Badania mikroskopowe stali i stopów specjalnych.pdf

226

Æwiczenie 27

BADANIA MIKROSKOPOWE

STALI I STOPÓW SPECJALNYCH

1. CEL ÆWICZENIA

Celem æwiczenia jest zapoznanie siê ze stalami i stopami ¿elaza o szczególnych

w³asnociach fizycznych i chemicznych.

2. WIADOMOCI PODSTAWOWE

Na zastosowanie stali i stopów specjalnych decyduj¹cy wp³yw maj¹ ich w³asnoci

fizyczne i chemiczne. Do tej grupy tworzyw metalowych zaliczamy:

stale odporne na cieranie,

stale odporne na korozjê,

stale i stopy ¿aroodporne i ¿arowytrzyma³e,

stale i stopy o du¿ej opornoci elektrycznej,

stale i stopy o okrelonym wspó³czynniku rozszerzalnoci cieplnej,

stale i stopy o szczególnych w³asnociach magnetycznych,

stale i stopy o szczególnych w³asnociach mechanicznych.

Z uwagi na ograniczon¹ objêtoæ skryptu poni¿ej omówion jedynie wybrane za-

gadnienia dotycz¹ce w/w stali i stopów. Szersze informacje znajduj¹ siê w ksi¹¿kach,

których spis zamieszczono na koñcu rozdzia³u.

2.1. Stale odporne na cieranie

Przedstawicielem tej grupy stali jest austenityczna stal manganowa 11G12 zwana

stal¹ Hadfielda. Zawiera ona od 1 do 1,3% C i od 11 do 14% Mn (stosunek zawartoci

wêgla do manganu jest jak 1 : 10) oraz od 0,30 do 0,50% Si. Charakterystyczn¹ cech¹

tej stali jest du¿a zdolnoæ do umacniania siê pod wp³ywem przeróbki plastycznej na

zimno (zgniot), z czym wi¹¿e siê jej du¿a odpornoæ na cieranie ale tylko wtedy gdy

równoczenie wystêpuje tzw. tarcie dynamiczne czyli gdy tarciu towarzyszy silny

docisk.

Obróbka cieplna polega na przesycaniu z temperatury ok. 1000°C z ch³odzeniem

w wodzie, przez co stal ma w temperaturze pokojowej strukturê austenityczn¹.

Opracowa³: Marek Mazur

227

Stal Hadfielda jest tworzywem drogim, a przede wszystkim technologicznie trud-

nym ze wzglêdu na bardzo z³¹ skrawalnoæ. Dlatego stosuje siê j¹ i op³aca siê stoso-

waæ tylko tam, gdzie rzeczywicie przewy¿sza znacznie trwa³oci¹ inne tworzywa: na

elementy nara¿one na cieranie przy du¿ych i dynamicznych naciskach powierzch-

niowych rozjazdy kolejowe, g¹sienice pojazdów, ³amacze kamienia, kosze koparek

itp. Produkuje siê z niej najczêciej odlewy (staliwo L120G13), ale bywa równie¿

u¿ywana w postaci blach.

Znacznie tañsz¹ stal¹ stosowan¹ na elementy, które nie ulegaj¹ utwardzeniu po-

wierzchniowemu pod wp³ywem zgniotu i silnych uderzeñ w czasie pracy jest stal

niskomanganowa, perlityczna w gatunku 80G (ok. 0,8 %C, 1,0%Mn). Nie wymaga

poza tym obróbki cieplnej i dobrze siê skrawa. Jako gatunki porednie pomiêdzy stal¹

11G12 i 80G mog¹ byæ stosowane niskostopowe stale manganowe lub chromowe po

ulepszaniu cieplnym lub wysokowêglowe stale narzêdziowe niestopowe po normali-

zowaniu lub hartowaniu w oleju.

2.2. Stale odporne na korozjê

Z uwagi na sk³ad chemiczny wyró¿nia siê trzy grupy stali odpornych na korozjê:

stale chromowe,

stale chromowo-niklowe,

stale chromowo-niklowo-manganowe.

Podstawowym pierwiastkiem stali odpornych na korozjê jest chrom. Stale o za-

wartoci od 1 do 3% chromu ( ok. 0,1% C i ok. 0,5% Cu) maj¹, w stosunku do stali

wêglowych, podwy¿szon¹ odpornoæ na korozjê atmosferyczn¹ i czêsto nazywane s¹

stalami trudno-rdzewiej¹cymi.

Zawartoæ chromu w iloci 12 do 14%, rozpuszczonego w ferrycie lub austenicie,

powoduje skokow¹ zmianê potencja³u elektrochemicznego stopów Fe-Cr-C (rys. 27.1).

Stopy takie wykazuj¹ wiêc sk³onnoæ do tworzenia ochronnej warstwy pasywnej da-

j¹cej efekt tzw. odpornoci na korozjê.

0,2

-0,2

-0,4

-0,6

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Cr, %

Rys. 27.1. Zmiana potencja³u elektrochemicznego stopów ¿elaza z chromem

228

2.2.1. Stale chromowe

Z uwagi na zawartoæ chromu stale te mo¿na podzieliæ na trzy grupy:

a) stale o zawartoci 12 do 14% Cr,

b) 16 do 18% Cr ,

c) 25 do 28% Cr.

Zawartoæ wêgla w stalach chromowych wynosi od 0,1% do 0,45%.

Stale grupy pierwszej maj¹ najmniejsz¹ odpornoæ na korozjê i s¹ najtañsze.

W zale¿noci od zawartoci wêgla mog¹ mieæ strukturê ferrytyczn¹, np. 0H13 (poni-

¿ej 0,1% C); ferrytyczno-martenzytyczn¹, np. 1H13 (ok. 0,10% C) lub martenzytycz-

n¹, np. 2H13, 3H13, 4H13 (0,2 do 0,4% C). Stosowane s¹ na ³opatki turbin paro-

wych,przedmioty codziennego u¿ytku, czêci maszyn odporne na korozjê. Obróbka

cieplna polega na wy¿arzaniu z ch³odzeniem w piecu (stale ferrytyczne) lub hartowa-

niu z odpuszczaniem (stale z wiêksz¹ zawartoci¹ wêgla).

Stale grupy drugiej maj¹ wy¿sz¹ odpornoæ korozyjn¹ a ze wzglêdu na swoje w³a-

snoci mog¹ byæ stosowane jako stale ¿aroodporne do pracy w temperaturze do 900°C.

Zawieraj¹ oprócz chromu: od 0,1 do 0,38% C (wyj¹tkowo stal H18 ma 1,0%C), do

2% Ni i dodatki stopowe maj¹ce na celu hamowanie rozrostu ziarna, stabilizowanie

struktury i zapobieganie np. kruchoci odpuszczania Ti, Mo, np. stale: H17, H17T,

H17N2, 2H17N2, 3H17M. Maj¹ strukturê ferrytyczn¹ lub ferrytyczno-martenzytycz-

n¹ (du¿a twardoæ i odpornoæ na cieranie). Stosuje siê je do wyrobu np. narzêdzi

chirurgicznych i dentystycznych, no¿y, brzytew, sprê¿yn, ³o¿ysk. Stale grupy drugiej

poddaje siê przesycaniu.

Stale grupy trzeciej maj¹ najwy¿sz¹ odpornoæ korozyjn¹ przy dobrej ¿aroodpor-

noci do 1150°C, lecz równoczenie charakteryzuj¹ siê ma³¹ ci¹gliwoci¹, sk³onnoci¹

do rozrostu ziarna i wra¿liwoci¹ na kruchoæ odpuszczania (tzw. kruchoæ 475°C).

Zawieraj¹ ok. 0,15% C, Si, Ni,Ti, Al, np. H24JS, H25T, H26N4. Maj¹ strukturê ferry-

tyczn¹ lub ferrytyczno-austenityczn¹ (H26N4). Ze wzglêdów technologicznych s¹

stosowane na aparaturê chemiczn¹ odporn¹ na korozjê gazow¹ w wysokich tempera-

turach (np. mufle, retorty). Stosuje siê je w stanie wy¿arzonym.

Nale¿y podkreliæ, ¿e stali ferrytycznych nie mo¿na utwardzaæ przez obróbkê ciepln¹

(hartowanie). Najwiêksz¹ ci¹gliwoæ i odpornoæ na korozjê maj¹ one w stanie wy¿a-

rzonym przy ok. 800°C. Ich odpornoæ na korozjê jest lepsza ni¿ stali martenzytycz-

nych i wzrasta z zawartoci¹ chromu.

2.2.2. Stale chromowo-niklowe

Dodanie co najmniej 8% Ni do stali zawieraj¹cych 18% Cr powoduje, ¿e stale

takie maj¹ w ca³ym zakresie temperatur strukturê austenityczn¹. Charakteryzuj¹ siê

one wy¿szymi w³asnociami mechanicznymi, wiêksz¹ odpornoci¹ na korozjê i mniej-

229

sz¹ sk³onnoci¹ do rozrostu ziarn ni¿ stale o strukturze ferrytycznej a zarazem dobr¹

t³oczliwoci¹ i spawalnoci¹. Stale te zawieraj¹ od 0,03 do 0,20% C, 18 do 25% Cr i 8

do 20% Ni. Najbardziej znane s¹ stale typu 18/8 (18% Cr i 8% Ni) np. 2H18N9,

1H18N9, oraz gatunki stanowi¹ce modyfikacjê sk³adu chemicznego tych stali, np.:

1H18N10T, 0H18N12Nb. Stwierdzono, ¿e ich odpornoæ korozyjna wzrasta wraz z ob-

ni¿aniem zawartoci wêgla. Stosuje siê je w stanie przesyconym (1000 do 1100°C).

Wad¹ stali typu 18/8 jest sk³onnoæ do korozji miêdzykrystalicznej, która wystêpuje po

ich nagrzaniu do temperatur 450 do 800°C, np. przy spawaniu. W nagrzanej strefie

nastêpuje wydzielanie wêglików chromu na granicach ziarn przez co zawartoæ Cr

w austenicie obni¿a siê poni¿ej wartoci granicznej tj. 12% i mo¿liwe jest wyst¹pienie

korozji w odleg³oci kilku do kilkunastu milimetrów od spoiny. W celu skutecznego

przeciwdzia³ania temu zjawisku stosuje siê nastêpuj¹ce zabiegi:

ponowne przesycanie stali co jest mo¿liwe tylko dla niewielkich elementów,

obni¿enie zawartoci C w stalach poni¿ej 0,03% (sposób kosztowny), np. stale

00H18N10,

tzw. stabizowanie stali przez wprowadzenie pierwiastków silniej wêglikotwórczych

ni¿ Cr np. Ti, Nb,

stosowanie stali austenityczno-ferrytycznych o obni¿onej zawartoci Ni i zwiêk-

szonej zawartoci Si albo równi¿ i Cr. S¹ jednak one trudne w przeróbce plastycz-

nej i ich zastosowanie jest ograniczone.

Oprócz sk³onnoci do korozji miêdzykrystalicznej stale Cr-Ni s¹ ma³o odporne na

korozjê naprê¿eniow¹. Zjawisko to objawia siê pêkaniem elementów stalowych na-

wet w rodowisku s³abo korozyjnym przy równoczesnym dzia³aniu naprê¿eñ rozci¹-

gaj¹cych (np. naprê¿enia spawalnicze, konstrukcyjne). W stalach nierdzewnych pêk-

niêcia przebiegaj¹ zwykle przez ziarna. Wska¿nikiem odpornoci stali na pêkanie

korozyjne jest wartoæ wspó³czynnika K IC okrelona w warunkach korozyjnych

(K I-SCC ).

W stanie przesyconym stale typu 18/8 s¹ stosunkowo miêkkie i bardzo ci¹gliwe.

W wielu przypadkach niska granica plastycznoci powoduje koniecznoæ stosowania

grubszych cianek elementów konstrukcyjnych ze wzglêdu na ich wytrzyma³oæ me-

chaniczn¹. W³asnoci te mo¿na powiêkszyæ przez zgniot. Z profili giêtych na zimno

wykonuje siê lekkie konstrukcje spawane punktowo mog¹ce konkurowaæ z konstruk-

cjami ze stopów aluminium pod wzglêdem stosunku wytrzyma³oci do ciê¿aru lecz

przewy¿szaj¹ce je odpornoci¹ korozyjn¹.

Stale 18/8 stosowane s¹ do budowy aparatury chemicznej, czêci maszyn, ele-

mentów architektonicznych, konstrukcji lotniczych, aparatury w przemyle spo¿yw-

czym, zbiorników i ruroci¹gów itp.

2.2.3. Stale chromowo-niklowo-manganowe

S¹ to stale austenityczne, w których pierwiastek deficytowy nikiel zastêpuje

siê manganem, wzglêdnie manganem i azotem (stabilizacja austenitu i rozdrobnienie

230

ziarna), np. H13N4G9, 0H17N4G8. Maj¹ nieco gorsz¹ odpornoæ na korozjê ni¿ stale

chromowo-niklowe. S¹ stosowane w stanie przesyconym. Maj¹ zastosowanie do bu-

dowy aparatury chemicznej pracuj¹cej pod cinieniem w niskich temperaturach, urz¹-

dzenia do przerobu mleka, urz¹dzenia dla przetwórstwa warzywno-owocowego.

2.3. Stale i stopy ¿aroodporne i ¿arowytrzyma³e

Do tej grupy zalicza siê stale i stopy charakteryzuj¹ce siê:

odpornoci¹ na utleniaj¹ce dzia³anie gazów przy temperaturze powy¿ej 600°C, tj.

¿aroodpornoci¹,

zdolnoci¹ przenoszenia obci¹¿eñ przy wysokich temperaturach tj. ¿arowytrzyma-

³oci¹, przy czym równoczenie musz¹ byæ ¿aroodporne. ¯arowytrzyma³oæ w tem-

peraturze wy¿szej od 600°C jest uzale¿niona g³ównie od odpornoci na pe³zanie.

¯aroodpornoæ stali zwiêksza dodatek pierwiastków o wiêkszym powinowactwie

do tlenu ni¿ ¿elazo, wytwarzaj¹cych na powierzchni elementów stalowych cienk¹

i zwart¹ warstwê zgorzeliny zapobiegaj¹c¹ dalszemu procesowi utlenianiania, jak chrom

(5% Cr do 650°C, 30% do 1100°C), krzem i aluminium. ¯arowytrzyma³oæ podwy¿-

szaj¹ dodatki pierwiastków podnosz¹cych temperaturê topnienia i rekrystalizacji tj.:

Mo, W, V, Co, a tak¿e Ti, Cr i Si. Stê¿enie wêgla w tych stalach jest ograniczone ze

wzglêdu na spawalnoæ do ok. 0,2%.

Dok³adne przypisanie poszczególnych gatunków stali do ka¿dego z wymienionych

rodzajów nie jest mo¿liwe gdy¿, jak to ju¿ zaznaczono wczeniej, stale ¿arowytrzyma-

³e s¹ równoczenie ¿aroodporne.

2.4. Stale ¿aroodporne

Stale ¿aroodporne mo¿na podzieliæ na trzy grupy:

stale chromowo-aluminiowe, zawieraj¹ce zwykle nieco zwiêkszon¹ zawartoæ krze-

mu, np. H13JS, H24JS,

stale chromowo-krzemowe, np. H6S2,

stale chromowo-niklowe, zwykle ze zwiêkszon¹ zawartoci¹ krzemu, np.: H26N4,

H25N20S2.

Klasyfikacja wed³ug sk³adu chemicznego okrela równie¿ struktury, poniewa¿ sta-

le grupy pierwszej i drugiej s¹ stalami ferrytycznymi, natomiast grupy trzeciej auste-

nitycznymi.

Ze stali ¿aroodpornych wykonuje siê nie obci¹¿one mechanicznie czêci pieców

przemys³owych, kot³ów, palenisk, aparatury chemicznej itp. Stosuje siê je w stanie

normalizowanym i odpuszczonym.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: