Stopy tytanu
Właściwości i zastosowanie
Szerokie zainteresowanie tytanem wynika przede wszystkim ze szczególnych właściwości fizycznych i chemicznych tego pierwiastka. Tytan jest metalem o stosunkowo małej gęstości i dużej odporności na korozję .W stanie stałym tytan występuje w dwóch odmianach alotropowych. Odmiana α (Tiα), istniejąca do temperatury 882,5°C, krystalizuje w układzie heksagonalnym o sieci zwartej (A3), natomiast odmiana β (Tiβ), trwała od temperatury 882,5°C do temperatury topnienia (1682°C), krystalizuje w układzie regularnym o sieci przestrzennie centrowanej (A2). Temperatura przemiany alotropowej Tiα…Tiβ w dużym stopniu zależy od czystości tytanu. Właściwości mechaniczne tytanu zależą przede wszystkim od jego czystości. Obecność zanieczyszczeń (nawet w setnych procenta) w tytanie powoduje wzrost jego wytrzymałości oraz twardości i zmniejszenie właściwości plastycznych. Właściwości wytrzymałościowe tytanu maleją wraz z podwyższeniem temperatury. Tytan wykorzystuje się jako dodatek stopowy różnych rodzajów stali, żeliwa, stopów niklu, kobaltu i aluminium.
Klasyfikacja stopów tytanu
Najprostszym i najczęściej spotykanym podziałem przemysłowych stopów tytanu jest klasyfikacja według struktury w określonym stanie. Wyróżnia się następujące struktury stopów tytanu:
1. w stanie normalizowanym
-faza α - w stopach z pierwiastkami stabilizującymi fazę α,
-fazy α+β - w stopach z pierwiastkami stabilizującymi fazę β
-faza β - w stopach o dużej zawartości pierwiastków stabilizujących fazę β, umożliwiających otrzymanie fazy β w temperaturze
25°C,
2. w stanie zahartowanym
-faza α - bez możliwości umocnienia poprzez obróbkę cieplną lub z możliwością umocnienia w wyniku hartowania i starzenia,
-fazy α+β - umacniane przez hartowanie lub w wyniku hartowania i starzenia,
-faza metastabilna βm,
-faza stabilna β.
Stopy jednofazowe α po odkształcaniu plastycznym i wyżarzaniu mają strukturę składającą się w ponad 95% z roztworu stałego α. Do tej grupy stopów tytanu zalicza się tytan techniczny oraz stopy z pierwiastkami stabilizującymi fazę α, z pierwiastkami stabilizującymi fazę β w ilości nie przekraczającej ich granicznej zawartości w fazie pierwiastkami i z pierwiastkami neutralnymi. Podstawowe pierwiastki stopowe tej grupy stopów to aluminium, cyna i cyrkon, które decydują o właściwościach stopów jednofazowych α:
-dobre właściwości odlewnicze,
-dobra spawalność,
-duża odporność na kruchość na zimno,
-dobra wytrzymałość na pełzanie,
-duża stabilność cieplna.
Aluminium zwiększa wytrzymałość i zmniejsza gęstość stopów jednofazowych a, ale pogarsza plastyczność. Wzrost właściwości wytrzymałościowych tej grupy stopów uzyskuje się głównie w wyniku umocnienia roztworowego, w niewielkim stopniu przez umocnienie gniotem. Jedyną obróbką cieplną stopów jednofazowych α jest wyżarzanie odprężające lub rekrystalizujące.
Stopy dwufazowe α+β są grupą stopów konstrukcyjnych, przeznaczonych do wyrobu elementów maszyn pracujących w szczególnie ciężkich warunkach. W stopach tych występuje określona zawartość pierwiastków stabilizujących fazę β (mangan, wanad, molibden, chrom, żelazo). Wzrost wytrzymałości stopów dwufazowych α+β uzyskuje się przez wprowadzenie aluminium, które dobrze się rozpuszcza w roztworze stałym α. Aluminium zwiększa również stabilność cieplną fazy β i powoduje zmniejszenie gęstości stopu. Decydujący wpływ na właściwości wytrzymałościowe tej grupy stopów ma skład fazowy, wynikający z określonej zawartości pierwiastka stabilizującego fazę β i obróbki cieplnej.
W zależności od struktury i zawartości pierwiastków stabilizujących fazę rozróżnia się:
-dwufazowe stopy martenzytyczne α+β - w stanie wyżarzonym mają strukturę złożoną z roztworów α i β(5-20% fazy β). Stopy martenzytyczne tytanu α+β charakteryzują się dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi przy dobrej plastyczności w stanie wyżarzonym. Umacniająca obróbka cieplna znacznie zmienia właściwości mechaniczne tej grupy stopów. Wadą tych stopów jest duża wrażliwość struktury na podwyższoną temperaturę,
-dwufazowe stopy przejściowe α+β - w stanie wyżarzonym mają strukturę złożoną z roztworów α i β (25-50% fazy β). Stopy przejściowe tytanu α+β charakteryzują się dużym stopniem umocnienia w wyniku obróbki cieplnej oraz możliwością hartowania na wskroś dużych przekrojów.
Stopy jednofazowe β można otrzymać przez zwiększenie zawartości pierwiastków stabilizujących fazę β (> 20%) lub przez szybkie chłodzenie z obszaru stabilności fazy β, przy stężeniu składnika stopowego mniejszym od stanu równowagi. Struktura tych stopów w stanie równowagi jest złożona z fazy p i niewielkich ilości fazy α. Ze względu na strukturę i zawartość pierwiastków stabilizujących fazę β wyróżnia się:
-stopy pseudo-β - mają dużą zawartość pierwiastków stabilizujących fazę β. Stopy te charakteryzują się dobrą plastycznością i dużym umocnieniem w wyniku obróbki cieplnej. Wadą stopów pseudo-α- jest szczególna zdolność pochłaniania tlenu (powstawanie głębokiej warstwy utlenionej) i silna absorbcja wodoru podczas trawienia (kruchość wodorowa),
-stopy stabilne β - zawierają głównie pierwiastki rozpuszczające się w roztworze stałym β i powodujące znaczne przesunięcie do niższej temperatury przemiany fazowej α…β. Stopy stabilne β łatwiej ulegają przeróbce plastycznej na zimno niż stopy a lub stopy α+β. Procesy starzenia w tych stopach zachodzą bardzo powoli, dlatego efekty umocnienia obróbką cieplną są nieznaczne.
Obróbka cieplna stopów tytanu
Obróbka cieplna stopów tytanu opiera się przede wszystkim na wykorzystaniu efektów przemiany fazowej α…..β. W zależności od składu chemicznego stopu uzyskuje się stopień umocnienia od 25 do 90%. W stanie wyżarzonym i zahartowanym stopy tytanu charakteryzują się średnimi właściwościami wytrzymałościowymi i dobrą plastycznością, natomiast po hartowaniu i starzeniu uzyskują dużą wytrzymałość. Zwiększenie wytrzymałości otrzymuje się dzięki tworzeniu się faz metastabilnych podczas szybkiego chłodzenia z wysokiej temperatury (hartowanie) i rozpadowi tych faz w procesach starzenia lub odpuszczania, z wydzielaniem się nowej fazy o dużej dyspersji. Terminem odpuszczanie, w stopach tytanu, określa się rozpad faz martenzytycznych, natomiast rozpad faz metastabilnych nazywa się starzeniem.
Ze względu na technologię obróbki cieplnej stopów tytanu wyróżnia się:
-wyżarzanie pierwszego rodzaju - charakteryzujące się brakiem wyzyskania przemian fazowych, mające na celu przywrócenie do stanu równowagi struktur otrzymanych w procesach odlewania, przeróbki plastycznej i spawania (wyżarzanie ujednorodniające i wyżarzanie rekrystalizujące),
-wyżarzanie zupełne i niezupełne - podczas którego zachodzi przemiana fazowa,
-przechładzanie - przesycanie i hartowanie z przemianą martenzytyczną,
-starzenie i odpuszczanie.
Stopy niklu
Właściwości i zastosowanie
Nikiel należy do najważniejszych metali technicznych. Krystalizuje w układzie regularnym o sieci płasko centrowanej (Al), stabilnej do temperatury topnienia niklu i zapewniającej dużą żaroodporność oraz żarowytrzymałość. Temperatura topnienia niklu wynosi 1453°C. Otrzymuje się go metodą pirometalurgiczną lub metodą karbonylkową i odlewa do form piaskowych, ceramicznych oraz kokili. Nikiel jest podatny na obróbkę plastyczną na zimno i gorąco, spawalny i zgrzewalny, odporny na korozję atmosferyczną oraz na działanie wody morskiej, wód mineralnych i kwasów organicznych. Jest natomiast nieodporny na działanie kwasu fosforowego i azotowego oraz siarki i jej związków. Nikiel w temperaturze pokojowej jest ferromagnetykiem. Wzrost rezystywności w miarę podwyższania temperatury oraz stałość współczynnika cieplnego rezystywności w dużym zakresie temperatury przyczynia się do tego, że nikiel może być stosowany jako materiał oporowy. Ważną właściwością niklu jest także zdolność przepuszczania gazowego wodoru przez cienkie blachy.
Nikiel ma dobre właściwości mechaniczne zarówno w temperaturze pokojowej, jak i w podwyższonej. Właściwości mechaniczne tego metalu zależą w dużym stopniu od zawartości domieszek i zanieczyszczeń. Nikiel dzięki dobrej odporności na korozję znalazł zastosowanie w przemyśle chemicznym. Jest także stosowany w przemyśle elektrotechnicznym, do platerowania blach oraz galwanicznego pokrywania stali, stopów miedzi i aluminium w celu poprawy ich odporności na korozję. Przeważająca jednak część niklu jest zużywana do produkcji jego stopów oraz jako składnik stopowy stali.
Wśród stopów metali nieżelaznych stopy niklu należą do jednych z najważniejszych. Jest to spowodowane bardzo cennymi i różnorodnymi właściwościami, do których przede wszystkim należą:
-dobra żaroodporność i żarowytrzymałość,
-duża przenikalność magnetyczna i rezystywność,
-dobre właściwości wytrzymałościowe i plastyczne.
Stopy niklu można podzielić na cztery podstawowe grupy według zastosowania:
-stopy konstrukcyjne,
-stopy oporowe,
-stopy o specjalnych właściwościach fizycznych,
-stopy żaroodporne i żarowytrzymałe.
Stopy konstrukcyjne
Najbardziej znanymi i najczęściej stosowanymi w przemyśle stopami konstrukcyjnymi są tzw. monele, czyli stopy niklu z miedzią. Stopy te przy zawartości 60- 80% niklu i 20-40% miedzi mają dobre właściwości mechaniczne i dobrą odporność na korozję. Dodatki stopowe jak żelazo i mangan nie tworząc odrębnych faz, polepszają właściwości mechaniczne tych stopów. Właściwości fizyczne i twardość moneli uzależniona jest od zawartości niklu. Stosuje się wyżarzanie moneli ujednorodniające, rekrystalizujące i odprężające. Stopy te dają się łatwo obrabiać plastycznie, spawać i lutować.Zaletą moneli jest stabilnośc właściwości mechanicznych do temp. 400 C. Dobra odporność na korozję w połączeniu z dostatecznymi właściwościami mechanicznymi sprawia, że monele znajdują szerokie zastosowanie w budowie aparatury chemicznej i budowie okrętów.
Do stopów konstrukcyjnych zalicza się tekże tzw. nikiel stopowy. Jest to stop niklu z niewielkimi dodatkami głównie krzemu lub manganu (nikiel krzemowy lub nikiel manganowy). Zarówno nikiel krzemowy jak i nikiel manganowy charakteryzują się dobrymi właściwościami mechanicznymi. Stosuje się je w przemyśle maszynowym, elektrotechnicznym oraz chemicznym.
Stopy oporowe
Stopy alumel są roztworami stałymi, ponieważ zarówno aluminium, mangan, jak i krzem rozpuszczają się całkowicie w niklu. Stopy te odznaczają się dobrymi właściwościami mechanicznymi, dużą siłą termoelektryczną, a także znaczną żaroodpornością. Alumel jest stosowany na ujemne elektrody w termo-elementach chromel-alumel, używanych do pomiaru temperatury w zakresie 300-10QO°C.
Chromel jest stopem dwuskładnikowym niklu i chromu, które tworzą roztwór stary graniczny chromu w niklu. Za sprawą chromu, który zwiększa rezystywność, żaroodporność i żarowytrzymałość niklu, stopy te są stosowane głównie na termoelementy chromel-alumel w postaci przewodów kompensacyjnych.
Nichrom jest uważany za podstawowy stop oporowy. Ze względu na dobre właściwości mechaniczne, znaczną rezystywność oraz żaroodporność, stop ten stosuje się na wszelkiego rodzaju oporniki i elementy grzejne oraz do budowy termoelementów pracujących w temperaturze do 900°C. Przy zawartości ok. 60% niklu i 15-20% chromu stopy te mają maksymalną rezystywność. Nichrom NiCrlS lub NiCr20 zawiera do 25% żelaza, które rozpuszcza się w niklu, dzięki czemu opór elektryczny zależy wyłącznie od zawartości chromu i niklu. Obecność żelaza wpływa na niewielkie zmniejszenie żaroodpor-ności.
Kopel i konstantan ze względu na skład chemiczny są stopami miedzi, ze względu jednak na właściwości fizyczne zalicza się je do stopów niklu. Kopel ma dobre właściwości mechaniczne i jest podatny na obróbkę plastyczną oraz odporny na korozję. Znajduje zastosowanie przede wszystkim do budowy termoelementów pracujących w temperaturze do 600°C. Podobne
właściwości i zastosowanie ma konstantan. Charakteryzuje się jedynie większą rezystywnością w porównaniu ze stopami typu kopel.
Kantal i megapyr. Stopy te, oprócz niklu, zawierają zwykle 4-7% aluminium i 20-35% chromu, a ich właściwości są zbliżone do cech nichromów. Charakteryzują się jednak lepszą żaroodpornością, dlatego są stosowane do elementów grzewczych pracujących nawet w temperaturze do 1300°C.
Stopy o szczególnych właściwościach fizycznych i chemicznych
W zróżnicowanej i obszernej grupie stopów o szczególnych właściwościach fizycznych i chemicznych można wyodrębnić trzy najważniejsze rodzaje stopów niklu:
-stopy o określonej wartości współczynnika rozszerzalności cieplnej - używa ne do budowy przyrządów, których elementy nie powinny zmieniać wymiarów ze zmianą temperatury, np. inwar,
-stopy magnetyczne - do budowy silnych magnesów (stopy magnetycznie twarde na osnowie stopów Fe-Ni-Al) oraz na rdzenie transformatorów (stopy magnetycznie miękkie typu permalloy lub supermalloy)
-stopy odporne na korozję - wykazujące się dużą odpornością na korozję przy dobrych właściwościach wytrzymałościowych
Stopy żaroodporne i żarowytrzymałe
Stopy żaroodporne i żarowytrzymałe, zwane także nadstopami lub superstopami, mają dobre właściwości fizyczne i chemiczne, szczególnie w wysokiej temperaturze. Nadstopy na osnowie niklu, w porównaniu z pozostałymi stopami żaroodpornymi i żarowytrzymałymi, mają wyjątkowo dobre właściwości użytkowe. Charakteryzują się bardzo korzystnym połączeniem żaroodporności i żarowytrzymałości z odpornością na zmęczenie cieplne i kruche pękanie w wysokiej temperaturze. Dzięki temu stopy te są często stosowane do budowy elementów maszyn i urządzeń pracujących w ekstremalnie trudnych warunkach eksploatacyjnych (wysoka temperatura, zmienne i dynamiczne obciążenia oraz bardzo agresywne środowisko gorących gazów). Nadstopy niklu mogą pracować w sposób ciągły w temperaturze 1250°C, a okresowo w zmiennym strumieniu gazów nawet w temperaturze 1400°C. Stanowią główną grupę stopów używanych do budowy silników lotniczych i rakietowych, turbin gazowych, w energetyce jądrowej oraz w przemyśle chemicznym. Obecnie nadstopy niklu nowej generacji w takich konstrukcjach jak silniki lotnicze do jednostek transportowych mogą pracować od 20000 do 50000 h, a turbiny przemysłowe nawet do 100000 h z bardzo dużą niezawodnością. Nadstopy niklu mają złożony skład chemiczny (kilkanaście składników stopowych), a więc i bardzo złożoną strukturę, którą można modyfikować przez niewielką zmianę składu chemicznego, zmianę warunków przeróbki plastycznej oraz obróbkę cieplną. Większość nadstopów niklu zawiera 10-20% chromu, ok. 6% aluminium oraz tytanu, 5-10% kobaltu i niewielkie ilości węgla, boru, cyrkonu, a także molibdenu, wolframu, niobu, tantalu i hafnu.
Dobre właściwości obecnie stosowanych nadstopów niklu otrzymuje się przez:
-modyfikację składu chemicznego,
-doskonalenie technologii otrzymywania stopów,
-obróbkę cieplną.
Nadstopy niklu można podzielić na stopy odlewnicze i stopy przerabiane plastycznie. Właściwości mechaniczne wyrobów odlewanych są mniejsze w porównaniu z otrzymanymi w wyniku przeróbki plastycznej, charakteryzują się jednak większą odpornością na pełzanie. Podstawową obróbką cieplną stosowaną do nadstopów niklu jest umacnianie wydzieleniowe (przesycanie i starzenie). Do omawianej grupy stopów, przed procesem starzenia, stosuje się także wyżarzanie homogenizujące, mające na celu wyrównanie składu chemicznego w stopie.
Dobre właściwości obecnie stosowanych nadstopów niklu otrzymuje się przez:
-modyfikację składu chemicznego,
-doskonalenie technologii otrzymywania stopów,
-obróbkę cieplną.
Nadstopy niklu można podzielić na stopy odlewnicze i stopy przerabiane plastycznie. Właściwości mechaniczne wyrobów odlewanych są mniejsze w porównaniu z otrzymanymi w wyniku przeróbki plastycznej, charakteryzują się jednak większą odpornością na pełzanie. Podstawową obróbką cieplną stosowaną do nadstopów niklu jest umacnianie wydzieleniowe (przesycanie i starzenie). Do omawianej grupy stopów, przed procesem starzenia, stosuje się także wyżarzanie homogenizujące, mające na celu wyrównanie składu chemicznego w stopie.