Obróbka cieplna
Głównymi czynnikami warunkującymi własności i funkcje użytkowe materiału metalowego są skład chemiczny i technologie wpływające na materiał zarówno bezpośrednio, jak i pośrednio poprzez strukturę.
Między technologią materiału i jego strukturą z jednej strony, strukturą i własnościami oraz zachowaniem materiałów metalowych z drugiej strony występują złożone zależności. Szczególnie ważnym ogniwem w kształtowaniu własności jest struktura materiału jako czynnik o bardzo szerokim zakresie zmian i modyfikacji. Własności materiałów metalowych można podzielić na te, które są wrażliwe na zmiany struktury oraz te, które wyraźnej wrażliwości nie wykazują. Podział ten nie ma charakteru dosłownego, ponieważ struktura w określonych stopniu wpływa na wszystkie własności. Jednak czasami wpływ ten jest stosunkowo niewielki, a czasami pomijalnie mały.
Rodzaj własności |
Własności wrażliwe na zmiany struktury |
Własności niezależne od zmian struktury |
Mechaniczne |
Granica sprężystości, wytrzymałość, plastyczność |
Moduł sprężystości |
Cieplne |
Przewodność cieplna (w niskich temperaturach) |
Rozszerzalność cieplna (w wysokich temperaturach), temperatura topnienia, ciepło właściwe, |
Elektryczne |
Oporność w niskich temperaturach, nadprzewodnictwo |
Oporność (w wysokich temperaturach) |
magnetyczne |
Własności ferromagnetyczne |
Własności paramagnetyczne i diamagnetyczne |
Pojęcie ogólne i klasyfikacja obróbki cieplnej materiałów metalowych
Do pojęć ogólnych obróbki cieplnej zalicza się:
- termin `obróbki cieplnej' jako pojęcia nadrzędnego w stosunku do jej wszystkich rodzajów i odmian technologicznych,
- nazwy grup rodzajowych obróbki cieplnej,
- pojęcia operacji, zabiegu obróbki cieplnej,
Obróbka cieplna w zrozumieniu ogólnym jest procesem technologicznym, w wyniku którego zmienia się własności mechaniczne i fizykochemiczne metali i stopów w stanie stałym przez wywołanie zmian struktury, będących głównie funkcją temperatury, czasu oraz działania środowiska.
Obróbka cieplna zwykła obejmuje grupę rodzajów obróbki, w których zmiany struktury i własności materiałów metalowych są funkcją temperatury i czasu. Obróbka cieplno-chemiczna różni się od zwykłej tym, że środowisko, w którym jest prowadzona, wywiera istotny wpływ na skład chemiczny i strukturę warstwy wierzchniej. W pozostałych grupach rodzajowych obróbki cieplnej czynnikami wpływającymi w istotny sposób na strukturę i własności są, oprócz temperatury i czasu, odkształcenie plastyczne i pole magnetyczne.
Klasyfikacja:
Obróbka cieplna (zwykła):
1. Wyżarzanie:
- wyżarzanie z przekrystalizowaniem (normalizujące, zupełne, izotermiczne, sferoidyzujące, grafityzujące)
- wyżarzanie bez przekrystalizowania (ujednorodniające, rekrystalizujące, sferoidyzujące, odprężające, stabilizujące)
2. Hartowanie
- hartowanie na wskroś (martenzytyczne, stopniowe, izotermiczne, z wymrażaniem, patentowanie)
- hartowanie powierzchniowe (martenzytyczne, z wymrażaniem)
- odpuszczanie (wysokie, średnie, niskie)
3. utwardzanie wydzieleniowe (przesycanie, starzenie naturalne, starzenie przyśpieszone)
Obróbka cieplno-chemiczna
dyfuzyjne nasycanie niemetalami (nawęglanie, azotowanie, borowanie, krzemowanie, siarkowanie, utlenianie)
Dyfuzyjne nasycanie metalami (chromowanie, tytanowanie, wanadowanie, aluminiowanie)
Obróbka cieplno -plastyczna
z przemianami polimorficznymi (odkształcenie przed przemianą, odkształcenie w czasie przemiany, odkształcenie po przemianie)
bez przemiany polimorficznej (odkształcenie przed starzeniem, odkształcenie w czasie starzenia, odkształcenie po starzeniu)
Obróbka cieplno-magnetyczna
Temperatura nagrzewania równa się temperaturze docelowej zależy od zastosowanej operacji obróbki cieplnej oraz składu chemicznego obrabianego materiału. W praktyce, w przypadku braku danych literaturowych (np. wykresy równowagi fazowej materiału, karty materiałowe) temperaturę obróbki cieplnej materiału ustala się eksperymentalnie.
Parametry obróbki cieplnej temperaturę i czas nagrzewania wiąże szybkość nagrzewania, ogólnie określana jako pochodna temperatury po czasie. Szybkość nagrzewania ze względów ekonomicznych powinna być jak największa, jednak jest ona ograniczona przez podstawowe grupy czynników związanych ze wsadem i układem grzewczym. Do czynników związanych ze wsadem należą przewodność cieplna materiału wsadu, jego masa, kształt i wymiary przekroju poprzecznego, rozmieszczenie wsadu w urządzeniu grzewczym, obciążenie cieplne pieca.
W praktyce dla zrealizowania operacji obróbki cieplnej niezbędne jest określenie czasu grzania, tj. nagrzewania i wygrzewania wsadu. Czas grzania może być określony na podstawie teoretycznych obliczeń lub za pomocą empirycznych wyrażeń opracowanych na podstawie praktyki przemysłowej oraz eksperymentów.
Urządzenia do obróbki cieplnej
podstawowe
- piece
- nagrzewnice
- wytwarzające atmosfery regulowane
2. pomocnicze
- czyszczące
- myjące
- transportowe zewnętrzne
3. agregaty
- nagrzewnicowe
- piecowe
Szybkość chłodzenia określana jako pochodna temperatury po czasie zależy od temperatury i własności ośrodka chłodzącego, jak również od zakresu temperatur, w którym jest chłodzony wsad oraz od przewodności cieplnej materiału obrabianego cieplnie. W zależności od rodzaju ośrodka chłodzącego mechanizm wymiany ciepła i związany z nimi przebieg szybkości chłodzenia w funkcji czasu oraz temperatury różni się.
Ogólnie jako kryterium podziału ośrodków chłodzących można przyjąć ich stan skupienia. Największą grupę stanowi ośrodki ciekłe, mniejszą gazowe, a w dalszej kolejności stale. Ośrodki fluidalne, składające się ze sproszkowanych ciał stałych fluidyzowanych strumieniem gazów, a także mgłę wodną zalicza się do grupy ośrodków mieszanych.
Ze wzrostem przegrzania cieczy intensywność przejmowania ciepła zwiększa się znacznie. Duży wzrost współczynnika przejmowania ciepła spowodowany jest powstaniem na powierzchni chłodzonego przedmiotu pęcherzyków pary i ich bardzo wzmożonych ruchem, w trakcie przebiegającej tzw. fazy wrzenia pęcherzykowego. Ze wzrostem przegrzania cieczy chłodzącej w obrębie przedmiotu chłodzonego i w punkcie C współczynnik przejmowanie ciepła osiąga wartość maksymalną. Równa intensywność przejmowania ciepła w punkcie C osiąga wartość maksymalną w pewnym zakresie przegrzania cieczy.
Hartowność materiałów i hartowanie
Stale wymagają szybkiego odbioru ciepła
- Przejście austenit - martenzyt
- szybko odbiór ciepła zapobiega tworzeniu się faz niepożądanych (bainit i perlit)
- krytyczna szybkość chłodzenia
* 100% przejścia z fazy austenitu do fazy martenzytu
* krzywe CCT
* zależność od składu chemicznego
Hartowność
Jest zdolnością materiału do zwiększenia własności mechanicznych
- nie jest to zdolność do „twardości”
- skład chemiczny określa hartowność
Dodatki stopowe
- przesuwają wykres żelazo-węgiel w prawo
- zapewniają więcej czasu do zajścia przemiany
- pozwalają na wolniejsze chłodzenie
Zawartość węgla
- przesuwa lekko krzywe w prawo
- podnosi temperaturę Ms
Mechanizm hartowania:
moment zanurzenia - koszulka parowa naokoło próbki
czas 5s - faza gotowania w narożach
czas 10s - faza gotowania wędruje w kierunku centrum próbki
czas 15s - koszulka parowa, faza gotowanie i konwekcji naraz
czas 30s - tylko faza konwekcji
Szybkość chłodzenia
Pomiar różnymi metodami:
- wartość - H
- GM Quenchometer Test
- IVF
Wartość - H
metoda Grossmanna
określana przez pomiar szybkość hartowania w 1300F I porównanie do szybkości hartowania wody w bezruchu w 1300F
typowe wartości (zależne od mieszania)
GM Quenchometer
- szeroko stosowany w USA do specyficznych zastosowań (ASTM D 3520)
-szybkość hartowania określana jako czas do chłodzenia 7/8'' kulki niklowej z 1600F do 670F (punkt Curie)
- dobra korelacja w aspekcie twardości ale nieprzydatny w przypadku zniekształceń
- typowe wartości - olej szybki - 8-10s, olej wolny - 15-20s.
Szybkość hartowania
Analiza krzywych hartowania
- coraz częściej stosowana do zrozumienia podstaw hartowania
- metoda oparta na próbkach z termoparami, pomiar temperatury i czasu
- typowe standardy: JIS K 2242, ISO 9950, ASTM D 6600,
- stosowane próbki: srebrna próbka, IVF
Zniekształcenia i naprężenia szczątkowe
- podstawowymi problemami jakościowymi występującymi w obróbce cieplnej, przyczynami brakowania i naprawy są zmiany geometryczne powstałe w procesie hartowania i naprężenia wewnętrzne
- możliwość wystąpienia zniekształceń powinna być brana pod uwagę podczas całego procesu obróbki cieplnej
- im większa dokładność wykonania detalu jest wymagana tym zniekształcenia podczas obróbki cieplnej są większym problemem
Materiał:
- skład chemiczny
- wrażliwość
- mikrostruktura i obróbka wcześniejsza
- segregacja domieszek stopowych
- odwęglenia
- sposób dystrybucji naprężeń
Projekt
- dobór materiału
- geometria
Nagrzewanie:
- temperatura pieca
- grzanie wstępne
- szybkość nagrzewu
- jednorodność temperatury
- sposób transportu
- wielkość wsadu
- zderzenia części
- nawęglanie
- kontrola atmosfery
Operacje przed:
- naprężenia
- zgniot
- mikrostruktura
- naprężenia po szlifowaniu
- śrutowanie lub piaskowanie
Hartowanie
- temperatura ośrodka
- mieszanie
- rodzaj środka
- zanieczyszczenia
- wielkość wsadu
- zderzenia mechaniczne
- sposób transportu
- temperatura wyciągania
Po hartowaniu:
- transport
- czas do odpuszczania
- temperatura kąpieli myjącej
- ciśnienie natrysku
Odpuszczanie
- temperatura pieca
- grzanie wstępne
- szybkość nagrzewu
- jednorodność temperatury
- wielkość wsadu
- zderzenia mechaniczne
- teksturyzacja
Wykańczanie
- obróbka wiórowa - szlifowanie - trawienie - śrutowanie lub piaskowanie
- utwardzanie - galwanizowanie - suszenie po malowaniu - zdrowienie
Porównanie hartowania w oleju i polimerach
Ośrodki hartownicze
- oleje hartownicze (węglowodorowe, odtwarzalne, kontrola i obsługa)
- polimery hartownicze ( glikol polialkilenowy (PAG), polyacrylaty sodowe (ACR), polybinyl pyrrolidone (PVP), polyethyl oxazoline (PEO), kontorla i obsługa)
Oleje hartownicze
Różne typy olejów hartowniczych
- szybkość hartowania zależna od ciężaru molekuł i lotności składników oleju
- różnice uwidaczniają się w różnej szybkości chłodzenia i stabilności termicznej
Szybkość hartowania zależna jest od: - temperatury - stopnia mieszania - poziomu zanieczyszczeń i stanu
Podstawowe typy olejów: - do hartowania na zimno - do hartowania na gorąco
Oleje hartownicze bio-degradowalne
- przyjazne dla środowiska - spełniają podwyższone wymagania pod względem BHP
Oleje hartownicze na bazie oleju rzepakowego
- prawie w całości bio-degradowalne - potencjalnie dużo mniejsza toksyczność - pochodzi ze źródeł odnawialnych - wyższy punkt zapłonu i temperatura wrzenia w porównaniu do oleju mineralnego
Zalety roztworów polimerowych
Środowiskowe - eliminacja zagrożenia pożarowego (mniejsze koszty instalacji ppoż., niższe stawki ubezpieczenia), - poprawa czystości hartowni i miejsca pracy
Techniczne - elastyczność krzywej hartowania (kształtowanie za pomocą kontroli stężenia, temperatury i szybkości mieszania) - brak zagrożeń przy zanurzaniu wsadu - możliwość uzyskania niższych zniekształceń
Produkcyjne - mniejsze koszty napełnienia wanny, mniejsza lepkość ze względu na zawartość wody (niższe wynoszenie z wanny i mniejsze uzupełnienia, - łatwiejsze mycie, - mniejszy wzrost temperatury kąpieli w trakcie hartowania (roztwory polimerowe mają prawie dwa razy wyższe ciepło właściwe niż oleje hartownicze, - mniejsze zniekształcenia (niższe koszty napraw i prostowania)
Obróbka - nadanie nowych cech przedmiotowi obrabianemu, zgodnie z założeniami technologicznymi, no. Wymiarów, twardości, gładkości. W zależności od tego jak będziemy klasyfikować metody obróbki, utworzymy podział obróbki wg tych metod. Obróbka jest procesem przetwarzania surowca w końcowy produkt. Obróbki dokonuje się za pomocą narzędzi lub maszyn wytwórczych.
Obróbka termiczna - rodzaj obróbki, w której określony zabieg technologiczny zmienia w stanie stałym strukturę oraz wszelkie jego własności. Obróbka ta jest stosowana w różnego rodzaju typu metalach w celu dalszej ich obróbki.
Rodzaje obróbki cieplnej: - wyżarzanie - hartowanie - odpuszczanie - ulepszanie cieplne - przesycanie
- stabilizowanie
Wyżarzanie jest zabiegiem cieplnym polegającym na nagrzaniu elementu stalowego do odpowiedniej temperatury, przetrzymaniu w tej temperaturze jakiś czas, a następnie powolnym schłodzeniu. Ma głównie ono na celu doprowadzenie stali do równowagi termodynamicznej w stosunku do stanu wyjściowego, który jest znacznie odchylony od stanu równowagowego. Wyżarzanie przeprowadza się w różnych celach, w zależności od temperatury w jakiej jest prowadzone.
Z przemiana alotropową:
- wyżarzanie zupełne - przeprowadzanie w temperaturze 30-50C powyżej linii GSE wykresu żelazo-węgiel temperatury przemiany austenitycznej. Polega na wygrzaniu w tej temperaturze, a następnie powolnym schłodzeniu, zwykle wraz z piecem. Stosuje się je w celu uzyskania drobnoziarnistej struktury, zwykle do staliwnych odlewów.
- wyżarzanie normalizujące (normalizowane) - przeprowadzane w temperaturze 30-50C powyżej linii GSE wykresu żelazo-węgiel temperatury przemiany austenitycznej, kiedy tworzy się już czysty austenit bez udziału ledeburytu. Po ostudzeniu w powietrzu otrzymuje się w ten sposób jednolitą strukturę i usuwa naprężenia, powstałe w czasie poprzedniej obróbki. Normalizowaniu poddaje się wyższej jakości wyroby hutnicze oraz przedmioty przeznaczone do dalszej obróbki cieplnej, np. połączeniu hartowania. Odmianą normalizowania jest wyżarzanie niezupełne, gdy w strukturze stali dopuszcza się obok austenitu także i ledeburyt. Nagrzewa się wtedy stal do temperatury powyżej linii GSK wykresu żelazo - węgiel.
- wyżarzanie zmiękczające (sferoidyzacja) - przeprowadzane w temperaturze zbliżonej do temperatury przemiany austenitycznej. Zwykle najpierw wygrzewa się w temperaturze około 15C powyżej linii PSK wykresu żelazo - węgiel, następnie 15C poniżej tej temperatury, po czym następuje powolne schładzanie. Taki zabieg powoduje przemianę cementytu płytkowego w postać kulkową, sferoidalną, co podwyższa obrabialność skrawaniem stopu. Takiemu wyżarzaniu poddaje się stale, staliwa i żeliwa.
- wyżarzanie ujednorodniające - przeprowadzane w temperaturach pomiędzy 1000-1200C w celu ujednorodnienia składu chemicznego stali w całym przekroju, jeśli wskutek błędów w poprzednich operacjach nie uzyskano takiej jednolitości.
- wyżarzanie grafityzujące (grafityzacja) - stosuje się w stosunku do żeliwa białego w celu uzyskania żeliwa ciągłego. W czasie tego typu wyżarzania cementyt rozkłada się na ferryt i grafit.
Bez przemiany alotropowej:
- wyżarzanie rekrystalizujące (rekrystalizacja) - przeprowadzane w temperaturach pomiędzy 550- 650C. poddaje się mu wyroby wcześniej obrabiane plastycznie na zimno w celu usunięcia niekorzystnego wpływu zgniotu.
- wyżarzanie odprężające - przeprowadzane w temperaturach pomiędzy 400-500C. w tych temperaturach stop zyskuje znaczną plastyczność, co umożliwia usunięcie wewnętrznych naprężeń (powstałych podczas krzepnięcia odlewu lub spoiny) poprzez zamienienie ich na odkształcenia plastyczne)
- wyżarzanie stabilizujące - przeprowadzane w temperaturach pomiędzy 100-150C i trwa od kilku do kilkudziesięciu minut, w stosunku do wyrobów odlewniczych w celu usunięcia naprężeń odlewniczych. Stabilizowanie jest przyśpieszoną metodą sezonowania.
Hartowanie - jest zabiegiem cieplnym, któremu poddawana jest stal, składającym się z dwóch bezpośrednio po sobie następujących faz. Pierwszą fazą to nagrzewanie do temperatury powyżej przemiany austenitycznej (dla stali węglowej 723C)(zwykle 30-50C powyżej temperatury przemiany austenitycznej) i wygrzewanie, tak długo jak to potrzebne, by nastąpiła ona w całej objętości hartowanego obiektu. Drugą fazą jest szybkie schładzanie. Szybkość schładzania musi być taka, by z austenitu nie zdążył wydzielić się cementyt i jego struktura została zachowana do temperatury przemiany martenzytycznej, w której to austenit przemienia się w fazę zwaną martenzytem. Stal posiadająca strukturę martenzytyczną nazywana jest stałą martenzytyczną lub hartowaną. Hartowanie przeprowadza się by podnieść twardość i wytrzymałość stali.
Hartowanie indukcyjne - przedmiot przeciągany jest przez cewkę, otaczającą go (możliwie najciaśniej). Prądy wirowe, powstałe w przedmiocie powodują efekt powierzchniowy, w którym wskutek oporności materiału, zamieniają się na ciepło. Mimo konieczności budowy skomplikowanych stanowisk hartowniczych, metoda ta zyskuje na popularności, ze względu na możliwość kontrolowania temperatury oraz głębokości nagrzewania.
Hartowanie kąpielowe- polega na zanurzeniu przedmiotu w kąpieli saletrowej lub ołowiowej i przetrzymaniu w niej na krótką chwilę. Temperatura kąpiel musi być na tyle wysoka, by w jej czasie powierzchnia przedmiotu podniosła się ponad temperaturę przemiany austenitycznej.
Inne typy hartowania: - laserowe - kontaktowe - elektrolityczne - impulsowe
Hartowanie izotermiczne
Jest hartowaniem, w którym nie zachodzi przemiana martenzytyczna. Nagrzany przedmiot utrzymuje się w kąpieli z roztopionej saletry lub ołowiu, w temperaturze powyżej początku przemiany martenzytycznej. Nazwa metody pochodzi od faktu, iż kąpiel zachowuje stałą temperaturę. W hartowaniu tego typu nie powstaje martenzyt, lecz następuje rozpad austenitu na inne fazy, np. bainit, dając stali własności podobne jak po hartowaniu z odpuszczaniem. Zaletą metody jest brak naprężeń hartowniczych, lecz jest ona procesem długotrwałym, niekiedy przeciągającym do kilku godzin.
Hartowanie powierzchniowe
Metoda, w której nie nagrzewa się całego przedmiotu (hartowanie na wskroś) lecz tylko powierzchnie przedmiotu. W związku z tym tylko warstwa powierzchniowa podlega hartowaniu. Stosowane wszędzie tam, gdzie wymagane jest utwardzenie tyko fragmentów powierzchni przedmiotu. Istnieje kilka metod hartowania powierzchniowego.
Hartowanie płomieniowe
Powierzchnia przedmiotu lub jej fragment nagrzewana jest płomieniem palnika, a następnie schładzana silnym strumieniem wody.
Odpuszczanie
Jest to zabieg cieplny stosowany do przedmiotów uprzednio zahartowanych, polegający na nagrzaniu ich do temperatury niższej od przemian fazowych, wygrzaniu w tej temperaturze z następnym chłodzeniem powolnym lub przyspieszonym. Jest ono stosowane w celu polepszenia właściwości elementów przy jednoczesnym usunięciu naprężeń własnych, które mogłyby doprowadzić do ich pękania. Przemiany zachodzące w martenzycie podczas nagrzewania można podzielić na cztery etapy. Śledzenie tych przemian umożliwiają badania dylatometryczne. Pierwsze stadium 80-200C jest związane z rozkładem martenzytu i wydzieleniem w nim węglika Fe2C o strukturze heksagonalnej. Następuje zmniejszenie stężenia węgla w austenicie, zmniejszenie tetragonalności martenzytu, tworzy się martenzyt o sieci regularnej - martenzyt odpuszczony. Drugie stadium 200-300 jest związane z dalszym wydzielaniem się z roztworu węglika ε, skutkiem czego zawartość węgla w martenzycie maleje do około 0,15%, równocześnie zachodzi dyfuzyjna przemiana austenitu szczątkowego w strukturę o charakterze bainitycznym, w etapie tym otrzymujemy mieszaninę ferrytu nieznacznie przesyconego węglem oraz węglika ε. W miarę wydzielania się węglików z martenzytu stopień tetragonalności jego struktury sieciowej c/a maleje. Trzecie stadium 300-400C następuje całkowite wydzielenie węgla z roztworu, a wydzielone węgliki ε ulegają przemianie na cementyt. Otrzymana struktura w tym etapie jest mieszaniną ferrytu i cementytu. Czwarte stadium 400-650C zachodzi w nim koagulacja cząsteczek cementytu, wzrastająca ze wzrostem temperatury. Struktura otrzymana w tym zakresie temperatur będąca mieszaniną ferrytu i cementytu nazywa się sorbitem (cząstki cementytu mają kształt globularny). Na tym etapie następuje całkowite usunięcie naprężeń.
Wyróżniamy odpuszczanie: - niskie 150-250C - średnie 250-500C - wysokie 500C-Ac1
Przesycanie
Obróbka cieplna polegająca na wygrzewaniu stopów, np. stopów aluminium lub magnezu, powyżej temperatury granicznej rozpuszczalności składnika stopowego i gwałtownym oziębianiu. Celem przesycenia jest zatrzymanie rozpuszczonego składnika w roztworze stałym, lecz przesyconym. Sama obróbka nieznacznie podwyższa właściwości plastyczne stopu i dopiero wyżarzanie starzejące podnosi znacznie jego właściwości wytrzymałościowe.
Piece do obróbki cieplnej
Piece komorowe
- niskotemperaturowe - średniotemperaturowe - wysokotemperaturowe
Komorowe z przedsionkiem hartowniczym i wanną
Piece wgłębne
- wgłębne o temperaturze znamionowej 950C - wgłębne niskotemperaturowe
Piece w rusztem wstrząsowym
Piece bębnowe
Piece taśmowe
- taśmowe niskotemperaturowe - taśmowe wysokotemperaturowe - taśmowe o temperaturze znamionowej 1000 i 1150C
Piece przepychowe
Piece wgłębne
- piece wgłębne o temperaturze znamionowe 950C
- stosowane są dwa sposoby instalowania pieców wgłębnych na hali produkcyjnej. Najczęściej piec jest wgłębiony pod poziom hali tak, że nad powierzchnią podłogi wystaje jego część na wysokość umożliwiającą swobodną obsługę.
- płaszcz zewnętrzny pieca wykonany jest z cienkiej blachy, ściany boczne i spód wykonane są z warstw ceramiki ognioodpornej i materiałów izolacyjnych
- można wyodrębnić cztery podstawowe odmiany konstrukcyjne pieców wgłębnych zasadniczo różniące się budową.
Metale lekkie
Metale o małej gęstości, kilkakrotnie mniejszej od gęstości żelaza. Należą do nich pierwiastki I i II grupy układu okresowego, ponadto takie pierwiastki jak: skand, tytan, itr i glin.
Stopy metali lekkich
Stop metali - mieszanina metali lub metalu z pierwiastkami niemetalicznymi o właściwościach metalu, uzyskuje się przez stopienie składników i następnie schłodzenie. Stop najczęściej posiada odmienne właściwości od jego elementów składowych, w niektórych przypadkach nawet niewielkie dodatki wpływają znacznie na właściwości stopu.
Klasyfikacja obróbki cieplnej zwykłej stopów nieżelaznych.
Wyżarzanie:
-ujednorodniające, -utwardzające poniżej temperatury rekrystalizacji, -zmiękczające poniżej temperatury rekrystalizacji, -rekrystalizujące zupełnie -rekrystalizujące niezupełnie, -odprężające, -zmiękczające, -zupełne, -nawrotujące, -zdrowienie, -poligonizacja, -stabilizowanie (naturalne, przyspieszone)
Hartowanie
Odpuszczanie: -utwardzające -zmiękczające -stopniowe
Przesycanie: -zwykłe -stopniowe -izotermiczne
Starzenie: -naturalne -przyspieszone (zwykłem naturalne, przestarzenie) -stopniowe
Utwardzanie wydzieleniowe naturalne
Utwardzanie wydzieleniowe przyspieszone
Utwardzanie wydzieleniowe przedłużone
Glin (Al., łac. Aluminium)
Jest srebrzystobiałym, kowalnym i ciągliwym metalem o własnościach amfoterycznych, gęstość= 2.699 g/cm3, temperatura topnienia=660,37C
Właściwości wytrzymałościowe czystego aluminium są niewielkie, ma on natomiast dobre właściwości plastyczne.
W stanie czystym powoli utlenia się na powietrzu, ulegając pasywacji, czyli wytworzeniu cienkiej warstwy tlenku Al2O3, silnie i szczelnie przylegającej do powierzchni. Warstwa ta chroni metal przed dalszym utlenianiem, jest nierozpuszczalna w wodzie.
Wytwarza się aluminium o różnych stopniach czystości. Najczystszy gatunek A199,995R jest używany przy wytwarzaniu aparatury chemicznej i folii kondensatorowych. A199,5HE na przewody elektryczne. A199 na wyroby codziennego użytku. Aluminium przerabia się plastycznie - walcuje lub wyciska. Obróbkę plastyczną można przeprowadzać na zimno lub na gorąco.
Stopy aluminium
Własności wytrzymałościowe, czystego aluminium są stosunkowo niskie, dlatego stosuje się stopy, które po odpowiednio obróbce cieplnej mają wytrzymałość nawet kilkakrotnie większą. Stopy aluminium dzieli się na: odlewnicze i do obróbki plastycznej.
Odlewnicze
Do odlewniczych zaliczamy stopy przeważnie wieloskładnikowe o większej zawartości pierwiastków stopowych (5-25%), np. z krzemem (silumin), z krzemem i magnezem, z krzemem i miedzią, miedzią, magnezem i manganem, z krzemem, niklem, magnezem i manganem i inne. Cechują się one dobrą lejnością i małym skurczem.
Silumin
Typowy stop odlewniczy - stop aluminium z dodatkiem krzemu, oraz innymi (o mniejszym udziale procentowym) dodatkami takimi jak miedź, magnez, mangan i nikiel, odporny na korozję, popularny w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym.
Siluminy mają bardzo dobre właściwości odlewnicze, tzn. dobrą lejność, mały skurcz, dokładnie wypełniają formę, tworzą skoncentrowaną jamę usadową i nie wykazują skłonności do pękania. Dodatki stopowe, takie jak magnez i miedź zwiększają wytrzymałość, nikiel poprawia odporność korozyjną stopu.
Najpopularniejsze Siluminy to AK12 i AK20, wykorzystywane powszechnie na tłoki cylindrów.
W celu poprawienia właściwości wytrzymałościowych i plastycznych siluminów dokonuje się ich modyfikacji.
Do ciekłego stopu o temperaturze wyższej od temperatury odlewania dodaje się modyfikatory powodujące rozdrobnienie struktury i zaokrąglenie kryształków krzemu.
Następuje zmiana układu równowagi Al.-Si, obniża się temperatura eutektyczna, przesuwają się punkty eutektyczne do większej zawartości krzemu (ok. 14%)
Modyfikowane stopy po zakrzepnięciu mają strukturę drobnoziarnistej eutektyki.
Podział siluminów: - podeutektyczne - eutektyczne - nadeutektyczne
Silumin podeutektyczny o zawartości 4-10% Si jest stosowany na odlewy głowic silników spalinowych, części dla przemysłu motoryzacyjnego, lotniczego, maszynowego.
Silumin eutektyczny o zawartości 10-13% Si - znalazł zastosowanie na odlewy tłoków silników spalinowych, odlewy części o skomplikowanych kształtach, średnio obciążone części dla przemysłu elektrycznego i okrętowego, np. części silników, armaturę, pompy itp. Temperatura pracy do 300C i odporność na korozję w wodzie morskiej.
Silumin nadeutektyczny o zawartości 17-30% - są przeznaczone na odlewy silnie obciążonych silników spalinowych.
Stopami odlewniczymi aluminium poza silu minami są stopy z miedzią i magnezem.
Stopy z miedzią oznaczamy literami AM i liczbą wskazującą na procentowy udział głównego dodatku. Zawartość miedzy w tych stopach wynosi od 4 do kilkunastu procent, poza tym stopy mogą zawierać także tytan, magnez i krzem. Stopy te mają dobrą lejność, można zwiększyć ich wytrzymałość przez utwardzenie wydzieleniowe.
Stopy z magnezem mają gorszą lejność, ale dobre właściwości wytrzymałościowe i plastyczne, są odporne na działanie wody morskiej. Należy je również obrabiać cieplnie, stosując utwardzenie wydzieleniowe.
Do obróbki plastycznej
Głównym dodatkiem stopowym stopów aluminiowych przeznaczonych do obróbki plastycznej na zimno i na gorąco są: miedź, mangan, cynk lub od niedawna lit. Dodatkowo w mniejszych ilościach mogą wystąpić: nikiel, żelazo, chrom, tytan i krzem. Wszystkie te dodatki zwiększają wytrzymałość stopów.
Stopy aluminium do obróbki plastycznej są szeroko stosowane na elementy konstrukcji lotniczych.
Najpopularniejszym duraluminium jest [AlCu4Mg1] zawierające 3,8 - 4,8% miedzi, do 1,1% magnezu i do 1,0% manganu. Zgodnie z układem równowagi Al.-Cu stop ten ma strukturę roztworu stałego alfa miedzi w aluminium oraz fazy ϴ
Warunek podatności na starzenie
Warunkiem jest zmiana rozpuszczalności w stanie stałym z temperaturą
W wielu stopach, zwłaszcza gdy mamy do czynienia z roztworami międzywęzłowymi, lub w substytucyjnych roztworach, gdy granica rozpuszczalność jest mała (poniżej 1%) zależność rozpuszczalności składnika od temperatury można wyrazić wzorem: C=Be-Q/RT, gdzie C jest granicą rozpuszczalności składnika, B- stała, Q -energia oddziaływania atomów, R i T mają swe zwykłe znaczenie.
Taką zależność spełniają np. stopy żelaza z węglem lub azotem. Ma to duże znaczenie praktyczne, ponieważ zjawisko to można wykorzystać do utwardzenia stopów przez wydzielenie dyspersyjnych cząstek z przesyconego roztworu stałego.
Starzenie
Przesycony roztwór ma tendencję do wydzielania nadmiaru rozpuszczonych atomów. Taki proces nazywa się starzeniem.
Starzenie może zachodzić przy temperaturze otoczenia i wtedy nazywa się starzeniem samorzutnym.
Jeśli zachodzi przy temperaturze podwyższonej (niższej jednak od temperatury nasycenia dla danego stopu), mamy do czynienia ze starzeniem przyspieszonym.
Wydzielenie cząstek z przesyconego roztworu jest typowym procesem zarodkowania i wzrostu.
Magnale
To ogólna nazwa stopów metali zawierających głównie aluminium, któremu towarzyszy domieszka magnezu w ilości od 3-30%. Dodatkowo stopy te mogą zawierać niewielką domieszkę miedzi. Magnale są stopami o gęstości niższej od aluminium, za to o wyższej odporności na korozję, np. gęstość przy 10% magnezy wynosi 2.55g/cm3, przy gęstości aluminium równej 2,7. zastosowanie: części silników, konstrukcje lotnicze.
Magnez
Jest srebrzystobiałym metalem o gęstości 1.74g/cm3 (najlżejszy z metali trwałych w warunkach atmosferycznych) i temperaturze topnienia 648,8C. przed utlenieniem się na powietrzu chroni go szczelnie przylegająca warstewka tlenku magnezu. W wysokiej temperaturze, szczególnie rozdrobniony, magnez zapala się łatwo na powierzchni i płonie oślepiającym blaskiem (co wykorzystywano dawniej w fotografii, do celów oświetleniowych)
Metaliczny magnez znajduje zastosowanie do produkcji lekkich stopów, np. elektronu (magnezu z glinem, do 10% oraz z domieszkami cynku, manganu i krzemu) i in. (magnale, duraluminium, magnalium) oraz wyroby sztucznych ogni (masy oświetlające, smugowe, zapalające), chlorek magnezu - do produkcji cementu Sorela, zaś sole magnezu - w lecznictwie.
Elektron - stop magnezu z aluminium, cynkiem , manganem i krzemem o małym ciężarze właściwym i dobrych własnościach mechanicznych. Stosowany jest w przemyśle lotniczym, samochodowym, precyzyjnym itp.
Magnale - stopy glinu z magnezem, niekiedy z dodatkiem małej ilości miedzi, lżejsze od glinu, odporne na korozję. Wykorzystywane są w przemyśle lotniczym i przy produkcji części do silników.
Najnowszymi super lekkimi stopami są stopy magnezu z litem. Zazwyczaj stosuje się je na elementy rakiet i pojazdów kosmicznych oraz w przemyśle lotniczym.
Obróbka cieplna stopów magnezu
Do obróbki cieplnej stopów magnezu zalicza się wyżarzanie ujednorodniające, zmiękczające oraz utwardzenie wydzieleniowe.
Wyżarzanie ujednorodniające prowadzi się w temperaturze 345-420C w czasie 16+20h w celu usunięcia segregacji dendrytycznej.
Wyżarzanie zmiękczające polega na wygrzaniu w podobnej temperaturze w czasie 2-6h w celu zmniejszenia twardości.
W celu utwardzenia wydzieleniowego przesycenie prowadzi się w temperaturze ok. 420C dla stopów z aluminium 530C z neodymem. Czas ok. 24h. starzenie odbywa się w temperaturze 170-230C w czasie od 4-16h. po takiej obróbce uzyskujemy znacznie większą wytrzymałość na rozciąganie.
Tytan (Ti, titanium) - pierwiastek chemiczny z grupy metali przejściowych w układzie okresowym.
Tytan stosuje się w pompach jonowych i sublimacyjnych do wytwarzania ultra wysokich, „czystych” próżni. Ponadto wykorzystywany jest we współczesnej implantologii, dzięki swojej wysokiej biokompatybilności i zdolności do osseointegracji.
Tytan ulega przemianie alotropowej w temperaturze 882C, poniżej tej temperatury występuje alfa-Ti o sieci heksagonalnej, a powyżej beta-Ti o sieci regularnej przestrzennie centrowanej. Ma on lepsze właściwości plastyczne i dlatego nadaje się do obróbki plastycznej. Tytan i jego stopy cechuje wysoka wytrzymałość w odniesieniu do ciężaru właściwego i bardzo dobra odporność korozyjna oraz żaroodporność szczególnie w ośrodkach utleniających. Wynika to z faktu, że w atmosferze utleniającej elementy ze stopów Ti pokrywają się warstewką tlenku TiO2. reaktywność ciekłego Ti z tlenem, azotem i wodorem stwarza trudności metalurgiczne.
Stopy tytanu są bardzo lekkie i wytrzymałe mechanicznie - zwłaszcza na rozciąganie i są wykorzystywane w przemyśle lotniczym, kosmicznym, a także do budowy rowerów i innych przyrządów sportowych, statków, w metalurgii jako odtleniacze. Produkowane są z nich także narzędzia i implanty chirurgiczne, elementy żaroodporne, gettery, narzędzia skrawające, aparatura laboratoryjna. Tytan jest składnikiem materiałów ceramicznych, farb i lakierów, zasłon dymnych. Stopy tytanu mają lepsze własności mechaniczne od stopów glinu, ale są od nich znacznie droższe. Tytan jest dodatkiem do stali, jego stopy są stosowane w konstrukcjach pojazdów kosmicznych, samolotów.
Zastosowanie mosiądzów do obróbki na zimno
Mosiądz do obróbki na zimno wyrabiany jest w postaci taśm, płaskowników, blach, drutów, rur, prętów, itp. Z tych półwyrobów wykonuje się następnie m.in. rurki do chłodnic samochodowych, membrany, wyroby artystyczne, łuski, nity, nakrętki, części skraplaczy i wężownice.
Systemy oznaczania mosiądzów
Mosiądze oznaczane są w dwojaki sposób: poprzez znak lub cechę. W oznaczeniu przez znak początek oznaczenia tworzy symbol Cu lub Zn, następnie podaje się procentową zawartość cynku w stopie. W sytuacji występowania w mosiądzu dodatkowych pierwiastków umieszcza się ich oznaczenie w kolejności od największej do najmniejszej zawartości, po każdym z nich umieszczając wartość procentową.
Mosiądze do obróbki plastycznej na gorąco
Mosiądze do obróbki plastycznej na gorąco posiadają strukturę dwufazową alfa + beta'. Konieczność obróbki na gorąco wynika z faktu kruchości fazy beta; i braku możliwości jej obróbki plastycznej. Dopiero po podgrzaniu do temperatury powyżej 450C następuje odwrotna jak przy krzepnięciu przemiana porządek nieporządek, a zamiast fazy beta' pojawia się faza beta, która z łatwością pozwala się obrabiać plastycznie.
Zastosowanie mosiądzów do obróbki na gorąco
Mosiądze te są dostarczane w postaci takich samych półwyrobów jak w przypadku mosiądzów do obróbki na zimno. W dalszej kolejności wyrabia się z nich różne odkuwki precyzyjne, a także części obrabiane skrawaniem po obróbce plastycznej. Z niektórych gatunków mosiądzu wykonuje się części odporne na ścieranie lub elementy silnie obciążone.
Mosiądze odlewnicze
Podobnie jak mosiądze do obróbki plastycznej na gorąco mają strukturę dwufazową alfa + beta' . różni się on jedynie dendrytycznym charakterem krzepnięcia. Dendryty są strukturami o rozbudowanym, drzewkowym kształcie. Podczas stygnięcia stopu krzepną jako pierwsze. Prowadzi to często do segregacji chemicznej, co z kolei pogarsza właściwości odlewu. Wszystkie mosiądze odlewnicze są stopami wieloskładnikowymi, tzn. że oprócz cynku zawierając jeszcze takie pierwiastki jak ołów, mangan, aluminium, krzem czy nikiel. Większe nagromadzenie dodatków stopowych może prowadzić do powstania dodatkowej fazy oprócz występujących alfa + beta'. Mosiądze mają dobrą lejność, co gwarantuje szczelne wypełnienie nawet cienkościennych części formy. Dzięki temu, że odlewy mosiężne nie zawierają porów można z nich wykonywać armaturę hydrauliczną i gazową.
Obróbka cieplna mosiądzów
Mosiądze poddaje się najczęściej dwóm rodzajom obróbki cieplnej: wyżarzaniu rekrystalizującemu lub wyżarzaniu odprężającemu. Częściej stosuje się pierwszy zabieg, a poddaje się mu mosiądze o strukturze alfa obrabiane na zimno, celem jest usunięcie umocnienia spowodowanego zgniotem i umożliwienie prowadzenie dalszej obróbki plastycznej. Temperatura wyżarzanie rekrystalizującego mieści się w granicach 450-650C. mosiądze poddaje się również wyżarzaniu odprężającemu, w przypadku stopu obrabianego na zimno, a nie poddanego rekrystalizacji. Temperatura odprężania to 200-300C. Naprężenia pojawiają się też czasem w odlewach i wtedy koniecznie jest zastosowanie także dla nich wyżarzania odprężającego.
Korozja mosiądzów
Mosiądze podlegają dwóm rodzajom korozji:
-korozja naprężeniowa - polega na nagłym pękaniu wyrobu wzdłuż granicy ziaren. Powodem jest występowanie środowiska korozyjnego oraz naprężeń powstałych podczas produkcji bądź podczas pracy wyrobu.
-odcynkowanie - ma charakter elektrochemiczny. Zachodzi w sytuacji pojawienia się elektrolitu, jego składniki przechodzą do roztworu, z którego wydziela się miedź w postaci gąbczastej. Prowadzi to do gwałtownego pogorszenia właściwości wytrzymałościowych, temu rodzajowi korozji podlegają przede wszystkim mosiądze dwufazowe.
Odporność mosiądzu na korozję zwiększają dodatki takich pierwiastków jak aluminium, arsen, nikiel, cyna.
Brązy
Znane były już w odległej starożytności, sporządzano z nich narzędzia, broń i ozdoby, dlatego też epokę która nastąpiła po epoce kamienia i trwała do epoki żelaza nazwano epoką brązu. Nazwa brąz w zasadzie obejmuje stopy miedzi ze wszystkimi pierwiastkami poza cynkiem i niklem jako głównymi składnikami.
Brązy aluminiowe
Produkowane są zarówno jako odlewnicze jak i przerabiane plastycznie.
Dzielą się na dwuskładnikowe, zawierające do 10% Al i wieloskładnikowe, zawierające zwykle żelazo i mangan, żelazo i nikiel i inne dodatki.
Główne ich cechy to wysoka wytrzymałość i plastyczność zarówno w temperaturze otoczenia jak i w temperaturach podwyższonych oraz dobra odporność na ścieranie i korozję.
W postaci lanej brązy aluminiowe stosuje się na silnie obciążone części maszyn, silników oraz części osprzętu i aparatury, narażone na korozję i ścieranie przy równoczesnym obciążeniu mechanicznym. Brązy aluminiowe podlegają ulepszaniu cieplnemu.
1