PIERWIASTKI STOPOWE W STALACH

Transkrypt

1 PIERWIASTKI STOPOWE W STALACH

2 Stal stopowa - stop żelaza z węglem, zawierający do ok. 2 % węgla i pierwiastki (dodatki stopowe) wprowadzone celowo dla nadania stali wymaganych właściwości, otrzymany w procesach stalowniczych, przeznaczony na półwyroby i wyroby przerabiane plastycznie, obrabialny cieplnie. Dodatki (pierwiastki) stopowe pierwiastki dodane do stali w ilości przekraczającej minimalne stężenie, przy którym nie ma wyraźnego wpływu na strukturę i właściwości stali. Najczęściej stosowane dodatki stopowe: chrom, mangan, krzem, nikiel, wolfram, molibden, wanad, tytan.

3 Podział stali stopowych ze względu na udział pierwiastków stopowych: stale niskostopowe zawartość 1 pierwiastka (poza węglem) < 2 %, suma pierwiastków < 3,5% stale średniostopowe zawartość 1 pierwiastka jest > 2% ale < 8 %, suma pierwiastków < 12 % stale wysokostopowe zawartość 1 pierwiastka > 8 %, suma pierwiastków < 55 % Podział stali stopowych ze względu na zastosowanie: stale konstrukcyjne stale narzędziowe stale o szczególnych właściwościach

4 stale niestopowe stale niestopowe jakościowe stale odporne na korozję -nierdzewne STALE stale stopowe jakościowe inne stale stopowe stale stopowe specjalne stale niestopowe specjalne -żaroodporne -stale elektrotechniczne (pierwiastki stopowe tylko Si lub Si + Al), -stale narzędziowe, -żarowytrzymałe -stale stopowe przeznaczone do produkcji szyn i grodzic oraz na obudowy górnicze, -stale szybkotnące, -stale stopowe przeznaczone do produkcji wyrobów płaskich walcowanych na gorąco lub na zimno do dalszej przeróbki plastycznej na zimno, -stale stopowe na zbiorniki ciśnieniowe, -stale stopowe, w których miedź jest jedynym pierwiastkiem stopowym. -stale stopowe maszynowe, -stale na łożyska toczne, -stale o specjalnych właściwościach fizycznych.

5 Wpływ pierwiastków stopowych na przemiany fazowe żelaza: a) rozszerzony obszar fazy γ, b) rozszerzony obszar fazy α, c) przemiana eutektoidalna Mn, Ni, Co pierwiastki austenitotwórcze Ti, W, V, Mo, Cr, Al, Si pierwiastki ferrytotwórcze

6 Struktura stopów Fe-M-C w zależności od zawartości węgla i dodatków stopowych (M dodatek stopowy) : a) austenitotwórczych, b) ferrytotwórczych

7 % masy Wpływ pierwiastków stopowych na położenie punktów: S eutektoidalnego, E maksymalnej rozpuszczalności węgla w żelazie γ

8 % masy Wpływ pierwiastków stopowych na temperaturę przemiany eutektoidalnej

9 Fazy, w których występują pierwiastki stopowe w stalach: 1. Roztwory stałeżelaza: ferryt stopowy i austenit stopowy 2. Fazy międzymetaliczne międzywęzłowe z węglem i azotem: węgliki, azotki i węglikoazotki 3. Inne fazy międzymetaliczne 4. Wtrącenia niemetaliczne: tlenki, siarczki Każdy pierwiastek może występować we wszystkich fazach. Podział pierwiastków między fazy w stopie jest nierównomierny.

10 Ad. 1. Ferryt stopowy roztwór stały węgla i dodatków stopowych w żelazie α, którego atomy węzłowe w sieci A2 zostały częściowo zastąpione przez atomy pierwiastka stopowego. Wpływ pierwiastków stopowych na właściwości mechaniczne ferrytu: a) twardość b) udarność c) wytrzymałość na rozciąganie d) przewężenie

11 Ad. 1. Austenit stopowy roztwór stały węgla i dodatków stopowych w żelazie γ, którego atomy węzłowe w sieci A1 zostały częściowo zastąpione przez atomy pierwiastka stopowego. W porównaniu do ferrytu, oddziaływanie pierwiastków stopowych na austenit jest mniej poznane, ponieważ stabilny austenit w temperaturze pokojowej można uzyskać przy odpowiednio dużej zawartości pierwiastków stopowych. Austenit stopowy ma bardzo dobrą plastyczność i udarność; może uzyskać specjalne właściwości, jak: dużą odporność korozyjną, żaroodporność, żarowytrzymałość, odporność na ścieranie. Austenit jest paramagnetyczny.

12 Ad. 2. Fazy międzymetaliczne międzywęzłowe Fazy międzymetaliczne, których węzły są obsadzone atomami jednego z metali przejściowych M (Fe, Cr, Mo, Mn, Ti), a pozycje międzywęzłowe są zajęte przez atomy pierwiastków niemetalicznych o małym promieniu atomu X (H, B, C, N), węgliki, azotki, wodorki, borki, węglikoazotki O ich powstaniu decyduje czynnik wielkości atomów. Klasyfikacja w zależności od stosunku promieni metalu r M i niemetalu r X Gdy r X /r M 0,59, tworzą się fazy o strukturach prostych, o wzorach M 4 X, M 2 X, MX, MX 2 (układ regularny lub heksagonalny o prostych komórkach elementarnych)) Gdy r X /r M > 0,59, tworzą się fazy o strukturach złożonych, o wzorach M 3 X, M 23 X 6, M 7 X 3, M 6 C (układ rombowy, regularny, heksagonalny o złożonych komórkach elementarnych) Azotki i węgliki typu MN i MC oraz M 2 N i M 2 C są izomorficzne (ten sam typ sieci krystalicznej) i cechują się wzajemną rozpuszczalnością. Możliwe jest więc tworzenie w stopach węglikoazotków typu M(C,N) i M 2 (C,N)

13 Ad. 3. Inne fazy międzymetaliczne Fazy σ (sigma) o strukturze tetragonalnej występują w stopach żelaza z Cr, Mo i V FeCr, FeMo, FeV. Ich obecność jest niepożądana; są twarde, kruche i rozmieszczają się na granicach ziaren stali. Fazy tworzą roztwory wtórne i występują w większych zakresach stężeń niż wynikające ze wzoru. W stalach ferrytycznych zawierających > 12 % Cr podczas eksploatacji w temperaturze > 600ºC, może wydzielić się faza FeCr na granicach ziaren, co powoduje kruchość stali. Fazy Lavesa o wzorze AB 2 i złożonej sieci regularnej lub heksagonalnej tworzy żelazo z Ti, Nb, W, Mo. W stalach żarowytrzymałych TiFe 2 i Fe 2 W zwiększają wytrzymałość na pełzanie. W stalach narzędziowych stopowych (Fe,Co) 2 (W,Mo) i Fe 2 Mo powodują umocnienie podczas odpuszczania. W stali 9Cr-1Mo eksploatowanej w podwyższonej temperaturze wydzielająca się na granicach ziaren faza Fe 2 Mo powoduje kruchość. Fazy AB 3 o sieci regularnej zwarcie wypełnionej tworzą: Fe, Mn, Co, Ni z Ti, V, Nb, Cr, Mo, W. W stalach martenzytycznych wydzielające się podczas starzenia fazy Ni 3 Al, Ni 3 Mo, Ni 3 Ti powodują znaczne umocnienie stali.

14 Ad. 4. Wtrącenia niemetaliczne, głównie siarczki i tlenki Wtrącenia niemetaliczne wpływają ujemnie na właściwości mechaniczne stali, wobec niskiej spójności osnowy metalicznej i wtrącenia Skład tlenków może zmieniać się w szerokim zakresie, w zależności od wprowadzonych utleniaczy (Si, Mn, Al) i pierwiastków stopowych o większym powinowactwie do tlenu niż żelazo, powodujących tworzenie się ich tlenków, np. tlenku chromu w stalach chromowych, czy tlenku tytanu w stalach z dodatkiem tytanu. Siarczki tworzy w stali głównie mangan. Zawierają one pewną ilość siarczku żelaza, a także chromu, niklu i molibdenu. Siarczki manganu są plastyczne i podczas obróbki plastycznej na gorąco przyjmują postać płytek równoległych do kierunku walcowania. Skutkuje to obniżeniem właściwości plastycznych stali w kierunku prostopadłym do kierunku obróbki plastycznej.

15 200 µm Wtrącenia niemetaliczne w stali: wydłużone i o kształcie regularnym. Zgład bez trawienia, mikroskop świetlny

16 Wpływ pierwiastków stopowych na procesy obróbki cieplnej stali 1. Przemiany przechłodzonego austenitu 2. Hartowność 3. Przemiany podczas odpuszczania Ad. 1. Dodatki stopowe mają istotny wpływ na przemianę przechłodzonego austenitu (wykresy CTP). Wszystkie, oprócz kobaltu, przesuwają w prawo krzywą początku rozpadu austenitu, tj. w kierunku dłuższych czasów. Zmieniają położenie temperatur początku i końca przemiany martenzytycznej oraz kształt krzywych CTP.

17 Klasyfikacja wykresów CTPi : a stal węglowa, b stal manganowa (zmieniona granica przemian perlitycznej i bainitycznej), c stal o małej zawartości chromu (bardzo wyraźna granica przemian perlitycznej i bainitycznej), d stal chromowoniklowo-molibdenowa (rozdzielenie przemian perlitycznej i bainitycznej), e stal o dużej zawartości Cr (zanik przemiany bainitycznej)

18 Na podstawie wykresów CTP i można sklasyfikować stale według uzyskanej struktury po ochłodzeniu na powietrzu z zakresu austenitu w 4 grupach: perlitycznej, bainitycznej, martenzytycznej, austenitycznej Schematy wykresów CTPi stali chłodzonych na powietrzu o strukturze: a) perlitycznej, b) bainitycznej, c) martenzytycznej, d) austenitycznej

19 Ad. 2 Pierwiastki stopowe, oprócz kobaltu, przesuwając w prawo krzywą początku rozpadu austenitu, zmniejszają szybkość krytyczną przy hartowaniu, a tym samym zwiększają hartowność stali. Umożliwia to hartowanie na wskroś przedmiotów o większych przekrojach oraz wolniejsze chłodzenie przy hartowaniu np. w oleju, co zmniejsza naprężenia hartownicze. Schemat wykresów CTP: a) stal o małej hartowności, b) stal o dużej hartowności

20 Ad. 3 Pierwiastki stopowe wpływają na przebieg przemian podczas odpuszczania stali po hartowaniu, głównie powodując przesunięcie do wyższych temperatur rozkład martenzytu i przemiany austenitu szczątkowego w porównaniu do przemian zachodzących w stalach węglowych: stan przesycenia martenzytu może być zachowany do temperatury 500ºC, gdyż pierwiastki stopowe utrudniają dyfuzję węgla, stopowy austenit szczątkowy może być trwały do 500ºC; dopiero zubożenie go w węgiel wywołuje przemianę martenzytyczną.