STAL O SPECJALNYCH WŁAŚCIWOŚCIACH FIZYCZNYCH I CHEMICZNYCH Zakres tematyczny 1 Podział stali specjalnych, ze względu na warunki pracy: - odporne na korozję, - do pracy w obniżonej temperaturze, - do pracy w podwyższonej temperaturze, - żaroodporne i żarowytrzymałe, - zaworowe, - odporne na ścieranie; - oporowe, - o szczególnych właściwościach magnetycznych, - wysokowytrzymałe utwardzane wydzieleniowo maraging. 2 1
Korozja - proces niszczenia metalu na skutek oddziaływania środowiska zewnętrznego Typy korozji: - korozja chemiczna zachodząca zwykle pod wpływem ł działania ł i suchych gazów w wysokiej temperaturze; - korozję elektrochemiczna zachodzącą w cieczach, zwykle roztworach wodnych, na wskutek przepływu prądu elektrycznego z jednej części materiału do drugiej za pośrednictwem elektrolitu. Podział ze względu na charakter zniszczenia korozyjnego: Korozja równomierna, lokalna i wżerowa, selektywna, międzykrystaliczna, naprężeniowa i zmęczeniowa 3 Odporność stali na korozję Stal węglowa i niskostopowa brak odporności na korozję Dodatki stopowe: Cr,Ni,Mo,Cu,Alzwiększają odporność stali na korozję wookreślonych środowiskach. Odporność korozyjna stali wiąże się z pojęciem pasywacji tj. zwiększeniem odporności metalu na korozję przez utlenienie jego powierzchni zależy głównie od następujących czynników: a) składu chemicznego (Cr i Ni), b) mikrostruktury, c) stanu powierzchni. Wpływ zawartości chromu na potencjał elektrochemiczny stopów żelaza Potencjał elektrochemiczny Potencjał Fladego 4 2
Klasyfikacja stali odpornej na korozję 1. Ze względu na rodzaj środowiska korozyjnego: a) nierdzewne odporne na działanie atmosfery powietrza, wilgoci oraz słabych soli kwasów, b) kwasoodporne odporne na działanie stężonych kwasów i ługów (roztwory wodorotlenku sodu lub potasu). 2. Ze względu na skład chemiczny: chromowe, chromowoniklowe, chromowo-niklowo-manganowe. 3. Ze względu na mikrostrukturę: ferrytyczne, martenzytyczne, austenityczne. 5 Stal trudno rdzewiejąca Nieznacznie większą odporność na korozję od stali węglowej ma stal tzw. trudno rdzewiejąca, zawierająca 0,1%C oraz dodatki 1 3% pasywującego chromu i ok. 0,5% miedzi, tworzącej na powierzchni pasywującą warstwę złożoną z siarczanów i węglanów miedzi. 6 3
1. Stal odporna na korozję chromowa (nierdzewna) - zawartość Cr co najmniej 13% (13 i 17); - Cr stabilizuje ferryt (przez co ogranicza występowanie austenitu - przy stężeniu większym od 12% i zawartości węgla mniejszej niż 0,1% ferryt jest trwały w całym zakresie, od temperatury ypokojowej j do temperatury solidusu); - stal spawalna o dobrej odporności na działanie kwasów utleniających (np. azotowego), nie jest odporna na działanie kwasów redukujących (solnego, siarkowego); - umacnia się tylko przez zgniot (nie podlega OC, z wyjątkiem wyżarzania odprężającego i rekrystalizującego); -zwiększenie ę zawartości węgla przy większym ę stężeniu ę chromu powoduje pojawienie się w układzie równowagi fazowej obszaru dwufazowego a nawet jednofazowego, co umożliwia hartowanie na martenzyt i następne odpuszczanie (dodatek Ni poszerza zakres występowania austenitu umożliwiając hartowanie tych stali na powietrzu); mniejsza odporność na korozję od stali ferrytycznych, jednak przy wyższych właściwościach wytrzymałościowych. 7 1. Stal odporna na korozję Cr-Ni (kwasoodporna) -zawiera C (mniej niż 0,1%) oraz Cr i Ni (18 i 8); - rozpuszczalność węgla w stalach 18-8 zmniejsza się ze spadkiem temperatury, czemu towarzyszy wydzielanie się węglików (Fe, Cr) 23 C 6. 23 6 Jednofazową strukturę austenitu bez wydzieleń węglików uzyskuje się w wyniku przesycania w wodzie z temp. 1100ºC. Wpływ Cr i Ni na mikrostrukturę stali Wpływ C na mikrostrukturę stali austenitycznej Korozja międzykrystaliczna Schemat procesu wydzielania węglików typu M 23 C 6 8 4
2. Stal do pracy w obniżonej temperaturze Wpływ stężenia Mn na temperaturę przejścia stali wstankruchy Wpływ OC oraz temperatury badania na udarność stali 3. Stal do pracy w podwyższonej temperaturze Wytrzymałość na pełzanie stali 9 4. Stal żaroodporna i żarowytrzymała Podwyższenie temperatury pracy elementów konstrukcyjnych powyżej 600ºC wiąże się z zapewnieniem dużej żaroodporności i żarowytrzymałości materiałów, z których są wykonane. Żaroodporność - odporność stopu na działanie czynników chemicznych, głównie powietrza oraz spalin i ich agresywnych składników w temperaturze wyższej niż 600ºC. Żaroodporność jest ściśle związana ze skłonnością stali do tworzenia zgorzeliny, która powinna stanowić ciągłą warstwę, dokładnie przylegającą do metalicznego rdzenia, utrudniając dyfuzję utleniacza i jonów metalu (głównym składnikiem zgorzeliny jest tlenek żelazawy FeO). Żaroodporność stali zależy odskładu chemicznego, a nie od mikrostruktury (ferrytycznej lub austenitycznej). Wpływ temperatury na szybkość utleniania żelaza 10 5
4. Stal żaroodporna i żarowytrzymała Żarowytrzymałość - odporność stopu na odkształcenie, z czym wiąże się zdolność do wytrzymywania obciążeń mechanicznych w wysokiej temperaturze (powyżej 600ºC). Żarowytrzymałość zależy głównie od odporności na pełzanie. Żarowytrzymałością charakteryzuje się przede wszystkim stal austenityczna (mniejszy współczynnik dyfuzji niż w ferrycie), o znacznym rozmiarze ziarn oraz dyspersyjnymi wydzieleniami faz, głównie na granicach. Wpływ temperatury i czasu na wytrzymałość na rozciąganie Porównanie wytrzymałości na pełzanie stali ferrytycznych i austenitycznych 11 5. Stal zaworowa Wymagania: -dużaodporność na wysokotemperaturową korozję gazową, -duża odporność na ścieranie i wytrzymałości na pełzanie oraz obciążenia udarowe, -mała rozszerzalność idużaprzewodność cieplna, - dobre właściwości technologiczne (podatność na przeróbkę plastyczną i obróbkę mechaniczną). Odporność na korozję gazową zapewniają tejgrupiestalisiicr(silchromy). Natomiast dużą twardość i odporność na ścieranie wynika ze stosunkowo dużej zawartości węgla 0,4 0,6%. 12 6
5. Stal zaworowa Na zawory wlotowe, których temperatura pracy nie przekracza 500ºC, stosuje się stale perlityczne (martenzytyczne) poddane hartowaniu z temperatury 1010 1060ºC i odpuszczaniu w 700 790ºC z chłodzeniem w wodzie (zapobiega to kruchości odpuszczania). Zawory wydechowe pracują w znacznie wyższej temperaturze, sięgającej nawet 900ºC. W tym przypadku stosowane są stale austenityczne przesycane w wodzie z temperatury 1050 1170ºC i następnie starzone w 700 750ºC. Otrzymana mikrostruktura składa się poza austenitem z dyspersyjnych wydzieleń węglików (M 6 C, M 23 C 6 ) oraz węglikoazotków. 6. Stal odporna na ścieranie Stal (staliwo) Hadfielda 13 7. Stal i stopy oporowe Wymagania: -dużaoporność właściwa, -mały temperaturowy współczynnik rozszerzalności, -mała przewodność cieplna, -wysokie właściwości wytrzymałościowe w temperaturze pokojowej oraz duża odporność na pełzanie w wysokiej temperaturze, - żaroodporność. Podział stopów oporowych ze względu na skład chemiczny i mikrostrukturę: - niklowo-chromowe z dodatkiem Fe a także Mn i Si o mikrostrukturze austenitycznej np. chromonikielina, nichromy; - żelazowo-chromowo-aluminiowe z niewielkimi dodatkami Mn i Si oraz kilkoma setnymi procenta węgla o mikrostrukturze ferrytycznej np. ferchromale, fechrale. 14 7
8. Stopy o szczególnych właściwościach magnetycznych Pętla histerezy magnetycznej materiałów magnetycznie miękkich i twardych Tekstura materiałów magnetycznie miękkich Charakterystyka magnesu trwałego 15 9. Stal umacniana wydzieleniowo typu maraging Wpływ różnych mechanizmów umocnienia na wytrzymałość martenzytu odpuszczonego 16 8