Pobierz Stale stopowe o szczególnych właściwościach - Notatki - Materiałoznastwo i więcej Notatki w PDF z Materiały inżynieryjne tylko na Docsity! 10. STALE STOPOWE O SZCZEGÓLNYCH WŁAŚCIWOŚCIACH Stale o szczególnych właściwościach dzielą się na grupy o podobnych właściwościach chemicznych, fizycznych bądź mechanicznych (tabl. 10.1). W wielu trudnych warunkach pracy: wysokich temperaturach, agresywnych środowiskach czy wielkich obciążeniach stale stopowe o szczególnych właś- ciwościach mają podstawowe zastosowanie, chociaż inne stopy, jak: staliwa i żeliwa stopowe, stopy tytanu, niklu, kobaltu czy molibdenu, często wykazują lepsze właściwości. Większość stali o szczególnych właściwościach to stale wysokostopowe i wieloskładnikowe, a najczęściej stosowanymi dodatkami stopowymi są: Cr, Ni, Mn, Si, Mo, Ti, V i W. Tworzą one z żelazem roztwory stałe różnowęzłowe, wpływają na alotropię żelaza, obniżając lub podwyższając temperatury prze- mian A3 i A4. Można wyróżnić trzy typy układów Fe - pierwiastek stopowy: • z rozszerzonym obszarem trwałości fazy γ, • z zwężonym obszarem trwałości fazy γ, • z przemianą eutektoidalną (rys. 10.1). Ocena wpływu pierwiastka stopowego na strukturę stali musi uwzględniać równocześnie oddziaływanie węgla. Podstawą tej oceny są układy trójskład- nikowe Fe-C-pierwiastek stopowy. Wyróżnia się dwa typy układów równowagi: austenityczny i ferrytyczny (rys. 10.2). Pierwiastki rozszerzające obszar austenitu: Ni, Mn, Co, w zależności od zawartości węgla nadają stalom w stanie równowagi strukturę najpierw pod- i nadeutektoidalną, a przy wzrastającej ilości pierwiastka stopowego półaustenityczną i austenityczną. Przy dużej zawartości węgla, niezależnie od ilości pierwiastka stopowego - strukturę ledeburytyczną (rys. 10.2a). Pierwias- tki stopowe rozszerzające obszar ferrytu: Cr, Mo, W, V, Ti, Al, Si, P, przy wzrastającej zawartości węgla nadają stalom struktury pod- i nadeutektoidal- ne, ledeburytyczne oraz półferrytyczne i ferrytyczne - przy rosnącym udziale pierwiastka stopowego (rys. 10.2b). docsity.com 159 Tablica 10.1 Niektóre rodzaje stali stopowych o szczególnych właściwościach i zasady ich znakowania Stale odporne na korozję (nierdzewne i kwasoodporne), PN-71/H-86020: H13, OH13J, 1H13, 2H13, 2H14, 3H13, 4H13, 4H14, OH17T, H17, H18, H17N2, 2H17N2, 3H17M, H13N4G9, OH17N4G8, 1H17N4G9, 2H18N9, 1H18N9, OH18N9, OOH18N10, 1H18N9T, 1H18N10T, OH18N10T, 1H18N12T, OH18N12Nb, H18N10MT, H17N13M2T, OH17N12M2T, OOH17N14M2, OH17N16NST, OH23N26M3TCu, OH22N24M4TCu Stale żaroodporne, PN-71/H-86022: H5M, H6S2, 2H17, H13JS, H18JS, H24JS, H25T, H26N4, H18N9S, H23N13, H20N12S3, H23N18, H25N20S2, H18N25S2, H16N36S2 Stale zaworowe: H9S2, H10S2M, 4H14N14W2M, 50H21G9N4 Staliwo odporne na ścieranie, PN-88/H-83160: L120G13 Zasady znakowania Oznaczanie stali o szczególnych właściwościach oparte jest na podobnych zasadach co znakowane stali stopowych konstrukcyjnych. Znak gatunku składa się z liter oznaczających składniki stopowe według następującej symboliki: G - mangan, S - krzem Η - chrom, Ν - nikiel Μ - molibden, W - wolfram, Nb - niob, Τ - tytan, J - aluminium, oraz liczb określających ich udział w stali, jeśli jest większy niż 1%. Jeżeli stale różnią się między sobą zawartością węgla, wówczas przed pierwszą literą umieszcza się cyfrę: 00, 0, 1, 2, 3 lub 4. Np. udział węgla nie przekraczający 0,03% odpowiada oznakowaniu - 00. docsity.com 162 ulega ciągłym zmianom, co może powodować wtórne reakcje elektrodowe. Wynikiem ich może być tworzenie osadów. W wypadku korozji żelaza i stali węglowych są to uwodnione tlenki żelaza, nazywane potocznie rdzą. Korozja chemiczna jest zjawiskiem niszczenia metalu wskutek bezpośred- niej reakcji chemicznej z suchymi gazami, jak: tlen, wodór, tlenki węgla, chlor, amoniak, lub ciekłymi nieelektrolitami, jak: ropa naftowa, jej pochodne lub inne substancje organiczne. Najczęstszym rodzajem korozji chemicznej jest korozja gazowa, czyli utlenianie metali w wysokiej temperaturze w atmosferze suchych gazów. Odporność na korozję chemiczną (utlenianie) zależy od właściwości metalu, od budowy i właściwości produktów korozji (tlenków) oraz od temperatury. Żelazo, jego stopy z węglem i stale niskostopowe są nieodporne na korozję zarówno w roztworach wodnych (elektrochemiczną), jak i w środowisku gazowym (chemiczną). Tworząca się na nich warstewka produktu korozji (tlenku) jest nietrwała, nie chroni metalu przed działaniem środowiska. Niektóre metale, o większym powinowactwie do tlenu niż żelazo, mogą w pewnych warunkach zachowywać się tak jak metale bardziej szlachetne, wskutek pokrycia się ściśle przylegającą, szczelną warstewką tlenków lub innych związków. Taki stan metalu nazywa się stanem pasywnym. W wypad- ku uszkodzenia warstewka ta ma zdolność szybkiego odtworzenia się. Metalem łatwo pasywującym się jest chrom, który przenosi tę zdolność na swoje stopy. Stopy żelaza z chromem pasywują się pod wpływem tlenu za- wartego w powietrzu już przy zawar- tości 13 do 14% Cr, co zapewnia im odporność korozyjną. Przejście stali w stan pasywny pod wpływem dodat- ku chromu wyraża się skokową zmia- ną potencjału elektrodowego z elekt- roujemnego (- 0,6 V) na elektrododa- tni (+ 0,2V), (rys. 10.4). Należy tu podkreślić, że stan pasywny może być uzyskany jedynie przy zachowaniu podstawowego warunku - czystej i gładkiej powierzchni. Rys. 10.4. Potencjał elektrodowy stali o różnej zawartości chromu w środowisku wodnym 10.1.1. Stale nierdzewne Stale nierdzewne są stalami chromowymi, zawierającymi co najmniej 13% Cr. Wyróżnia się dwie klasy sktrukturalne tych stopów: ferrytyczną i martenzytyczną, co wynika z zakresu występowania obszarów jednofazowych Po te nc ja t e le kt ro do w y, V 0,2 0 -0,2 -0,4 -0,6 0 4 8 12 16 20 % w a g o w y Cr docsity.com 163 na wykresie równowagi fazowej Fe-Cr-C (rys. 10.5). Jak wynika z rys. 10.5 a, b, ferryt stopowy w całym zakresie temperatur może występować przy bardzo małej zawartości węgla, do około 0,08% przy 13% chromu i do 0,1 % węgla przy 17% chromu. Stale ferrytyczne gat. OH13 i H17 mają zawartość węgla mieszczącą się w tych granicach. Najlepszą ciągliwość, umożliwiającą tłoczenie na zimno i jednocześnie najwyższą odporność na korozję, uzyskują stale Rys. 10.5. Przekroje stężeniowe wykresu układu równowagi fazowej Fe-Cr-C przy stałych zawartościach chromu: a) 13%, b) 17%, c) 25%, gdzie: α - ferryt stopowy, γ - austenit stopowy, K1 - M23C6, K2 - M7C3 a ) b ) c ) 1600 L L L 1500 L + α L + α L+α+γ L+α+γ L+α 1400 α α+γ L+γ L+γ 1300 α+γ L+α+γ γ α γ α + γ 1200 γ+Κ2 α α+γ+Κ1 1100 γ+K2 γ+K1 T e m p e r a tu r a , °C 1000 γ+K1 α+γ+K1 900 800 α+K1 α+γ+K1 700 α+K1 α+ K 1+ K 2 α+K1 0 0,5 1 0 0,5 1 0 0,5 1 % w a g o w y C docsity.com 164 ferrytyczne w wyniku wygrzewania w temperaturze 800°C i chłodzenia z piecem, dlatego też stosuje się je w stanie wyżarzonym. Wygrzewanie tych stali w temperaturach ponad 1000°C wywołuje rozrost ziarn, który jest procesem nieodwracalnym, gdyż brak przemian fazowych uniemożliwia roz- drobnienie ziarna. Gruboziarnistość powoduje zaś kruchość stali ferrytycznych w temperaturze otoczenia. W stalach ferrytycznych jednakże wskutek segregacji dendrytycznej w mik- roobszarach, zawartość węgla może przekroczyć wymienione wartości i stal uzyskuje strukturę ferrytyczną z węglikami1). W konsekwencji przy nagrzaniu np. do spawania powstaje w tych miejscach struktura półaustenityczna, a przy chłodzeniu wydziela się martenzyt na granicach ziarn, powodując kruchość stali. Spawanie jest więc utrudnione. To ujemne zjawisko można usunąć przez dodatek tytanu w ilości wystarczającej do związania węgla, tj. około 5X% C. Węgliki tytanu są bardzo trwałe i rozpuszczają się dopiero w temperaturze wyższej niż 1150°C. Dzięki temu zmniejsza się możliwość powstawania austenitu. Strukturę stali z dodatkiem tytanu, gat. OH17T przedstawiono na fot. 10.1. Stale zawierające 13% Cr są odporne na korozję atmosferyczną, parę wodną, wody naturalne (poza morską). Stale o 17% zawartości chromu można stosować na elementy pracujące w stopionej siarce i jej parach, rozcieńczonych alkaliach oraz zimnych roztworach kwasów organicznych. Typowe zastosowa- nie stali nierdzewnych ferrytycznych podano w tabl. 10.2. Stale martenzytyczne obejmują min. gatunki: 1H13, 2H13, 3H13, 4H13, Η18. Stale te po nagrzaniu do temperatur ponad 1000°C przechodzą przemia- nę α→γ (rys. 5a,b). W stalach zawierających 17% Cr obszar jednofazowy austenitu jest stosunkowo wąski. W celu jego poszerzenia i umożliwienia hartowania do tych stali dodaje się około 2% Ni (gat. H17N2, 2H17N2). W stalach martenzytycznych chrom i węgiel rozpuszczone w austenicie stabilizują go, dzięki czemu stale te mają dużą hartowność tak, że podczas chłodzenia w powietrzu uzyskują strukturę martenzytyczną (stąd pochodzi nazwa stali). Ponadto, celem rozpuszczenia węglików chromu podczas aus- tenityzowania jest zapewnienie odporności korozyjnej stali. Stale marten- zytyczne hartuje się w powietrzu lub oleju, a strukturę po hartowaniu stanowi martenzyt stopowy (fot. 10.2). Odpuszczanie tych stali przeprowadza się albo w temperaturze do około 400°C, dla zachowania wysokiej twardości i wy- trzymałości, albo w zakresie 600 — 790°C dla wymaganej wytrzymałości i ciąg- liwości. Stale 1H13 i 2H13 odpuszcza się w zakresie 660 — 790°C, a pozostałe zależnie od rodzaju wytworzonych przedmiotów; narzędzia odpuszcza się w 100-200°C (4H13) lub 200-300°C (3H13, H18), sprężyny w 200-300°C (4H13) i 350 - 400°C (3H13), a części maszyn 600 - 700°C. Warunki obróbki cieplnej i zastosowanie stali martenzytycznych podano w tabl. 10.2. 1) Węgliki mają zdolność rozpuszczania azotu i tworzenia w ten sposób węglikoazotków. docsity.com 167 Rys. 10.7. Zmiany zawartości chromu (1) i węgla (2) w obszarze granicy ziarna austenitu, spowodowane wydzieleniem się węglika chromu M23C6 w stali wrażliwej na korozję międzykrys- taliczną; x zawartość węgla w równowadze z węglikami, ok. 0,02%; xx średnia zawartość węgla, ok. 0,10% są zwykle odporne. Korozja międzykrystaliczną, objawiająca się gwałtownym spadkiem wytrzymałości i udarności, może całkowicie zniszczyć spójność stali. Na korozję międzykrystaliczną narażone są elementy spawane, bowiem w łączonym metalu, w pobliżu spoiny, wskutek oddziaływania ciepła następuje wydzielanie węglików na granicach ziarn austenitu. Zapobieganie skłonności do korozji międzykrystalicznej polega na stabilizowaniu stali dodatkiem tytanu lub niobu w ilości wystarczającej do związania węgla w postaci węglików tytanu lub niobu, które nie rozpuszczają się w austenicie w tem- peraturach do 1100°C (np. gat 1H18N1OT, OH18N12Nb). Stabilizowanie stali dodatkiem niobu jest korzystniejsze, ponieważ ulega on tylko nieznacz- nemu wypaleniu podczas spawania w przeciwieństwie do tytanu. Najpewniej- szym jednak sposobem uniknięcia podatności na korozję międzykrystaliczną jest obniżenie zawartości węgla w stali co najmniej do 0,03%. Stale austenityczne wykazują dobrą odporność korozyjną w środowisku kwasu azotowego, wielu kwasów organicznych, roztworów soli i zasad. Brak im odporności na działanie kwasu siarkowego i solnego. W odróżnieniu od ferrytycznych i martenzytycznych, stale austenityczne są niemagnetyczne. 1 18 13 2 0,1xx 0,02x Granica ziarna odległość od granicy ziarna Z a w a rt o ść c h ro m u , % w ęg li k Z a w a rt o ść w ę g la , % docsity.com 168 10.1.3. Uszkodzenia stali odpornych na korozję Zależnie od środowiska i stanu materiału korozja stali nierdzewnych i kwasoodpornych może występować w różnych postaciach jako: ■ korozja równomierna, często spotykana w środowiskach kwaśnych, powo- dująca dość regularne zmniejszenie grubości metalu, ■ korozja wżerowa lub punktowa albo pitting, w środowiskach zawierających głównie jony chlorkowe (woda morska). Przenikanie tych jonów w miejscach osłabienia warstewki pasywnej stali na wtrąceniach niemetalicznych, niejedno- rodnościach struktury, mikroporach powoduje przebicie tej warstewki. Od- słonięty czysty metal tworzy ogniwa korozyjne z przylegającym do niego obszarem spasywowanej stali. Wżery głębokie i wąskie, często osłonięte narostem produktów korozji, przy stosunkowo niewielkich ubytkach masy metalu stanowią jeden z najniebezpieczniejszych rodzajów niszczenia korozyj- nego (fot 10.4a), ■ korozja międzykrystaliczna postępująca od powierzchni w głąb metalu granicami ziarn, osłabiająca spójność materiału aż do jej zniszczenia. Przy- czyną tego typu korozji jest zjawisko dechromizacji granic ziarn austenitu (fot 10.4b), ■ korozja naprężeniowa w środowiskach wodnych zawierających jony chlor- kowe, przy równoczesnym oddziaływaniu statycznych naprężeń rozciągają- cych. Przejawia się powstawaniem wąskich szczelin rozwijających się prosto- padle do kierunku działania naprężeń w charakterystyczne pęknięcia z licz- nymi odgałęzieniami. Pęknięcia te mają charakter kruchy pomimo plastyczno- ści metalu (fot. 10.4c), ■ korozja kontaktowa w miejscach, gdzie stal odporna na korozję styka się z innymi metalami, tworząc makroogniwo galwaniczne. 10.2. Stale żaroodporne Odporność na działanie gorących gazów utleniających o temperaturze wyższej niż 600°C nazywa się żaroodpornością. Środowisko suchych gazów utleniających, najczęściej spalin, zawiera tlen, dwutlenek węgla, tlenek węgla, dwutlenek siarki, azot, parę wodną, cząstki popiołu. Wywołuje ono korozję gazową metali, polegającą na reakcji chemicznej między metalem i utleniaczem z wytworzeniem odrębnej fazy - tlenku na powierzchni metalu. Przebieg korozji zależy od rodzaju metalu oraz składu chemicznego fazy gazowej. Jeśli produkty utleniania tworzą szczelną, trudnotopliwą warstewkę pozbawioną defektów sieciowych, wówczas zgorzelina posiada dobre właściwości ochronne. Proces korozji jest hamowany, metal ulega pasywacji. docsity.com 169 Stale węglowe w temperaturze ponad 500°C pokrywają się nieszczelnymi warstewkami zgorzeliny i ulegają szybkiemu utlenieniu. Wprowadzenie do stali dodatku chromu, pierwiastka o większym powino- wactwie do tlenu niż żelazo, powoduje, że stal pokrywa się cienką, szczelną warstewką Cr2O3·FeO. Dzięki tej właściwości chrom stanowi podstawowy składnik stali żaroodpornych. Równocześnie z chromem, w mniejszych iloś- ciach, stosuje się aluminium i krzem, które mają podobne właściwości jak chrom. Zawartość węgla w tych stalach jest ograniczona do 0,2% dla zapewnienia spawalności. Podstawowym wymaganiem w stosunku do stali żaroodpornych jest stabilność struktury do zakresu temperatur pracy, ponie- waż ewentualne zmiany objętości metalu wywołane przemianą alotropową naruszałyby spójność pasywnej warstewki chroniącej metal. Równolegle z odpornością na korozję gazową stale przeznaczone na elementy maszyn, pracujące w temperaturach wyższych niż 550°C, muszą posiadać zdolność wytrzymywania obciążeń mechanicznych w długim okresie czasu, czyli żarowytrzymałość. Właściwość ta jest określona m.in. przez wytrzymałość na pełzanie1). Wzrost żarowytrzymałości stali uzyskuje się przez wprowadzenie Mo, W, Nb, Ti, które podwyższają temperaturę topnienia stali i utwardzają roztwór stały tworząc wydzielenia faz międzymetalicznych o dużej dyspersji. Większą żarowytrzymałośc mają stale o większym ziarnie niż mniejszym, strukturze austenitycznej niż ferrytycznej. Stale żaroodporne i żarowytrzymałe zalicza się do klasy ferrytycznej i austenitycznej, a ponadto do sorbitycznej, jak w wypadku stali zaworowych (tabl. 10.3). Stale chromowe oraz z dodatkiem Si, Al bądź Ti mają strukturę ferrytu stopowego z niewielką ilością węglików, jak w stali gat. H25T (rys. 10.5c), (fot. 10.5). Stale ferrytyczne stosowane są w stanie wyżarzonym na nieob- ciążone części kotłów parowych, pieców przemysłowych, aparatury chemicznej. Stale chromowo-niklowe oraz z dodatkiem Si mają strukturę austenitycz- ną z niewielką ilością węglików, jak w stali gat. H25N20 (fot. 10.6). Stosuje się je w stanie przesyconym, głównie na części aparatury chemicznej, łopatki turbin gazowych i silników odrzutowych. Na najbardziej obciążone zawory silników samochodowych i lotniczych stosuje się stal chromowo-niklową z dodatkiem Ni, Mo oraz chromowo-niklowo-manganową. Odrębną grupę stali o dużej żaroodporności i żarowytrzymałości stanowią stale zaworowe chromowo-krzemowe, ulepszane cieplnie (tabl. 10.3). Są one stosowane na elementy zaworów narażone na działanie temperatur 600 — 800°C. Stosunkowo duża zawartość węgla, około 0,5%, nadaje stali 1) Wytrzymałaość na pełzanie - naprężenie równe stałemu obciążeniu próbki, odniesione do pola jej początkowego przekroju, które to naprężenie po upływie określonego czasu działania w danej temperaturze spowoduje zerwanie próbki. docsity.com