STOPY TYTANU I NIKLU

Stopy tytanu

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.

W stanie stałym tytan występuje w dwóch odmianach alotropowych α i β. Odmiana a (Tiα), istniejąca do temperatury 882,5°C, krystalizuje w układzie heksagonalnym o sieci zwartej (A3), natomiast odmiana p (Tiβ), trwała od tem­peratury 882,5°C do temperatury topnienia (1682°C), krystalizuje w układzie regularnym o sieci przestrzennie centrowanej (A2).

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 techniczny 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. Dzięki dobrej plastyczności w niskiej temperaturze stosuje się go w kriogenice. Tytan wykorzystuje się jako dodatek stopowy różnych ro­dzajów stali, żeliwa, stopów niklu, kobaltu i aluminium.

Wyróż­nia się trzy grupy pierwiastków stopowych oddziaływujących na temperaturę przemiany alotropowej:

• grupa l - pierwiastki zwiększające temperaturę przemiany alotropowej i stabilizujące fazę α, tzw. α-stabilizatory (aluminium, gal, ind, tlen, azot, węgiel),

• grupa II - pierwiastki obniżające temperaturę przemiany alotropowej i stabilizujące fazę β, tzw. β-stabilizatory (wanad, molibden, niob, tantal, chrom, mangan, żelazo, miedź, nikiel, pallad, beryl, kobalt, ruten, rod, ren, osm, iryd, potas),

• grupa III - pierwiastki mające nieznaczny wpływ na temperaturę przemia­ny alotropowej, tzw. pierwiastki neutralne utwardzające fazę α i β (cyna, cyrkon, german, hafn, tor).

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 p - 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 α 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 α, 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.

Do omawianej grupy stopów zalicza się także stopy pseudo-α, które zawie­rają, oprócz pierwiastków stabilizujących fazę α, pierwiastki stabilizujące fa­zę β o zawartości nieco przekraczającej ich graniczną rozpuszczalność w fa­zie α. Jest to grupa stopów przeznaczona do obróbki plastycznej, opracowana w celu poprawy właściwości wytrzymałościowych i żarowytrzymałości. Uzy­skuje się to przez wprowadzenie niewielkich ilości pierwiastków stabilizujących fazę β.

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). Pierwiastki te bardzo dobrze rozpuszczają się w tytanie β i bardzo słabo w tytanie α, dlatego mają wpływ na właściwości mechaniczne przede wszystkim w fazie β. 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.

Stopy dwufazowe α+β w stanie równowagi zawierają w strukturze 5-50% fazy β. W zależności od struktury i zawartości pierwiastków stabilizujących fazę β rozróżnia się:

• dwufazowe stopy martenzytyczne α+β

• dwufazowe stopy przejściowe α+β

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 β i nie­wielkich ilości fazy α. Po wygrzewaniu w temperaturze powyżej temperatury przemiany fazowej α↔β i chłodzeniu w powietrzu jest złożona wyłącznie z fazy metastabilnej β_M.

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 ujednaradniające i wyżarzanie rekrystalizujące),

• wyżarzanie zupełne i niezupełne - podczas którego zachodzi przemiana fazowa,

• przechładzanie - przesycanie i hartowanie z przemianą martenzytyczną,

• starzenie i odpuszczanie.

Stopy niklu

Nikiel należy do najważniejszych metali technicznych. Krystalizuje w ukła­dzie regularnym o sieci płaskocentrowanej (Al), stabilnej do temperatury top­nienia niklu i zapewniającej dużą żaroodporność oraz żarowytrzymałość. Tem­peratura topnienia niklu wynosi 1453°C, a gęstość 8,908 g/cm³.

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 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.

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.

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.

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 siłą termoelektryczną, a także znaczną żaroodpomością.

Chromel jest stopem dwuskładnikowym niklu i chromu, które tworzą roz­twór stały graniczny chromu w niklu. Za sprawą chromu, który zwiększa rezystywność, żaroodporność i żarowytrzymałość niklu, stopy te są stosowane głównie na.

Nichrom jest uważany za podstawowy stop oporowy. Ze względu na dobre właściwości mechaniczne, znaczną rezystywność oraz żaroodpomość, 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.

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.

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 - używa­ne do budowy przyrządów, których elementy nie powinny zmieniać wy­miarów ze zmianą temperatury, np. inwar,

• stopy magnetyczne - do budowy silnych magnesów oraz na rdzenie transformatorów typu permalloy

• stopy odporne na korozję - wykazujące się dużą odpornością na korozję przy dobrych właściwościach wytrzymałościowych (np. stopy typu hastelloy).

Stopy żaroodporne i żarowytrzymałe

Stopy te, 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. 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.

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.

4

---