pobieranie: 11_stopy_cualmgliti
Pobierz dokument pdfPrzeglądaj wersję html pliku:
148
JW
8. Miedź i stopy miedzi
Miedź jest metalem barwy czerwonawej, o gęstości 8,96 g/cm3 i temperaturze topnienia 1083°C. Można ją przerabiać plastycznie na zimno i na gorąco, ale w przypadku przeróbki na zimno następuje utwardzenie metalu (w wyniku zgniotu), które usuwa się przez wyżarzenie rekrystalizujące (w temp. 400-600°C). Przeróbkę plastyczną na gorąco przeprowadza się w temp. 650-800°C. Cennymi własnościami miedzi są wysoka przewodność elektryczna i cieplna oraz odporność na korozję. 8.1. Miedź technicznie czysta Zawiera 0,01-1,0% zanieczyszczeń, zależnie od sposobu wytwarzania i oczyszczania. Dzieli się na miedź surową (konwertorową lub anodową), rafinowaną oraz przetopioną (beztlenową, tlenową i odtlenioną). Gatunki miedzi rafinowanej i przetopionej są w Polsce znormalizowane. Oprócz tlenu wszystkie rodzaje miedzi technicznie czystej zawierają drobne ilości innych pierwiastków (Bi, Pb, Sb, As, Fe, Ni, Sn, Zn, S i Ag), które również uważane są za zanieczyszczenia (wyjątkiem jest srebro). Miedź beztlenowa (zawierająca max 0,003% O) stosowana jest na elementy konstrukcyjne lamp elektronowych, aparatury próżniowej, przewody elektrotechniczne itd. Pozostałe rodzaje miedzi, zależnie od czystości, są stosowane do wyrobu różnych elementów konstrukcyjnych oraz przerabianych plastycznie i odlewniczych stopów miedzi. Duże ilości miedzi zużywa się do wytwarzania powłok galwanicznych na stali, zwykle jako podkładu pod powłoki niklowe lub niklowo-chromowe. 8.2. Stopy miedzi Stopami miedzi nazywa się stopy, w których metalem podstawowym (głównym składnikiem) jest miedź, z wyjątkiem stopów zawierających złoto lub srebro, które uważa się za stopy złota lub srebra, jeśli zawartość tych metali wynosi conajmniej 10%. Ogólnie stopy miedzi, będące obecnie najbardziej rozpowszechnionymi materiałami konstrukcyjnymi po stopach żelaza i stopach aluminium, dzielą się na: a) stopy wstępne miedzi, b) miedź stopową, c) mosiądze, d) miedzionikle, e) brązy, f) stopy oporowe miedzi. W zależności od przeznaczenia stopy miedzi dzielą się na odlewnicze i do przeróbki plastycznej. Stopy wstępne miedzi są pomocniczymi, dwu- lub trzyskładnikowymi stopami, wytwarzanymi w celu ułatwienia wprowadzenia dodatków stopowych lub technologicznych (odtlenianie). Na przykład, stop zawierający 50% Al stosowany jest jako dodatek stopowy przy produkcji brązów i mosiądzów aluminiowych, stop zawierający 12% P — jako dodatek stopowy lub jako odtleniacz itd. Miedź stopowa jest ogólną nazwą stopów do przeróbki plastycznej, zawierających nie więcej niż 2% głównego dodatku stopowego. Znormalizowane gatunki obejmują miedź arsenową, chromową, cynową, kadmową, manganową, niklową, siarkową, srebrową, tellurową i cyrkonową. Miedź arsenowa, zawierająca 0,3 ÷ 0,5% As, jest stosowana na elementy aparatury chemicznej, miedź chromowa (0,4 ÷ 1,2% Cr) - na elektrody zgrzewarek, miedź srebrowa (0,045 ÷ 2% Ag) - na uzwojenia silników elektrycznych, luty, elektrody do spawania, druty wspierające siatki lamp elektrycznych itd. (PN-79/H-87053). Mosiądze są stopami miedzi, w których głównym składnikiem stopowym jest cynk w ilości powyżej 2%. Dzielą się na mosiądze odlewnicze (tabl. 8.1) i do przeróbki plastycznej. Te ostatnie, zgodnie z PN-92/H-87025, dzielą się na dwuskładnikowe, zawierające 0,4 ÷ 40,5%
149 JW cynku (gatunki M95, M90, M85, M80, M75, M70, M67, M65, M63 i M60, w symbolu M oznacza mosiądz, a liczba - nominalną zawartość miedzi w %), i wieloskładnikowe. Mosiądze wieloskładnikowe dzielą się z kolei na ołowiowe (tabl. 8.2) i bezołowiowe, zwane też mosiądzami specjalnymi (tabl. 8.3). Tablica 8.1
Skład chemiczny i własności mechaniczne odlewów piaskowych z mosiądzów odlewniczych (wg PN-91/H-87026) Gatunek mosiądzu znak cecha Skład chemiczny, % (reszta cynk) Cu Mn Fe inne Rm MPa zanieA5
%
czyszczenia, max
CuZn43Mn4Pb3Fe CuZn37Mn4Fe1Sn1 CuZn50Mn3Fe CuZn38Mn2Pb2 CuZn38AI12Mn1Fe CuZn26AI6Mn3Fe2Ni1,5 CuZn39Pb2 CuZn38Pb2 CuZn16Si4
MM47 MM54 MM55 MM58 MA58 MA62 M059 M060 MK80
48-50 54,5-57 53-58 57-60 56-60 61-63,5 57-60 56-62 79-81
3,0-4,0 3,0-4,2 3,0-4,0 1,5-2,5 1,0-2,0 2,5-3,5 -
0,5-1,2 0,7-1,6 0,5-1,5 0,5-1,5 1,0-2,5 -
2,0-3,5 Pb 0,6-1,5Sn 1,5-2,5Pb 1,5-2,5AI 5,0-6,5 Al 1,0-2,0 Ni 1,0-2,5 Pb 1,0-3,OPb 3,0-4,5 Si
1,0 2,0 1,2 1,8 1,2 1,0 1,8 2,2 2,0
360 390 450 250 400 600 250 250 300
10 12 15 15 12 5 12 10 15 Tablica 8.2
Skład chemiczny i gęstość mosiądzów ołowiowych do przeróbki plastycznej (wg PN-92/H-87025) Gatunek mosiądzu znak CuZn37PbO,5 CuZn36Pb1,5 CuZn36Pb3 CuZn38Pb1,5 CuZn39Pb2 CuZn40Pb2 CuZn39Pb3 CuZn40Pb2 cecha M063 M062 M061 M060 M059 M058 M058A M058B Skład chemiczny, % (reszta cynk) Cu Pb 62,0 ÷ 64,0 0,3 ÷ 0,7 62,0 ÷ 64,0 0,7 ÷ 2,5 60,0 ÷ 62,0 2,5 ÷ 3,5 59,5 ÷ 61,5 1,0 ÷ 2,0 58,5 ÷ 60,0 1,5 ÷ 2,5 56,0 ÷ 60,0 1,0 ÷ 3,5 57,0 ÷ 59,0 2,5 ÷ 3,5 57,0 ÷ 59,0 1,5 ÷ 2,5 Gęstość, g/cm3 8,5 8,5 8,5 8,4 8,4 8,5 8,5 8,5
Grupę mosiądzów do przeróbki plastycznej stanowią mosiądze wysokoniklowe, zawierające 11÷19,5% niklu. Osobną grupę znormalizowanych mosiądzów do przeróbki plastycznej (PN93/H-87027) stanowią mosiądze wysokoniklowe, zwane często (od zabarwienia) nowym srebrem (tabl. 8.4). Mosiądze odlewnicze cechuje rzadkopłynność i dobre wypełnianie form, tak że nadają się one na odlewy piaskowe, kokilowe i pod ciśnieniem (temperatura odlewania waha się od 950 do 1100°C). Ich wadą jest skłonność cynku do parowania (temperatura wrzenia cynku wynosi 907°C) i wiążące się z tym duże straty tego pierwiastka. Dlatego mosiądz należy topić pod przykryciem i w miarę możliwości bez przegrzewania. Inną wadą mosiądzów jest duży skurcz odlewniczy (1,8 ÷ 2%). Mosiądze stosowane są na wszelkiego rodzaju części maszyn, armatury, silników itd. Z mosiądzu MM55 odlewa się m.in. śruby okrętowe, mosiądz MA58 jest wykorzystywany przez przemysł lotniczy i okrętowy.
150
JW Tablica 8.3
Skład chemiczny, % (reszta cynk) Cu inne Gęstość g/cm3 8,5 8,4 8,4 8,3
Skład chemiczny i gęstość mosiądzów specjalnych do przeróbki plastycznej (wg PN-92/H-87025) Gatunek mosiądzu znak CuZn28Sn1 CuZn38Sn1 CuZn20AI2 CuZn39AI1Fe1Mn1 cecha MC70 MC62 MA77 MA58
70,0 ÷72,5 59,0 ÷62,0 76,0 ÷79,0 56,0 ÷61,0
0,02 ÷ 0,06 As 0,9 ÷ 1,3 Sn 0,5 ÷ 1,0 Sn 0,02 ÷ 0,06 As 1,8 ÷ 2,3Al 0,2 ÷ 1,5 Fe 0,2 ÷ 1,5 AI 0,2 ÷ 2,0 Mn 1,0 ÷ 2,0Mn 0,7 ÷ 1,3 Si
CuZn4Z0Mn1,5 CuZn31Si1
MM58 MK68
57,0 ÷59,0 66,0 ÷70,0
8,3 8,4
Tablica 8.4
Skład chemiczny i gęstość wysokoniklowych mosiądzów do przeróbki plastycznej (wg PN-93/H-87027) Gatunek mosiądzu znak CuNi18Zn27 CuNi18Zn20 CuNi15Zn21 CuNi12Zn24 CuNi18Zn19Pb11 CuNi10Zn28Pb1 cecha MZN18 MZ20N18 MZN15 MZN12 MZN181 MZN101 Skład chemiczny, % (reszta cynk) Cu 53,5 ÷ 56,5 60,0 ÷ 63,0 63,0 ÷ 66,0 63,0 ÷ 66,0 59,0 ÷ 63,0 59,0 ÷ 63,0 Ni 17,0 ÷ 19,0 17,0 ÷ 19,0 14,0 ÷ 16,0 11,0 ÷ 13,0 17,0 ÷18,0 9,0 ÷ 11,0 Pb 0,5 ÷ 1,5 1,0 ÷ 2,0 Gęstość g/cm3 8,7 8,8 8,7 8,7 8,8 8,6
Mosiądze dwuskładnikowe, czyli stopy miedzi z cynkiem, są najczęściej stosowanymi stopami miedzi. Jak wynika z układu równowagi miedź-cynk (rys. 8.1). stopy zawierające do 39% Zn mają strukturę roztworu stałego α cynku w miedzi, powyżej tej zawartości strukturę dwufazową, będącą mieszaniną roztworu stałego α i roztworu stałego β (β' - uporządkowany roztwór stały β na osnowie fazy międzymetalicznej CuZn). Roztwór stały α odznacza się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi, łatwo poddaje się przeróbce plastycznej na zimno i jest odporny na działanie wielu ośrodków korozyjnych. Roztwór β jest bardziej twardy od roztworu stałego α, mniej jednak ciągliwy i mniej odporny na korozję. W zasadzie cynk zwiększa wytrzymałość i plastyczność stopu, ale maksymalną plastyczność ma stop zawierający około 30% Zn. Przekroczenie granicy obszaru jednofazowego powoduje gwałtowne pogorszenie plastyczności. Z tego powodu do przeróbki plastycznej na zimno (cienkie blachy i druty) stosuje się raczej mosiądze o maksymalnej Rys. 8.1. Część układu plastyczności w temperaturze pokojowej, tj. mosiądze jednorównowagi miedź-cynk od fazowe α zawierające około 30% Zn (rys. 8.2). Natomiast do strony miedzi przeróbki plastycznej na gorąco lepiej nadają się mosiądze zawierające więcej niż 32% Zn, gdyż w wysokiej temperaturze struktura takich stopów składa
151 JW się z kryształów α+ β (roztwór stały β w temp. 300 ÷ 700°C jest mniej wytrzymały i bardziej plastyczny niż roztwór stały α). Mikrostrukturę mosiądzu dwufazowego pokazano na rys. 8.3. Mosiądze do przeróbki plastycznej są stosowane przeważnie w stanie utwardzonym przez zgniot, dzięki czemu uzyskuje się znaczne podwyższenie ich wytrzymałości, przy pewnym jednak pogorszeniu własności plastycznych. Z mosiądzów dwuskładnikowych wykonuje się rurki włoskowate i chłodnicowe, wężownice, membrany manometrów, łuski amunicyjne, części tłoczne i kute. Mosiądze ołowiowe są przeznaczone na części obrabiane skrawaniem i dla przemysłu zegarowego, mosiądze specjalne, zależnie od składu chemicznego - na rury wymienników ciepła (MC70 i MA77), elementy aparatury, elementy ślizgowe (MA58 i MK68) itp. Mosiądze wysokoniklowe są przeznaczone do wyrobów przedmiotów artystycznych, naczyń stołowych, widelców, łyżek (jako imitacja srebra), części sprężynujących aparatów, elementów głębokotłocznych. Gatunki zawierające ołów są przeznaczone na elementy obrabiane skrawaniem, szczególnie dla mechaniki precyzyjnej i optyki.
Rys.8.2. Mikrostruktura mosiądzu jednofazowego (30% Zn). Widoczne kryształy roztworu stałego α, częściowo bliźniacze. Traw. roztworem NF4OH + H2O2;. Powiększ. 200x
Rys. 8.3. Mikrostruktura mosiądzu dwufazowego (40% Zn) po przeróbce plastycznej na gorąco. Widoczne jasne kryształy roztworu stałego α i ciemne kryształy roztworu stałego β'. Traw. odczynnikiem chromowym, 150x
Miedzionikle są przerabialnymi plastycznie stopami miedzi, w których głównym składnikiem stopowym jest nikiel w ilości powyżej 2% (tabl. 8.5). Tablica 8.5 Skład chemiczny miedzionikli (wg PN-92/H-87052)
Gatunek miedzioniklu znak CuNi25 CuNi9Sn2 CuNi10FelMn CuNi30Mn1Fe CuNi30Fe2Mn CuNi44Mn1 cecha MN25 MNC92 MNŻ101 MNM301 MNŻM3022 MNM441 Skład chemiczny, % (reszta miedź) Ni 24,0 ÷26,0 8,5 ÷10,5 9,0 ÷ 11,0 30,0 ÷32,0 29,0 ÷32,0 43,0 ÷ 45,0 Mn 0,10 ÷ 0,50 0,5 ÷1,0 0,5 ÷1,5 1,5 ÷ 2,5 0,5 ÷ 2,5 Inne 1,8 ÷2,8 Sn 1,0 ÷2,0 Fe 0,4 ÷1,0 Fe 1,5 ÷2,5 Fe -
Miedzionikle cechuje bardzo dobra odporność na korozję i ścieranie oraz dobra plastyczność, która umożliwia wytwarzanie z nich blach, taśm, prętów, rur i drutów. W szczególności miedzionikiel MN25 przeznaczony jest na monety, MNC92 – na elementy sprężynujące, połączenia wtykowe i przełączniki, MNŻ101, MNM301 i MNŻM – na rury wymienników ciepła zwłaszcza w urządzeniach okrętowych, elementy aparatury i urządzeń klimatyzacyjnych. MNM441 - na oporniki urządzeń pomiarowych i elementy elektroniczne. Gęstość wszystkich miedzionikli wynosi 8,9 g/cm3. Brązy są stopami miedzi, w których głównym składnikiem stopowym (ponad 2% jest cyna, aluminium, krzem, beryl, ołów i inne, z wyjątkiem cynku i niklu. W zależności od głównego
152 JW składnika stopowego (aluminium, beryl, cyna, krzem. kobalt, ołów, antymon, mangan, tytan) noszą nazwę brązów aluminiowych, berylowych itd. Podobnie jak mosiądze, dzielą się na odlewnicze (tabl. 8.6) i do przeróbki plastycznej. Tablica 8.6 Skład chemiczny i własności mechaniczne odlewów piaskowych z brązów odlewniczych (wg PN-91/H-87026)
Gatunek brązu znak cecha Sn 9 ÷11 9 ÷11 9 ÷11 9 ÷11 7,3 ÷9 4 ÷6 3 ÷5 4 ÷6 Skład chemiczny, % (reszta miedź) Zn Fe Mn inne Rm Zanie- MPa
czyszczenia max
A5 %
CuSn10 CuSn10P CuSn10Zn2 CuSn10Pb10 CuSn8Pb15Ni CuSn5Zn5Pb5 CuSn4Zn7Pb6 CuSn5Pb20 CuAI9Fe3 CuAI10Fe3Mn2 CuAI10Fe4Ni4 CuSi3Zn3Mn
B10 B101 B102 B1010 B815 B555 B476 B520 BA93 BA1032 BA1044 BK331
1÷3 4 ÷6 6 ÷8 -
2 ÷4 2 ÷4 3,6÷5,7
1÷2 -
0,5 ÷1,0 P 8,5 ÷11 Pb
1,0 0,8 1,0 0,8
240 220 240 180 150 200 200 150 500 500 590 280
12 3 10 7 7 13 15 5 13 15 5 8
13,5 ÷17 Pb 1,2 0,5 ÷1,5 Ni 1,0 4 ÷6 Pb 1,0 5 ÷7 Pb 18 ÷ 23Pb 1,2 1,0 8 ÷10AI 8,5 ÷10,5AI 0,8 9 ÷11,2 AI 3,5 ÷5,5 Ni 3 ÷ 4 Si 1,5 1,0
3 ÷5 0,5÷1,2 0,5÷1,5
Brązy cynowe należą do najstarszych znanych stopów i już w starożytności stosowane były do wyrobu mieczów, ozdób, naczyń i przedmiotów codziennego użytku. Na rysunku 8.4 przedstawiono część układu równowagi miedź-cyna. Jak widać w stopach zawierających do około 14% Sn występuje roztwór stały α cyny w miedzi, powyżej tej zawartości - mieszanina roztworu stałego α i fazy δ (faza elektronowa). Praktycznie jednak struktura lanych stopów miedzi z cyną ze względu na wzmożoną likwację znacznie odbiega od stanu równowagi. Przy zawartości 5 ÷ 6% Sn składa się ona z niejednorodnego roztworu stałego α, mającego jak każdy metal lany budowę dendrytyczną. Przy większej zawartości cyny na tle niejednorodnego roztworu występuje eutektoid (α + δ ) mający niejednorodną budowę (rys. 8.5 i 8.6). Obecność kruchej fazy δ wyklucza możliwość walcowania, dlatego brązy o większej zawartości cyny stosuje się wyłącznie na odlewy. Brązy cynowe wykazują wyjątkowo mały skurcz odlewniczy, co umożliwia wykonywanie z nich odlewów o skomplikowanych kształtach (np. pomników). Jednak wskutek znacznej różnicy temperatur początku i końca krzepnięcia, brązy te mają małą rzadkopłynność i nie tworzą skupionej jamy usadowej. Rzadko Rys. 8.4. Część układu więc można uzyskać odlew o dobrej ścisłości (bez rzadzizn i równowagi miedź-cyna od porów). strony miedzi Dzięki dużej odporności chemicznej, zwłaszcza na działanie czynników atmosferycznych, dobrej wytrzymałości i odporności na ścieranie, z cynowych
153 JW brązów odlewniczych wytwarza się wszelkiego rodzaju armaturę wodną i parową, panewki do łożysk ślizgowych, odlewy artystyczne i inne o skomplikowanym kształcie (tabl. 8.7). Trzeba wspomnieć, że obecność wtrąceń twardego eutektoidu zapewnia dużą odporność na ścieranie i dlatego brąz zawierający ponad 10% Sn jest jednym z najlepszych materiałów przeciwciernych, znajdują zastosowanie jako stop łożyskowy. Brązy cynowe przerabialne plastycznie (tabl. 8.8) mają także dobrą wytrzymałość, są sprężyste oraz odporne na korozję i ścieranie (ze wzrostem zawartości cyny w brązie następuje wzrost tych własności. Wszystkie gatunki są dobrze skrawalne, podatne lutowanie i spawanie oraz przeróbkę plastyczną na zimno.
Tablica 8.7 Przykłady zastosowania brązów odlewniczych (wg PN-91/H-87026) Cecha Przykłady zastosowania silnie obciążone części maszyn, jak łożyska, panewki i napędy oraz osprzęt B10 parowy, wodny; odporny na działanie niektórych kwasów wysoko obciążone, szybkoobrotowe, źle smarowane i narażone na korozję B101 łożyska, części maszyn oraz armatura chemiczna wysoko obciążone i narażone na korozję części maszyn w przemyśle B102 B1010 łożyska i części trące maszyn pracujących przy dużych naciskach i panwie ślizgowe pracujące przy znacznych naciskach, pierścienie B815 części maszyn, osprzętu aparatury pojazdów, silników i traktorów B555 podlegające korozji w środowisku wodnym, ścieranie wytrzymujące ciśnienie do 2,5 MPa części maszyn, tuleje i łożyska pracujące przy obciążeniach statycznych i B476 normalnej temperaturze, armatura wodna wytrzymująca ciśnienie 2,5 MPa łożyska i części maszyn narażone na ścieranie przy dużej szybkości i B520 małych naciskach BA1032 silnie obciążone części maszyn, silników oraz osprzętu i aparatury narażone na korozję i ścieranie przy równoczesnym obciążeniu BA93 mechanicznym w przemyśle komunikacyjnym, okrętowym, lotniczym, BA1044 chemicznym itp. BK331 części maszyn i osprzętu (łożyska, elementy napędów, pompy) narażone na korozję, zmienne obciążenia i złe smarowanie
Tablica 8.8
Skład chemiczny i gęstość przerabialnych plastycznie brązów cynowych (wg PN-92/H-87050) Gatunek brązu znak CuSn2 CuSn4 CuSn6 CuSn8 CuSn4Pb4Zn3 cecha B2 B4 B6 B8 B443 Sn 1,0 ÷ 2,5 3,5 ÷ 4,5 5,5 ÷ 7,0 7,5 ÷ 8,5 3,5 ÷ 4,5 Skład chemiczny, % (reszta miedź) Zn 1,5 ÷ 4,5 Pb 3,5 ÷ 4,5 P 0,01 ÷ 0,35 0,01 ÷ 0,35 0,01 ÷ 0,35 0,01 ÷ 0,35 0,01 ÷ 0,50 Gęstość g/cm3 8,9 8,8 8,8 8,8 8,8
Z brązu B2 wytwarza się śruby i giętkie węże, z brązu B4 - śruby, sprężyny manometryczne, elementy przyrządów kontrolno-pomiarowych i połączenia wtykowe z brązów B6 i B8 sprężyny, membrany, sita papiernicze, rurki manometryczne elementy przyrządów, z brązu B443 - elementy ślizgowe. Brązy o zawartości 4 ÷6% Sn ze względu na dobre własności plastyczne i piękne zabarwienie znalazły zastosowanie m.in. do wyrobu monet i medali. Pod wpływem przeróbki plastycznej na zimno wzrasta bardzo ich twardość, co wpływa korzystnie na zwiększenie odporności na ścieranie. Brąz o zawartości 10% Sn jest stosowany do wyrobu kół zębatych.
154 JW Z brązów cynowych wieloskładnikowych trzeba wymienić stopy z cynkiem (5 ÷ 10% Sn, 2 ÷ 6% Zn), zwane dawniej spiżami. Mają one nieco mniejszą wytrzymałość i odporność na korozję niż brązy dwuskładnikowe, ale lepsze własności odlewnicze, co umożliwia wykonywanie z nich skomplikowanych odlewów cienkościennych (części maszyn, armatura, okucia budowlane, wyroby artystyczne).
Rys. 8.5. Mikrostruktura brązu cynowego (10% Sn) w postaci lanej. Widoczna budowa dendrytyczna. Traw. roztworem NH4OH + H2O2. Powiększ. 100x
Rys. 8.6. Mikrostruktura brązu cynowego(10% Sn) w postaci lanej. Widoczna faza a w postaci dendrytów (bogate w miedź środki dendrytów są ciemne, bogate w cynę brzegi tych dendrytów są jasne) i szare, kropkowane wydzielenia eutektoidu a + 8 . Traw. roztworem NH4OH + H2O2. Powiększ. 500x
Brązy aluminiowe produkowane są zarówno jako odlewnicze (tabl. 8.6), jak przerabialne plastycznie (tabl. 8.9). Dzielą się na dwuskładnikowe, zawierające 4 ÷ 8% Al, i wieloskładnikowe, zawierające zwykle żelazo i mangan, żelazo i nikiel i inne dodatki. Główne ich cechy to wysoka wytrzymałość i plastyczność zarówno w temperaturze otoczenia, jak i w temperaturach podwyższonych, oraz dobra odporność na ścieranie i korozję (m.in. wody morskiej). Tablica 8.9
Skład chemiczny i gęstość przerabialnych plastycznie brązów aluminiowych (wg PN-92/H-87051) Gatunek brązu aluminiowego znak CuAl5As CuAl 8 CuAl8Fe3 CuAl10Fe3Mn2 CuAl10Ni5Fe4 cecha BA5 BA8 BA83 BA1032 BA1054 Skład chemiczny, % (reszta miedź) Al 4,0 ÷ 6,0 7,5 ÷ 9,0 6,5 ÷ 8,5 8,5 ÷ 11,0 8,5 ÷ 11,0 Fe 1,5 ÷3,3 2,0 ÷ 4,0 2,0 ÷ 5,0 Inne 0,1÷0,4 As 1,5 ÷3,5Mn 4,0 ÷6,0 Ni Gęstość g/cm3 8,2 7,8 7,7 7,6 7,6
W postaci lanej brązy aluminiowe stosuje się na silnie obciążone części maszyn, silników oraz części osprzętu i aparatury, narażone na korozję i ścieranie przy równoczesnym obciążeniu mechanicznym. Orientacyjne własności i przykładowe zastosowanie brązów aluminiowych przerabialnych plastycznie podano w tabl. 8.10. Brązy aluminiowe podlegają ulepszaniu cieplnemu (hartowanie z temp. ok. 900°C, odpuszczanie w temp. 300 ÷ 450°C). Mikrostrukturę brązu aluminiowego w postaci lanej pokazano na rys. 8.7. Z pozostałych brązów znormalizowane są: odlewniczy brąz krzemowy BK331 (tabl. 8.6) oraz specjalne stopy miedzi do przeróbki plastycznej, w tym brązy krzemowe i berylowe (tabl. 8.11). Orientacyjne własności tych stopów i ich zastosowanie podano w tabl. 8.12. Brązy berylowe podlegają obróbce cieplnej (umocnieniu wydzieleniowemu), złożonej z przesycania z temperatury 800°C i starzenia w temperaturze 350°C. Wadą ich jest stosunkowo wysoki koszt berylu.
155
JW Tablica 8.10
Orientacyjne własności i przykłady zastosowania brązów aluminiowych do przeróbki plastycznej (wg PN-92/H-87051) Cecha brązu Orientacyjne własności duża odporność na korozję, dobra podatność na obróbkę plastyczną na zimno; BA5 jest szczególnie odporny na działanie gorących roztworów soli, BA8- na działanie kwasu siarkowego i octowego wysokie własności wytrzymałościowe (również w temperaturach podwyższonych), dobra odporność na korozję szczególnie w roztworach kwaśnych, wysoka odporność na erozję i kawitację wysoka odporność na obciążenia zmienne, dobra odporność na ścieranie, dobra podatność na obróbkę plastyczną na zimno Przykłady zastosowania elementy pracujące w wodzie morskiej, części aparatury chemicznej części aparatury chemicznej dna sitowe wymienników ciepła, części aparatury chemicznej części aparatury kontrolno-pomiarowej i chemicznej, wały, śruby, części narażone na ścieranie dna sitowe wymienników ciepła, wały, śruby części narażone na ścieranie, części urządzeń hydraulicznych, gniazda zaworów, koła zębate
BA5 BA8
BA83 BA 1032
BA1054
Rys. 8.7. Mikrostruktura brązu aluminiowego (9% Al w postaci lanej (szybko chłodzonego). Widoczne jasne kryształy roztworu stałego i nieco ciemniejsze iglaste kryształy roztworu stałego β. Traw. roztworem NH4OH + H2O2. Powiększ. 200x Tablica 8.11
Skład chemiczny i gęstość specjalnych stopów miedzi do przeróbki plastycznej (wg PN-92/H-87060) Gatunek znak CuSi1 CuSi3Mn1 CuBe1,7 CuBe2 CuBe2Pb CuCo2Be CuNi2Si cecha BK1 BK31 BB1,7 BB2 BB21 BC2 BN2 Skład chemiczny, % (reszta Cu) Si Be inne 0,8-2,0 2,7-3,5 1,0-1,5 Mn 1,6-1,8 1,8-2,1 1,8-2,1 0,2-0,6 Pb 0,4-0,7 2,0-2,8 Co 0,5-0,8 1,6-2,5 Ni Gęstość g/cm3 8,5 8,5 8,4 8,3 8,3 8,8 8,8
Brązy ołowiowe zawierają do 26% ołowiu oraz najczęściej mniejsze dodatki cyny, niklu, manganu itd. Odznaczają się dobrą odpornością na korozję dobrą obrabialnością, a przede wszystkim dobrą odpornością na ścieranie, w związku z czym wykonuje się z nich tulejki i panewki do silnie obciążonych maszyn. Ze względu na brak rozpuszczalności ołowiu w miedzi, w stanie ciekłym brązy ołowiowe maja skłonność do likwacji składników. Warunkiem dobrych własności przeciwciernych stopu jest równomierne rozmieszczenie ziarn ołowiu i miedzi. Brązy manganowe są odporne na działanie wysokich temperatur, w których zachowują dużą twardość i ciągliwość. Znalazły zastosowanie w budowie maszyn parowych, turbin i silników spalinowych, przemyśle elektrotechnicznym (sprężyny, kontakty, szczotki) itd. Stop o zawartości 85% Cu, 12% Mn i 3% Ni nosi nazwę manganinu. Cechuje go wysoki opór elektryczny.
156
JW Tablica 8.12
Orientacyjne własności i przykłady zastosowania specjalnych stopów miedzi do przeróbki plastycznej (wg PN-92/H-87060) Cecha BK1 BK31 Orientacyjne własności wysokie własności wytrzymałościowe, duża odporność na korozję, dobra podatność na przeróbkę plastyczną na zimno; BK31 - duża podatność na spawanie bardzo wysokie własności wytrzymałościowe i sprężyste, bardzo duża odporność na ścieranie i korozję, brak skłonności do iskrzenia, średnie przewodnictwo elektryczne, podatność na przeróbkę plastyczną na zimno, szczególnie w stanie przesyconym; BB21 - podwyższona skrawalność wysokie własności wytrzymałościowe, średnie przewodnictwo elektryczne, podatność na przeróbkę plastyczną na zimno Przykłady zastosowania śruby, szczególnie w środowisku morskim elementy konstrukcji spawanych sprężyny, elementy sprężynujące i narażone na ścieranie, narzędzia nieiskrzące
BB1,7 BB2 BB21 BC2
śruby, osprzęt
BN2
Stopy oporowe miedzi są stopami z niklem (do 41%), cynkiem (do 28%), manganem (do 13%), aluminium (do 3,6%) i żelazem (do 1,5%). Charakteryzują się stosukowo wysokim oporem elektrycznym (rezystywnością) i małym współczynnikiem cieplnym oporu oraz stabilnością obu tych własności, dzięki czemu są stosowane do wyrobu elektrycznych oporników pomiarowych i rozruszników. Stopy te mają strukturę jednofazową. Najbardziej znane, to omówione wyżej konstantan, nikielina, manganin i nowe srebro (27% Zn, 18% Ni) oraz inmet albo nowokonstantan (12% Mn, 3% Al, 1% Fe). 9. Aluminium i stopy aluminium Aluminium jest pierwiastkiem metalicznym, krystalizującym w układzie regularnym płaskocentrycznym Al, o gęstości 2,7 g/cm3, temperaturze topnienia 660°C i temperaturze wrzenia 2450°C. Cechuje go dobra przewodność cieplna i elektryczna (ta ostatnia wynosi 66% przewodności elektrycznej miedzi), duży współczynnik rozszerzalności cieplnej (23,6 •10-6 1/°C) i dość dobra odporność na korozję atmosferyczną (aluminium samorzutnie tworzy na powierzchni cienką, ale bardzo szczelną i ściśle przylegającą warstewkę tlenku aluminium, która zabezpiecza go przed dalszym utlenianiem) oraz na działanie wody, niektórych kwasów organicznych. dwutlenku siarki i wielu innych związków chemicznych. Zwiększenie odporności korozyjnej aluminium (a także jego stopów) uzyskuje się przez sztuczne wytwarzanie powłoki tlenkowej bądź chemicznie (alodynowanie) bądź elektrochemicznie (eloksalacja). Obecnie proces eloksalacji jest powszechnie stosowany w budownictwie (blachy osłonowe, ramy okienne i drzwiowe), w przemyśle samochodowym, przy wyrobie naczyń i sprzętu gospodarstwa domowego Warstewka tlenków Al2O3 ma grubość 5 ÷30 µm, a jej porowatość umożliwia barwienie na dowolny kolor. 9.1. Aluminium technicznie czyste Zawiera 0,01-1,0% zanieczyszczeń (głównie żelazo, krzem, miedź, cynk i tytan. w mniejszych ilościach Mg, Mn, Cr, V, Pb i Ni), zależnie od sposobu oczyszczania. W Polsce, zgodnie z PN-79/H-82160, produkowane są dwa rodzaje aluminium technicznie czystego: rafinowane, o zawartości 99,995, 99,9 oraz 99,95% Al, i hutnicze, o zawartości 99,8, 99,7, 99,5 i 99,0% Al. Aluminium rafinowane stosuje się przede wszystkim do budowy specjalnej aparatury chemicznej oraz na wyroby dla elektrotechniki i elektroniki, aluminium hutnicze - do produkcji kabli i przewodów elektrycznych, do platerowania, budowy aparatury chemicznej, farb i produkcji stopów aluminium. Ostatni gatunek aluminium hutniczego służy ponadto do wyrobu
157 JW naczyń kuchennych i przedmiotów codziennego użytku. Przykłady oznaczania gatunków aluminium technicznego: Al 99,99 R (rafinowane), Al 99,8 H (hutnicze), 99,7 HE (hutnicze dla elektrotechniki). Aluminium technicznie czyste jest metalem bardzo plastycznym, ale ma niewielką wytrzymałość, w związku z czym jego zastosowanie w budowie maszyn jest bardzo ograniczone. 9.2. Stopy aluminium Stopy aluminium są obecnie po stopach żelaza najbardziej rozpowszechnionymi materiałami konstrukcyjnymi, znajdującymi zastosowanie we wszystkich gałęziach przemysłu. Szczególnie ważnym tworzywem są w budowie samolotów i statków ulicznych, przede wszystkim dzięki wysokim wskaźnikom własności wytrzymałościowych odniesionych do gęstości (wytrzymałości właściwej). Na przykład w samolocie „Caravelle" różne stopy aluminium stanowią 70% materiałów konstrukcyjnych, stale - 26%, a inne tworzywa tylko 4%. Ogólnie stopy aluminium dzielą się na stopy odlewnicze i stopy do przeróbki plastycznej. Obie grupy są w Polsce znormalizowane (tabl. 9.1 i 9.2). 9.2.1. Stopy aluminium odlewnicze Ta grupa stopów obejmuje 12 znormalizowanych gatunków. Cecha każdego stopu składa się z litery A (stop aluminium), z litery K, G lub M (odpowiednio krzemowy, magnezowy lub miedziowy) oraz liczby określającej zawartość procentową głównego lub dwóch głównych składników stopowych. Wśród odlewniczych stopów aluminium można wyróżnić stopy dwuskładnikowe (Al-Si, Al-Cu i Al-Mg) oraz wieloskładnikowe (Al-Si-Cu, Al-Si-Ms,, Al-SiCu-Mg-Ni, Al-Cu-Ni i Al-Cu-Ni-Mg). Stopy aluminium z krzemem jako głównym składnikiem stopowym noszą nazwę siluminów. Pod względem zawartości krzemu siluminy dzielą się na podeutektyczne 10% Si), eutektyczne (10 ÷13% Si) i nadeutektyczne (17 ÷ 30% Si). Tablica 9.1 Skład chemiczny i gęstość odlewniczych stopów aluminium (wg PN-76/H-88027)
Cecha stopu AK20 AK12 AK11 AK9 AK7 AK64 AK52 AK51 AG10 AG51 AM5 AM4 Skład chemiczny, % (reszta aluminium) Si Cu Mg Mn inne 20,0-23,0 1,1-1,5 0,5-0,9 0,1-0,3 0,8-1,1 Ni 11,5-13,0 0,8-1,5 0,8-1,5 0,8-1,3 Ni 10,0-13,0 8,5-10,5 0,2-0,4 0,25-0,5 6,0-8,0 0,2-0,4 0,1-0,5 5,0-7,0 3,0-5,0 0,3-0,6 4,0-6,0 1,5-3,5 0,2-0,8 0,2-0,8 4,5-5,5 1,0-1,5 0,35-0,6 0,2+0,5 9,0-11,0 0,8-1,3 4,0-6,0 0,1-0,4 4,0-5,0 — 4,2-5,0 0,15-0,4 0,15-0,30 Gęstość g/cm3 2,60 2,72 2,65 2,65 2,68 2,77 2,70 2,67 2,55 2,60 2,80 2,80
158
JW Tablica 9.2
Gęs Zn inne 0,05÷0,25 Cr 0,15÷0,35 Cr 0,02÷0,10 Ti 0,1÷0,25 Cr 0,1÷0,25 Cr 0,1÷0,2 Zr 0,10÷0,13 Ti tość g/cm3 2,69 2,74 2,72 2,68 2,66 2,66 2,64 2,70 2,73 2,69 2,70 2,71 2,72 2,80 2,77 2,80 2,77 2,75 2,7-7 2,80 2,80 2,80 2,80 2,80 2,75
Skład chemiczny i gęstość stopów aluminium do przeróbki plastycznej (wg PN-79/H-88026)
Cecha stopu PA43 Cu — Mg 0,7÷1,2 Mn Si Ni — Fe Skład chemiczny, % (reszta aluminium)*
PA15 0,4+0,7 0,9÷1,3 0,4÷0,7 PA16 0,2÷0,8 0,3÷0,8 PA2 do 0,6 1,7÷2,6 PA11 do 0,6 2,7÷3,6 PA13 4,0÷4,9 0,4÷1,0 PA20 4,3÷5,8 0,2÷0,6 PA5 0,8÷1,5 1,0÷1,5 PA1 1,0÷1,5 PA38 0,4÷0,9 0,3÷0,7 PA4 0,2-1,0 0,7÷1,5 0,7÷1,5 PA45 0,15÷0,4 0,8÷1,2 0,4÷0,8 PA10 0,1÷0,5 0,45÷0,9 0,15÷0,3 0,5÷1,2 PA6 3,8÷4,8 0,4÷1,0 0,4÷1,0 PA7 3,8÷4,9 1,2÷1,8 0,4÷0,9 PA21 3,8÷4,5 0,4÷0,8 0,4÷0,8 PA23 3,8÷4,5 1,2÷1,6 0,3÷0,7 PA24 2,0÷3,0 0,2÷0,5 PA25 3,9÷4,5 0,15÷0,3 0,3÷0,5 PA29 1,9÷2,5 1,4÷1,8 — 0,5÷1,2 0,8÷1,3 0,8÷1,3 PA30 1,9÷2,7 1,2÷1,8 0,8÷1,4 0,8÷1,4 PA31 1,8÷2,6 0,4÷0,8 0,4÷0,8 0,7÷1,2 — — PA33 3,9÷4,8 0,4÷1,0 0,4÷1,0 0,6÷1,2 PA9 1,4÷2,0 1,8÷2,8 0,2÷0,6 — — — 5,0÷7,0 PA47 1,15÷1,4 0,15÷0,4 4,3÷5,0
*
Maksymalna ilość zanieczyszczeń — 0,15%.
Podstawą tego podziału jest struktura stopów wynikająca z układu równowagi Al-Si (rys. 9.1).Niektóre siluminy oprócz krzemu zawierają niewielkie ilości miedzi i magnezu oraz niekiedy niklu, manganu i tytanu.
Stopy aluminium-krzem tworzą eutektykę o zawartości 11,6% Si, złożoną z kryształów roztworu stałego granicznego a krzemu w aluminium i roztworu stałego granicznego β aluminium w krzemie. W temperaturze eutektycznej (577°C) rozpuszczalność krzemu w aluminium wynosi 1,65%, w temperaturze 300°C ok. 0,5%. Natomiast rozpuszczalność aluminium w krzemie nawet w temperaturze eutektycznej jest tak mała, że się jej nie określa, a w wielu publikacjach fazę β traktuje się jako czysty krzem. Siluminy charakteryzują się doskonałymi własnościami odlewniczymi (mały skurcz liniowy, dobra lejność, mała skłonność do pękania na gorąco) i stosunkowo dobrymi własnościami mechanicznymi oraz dostateczną odpornością na korozję. Z tego względu są one szeroko stosowane na odlewy tłoków silników spalinowych AK 12), głowic cylindrów silników spalinowych (AK51, AK52), części maszyn (AK7, AK9, AK11, AK51, AK52 i AK64), armatury okrętowej (AK11) itd. Siluminy praktycznie nie podlegają obróbce cieplnej, a ich własności mechaniczne polepsza się przez specjalne zabiegi w stanie ciekłym, zwane modyfikowaniem.
159 Celem modyfikacji jest z jednej strony rozdrobnienie ziarn, z drugiej - zmiana ich kształtu. Na przykład, przy zawartości 11,6% Si siluminy krzepną jako stopy eutekyczne, przy czym ich struktura składa się z grubych, iglastych lub pierzastych kryształów roztworu stałego β na tle kryształów roztworu stałego α (rys. 9.2). Taka gruboziarnista struktura ujemnie wpływa na własności mechaniczne stopu. Przez dodanie w stanie ciekłym pewnej ilości sodu metalicznego lub soli sodu (z których na skutek reakcji wydziela się sód) uzyskuje się dużą liczbę aktywnych zarodków krystalizacji. Jednocześnie wywołuje się jakby przesunięcie punktu eutektycznego w kierunku wyższych zawartości krzemu, z jednoczesnym obniżeniem temperatury eutektycznej do 564°C. Dzięki temu silumin o składzie ściśle eutekycznym zachowuje się podczas krzepnięcia jak stop podeutektyczny i jego struktura składa się z dendrytycznych kryształów roztworu stałego α oraz drobnoziarniste eutektyki, w której kryształy β mają kształt zaokrąglony (rys. 9.3).
JW
Rys.9.1. Układ równowagi aluminium-krzem
Rys. 9.2. Mikrostruktura siluminu eutektyczne-go przed modyfikacją. Na tle roztworu stałego a widoczne ciemne kształty fazy P. Traw. 0,5% roztworem wodnym HF (40%). Powiększ. 100x
Rys. 9.3. Mikrostruktura siluminu eutektyczne go po modyfikacji. Na tle ciemnej, drobnoziarnistej eutektyki widoczne dendrytyczne kryształy roztworu stałego a. Traw. 0,5% roztworem wodnym HF (40%). Powiększ. 100x
Dzięki opisanym zmianom strukturalnym wzrasta zarówno wytrzymałość, jak i plastyczność stopów. Na przykład stop niemodyfikowany o zawartości 13% Si ma Rm = 140 MPa i A5 = 3%. Taki sam stop po modyfikacji ma Rm = 175 MPa i A5 = 8%. W procesie modyfikacji siluminów nadeutektycznych rolę modyfikatora spełnił fosfor, który tworzy z aluminium związek A1P. Związek ten charakteryzuje się dużym pokrewieństwem do krzemu pod względem struktury sieciowej i dzięki temu wytwarza aktywne zarodki krystalizacji. Praktycznie modyfikację przeprowadza się bądź czystym fosforem, bądź pięciochlorkiem fosforu, bądź też jego stopami z miedzią. W wyniku takiej modyfikacji otrzymuje się strukturę podobną do pierwotne przed modyfikacją (rys. 9.4), ale kryształy roztworu β są znacznie drobniejsze i bardziej równomiernie rozłożone w eutektyce (rys. 9.5). Rozdrobnienie kryształów roztworu stałego β, z jednej strony polepsza własności mechaniczne stopu, z drugiej umożliwia obróbkę skrawaniem. Przed modyfikacją pojedyncze kryształy β osiągają wymiary nawet kilku milimetrów. Jako twarde i bardzo kruche utrudniają, a nawet uniemożliwiają obróbkę skrawaniem odlewów, powodując bardzo szybkie niszczenie narzędzi. Niemożliwe jest także uzyskanie gładkiej powierzchni obrabianego przedmiotu z powodu łatwego wykruszania się dużych kryształów.
160
JW
Rys. 9.4. Mikrostruktura siluminu nadeutektycznego (20% Si) przed modyfikacją. Na tle eutektyki widoczne duże kryształy fazy β. Traw. 0,5% roztworem wodnym HF. Powiększ. 100x
Rys. 9.5. Mikrostruktura siluminu nadeutektycznego (20% Si) po modyfikacji. Na tle eutektyki widoczne drobne kryształy fazy β. Traw. 0,5% roztworem wodnym HF. Powiększ. 100x
Dwuskładnikowe stopy Al-Cu charakteryzują się dobrą lejnością i stosunkowo dobrą plastycznością, ale niską wytrzymałością. Toteż ich zastosowanie z reguły ogranicza się do wytwarzania galanterii stołowej i innych odlewów, od których wymaga się dobrej plastyczności. Główne zastosowanie przemysłowe mają stopy wieloskładnikowe, z których wytwarza się m.in. odlewy części samochodowych maszynowych średnio i wysoko obciążonych. Stopy Al-Cu podlegają obróbce cieplnej, powodującej znaczny wzrost wytrzymałości, ale spadek plastyczności. Stopy Al-Mg charakteryzują się wysoką odpornością na korozję, dość dobrą wytrzymałością i plastycznością. Podobnie jak stopy Al-Cu, podlegają przesycaniu i starzeniu. Stopy te są szczególnie odporne na obciążenia dynamiczne, mają ładny połysk i są stosowane na części aparatury chemicznej, a także w budowie okrętów i samolotów. 9.2.2. Stopy aluminium do przeróbki plastycznej Stopy te można podzielić na dwie podgrupy: a) stopy stosowane bez obróbki cieplnej, b) stopy stosowane w stanie utwardzonym dyspersyjnie. Pierwsza podgrupę tworzą stopy aluminium-mangan, aluminium-magnez i aluminiummagnez-mangan. Stopy aluminium-mangan umacnia się jedynie przez obróbkę plastyczną na zimno (zgniot). Wykazują one dużą plastyczność, dzięki czemu dobrze się tłoczą, ale ich wytrzymałość niewiele przewyższa wytrzymałość czystego aluminium. Cenną zaletą jest duża odporność na korozję atmosferyczną, na działanie wody morskiej, olejów, materiałów napędowych i in. (w odróżnieniu od innych pierwiastków stopowych mangan podwyższa odporność aluminium na korozję). Są stopami spawalnymi. W lotnictwie stosuje się je m.in. na zbiorniki, przewody i elementy łączne instalacji paliwowej i olejowej, owiewki, pływaki i pokrycia kadłubów hydroplanów. Stopy aluminium-magnez można obrabiać cieplnie, ale efekt tej obróbki jest niewielki, toteż praktycznie umacnia się je również tylko przez obróbkę plastyczną a zimno. Własności mechaniczne stopów aluminium-magnez zbliżone są do własności stopów aluminium-mangan, przy mniejszej jednak ich gęstości (2,6 g/cm3). Wadami są gorsza obrabialność skrawaniem i gorsza odporność na korozję, zwłaszcza przy większych zawartościach magnezu. Do stopów tego typu często wprowadza się dodatkowo mangan (kilka dziesiątych procentu), który podwyższa własności mechaniczne i polepsza odporność na korozję. Zastosowanie stopów aluminium-magnez i aluminium-magnez-mangan w lotnictwie jest podobne jak stopów alumiium-mangan. Orientacyjne własności mechaniczne omówionych stopów podano w tabl. 9.3.
JW Tablica 9.3 Orientacyjne własności mechaniczne niektórych stopów aluminium do przeróbki plastycznej Cecha stopu PA1 PA43 PA2 PA11 PA20 Własności mechaniczne Rm, MPa R0,2 MPa A10,% AI-Mn wyżarzony 150 21 zgnieciony 190 4 AI-Mg wyżarzony 120 50 27 wyżarzony 190 80 23 półzgnieciony 250 210 6 wyżarzony 240 100 20 AI-Mg-Mn wyżarzony 300 160 17 Typ stopu Stan stopu
161
Znacznie liczniejszą podgrupę stanowią stopy aluminium przerabialne plastycznie, stosowane po umacniającej obróbce cieplnej. Należą tu stopy Al-Mg-Si, Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg, Al-Zn-Mg-Cu, Al-Cu-Mn, Al-Cu-Mg-Mn, Al-Cu-Mg-Mn-Si wiele innych stopów wieloskładnikowych. Niezależnie od składu chemicznego struktura tych stopów w stanie zbliżonym do równowagi składa się ze stosunkowo miękkiego i plastycznego roztworu stałego pierwiastków stopowych (ew. domieszek pochodzących z przerobu hutniczego) w aluminium i określonych faz międzymetalicznych utworzonych bądź przez aluminium i pierwiastki stopowe lub domieszki (np. Al2Cu, Al2CuMg, Al2Mg3Zn3 Al3Mg2 Al4Si2Fe i Al3Fe), bądź przez pierwiastki stopowe między sobą (Mg2Si, MgZn2 i in). Wszystkie te fazy międzymetaliczne są twarde i kruche i spełniają w stopach rolę składnika utwardzającego. Oczywiście stopień utwardzenia stopu o danym składzie chemicznym i fazowym jest zależny od wielkości, kształtu i rozmieszczenia kryształów tych faz. Obróbka cieplna omawianych stopów polega więc na: a) wprowadzeniu do roztworu stałego wydzielonych faz międzymetalicznych i uzyskaniu jednorodnego roztworu stałego składników stopowych w aluminium (w temperaturze otoczenia będzie to oczywiście roztwór przesycony, stąd nazwa obróbki - przesycanie), b) wydzieleniu z przesyconego roztworu stałego faz międzymetalicznych (czyli tzw. starzeniu). Wynika z tego, że podstawowym warunkiem tej obróbki cieplnej, zwanej utwardzaniem wydzieleniowym, jest zmienna rozpuszczalność składników stopowych w aluminium, wzrastająca w miarę podwyższania temperatury aż do temperatury przemiany eutektycznej lub eutektoidalnej. Najważniejszym składnikiem stopowym tej podgrupy stopów aluminium jest miedź, podwyższająca wytrzymałość i twardość. Z aluminium miedź tworzy eutektykę o zawartości 33% Cu (rys. 9.6), złożoną z kryształów roztworu stałego granicznego ω miedzi w aluminium i kryształów roztworu stałego granicznego θ aluminium w fazie międzymetalicznej Al2Cu. W temperaturze eutektycznej (548°C) rozpuszczalność miedzi w aluminium wynosi 5,7%, w temperaturze otoczenia zaledwie 0,5% (wg niektórych danych rozpuszczalność miedzi w aluminium w temperaturze otoczenia jest mniejsza od 0,1%). Wynika z tego, że stopy zawierające do 0,5% Cu są stopami jednofazowymi ω, stopy zawierające 0,5-5,7% Cu są stopami dwufazowymi, składającymi się z roz tworu stałego ω i wydzielonych wtórnych kryształów fazy θ. Stopy te można jednk przez nagrzanie do odpowiedniej temperatury przekształcić w stopy jednofazowe, czyli można je obrabiać cieplnie. Przy zawartości miedzi przekraczającej 7% w strukturze stopów pojawia się eutektyka, której ilość jest oczywiście proporcjonalna do zawartości miedzi w stopie. Stopy te również można obrabiać cieplnie, ale efekt obróbki będzie mniejszy, gdyż pierwotne kryształy fazy θ wchodzące skład eutektyki nie uczestniczą w procesie dyspersyjnego utwardzania, a ponadto za θ jest składnikiem kruchym i w większych ilościach w stopach niepożądanym dlatego zawartość miedzi w stopach do przeróbki plastycznej nie przekracza 5,5% (w stopach krajowych 4,8%).
162 JW W stopach wieloskładnikowych, a takimi są przerabialne plastycznie stopy aluminium utwardzane wydzieleniowo, jak już wspomniano, tworzą się określone fazy międzymetaliczne, których skład chemiczny i ilość są funkcją składu chemicznego stopu, a które również wykazują zmienną rozpuszczalność w tworzącym osnowę stopu roztworze stałym. Najstarszymi stopami aluminium, mającymi zresztą do dziś szerokie zastosowanie przede wszystkim w lotnictwie, są durale (nazwa duraluminium lub krótko dural oznacza „twarde aluminium", z francuskiego dur — twardy). Rozróżnia się dwa rodzaje durali: bezcynkowe, których skład chemiczny zawiera się w granicach:1 ÷5,2% Cu, 0,4 ÷1,8 Mg, 0,3 ÷1,0% Mn, max 0,7% Si, max 0,5% Fe max 0,5% Zn, oraz durale zawierające cynk, o składzie: 1,4 ÷ 2,0% Cu, 5 ÷ 2,8% Mg, 0,2 ÷ 0,9% Rys. 8.6. Część układu równowagi Mn, 4,0 ÷ 8,0% Zn, max 0,5% Si, max 0,5% Fe, miedź-cyna od strony miedzi ewentualnie kilka dziesiątych procentu chromu. Do pierwszej grupy należą stopy PA6, PA7, do drugiej - stop PA9. Do durali bezcynkowych należą również stopy PA21, P23, PA24 i PA25. W duralach bezcynkowych głównymi dodatkami stopowymi umacniającymi są miedź i magnez. Mangan dodawany jest w celu polepszenia odporności na korozję, pozostałe pierwiastki są nieuchronnymi zanieczyszczeniami. W stanie wyżarzonym, tj. w stanie zbliżonym do równowagi fazowej, struktura durali składa się z roztworu stałego i wydzieleń różnych faz międzymetalicznych (rys. 9.7), w stanie przesyconym - z roztworu stałego na osnowie aluminium i nie rozpuszczonych związków żelaza. Rys. 9.7. Mikrostruktura duralu (PA29) w stanie wyżarzonym. Widoczne duże kryształy roztworu stałego bogatego w aluminium oraz ciemne wydzielenia międzymetalicznych faz umacniających (Al2Cu, Al.CuMg, Al2CuMg, Mg5Cu i in.). Traw. odczynnikiem o składzie: l ml HF (30%) + 2,5 ml HNO + l,5 ml HCl + 95 ml H2O Powiększ. 200x Durale zawierające cynk są najbardziej wytrzymałymi stopami aluminium (po utwardzeniu dyspersyjnym Rm osiąga wartość do 600 MPa), wykazują jednak mniejszą podatność do przeróbki plastycznej i nieco obniżoną odporność na korozję naprężeniową. Blachy zabezpiecza się przed korozją za pomocą platerowania specjalnym stopem (Al+Zn), co jednak powoduje zmniejszenie ogólnej ich wytrzymałości, tym większe, im większy procent przekroju blachy stanowi warstwa platerowana (o stosunkowo małej wytrzymałości). Platerowanie jako ochronę przed działaniem środowisk korodujących stosuje się zresztą również często i dla durali bezcynkowych. W tym przypadku platerowanie wykonuje się czystym aluminium, przy czym grubość warstwy ochronnej wynosi 4 ÷ 8% grubości blachy (odkuwki, pręty, rury, druty i kształtowniki zabezpiecza się przed korozją innymi metodami). Charakterystykę i zastosowanie znormalizowanych stopów aluminium do przeróbki plastycznej podano w tabl. 9.4.
163
JW Tablica 9.4
Charakterystyka i zastosowanie stopów aluminium do przeróbki plastycznej (wg PN-79/H-88026)
Własności technologiczne** Cecha stopu Wyrob y* podatność do do do wytwa Odporn spaprzeróbki polero- rzania an- -ość na walplastywania odowych korozję ność cznej powłok tlenkowych 5 5 5 4 4 Zastosowanie
B, T, D PA43 Pr, R, K, Ok B, Pr, R, Rk, D, K B, Pr, PA11 R, D, K PA2 B, Pr, R, D, K Pf, R, PA20 K, D B, T, D PA1 Pr, R,K Pr, R, PA38 D, K PA13 B, Pr, R, D, K, Ok B, Pr, PA45 R, D, K PA4 PA10 B, Pr,K R,D,Ok B, Bpl, PA6 Pr, R, B, Bpl, Pr, R, PA7 D, K, Ok PA21 PA23 D PA24 PA25 PA29 Pr,0k PA30 PA31 Pr,0k PA33 Ok PA9 PA47 Bpl, Pr, K, Ok B, Pr, K
w przemyśle chemicznym i spożywczym, elementy dekoracyjne, części głęboko tłoczone, odkuwki matrycowe średnio obciążone elementy konstrukcji lotniczych, okrętowych i in., przemysł spożywczy i chemiczny, konstrukcje budowlane elementy konstrukcyjne i nadbudówki okrętów, elementy konstrukcji lotniczych, przemysł spożywczy i chemiczny obciążone konstrukcje okrętowe, transport, przemysł chemiczny w przemyśle spożywczym i chemicznym, spawane zbiorniki do cieczy i gazów elementy dekoracyjne w budownictwie i meblarstwie średnio obciążone elementy konstrukcji lotniczych i pojazdów mechanicznych, meble, ozdoby, części głęboko tłoczone, odkuwki matrycowe budownictwo, elementy dekoracyjne i konstrukcyjne jak stopu PA4 w transporcie konstrukcje lotnicze, pojazdy mechaniczne konstrukcje budowlane silnie obciążone elementy konstrukcji lotniczych i pojazdów mechanicznych, w transporcie, części maszyn, konstrukcje budowlane nity lotnicze konstrukcje lotnicze, części pracujące w temperaturze200 do 300°C konstrukcje lotnicze, odkuwki o skomplikowanych kształtach konstrukcje lotnicze, odkuwki matrycowe bardzo silnie obciążone elementy konstrukcji lotniczych, środków transportu i maszyn silnie obciążone spawane konstrukcje nośne, przemysł okrętowy, pojazdy mechaniczne, pawilony wystawowe, sprzęt sportowy elementy pojazdów mechanicznych, urządzenia przemysłu spożywczego i chemicznego, elementy konstrukcji budowlanych
5 5 4 4 5 5 5 5 5 4
5 5 3 3 5 5 5 5 -
5 3 3 3
5 5 5 4 4
4 4 4 4 5 4 4 4
3 3 5 5 -
4 4*** 4*** 4***
4
-
-
3***
-
4 4 4 4 4 3
-
-
-
-
-
3
3 4
4
PA15 B, T
5
-
-
4
4
B - blachy, Bpl - blachy platerowane (stopy PA6 i PA7 - aluminium, stop PA9 stopem AIZn1) K - kształtowniki, Ok –odkuwki ** 5 - bardzo dobra, 4 - dobra, 3 – dostateczna *** Po utwardzaniu dyspersyjnym
164
JW
Stopy aluminium-lit Najnowszą generacją stopów aluminium są stopy z litem, jako głównym składnikiem stopowym. Wykorzystanie litu do tego celu od dawna przyciągało uwagę metaloznawców, głównie jako możliwość uzyskania stopów o gęstości znacznie mniejszej niż gęstość metalubazy. Sukces osiągnięto w ostatnich latach. Lit; jest najlżejszym metalem. Jego gęstość w temperaturze 20°C wynosi 0,536 g/cm3. Każdy procent litu wprowadzony do aluminium obniża gęstość stopu o ok. 0,l g/cm3, co pozwala na uzyskanie stopów o dość wysokim stosunku wytrzymałości do gęstości. Ponadto stopy Al-Li cechuje wyższy moduł sztywności, niż konwencjonalne. Te właściwości powodują, że zainteresowanie stopami aluminum-lit stale rośnie. Optymalne połączenie wytrzymałości i plastyczności mają stopy podwójne zawierające 2,02,5% Li, po obróbce cieplnej składającej się z przesycania z temperatury 580°C i starzenia w temperaturze 130°C przez 48 godzin. Ich wytrzymałość na rozciąganie wynosi wówczas około 160 MPa, granica plastyczności 100 MPa, a wydłużenie 14%. Zastosowanie obróbki plastycznej na zimno po przesycaniu, a przed starzeniem, powoduje wzrost wskaźników wytrzymałościowych, ale spadek plastyczności. Podobnie dzieje się przy zwiększaniu zawartości litu. Zgodnie z układem równowagi (rys. 9.8), struktura stopów podwójnych aluminium-lit do zawartości 5,2% Li składa się z kryształów α roztworu stałego granicznego litu w aluminium i wtórnych kryształów β roztworu na osnowie fazy międzymetalicznej AlLi. Jak stwierdzono, zawartość litu do 5,2% nie wpływa praktycznie na odporność korozyjną stopów. Większa zawartość litu powoduje jednak spadek tej odporności, co wiąże się z pojawieniem się w strukturze eutektyki α + β. Szczególnie interesujące są stopy zawierające 2-3% Li i do 5% Mg. Ich granica plastyczności po obróbce cieplnej osiąga 400 MPa. Wadą, podobnie jak wszystkich stopów Rys. 9.8. Fragment układu równoaluminium-lit, jest wrażliwość na naprężenia zmienne. wagi alumnium-lit od strony Przewiduje się, że stopy aluminium z litem znajdą zastosowanie w budowie samolotów, przede wszystkim w aluminium postaci cienkich blach na powłoki skrzydeł i kadłuba. 9.3. Obróbka cieplna stopów aluminium 9.3.1. Przesycanie i starzenie stopów Al Obróbka cieplna stopów aluminium, mająca na celu przede wszystkim podwyższenie ich wytrzymałości, polega na utwardzaniu dyspersyjnym, tj. na kolejnym przeprowadzeniu operacji przesycania roztworu stałego i starzenia. Podstawowym warunkiem, na którym opiera się proces utwardzania wydzieleniowego stopów, jest zmniejszanie się granicznej rozpuszczalności składników stopowych w stanie stałym wraz z obniżaniem się temperatury. Typowym przykładem układu równowagi faz, który może służyć jako model u wyjaśnienia procesów zachodzących podczas obróbki cieplnej stopów Al, jest ukłd Al-Cu, którego fragment widoczny jest na rys. 9.9. Układ Al-Cu, a właściwie jest część odpowiadająca układowi równowagi Al i fazy międzymetalicznej θ o składzie bardzo bliskim Al2Cu, przedstawiono na rys. 9.6. Na rysunku 9.9 widać, że maksymalna rozpuszczalność miedzi w temperaturze 548°C wynosi około 5,7%, natomiast w temperaturze pokojowej jest znikoma. Rozpatrzmy na przykład stop o składzie C (rys. 9.9) o zawartości ok. 4% Cu. W stanie równowagi w temperaturze pokojowej składa się on z dwóch faz: kryształów roztworu stałego (ω stanowiącego osnowę, i kryształów fazy międzymetalicznej θ. Nagrzanie tego stopu do
165 JW temperatury E (powyżej punktu D) spowoduje, że będzie on jednorodnym roztworem stałym ω, gdyż kryształy fazy θ ulegną rozpuszczeniu. Jeżeli stop ten zostanie z kolei szybko ochłodzony od tej temperatury, wówczas faza θ nie zdąży się wydzielić i otrzymamy roztwór stały przesycony. Stan taki jest nietrwały i jeżeli stop będzie starzony, czyli wygrzewany w nieco podwyższonej temperaturze (rys. 9.9), to zaczną w nim zachodzić zmiany, które poprzez szereg studiów pośrednich doprowadzą w końcowym wyniku do wydzielenia się fazy θ, czyli do ustalenia się stanu równowagi. Jednak jeżeli temperatura starzenia nie jest dostatecznie wysoka, a czas starzenia nie jest zbyt długi, zmiany zachodzące w przesyconym stopie nie przebiegają do końca, a proces starzenia ulega zatrzymaniu na pewnym Rys. 9.9. Fragment układu równowagi Alstadium pośrednim i nie dochodzi do Cu oraz schemat przebiegu obróbki cieplnej polegającej na przesycaniu i starzeniu wydzielenia się fazy θ. Starzenie może zachodzić już w temperaturze pokojowej i wówczas nosi nazwę starzenia naturalnego, jeśli zaś odbywa się wskutek nagrzania stopu do określonej temperatury, nosi nazwę starzenia przyspieszonego. 9.3.2. Procesy zachodzące podczas starzenia W początkowym okresie procesu starzenia, nazywanym pierwszym stadium starzenia, atomy rozpuszczonego składnika (np. miedzi) rozmieszczone przypadkowo w przesyconym roztworze stałym (rys. 9.10a) skupiają się w określonych miejscach sieci krystalicznej (rys. 9. l0b). W wyniku tego procesu powstają wewnątrz kryształu submikroskopowe strefy o dużej dyspersji o zwiększonej zawartości rozpuszczonego składnika, zwane strefami Guiniera-Prestona lub w skrócie - strefami G-P (rys. 9.10). W stopach Al-Cu strefy G-P są skupieniami atomów miedzi o kształcie podobnym do płytek, które są ułożone wzdłuż płaszczyzn {100}. Grubość tych płytek jest rzędu zaledwie kilku odstępów międzyatomowych, a średnica ok. 100 A. Ich obecność można wykryć metodą małokątowego rozpraszania promieni X lub za pomocą mikroskopu elektronowego. Tworzenie stref G-P powoduje powstawanie m.in. dużych naprężeń własnych w krysztale oraz rozdrobnienie bloków mozaiki. Obecność stref G-P o dużej dyspersji oraz związane z nimi zniekształcenia sieci krystalicznej, cznie utrudniają ruch dyskolacji, co w efekcie objawia się wzrostem twardości wytrzymałości stopu.
Rys. 9.10. Schemat zmian zachodzących w sieci przesyconego stopu AlCu4: a) rozmieszczenie atomów Cu (czarne kółka) po przesycaniu, b) powstawanie stref G-P, c) tworzenie się koherentnych wydzieleń θ'' i θ', d) wydzielenia fazy θ (Al2Cu) Następne stadium stanowią koherentne1) wydzielenia pośrednie oznaczane symbolem θ" (rys. 9.10c). Wydzielenia te o maksymalnej grubości ok. 100 A i średnicy ok. 1500 A mają strukturę tetragonalną, której parametry a i b są zgodne z parametrem komórki elementarnej Al, natomiast parametr c jest znacznie większy. Wydzielenia te również powodują umocnienie starzonego stopu.
166 JW Kolejna faza pośrednia θ' jest także tetragonalną, ale o innym parametrze c aniżeli faza θ". Tworzenie się wydzieleń θ' powoduje już spadek twardości stopu. Faza θ (Al.2Cu) ma również strukturę tetragonalną, ale nie jest już koherentna z siecią osnowy. Jej tworzenie się zawsze prowadzi do spadku twardości stopu, poważ zanikają naprężenia związane z koherencją (rys. 9.10d). Kolejne przeobrażenia struktury wydzieleń w stopach Al-Cu zachodzące w czasie starzenia można więc przedstawić następującym szeregiem: (strefy G-P) → θ" → θ' → θ (AL2Cu) Wszystkie powyższe stadia występują wówczas, gdy zawartość miedzi w stopie stosunkowo duża (ok. 4,5%), a temperatura starzenia niezbyt wysoka (do ok. 190°C). Jeżeli starzenie odbywa się w wyższych temperaturach (np. ok. 190°C) niektóre stadia pośrednie mogą nie wystąpić, co uwidacznia się w przebiegu zmiany twardości podczas starzenia. W stopach Al-Cu starzonych naturalnie, tj. w temperaturze pokojowej, występuje tylko pierwsze i drugie stadium starzenia, tj. utworzenie się stref G-P oraz koherentnej fazy θ". Dalsze stadia starzenia zachodzą w temperaturze wyższej od temperatury otoczenia. Stopień utwardzenia stopu jest związany z krytyczną dyspersją stref G-P i koherentnych wydzieleń. Jeżeli w danej temperaturze proces starzenia ulegnie zbytniemu przedłużeniu, następuje koagulacja i wzrost wielkości wydzieleń. Małe wydzielenia ulegają wtórnemu rozpuszczeniu, a ich kosztem rosną wydzielenia większe, których dyspersja jest mniejsza. Powoduje to zmniejszenie twardości i spadek umocnienia stopu, o którym mówimy wówczas, że jest przestarzony. Składnikami konstrukcyjnych stopów aluminium, które mają techniczne znaczenie, są, jak już wspomniano poprzednio, takie pierwiastki jak Cu, Si, Mg, Mn, Zn. Metale te tworzą graniczne roztwory stałe w Al, charakteryzujące się spadkiem rozpuszczalności w stanie stałym wraz z obniżaniem się temperatury (rys. 9.11). Stopy te można więc umacniać, poddając je Rys. 9.11. Krzywe granicznej obróbce cieplnej polegającej na przesycaniu i starzeniu. rozpuszczalności poszczególnych Oprócz stopów podwójnych również stopy potrójne i składników stopowych w aluminium poczwórne na bazie Al można umacniać dyspersyjnie, w stanie stałym przy czym obróbka cieplna takich stopów wieloskładnikowych jest z reguły bardziej skuteczna, aniżeli stopów podwójnych. Jako przykład można tu wymienić stopy: Al-Mg-Si, Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg. W przypadku wieloskładnikowych stopów Al zamiast fazy θ (Al.2Cu) tworzą się inne fazy międzymetaliczne, które spełniają analogiczną rolę. W stopach układu Al-Mg-Si tworzy się np. faza β (Mg2Si), w stopach Al-Cu-Mg — faza δ (Al2CuMg), a w stopach Al-Zn-Mg — faza M (Mg2Zn). 9.3.3. Zmiany własności mechanicznych stopów Al zachodzące pod wpływem obróbki cieplnej W stanie wyżarzonym stop aluminium zawierający ok. 4% Cu ma wytrzymałość na rozciąganie Rm ≅ 200 MPa. Bezpośrednio po przesycaniu, tj. gdy zaraz po tej operacji następuje próba rozciągania, wytrzymałość jest nieco większa i w przybliżeniu wynosi 250 MPa (rys. 9.12). Szybkie chłodzenie po wygrzewaniu rozpuszczającym powoduje pewne niewielkie zmiany własności mechanicznych, przede wszystkim na skutek tego, że atomy składnika rozpuszczonego (tj. miedzi) oraz defekty punktowe znajdują się w osnowie w nadmiarze w stosunku do stanu równowagi w temperaturze pokojowej.
167
JW
Rys. 9.12. Zmiana wytrzymałości stopu A1Cu4 podczas starzenia naturalnego Natomiast starzenie przesyconego stopu powoduje znaczne zmiany własności mechanicznych. Wytrzymałość na rozciąganie znacznie się zwiększa i dla stopu AlCu4 osiąga wartość ok. 400 MPa, a więc wzrasta prawie dwukrotnie, natomiast własności plastyczne (wydłużenie i przewężenie) oraz udarność maleją. Maksymalna wytrzymałość stop ten uzyskuje po starzeniu naturalnym (tj. w temperaturze 3°C) po upływie 4 ÷5 dni od chwili przesycania. Typowy przebieg krzywej obrazującej zmianę wytrzymałości stopu Al-Cu podczas starzenia naturalnego pokazano na rys. 9.12. W początkowym stadium starzenia istnieje okres inkubacyjny, w którym nie stwierdza się jeszcze wzrostu wytrzymałości. Dla procesów technologicznych okres ten ma duże znaczenie, ponieważ stop wykazuje w tym okresie dużą plastyczność, co umożliwia poddawanie przedmiotów przesycanych różnym operacjom technologicznym połączonym z odkształcaniem (zakuwanie nitów, gięcie, tłoczenie itp.). Długość okresu inkubacyjnego jest różna dla stopów aluminium o różnym składzie chemicznym i zależy od temperatury, w której stop jest starzony. Dla stopów Al-Cu kres ten w temperaturze pokojowej wynosi ok. 2 ÷3 godzin. Szybkość starzenia i umocnienie stopów zależy w dużym stopniu od temperatury. Wykres widoczny na rys. 9.13 przedstawia zależność wytrzymałości na rozciąganie duralu, tj. stopu AlMg-Cu (o zawartości około 4% Cu i 1% Mg), od czasu starzania w różnych temperaturach w zakresie 50 ÷ 200°C. W niskich temperaturach (-5°, -50°C) zbyt małe strefy G-P i zbyt mała ich ilość nie daje dostatecznego umocnienia stopu. W temperaturze zbyt wysokiej (+200°C) powstają już wydzielenia fazy θ, a po dłuższym przetrzymywaniu w tej temperaturze następuje ich koagulacja i wytrzymałość stopu spada. Na rysunku 9.13 widać, że umocnienie stopu do 420 MPa można osiągnąć po około 24 godzinach starzenia w temperaturze 100°C, stosując jednak starzenie naturalne można po dłuższym okresie czasu uzyskać większe umocnienie.
Rys. 9.13. Krzywe starzenia duralu w różnych temperaturach
168 JW Stan stopu osiągnięty w wyniku starzenia naturalnego nie jest trwały. Jeśli stop tak umocniony zostanie nagrzany do temperatury 200 ÷ 250°C i wytrzymany przez krótki okres czasu (2 ÷ 3 min) w tej temperaturze, to umocnienie zaniknie własności stopu będą odpowiadały tym, jakie stop miał w stanie świeżo przesyconym, przy czy czym stop zyskuje ponownie zdolność do starzenia naturalnego. Zjawisko to nazywa się nawrotem. Przyczyną nawrotu jest rozpuszczanie się nietrwałych stref G-P o małych rozmiarach i powrót do struktury pierwotnie przesycnego roztworu stałego o równomiernym rozłożeniu atomów rozpuszczonych. Po ostudzeniu stop może być powtórnie starzony i będzie ulegał umocnieniu. 9.3. 4. Wyżarzanie stopów aluminium Stopy aluminium można poddawać następującym rodzajom wyżarzania: • wyżarzaniu ujednorodniającemu, • wyżarzaniu zmiękczającemu, • wyżarzaniu rekrystalizującemu, • wyżarzaniu odprężającemu. Wyżarzanie ujednorodniające przeprowadza się głównie w celu ujednorodnienia struktury, zwłaszcza odlewów. Polega ono na nagrzaniu stopu do temperatury, w której ma on strukturę roztworu stałego, wygrzaniu w tej temperaturze przez dłuższy okres czasu (2 ÷ 12 godzin) i następnie powolnym chłodzeniu. Wyżarzanie zmiękczające ma na celu zmniejszenie twardości i polepszenie plastyczności stopu poprzez koagulację wydzielonych faz. Przeprowadza się je w zakresie temperatur leżących poniżej krzywej granicznej rozpuszczalności. W praktyce stopy aluminium w zależności od składu wyżarza się w temperaturze 320 ÷ 400°C przez 2 ÷ 3 godziny. Stopy wyżarzone zmiękczająco mają niższą twardość i wytrzymałość niż stopy przesycone. Wysoka plastyczność stopów uzyskana w wyniku wyżarzania ułatwia ich walcowanie, kucie i inne rodzaje przeróbki plastycznej na zimno. Wyżarzanie rekrystalizujące przeprowadza się w celu usunięcia niektórych skutków zgniotu zwykle w temperaturze nieco wyższej od temperatury rekrystalizacji (300 ÷ 400°C). Wyżarzanie to przeprowadza się jako zabieg międzyoperacyjny w czasie obróbki plastycznej na zimno lub jako zabieg końcowy, należy jednak pamiętać, że w niektórych przypadkach może ono spowodować nadmierny rozrost ziarn, np. gdy nastąpił zgniot krytyczny lub gdy temperatura wyżarzania była zbyt wysoka, względnie gdy czas wyżarzania był zbyt długi. Wyżarzanie odprężające ma na celu usunięcie naprężeń własnych, zwłaszcza w odlewach kokilowych. Temperatura wyżarzania wynosi, zależnie od gatunku stopu, 200 ÷ 300°C. Po wyżarzaniu stosowane jest powolne chłodzenie.
10. Magnez i jego stopy
Ze względu na swoją gęstość (1,74 g/cm3) magnez jest zaliczany do najlżejszych metali. Temperatura topnienia czystego magnezu wynosi 650°C, temperatura topnienia stopów magnezu 460 ÷ 650°C, w zależności od ilości i rodzaju składników stopowych. Magnez jest metalem bardzo aktywnym chemicznie i podobnie jak aluminium, łatwo łączy się z tlenem, tworząc na powierzchni warstewkę tlenku MgO. Warstewka ta jest jednak mało szczelna i nie chroni metalu przed korozją. Z tego powodu magnez i jego stopy są na ogół nieodporne na korozję (wyjątek stanowi atmosfera suchego powietrza). W temperaturze 600 ÷ 650°C magnez zapala się i płonie oślepiająco białym płomieniem, co wywołuje konieczność stosowania specjalnych środków zabezpieczających przy jego topieniu i odlewaniu. Czysty magnez ma niewielką wytrzymałość i plastyczność, np. w postaci lanej Rm = 78 ÷ 120 MPa, A5 = 4 ÷ 6 w postaci walcowanej Rm = 160 ÷ 180 MPa, A5 = 5 ÷ 6%. W związku z tym magnez nie znajduje zastosowania jako materiał konstrukcyjny. Wykorzystywany jest on natomiast w pirotechnice (do produkcji rakiet sygnalizacyjnych i lotniczych bomb zapalających), w przemyśle chemicznym, w energetyce jądrowej (jako ciekły nośnik ciepła w niektórych
169 JW typach reaktorów) oraz w metalurgii jako odtleniacz. W postaci stopów z miedzią i niklem używany jest także jako modyfikator żeliw. W Polsce magnez otrzymuje się przez redukcję termiczną tlenku magnezu dolomitu. Zgodnie z PN-79/H-82161 produkowane są dwa gatunki magnezu: Mg 99,95 (zawierający 99,95% Mg, reszta to Al, Zn, Fe, Si, Cu i inne) i Mg 99,9 (zawierający 99,9% Mg). Pierwszy jest przeznaczony dla przemysłu chemicznego i celów specjalnych, drugi - do produkcji stopów magnezu i stopów z magnezem. Znacznie szersze zastosowanie przemysłowe znajdują stopy magnezu, które często osiągają wytrzymałość Rm = 300 ÷ 340 MPa. Głównymi składnikami tych stopów obok magnezu są: a) aluminium (do 11%), które podwyższa własności wytrzymałościowe i twardość, a w stopach odlewniczych polepsza lejność i zmniejsza skurcz; wzrost zawartości aluminium w stopie wywołuje jednak zwiększenie kruchości na gorąco; b) cynk (do 7%) polepszający zarówno własności wytrzymałościowe, jak i plastyczne; c) mangan zwiększający odporność na korozję i wywołujący rozdrobnienie ziarna; w stopach nie zawierających aluminium zawartość manganu dochodzi do 5%, w stopach z aluminium, które zmniejsza rozpuszczalność manganu w magnezie, wynosi kilka dziesiętnych procentu; d) cyrkon (do 1%) polepszający własności mechaniczne i obrabialność stopów wywołuje rozdrobnienie ziarna); e) cer, tor i metale ziem rzadkich (lantan, neodym, prazeodym) polepszające własności w temperaturach podwyższonych. Spotyka się również stopy magnezu zawierające takie dodatki stopowe, jak: krzem, wapń, kadm i nikiel, przy czym zawartość ich zwykle nie przekracza 1%. Inne pierwiastki występują w stopach magnezu w nieznacznych ilościach i poza berylem dodawanym w celu zmniejszenia skłonności magnezu do zapalania się podczas odlewania, pochodzenie ich jest przypadkowe. Osobną, najmłodszą grupę stopów magnezu stanowią stopy z litem (zawierające do kilkunastu % Li), których gęstość (1,35 ÷ 1,62 g/cm3) jest znacznie mniejsza niż pozostałych stopów magnezu (ok. 1,80 g/cm3). Ogólnie stopy magnezu dzielą się na odlewnicze i do przeróbki plastycznej. W obu tych grupach podstawowymi typami są podwójne stopy magnez-mangan oraz wieloskładnikowe stopy magnez-aluminium-cynk-mangan i magnez-cynk-cyrkon. W krajach wysoko uprzemysłowionych (WNP, USA) na bazie tych podstawowch typów stopów opracowano i wprowadzono do przemysłu wiele stopów pochodnych, zawierających dodatkowo cer, tor, lantan, neodym i inne, a więc pierwiastki powodujące wyraźny wzrost własności mechanicznych w temperaturach podwyższonych. Skład chemiczny krajowych stopów magnezu podano w tabl. 9.1. Stopy magnezu, podobnie jak większość stopów aluminium, można obrabiać cieplnie (przesycać i starzyć), gdyż rozpuszczalność głównych składników stopowych (aluminium, cynku i manganu) w magnezie jest ograniczona i zmniejsza się z obniżeniem temperatury. Obróbka ta jednak tylko w niewielkim stopniu polepsza własności mechaniczne stopów i rzadko jest stosowana. Wyjątkiem są stopy odlewnicze, zawierające powyżej 6% aluminium, które po obróbce cieplnej mają wytrzymałość o 40 ÷ 50% wyższą. Na przykład, stop GA8 w stanie surowym ma wytrzymałość na rozciąganie 150 MPa. Po przesyceniu w temperaturze w temperaturze 415°C (w czasie 20h, chłodzenie na powietrzu) w starzeniu w temperaturze 175°C (w czasie 16 h) jego wytrzymałość wzrasta do 230 MPa. Z reguły natomiast odlewy ze stopów magnezu poddaje się wyżarzaniu odprężającemu w temperaturze 200 ÷ 250°C. Zastosowanie stopów magnezu zależy od ich składu chemicznego i własności. Na przykład stopy odlewnicze przeznaczone są na: GA3 - korpusy pomp i armatury, GA6 - odlewy części lotniczych i samochodowych, obudowy przyrządów aparatów, GA8 - silnie obciążone części lotnicze, części aparatów fotograficznych maszyn do pisania, GRE3 - skomplikowane odlewy pracujące w temp. do 250°C; stopy przerabialne plastycznie; GA6 - na obciążone elementy konstrukcji lotniczych, poszycia samolotów i śmigłowców itd. Dokładne własności i główne i zastosowania wszystkich krajowych stopów magnezu podają odpowiednie Polskie Normy.
170 JW Warto dodać, że zakres stosowania stopów magnezu jako tworzywa konstrukcyjno w lotnictwie, kosmonautyce, budowie rakiet i energetyce jądrowej, w przemyśle światowym stale wzrasta. Coraz szerzej stopy magnezu stosuje się w przemyśle elektronicznym i elektrotechnicznym, poligraficznym, samochodowym, transporcie kolejowym itp. Tablica 9.1
Skład chemiczny krajowych stopów magnezu Skład chemiczny, % (reszta magnez) Cecha stopu Rodzaj stopu Al Zn Mn Zr inne zanieczyszczenia ogółem, max
GA8* odlewniczy 7,5÷ 9,0 0,2÷ 0,8 0,15 ÷ 0,5 GA10 9,0÷ 10,2 0,6÷ 1,2 0,1÷ 0,5 GZ5 4,0÷ 5,0 GZ6 5,5÷ 6,6 GN3 0,1÷ 0,7 GRE3 0,2÷ 0,7 do przeróbki GM 1,3÷ 2,5 plastycznej 3,0÷ 4,0 0,2÷ 0,8 0,15÷ 0,5 GA3 GA6 5,5÷ 7,0 0,5÷ 1,5 0,15÷ 0,5 GA5 5,0÷ 7,0 2,0÷ 3,0 0,2÷ 0,5 GA8 7,8÷ 9,2 0,2÷ 0,8 0,15÷ 0,5 GZ3 2,5÷ 4,0 GZ5 4,0÷ 5,5 GME 1,5÷ 2,5
0,6÷ 1,1 0,7÷ 1,1 0,2÷ 0,8Cd 0,4÷ 1,0 2,2÷ 2,8Nd 0,4÷ 1,0 2,5÷ 4,0RE* — 0,5÷ 0,9 0,5÷ 0,9 0,15÷0,35C
0,5 0,5 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,5 0,7 0,7 0,7 0,5 0,5 1,0
* Norma zawiera jeszcze stop GA8A różniący się od stopu GA8 tylko dopuszczalną zawartością zanieczyszczeń, wynoszącą 0,13%. ** RE — mieszanina pierwiastków ziem rzadkich, zawierająca min. 45% ceru.
11. Tytan i jego stopy
Tytan jest metalem o dużej wytrzymałości, zarówno w temperaturze otoczenia, jak i temperaturach podwyższonych, stosunkowo małej gęstości i dużej odporności na korozję w powietrzu, wodzie morskiej i wielu środowiskach agresywnych. Tytan występuje w dwóch odmianach alotropowych α i β. Odmiana α (Ti α) istniejąca do temperatury 882°C krystalizuje w sieci heksagonalnej zwartej, natomiast odmiana β (Ti β) istniejąca powyżej temperatury 882°C aż do temperatury topnienia (1668°C) krystalizuje w sieci regularnej przestrzennie centrowanej. W temperaturze otoczenia czysty tytan ma kolor srebrzysty i przypomina wyglądem stal nierdzewną lub nikiel. Gęstość tytanu a w temperaturze 20°C wynosi 4,507 g/cm3, tytanu β w temperaturze 900°C - 4,32 g/cm3. Tytan jest metalem paramagnetycznym. Własności mechaniczne tytanu zależą przede wszystkim od jego czystości, a ta z kolei zarówno od rodzaju procesu metalurgicznego przerobu rudy tytanowej (proces jodkowy, proces Krolla, elektroliza), jak i od metody przerobu otrzymanych m procesie półwyrobów (topienie gąbki tytanowej, spiekanie proszku). Zwiększenie ilości zanieczyszczeń w tytanie zawsze prowadzi do podwyższenia jego wytrzymałości i twardości, a obniżenia własności plastycznych, przy czym bardzo poważny wpływ wywierają nawet setne części procentu zanieczyszczeń. W przemyśle praktycznie wykorzystuje się głównie tytan produkowana metodą Krolla, zawierający 99,8 ÷ 98,8% Ti. Taki tytan nosi nazwę tytanu technicznego.
171 JW Szczególnie cenną własnością tytanu jest jego wielka odporność na korozję chemiczną, dorównująca, a w wielu przypadkach przewyższająca odporność korozyjną austenitycznych stali chromowo-niklowych. Istotną również cechą tytanu jest jego silne powinowactwo w stanie nagrzanym i ciekłym do gazów atmosferycznych (tlenu, azotu i wodoru), co powoduje, że we wszystkich prawie procesach technologicznych, w których tytan zostaje ogrzany do temperatury umożliwiającej dyfuzję wymienionych gazów, należy stosować atmosfery ochronne lub próżnię. Praktycznie tytan jest odporny na działanie atmosfery tlenowej tylko do temperatury 120°C, powyżej tej temperatury na powierzchni metalu tworzą się tlenki. Absorpcja i dyfuzja wodoru zaczynają się w temperaturze powyżej 150°C. Z powietrzem tytan reaguje w temperaturze powyżej 500°C, przy czym jego powierzchnia pokrywa się szczelną warstewką tlenków i azotków. Trzeba jednak podkreślić, że w miarę wzrostu temperatury chemiczna aktywność tytanu silnie wzrasta i w powietrzu tytan zapala się płomieniem w temperaturze 1200°C w czystym tlenie - już w temperaturze 610°C. 11.1. Tytan techniczny Jak już wspomniano, tytan techniczny zależnie od gatunku zawiera 0,2-1,2% zanieczyszczeń, na które składają się przede wszystkim tlen, azot, węgiel, żelazo, wodór i krzem. Zanieczyszczenia te powodują istotne zmiany własności mechanicznych, wyrażające się we wzroście wytrzymałości na rozciąganie, granicy plastyczności oraz twardości, a zmniejszeniu wskaźników własności plastycznych. Na przykład, wytrzymałość na rozciąganie tytanu technicznego zawierającego 0,8% zanieczyszczeń wynosi ok. 400 MPa, a tytanu zawierającego 1% zanieczyszczeń — ok. 550 MPa. Tytan techniczny jest produkowany w skali przemysłowej w postaci odlewów, blach cienkich i grubych, taśm, prętów prasowanych wypływowo i kutych, rur, części tłoczonych i kutych. Podlega obróbce plastycznej na zimno i na gorące (w temp. 1000-750°C) oraz obróbce skrawaniem (ostre narzędzia, obfite chłodzenie), nie podlega natomiast obróbce cieplnej, a umacnia się go jedynie przez zgniot. Można go spawać łukowo w osłonie gazów szlachetnych (argonu lub helu) i elektrożużlowo, poza tym zgrzewać punktowo, liniowo i doczołowo oraz lutować lutami miękkimi i twardymi. Tytan techniczny jest stosowany przede wszystkim w przemyśle lotniczym, zarówno na elementy silników, jak i kadłubów samolotów. Wykorzystuje się go także w przemyśle okrętowym (części silników, armatura, pompy do wody morskiej), chemicznym (aparatura), w protetyce stomatologicznej i w chirurgii kostnej (nie jest toksyczny dla organizmu ludzkiego) itd. Maksymalna temperatura pracy nie może przekraczać 300 ÷ 350°C. 11.2. Stopy tytanu Wpływ pierwiastków stopowych na temperaturę przemiany alotropowej tytanu jest różny. Aluminium, tlen, azot i węgiel podwyższają temperaturę przemiany tym samym zwiększają obszar istnienia tytanu α. Stąd często noszą one nazwę stabilizatorów fazy α. Większość pozostałych pierwiastków stopowych (np. moliben, wanad, niob, tantal, chrom, mangan, żelazo, wodór) obniża temperaturę przemiany i rozszerza obszar istnienia tytanu β. Te pierwiastki noszą nazwę stabilizatorów fazy β. Osobną grupę stanowią pierwiastki, których wpływ na temperaturę przemiany alotropowej jest nieznaczny. Należą tu cyna, cyrkon, tor, hafn i inne. Te pierwiastki nazywa się zwykle neutralnymi. Dwuskładnikowe układy równowagi faz tytanu z pierwiastkami wchodzącymi w skład stopów można podzielić na trzy główne typy, w zależności od wpływu pierwiastka stopowego na strukturę stopu w stanie równowagi. Na rysunku 11.1 pokazano układ równowagi typu I, w którym pierwiastek stopowy rozszerza zakres istnienia roztworu stałego α (międzywęzłowego w przypadku tlenu, azotu i węgla, różnowęzłowego w przypadku aluminium), stabilizując fazę α w strukturze stopów. Jak widać,
172 JW ze wzrostem zawartości pierwiastka stopowego granice obszaru dwufazowego α + β przesuwają się w kierunku wyższych temperatur.
Rys. 11.1. Typ I układu równowagi tytan-pierwiastek stopowy (pierwiastek stopowy podwyższa temperaturę przemiany alotropowej) Na rysunku 11.2 przedstawiono układ równowagi typu II, w którym pierwiastek stopowy rozszerza zakres istnienia roztworu stałego β, stabilizując w strukturze stopów fazę β. Tego typu układy równowagi występują dla molibdenu, wanadu, niobu i tantalu, które znacznie lepiej rozpuszczają się w tytanie β, niż w tytanie α, tworząc roztwory stałe różnowęzłowe. Przy bardzo małej zawartości tych pierwiastków w stopie, strukturą równowagi w temperaturze pokojowej będzie faza α, przy dużej - faza β, przy zawartościach pośrednich - mieszanina faz α+ β. W tym ostatnim przypadku istnieje możliwość otrzymania w temperaturze pokojowej jednofazowej struktury β przez szybkie przechłodzenie stopu z temperatury istnienia obszaru trwałej fazy β, ale możliwość ta jest ograniczona występowaniem bezdyfuzyjnej przemiany typu martenzytycznego. W wyniku tej przemiany z przechłodzonej fazy β powstaje przesycona faza α, oznaczana na ogół jako faza α' i mająca budowę iglastą, podobną do martenzytu w stali, ale w przeciwieństwie do niego miękka i ciągliwa. Stanowi ona modyfikację fazy α i krystalizuje również w sieci heksagonalnej zwartej, tylko o nieco innych parametrach.
Rys. 11.2. Typ II układu równowagi tytan-pierwiastek stopowy (pierwiastek stopowy obniża temperaturę przemian alotropowej) Temperaturę początku przemiany bezdyfuzyjnej dla różnych stężeń pierwiastka stopowego określa na rys. 11.2 kreskowa krzywa Ms. Jak widać, temperatura ta dla określonego stężenia pierwiastka stopowego (zw. stężeniem krytycznym) staje się niższa od pokojowej. Warunkiem więc uzyskania jednorodnej fazy β w temperaturze pokojowej przez przechłodzenie stopu z obszaru stabilnej fazy β jest zawartość pierwiastka stopowego przekraczająca stężenie krytyczne. Trzeba jednak podkreślić, że tak uzyskana faza β nie jest fazą stabilną i w temperaturach podwyższonych wykazuje skłonność do rozkładu (starzenia).
173 JW W niektórych stopach tytanu (m.in. z Mo, V, Nb, Ta, W i Re) może pojawić się faza martenzytyczna α", będąca także przesyconym roztworem stałym pierwiastka stopowego w tytanie, ale krystalizująca w układzie rombowym. Powstaje ona przy dużych zawartościach składników stopowych, jest drobniejsza niż faza α' i bardziej plastyczna. Może współistnieć z fazą α i metastabilną fazą β, nie występuje obok fazy α'. Faz α' i α" często się nie rozróżnia, traktując je jako jedną fazę typu martenzytycznego. Układem dwuskładnikowym tytan-pierwiastek stopowy III typu jest układ z przemianą eutektoidalną (rys. 11.3), podczas której następuje rozkład roztworu stałego pierwiastka stopowego w tytanie β. Zgodnie z wykresem równowagi produktem przemiany eutektoidalnej powinna być mieszanina faz α + γ (faza międzymetaliczna). Okazuje się jednak, że w stopach tytanu z niektórymi metalami (tzw. przejściowymi), przy ich ochładzaniu z obszaru istnienia trwałej fazy β, dla pewnego zakresu stężeń przemiana eutektoidalną jak gdyby nie zachodzi i poniżej temperatury eutektoidu utrwala się mieszanina faz α + β (linie kreskowe na rys. 11.3). Taki nieprawidłowy przebieg przemiany eutektoidalnej wykazują przede wszystkim podwójne stopy tytanu z chromem, manganem, kobaltem lub żelazem, na skutek bardzo małej prędkości reakcji rozkładu eutektoidalnego, toteż przy odpowiedim stężeniu pierwiastka stopowego i określonej prędkości chłodzenia łatwo można w nich uzyskać dwufazową strukturę α + β.
Rys. 11.3. Typ III układu równowagi tytan-pierwiastek stopowy (pierwiastek stopowy wywołuje przemianę eutektoidalna) Jak więc z powyższych rozważań wynika, stopy tytanu w zależności od struktury występującej w temperaturze pokojowej (uzyskanej przez odpowiedni dobór składników stopowych oraz ewentualną obróbkę cieplną) można podzielić na trzy główne grupy: • jednofazowe stopy α, • dwufazowe stopy α + β, • jednofazowe stopy β. Każda z tych grup wykazuje charakterystyczne połączenie własności mechanicznych i technologicznych, decydujące o ich przeznaczeniu. Wszystkie stopy tytanu stosowane są przede wszystkim w przemyśle lotniczym i chemicznym. Skład chemiczny ważniejszych przemysłowych stopów tytanu podano tabl. 11.1. Stopy α. Głównym składnikiem stopowym w stopach α jest aluminium, które podwyższa wytrzymałość i zmniejsza gęstość, ale pogarsza plastyczność, dlatego, jego zawartość ogranicza się zwykle do 8%. Również cyna podwyższa wytrzymałość stopów, nie zmniejszając jednak ich plastyczności i zdolności do odkształceń plastycznych w wysokich temperaturach. Jej zawartość w stopach α nie przekracza 6%. Podobne własności wykazuje cyrkon. Niektóre stopy α obok aluminium zawierają małe ilości (1-2%) niektórych pierwiastków stabilizujących fazę β (Nb, Ta, V, Mo). Dodatek tych pierwiastków z jednej strony podwyższa wytrzymałość stopów, z drugiej - polepsza ich zdolność do obróbki plastycznej na gorąco, co jest szczególnie ważne w przypadku stopów zawierających większą ilość aluminium. Jednocześnie wysoka zawartość aluminium równoważy ich wpływ na strukturę, tak że stopy zachowują jednofazową strukturę α.
174 JW Wszystkie stopy α cechuje dobra spawalność i żarowytrzymałość. Pierwsza własność jest wynikiem jednofazowej struktury, druga - obecności aluminium. Stopy a nie podlegają obróbce cieplnej poza wyżarzaniem rekrystalizującym i wyżarzaniem odprężającym, stosowanymi oczywiście w razie potrzeby. Umacnia się je jedynie przez zgniot, podobnie jak tytan techniczny. Tablica 11.1 Skład chemiczny ważniejszych stopów tytanu Oznaczenie stopu Ti-5Al-2,5Sn, BT5-1 RMI 5621 RMI 3A1-2,5V Ti.4Al-3Mo.lV Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo Ti-6Al-4V, BT6* Ti-6Al-6V-2Sn Ti-7Al-4Mo BT3-1* BT4* BT8* BT9* BT20*
* *
Typ stopu α α+β
Skład chemiczny, % (reszta tytanu) Al 5 5 3 4 6 6 6 7 5,5 4 6,5 6,5 6 Mo 1 3 2 4 2 3,5 3,5 1 Sn 2,5 6 2 2 Si 0,2 0,2 0,2 V 2,5 1 4 6 1 inne 2 Zr 4 Zr 2 Cr, l Fe 1,5 Mn 2 Zr 2 Zr
Stopy rosyjskie, pozostałe amerykańskie.
Stopy α + β. Warunkiem uzyskania dwufazowej struktury α + β jest obecność w stopie odpowiedniej ilości pierwiastków stabilizujących fazę β. Najbardziej odpowiednimi zarówno ze względu na własności ich roztworów w tytanie, jak i cenę są mangan, wanad, molibden, chrom i żelazo. Wszystkie te pierwiastki rozpuszczają się bardzo dobrze w tytanie β i bardzo słabo w tytanie α, w związku z czym ich wpływ na własności mechaniczne występuje przede wszystkim w fazie β. Własności mechaniczne stopów tej grupy zależą więc od ilości i własności fazy β. Większość jednak stopów α + β oprócz wymienionych pierwiastków zawiera jeszcze aluminium, które dobrze rozpuszcza się zarówno w tytanie α, jak i w tytanie β. W takim przypadku własności stopu są wypadkową własności obu faz. Ogólnie więc stopy α + β można podzielić na dwie podgrupy: a) stopy zawierające tylko pierwiastki stabilizujące fazę β, b) stopy zawierające pierwiastki stabilizujące fazę β i aluminium. Stopy α + β zawierające aluminium cechują wysokie wskaźniki własności mechanicznych. Na rys. 11.4a, b i c pokazano zakresy wytrzymałości na rozciąganie w podwyższonych temperaturach dla poszczególnych typów stopów tytanu, a na rys. 11.4d - krzywe reprezentujące średnie wartości tej wytrzymałości. Wyraźnie widać, że stopy α + β zawierające aluminium są stopami najbardziej wytrzymałymi i w temperaturze pokojowej i w temperaturach podwyższonych. Natomiast pozostałe stopy α + β i stopy α do temperatury około 370°C mają wytrzymałość zbliżoną, powyżej tej temperatury bardziej wytrzymałe są stopy α (wpływ aluminium). Wytrzymałość zmęczeniowa i udarność stopów α + β zawierających aluminium są mniej więcej takie same, jak stopów bez aluminium, wytrzymałość na pełzanie nieco wyższa. Ponadto stopy α + β zawierające aluminium cechuje mniejsza gęstość, lepsza obrabialność skrawaniem i niższa temperatura przemiany martenzytycznej. Przykładową mikrostrukturę stopu α + β (BT31) po przeróbce plastycznej okazano na rys. 11.5.
175
JW
Rys. 11.4. Wytrzymałość na rozciąganie w stanie wyżarzonym: a) stopów α, b) stopów α + β nie zawierających aluminium, c) stopów α + β zawierających aluminium; d) średnia wytrzymałość na rozciąganie: l — stopów α, 2 — stopów α + β nie zawierających aluminium, 3 - stopów α + β zawierających aluminium
Rys.11.5. Mikrostruktura stopu tytanu α + β (BT3-1) po obróbce plastycznej. Na tle ciemnych kryształów β widoczne jasne, iglaste kryształy α. Traw. odczynnikiem Krolla. Powiększ. 250x Wytrzymałość większości stopów α + β może być dodatkowo podwyższona przez odpowiednią obróbkę cieplną, składającą się z przechłodzenia i starzenia. Pierwszy proces polega na nagrzaniu do temperatury istnienia stabilnej fazy β lub nieco poniżej (tzn. do obszaru dwufazowego α + β, ale w pobliżu jego górnej granicy), wygrzaniu w tej temperaturze i następnie szybkim ochłodzeniu. W wyniku otrzymuje się bądź fazę β w stanie nierównowagi, bądź mieszaninę faz α + β, w której faza β jest także w stanie nierównowagi. W żadnym przypadku nie wolno jednak dopuścić do przemiany martenzytycznej i wydzielenia się fazy α'. Proces starzenia polega na nagrzaniu do temperatury 450 ÷ 600°C, zależnie od składu chemicznego obrabianego stopu. Czas wygrzewania i sposób chłodzenia (powietrze, woda) również zależą od składników stopu. W czasie starzenia następuje częściowy rozkład nietrwałej fazy β na α + β. Bez względu na pierwotną strukturę stopu podlegającego starzeniu (β czy α + β), własności mechaniczne po starzeniu zależą od postaci wydzieleń fazy α powstającej w wyniku rozkładu fazy β. oraz od ilościowego stosunku faz α i β . Przechłodzenie i starzenie zwykle powodują spadek wskaźników własności plastycznych, natomiast wytrzymałość wzrasta o około 35% w stosunku do wytrzymałości stopów w stanie wyżarzonym. Stopy α + β podlegają również wyżarzaniu rekrystalizującemu i odprężającemu. podobnie jak stopy α. Spawalność stopów α + β jest zależna przede wszystkim od procentowej zawartości pierwiastków stabilizujących fazę β. Przy zawartości do 3% stopy α + β są mniej czułe na szybkość chłodzenia po spawaniu i wykonane z nich złącza spawane mają zadowalające własności mechaniczne. Jeśli jednak zawartość pierwiastków stopowych (bez aluminium) przekracza 3%, złącza bezpośrednio po spawaniu są kruche i wymagają odpowiedniej obróbki cieplnej.
176 JW Stopy β. Trzecią grupę stopów tytanu stanowią jednofazowe stopy β, które można uzyskać bądź przez odpowiednią zawartość pierwiastków stabilizujących fazę β, bądź przez przechładzanie z obszaru stabilnej fazy β w wyższych temperaturach, przy stężeniach składnika stopowego niższych od stanu równowagi. Praktycznie wykorzystuje się drugą metodę, otrzymując jednak stopy β o strukturze niestabilnej. Obecnie znanych jest kilka seryjnie produkowanych stopów tytanu o strukturze β (niestabilnej): amerykańskie Ti-13V-llCr-3Al, Beta 3 (11,5% Mo, 4,5% Sn, 6% Zr) i RMI lAl8V-5Fe oraz rosyjskie BT14 (4% Al, 3% Mo, 1% V), BT15 (3% Al. 8% Mo, 11% Cr) i BT16 (2,5% Al, 7,5% Mo). Stopy β cechuje bardzo wysoka wytrzymałość, zwłaszcza po obróbce cieplnej. Na przykład, stop Ti-13V-llCr-3Al w stanie wyżarzonym wykazuje wytrzymałość na rozciąganie Rm = 930 MPa, w stanie przechłodzonym i starzonym Rm = 1275 MPa, a po walcowaniu na zimno i starzeniu Rm = 1750 MPa, co czyni go metalem o najwyższej wytrzymałości właściwej ze wszystkich tworzyw konstrukcyjnych (gęstość stopu wynosi 4,85 g/cm3). Stopy β są spawalne zarówno w stanie wyżarzonym, jak i starzonym. Również ich obróbka skrawaniem nie przedstawia większych trudności.
12. Stopy łożyskowe
Stopy łożyskowe stanowią specjalną grupę materiałów stosowanych do wytwarzania i wylewania panewek łożysk ślizgowych. Ze względu na specyficzne warunki pracy tych łożysk, materiał na panewki musi spełniać następujące warunki: • współczynnik tarcia między powierzchnią czopu wału a panewką powinien być możliwie mały, • materiał panewki powinien być odporny na ścieranie, • materiał panewki powinien mieć dostateczną wytrzymałość w temperaturze -200°C. Panadto stopy łożyskowe powinny być dostatecznie odporne na korozję oraz nie wykazywać przy odlewaniu skłonności do likwacji składników. Dlatego stopy łożyskowe powinny wykazywać własności twardych materiałów w celu zapewnienia dostatecznej wytrzymałości i uzyskania małego współczynnika tarcia, oraz miękkich materiałów w celu umożliwienia panewce dostosowania się kształtu czopu wału. Takie skojarzenie przeciwnych sobie własności można uzyskać jedynie w stopach złożonych z dwóch lub więcej faz o różnych własnościach. Struktura takich stopów powinna składać się z miękkiego podłoża i możliwie równomiernie rozłożonych w nim twardych kryształów. W czasie pracy twarde kryształy przejmują obciążenie i przekazują je na całą panewkę. Jednocześnie ich ilość powoduje wytworzenie między powierzchnią wału i powierzchnią panewki pewnej przestrzeni, w której umieszcza się smar. W przypadku, gdy poszczególne części panewki zostaną przeciążone, twarde kryształy wgniatają się w tych miejscach w miękkie podłoże i następuje wyrównanie obciążenia. Jako stopy łożyskowe w praktyce przemysłowej stosuje się żeliwa, brązy oraz łatwo topliwe stopy na osnowie cyny, ołowiu, cynku i aluminium. Panewki żeliwne wytwarza się z szarego żeliwa perlitycznego, które jest materia najtańszym i może przenosić dość duże naciski jednostkowe, ale ze względu na stosunkowo duży współczynnik tarcia nie nadaje się do pracy przy dużej liczbie obrotów. Do wyrobu panewek brązowych wykorzystuje się omówione już (rozdz. 8) brązy cynowe, ołowiowe, krzemowe itd. Do tego celu stosuje się także niektóre mosiądze zawierający 3,0 ÷ 4,5% Si i 2,5 ÷ 4,0% Pb). Materiały te mają dość dobrą wytrzymałość, toteż panewki z nich wykonane mogą pracować przy dużych naciskach jednostkowych i dużej liczbie obrotów. Mikrostrukturę panewki łożyskowej wylanej brązem ołowiowym pokazano na rys. 12.1. Zgodnie z Polską Normą PN-82/H-87111 (tabl. 12.1), stopy łożyskowe na osnowie cyny (zwane także babitami cynkowymi) zawierają 7 ÷12% antymonu i 2,5 ÷ 6,5 % miedzi. Struktura tych stopów (rys. 12.2) składa się z kryształów roztworu stałego α antymonu w cynie (tworzących miękkie podłoże) oraz twardych kryształów fazy międzymetalicznej SnSb (krzepnących w postaci regularnych sześcianów) i twardych kryształów fazy międzymetalicznej
177 JW Cu3Sn (krzepnących w połaci igieł). Te ostatnie, charakteryzując się największą temperaturą topnienia, krzepną pierwsze, tworząc jak gdyby rodzaj szkieletu, który utrudnia przesuwanie się krzepnących kryształów SnSb i zapewnia ich równomierne rozmieszczenie w roztworze α.
Rys. 12.1. Panewka łożyska. Od lewej: stal, ciemna warstewka stopu Sn-Pb oraz brąz ołowiowy składający się z jasnych kryształów miedzi i ciemnych kryształów ołowiu (osnowa). Nie trawione. Powiększ. 100x
Rys. 12.2. Mikrostruktura stopu łożyskowce na osnowie cyny (Ł83), zawierającego 11% Sb i 6% Cu. Na ciemnym tle roztworu stałego antymonu w cynie widać jasne regularna kryształy fazy międzymetalicznej SnSb oraz iglaste kryształy fazy międzymetaliczne Cu3Sn. Traw. 5% roztworem HNO3. Powiększ. 100x Tablica 12.1
Skład chemiczny łożyskowych stopów cyny i ołowiu (wg PN-82/H-87111) oraz stopów cynku (wg PN-80/H-87101)
Cecha stopu Ł89 Ł83 Ł83Te Ł808 Skład chemiczny, % Sn reszta reszta reszta reszta Sb 7,25-8,25 10,0-12,0 10,0-12,0 11,0-13,0 Cu 2,5-3,5 5,5-6,5 5,5-6,5 5,0-6,5 1,5-2,0 1,0-2,0 4,5-5,8 3,0-5,4 As 0,2-0,5 0,5-0,9 Pb max 1,5 2n inne 0,2-0,5 Te 1,0-1,5Cd 0,3-0,6 Ni 0,03-0,2 Cr 9,0-11,5 Al 26,0-30,0 Al 0,02-0,05 Mg
Ł16 15,0-17,0 15,0-17,0 Ł10As 9,0-11,0 13,0-15,0 Ł6 5,0-7,0 5,5-7,5 Z105 Z284 -
reszta reszta reszta reszta reszta
Łożyskowe stopy na osnowie cyny mają bardzo dobre własności, w związku z czym wykonane z nich panewki mogą pracować zarówno przy obciążeniach statycznych, jak i dynamicznych. Ze względu jednak na wysoką cenę i deficytowość cyny, w wielu przypadkach stosuje się zastępcze stopy na osnowie ołowiu, w których zawartość cyny jest ograniczona do kilku lub kilkunastu procent, a nawet stopy bezcynowe, zawierające wapń, sód, lit, aluminium i inne metale. Krajowe stopy łożyskowe na osnowie ołowiu zawierają antymon, cynę, miedź, czasem arsen lub tellur (tabl. 12.1). W stopach tych miękką osnowę stanowią roztwory stałe pierwiastków stopowych w ołowiu lub eutektyki, twarde wtrącenia – odpowiednie fazy międzymetaliczne, np. SnSb, Cu3Sn, SnAs2 itd. – rys.12.3. Łożyskowe stopy na osnowie cynku (PN-80/H-87101) zawierają głównie aluminium i miedź. Orientacyjne warunki pracy i zastosowanie znormalizowanych w Polsce stopów łożyskowych na osnowie cyny, ołowiu i cynku podano w tabl. 12.2.
178 JW Spośród stopów aluminium na panewki łożysk ślizgowych stosuje się stopy z antymonem i magnezem, z niklem, a także z miedzią i krzemem. Ich znaczenie jest jednak niewielkie. Tablica 12.2.
Orientacyjne warunki pracy i zastosowanie stopów łożyskowych (wg PN-82/H-87111 i PN80/H-87102) Cecha stopu Ł89 Ł83 Orientacyjne warunki pracy Zastosowanie
obciążenia statyczne i dynamiczne: naciski do 10 MPa, prędkość obwodowa powyżej 5 m/s, iloczyn nacisku i prędkości poniżej 50 MPa • m/s
odlewane odśrodkowo taśmy bimetalowe na panewki łożysk ślizgowych mocno obciążonych wylewane panewki łożysk ślizgowych mocno obciążonych panewki łożysk ślizgowych mocno obciążonych
Ł83Te obciążenia statyczne i dynamiczne: naciski do 10 MPa, prędkość obwodowa powyżej 3 m/s, iloczyn nacisku i prędkości 15 ÷50 MPa -m/s Ł80S
obciążenia statyczne i dynamiczne: naciski panewki łożysk turbin parowych oraz wysoko do 19 MPa, prędkość obwodowa do 20 m/s, obciążonych przekładni zębatych iloczyn nacisku i prędkości do 38 MPa •m/s obciążenia statyczne: naciski do 10 MPa, prędkość obwodowa powyżej 1,5 m/s, iloczyn nacisku i prędkości do 15 MPa·m/s panewki łożysk średnio obciążonych
Ł16
Ł10As obciążenia statyczne: naciski do 10 MPa, prędkość obwodowa powyżej 1,5 m/s, iloczyn nacisku i prędkości do 30 Mpa·m/s Ł6 obciążenia uderzeniowe Z105 Z284 małe i średnie naciski, małe i średnie prędkości obwodowe
panewki łożysk średnio obciążonych
taśmy bimetalowe na panewki łożysk samochodowych w warunkach pracy niekorozyjnej zastępuje brąz B555, a nawet stop Ł 10As
naciski do 20 MPa, maks. temperatura pracy w warunkach pracy niekorozyjnej zastępuje 100°C brązy B10, B101 i B555
Rys. 12.3. Mikrostruktura stopu łożyskowego na osnowie ołowiu, zawierającego 16% Sb i 6% Sn. Na tle eutektyki ołów-antymon-cyna widoczne jasne kryształy fazy międzymetalicznej SnSb i ciemne kryształy ołowiu. Traw. 5% roztworem HN03. Powiększ. 200x
179
JW
13. Stopy żarowytrzymałe
Stopami żarowytrzymałymi nazywa się stopy wykazujące: a) dużą wytrzymałość doraźną w temperaturze otoczenia i temperaturach wysokich, b) odporność na długotrwałe działanie obciążeń stałych w wysokich temperaturach (wytrzymałość na pełzanie), c) odporność na długotrwałe działanie obciążeń zmiennych w wysokich temperaturach (wytrzymałość zmęczeniowa), d) odporność na wielokrotne zmiany temperatury związane lub nie związane z zmianą obciążeń (wytrzymałość na zmęczenie cieplne), e) odporność na korozyjne działanie gazów w wysokich temperaturach (żaroodporność). Oczywiście poszczególne stopy żarowytrzymałe spełniają powyższe warunki w różnym stopniu. Zasadniczym czynnikiem określającym przydatność stopu żarowytrzymałego do danego zastosowania jest jego optymalna temperatura pracy. Temperatura ta zależy przede wszystkim od składu chemicznego stopu, ale również od wielkości i rodzaju losowanych obciążeń, dopuszczalnych odkształceń i założonego czasu pracy (np. czas pracy elementów turbin lotniczych wynosi około 1000 h, czas pracy turbin stacjonarnych - 10000 do 100000 h). Najważniejsze grupy stopów żarowytrzymałych to stopy niklu, stopy kobaltu stopy żelazowoniklowe, które łącznie nazywane są często nadstopami lub superstopami. Perspektywicznymi materiałami żarowytrzymałymi są stopy metali trudno topliwych (molibdenu, wolframu, niobu, tantalu, wanadu), a także stopy berylu. 13.1. Żarowytrzymałe stopy niklu
Do tej grupy materiałów należą stopy niklu z chromem, molibdenem, kobaltem, wolframem, tytanem, aluminium, borem, żelazem i inne, charakteryzujące się wysoką żaroodpornością i żarowytrzymałością, a przeznaczone głównie do budowy turbin gazowych i silników odrzutowych, na elementy pracujące w warunkach w wysokich naprężeń i temperaturze 550 ÷1030°C. Na rynkach światowych stopy te znane pod różnymi nazwami (np. Hastelloy, Inconel, MAR, Nimocast, Nimonic, Rene, Udimet itd.), przy czym jeśli pod jedną nazwą produkowanych jest kilka stopów, różniących się składem chemicznym i własnościami, nazwa ta jest uzupełnia dodatkowym oznaczeniem liczbowym lub literowym (tabl. 13.1). Dzielą się stopy odlewnicze i do przeróbki plastycznej.
Rys. 13.1. Mikrostruktura żarowytrzymałego stopu niklu do przeróbki plastycznej w stanie wyżarzonym. Widoczne jasne kryształy roztworu stałego γ i drobne ciemne wydzielenia faz międzymetalicznych. Traw. elektrolitycznie w 10% roztworze kwasu szczawiowego. Powiększ. 500x Większość żarowytrzymałych stopów niklu podlega obróbce cieplnej złożonej z przesycania i starzenia (utwardzanie dyspersyjne). Po takiej obróbce struktura stopów składa się z jednorodnych ziarn roztworu stałego pierwiastków stopowych w niklu i równomiernie rozłożonych, bardzo drobnych wydzieleń faz umacniających np. Ni3Ti, Ni3Al, Ni3(Al,Ti) (rys. 13.1).
180 Tabl.13.1. Skład chemiczny niektórych żarowytrzymatych stopów niklu
Nazwa stopu Mn Si Cr Mo Nb Co max max - 18 prze- max 0,13 1,0 1,0 19,5 rabia -lny max 0,12 1,0 1,0 14,8 5 - 20 plasty0,16 1,0 1,0 14,2 3,2 - 15 czni e 0,04 0,5 0,25 15,5 - 1,0 0,15 0,27 0,15 odlewniczy 0,15 0,03 0,125 0,5 0,5 15 5,2 1,5 18,5 15 10 5 20 9,3 3,25 9 10 20 6 10 4 Rod zaj stop Skład chemiczny, % (reszta nikiel) C W AI 1,5 4,7 4,8 0,7 Ti Zr Fe
JW
inne
Nimonic 90* Nimonic 105* Nimonic 115* Inconel X-750 Udimet 700 Renę 85 MAR-M246 WAZ-20 IN-6201 TAZ-8B
max 0,02 B 1,2 0,15 1,0 0,0030,010 B 3,7 2,5 1,0 0,2 Cu 7,0 2,0 0,015 B 0,015 B 1,5 Ta 1,5 Ta 8,0 Ta 0,5 0,05 B
2,5 0,15 1,5
4,25 3,5
5,35 5,25 3,25 0,03 10 5,5 1,5 0,05 18,5 6,2 2,3 4 2,4 6,0 4,8 3,7 1,5 1,0
0,5 1,0 20
3,6 0,05
0,2 0,3 0,4 Nimocast 258* * Stopy angielskie, pozostałe amerykańskie.
13.2. Żarowytrzymałe stopy kobaltu Stopy kobaltu stanowią dużą grupę stopów przeznaczonych do pracy w wysokich temperaturach. Wytrzymałość ich w wysokich temperaturach (860 ÷1090°C) jest jednak niższa niż stopów niklu, co w pewnym stopniu ogranicza ich zastosowanie. Poważną natomiast zaletą stopów kobaltu jest tańsza technologia produkcji (nie wymagają topienia próżniowego) i duża odporność na zmęczenie cieplne. Ta ostatnia cecha powoduje, że znalazły one zastosowanie na łopatki kierujące w dyszach inne części silników turboodrzutowych.
Tablica 13.2
Skład chemiczny niektórych żarowytrzymałych stopów kobaltu produkcji USA
Rodzaj stopu C Mn prze- 0,10 1,5 HS-25 rabia- 0,38 1,2 S-816 ny 0,27 1,0 V-36 plastyHaynes 188 0,10 1,25 cznie 1,0 1,4 Stellite 6 odle- 0,25 0,6 HS-21 wni- 0,50 0,5 HS-31 czy X-45 0,25 1,0 Stellite 12 1,4 1,0 Sellite F 1,75 1,0 Sellite 1 2,4 1,0 3,3 1,0 Stellite 190 Nazwa stopu Skład chemiczny, % (reszta kobalt) Si 0,4 0,4 0,4 0,4 0,7 0,6 0,5 2,0 2,0 2,0 2,0 Cr 20 20 25 22 30 27 25 25,5 30 25 31 26 Ni 10 20 20 22 2,5 3 10 10,5 3 22 3 3 Mo W 15 4 4 4 2 14 1,5 4 5 7,5 7 1 8,3 1 12,3 1 12,5 1 14,5 Fe 3 4 3 3 3 1 1,5 2 3 3 3 3 inne 4,0 Nb 2,0 Nb 0,03 La 0,01 B -
Wszystkie przemysłowe stopy kobaltu zawierają chrom, który podwyższa ich odporność na korozję, a ponadto - zależnie od gatunku - różne ilości wolframu, niklu, niobu, tantalu,
181
JW
molibdenu, aluminium i in. (tabl. 13.2).. W obecności dostatecznej ilości węgla niektóre z tych pierwiastków tworzą trudno topliwe węgliki (np. V, Mo, Ta, Nb), inne wpływają na własności osnowy. Dzielą się na stopy do przeróbki plastycznej i odlewnicze. Te ostatnie wykazują bardzo dużą odporność na ścieranie i pod nazwą stellitów są wykorzystywane także jako materiały narzędziowe oraz do napawania powierzchni części maszyn. Stopy kobaltu są stosowane bądź w stanie surowym (niektóre odlewy), bądź obrobionym cieplnie (przesycanie i starzenie). 13.3. Żarowytrzymałe stopy żelazowo-niklowe Stopy żelaza z niklem i chromem oraz - zależnie od gatunku - z molibdenem. wolframem, niobem, kobaltem, tytanem, aluminium, borem i in. (tabl. 13.3) charakteryzują się wysoką żarowytrzymałością i żaroodpornością, niższą jednak niż omówione wyżej stopy niklu i kobaltu. Są natomiast od nich o wiele tańsze (dzięki znacznej zawartości żelaza). Stopy żelazowo-niklowe są stosowane zarówno w postaci lanej, jak i przerobionej plastycznie, zwykle po obróbce cieplnej (przesycanie i starzenie). Tablica 13.5 Skład chemiczny niektórych żarowytrzymałych stopów żelazowo-niklowych produkcji USA
Nazwa stopu Discaloy Incoloy 800 Incoloy 901 S-590 Refractaloy 26 CRM 60 Duraloy lllium PD odlewniczy przerabialny plastycznie Rodzaj stopu Skład chemiczny, % (reszta żelazo) C 0,04 0,05 0,05 0,46 0,03 1,05 0,50 0,08 Mn 0,9 0,75 0,45 1,25 0,8 5 0,8 Si 0,8 0,5 0,4 0,4 1 0,5 1 Cr 13,5 21 13,5 20,5 18 22 25,5 27 Ni 26 32,5 42,7 20 38 5 45,5 5 Mo 2,75 6,2 4 3,2 1 2 W 4 1 Ti 1,75 0,38 2,5 2,6 inne 0,1 AI 0,38 AI 0,25 AI, 0,015 B 20 Co, 4Nb 0,2 AI, 20 Co 1 Nb, 0,003 B 3,25 Co 7 Co
3,25 3,25
13.4. Molibden i jego stopy Molibden jest metalem o temperaturze topnienia 2610°C i gęstości 10,2 g/cm3. Cechują go: • wysoki moduł sprężystości, • dobra odporność na gwałtowne zmiany temperatury (dzięki małemu współczynnikowi rozszerzalności cieplnej i wysokiej przewodności cieplnej), • dobra przewodność elektryczna (około 33% przewodności Cu), • stosunkowo mały przekrój czynny pochłaniania neutronów. Do jego zalet należy również dość szerokie rozpowszechnienie w przyrodzie i dobrze opracowaną technologię wytwarzania. Zasadniczą natomiast wadą molibdenu i stopów na jego osnowie jest brak odporności w podwyższonych temperaturach (powyżej 650°C) na korodujące działanie gazów atmosferycznych, a szczególnie tlenu, tak że stosowanie w wysokich temperaturach jest uwarunkowane specjalnymi ochronnymi pokryciami ceramicznymi. Jako materiały konstrukcyjne wykorzystuje się obecnie molibden techniczny zawierający około 0,02% C), stop molibden-tytan (zawierający 0,04% C i 0,5% Ti), stop molibden-wolfram (30% W), stop molibden-ren (41% Re), stop TZC 1,2% Hf i 0,05% C) i stop TZM (0,015% C, 0,5% Ti i 0,08% Zr). Ten ostatni w temperaturze 1315°C ma Rm = 310 MPa. Molibden i jego stopy są stosowane w lotnictwie i kosmonautyce na dysze rakiet, części silników, przednie części skrzydeł itd.
182 13.5. Wolfram i jego stopy
JW
Szczególnymi zaletami wolframu są bardzo wysoka temperatura topnienia (3415 oC) i wyjątkowa wytrzymałość w wysokich temperaturach, ujemnymi cechami - duża gęstość (19,3 g/cm3) i kruchość w niskich temperaturach. Poza tym wolfram, jak większość metali trudno topliwych, łatwo utlenia się w wysokich temperaturach, co powoduje konieczność stosowania pokryć ochronnych. Te same własności cechują stopy wolframu z tlenkiem toru (l lub 2% ThO2), wolframu z renem (4% lub 25% Re) i molibdenem (15% Mo). Wolfram i jego stopy stosowane są doświadczalnie w konstrukcjach lotniczych i kosmonautycznych. 13.6. Niob i jego stopy Niob i jego stopy z molibdenem, wolframem, tantalem, cyrkonem, hafnem, tytanem, wanadem i in. są zaliczane do najcenniejszych tworzyw żarowytrzymałych, głównie dzięki wysokiej temperaturze topnienia niobu (2468°C), jego małej gęstości (8,57 g/cm3) i małemu przekrojowi czynnemu pochłaniania neutronów. Inne cenne własności niobu to plastyczność w temperaturach obniżonych i obrabialność, lepsze niż molibdenu i wolframu. W podwyższonych temperaturach niob staje się miękki i plastyczny, ale za pomocą pierwiastków stopowych można jego wytrzymałość podwyższyć do tego stopnia, że stopy niobu z powodzeniem mogą konkurować z innymi metalami żarowytrzymałymi do temperatury 1815°C. Poważną wadą niobu i jego stopów jest mała odporność na utlenianie w wysokich temperaturach i związana z tym konieczność stosowania specjalnych pokryć ochronnych. Stopy niobu są stosowane na elementy konstrukcyjne sztucznych satelitów, osłony i elementy przegrzewaczy reaktorów jądrowych, zbiorniki i rurociągi na ciekłe metale, dysze silników rakietowych, elementy komór spalania i części poszycia samolotów naddźwiękowych, np. C 103 (10% Hf, 1% Ti, 0,7% Zr), B 66 (5% Mo,5%V, 1% Zr), C 129Y (10% W, 10% Hf, 0,1% Y), B 99 (22% W, 2% Hf, 0,07% C), Cb 132M (20% Ta, 15% W, 5% Mo, 1,5% Zr, 0,1% C), F-48 (15% W, 5% Mo, 1% Zr, 0,05% C). 13.7. Tantal l jego stopy Tantal cechuje bardzo wysoka temperatura topnienia (2996°C) doskonała obrabialność i plastyczność, także w temperaturze poniżej -255°C, oraz dobra spawalność. Wadą tego pierwiastka jest duża gęstość (16,6 g/cm3), mała odporność na utlenianie w wysokich temperaturach (powyżej 650°C) i co najważniejsze niewielkie zapasy w skorupie ziemskiej (ok. 1,5% znanych zapasów niobu). Stopy tantalu oprócz wymienionych własności cechuje wysoka żarowytrzymałość. Stosowane są na elementy konstrukcyjne pojazdów kosmicznych i dysze silników rakietowych, np. FS 61 (7,5% W), PS 63 (2,5% W, 0,15% Nb), T-lll (8% W, 2% Hf), KBI 41 (37,5% Nb, 2,5% W, 2% Mo). 13.8. Beryl Bardzo ciekawym i perspektywicznym materiałem dla lotnictwa i techniki rakietowej jest metaliczny beryl. Charakteryzuje się on bardzo małą gęstością (1,85 g/cm3), dość wysoką temperaturą topnienia (1282°C), wysokim modułem sprężystości, wysoką wartością stosunku wytrzymałości do gęstości oraz wysoką pojemnością i przewodnością cieplną. Wady berylu to toksyczność, ograniczona plastyczność w niskich temperaturach i stosunkowo wysoka cena. Jak dotąd, przemysłowe zastosowanie znalazł beryl technicznie czysty o kontrolowanej zawartości tlenu (w postaci tlenku BeO). W postaci kutej w temperaturze otoczenia materiał ten ma Rm ok. 700 MPa, w temperaturze 600°C - Rm = 330 MPa.
11_stopy_cualmgliti
148
JW
8. Miedź i stopy miedzi
Miedź jest metalem barwy czerwonawej, o gęstości 8,96 g/cm3 i temperaturze topnienia 1083°C. Można ją przerabiać plastycznie na zimno i na gorąco, ale w przypadku przeróbki na zimno następuje utwardzenie metalu (w wyniku zgniotu), które usuwa się przez wyżarzenie rekrystalizujące (w temp. 400-600°C). Przeróbkę plastyczną na gorąco przeprowadza się w temp. 650-800°C. Cennymi własnościami miedzi są wysoka przewodność elektryczna i cieplna oraz odporność na korozję. 8.1. Miedź technicznie czysta Zawiera 0,01-1,0% zanieczyszczeń, zależnie od sposobu wytwarzania i oczyszczania. Dzieli się na miedź surową (konwertorową lub anodową), rafinowaną oraz przetopioną (beztlenową, tlenową i odtlenioną). Gatunki miedzi rafinowanej i przetopionej są w Polsce znormalizowane. Oprócz tlenu wszystkie rodzaje miedzi technicznie czystej zawierają drobne ilości innych pierwiastków (Bi, Pb, Sb, As, Fe, Ni, Sn, Zn, S i Ag), które również uważane są za zanieczyszczenia (wyjątkiem jest srebro). Miedź beztlenowa (zawierająca max 0,003% O) stosowana jest na elementy konstrukcyjne lamp elektronowych, aparatury próżniowej, przewody elektrotechniczne itd. Pozostałe rodzaje miedzi, zależnie od czystości, są stosowane do wyrobu różnych elementów konstrukcyjnych oraz przerabianych plastycznie i odlewniczych stopów miedzi. Duże ilości miedzi zużywa się do wytwarzania powłok galwanicznych na stali, zwykle jako podkładu pod powłoki niklowe lub niklowo-chromowe. 8.2. Stopy miedzi Stopami miedzi nazywa się stopy, w których metalem podstawowym (głównym składnikiem) jest miedź, z wyjątkiem stopów zawierających złoto lub srebro, które uważa się za stopy złota lub srebra, jeśli zawartość tych metali wynosi conajmniej 10%. Ogólnie stopy miedzi, będące obecnie najbardziej rozpowszechnionymi materiałami konstrukcyjnymi po stopach żelaza i stopach aluminium, dzielą się na: a) stopy wstępne miedzi, b) miedź stopową, c) mosiądze, d) miedzionikle, e) brązy, f) stopy oporowe miedzi. W zależności od przeznaczenia stopy miedzi dzielą się na odlewnicze i do przeróbki plastycznej. Stopy wstępne miedzi są pomocniczymi, dwu- lub trzyskładnikowymi stopami, wytwarzanymi w celu ułatwienia wprowadzenia dodatków stopowych lub technologicznych (odtlenianie). Na przykład, stop zawierający 50% Al stosowany jest jako dodatek stopowy przy produkcji brązów i mosiądzów aluminiowych, stop zawierający 12% P — jako dodatek stopowy lub jako odtleniacz itd. Miedź stopowa jest ogólną nazwą stopów do przeróbki plastycznej, zawierających nie więcej niż 2% głównego dodatku stopowego. Znormalizowane gatunki obejmują miedź arsenową, chromową, cynową, kadmową, manganową, niklową, siarkową, srebrową, tellurową i cyrkonową. Miedź arsenowa, zawierająca 0,3 ÷ 0,5% As, jest stosowana na elementy aparatury chemicznej, miedź chromowa (0,4 ÷ 1,2% Cr) - na elektrody zgrzewarek, miedź srebrowa (0,045 ÷ 2% Ag) - na uzwojenia silników elektrycznych, luty, elektrody do spawania, druty wspierające siatki lamp elektrycznych itd. (PN-79/H-87053). Mosiądze są stopami miedzi, w których głównym składnikiem stopowym jest cynk w ilości powyżej 2%. Dzielą się na mosiądze odlewnicze (tabl. 8.1) i do przeróbki plastycznej. Te ostatnie, zgodnie z PN-92/H-87025, dzielą się na dwuskładnikowe, zawierające 0,4 ÷ 40,5%
149 JW cynku (gatunki M95, M90, M85, M80, M75, M70, M67, M65, M63 i M60, w symbolu M oznacza mosiądz, a liczba - nominalną zawartość miedzi w %), i wieloskładnikowe. Mosiądze wieloskładnikowe dzielą się z kolei na ołowiowe (tabl. 8.2) i bezołowiowe, zwane też mosiądzami specjalnymi (tabl. 8.3). Tablica 8.1
Skład chemiczny i własności mechaniczne odlewów piaskowych z mosiądzów odlewniczych (wg PN-91/H-87026) Gatunek mosiądzu znak cecha Skład chemiczny, % (reszta cynk) Cu Mn Fe inne Rm MPa zanieA5
%
czyszczenia, max
CuZn43Mn4Pb3Fe CuZn37Mn4Fe1Sn1 CuZn50Mn3Fe CuZn38Mn2Pb2 CuZn38AI12Mn1Fe CuZn26AI6Mn3Fe2Ni1,5 CuZn39Pb2 CuZn38Pb2 CuZn16Si4
MM47 MM54 MM55 MM58 MA58 MA62 M059 M060 MK80
48-50 54,5-57 53-58 57-60 56-60 61-63,5 57-60 56-62 79-81
3,0-4,0 3,0-4,2 3,0-4,0 1,5-2,5 1,0-2,0 2,5-3,5 -
0,5-1,2 0,7-1,6 0,5-1,5 0,5-1,5 1,0-2,5 -
2,0-3,5 Pb 0,6-1,5Sn 1,5-2,5Pb 1,5-2,5AI 5,0-6,5 Al 1,0-2,0 Ni 1,0-2,5 Pb 1,0-3,OPb 3,0-4,5 Si
1,0 2,0 1,2 1,8 1,2 1,0 1,8 2,2 2,0
360 390 450 250 400 600 250 250 300
10 12 15 15 12 5 12 10 15 Tablica 8.2
Skład chemiczny i gęstość mosiądzów ołowiowych do przeróbki plastycznej (wg PN-92/H-87025) Gatunek mosiądzu znak CuZn37PbO,5 CuZn36Pb1,5 CuZn36Pb3 CuZn38Pb1,5 CuZn39Pb2 CuZn40Pb2 CuZn39Pb3 CuZn40Pb2 cecha M063 M062 M061 M060 M059 M058 M058A M058B Skład chemiczny, % (reszta cynk) Cu Pb 62,0 ÷ 64,0 0,3 ÷ 0,7 62,0 ÷ 64,0 0,7 ÷ 2,5 60,0 ÷ 62,0 2,5 ÷ 3,5 59,5 ÷ 61,5 1,0 ÷ 2,0 58,5 ÷ 60,0 1,5 ÷ 2,5 56,0 ÷ 60,0 1,0 ÷ 3,5 57,0 ÷ 59,0 2,5 ÷ 3,5 57,0 ÷ 59,0 1,5 ÷ 2,5 Gęstość, g/cm3 8,5 8,5 8,5 8,4 8,4 8,5 8,5 8,5
Grupę mosiądzów do przeróbki plastycznej stanowią mosiądze wysokoniklowe, zawierające 11÷19,5% niklu. Osobną grupę znormalizowanych mosiądzów do przeróbki plastycznej (PN93/H-87027) stanowią mosiądze wysokoniklowe, zwane często (od zabarwienia) nowym srebrem (tabl. 8.4). Mosiądze odlewnicze cechuje rzadkopłynność i dobre wypełnianie form, tak że nadają się one na odlewy piaskowe, kokilowe i pod ciśnieniem (temperatura odlewania waha się od 950 do 1100°C). Ich wadą jest skłonność cynku do parowania (temperatura wrzenia cynku wynosi 907°C) i wiążące się z tym duże straty tego pierwiastka. Dlatego mosiądz należy topić pod przykryciem i w miarę możliwości bez przegrzewania. Inną wadą mosiądzów jest duży skurcz odlewniczy (1,8 ÷ 2%). Mosiądze stosowane są na wszelkiego rodzaju części maszyn, armatury, silników itd. Z mosiądzu MM55 odlewa się m.in. śruby okrętowe, mosiądz MA58 jest wykorzystywany przez przemysł lotniczy i okrętowy.
150
JW Tablica 8.3
Skład chemiczny, % (reszta cynk) Cu inne Gęstość g/cm3 8,5 8,4 8,4 8,3
Skład chemiczny i gęstość mosiądzów specjalnych do przeróbki plastycznej (wg PN-92/H-87025) Gatunek mosiądzu znak CuZn28Sn1 CuZn38Sn1 CuZn20AI2 CuZn39AI1Fe1Mn1 cecha MC70 MC62 MA77 MA58
70,0 ÷72,5 59,0 ÷62,0 76,0 ÷79,0 56,0 ÷61,0
0,02 ÷ 0,06 As 0,9 ÷ 1,3 Sn 0,5 ÷ 1,0 Sn 0,02 ÷ 0,06 As 1,8 ÷ 2,3Al 0,2 ÷ 1,5 Fe 0,2 ÷ 1,5 AI 0,2 ÷ 2,0 Mn 1,0 ÷ 2,0Mn 0,7 ÷ 1,3 Si
CuZn4Z0Mn1,5 CuZn31Si1
MM58 MK68
57,0 ÷59,0 66,0 ÷70,0
8,3 8,4
Tablica 8.4
Skład chemiczny i gęstość wysokoniklowych mosiądzów do przeróbki plastycznej (wg PN-93/H-87027) Gatunek mosiądzu znak CuNi18Zn27 CuNi18Zn20 CuNi15Zn21 CuNi12Zn24 CuNi18Zn19Pb11 CuNi10Zn28Pb1 cecha MZN18 MZ20N18 MZN15 MZN12 MZN181 MZN101 Skład chemiczny, % (reszta cynk) Cu 53,5 ÷ 56,5 60,0 ÷ 63,0 63,0 ÷ 66,0 63,0 ÷ 66,0 59,0 ÷ 63,0 59,0 ÷ 63,0 Ni 17,0 ÷ 19,0 17,0 ÷ 19,0 14,0 ÷ 16,0 11,0 ÷ 13,0 17,0 ÷18,0 9,0 ÷ 11,0 Pb 0,5 ÷ 1,5 1,0 ÷ 2,0 Gęstość g/cm3 8,7 8,8 8,7 8,7 8,8 8,6
Mosiądze dwuskładnikowe, czyli stopy miedzi z cynkiem, są najczęściej stosowanymi stopami miedzi. Jak wynika z układu równowagi miedź-cynk (rys. 8.1). stopy zawierające do 39% Zn mają strukturę roztworu stałego α cynku w miedzi, powyżej tej zawartości strukturę dwufazową, będącą mieszaniną roztworu stałego α i roztworu stałego β (β' - uporządkowany roztwór stały β na osnowie fazy międzymetalicznej CuZn). Roztwór stały α odznacza się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi, łatwo poddaje się przeróbce plastycznej na zimno i jest odporny na działanie wielu ośrodków korozyjnych. Roztwór β jest bardziej twardy od roztworu stałego α, mniej jednak ciągliwy i mniej odporny na korozję. W zasadzie cynk zwiększa wytrzymałość i plastyczność stopu, ale maksymalną plastyczność ma stop zawierający około 30% Zn. Przekroczenie granicy obszaru jednofazowego powoduje gwałtowne pogorszenie plastyczności. Z tego powodu do przeróbki plastycznej na zimno (cienkie blachy i druty) stosuje się raczej mosiądze o maksymalnej Rys. 8.1. Część układu plastyczności w temperaturze pokojowej, tj. mosiądze jednorównowagi miedź-cynk od fazowe α zawierające około 30% Zn (rys. 8.2). Natomiast do strony miedzi przeróbki plastycznej na gorąco lepiej nadają się mosiądze zawierające więcej niż 32% Zn, gdyż w wysokiej temperaturze struktura takich stopów składa
151 JW się z kryształów α+ β (roztwór stały β w temp. 300 ÷ 700°C jest mniej wytrzymały i bardziej plastyczny niż roztwór stały α). Mikrostrukturę mosiądzu dwufazowego pokazano na rys. 8.3. Mosiądze do przeróbki plastycznej są stosowane przeważnie w stanie utwardzonym przez zgniot, dzięki czemu uzyskuje się znaczne podwyższenie ich wytrzymałości, przy pewnym jednak pogorszeniu własności plastycznych. Z mosiądzów dwuskładnikowych wykonuje się rurki włoskowate i chłodnicowe, wężownice, membrany manometrów, łuski amunicyjne, części tłoczne i kute. Mosiądze ołowiowe są przeznaczone na części obrabiane skrawaniem i dla przemysłu zegarowego, mosiądze specjalne, zależnie od składu chemicznego - na rury wymienników ciepła (MC70 i MA77), elementy aparatury, elementy ślizgowe (MA58 i MK68) itp. Mosiądze wysokoniklowe są przeznaczone do wyrobów przedmiotów artystycznych, naczyń stołowych, widelców, łyżek (jako imitacja srebra), części sprężynujących aparatów, elementów głębokotłocznych. Gatunki zawierające ołów są przeznaczone na elementy obrabiane skrawaniem, szczególnie dla mechaniki precyzyjnej i optyki.
Rys.8.2. Mikrostruktura mosiądzu jednofazowego (30% Zn). Widoczne kryształy roztworu stałego α, częściowo bliźniacze. Traw. roztworem NF4OH + H2O2;. Powiększ. 200x
Rys. 8.3. Mikrostruktura mosiądzu dwufazowego (40% Zn) po przeróbce plastycznej na gorąco. Widoczne jasne kryształy roztworu stałego α i ciemne kryształy roztworu stałego β'. Traw. odczynnikiem chromowym, 150x
Miedzionikle są przerabialnymi plastycznie stopami miedzi, w których głównym składnikiem stopowym jest nikiel w ilości powyżej 2% (tabl. 8.5). Tablica 8.5 Skład chemiczny miedzionikli (wg PN-92/H-87052)
Gatunek miedzioniklu znak CuNi25 CuNi9Sn2 CuNi10FelMn CuNi30Mn1Fe CuNi30Fe2Mn CuNi44Mn1 cecha MN25 MNC92 MNŻ101 MNM301 MNŻM3022 MNM441 Skład chemiczny, % (reszta miedź) Ni 24,0 ÷26,0 8,5 ÷10,5 9,0 ÷ 11,0 30,0 ÷32,0 29,0 ÷32,0 43,0 ÷ 45,0 Mn 0,10 ÷ 0,50 0,5 ÷1,0 0,5 ÷1,5 1,5 ÷ 2,5 0,5 ÷ 2,5 Inne 1,8 ÷2,8 Sn 1,0 ÷2,0 Fe 0,4 ÷1,0 Fe 1,5 ÷2,5 Fe -
Miedzionikle cechuje bardzo dobra odporność na korozję i ścieranie oraz dobra plastyczność, która umożliwia wytwarzanie z nich blach, taśm, prętów, rur i drutów. W szczególności miedzionikiel MN25 przeznaczony jest na monety, MNC92 – na elementy sprężynujące, połączenia wtykowe i przełączniki, MNŻ101, MNM301 i MNŻM – na rury wymienników ciepła zwłaszcza w urządzeniach okrętowych, elementy aparatury i urządzeń klimatyzacyjnych. MNM441 - na oporniki urządzeń pomiarowych i elementy elektroniczne. Gęstość wszystkich miedzionikli wynosi 8,9 g/cm3. Brązy są stopami miedzi, w których głównym składnikiem stopowym (ponad 2% jest cyna, aluminium, krzem, beryl, ołów i inne, z wyjątkiem cynku i niklu. W zależności od głównego
152 JW składnika stopowego (aluminium, beryl, cyna, krzem. kobalt, ołów, antymon, mangan, tytan) noszą nazwę brązów aluminiowych, berylowych itd. Podobnie jak mosiądze, dzielą się na odlewnicze (tabl. 8.6) i do przeróbki plastycznej. Tablica 8.6 Skład chemiczny i własności mechaniczne odlewów piaskowych z brązów odlewniczych (wg PN-91/H-87026)
Gatunek brązu znak cecha Sn 9 ÷11 9 ÷11 9 ÷11 9 ÷11 7,3 ÷9 4 ÷6 3 ÷5 4 ÷6 Skład chemiczny, % (reszta miedź) Zn Fe Mn inne Rm Zanie- MPa
czyszczenia max
A5 %
CuSn10 CuSn10P CuSn10Zn2 CuSn10Pb10 CuSn8Pb15Ni CuSn5Zn5Pb5 CuSn4Zn7Pb6 CuSn5Pb20 CuAI9Fe3 CuAI10Fe3Mn2 CuAI10Fe4Ni4 CuSi3Zn3Mn
B10 B101 B102 B1010 B815 B555 B476 B520 BA93 BA1032 BA1044 BK331
1÷3 4 ÷6 6 ÷8 -
2 ÷4 2 ÷4 3,6÷5,7
1÷2 -
0,5 ÷1,0 P 8,5 ÷11 Pb
1,0 0,8 1,0 0,8
240 220 240 180 150 200 200 150 500 500 590 280
12 3 10 7 7 13 15 5 13 15 5 8
13,5 ÷17 Pb 1,2 0,5 ÷1,5 Ni 1,0 4 ÷6 Pb 1,0 5 ÷7 Pb 18 ÷ 23Pb 1,2 1,0 8 ÷10AI 8,5 ÷10,5AI 0,8 9 ÷11,2 AI 3,5 ÷5,5 Ni 3 ÷ 4 Si 1,5 1,0
3 ÷5 0,5÷1,2 0,5÷1,5
Brązy cynowe należą do najstarszych znanych stopów i już w starożytności stosowane były do wyrobu mieczów, ozdób, naczyń i przedmiotów codziennego użytku. Na rysunku 8.4 przedstawiono część układu równowagi miedź-cyna. Jak widać w stopach zawierających do około 14% Sn występuje roztwór stały α cyny w miedzi, powyżej tej zawartości - mieszanina roztworu stałego α i fazy δ (faza elektronowa). Praktycznie jednak struktura lanych stopów miedzi z cyną ze względu na wzmożoną likwację znacznie odbiega od stanu równowagi. Przy zawartości 5 ÷ 6% Sn składa się ona z niejednorodnego roztworu stałego α, mającego jak każdy metal lany budowę dendrytyczną. Przy większej zawartości cyny na tle niejednorodnego roztworu występuje eutektoid (α + δ ) mający niejednorodną budowę (rys. 8.5 i 8.6). Obecność kruchej fazy δ wyklucza możliwość walcowania, dlatego brązy o większej zawartości cyny stosuje się wyłącznie na odlewy. Brązy cynowe wykazują wyjątkowo mały skurcz odlewniczy, co umożliwia wykonywanie z nich odlewów o skomplikowanych kształtach (np. pomników). Jednak wskutek znacznej różnicy temperatur początku i końca krzepnięcia, brązy te mają małą rzadkopłynność i nie tworzą skupionej jamy usadowej. Rzadko Rys. 8.4. Część układu więc można uzyskać odlew o dobrej ścisłości (bez rzadzizn i równowagi miedź-cyna od porów). strony miedzi Dzięki dużej odporności chemicznej, zwłaszcza na działanie czynników atmosferycznych, dobrej wytrzymałości i odporności na ścieranie, z cynowych
153 JW brązów odlewniczych wytwarza się wszelkiego rodzaju armaturę wodną i parową, panewki do łożysk ślizgowych, odlewy artystyczne i inne o skomplikowanym kształcie (tabl. 8.7). Trzeba wspomnieć, że obecność wtrąceń twardego eutektoidu zapewnia dużą odporność na ścieranie i dlatego brąz zawierający ponad 10% Sn jest jednym z najlepszych materiałów przeciwciernych, znajdują zastosowanie jako stop łożyskowy. Brązy cynowe przerabialne plastycznie (tabl. 8.8) mają także dobrą wytrzymałość, są sprężyste oraz odporne na korozję i ścieranie (ze wzrostem zawartości cyny w brązie następuje wzrost tych własności. Wszystkie gatunki są dobrze skrawalne, podatne lutowanie i spawanie oraz przeróbkę plastyczną na zimno.
Tablica 8.7 Przykłady zastosowania brązów odlewniczych (wg PN-91/H-87026) Cecha Przykłady zastosowania silnie obciążone części maszyn, jak łożyska, panewki i napędy oraz osprzęt B10 parowy, wodny; odporny na działanie niektórych kwasów wysoko obciążone, szybkoobrotowe, źle smarowane i narażone na korozję B101 łożyska, części maszyn oraz armatura chemiczna wysoko obciążone i narażone na korozję części maszyn w przemyśle B102 B1010 łożyska i części trące maszyn pracujących przy dużych naciskach i panwie ślizgowe pracujące przy znacznych naciskach, pierścienie B815 części maszyn, osprzętu aparatury pojazdów, silników i traktorów B555 podlegające korozji w środowisku wodnym, ścieranie wytrzymujące ciśnienie do 2,5 MPa części maszyn, tuleje i łożyska pracujące przy obciążeniach statycznych i B476 normalnej temperaturze, armatura wodna wytrzymująca ciśnienie 2,5 MPa łożyska i części maszyn narażone na ścieranie przy dużej szybkości i B520 małych naciskach BA1032 silnie obciążone części maszyn, silników oraz osprzętu i aparatury narażone na korozję i ścieranie przy równoczesnym obciążeniu BA93 mechanicznym w przemyśle komunikacyjnym, okrętowym, lotniczym, BA1044 chemicznym itp. BK331 części maszyn i osprzętu (łożyska, elementy napędów, pompy) narażone na korozję, zmienne obciążenia i złe smarowanie
Tablica 8.8
Skład chemiczny i gęstość przerabialnych plastycznie brązów cynowych (wg PN-92/H-87050) Gatunek brązu znak CuSn2 CuSn4 CuSn6 CuSn8 CuSn4Pb4Zn3 cecha B2 B4 B6 B8 B443 Sn 1,0 ÷ 2,5 3,5 ÷ 4,5 5,5 ÷ 7,0 7,5 ÷ 8,5 3,5 ÷ 4,5 Skład chemiczny, % (reszta miedź) Zn 1,5 ÷ 4,5 Pb 3,5 ÷ 4,5 P 0,01 ÷ 0,35 0,01 ÷ 0,35 0,01 ÷ 0,35 0,01 ÷ 0,35 0,01 ÷ 0,50 Gęstość g/cm3 8,9 8,8 8,8 8,8 8,8
Z brązu B2 wytwarza się śruby i giętkie węże, z brązu B4 - śruby, sprężyny manometryczne, elementy przyrządów kontrolno-pomiarowych i połączenia wtykowe z brązów B6 i B8 sprężyny, membrany, sita papiernicze, rurki manometryczne elementy przyrządów, z brązu B443 - elementy ślizgowe. Brązy o zawartości 4 ÷6% Sn ze względu na dobre własności plastyczne i piękne zabarwienie znalazły zastosowanie m.in. do wyrobu monet i medali. Pod wpływem przeróbki plastycznej na zimno wzrasta bardzo ich twardość, co wpływa korzystnie na zwiększenie odporności na ścieranie. Brąz o zawartości 10% Sn jest stosowany do wyrobu kół zębatych.
154 JW Z brązów cynowych wieloskładnikowych trzeba wymienić stopy z cynkiem (5 ÷ 10% Sn, 2 ÷ 6% Zn), zwane dawniej spiżami. Mają one nieco mniejszą wytrzymałość i odporność na korozję niż brązy dwuskładnikowe, ale lepsze własności odlewnicze, co umożliwia wykonywanie z nich skomplikowanych odlewów cienkościennych (części maszyn, armatura, okucia budowlane, wyroby artystyczne).
Rys. 8.5. Mikrostruktura brązu cynowego (10% Sn) w postaci lanej. Widoczna budowa dendrytyczna. Traw. roztworem NH4OH + H2O2. Powiększ. 100x
Rys. 8.6. Mikrostruktura brązu cynowego(10% Sn) w postaci lanej. Widoczna faza a w postaci dendrytów (bogate w miedź środki dendrytów są ciemne, bogate w cynę brzegi tych dendrytów są jasne) i szare, kropkowane wydzielenia eutektoidu a + 8 . Traw. roztworem NH4OH + H2O2. Powiększ. 500x
Brązy aluminiowe produkowane są zarówno jako odlewnicze (tabl. 8.6), jak przerabialne plastycznie (tabl. 8.9). Dzielą się na dwuskładnikowe, zawierające 4 ÷ 8% Al, i wieloskładnikowe, zawierające zwykle żelazo i mangan, żelazo i nikiel i inne dodatki. Główne ich cechy to wysoka wytrzymałość i plastyczność zarówno w temperaturze otoczenia, jak i w temperaturach podwyższonych, oraz dobra odporność na ścieranie i korozję (m.in. wody morskiej). Tablica 8.9
Skład chemiczny i gęstość przerabialnych plastycznie brązów aluminiowych (wg PN-92/H-87051) Gatunek brązu aluminiowego znak CuAl5As CuAl 8 CuAl8Fe3 CuAl10Fe3Mn2 CuAl10Ni5Fe4 cecha BA5 BA8 BA83 BA1032 BA1054 Skład chemiczny, % (reszta miedź) Al 4,0 ÷ 6,0 7,5 ÷ 9,0 6,5 ÷ 8,5 8,5 ÷ 11,0 8,5 ÷ 11,0 Fe 1,5 ÷3,3 2,0 ÷ 4,0 2,0 ÷ 5,0 Inne 0,1÷0,4 As 1,5 ÷3,5Mn 4,0 ÷6,0 Ni Gęstość g/cm3 8,2 7,8 7,7 7,6 7,6
W postaci lanej brązy aluminiowe stosuje się na silnie obciążone części maszyn, silników oraz części osprzętu i aparatury, narażone na korozję i ścieranie przy równoczesnym obciążeniu mechanicznym. Orientacyjne własności i przykładowe zastosowanie brązów aluminiowych przerabialnych plastycznie podano w tabl. 8.10. Brązy aluminiowe podlegają ulepszaniu cieplnemu (hartowanie z temp. ok. 900°C, odpuszczanie w temp. 300 ÷ 450°C). Mikrostrukturę brązu aluminiowego w postaci lanej pokazano na rys. 8.7. Z pozostałych brązów znormalizowane są: odlewniczy brąz krzemowy BK331 (tabl. 8.6) oraz specjalne stopy miedzi do przeróbki plastycznej, w tym brązy krzemowe i berylowe (tabl. 8.11). Orientacyjne własności tych stopów i ich zastosowanie podano w tabl. 8.12. Brązy berylowe podlegają obróbce cieplnej (umocnieniu wydzieleniowemu), złożonej z przesycania z temperatury 800°C i starzenia w temperaturze 350°C. Wadą ich jest stosunkowo wysoki koszt berylu.
155
JW Tablica 8.10
Orientacyjne własności i przykłady zastosowania brązów aluminiowych do przeróbki plastycznej (wg PN-92/H-87051) Cecha brązu Orientacyjne własności duża odporność na korozję, dobra podatność na obróbkę plastyczną na zimno; BA5 jest szczególnie odporny na działanie gorących roztworów soli, BA8- na działanie kwasu siarkowego i octowego wysokie własności wytrzymałościowe (również w temperaturach podwyższonych), dobra odporność na korozję szczególnie w roztworach kwaśnych, wysoka odporność na erozję i kawitację wysoka odporność na obciążenia zmienne, dobra odporność na ścieranie, dobra podatność na obróbkę plastyczną na zimno Przykłady zastosowania elementy pracujące w wodzie morskiej, części aparatury chemicznej części aparatury chemicznej dna sitowe wymienników ciepła, części aparatury chemicznej części aparatury kontrolno-pomiarowej i chemicznej, wały, śruby, części narażone na ścieranie dna sitowe wymienników ciepła, wały, śruby części narażone na ścieranie, części urządzeń hydraulicznych, gniazda zaworów, koła zębate
BA5 BA8
BA83 BA 1032
BA1054
Rys. 8.7. Mikrostruktura brązu aluminiowego (9% Al w postaci lanej (szybko chłodzonego). Widoczne jasne kryształy roztworu stałego i nieco ciemniejsze iglaste kryształy roztworu stałego β. Traw. roztworem NH4OH + H2O2. Powiększ. 200x Tablica 8.11
Skład chemiczny i gęstość specjalnych stopów miedzi do przeróbki plastycznej (wg PN-92/H-87060) Gatunek znak CuSi1 CuSi3Mn1 CuBe1,7 CuBe2 CuBe2Pb CuCo2Be CuNi2Si cecha BK1 BK31 BB1,7 BB2 BB21 BC2 BN2 Skład chemiczny, % (reszta Cu) Si Be inne 0,8-2,0 2,7-3,5 1,0-1,5 Mn 1,6-1,8 1,8-2,1 1,8-2,1 0,2-0,6 Pb 0,4-0,7 2,0-2,8 Co 0,5-0,8 1,6-2,5 Ni Gęstość g/cm3 8,5 8,5 8,4 8,3 8,3 8,8 8,8
Brązy ołowiowe zawierają do 26% ołowiu oraz najczęściej mniejsze dodatki cyny, niklu, manganu itd. Odznaczają się dobrą odpornością na korozję dobrą obrabialnością, a przede wszystkim dobrą odpornością na ścieranie, w związku z czym wykonuje się z nich tulejki i panewki do silnie obciążonych maszyn. Ze względu na brak rozpuszczalności ołowiu w miedzi, w stanie ciekłym brązy ołowiowe maja skłonność do likwacji składników. Warunkiem dobrych własności przeciwciernych stopu jest równomierne rozmieszczenie ziarn ołowiu i miedzi. Brązy manganowe są odporne na działanie wysokich temperatur, w których zachowują dużą twardość i ciągliwość. Znalazły zastosowanie w budowie maszyn parowych, turbin i silników spalinowych, przemyśle elektrotechnicznym (sprężyny, kontakty, szczotki) itd. Stop o zawartości 85% Cu, 12% Mn i 3% Ni nosi nazwę manganinu. Cechuje go wysoki opór elektryczny.
156
JW Tablica 8.12
Orientacyjne własności i przykłady zastosowania specjalnych stopów miedzi do przeróbki plastycznej (wg PN-92/H-87060) Cecha BK1 BK31 Orientacyjne własności wysokie własności wytrzymałościowe, duża odporność na korozję, dobra podatność na przeróbkę plastyczną na zimno; BK31 - duża podatność na spawanie bardzo wysokie własności wytrzymałościowe i sprężyste, bardzo duża odporność na ścieranie i korozję, brak skłonności do iskrzenia, średnie przewodnictwo elektryczne, podatność na przeróbkę plastyczną na zimno, szczególnie w stanie przesyconym; BB21 - podwyższona skrawalność wysokie własności wytrzymałościowe, średnie przewodnictwo elektryczne, podatność na przeróbkę plastyczną na zimno Przykłady zastosowania śruby, szczególnie w środowisku morskim elementy konstrukcji spawanych sprężyny, elementy sprężynujące i narażone na ścieranie, narzędzia nieiskrzące
BB1,7 BB2 BB21 BC2
śruby, osprzęt
BN2
Stopy oporowe miedzi są stopami z niklem (do 41%), cynkiem (do 28%), manganem (do 13%), aluminium (do 3,6%) i żelazem (do 1,5%). Charakteryzują się stosukowo wysokim oporem elektrycznym (rezystywnością) i małym współczynnikiem cieplnym oporu oraz stabilnością obu tych własności, dzięki czemu są stosowane do wyrobu elektrycznych oporników pomiarowych i rozruszników. Stopy te mają strukturę jednofazową. Najbardziej znane, to omówione wyżej konstantan, nikielina, manganin i nowe srebro (27% Zn, 18% Ni) oraz inmet albo nowokonstantan (12% Mn, 3% Al, 1% Fe). 9. Aluminium i stopy aluminium Aluminium jest pierwiastkiem metalicznym, krystalizującym w układzie regularnym płaskocentrycznym Al, o gęstości 2,7 g/cm3, temperaturze topnienia 660°C i temperaturze wrzenia 2450°C. Cechuje go dobra przewodność cieplna i elektryczna (ta ostatnia wynosi 66% przewodności elektrycznej miedzi), duży współczynnik rozszerzalności cieplnej (23,6 •10-6 1/°C) i dość dobra odporność na korozję atmosferyczną (aluminium samorzutnie tworzy na powierzchni cienką, ale bardzo szczelną i ściśle przylegającą warstewkę tlenku aluminium, która zabezpiecza go przed dalszym utlenianiem) oraz na działanie wody, niektórych kwasów organicznych. dwutlenku siarki i wielu innych związków chemicznych. Zwiększenie odporności korozyjnej aluminium (a także jego stopów) uzyskuje się przez sztuczne wytwarzanie powłoki tlenkowej bądź chemicznie (alodynowanie) bądź elektrochemicznie (eloksalacja). Obecnie proces eloksalacji jest powszechnie stosowany w budownictwie (blachy osłonowe, ramy okienne i drzwiowe), w przemyśle samochodowym, przy wyrobie naczyń i sprzętu gospodarstwa domowego Warstewka tlenków Al2O3 ma grubość 5 ÷30 µm, a jej porowatość umożliwia barwienie na dowolny kolor. 9.1. Aluminium technicznie czyste Zawiera 0,01-1,0% zanieczyszczeń (głównie żelazo, krzem, miedź, cynk i tytan. w mniejszych ilościach Mg, Mn, Cr, V, Pb i Ni), zależnie od sposobu oczyszczania. W Polsce, zgodnie z PN-79/H-82160, produkowane są dwa rodzaje aluminium technicznie czystego: rafinowane, o zawartości 99,995, 99,9 oraz 99,95% Al, i hutnicze, o zawartości 99,8, 99,7, 99,5 i 99,0% Al. Aluminium rafinowane stosuje się przede wszystkim do budowy specjalnej aparatury chemicznej oraz na wyroby dla elektrotechniki i elektroniki, aluminium hutnicze - do produkcji kabli i przewodów elektrycznych, do platerowania, budowy aparatury chemicznej, farb i produkcji stopów aluminium. Ostatni gatunek aluminium hutniczego służy ponadto do wyrobu
157 JW naczyń kuchennych i przedmiotów codziennego użytku. Przykłady oznaczania gatunków aluminium technicznego: Al 99,99 R (rafinowane), Al 99,8 H (hutnicze), 99,7 HE (hutnicze dla elektrotechniki). Aluminium technicznie czyste jest metalem bardzo plastycznym, ale ma niewielką wytrzymałość, w związku z czym jego zastosowanie w budowie maszyn jest bardzo ograniczone. 9.2. Stopy aluminium Stopy aluminium są obecnie po stopach żelaza najbardziej rozpowszechnionymi materiałami konstrukcyjnymi, znajdującymi zastosowanie we wszystkich gałęziach przemysłu. Szczególnie ważnym tworzywem są w budowie samolotów i statków ulicznych, przede wszystkim dzięki wysokim wskaźnikom własności wytrzymałościowych odniesionych do gęstości (wytrzymałości właściwej). Na przykład w samolocie „Caravelle" różne stopy aluminium stanowią 70% materiałów konstrukcyjnych, stale - 26%, a inne tworzywa tylko 4%. Ogólnie stopy aluminium dzielą się na stopy odlewnicze i stopy do przeróbki plastycznej. Obie grupy są w Polsce znormalizowane (tabl. 9.1 i 9.2). 9.2.1. Stopy aluminium odlewnicze Ta grupa stopów obejmuje 12 znormalizowanych gatunków. Cecha każdego stopu składa się z litery A (stop aluminium), z litery K, G lub M (odpowiednio krzemowy, magnezowy lub miedziowy) oraz liczby określającej zawartość procentową głównego lub dwóch głównych składników stopowych. Wśród odlewniczych stopów aluminium można wyróżnić stopy dwuskładnikowe (Al-Si, Al-Cu i Al-Mg) oraz wieloskładnikowe (Al-Si-Cu, Al-Si-Ms,, Al-SiCu-Mg-Ni, Al-Cu-Ni i Al-Cu-Ni-Mg). Stopy aluminium z krzemem jako głównym składnikiem stopowym noszą nazwę siluminów. Pod względem zawartości krzemu siluminy dzielą się na podeutektyczne 10% Si), eutektyczne (10 ÷13% Si) i nadeutektyczne (17 ÷ 30% Si). Tablica 9.1 Skład chemiczny i gęstość odlewniczych stopów aluminium (wg PN-76/H-88027)
Cecha stopu AK20 AK12 AK11 AK9 AK7 AK64 AK52 AK51 AG10 AG51 AM5 AM4 Skład chemiczny, % (reszta aluminium) Si Cu Mg Mn inne 20,0-23,0 1,1-1,5 0,5-0,9 0,1-0,3 0,8-1,1 Ni 11,5-13,0 0,8-1,5 0,8-1,5 0,8-1,3 Ni 10,0-13,0 8,5-10,5 0,2-0,4 0,25-0,5 6,0-8,0 0,2-0,4 0,1-0,5 5,0-7,0 3,0-5,0 0,3-0,6 4,0-6,0 1,5-3,5 0,2-0,8 0,2-0,8 4,5-5,5 1,0-1,5 0,35-0,6 0,2+0,5 9,0-11,0 0,8-1,3 4,0-6,0 0,1-0,4 4,0-5,0 — 4,2-5,0 0,15-0,4 0,15-0,30 Gęstość g/cm3 2,60 2,72 2,65 2,65 2,68 2,77 2,70 2,67 2,55 2,60 2,80 2,80
158
JW Tablica 9.2
Gęs Zn inne 0,05÷0,25 Cr 0,15÷0,35 Cr 0,02÷0,10 Ti 0,1÷0,25 Cr 0,1÷0,25 Cr 0,1÷0,2 Zr 0,10÷0,13 Ti tość g/cm3 2,69 2,74 2,72 2,68 2,66 2,66 2,64 2,70 2,73 2,69 2,70 2,71 2,72 2,80 2,77 2,80 2,77 2,75 2,7-7 2,80 2,80 2,80 2,80 2,80 2,75
Skład chemiczny i gęstość stopów aluminium do przeróbki plastycznej (wg PN-79/H-88026)
Cecha stopu PA43 Cu — Mg 0,7÷1,2 Mn Si Ni — Fe Skład chemiczny, % (reszta aluminium)*
PA15 0,4+0,7 0,9÷1,3 0,4÷0,7 PA16 0,2÷0,8 0,3÷0,8 PA2 do 0,6 1,7÷2,6 PA11 do 0,6 2,7÷3,6 PA13 4,0÷4,9 0,4÷1,0 PA20 4,3÷5,8 0,2÷0,6 PA5 0,8÷1,5 1,0÷1,5 PA1 1,0÷1,5 PA38 0,4÷0,9 0,3÷0,7 PA4 0,2-1,0 0,7÷1,5 0,7÷1,5 PA45 0,15÷0,4 0,8÷1,2 0,4÷0,8 PA10 0,1÷0,5 0,45÷0,9 0,15÷0,3 0,5÷1,2 PA6 3,8÷4,8 0,4÷1,0 0,4÷1,0 PA7 3,8÷4,9 1,2÷1,8 0,4÷0,9 PA21 3,8÷4,5 0,4÷0,8 0,4÷0,8 PA23 3,8÷4,5 1,2÷1,6 0,3÷0,7 PA24 2,0÷3,0 0,2÷0,5 PA25 3,9÷4,5 0,15÷0,3 0,3÷0,5 PA29 1,9÷2,5 1,4÷1,8 — 0,5÷1,2 0,8÷1,3 0,8÷1,3 PA30 1,9÷2,7 1,2÷1,8 0,8÷1,4 0,8÷1,4 PA31 1,8÷2,6 0,4÷0,8 0,4÷0,8 0,7÷1,2 — — PA33 3,9÷4,8 0,4÷1,0 0,4÷1,0 0,6÷1,2 PA9 1,4÷2,0 1,8÷2,8 0,2÷0,6 — — — 5,0÷7,0 PA47 1,15÷1,4 0,15÷0,4 4,3÷5,0
*
Maksymalna ilość zanieczyszczeń — 0,15%.
Podstawą tego podziału jest struktura stopów wynikająca z układu równowagi Al-Si (rys. 9.1).Niektóre siluminy oprócz krzemu zawierają niewielkie ilości miedzi i magnezu oraz niekiedy niklu, manganu i tytanu.
Stopy aluminium-krzem tworzą eutektykę o zawartości 11,6% Si, złożoną z kryształów roztworu stałego granicznego a krzemu w aluminium i roztworu stałego granicznego β aluminium w krzemie. W temperaturze eutektycznej (577°C) rozpuszczalność krzemu w aluminium wynosi 1,65%, w temperaturze 300°C ok. 0,5%. Natomiast rozpuszczalność aluminium w krzemie nawet w temperaturze eutektycznej jest tak mała, że się jej nie określa, a w wielu publikacjach fazę β traktuje się jako czysty krzem. Siluminy charakteryzują się doskonałymi własnościami odlewniczymi (mały skurcz liniowy, dobra lejność, mała skłonność do pękania na gorąco) i stosunkowo dobrymi własnościami mechanicznymi oraz dostateczną odpornością na korozję. Z tego względu są one szeroko stosowane na odlewy tłoków silników spalinowych AK 12), głowic cylindrów silników spalinowych (AK51, AK52), części maszyn (AK7, AK9, AK11, AK51, AK52 i AK64), armatury okrętowej (AK11) itd. Siluminy praktycznie nie podlegają obróbce cieplnej, a ich własności mechaniczne polepsza się przez specjalne zabiegi w stanie ciekłym, zwane modyfikowaniem.
159 Celem modyfikacji jest z jednej strony rozdrobnienie ziarn, z drugiej - zmiana ich kształtu. Na przykład, przy zawartości 11,6% Si siluminy krzepną jako stopy eutekyczne, przy czym ich struktura składa się z grubych, iglastych lub pierzastych kryształów roztworu stałego β na tle kryształów roztworu stałego α (rys. 9.2). Taka gruboziarnista struktura ujemnie wpływa na własności mechaniczne stopu. Przez dodanie w stanie ciekłym pewnej ilości sodu metalicznego lub soli sodu (z których na skutek reakcji wydziela się sód) uzyskuje się dużą liczbę aktywnych zarodków krystalizacji. Jednocześnie wywołuje się jakby przesunięcie punktu eutektycznego w kierunku wyższych zawartości krzemu, z jednoczesnym obniżeniem temperatury eutektycznej do 564°C. Dzięki temu silumin o składzie ściśle eutekycznym zachowuje się podczas krzepnięcia jak stop podeutektyczny i jego struktura składa się z dendrytycznych kryształów roztworu stałego α oraz drobnoziarniste eutektyki, w której kryształy β mają kształt zaokrąglony (rys. 9.3).
JW
Rys.9.1. Układ równowagi aluminium-krzem
Rys. 9.2. Mikrostruktura siluminu eutektyczne-go przed modyfikacją. Na tle roztworu stałego a widoczne ciemne kształty fazy P. Traw. 0,5% roztworem wodnym HF (40%). Powiększ. 100x
Rys. 9.3. Mikrostruktura siluminu eutektyczne go po modyfikacji. Na tle ciemnej, drobnoziarnistej eutektyki widoczne dendrytyczne kryształy roztworu stałego a. Traw. 0,5% roztworem wodnym HF (40%). Powiększ. 100x
Dzięki opisanym zmianom strukturalnym wzrasta zarówno wytrzymałość, jak i plastyczność stopów. Na przykład stop niemodyfikowany o zawartości 13% Si ma Rm = 140 MPa i A5 = 3%. Taki sam stop po modyfikacji ma Rm = 175 MPa i A5 = 8%. W procesie modyfikacji siluminów nadeutektycznych rolę modyfikatora spełnił fosfor, który tworzy z aluminium związek A1P. Związek ten charakteryzuje się dużym pokrewieństwem do krzemu pod względem struktury sieciowej i dzięki temu wytwarza aktywne zarodki krystalizacji. Praktycznie modyfikację przeprowadza się bądź czystym fosforem, bądź pięciochlorkiem fosforu, bądź też jego stopami z miedzią. W wyniku takiej modyfikacji otrzymuje się strukturę podobną do pierwotne przed modyfikacją (rys. 9.4), ale kryształy roztworu β są znacznie drobniejsze i bardziej równomiernie rozłożone w eutektyce (rys. 9.5). Rozdrobnienie kryształów roztworu stałego β, z jednej strony polepsza własności mechaniczne stopu, z drugiej umożliwia obróbkę skrawaniem. Przed modyfikacją pojedyncze kryształy β osiągają wymiary nawet kilku milimetrów. Jako twarde i bardzo kruche utrudniają, a nawet uniemożliwiają obróbkę skrawaniem odlewów, powodując bardzo szybkie niszczenie narzędzi. Niemożliwe jest także uzyskanie gładkiej powierzchni obrabianego przedmiotu z powodu łatwego wykruszania się dużych kryształów.
160
JW
Rys. 9.4. Mikrostruktura siluminu nadeutektycznego (20% Si) przed modyfikacją. Na tle eutektyki widoczne duże kryształy fazy β. Traw. 0,5% roztworem wodnym HF. Powiększ. 100x
Rys. 9.5. Mikrostruktura siluminu nadeutektycznego (20% Si) po modyfikacji. Na tle eutektyki widoczne drobne kryształy fazy β. Traw. 0,5% roztworem wodnym HF. Powiększ. 100x
Dwuskładnikowe stopy Al-Cu charakteryzują się dobrą lejnością i stosunkowo dobrą plastycznością, ale niską wytrzymałością. Toteż ich zastosowanie z reguły ogranicza się do wytwarzania galanterii stołowej i innych odlewów, od których wymaga się dobrej plastyczności. Główne zastosowanie przemysłowe mają stopy wieloskładnikowe, z których wytwarza się m.in. odlewy części samochodowych maszynowych średnio i wysoko obciążonych. Stopy Al-Cu podlegają obróbce cieplnej, powodującej znaczny wzrost wytrzymałości, ale spadek plastyczności. Stopy Al-Mg charakteryzują się wysoką odpornością na korozję, dość dobrą wytrzymałością i plastycznością. Podobnie jak stopy Al-Cu, podlegają przesycaniu i starzeniu. Stopy te są szczególnie odporne na obciążenia dynamiczne, mają ładny połysk i są stosowane na części aparatury chemicznej, a także w budowie okrętów i samolotów. 9.2.2. Stopy aluminium do przeróbki plastycznej Stopy te można podzielić na dwie podgrupy: a) stopy stosowane bez obróbki cieplnej, b) stopy stosowane w stanie utwardzonym dyspersyjnie. Pierwsza podgrupę tworzą stopy aluminium-mangan, aluminium-magnez i aluminiummagnez-mangan. Stopy aluminium-mangan umacnia się jedynie przez obróbkę plastyczną na zimno (zgniot). Wykazują one dużą plastyczność, dzięki czemu dobrze się tłoczą, ale ich wytrzymałość niewiele przewyższa wytrzymałość czystego aluminium. Cenną zaletą jest duża odporność na korozję atmosferyczną, na działanie wody morskiej, olejów, materiałów napędowych i in. (w odróżnieniu od innych pierwiastków stopowych mangan podwyższa odporność aluminium na korozję). Są stopami spawalnymi. W lotnictwie stosuje się je m.in. na zbiorniki, przewody i elementy łączne instalacji paliwowej i olejowej, owiewki, pływaki i pokrycia kadłubów hydroplanów. Stopy aluminium-magnez można obrabiać cieplnie, ale efekt tej obróbki jest niewielki, toteż praktycznie umacnia się je również tylko przez obróbkę plastyczną a zimno. Własności mechaniczne stopów aluminium-magnez zbliżone są do własności stopów aluminium-mangan, przy mniejszej jednak ich gęstości (2,6 g/cm3). Wadami są gorsza obrabialność skrawaniem i gorsza odporność na korozję, zwłaszcza przy większych zawartościach magnezu. Do stopów tego typu często wprowadza się dodatkowo mangan (kilka dziesiątych procentu), który podwyższa własności mechaniczne i polepsza odporność na korozję. Zastosowanie stopów aluminium-magnez i aluminium-magnez-mangan w lotnictwie jest podobne jak stopów alumiium-mangan. Orientacyjne własności mechaniczne omówionych stopów podano w tabl. 9.3.
JW Tablica 9.3 Orientacyjne własności mechaniczne niektórych stopów aluminium do przeróbki plastycznej Cecha stopu PA1 PA43 PA2 PA11 PA20 Własności mechaniczne Rm, MPa R0,2 MPa A10,% AI-Mn wyżarzony 150 21 zgnieciony 190 4 AI-Mg wyżarzony 120 50 27 wyżarzony 190 80 23 półzgnieciony 250 210 6 wyżarzony 240 100 20 AI-Mg-Mn wyżarzony 300 160 17 Typ stopu Stan stopu
161
Znacznie liczniejszą podgrupę stanowią stopy aluminium przerabialne plastycznie, stosowane po umacniającej obróbce cieplnej. Należą tu stopy Al-Mg-Si, Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg, Al-Zn-Mg-Cu, Al-Cu-Mn, Al-Cu-Mg-Mn, Al-Cu-Mg-Mn-Si wiele innych stopów wieloskładnikowych. Niezależnie od składu chemicznego struktura tych stopów w stanie zbliżonym do równowagi składa się ze stosunkowo miękkiego i plastycznego roztworu stałego pierwiastków stopowych (ew. domieszek pochodzących z przerobu hutniczego) w aluminium i określonych faz międzymetalicznych utworzonych bądź przez aluminium i pierwiastki stopowe lub domieszki (np. Al2Cu, Al2CuMg, Al2Mg3Zn3 Al3Mg2 Al4Si2Fe i Al3Fe), bądź przez pierwiastki stopowe między sobą (Mg2Si, MgZn2 i in). Wszystkie te fazy międzymetaliczne są twarde i kruche i spełniają w stopach rolę składnika utwardzającego. Oczywiście stopień utwardzenia stopu o danym składzie chemicznym i fazowym jest zależny od wielkości, kształtu i rozmieszczenia kryształów tych faz. Obróbka cieplna omawianych stopów polega więc na: a) wprowadzeniu do roztworu stałego wydzielonych faz międzymetalicznych i uzyskaniu jednorodnego roztworu stałego składników stopowych w aluminium (w temperaturze otoczenia będzie to oczywiście roztwór przesycony, stąd nazwa obróbki - przesycanie), b) wydzieleniu z przesyconego roztworu stałego faz międzymetalicznych (czyli tzw. starzeniu). Wynika z tego, że podstawowym warunkiem tej obróbki cieplnej, zwanej utwardzaniem wydzieleniowym, jest zmienna rozpuszczalność składników stopowych w aluminium, wzrastająca w miarę podwyższania temperatury aż do temperatury przemiany eutektycznej lub eutektoidalnej. Najważniejszym składnikiem stopowym tej podgrupy stopów aluminium jest miedź, podwyższająca wytrzymałość i twardość. Z aluminium miedź tworzy eutektykę o zawartości 33% Cu (rys. 9.6), złożoną z kryształów roztworu stałego granicznego ω miedzi w aluminium i kryształów roztworu stałego granicznego θ aluminium w fazie międzymetalicznej Al2Cu. W temperaturze eutektycznej (548°C) rozpuszczalność miedzi w aluminium wynosi 5,7%, w temperaturze otoczenia zaledwie 0,5% (wg niektórych danych rozpuszczalność miedzi w aluminium w temperaturze otoczenia jest mniejsza od 0,1%). Wynika z tego, że stopy zawierające do 0,5% Cu są stopami jednofazowymi ω, stopy zawierające 0,5-5,7% Cu są stopami dwufazowymi, składającymi się z roz tworu stałego ω i wydzielonych wtórnych kryształów fazy θ. Stopy te można jednk przez nagrzanie do odpowiedniej temperatury przekształcić w stopy jednofazowe, czyli można je obrabiać cieplnie. Przy zawartości miedzi przekraczającej 7% w strukturze stopów pojawia się eutektyka, której ilość jest oczywiście proporcjonalna do zawartości miedzi w stopie. Stopy te również można obrabiać cieplnie, ale efekt obróbki będzie mniejszy, gdyż pierwotne kryształy fazy θ wchodzące skład eutektyki nie uczestniczą w procesie dyspersyjnego utwardzania, a ponadto za θ jest składnikiem kruchym i w większych ilościach w stopach niepożądanym dlatego zawartość miedzi w stopach do przeróbki plastycznej nie przekracza 5,5% (w stopach krajowych 4,8%).
162 JW W stopach wieloskładnikowych, a takimi są przerabialne plastycznie stopy aluminium utwardzane wydzieleniowo, jak już wspomniano, tworzą się określone fazy międzymetaliczne, których skład chemiczny i ilość są funkcją składu chemicznego stopu, a które również wykazują zmienną rozpuszczalność w tworzącym osnowę stopu roztworze stałym. Najstarszymi stopami aluminium, mającymi zresztą do dziś szerokie zastosowanie przede wszystkim w lotnictwie, są durale (nazwa duraluminium lub krótko dural oznacza „twarde aluminium", z francuskiego dur — twardy). Rozróżnia się dwa rodzaje durali: bezcynkowe, których skład chemiczny zawiera się w granicach:1 ÷5,2% Cu, 0,4 ÷1,8 Mg, 0,3 ÷1,0% Mn, max 0,7% Si, max 0,5% Fe max 0,5% Zn, oraz durale zawierające cynk, o składzie: 1,4 ÷ 2,0% Cu, 5 ÷ 2,8% Mg, 0,2 ÷ 0,9% Rys. 8.6. Część układu równowagi Mn, 4,0 ÷ 8,0% Zn, max 0,5% Si, max 0,5% Fe, miedź-cyna od strony miedzi ewentualnie kilka dziesiątych procentu chromu. Do pierwszej grupy należą stopy PA6, PA7, do drugiej - stop PA9. Do durali bezcynkowych należą również stopy PA21, P23, PA24 i PA25. W duralach bezcynkowych głównymi dodatkami stopowymi umacniającymi są miedź i magnez. Mangan dodawany jest w celu polepszenia odporności na korozję, pozostałe pierwiastki są nieuchronnymi zanieczyszczeniami. W stanie wyżarzonym, tj. w stanie zbliżonym do równowagi fazowej, struktura durali składa się z roztworu stałego i wydzieleń różnych faz międzymetalicznych (rys. 9.7), w stanie przesyconym - z roztworu stałego na osnowie aluminium i nie rozpuszczonych związków żelaza. Rys. 9.7. Mikrostruktura duralu (PA29) w stanie wyżarzonym. Widoczne duże kryształy roztworu stałego bogatego w aluminium oraz ciemne wydzielenia międzymetalicznych faz umacniających (Al2Cu, Al.CuMg, Al2CuMg, Mg5Cu i in.). Traw. odczynnikiem o składzie: l ml HF (30%) + 2,5 ml HNO + l,5 ml HCl + 95 ml H2O Powiększ. 200x Durale zawierające cynk są najbardziej wytrzymałymi stopami aluminium (po utwardzeniu dyspersyjnym Rm osiąga wartość do 600 MPa), wykazują jednak mniejszą podatność do przeróbki plastycznej i nieco obniżoną odporność na korozję naprężeniową. Blachy zabezpiecza się przed korozją za pomocą platerowania specjalnym stopem (Al+Zn), co jednak powoduje zmniejszenie ogólnej ich wytrzymałości, tym większe, im większy procent przekroju blachy stanowi warstwa platerowana (o stosunkowo małej wytrzymałości). Platerowanie jako ochronę przed działaniem środowisk korodujących stosuje się zresztą również często i dla durali bezcynkowych. W tym przypadku platerowanie wykonuje się czystym aluminium, przy czym grubość warstwy ochronnej wynosi 4 ÷ 8% grubości blachy (odkuwki, pręty, rury, druty i kształtowniki zabezpiecza się przed korozją innymi metodami). Charakterystykę i zastosowanie znormalizowanych stopów aluminium do przeróbki plastycznej podano w tabl. 9.4.
163
JW Tablica 9.4
Charakterystyka i zastosowanie stopów aluminium do przeróbki plastycznej (wg PN-79/H-88026)
Własności technologiczne** Cecha stopu Wyrob y* podatność do do do wytwa Odporn spaprzeróbki polero- rzania an- -ość na walplastywania odowych korozję ność cznej powłok tlenkowych 5 5 5 4 4 Zastosowanie
B, T, D PA43 Pr, R, K, Ok B, Pr, R, Rk, D, K B, Pr, PA11 R, D, K PA2 B, Pr, R, D, K Pf, R, PA20 K, D B, T, D PA1 Pr, R,K Pr, R, PA38 D, K PA13 B, Pr, R, D, K, Ok B, Pr, PA45 R, D, K PA4 PA10 B, Pr,K R,D,Ok B, Bpl, PA6 Pr, R, B, Bpl, Pr, R, PA7 D, K, Ok PA21 PA23 D PA24 PA25 PA29 Pr,0k PA30 PA31 Pr,0k PA33 Ok PA9 PA47 Bpl, Pr, K, Ok B, Pr, K
w przemyśle chemicznym i spożywczym, elementy dekoracyjne, części głęboko tłoczone, odkuwki matrycowe średnio obciążone elementy konstrukcji lotniczych, okrętowych i in., przemysł spożywczy i chemiczny, konstrukcje budowlane elementy konstrukcyjne i nadbudówki okrętów, elementy konstrukcji lotniczych, przemysł spożywczy i chemiczny obciążone konstrukcje okrętowe, transport, przemysł chemiczny w przemyśle spożywczym i chemicznym, spawane zbiorniki do cieczy i gazów elementy dekoracyjne w budownictwie i meblarstwie średnio obciążone elementy konstrukcji lotniczych i pojazdów mechanicznych, meble, ozdoby, części głęboko tłoczone, odkuwki matrycowe budownictwo, elementy dekoracyjne i konstrukcyjne jak stopu PA4 w transporcie konstrukcje lotnicze, pojazdy mechaniczne konstrukcje budowlane silnie obciążone elementy konstrukcji lotniczych i pojazdów mechanicznych, w transporcie, części maszyn, konstrukcje budowlane nity lotnicze konstrukcje lotnicze, części pracujące w temperaturze200 do 300°C konstrukcje lotnicze, odkuwki o skomplikowanych kształtach konstrukcje lotnicze, odkuwki matrycowe bardzo silnie obciążone elementy konstrukcji lotniczych, środków transportu i maszyn silnie obciążone spawane konstrukcje nośne, przemysł okrętowy, pojazdy mechaniczne, pawilony wystawowe, sprzęt sportowy elementy pojazdów mechanicznych, urządzenia przemysłu spożywczego i chemicznego, elementy konstrukcji budowlanych
5 5 4 4 5 5 5 5 5 4
5 5 3 3 5 5 5 5 -
5 3 3 3
5 5 5 4 4
4 4 4 4 5 4 4 4
3 3 5 5 -
4 4*** 4*** 4***
4
-
-
3***
-
4 4 4 4 4 3
-
-
-
-
-
3
3 4
4
PA15 B, T
5
-
-
4
4
B - blachy, Bpl - blachy platerowane (stopy PA6 i PA7 - aluminium, stop PA9 stopem AIZn1) K - kształtowniki, Ok –odkuwki ** 5 - bardzo dobra, 4 - dobra, 3 – dostateczna *** Po utwardzaniu dyspersyjnym
164
JW
Stopy aluminium-lit Najnowszą generacją stopów aluminium są stopy z litem, jako głównym składnikiem stopowym. Wykorzystanie litu do tego celu od dawna przyciągało uwagę metaloznawców, głównie jako możliwość uzyskania stopów o gęstości znacznie mniejszej niż gęstość metalubazy. Sukces osiągnięto w ostatnich latach. Lit; jest najlżejszym metalem. Jego gęstość w temperaturze 20°C wynosi 0,536 g/cm3. Każdy procent litu wprowadzony do aluminium obniża gęstość stopu o ok. 0,l g/cm3, co pozwala na uzyskanie stopów o dość wysokim stosunku wytrzymałości do gęstości. Ponadto stopy Al-Li cechuje wyższy moduł sztywności, niż konwencjonalne. Te właściwości powodują, że zainteresowanie stopami aluminum-lit stale rośnie. Optymalne połączenie wytrzymałości i plastyczności mają stopy podwójne zawierające 2,02,5% Li, po obróbce cieplnej składającej się z przesycania z temperatury 580°C i starzenia w temperaturze 130°C przez 48 godzin. Ich wytrzymałość na rozciąganie wynosi wówczas około 160 MPa, granica plastyczności 100 MPa, a wydłużenie 14%. Zastosowanie obróbki plastycznej na zimno po przesycaniu, a przed starzeniem, powoduje wzrost wskaźników wytrzymałościowych, ale spadek plastyczności. Podobnie dzieje się przy zwiększaniu zawartości litu. Zgodnie z układem równowagi (rys. 9.8), struktura stopów podwójnych aluminium-lit do zawartości 5,2% Li składa się z kryształów α roztworu stałego granicznego litu w aluminium i wtórnych kryształów β roztworu na osnowie fazy międzymetalicznej AlLi. Jak stwierdzono, zawartość litu do 5,2% nie wpływa praktycznie na odporność korozyjną stopów. Większa zawartość litu powoduje jednak spadek tej odporności, co wiąże się z pojawieniem się w strukturze eutektyki α + β. Szczególnie interesujące są stopy zawierające 2-3% Li i do 5% Mg. Ich granica plastyczności po obróbce cieplnej osiąga 400 MPa. Wadą, podobnie jak wszystkich stopów Rys. 9.8. Fragment układu równoaluminium-lit, jest wrażliwość na naprężenia zmienne. wagi alumnium-lit od strony Przewiduje się, że stopy aluminium z litem znajdą zastosowanie w budowie samolotów, przede wszystkim w aluminium postaci cienkich blach na powłoki skrzydeł i kadłuba. 9.3. Obróbka cieplna stopów aluminium 9.3.1. Przesycanie i starzenie stopów Al Obróbka cieplna stopów aluminium, mająca na celu przede wszystkim podwyższenie ich wytrzymałości, polega na utwardzaniu dyspersyjnym, tj. na kolejnym przeprowadzeniu operacji przesycania roztworu stałego i starzenia. Podstawowym warunkiem, na którym opiera się proces utwardzania wydzieleniowego stopów, jest zmniejszanie się granicznej rozpuszczalności składników stopowych w stanie stałym wraz z obniżaniem się temperatury. Typowym przykładem układu równowagi faz, który może służyć jako model u wyjaśnienia procesów zachodzących podczas obróbki cieplnej stopów Al, jest ukłd Al-Cu, którego fragment widoczny jest na rys. 9.9. Układ Al-Cu, a właściwie jest część odpowiadająca układowi równowagi Al i fazy międzymetalicznej θ o składzie bardzo bliskim Al2Cu, przedstawiono na rys. 9.6. Na rysunku 9.9 widać, że maksymalna rozpuszczalność miedzi w temperaturze 548°C wynosi około 5,7%, natomiast w temperaturze pokojowej jest znikoma. Rozpatrzmy na przykład stop o składzie C (rys. 9.9) o zawartości ok. 4% Cu. W stanie równowagi w temperaturze pokojowej składa się on z dwóch faz: kryształów roztworu stałego (ω stanowiącego osnowę, i kryształów fazy międzymetalicznej θ. Nagrzanie tego stopu do
165 JW temperatury E (powyżej punktu D) spowoduje, że będzie on jednorodnym roztworem stałym ω, gdyż kryształy fazy θ ulegną rozpuszczeniu. Jeżeli stop ten zostanie z kolei szybko ochłodzony od tej temperatury, wówczas faza θ nie zdąży się wydzielić i otrzymamy roztwór stały przesycony. Stan taki jest nietrwały i jeżeli stop będzie starzony, czyli wygrzewany w nieco podwyższonej temperaturze (rys. 9.9), to zaczną w nim zachodzić zmiany, które poprzez szereg studiów pośrednich doprowadzą w końcowym wyniku do wydzielenia się fazy θ, czyli do ustalenia się stanu równowagi. Jednak jeżeli temperatura starzenia nie jest dostatecznie wysoka, a czas starzenia nie jest zbyt długi, zmiany zachodzące w przesyconym stopie nie przebiegają do końca, a proces starzenia ulega zatrzymaniu na pewnym Rys. 9.9. Fragment układu równowagi Alstadium pośrednim i nie dochodzi do Cu oraz schemat przebiegu obróbki cieplnej polegającej na przesycaniu i starzeniu wydzielenia się fazy θ. Starzenie może zachodzić już w temperaturze pokojowej i wówczas nosi nazwę starzenia naturalnego, jeśli zaś odbywa się wskutek nagrzania stopu do określonej temperatury, nosi nazwę starzenia przyspieszonego. 9.3.2. Procesy zachodzące podczas starzenia W początkowym okresie procesu starzenia, nazywanym pierwszym stadium starzenia, atomy rozpuszczonego składnika (np. miedzi) rozmieszczone przypadkowo w przesyconym roztworze stałym (rys. 9.10a) skupiają się w określonych miejscach sieci krystalicznej (rys. 9. l0b). W wyniku tego procesu powstają wewnątrz kryształu submikroskopowe strefy o dużej dyspersji o zwiększonej zawartości rozpuszczonego składnika, zwane strefami Guiniera-Prestona lub w skrócie - strefami G-P (rys. 9.10). W stopach Al-Cu strefy G-P są skupieniami atomów miedzi o kształcie podobnym do płytek, które są ułożone wzdłuż płaszczyzn {100}. Grubość tych płytek jest rzędu zaledwie kilku odstępów międzyatomowych, a średnica ok. 100 A. Ich obecność można wykryć metodą małokątowego rozpraszania promieni X lub za pomocą mikroskopu elektronowego. Tworzenie stref G-P powoduje powstawanie m.in. dużych naprężeń własnych w krysztale oraz rozdrobnienie bloków mozaiki. Obecność stref G-P o dużej dyspersji oraz związane z nimi zniekształcenia sieci krystalicznej, cznie utrudniają ruch dyskolacji, co w efekcie objawia się wzrostem twardości wytrzymałości stopu.
Rys. 9.10. Schemat zmian zachodzących w sieci przesyconego stopu AlCu4: a) rozmieszczenie atomów Cu (czarne kółka) po przesycaniu, b) powstawanie stref G-P, c) tworzenie się koherentnych wydzieleń θ'' i θ', d) wydzielenia fazy θ (Al2Cu) Następne stadium stanowią koherentne1) wydzielenia pośrednie oznaczane symbolem θ" (rys. 9.10c). Wydzielenia te o maksymalnej grubości ok. 100 A i średnicy ok. 1500 A mają strukturę tetragonalną, której parametry a i b są zgodne z parametrem komórki elementarnej Al, natomiast parametr c jest znacznie większy. Wydzielenia te również powodują umocnienie starzonego stopu.
166 JW Kolejna faza pośrednia θ' jest także tetragonalną, ale o innym parametrze c aniżeli faza θ". Tworzenie się wydzieleń θ' powoduje już spadek twardości stopu. Faza θ (Al.2Cu) ma również strukturę tetragonalną, ale nie jest już koherentna z siecią osnowy. Jej tworzenie się zawsze prowadzi do spadku twardości stopu, poważ zanikają naprężenia związane z koherencją (rys. 9.10d). Kolejne przeobrażenia struktury wydzieleń w stopach Al-Cu zachodzące w czasie starzenia można więc przedstawić następującym szeregiem: (strefy G-P) → θ" → θ' → θ (AL2Cu) Wszystkie powyższe stadia występują wówczas, gdy zawartość miedzi w stopie stosunkowo duża (ok. 4,5%), a temperatura starzenia niezbyt wysoka (do ok. 190°C). Jeżeli starzenie odbywa się w wyższych temperaturach (np. ok. 190°C) niektóre stadia pośrednie mogą nie wystąpić, co uwidacznia się w przebiegu zmiany twardości podczas starzenia. W stopach Al-Cu starzonych naturalnie, tj. w temperaturze pokojowej, występuje tylko pierwsze i drugie stadium starzenia, tj. utworzenie się stref G-P oraz koherentnej fazy θ". Dalsze stadia starzenia zachodzą w temperaturze wyższej od temperatury otoczenia. Stopień utwardzenia stopu jest związany z krytyczną dyspersją stref G-P i koherentnych wydzieleń. Jeżeli w danej temperaturze proces starzenia ulegnie zbytniemu przedłużeniu, następuje koagulacja i wzrost wielkości wydzieleń. Małe wydzielenia ulegają wtórnemu rozpuszczeniu, a ich kosztem rosną wydzielenia większe, których dyspersja jest mniejsza. Powoduje to zmniejszenie twardości i spadek umocnienia stopu, o którym mówimy wówczas, że jest przestarzony. Składnikami konstrukcyjnych stopów aluminium, które mają techniczne znaczenie, są, jak już wspomniano poprzednio, takie pierwiastki jak Cu, Si, Mg, Mn, Zn. Metale te tworzą graniczne roztwory stałe w Al, charakteryzujące się spadkiem rozpuszczalności w stanie stałym wraz z obniżaniem się temperatury (rys. 9.11). Stopy te można więc umacniać, poddając je Rys. 9.11. Krzywe granicznej obróbce cieplnej polegającej na przesycaniu i starzeniu. rozpuszczalności poszczególnych Oprócz stopów podwójnych również stopy potrójne i składników stopowych w aluminium poczwórne na bazie Al można umacniać dyspersyjnie, w stanie stałym przy czym obróbka cieplna takich stopów wieloskładnikowych jest z reguły bardziej skuteczna, aniżeli stopów podwójnych. Jako przykład można tu wymienić stopy: Al-Mg-Si, Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg. W przypadku wieloskładnikowych stopów Al zamiast fazy θ (Al.2Cu) tworzą się inne fazy międzymetaliczne, które spełniają analogiczną rolę. W stopach układu Al-Mg-Si tworzy się np. faza β (Mg2Si), w stopach Al-Cu-Mg — faza δ (Al2CuMg), a w stopach Al-Zn-Mg — faza M (Mg2Zn). 9.3.3. Zmiany własności mechanicznych stopów Al zachodzące pod wpływem obróbki cieplnej W stanie wyżarzonym stop aluminium zawierający ok. 4% Cu ma wytrzymałość na rozciąganie Rm ≅ 200 MPa. Bezpośrednio po przesycaniu, tj. gdy zaraz po tej operacji następuje próba rozciągania, wytrzymałość jest nieco większa i w przybliżeniu wynosi 250 MPa (rys. 9.12). Szybkie chłodzenie po wygrzewaniu rozpuszczającym powoduje pewne niewielkie zmiany własności mechanicznych, przede wszystkim na skutek tego, że atomy składnika rozpuszczonego (tj. miedzi) oraz defekty punktowe znajdują się w osnowie w nadmiarze w stosunku do stanu równowagi w temperaturze pokojowej.
167
JW
Rys. 9.12. Zmiana wytrzymałości stopu A1Cu4 podczas starzenia naturalnego Natomiast starzenie przesyconego stopu powoduje znaczne zmiany własności mechanicznych. Wytrzymałość na rozciąganie znacznie się zwiększa i dla stopu AlCu4 osiąga wartość ok. 400 MPa, a więc wzrasta prawie dwukrotnie, natomiast własności plastyczne (wydłużenie i przewężenie) oraz udarność maleją. Maksymalna wytrzymałość stop ten uzyskuje po starzeniu naturalnym (tj. w temperaturze 3°C) po upływie 4 ÷5 dni od chwili przesycania. Typowy przebieg krzywej obrazującej zmianę wytrzymałości stopu Al-Cu podczas starzenia naturalnego pokazano na rys. 9.12. W początkowym stadium starzenia istnieje okres inkubacyjny, w którym nie stwierdza się jeszcze wzrostu wytrzymałości. Dla procesów technologicznych okres ten ma duże znaczenie, ponieważ stop wykazuje w tym okresie dużą plastyczność, co umożliwia poddawanie przedmiotów przesycanych różnym operacjom technologicznym połączonym z odkształcaniem (zakuwanie nitów, gięcie, tłoczenie itp.). Długość okresu inkubacyjnego jest różna dla stopów aluminium o różnym składzie chemicznym i zależy od temperatury, w której stop jest starzony. Dla stopów Al-Cu kres ten w temperaturze pokojowej wynosi ok. 2 ÷3 godzin. Szybkość starzenia i umocnienie stopów zależy w dużym stopniu od temperatury. Wykres widoczny na rys. 9.13 przedstawia zależność wytrzymałości na rozciąganie duralu, tj. stopu AlMg-Cu (o zawartości około 4% Cu i 1% Mg), od czasu starzania w różnych temperaturach w zakresie 50 ÷ 200°C. W niskich temperaturach (-5°, -50°C) zbyt małe strefy G-P i zbyt mała ich ilość nie daje dostatecznego umocnienia stopu. W temperaturze zbyt wysokiej (+200°C) powstają już wydzielenia fazy θ, a po dłuższym przetrzymywaniu w tej temperaturze następuje ich koagulacja i wytrzymałość stopu spada. Na rysunku 9.13 widać, że umocnienie stopu do 420 MPa można osiągnąć po około 24 godzinach starzenia w temperaturze 100°C, stosując jednak starzenie naturalne można po dłuższym okresie czasu uzyskać większe umocnienie.
Rys. 9.13. Krzywe starzenia duralu w różnych temperaturach
168 JW Stan stopu osiągnięty w wyniku starzenia naturalnego nie jest trwały. Jeśli stop tak umocniony zostanie nagrzany do temperatury 200 ÷ 250°C i wytrzymany przez krótki okres czasu (2 ÷ 3 min) w tej temperaturze, to umocnienie zaniknie własności stopu będą odpowiadały tym, jakie stop miał w stanie świeżo przesyconym, przy czy czym stop zyskuje ponownie zdolność do starzenia naturalnego. Zjawisko to nazywa się nawrotem. Przyczyną nawrotu jest rozpuszczanie się nietrwałych stref G-P o małych rozmiarach i powrót do struktury pierwotnie przesycnego roztworu stałego o równomiernym rozłożeniu atomów rozpuszczonych. Po ostudzeniu stop może być powtórnie starzony i będzie ulegał umocnieniu. 9.3. 4. Wyżarzanie stopów aluminium Stopy aluminium można poddawać następującym rodzajom wyżarzania: • wyżarzaniu ujednorodniającemu, • wyżarzaniu zmiękczającemu, • wyżarzaniu rekrystalizującemu, • wyżarzaniu odprężającemu. Wyżarzanie ujednorodniające przeprowadza się głównie w celu ujednorodnienia struktury, zwłaszcza odlewów. Polega ono na nagrzaniu stopu do temperatury, w której ma on strukturę roztworu stałego, wygrzaniu w tej temperaturze przez dłuższy okres czasu (2 ÷ 12 godzin) i następnie powolnym chłodzeniu. Wyżarzanie zmiękczające ma na celu zmniejszenie twardości i polepszenie plastyczności stopu poprzez koagulację wydzielonych faz. Przeprowadza się je w zakresie temperatur leżących poniżej krzywej granicznej rozpuszczalności. W praktyce stopy aluminium w zależności od składu wyżarza się w temperaturze 320 ÷ 400°C przez 2 ÷ 3 godziny. Stopy wyżarzone zmiękczająco mają niższą twardość i wytrzymałość niż stopy przesycone. Wysoka plastyczność stopów uzyskana w wyniku wyżarzania ułatwia ich walcowanie, kucie i inne rodzaje przeróbki plastycznej na zimno. Wyżarzanie rekrystalizujące przeprowadza się w celu usunięcia niektórych skutków zgniotu zwykle w temperaturze nieco wyższej od temperatury rekrystalizacji (300 ÷ 400°C). Wyżarzanie to przeprowadza się jako zabieg międzyoperacyjny w czasie obróbki plastycznej na zimno lub jako zabieg końcowy, należy jednak pamiętać, że w niektórych przypadkach może ono spowodować nadmierny rozrost ziarn, np. gdy nastąpił zgniot krytyczny lub gdy temperatura wyżarzania była zbyt wysoka, względnie gdy czas wyżarzania był zbyt długi. Wyżarzanie odprężające ma na celu usunięcie naprężeń własnych, zwłaszcza w odlewach kokilowych. Temperatura wyżarzania wynosi, zależnie od gatunku stopu, 200 ÷ 300°C. Po wyżarzaniu stosowane jest powolne chłodzenie.
10. Magnez i jego stopy
Ze względu na swoją gęstość (1,74 g/cm3) magnez jest zaliczany do najlżejszych metali. Temperatura topnienia czystego magnezu wynosi 650°C, temperatura topnienia stopów magnezu 460 ÷ 650°C, w zależności od ilości i rodzaju składników stopowych. Magnez jest metalem bardzo aktywnym chemicznie i podobnie jak aluminium, łatwo łączy się z tlenem, tworząc na powierzchni warstewkę tlenku MgO. Warstewka ta jest jednak mało szczelna i nie chroni metalu przed korozją. Z tego powodu magnez i jego stopy są na ogół nieodporne na korozję (wyjątek stanowi atmosfera suchego powietrza). W temperaturze 600 ÷ 650°C magnez zapala się i płonie oślepiająco białym płomieniem, co wywołuje konieczność stosowania specjalnych środków zabezpieczających przy jego topieniu i odlewaniu. Czysty magnez ma niewielką wytrzymałość i plastyczność, np. w postaci lanej Rm = 78 ÷ 120 MPa, A5 = 4 ÷ 6 w postaci walcowanej Rm = 160 ÷ 180 MPa, A5 = 5 ÷ 6%. W związku z tym magnez nie znajduje zastosowania jako materiał konstrukcyjny. Wykorzystywany jest on natomiast w pirotechnice (do produkcji rakiet sygnalizacyjnych i lotniczych bomb zapalających), w przemyśle chemicznym, w energetyce jądrowej (jako ciekły nośnik ciepła w niektórych
169 JW typach reaktorów) oraz w metalurgii jako odtleniacz. W postaci stopów z miedzią i niklem używany jest także jako modyfikator żeliw. W Polsce magnez otrzymuje się przez redukcję termiczną tlenku magnezu dolomitu. Zgodnie z PN-79/H-82161 produkowane są dwa gatunki magnezu: Mg 99,95 (zawierający 99,95% Mg, reszta to Al, Zn, Fe, Si, Cu i inne) i Mg 99,9 (zawierający 99,9% Mg). Pierwszy jest przeznaczony dla przemysłu chemicznego i celów specjalnych, drugi - do produkcji stopów magnezu i stopów z magnezem. Znacznie szersze zastosowanie przemysłowe znajdują stopy magnezu, które często osiągają wytrzymałość Rm = 300 ÷ 340 MPa. Głównymi składnikami tych stopów obok magnezu są: a) aluminium (do 11%), które podwyższa własności wytrzymałościowe i twardość, a w stopach odlewniczych polepsza lejność i zmniejsza skurcz; wzrost zawartości aluminium w stopie wywołuje jednak zwiększenie kruchości na gorąco; b) cynk (do 7%) polepszający zarówno własności wytrzymałościowe, jak i plastyczne; c) mangan zwiększający odporność na korozję i wywołujący rozdrobnienie ziarna; w stopach nie zawierających aluminium zawartość manganu dochodzi do 5%, w stopach z aluminium, które zmniejsza rozpuszczalność manganu w magnezie, wynosi kilka dziesiętnych procentu; d) cyrkon (do 1%) polepszający własności mechaniczne i obrabialność stopów wywołuje rozdrobnienie ziarna); e) cer, tor i metale ziem rzadkich (lantan, neodym, prazeodym) polepszające własności w temperaturach podwyższonych. Spotyka się również stopy magnezu zawierające takie dodatki stopowe, jak: krzem, wapń, kadm i nikiel, przy czym zawartość ich zwykle nie przekracza 1%. Inne pierwiastki występują w stopach magnezu w nieznacznych ilościach i poza berylem dodawanym w celu zmniejszenia skłonności magnezu do zapalania się podczas odlewania, pochodzenie ich jest przypadkowe. Osobną, najmłodszą grupę stopów magnezu stanowią stopy z litem (zawierające do kilkunastu % Li), których gęstość (1,35 ÷ 1,62 g/cm3) jest znacznie mniejsza niż pozostałych stopów magnezu (ok. 1,80 g/cm3). Ogólnie stopy magnezu dzielą się na odlewnicze i do przeróbki plastycznej. W obu tych grupach podstawowymi typami są podwójne stopy magnez-mangan oraz wieloskładnikowe stopy magnez-aluminium-cynk-mangan i magnez-cynk-cyrkon. W krajach wysoko uprzemysłowionych (WNP, USA) na bazie tych podstawowch typów stopów opracowano i wprowadzono do przemysłu wiele stopów pochodnych, zawierających dodatkowo cer, tor, lantan, neodym i inne, a więc pierwiastki powodujące wyraźny wzrost własności mechanicznych w temperaturach podwyższonych. Skład chemiczny krajowych stopów magnezu podano w tabl. 9.1. Stopy magnezu, podobnie jak większość stopów aluminium, można obrabiać cieplnie (przesycać i starzyć), gdyż rozpuszczalność głównych składników stopowych (aluminium, cynku i manganu) w magnezie jest ograniczona i zmniejsza się z obniżeniem temperatury. Obróbka ta jednak tylko w niewielkim stopniu polepsza własności mechaniczne stopów i rzadko jest stosowana. Wyjątkiem są stopy odlewnicze, zawierające powyżej 6% aluminium, które po obróbce cieplnej mają wytrzymałość o 40 ÷ 50% wyższą. Na przykład, stop GA8 w stanie surowym ma wytrzymałość na rozciąganie 150 MPa. Po przesyceniu w temperaturze w temperaturze 415°C (w czasie 20h, chłodzenie na powietrzu) w starzeniu w temperaturze 175°C (w czasie 16 h) jego wytrzymałość wzrasta do 230 MPa. Z reguły natomiast odlewy ze stopów magnezu poddaje się wyżarzaniu odprężającemu w temperaturze 200 ÷ 250°C. Zastosowanie stopów magnezu zależy od ich składu chemicznego i własności. Na przykład stopy odlewnicze przeznaczone są na: GA3 - korpusy pomp i armatury, GA6 - odlewy części lotniczych i samochodowych, obudowy przyrządów aparatów, GA8 - silnie obciążone części lotnicze, części aparatów fotograficznych maszyn do pisania, GRE3 - skomplikowane odlewy pracujące w temp. do 250°C; stopy przerabialne plastycznie; GA6 - na obciążone elementy konstrukcji lotniczych, poszycia samolotów i śmigłowców itd. Dokładne własności i główne i zastosowania wszystkich krajowych stopów magnezu podają odpowiednie Polskie Normy.
170 JW Warto dodać, że zakres stosowania stopów magnezu jako tworzywa konstrukcyjno w lotnictwie, kosmonautyce, budowie rakiet i energetyce jądrowej, w przemyśle światowym stale wzrasta. Coraz szerzej stopy magnezu stosuje się w przemyśle elektronicznym i elektrotechnicznym, poligraficznym, samochodowym, transporcie kolejowym itp. Tablica 9.1
Skład chemiczny krajowych stopów magnezu Skład chemiczny, % (reszta magnez) Cecha stopu Rodzaj stopu Al Zn Mn Zr inne zanieczyszczenia ogółem, max
GA8* odlewniczy 7,5÷ 9,0 0,2÷ 0,8 0,15 ÷ 0,5 GA10 9,0÷ 10,2 0,6÷ 1,2 0,1÷ 0,5 GZ5 4,0÷ 5,0 GZ6 5,5÷ 6,6 GN3 0,1÷ 0,7 GRE3 0,2÷ 0,7 do przeróbki GM 1,3÷ 2,5 plastycznej 3,0÷ 4,0 0,2÷ 0,8 0,15÷ 0,5 GA3 GA6 5,5÷ 7,0 0,5÷ 1,5 0,15÷ 0,5 GA5 5,0÷ 7,0 2,0÷ 3,0 0,2÷ 0,5 GA8 7,8÷ 9,2 0,2÷ 0,8 0,15÷ 0,5 GZ3 2,5÷ 4,0 GZ5 4,0÷ 5,5 GME 1,5÷ 2,5
0,6÷ 1,1 0,7÷ 1,1 0,2÷ 0,8Cd 0,4÷ 1,0 2,2÷ 2,8Nd 0,4÷ 1,0 2,5÷ 4,0RE* — 0,5÷ 0,9 0,5÷ 0,9 0,15÷0,35C
0,5 0,5 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,5 0,7 0,7 0,7 0,5 0,5 1,0
* Norma zawiera jeszcze stop GA8A różniący się od stopu GA8 tylko dopuszczalną zawartością zanieczyszczeń, wynoszącą 0,13%. ** RE — mieszanina pierwiastków ziem rzadkich, zawierająca min. 45% ceru.
11. Tytan i jego stopy
Tytan jest metalem o dużej wytrzymałości, zarówno w temperaturze otoczenia, jak i temperaturach podwyższonych, stosunkowo małej gęstości i dużej odporności na korozję w powietrzu, wodzie morskiej i wielu środowiskach agresywnych. Tytan występuje w dwóch odmianach alotropowych α i β. Odmiana α (Ti α) istniejąca do temperatury 882°C krystalizuje w sieci heksagonalnej zwartej, natomiast odmiana β (Ti β) istniejąca powyżej temperatury 882°C aż do temperatury topnienia (1668°C) krystalizuje w sieci regularnej przestrzennie centrowanej. W temperaturze otoczenia czysty tytan ma kolor srebrzysty i przypomina wyglądem stal nierdzewną lub nikiel. Gęstość tytanu a w temperaturze 20°C wynosi 4,507 g/cm3, tytanu β w temperaturze 900°C - 4,32 g/cm3. Tytan jest metalem paramagnetycznym. Własności mechaniczne tytanu zależą przede wszystkim od jego czystości, a ta z kolei zarówno od rodzaju procesu metalurgicznego przerobu rudy tytanowej (proces jodkowy, proces Krolla, elektroliza), jak i od metody przerobu otrzymanych m procesie półwyrobów (topienie gąbki tytanowej, spiekanie proszku). Zwiększenie ilości zanieczyszczeń w tytanie zawsze prowadzi do podwyższenia jego wytrzymałości i twardości, a obniżenia własności plastycznych, przy czym bardzo poważny wpływ wywierają nawet setne części procentu zanieczyszczeń. W przemyśle praktycznie wykorzystuje się głównie tytan produkowana metodą Krolla, zawierający 99,8 ÷ 98,8% Ti. Taki tytan nosi nazwę tytanu technicznego.
171 JW Szczególnie cenną własnością tytanu jest jego wielka odporność na korozję chemiczną, dorównująca, a w wielu przypadkach przewyższająca odporność korozyjną austenitycznych stali chromowo-niklowych. Istotną również cechą tytanu jest jego silne powinowactwo w stanie nagrzanym i ciekłym do gazów atmosferycznych (tlenu, azotu i wodoru), co powoduje, że we wszystkich prawie procesach technologicznych, w których tytan zostaje ogrzany do temperatury umożliwiającej dyfuzję wymienionych gazów, należy stosować atmosfery ochronne lub próżnię. Praktycznie tytan jest odporny na działanie atmosfery tlenowej tylko do temperatury 120°C, powyżej tej temperatury na powierzchni metalu tworzą się tlenki. Absorpcja i dyfuzja wodoru zaczynają się w temperaturze powyżej 150°C. Z powietrzem tytan reaguje w temperaturze powyżej 500°C, przy czym jego powierzchnia pokrywa się szczelną warstewką tlenków i azotków. Trzeba jednak podkreślić, że w miarę wzrostu temperatury chemiczna aktywność tytanu silnie wzrasta i w powietrzu tytan zapala się płomieniem w temperaturze 1200°C w czystym tlenie - już w temperaturze 610°C. 11.1. Tytan techniczny Jak już wspomniano, tytan techniczny zależnie od gatunku zawiera 0,2-1,2% zanieczyszczeń, na które składają się przede wszystkim tlen, azot, węgiel, żelazo, wodór i krzem. Zanieczyszczenia te powodują istotne zmiany własności mechanicznych, wyrażające się we wzroście wytrzymałości na rozciąganie, granicy plastyczności oraz twardości, a zmniejszeniu wskaźników własności plastycznych. Na przykład, wytrzymałość na rozciąganie tytanu technicznego zawierającego 0,8% zanieczyszczeń wynosi ok. 400 MPa, a tytanu zawierającego 1% zanieczyszczeń — ok. 550 MPa. Tytan techniczny jest produkowany w skali przemysłowej w postaci odlewów, blach cienkich i grubych, taśm, prętów prasowanych wypływowo i kutych, rur, części tłoczonych i kutych. Podlega obróbce plastycznej na zimno i na gorące (w temp. 1000-750°C) oraz obróbce skrawaniem (ostre narzędzia, obfite chłodzenie), nie podlega natomiast obróbce cieplnej, a umacnia się go jedynie przez zgniot. Można go spawać łukowo w osłonie gazów szlachetnych (argonu lub helu) i elektrożużlowo, poza tym zgrzewać punktowo, liniowo i doczołowo oraz lutować lutami miękkimi i twardymi. Tytan techniczny jest stosowany przede wszystkim w przemyśle lotniczym, zarówno na elementy silników, jak i kadłubów samolotów. Wykorzystuje się go także w przemyśle okrętowym (części silników, armatura, pompy do wody morskiej), chemicznym (aparatura), w protetyce stomatologicznej i w chirurgii kostnej (nie jest toksyczny dla organizmu ludzkiego) itd. Maksymalna temperatura pracy nie może przekraczać 300 ÷ 350°C. 11.2. Stopy tytanu Wpływ pierwiastków stopowych na temperaturę przemiany alotropowej tytanu jest różny. Aluminium, tlen, azot i węgiel podwyższają temperaturę przemiany tym samym zwiększają obszar istnienia tytanu α. Stąd często noszą one nazwę stabilizatorów fazy α. Większość pozostałych pierwiastków stopowych (np. moliben, wanad, niob, tantal, chrom, mangan, żelazo, wodór) obniża temperaturę przemiany i rozszerza obszar istnienia tytanu β. Te pierwiastki noszą nazwę stabilizatorów fazy β. Osobną grupę stanowią pierwiastki, których wpływ na temperaturę przemiany alotropowej jest nieznaczny. Należą tu cyna, cyrkon, tor, hafn i inne. Te pierwiastki nazywa się zwykle neutralnymi. Dwuskładnikowe układy równowagi faz tytanu z pierwiastkami wchodzącymi w skład stopów można podzielić na trzy główne typy, w zależności od wpływu pierwiastka stopowego na strukturę stopu w stanie równowagi. Na rysunku 11.1 pokazano układ równowagi typu I, w którym pierwiastek stopowy rozszerza zakres istnienia roztworu stałego α (międzywęzłowego w przypadku tlenu, azotu i węgla, różnowęzłowego w przypadku aluminium), stabilizując fazę α w strukturze stopów. Jak widać,
172 JW ze wzrostem zawartości pierwiastka stopowego granice obszaru dwufazowego α + β przesuwają się w kierunku wyższych temperatur.
Rys. 11.1. Typ I układu równowagi tytan-pierwiastek stopowy (pierwiastek stopowy podwyższa temperaturę przemiany alotropowej) Na rysunku 11.2 przedstawiono układ równowagi typu II, w którym pierwiastek stopowy rozszerza zakres istnienia roztworu stałego β, stabilizując w strukturze stopów fazę β. Tego typu układy równowagi występują dla molibdenu, wanadu, niobu i tantalu, które znacznie lepiej rozpuszczają się w tytanie β, niż w tytanie α, tworząc roztwory stałe różnowęzłowe. Przy bardzo małej zawartości tych pierwiastków w stopie, strukturą równowagi w temperaturze pokojowej będzie faza α, przy dużej - faza β, przy zawartościach pośrednich - mieszanina faz α+ β. W tym ostatnim przypadku istnieje możliwość otrzymania w temperaturze pokojowej jednofazowej struktury β przez szybkie przechłodzenie stopu z temperatury istnienia obszaru trwałej fazy β, ale możliwość ta jest ograniczona występowaniem bezdyfuzyjnej przemiany typu martenzytycznego. W wyniku tej przemiany z przechłodzonej fazy β powstaje przesycona faza α, oznaczana na ogół jako faza α' i mająca budowę iglastą, podobną do martenzytu w stali, ale w przeciwieństwie do niego miękka i ciągliwa. Stanowi ona modyfikację fazy α i krystalizuje również w sieci heksagonalnej zwartej, tylko o nieco innych parametrach.
Rys. 11.2. Typ II układu równowagi tytan-pierwiastek stopowy (pierwiastek stopowy obniża temperaturę przemian alotropowej) Temperaturę początku przemiany bezdyfuzyjnej dla różnych stężeń pierwiastka stopowego określa na rys. 11.2 kreskowa krzywa Ms. Jak widać, temperatura ta dla określonego stężenia pierwiastka stopowego (zw. stężeniem krytycznym) staje się niższa od pokojowej. Warunkiem więc uzyskania jednorodnej fazy β w temperaturze pokojowej przez przechłodzenie stopu z obszaru stabilnej fazy β jest zawartość pierwiastka stopowego przekraczająca stężenie krytyczne. Trzeba jednak podkreślić, że tak uzyskana faza β nie jest fazą stabilną i w temperaturach podwyższonych wykazuje skłonność do rozkładu (starzenia).
173 JW W niektórych stopach tytanu (m.in. z Mo, V, Nb, Ta, W i Re) może pojawić się faza martenzytyczna α", będąca także przesyconym roztworem stałym pierwiastka stopowego w tytanie, ale krystalizująca w układzie rombowym. Powstaje ona przy dużych zawartościach składników stopowych, jest drobniejsza niż faza α' i bardziej plastyczna. Może współistnieć z fazą α i metastabilną fazą β, nie występuje obok fazy α'. Faz α' i α" często się nie rozróżnia, traktując je jako jedną fazę typu martenzytycznego. Układem dwuskładnikowym tytan-pierwiastek stopowy III typu jest układ z przemianą eutektoidalną (rys. 11.3), podczas której następuje rozkład roztworu stałego pierwiastka stopowego w tytanie β. Zgodnie z wykresem równowagi produktem przemiany eutektoidalnej powinna być mieszanina faz α + γ (faza międzymetaliczna). Okazuje się jednak, że w stopach tytanu z niektórymi metalami (tzw. przejściowymi), przy ich ochładzaniu z obszaru istnienia trwałej fazy β, dla pewnego zakresu stężeń przemiana eutektoidalną jak gdyby nie zachodzi i poniżej temperatury eutektoidu utrwala się mieszanina faz α + β (linie kreskowe na rys. 11.3). Taki nieprawidłowy przebieg przemiany eutektoidalnej wykazują przede wszystkim podwójne stopy tytanu z chromem, manganem, kobaltem lub żelazem, na skutek bardzo małej prędkości reakcji rozkładu eutektoidalnego, toteż przy odpowiedim stężeniu pierwiastka stopowego i określonej prędkości chłodzenia łatwo można w nich uzyskać dwufazową strukturę α + β.
Rys. 11.3. Typ III układu równowagi tytan-pierwiastek stopowy (pierwiastek stopowy wywołuje przemianę eutektoidalna) Jak więc z powyższych rozważań wynika, stopy tytanu w zależności od struktury występującej w temperaturze pokojowej (uzyskanej przez odpowiedni dobór składników stopowych oraz ewentualną obróbkę cieplną) można podzielić na trzy główne grupy: • jednofazowe stopy α, • dwufazowe stopy α + β, • jednofazowe stopy β. Każda z tych grup wykazuje charakterystyczne połączenie własności mechanicznych i technologicznych, decydujące o ich przeznaczeniu. Wszystkie stopy tytanu stosowane są przede wszystkim w przemyśle lotniczym i chemicznym. Skład chemiczny ważniejszych przemysłowych stopów tytanu podano tabl. 11.1. Stopy α. Głównym składnikiem stopowym w stopach α jest aluminium, które podwyższa wytrzymałość i zmniejsza gęstość, ale pogarsza plastyczność, dlatego, jego zawartość ogranicza się zwykle do 8%. Również cyna podwyższa wytrzymałość stopów, nie zmniejszając jednak ich plastyczności i zdolności do odkształceń plastycznych w wysokich temperaturach. Jej zawartość w stopach α nie przekracza 6%. Podobne własności wykazuje cyrkon. Niektóre stopy α obok aluminium zawierają małe ilości (1-2%) niektórych pierwiastków stabilizujących fazę β (Nb, Ta, V, Mo). Dodatek tych pierwiastków z jednej strony podwyższa wytrzymałość stopów, z drugiej - polepsza ich zdolność do obróbki plastycznej na gorąco, co jest szczególnie ważne w przypadku stopów zawierających większą ilość aluminium. Jednocześnie wysoka zawartość aluminium równoważy ich wpływ na strukturę, tak że stopy zachowują jednofazową strukturę α.
174 JW Wszystkie stopy α cechuje dobra spawalność i żarowytrzymałość. Pierwsza własność jest wynikiem jednofazowej struktury, druga - obecności aluminium. Stopy a nie podlegają obróbce cieplnej poza wyżarzaniem rekrystalizującym i wyżarzaniem odprężającym, stosowanymi oczywiście w razie potrzeby. Umacnia się je jedynie przez zgniot, podobnie jak tytan techniczny. Tablica 11.1 Skład chemiczny ważniejszych stopów tytanu Oznaczenie stopu Ti-5Al-2,5Sn, BT5-1 RMI 5621 RMI 3A1-2,5V Ti.4Al-3Mo.lV Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo Ti-6Al-4V, BT6* Ti-6Al-6V-2Sn Ti-7Al-4Mo BT3-1* BT4* BT8* BT9* BT20*
* *
Typ stopu α α+β
Skład chemiczny, % (reszta tytanu) Al 5 5 3 4 6 6 6 7 5,5 4 6,5 6,5 6 Mo 1 3 2 4 2 3,5 3,5 1 Sn 2,5 6 2 2 Si 0,2 0,2 0,2 V 2,5 1 4 6 1 inne 2 Zr 4 Zr 2 Cr, l Fe 1,5 Mn 2 Zr 2 Zr
Stopy rosyjskie, pozostałe amerykańskie.
Stopy α + β. Warunkiem uzyskania dwufazowej struktury α + β jest obecność w stopie odpowiedniej ilości pierwiastków stabilizujących fazę β. Najbardziej odpowiednimi zarówno ze względu na własności ich roztworów w tytanie, jak i cenę są mangan, wanad, molibden, chrom i żelazo. Wszystkie te pierwiastki rozpuszczają się bardzo dobrze w tytanie β i bardzo słabo w tytanie α, w związku z czym ich wpływ na własności mechaniczne występuje przede wszystkim w fazie β. Własności mechaniczne stopów tej grupy zależą więc od ilości i własności fazy β. Większość jednak stopów α + β oprócz wymienionych pierwiastków zawiera jeszcze aluminium, które dobrze rozpuszcza się zarówno w tytanie α, jak i w tytanie β. W takim przypadku własności stopu są wypadkową własności obu faz. Ogólnie więc stopy α + β można podzielić na dwie podgrupy: a) stopy zawierające tylko pierwiastki stabilizujące fazę β, b) stopy zawierające pierwiastki stabilizujące fazę β i aluminium. Stopy α + β zawierające aluminium cechują wysokie wskaźniki własności mechanicznych. Na rys. 11.4a, b i c pokazano zakresy wytrzymałości na rozciąganie w podwyższonych temperaturach dla poszczególnych typów stopów tytanu, a na rys. 11.4d - krzywe reprezentujące średnie wartości tej wytrzymałości. Wyraźnie widać, że stopy α + β zawierające aluminium są stopami najbardziej wytrzymałymi i w temperaturze pokojowej i w temperaturach podwyższonych. Natomiast pozostałe stopy α + β i stopy α do temperatury około 370°C mają wytrzymałość zbliżoną, powyżej tej temperatury bardziej wytrzymałe są stopy α (wpływ aluminium). Wytrzymałość zmęczeniowa i udarność stopów α + β zawierających aluminium są mniej więcej takie same, jak stopów bez aluminium, wytrzymałość na pełzanie nieco wyższa. Ponadto stopy α + β zawierające aluminium cechuje mniejsza gęstość, lepsza obrabialność skrawaniem i niższa temperatura przemiany martenzytycznej. Przykładową mikrostrukturę stopu α + β (BT31) po przeróbce plastycznej okazano na rys. 11.5.
175
JW
Rys. 11.4. Wytrzymałość na rozciąganie w stanie wyżarzonym: a) stopów α, b) stopów α + β nie zawierających aluminium, c) stopów α + β zawierających aluminium; d) średnia wytrzymałość na rozciąganie: l — stopów α, 2 — stopów α + β nie zawierających aluminium, 3 - stopów α + β zawierających aluminium
Rys.11.5. Mikrostruktura stopu tytanu α + β (BT3-1) po obróbce plastycznej. Na tle ciemnych kryształów β widoczne jasne, iglaste kryształy α. Traw. odczynnikiem Krolla. Powiększ. 250x Wytrzymałość większości stopów α + β może być dodatkowo podwyższona przez odpowiednią obróbkę cieplną, składającą się z przechłodzenia i starzenia. Pierwszy proces polega na nagrzaniu do temperatury istnienia stabilnej fazy β lub nieco poniżej (tzn. do obszaru dwufazowego α + β, ale w pobliżu jego górnej granicy), wygrzaniu w tej temperaturze i następnie szybkim ochłodzeniu. W wyniku otrzymuje się bądź fazę β w stanie nierównowagi, bądź mieszaninę faz α + β, w której faza β jest także w stanie nierównowagi. W żadnym przypadku nie wolno jednak dopuścić do przemiany martenzytycznej i wydzielenia się fazy α'. Proces starzenia polega na nagrzaniu do temperatury 450 ÷ 600°C, zależnie od składu chemicznego obrabianego stopu. Czas wygrzewania i sposób chłodzenia (powietrze, woda) również zależą od składników stopu. W czasie starzenia następuje częściowy rozkład nietrwałej fazy β na α + β. Bez względu na pierwotną strukturę stopu podlegającego starzeniu (β czy α + β), własności mechaniczne po starzeniu zależą od postaci wydzieleń fazy α powstającej w wyniku rozkładu fazy β. oraz od ilościowego stosunku faz α i β . Przechłodzenie i starzenie zwykle powodują spadek wskaźników własności plastycznych, natomiast wytrzymałość wzrasta o około 35% w stosunku do wytrzymałości stopów w stanie wyżarzonym. Stopy α + β podlegają również wyżarzaniu rekrystalizującemu i odprężającemu. podobnie jak stopy α. Spawalność stopów α + β jest zależna przede wszystkim od procentowej zawartości pierwiastków stabilizujących fazę β. Przy zawartości do 3% stopy α + β są mniej czułe na szybkość chłodzenia po spawaniu i wykonane z nich złącza spawane mają zadowalające własności mechaniczne. Jeśli jednak zawartość pierwiastków stopowych (bez aluminium) przekracza 3%, złącza bezpośrednio po spawaniu są kruche i wymagają odpowiedniej obróbki cieplnej.
176 JW Stopy β. Trzecią grupę stopów tytanu stanowią jednofazowe stopy β, które można uzyskać bądź przez odpowiednią zawartość pierwiastków stabilizujących fazę β, bądź przez przechładzanie z obszaru stabilnej fazy β w wyższych temperaturach, przy stężeniach składnika stopowego niższych od stanu równowagi. Praktycznie wykorzystuje się drugą metodę, otrzymując jednak stopy β o strukturze niestabilnej. Obecnie znanych jest kilka seryjnie produkowanych stopów tytanu o strukturze β (niestabilnej): amerykańskie Ti-13V-llCr-3Al, Beta 3 (11,5% Mo, 4,5% Sn, 6% Zr) i RMI lAl8V-5Fe oraz rosyjskie BT14 (4% Al, 3% Mo, 1% V), BT15 (3% Al. 8% Mo, 11% Cr) i BT16 (2,5% Al, 7,5% Mo). Stopy β cechuje bardzo wysoka wytrzymałość, zwłaszcza po obróbce cieplnej. Na przykład, stop Ti-13V-llCr-3Al w stanie wyżarzonym wykazuje wytrzymałość na rozciąganie Rm = 930 MPa, w stanie przechłodzonym i starzonym Rm = 1275 MPa, a po walcowaniu na zimno i starzeniu Rm = 1750 MPa, co czyni go metalem o najwyższej wytrzymałości właściwej ze wszystkich tworzyw konstrukcyjnych (gęstość stopu wynosi 4,85 g/cm3). Stopy β są spawalne zarówno w stanie wyżarzonym, jak i starzonym. Również ich obróbka skrawaniem nie przedstawia większych trudności.
12. Stopy łożyskowe
Stopy łożyskowe stanowią specjalną grupę materiałów stosowanych do wytwarzania i wylewania panewek łożysk ślizgowych. Ze względu na specyficzne warunki pracy tych łożysk, materiał na panewki musi spełniać następujące warunki: • współczynnik tarcia między powierzchnią czopu wału a panewką powinien być możliwie mały, • materiał panewki powinien być odporny na ścieranie, • materiał panewki powinien mieć dostateczną wytrzymałość w temperaturze -200°C. Panadto stopy łożyskowe powinny być dostatecznie odporne na korozję oraz nie wykazywać przy odlewaniu skłonności do likwacji składników. Dlatego stopy łożyskowe powinny wykazywać własności twardych materiałów w celu zapewnienia dostatecznej wytrzymałości i uzyskania małego współczynnika tarcia, oraz miękkich materiałów w celu umożliwienia panewce dostosowania się kształtu czopu wału. Takie skojarzenie przeciwnych sobie własności można uzyskać jedynie w stopach złożonych z dwóch lub więcej faz o różnych własnościach. Struktura takich stopów powinna składać się z miękkiego podłoża i możliwie równomiernie rozłożonych w nim twardych kryształów. W czasie pracy twarde kryształy przejmują obciążenie i przekazują je na całą panewkę. Jednocześnie ich ilość powoduje wytworzenie między powierzchnią wału i powierzchnią panewki pewnej przestrzeni, w której umieszcza się smar. W przypadku, gdy poszczególne części panewki zostaną przeciążone, twarde kryształy wgniatają się w tych miejscach w miękkie podłoże i następuje wyrównanie obciążenia. Jako stopy łożyskowe w praktyce przemysłowej stosuje się żeliwa, brązy oraz łatwo topliwe stopy na osnowie cyny, ołowiu, cynku i aluminium. Panewki żeliwne wytwarza się z szarego żeliwa perlitycznego, które jest materia najtańszym i może przenosić dość duże naciski jednostkowe, ale ze względu na stosunkowo duży współczynnik tarcia nie nadaje się do pracy przy dużej liczbie obrotów. Do wyrobu panewek brązowych wykorzystuje się omówione już (rozdz. 8) brązy cynowe, ołowiowe, krzemowe itd. Do tego celu stosuje się także niektóre mosiądze zawierający 3,0 ÷ 4,5% Si i 2,5 ÷ 4,0% Pb). Materiały te mają dość dobrą wytrzymałość, toteż panewki z nich wykonane mogą pracować przy dużych naciskach jednostkowych i dużej liczbie obrotów. Mikrostrukturę panewki łożyskowej wylanej brązem ołowiowym pokazano na rys. 12.1. Zgodnie z Polską Normą PN-82/H-87111 (tabl. 12.1), stopy łożyskowe na osnowie cyny (zwane także babitami cynkowymi) zawierają 7 ÷12% antymonu i 2,5 ÷ 6,5 % miedzi. Struktura tych stopów (rys. 12.2) składa się z kryształów roztworu stałego α antymonu w cynie (tworzących miękkie podłoże) oraz twardych kryształów fazy międzymetalicznej SnSb (krzepnących w postaci regularnych sześcianów) i twardych kryształów fazy międzymetalicznej
177 JW Cu3Sn (krzepnących w połaci igieł). Te ostatnie, charakteryzując się największą temperaturą topnienia, krzepną pierwsze, tworząc jak gdyby rodzaj szkieletu, który utrudnia przesuwanie się krzepnących kryształów SnSb i zapewnia ich równomierne rozmieszczenie w roztworze α.
Rys. 12.1. Panewka łożyska. Od lewej: stal, ciemna warstewka stopu Sn-Pb oraz brąz ołowiowy składający się z jasnych kryształów miedzi i ciemnych kryształów ołowiu (osnowa). Nie trawione. Powiększ. 100x
Rys. 12.2. Mikrostruktura stopu łożyskowce na osnowie cyny (Ł83), zawierającego 11% Sb i 6% Cu. Na ciemnym tle roztworu stałego antymonu w cynie widać jasne regularna kryształy fazy międzymetalicznej SnSb oraz iglaste kryształy fazy międzymetaliczne Cu3Sn. Traw. 5% roztworem HNO3. Powiększ. 100x Tablica 12.1
Skład chemiczny łożyskowych stopów cyny i ołowiu (wg PN-82/H-87111) oraz stopów cynku (wg PN-80/H-87101)
Cecha stopu Ł89 Ł83 Ł83Te Ł808 Skład chemiczny, % Sn reszta reszta reszta reszta Sb 7,25-8,25 10,0-12,0 10,0-12,0 11,0-13,0 Cu 2,5-3,5 5,5-6,5 5,5-6,5 5,0-6,5 1,5-2,0 1,0-2,0 4,5-5,8 3,0-5,4 As 0,2-0,5 0,5-0,9 Pb max 1,5 2n inne 0,2-0,5 Te 1,0-1,5Cd 0,3-0,6 Ni 0,03-0,2 Cr 9,0-11,5 Al 26,0-30,0 Al 0,02-0,05 Mg
Ł16 15,0-17,0 15,0-17,0 Ł10As 9,0-11,0 13,0-15,0 Ł6 5,0-7,0 5,5-7,5 Z105 Z284 -
reszta reszta reszta reszta reszta
Łożyskowe stopy na osnowie cyny mają bardzo dobre własności, w związku z czym wykonane z nich panewki mogą pracować zarówno przy obciążeniach statycznych, jak i dynamicznych. Ze względu jednak na wysoką cenę i deficytowość cyny, w wielu przypadkach stosuje się zastępcze stopy na osnowie ołowiu, w których zawartość cyny jest ograniczona do kilku lub kilkunastu procent, a nawet stopy bezcynowe, zawierające wapń, sód, lit, aluminium i inne metale. Krajowe stopy łożyskowe na osnowie ołowiu zawierają antymon, cynę, miedź, czasem arsen lub tellur (tabl. 12.1). W stopach tych miękką osnowę stanowią roztwory stałe pierwiastków stopowych w ołowiu lub eutektyki, twarde wtrącenia – odpowiednie fazy międzymetaliczne, np. SnSb, Cu3Sn, SnAs2 itd. – rys.12.3. Łożyskowe stopy na osnowie cynku (PN-80/H-87101) zawierają głównie aluminium i miedź. Orientacyjne warunki pracy i zastosowanie znormalizowanych w Polsce stopów łożyskowych na osnowie cyny, ołowiu i cynku podano w tabl. 12.2.
178 JW Spośród stopów aluminium na panewki łożysk ślizgowych stosuje się stopy z antymonem i magnezem, z niklem, a także z miedzią i krzemem. Ich znaczenie jest jednak niewielkie. Tablica 12.2.
Orientacyjne warunki pracy i zastosowanie stopów łożyskowych (wg PN-82/H-87111 i PN80/H-87102) Cecha stopu Ł89 Ł83 Orientacyjne warunki pracy Zastosowanie
obciążenia statyczne i dynamiczne: naciski do 10 MPa, prędkość obwodowa powyżej 5 m/s, iloczyn nacisku i prędkości poniżej 50 MPa • m/s
odlewane odśrodkowo taśmy bimetalowe na panewki łożysk ślizgowych mocno obciążonych wylewane panewki łożysk ślizgowych mocno obciążonych panewki łożysk ślizgowych mocno obciążonych
Ł83Te obciążenia statyczne i dynamiczne: naciski do 10 MPa, prędkość obwodowa powyżej 3 m/s, iloczyn nacisku i prędkości 15 ÷50 MPa -m/s Ł80S
obciążenia statyczne i dynamiczne: naciski panewki łożysk turbin parowych oraz wysoko do 19 MPa, prędkość obwodowa do 20 m/s, obciążonych przekładni zębatych iloczyn nacisku i prędkości do 38 MPa •m/s obciążenia statyczne: naciski do 10 MPa, prędkość obwodowa powyżej 1,5 m/s, iloczyn nacisku i prędkości do 15 MPa·m/s panewki łożysk średnio obciążonych
Ł16
Ł10As obciążenia statyczne: naciski do 10 MPa, prędkość obwodowa powyżej 1,5 m/s, iloczyn nacisku i prędkości do 30 Mpa·m/s Ł6 obciążenia uderzeniowe Z105 Z284 małe i średnie naciski, małe i średnie prędkości obwodowe
panewki łożysk średnio obciążonych
taśmy bimetalowe na panewki łożysk samochodowych w warunkach pracy niekorozyjnej zastępuje brąz B555, a nawet stop Ł 10As
naciski do 20 MPa, maks. temperatura pracy w warunkach pracy niekorozyjnej zastępuje 100°C brązy B10, B101 i B555
Rys. 12.3. Mikrostruktura stopu łożyskowego na osnowie ołowiu, zawierającego 16% Sb i 6% Sn. Na tle eutektyki ołów-antymon-cyna widoczne jasne kryształy fazy międzymetalicznej SnSb i ciemne kryształy ołowiu. Traw. 5% roztworem HN03. Powiększ. 200x
179
JW
13. Stopy żarowytrzymałe
Stopami żarowytrzymałymi nazywa się stopy wykazujące: a) dużą wytrzymałość doraźną w temperaturze otoczenia i temperaturach wysokich, b) odporność na długotrwałe działanie obciążeń stałych w wysokich temperaturach (wytrzymałość na pełzanie), c) odporność na długotrwałe działanie obciążeń zmiennych w wysokich temperaturach (wytrzymałość zmęczeniowa), d) odporność na wielokrotne zmiany temperatury związane lub nie związane z zmianą obciążeń (wytrzymałość na zmęczenie cieplne), e) odporność na korozyjne działanie gazów w wysokich temperaturach (żaroodporność). Oczywiście poszczególne stopy żarowytrzymałe spełniają powyższe warunki w różnym stopniu. Zasadniczym czynnikiem określającym przydatność stopu żarowytrzymałego do danego zastosowania jest jego optymalna temperatura pracy. Temperatura ta zależy przede wszystkim od składu chemicznego stopu, ale również od wielkości i rodzaju losowanych obciążeń, dopuszczalnych odkształceń i założonego czasu pracy (np. czas pracy elementów turbin lotniczych wynosi około 1000 h, czas pracy turbin stacjonarnych - 10000 do 100000 h). Najważniejsze grupy stopów żarowytrzymałych to stopy niklu, stopy kobaltu stopy żelazowoniklowe, które łącznie nazywane są często nadstopami lub superstopami. Perspektywicznymi materiałami żarowytrzymałymi są stopy metali trudno topliwych (molibdenu, wolframu, niobu, tantalu, wanadu), a także stopy berylu. 13.1. Żarowytrzymałe stopy niklu
Do tej grupy materiałów należą stopy niklu z chromem, molibdenem, kobaltem, wolframem, tytanem, aluminium, borem, żelazem i inne, charakteryzujące się wysoką żaroodpornością i żarowytrzymałością, a przeznaczone głównie do budowy turbin gazowych i silników odrzutowych, na elementy pracujące w warunkach w wysokich naprężeń i temperaturze 550 ÷1030°C. Na rynkach światowych stopy te znane pod różnymi nazwami (np. Hastelloy, Inconel, MAR, Nimocast, Nimonic, Rene, Udimet itd.), przy czym jeśli pod jedną nazwą produkowanych jest kilka stopów, różniących się składem chemicznym i własnościami, nazwa ta jest uzupełnia dodatkowym oznaczeniem liczbowym lub literowym (tabl. 13.1). Dzielą się stopy odlewnicze i do przeróbki plastycznej.
Rys. 13.1. Mikrostruktura żarowytrzymałego stopu niklu do przeróbki plastycznej w stanie wyżarzonym. Widoczne jasne kryształy roztworu stałego γ i drobne ciemne wydzielenia faz międzymetalicznych. Traw. elektrolitycznie w 10% roztworze kwasu szczawiowego. Powiększ. 500x Większość żarowytrzymałych stopów niklu podlega obróbce cieplnej złożonej z przesycania i starzenia (utwardzanie dyspersyjne). Po takiej obróbce struktura stopów składa się z jednorodnych ziarn roztworu stałego pierwiastków stopowych w niklu i równomiernie rozłożonych, bardzo drobnych wydzieleń faz umacniających np. Ni3Ti, Ni3Al, Ni3(Al,Ti) (rys. 13.1).
180 Tabl.13.1. Skład chemiczny niektórych żarowytrzymatych stopów niklu
Nazwa stopu Mn Si Cr Mo Nb Co max max - 18 prze- max 0,13 1,0 1,0 19,5 rabia -lny max 0,12 1,0 1,0 14,8 5 - 20 plasty0,16 1,0 1,0 14,2 3,2 - 15 czni e 0,04 0,5 0,25 15,5 - 1,0 0,15 0,27 0,15 odlewniczy 0,15 0,03 0,125 0,5 0,5 15 5,2 1,5 18,5 15 10 5 20 9,3 3,25 9 10 20 6 10 4 Rod zaj stop Skład chemiczny, % (reszta nikiel) C W AI 1,5 4,7 4,8 0,7 Ti Zr Fe
JW
inne
Nimonic 90* Nimonic 105* Nimonic 115* Inconel X-750 Udimet 700 Renę 85 MAR-M246 WAZ-20 IN-6201 TAZ-8B
max 0,02 B 1,2 0,15 1,0 0,0030,010 B 3,7 2,5 1,0 0,2 Cu 7,0 2,0 0,015 B 0,015 B 1,5 Ta 1,5 Ta 8,0 Ta 0,5 0,05 B
2,5 0,15 1,5
4,25 3,5
5,35 5,25 3,25 0,03 10 5,5 1,5 0,05 18,5 6,2 2,3 4 2,4 6,0 4,8 3,7 1,5 1,0
0,5 1,0 20
3,6 0,05
0,2 0,3 0,4 Nimocast 258* * Stopy angielskie, pozostałe amerykańskie.
13.2. Żarowytrzymałe stopy kobaltu Stopy kobaltu stanowią dużą grupę stopów przeznaczonych do pracy w wysokich temperaturach. Wytrzymałość ich w wysokich temperaturach (860 ÷1090°C) jest jednak niższa niż stopów niklu, co w pewnym stopniu ogranicza ich zastosowanie. Poważną natomiast zaletą stopów kobaltu jest tańsza technologia produkcji (nie wymagają topienia próżniowego) i duża odporność na zmęczenie cieplne. Ta ostatnia cecha powoduje, że znalazły one zastosowanie na łopatki kierujące w dyszach inne części silników turboodrzutowych.
Tablica 13.2
Skład chemiczny niektórych żarowytrzymałych stopów kobaltu produkcji USA
Rodzaj stopu C Mn prze- 0,10 1,5 HS-25 rabia- 0,38 1,2 S-816 ny 0,27 1,0 V-36 plastyHaynes 188 0,10 1,25 cznie 1,0 1,4 Stellite 6 odle- 0,25 0,6 HS-21 wni- 0,50 0,5 HS-31 czy X-45 0,25 1,0 Stellite 12 1,4 1,0 Sellite F 1,75 1,0 Sellite 1 2,4 1,0 3,3 1,0 Stellite 190 Nazwa stopu Skład chemiczny, % (reszta kobalt) Si 0,4 0,4 0,4 0,4 0,7 0,6 0,5 2,0 2,0 2,0 2,0 Cr 20 20 25 22 30 27 25 25,5 30 25 31 26 Ni 10 20 20 22 2,5 3 10 10,5 3 22 3 3 Mo W 15 4 4 4 2 14 1,5 4 5 7,5 7 1 8,3 1 12,3 1 12,5 1 14,5 Fe 3 4 3 3 3 1 1,5 2 3 3 3 3 inne 4,0 Nb 2,0 Nb 0,03 La 0,01 B -
Wszystkie przemysłowe stopy kobaltu zawierają chrom, który podwyższa ich odporność na korozję, a ponadto - zależnie od gatunku - różne ilości wolframu, niklu, niobu, tantalu,
181
JW
molibdenu, aluminium i in. (tabl. 13.2).. W obecności dostatecznej ilości węgla niektóre z tych pierwiastków tworzą trudno topliwe węgliki (np. V, Mo, Ta, Nb), inne wpływają na własności osnowy. Dzielą się na stopy do przeróbki plastycznej i odlewnicze. Te ostatnie wykazują bardzo dużą odporność na ścieranie i pod nazwą stellitów są wykorzystywane także jako materiały narzędziowe oraz do napawania powierzchni części maszyn. Stopy kobaltu są stosowane bądź w stanie surowym (niektóre odlewy), bądź obrobionym cieplnie (przesycanie i starzenie). 13.3. Żarowytrzymałe stopy żelazowo-niklowe Stopy żelaza z niklem i chromem oraz - zależnie od gatunku - z molibdenem. wolframem, niobem, kobaltem, tytanem, aluminium, borem i in. (tabl. 13.3) charakteryzują się wysoką żarowytrzymałością i żaroodpornością, niższą jednak niż omówione wyżej stopy niklu i kobaltu. Są natomiast od nich o wiele tańsze (dzięki znacznej zawartości żelaza). Stopy żelazowo-niklowe są stosowane zarówno w postaci lanej, jak i przerobionej plastycznie, zwykle po obróbce cieplnej (przesycanie i starzenie). Tablica 13.5 Skład chemiczny niektórych żarowytrzymałych stopów żelazowo-niklowych produkcji USA
Nazwa stopu Discaloy Incoloy 800 Incoloy 901 S-590 Refractaloy 26 CRM 60 Duraloy lllium PD odlewniczy przerabialny plastycznie Rodzaj stopu Skład chemiczny, % (reszta żelazo) C 0,04 0,05 0,05 0,46 0,03 1,05 0,50 0,08 Mn 0,9 0,75 0,45 1,25 0,8 5 0,8 Si 0,8 0,5 0,4 0,4 1 0,5 1 Cr 13,5 21 13,5 20,5 18 22 25,5 27 Ni 26 32,5 42,7 20 38 5 45,5 5 Mo 2,75 6,2 4 3,2 1 2 W 4 1 Ti 1,75 0,38 2,5 2,6 inne 0,1 AI 0,38 AI 0,25 AI, 0,015 B 20 Co, 4Nb 0,2 AI, 20 Co 1 Nb, 0,003 B 3,25 Co 7 Co
3,25 3,25
13.4. Molibden i jego stopy Molibden jest metalem o temperaturze topnienia 2610°C i gęstości 10,2 g/cm3. Cechują go: • wysoki moduł sprężystości, • dobra odporność na gwałtowne zmiany temperatury (dzięki małemu współczynnikowi rozszerzalności cieplnej i wysokiej przewodności cieplnej), • dobra przewodność elektryczna (około 33% przewodności Cu), • stosunkowo mały przekrój czynny pochłaniania neutronów. Do jego zalet należy również dość szerokie rozpowszechnienie w przyrodzie i dobrze opracowaną technologię wytwarzania. Zasadniczą natomiast wadą molibdenu i stopów na jego osnowie jest brak odporności w podwyższonych temperaturach (powyżej 650°C) na korodujące działanie gazów atmosferycznych, a szczególnie tlenu, tak że stosowanie w wysokich temperaturach jest uwarunkowane specjalnymi ochronnymi pokryciami ceramicznymi. Jako materiały konstrukcyjne wykorzystuje się obecnie molibden techniczny zawierający około 0,02% C), stop molibden-tytan (zawierający 0,04% C i 0,5% Ti), stop molibden-wolfram (30% W), stop molibden-ren (41% Re), stop TZC 1,2% Hf i 0,05% C) i stop TZM (0,015% C, 0,5% Ti i 0,08% Zr). Ten ostatni w temperaturze 1315°C ma Rm = 310 MPa. Molibden i jego stopy są stosowane w lotnictwie i kosmonautyce na dysze rakiet, części silników, przednie części skrzydeł itd.
182 13.5. Wolfram i jego stopy
JW
Szczególnymi zaletami wolframu są bardzo wysoka temperatura topnienia (3415 oC) i wyjątkowa wytrzymałość w wysokich temperaturach, ujemnymi cechami - duża gęstość (19,3 g/cm3) i kruchość w niskich temperaturach. Poza tym wolfram, jak większość metali trudno topliwych, łatwo utlenia się w wysokich temperaturach, co powoduje konieczność stosowania pokryć ochronnych. Te same własności cechują stopy wolframu z tlenkiem toru (l lub 2% ThO2), wolframu z renem (4% lub 25% Re) i molibdenem (15% Mo). Wolfram i jego stopy stosowane są doświadczalnie w konstrukcjach lotniczych i kosmonautycznych. 13.6. Niob i jego stopy Niob i jego stopy z molibdenem, wolframem, tantalem, cyrkonem, hafnem, tytanem, wanadem i in. są zaliczane do najcenniejszych tworzyw żarowytrzymałych, głównie dzięki wysokiej temperaturze topnienia niobu (2468°C), jego małej gęstości (8,57 g/cm3) i małemu przekrojowi czynnemu pochłaniania neutronów. Inne cenne własności niobu to plastyczność w temperaturach obniżonych i obrabialność, lepsze niż molibdenu i wolframu. W podwyższonych temperaturach niob staje się miękki i plastyczny, ale za pomocą pierwiastków stopowych można jego wytrzymałość podwyższyć do tego stopnia, że stopy niobu z powodzeniem mogą konkurować z innymi metalami żarowytrzymałymi do temperatury 1815°C. Poważną wadą niobu i jego stopów jest mała odporność na utlenianie w wysokich temperaturach i związana z tym konieczność stosowania specjalnych pokryć ochronnych. Stopy niobu są stosowane na elementy konstrukcyjne sztucznych satelitów, osłony i elementy przegrzewaczy reaktorów jądrowych, zbiorniki i rurociągi na ciekłe metale, dysze silników rakietowych, elementy komór spalania i części poszycia samolotów naddźwiękowych, np. C 103 (10% Hf, 1% Ti, 0,7% Zr), B 66 (5% Mo,5%V, 1% Zr), C 129Y (10% W, 10% Hf, 0,1% Y), B 99 (22% W, 2% Hf, 0,07% C), Cb 132M (20% Ta, 15% W, 5% Mo, 1,5% Zr, 0,1% C), F-48 (15% W, 5% Mo, 1% Zr, 0,05% C). 13.7. Tantal l jego stopy Tantal cechuje bardzo wysoka temperatura topnienia (2996°C) doskonała obrabialność i plastyczność, także w temperaturze poniżej -255°C, oraz dobra spawalność. Wadą tego pierwiastka jest duża gęstość (16,6 g/cm3), mała odporność na utlenianie w wysokich temperaturach (powyżej 650°C) i co najważniejsze niewielkie zapasy w skorupie ziemskiej (ok. 1,5% znanych zapasów niobu). Stopy tantalu oprócz wymienionych własności cechuje wysoka żarowytrzymałość. Stosowane są na elementy konstrukcyjne pojazdów kosmicznych i dysze silników rakietowych, np. FS 61 (7,5% W), PS 63 (2,5% W, 0,15% Nb), T-lll (8% W, 2% Hf), KBI 41 (37,5% Nb, 2,5% W, 2% Mo). 13.8. Beryl Bardzo ciekawym i perspektywicznym materiałem dla lotnictwa i techniki rakietowej jest metaliczny beryl. Charakteryzuje się on bardzo małą gęstością (1,85 g/cm3), dość wysoką temperaturą topnienia (1282°C), wysokim modułem sprężystości, wysoką wartością stosunku wytrzymałości do gęstości oraz wysoką pojemnością i przewodnością cieplną. Wady berylu to toksyczność, ograniczona plastyczność w niskich temperaturach i stosunkowo wysoka cena. Jak dotąd, przemysłowe zastosowanie znalazł beryl technicznie czysty o kontrolowanej zawartości tlenu (w postaci tlenku BeO). W postaci kutej w temperaturze otoczenia materiał ten ma Rm ok. 700 MPa, w temperaturze 600°C - Rm = 330 MPa.
