PIERWIASTKI STOPOWE W STALACH

PIERWIASTKI STOPOWE W STALACH
Stal stopowa - stop żelaza z węglem, zawierający do ok.
2 % węgla i pierwiastki (dodatki stopowe) wprowadzone
celowo dla nadania stali wymaganych właściwości,
otrzymany w procesach stalowniczych, przeznaczony na
półwyroby i wyroby przerabiane plastycznie, obrabialny
cieplnie.
Dodatki (pierwiastki) stopowe – pierwiastki dodane do
stali w ilości przekraczającej minimalne stężenie, przy
którym nie ma wyraźnego wpływu na strukturę i
właściwości stali.
Najczęściej stosowane dodatki stopowe: chrom, mangan,
krzem, nikiel, wolfram, molibden, wanad, tytan.
Podział stali stopowych ze względu na udział pierwiastków
stopowych:
• stale niskostopowe – zawartość 1 pierwiastka (poza
węglem) < 2 %, suma pierwiastków < 3,5%
• stale średniostopowe – zawartość 1 pierwiastka jest > 2%
ale < 8 %, suma pierwiastków < 12 %
• stale wysokostopowe – zawartość 1 pierwiastka > 8 %,
suma pierwiastków < 55 %
Podział stali stopowych ze względu na zastosowanie:
• stale konstrukcyjne
• stale narzędziowe
• stale o szczególnych właściwościach
STALE
stale niestopowe
stale niestopowe
jakościowe
stale niestopowe
specjalne
stale odporne na
korozję
inne stale stopowe
-nierdzewne
stale stopowe jakościowe
stale stopowe specjalne
-stale narzędziowe,
-żaroodporne
-stale elektrotechniczne
(pierwiastki stopowe tylko Si lub
Si + Al),
-stale stopowe przeznaczone do
produkcji szyn i grodzic oraz na
obudowy górnicze,
-stale szybkotnące,
-stale stopowe przeznaczone do
produkcji wyrobów płaskich
walcowanych na gorąco lub na
zimno do dalszej przeróbki
plastycznej na zimno,
-stale stopowe na zbiorniki
ciśnieniowe,
-stale stopowe, w których miedź
jest jedynym pierwiastkiem
stopowym.
-stale stopowe maszynowe,
-żarowytrzymałe
-stale na łożyska toczne,
-stale o specjalnych
właściwościach fizycznych.
Wpływ pierwiastków stopowych na przemiany fazowe żelaza:
a) rozszerzony obszar fazy γ, b) rozszerzony obszar fazy α,
c) przemiana eutektoidalna
Mn, Ni, Co – pierwiastki austenitotwórcze
Ti, W, V, Mo, Cr, Al, Si – pierwiastki ferrytotwórcze
Struktura stopów Fe-M-C w zależności od zawartości węgla i
dodatków stopowych (M – dodatek stopowy) :
a) austenitotwórczych,
b) ferrytotwórczych
% masy
Wpływ pierwiastków stopowych na położenie punktów:
S – eutektoidalnego, E – maksymalnej rozpuszczalności węgla
w żelazie γ
% masy
Wpływ pierwiastków stopowych na temperaturę przemiany
eutektoidalnej
Fazy, w których występują pierwiastki stopowe w
stalach:
1. Roztwory stałe żelaza: ferryt stopowy i austenit
stopowy
2. Fazy międzymetaliczne międzywęzłowe z węglem i
azotem: węgliki, azotki i węglikoazotki
3. Inne fazy międzymetaliczne
4. Wtrącenia niemetaliczne: tlenki, siarczki
•
•
Każdy pierwiastek może występować we wszystkich
fazach.
Podział pierwiastków między fazy w stopie jest
nierównomierny.
Ad. 1. Ferryt stopowy – roztwór stały węgla i dodatków
stopowych w żelazie α, którego atomy węzłowe w sieci A2 zostały
częściowo zastąpione przez atomy pierwiastka stopowego.
Wpływ pierwiastków
stopowych na
właściwości
mechaniczne ferrytu:
a) twardość
b) udarność
c) wytrzymałość na
rozciąganie
d) przewężenie
Ad. 1. Austenit stopowy – roztwór stały węgla i
dodatków stopowych w żelazie γ, którego atomy węzłowe
w sieci A1 zostały częściowo zastąpione przez atomy
pierwiastka stopowego.
W porównaniu do ferrytu, oddziaływanie pierwiastków
stopowych na austenit jest mniej poznane, ponieważ
stabilny austenit w temperaturze pokojowej można
uzyskać przy odpowiednio dużej zawartości pierwiastków
stopowych.
Austenit stopowy ma bardzo dobrą plastyczność i
udarność; może uzyskać specjalne właściwości, jak: dużą
odporność korozyjną, żaroodporność, żarowytrzymałość,
odporność na ścieranie. Austenit jest paramagnetyczny.
Ad. 2. Fazy międzymetaliczne międzywęzłowe
Fazy międzymetaliczne, których węzły są obsadzone atomami
jednego z metali przejściowych M (Fe, Cr, Mo, Mn, Ti), a
pozycje międzywęzłowe są zajęte przez atomy pierwiastków
niemetalicznych o małym promieniu atomu X (H, B, C, N),
węgliki, azotki, wodorki, borki, węglikoazotki
• O ich powstaniu decyduje czynnik wielkości atomów.
Klasyfikacja w zależności od stosunku promieni metalu rM i
niemetalu rX
• Gdy rX/rM ≤ 0,59, tworzą się fazy o strukturach prostych, o
wzorach M4X, M2X, MX, MX2 (układ regularny lub heksagonalny
o prostych komórkach elementarnych))
• Gdy rX/rM > 0,59, tworzą się fazy o strukturach złożonych, o
wzorach M3X, M23X6, M7X3, M6C (układ rombowy, regularny,
heksagonalny o złożonych komórkach elementarnych)
• Azotki i węgliki typu MN i MC oraz M2N i M2C są izomorficzne
(ten sam typ sieci krystalicznej) i cechują się wzajemną
rozpuszczalnością. Możliwe jest więc tworzenie w stopach
węglikoazotków typu M(C,N) i M2(C,N)
Ad. 3. Inne fazy międzymetaliczne
• Fazy σ (sigma) o strukturze tetragonalnej występują w stopach żelaza
z Cr, Mo i V – FeCr, FeMo, FeV.
Ich obecność jest niepożądana; są twarde, kruche i rozmieszczają się
na granicach ziaren stali. Fazy tworzą roztwory wtórne i występują w
większych zakresach stężeń niż wynikające ze wzoru. W stalach
ferrytycznych zawierających > 12 % Cr podczas eksploatacji w
temperaturze > 600ºC, może wydzielić się faza FeCr na granicach
ziaren, co powoduje kruchość stali.
• Fazy Lavesa o wzorze AB2 i złożonej sieci regularnej lub
heksagonalnej tworzy żelazo z Ti, Nb, W, Mo.
W stalach żarowytrzymałych TiFe2 i Fe2W zwiększają wytrzymałość na
pełzanie. W stalach narzędziowych stopowych (Fe,Co)2(W,Mo) i Fe2Mo
powodują umocnienie podczas odpuszczania. W stali 9Cr-1Mo
eksploatowanej w podwyższonej temperaturze wydzielająca się na
granicach ziaren faza Fe2Mo powoduje kruchość.
• Fazy AB3 o sieci regularnej zwarcie wypełnionej tworzą: Fe, Mn, Co,
Ni z Ti, V, Nb, Cr, Mo, W.
W stalach martenzytycznych wydzielające się podczas starzenia fazy
Ni3Al, Ni3Mo, Ni3Ti powodują znaczne umocnienie stali.
Ad. 4. Wtrącenia niemetaliczne, głównie siarczki i tlenki
• Wtrącenia niemetaliczne wpływają ujemnie na właściwości
mechaniczne stali, wobec niskiej spójności osnowy
metalicznej i wtrącenia
•Skład tlenków może zmieniać się w szerokim zakresie, w
zależności od wprowadzonych utleniaczy (Si, Mn, Al) i
pierwiastków stopowych o większym powinowactwie do tlenu
niż żelazo, powodujących tworzenie się ich tlenków, np.
tlenku chromu w stalach chromowych, czy tlenku tytanu w
stalach z dodatkiem tytanu.
• Siarczki tworzy w stali głównie mangan. Zawierają one
pewną ilość siarczku żelaza, a także chromu, niklu i
molibdenu. Siarczki manganu są plastyczne i podczas
obróbki plastycznej na gorąco przyjmują postać płytek
równoległych do kierunku walcowania. Skutkuje to
obniżeniem właściwości plastycznych stali w kierunku
prostopadłym do kierunku obróbki plastycznej.
200 µm
Wtrącenia niemetaliczne w stali: wydłużone i o kształcie
regularnym. Zgład bez trawienia, mikroskop świetlny
Wpływ pierwiastków stopowych na procesy obróbki
cieplnej stali
1. Przemiany przechłodzonego austenitu
2. Hartowność
3. Przemiany podczas odpuszczania
Ad. 1. Dodatki stopowe mają istotny wpływ na
przemianę przechłodzonego austenitu (wykresy CTP).
Wszystkie, oprócz kobaltu, przesuwają w prawo krzywą
początku rozpadu austenitu, tj. w kierunku dłuższych
czasów. Zmieniają położenie temperatur początku i
końca przemiany martenzytycznej oraz kształt
krzywych CTP.
Klasyfikacja wykresów CTPi : a – stal węglowa, b – stal manganowa (zmieniona
granica przemian perlitycznej i bainitycznej), c – stal o małej zawartości chromu
(bardzo wyraźna granica przemian perlitycznej i bainitycznej), d – stal chromowoniklowo-molibdenowa (rozdzielenie przemian perlitycznej i bainitycznej), e – stal o
dużej zawartości Cr (zanik przemiany bainitycznej)
Na podstawie wykresów CTPi można sklasyfikować stale
według uzyskanej struktury po ochłodzeniu na powietrzu z
zakresu austenitu w 4 grupach: perlitycznej, bainitycznej,
martenzytycznej, austenitycznej
Schematy wykresów CTPi stali chłodzonych na powietrzu o
strukturze: a) perlitycznej, b) bainitycznej, c) martenzytycznej, d)
austenitycznej
Ad. 2
Pierwiastki stopowe, oprócz kobaltu, przesuwając w prawo krzywą
początku rozpadu austenitu, zmniejszają szybkość krytyczną przy
hartowaniu, a tym samym zwiększają hartowność stali. Umożliwia to
hartowanie na wskroś przedmiotów o większych przekrojach oraz
wolniejsze chłodzenie przy hartowaniu np. w oleju, co zmniejsza
naprężenia hartownicze.
Schemat wykresów CTP: a) stal o małej hartowności, b) stal o dużej
hartowności
Ad. 3
Pierwiastki stopowe wpływają na przebieg przemian
podczas odpuszczania stali po hartowaniu, głównie
powodując przesunięcie do wyższych temperatur rozkład
martenzytu i przemiany austenitu szczątkowego w
porównaniu do przemian zachodzących w stalach
węglowych:
• stan przesycenia martenzytu może być zachowany do
temperatury 500ºC, gdyż pierwiastki stopowe utrudniają
dyfuzję węgla,
• stopowy austenit szczątkowy może być trwały do 500ºC;
dopiero zubożenie go w węgiel wywołuje przemianę
martenzytyczną.