Monele zawierają: 27 34% miedzi, do 2% manganu, do 2,5% żelaza, - Są metalami plastycznymi o strukturze roztworu stałego. - Posiadają bardzo dobre

Transkrypt

1 Stopy innych metali

2 Stopy niklu Konstrukcyjne (monele) Oporowe (chromel, alumel, nichromy, kanthal) O szczególnych własnościach fizycznych (inwar, kowar, elinwar, permalloy) Odporne na korozję (hastelloy) Żarowytrzymałe (nimonic, inconel)

3 Monele zawierają: 27 34% miedzi, do 2% manganu, do 2,5% żelaza, - Są metalami plastycznymi o strukturze roztworu stałego. - Posiadają bardzo dobre własności wytrzymałościowe, - Wysoką odporność na korozję. Ze względu na dużą odporność na korozję monele są stosowane na zbiorniki oraz elementy aparatury chemicznej i maszyn pracujących w ośrodkach korozyjnych, np. instalacje do produkcji węglowodorów, wymienniki ciepła, pompy, zawory. Bardzo wysoką wytrzymałość, przekraczająca nawet 1000 MPa, można uzyskać po utwardzaniu wydzieleniowym stopu Ni-Cu30Al3Ti,który można stosować na wały napędowe statków, ale także na sprężyny oraz narzędzia chirurgiczne.

4 Stopy oporowe niklu: Chromel ok.9 10%Cr,wykazuje strukturę roztworu stałego Cr w Ni. Chrom powoduje zwiększenie rezystywności, żaroodporności i żarowytrzymałości Ni. Alumel zawierający do 2,5%Al,2%Mn i 2%Si, wykazuje również strukturę roztworu stałego. Chromel i alumel są stosowane na termoelementy do pomiaru temperatury,w których chromel jest elektroda dodatnia. Nichrom zawierający 15 20%Cr, wykazuje wysokie własności mechaniczne, dobrą żarowytrzymałość i duża rezystywność, ok.70 krotnie większą niż Cu. Stosowane na grzejne elementy oporowe, rezystory i termoelementy. Stosowane także na elementy silników lotniczych, pomp do substancji agresywnych, pracujących w wysokich temperaturach itp. Kanthal Stosowany na elementy grzewcze w zakresie temperatury do 1300 C, zawierają 20 35%Cr, 4 7%Al, także do 3%Co i do 0,1%C.

5 Stopy niklu o szczególnych własnościach fizycznych: Inwary zawierają 36 52%Ni i reszte Fe (w niektórych gatunkach do 5%Cr lub 1,25%Mn), cechują się niemal stałym współczynnikiem rozszerzalności liniowej w zależności od składu chemicznego w zakresie temperatury od 20 do ok.300 C lub od 0 do 100 C. Stosowane do wytwarzania precyzyjnych przymiarów (druty inwarowe, inwarowe łaty do niwelacji precyzyjnej), mechanizmach precyzyjnych - zegarach, zaworach silnikowych oraz w termometrach biometalowych. W przypadku zastąpienia części Ni kobaltem otrzymuje się stop zwany Kowar (stop żelaza zawierający nikiel 30%, mangan 0.2%. Elinwary zawierające 33 43%Ni, 5 9%Cr, do 0,4%C, a także do 4%W, do 2%Ti, do 3%Mn i reszte Fe, cechują się stałymi wartościami modułu spreżystości wzdłużnej i poprzecznej w określonym zakresie temperatury. Stosowane są do produkcji przyrzadów precyzyjnych, kamertonów, spreżyn np. zegarowych oraz chronometrów. Permalloye -stopy Ni z dodatkiem ok.20 22%Fe, charakteryzują sie ok. 10 krotnie większa przenikalnością magnetyczną od żelaza technicznego. Stosowane jako magnetycznie miękkie znalazły zastosowanie w przyrządach pracujących w stałych polach, głównie w radiotechnice i telekomunikacji.

6 Stopy niklu odporne na korozję: Podstawowe stopy Ni odporne na korozję typu hastelloy zawierają do 20%Fe i do 25%Mo,częściowo zastępowanego przez Cr, którego stężenie może dochodzić również do 20%. Mogą być stosowane do budowy aparatury chemicznej pracującej we wrzących lub gorącym kwasach siarkowym i solnym, na elementy turbin gazowych, urządzenia do przetwarzania paliwa jądrowego, instalacje przesyłania paliwa i sprzęt do wytrawiania na płuczki spalin zbiorniki do przechowywania kwasów fosforowego i siarkowego.

7 Żarowytrzymale i zaworowe stopy niklu zawierają głównie dodatki do 20%Cr lub do 20%Mo i do 10%Fe, a także niewielkie dodatki Si, Mn, Ti, Nb, V lub W. Moga być wprowadzane ponadto w stężeniu 5 10% dodatki Al lub Cu, a także Co w stężeniu do 15%. Do często stosowanych stopów tej grupy należą tzw. nimonic i inconel. Żarowytrzymałe stopy Ni są stosowane na łopatki wirników oraz dysze turbin gazowych, silników rakietowych i odrzutowych oraz elementy aparatury chemicznej, pracujące w wysokiej temperaturze i w warunkach korozji gazowej. W przemyśle lotniczym i kosmicznym.

8

9 Stopy kobaltu Żarowytrzymałe: Vitalium Co-25Cr-5W-3Fe-2Ni, Haynes 20Cr-15W Na magnesy trwałe: permedur 50Co-50Fe Stellity: narzędziowe lub odporne na ścieranie Implanty w chirurgii kostnej- wysoka odporność korozyjna, zdolność do repasywacji, nietoksyczność Stopy kobaltu stosowane są do wyrobu elementów silników odrzutowych, sztucznych satelitów, elementów pracujących w wysokich temp. (do 1000 C), na magnesy do budowy silników przemysłowych, generatorów średniej częstotliwości, w urządzeniach techniki mikrofalowej, licznikach.

10 Żarowytrzymałe stopy kobaltu zawierają zwykle kilka spośród następujących pierwiastków: Fe, Ni, Si, Mn, Ti, W, V, Be, Ta oraz C, B lub N. Wykazują jednak małą plastyczność i z tego względu są stosowane przeważnie w stanie lanym, głównie na elementy maszyn do pracy w podwyższonej temperaturze.

11 Stopy na magnesy trwałe Stopy te mają dużą indukcję nasycenia, średnią przenikalność magnetyczną i wysokie własności wytrzymałościowe. Do stopów tych należy permedur, zawierąjacy 50%Co i 50%Fe oraz niekiedy niewielki dodatek V. Stop permiwar zawiera 25%Co,do 25%Fe, do 45%Ni oraz do 7%Mo, hiperco 35%Co,do 65%Fe i do 2%Cr.

12

13 Są stosowane: na narzędzia skrawające ciągadła i matryce do wyciskania na gorąco do pokrywania metodami metalizacji natryskowej lub napawaniem elementów maszyn narażonych na ścieranie w wysokiej temperaturze i atmosferze gazów spalinowych. Znaczenie stellitów nieco zmalało z chwilą powszechnego zastosowania węglików spiekanych do zbrojenia różnych narzędzi.

14

15 Stopy tytanu Konstrukcyjne i maszynowe Odporne na korozję Z pamięcią kształtu Biomateriały

16 Kryterium klasyfikacji stopów tytanu jest ich struktura w stanie równowagi. Wyróżnia się trzy rodzaje struktur, w zależności od składu chemicznego: - jednofazowe stopy α, - dwufazowe stopy α+β, -jednofazowe stopy β Charakterystyka stopów tytanu Stopy α Zalety Zachowuje dobrą wytrzymałość na temperaturę rzędu 650 C i dobrą wytrzymałość na pełzanie w tej temperaturze. W gazach atmosferycznych mogą przebywać do temp C, wobec tego można je kuć. Podatne do obróbki skrawaniem. Nie wykazują spadku plastyczności przy obróbce cieplnej. Posiadają dobre właściwości odlewnicze. Są dobrze spawalne. Wykazują dobrą udarność w temp. do -70ºC. Wady Mniejsza plastyczność blachy (przy zginaniu) w porównaniu ze stopami dwufazowymi α+β, a także znacznie gorsza w porównaniu do stopów o strukturze β. Duża wrażliwość na kruchość wodorową. Gorsza, w porównaniu z czystym tytanem, odporność na korozję. Możliwość umocnienia tylko poprzez obróbkę plastyczną na zimno. Natomiast, przy większych wydłużeniach, wykazuje mniejszą podatność do odkształcenia plastycznego

17 Charakterystyka stopów tytanu c. d. Zalety Stopy α + β Dwukrotnie wyższa wytrzymałość w porównaniu do czystego Ti. Dobra plastyczność również przy zginaniu. Łatwiej przebiega kucie, walcowanie i tłoczenie w porównaniu do stopów α i β. Możliwość otrzymywania wysokiej wytrzymałości poprzez obróbkę cieplną. Dobra spawalność. Wysoka wytrzymałość w temperaturach pokojowych i podwyższonych. Stopy β Dobra plastyczność przy wszystkich rodzajach tłoczenia, łatwo stają się nadplastyczne Zachowują dostatecznie wysoka wytrzymałość do temperatury 540 C. Nie podlegają obróbce cieplnej dla zwiększenia wytrzymałości. Wady Wrażliwe na nieprawidłowości powstałe podczas obróbki cieplnej - zwiększona kruchość. Własności mechaniczne spoin znacznie gorsze niż dla stopów α. Zachowują dostateczna wytrzymałość tylko do temperatury 430 C. Bardzo wrażliwe na zanieczyszczenia podczas procesu produkcji. Powyżej temperatury 700 C skłonne do rozpuszczania gazów atmosfery. Wysoka wytrzymałość stopów powoduje dużą ich sprężystość przy tłoczeniu. Zawierają Mo - pierwiastek deficytowy, trudno dostępny.

18

19

20 Zastosowanie: w przemyśle lotniczym, okrętowym stosowane są na elementy turbin parowych, silników odrzutowych; na pokrycia samolotów bojowych, rakiet. w przemyśle chemicznym (aparatura chemiczna), spożywczym, elektrotechnicznym, elektronicznym. w medycynie, jako narzędzia chirurgiczne, z tych stopów wykonywane są elementy urządzeń takich jak: dializatory, sztuczne serce. ze względu na biokompatybilność są stosowane jako materiały na implanty.

21 Stopy berylu W technice lotniczej i kosmicznej, na elementy silników rakietowych (komór spalania i dysz do 3000 C) Stopy magnezu Elektrony Mg-Al-Zn Mała gęstość

22 Stopy metali trudno topliwych Stopy niobu: elementy rakiet i statków kosmicznych, systemów wytwarzania i magazynowania energii, elementy turbin gazowych Stopy tantalu: kondensatory elektrolityczne, w przemyśle chemicznym Stopy molibdenu: w mechanice precyzyjnej, w elektronice, w budowie aparatury chemicznej Stopy wolframu: w elektronice

23 Stopy metali nisko topliwych Stopy ołowiu z antymonem (ołów twardy) Stopy cyny Stopy łożyskowe Stopy drukarskie Stopy niskotopliwe Spoiwa i luty

24 Inne stopy Intermetaliki (intermetale) Metale z pamięcią kształtu Metale szlachetne Szkła metaliczne

25 Intermetale -stopy metali na osnowie uporządkowanych faz międzymetalicznych (np. Ni 3 Al, NiAl,Ti 3 Al,TiAl,MoSi 2 ) -właściwości pośredniej pomiędzy metalami a ceramiką. -zachowują uporządkowane struktury aż do temperatury topnienia.

26 względnie mała gęstość (podstawowymi składnikami stopowymi są najczęściej aluminium, tytan), duża wartość właściwego modułu Younga E/ρ oraz wytrzymałości właściwej Rm/ρ (bardzo istotne w transporcie lotniczym i lądowym), duże wartości modułów sprężystości, zmniejszające się znacznie wolniej - w porównaniu do czystych metali i stopów klasycznych - ze wzrostem temperatury, wysoką temperaturę topnienia (2060 C - Nb 3 Al, 1638 C - NiAl), duża wytrzymałość, stosunkowo nieznacznie malejąca ze wzrostem temperatury, względnie duża odporność na utlenianie, duża odporność na pełzanie, zadowalająca wytrzymałość na zmęczenie niskocykliczne w porównaniu do standardowych stopów niklu. Cechy intermetali:

27 Własności wybranych faz międzymetalicznych oraz klasycznych stopów tytanu i nadstopów na osnowie niklu

28 Szkła metaliczne Metale o strukturze amorficznej otrzymane w wyniku bardzo szybkiego chłodzenia - szybkość chłodzenia rzędu 10 5 K/s

29 W szkle metalicznym są uporządkowane jedynie najbliżej sąsiadujące ze sobą atomy. Nie występuje natomiast pełne prawidłowe rozmieszczenie przestrzenne wszystkich atomów, charakterystyczne dla kryształów. Szkła metaliczne cechują się własnościami różnymi od kryształów metali, nie wykazując wszystkich cech dla nich charakterystycznych. uporządkowanie w skali ~10Å a) Zr 66,7 Ni 33,3, b) Zr 66,7 Cu 33,3

30 Szkła metaliczne powstają w stopach metali z udziałem niemetali, utworzonych z atomów o zróżnicowanych wielkościach, pod warunkiem ochłodzenia cieczy metalowej do temperatury niższej od temperatury zeszklenia, która w przypadku ciał krystalicznych odpowiada temperaturze krystalizacji. Stopy szkłotwórcze - przykłady Fe-B, Fe-Si, Fe-Ni-B, Fe-Cu-Nb-Si-B (Finemet ) Co-Ni-Fe-Si-B (Metglas ) Nb-Ni, Zr-Ni, Zr-Cu, Zr-Cu-Al, Zr-Ni-Al Al-RE-TM (RE=Sm, Gd, Tb, Dy; TM=Fe, Ni, Co, Cu) Pd-Ni-Cu-P (βc=0.067 K/s) Zr-Ti-Cu-Ni-Be (Vitraloy )

31 METODY OTRZYMYWANIA SZKIEŁ METALICZNYCH Warunkiem zeszklenia stopów metali jest ich chłodzenie z bardzo dużą szybkością ok. 106 o C/s, co realizuje się przykładowo następującymi metodami: odlewania strumienia ciekłego stopu na obracający się i chłodzony wodą bęben metalowy (np. stopy Fe-Ni), wystrzeliwania kropli cieczy na ochłodzoną płytę miedzianą, naparowanie w próżni na podłoże ochłodzone do temperatury -196 C (np. stopy Cu-Ag), elektroosadzania

32 Właściwości magnetyczne lepsze niż materiały polikrystaliczne, Odporność na działanie środowiska (odporność na korozję wżerową), Wyższa twardość i wytrzymałość od innych metali, Duża plastyczność i sprężystość, Duży opór elektryczny Topi się w niskich temperaturach i może być formowany prawie jak plastik. odkształcenie sprężyste 2%!

33 Szkło metaliczne-zastosowania Głównie -wykorzystujące własności magnetyczne: Rdzenie transformatorów; Głowice magnetyczne; Przetworniki magnetostrykcyjne; Elastyczne ekrany magnetyczne; Wykorzystujące własności fizyczne i mechaniczne Wzmocnienie zbiorników ciśnieniowych; Węże, rury, pasy; tkaniny ekranujące przed interferencją; Ostrza; Folia łącząca elementy stalowe i stopy niklu w: - Wymiennikach ciepła; - Bateriach Ni-Cd; - Rozrusznikach serca.

34 Materiały z pamięcią kształtu

35 stopy wykazujące efekt pamięci kształtu Materiał Ag-Cd Au-Cd In-Ti Mn-Cu Cu-Al-Ni Cu-Sn Cu-Zn Cu-Zn-X (X=Si, Sn, Al) Ni-Al Ni-Ti Fe-Pt Fe-Mn-Si Stężenie atomowe [%] Ag(51-56) Cd(44-49) Au(50-53,5) Cd(46,5-50) In(77-82) Ti(18-23) Mn(65-95) Cu(5-35) Cu(81-83) Al(14-14,5) Ni(3-4,5) Cu(~85) Sn(~15) Cu(58,5-61,5) Zn(38,5-41,5) Cu(~50) Zn(38,5-41,5) X(~5) Ni(62-64) Al(36-38) Ni(49-51) Ti(49-51) Fe(~75) Pt(~25) Fe(~62) Mn(~32) Si(~6) Zakres temperaturowy przemiany [ C] ~

36 Stent do wzmacniania osłabionych tętnic lub rozszerzania zwężonych. Przyjmuje właściwy kształt pod wpływem ciepła ciała ludzkiego. oprawa okularów wykonana ze stopu z pamięcią kształtu a ponadto superelastycznego nie ulega zniszczeniu mimo znacznej deformacji (stop Ni-Ti)

37

38

39 Uchwyt ze stopu NiTiCu, do mocowania soczewek o średnicy poniżej 0,35 mm w mikroukładach montowanych w liniach zrobotyzowanych. Wymiary uchwytu: 1 mm x 1 mm, grubość 170 mikronów (0,17 mm)