Metaliczne materiały konstrukcyjne

Literatura podstawowa1. Haimann R., Metaloznawstwo. OW PWr., Wrocław 2000, 1980,2. Dobrzański L.A., Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo,WNT Warszawa 20023. Przybyłowicz K. i J., Materiałoznawstwo w pytaniach i odpowiedziach,WNT, Warszawa, 2000,Literatura dodatkowa1. Ashby M.F., Jones D.R.H., Materiały inżynierskie t. 1 i 2 . WNTWarszawa, 1996.,2

1. Układ Fe-Fe3C. Fazy i struktury oraz ich własności2. Stale niestopowe. Wpływ domieszek na własności stali3. Podział stali. Zasady znakowania stali. Staliwa i ich klasyfikacja4. Układ żelazo grafit. Wpływ domieszek na własności żeliw5. Modyfikowanie żeliw. Klasyfikacja i zasady znakowania żeliw6. Podstawy teoretyczne obróbki cieplnej. Przemiana perlit-austenit,austenit-perlit7. Przemiana martenzytyczna. Wykres CTPi i CTPc. Technologia obróbkicieplnej stali8. Hartowanie powierzchniowe. Obróbka cieplno-chemiczna. Nawęglanie.Azotowanie.9. Stale stopowe.10. Spawalność stali.11. Stale narzędziowe.12. Stopy miedzi.13. Stopy lekkie14. Stopy łożyskowe i materiały spiekane3

Fazy układu stabilnego Fe-C lub układu metastabilnego Fe-Fe 3 C• ferryt: Fe (C) - roztwór stały węgla w żelazie o strukturze A2 (podstawowy,międzywęzłowy, graniczny),• austenit: Fe (C) - roztwór stały węgla w żelazie o strukturze A1 (podstawowy,międzywęzłowy, graniczny),• grafit (odmiana alotropowa węgla) - faza stabilna,• cementyt (Fe 3 C) - metastabilny węglik żelaza (faza pośrednia, międzymetaliczna,międzywęzłowa złożona),Sieć krystaliczna ferrytu RPC (A2)l k = 8ww = 0,68a = 0,286 nm (w temp. pokojowej)a = 0,293 nm (w 1394 C)6 luk oktaedrycznych/komórkęspłaszczone luki oktaedryczne(0,633x0,633x0,155d)mała rozpuszczalność węgla(tetragonalne zniekształcenie komórki)- zajęta co 1650 luka w 727 C(0,0218 % wag. C)płaszczyzny poślizgu {110}- nie są najgęściej upakowane,- tylko kierunki najgęstszego ułożenia 111 6

Sieć krystaliczna austenitu RSC (A1)l k = 12ww = 0,744 luki oktaedryczne/komórkę(średnica luki 0,414d)znaczna rozpuszczalność węglaśrednica luki = 0,106 nm (w 916 C)średnica jonu węgla = 0,154 nm- zajęta co 11 luka w 1148 C (2,11 %wag.C)- zajęta co 28 luka w 727 C (0,77 %wag. C)płaszczyzna poślizgu {111}(jest najgęściej upakowana z możliwych)7

odległość między atomami w warstwie = 0,142 nmodległość między warstwami = 0,340 nm● właściwości wytrzymałościowe grafitu są takmałe, że traktujemy jego wydzielenia jakonieciągłość osnowy metalowej stopu,9

Wykres równowagi stabilnej Fe – C (opis fazowy)fazy stałe: ferryt, austenit, grafit10

Wykres równowagi metastabilnej Fe – Fe 3 C (opis fazowy)fazy stałe: ferryt, austenit, cementyt11

Wykres równowagi metastabilnej Fe – Fe 3 C (opis strukturalny)12

óżny przebieg krystalizacji austenitu powoduje, w warunkach technicznych, odmienną segregację domieszekoraz dodatków stopowych i wpływa pośrednio również na właściwości stopów w temperaturze pokojowej

przemianaalotropowa14

struktura stopu 1,2%C – perlit + Fe 3 C II(stal zaeutektoidalna, przeznaczona zwykle na narzędzia ale poodpowiedniej obróbce cieplnej stanu wyjściowego i końcowego)● Fe 3 C II wydziela się na granicach ziaren austenituoraz może utworzyć ciągłą i kruchą otoczkę (siatkę),● siatka cementytu dyskwalifikuje każdy użytkowy wyrób,● usuwanie siatki cementytu wymaga długotrwałegowyżarzania sferoidyzującego (wydzielenia kulkowe Fe 3 C),siatka Fe 3 C IIperlit3% nital (Mi1Fe), 100x3% nital (Mi1Fe), 250x3% nital (Mi1Fe), 1000x16

struktura stopu 0,2%C – ferryt + perlit● zdecydowana przewaga udziału ferrytu nad perlitem,- wysoka ciągliwość ale niska wytrzymałość,● górna granica %C zapewniająca łatwą spawalność stali,● struktura stali konstrukcyjnych (łatwo spawalnych)(podwyższanie wytrzymałości w inny sposób niż przezwzrost %C),3% nital (Mi1Fe) (A. Krajczyk)3% nital (Mi1Fe) (A. Krajczyk)3% nital (Mi1Fe)(A. Krajczyk)18

Wpływ zawartości węgla na właściwości staliFe Fe 3 C ferrytaustenitstopowyperlitpłytkowyR m[MPa] 245 - 300 750 800R e(R 0,2) [MPa] 137 - 150 300 500A 10[%] 50 - 40 50 810HB 75 800 90 200 200260(właściwości austenitu podano dla stali wysokostopowej,dla której jest on trwały w temperaturze pokojowej)(R. Haimann)R m 300650(% wag.C)[MPa]10R m 3,4HB HB3R 0, 65R(dla stali przedeutektoidalnych)em(M. Blicharski)21

Żeliwa białe – stopy układu Fe-Fe 3 C powyżej 2,11 %C● stop eutektyczny (4,3 %C) - ledeburyt przemieniony (w temperaturze poniżej 727 °C)- ciemny perlit, który powstał z austenitu (składnika ledeburytu),- jasny cementyt (drugi składnik ledeburytu),- wydzielający się cementyt drugo- i trzeciorzędowy nie tworzy osobnych, strukturalnie wolnych wydzieleń(lokalnie pogrubiają się już wcześniej istniejące wydzielenia cementytu),ledeburyt przemieniony3C[( P Fe C) Fe3]3% nital (Mi1Fe), 250x 3% nital (Mi1Fe), 500x23

stop przedeutektyczny (ok. 3,5 %C) - w temperaturze poniżej 727 C- dendrytycznie rozłożony perlit (dendryty austenitu powyżej 727 C) na tle ledeburytu przemienionego(cementyt drugorzędowy wyraźnie pogrubia cementyt eutektyczny wokół dendrytów byłego austenitu),(znikoma ilość niewidocznego cementytu trzeciorzędowego)ledeburyt przemieniony3C( P Fe C) [( P Fe3C) Fe3](+)3% nital (Mi1Fe), 63x3% nital (Mi1Fe), 250xwłasności żeliw białych przedeutektycznych oraz eutektycznych:- struktury twarde (450600 HB, Rm = 300450 MPa), odporne na ścieranie ale kruche oraz źle obrabialne,- zastosowanie ograniczone:- półprodukt przy wytwarzaniu żeliwa ciągliwego (z grafitem kłaczkowym),- niektóre elementy odporne na ścieranie ale kruche,- zabielone fragmenty powierzchni odlewów z żeliw szarych (część węgla w postaci grafitu),

stop zaeutektyczny (powyżej 4,3 %C) - w temperaturze poniżej 727 C(+)- cementyt pierwszorzędowy (nazywany też pierwotnym) na tle ledeburytu przemienionego(niewielka ilość cementytu drugorzędowego oraz znikoma trzeciorzędowego – praktycznie niewidoczne),- duże płytki kruchego cementytu pierwotnego uniemożliwiają zastosowanie takiego żeliwa,- struktura spotykana w surówkach na wstępnych etapach produkcji stopów żelaza,Fe3CI [( ledeburyt P Feprzemieniony 3C) Fe3C]3% nital (Mi1Fe), 100x3% nital (Mi1Fe), 500x

STALIWO• Staliwo – stal w postaci lanej, nie poddana obróbceplastycznej• Wady staliw: Gruboziarnistość, cechy struktury Widmannstattena, skłonność do segregacji C, P, S• Obróbka cieplna staliw: wyżarzażanie: Ujednoradniające, Normalizujące Odprężające ( dla dużych odlewów)26

Definicje stal, staliwo, żeliwoStale - stopy żelaza z węglem zawierające do 2,11 % węgla, przeznaczone doprzeróbki plastycznej.Staliwa - stopy żelaza z węglem zawierające do 2,11 % węgla, nie przerobioneplastycznie, lecz odlewane do form. Cechy staliw: gruboziarnistość, strukturaWidmannstattena, niejednorodność – skłonność do segregacji C, P, S.Własności mechaniczne niższe niż stali o takiej samej zawartości węgla.Obróbka cieplna w celu poprawy własności :Wyżarzażanie: ujednoradniające, normalizujące i odprężające (dla dużychodlewów)Żeliwa – stopy żelaza z węglem zawierające powyżej 2,11 % węglaSurówka – produkt wielkiego pieca, półprodukt w wyrobie stali i żeliw.Struktura ja w przypadku żeliw białych (zgodnie z wykresem Fe-Fe 3 C)28

Odtlenianie staliOdtlenianie stali: cel – usunięcie rozpuszczonego tlenku węgla COa) Dodanie pierwiastków o większym niż węgiel powinowactwie do tlenub) Zastosowanie próżniStal uspokojona - odtleniona manganem, krzemem i aluminium niezachodzą reakcje powodujące wydzielanie gazówStal półuspokojona – odtleniona manganem i aluminiumwydzielanie CO w końcowym etapie krzepnięciaStal nieuspokojona – odtleniona jedynie manganem wydzielanieCO z chwilą wlania do wlewnicyZmniejszenie rozpuszczalności tlenu w stali podczas krzepnięciajest przyczyną intensywnego wydzielania się CO, powodującegotworzenie się pęcherzy i gwałtowne mieszanie kąpieliPrzekroje wlewków ze stali:a) Nieuspokojonab) b) Półuspokojonac) c) Uspokojona29

ZawartośćwęglaZawartość irodzajdomieszekWłaściwości staliIlość, kształt,sposóbrozmieszczeniawtrąceńniemetalicznychStopieńodtlenienia30

Stale niestopoweCharakterystyka mikrostrukturW temperaturze otoczenia struktury stali węglowych są następujące: Przy zawartości węgla teoretycznie nie przekraczającej 0,008%, występuje struktura ferrytyczna Przy zawartości węgla 0,008-0,02%, na granicach ziaren ferrytu pojawiają się wydzieleniacementytu trzeciorzędowego. Stopy nazywane są zwykle żelazem technicznym. Stale o zawartości do 0,77% C noszą nazwę stali podeutektoidalnych. Ich struktura składa się zdwóch składników, a mianowicie ferrytu i perlitu, przy czym w miarę wzrostu zawartości węgla wstali wzrasta zawartość perlitu w strukturze. Strukturę określamy jako ferrytyczno-perlityczną lubperlityczno-ferrytyczną w zależności od stosunku obu składników. Stal o zawartości 0,77% węgla ma strukturę perlityczną i nosi nazwę stali eutektoidalnej. Stale o zawartości 0,77-2,11% węgla nazywają się stalami nadeutektoidalnymi i mają strukturęskładającą się z perlitu i cementytu wtórnego.31

Stale niestopowe charakterystyka mikrostruktury i zastosowaniaZe względu na zastosowanie stale niestopowe dzieli się na konstrukcyjne(do ok. 0,65%C) i narzędziowe (powyżej 0,65%C do (praktycznie) około 1,7%C) .W grupie stali niestopowych możemy wyróżnić gatunki:Niskowęglowe (miękkie – do około 0,25%C) – gatunki spawalneŚredniowęglowe (półtwarde – od 0,25 od 0,65%C)Wysokowęglowe (twarde – powyżej 0,65%C)32

Wpływ zawartości węgla na właściwości staliFe Fe 3 C ferrytaustenitstopowyperlitpłytkowyR m[MPa] 245 - 300 750 800R e(R 0,2) [MPa] 137 - 150 300 500A 10[%] 50 - 40 50 810HB 75 800 90 200 200260(właściwości austenitu podano dla stali wysokostopowej,dla której jest on trwały w temperaturze pokojowej)R m 300650(% wag.C)[MPa]10R m 3,4HB HB3R 0, 65Rem(dla stali przedeutektoidalnych)33

Wpływ domieszek na właściwości staliWystępują w stalach jako pozostałość procesu metalurgicznego wytapiania stalilub w wyniku przetapiania złomu. Zawartość domieszek zależy od technologiiwytapiania stali34

Wpływ domieszek na właściwości staliWpływ manganu i krzemuMangan - występuje w stalach węglowychjako pozostałość z procesu wytapiania stali,a głównie odtleniania i odsiarczania.Rozpuszcza się w ferrycie lub cementycie.Podwyższa wytrzymałość stali i wpływakorzystnie na grzewalność. Wiąże siarkę wsiarczek manganu MnS, zapobiegającowstawaniu szkodliwego siarczku żelazaFeSKrzem – pochodzi z procesów odtleniania.Jest odtleniaczem hamującym tworzenie siępęcherzy w czasie krzepnięcia stali. Występuje wpostaci roztworu stałego w ferrycie. Podwyższawytrzymałość stali, a zwłaszcza granicęsprężystości. Pogarsza zgrzewalność.35

Wpływ domieszek na właściwości staliWpływ siarkiSiarka – należy do domieszek szkodliwych.Nie rozpuszcza się w żelazie i z tego względu występuje w postaci siarczków, głównie żelaza lub manganu.Siarczek żelazowy FeS który tworzy razem z żelazem eutektykę w temperaturze 988 o Ci a w obecności tlenu wtemperaturze 940 0 C . FeS tworzy na granicach ziaren otoczkę. Podczas przeróbki plastycznej na gorąco,następuję nadtapianie się tych otoczek siarczkowych, co prowadzi do powstania pęknięć i naderwań – tzw.kruchość na gorąco.Dodatek manganu zmniejsza szkodliwe działanie siarki. Mangan maduże powinowactwo do siarki, w przypadku dostatecznej jego ilości wstali nie zachodzi tworzenie się siarczku żelazawego, lecz manganu.Siarczek manganu – trudnotopliwy (1620oC) i występuje w postacioddzielnych wtrąceń, przez co nie powoduje kruchości na gorąco.36

Wpływ domieszek na właściwości staliWpływ fosforuFosfor – należy do domieszek szkodliwych.Występuje w stali w postaci roztworu stałego w ferrycie.Podwyższa wytrzymałość i twardość.Gwałtownie obniża właściwości plastyczne stali.Wykazuje silną skłonność do segregacji.Podwyższa temperaturę w której staje się ona krucha, wywołując tzw. kruchość na zimno.Poprawia skrawalność.Przy jednoczesnej zawartości miedzi poprawia odporność na korozję.37

Azot – należy do domieszekszkodliwych.Tworzy twarde i kruche azotki.Wpływ domieszek na właściwości staliWpływ azotu, tlenu i wodoruTlen – występujew postaci związanej lub wroztworze stałymPowoduje kruchość na gorąco.Wodór – rozpuszcza się w stali.Powoduje jej kruchość . Powodujepowstanie pęknięć wewnętrznych,określanych jako płatki śnieżne38

Wpływ wtrąceń niemetalicznych na właściwości staliWtrąceniaendogeniczneegzogeniczneSiarczki, tlenki, krzemiany(azotki)Zespół cech bez wpływu na właściwości stali: Kontrolowana ilość i wielkośćGlobularny kształtRównomierne rozmieszczenieCząstki materiałów ogniotrwałychZespół cech wpływających negatywnie na właściwościstali: Duża ilość i rozmiaryRozmieszczenie po granicach ziaren – kruchośćWtrącenie wydłużone w kierunku przeróbki plastycznej,rozmieszczone w pasmach -> silna anizotropia właściwości39

Stale niestopoweWtrącenia niemetaliczne w obrazie mikroskopowymWidoczne skupiska kruchych wtrąceń niemetalicznychrozmieszczonych zgodniez kierunkiem obróbki plastycznej.Stan nietrawiony.Ziarna o niejednorodnej wielkościz rozmieszczonymi zgodniez kierunkiem obróbki plastycznej kruchymiwtrąceniami niemetalicznymi.Stan trawiony.40

• Wpływ technologii wytwarzania na strukturę stali i staliwStruktura WidmanstättenaMoże występować w stalach o składzienieeutektoidalnym – sprzyja jej silne przechłodzenieoraz duże ziarno austenitu. Charakterystycznącechą jest bardzo duże ziarno oraz iglastewydzielenia fazy podeutektoidalnej (ferrytu) lubnadeutektoidalnej (cementytu wtórnego) na tleperlitu. Spotyka się w staliwach, spoinach iblachach.PasmowośćCharakteryzuje się występowaniem ferrytu i pelituw postaci na przemian ułożonych pasm.Sprzyja jej powolne chłodzenie, stwarzającewarunki do dyfuzji węgla na większą odległość.Związana jest z segregacją dendrytyczną.Występuje w wyrobach walcowanych.41

Wpływ technologii wytwarzania na strukturę stali i staliwSferoidyt – powstaje podczas obróbki cieplnej stali określanej jako wyżarzaniesferoidyzujące lub zmiękczające. Polega na zmianie cementytu płytkowego(charakterystycznego dla perlitu) w cementyt sferoidalny.Stale o strukturze sferoidytu mają mniejszą twardość, lepszą skrawalność oraz mniejsząskłonność do rozrostu ziarnaStan zmiękczony jest stanem wyjściowym dla wielu gatunków stali!42

Klasyfikacja gatunków stali kryterium: skład chemicznyDefinicja i Klasyfikacja Gatunków StaliPN-EN 10020 : 2003Klasyfikacja według składu chemicznego:-stale niestopowe;-stale odporne na korozję;-inne stale stopoweKlasyfikacja głównych klas jakościowych staliniestopowych:-stale niestopowe jakościoweMają na ogół określone wymaganiadotyczące właściwości-stale niestopowe specjalneCechują się wysokim stopniem czystościmetalurgicznej, wyrażający się niskązawartością wtrąceń niemetalicznych.Wymaga się od nich (opcjonalnie):określonej udarności w stanieulepszonym cieplnie, określonejhartowności. Inne wymagania związanesą z zastosowaniem.43

Systemy oznaczania stali niestopowychCześć 1: Znaki stali, symbole główne – PN-EN 10027-1:1994Norma podaje zasady oznaczania stali za pomocą symboli literowych i cyfrowych,które są tak dobrane, że wskazują na główne cechy stali, np.•na zastosowanie stali,•na właściwości mechaniczne lub fizyczne,•względnie na skład chemiczny staliPozwala w uproszczony sposób identyfikować poszczególne gatunki stali.Znaki stali podzielono na dwie grupy:- Grupa 1: Znaki stali zawierające symbole wskazujące na zastosowanieoraz mechaniczne lub fizyczne właściwości stali- Grupa 2: Znaki stali zawierające symbole wskazujące na składchemiczny stali.Są one podzielone na dalsze 4 podgrupy.Budowa znaków stali- w przypadku staliwa znak gatunku poprzedza litera G44

Grupa 1: Stale oznaczane wg ich zastosowaniai właściwości mechanicznych lub fizycznychSymbolgłówny + Symboldodatkowy +Przykładowe symbole główne:- S - stale konstrukcyjne- P - stale pracujące pod ciśnieniem- L - stale na rury przewodowe- E - stale maszynoweSymboloznaczającyspecjalnewymaganianp. wielkośćziarna+ Symbolokreślającyrodzajpowłokina gotowymwyrobieza którymi umieszcza się liczbę będącą minimalną granicą plastyczności w N/mm 2dla najmniejszego zakresu grubości wyrobu.- B, Y, R, H, D, T, M – stale do zbrojenia betonu, do betonu sprężonego, na szyny itd.po czym liczba charakteryzująca określone właściwości dla tego typu staliPrzykład: S185, S355NL45

Grupa 2: Stale oznaczane wg składu chemicznegoStale niestopoweStale niestopowe (bez stali automatowych) o średniej zawartości manganu

Grupa 2: Stale oznaczane wg składu chemicznegoStale niestopoweStale niestopowe o średniej zawartości manganu ≥1%, niestopowe staleautomatowe i stale stopowe (bez stali szybkotnących) o zawartościkażdego pierwiastka stopowego < 5%Znak składa się z- liczby będącej 100-krotną wymaganą średnią zawartością węgla- symboli pierwiastków chemicznych oznaczających składniki stopowe wstali(w kolejności malejącej zawartości pierwiastków, w przypadku identycznejzawartości dwóch lub więcej pierwiastków w kolejności alfabetycznej)- liczb oznaczających zawartości poszczególnych pierwiastków stopowych wstali. Każda liczba oznacza średni procent pierwiastka pomnożony przezwspółczynnik wg tablicy poniżej i zaokrąglony do najbliższej liczbycałkowitej. Liczby dotyczące poszczególnych pierwiastków należy oddzielićkreską poziomą.-symbole dodatkowe (patrz Norma)Przykład: 28Mn647

Systemy oznaczania staliCześć 2: System cyfrowy – PN-EN 10027-2:1994System cyfrowy stali uzupełnia system oznaczania stali ustalony w Części 1 normyOgólne zasady:- każdy numer stali dotyczy tylko jednego gatunku stali i odwrotnie,- numery gatunkom stali nadaje Europejskie Biuro Rejestracyjne- Europejskie Biuro Rejestracyjne nowelizuje i publikuje listę zarejestrowanych stali wod-powiednich odstępach czasu- numerów stali w zasadzie nie zmienia sięNumer składa się z cyfr wg następującego schematu:A.BB XX(XX)gdzie A – numer grupy materiału (dla stali 1),BB – numer grupy stali (wg Tablicy 1 w EN 10027-2),XX(XX) – kolejny numer (cyfry w nawiasach są dla użycia w przyszłości)Przykład: 1.4821 („1” na początku oznacza stal) co odpowiada stali stopowejX15CrNiSi25-448

1. Klasyfikacje stali50

2. Systemy oznaczania stali54

Grupa 1.Symbole wskazujące nazastosowanie orazmechaniczne lub fizycznewłasności stali.(dla staliwa znak gatunkupoprzedza litera G)56

Grupa 2. System znakowy według składu chemicznego stali.(w przypadku staliwa znak gatunku poprzedza litera G).podgrupa klasyfikacyjna●stale niestopowe 1) o średniej zawartości Mn

4. Stale konstrukcyjne (Structural Steels)● wytwarzane głównie przez walcowanie na gorąco (Hot Rolled Structural Steels),- walcowanie konwencjonalne głównym celem jest nadanie odpowiedniego kształtu,- większy koszt (konieczna często późniejsza obróbka cieplna), coraz rzadziej stosowane,- walcowanie cieplno-plastyczne nadanie kształtu oraz wytworzenie korzystnej mikrostruktury,- założone zabiegi OC są przeprowadzane łącznie z obróbką plastyczną,- możliwe jest uzyskiwanie znacznie lepszych właściwości niż zabiegami tradycyjnymi,● stosowane w dużych ilościach w inżynierii lądowej, wodnej, chemicznej itp.(budynki, mosty, statki, platformy wiertnicze, pojazdy, rurociągi, zbiorniki ciśnieniowe itp.)- grubość najczęściej powyżej 1,5 mm,- jakość powierzchni i tolerancje wymiarowe zwykle nie wysokie walcowanie na gorąco),● głównym sposobem łączenia jest spawanie (główne wymaganie to łatwa spawalność)58

4.1. Regulowane walcowanie(regulowanemu walcowaniu towarzyszy często regulowane chłodzenie proces cieplno-plastyczny)EN rozdziela regulowane walcowanie na:- walcowanie termomechaniczne oraz- walcowanie normalizujące (zastępujące tradycyjne i kosztowne normalizowanie),● walcowanie w wielu dokładnie kontrolowanych przepustach w celu otrzymania i wykorzystaniajak najwięcej miejsc zarodkowania ziaren ferrytu drobnoziarnisty ferryt:- poprzez uzyskanie drobnego ziarna austenitu dzięki wielokrotnej rekrystalizacjiT wal T rek RWR – regulowane walcowanie rekrystalizujące,- poprzez pozostawienie drobnego austenitu nie zrekrystalizowanegoT wal T rek RWK – regulowane walcowanie konwencjonalne,- dodatkowe miejsca zarodkowania na odkształconych i wydłużonych granicach oraz wewnątrz ziarenna granicach bliźniaczych, pasmach ścinania, wtrąceniach itp.,● proces cieplno-plastyczny umożliwia również:- wydzielenie związków mikrododatków o odpowiednio dużej dyspersji,- dopiero podczas starzenia w T 600°C,- hartowanie (bez dodatkowego nagrzewania) na struktury bainitu lub martenzytu,59

Schematy regulowanego walcowaniaPrzebieg walcowania i chłodzenia w RWK(B. Kuźnicka)walcowanie termomechaniczne (wg EN)walcowanie normalizujące (wg EN)(M. Blicharski)60

wymagania stawiane stali konstrukcyjnej:Uwaga!producenci stali podają ceny zawile, np. koncerny Thyssen-Krupp i Salzitter stosują system: cena podstawowa (cena najtańszej stali w grupie), np. 690 EUR/t dla S185 (blacha gruba),+ dopłata w zależności od gatunku, postaci, stanu i rodzaju stali, opakowania, transportu itp.,(na wykładzie podawany będzie informacyjnie poziom dopłaty zależnej od gatunku stali)61

ealizacja wymagań:III I II- podwyższanie wytrzymałości- przy zachowaniu niewielkiej zawartości C (spawalność, ciągliwość),- przy zastosowaniu niewielkiej ilości dodatków stopowych (cena),umocnienieroztworowe ferrytuMn (do 2,1%)Si (do 0,8%)umocnienie ferrytugranicami ziarenumocnieniequasi-perlitemnormalizowanie lub walcowanie normalizująceumocnienie wydzieleniowezwiązkami mikrododatkówNb, V, Ti, Al (zwykle 0,15%)umocnienie wydzielenioweprawie czystą miedziąprzesycanie + starzenie(ok. 0,07% C, 2,5% Cu)umocnienie wynikająceze struktury bainitycznejumocnienie wynikającez ulepszania cieplnego0,12% C – kontrolowane chłodzenieprzy odpowiednim kształcie CTPc0,20% C – hartowanie + wysokie odpuszczanie62

ad. I - umacnianie roztworowe + normalizowanie:● umocnienie roztworowe ferrytu,- najstarszy, najmniej efektywny sposób podwyższania wytrzymałości,- Mn (najczęściej ok. 1,5% ale nawet do 2,1%),- Si (najczęściej 0,5% ale nawet do 0,8%),- stosowane zwykle jako dodatkowe przy innych sposobach podwyższania wytrzymałości,● normalizowanie,- rozdrobnienie ziaren ferrytu,- podwyższanie wytrzymałości oraz ciągliwości jednocześnie !!!,- najefektywniejszy sposób obniżania T PSK ,- quasi-perlit (quasi-eutektoid),- zwiększenie dyspersji płytek (perlit bardziej drobnopłytkowy),- zwiększenie ilości perlitu nierównowagi (mniejsza zawartość węgla większa objętość),(coraz mniejsze znaczenie: - tendencja do obniżania % C poniżej 0,09% - bez perytektyki oraz niższa T PSK ,- wzrost udziału do 20% perlitu w strukturze nie podwyższa istotnie R e )● oba sposoby pozwalają osiągać R e do 355 MPa (walc. tradycyjne) lub nawet do 460 MPapo regulowanym walcowaniu normalizującym (ziarna ferrytu nawet do 23 m)np.: S355 przy 0,22% C,S460N przy 0,20%C oraz walcowaniu normalizującym,63

Stale konstrukcyjne niestopowe, walcowane na gorąco (zwykle tradycyjnie) – PN-EN 10025:2002690 EUR/t (S185)+dopłata:1667 EUR/tThysson-Krupp - 2007(stale jakościowe niestopowe)stan dostawy:- surowy,- po normalizowaniu,N,- specjalnieuspokojone,postać:- wyroby płaskie(blachy, taśmy),- wyroby długie(pręty, kształtowniki)zastosowanie:- mało odpowiedzialnekonstrukcje,J (K min = 27 J),K (K min = 40 J),R (w temp. pokojowej),0 (w 0°C),2 (w - 20°C)(M. Blicharski)64

Stale konstrukcyjne spawalne drobnoziarniste(PN-EN 10113-2:1998)stan po normalizowaniu lub walcowaniunormalizującym (N)stale jakościowe i specjalne niestopowe i stopowestosowane na mocno obciążoneelementy konstrukcji spawanych(również w temp. obniżonych)Stale konstrukcyjnespawalne drobnoziarniste(PN-EN 10113-3:1998)stan po walcowaniutermomechanicznym (M)stale jakościowe i specjalneniestopowe i stopowedopłata:53273 EUR/tThysson-Krupp – 10.200765

ad. II -umacnianie wydzieleniowe:● umocnienie wydzieleniowe związkami mikrododatków,- mikrododatki (Nb, V, Ti, Al) zwykle 0,15%, przy niewielkiej zawartości 0,030,12% C,- złożone związki mikrododatków z C i N, ale również z S i O (Ti),- mikrododatki wpływają (w sposób mocno zróżnicowany) na:- wielkość ziarna austenitu po nagrzaniu do walcowania,- przebieg oraz temperaturę rekrystalizacji podczas walcowania,- przebieg przemiany austenitu w ferryt,- ich związki powodują umocnienie wydzieleniowe ferrytu (wewnątrz ziaren),- zwykle proces cieplno-plastyczny z wydzielaniem związków w T 600° C,Wpływ temperatury i mikrododatków naśrednicę ziarna austenituWpływ mikrododatków rozpuszczonych w austeniciena temperaturę rekrystalizacji stali (0,07%C, 1,40%Mn, 0,25%Si)66

• Stale konstrukcyjne o podwyższonej wytrzymałości umacniane wydzieleniowo – PN-EN 10137-3:2000- przeznaczone na blachy grube i blachy uniwersalne (370 mm),(stale specjalne stopowe)produkowane w procesie cieplno-plastycznym (regulowane walcowanie oraz regulowane chłodzenie)67

● umocnienie wydzieleniowe prawie czystą miedzią,- nowa grupa stali opracowana w latach 80-tych, początkowo dla US Navy,- stale niskowęglowe (0,060,08% C + 1,01,6% Cu + 0,853,5% Ni),- przesycanie + starzenie R e 700 MPa, T PSK - 100° C,- ferryt z wydzieleniami fazy (96% Cu) o dużej dyspersji,(faza jest mniej twarda niż ferryt !! dobra udarność w niskiej temperaturze)- gatunki ASTM A710, HSLA-80/100 (Navy), HPS-100 (Bridge) – nazwa handl. „Spartan IV”,- w normach EN występują gatunki umacniane Cu, ale bez dodatku Ni, np. S690A,ad. III - umocnienie wynikające z ulepszania cieplnego,- niskowęglowy (ok. 0,20% C) sorbit odpuszczania R e do 960 MPa,- zwykle hartowane bezpośrednio z temperatur walcowania z następnym odpuszczaniem,- najwyższa wytrzymałość uzyskiwana w stalach o niewielkiej zawartości C i dod. stopowych,- na konstrukcje przenoszące duże obciążenia (zarówno w temp. pokojowej jak i obniżonej)ad. III - umocnienie wynikające ze struktury bainitycznej,- niskowęglowy (ok. 0,12% C) bainit R e = 600700 MPa,- zwykle kontrolowane chłodzenie bezpośrednio po walcowaniu termomechanicznym,- konieczna hartowność dzięki dodatkom Mo (ok. 0,5%) oraz B (ok. 0,005%),68

• Przykłady zastosowania stali „Spartan IV” umacnianych wydzieleniowo miedzią(International Steel Group, Inc., www.intlsteel.com)(http://www.advex.net/Divisions_Heavy_Fabrication.shtml)69

Stale konstrukcyjne o podwyższonej wytrzymałości do ulepszania cieplnego – PN-EN 10137-2:2000690 EUR/t (dla S185)+dopłata do gatunków:311666 EUR/tThysson-Krupp – 10.2007(stale specjalne stopowe)(M. Blicharski)71

Wpływ boru na wykres CTPi stali niskowęglowej z 0,5% Mo73

Czy stopy żelaza (stale niskostopowe) muszą być podatne na ciągłą korozję? stalowe słupy w Indiach (najsłynniejszy w Delhi oraz podobne w Dhar, Madhya Pradesh,Kodachadri hills, Karnataka, Mandu, Madhya Pradesh, Mount Abu, Rajasthan, Orissa,- DIP (Delhi Iron Pillar) „nie koroduje” od ok. 1700 lat – dlaczego?- wszystkie są stalami (nie odlewami) niskowęglowymi o podwyższonej zawartości P,Dhar iron pillar (w trzech częściach)Delhi iron pillarThe iron pillar at Kodachadri in Karnataka74

DIP (Delhi Iron Pillar)- waga ok. 6100 kg, wysokość 7,375 m, średnica 41,634 cm,- wytworzony metodą zgrzewania (kucie na gorąco) ok. 200 elementów o masie 3040 kg,- skład chemiczny elementów: 0,030,28 %C; 0,1140,48 %P; 0,040,056 %Si; 0,005 %S; 0,03 %Cu,- pokryty warstwą tlenków o grubości 50600 μm, która blokuje dalszą korozję (występuje FePO 4 ),- pierwsze badania metalograficzne: R.J. Hadfield w 1912,- ostatnie kompleksowe badania: 2004 (Indira Gandhi Centre of Atomic Research)(Balder Ray, P. Kalyanasundaram, T. Jaykumar, C.Babu Rao,B. Venkataraman, U.Kamachi Muldali, A.Joseph, Anish Kumar) - po szlifowaniu przyrost warstwy tlenków 0,395 mm/rok,po upływie roku zmniejszył się do 0,040 mm/rokKompleksowe badania różnych fragmentów DIP (2004)Struktury różnych elementów DIP (od drobnej ferrytyczno--perlitycznej do iglastej struktury Widmannstattena)75

5. Stale konstrukcyjne trudno rdzewiejące- stale o zwiększonej odporności na korozję atmosferyczną (w war. wiejskich i przemysłowych),- po pewnym czasie korozji na powierzchni tworzy się względnie stabilna warstwa uwodnionego,złożonego tlenku Fe, P, Cr i Cu, która zatrzymuje dalszy postęp procesu (brązowa „patyna”),- wymagają odpowiednich warunków do utworzenia warstwy ochronnej („sucha” pogoda),- pierwsze stale pod nazwą „Cor-Ten” w 1933 (United States Steel Corporation),- niewielkie dodatki Cu, P, Si, Cr, które najlepiej działają w grupie,- najsilniej działa P (co najmniej 0,1%) ale mocno obniża udarność i spawalność,- dodawany obecnie tylko do niektórych stali typu Cor-Ten A,- zdecydowanie działa Cu ale tylko do 0,3% efektywnie,- umiarkowanie Si (najkorzystniej do 0,25%) oraz Cr (najkorzystniej do 0,6%),- Mn (umocnienie roztworowe razem z Cr),- V (umocnienie wydzieleniowe),● znaczenie tych stali wzrosło po roku 1960 (opracowanie stali Cor-Ten B oraz C z normalną zawartością P)zastosowanie:- tradycyjnie w „brudnych” zakładach i konstrukcjach (huty, kopalnie, koksownie, część wagonów),- ścianki Larsena,- ostatnio nawet pokrycia dachów (malowanych tylko dekoracyjnie),76

Skład chemiczny stali Cor-Ten [% wag]Stale konstrukcyjne trudno rdzewiejące – PN-EN 10155:1997 + Ap1:2003(M. Blicharski)dopłata:~130 EUR/t(stale niskostopowe specjalne)Salzgitter Flastahl GmbH77

Żeliwa(odlewnicze stopy żelaza, w których część lub cały węgiel jest w postaci wolnej – grafit)● masowe wytwarzanie stali rozpoczęło się dopiero w drugiej połowie XIX wieku,- metody wynalezione przez Bessemera (1856), Siemensa (1863) oraz Martina (1865),- uzyskano aż dziesięciokrotny spadek ceny i niesłychany wzrost produkcji(na całym świecie z ok. 60 tys. ton w roku 1850 do ok. 28 mln ton w roku 1900),● wcześniej, po zastosowaniu koksu (Anglia 1735), masowo produkowano tylko żeliwo,- możliwość wytapiania w prymitywnych piecach (wystarczy temperatura ok. 1160 °C !!!),- szczególnie w epoce wiktoriańskiej (Anglia 18371901) – wszelkie możliwe zastosowania !!!- ozdoby, meble ogrodowe, trumny,- mosty (pierwszy w 1779 – istnieje do dzisiaj), kolumny oraz sklepienia architektoniczne, statki,- cylindry silników parowych, łoża tokarek, różne części maszyn,- do dzisiaj żeliwa są dużo tańsze od stali i staliw (stal odlewana) – dla złożonych kształtów,● właściwości żeliw szarych (z klasycznym grafitem płatkowym):- bardzo mała wytrzymałość na rozciąganie oraz odporność na obciążenia udarowe,- duża wytrzymałość na ściskanie, duża odporność na zużycie powierzchni ślizgowych,- dobre tłumienie drgań, mniejszy niż w staliwach skurcz odlewniczy oraz naprężenia własne,● w połowie XX wieku - modyfikowanie żeliw (zmiana kształtu grafitu - do sferoidalnego),- renesans stosowania żeliw oraz nowe obszary zastosowań (zastępują stal i staliwo),- płatki grafitu krótkie, krępe, tępo zakończone,- zwarty węgiel żarzenia,- grafit sferoidalny – idealny kształt (prawie nie obniża właściwości wytrzymałościowych),79

● postać grafitu - wytrzymałościowo najgorsza (płatkowa) oraz najlepsza (kulista)schemat grafitupłatkowegoL.A. Dobrzański)grafit sferoidalny(R.F. Cochrane)nie trawione – grafit płatkowy (długi, cienki, ostrozakończony)grafit sferoidalny w osnowie ferrytycznej80

żeliwo szare z grafitem płatkowym – historycznie najstarsze ale dalej stosowane (zwykle modyfikowane)stan nietrawionygrafit niemodyfikowany(R.F. Cochrane)grafit modyfikowany (wermikularny)(A. Krajczyk)stan trawiony – osnowa ferrytyczna(A. Krajczyk)stan trawiony – osnowa perlityczno-ferrytyczna81

ama z żeliwa – pałac Buckingham, Londynogrodzenie z żeliwa – Wimpole Hall, Cambridge82

konstrukcje mostów z żeliwa szaregorzeka Severn, AngliaVictoria Bridge -1850„Ironbridge -1779(H.K.D.H. Bhadeshia)83

konstrukcja mostu z żeliwa szarego - „Ironbridge” (1779)(rzeka Severn, Anglia)(żeliwo z grafitem płatkowym)84

● żeliwo szare w dawnym budownictwie85

● rury żeliwne (kanalizacja) – dawniej i dzisiaj(żeliwo z grafitem płatkowym)87

obecnie – przykłady bardziej wyrafinowanych zastosowańwał korbowy samochodu sportowego – „TVR Tuscan Speed 6”(żeliwo sferoidalne hartowane izotermicznie)wahacz zawieszenia – „Ford Mustang Cobra”(żeliwo sferoidalne hartowane izotermicznie)(H.K.D.H. Bhadeshia)88

element zawieszenia ciężkiego samochodu ciężarowegoinne przykładyzastosowania żeliwblok silnika(„nie ma dobregodiesla bez żeliwa”)tarczahamulcowakorbowodyżeliwo sferoidalne hartowane izotermicznie(odlewnia: „Steele and Lincoln Foundry”89

żeliwo sferoidalne – najwyższe właściwości mechanicznestan trawiony – osnowa ferrytyczna(A. Krajczyk)stan trawiony – osnowa perlityczno-ferrytyczna (A. Krajczyk)stan trawiony – osnowa bainityczna (hart. izotermiczne) 90

Wykres równowagi metastabilnej Fe – Fe 3 C oraz Fe - C gr (opis fazowy)fazy stałe: ferryt, austenit, cementyt lub grafit91

Proces grafityzacji● polega na rozkładzie metastabilnego cementytu na węgiel wolny (grafit) oraz roztwór stały,● w zależności od temperatury grafityzacji:TFe 3 C C gr + A 1Fe 3 C C gr + ● grafityzacji (rozkładowi cementytu) sprzyjają pierwiastki destabilizujące cementyt, tzn.zwiększające jego energię swobodna F (pierwiastki rozpuszczone w cementycie):- krzem (jego wpływ traktowany jest jako poziom odniesienia),- aluminium (trzykrotnie większy wpływ ale rzadko stosowane),- nikiel, miedź, fosfor (wielokrotnie słabiej niż Si),- oraz węgiel ( im więcej węgla w stopie tym mniej trwały cementyt),● modyfikowanie (dostarczanie podkładek do zarodkowania grafitu) ułatwia grafityzację,- większość badaczy uważa, że w cieczy jednak najpierw krystalizuje cementyt (6,67 %C) a dopieropóźniej następuje jego rozkład na grafit (100 %C) i austenit,- krystalizacja grafitu w cieczy jest mniej prawdopodobna (wymagałaby większego ruchu atomów),92

Klasyfikacja żeliw(od płatków długich, cienkich, ostrozakończonych do krótkich, grubych,tępo zakończonych - w wynikumodyfikowania)grafit płatkowy grafit żarzenia grafit sferoidalny bez grafitu(kłaczkowy ale corazbardziej zwarty wwyniku modyfikowania)(podwójniemodyfikowany)(ledeburyt)93

● trzy główne grupy żeliw w zależności od postaci (kształtu grafitu):94

● skład chemiczny żeliw (najważniejszy C oraz Si),● Mn (0,41,4%) – jako domieszka lub celowy dodatek,- hamuje grafityzację w niższych temperaturach (utrudnia rozkład perlitu, ułatwia jego sferoidyzację),- wiąże bardzo szkodliwą S w niegroźne MnS,● S

● wzorce kształtu grafitu według PN-EN ISO 945:1999(w normie podano również wzorce wielkości i sposobu rozmieszczenia grafitu)I II IIIIV V VI(za L.A. Dobrzańskim)97

Żeliwa szare - z grafitem płatkowym, zwykłe i modyfikowane● wpływ zawartości C i Si na strukturę osnowymetalowej żeliw szarych,(poglądowy wykres Maureradla grubości ścianki 50 mm)● wpływ szybkości chłodzenia (grubości ścianki)na osnowę metalowa żeliwa szarego,98

● klasyfikacja żeliw szarych(B. Kuźnicka)100

● kryterium klasyfikacji żeliw szarych może być minimalne R m lub minimalna twardość (HB)- oba parametry są powiązane ze sobą (zależność empiryczna wg PN-EN 1561:2000):HB = RH (A + B R m ) powszechnie przyjmuje się: A = 100, B = 0,44- współczynnik RH nazywany jest twardością względną (zwykle 0,81,2 tzn. 20%),- dokładność wartości RH jest miarą powtarzalności wyrobów danego wytwórcy (odlewni),- pomiar R m wykonuje się na dwa przybliżone sposoby:-próba rozciągania odlewanych osobno prętów próbnych,-próba rozciągania odcinanych z odlewu specjalnych próbek przylanych (jest dokładniejsza),- pomiar HB wykonuje się bezpośrednio na odlewie w przewidzianych do tego miejscach (nadlewkach)101

● modyfikowanie żeliwa szarego (stosowana jest zwykle osnowa perlityczna – najwyższe R m ),- główne cele modyfikowania:- krótkie, krępe i tępo zakończone płatki grafitu, równomierna wielkość i rozmieszczenie,- uniezależnienie kształtu, wielkości i sposobu rozmieszczenia grafitu od grubości ścianki,- modyfikatory (dostarczają podkładek ułatwiających zarodkowanie grafitu),- stopy nazywane „żelazokrzemem” (Si + 30% Fe oraz dodatki Ca, Al, Ni, Ti), którepo rozpuszczeniu w ciekłym żeliwie tworzą związki ułatwiające zarodkowanie grafitu,grafit płatkowy niemodyfikowanygrafit płatkowy modyfikowany102

Przykłady struktur żeliwa szarego perlitycznegoz modyfikowanym grafitem płatkowym,przypuszczalnie:EN-GJL-300 lubEN-GJL-350(A. Krajczyk)grafit płatkowy modyfikowany,rozmieszczony międzydendrytycznie,taki kształt nazywany jest „wermikularnym”103

● porównanie zachowania się przy rozciąganiu oraz skręcaniustali niskowęglowej oraz żeliwa szarego:przełom ciągliwyrozdzielczyprzełomy krucheprzełom ciągliwypoślizgowy104

● podsumowanie zalet oraz właściwości żeliwa szarego:- dobra lejność oraz mały skurcz w porównaniu do staliw,- zdolność do tłumienia drgań,- niewrażliwość na działanie karbu (zewnętrznego),- bardzo dobre właściwości ślizgowe (grafit),- bardzo dobra skrawalność (małe opory oraz łamliwy wiór),- odporność na korozję lepsza niż stali niestopowej,- wytrzymałość na ściskanie podobna jak dla stali,- wytrzymałość na rozciąganie mała (max 350 MPa)(B. Kuźnicka)105

(B. Kuźnicka)106

107

Żeliwo sferoidalne (nazywane również podwójnie modyfikowanym)● otrzymywane przez podwójne modyfikowanie żeliwa szarego,- modyfikowanie żelazokrzemem (z dodatkami Ca, Al, Sr, Ba) w celu ułatwieniazarodkowania grafitu (podkładki) – grafit drobny oraz równomiernie rozmieszczony,- modyfikowanie magnezem oraz/lub cerem w celu uzyskania sferoidalnego kształtu grafitu(podwyższanie energii granicy międzyfazowej),- modyfikatory to stopy nazywane „zaprawami” (Si z Mg, Cu z Mg i Cr, Ni z Mg i Cr)● kąpiel metalowa przed modyfikowaniem wymaga specjalnego odsiarczania (< 0,03% S)w celu zapobiegnięcia powstawania siarczków pierwiastków modyfikujących (Mg, Cr),● niska temperatura topnienia i wrzenia Mg (650°C oraz 1107°C) oraz duże powinowactwo do tlenuwymagają specjalnych metod wprowadzania modyfikatorów do kąpieli metalowej,- najefektywniejsze metody polegają na podawaniu modyfikatorów w strugę metalu wlewanego do formy,● żeliwa sferoidalne można klasycznie obrabiać cieplnie (podobnie jak stale) - R m = 700900 MPa,● żeliwo sferoidalne ADI (Austempered Ductile Iron) hartowane z przemianą izotermiczną osiągaR m = 8001400 MPa, przy wydłużeniu A = 81%(struktura iglastego lekko przesyconego węglem ferrytu oraz austenitu nieprzemienionego)- duża odporność na zużycie i zmęczenie, ekonomiczne o bardzo dobrej kombinacji wytrzymałościoraz ciągliwości, konkurencyjne do stali w wielu wyszukanych zastosowaniach (np. koła zębate),108

109

110

111

● przykłady zastosowań żeliwa ciągliwego112

ciągliwe perlityczno-ferrytyczne, np. GJMB-600-3ciągliwe ferrytyczne, np. GJMB-350-10ciągliwe perlityczno-ferrytyczne, np. GJMB-450-6113

(B. Kuźnicka)114

(L.A. Dobrzański)115

116

PODSTAWY OBRÓBKI CIEPLNEJ (na przykładzie stopów żelaza)OC – proces technologiczny obejmujący zespół operacji, np. grzanie, chłodzenie materiałów w stanie stałym,- wynikiem OC są zmiany struktury a więc właściwości materiału, np. stali.Teoretyczne podstawy OC są nauką o przemianach zachodzących w materiałach wskutek:- zmiany temperatury, czasem również ciśnienia,- wpływie szybkości grzania i chłodzenia na mechanizmy i kinetykę tych przemian,(L.A. Dobrzański)117

Schemat zabiegów OC118

(L.A. Dobrzański)119

(L.A. Dobrzański)120

Przemiana dyfuzyjna perlit austenit(nazywana austenityzowaniem)Celem austenityzowania jest zwykle otrzymanie jednorodnego oraz drobnoziarnistegoaustenitu co wpływa z kolei na przebieg przemian podczas chłodzenia.a) konieczne przegrzanie o T dla uzyskania napędzającej przemianę F,perlitaustenitA 1A c1 Temperatura727°C( p + Fe 3 C) S0,02 %C 6,67 %C 0,77 %C121

) powstanie zarodków austenitu na granicy międzyfazowej,c) rośnięcie zarodków ziarna austenitu niejednorodnego,d) ujednorodnienie ziaren austenitu,122

na szybkość przemiany (w warunkach grzania ciągłego) wpływa:- szybkość nagrzewania wartość przegrzania T szybkość dyfuzji atomów C- budowa perlitu,- tym szybciej im drobniejsze płytki w perlicie,- najwolniej gdy cementyt kulkowy,w stalach nieeutektoidalnych austenityzowaniekończy sięw wyższych temperaturach (muszą ulecrozpuszczeniufazy przyeeutektoidalne -ferryt lub Fe 3 C II )wykres dla stali eutektoidalnej123

Samorzutny proces rozrostu ziaren austenitupoczątkowo po przemianie ziarna są bardzo drobne (duża LZ b. duża pow. zarodkowania),zwiększenie temperatury lub czasu wygrzewania rozrost ziarenstale gruboziarniste – skłonne do rozrostu ziaren natychmiast (już w niejednorodnym),stale drobnoziarniste – drobne wydzielenia innych faz hamują rozrost ziaren (teoria barier)(ruch granic dopiero po rozpuszczeniu lub koagulacji tych faz),- niestopowe (specjalnie uspokojone)(np. tlenki, azotki Al)- stopowe (dodatki lub mikrododatki)(np. węgliki Ti, V, W)stale gruboziarnistestale drobnoziarniste124

Przemiana dyfuzyjna austenit perlitprzemiana eutektoidalna przechłodzonego austenitu- izotermiczne wygrzewanie w temp. A r1 = A 1 - T (przechłodzenie stałe),- ciągłe chłodzenie (nieprzerwany wzrost przechłodzenia),zarodki dwufazowe (na granicach ziaren austenitu) ale nie obie fazy jednocześnie(uważa się, że pierwszy zarodkuje Fe 3 C co ułatwia zarodkowanie ferrytu itd.),rośnięcie zarodka płytkowa kolonia perlitu- wzrost kolonii perlitu jest różny w kierunkuczołowym i bocznym (Mehl)budowa płytkowa, gdyż zapewnianajwiększą szybkość przemiany,- późniejsze wyżarzanie sferoidyzacja Fe 3 C,125

Różnie zorientowane kolonie perlitu w stali eutektoidalnej, trawione Mi1Fe126

Kinetyka przemiany austenit perlit (przy T = const)krzywa kinetyki przemiany- charakterystyczny kształt litery S,- występuje okres inkubacji,- chwilowa szybkość przemiany zależy odstopnia zaawansowania przemiany,kszybkość przemiany v = f (T) ,dla danego T jest określana umowniew punkcie przegięcia krzywej (maksymalna),- wykazuje maksimum przy T 175 K,- później maleje z powodu utrudnień w dyfuzji C,vT = constvpkvpKrzywe kinetyki przemiany perlitycznejdla różnych przechłodzeń(każda w warunkach izotermicznych)127

Wykres izotermicznej przemiany austenitu - CTPidyfuzyjna przemiana perlityczna od temperatury A r1 do T m (T 175 K) mieszanina płytkowa- odległość między płytkami od 1,0 do 0,1 m,- płytki ferrytu około 7 razy grubsze od płytek cementytu,pk Perlit grubopłytkowy Perlit drobnopłytkowy sorbit hartowania (płytki widoczne przy pow. ok. 500x)T mtroostyt hartowania (płytki niewidoczne podmikroskopem optycznym) bainit górny bainit dolny martenzytCTPi dla stali eutektoidalnej (0,77 %C)(R. Haimann)128

• im większe przechłodzenie T tym mniejsza odległość międzypłytkowa (s) w perlicieR p 0,2MPas -1/2 , mm -1/2Średniaodległośćmiędzypłytkowas [μm]0,6-1,0 0,25-0,30 0,10-0,15Twardość HB 180-250 250-350 350-450(B. Kuźnicka)129

Przemiana perlityczna w stalach nieeutektoidalnychw stopach nieeutektoidalnych, w warunkach nierównowagi (znaczneprzechłodzenia) tworzy się perlit drobnopłytkowy o zawartości węglaodbiegającej od 0,77% nazywany quasi-eutektoidem (quasi-perlitem),zjawisko sztucznego zwiększania udziału perlitu w strukturzewykorzystywane jest, np. w niskowęglowych spawalnych stalachkonstrukcyjnych (przyśpieszone chłodzenie austenitu na powietrzu),po przechłodzeniu do temp. T q nawet w stalach o małej zawartości Cpowstaje sam drobnopłytkowy quasi-perlit (twardy i nieciągliwy),w stalach zaeutektoidalnych zjawisko to można wykorzystaćdo likwidacji Fe 3 C II ale tracimy np. na skrawalności,quasi-eutektoidemObszar quasi-eutektoidu w zależnościod przechłodzenia przed przemianąperlityczną.(R. Haimann)130

CTPi – warunki izotermiczne (L.A. Dobrzański) CTPc – chłodzenie ciągłeWykres CTPc stali niestopowej (0,35% C)twardość HV(R. Haimann)131

Cechy przemiany perlitycznej w warunkach nierównowagi:przemiana dyfuzyjna (T zarodek rośnięcie zarodka)wykazuje okres inkubacji, w którym następuje wstępna dyfuzja węgla w austenicie,produktem przemiany jest płytkowa mieszanina ferrytu i cementytu,zarodki perlitu powstają na granicach ziaren austenitu i wrastają w metastabilnyaustenit,może zachodzić w warunkach izotermicznych oraz podczas ciągłego chłodzenia,przebiega do końca,im większe przechłodzenie, tym drobniejsze płytki perlitu,w stopach nieeutektoidalnych – quasi-eutektoid o zawartości węgla różnej od 0,77%,(płytkowa mieszanina zajmuje większą objętość w strukturze niż w warunkachrównowagi)132

133

Przemiana martenzytycznabezdyfuzyjna przemiana alotropowa austenit ferryt (tzn. Fe Fe czyli sieci A1 A2)- zachowana jest ta sama koncentracja węgla ferryt przesycony węglem (martenzyt),- warunek: chłodzenie z szybkością większą niż krytyczna (F, D C = 0)(ominięcie krzywej początku przemian dyfuzyjnych – uniemożliwienie dyfuzji węgla),- siłą napędową przemiany jest duża różnica F austenitu i martenzytu w temperaturze M s ,FCTPi dla stali eutektoidalnej(R. Haimann)Schemat zmian F austenitu, perlitu i martenzytu134

przebudowa sieci RSC RPC w wyniku niewielkich (w stosunku do d) skoordynowanych przesunięć całychpłaszczyzn atomowych w stosunku do pewnych płaszczyzn niezmiennych nazywanych habitus,- na powierzchni próbki pojawia się relief o kształcie iglastym (płytki lub listwy martenzytu),- rosną z szybkością rozchodzenia się dźwięku (odkształceń sprężystych) – ok. 10 5-7 m/s,- są nachylone względem siebie pod kątem 60 lub 120 ,ścisły związek orientacji sieci M oraz - płaszczyzny {111} austenitu stają się płaszczyznami {110} ferrytu,granica między płytkami martenzytu oraz austenitem jest koherentna – w jednym ziarnie austenitu powstajeogromna ilość płytkowych lub listwowych ziaren martenzytu,przemiana jest atermiczna – wymaga ciągłego obniżania temperatury większa objętość M niż ),(R. Haimann)Uproszczony schemat powstawania płytek martenzytuw ziarnie austenitu – wielkość płytek zależy od wielkościziarna austenitu (martenzyt grubo- lub drobnoiglasty)(L.A. Dobrzański)135

Schemat kolejnych stadiów zmiany sieci krystalicznej austenitu w sieć martenzytu wg Kurdiumowa i Sachsa,a - graniastosłup skośny utworzony przez atomy leżące na płaszczyznach {111} w sieci RSC,b - pod działaniem siły tnącej graniastosłup ulega wyprostowaniu,c – graniastosłup prosty utworzony przez atomy sieci RPC leżące na płaszczyznach {110}136

(L.A. Dobrzański)(M.F. Ashby)137

Kolejne fazy przemianymartenzytycznej w miaręchłodzenia między temperaturąM s a M f(B. Kuźnicka)138

wzrost płytki martenzytu polega na wielokrotnym niejednorodnym ścinaniu,realizowanym przez poślizg dyslokacji oraz bliźniakowanie(jest to proces bardzo podobny do poślizgu dyslokacji i bliźniakowania podczas odkształcania plastycznego)(M.F. Ashby)Relief na powierzchni – martenzyt w monokrysztale austenitu.139

Dwa zasadnicze typy martenzytów w stalach (listwowy oraz płytkowy)- listwy (szerokość 0,13m, stosunek wymiarów ok. 1:7:30),- równoległe listwy tworzą tzw. pakiety,- powstają w większości stopów żelaza,- dominują przy mniejszych zawartościach węgla,- płytki o kształcie zbliżonym do soczewek,- dominują przy większych zawartościach węgla,Wpływ zawartości węgla na typ tworzącego się martenzytuSchemat kryształów martenzytu płytkowegoa) całkowicie zbliźniaczonegob) częściowo zbliźniaczonego140

Martenzyt listwowy(niskowęglowa stal niestopowa,rdzeń stali nawęglanej)(A. Krajczyk)141

Martenzyt średnioiglasty(stal o zawartości 0,4% C)(ok. 700x)Martenzyt gruboiglasty (płytkowy)(stal wysokowęglowa)(ok. 150x)(A. Krajczyk)

przemiana martenzytyczna nie zachodzi zwykle do końca,- temperatura M f (martensite finish) ma charakter umowny,po jej przekroczeniu pozostaje niewielka ilość austenitunieprzemienionego (austenit szczątkowy) – wszechstronnieściskanego płytkami martenzytu (o większej objętości niż austenit),- ilość austenitu szczątkowego zależy od szybkości chłodzenia,także przerwanie chłodzenia zwiększa jego ilość,- duża ilość austenitu szczątkowego jest wykorzystywana wnowych generacjach stali na karoserie samochodów (np. stale TRIP),(L.A. Dobrzański)(R. Haimann)Wpływ chłodzenia przerwanego na ilośćaustenitu szczątkowego143

(+)Wpływ zawartości węgla na przebieg przemiany oraz budowę i właściwości martenzytu1. Martenzyt (przesycony węglem ferryt) charakteryzuje się zdeformowaną siecią RPC,- deformacja tetragonalna (c a) tym większa im więcej węgla,- tetragonalność jest wynikiem pewnego uporządkowania rozmieszczenia nadmiarowych atomów węglaw obrębie komórki sieci tak aby wzrost F był jak najmniejszy,ca(L.A. Dobrzański)

2. Wpływ zawartości węgla na temperaturę początku i końca przemiany martenzytycznej,od ok. 0,40,5% C temperatura M f znajduje się poniżej temperatury pokojowej,dokończenie przemiany jest możliwe dopiero w temperaturach ujemnych (obróbka podzerowa)- wzrost kosztów,- niebezpieczeństwo wypaczeń lub pęknięć przedmiotów,(R. Haimann)(M. Blicharski)145

Austenit nieprzemieniony orazniewielka ilość martenzytu płytkowego- stal wysokowęglowa i wysokostopowa- M s nieznacznie przekroczona,- M f nisko w temperaturach ujemnych,(B. Kuźnicka)Martenzyt płytkowy wysokowęglowyna tle austenitu nieprzemienionego- stal wysokowęglowa niestopowa,- M f nie została osiągnięta,- w grubych igłach martenzytu widocznepłaszczyzny habitus (niezmienne)(A. Krajczyk)146

3. Wpływ zawartości węgla na właściwości martenzytuduża twardość oraz nieodkształcalność (plastycznie) odpowiednio duża zawartość węgla- umocnienie roztworowe silnie przesycony węglem roztwór stały (ferryt),- umocnienie zgniotowe (wzrost gęstości dyslokacji) zgniot fazowy(rezultat przyrostu objętości),- umocnienie granicami ziaren ogromna ilość płytek martenzytuzamiast jednego ziarna austenitu,(E. Just)Twardość martenzytuUmowna granica plastyczności martenzytu(P.G. Winchel, M. Cohen)147

Charakterystyczne cechy przemiany martenzytycznej w stopach żelaza z węglem:bezdyfuzyjna, atermiczna, w stalach nieodwracalna – wymaga ciągłego chłodzenia między M s oraz M f ,polega na skoordynowanym przemieszczeniu atomów bez zmiany sąsiedztwa,zachodzi przez ścinanie wg mechanizmu poślizgu lub bliźniakowania,produktem przemiany jest martenzyt listwowy lub płytkowy o własnościach zależnych od zawartości węglaoraz o objętości właściwej większej od objętości austenitu,pomiędzy sieciami austenitu i martenzytu zachowana jest ścisła zależność orientacji,zwykle nie zachodzi całkowicie (do końca) – pozostaje niewielka ilość ściśniętego austenitu szczątkowego,wolne chłodzenie lub izotermiczne wytrzymywanie (między M s oraz M f ) stabilizuje austenit zwiększającilość austenitu szczątkowego,Martenzyt średnio- i wysokowęglowy (twardy i odporny na ścieranie) był od dawna wykorzystywany:- w narzędziach,- na powierzchni części maszyn narażonych na ścieranie,- jako struktura wyjściowa do dalszej obróbki cieplnej sprężyn i części maszyn.Ostatnio również w niskowęglowych stalach konstrukcyjnych (ciągliwych, łączonych spawaniem lubzgrzewaniem) wykorzystuje się wysoką wytrzymałość i granicę plastyczności martenzytu, np. stale DP(ferryt + martenzyt) na karoserie samochodowe.Bezdyfuzyjna przemiana typu martenzytycznego występuje:- w wielu metalach i ich stopach, np. metale z pamięcią kształtu (przemiana odwracalna),- w materiałach ceramicznych, np. zawierających cyrkonię (ZrO 2 ),- w polimerach i materiałach biologicznych, np. niektórym bakteriom zmiana kształtu pomaga wbić się wskórę,148

Przemiana bainitycznaprzemiana w pośrednim zakresie temperatur, między T m (ok. 550 C) oraz M S (ok. 200 C),- charakter bezdyfuzyjno-dyfuzyjny przemiany:- zbyt mała ruchliwość atomów Fe bezdyfuzyjna (jak martenzytyczna) przebudowa sieci A1 A2,- wystarczająca ruchliwość atomów C w austenicie lub w powstałym iglastym przesyconym ferryciekrystalizują drobne, cienkie blaszki Fe 3 C lub Fe 2,6 C (węglik )mieszanina iglastego, przesyconego ferrytu orazdrobnych, nieciągłych, płytkowych wydzieleń Fe 3 Club węglika (w niższych temperaturach)od temperatury przemiany zależą:- przesycenie ferrytu,- przebieg przemiany,- morfologia struktury,- umownie wyróżniamy:- bainit górny (T m 350 C),- bainit dolny (350°C M S )149

ogólny schemat przebiegu przemiany bainitycznej,(-+)„przygotowanie” do przemiany(rozsegregowanie atomów C)bainit (końcowe produkty przemiany)(L.A. Dobrzański)

powstawanie bainitu górnegoFe 3 C- listwy (płytki) ferrytu o szerokości ok. 0,5 m, między którymiznajduje się cementyt,- płytki ferrytu mogą się poszerzać i wydłużać,- krótkie płytki cementytu mają takie ukierunkowaniejak iglaste płytki ferrytu,- struktura ma często charakter pierzasty(igły ferrytu wyrastają od granic ziaren austenitu)151

powstawanie bainitu dolnego(przesycenie węglem, rozdrobnienie zależą od T)(+)- wzrost cząstek węglików (Fe 3 C lub ) zachodzi wewnątrzpłytek ferrytu bainitycznego (pod kątem 55 do osi płytek),- ferryt bainityczny, coraz bardziej przesycony węglem,staje się podobny do martenzytu,- igły są nachylone do siebie pod kątami 60 i 120 ,powstają nie tylko przy granicach ale i wewnątrz ziarn,- zwiększa się ilość austenitu szczątkowego,(M. Blicharski)- bainit dolny trawi się silniej (ciemniejszy) niż martenzyt(obecność w igłach ferrytu cząstek drugiej fazy),TEM(L.C. Chang, H.K.D.H. Bhadeshia)Bainit dolny(R. Haimann)Martenzyt(A. Krajczyk)

• Charakterystyczne cechy przemiany bainitycznej:wykazuje okres inkubacji, podczas którego następują dyfuzyjne zmiany zawartości węgla w mikroobszarach ,zarodkuje w mikroobszarach uboższych w węgiel oraz rośnie według atermicznej przemiany martenzytycznej,wzrost bainitu kontrolowany jest dyfuzją węgla (zależną od temperatury),w mikroobszarach bogatszych w węgiel wydzielają się węgliki,mechanizm przebiegu przemiany zależy od temperatury (bainit górny i dolny),produktem przemiany jest mieszanina: niskowęglowego, częściowo przesyconego ferrytu o dużej gęstościdyslokacji (ferryt bainityczny) oraz cementytu lub węglika w postaci drobnych płytkowych wydzieleń,ferryt bainityczny wykazuje określoną względem austenitu orientację,Właściwości bainitu:bainit górny – struktura ogólnie niekorzystna:- wytrzymałość oraz twardość (ok. 45 HRC) podobna do drobnopłytkowych struktur perlitycznych,- ciągliwość jest gorsza (szczególnie pierzastego) – iglasty przesycony ferryt z Fe 3 C na granicach igieł,bainit dolny – struktura często wykorzystywana:- wytrzymałość oraz twardość (ok. 55 HRC) wyższa niż struktur perlitycznych,- ciągliwość lepsza niż bainitu górnego,- morfologia oraz właściwości praktycznie identyczne jak martenzytu odpuszczonego w niskich temperaturach,153

Przemiany podczas odpuszczania(przemiany dyfuzyjne po podgrzaniu zahartowanej na martenzyt stali)● struktura wyjściowa: martenzyt hartowania - M H (przesycony ferryt tetragonalny + austenit szczątkowy)- fazy metastabilne trwałe w temperaturze pokojowej zamrożenie ruchliwości atomów C oraz Fe,- struktura nie stosowana w praktyce wysokie naprężenia własne, brak ciągliwości, kruchość,● żądany zespół właściwości uzyskujemy po wygrzaniu (odpuszczaniu) w wybranej temperaturze (poniżej A 1 ),- podwyższenie temperatury reaktywacja dyfuzji atomów C zmiany struktury zmiany właściwości,Wykres odpuszczania stali 0,35% C(L.A. Dobrzański)Wykres odpuszczania stali 0,45% C(R. Haimann)154

● przemiany odpuszczania można badać i śledzić różnymi metodami:- zmiany długości próbki (krzywe dylatometryczne) – największe znaczenie dydaktycznie,- zmiany twardości (metoda prosta, często stosowana w praktyce),(zmiany długości L mierzone są po ochłodzeniu próbek)Temperatura odpuszczania155

I stadium – do ok. 200°C (początek wyraźnych zmian zależy od zawartości węgla),● 80 (100)°C - przegrupowanie atomów C w martenzycie (bez tworzenia węglików),początek relaksacji naprężeń,● ok. 80 200°C,- powstają węgliki przejściowe o dużej dyspersji,- płytki (koherentne z tetragonalnym ferrytem),- heksagonalny węglik (Fe 2,4 C),- wg ostatnich badań - rombowy węglik (Fe 2 C),- maleje przesycenie ferrytu (do ok. 0,2%C),- maleje tetragonalność ferrytu,- maleją naprężenia (mniejsze przesycenie + relaksacja),- gęstość i rozmieszczenie dyslokacji pozostaje (przeszkadza węglik ),- austenit szczątkowy pozostaje,● struktura: martenzyt odpuszczania(mieszanina lekko przesyconego iglastego ferrytu + koherentne wydzielenia węglika + austenitszczątkowy),- morfologia i właściwości podobne do bainitu dolnego,(M odp trawi się silniej niż M H )● właściwości:- R m , R 0,2 , HRC nadal wysokie (prawie bez zmian)(malejące umocnienie roztworowe zastępowane przez nowe umocnienie wydzieleniowe)- ciągliwość (K, A, Z) nadal niewielka ale zdecydowanie wyższa niż martenzytu hartowania 156 (M H )

II stadium – ok. 200 - 300°C (objętość rośnie zanika austenit szczątkowy),● przemiana austenitu szczątkowego (przemiana podobna do powstawania bainitu dolnego),● produkty rozpadu sz są identyczne jak w przypadku rozpadu martenzytu hartowania w I stadium,● struktura: nadal nazywana martenzytem odpuszczania(mieszanina jeszcze mniej przesyconego iglastego ferrytu + koherentne wydzielenia węglika ),● właściwości:- R m , R 0,2 , HRC - lekko maleją (wyższa temperatura, mniej przesycony ferryt, mniejsza dyspersja węglika )- rosną ale z niższego poziomu, gdy austenitu szczątkowego było dużo (nie osiągnięta M f ),- udarność (K) - od ok. 250°C zaczyna spadać (nieodwracalna kruchość odpuszczania) spowodowanaprzypuszczalnie prawie ciągłą otoczką węglika wzdłuż byłych granic ziaren austenitu,Wpływ temperatury odpuszczania naudarność stali niestopowej (0,42%C)(ASM Handbook, T.4 – 1991)157

III stadium – ok. 300 - 400°C (objętość maleje zanika przesycenie ferrytu, zarodkuje cementyt),● reszta nadmiaru węgla wydziela się z ferrytu,● zarodkuje cementyt oraz rośnie w postaci ziarenek (niedostrzegalne mikroskopem optycznym),- zarodkowanie cementytu w ferrycie (wykorzystanie nadmiaru C w ferrycie),- przekształcenie płytek węglika w ziarenka cementytu (przemiana węglikowa „in situ”),- cementyt ma mniejszą F oraz zanika koherencja węglika w regularnym już ferrycie,● struktura: troostyt odpuszczania (martenzyt średnio odpuszczony)(mieszanina iglastego, pomartenzytycznego ferrytu + niekoherentne ziarenka cementytu),- struktura trawi się silnie i szybko ciemnieje, cementyt ziarnisty (zbyt drobny dla mikroskopu optycznego)● właściwości:- R m , R 0,2 , HRC - szybko maleją(wartości jednak nadal dość wysokie),- ciągliwość (K, A, Z) – wolno rośnie(wartości jednak nadal dość niskie),(R. Haimann)158

troostyt odpuszczaniastal średniowęglowa (ok. 04%C)(A. Krajczyk)159

IV stadium – ok. 400°C A 1(koagulacja cementytu oraz rekrystalizacja zgniotu fazowego),● ziarenka cementytu koagulują – stają się widoczne przy powiększeniach mikroskopu optycznego ( 500x),● nieprzesycony ferryt do temperatury ok. 650°C zachowuje iglasty pomartenzytyczny kształt,- ruch granic ferrytu (rekrystalizacja) jest blokowany wydzieleniami drobnego cementytu,- zgniot fazowy podlega tylko procesom zdrowienia,● powyżej ok. 650°C następuje ruch granic szerokokątowych – rosną nowe równoosiowe ziarna ferrytu,- ruch granic ferrytu umożliwia dopiero odpowiednio wysoki stopień koagulacji cementytu,● struktura:- do ok. 650°C sorbit odpuszczania (martenzyt wysoko odpuszczony)(mieszanina iglastego, pomartenzytycznego ferrytu + skoagulowane ziarenka cementytu),-powyżej 650°C sferoidyt - po długotrwałym wyżarzaniu(mieszanina kulkowego cementytu na tle zrekrystalizowanego ferrytu)● właściwości sorbitu odpuszczania (optymalne skojarzenie wytrzymałości oraz ciągliwości):- parametry wytrzymałościowe (R m , R 0,2 ) – zdecydowanie wyższe niż dla stanu przed hartowaniem,- ciągliwość (K, A, Z) – nie gorsza a najczęściej wyższa niż dla stanu wyjściowego (przed hartowaniem),- twardość (ok. 2335 HRC) umożliwia jeszcze stosunkowo łatwe skrawanie,● sorbit odpuszczania jest najczęściej stosowaną strukturą w częściach maszyn,160

sorbit odpuszczania(stal niskostopowa 0,4%C)700x(A. Krajczyk)cementyt1400x161

sorbit odpuszczania(stal niestopowa 0,25%C)150x(A. Krajczyk)cementyt600x162

sferoidyt(160-250) HBcementyt(na przykładzie stali narzędziowych, ok. 1%C)po wyżarzaniu zmiękczającym - tuż poniżej A 1 ,(bez hartowania)(A. Krajczyk)(H.K.D.H. Bhadeshia)TEMpo hartowaniu oraz odpuszczaniu w 700°C163

Wybrane zagadnienia technologii obróbki cieplnej1. Temperatury nagrzewania przed hartowaniem stali.● stale przedeutektoidalne: 30 (h. w wodzie) 50 (h. w oleju) °C nad A 3 ,● stale zaeutektoidalne: 30 (woda) 50 (olej) °C nad A 1 (w celu uniknięcia dużej ilości sz )- ale wcześniej odpowiednia postać Fe 3 C II (najlepiej sferoidyt),- unikamy konieczności usuwania sz co wiązałoby się z obniżeniem twardości,- mniejsze naprężenia własne (niższa temperatura),- Fe 3 C II podwyższa odporność na ścieranie,Twardość zahartowanej stali: a) twardość martenzytu,b) hartowanie znad A cm ,c) hartowanie znad A 1 ,(R. Haimann)164

prawidłowa struktura stalizaeutektoidalnej po OC(twarda i odporna na ścieranie pohartowaniu znad A 1 orazodpuszczaniu niskim (do 250°C)300xFe 3 C II1200x(A. Krajczyk)165

2. Sposoby hartowania objętościowego.● problemem jest różnica temperatur powierzchni i rdzenia naprężenia cieplne +naprężenia po przemianie martenzytycznej,Schemat hartowania zwykłego.(M. Blicharski)- duże naprężenia cieplne (I rodzaju) + naprężeniawynikające z przemiany martenzytycznej (II i III rodzaju),- przedmioty o nieskomplikowanym kształcie,- zaletą jest prostota i łatwa możliwość mechanizacji,- można zastosować podchładzanie (początkowechłodzenie na powietrzu) – hartowanie z podchładzaniem,Schemat hartowania w dwóch ośrodkach(hartowanie przerywane)- przedmiot wyjmuje się z wody gdy powierzchniama ok. 300°C i przenosi do oleju,- wadą jest trudność ustalenia czasu przeniesienia,- zaletą są mniejsze naprężenia własne,166

Schemat hartowania stopniowego.- oziębianie przedmiotów w stopionych solach ( M S ),- pozwala uniknąć naprężeń cieplnych (I rodzaju),- wadą jest mała intensywność chłodzenia kąpieli,wymagająca stali o większej hartowności,Schemat hartowania izotemicznego (bainitycznego)- w wielu stalach jedyny sposób uzyskania strukturybainitycznej,- mniejsze naprężenia własne,- wyższa ciągliwość,- mniej austenitu szczątkowego,- najczęściej nie wymaga odpuszczania,- wadą jest mała intensywność chłodzenia kąpieli,wymagająca stali o większej hartowności,167

3. Hartowność oraz sposoby jej oznaczania.● hartowność – ogólnie: zdolność materiału do utwardzania się w głąb w wyniku oziębiania,- dla stali: zdolność do tworzenia struktury martenzytycznej podczas chłodzenia od temperaturyaustenityzowania (miarą hartowności jest grubość warstwy zahartowanej) – PN-93/H-01200,● o właściwościach stali w stanie zahartowanym decydują dwie cechy:- utwardzalność – podatność stali na hartowanie mierzona maksymalną twardością po hartowaniu,- warunki austenityzowania (temperatura różna dla stali przed- oraz zaeutektoidalnych),- stężenia węgla w austenicie,- obecność oraz stężenie dodatków stopowych,- hartowność (używa się też określenia „przehartowalność”) - zależy od:- składu chemicznego ( rośnie z zawartością C oraz pierwiastków stopowych – główny cel ich stosowania),- wielkości ziaren (im większe ziarna tym większa hartowność – tego nie wykorzystujemy !!),- jednorodności austenitu (im bardziej jednorodny tym większa hartowność),- obecności nierozpuszczonych faz (obniżają hartowność ułatwiają zarodkowanie i przemiany dyfuzyjne).● hartowność jest głównym kryterium doboru stali, np. maszynowych, sprężynowych, narzędziowych,- wysoka hartowność (kosztowna dodatki stopowe) jest konieczna gdy:- przedmiot ma tak skomplikowany kształt, że musi być wolno chłodzony przy hartowaniu,- chcemy zahartować przedmiot odpowiednio głęboko,168

v krv rdzenia (v v kr )● na przekroju hartowanego pręta występują różne prędkości chłodzenia,- miarą głębokości pełnego zahartowania jest krytyczna szybkość hartowania (v kr ),- parametr ten (v kr ) jest zbyt trudny do wykorzystania w praktyce,- dla ułatwienia wprowadzono pojęcie średnicy krytycznej(opracowano proste i powtarzalne metody jej wyznaczania),v powierzchniv v krv rdzeniav powv krstrefazahartowanana martenzytstrefazahartowanana martenzytWpływ zawartości węgla nakrytyczną szybkość hartowania,strefaniezahartowanacałkowicie169

● chłodzone pręty ze stali o małej, średniej oraz dużej hartowności,średnica krytyczna D 100(L.A. Dobrzański)-średnica krytyczna D n- średnica pręta zahartowanego w określonych warunkach chłodzenia,- w osi pręta struktura składa się z n % martenzytu, np. D 50 , D 80 , D 99,9 ,170

● najłatwiej określić głębokość, na której występuje 50% martenzytu (D 50 )- metodą pomiaru twardości,- poprzez obserwacje mikroskopowe,strefa półmartenzytycznaDla części silnie obciążonych, w których strefapółmartenzytyczna w rdzeniu jest niedopuszczalnamożna określać strefy o większej zawartości martenzytu,wykorzystując odpowiednie wykresy doświadczalne.Wpływ zawartości węgla na twardość strefypółmartenzytycznej w stalach.171

● przykład wyznaczania średnicy krytycznej D 50 metodą krzywych U,- metoda historyczna, pracochłonna (nie stosowana obecnie w praktyce),Krzywe rozkładu twardości na przekroju prętów o różnej średnicy(stal 0,3% C oraz 3% Ni, hartowana w wodzie)172

● średnica krytyczna D k (najczęściej jako D 50 ) dotyczy określonego ośrodka chłodzącego wraz zokreśloną intensywności poruszania w tym ośrodku (H)● wprowadzono pojęcie idealnej średnicy krytycznej D w idealnym ośrodku chłodzącym (H =)(miara hartowności niezależna od warunków chłodzenia jako umowny poziom odniesienia)H – współczynnikintensywnościchłodzeniaUproszczony schemat nomogramu, np. do określania idealnej średnicy krytycznejlub średnic krytycznych w różnych ośrodkach (według Grossmana)173

● szczegółowa zależność miedzy idealnymi (D ) oraz rzeczywistymi (D k ) średnicami krytycznymiH – współczynnikintensywnościchłodzeniaIdealna średnica krytyczna D , mmHartowność stali:mała D 50 mm,średnia D = 5080 mm,duża D = 80150 mm,bardzo duża D 150 mm,174

● określanie hartowności metodą chłodzenia od czoła – metoda Jominy’ego,- znormalizowane urządzenie, próbka oraz warunki próby powtarzalność i dokładność wyników,- założono, że szybkość chłodzenia w określonych odległościach od czoła jest jednakowa dlawiększości stali niestopowych oraz niskostopowych o średnich wartościach v kr- wynikiem próby jest krzywa hartowności, tzn. zależność: HRC = f (odległości od czoła),- twardość HRC mierzona na zeszlifowanej powierzchni bocznej próbki (wzdłuż tworzącej walca),1 - zbiornik z wodą,2 - wanna,3 - zawór,4 - dysza wodna,5 - przesłona,6 - uchwyt próbki,7 - próbka(L.A. Dobrzański)175

● przykładowe krzywe i pasma hartowności wyznaczone w próbie Jominy’ego- optymalne wykorzystanie danej stali w konkretnym przedmiocie wymaga kontrolnych badań zakupionejpartii stali lub zamawiania u producenta wąskiego pasma hartowności dodatkowe koszty,D = 55 mmD = 130 mm21 2,7Schemat wyznaczania szybkości chłodzenia wstrefie półmartenzytycznej D oraz D 50 (z nomogramów),Pasmo hartowności dla stali 35HM (35CrMo4)- jak optymalnie wyznaczyć D oraz D 50 ?!176

● wpływ ilości martenzytu w środku przekroju na właściwości części maszyn,● niejednorodna struktura na przekroju (za mało martenzytu):- mniejsza wytrzymałość zmęczeniowa,- mniejsza ciągliwość (udarność),nieprawidłowa struktura dla częścisilnie i bardzo silnie obciążonych,Twardość zahartowanej stali przy różnymudziale martenzytu w zależności od % C.(wg J.M. Hodge’a i M.A. Orehoskiego)Nomogram do określania krytycznych średnic idealnychdla różnych udziałów martenzytu w środku pręta.(R. Haimann)177

4. Odpuszczanie zahartowanej stali.● zabieg odpuszczania wykonujemy niezwłocznie po hartowaniu (maksymalnie 0,53 godz.),- dla zapobieżenia pękaniu (tym szybciej im więcej węgla),● temperaturę odpuszczania dobiera się zależnie od planowanych własności przedmiotu,● czas odpuszczania wynosi zwykle 12,5 godz. (możliwie krótki ze względów ekonomicznych),- w praktyce na każde 25 mm wymiaru przekroju przyjmuje się 1 godzinę odpuszczania,● temperatura oraz czas odpuszczania są parametrami częściowo zamiennymi,- korzystniejszy jest dłuższy czas odpuszczania w niższej temperaturze (dla tej samej twardości),- zysk na ciągliwości oraz jednorodności właściwości,- stratą jest wzrost kosztów zabiegu,Wpływ czasu i temperatury odpuszczania na twardość stali 0,82% C, 0,75% Mn (wg Baina)178

● odpuszczanie niskie: 150250 °C - martenzyt odpuszczania (zwykle 5863 HRC)- zmniejszenie naprężeń hartowniczych (poprzez zmianę struktury oraz relaksację naprężeń),- zachowanie wysokiej twardości i wytrzymałości (R m , R 0,2 ) ale bardzo mała ciągliwość (K),- zastosowanie: gdy wymagamy dużej twardości i odporności na ścieranie oraz godzimy się naniewielką ciągliwość,(narzędzia, łożyska toczne, przedmioty po nawęglaniu, hartowaniu powierzchniowym itp.)● odpuszczanie średnie: 350500 °C - troostyt odpuszczania (zwykle 4050 HRC)- zapewnia wysoką jeszcze wytrzymałość (R m , R 0,2 , R spr ),- wzrost ciągliwości (K, Z, A) nie jest duży ale często już zadowalający,- zdecydowane zmniejszenie twardości ale jeszcze trudna skrawalność,- zastosowanie: gdy wymagamy znacznej granicy sprężystości oraz godzimy się na małą ciągliwość,np. elementy sprężyste,gdy narzędzie powinno mieć podwyższoną ciągliwość ale nie musi być ostre,np. narzędzia pneumatyczne, matryce itp.)● odpuszczanie wysokie : 500650 °C - sorbit odpuszczania (zwykle 2335 HRC)- najlepsze skojarzenie własności wytrzymałościowych oraz ciągliwości,● R m , R 0,2 - zwykle o 3050% wyższa niż w stanie wyjściowym (po normalizowaniu),● udarność (K) – zwykle o 2050% wyższa niż w stanie wyjściowym (po normalizowaniu),● twardość umożliwia już stosunkowo łatwe skrawanie,- hartowanie + wysokie odpuszczanie nosi odrębną nazwę: „ulepszanie cieplne”,- zastosowanie: powszechne do przedmiotów ze stali maszynowych średniowęglowych,179

5. Rodzaje wyżarzania.● podstawowym celem jest zmiana struktury zmiana właściwości !!,(R. Haimann)180

● wyżarzanie zupełne oraz normalizujące (normalizowanie)- identyczne temperatury nagrzewania (3050 K nad A 3 lub A cm ), różna szybkość chłodzenia,● wyżarzanie zupełne stali przedeutektoidalnych,- chłodzenie: bardzo wolne (zwykle z piecem),- zmiany struktury:- uzyskanie struktury równowagowej, ujednolicenie struktury na przekroju przedmiotu,- zwykle pewne rozdrobnienie ziarna ferrytu dwukrotne przekrystalizowanie,- zmniejszenie dyspersji perlitu (większa odległość między płytkami),-zmiany właściwości:- obniżenie twardości oraz wytrzymałości (R m , R e ), zmniejszenie naprężeń własnych,- polepszenie ciągliwości (K, Z, A),- podwyższenie obrabialności,- zastosowanie: po walcowaniu lub kuciu (stan: wyżarzony), odlewy (usuwanie struktury Widmannstättena)● wyżarzanie normalizujące stali przedeutektoidalnej),- chłodzenie: stosunkowo szybkie (w spokojnym powietrzu),- zmiany struktury:- uzyskanie struktury nierównowagi (ale w zakresie przemian dyfuzyjnych),- silne rozdrobnienie ziarna ferrytu (większe przechłodzenie T LZ),- zwiększenie dyspersji perlitu (rośnie twardość),- zwiększenie ilości perlitu (quasi-eutektoid) oraz zmniejszenie ilości ferrytu(struktura stali „udaje” większą zawartość węgla),- zmiany właściwości:- podwyższenie twardości oraz wytrzymałości (R m , R e ) – główny cel,- zwykle tylko niewielkie obniżenie ciągliwości (K, Z, A) przeciwdziała drobne ziarno ferrytu,- pogorszenie obrabialności,- zastosowanie:- w hutach (stan dostawy: normalizowany) – odkuwki, odlewy, wyroby płaskie, długie itp.,- często obróbka poprzedzająca hartowanie,181

● w stalach zaeutektoidalnych:- wyżarzanie zupełne prowadzi do siatki Fe 3 C II praktycznie nie stosowane,- normalizowanie,- pozwala zgubić siatkę Fe 3 C II (quasi-perlit o większej zawartości węgla),- utrudnia obrabialność (twardość do 45 HRC) rzadko stosowane,R m , R p 0,2[MN m -2 ]1000800K[ J]140120100(K)Właściwości stali powyżarzaniu zupełnym oraznormalizowaniu60080A [%]40060602004020402000,2 0,4 0,6 0,8 1,0Zawartość węgla, %00,2 0,4 0,6 0,8 1,0Zawartość węgla, %(B. Kuźnicka)182

Stal niestopowa (0,05% C)wyżarzanie zupełne(stan równowagi)wyżarzanie normalizujące(rozdrobnienie ziarna orazwzrost udziału quasi-perlitu)(A. Krajczyk)183

Stal niestopowa (0,4% C)wyżarzanie zupełnewyżarzanie normalizujące(A. Krajczyk)184

+ wyżarzanieTypowe wadliwe struktury stali przedeutektoidalnejStal 0,2% C - pasmowość (segregacja dendrytyczna przykrzepnięciu + walcowanie na gorąco + wolne chłodzenie)Stal 0,15% C - struktura Widmannstättena(przegrzanie duże ziarno + szybkie chłodzenie ale przemiany dyfuzyjne)Stal 0,2% C - po normalizowaniu (usuwanie wad struktury)- usuwania wadliwych struktur:- wyżarzanie zupełne lub normalizujące,- często stosuje się wyżarzanie podwójne:- najpierw zupełne (w ok. 50°C wyższej temp.)- następnie normalizowanie (rozdrobnienie ziaren)185

Stal 0,15% C - struktura Widmannstättena (nieregularnewydzielenia ferrytu na granicach ziaren austenitu oraz iglastyferryt wewnątrz ziaren austenitu)Pasma ferrytu i perlitu jako wynik segregacji dendrytycznej186

Stal wysokostopowa (Cr+Ni)odporna na korozję(struktura ferrytyczno-austenityczna)pasmowość(L. Mroczkowski)pow. mikroskopu 400xstruktura Widmannstättena(SWC złącza spawanego)iglasty austenit187

● wyżarzanie sferoidyzujące ( często nazywane zmiękczającym)● teoretycznie dostatecznie długie wygrzewaniew temperaturze tuż poniżej A 1(Fe 3 C przyjmie postać kulistą – energetycznie korzystniejszą)● w praktyce nagrzanie stali do temperatury tuż nad A C1oraz wykorzystanie niejednorodnego austenitu z cząstkaminierozpuszczonego Fe 3 C,- wygrzewanie w temperaturze 1030°C nad A C1 ,- wolne chłodzenie ( 10 K/s) w zakresie przemianyperlitycznej (aby odpowiednio duże sferoidy Fe 3 C),● stosowane są różne sposoby skrócenia czasu zabiegu:- wyżarzanie wahadłowe,- wyżarzanie z przemianą izotermiczną,● zastosowanie:- obowiązkowe dla stali zaeutektoidalnych (już w hutach),- polepszenie skrawalności,- najwłaściwsza struktura przed hartowaniem,(stale narzędziowe, łożyska toczne itp. )Diagramy wyżarzania sferoidyzującego:a – z powolnym chłodzeniem,b – wahadłowego,c – z przemianą izotermiczną,188

Schemat zmian struktury podczaswyżarzania sferoidyzującego stali eutektoidalnejsferoidyzacja niezupełnaStal 0,8%C - perlit płytkowy(A. Krajczyk)sferoidyzacja pełna189

Stal 0,3%C po wyżarzaniusferoidyzującym (zmiękczającym)190(R.F. Cochrane, University of Leeds)

● wyżarzanie ujednoradniającePrzed wyżarzaniem:mikrosegregacja dendrytyczna(nadstop tytanu stosowany na implanty)Po wyżarzaniu:jednorodne ziarna roztworu stałego191

● wyżarzanie rekrystalizujące- celem jest usunięcie skutków odkształcenia plastycznego na zimno,- skutkiem są drobne ziarna, przywrócenie pierwotnej plastyczności,Przed wyżarzaniemPo wyżarzaniu(B. Kuźnicka)192

193

Obróbka powierzchniowa(ograniczamy się do obróbki mającej na celu utwardzenie powierzchni)- stosowana wówczas, gdy od przedmiotu wymagamy wysokiej twardości i odporności na ścieranieoraz jednocześnie zapewnienia odpowiednio wysokiej ciągliwości (udarności) przedmiotu,– jest to niemożliwe do spełnienia poprzez klasyczne hartowanie objętościowe oraz odpuszczanie,- zrealizowanie tych pozornie sprzecznych celów umożliwia obróbka powierzchniowa:- hartowanie powierzchniowe – najtańsze ale nie umożliwiające idealnego spełnienia celów,- obróbka cieplno-chemiczna – droga ale umożliwiająca osiągnięcie założonych wymagań,(nawęglanie, azotowanie, borowanie itp. )● hartowanie powierzchniowe,- ideą jest osiągnięcie jak najwyższej twardości oraz odporności na ścieranie na powierzchni orazzachowanie odpowiednio ciągliwego rdzenia,- ciągliwy rdzeń zapewnia struktura stali przedeutektoidalnej, zwykle 0,350,5% C,- stan po normalizowaniu (najczęściej stosowany – struktura ferrytyczno-perlityczna),- stan po ulepszaniu cieplnym (struktura sorbitu odpuszczania),- powierzchnia, po hartowaniu oraz niskim odpuszczaniu, zwykle 200°C(ale twardość i odporność na ścieranie właściwa dla wybranej zawartości węgla),- zabieg polega na szybkim nagrzaniu do struktury austenitu tylko warstwy powierzchniowejprzedmiotu oraz następnie szybkim chłodzeniu (vv kr ),194

grubość warstwy zahartowanej warunki pracy,- najczęściej 1,53,0 mm,- przy dużych naciskach miejscowych (45 mm),- bardzo duże naciski (nawet 1015 mm),- ale nie więcej niż ok. 20% pola przekroju,Przykładowy zakres temperatur hartowania (dla stali C35)Rzeczywisty rozkład twardości w warstwiepowierzchniowej (dla stali C45 zahartowanej indukcyjnie).195

● hartowanie płomieniowe(produkcja małoseryjna, przedmioty o dużych rozmiarach)- powierzchni płaskichgazwodachłodzącapowierzchniahartowana- powierzchni walcowych powierzchnia hartowanapłomieńwoda chłodząca196

Przykłady profili warstw zahartowanych płomieniowoKoła zębate KołaKoła pasowe Tuleje(B. Kuźnicka)197

● hartowanie indukcyjne(stosowane w produkcji wielkoseryjnej – wysoki koszt urządzenia, indywidualne wzbudniki, kosztowne badania) prądy wirowe indukowane w przedmiociepłyną jedynie w cienkiej warstwie powierzchniowej(w przypadku prądów o wielkiej częstotliwości)Schemat nagrzewania indukcyjnego wałka (2)we wzbudniku jednozwojowym (1).- grubość warstwy nagrzanej regulowana jest częstotliwością prądu (f):g Kρμ fg – grubość warstwy zahartowanejK – stała proporcjonalności - rezystywność stali - przenikalność magnetyczna stalif – częstotliwość prądu198

● przykłady struktur przedmiotów hartowanych powierzchniowostal 0,4% C,normalizowanaprzed zabiegiemferryt + quasi-perlit(w rdzeniu)martenzyt odpuszczania(na powierzchni)stal 0,6% C,ulepszana cieplnieprzed zabiegiemmartenzyt odpuszczaniaz austenitem szczątkowym(na powierzchni)sorbit odpuszczania(w rdzeniu)199

-przykład hartowania powierzchniowegostali z pasmowością,- miękkie plamy nierozpuszczonychpasmowych skupisk ferrytu,-przykład hartowania powierzchniowegożeliwa sferoidalnego,martenzyt odpuszczania(na powierzchni)(temperatura austenityzowania była prawidłowa dlauśrednionej zawartości węgla – nie uwzględnionopasmowości)struktura perlityczno-ferrytyczna(w rdzeniu)200

● hartowanie laserowe- wiązka z lasera może być łatwo kierowana nawet w trudno dostępne miejsca przedmiotu,- specjalne systemy soczewek oraz zwierciadeł (przesuwanych, obracanych, drgających)- grubość warstwy zahartowanej może być dokładnie regulowana oraz może być bardzo cienka (np. 0,2 mm)wiązka laserowazwierciadło skupiającenagrzewanazwierciadło miedzianepowierzchnia- przykładem nietypowych zastosowań jest hartowanie powierzchniowe gotowych narzędzi(narzędzia wcześniej zahartowane, odpuszczone oraz zaostrzone)- rośnie twardość powierzchniowa (o 1015%) wskutek bardzo drobnoiglastego martenzytu hartowania(o grubości np. ok. 0,2 mm),201

- przykłady praktycznie nieograniczonych możliwości hartowania laserowegozwierciadłopierścieńnagrzewanypromieńpierścieniowyprzedmiotstożkowezwierciadłomiedzianelaserutwardzany pierścieńwewnętrzny (B. Kuźnicka) (R. Haimann)202

Obróbka cieplno - chemiczna stali- dyfuzyjna zmiana składu chemicznego oraz struktury i właściwości warstwy powierzchniowej,- odporność na ścieranie,- odporność korozyjna i erozyjna,- odporność na zmęczenie,- własności fizyczne powierzchni,Podział metod obróbkicieplno-chemicznej.(L.A. Dobrzański)203

trzy główne procesy fizyko-chemiczne zachodzące jednocześnie:- powstawanie aktywnych atomów w środowisku otaczającym przedmiot (różne reakcje chemiczne),- adsorpcja atomów na powierzchni przedmiotu (wynik przyciągania przez atomy z przedmiotu),- dyfuzja zaadsorbowanych atomów w głąb przedmiotu (wędrówka atomów w sieci krystalicznej),-mechanizmy dyfuzji w ciałach krystalicznych:- międzywęzłowy,- wakansowy,- prosta lub pierścieniowa wymiana miejsc,- wzdłuż granic ziarn lub dyslokacji,- relaksacyjny (wzdłuż stref o rozluźnionej strukturze),międzywęzłowy wakansowy wymiana miejscSchemat reakcji zachodzących podczas obróbki.Metody obróbki - stan ośrodka nasycającego dyfuzyjnie.(L.A. Dobrzański)204

nawęglanie- uzyskanie twardej i odpornej na ścieranie powierzchni,- zachowanie rdzenia o dobrej ciągliwości,- przedmiot hartowany objętościowo + nisko odpuszczany,- powierzchnia nawęglana do zwykle 0,85÷1,1% C,- więcej węgla problemy unikania siatki Fe 3 C II lub n ,- rdzeń zwykle < 0,25% C (martenzyt jeszcze ciągliwy),- własności zależą od ilości C, temperatury hartowania orazgłębokości zahartowania,ośrodek stały,stal C10Przykładowy rozkład zawartości węglaoraz twardości po hartowaniu i niskim odpuszczaniu.ośrodek gazowy,stal C10(R. Haimann)205

problemy obróbki cieplnej stali po nawęglaniu:- rozrost ziarna austenitu w trakcie nawęglania,- dobór temperatury hartowania (powierzchni i rdzenia jednocześnie),- uniknięcie siatki Fe 3 C II oraz zbyt dużej ilości n ,a) hartowanie bezpośrednio z temperatur nawęglania,- najprostsze (łatwe do automatyzacji przy wielkich seriach) ale:- stale drobnoziarniste (zabezpieczone przed rozrostem ziarna),- dla powierzchni temperatura za wysoka więc:- nawęglanie do max 0,8÷0,9% C,- często wymrażanie (dla usunięcia n ),powierzchnia: martenzyt odpuszczania + odpowiedniomało austenitu nieprzemienionego,(A. Krajczyk)rdzeń: martenzyt niskowęglowy, nisko odpuszczony,206

) hartowanie bezpośrednie z podchładzaniem,- nadal łatwe do automatyzacji w produkcji wielkoseryjnej ale:- stale drobnoziarniste (zabezpieczone przed rozrostem ziarna),- dla powierzchni prawidłowa temperatura hartowania więc:- możliwe nawęglanie do wyższych zawartości C ale:- kontrolowane wydzielanie Fe 3 C II (brak siatki),- kontrolowana ilość n ,- za niska temperatura hartowania rdzenia,- ferryt z martenzytem średnio lub wysokowęglowym(ciągliwość zapewnia ferryt w odpowiedniej ilości),powierzchnia: martenzyt odpuszczania + Fe 3 C II orazodpowiednio mało austenitu nieprzemienionego,(A. Krajczyk)rdzeń: ferryt + martenzyt średniowęglowy(przykład gdy wytrzymałość wysoka, ciągliwość mała)207

c) wielozabiegowa obróbka cieplna po nawęglaniu,- uzyskanie odpowiednio drobnego ziarna austenitu,- zwiększenie zawartości węgla na powierzchni,- obecność Fe 3 C II zwiększa odporność na ścieranie,- optymalizacja temperatury hartowania,- uzyskanie najlepszego zespołu własności,- uniknięcie powstania wadliwych struktur na powierzchni:(A. Krajczyk)gruboiglastość martenzytu,zbyt duża ilość austenitunieprzemienionegosiatka cementytudrugorzędowego208

● azotowanie- zwiększenie twardości i odporności na ścieranie warstw wierzchnich,- wyższa twardość (do 1100 HV) oraz wyższa temperatura pracy (do ok. 500°C) niż po nawęglaniu,- zwiększenie wytrzymałości na zmęczenie (naprężenia ściskające w warstwie nawet do 800 MPa),- zwiększenie odporności na korozję atmosferyczną,- azotujemy wyłącznie stale stopowe (trwałość azotków maleje w kolejności: AlN, VN, CrN, WN, MoN),- warstwa najczęściej tylko 0,2-0,6 mm, temperatura zwykle 500-560 °C, czasy bardzo długie,- przed azotowaniem przedmioty ulepsza się cieplnie (podparcie cienkiej warstwy naazotowanej),209

(L.A. Dobrzański 2006)Mikrostruktura warstwy naazotowanej:(A. Krajczyk)( 41CrAlMo7-10)(R. Haimann)- na powierzchni jasna warstewka faz oraz ,- w całej objętości struktura sorbitu odpuszczania,- przy powierzchni sorbit ciemniejszy z powoduobecności azotków utwardzających warstwę,210

211

Wpływ dodatków stopowych w stopach żelaza● bardzo często: Mn, Si, Cr, Ni, W, Mo, V,● rzadziej: Al, Cu, Co, Ti, Nb, Zr,● ostatnio: N, B, P,1. Wpływ na przemiany alotropowe żelaza.MnNi(Co)CNCuFe % M Fe% MWykres z otwartym polem austenitu.Wykres z poszerzonym polem austenitu.- bierzemy pod uwagę tylko zawartość M rozpuszczoną w austenicie lub ferrycie,212

- mniej ważne, gdyż stosowane w niewielkich ilościach,AlSiVCrMoWTiBSZrFe% MWykres z otwartym polem ferrytu lubwykres z zamkniętym polem austenitu.NbTaFe% MFe% MWykresy ze zwężonym polem austenitu.213

2. Wpływ pierwiastków stopowych na układ Fe – C – M-bierzemy pod uwagę tylko zawartość M rozpuszczoną w austenicie lub ferrycie,- im silniej węgliko- oraz azotkotwórczy M tym mniej będzie go w roztworze (ferryt, austenit),(R. Haimann)Wpływ dodatków stopowych na położeniecharakterystycznych punktów wykresu Fe – Fe 3 C.Wpływ dodatków stopowych na temperaturęprzemiany eutektoidalnej.214

Zakres występowaniaaustenitu w stopach Fe-C-M(L.A. Dobrzański)215

3. Struktury stali stopowych (układ Fe – C – M)Wpływ pierwiastków ferrytotwórczych(Cr, Mo, W, Si, Al, Ti)(L.A. Dobrzański)Wpływ pierwiastków austenitotwórczych(Ni, Mn, N, C)216

4. Wpływ dodatków stopowychna własności ferrytu(R. Haimann)217

6. Węgliki w stalach stopowychklasyfikacja wg Goldschmidta(M. Blicharski)MC , M 2 Cwęgliki prostefazy międzywęzłowe prosteM 3 C , M 23 C 6 , M 7 C 3M 6 Cwęgliki proste i złożonenp. Fe 3 C , (Fe, Mn) 3 C , Fe 21 Mo 2 C 6w. złożone,np. Fe 3 W 3 Ctrwałość węglików temperatura austenityzowaniaFe, Mn, Cr, W, Mo Ta, Nb, V, Hf, Zr, Tiw stalach stopowych skład węglików zależy od składu stali:fazy międzywęzłowe o strukturze złożonej- przykładowo w stali HS6-5-2 (SW7M): M 3 C (Fe 2,5 W 0,05 Mo 0,07 Cr 0,31 )C 1,02MC (Fe 0,06 W 0,1 Mo 0,15 V 0,66 Cr 0,07 )218

8. Wpływ pierwiastków stopowych na przemiany podczas chłodzenia.Pierwiastki nie tworzące węglikówPierwiastki tworzące węgliki- dwa minima trwałości austenitu:600650°C (przem. perlityczna),300400°C (przem. bainityczna)219

(-+)r(R. Haimann)

9. Wpływ pierwiastków stopowych na przemianę martenzytyczną- zachowane zostają wszystkie cechy przemiany martenzytycznej (wpływ M jest nieistotnie mały),- istotny jest wpływ M na temperatury M s oraz M f co wpływa na ilość austenitu nieprzemienionego,- dodatki stopowe (M) prawie nie zmieniają twardości martenzytu, często zmniejszają jego kruchość,(R. Haimann)221

10. Wpływ pierwiastków stopowych na hartownośćMetoda zalecana w normieASTM A255-1985(stanowi rozwinięcie metodyM. A. Grossmanna)Idealna średnica krytyczna podstawowa D Iw zależy:- od zawartości C oraz wielkości ziarna austenitu pierwotnego dla stali średnio- i niskowęglowych(wg A.F. Retany i D.V. Doane`a),D I50 = D Iw · k d1 · k d2 · …. ·k dn(L.A. Dobrzański)222

(-+)

11. Wpływ pierwiastków stopowych na przemiany odpuszczania.● przemiany w temperaturach ok. 450°C podobnie jak w stalach niestopowych,- możliwy jest istotny ruch dyfuzyjny tylko atomów C,- atomy pierwiastków stopowych (M) powodują tylko opóźnienie i spowolnienie przemian(wydzielanie węglików przejściowych , , , rozpad austenitu szczątkowego, zarodkowanie cementytu),- szczególnie duży jest wpływ na rozpad austenitu szczątkowego (często dopiero 450°C),- powstaje cementyt stopowy (Fe, M) 3 C wbudowując w siebie atomy M zawarte w osnowie,- Si najsilniej podnosi temperaturę przemiany węglika w cementyt (nawet 450°C),● przemiany w temperaturach 450°C przebiegają inaczej (z udziałem ruchu dyfuzyjnego M)- cementyt pozbywa się atomów „niechcianych” (Si, Ni, Co) oraz wciąga węglikotwórcze (Mn, Cr itd.),- proces ten utrudnia i opóźnia koagulację cementytu stopowego,- pierwiastki silniej węglikotwórcze niż Fe oraz Mn tworzą węgliki stopowe:- przez przemianę „in situ” zastępując cząstki cementytu (zarodkowanie „w miejscu”), np. Cr,- przez zarodkowanie niezależne – nowy węglik powstaje niezależnie od istniejącego cementytu,- na dyslokacjach, często koherentne, duża dyspersja twardość wtórna (Mo, W, V),- cementyt ulega rozpuszczeniu na rzecz bardziej trwałych węglików,- austenit szczątkowy (mimo zmniejszenia zawartości C oraz M) przemienia się często dopiero224

- schemat wpływu dodatków stopowych na procesy odpuszczaniaM hartstopowy(F przes + + n )stopIIF p + (Fe, M) 3 Cdo 500°Cnp. Si, NiF stop + (Fe, M) 3 CM n C mzarodk. niezależne(wtórna twardość)zarodk. „in situ”(w cementycie)np. Mn, Cr n n + węglikiM hart + nI II III IVT odpusz [°C]M hartM h (F p +)+ n n (F p + ) (F+Fe 3 C)F ptroostytmart. hart. martenzyt odpuszczania odp.koagulacja Fe 3 Csorbit odpuszczaniarekrystalizacja Fsferoidyt225

- zjawisko twardości wtórnej w stalach stopowych,● twardość wtórna wzrost twardości wydzielanie się węglików zarodkujących niezależnie(niezależnie od cząstek cementytu) wzrost dyspersji (często koherentne),- zarodkowanie węglików dopiero 450°C, niezależne, głównie na dyslokacjach,- węgliki Mo, W i V (wcześniej musza być rozpuszczone w austenicie),- głównie wykorzystywane w stalach narzędziowych (szybkotnących, do pracy na gorąco)oraz innych pracujących w podwyższonych temperaturach (np. w energetyce),(za M. Blicharskim)226

- odwracalna kruchość odpuszczania w stalach stopowych● kruchość nieodwracalna (kruchość 300, kruchość na niebiesko) po odpuszczaniu w 200350°C,- przypuszczalnie atomy S i P segregują do granic ziaren podczas austenityzowania co później ułatwiazarodkowanie węglika oraz cementytu – prawie ciągła otoczka stale niestopowe i stopowe,● kruchość odwracalna (kruchość 500) po odpuszczaniu w 400600°C,- powstaje podczas wolnego chłodzenia w tym zakresie temperatur , tylko w stalach stopowych,- przypuszczalnie równowagowa współsegregacja atomów zanieczyszczeń (As, Sn, P, Sb) oraz atomówpierwiastków stopowych (Ni, Mn, Si) do granic ziaren byłego austenitu, co powoduje ich osłabienie,- Mo, Ti, Zr opóźniają lub zapobiegają kruchości (tylko rozpuszczone w ferrycie),- Mn, Si zdecydowanie sprzyjają jej występowaniu,- Ni, Cr umiarkowanie sprzyjają (mocniej gdy są razem),nieodwracalnaodwracalna-szybkie chłodzenie (400600°C)zapobiega lub usuwa kruchośćodwracalną (w st. stopowych),stal o składzie:0,4%C + 5%Cr + 2%Mo +0,5%V(R. Haimann)(M. Blicharski)227

ferrytyczne 0,08 (0,05 lub 0,03)%Cprzy (11,518,5)%CrStruktury stali odpornych na korozję elektrochemicznąmartenzytyczne 0,12 ale do 1,0 %Cprzy (1218) %Croraz 0,06 %Cprzy (1216) %Croraz (46,5) %NiwdrożonePN-ENaustenityczneod 0,02 do 0,15 %Cprzy (1727) %Croraz (733,5) %Niumacniane wydzieleniowo(austenityczne lub martenzytyczne)od 0,015 do 0,09 %Cprzy (1217) %Croraz (422,5) %Nioraz Nb, Al, Ti, V, B(+)PN-EN 10088-1:2005(U)(razem 110 różnych gatunków)ferrytyczno-austenityczne„duplex steel” 0,03 (0,05) %Cprzy (18,529) %Croraz (4,57) %Nioraz (0,080,35) %Nnowebadaneaustenityczno-martenzytyczne metastabilne odkształcane na zimnow obniżonych temperaturachnp. drut na sprężyny, o regulowanej przemianie- formowane w stanie austenitu,- niskotemperaturowa OC zumacnianiem wydzieleniowym mart.,austenitycznebez niklu 1 %N oraz np. 18 %Mnprzy np. 18 %Cr228

(H.K.D.H. Bhadeshia,University of Cambridge)229

- przykłady korozji międzykrystalicznej(www.matsceng.ohio-state.edu)(-+) przełomy międzykrystaliczne(SEM)(www.up.ac.za/academic/mmi/immri)powierzchnia zgładu – mikroskop optyczny(M. Shimada)230

- zależy silnie od temperatury i czasu (możliwości dyfuzji atomów Cr)(-+)(M. Blicharski)(Oliver Greven, Stahl-Institut der RWTH Aachen)Korozja międzykrystaliczna w stali austenitycznej (1.4301)231

osnące znaczenie azotu jako dodatku stopowego (austenitotwórczy),- zwiększa zdecydowanie odporność na korozję międzykrystaliczną (dla stali austenitycznych),- silnie umacnia roztworowo stale austenityczne,- umożliwia szybkie i silne umocnienie odkształceniowe austenitu,- azot oraz Mn zastępują drogi nikiel w działaniu austenitotwórczym,- rozpuszczalność N w austenicie stopowym jest duża (> 1%) oraz rośnie ze wzrostem zawartości Mn,- ale duże problemy technologiczne (niewielka rozpuszczalność N w ciekłej stali),(-+)(18% Cr + 18% Mn)Umocnienie roztworowe austenitu azotem(M. Blicharski)Wpływ N na umocnienie odkształceniowe232

(+)- znaczne zmniejszenie zawartości Ni,(H.K.D.H. Bhadeshia, University of Cambridge)233

(-+)Stal duplex (IC381) – ciemny ferryt(H.K.D.H. Bhadeshia, University of Cambridge)Stal duplex (A219) – ciemny ferryt, żółtyaustenit oraz niepożądana biała faza (powoduje kruchość stopu)234

Stale ferrytyczne – PN-EN 10088-1:2005(U)(L.A. Dobrzański)235

Stale martenzytyczne – PN-EN 10088-1:2005(U)(L.A. Dobrzański)236

Stale utwardzane wydzieleniowo – PN-EN 10088-1:2005(U)(L.A. Dobrzański)237

Stale austenityczne – PN-EN 10088-1:2005(U)238

Stale austenityczne (cd) – PN-EN 10088-1:2005(U)(-+)239(L.A. Dobrzański)

Stale ferrytyczno-austenityczne – PN-EN 10088-1:2005(U)240

241

3. Spawalność stali242

243

244

Zależność pracy łamania (K) orazcharakteru przełomu od temperatury,zdefiniowanie T PSK .Wpływ zawartości węgla na T PSK stali ferrytyczno-perlitycznej.Wpływ udziału perlitu w strukturze napracę łamania w zakresie przełomu ciągliwego(M. Blicharski)245

● przykłady kruchego pękania statków246

- często zbyt niska temperatura eksploatacji,247

248

cd. „Lake Carling”249

Stal poszycia Titanica(poszycie nitowane)najlepsza w tym czasiegruba blacha w Europie250

251

11.Stale narzędzioweniestopowedo pracy na zimno do pracy na gorąco szybkotnącestopowe- niskostopowe,- średniostopowe,- wysokostopowe,wyłącznie stopowe:- niskostopowe,- średniostopowe,- wysokostopowe,Ogólnie stosowane na narzędzia do kształtowania materiałów:- metali,- przez kucie, cięcie, wyciskanie, ciągnienie, walcowanie,- przez odlewanie do form metalowych,- polimerów, ceramik, kompozytów,wyłączniewysokostopoweGłówne wymagania stawiane stalom narzędziowym:- jak największa żywotność (trwałość),- twardość całej struktury (podstawowy parametr ale często nie wystarczający),- odporność na ścieranie (twardość osnowy oraz twardość i zawartość węglików),- często odporność na odpuszczające działanie ciepła (twardość wtórna),- często również udarność (drobnoziarnistość, kompromis z twardością, dodatek Ni),252

odporność na ścieranie- zwiększa się z twardością osnowy struktury (najlepszy wysokowęglowy martenzyt odpuszczania),- zwiększa się z zawartością oraz twardością dużych wydzieleń węglików,- węgliki nie rozpuszczone w trakcie austenityzowania (drugorzędowe i pierwotne)- twardość węglików zależy od ich rodzaju oraz składu chemicznego, np. twardość cementyturośnie z ok. 800 HV do ok. 1400 HV wraz ze wzrostem ilości rozpuszczonego w nim Cr,Twardość węglików występujących wstali szybkotnącej.(M. Blicharski)253

11.1. Stale narzędziowe do pracy na zimno na narzędzia, które podczas pracy zwykle nie nagrzewają się ponad 250°C, wymagania i ich realizacja:- główne: duża twardość i odporność na ścieranie,- niskie odpuszczanie (ok. 180°C) po hartowaniu z nad A 1 stali zaeutektoidalnej,(zwykle martenzyt odpuszczania + nierozpuszczone węgliki + austenit szczątkowy < 10%)- często dodatkowo ciągliwość (udarność) obciążenia dynamiczne, wstrząsy,- stal o obniżonej zawartości węgla (ale niższa twardość i odporność na ścieranie),- zmniejszenie ilości C tylko w martenzytycznej osnowie (ubogi w C i M austenit z węglikami),- podwyższenie temperatury odpuszczania (często wymaga efektów twardości wtórnej),- zwykle hartowność,- hartowanie w oleju lub nawet w powietrzu mniejsze zmiany wymiarowe, zniekształcenia,- w niektórych duży udział węglików stale ledeburytyczne (wysokochromowe),- niektóre przewidziane do obróbki cieplno-chemicznej (np. naweglanie),254

przykłady wykresów odpuszczania stali narzędziowych do pracy na zimno(M. Blicharski)255

zestawienie stali narzędziowych do pracy na zimno (PN-EN ISO 4957:2004)256

przykłady struktur stali narzędziowychdo pracy na zimnostal niestopowa 1,2%C(cementyt drugorzedowy natle drobnoiglastego martenzytu)stal klasy ledeburytycznejźle przekuta(pasma węglików pierwotnychna tle skrytoiglastego martenzytu)stal niskostopowa 1,4%C + 1,4%Cr(cementyt stopowy i węgliki drugorzędowena tle drobnoiglastego martenzytu)257

11.2. Stale szybkotnące258

Schemat obróbki cieplnejstali szybkotnącej(M. Blicharski)259

Przemiany zachodzącepodczas odpuszczaniastali szybkotnącejWpływ temperaturyaustenityzowaniana wykres odpuszczaniaHS18-0-1Zestawienie stali szybkotnących(PN-EN ISO 4957:2004)260

przykłady struktur stali szybkotnącychprawidłowa struktura stali szybkotnacej(węgliki pierwotne na tle skrytoiglastegomartenzytu)stal szybkotnąca źle przekuta(pasma węglików pierwotnychna tle skrytoiglastego martenzytu)(A. Krajczyk)261

11.3. Stale narzędziowe do pracy na gorąco262

zestawienie stali narzędziowych do pracy na gorąco (PN-EN ISO 4957:2004)263

264

MIEDŹ I STOPY MIEDZIPierwsze ozdoby wykonane z miedzi znaleziono na terenie obecnego Iraku a pochodząz IX w p.n.e.Nazwa cuprum pochodzi od głównego dostawcy miedzi dla imperium rzymskiego -CypruMiedź należy do pierwiastków mało rozpowszechnionych w skorupie ziemskiej,około 0,01%. Dla porównania Al = 8%, Fe = 5%, Na = 3%, Mg = 2%, Ti = 0,4%, C =0,02%.Jest metalem dość drogim: 8 100$/T, Al = 3 000$/T, Ni = 20 500$/T.Wybrane właściwości miedzi265

Czysta miedźMiedź ma bardzo dobrąprzewodność cieplną i elektryczną.Po srebrze jest najlepszymprzewodnikiem.Domieszkami szkodliwymipogarszającymi przewodność iwłasności mechaniczne są:,P, Si, As, Be, Al, Sn, Ni.266

267

Metalurgiamiedzi268

Metody umacniania miedzi:a. rozdrobnienie ziarna przez odkształcenie plastyczne i rekrystalizację,b. umocnienie w wyniku odkształcenia plastycznego na zimno.Gniot 70%; R m= 400MPa (z 220MPa), R pl= 370MPa (z 57MPa).PODSTAWOWE STOPY MIEDZIEuropejski system znakowy.Składa się z symbolu Cu + główne dodatki stopowe + ich średnia zawartość.Np. CuZn20, CuAl7Si2. Dodatkowo na końcu znaku może znajdować sięlitera:B – materiał w postaci gąsek, C – w postaci odlewu.Np. CuSn5Zn5Pb5-C.269

Europejski system numerycznySkłada się z sześciu znaków:C C, W, X 000 - 999 A - SCuC – odlew,W – obróbka plastycznaX - nieznormalizowanyNumer stopuNp.A – wydłużenie,H – twardość,G – wielkośćziarnaNp. CW024A, CC300G, itp.270

Klasyfikacja stopów miedzi271

Stopy miedzi z cynkiem = mosiądze.Podział mosiądzówDwuskładnikowe Wieloskładnikowe OłowioweDo przeróbki plastycznejDo przeróbkiplastycznejOdlewniczeDo przeróbkiplastyczneOdlewniczejednofazowe i dwufazowejednofazowe idwufazowedwufazowe dwufazowe dwufazowe272

Mosiądze dwuskładnikoweMosiądze dwuskładnikowe:a. jednofazowe: faza α = Cu(Zn),do 39%Zn,b. dwufazowe: faza α i β , = CuZn,od 39 do 45%Zn.Mosiądze wykazują dobrą odporność nakorozję atmosferyczną ale nie sąodporne na działanie soli żelaza,siarczanów, chlorków i jodków.Ad. a. Wykazują kruchość w zakresie temperatur 300 – 700 0 C i dlatego odróbkę plastycznąnależy przeprowadzić w temp. poniżej 300 0 C lub powyżej 700 0 C,Ad. b. Obróbkę plastyczną przeprowadza się w temperaturach w których są one jednofazowe,273

a. Mosiądz jednofazowy, faza α = Cu(Zn)274

Mosiądz dwufazowy, faza α = Cu(Zn) + β = CuZn275

276

Zastosowanie:CuZn5 - CuZn15; rurki włoskowate, rury chłodnic, wężownice, membrany, łuskiamunicji,CuZn20 – CuZn37; rury skraplaczy, elementy zamków błyskawicznych, wyrobyartystyczne,CuZn40 (dwufazowy); przemysł okrętowy, architektura, aparatura chemiczna277

• Mosiądze wieloskładnikowe – wpływ pierwiastków stopowych:• Si – obniża plastyczność, zwiększa odporność na ścieranie, zmniejszawrażliwość• na korozję naprężeniową (pękanie sezonowe) – CuZn31Si1,• Al – polepsza odporność na korozję, umacnia mosiądze, zwiększażaroodporność,• pogarsza spawalność i lutowanie – CuZn37Mn3Al2PbSi,• Sn – zwiększa odporność na ścieranie i korozję – CuZn36Sn1Pb,• Fe – rozdrabnia ziarno, zwiększa odporność na ścieranie ale zmniejszaodporność• na korozję – CuZn23Al6Mn4Fe3Pb,• Mn – polepsza odporność na korozję i ścieranie – CuZn39Mn1Pb1,• Ni – polepsza odporność na korozję i własności mechaniczne –CuZnNi3Mn2AlPb.278

Korozja mosiądzów:A. Naprężeniowa (pękaniesezonowe):B. Odcynkowanie- przy dużych naprężeniachrozciągających,- w środowisku wilgotnym,- pękanie następuje po granicachziaren,- skłonność wzrasta wraz zzawartością cynku.Usuwanie:- Wyżarzanie w temperaturze 560 0 C,- Częściowe usuwanie, wyżarzanie wtemperaturze 250-270 0 C,- w mosiądzach o podwyższonejzawartości Zn,- polega na rozpuszczaniu powierzchnimosiądzów i osadzaniu się na niejwarstwy miedzi,- zachodzi w środowisku wodnym,- zapobiega się przez dodatek arsenu(0,02 – 0,06%) lub 1% cyny.279

MOSIĄDZE OŁOWIOWESą to mosiądze dwufazowe z dodatkiem ołowiu w ilości 0,3 do 3,5%.Ołów dodawany jest w celu polepszenia skrawalności. Dodatek tenzmniejsza opory tarcia i powoduję lepszą łamliwość wióra. Obniża jednakwłasności wytrzymałościowe.Przykładowe gatunki: CuZn37Pb0,5, CuZn38Pb1,5, CuZn40Pb2.BRĄZY CYNOWESą to stopy z cyną zawierające co najmniej 2%Sn ( na ogół 11 – 15%Sn)280

281

Mała szybkość dyfuzji cyny w miedzi, duża różnica między liniami likwidus isolidus oraz bardzo duża różnica w temperaturach topnienia Cu (1083 0 C) i Sn (232 0 C)jest powodem skłonności brązów cynowych do segregacji dendrytycznej (od 5%Sn).Może pojawić się twardy i kruchy eutektoid (α + δ) – łożyska ślizgowe.Usunięcie segregacji odbywa się przez wyżarzanie w temperaturze 700 - 750 0 Cprzez 24 godz.Podział brązów cynowychDo przeróbki plastycznejOdlewniczeDwuskładnikoweWieloskładnikowe Dwuskładnikowe Wieloskładnikowejednofazowejednofazowe282

Stop Cu – 8%Zn.Po odlaniu. Na tle fazy α = Cu(Zn)wydzielenia eutektoidu (α + δ )Stop Cu – 8%Zn.Po wyżarzaniu homogenizującym.Faza α = Cu(Zn)283

Własności mechaniczne284

Brązy cynowe wykazują:Stopień odkształcenia plastycznego• - dużą odporność na korozję w wodzie• zwykłej i morskiej,• - odporność na korozję naprężeniową,• - dobre własności odlewnicze,• - można je przerabiać plastycznie na• zimno do 8%Sn,• po odkształceniu stosowane na• sprężyny, przyrządy aparatury• kontrolnej.Przykładowe zastosowanie:Do przeróbki plastycznej: sprężyny, rurki manometryczne, połączenia elektryczne, sitapapiernicze (CuSn4 – CuSn8).Odlewnicze: łożyska, panewki, części maszyn narażone na korozję w przemyśle okrętowymi papierniczym (CuSn10-C, CuSn5Zn5Pb5-C, CuSn5Pb20-C).285

Brązy ołowiowePrzykładowe zastosowanie:Do przeróbki plastycznej: sprężyny, rurkimanometryczne, połączenia elektryczne,sita papiernicze (CuSn4 – CuSn8).Odlewnicze: łożyska, panewki, częścimaszyn narażone na korozję wprzemyśle okrętowym i papierniczym(CuSn10-C, CuSn5Zn5Pb5-C,CuSn5Pb20-C).CuSn5Pb20-C286

BRĄZY ALUMINIOWENależą do jednych z najlepszych stopów miedzi.-jednofazowe do 9,4% Al,- powyżej 9,4% Al można jehartować i odpuszczać,- wykazują dobre własnościmechaniczne w temperaturachotoczenia i podwyższonych,- odporne na ścieranie, kawitacjęi erozję,- odporne na korozyjne działaniewody morskiej i wielu kwasów,- ulegają pasywacji (Al 2O 3),- nie odporne na działanie zasad,- skłonne do rozrostu ziaren287

Brązy dwuskładnikowe i wieloskładnikowe do przeróbki plastycznej1. Jednofazowy CuAl8 ma dobre własności plastyczne i można go obrabiać na zimno i gorąco,2. Dwufazowe (α + γ 2) takie jak: CuAl6Si2Fe, CuAl10Fe3Mn2, CuAl10Ni5Fe4 obrabiaćplastycznie można tylko w temperaturach podwyższonych, kiedy występuje faza β. Wykazują w tychtemperaturach skłonność do rozrostu ziaren, dlatego dodaje się pierwiastki stopowe takie jak:Fe, Mn, Si i Ni. Pierwiastki te podwyższają też własności mechaniczne. Brązy dwufazowe możnahartować i odpuszczać a uzyskane własności mechaniczne są zbliżone do uzyskiwanych w stalachniestopowych średniowęglowych.CuAl10Ni3Fe2-C, wyżarzonyCuAl10Ni3Fe2-C, hartowany288

Przykładowe własności mechaniczneGatunekR m[MPa]A [%]HBCuAl8 - jednofazowyStan wyżarzony400 50 80CuAl10Ni5Fe4 -dwufazowyWyżarzony 650 5 160Po obróbce cieplnej.Hartowanie iodpuszczanie780 9 250289

Brązy aluminiowe odlewnicze1. Jednoskładnikowy, CuAl9-C,2. Wieloskładnikowe, CuAl10Fe2-C, CuAl10Ni3Fe5Ni5-C,CuAl11Fe6Ni6-C - można obrabiać cieplnie.Przykładowe zastosowanieSilnie obciążone i narażone na ścieranie i korozję części maszyn,w przemyśle okrętowym, lotniczym, chemicznym.290

Brązy beryloweNależą do grupy brązów specjalnych i wyróżniają się bardzo dobrymi własnościamimechanicznymi.Ich zasadniczą wadą jest to, że beryl należy do pierwiastków bardzo drogich i deficytowych.W skorupie ziemskiej jest go jedyni 0,0002%.Beryl rozpuszcza się w miedzi wtemperaturze 866 0 C w ilości 2,7%a temperaturze 300 0 C tylko 0,2%.W związku z tym stopy te możnaprzesycać (800 - 820 0 C) i starzyć(300 - 350 0 C).Po przesyceniu; R m= 300 –600MPa, HB = 130, A = 30%,Po starzeniu: R m= 1150 –1200MPa, HB = 320, A = 1,5%291

Właściwości:Bardzo dobre własności sprężyste i dużaodporność na ścieranie, duża odpornośćna korozję.Zastosowanie:Sprężyny, membrany, narzędzia niedające iskry (tankowce, materiaływybuchowe)Stopień odkształcenia plastycznego [%]Własności:Bardzo dobre własności sprężyste i duża odporność na ścieranie, duża odporność na korozję.Zastosowanie:Sprężyny, membrany, narzędzia nie dające iskry (tankowce, materiały wybuchowe)292

Brąz berylowy po przesyceniu i starzeniu.Na tle roztworu stałego α = Cu(Be)wydzielenia fazy CuBeMIEDZIONIKLEStopy miedzi o zawartości niklu powyżej 5%. Tworzą układ równowagi ciągłej.Stosowane na rury wymienników ciepła, urządzenia klimatyzacyjne, itp. (CuNi9Sn2,CuNi30Fe1Mn1 – C), oraz do wyrobu monet (CuNi25).293

294

295

Metalurgiaaluminium296

Udział procentowy 1825 – H.C. Oersted (Dania) pierwsze Al na drodze redukcji chlorku , 1852 – 1890 wyprodukowano ok. 200t aluminium na drodze chemicznej redukcji związków, 1886 – metody otrzymywania Al na drodze elektrolizy, P.T. Heroult (Francja), C.M. Hall (USA) 1906 – stopy aluminium zdecydowane podwyższenie wytrzymałości, A. Wilm (Niemcy)40%35%30%25%20%15%10%5%Fahrzeug-, budowa pojazdów, Schiff-,Flugzeugbaustatków, samolotówBauwesen budownictwo (z.B.Verkleidungen)Maschinenbaubudowa maszynallgemeinVerpackungenopakowaniaElektro elektrotechnika Industrie0%Główne dziedziny zastosowań Al297

NSU - 1923Junkers W33 „Bremen“ (D-1167) - 1927298

porównanie własności Al z innymi metalami - maksymalna wytrzymałość w stopach (po obróbkach cieplno-mechanicznych),Be – niestety toksyczny i bardzo drogi,Ti – trudny w przetwarzaniu oraz drogi,(O. Beffort, EMPA)299

aluminium technicznie czyste po zgniocie 80% orazrekrystalizacji i rozroście ziarenaluminium technicznie czyste po zgniocie 80%(A. Krajczyk)300

301

302

Systemy oznaczania odlewniczych stopów aluminium(PN-EN 1780-1 oraz 2)303

304

podział stopów aluminium w zależności od usytuowania na wykresie równowagiEN AW- serie:1xxx (Al 99,..)3xxx (Al Mn)5xxx (Al Mg)8xxx (Al Fe)EN AC- 4xx (Al Si)EN AW- serie:2xxx (Al Cu)6xxx (Al MgSi)7xxx (Al Zn)8xxx (Al Li)odlewniczebez eutektyki:EN AC- serie:2xx (Al Cu)5xx (Al Mg)7xx (Al Zn)305

Stopy odlewnicze stopy aluminium z krzemem (siluminy) – stopy z eutektyką306

307

stopy aluminium z krzemem (siluminy) – stopy z eutektyką- dobra rzadkopłynność oraz lejność i mały skurcz odlewniczy, niska temperatura odlewania,- wadą jest gruboziarnista struktura, której zapobiega modyfikowanie:- podeutektyczne i eutektyczne – sodem (także Sr lub niekiedy Sb), którego związki ułatwiajązarodkowanie oraz tworząc „błonkę” utrudniają wzrost kryształów Si (drobne i bardziej owalne),(punkt eutektyczny przesuwa się w kierunku wyższych zawartości Si i niższej temperatury),- nadeutektyczne – fosforem (cząstki AlP stanowią zarodki heterogeniczne),- zastosowanie:- eutektyczne i nadeutektyczne, np. tłoki silników spalinowych (znaczna żarowytrzymałość),- podeutektyczne, np. elementy dla przemysłu okrętowego i elektrycznego, pracujące wpodwyższonej temperaturze i w wodzie morskiej,- wieloskładnikowe stopy Al z Si, np. głowice silników spalinowych, alufelgi oraz inneodlewy w przemyśle maszynowym.308

niemodyfikowana eutektyka( + Si) układu Al-SiSiobszar eutektyki niezmodyfikowanej(częsta wada struktury)Pow. 125xmodyfikowana eutektykaukładu Al-SiPow. 125x309

prawidłowo modyfikowany silumin przedeutektycznyeutektykaniezmodyfikowanaAlSi13Mg1CuNi(nieudanemodyfikowanie)modyfikowanieprzesuwa liniewykresu310

silumin zaeutektycznyniemodyfikowany(nieregularne wydzielenia Sina tle eutektyki ( + Si))(A. Krajczyk)silumin zaeutektycznypo modyfikowaniu(regularne wydzielenia Sina tle drobnoiglastej eutektyki)311

Przykłady odlewniczych stopów aluminium z krzemem wg PN-EN 1706:2001Znak stopu(C od ang. „casting”)Minimalne właściwościR p0,2R mA 5Uwagi dotyczące stanuMPa MPa % HBEN AC-AlSi11 70 150 6 45 stan surowyEN AC-AlSi5Cu1Mg 200 230 1 100 przesycanie i starzenieEN AC-AlSi5Cu3Mg 180 270 2,5 85 przesycanie i starzenieEN AC-AlSi5Cu3Mn 200 230 1 90 przesycanie i starzenieEN AC-AlSi9Cu1Mg 235 275 1,5 105 przesycanie i starzenieEN AC-AlSi12CuNiMg 240 280 1 100 przesycanie i starzenieEN AC-AlSi2MgTi 180 240 3 85 przesycanie i starzenieEN AC-AlSi7Mg0,3 190 230 2 75 przesycanie i starzenie312

typowa struktura obręczy koła (alufelgi),(modyfikowany silumin przedeutektyczny),- prawidłowa drobna eutektyka ( + Si),- typowy dendrytyczny kształt wydzieleńroztworu stałego ,- silnie rozgałęzione dendryty negatywniewpływają na własności mechaniczne, np. R m , K313

metody odlewania stopów aluminium i magnezu,Low pressure castingInvestiment casting(metoda traconego wosku)Permanent mold casting(forma trwała)Casting(odlewanie)Die casting(kokilowe)Sand or plaster casting(forma piaskowa lub gipsowa)Hot chamber DC(z gorącą komorą)High pressure castingSqueeze casting(przez prasowanie)Semi-solid forming(w stanie półstałym)(nowe metody formowania)Cold chamber DC(z zimną komorą)ThixocastingRheocastingThixomolding314

ciśnieniowe odlewanie (formowanie) w stanie półstałym „semi-solid forming”,- wykorzystanie tiksotropowego zachowania się stopuw temperaturach między linią likwidus a solidus,- rozbicie dendrytów roztworu stałego na drobne i zaokrągloneziarna poprzez intensywne mieszanie w stanie półstałym,- wtłaczanie do formy w stanie tiksotropowymz rozbitymi dendrytami,(O. Granath – JönköpingUniversity)315

stopy odlewnicze bez eutektyki (Al-Mg, Al-Cu, Al-Zn) stopy odlewnicze Al-Mg (poza siluminami najczęściej stosowane stopy odlewnicze Al)316

STOPY ALUMINIUM Z MAGNEZEMStopy stopy odlewnicze odlewnicze Al-Mg Al-Mg–najczęściej stosowane stopy odlewnicze (oprócz siluminów).- największa odporność na korozję i mała gęstość (Mg - 1,7g/cm 3 ),- własności odlewnicze gorsze niż siluminów (nie wchodzimy w obszar eutektyki),- struktura dwufazowa jest niekorzystna więc:- przesycanie,- w niektórych możliwe starzenie - w stopach Al-Mg-Si (utwardzają wydzielenia Mg 2 Si),- zastosowanie:- odlewy o dużej odporności na korozję a także silnie obciążone i narażone na uderzenia,np. armatura morska, elementy aparatury chemicznej, elementy samochodów,Przykłady odlewniczych stopów aluminium z magnezem wg PN-EN 1706:2001Minimalne właściwościZnak stopu R p0,2 R m A Uwagi dotyczące stanu5MPa MPa % HBEN AC-AlMg3 70 140 3 50 surowy (po odlewaniu)EN AC-AlMg5 90 160 3 55 surowy (po odlewaniu)EN AC-AlMg5Si 100 160 3 60 surowy (po odlewaniu) stopy odlewnicze Al-Cu oraz Al-Zn- są rzadziej stosowane - skład chemiczny, własności i rekomendowane zastosowanie można znaleźćw normie PN-EN 1706:2001 lub aktualnych informatorach producentów,317

Stopy odlewnicze Al-Cu – stosowane rzadziej niż stopy Al-Si i Al-Mg.- trudności technologiczne przy wytwarzaniu odlewów (skłonność do pęknięć na gorąco oraz porowatości skurczowej),- możliwe utwardzanie wydzieleniowe odlewów (Cu, Mg),- stosowane na średnio i bardzo obciążone elementy samochodów i maszyn,Przykłady odlewniczych stopów aluminium z miedzią wg PN-EN 1706:2001Znak stopuMinimalne właściwościR p0,2 R m A 5MPa MPa % HBUwagi dotyczące stanuEN AC-AlCu4MgTi 200 300 5 90 przesycane i starzoneEN AC-AlCu4Ti 200 300 3 95 przesycane i starzoneStopy Al-Cu-Mg do obróbki plastycznej (durale miedziowe)- wysokie właściwości wytrzymałościowe,- mała żarowytrzymałość i odporność na korozję,- obróbka cieplna:318

Stopy do obróbki plastycznej walcowanie na gorąco oraz na zimno,- wytwarzanie płyt, blach, taśm, folii,walcowanie na gorącowalcowanie na zimno319

ciągnienie na gorąco oraz na zimno,- wytwarzanie drutów, prętów, rur, kształtowników wyciskanie na gorąco,dwuczęściowa matryca do wyciskania profiluprzykłady profiliwyciskanych320

kucie na gorąco,321

historycznie pierwsze stopy Al-Cu (ok. 4%), obecnie stopy wieloskładnikowe,- stopy Al-Cu utwardzane wydzieleniowo (durale, duraluminium) – seria 2000,322

323

324

325

326

327

328

329

wpływ temperatury i czasu starzenia na wytrzymałość stopów:- dwuskładnikowy klasyczny AlCu4 - wieloskładnikowy serii 6000 (AlMgSi)- starzenie samorzutne daje najwyższą wytrzymałość,- żarowytrzymałość prostych stopów AlCu jest niewielka(powyżej 100°C obniża się szybko z upływem czasu)- najwyższą wytrzymałość daje starzenie sztuczne(fazy o złożonym składzie),- wyższa żarowytrzymałość zależna od temperaturystarzenia, należy pamiętać, że im wyższa wytrzymałość tym mniejsza ciągliwość (potrzebny kompromis)330

331

332

(A. Krajczyk)AlCu4MgSi w stanie przesyconym – na tle przesyconego roztworu = Al (Cu, Mg) wydzielenia zanieczyszczeń (Cu 2 FeAl)(J. Marrow,University of Manchester)Przestarzony stop AlCu4 – wydzielenia CuAl 2 na granicach ziarn oraz w przestrzeniach międzydendrytycznych333

Wieloskładnikowe stopy Al-Cu (seria 2000) – durale wieloskładnikoweStopy Al-Cu wieloskładnikowe (durale wieloskładnikowe)- wyższa żarowytrzymałość, dobra odporność na korozję gazową i erozję,- niższa wytrzymałość niż starzonych naturalnie durali miedziowych,- obróbka cieplna: jak wyżej, ale przesycanie z ok. 530ºC i starzenie tylko sztuczne,- stosowane na elementy konstrukcji samolotów, środków transportu i maszyn pracujących w temperaturachdo ok. 350ºC,Przykłady stopów Al-Cu do obróbki plastycznej (wyroby wyciskane) - wg PN-EN 573-3:2005Minimalne właściwościZnak stopu R p0,2 R m A 5(w normie 18 gatunków) MPa MPa % HBUwagi dotyczące stanuEN AW-AlCu4MgSi 270 400 10 - przesycanie, starzenie naturalneEN AW-AlCu4Mg1 310 450 8 - przesycanie, zgniot, starzenie naturalneEN AW-AlCu4SiMn 420 465 7 - przesycanie, starzenie sztuczneEN AW-AlCu4SiMgEN AW-AlCu6MnEN AW-AlCu5,5MgMnEN AW-AlCu2,5NiMgEN AW-AlCu2Mg1,5NiEN AW-AlCu2Li2Mg1,5nowy stop z litem (niższy ciężar)Stopy Al-Cu-Mg (seria 2000) - durale miedziowe- wysokie właściwości wytrzymałościowe, ale mała żarowytrzymałość i odporność na korozję,- utwardzanie wydzieleniowe (przesycanie w wodzie z ok. 500ºC oraz kilkudniowestarzenie samorzutne w temp. pokojowej lub starzenie sztuczne w ok. 180ºC),- wytrzymałość można jeszcze zwiększyć poprzez obróbkę plastyczną (gniot 3÷5%) po starzeniu samorzutnym,- stosowane na elementy maszyn, pojazdów, taboru kolejowego, samolotów i w budownictwie,334

STOPY ALUMINIUM Z CYNKIEMWieloskładnikoweWieloskładnikowe stopy Alstopyz Zn, zawierająceAl z ZnMg(seriai Cu (durale7000)cynkowe)- durale cynkowe- 0,8÷8,4%Zn oraz do 3,7%Mg, do 2,6%Cu oraz niekiedy dodatki Mn, Cr, Ti, Zr,- najwyższe właściwości wytrzymałościowe ze wszystkich stopów aluminium,(R m do ok. 700 MPa, R p0,2 do ok. 600 MPa, A 5 = 2÷5% )- wady:- mała odporność na działanie podwyższonej temperatury,- mała odporność na korozję (szczególnie naprężeniową) – często platerowane Al,- obróbka cieplna:- wyżarzanie rekrystalizujące (390÷430ºC),- przesycanie w wodzie z 465÷480ºC,- starzenie sztuczne (120÷150ºC) przez 24 h (samorzutne do 60 dni – nie jest stosowane),- głównie jako stopy do obróbki plastycznej szeroko stosowane na elementy maszyn, pojazdów,taboru kolejowego, konstrukcji lotniczych,- niektóre stopy można stosować jako odlewnicze, np. EN AC-AlZn5Mg, ale nawet po przesycaniui naturalnym starzeniu właściwości są niskie (R m min 190MPa, R p0,2 min 120 MPa, A 5 = 4%)Przykłady wieloskładnikowych stopów Al-Zn do obróbki plastycznej wg PN-EN 573-3:1998Minimalne właściwościZnak stopu R p0,2 R m A 5Uwagi dotyczące stanuMPa MPa % HBEN AW-AlZn5,5MgCu 470 540 7 161 przesycony, starzony sztucznieEN AW-AlZn4,5Mg1 280 350 10 104 przesycony, starzony sztucznieEN AW-AlZn5Mg3Cu 420 490 7 - przesycony, starzony sztucznieEN AW-AlZn8Mg2,5Cu1,5CrEN AW-AlZn5Mg1,5CuZr335

Stopy Al-Mg (seria 5000) oraz Al-Mg-Si (seria 6000) - hydronaliaStopy Al-Mg do obróbki plastycznej (hydronalia) oraz zbliżone do nich stopy Al-Mg-Si:- struktura zwykle dwufazowa (roztwór stały α i wydzielenia fazy β),- właściwości:- podwyższone mechaniczne, możliwe dalsze zwiększanie umocnieniem zgniotowym,wydzieleniowym oraz nisko- i wysokotemperaturową obróbką cieplno-mechaniczną,- odporność na korozję w środowisku wody i atmosfery morskiej,- dobra spawalność,- podatność na głębokie tłoczenie,- zastosowanie:- średnio obciążone elementy w przemyśle okrętowym i lotniczym,- urządzenia przemysłu spożywczego i chemicznego,- opakowania, np. na puszki do napojów,Przykłady stopów Al-Mg do obróbki plastycznej (wyroby wyciskane) wg PN-EN 573-3:1998Znak stopuMinimalne właściwościR p0,2 R m A 5Uwagi dotyczące stanuMPa MPa % HBEN AW-AlMg4,5Mn0,7 125 270 12 - umocniony zgniotemEN AW-AlMg5CrEN AW-AlMgSiPb100 200 10 - przesycony, starzony naturalnie260 310 6 - przesycony, starzony sztucznieEN AW-AlMg1SiPb 240 260 10 - przesycony, starzony sztucznieEN AW-AlMg1SiCu110 205 16 - przesycony, starzony naturalnie240 290 10 - przesycony, starzony sztucznieEN AW-AlMg1Si0,8CuMn- norma wyróżnia ponad 80 gatunków wraz ze stopami Al-Mg-Si- wiele stopów charakteryzuje się dobrą odpornością na korozję tylko po starzeniu naturalnym(mniejsza wytrzymałość), natomiast po starzeniu sztucznym odporność korozyjna znacznie spadaale większa wytrzymałość,336

STOPY ALUMINIUM Z MANGANEM(stopy bez możliwości utwardzania wydzieleniowego – patrz wykres)StopyStopyAl-MnAl-Mndo obróbki(seriaplastycznej3000) – alumany (nie utwardzane wydzieleniowo)- do 1,5%Mn oraz dodatek Mg lub Cu,- dobra odporność na korozję w agresywnych ośrodkach korozyjnych,- wykazują tendencję do gruboziarnistości i segregacji strefowej czemu przeciwdziałają nawetniewielkie dodatki Ta, Ti, Zr lub B,- struktura to roztwór α z wydzieleniami fazy β na granicach ziarn,- obróbka cieplna polega na wyżarzaniu ujednorodniającym i rekrystalizującym,- zastosowanie:- urządzenia produkcyjne i transportowe w przemyśle spożywczym i chemicznym,- spawane zbiorniki na ciecze i gazy techniczne,Przykłady stopów Al-Mn do obróbki plastycznej wg PN-EN 573-3:2005Minimalne właściwościZnak stopuUwagi dotyczące stanuR p0,2MPaR mMPaA 5% HB(w normie 15 gatunków)EN AW-AlMn0,6EN AW-AlMn1EN AW-AlMn0,5Mg0,5EN AW-AlMn1Mg05 130 150 2 48 umocniony zgniotem (twardy)EN AW-AlMn1Mg1Cu337

stopy Al z litem (wieloskładnikowe)- opracowane niedawno ( do 4% Li),- specjalne metody metalurgiczne(reaktywność Li z tlenem),- mniejsza gęstość stopów o ok. 810%(gęstość Li = 0,53 g/cm 3 ),- stopy wieloskładnikowe do obróbkiplastycznej utwardzane wydzieleniowo,- wytrzymałość równa lub większa wporównaniu z duralami klasycznymi,- dobra odporność na zmęczenie,- dobra udarność w niskich temperaturach,- zastosowanie:- elementy nowoczesnych samolotów (poszycie, podłogi, użebrowanie)wg PN-EN 573-3 (durale wieloskładnikowe, seria 8000)- obecnie produkowane stopy wieloskładnikowe o zawartości 1,92,7% Li (do 4% Li wymaga specjalnych metodkrzepnięcia)EN AW-AlLi2,5Cu1Mg1EN AW-AlCu2Li2Mg1,5338

zamiennik – ALFOT (Taiwan)stop 6061(EN AW-AlMg1SiCu)oryginał - VWstop 6082 (EN AW-AlSi1MgMn)339

stop 6082 (EN AW-AlSi1MgMn)340

341

342

Type 2000 all aluminum-alloy train for Sanyo Electric RailwayIn Japan, over 10,000 aluminum-alloy trains have been manufactured since the first aluminum-alloy train in 1962343

344

0000000Dehngrenze300250200150Zugfestigkeit10050Al reinAl Mg0,8Al Mg1,4Al Mg3Al Mg4Al Mg5Al reinAl Mg0Al Mg1Al Mg3Al Mg4Al Mg5(B. Kuźnicka)0R e (R 0,2 )DehngrenzeR mZugfestigkeit345

StopyodlewniczeSkładutwardzaniedyspersyjneStopy doprzeróbkiplastycznejSkładutwardzaniedyspersyjne1xx Al > 99% Nie 1xxx Al > 99% Nie2xx Al-Cu Tak 2xxx Al-Cu,Al-Cu-LiTak3xxAl-Si-Cu,Al-Mg-Siczęściowo 3xxx Al-Mn Nie4xx Al-Si, Al-Mg-Si Nie 4xxx Al-Si,Al-Mg-SiTak z Mg5xx Al-Mg Nie 5xxx Al-Mg Nie6xxx Al-Mg-Si Tak7xx Al-Mg-Zn Tak 7xxx Al-Mg-Zn Nie8xx Al-Sn Tak 8xxx Al-Li,Sn,Zr,B Tak346

347

kompozyty wielowarstwowe (najnowsze rozwiązania poszycia samolotów)- wysokowytrzymałe durale wieloskładnikowe (ale o niskiej ciągliwości) przekładane warstwamijednokierunkowo wzmacnianego kompozytu epoksydowo-szklanego (pod różnym kątem),- materiał o nazwie „GLARE” opracowany dawno (w latach 80-tych) ale kosztowny w formowaniu,- zastosowany ostatnio na elementy poszycia Airbus A360348

349

STOPY STOSOWANE NA ŁOŻYSKA ŚLIZGOWEPanewki i tulejeWymagania:- mały współczynnik tarcia,- duża odporność na ścieranie,- mała rozszerzalność cieplna,- dobra przewodność cieplna,- dobra lejność,-dobra odporność na korozjęi erozję,- dobra wytrzymałość zmęczeniowa,- zdolność do pochłanianiazanieczyszczeń350

1. Stopy łatwotopliwe i babbity cynowe i ołowiowe (panewkibimetaliczne).Grupa stopów Znak stopu HB Osnowa Kryształy nośne i(antylikwacyjne)SnSb12Cu6Pb 25Babbity cynoweSnSb8Cu4 22SnSb8Cu4Cd 28Faza α = Sn(As)Faza β , = SnSb(Cu 3Sn)PbSb15SnSnAs 18Babbity ołowiowePbSb15Sn10 21PbSb14Sn9CuAs 22Eutektyka (Pb, As)Faza β , = SnSb(Cu 3Sn)PbSb10Sn6 27351

2. Stopy na osnowie miedzi.Gorsze od babbitów w warunkach suchego tarcia, ale mogą pracować w temperaturachdo 300 0 C. mają lepsze własności mechaniczne.• brązy cynowe (najlepsze ale najdroższe); CuSn10-C, CuSn11P-C,• brązy cynowo-cynkowe tzw. Spiże; CuSn7Zn2Pb3- C, CuSn5Zn5Pb5-C,• brązy cynowo- ołowiowe; CuSn5Pb20-C• w przypadku bardzo dużych nacisków stosuje się brązy aluminiowe; CuAl11Fe6Ni6-C.Czopy muszą być utwardzone powierzchniowo.3. ŻeliwaŻeliwa; są to żeliwa perlityczne bez ferrytu, ale z eutektyką fosforową. Zła praca wwarunkach złego smarowania. Czopy musza być utwardzane.352

Nazwa Znak stopu Temp. top. 0 CWooda BiPb25Sn12Cd12 70Lipowitza BiPb26Sn13Cd10 80Lichtenberga BiPb30Sn20 92Newtona BiPb31Sn19 96Strzykawkowy PbSn20Bi20 195353

Stopy łożyskoweStopy te, stosowane do wykonywania panewek i tulei łożyskowych muszą spełniaćliczne wymagania wynikające ze specyficznych warunków pracy łożysk ślizgowych.Materiały te musza wykazywać:• dobre własności mechaniczne: dostateczna wytrzymałość statyczna,zmęczeniowa i udarowa w temperaturze pracy• odpowiednie własności powierzchniowe: mały współczynnik tarcia suchego, małarozszerzalność cieplna, dobra przewodność cieplna, duża odporność naścieranie, zdolność do absorbowania zanieczyszczeń i startych cząstekwspółpracujących materiałów• odporność na korozję i erozję oraz na działanie kwasów znajdujących się wśrodkach smarnychStopy łożyskowe dzieli się najczęściej według zawartości składników podstawowychna: stopy na osnowie cynowej, ołowiowej, miedzi, aluminium, żelaza i cynku.354

Stopy łożyskowe na osnowie cynowej,cynowo-ołowiowej i ołowiowejStopy na osnowie cynowej nazywane babbitami zawierają około 80-90%cyny z dodatkiem antymonu oraz miedzi. Struktura tych stopów składająca się zmiękkiej osnowy roztworu stałego cyny, w której rozmieszczone są równomiernietwarde kryształy związków miedzi, cyny i antymonu zapewnia dobre własności.Miękka osnowa łatwo dopasowuje się do powierzchni czopa , natomiast twardszekryształy zapobiegają jej szczepianiu się i ułatwiają utrzymywanie cienkiej warstewkiśrodka smarnego. Stopy te są drogie i dlatego są stosowane głównie do silnieobciążonych łożysk silników spalinowych, turbin, sprężarek wirowych, pomp orazinnych panewek o dużym natężeniu pracy przy znacznych prędkościachobwodowych.Stopy łożyskowe cynowo-ołowiowe zawierające około 75-90% ołowiu sąznacznie tańsze, lecz własności ich są gorsze od stopów wysokocynowych. Opróczdodatków cyny i antymonu mogą zawierać także miedź, nikiel, arsen i kadm. Są onebardziej miękkie, mają większy współczynnik tarcia, są bardziej kruche i mniejodporne na obciążenia udarowe. Osnowy ich nie stanowi roztwór stały leczeutektyka w której składnikami podstawowymi są ołów oraz antymon. W osnowie tejsą rozmieszczone kryształy faz międzymetalicznych występujących pierwiastków.355

Stopy łożyskowe na osnowie miedziStopami łożyskowymi na osnowie miedzi są przede wszystkim brązy. Wporównaniu ze stopami na bazie cyny i ołowiu mają one wyższą temperaturętopnienia oraz znacznie lepsze własności mechaniczne w temperaturach otoczeniaoraz podwyższonych. Najlepsze własności mają brązy cynowe oraz cynowofosforowezawierające około 10% cyny. Wskutek dużej różnicy temperatur początkui końca krzepnięcia brązy te charakteryzują się silną segregacją dendrytyczną .Dendryty te spełniają rolę elementów nośnych i dlatego brązy stosuje się na panewkizawsze w stanie lanym. Po wyżarzeniu brązy tracą własności przeciwcierne.Stosuje się je na silnie obciążone łożyska, pracujące w warunkach korozyjnych,źle smarowne lub narażone na obciążenia udarowe.Tańsze, ale ustępujące im pod względem własności są brązy cynowocynkowo-ołowiowe(spiże). W celu uzyskania dobrych własności mechanicznychnależy te brązy odlewać w kokilach lub odśrodkowo a powierzchnię wewnętrznąpanewek wylewać cienką warstewka babbitu.356

c.d.W wypadku dużych nacisków i prędkości obwodowych stosuje siębrązy cynowo-ołowiowe. dobre własności ślizgowe tych brązów wynikająz ich niejednorodnej budowy. Wykazują one zdolność łatwegodopasowywania się do powierzchni czopów i maja dobre przewodnictwocieplne.Dobre własności ślizgowe wykazują również brązy krzemowe idlatego również używa się ich na panewki łożysk ślizgowych, szczególniewtedy gdy występują duże naciski przy małych prędkościach obwodowych.W wypadku bardzo dużych nacisków należy stosować odlewniczebrązy aluminiowe zawierające około 10 %Al, które wykazują bardzo dużaodporność na ścieranie i w wielu zastosowaniach mogą zastąpić droższebrązy cynowe. W wypadku ich zastosowania należy utwardzać czopywałów( nawęglać lub hartować powierzchniowo). Podobnie jak wszystkiebrązy maja one małe współczynniki tarcia płynnego ale w przypadkupogorszenia warunków smarowania powodują większe zużycie czopów niżbabbity.357

Stopy łożyskowe na osnowie aluminiumMateriały te są stosowane w celu zastąpienia dużo droższychstopów na osnowie miedzi i cyny. Struktura ich jest podobna dobabitów i brązów. W miękkiej osnowie roztworu stałego na baziealuminium z dodatkami miedzi lub krzemu, rozmieszczone sątwardsze kryształy faz międzymetalicznych albo eutektyki. Cząstkitych faz są twarde i jeśli występują w postaci igieł to stopy tego typunależy stosować po przekuciu które je kruszy i rozdrabnia.Wadą wszystkich stopów łożyskowych na osnowie aluminiumjest stosunkowo duży współczynnik rozszerzalności cieplnej.358

Stopy łożyskowe na osnowie cynkuStopy łożyskowe na osnowie cynku z dodatkami miedzi ialuminium mają mniejsze zastosowanie praktyczne. Mogą byćstosowane na panewki pracujące przy małych i średnichprędkościach oraz obciążeniach. Wadą tych stopów jest skłonnośćdo korozji.359

Żeliwa przeciwcierneStopami łożyskowymi na osnowie żelaza są żeliwa. Grafit płatkowywystępujący w strukturze żeliw szarych wywiera korzystny wpływ na ichwłasności ślizgowe i umożliwia ich zastosowanie na łożyska ślizgowe.Żeliwa przeznaczone na panewki łożysk ślizgowych powinny posiadaćosnowę perlityczną bez wolnego cementytu oraz ferrytu. Pożądana jestobecność eutektyki fosforowej rozmieszczonej w postaci drobnych ,równomiernie rozmieszczonych wtrąceń. Współczynnik tarcia, zużycieścierne panewki oraz współpracującego z nią czopa wału, przyzastosowaniu żeliw przeciwciernych, są tylko nieznacznie większe niż wprzypadku zastosowania brązów cynowych. Wadą żeliw jest ich skłonnośćdo powstawania pęknięć pod wpływem obciążeń udarowych oraz zła pracaw warunkach niewystarczającego smarowania. Panewki wykonane z żeliwprzeciwciernych muszą współpracować z utwardzonymi czopami wałów ogładkiej powierzchni.360