Politechnika Śląska
Wydział: Inżynierii Materiałowej i Metalurgii
Kierunek: Zarządzanie i Inżynieria Produkcji
Materiały o specjalnych właściwościach
Waldemar Hamróz
ZIP22
Bytom
Sekcja I
STALE I STOPY ODPORNE NA KOROZJE.
Stale odporne na korozje można podzielić na następujące grupy:
- trudno rdzewiejące
- nierdzewne (stale chromowe)
- kwasoodporne (chromowo-niklowe)
Stale trudno rdzewiejące.
Cechuje ich o odporności na korozję nieznacznie większa od stali węglowych. Zawierają one 0,1 % C oraz dodatki 1-3 % pasywującego Cr i ok. 0,5% Cu, tworzącej na powierzchni warstewkę złożoną z siarczanów i węglanów miedzi. Do stali tych są wprowadzane także w niewielkich stężeniach P, Al i Ni. Stale te znajdują zastosowanie głównie jako stale spawalne, pracujące w środowisku atmosfery przemysłowej oraz morskiej.
Stale nierdzewne (stale chromowe).
Mają strukturę ferrytyczną, ferrytyczno-martenzytyczną lub martenzytyczną.
Są odporne na:
głównie na korozję chemiczna (w tym na utlenianie w atmosferze powietrza, wody naturalnej i pary wodnej w niskiej i podwyższonej temperaturze)
na działanie zimnych roztworów alkalicznych
rozcieńczonych kwasów i soli (z wyjątkiem chlorków i jodków)
działanie ropy naftowej i jej par
paliw, olejów, alkoholi
a także środków spożywczych.
Podstawowym dodatkiem stopowym w stalach odpornych na korozje jest chrom.
Stopy żelaza o stężeniu powyżej 13 % Cr wykazują większą skłonność do tworzenia warstw pasywnych, o trwałości większej niż tworzonych na czystym żelazie. Cr stabilizuje odmianę Feα ograniczając wystąpienie austenitu. Przy stężeniach większych od 12% Cr w stopach Fe-Cr w całym zakresie od temperatury pokojowej do temperatury solidusu trwały jest ferryt. Stale o stężeniu 13 i 17 % Cr, przy stężeniach węgla większych od odpowiednio 0,1 i 0,05 % w wysokiej temperaturze mają strukturę dwufazową α+γ, a przy jeszcze większym stężeniu węgla - strukturę jednofazową γ. W stalach o stężeniu ok. 17 % Cr obszar γ może być poszerzony po wprowadzeniu ok. 2 % Ni. Występowanie austenitu w wysokiej temperaturze umożliwia hartowanie tych stali po chłodzeniu w powietrzu w celu uzyskania struktury martenzytycznej i następne ich odpuszczanie. Stale o małym stężeniu węgla poddaje się wyżarzaniu w temperaturze 750-800°C z bardzo wolnym chłodzeniem wraz z piecem. Stale te wykazują strukturę ferrytyczna, a ich odporność na korozję jest większa niż stali o strukturze martenzytycznej, przy niższych jednak własnościach wytrzymałościowych. Ze względu na obecność C w stalach o strukturze ferrytycznej zwykle występują węgliki, w wysokiej temperaturze ulęgające rozpuszczeniu w roztworze stałym. Sprzyja to powstawaniu niewielkiej ilości austenitu, który ulega następnie przemianie w martenzyt podczas chłodzenia. Zmniejsza to plastyczność i spawalność tych stali, powodując pęknięcia. W celu uniknięcia tego zjawiska do stali tych dodaje się Ti w stężeniu około pięciokrotnie większym od łącznego stężenia C i N. Węgliki tytanu są trwałe do znacznie wyższej temperatury - ok. 1150°C, co uniemożliwia tworzenie się austenitu podczas obróbki cieplnej. W niektórych gatunkach stali o strukturze ferrytycznej występuje również dodatek 0,1=0,3% Al, stabilizujący ferryt, co również zapobiega niekorzystnemu tworzeniu się austenitu podczas obróbki cieplnej.
Stale kwasoodporne (stale chromowo-niklowe).
Wysoką oporność na korozję elektrochemiczną wykazują stale i stopy jednofazowe. W przypadku dodania więcej niż 8% Ni do stali zawierających, co najmniej 18% Cr stale te w całym zakresie temperatury wykazują strukturę austenitu.
Stale o strukturze austenitycznej mają wyższe własności mechaniczne. Charakteryzują się większą odpornością na korozję i mniejszą skłonność do rozrostu ziaren niż stale o strukturze ferrytycznej.
W stalach Cr-Ni typu 18-8 rozpuszczalność węgla w austenicie zmniejsza się wraz z obniżeniem temperatury i w temperatury pokojowej wynosi ok. 0,04%. Zmniejszającej się rozpuszczalności C w austenicie towarzyszy wydzielania się węglików.
Jednofazowa struktura austenitu o wysokiej odporności na korozję bez wydzielenia węglików stal uzyskuje w wyniku przesycania w wodzie z temperatury 1100°C. W przypadku ponownego nagrzania tak obrobionej stali do temperatury wyższej od ok. 500°C następuje wydzielanie węglików. Proces ten jest związany z dechromizacją obszarów przyległych do granic ziarn austenitu i korozją międzykrystaliczną. W temperaturze ok. 500°C szybkość dyfuzji Cr jest znacznie mniejsza od szybkości dyfuzji C. Węgiel tworzący węgliki pochodzi więc z obszaru całego ziarna, natomiast Gr z obszarów przyległych do jego granic. Może to powodować lokalne zmniejszenie stężenia Cr poniżej ok. 12%, przez co obszary te są bardziej wrażliwe na działanie korozji elektrochemicznej, przebiegającej po granicach ziarn. Szybkość dyfuzji Cr w temperaturze ok. 650°C jest znacznie większa niż w niższej temperaturze i dlatego korozja międzykrystaliczna po nagrzaniu do tej temperatury nie zachodzi. Podobnie wpływa przedłużenie wygrzewania stali. Wrażliwość na korozję międzykrystaliczną zależy, więc od stężenia węgla w roztworze, temperatury i czasu wygrzewania.
Stale chromowo-niklowo-manganowe.
W związku z deficytem Ni stosuje się zastępczo odporne na korozję stale chromowo-niklowo-manganowe o strukturze austenitycznej. W celu stabilizacji austenitu oraz rozdrobnienia ziarna do stali tych dodaje się ponadto 0,1-0,3% N. Stale te ustępują nieco pod względem odporności na korozję stalom chromowo-niklowym. W środowiskach, takich jak roztwory kwasu mlekowego, octowego i innych, występujących w sokach owocowych - stale te wykazują dobrą odporność na korozję. Są stosowane na aparaturę chemiczną pracującą pod ciśnieniem w niskiej temperaturze, z tych stali są wykonywane aparaty do przerobu mleka i jego produktów, urządzenia przetwórstwa warzywno-owocowego oraz inna aparatura przemysłu spożywczego.
STALE I STOPY STOSOWANE DO PRACY W PODWYŻSZONEJ TEMPERATURZE.
Czyli stale przeznaczone na elementy maszyn i urządzeń pracujących w wysokich temperaturach powinny posiadać dwie podstawowe właściwości:
żaroodporność - odporność stopu na działanie czynników chemicznych: głównie powietrza oraz spalin i ich agresywnych składników w temperaturze wyższej niż 600°C.
żarowytrzymałość - odporność stopu na odkształcenie z czym wiąże się zdolność do wytrzymywania obciążeń mechanicznych w wysokiej temperaturze - powyżej 600°C.
Stale do pracy w podwyższonych temperaturach:
Charakteryzuje wysoka odpornością na pełzanie (odkształcenie przy małych szybkościach) nawet do 200 tys. godzin pracy z obciążeniem.
Przeważa struktura ferrytyczno - perlityczna lub martenzytowa.
Temperatura pracy: do 600 °C.
Zastosowanie: energetyka, rury kotłowe, przegrzewacze odbijające od spalin, itp.
Przykłady: 10H2M; 16M; 15HM
Stale żaroodporne :
Stale wysokochromowe 5-30%, (im więcej chromu tym większa żaroodporność);
Ich temperatura pracy może osiągać do 900 °C;
Struktura ferrytyczna;
Zastosowanie: w przemyśle chemicznym i naftowym, w aparaturze chemicznej, itp.
Np.: H9S2, H13J, H18N9S2, H5M, H23N13
Żaroodporność tych stali jest związana z tworzeniem się zgorzeliny, która ściśle przylega do rdzenia metalu i utrudnia dyfuzję.
Wymagania te spełniają stale, które mają dużo:
chromu
5% 600 - 650 °C
30% 1100 °C
krzemu i aluminium (które też zwiększają żaroodporność) - do 2,5%.
Struktury stali żaroodpornych:
ferrytyczno-perlityczne, np. stal H5M - najniższy zakres żaroodporności,
więcej chromu ma H17J - 15%chromu i wyższy zakres żaroodporności
najwięcej chromu ma 1H14N14W2M - stal ta posiada największy zakres żaroodporności.
Zastosowanie:
w przemyśle chemicznym,
w przemyśle naftowym,
w aparaturze chemicznej, itp.
Próba określenia granicznej temperatury żaroodporności - polega na nagrzewaniu próbki do określonej temperatury przez 24 godziny, a następnie chłodzeniu do temperatury 20 °C. Zabieg należy powtórzyć 5-krotnie. Następnie należy ściągnąć zgorzelinę tak aby nie naruszyć metalu i sprawdzić jaki jest ubytek. Ubytek ten nie może przekroczyć 1g/(m2 ⋅ h). W temperaturze wyższej o 50 °C niż temperatura poprzednia ubytek nie może przekroczyć 2g/(m2 ⋅ h).
Stale żarowytrzymałe:
Wysoka wytrzymałość od 600 °C do 1000 °C;
Są równocześnie żaroodporne;
Podstawowe pierwiastki składowe to: Cr, Mo, Ni, V, W, Mn, (Al, Ti do 1%);
Zastosowanie: w przemyśle chemicznym i naftowym, farmaceutycznym, do aparatury pracującej pod obciążeniem;
Np.: H18JS, H2ST, H26N4
Żarowytrzymałość tych stali związana jest z wytrzymałością na obciążenia mechaniczne, odpornością na pękania.
Stale o strukturze austenitycznej mają:
dużą żarowytrzymałość,
osiągają większe ziarna,
osiągają mniejszy współczynnik dyfuzji.
Przyjmuje się, że:
ŻAROODPORNOŚĆ JEST WIĘKSZA OD ŻAROWYTRZYMAŁOŚCI
Wyjątkiem jest stal o zawartości:
N = 9%
Cr = 18%
Przykładem jest stal H18N9S, gdzie wychodzi się z założenia, że: żaroodporność jest mniejsza od żarowytrzymałości.
W stalach żaroodpornych i żarowytrzymałych zawartość węgla nie może przekraczać 0,2%.
Zastosowanie:
Stale ferrytyczne:
nie obciążone mechanicznie części aparatury chemicznej pieców i kotłów przemysłowych,
części palników gazowych,
skrzynie do nawęglania i inne.
Stale austenityczne:
na obciążone części mechaniczne.
STALE I STOPY ZAWOROWE.
Stale zaworowe - są szczególną grupą stali żarowytrzymałych. Charakteryzują się dużą odpornością na korozję w atmosferze spalin do 700 °C. Zawierają krzem oraz chrom i są nazywane silchromami. Zawartość węgla (C= 0,4 - 0,6%) powoduje zwiększenie twardości i odporności na ścieranie.
Obróbka cieplna:
Stale krzemowo - chromowe o strukturze perlitycznej poddaje się hartowaniu w temperaturze 1010- 1060°C i odpuszczaniu w temp 700-790 °C z chłodzeniem w wodzie, co zapobiega kruchości odpuszczenia. Strukturę stali stanowi martenzyt odpuszczony.
Stale o strukturze austenitycznej poddaje się przesycaniu z temperatury 1050-1100 °C z chłodzeniem w wodzie i starzeniu w temperaturze 700-750°C. W wyniku tej obróbki otrzymuje się strukturę austenitu z adyspersyjnymi wydzieleniami węglików M6C, M23C6 oraz węglikoazotków.
Przykłady stali o strukturze :
martenzytu: H9S2, H10S2M,
austenitu: 4H14N14W2N,
austenitu + węgliki: 50H21G9N4A.
Zastosowanie:
na zawory silników motocyklowych i samochodowych,
na bardzo silnie obciążone zawory wylotowe,
na zawory silników lotniczych pracujących w temperaturze do 900 °C
NANDSTOPY Ni, Fe, Co.
Nadstopy - są to stopy żarowytrzymałe i żaroodporne; zawierają więcej niż 50% dodatków stopowych i pracują w temperaturze do 900oC. Zastosowanie: na łopatki, wirniki oraz dysze turbin parowych i silników odrzutowych. Obróbka cieplna polega na przesycaniu i nasyceniu. W nadstopach zawartość żelaza nie jest podstawowym składnikiem. Stale te stosowane są powyżej temperatury 7500C.
Nadstopy charakteryzują się:
dużą wytrzymałością w dużych temperaturach,
dużą wytrzymałością na pełzanie.
WYRÓŻNIAMY:
Nadstopy na osnowie: Fe - Cr - Ni - wykorzystywane do temperatury 800 °C. Są to timken, tinidur, discalloy 24.
Nadstopy na osnowie: Fe - Cr - Ni - Co - mogą pracować do temperatury 900 °C, mają większa zawartość węgla, są odlewane, np. stal G18B, multimet.
Nadstopy na osnowie kobaltu Co - Cr - Ni: Co = 40 - 60% - pracują do temperatury 980 °C. Przykładem takiej stli może być stal HS-21, HS-25,S-816.
Nadstopy na osnowie niklu Ni - Cr - temperatura pracy do 1000 °C, zawierają chrom, czasem kobalt, są obrabiane plastycznie bądź odlewane, np. nimonic 75, nimonic 115
Nadstopy Co-Cr - praca do 1000 °C , np. stellit (ciągliwy).
STALE I STOPY O SZCZEGÓLNYCH WŁAŚCIWOŚCIACH MAGNETYCZNYCH I ELEKTRYCZNYCH.
Podział ze względu na kształt pętli histerezy magnetycznej:
magnetycznie miękkie (m) o dużej pozostałości magnetycznej Br i małym natężeniu koercji Hc;
magnetycznie twarde (t) o mniejszej pozostałości magnetycznej Br i znacznie większym natężeniu koercji Hc;
Powierzchnia pętli histerezy jest proporcjonalna do energii przemagnesowania materiału, rozproszonej w postaci ciepła.
Stale magnetycznie miękkie.
Stosowane są w postaci blach elektrotechnicznych prądnicowych zawierają poniżej 0,08%C i 0,4-3,4%Si. Walcowanie blach z tych stali wykonuje się tak, aby uzyskać teksturę <100> {110}. Jest to korzystne, bo <100> jest kierunkiem najłatwiejszego namagnesowania żelaza. Po walcowaniu blachy poddaje się wyżarzaniu odwęglającemu, doprowadzając do korzystnego rozrostu ziarn. Materiały te powinny być odkształcone plastycznie na zimno, gdyż zgniot zwiększa koercję.
Materiały magnetycznie twarde.
Stosowane są jako magnesy trwałe charakteryzujące się mocą właściwą, która powinna osiągnąć największe wartości. Wymagania te spełniają stale węglowe eutektoidalne zahartowane na martenzyt oraz stale stopowe zawierające W, Cr, Co, silnie zwiększające koercję. Stosuje się także stopy Al-Ni-Co zwane alnico, z ewentualnym dodatkiem Cu, Ti Fe. Stopy te wykazują 10-krotnie większą wartość mocy właściwej niż stale niestopowe. Ze względu na kruchość i twardość magnesy ze stopów alnico są odlewane.
STALE WYSOKOWYTRZYMAŁE I ODPORNE NA ŚCIERANIE.
Stale o podwyższonej wytrzymałości zawierają dodatkowo nieduże ilości pierwiastków stopowych zwiększających wartość Re i Rm w stosunku do dobrze spawalnych stali węglowych. Spawalność określa zdolność materiału do zachowania dobrych własności mechanicznych po spawaniu. Jest zależna od technologii spawania, konstrukcji złącza i składu chemicznego stali. Dobra spawalność zapewniona jest przez stosunkowo niską zawartość węgla 0,22 - 0,25%.
Ferrytyczno-perlityczne
Stale ferrytyczno perlityczne dzieli się na:
ze zwiększoną zawartością manganu, zawierające do 1,8 % manganu i są to gatunki: 0,9G2, 15GA, 18G2 i 18G2A. Są one dostarczane najczęściej w stanie normalizowanym i wartości granicy plastyczności Remin około 305 - 355 MPa,
ze zwiększoną zawartością manganu i mikrododatkami, które zawierają do 1,65 % manganu i mikrododatki Nb lub V, tworzące drobnodyspersyjne wydzielenia węglików, azotków lub węglikoazotków i są to gatunki: 15G2ANb, 15G2ANNb, 18G2AV, 18G2ANb. Stale tego typu dostarczane są najczęściej w stanie po walcowaniu lub normalizowanym, a ich granica plastyczności Re wynosi 355 - 460 MPa.
Stale o podwyższonej wytrzymałości wykorzystywane są do produkcji dużych konstrukcji, tj. kadłubów statków, rurociągów, dźwigów, mostów, zbiorników ciśnieniowych, w których głównym procesem produkcyjnym jest spawanie. W związku z tym muszą być łatwo spawalne.
Stale odporne na ścieranie.
Stal Hadfielda - ze wszystkich znanych gatunków stali najbardziej odporne na ścieranie są stale manganowe, zwane stalami Hadfielda. Zawierają one 1,0-1,3% C oraz 11,0-14,0% Mn, a zatem stosunek C i Mn wynosi 1:10. Po nagrzaniu do 950-10000C i ochłodzeniu w powietrzu stale Hadfielda mają strukturę austenitu z wydzieleniami węglików. Po przesyceniu z tych temperatur w wodzie powstaje struktura czysto austenityczna, o własnościach mechanicznych (po przesyceniu z 950-10000C):
Rm=80-1080 MPa (90-110 kG/mm2), Re=340-440 MPa (35-45 kG/mm2), A=50%, Z=60%, 200-250 HB, K=290 J/cm2 (30kGm/cm2)
Na uwagę zasługuje wysoka wytrzymałość i udarność oraz dobre własności plastyczne stali przy stosunkowo niskiej granicy plastyczności i twardości. Istota wysokiej odporności na ścieranie stali Hadfielda tkwi w tym, że pod działaniem nacisków zewnętrznych stal bardzo znacznie się umacnia, gdyż jej struktura austenityczna ma wiele kierunków łatwego poślizgu. Gniot na zimno powoduje ponadto rozdrobnienie ziarn oraz częściową przemianę martenzytyczną austenitu.
Stale maraning - są to stale martenzytyczne o specjalnych właściwościach mechanicznych, utwardzane dyspersyjnie w wyniku wydzielania się z martenzytu związków międzymetalicznych. Klasyczną stalą tego typu jest stal zawierająca poniżej 0,03% C, 18% Ni, 7-9% Co, 5% Mo, oraz 0,2-0,8% Ti. Stale te odznaczają się nie tylko bardzo wysoką wytrzymałością w temperaturach otoczenia i podwyższonych, lecz wykazują również wyjątkowo korzystną relacje własności wytrzymałościowych i ciągliwych. Te cechy, jak również bardzo duża hartowność, stabilność wymiarowa oraz odporność na udary cieplne oraz zmęczenie cieplno-mechaniczne, czynią ze stali maraging tworzywo szczególnie przydatne na narzędzia do pracy na gorąco. W stali o podanym wyżej składzie chemicznym uzyskuje się bowiem bardzo wysokie wartości udarności i twardości w podwyższonych temperaturach. Duża wytrzymałość i ciągliwość stali maraging jest efektem znacznego rozdrobnienia ziarn martenzytu bez wydzieleń węglików na ich granicach.
STALE DO PRACY W OBNIŻONEJ TEMPERATURZE.
Ta grupa stali obejmuje szeroki zakres składów chemicznych - od stali węglowych, aż po wysokostopowe austenityczne. Do pracy w temperaturach powyżej -400C stosowane są na ogół stale węglowe. Przydatność stali do pracy w niskich temperaturach określona jest położeniem przejściowej temperatury kruchości. W drobnoziarnistych stalach węglowych odtlenionych całkowicie Si i Al, przy zawartości <0,15% C oraz stosunku Mn/C > 6 udaje się obniżyć temperaturę progu kruchości poniżej -600C. Dodatkowy wzrost własności plastycznych w niskich temperaturach uzyskuje się przez ulepszanie cieplne.
W większości przypadków do pracy przy temperaturach poniżej -400C stosuje się stale zawierające Ni lub wieloskładnikowe stale Cr-Ni-Mo i Cr-Mn-Mo ulepszone cieplnie, zapewniające możliwość pracy w temperaturach ok. -900C.
Podstawowym tworzywem na części konstrukcji urządzeń pracujących w zakresie do -200°C są jednak obecnie stale martenzytyczne niklowe, zawierające ok. 0,13% C i 9% Ni. Stale te po ochłodzeniu w powietrzu z 900°C wykazują drobnoziarnistą strukturę martenzytyczną. Ze względu na znaczną zawartość Ni temperatura A1 ulega obniżeniu i przy wysokim odpuszczaniu następuje częściowa przemiana α γ. Powstały austenit jest bardzo trwały i można go zatrzymać w strukturze ok. -2000C. Zapewnia to podwyższoną udarność w niskich temperaturach, przez co omawiane stale znalazły szerokie zastosowanie w technice kriogenicznej.
W temperaturach poniżej -2000C, aż do zera bezwzględnego stosowane są stale austenityczne wysokoniklowe, wykazujące ze spadkiem temperatury stosunkowo nieznaczny spadek udarność.