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 (Ti_α), 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 Ti_α…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 β_m,

-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.

---