gradientowe, stanowiące odmianę powłok wielowarstwowych, w których zmiana

składu chemicznego i właściwości warstw pojedynczych nie następuje skokowo (jak przy powłokach wielowarstwowych), lecz płynnie, w sposób ciągły. Przykładem powłoki gradientowej jest powloką TiN/Ti(C,N)n"iC.

Metody CVD

• Metody CVD (ang. Chemical VaporDeposition), tj. osadzania warstwy z fazy gazowej z udziałem reakcji chemicznej, są szeroko stosowane w przemyśle światowym od końca lat 60-tych XX wieku w celu wytwarzania warstw antyściemych i antykorozyjnych.

• Są to metody umożliwiające wytwarzanie takich warstw powierzchniowych, jak np. węglik tytanu TiC i azotek tytanu TiN, tlenek glinu Al203 , azotek krzemu Si3N,,, a także warstw wieloskładnikowych typu Ti(C,N), Ti(0,C,N) lub kompozytowych typu TiC + TiN, warstwa azotowana + TtN lub Ti(0,C,N), warstwa borków żelaza + TiB3 lub Fe2B + (Ni,Fe)B + TiB2.

• W tradycyjnym rozwiązaniu są to niewspomagane metody CVD, prowadzone przy ciśnieniu atmosferycznym (metoda APCVD - ang. Atmospheric Pressure CVD) oraz obniżonym (LPCVD -ang. Low Pressure CVD).

• Są to procesy wysokotemperaturowe, a więc mające charakter użytkowy przede wszystkim w przypadku obróbki takich materiałów, jak np. węgliki spiekane, łub też w przypadku obróbki takich elementów i części maszyn, w eksploatacji których ważna jest tylko odporność na zużycie przez tarcie bez stosowania dużych obciążeń dynamicznych. Zapewniają one wówczas znaczny wzrost trwałości obrabianych części.

• Wspólną cechą metod CVD jest dostarczanie pierwiastka tworzącego warstwę w postaci na ogół halogenku, np.

a) TiC!4 - w przypadku uzyskiwania warstw TiC, TiN lub Ti(C,N);

b) SiCI4 - w przypadku tworzenia się Si3N4;

c) mieszaniny halogenków, np. T\C\A + BGI3 - w przypadku wytwarzania warstw TiB2. —

• Drugi składnik warstwy może pochodzić

a) z podłoża (np. azot, węgiel w przypadku warstw TiN, TiC i Ti(C,N)).

b) z atmosfery (np. tlen w przypadku warstw tlenkowych).

• Tradycyjne procesy CVD wymagają stosowania wysokich temperatur, koniecznych do przebiegu reakcji chemicznych gwarantujących tworzenie się warstw, co ogranicza zakres ich wykorzystania.

Dąży się do obniżenia temperatury procesu przez

aktywację elektryczną środowiska gazowego za pomocą wyładowania jarzeniowego

b) wprowadzenie techniki laserowej

c) wprowadzenie wiązki elektronów w odpowiednim środowisku gazowym,

co daje dobre efekty z uwagi na znaczną koncentrację energii i dużą szybkość nagrzewania przy płytkim wnikaniu strumienia ciepła. Są to wówczas tzw. metody wspomagane lub aktywowane, np. w przypadku aktywacji elektrycznej środowiska gazowego noszą one nazwę PACVD {Plasma Assisted CVD).

Obniżenie temperatury znacznie rozszerza zakres zastosowania metod CVD, m.in. na obróbkę narzędzi i części ze stali szybkotnących po ich uprzedniej obróbce cieplnej.