Wykład 8 - Notatki z wykładu 8 PDF

Preview

Summary

STOPY METALI NIEŻELAZNYCH...

Description

Wykład 8

STOPY METALI NIEŻELAZNYCH Podział stopów Ze względu na skład chemiczny:  

czyste metale – szlachetne i nieszlachetne stopy metali – dwuskładnikowe, wieloskładnikowe

Ze względu na technologię: 

odlewnicze i do przeróbki plastycznej Ze względu na strukturę:



jednofazowe i wielofazowe

Miedź 

Właściwości: bardzo duża przewodność elektryczna, duża przewodność cieplna, wysoka odporność na korozję, niska twardość i wytrzymałość, dobra plastyczność



Zastosowanie: elektrotechnika przemysł chemiczny; pręty, druty, taśmy, blachy, rury itp.

Mosiądze Stopy miedzi z cynkiem i innymi pierwiastkami Odlewnicze – wieloskładnikowe z Pb (do 4%), Mn (do 4%), Al (do 3%), Si (do 4,5%), Fe (do 1,5%)  Odporne na korozję i ścieranie



Zastosowanie – części maszyn, armatura w przemyśle motoryzacyjnym, okrętowym, lotniczym,

Do przeróbki plastycznej:  

Cu-Zn (do 40%) Cu-Zn+ Pb (do 3%), Mn (do 2%), Al (do 2,5%), Sn (do 1,3%), Si (do 4%), Ni (do 6,5%), Fe (do 1,5%)



Struktura: jednofazowe α, dwufazowe α+β, trójfazowe α+β+f.mm.)

Zastosowanie: kształtowniki, pręty, odkuwki, blachy, rury, taśmy; przemysł motoryzacyjny, okrętowy, lotniczy, lutnictwo, instalacje wodne. Stopy miedź – cyna (brązy) • Odlewnicze – wieloskładnikowe: Sn (do 11%), Pb (do 33%), Al (do 11%), Si (do 4,5%) oraz Zn (do 7%), Mn (do 2%), Fe (do 5,5%), Ni (do 5,5%), P (do 1,2%) • Do przeróbki plastycznej – wieloskładnikowe: Sn (do 7%), Si (do 3,5%), Ni (do 6,5%), Mn (do 5,5%), Al (do 11%), Be (do 2,6%) oraz Zn (do 5%), Pb (do 3,5%), Fe (do 5,5%) Brązy cynowe • Historycznie najstarsze (z cyną i ołowiem) – na broń, przedmioty kultu, przedmioty codziennego użytku •

Obecnie – z fosforem i cynkiem (brązy fosforowe) – do obróbki plastycznej na zimno

•

Spiż – z cyną, cynkiem i ołowiem

• Zastosowania brązów – części maszyn, łożyska, osprzęt wodny i parowy, siatki, sprężyny, części maszyn, przemysł chemiczny, okrętowy, elektryczny, specjalny Stopy miedź-nikiel i miedź-nikiel-cynk Stopy miedź-nikiel (do przeróbki plastycznej): • Cu – Ni (do 44%), inne do 2% (np. Si, Al, Fe, Mn); CuNi9Sn2, CuNi44Mn1, CuNi30Mn1Fe, CuNi10Fe1Mn, – stosowane na druty oporowe, termopary, blachy, taśmy, rury •

CuNi25 – na monety

• nikielina (20%Ni) – do platerowania, bardzo plastyczna, odporna na korozję, barwy srebrzystej; •

konstantan (40%Ni) – na termoogniwa do 5000C

Stopy miedź-nikiel-cynk (do przeróbki plastycznej): • • •

CuNi12Zn24 CuNi15Zn21 CuNi18Zn27

• • • • • •

CuNi18Zn20 CuNi10Zn27 CuNi12Zn25Pb1 CuNi18Zn19Pb1 CuNi10Zn42Pb2 CuNi7Zn39Pb3Mn2

Właściwości – wysoka plastyczność, dobra wytrzymałość, odporność na korozję i ścieranie, wysokoniklowe – duża oporność el. Stopy miedź - aluminium • do 11% Al, dodatkowo: Fe, Ni, Mn • przy zawartości Al 6,5 – 11% - hartowanie i odpuszczanie • dwu i wieloskładnikowe, odlewnicze i do przeróbki plastycznej • Właściwości: wysoka wytrzymałość i plastyczność w temperaturze otoczenia i w temperaturach podwyższonych, dobra odporność na ścieranie i korozję w wodzie morskiej Inne stopy miedzi • Cu – Si (3 – 4%); bardzo dobre właściwości odlewnicze • Cu – Be (1,9 – 2,6%); po obróbce plastycznej obrabiane cieplnie (przesycanie ze starzeniem); stosowane w elektrotechnice i na narzędzia w przemyśle materiałów wybuchowych (brak iskry) • Cu – Mn (5-6%) do obróbki plastycznej na zimno lub Mn(12- 15%) do obróbki plastycznej na gorąco; manganin (Cu-12Mn- 2Ni) na opory wzorcowe; stopy Heuslera (Cu-ponad 20%Mn- ponad 9%Al) ferromagnetyczne • Cu – Pb (do 40%) – na panewki, odlewniczy lub spiekany

Aluminium • Właściwości: niski ciężar właściwy (2,7g/cm3),podatność do obróbki plastycznej na gorąco i zimno, duża przewodność elektryczna i cieplna, odporność na korozję (pasywna warstwa Al2O3) • Zastosowanie: przewody wysokiego napięcia, uzwojenia prądnic, przemysł chemiczny, art. gospodarstwa domowego, metalizacja Stopy aluminium - właściwości • Niski ciężar właściwy • Duża przewodność cieplna • Wysoka przewodność elektryczna • Dobre właściwości mechaniczne • Dobra odporność chemiczna • Paramagnetyzm • Niepalność i brak iskrzenia • Umacnianie przez przesycanie i starzenie (wydzielanie faz międzymetalicznych i strefy G- P)

•

Odlewnicze stopy aluminium Skład: krzem, miedź, magnez, rzadziej Mn, Ni, Ti

• Obróbka cieplna: przesycanie, przesycanie ze starzeniem naturalnym lub sztucznym, starzenie sztuczne bez przesycania • siluminy (Al-Si) – eutektyczne (13% Si), podeutektyczne (do 10% Si), nadeutektyczne (17-30% Si) • Modyfikowane w procesie odlewania Odlewnicze stopy aluminium - siluminy Zastosowania: na odlewy tłoków silników spalinowych, głowic cylindrów silników spalinowych, części maszyn, armatury okrętowej Odlewnicze stopy aluminium – c.d. • Stopy Al-Cu – podeutektyczne (α+eutektyka α+θ) – dwuskładnikowe: galanteria stołowa i inne odlewy, od których wymaga się dobrej plastyczności; wieloskładnikowe: części samochodowe i maszynowe średnio i wysoko obciążone. • Stopy Al-Mg – odporne na korozję w wodzie morskiej, szczególnie odporne na obciążenia dynamiczne, ładny połysk; stosowane na części aparatury chemicznej, w budowie okrętów i samolotów. • Stopy Al-Si-Mg – odporne na korozję • Stopy Al-Cu-Ni – o stałej wytrzymałości do 200C Stopy aluminium do przeróbki plastycznej 1. Stosowane w stanie wyżarzonym lub po obróbce plastycznej na zimno: aluminium-mangan, aluminium-magnez i aluminium-magnez- mangan Al - Mn • duża odporność na korozję atmosferyczną, na działanie wody morskiej, olejów, materiałów napędowych i in., dobra spawalność. • Zastosowanie: w lotnictwie na zbiorniki, przewody i elementy łączne instalacji paliwowej i olejowej, owiewki, pływaki i pokrycia kadłubów hydroplanów. Al - Mg • Własności mechaniczne zbliżone są do własności stopów Al-Mn, przy mniejszej gęstości (2,6 g/cm3). Wady: gorsza obrabialność skrawaniem i gorsza odporność na korozję, zwłaszcza przy większych zawartościach magnezu Al – Mg – Mn • Mn podwyższa własności mechaniczne i polepsza odporność na korozję. • Zastosowanie stopów Al-Mg I Al-Mg-Mn w lotnictwie jest podobne jak stopów Al-Mn 2. Stosowane po utwardzaniu dyspersyjnym: Al-Mg-Si, Al- Cu-Mg, Al-Zn-Mg, Al-Zn-Mg-Cu, AlCu-Mn, Al-Cu-Mg- Mn, Al-Cu-Mg-Mn-Si i inne • Fazy umacniające: Al2Cu, Al2CuMg, Al2Mg3Zn3,Al3Mg2,Al4Si2Fe,Al3Fe,Mg2Si, MgZn2 Durale: • bezcynkowe, zawierające: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, • durale zawierające cynk, o składzie: 1,4 ÷ 2,0% Cu, 5 ÷ 2,8% Mg, 0,2 ÷ 0,9% Mn, 4,0 ÷ 8,0% Zn, max 0,5% Si, max 0,5% Fe, ewentualnie kilka dziesiątych % Cr.

Zastosowanie - w przemyśle chemicznym i spożywczym, elementy dekoracyjne w budownictwie i meblarstwie, części głęboko tłoczone, odkuwki matrycowe, elementy konstrukcji lotniczych i pojazdów mechanicznych, nity. Stopy aluminium - lit •

stopy Al-Li cechuje wyższy moduł sztywności, niż konwencjonalnych i niższa gęstość.

• 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%. • Szczególnie interesujące są stopy zawierające 2-3% Li i do 5% Mg. Ich granica plastyczności po obróbce cieplnej osiąga 400 MPa

Tytan • Tytan występuje w dwóch odmianach alotropowych α i β: Ti-α (do 882°C) krystalizuje w sieci heksagonalnej zwartej, Ti-β (od 882°C do 1668°C) krystalizuje w sieci regularnej przestrzennie centrowanej. • Właściwości: gęstość Ti-α w temperaturze 20°C - 4,507 g/cm3, Ti-β w temperaturze 900°C 4,32 g/cm3; silne powinowactwo w stanie nagrzanym i ciekłym do gazów atmosferycznych (tlenu, azotu i wodoru) Tytan techniczny • 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 gorąco (w temp. 1000-750°C) oraz obróbce skrawaniem (ostre narzędzia, obfite chłodzenie), •

Nie podlega obróbce cieplnej, a umacnia się go 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 - zastosowania •

W przemyśle lotniczym: na elementy silników i kadłubów samolotów;

•

w przemyśle okrętowym: części silników, armatura, pompy do wody morskiej;

•

w przemyśle chemicznym: aparatura;

• w protetyce stomatologicznej i w chirurgii kostnej (nie jest toksyczny dla organizmu ludzkiego) Stopy tytanu – stopy α

• Główny składnik stopowy - aluminium (do 8%) - podwyższa wytrzymałość i zmniejsza gęstość, ale pogarsza plastyczność, • cyna (do 6%) - podwyższa wytrzymałość stopów, nie zmniejszając jednak ich plastyczności i zdolności do odkształceń plastycznych w wysokich temperaturach. Podobne własności wykazuje cyrkon. • Niektóre stopy α obok aluminium zawierają małe ilości (1-2%) 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. • Właściwości: dobra spawalność i żarowytrzymałość; nie podlegają obróbce cieplnej poza wyżarzaniem rekrystalizującym i wyżarzaniem odprężającym; umacniane przez zgniot Stopy tytanu – stopy α+β •

stopy zawierające tylko pierwiastki stabilizujące fazę β (Mo, Sn, V, Zr, Cr)

•

stopy zawierające pierwiastki stabilizujące fazę β i aluminium

• stopy α + β zawierające aluminium cechują wysokie wskaźniki własności mechanicznych, wytrzymałość zmęczeniowa i udarność stopów α + β zawierających aluminium są porównywalne ze stopami bez aluminium, wytrzymałość na pełzanie nieco wyższa, mniejsza gęstość, lepsza obrabialność skrawaniem, niższa temperatura przemiany martenzytycznej. •

obróbka cieplna – przesycanie i starzenie; spawalne;

•

odlewnicze i obrabiane plastycznie

•

Zastosowanie – przemysł lotniczy, chemiczny, motoryzacja, medycyna

•

Najczęściej stosowany stop Ti6Al4V Stopy tytanu – stopy β

• Stopy metastabilne: Ti-13V-11Cr-3Al, Beta 3 (11,5% Mo, 4,5% Sn, 6% Zr), RMI Ti-1Al-8V-5Fe oraz rosyjskie BT14 (4% Al, 3% Mo, 1% V), BT15 (3% Al, 8% Mo, 11% Cr), BT16 (2,5% Al, 7,5% Mo) • Właściwości: bardzo wysoka wytrzymałość, zwłaszcza po obróbce cieplnej, spawalność, podatność do obróbki mechanicznej Stopy z pamięcią kształtu • Wytwarzanie: wytapianie i przetapianie próżniowe (1400C), obróbka plastyczna na gorąco (8000C), obróbka plastyczna na zimno; materiał porowaty – spiekanie; kompozyty NiTi-polimer •

Trening: SME lub SIM

SME – chłodzenie poniżej Mf, odkształcenie, podgrzanie powyżej Af; cykl powtarza się 20-30 razy SIM – odkształcanie powyżej Ms, chłodzenie poniżej Mf, podgrzanie powyżej Af, cykl powtarza się 2030 razy

Stopy łożyskowe • Na łożyska ślizgowe stosowane są: żeliwa, brązy oraz łatwo topliwe stopy na osnowie cyny, ołowiu, cynku i aluminium. • stopy łożyskowe na osnowie cyny (zwane babbitami cynowymi) zawierają 7 ÷12% antymonu i 2,5 ÷ 6,5 % miedzi; • panewki z babbitów cynowych mogą pracować zarówno przy obciążeniach statycznych, jak i dynamicznych; • stopy łożyskowe na osnowie ołowiu zawierają antymon (5-17%), cynę (5-17%), miedź (do 2%), czasem arsen (do 1%) lub tellur; • stopy łożyskowe na osnowie cynku zawierają głównie aluminium i miedź; Stopy łożyskowe – zastosowania: • do wylewania panewek łożysk ślizgowych, w zależności od składu chemicznego są przeznaczane na łożyska pracujące w różnych warunkach - przy obciążeniach statycznych lub dynamicznych, średnich lub dużych prędkościach obwodowych, głównie w kolejnictwie; • oferowane w postaci wlewków, gąsek, wałków i innych Nadstopy niklu Odlewnicze i do przeróbki plastycznej Odlewnicze Obróbka cieplna: wyżarzanie homogenizujące wielostopniowe (1150-1235C) Struktura: faza ϒ - austenit stopowy (Co, Cr, Mo, W) na bazie niklu (osnowa wszystkich stopów niklu); faza ϒ‘ -główna faza umacniająca wydzieleniowo, w skład której oprócz Ni wchodzi Al i Ti, jej wydzielenia są koherentne z fazą ϒ węgliki – MC i M23C6 tlenki - głównie itru, toru i lantanu, wydzieleniowo umacniające (ODS – Oxide Dispersion Strengthened) Nadstopy niklu -odlewnicze Zalety: wyższa odporność na pełzanie, możliwość wykonywania odlewów precyzyjnych, niższy

• koszt • Stopy ODS – umacniane tlenkami Y2O3, ThO2 - większa odporność na pełzanie i na korozję wysokotemperaturową • Zastosowanie: łopatki lotniczych silników turboodrzutowych i rakietowych, palniki gazowe i ruszty w katalitycznych piecach rozkładczych instalacji parowego rafinowania gazu ziemnego

Nadstopy niklu do przeróbki plastycznej • Obecnie pracujące stopy niklu nowej generacji, stosowane w lotnictwie i energetyce, oprócz wysokich właściwości mechanicznych charakteryzują się wysokim modułem sprężystości, niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej, względnie niskim ciężarem właściwym przy bardzo stabilnej strukturze w długim czasie pracy w wysokiej temperaturze.

• Takie konstrukcje, jak silniki lotnicze do jednostek transportowych wykonane ze stopów nowej generacji, mogą pracować od 20000 do 50000 godzin a turbiny przemysłowe nawet do 100 000 godzin przy bardzo dużej ich niezawodności.

Nadstopy kobaltu •

do przeróbki plastycznej i odlewnicze;

• Skład chemiczny: chrom (podwyższa odporność na korozję), wolfram, nikiel, niob, tantal, molibden, aluminium i in. Zastosowanie: na łopatki kierujące w dyszach inne części silników turboodrzutowych, w medycynie na endoprotezy stawowe i wszczepy stomatologiczne, jako materiały narzędziowe oraz do napawania powierzchni części maszyn. Nadstopy kobaltu – właściwości W porównaniu do stopów niklu:          

wyższa odporność na korozję wysokotemperaturową (są bardziej żaroodporne) porównywalne właściwości fizyczne wyższy współczynnik przewodnictwa cieplnego i niski współczynnik rozszerzalności cieplnej łagodny spadek właściwości mechanicznych ze wzrostem temperatury wysoka stabilność w czasie pracy przy małych naprężeniach i wysokiej temperaturze wyższa temperatura topnienia wyższa odporność na zmęczenie cieplne lepsza spawalność i wyższa odporność na ścieranie tańsza technologia produkcji

Odlewnicze stopy kobaltu: 



charakteryzują się szczególnie wysoką odpornością na korozję wysokotemperaturową (nawet w obecności SO2), wyższą odpornością na pełzanie w wysokich temperaturach w porównaniu do stopów plastycznych Głównymi czynnikami wpływającymi na wysoką odporność na pełzanie odlewniczych stopów kobaltu są: struktura dendrytyczna, wyższa stabilność struktury i faz umacniających w porównaniu do stopów plastycznych

Stopy kobaltu w medycynie:  

Typu Vitallium (Co-Cr-Mo) – odlewnicze – ortopedia (Vitallium, Protasul-2, Zimalloy), stomatologia (Remanium, Wirobond, Wironit, Wirocast, d.SIGN, Denonit) Co-Ni-Cr-Mo (do przeróbki plastycznej) – ortopedia (Protasul-10)

Stellity - zastosowania  

Narzędzia Elementy napawane

 

Właściwości – bardzo duża odporność na ścieranie...