Ϫ METALE.XMC.PL

Hartowanie Metali Umacnianie Zastosowanie Cechy

:: Metody Umacniania 呕elaza

W rzeczywisto艣ci metale i kryszta艂y r贸偶nych pierwiastk贸w wykazuj膮 sko艅czone wymiary i liczne wady budowy krystalicznej. Najog贸lniej wady te ze wzgl臋du na ich cechy geometryczne mo偶na podzieli膰 na:

– punktowe,
– liniowe,
– powierzchniowe.

Wady budowy krystalicznej w istotny spos贸b wp艂ywaj膮 na w艂asno艣ci wytrzyma艂o艣ciowe i plastyczne metali. Obliczenia teoretyczne wykazuj膮, 偶e najlepszymi w艂asno艣ciami wytrzyma艂o艣ciowymi powinny cechowa膰 si臋 metale o idealnej budowie krystalicznej, a ich wytrzyma艂o艣膰 powinna przewy偶sza膰 oko艂o 1000-krotnie wytrzyma艂o艣膰 metali technicznych. Potwierdza to fakt, 偶e bardzo du偶e w艂asno艣ci uzyskuj膮 kryszta艂y w艂oskowate, tak zwane wiskery, tj. monokryszta艂y o jednej tylko dyslokacji 艣rubowej. D膮偶enie do ograniczenia wad budowy krystalicznej jest jednak technicznie bardzo trudne. Natomiast praktyczna metoda umacniania metali polega na znacznym zwi臋kszeniu g臋sto艣ci wad budowy krystalicznej, co mo偶na osi膮gn膮膰 przez stosowanie stop贸w metali o strukturze polikrystalicznej, w wyniku rozdrobnienia ziaren, wydzielenia faz o du偶ej dyspersji, a tak偶e przez zgniot wskutek odkszta艂cenia plastycznego na zimno. Osi膮gni臋ciu tego celu sprzyjaj膮 procesy technologiczne odlewania, obr贸bki plastycznej i obr贸bki cieplnej.

Jedn膮 z metod umacniania stop贸w 偶elaza jest umacnianie przez wprowadzenie pierwiastk贸w stopowych.
Stosowanie sk艂adnik贸w stopowych ma na celu popraw臋 okre艣lonych w艂asno艣ci. Jednak偶e w艂asno艣ci stali ze wzrostem zawarto艣ci sk艂adnika stopowego nie zmieniaj膮 si臋 liniowo. R贸wnie偶 dzia艂ania r贸偶nych sk艂adnik贸w stopowych w stali nie mo偶na uj膮膰 w prosty spos贸b. W zwi膮zku z tym jakiekolwiek liczbowe okre艣lanie dotycz膮ce zmian w艂asno艣ci nie jest mo偶liwe, gdy偶 nawet w najprostszych przypadkach mamy do czynienia ze stopem sk艂adaj膮cym si臋 minimum z trzech sk艂adnik贸w – 偶elaza, w臋gla i pierwiastka stopowego. Znajomo艣膰 wp艂ywu pierwiastka stopowego w stali umo偶liwia jedynie orientacyjne okre艣lenie zmiany odpowiedniej w艂asno艣ci.

Dzia艂anie pierwiastk贸w stopowych w stali.
Temperatura przystanku A1颅颅 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 ro艣nie nieznacznie, a przez dodatek manganu i niklu maleje (o 10 K na ka偶dy 1% Mn lub Ni). Granica nasycenia w臋glem austenitu (linia Acm) jest przesuwana w lewo przez wszystkie pierwiastki stopowe (z wyj膮tkiem kobaltu), gdy偶 zmienia si臋 rozpuszczalno艣膰 w臋gla w austenicie. W zwi膮zku z tym pojawia si臋 ju偶 przy mniejszych zawarto艣ciach w臋gla perlit, cementyt drugorz臋dowy lub nawet ledeburyt. Na podstawie zmian pola austenitu, dzi臋ki r贸偶nej rozpuszczalno艣ci pierwiastk贸w stopowych w Feg, lub w Fea, mo偶na wyr贸偶ni膰 cztery grupy pierwiastk贸w stopowych:

1) Nikiel, kobalt, mangan poszerzaj膮 pole g, kt贸re przy pewnej zawarto艣ci tych sk艂adnik贸w stopowych rozci膮ga si臋 nawet od temperatur topnienia a偶 do temperatur otoczenia i ni偶szych – otwarte pole g. Powstaje w贸wczas stal austenityczna, kt贸rej szczeg贸lnymi w艂asno艣ciami s膮: paramagnetyczna, niewielka granica plastyczno艣ci, znaczna ci膮gliwo艣膰, du偶a zdolno艣膰 do umacniania si臋 przez obr贸bk臋 plastyczn膮 na zimno, 偶arowytrzyma艂o艣膰, niehartowalno艣膰, brak przemian, a zatem mo偶liwo艣膰 usuwania ewentualnie istniej膮cego grubego ziarna. Stale austenityczne chromowo-niklowe ch艂odzi si臋 szybko podczas ich wytwarzania od 1050 oC celem otrzymania czystego austenitu. Powolne ch艂odzenie spowodowa艂oby tworzenie si臋 na granicach ziaren w臋glik贸w chromu (krucho艣膰, korozja mi臋dzykrystaliczna).

2) Chrom, aluminium, tytan, krzem, wanad, molibden zaw臋偶aj膮 pole g. Przy wystarczaj膮cej zawarto艣ci tych pierwiastk贸w stopowych, stal przy ogrzewaniu nie wykazuje 偶adnej przemiany i pozostaje stal膮 ferrytyczn膮 (pole a). Jej szczeg贸lne w艂asno艣ci to: 偶arowytrzyma艂o艣膰, szczeg贸lne w艂asno艣ci magnetyczne, brak hartowalno艣ci, sk艂onno艣膰 do tworzenia grubego ziarna, kt贸rego przy braku przemian w stali nie mo偶na usun膮膰. Pierwiastki drugiej grupy ferrytycznej w po艂膮czeniu z pierwiastkami z pierwszej grupy austenitycznej mog膮 zwi臋kszy膰 sk艂onno艣膰 do tworzenia austenitu. Przyk艂adem tego jest stal nierdzewna, austenityczna o zawarto艣ci 18% Cr i 8% Ni.

3) W臋giel, azot, cynk i z艂oto rozszerzaj膮 pole g.

4) Bor, siarka, cyrkon, cer wywo艂uj膮 zaw臋偶enie pola g.

Wi臋kszo艣膰 stosowanych pierwiastk贸w stopowych zmniejsza szybko艣膰 dyfuzji w臋gla w Feg i Fea i z tego powodu maleje krytyczna szybko艣膰 ch艂odzenia. Szczeg贸lnie szybko ujawnia si臋 to przy manganie, molibdenie, chromie, krzemie i niklu (w kolejno艣ci zmniejszania si臋 wp艂ywu). Bior膮c pod uwag臋 koszty i zdolno艣膰 do ujednorodnienia si臋 sk艂adnik贸w w stali (krzem powoduje krucho艣膰) stosuje si臋 w tym przypadku mangan, chrom, nikiel jako najwa偶niejsze pierwiastki stopowe. Przy wystarczaj膮cej zawarto艣ci tych pierwiastk贸w przemiana perlityczna zostanie zahamowana przy ch艂odzeniu na wolnym powietrzu, powstaje w贸wczas struktura martenzytyczna stali. W odr贸偶nieniu od stali niestopowych, stale stopowe wykazuj膮 przy ci膮g艂ym ch艂odzeniu wyra藕n膮 przemian臋 w zakresie po艣rednim (bainityczn膮). W stalach takie pierwiastki jak: mangan, chrom, wolfram, molibden, tantal, niob, wanad, tytan wykazuj膮 sk艂onno艣膰 do tworzenia w臋glik贸w, przy czym wanad i tytan bardzo siln膮, mangan i chrom s艂ab膮.

Mo偶na rozr贸偶ni膰 trzy typy w臋glik贸w:
a) W臋gliki z艂o偶one o strukturze cementytu, np. (Fe, Mn)3C, w kt贸rych pojedyncze atomy 偶elaza s膮 zast膮pione atomami pierwiastka stopowego.
b) W臋gliki specjalne o w艂asnej strukturze np. Cr7C3, kt贸re mog膮 rozpuszcza膰 r贸wnie偶 偶elazo, np.(Cr, Fe)7C3.
c) W臋gliki podw贸jne, np. Fe3W3C.
Dzia艂anie pierwiastk贸w stopowych w stalach zale偶y bardzo od tego czy tworz膮 one w臋gliki, czy te偶 roztwory jak: krzem, nikiel, kobalt, mied藕, aluminium, warunkowo mangan. W stalach o znacznej zawarto艣ci w臋gla roztwory s膮 ubo偶sze w sk艂adniki stopowe, gdy偶 powstaje wi臋cej w臋glik贸w. W stalach o ma艂ej zawarto艣ci w臋gla przeciwnie – roztwory s膮 bogatsze w sk艂adniki stopowe, poniewa偶 powstaje mniej w臋glik贸w.

Ze wzrostem temperatury, og贸lnie bior膮c, wzrasta rozpuszczalno艣膰 w臋gla w roztworze tak, 偶e w臋gliki zostaj膮 rozpuszczone i roztw贸r staje si臋 bogatszy w pierwiastki stopowe. Podczas szybkiego ch艂odzenia z wysokich temperatur otrzymuje si臋 roztwory bogate w pierwiastki stopowe, z kt贸rych podczas odpuszczania, podobnie jak przy powolnym ch艂odzeniu, wydzielaj膮 si臋 w臋gliki a roztw贸r ponownie ubo偶eje w pierwiastki stopowe.

Wp艂yw pierwiastk贸w stopowych.
Mangan jako pierwiastek stopowy w stali.
Stale manganowe znajduj膮 zastosowanie jako stale perlityczne konstrukcyjne i narz臋dziowe oraz jako stale austenityczne. Stale martenzytyczno-troostytyczne o 2 – 10% Mn nie znajduj膮 zastosowania z powodu krucho艣ci.
Stale o zawarto艣ciach wi臋kszych od 0,9% C i 12% Mn s膮 podczas ch艂odzenia w powietrzu w du偶ym stopniu, a przy hartowaniu w wodzie ca艂kowicie austenityczne. Mangan podwy偶sza wytrzyma艂o艣膰 dora藕n膮 i granic臋 plastyczno艣ci przy rozci膮ganiu stali niskow臋glowych o 100 MPa na ka偶dy 1% Mn. Przyk艂adem tego jest St 52-3 o zawarto艣ci 1,2% Mn i zaledwie 0,2% C. W stalach ulepszanych cieplnie wp艂yw ten jest jeszcze wi臋kszy, 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 d贸艂, mianowicie przy 2% Mn na 0,7% C i 620 oC. Mangan obni偶a krytyczn膮 szybko艣膰 ch艂odzenia i podwy偶sza przez to hartowno艣膰. St膮d np. stal 30Mn5 mo偶e by膰 u偶ywana na cz臋艣ci ulepszane cieplnie a偶 do 艣rednicy 250 mm. Przy zmniejszonej krytycznej szybko艣ci hartowania cienkich stalowych cz臋艣ci o zawarto艣ci 2% Mn mo偶liwe jest hartowanie w powietrzu, a przez to maleje niebezpiecze艅stwo p臋kni臋膰 z powodu napr臋偶e艅 w艂asnych. Mangan powoduje krucho艣膰 odpuszczania stali (a wi臋c nale偶y szybko ch艂odzi膰) i sk艂onno艣膰 do przegrzewania (sk艂onno艣膰 do gruboziarnisto艣ci). Mangan polepsza spawalno艣膰 stali przy zawarto艣ci 1-2,5% Mn. Najwa偶niejsz膮 austenityczn膮 stal膮 manganow膮 stal Hadfielda, np. 120Mn50, w kt贸rej stosunek Mn : C = 10 : 1. W stanie zahartowanym jest ona mi臋kka i ci膮gliwa. Charakterystyczny w tym stanie (220 HB) jest jej niski stosunek granicy plastyczno艣ci do wytrzyma艂o艣ci dora藕nej i przede wszystkim jej du偶a zdolno艣膰 do umacniania si臋 podczas obr贸bki plastycznej na zimno (Rm=1000 MPa). Dlatego ma ona du偶膮 odporno艣膰 na 艣cieranie i jest oczywi艣cie trudna do obr贸bki skrawaniem. Przez kucie, a nast臋pnie hartowanie tej stali mo偶na osi膮gn膮膰 wyra藕ne podwy偶szenie wytrzyma艂o艣ci dora藕nej i wyd艂u偶enia wzgl臋dnego podczas rozci膮gania bez wzrostu twardo艣ci i granicy plastyczno艣ci.

Krzem jako pierwiastek stopowy w stali.
Krzem podwy偶sza wytrzyma艂o艣膰 dora藕n膮 na rozci膮ganie i stosunek granicy plastyczno艣ci do wytrzyma艂o艣ci dora藕nej w stalach ulepszanych cieplnie. Stale te znajduj膮 zastosowanie w wysoko obci膮偶anych spr臋偶ynach. Na przyk艂ad stal 65Si7 u偶ywa si臋 na spr臋偶yny p艂askie o grubo艣ci ponad 7 mm. Obr贸bka cieplna tej stali to hartowanie z temperatury 840 oC/olej/420 oC/powietrze, wytrzyma艂o艣膰 dora藕na na rozci膮ganie – 1450 MPa, wyd艂u偶enie wzgl臋dne podczas rozci膮gania – 5%.聽 Krzem zmniejsza obrabialno艣膰 plastyczn膮 na zimno (dlatego blachy do g艂臋bokiego t艂oczenia nie powinny zawiera膰 ponad 0,2% Si), zwi臋ksza jednak odporno艣膰 na 艣cieranie i odporno艣膰 na odpuszczanie. Dlatego stale te stosuje si臋 na korbowody (np. 37MnSi5), na narz臋dzia do obr贸bki plastycznej na gor膮co i obr贸bki skrawaniem (np. 61CrSiV5 o 1% Si na foremnik do kucia, za艣 125CrSi5 o 1,2% Si na frezy). Krzem zwi臋ksza op贸r elektryczny i dlatego dodawany jest do blach transformatorowych celem zmniejszenia strat na pr膮dy wirowe; z powodu zwi膮zanej z tym krucho艣ci stosuje si臋 maksymalnie 4,3% Si, np. 5Si17. Krzem zwi臋ksza odporno艣膰 na utlenianie w podwy偶szonej temperaturze i powoduje przy 14% Si kwasoodporno艣膰, malej膮 jednak przy tym w艂asno艣ci mechaniczne i obrabialno艣膰 plastyczna na gor膮co tak silnie, 偶e przy tych ilo艣ciach krzemu stop u偶ywany jest tylko do wyrobu kwasoodpornego 偶eliwa i staliwa. Przyk艂adowo 偶aroodporne staliwo G-X40CrNiSi22 9 o 2% Si u偶ywane na rolki w piecach do wy偶arzania.

Aluminium jako pierwiastek stopowy w stali.
Aluminium w ilo艣ci 1,5% jest dodawane opr贸cz krzemu do wysokostopowych (do 24% Cr) stali chromowych (ferrytycznych) do podwy偶szania ich 偶aroodporno艣ci. Stale do azotowania zawieraj膮 maksymalnie 1% Al.
Stopy na magnesy sta艂e zawieraj膮 (opr贸cz kobaltu, niklu i miedzi) do 13% Al.

Nikiel jako pierwiastek stopowy w stali.
Stale stopowe z niklem s膮 u偶ywane tylko jako stale perlityczne i austenityczne. Martenzytyczne stale niklowe nie znajduj膮 zastosowania ze wzgl臋du na trudn膮 obr贸bk臋. Nikiel podwy偶sza wytrzyma艂o艣膰 dora藕n膮 i granic臋 plastyczno艣ci na rozci膮ganie o ok. 40 MPa na ka偶dy 1% dodanego niklu, a szczeg贸lnie poprawia prac臋 uderzenia w pr贸bie udarno艣ci w stalach ulepszanych cieplnie. Nikiel zmniejsza krytyczn膮 szybko艣膰 ch艂odzenia i podwy偶sza przez to hartowno艣膰 stali, st膮d np. u偶ywa si臋 30CrNiMo8 (o 2% Ni) jako stali do ulepszania cieplnego na cz臋艣ci do 艣rednicy 250 mm. Nikiel podwy偶sza op贸r elektryczny i u偶ywany jest jako pierwiastek stopowy w stopach na grzejniki oporowe. Przyk艂ady: X15NiCr60 15 stop austenityczny – temperatura maksymalna pracy ci膮g艂ej 1075 oC, 偶arowytrzyma艂y, 艂atwy do obr贸bki plastycznej, nie ferromagnetyczny. Natomiast stop X10CrAl30 5 jest ferrytyczny, jego maksymalna temperatura pracy ci膮g艂ej wynosi 1275 oC, ale jest gruboziarnisty i kruchy na zimno. Nikiel utrudnia rozrost ziaren. Stale konstrukcyjne nie s膮 produkowane jako stale niklowe (zbyt drogie), lecz z chromem i molibdenem jako g艂贸wnymi pierwiastkami stopowymi. Austenityczna stal niklowa jest paramagnetyczna do ok. 30% Ni, uzyskuje jednak zdolno艣ci do magnesowania po przekroczeniu tej warto艣ci. (Nikiel jest pierwiastkiem ferromagnetycznym). Nikiel najbardziej ze wszystkich pierwiastk贸w stopowych wp艂ywa na wsp贸艂czynnik rozszerzalno艣ci cieplnej stali. Przy zawarto艣ci 36% Ni wsp贸艂czynnik rozszerzalno艣ci cieplnej wynosi 1,5 . 10-6 1/oC i osi膮ga najmniejsz膮 warto艣膰 – stop Inwar (niezmienny). Inwar znajduje zastosowanie w elementach bimetalicznych jako stop o ma艂ej rozszerzalno艣ci.

(more…)