🔥 Metody Umacniania Metali

W rzeczywistości metale i kryształy różnych pierwiastków wykazują skończone wymiary i liczne wady budowy krystalicznej. Najogólniej wady te ze względu na ich cechy geometryczne można podzielić na:

• – punktowe
• – liniowe
• – powierzchniowe

Wady budowy krystalicznej w istotny sposób wpływają na własności wytrzymałościowe i plastyczne metali. Obliczenia teoretyczne wykazują, że najlepszymi własnościami wytrzymałościowymi powinny cechować się metale o idealnej budowie krystalicznej, a ich wytrzymałość powinna przewyższać około 1000-krotnie wytrzymałość metali technicznych. Potwierdza to fakt, że bardzo duże własności uzyskują kryształy włoskowate, tak zwane wiskery, tj. monokryształy o jednej tylko dyslokacji śrubowej. Dążenie do ograniczenia wad budowy krystalicznej jest jednak technicznie bardzo trudne.

Natomiast praktyczna metoda umacniania metali polega na znacznym zwiększeniu gęstości wad budowy krystalicznej, co można osiągnąć przez stosowanie stopów metali o strukturze polikrystalicznej, w wyniku rozdrobnienia ziaren, wydzielenia faz o dużej dyspersji, a także przez zgniot wskutek odkształcenia plastycznego na zimno. Osiągnięciu tego celu sprzyjają procesy technologiczne odlewania, obróbki plastycznej i obróbki cieplnej.

Jedną z metod umacniania stopów żelaza jest umacnianie przez wprowadzenie pierwiastków stopowych.

Stosowanie składników stopowych ma na celu poprawę określonych własności. Jednakże własności stali ze wzrostem zawartości składnika stopowego nie zmieniają się liniowo. Również działania różnych składników stopowych w stali nie można ująć w prosty sposób. W związku z tym jakiekolwiek liczbowe określanie dotyczące zmian własności nie jest możliwe, gdyż nawet w najprostszych przypadkach mamy do czynienia ze stopem składającym się minimum z trzech składników – żelaza, węgla i pierwiastka stopowego. Znajomość wpływu pierwiastka stopowego w stali umożliwia jedynie orientacyjne określenie zmiany odpowiedniej własności.

Działanie pierwiastków stopowych w stali

Temperatura przystanku A1­­ wzrasta znacznie przez dodatek chromu i krzemu (o 20-30 K na 1% Cr lub Si, ale tylko do 3%), przez dodatek wolframu, wanadu, molibdenu i fosforu rośnie nieznacznie, a przez dodatek manganu i niklu maleje (o 10 K na każdy 1% Mn lub Ni). Granica nasycenia węglem austenitu (linia Acm) jest przesuwana w lewo przez wszystkie pierwiastki stopowe (z wyjątkiem kobaltu), gdyż zmienia się rozpuszczalność węgla w austenicie. W związku z tym pojawia się już przy mniejszych zawartościach węgla perlit, cementyt drugorzędowy lub nawet ledeburyt. Na podstawie zmian pola austenitu, dzięki różnej rozpuszczalności pierwiastków stopowych w Feg, lub w Fea, można wyróżnić cztery grupy pierwiastków stopowych:

Dodatki: Nikiel, Kobalt i Mangan

Poszerzają pole gazowe, które przy pewnej zawartości tych składników stopowych rozciąga się nawet od temperatur topnienia aż do temperatur otoczenia i niższych – otwarte pole gazowe. Powstaje wówczas stal austenityczna, której szczególnymi własnościami są: paramagnetyczna, niewielka granica plastyczności, znaczna ciągliwość, duża zdolność do umacniania się przez obróbkę plastyczną na zimno, żarowytrzymałość, niehartowalność, brak przemian, a zatem możliwość usuwania ewentualnie istniejącego grubego ziarna. Stale austenityczne chromowo-niklowe chłodzi się szybko podczas ich wytwarzania od 1050 oC celem otrzymania czystego austenitu. Powolne chłodzenie spowodowałoby tworzenie się na granicach ziaren węglików chromu (kruchość, korozja międzykrystaliczna).

Dodatki: Chrom, Aluminium, Tytan, Krzem, Wanad, Molibden

Zawężają pole gazowe. Przy wystarczającej zawartości tych pierwiastków stopowych, stal przy ogrzewaniu nie wykazuje żadnej przemiany i pozostaje stalą ferrytyczną (pole a). Jej szczególne własności to: żarowytrzymałość, szczególne własności magnetyczne, brak hartowalności, skłonność do tworzenia grubego ziarna, którego przy braku przemian w stali nie można usunąć. Pierwiastki drugiej grupy ferrytycznej w połączeniu z pierwiastkami z pierwszej grupy austenitycznej mogą zwiększyć skłonność do tworzenia austenitu. Przykładem tego jest stal nierdzewna, austenityczna o zawartości 18% Cr i 8% Ni.

Dodatki: Węgiel, Azot, Cynk i Złoto

Rozszerzają pole gzaowe.

Dodatki: Bor, siarka, cyrkon, cer

Wywołują zawężenie pola gazowego.

Większość stosowanych pierwiastków stopowych zmniejsza szybkość dyfuzji węgla w Feg i Fea i z tego powodu maleje krytyczna szybkość chłodzenia. Szczególnie szybko ujawnia się to przy manganie, molibdenie, chromie, krzemie i niklu (w kolejności zmniejszania się wpływu). Biorąc pod uwagę koszty i zdolność do ujednorodnienia się składników w stali (krzem powoduje kruchość) stosuje się w tym przypadku mangan, chrom, nikiel jako najważniejsze pierwiastki stopowe.

Przy wystarczającej zawartości tych pierwiastków przemiana perlityczna zostanie zahamowana przy chłodzeniu na wolnym powietrzu, powstaje wówczas struktura martenzytyczna stali. W odróżnieniu od stali niestopowych, stale stopowe wykazują przy ciągłym chłodzeniu wyraźną przemianę w zakresie pośrednim (bainityczną). W stalach takie pierwiastki jak: mangan, chrom, wolfram, molibden, tantal, niob, wanad, tytan wykazują skłonność do tworzenia węglików, przy czym wanad i tytan bardzo silną, mangan i chrom słabą.

Można rozróżnić trzy typy węglików

• a) Węgliki złożone o strukturze cementytu, np. (Fe, Mn)3C, w których pojedyncze atomy żelaza są zastąpione atomami pierwiastka stopowego.
• b) Węgliki specjalne o własnej strukturze np. Cr7C3, które mogą rozpuszczać również żelazo, np.(Cr, Fe)7C3.
• c) Węgliki podwójne, np. Fe3W3C.

Działanie pierwiastków stopowych w stalach zależy bardzo od tego czy tworzą one węgliki, czy też roztwory jak: krzem, nikiel, kobalt, miedź, aluminium, warunkowo mangan. W stalach o znacznej zawartości węgla roztwory są uboższe w składniki stopowe, gdyż powstaje więcej węglików. W stalach o małej zawartości węgla przeciwnie – roztwory są bogatsze w składniki stopowe, ponieważ powstaje mniej węglików.

Ze wzrostem temperatury, ogólnie biorąc, wzrasta rozpuszczalność węgla w roztworze tak, że węgliki zostają rozpuszczone i roztwór staje się bogatszy w pierwiastki stopowe. Podczas szybkiego chłodzenia z wysokich temperatur otrzymuje się roztwory bogate w pierwiastki stopowe, z których podczas odpuszczania, podobnie jak przy powolnym chłodzeniu, wydzielają się węgliki a roztwór ponownie ubożeje w pierwiastki stopowe.

Wpływ pierwiastków stopowych

Mangan jako pierwiastek stopowy w stali.

Stale manganowe znajdują zastosowanie jako stale perlityczne konstrukcyjne i narzędziowe oraz jako stale austenityczne. Stale martenzytyczno-troostytyczne o 2 – 10% Mn nie znajdują zastosowania z powodu kruchości.

Stale o zawartościach większych od 0,9% C i 12% Mn są podczas chłodzenia w powietrzu w dużym stopniu, a przy hartowaniu w wodzie całkowicie austenityczne. Mangan podwyższa wytrzymałość doraźną i granicę plastyczności przy rozciąganiu stali niskowęglowych o 100 MPa na każdy 1% Mn. Przykładem tego jest St 52-3 o zawartości 1,2% Mn i zaledwie 0,2% C. W stalach ulepszanych cieplnie wpływ ten jest jeszcze większy, dochodzi do tego jeszcze znaczne polepszenie pracy uderzenia. Np. GS-35 MnMo 5 2 – staliwo stosowane na widelce zrywarki drogowej do asfaltu; po hartowaniu w oleju i odpuszczaniu ma Rm=870 MPa, Re=730 MPa, A10=20% i Z=42%. Mangan przesuwa punkt perlityczny na wykresie Fe-Fe3C na lewo w dół, mianowicie przy 2% Mn na 0,7% C i 620 oC. Mangan obniża krytyczną szybkość chłodzenia i podwyższa przez to hartowność. Stąd np. stal 30Mn5 może być używana na części ulepszane cieplnie aż do średnicy 250 mm. Przy zmniejszonej krytycznej szybkości hartowania cienkich stalowych części o zawartości 2% Mn możliwe jest hartowanie w powietrzu, a przez to maleje niebezpieczeństwo pęknięć z powodu naprężeń własnych.

Mangan powoduje kruchość odpuszczania stali (a więc należy szybko chłodzić) i skłonność do przegrzewania (skłonność do gruboziarnistości). Mangan polepsza spawalność stali przy zawartości 1-2,5% Mn. Najważniejszą austenityczną stalą manganową stal Hadfielda, np. 120Mn50, w której stosunek Mn : C = 10 : 1. W stanie zahartowanym jest ona miękka i ciągliwa. Charakterystyczny w tym stanie (220 HB) jest jej niski stosunek granicy plastyczności do wytrzymałości doraźnej i przede wszystkim jej duża zdolność do umacniania się podczas obróbki plastycznej na zimno (Rm=1000 MPa). Dlatego ma ona dużą odporność na ścieranie i jest oczywiście trudna do obróbki skrawaniem. Przez kucie, a następnie hartowanie tej stali można osiągnąć wyraźne podwyższenie wytrzymałości doraźnej i wydłużenia względnego podczas rozciągania bez wzrostu twardości i granicy plastyczności.

Krzem jako pierwiastek stopowy w stali

Krzem podwyższa wytrzymałość doraźną na rozciąganie i stosunek granicy plastyczności do wytrzymałości doraźnej w stalach ulepszanych cieplnie. Stale te znajdują zastosowanie w wysoko obciążanych sprężynach. Na przykład stal 65Si7 używa się na sprężyny płaskie o grubości ponad 7 mm. Obróbka cieplna tej stali to hartowanie z temperatury 840 oC/olej/420 oC/powietrze, wytrzymałość doraźna na rozciąganie – 1450 MPa, wydłużenie względne podczas rozciągania – 5%. 

Krzem zmniejsza obrabialność plastyczną na zimno (dlatego blachy do głębokiego tłoczenia nie powinny zawierać ponad 0,2% Si), zwiększa jednak odporność na ścieranie i odporność na odpuszczanie. Dlatego stale te stosuje się na korbowody (np. 37MnSi5), na narzędzia do obróbki plastycznej na gorąco i obróbki skrawaniem (np. 61CrSiV5 o 1% Si na foremnik do kucia, zaś 125CrSi5 o 1,2% Si na frezy). Krzem zwiększa opór elektryczny i dlatego dodawany jest do blach transformatorowych celem zmniejszenia strat na prądy wirowe; z powodu związanej z tym kruchości stosuje się maksymalnie 4,3% Si, np. 5Si17.

Krzem zwiększa odporność na utlenianie w podwyższonej temperaturze i powoduje przy 14% Si kwasoodporność, maleją jednak przy tym własności mechaniczne i obrabialność plastyczna na gorąco tak silnie, że przy tych ilościach krzemu stop używany jest tylko do wyrobu kwasoodpornego żeliwa i staliwa. Przykładowo żaroodporne staliwo G-X40CrNiSi22 9 o 2% Si używane na rolki w piecach do wyżarzania.

Aluminium jako pierwiastek stopowy w stali

Aluminium w ilości 1,5% jest dodawane oprócz krzemu do wysokostopowych (do 24% Cr) stali chromowych (ferrytycznych) do podwyższania ich żaroodporności. Stale do azotowania zawierają maksymalnie 1% Al.
Stopy na magnesy stałe zawierają (oprócz kobaltu, niklu i miedzi) do 13% Al.

Nikiel jako pierwiastek stopowy w stali

Stale stopowe z niklem są używane tylko jako stale perlityczne i austenityczne. Martenzytyczne stale niklowe nie znajdują zastosowania ze względu na trudną obróbkę. Nikiel podwyższa wytrzymałość doraźną i granicę plastyczności na rozciąganie o ok. 40 MPa na każdy 1% dodanego niklu, a szczególnie poprawia pracę uderzenia w próbie udarności w stalach ulepszanych cieplnie. Nikiel zmniejsza krytyczną szybkość chłodzenia i podwyższa przez to hartowność stali, stąd np. używa się 30CrNiMo8 (o 2% Ni) jako stali do ulepszania cieplnego na części do średnicy 250 mm. Nikiel podwyższa opór elektryczny i używany jest jako pierwiastek stopowy w stopach na grzejniki oporowe.

Przykłady: X15NiCr60 15 stop austenityczny – temperatura maksymalna pracy ciągłej 1075 oC, żarowytrzymały, łatwy do obróbki plastycznej, nie ferromagnetyczny. Natomiast stop X10CrAl30 5 jest ferrytyczny, jego maksymalna temperatura pracy ciągłej wynosi 1275 oC, ale jest gruboziarnisty i kruchy na zimno. Nikiel utrudnia rozrost ziaren. Stale konstrukcyjne nie są produkowane jako stale niklowe (zbyt drogie), lecz z chromem i molibdenem jako głównymi pierwiastkami stopowymi. Austenityczna stal niklowa jest paramagnetyczna do ok. 30% Ni, uzyskuje jednak zdolności do magnesowania po przekroczeniu tej wartości. (Nikiel jest pierwiastkiem ferromagnetycznym).

Nikiel najbardziej ze wszystkich pierwiastków stopowych wpływa na współczynnik rozszerzalności cieplnej stali. Przy zawartości 36% Ni współczynnik rozszerzalności cieplnej wynosi 1,5 . 10-6 1/oC i osiąga najmniejszą wartość – stop Inwar (niezmienny). Inwar znajduje zastosowanie w elementach bimetalicznych jako stop o małej rozszerzalności.

Chrom jako pierwiastek stopowy w stali

Chrom podwyższa wytrzymałość doraźną na rozciąganie o 90 MPa na każdy 1% zawartości chromu, przy tym wydłużenie względne zmniejsza się tylko o 1,5%. Chrom obniża krytyczną szybkość chłodzenia i podwyższa przez to hartowność. Przykład: 50CrMo4 stal ulepszana cieplnie przeznaczona na części o średnicy do 250 mm. Chrom zmniejsza rozpuszczalność węgla w Feg, przez co powoduje wzrost ilości węglików w stali. I tak na przykład stal narzędziowa o 0,8% C i 5% Cr (nadeutektoidalna) na skutek twardych, występujących obok martenzytu węglików chromu ma wyższą odporność na zużycie niż stal niestopowa o tej samej zawartości węgla. Odporna na korozję, dobrze hartowana stal X40Cr13 przeznaczona na formy do prasowania sztucznych żywic jest również stalą nadeutektoidalną. Stal o zawartości 1% C i 15% Cr zawiera już ledeburyt – stal ledeburytyczna.

W odróżnieniu od stali niestopowych, których kujność zanika z pojawieniem się niskostopowego ledeburytu, stale stopowe ledeburytyczne dają się kuć, ponieważ ich ?ledeburyt”, z powodu zawartości węglików chromu, ma wyższą temperaturę topnienia. Podczas kucia zostaje zniszczona sieć ledeburytu, a wysoka zawartość rozdrobnionych węglików nadaje stali ledeburytycznej dużą odporność na ścieranie. Przykład: stal X210Cr12 na wykrojniki i tłoczniki. Chrom powoduje w stali przy zawartości 12% i niewielkiej zawartości węgla znaczny wzrost odporności na korozyjne działanie wody, na niektóre kwasy i gorące spaliny. Przykład: X10Cr13 na sztućce, zawory i łopatki turbin.

Przy większych zawartościach węgla musi być również większy dodatek chromu z powodu powstawania węglików, które wiążą chrom zmniejszając jego ilość w roztworze. Podobny skutek osiąga się przez hartowanie z wyższych temperatur, co powoduje zahamowanie procesu tworzenia się węglików. Chrom powoduje powstawanie stali ferrytycznych przy zawartości powyżej 17% Cr. Przykład: X10CrAl20 5 na grzejniki oporowe. Stale ferrytyczne są skłonne do tworzenia grubego ziarna, którego nie można usunąć przez przekrystalizowanie, gdyż stale te nie mają przemian. Cecha ta utrudnia spawanie i obróbkę plastyczną na gorąco. Chrom jest najważniejszym pierwiastkiem stopowym w stalach żaroodpornych. Przykład: 10CrMo9 10 na rury do kotłów do temperatury 600 oC; X45CrNiW18 9 na wysoko obciążone grzybki zaworów wydechowych. 

Chrom jest najważniejszym pierwiastkiem stopowym w stalach odpornych na działanie wodoru pod ciśnieniem. Wodór dyfunduje podczas równoczesnego działania wysokich temperatur i ciśnienia przez dłuższy czas do stali, odwęgla ją i tworzy z węglem metan (CH4), który rozsadza ziarna w stali. Niszczenie zostaje przyspieszone przez równoczesne wywołanie naprężeń rozciągających.

Węgliki chromu są słabiej atakowane przez wodór niż węgliki żelaza. Przykład: 21CrVMoW12, stal odporna do 520 oC przy ciśnieniu cząstkowym wodoru 70 MPa; obróbka cieplna: 1100-850 oC kucie, 680-730 oC wyżarzanie zmiękczające, 1020-1050 oC/olej lub powietrze/650-730 oC/powietrze – ulepszanie cieplne. Części maszyn wykonane ze stali odpornej na działanie wodoru pod ciśnieniem są ulepszane cieplnie, ponieważ podczas tego zabiegu węgliki zostają rozdrobnione i równomiernie rozłożone.

Molibden jako pierwiastek stopowy w stali

Molibden tworzy w stali węgliki specjalne zwiększając przez to wytrzymałość w podwyższonych temperaturach, wytrzymałość trwałą, jak również zdolność do skrawania, szczególnie w połączeniu z wolframem, wanadem i chromem. Przykłady: 45CrVMoW5 8 na formy do odlewów wtryskowych pod ciśnieniem i foremników do prasowania, 165CrMoV4 6 na piły do metali. Molibden użyty już w niewielkich ilościach powoduje usunięcie kruchości odpuszczania. Przykład: 34CrMo4, stal do ulepszania cieplnego o zawartości 0,2% Mo. Molibden podwyższa w stalach chromowo-niklowych odpornych na korozję, odporność na kwasy zawierające siarkę i rozcieńczony kwas solny. Zaletą molibdenu jest to, że podczas przetapiania złomu jest on łatwo z niego odzyskiwany bez żadnych strat

Wanad jako pierwiastek stopowy w stali

Wanad wykazuje dużą skłonność do tworzenia węglika VC, który rozpuszcza się trudniej w austenicie niż Fe3C. Dlatego temperatura hartowania wynosi 1250 oC, przez co nierozpuszczony całkowicie węglik nie zabiera z austenitu węgla niezbędnego do hartowania. Wanad uodpornia stal na odpuszczanie do ok. 600 oC. Podczas odpuszczania początkowy spadek twardości wywołany wydzieleniem Fe3C zostaje zrównoważony przez wzrost twardości wywołany bardzo drobnymi wydzieleniami V4C3 (efekt utwardzania dyspersyjnego).

Dopiero powyżej 600 oC twardość znacznie maleje z powodu koagulacji wydzielonych węglików.  Wanad zmniejsza korozję międzykrystaliczną w stalach austenitycznych na skutek tworzenia węglików; dodany już w niewielkich ilościach (0,1% V) zmniejsza podatność na przegrzanie stali przez tworzenie trudno rozpuszczalnych węglików.

Wolfram jako pierwiastek stopowy w stali

Wolfram podwyższa odporność na ścieranie, odporność na odpuszczanie i żarowytrzymałość, i z tego powodu jest stosowany jako pierwiastek stopowy w stalach narzędziowych. Przykład: 120WCr6 stal na wiertła, 30WCr16 4 stal na przebijaki na gorąco, X86WCrV12 4 3 stal szybkotnąca. Wolfram zmniejsza graniczną rozpuszczalność węgla w austenicie. Wolfram tworzy w stalach trudno rozpuszczalny węglik (FeW)3C, który należy rozpuścić przez podwyższenie temperatury hartowania, co zwiększy twardość i hartowność.

Z powodu niewielkiej szybkości rozpuszczania węglików, stale wolframowe nie są podatne na przegrzanie. Wolfram podobnie jak wanad podwyższa odporność na odpuszczanie przez wydzielanie węglików w wyższych temperaturach. Podczas zbyt długiego wyżarzania i przy zbyt niskich temperaturach końca obróbki plastycznej stal wolframowa tworzy bardzo stabilny węglik WC.

Węglik ten może być ponownie rozpuszczony, ale po bardzo długim czasie wyżarzania w bardzo wysokich temperaturach. Tę wrażliwość na wyżarzanie można wyraźnie zmniejszyć przez niewielki dodatek chromu (0,2%). Wolfram podwyższa remanencję hartowanej stali. Z tego powodu do ok. 1910r. był on niezbędnym składnikiem stopowym dla stali na magnesy stałe. Obecnie nie jest do tego stosowany.

Kobalt jako pierwiastek stopowy w stali

Kobalt podwyższa wytrzymałość roztworu w stali, polepsza skrawanie, żarowytrzymałość i odporność na ścieranie. Dlatego jest używany w stalach szybkotnących jako pierwiastek stopowy. Przykład: X86WcrCo12 4 3. Kobalt podwyższa krytyczną szybkość chłodzenia. Kobalt w porównaniu z innymi pierwiastkami stopowymi zwiększa najbardziej magnetyzację nasycenia, pozostałość magnetyczną i siłę koercji magnesów stałych. Przykład: X110CoCrMo30 8

Miedź jako pierwiastek stopowy w stali

Miedź podwyższa odporność stali na korozję. Stal trudno korodująca zawiera 0,2-0,3% Cu oraz 0,06-0,10% P, a szybkość jej korozji równa jest połowie szybkości korozji stali zwykłej. Zawartość miedzi powyżej 0,15% zwiększa odporność warstw nałożonych na powierzchnię stali. Przy zawartości powyżej 0,3% Cu miedź zmniejsza obrabialność plastyczną stali na zimno. Miedź w ilości do 5% jest dodawana do ferrytycznych stopów na magnesy trwałe AlNiCo (alnico).

Tytan, tantal, niob jako pierwiastki stopowe w stali

Tytan, tantal i niob powodują niewielki wzrost wytrzymałości doraźnej i ciągliwości stali podczas rozciągania. Pierwiastki te są dodawane do nierdzewnych stali austenitycznych (w ilości 5-10 razy większych niż węgiel), ponieważ zapobiegają one korozji międzykrystalicznej przez tworzenie stabilnych węglików. Przykład: X10CrNiMoTi18 8.

Jedną z metod umacniania stopów żelaza jest poddawanie ich obróbce plastycznej

Jedną z najważniejszych własności metali i stopów jest ich zdolność do trwałego odkształcania się bez naruszenia spójności, zwana plastycznością. Dzięki plastyczności możliwa jest obróbka plastyczna metali, polegająca m.in. na:

• – walcowaniu,
• – kuciu,
• – prasowaniu
• – ciągnieniu.

Celem obróbki plastycznej jest uzyskanie gotowych wyrobów i półwyrobów hutniczych takich jak:

• – pręty,
• – kształtowniki,
• – rury,
• – druty,
• – blachy,
• – odkuwki.