Mariusz Bąk II MDT gr. 81.
STOPY NIKLU I TYTANU
Tytan pod względem występowania w skorupie ziemskiej zajmuje dziewiąte miejsce po tlenie, krzemie, aluminium, żelazie, wapniu, sodzie, magnezie i potasie. Szerokie zainteresowanie tytanem wynika przede wszystkim ze szczególnych właściwości fizycznych i chemicznych tego pierwiastka. Tytan jest metalem o stosunkowo małej gęstości (4,507 g/cm3) i dużej odporności na korozję.
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 charakteryzuje się dużą odpornością na korozję chemiczną. Jest odporny na działanie wody morskiej i nie ma skłonności do pękania korozyjnego w wodnych roztworach agresywnych środowisk. Silne powinowactwo tytanu w stanie nagrzanym i ciekłym do gazów atmosferycznych (tlenu, azotu, wodoru) wymusza prawie we wszystkich procesach technologicznych stosowanie atmosfer ochronnych lub próżni.
Tytan chemiczny jest stosowany przede wszystkim w przemyśle lotniczym na elementy silników i kadłubów samolotów. Jest także stosowany w przemyśle okrętowym i chemicznym. Tytan jest biomateriałem (nie jest toksyczny dla organizmu ludzkiego) dzięki czemu znajduje szerokie zastosowanie na wszelkiego rodzaju implanty.
Najprostszym i najczęściej spotykanym podziałem przemysłowych stopów tytanu jest klasyfikacja według struktury w określonym stanie. Wyróżnia się następujące struktury stopów tytanu:
w stanie normalizownym
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,
w stanie zahartowanym
faza α - bez możliwości umocnienia poprzez obróbkę cieplną lub z możliwością umocnienia w wyniku hartowania i starzenia,
fazy α + β - umacnianie przez hartowanie lub w wyniku hartowania i starzenia,
faza metastabilna βM
faza stabilna β
Obróbka cieplna stopów tytanu opiera się przede wszystkim na wykorzystaniu 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 dobra plastycznością, natomiast po hartowaniu i starzeniu uzyskują dużą wytrzymałość.
Ze względu na technologię obróbki cieplnej stopów tytanu wyróżnia się:
wyżarzanie pierwszego rodzaju - charakteryzuje się brakiem wyzyskania przemian fazowych, mających na celu przywrócenie do stanu równowagi struktur otrzymanych w procesach odlewania, przeróbki plastycznej i spawania (wyżarzanie ujednorodniające i wyżarzanie rekrystalizujące),
wyżarzanie zupełne i niezupełne - przesycanie i hartowani z przemianą martenzymatyczną,
przechładzanie - przesycanie i hartowanie z przemianą martenzymatyczną,
starzenie i odpuszczanie.
Nikiel należy do najważniejszych metali technicznych. Krystalizuje się w układzie regularnym o sieci płaskocentrowanej (A1), stabilnej do temperatury topnienia niklu i zapewniającej dużą żaroodporność oraz żarowytrzymałość. Otrzymuje się go metodą pirometalurgiczną lub metodą karbonyklową i odlewa do form piaskowych, ceramicznych oraz kokili. Nikiel jest podatny na obróbkę plastyczną na zimno i gorąco, spawalny i zgrzewalny, odporny na korozje 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. 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 dzięki dobrej odporności na korozje 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.
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 40-20% 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 jest uzależniona od zawartości niklu.
Stosuje się wyżarzanie moneli ujednorodniające, rekrystalizujące i odprężające. Stopy te dają się łatwo obrabiać plastycznie, spawać i lutować. Zaletą moneli jest stabilność właściwości mechanicznych do temperatury 400 °C. Dobra odporność na korozję w połączeniu z dostatecznymi właściwościami mechanicznymi sprawia, iż monele znajdują szerokie zastosowanie w budowie aparatury chemicznej i budowie okrętów.
Do stopów konstrukcyjnych zalicza się także 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. Z niklu manganowego wykonuje się elektrody świec silników spalinowych. Stopy oporowe Do oporowych stopów niklu zalicza się przede wszystkim:
alumel - stop niklowo-aluminiowo-manganowy,
chromel - stop niklowo-chromowy,
nichrom - stop niklowo- chromowy o większej zawartości chromu,
kopel i konstantan - stopy niklowo- manganowo- miedziowe.
Stopy alumel odznaczają się dobrymi właściwościami mechanicznymi, dużą siła termoelektryczną, a także znaczna żaroodpornością. Alumel jest stosowany na ujemne elektrody w termoelementach chromel-alumel, używanych do pomiaru temperatury w zakresie 300-1000 °C.
Chromel jest stopem dwuskładnikowym niklu i chromu. 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 900 °C.
Kopel i konstantan ze względu na skład chemiczny są stopami miedzi, ze względu jednak na właściwości fizyczne zalicza się je do stopów niklu. Kopel (CuNi45Mn0,5) ma dobre właściwości mechaniczne i jest podatny na obróbkę plastyczną oraz odporny na korozję. Znajduje zastosowanie przede wszystkim na budowy termoelementów pracujących w temperaturze 600 °C.
Stopy żaroodporne i żarowytrzymałe
Stopy żaroodporne i żarowytrzymałe, zwane także nadstopami lub superstopami, mają dobre właściwościami fizyczne i chemiczne, szczególnie w wysokiej temperaturze. Nadstopy na osnowie niklu, w porównaniu z pozostałymi stopami żaroodpornymi i żarowytrzymałymi, maja 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 (ok. 60% masy), 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.
Dobre właściwości obecnie stosowanych nadstopów niklu otrzymuje się przez:
modyfikację składu chemicznego,
doskonalenia 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).