Materiały a postęp cywilizacji. laboratorium

Transkrypt

1 Materiały a postęp cywilizacji laboratorium

2 Otrzymywanie żelaza i stali 1 - szyb pieca, 2 - wsad (węgiel drzewny + ruda żelaza), 3 - kotlinka wypełniona ściekającym podczas wytopu żużlem, 4 - łupka żelaza, 5 dysze, 6 - pierwotny poziom terenu, 7 - poziom dna kotlinki.

3 Schemat przebiegu procesu metalurgicznego w starożytnym piecu dymarskim

4 Fragment łupki żelaznej uzyskanej w doświadczalnym piecu dymarskim.

5 Szlif fragmentu łupki żelaznej. 1 Żużel; 2 - Przecięty pęcherz spieczonego żelaza; 3 - Węgiel drzewny.

6 Kęs żelaza dymarkowego powstały ze zgrzania łupki (rekonstrukcja

7 ciemne wtrącenia niemetaliczne i jasne ziarna ferrytu ciemne wtrącenia niemetaliczne, jasny ferryt i szary perlit wtrącenia niemetaliczne, jasny ferryt i szary perlit wtrącenia niemetaliczne, szary perlit, biały cementyt Stal dymarkowa (Biskupin) różne fragmenty tego samego wyrobu pow. 100x, traw. nital

8 Obserwacja zgładów z żelaza zgrzewnego odciąg mocujący zegar na wieży ratusza w Gdańsku

9 Zadanie 1: Próbka stali zgrzewnej pochodząca z odciągu mocującego zegar na Ratuszu Głównego miasta w Gdańsku. Zaobserwować makrostrukturę przy pomocy lupy i mikrostrukturę stosując mikroskop metalograficzny. Opisać wynik obserwacji mikroskopowej wiedząc, że mogą występować wtrącenia żużla- ciemne, nieregularne oraz dwa rodzaje ziarne metalu jasne (ferryt) i ciemne (perlit). Odpowiedzieć na pytanie czy ziarna są rozłożone równomiernie i czy występują skupiska ziarn jednego rodzaju.

10

11 Proces wielkopiecowy

12 PROCESY STALOWNICZE (USUWANIE NADMIARU WĘGLA i ZANIECZYSZCZEŃ) FRYSZOWANIE, dawny sposób świeżenia surówki; polegał na utlenianiu zawartych w niej domieszek (węgla, siarki, fosforu, krzemu, manganu i in.) w wysokiej temperaturze w piecach zw. fryszerkami (żelazne skrzynie wypełnione węglem drzewnym, do których z boku dyszami wdmuchiwano powietrze); stosowane od XIII w., w XVIII XIX w. wyparte przez bardziej wydajny proces pudlarski.

13 FRYSZOWANIE Proces fryszowania wg. encyklopedii Tiangong Kaiwu, 1637

14 PROCES PUDLARSKI, pudlingowanie, dawny proces świeżenia surówki; w piecach płomiennych opalanych węglem, zw. pudlarkami; gorące spaliny z paleniska przepływały do zbiornika z surówką (ładowaną do pieca w stanie stałym), powodując jej stopienie, a następnie dzięki tlenowi zawartemu w nadmiarze w spalinach utlenienie domieszek. Opracowany przez Anglika Henry`ego Corta (1784 opatentował piec pudlarski) spowodowało zarzucenie znacznie mniej wydajnego fryszowania. Obecnie nie stosuje się ze względu na małą wydajność i niską jakość stali w porównaniu z procesem konwertorowym.

15 PUDLINGOWANIE D A C F Piec pudlarski; A miejsce na wsad, F - ognisko (jako paliwo stosowano koks), C - komin z możliwością regulacji przepływu, D - mostek oddzielający wsad od bezpośredniego kontaktu z ogniskiem

16 Struktury stali pudlarskiej stal pudlarska makro, 1x stal pudlarska mikro, 100x

17

18 PROCESY STALOWNICZE - STAL KONWERTOROWA Proces konwertorowy - proces otrzymywania stali z ciekłej surówki (z dodatkiem złomu stalowego), przeprowadzany w konwertorach; polega na usuwaniu domieszek (krzemu, manganu, węgla, fosforu) przez ich utlenianie w wysokiej temperaturze przy użyciu powietrza lub tlenu (świeżenie). Jednym z pierwszych był PROCES KONWERTOROWY BESEMEROWSKI - w konwertorach o wyłożeniu kwaśnym, do świeżenia surówki o małej zawartości fosforu i siarki. Konwertor Bessemera

19 PROCES MARTENOWSKI w procesie besemerowskim tracone są wielkie ilości energii, gdy przedmuchuje się chłodne powietrze przez roztopione żelazo. By temu zapobiec, zastosowano gorące gazy powstałe po spaleniu gazu węglowego, do ogrzewania tego gazu i wdmuchiwanego do pieca powietrza, w którym gaz się spalał. Pozwoliło to osiągnąć na tyle wysoką temperaturę w piecu, że z łatwością topił się w niej złom stalowy dodawany do surówki. W rezultacie koszty produkcyjne znacznie spadły. Przez stopienie surówki i złomu z wapieniem usuwa się większość niepożądanych zanieczyszczeń, które wytrącają się w postaci żużla unoszącego się na powierzchni stopionego metalu. Pozostałe zanieczyszczenia usuwano dodając materiał bogaty w tlen, jak na przykład ruda żelaza. Proces martenowski wymaga dużo staranniejszej kontroli niż besemerowski, jest też znacznie wolniejszy. Jednak gdy metodą Bessemera daje się wytworzyć tylko kilka gatunków stali, to metoda Martina jest bardzo uniwersalna.

20

21 Konwertor Bessemera (1856 r.) Piec martenowski (1865 r.) Konwertor Thomasa (1877 r.) Podwyższenie temperatury świeżonego produktu stopienie stali. Obniżenie ilości zanieczyszczeń w stali Stal uzyskaną tymi metodami określa się mianem stali zlewnej. Charakteryzuje ją: - równomierność struktury - dość duży stopień zanieczyszczenia siarczkami i krzemianami Obserwacja zgładów ze stali zlewnej kątownik z konstrukcji dachu na Gmachu Głównym PG 1905 r

22 Zadanie 2: Próbka stali zlewnej pochodząca z konstrukcji dachu Gmachu Głównego PG (rok budowy 1905). Zaobserwować i opisać strukturę przy pomocy lupy i mikroskopu metalograficznego, wiedzą, że mogą występować wtrącenia niemetaliczne, rozwalcowane i ułożone wzdłuż kierunku walcowania stali, oddzielające włókna stali oraz dwa rodzaje dwa rodzaje ziarn metalu; jasne (ferryt) i ciemne (perlit). Odpowiedzieć jaką postać mają wtrącenia niemetaliczne oraz czy ziarna są rozłożone równomiernie, czy też występują skupiska ziarn jednego rodzaju.

23 Mikrostruktury stali zlewnej

24 Płaskownik, krzemian, SEM: a - plastyczny B - kruchy

25 (a) (b)

26 Współczesne metody produkcji stali

27 Wytwarzanie stali w zasadowym procesie tlenowym. Celem usunięcia zanieczyszczeń, do konwertora załadowanego surówkążelazną i złomem stalowym wdmuchuje się tlen. Zachodzące reakcje chemiczne wydzielają ciepło utrzymujące ładunek w stanie ciekłym.

28 Po II wojnie światowej rozwijać się zaczęła elektrometalurgia. Zmodyfikowano proces konwertorowy. Wprowadzono technologię odlewania ciągłego. Elektrometalurgia to otrzymywanie, oczyszczanie i przetwarzanie metali i ich stopów przy pomocy energii elektrycznej. Procesy elektrometalurgii przeprowadza się za pomocą elektrolizy lub wykorzystując piece elektryczne. Piec elektryczny łukowy

29 WYTWARZANIE STALI Huty zintegrowane - stal wytwarza się z surówki (z wielkiego pieca) w konwertorach tlenowych, wyroby płaskie: blachy, taśmy - stanowią do ~ 60% produkcji stali w świecie. Stal odlewa się metodą ciągłą, co stanowi ponad 75% produkcji stali Huty z piecami elektrycznymi łukowymi - stal wytwarza się ze złomu - wyroby długie; kształtowniki, pręty, szyny do 40% produkcji stali w świecie. Głównie metodą tradycyjną, mniej ekonomiczną - odlanie do wlewnic, wlewki na zgniatacz, kęsy i kęsiska do walcowani. (Występują tu zanieczyszczenia Cu, Sn, Ni, Cr trudne do usunięcia z uwagi na mniejsze powinowactwo do tlenu niż posiada żelazo). Ograniczenie ich udziału do max. 0,1% jest konieczne z uwagi na niekorzystny wpływ na jakość powierzchni wyrobów (Cu, Sn), pogorszenie spawalności, podatności do kształtowania na zimno).

30

31 Czystość stali - wtrącenia niemetaliczne - głównie udział tlenków (tlenki Al, Si silnie obniżają wytrzymałość zmęczeniową, pracę łamania), siarczków, krzemianów, azotków - ocena wg 5-stopniowej skali wzorców PN-64/H Osiągnięcie wysokich wymagań jest możliwe drogą optymalizacji każdego etapu produkcji stali; wytwarzania surówki i jej obróbki, selekcji złomu, wytwarzania stali, przelewania stali do kadzi, pozapiecowej obróbki stali w kadzi, rozlewania stali do wlewnic, ciągłego odlewania. Zastosowany proces wytwarzania, skład chemiczny i uzyskana mikrostruktura decydują o własnościach stali. Proces wytwarzania, tj. walcowanie, ciągnienie, kucie, obróbka cieplna, umożliwia zmianę mikrostruktury stali w bardzo szerokim zakresie, a co za tym idzie -sterowanie własnościami od niej zależnymi.

32 Tradycyjny proces wytwarzania stali

33 Skutki tradycyjnego procesu metalurgicznego dla struktury wlewka

34

35 Odlewanie ciągłe stali

36 Krystalizacja wlewka

37 Krystalizacja

38

39 Współczesna technologia produkcji stali Konwertor tlenowy - proces LD (Linz-Donawitz) 1949r. Odlewanie ciągłe Świeżenie surówki (z dodatkiem rudy lub złomu) tlenem w konwertorze. Obniżenie udziału wtrąceń niemetalicznych - wyższa czystość stali, w tym zawartość wodoru. Obecnie - powszechnie stosowana metoda produkcji stali. Ciekła stal jest transportowana do urządzenia do odlewania ciągłego. Z kadzi wlewa się ciekły metal do krystalizatora miedzianego chłodzonego wodą. Stal krzepnie na ściankach krystalizatora, środek wlewka pozostaje przez pewien czas ciekły. Skrzepnięty wlewek jest wysuwany przez walce ciągnące, a ciekła stal ciągle dopełnia krystalizator. Wlewek zagina się i podaje do walcarki. Metoda ta zapewnia większą czystość i korzystniejszą mikrostrukturę stali. Obecnie ponad 80% stali wytwarza się tą metodą - przełomową w hutnictwie żelaza.

40

41 Wyroby szczególne

42 Miecz damasceński

43 Przykładowe wzory stali damasceńskiej.

44 Wzór róż i drabiny Mahometa

45 Stal damasceńska jest wysokowęglową stalą, o nierównomiernej zawartości węgla. Kluczowe są dwa czynniki: stężenie wanadu i molibdenu w stali, oraz odpowiednia obróbka cieplna - technologia polegającej precyzyjnych cyklach wygrzewania do temperatury 100 C i chłodzenia do temperatury pokojowej Pasma na powierzchni stali pochodzą od zgrupowań cementytu - Fe 3 C - odległe od siebie o mm. Powstają one przy zawartości węgla powyżej 1,4%, zawartości wanadu co najmniej 40 ppm lub molibdenu rzędu 200 ppm. Istotne jest również stężenie fosforu. Ponadto po wytopie stal musi stygnąć dosyć powoli, gdyż przy szybkim stygnięciu pasma nie tworzą się. Dużych umiejętności wymaga też wykucie klingi ze wzorami, gdyż podgrzanie stali powyżej pewnej temperatury powodowało zanik pasm cementytu, a więc utratę walorów estetycznych.

46 Głownie damasceńskie, zrobione były z małych wlewek stali produkowanych w Indiach. Metalurdzy z Indii, wypracowali nową technologię produkcji stali wysokowęglowej o bardzo wysokiej czystości, poprzez dodatek do pieca hutniczego specjalnych gatunków szkła Ta stal, nazywana "Wootz," była pierwszą wysokogatunkową stalą wyprodukowaną przez człowieka. Wynalezienie stali Wootz w Indiach jest obecnie datowane na rok około 500 nowej ery. Ogólnie uważa się, że oryginalne damasceńskie głownie były wykuwane ze stali Wootz przez płatnerzy w Damaszku Dlaczego sztuka zaginęła? W największym skrócie - bo wyczerpały się złoża odpowiedniej rudy, prawdopodobnie w okolicach Hyderabadu w Indiach. Bez odpowiednich domieszek w stali nawet najlepsi kowale nie byli w stanie osiągnąć odpowiedniego efektu.

47 Pierwiastek C [% wg] Mn [ppm] 150 < P [ppm] 1, ,330 S [ppm] Si [ppm] Ni [ppm] Cr [ppm] <100 <100 <100 Mo [ppm] <100 <100 <100 Cu [ppm] 1, ,830 Al [ppm] <10 <10 10 V [ppm] Nb [ppm] <100 <100 <100 Pb [ppm] <10 <10 <10 Sn [ppm] <10 10 <10 Ti [ppm] Zr [ppm] <10 <10 <10 B [ppm] <1 <1 <1 Ca [ppm] Analiza chemiczna 3 mieczy damasceńskich uważanych za autentyczne Ostrze damasceńskie przekrój wzdłużny ukazuje pasma cementytu

48 Powierzchnia miecza 7 Przekrój poprzeczny miecza 7

49 Powierzchnia miecza 9 Przekrój poprzeczny miecza 9

50 Powierzchnia miecza 10 Przekrój poprzeczny miecza 10 Tworzenie pasm węglików jest spowodowane mikrosegregacją pierwiastków węglikotwórczych V, Mo, Cr, Mn i Nb podczas krzepnięcia. Wanad i molibden są najistotniejsze wystarczy ilość rzędu 40 ppm.

51 Damast skuwany (dziwer) jest materiałem powstałym przez wielokrotne zgrzewanie pakietu utworzonego z kilku - kilkudziesięciu warstw, przynajmniej dwóch gatunków stali (twarda + miękka). Pakiet ułożonych naprzemiennie płytek rozgrzewano w ognisku kowalskim do temperatury C i silnymi uderzeniami młota zespalano (zgrzewano) w jedną bryłkę metalu. Z tak uzyskanej sztabki wykuwano długi pasek, który następnie składano w,,harmonijkę" lub zwijano w,,naleśnik" i ponownie zgrzewano. Operację wykuwania paska i powtórnego zgrzewania powtarzano wielokrotnie w celu uzyskania kilkuset czy nawet kilku tysięcy warstewek. Schemat budowy damastu skuwanego

52 Podczas kucia Ten sam fragment oszlifowany i wytrawiony Powierzchnia próbki damastu skuwanego. (Współczesna stal węglowa o zawartości C ~ 0,1 %, oraz 0,6 0,7 %, pow. 4x) Podczas kucia Próbka wytrawiona elektrolitycznie, pow. 20x Oszlifowana i wytrawiona Powierzchnia próbki pakietowanego żelaza. (Współczesna stal węglowa, zaw. C 0,2 0,3 %)

53 Z otrzymanego w ten sposób metalu o warstwowej strukturze wykonywano pasma będące odpowiednikiem miękkiego rdzenia i za pomocą zgrzewania łączono je z pasmami bardzo twardej stali tworzącej ostrza. Technika ta była więc ogromnie pracochłonna, ale dobrze wykonany miecz z damastu skuwanego jest o bardzo sprężysty i odporny na gwałtowne uderzenia. Przedstawiony na zdjęciu miecz ma głownię dziwerowaną, kutą warstwowo, 7- pasmową: ostrza ze stali twardej, rdzeń z miękkiej stali, płazy z damastu skuwanego (dziwer symetryczny lub kątowy). Ostrza hartowane do twardości HRC. Długość całkowita 935 mm, głownia 770 mm. Waga 1150g

54 Titanic

55 Budowa 1912 r.

56 STAL skład chemiczny Skład chemiczny stali z której zbudowano Titanica, Lock Gate i typowej stali kadłubowej ASTM A36 Steel Titanic Hull Plate C 0.21 Mn 0.47 P S Si Cu O N Stosunek Mn:S 6.8:1 Lock Gate* :1 ASTM A :1 Stal bessemerowska kwaśna; duża zawartość siarki i fosforu, zbyt mały udział manganu

57 WŁASNOŚCI WYTRZYMAŁOŚCIOWE Porównanie własności wytrzymałościowych stali z Titanica i SAE 1020 Granica plastyczności Granica wytrzymałości Titanic MPa MPa SAE MPa MPa Wydłużenie 29% 26% Przewężenie 57.1% 50%

58 UDARNOŚĆ Wpływ temperatury na udarność

59 METALOGRAFIA Stal kadłubowa (Titanic) przekrój wzdłużny i poprzeczny Silna pasmowość stali w obu przekrojach, Duże, wydłużone wydzielenia MnS, duże ziarna stali; średnio 60,40µm na przekroju podłużnym i 41,92µm na przekroju poprzecznym współczesne zalecenia to 26,173µm - ASTM A36 Stal ASTM A36 ferryt i perlit; średnica ziarna µm. (powiększenia!)

60 Stal kadłubowa z Titanic`a SEM trawiony z gład z powierzchni stali (1) ziarna ferrytu, (2) kolonie perlitu, (3) wydłużone siarczki manganu MnS i (4) wtrącenia niemetaliczne. Traw. Nital.