Ϫ METALE.XMC.PL

Hartowanie Metali Umacnianie Zastosowanie Cechy

.:: Żeliwa ::.

Podeutektyczne stopy Fe (żelazo) z C (węglem)(o zaw. C: 2-4%) i innymi pierwiastkami.

Własności:
+ Niski koszt wyrobów
+ Niska temp topnienia
+ Dobra skrawalność

Podział:
Szare – C w postaci grafitu
Białe – C w postaci cementytu
Połowiczne – występuje zarówno grafit i cementyt Struktura i własności żeliw zależą od:
Składu chem:
Si, P ułatwiają grafityzację (P rozpuszcza się częściowo w ferrycie tworząc steadyt Fe3C-Fe3P-Fea)
Mn, S przeciwdziałają grafityzacji (S tworzy eutektykę Fe-FeS-Fe3C o temp top wyższej od steadytu)
Szybkości krzepnięcia i średnicy odlewu: ze zwiększeniem grubości ścian odlewu zwiększa się ilość i grubość płatków grafitu – spadają własności wytrzymałościowe
Pierwiastki sprzyjające grafityzacji: Si, Ni ,P, Cu, Al, Ti
Pierwiastki przeciwdziałające grafityzacji: Cr, S, Mo

Żeliwo szare zwykłe (z grafitem płatkowym)

Własności:
Niska wytrzymałość
Niska odporność na ścieranie
Dobre tłumienie drgań
Dobra skrawalność
Twardość i wytrzymałość rośnie ze zwiększeniem się udziału perlitu
Osnowa ferrytyczna, ferrytyczno-perlityczna, perlityczna + grafit, steadyt, wtrącenia niemetal.
Zastosowanie: korpusy maszyn
Wytrzymałość: Rm=100-300 MPa, 200-240 HB

Żeliwo szare modyfikowane

Własności
Żeliwo mające tendencję do krzepnięcia jako białe lub połowiczne poddane modyfikacji
Modyfikacja: dodanie bezpośrednio do przed odlaniem modyfikatora (Fe-Si, Ca-Si, Al) 0,1-0,5% powodującego odgazowanie kąpieli i wymusza heterogeniczne zarodkowanie grafitu na cząstki tlenków, dzięki temu żeliwo krzepnie jako szare, a grafit jest w postaci wielu drobnych równomiernie rozmieszczonych płatków.
Wytrzymałość: Rm=300-400 MPa.

Żeliwo szare sferoidalne

Własności:
Żeliwo mające tendencję do krzepnięcia jako szare
Bardzo mała zaw S, P
Modyfikowane Ce, Mg-Cu
ferrytyczne, ferrytyczno-perlityczne, perlityczne, bainityczne, martenzytyczne + grafit w post kulistej
Dobre własności wytrzymałościowe i plastyczne
Zastosowanie: elementy maszyn
Wytrzymałość: Rm=350-900 MPa, A5=2-22%

Żeliwo białe

Własności:
Struktura ledeburytu przemienionego i ewentualnie steadyt
W podeutektycznym występuje przewaga perlitu
W nadeutektycznym przewaga cementytu
Kruche
Źle skrawalne
Zastosowanie: do wytwarzania żeliwa ciągliwego

Żeliwo ciągliwe

Własności:
Otrzymywane z białego poprzez wyżarzanie grafityzujące (cementyt ulega rozpadowi i wydziela się węgiel żarzenia – kłaczkowate skupienia) W zależności od parametrów procesu żeliwa dzielimy na:

Żeliwo ciągliwe białe (W) -atmosfera utleniająca, temp: 950-1000°C, czas: 60-90 godzin, chłodzenie w powietrzu, struktura ferrytyczna odwęglona

Żeliwo ciągliwe czarne (B) -atmosfera obojętna, temp: 950-1050°C, czas: 40-70 godzin, chłodzenie w powietrzu, struktura ferrytyczna z wydzieleniami węgla żarzenia.

Żeliwo ciągliwe perlityczne (P) -atmosfera obojętna, temp: 950-1050°C, czas: 15 godzin, chłodzenie w powietrzu, struktura perlityczna z węglem żarzenia.

Żeliwa stopowe
Pierwiastki stopowe (Al, Cr, Cu, Mn, Mo, Ni, Si, Ti, V, W) dodawane do żeliw w celu poprawy:
Własn mechanicznych
Odporności na ścieranie
Odporności na korozję
Polepszenie własn fizycznych
Podział ze wzgl na ilość pierw stopowych:
Niskostopowe (maszynowe): perlityczne do 3% pierw stop: Al, Si, Mn
Średnoistopowe: ferrytyczne, ledeburytyczne, bainityczne, 3-20% składników stopowych
Wysokostopowe: ferrytyczne, austenityczne pow. 20% skład stopowych

Czytaj Więcej Click »

.:: Metody Umacniania Żelaza ::.

W rzeczywistości metale i kryształy różnych pierwiastków wykazują skończone wymiary i liczne wady budowy krystalicznej. Najogólniej wady te ze względu na ich cechy geometryczne można podzielić na:

– punktowe,
– liniowe,
– powierzchniowe.

Wady budowy krystalicznej w istotny sposób wpływają na własności wytrzymałościowe i plastyczne metali. Obliczenia teoretyczne wykazują, że najlepszymi własnościami wytrzymałościowymi powinny cechować się metale o idealnej budowie krystalicznej, a ich wytrzymałość powinna przewyższać około 1000-krotnie wytrzymałość metali technicznych. Potwierdza to fakt, że bardzo duże własności uzyskują kryształy włoskowate, tak zwane wiskery, tj. monokryształy o jednej tylko dyslokacji śrubowej. Dążenie do ograniczenia wad budowy krystalicznej jest jednak technicznie bardzo trudne. Natomiast praktyczna metoda umacniania metali polega na znacznym zwiększeniu gęstości wad budowy krystalicznej, co można osiągnąć przez stosowanie stopów metali o strukturze polikrystalicznej, w wyniku rozdrobnienia ziaren, wydzielenia faz o dużej dyspersji, a także przez zgniot wskutek odkształcenia plastycznego na zimno. Osiągnięciu tego celu sprzyjają procesy technologiczne odlewania, obróbki plastycznej i obróbki cieplnej.

Jedną z metod umacniania stopów żelaza jest umacnianie przez wprowadzenie pierwiastków stopowych.
Stosowanie składników stopowych ma na celu poprawę określonych własności. Jednakże własności stali ze wzrostem zawartości składnika stopowego nie zmieniają się liniowo. Również działania różnych składników stopowych w stali nie można ująć w prosty sposób. W związku z tym jakiekolwiek liczbowe określanie dotyczące zmian własności nie jest możliwe, gdyż nawet w najprostszych przypadkach mamy do czynienia ze stopem składającym się minimum z trzech składników – żelaza, węgla i pierwiastka stopowego. Znajomość wpływu pierwiastka stopowego w stali umożliwia jedynie orientacyjne określenie zmiany odpowiedniej własności.

Działanie pierwiastków stopowych w stali.
Temperatura przystanku A1­­ wzrasta znacznie przez dodatek chromu i krzemu (o 20-30 K na 1% Cr lub Si, ale tylko do 3%), przez dodatek wolframu, wanadu, molibdenu i fosforu rośnie nieznacznie, a przez dodatek manganu i niklu maleje (o 10 K na każdy 1% Mn lub Ni). Granica nasycenia węglem austenitu (linia Acm) jest przesuwana w lewo przez wszystkie pierwiastki stopowe (z wyjątkiem kobaltu), gdyż zmienia się rozpuszczalność węgla w austenicie. W związku z tym pojawia się już przy mniejszych zawartościach węgla perlit, cementyt drugorzędowy lub nawet ledeburyt. Na podstawie zmian pola austenitu, dzięki różnej rozpuszczalności pierwiastków stopowych w Feg, lub w Fea, można wyróżnić cztery grupy pierwiastków stopowych:

1) Nikiel, kobalt, mangan poszerzają pole g, które przy pewnej zawartości tych składników stopowych rozciąga się nawet od temperatur topnienia aż do temperatur otoczenia i niższych – otwarte pole g. Powstaje wówczas stal austenityczna, której szczególnymi własnościami są: paramagnetyczna, niewielka granica plastyczności, znaczna ciągliwość, duża zdolność do umacniania się przez obróbkę plastyczną na zimno, żarowytrzymałość, niehartowalność, brak przemian, a zatem możliwość usuwania ewentualnie istniejącego grubego ziarna. Stale austenityczne chromowo-niklowe chłodzi się szybko podczas ich wytwarzania od 1050 oC celem otrzymania czystego austenitu. Powolne chłodzenie spowodowałoby tworzenie się na granicach ziaren węglików chromu (kruchość, korozja międzykrystaliczna).

2) Chrom, aluminium, tytan, krzem, wanad, molibden zawężają pole g. Przy wystarczającej zawartości tych pierwiastków stopowych, stal przy ogrzewaniu nie wykazuje żadnej przemiany i pozostaje stalą ferrytyczną (pole a). Jej szczególne własności to: żarowytrzymałość, szczególne własności magnetyczne, brak hartowalności, skłonność do tworzenia grubego ziarna, którego przy braku przemian w stali nie można usunąć. Pierwiastki drugiej grupy ferrytycznej w połączeniu z pierwiastkami z pierwszej grupy austenitycznej mogą zwiększyć skłonność do tworzenia austenitu. Przykładem tego jest stal nierdzewna, austenityczna o zawartości 18% Cr i 8% Ni.

3) Węgiel, azot, cynk i złoto rozszerzają pole g.

4) Bor, siarka, cyrkon, cer wywołują zawężenie pola g.

Większość stosowanych pierwiastków stopowych zmniejsza szybkość dyfuzji węgla w Feg i Fea i z tego powodu maleje krytyczna szybkość chłodzenia. Szczególnie szybko ujawnia się to przy manganie, molibdenie, chromie, krzemie i niklu (w kolejności zmniejszania się wpływu). Biorąc pod uwagę koszty i zdolność do ujednorodnienia się składników w stali (krzem powoduje kruchość) stosuje się w tym przypadku mangan, chrom, nikiel jako najważniejsze pierwiastki stopowe. Przy wystarczającej zawartości tych pierwiastków przemiana perlityczna zostanie zahamowana przy chłodzeniu na wolnym powietrzu, powstaje wówczas struktura martenzytyczna stali. W odróżnieniu od stali niestopowych, stale stopowe wykazują przy ciągłym chłodzeniu wyraźną przemianę w zakresie pośrednim (bainityczną). W stalach takie pierwiastki jak: mangan, chrom, wolfram, molibden, tantal, niob, wanad, tytan wykazują skłonność do tworzenia węglików, przy czym wanad i tytan bardzo silną, mangan i chrom słabą.

Można rozróżnić trzy typy węglików:
a) Węgliki złożone o strukturze cementytu, np. (Fe, Mn)3C, w których pojedyncze atomy żelaza są zastąpione atomami pierwiastka stopowego.
b) Węgliki specjalne o własnej strukturze np. Cr7C3, które mogą rozpuszczać również żelazo, np.(Cr, Fe)7C3.
c) Węgliki podwójne, np. Fe3W3C.
Działanie pierwiastków stopowych w stalach zależy bardzo od tego czy tworzą one węgliki, czy też roztwory jak: krzem, nikiel, kobalt, miedź, aluminium, warunkowo mangan. W stalach o znacznej zawartości węgla roztwory są uboższe w składniki stopowe, gdyż powstaje więcej węglików. W stalach o małej zawartości węgla przeciwnie – roztwory są bogatsze w składniki stopowe, ponieważ powstaje mniej węglików.

Ze wzrostem temperatury, ogólnie biorąc, wzrasta rozpuszczalność węgla w roztworze tak, że węgliki zostają rozpuszczone i roztwór staje się bogatszy w pierwiastki stopowe. Podczas szybkiego chłodzenia z wysokich temperatur otrzymuje się roztwory bogate w pierwiastki stopowe, z których podczas odpuszczania, podobnie jak przy powolnym chłodzeniu, wydzielają się węgliki a roztwór ponownie ubożeje w pierwiastki stopowe.

Wpływ pierwiastków stopowych.
Mangan jako pierwiastek stopowy w stali.
Stale manganowe znajdują zastosowanie jako stale perlityczne konstrukcyjne i narzędziowe oraz jako stale austenityczne. Stale martenzytyczno-troostytyczne o 2 – 10% Mn nie znajdują zastosowania z powodu kruchości.
Stale o zawartościach większych od 0,9% C i 12% Mn są podczas chłodzenia w powietrzu w dużym stopniu, a przy hartowaniu w wodzie całkowicie austenityczne. Mangan podwyższa wytrzymałość doraźną i granicę plastyczności przy rozciąganiu stali niskowęglowych o 100 MPa na każdy 1% Mn. Przykładem tego jest St 52-3 o zawartości 1,2% Mn i zaledwie 0,2% C. W stalach ulepszanych cieplnie wpływ ten jest jeszcze większy, dochodzi do tego jeszcze znaczne polepszenie pracy uderzenia. Np. GS-35 MnMo 5 2 – staliwo stosowane na widelce zrywarki drogowej do asfaltu; po hartowaniu w oleju i odpuszczaniu ma Rm=870 MPa, Re=730 MPa, A10=20% i Z=42%. Mangan przesuwa punkt perlityczny na wykresie Fe-Fe3C na lewo w dół, mianowicie przy 2% Mn na 0,7% C i 620 oC. Mangan obniża krytyczną szybkość chłodzenia i podwyższa przez to hartowność. Stąd np. stal 30Mn5 może być używana na części ulepszane cieplnie aż do średnicy 250 mm. Przy zmniejszonej krytycznej szybkości hartowania cienkich stalowych części o zawartości 2% Mn możliwe jest hartowanie w powietrzu, a przez to maleje niebezpieczeństwo pęknięć z powodu naprężeń własnych. Mangan powoduje kruchość odpuszczania stali (a więc należy szybko chłodzić) i skłonność do przegrzewania (skłonność do gruboziarnistości). Mangan polepsza spawalność stali przy zawartości 1-2,5% Mn. Najważniejszą austenityczną stalą manganową stal Hadfielda, np. 120Mn50, w której stosunek Mn : C = 10 : 1. W stanie zahartowanym jest ona miękka i ciągliwa. Charakterystyczny w tym stanie (220 HB) jest jej niski stosunek granicy plastyczności do wytrzymałości doraźnej i przede wszystkim jej duża zdolność do umacniania się podczas obróbki plastycznej na zimno (Rm=1000 MPa). Dlatego ma ona dużą odporność na ścieranie i jest oczywiście trudna do obróbki skrawaniem. Przez kucie, a następnie hartowanie tej stali można osiągnąć wyraźne podwyższenie wytrzymałości doraźnej i wydłużenia względnego podczas rozciągania bez wzrostu twardości i granicy plastyczności.

Krzem jako pierwiastek stopowy w stali.
Krzem podwyższa wytrzymałość doraźną na rozciąganie i stosunek granicy plastyczności do wytrzymałości doraźnej w stalach ulepszanych cieplnie. Stale te znajdują zastosowanie w wysoko obciążanych sprężynach. Na przykład stal 65Si7 używa się na sprężyny płaskie o grubości ponad 7 mm. Obróbka cieplna tej stali to hartowanie z temperatury 840 oC/olej/420 oC/powietrze, wytrzymałość doraźna na rozciąganie – 1450 MPa, wydłużenie względne podczas rozciągania – 5%.  Krzem zmniejsza obrabialność plastyczną na zimno (dlatego blachy do głębokiego tłoczenia nie powinny zawierać ponad 0,2% Si), zwiększa jednak odporność na ścieranie i odporność na odpuszczanie. Dlatego stale te stosuje się na korbowody (np. 37MnSi5), na narzędzia do obróbki plastycznej na gorąco i obróbki skrawaniem (np. 61CrSiV5 o 1% Si na foremnik do kucia, zaś 125CrSi5 o 1,2% Si na frezy). Krzem zwiększa opór elektryczny i dlatego dodawany jest do blach transformatorowych celem zmniejszenia strat na prądy wirowe; z powodu związanej z tym kruchości stosuje się maksymalnie 4,3% Si, np. 5Si17. Krzem zwiększa odporność na utlenianie w podwyższonej temperaturze i powoduje przy 14% Si kwasoodporność, maleją jednak przy tym własności mechaniczne i obrabialność plastyczna na gorąco tak silnie, że przy tych ilościach krzemu stop używany jest tylko do wyrobu kwasoodpornego żeliwa i staliwa. Przykładowo żaroodporne staliwo G-X40CrNiSi22 9 o 2% Si używane na rolki w piecach do wyżarzania.

Aluminium jako pierwiastek stopowy w stali.
Aluminium w ilości 1,5% jest dodawane oprócz krzemu do wysokostopowych (do 24% Cr) stali chromowych (ferrytycznych) do podwyższania ich żaroodporności. Stale do azotowania zawierają maksymalnie 1% Al.
Stopy na magnesy stałe zawierają (oprócz kobaltu, niklu i miedzi) do 13% Al.

Nikiel jako pierwiastek stopowy w stali.
Stale stopowe z niklem są używane tylko jako stale perlityczne i austenityczne. Martenzytyczne stale niklowe nie znajdują zastosowania ze względu na trudną obróbkę. Nikiel podwyższa wytrzymałość doraźną i granicę plastyczności na rozciąganie o ok. 40 MPa na każdy 1% dodanego niklu, a szczególnie poprawia pracę uderzenia w próbie udarności w stalach ulepszanych cieplnie. Nikiel zmniejsza krytyczną szybkość chłodzenia i podwyższa przez to hartowność stali, stąd np. używa się 30CrNiMo8 (o 2% Ni) jako stali do ulepszania cieplnego na części do średnicy 250 mm. Nikiel podwyższa opór elektryczny i używany jest jako pierwiastek stopowy w stopach na grzejniki oporowe. Przykłady: X15NiCr60 15 stop austenityczny – temperatura maksymalna pracy ciągłej 1075 oC, żarowytrzymały, łatwy do obróbki plastycznej, nie ferromagnetyczny. Natomiast stop X10CrAl30 5 jest ferrytyczny, jego maksymalna temperatura pracy ciągłej wynosi 1275 oC, ale jest gruboziarnisty i kruchy na zimno. Nikiel utrudnia rozrost ziaren. Stale konstrukcyjne nie są produkowane jako stale niklowe (zbyt drogie), lecz z chromem i molibdenem jako głównymi pierwiastkami stopowymi. Austenityczna stal niklowa jest paramagnetyczna do ok. 30% Ni, uzyskuje jednak zdolności do magnesowania po przekroczeniu tej wartości. (Nikiel jest pierwiastkiem ferromagnetycznym). Nikiel najbardziej ze wszystkich pierwiastków stopowych wpływa na współczynnik rozszerzalności cieplnej stali. Przy zawartości 36% Ni współczynnik rozszerzalności cieplnej wynosi 1,5 . 10-6 1/oC i osiąga najmniejszą wartość – stop Inwar (niezmienny). Inwar znajduje zastosowanie w elementach bimetalicznych jako stop o małej rozszerzalności.

Czytaj Więcej Click »