5. Klasyfikacja stali1 - Metal Best

Microsoft Word - 5-Stale staliwa zeliwa.doc1
Klasyfikacji gatunków stali dokonuje si zgodnie z PN-EN 10020:1996 wedug skadu chemicznego oraz wg ich zastosowania i wasnoci mechanicznych lub fizycznych.
Klasyfikacja stali wedug skadu chemicznego
- stale niestopowe (wglowe), - stale stopowe.
Do stali niestopowych zalicza si te gatunki stali, w których zawarto pierwiastków jest mniejsza od zawartoci granicznych podanych w tabl. 5.1.
Do stali stopowych zalicza si gatunki stali, w których zawarto przynajmniej jednego pierwiastka jest równa lub wiksza od zawartoci granicznej podanej w tabl. 5.1.
Tablica 5.1 Granica midzy stalami niestopowymi i stopowymi (wg PN-EN 10020:1996)
Nazwa i symbol chemiczny pierwiastka
Zawarto graniczna (% wagowy)
Aluminium, Al 0,17 Bor, B 0,0008 Rizmnt Ri 0 10 Chrom, Cr* 0,30 Cyrkon, Zr* 0,05 Kobalt, Co 0,10 Krzem, Si 0,50 Lantanowce, kady 0,05 Mangan, Mn 1.65** Mied, Cu* 0,40 Molibden, Mo* 0,08 Nikiel, Ni* 0,30 Niob, Nb* 0,06 Oów.Pb 0,40 Selen, Se 0,10 Tellur, Te 0,10 Tytan, Ti* 0,05 Wanad, V* 0,10 Wolfram, W 0,10
Inne (kady oprócz fosforu, siarki i azotu) 0,05
* Jeeli te pierwiastki okrela si dla stali w kombinacji dwu, trzech lub czterech, a ich zawartoci s mniejsze ni podane w tablicy, to przy kwalifikacji stali naley dodatkowo uwzgldni zawarto graniczn wynoszc 70% sumy poszczególnych zawartoci granicznych tych dwu, trzech lub czterech pierwiastków ** Jeeli jest okrelona tylko maksymalna zawarto manganu, jego graniczna zawarto wynosi 1,80% i nie stosuje si zasady 70%.
Klasyfikacja stali wedug zastosowania i wasnoci mechanicznych lub fizycznych
A. Klasy jakoci stali niestopowych • stale niestopowe podstawowe, • stale niestopowe jakociowe, • stale niestopowe specjalne.
1 Oznaczanie stali wg PN-EN 10027-1 na stronie 53
MATERIA UZUPENIAJCY DO WYKADU - MATERIAOZNAWSTWO – WBiI, sem. 02
2
Stale podstawowe to gatunki stali o takich wymaganiach jakociowych, jakie mona osign w ogólnie stosowanym procesie stalowniczym, bez dodatkowych zabiegów technologicznych.
Wyroby z tych stali nie s przeznaczone do obróbki cieplnej (z wyjtkiem wyarzania odprajcego, zmikczajcego i normalizowania).
Z wyjtkiem manganu i krzemu (oraz granicznych zawartoci C, P, S), zawarto innych pierwiastków stopowych nie jest wymagana.
Nie okrela si dodatkowych wymaga jakociowych dotyczcych np. gbokiego toczenia, cignienia, ksztatowania na zimno itp.
Wasnoci w stanie walcowanym na gorco lub wyarzonym odprajce, zmikczajco albo normalizowanym powinny odpowiada nastpujcym wartociom granicznym dla wyrobów o gruboci do 16 mm:
minimalna wytrzymao na rozciganie (Rm) < 690 MPa, minimalna granica plastycznoci (Re) < 360 MPa, minimalne wyduenie (A) . < 26%, minimalna praca amania w temp. 20°C na próbkach
wzdunych ISO < 27 J, minimalna rednica trzpienia w próbie zginania
(e oznacza grubo próbki) >1 e maksymalna zawarto wgla > 0,10%, maksymalna zawarto fosforu > 0,045%, maksymalna zawarto siarki > 0,045%.
Przykady stali nalecych do tej klasy: • stale mikkie niskowglowe na tamy i blachy walcowane na gorco lub na zimno
ogólnego zastosowania, • stale konstrukcyjne walcowane na gorco ogólnego zastosowania, • stale do wyrobu walcówki do cignienia (drutu).
Stale niestopowe jakociowe
Stale niestopowe jakociowe to gatunki stali, których wasnoci w stanie obrobionym cieplnie w zasadzie si nie okrela, nie okrela si równie czystoci metalurgicznej wyraonej stopniem zanieczyszczenia wtrceniami niemetalicznymi.
Ze wzgldu na warunki stosowania wyrobów ze stali jakociowych, wymagania dotyczce np. wraliwoci na kruche pkanie, regulowanej wielkoci ziarna czy podatnoci na ksztatowanie, s wysze ni dla stali podstawowych, co wymusza wiksz staranno podczas produkcji.
Przykady stali nalecych do tej klasy: • stale na wyroby paskie do ksztatowania na zimno; • stale konstrukcyjne o zawartoci Pmax i Smax poniej 0,045%, np.:
stale o podwyszonej wytrzymaoci, stale do budowy statków, stale na wyroby ocynkowane ogniowo, stale na butle gazowe, stale na koty i zbiorniki cinieniowe;
• stale z wymagan podatnoci na odksztacenie plastyczne; • stale konstrukcyjne z wymagan minimaln zawartoci Cu; • stale do zbrojenia betonu; • stale szynowe; • stale automatowe; • stale do cignienia drutu; • stale do spczania na zimno; • stale sprynowe;
3
wikszej ni 0,02%.
Stale niestopowe specjalne
Stale niestopowe specjalne charakteryzuj si wyszym ni stale jakociowe stopniem czystoci metalurgicznej, szczególnie w zakresie zawartoci wtrce niemetalicznych. S one przewanie przeznaczone do ulepszania cieplnego lub hartowania powierzchniowego. Dziki dokadnemu doborowi skadu chemicznego oraz przestrzeganiu specjalnych warunków produkcji stali i kontroli przebiegu procesów technologicznych uzyskuje si rónorodne wasnoci przetwórcze i uytkowe stali. Czsto otrzymuje si równoczenie i w zawonych granicach np. wysok wytrzymao lub hartowno z równoczenie dobr cigliwoci, podatnoci na ksztatowanie, spawanie itp. Stale niestopowe specjalne speniaj jeden lub wicej z niej wymienionych warunków:
a) okrelona udarno w stanie ulepszonym cieplnie; b) okrelona hartowno lub twardo powierzchniowa w stanie hartowanym i odpuszczonym
lub utwardzonym powierzchniowo; c) okrelona maa zawarto wtrce niemetalicznych; d) okrelona maksymalna zawarto fosforu i siarki (kady z nich):
• < 0,020% wedug analizy wytopowej, • < 0,025% wedug analizy chemicznej wyrobu (np. walcówka przeznaczona
do produkcji mocno obcionych spryn, elektrod, drutu do zbrojenia opon Przykady stali nalecych do tej klasy:
• stale konstrukcyjne o okrelonej minimalnej pracy amania próbek wzdunych ISO z karbem V, wikszej ni 27 J w temperaturze -50°C;
• stale konstrukcyjne przeznaczone do produkcji reaktorów jdrowych, o ograniczonej zawartoci nastpujcych pierwiastków: mied < 0,10%, kobalt < 0,05%, wanad < 0,05%;
• stale do ulepszania cieplnego; • stale do nawglania; • stale utwardzalne wydzieleniowo o wymaganej zawartoci wgla minimum 0,25% lub wikszej
(w analizie wytopowej) i strukturze ferrytyczno-perlitycznej: zawierajce jeden lub wicej mikrododatków stopowych, takich jak niob albo wanad, jednak ich zawarto powinna by nisza ni warto graniczna dla stali stopowych; utwardzanie wydzieleniowe uzyskuje si zwykle przez kontrolowane chodzenie z temperatury przeróbki plastycznej na gorco;
• stale do sprania betonu; • stale do cignienia (drutu); • stale do spczania na zimno; • stale sprynowe; • stale narzdziowe; • stale o okrelonej przewodnoci elektrycznej wikszej ni 9 Sm/mm; • stale do produkcji elektrod otulonych lub na drut spawalniczy o zawartoci Pmax i Smax
mniejszej ni 0,02%.
- stale stopowe jakociowe, - stale stopowe specjalne.
4
Stale te zwykle nie s przeznaczone do ulepszania cieplnego lub utwardzania powierzchniowego. Do grupy stali stopowych jakociowych nale: • stale konstrukcyjne drobnoziarniste spawalne, w tym stale przeznaczone do produkcji zbiorników i rurocigów pracujcych pod cinieniem, speniajce nastpujce warunki:
a) wymagana minimalna granica plastycznoci dotyczca wyrobów o gruboci do 16 mm - poniej 380 N/mm, b) zawartoci pierwiastków stopowych powinny by nisze ni wartoci graniczne wedug
tabl. 5.la, c) wymagana praca amania próbek wzdunych ISO z karbem V w temperaturze - 50°C - do 27 J; • stale elektrotechniczne zawierajce jako pierwiastki stopowe tylko krzem lub krzem i aluminium
w celu uzyskania wymaganych wasnoci w zakresie stratnoci magnetycznej, minimalnej wartoci indukcji magnetycznej, polaryzacji lub przenikalnoci magnetycznej;
• stale stopowe przeznaczone do produkcji szyn i grodzic oraz ksztatowników na obudowy górnicze;
• stale stopowe przeznaczone do produkcji wyrobów paskich walcowanych na gorco lub na zimno do dalszej trudniejszej przeróbki plastycznej na zimno (wyczajc stale przeznaczone do produkcji zbiorników cinieniowych lub rur), zawierajce pierwiastki rozdrabniajce ziarno, takie jak B, Ti, Nb, V i/lub Zr, -albo „stale dwufazowe" (struktura wyrobów paskich ze stali dwufazowych skada si z ferrytu i 10 = 35% martenzytu wysepkowego);
• stale, w których mied jest jedynym wymaganym pierwiastkiem stopowym. Tablica 5. 1a
Stale stopowe drobnoziarniste spawalne. Granica skadu chemicznego midzy stalami stopowymi jakociowymi i specjalnymi
Pierwiastek Zawarto graniczna (% wagowy)
Cr Chrom* 0,50 Cu Mied* 0,50 La Lantanowce 0,06 Mn Mangan 1,80 Mo Molibden* 0,10 Nb Niob* 0,08 Ni Nikiel* 0,50 Ti Tytan* 0,12 VWan* 0,12 Zr Cyrkon* 0,12
Inne nie wymienione pierwiastki (kady) patrz tablica 5.1
*Jeeli te pierwiastki wystpuj w stali w kombinacji dwu, trzech lub czterech, a ich zawartoci s mniejsze ni podane w tablicy 5.1, to przy klasyfikacji stali naley dodatkowo uwzgldni warto graniczn, która stanowi 70% sumy poszczególnych zawartoci granicznych tych dwu, trzech lub czterech pierwiastków.
Stale stopowe specjalne Stale stopowe specjalne dziki precyzyjnie okrelonemu skadowi chemicznemu odpowiednim
warunkom wytwarzania i kontroli procesów produkcyjnych maj rónorodne wasnoci przetwórcze i uytkowe czsto uzupeniajce si i utrzymywane w zawonych granicach.
5
• stale odporne na korozj, • stale aroodporne i arowytrzymae, • stale przeznaczone do produkcji oysk tocznych, • stale narzdziowe, • stale maszynowe, • stale do nawglania, • specjalne stale konstrukcyjne (spawalne drobnoziarniste stale konstrukcyjne, stale
odporne na korozj atmosferyczn), • stale o specjalnych wasnociach fizycznych (niemagnetyczne, magnetyczne
lub o wymaganym wspóczynniku rozszerzalnoci cieplnej).
Skad chemiczny stali stopowych specjalnych stanowi podstaw ich podziau na nastpujce gówne kategorie: 1) stale odporne na korozj o zawartoci wgla < 1,20% i chromu > 10,50%, które pod
wzgldem zawartoci niklu dzieli si na: a) poniej 2,50% Ni, b) nie mniej ni 2,50% Ni;
2) stale szybkotnce zawierajce (wraz z innymi skadnikami lub bez nich): - co najmniej dwa z trzech nastpujcych pierwiastków: Mo, W lub V cznie nie mniej ni
7% wagowych, - 0,60% lub wicej wgla, - i 3 ÷ 6% wagowych chromu;
3) inne stale stopowe specjalne.
5.2. Stale niestopowe (wglowe) 5. 2.1. Wpyw wgla na wasnoci stali
Wgiel bardzo silnie wpywa na wasnoci stali nawet przy nieznacznej zmianie jego zawartoci i z tego wzgldu jest bardzo wanym skadnikiem stali.
Zwikszenie zawartoci wgla powoduje, jak ju poprzednio wspomniano, zmian struktury stali. Jeeli stal zawiera mniej ni 0,8% C, to jej struktura skada si ferrytu i perlitu. Struktura stali zawierajcej 0,8% C skada si tylko z perlitu, natomiast w stali o zawartoci powyej 0,8% C oprócz perlitu wystpuje równie cementyt wtórny. Zmiana struktury stali spowodowana rón zawartoci wgla wie si cile ze zmian wasnoci mechanicznych. Na rysunku 5.1 przedstawiono wpyw wgla na wasnoci mechaniczne stali walcowanej na gorco.
Rysunek 5.1. Wpyw wgla na wasnoci mechaniczne stali
6
Jak wida zwikszenie zawartoci wgla zwiksza wytrzymao na rozciganie Rm i zmniejsza plastyczno stali. Maksymaln wytrzymao osiga stal przy zawartoci ok. 0,85% wgla. Przy wikszej zawartoci wgla wytrzymao zmniejsza si na skutek pojawiania si coraz wikszej iloci cementu wtórnego, który wydziela si na granicach ziarn.
Zwikszenie zawartoci wgla, oprócz obnienia wasnoci plastycznych, pogarsza równie wasnoci technologiczne stali wglowej; szczególne znaczenie ma pogorszenie spawalnoci. 5.2.2. Domieszki zwyke w stali
Za domieszki zwyke stali uwaa si mangan, krzem, fosfor, siark oraz wodór, azot i tlen, poniewa te pierwiastki wystpuj zawsze w mniejszej lub wikszej iloci w przemysowych gatunkach stali. Zawarto tych pierwiastków w stalach wglowych nie przekracza zwykle nastpujcych granic: Mn do 0,8% (w niektórych gatunkach stali granica ta jest rozszerzona do 1,5%), Si do 0,5%, P do 0,05% (z wyjtkiem stali automatowych), S do 0,05% (z wyjtkiem stali automatowych).
Mangan wprowadza si do wszystkich stali w procesie stalowniczym w celu ich odtlenienia, tj. usunicia szkodliwego tlenku elazawego lub zwizania siarki w MnS, przez co zapobiega si powstaniu FeS powodujcemu powstanie kruchoci stali na gorco. W ilociach (1,0 + 1,5)% Mn rozpuszczajc si zarówno w ferrycie, jak i w cementycie umacnia roztworowo stal, zmniejsza wielko ziarna ferrytu w wyrobach walcowanych na gorco oraz zwiksza hartowno. Poniewa jednak wszystkie stale wglowe maj zazwyczaj mniej wicej tak sam zawarto manganu, to jego wpyw na wasnoci rónych gatunków tych stali jest jednakowy.
Krzem w ilociach do 0,5% jest dodawany do stali podczas jej wytapiania w celu odtlenienia. W ilociach (0,5 H- 1,0)% jest dodawany w celu umocnienia ferrytu. W wikszych ilociach (0,5 H-4,5)% powoduje zwikszenie oporu elektrycznego oraz zmniejszenie stratnoci stali magnetycznie mikkich. Zwiksza równie aroodporno stali. Krzem stabilizuje bardzo mocno ferryt, dlatego stale zawierajce wicej ni 3% Si zachowuj struktur ferrytyczn od temperatury otoczenia do temperatury solidusu.Wpyw krzemu, który rozpuszcza si w ferrycie, jest podobny do wpywu manganu.
Fosfor dostaje si do stali z rud elaza, które zawieraj róne jego iloci. Podczas wytapiania stali fosfor zostaje z niej usunity w mniejszym lub wikszym stopniu, zalenie od rodzaju procesu stalowniczego. Fosfor rozpuszczony w ferrycie (graniczna rozpuszczalno w temperaturze pokojowej wynosi ok. 1,2%) zmniejsza bardzo znacznie jego plastyczno i podwysza temperatur, w której stal staje si krucha, wywoujc tzw. krucho na zimno. Ten wpyw fosforu jest bardzo wyrany wówczas, gdy jego zawarto w stali jest wiksza ni 0,1%. Jednak w stalach przeznaczonych na odpowiedzialne wyroby zawarto nawet 0,05% P jest niebezpieczna i naley jej unika, poniewa w czasie krystalizacji stali zachodzi silna segregacja fosforu, wskutek czego w pewnych miejscach zawarto fosforu bdzie do znaczna i bdzie powodowa krucho.
W zalenoci od przeznaczenia stali ustala si ostrzejsze wymagania dotyczce zawartoci fosforu (np. max 0,025%).
Naley zaznaczy, e w niektórych wyjtkowych przypadkach zawarto fosforu w stali moe by poyteczna. Na przykad w stalach automatowych dodatek ok. 0,1% P polepsza skrawalno, za do ok. 0,35% - zwiksza odporno na cieranie. Przy jednoczesnej zawartoci miedzi fosfor zwiksza odporno stali na korozj atmosferyczn.
Siarka podobnie jak fosfor dostaje si do stali z rud elaza, a ponadto z gazów piecowych, tzn. z produktów spalania paliwa zawierajcych dwutlenek siarki (SO2). Siark mona w znacznej mierze usun ze stali, jeeli stosuje si podczas wytapiana zasadowy proces martenowski lub zasadowy proces elektryczny. W stalach wysokojakociowych zawarto siarki ogranicza si zazwyczaj do 0,02 ÷ 0,03%. W stali zwykej jakoci dopuszcza si wiksz zawarto siarki (do 0,05%). Siarka nie rozpuszcza si w elazie, lecz tworzy siarczek elazawy FeS, który jest skadnikiem eutektyki Fe + FeS o temperaturze topnienia 985°C. Wystpowanie w stalach tej atwo topliwej i kruchej eutektyki, rozmieszczonej przewanie a granicach ziarn, powoduje krucho stali nagrzanych
7
do temperatury 800°C i powyej. Zjawisko to nosi nazw kruchoci na gorco. Wskutek tej wady stal zawierajca wikszy procent siarki nie nadaje si do przeróbki plastycznej na gorco. W stali pojawiaj si naderwania i pknicia, m.in. dlatego, e podczas nagrzewania poczynajc od temperatury 985°C, zachodzi nadtapianie otoczek z siarczku elazawego wokó ziarn. Z tego powodu naley uwaa siark za szkodliw domieszk stali.
Dodatek manganu do stali zmniejsza szkodliwe dziaanie siarki, gdy wówczas w ciekej stali nastpuje reakcja, w wyniku której tworzy si siarczek manganawy MnS. Siarczek ten topi si w 1620°C, a wic w temperaturze o wiele wyszej ni temperatura przeróbki plastycznej na gorco (800 ÷ 1200°C). Siarczki w temperaturze przeróbki plastycznej na gorco s plastyczne i ulegaj odksztaceniu, tworzc wyduone wtrcenia. Pogarszaj one wytrzymao na zmczenie i obcienia dynamiczne stali. Siarka pogarsza równie spawalno stali.
Natomiast siarka, podobnie jak fosfor, polepsza skrawalno stali i w iloci 0,15÷0,30% jest wprowadzana celowo do stali automatowych.
Wodór, azot i tlen wystpuj w stali w nieduych ilociach, a ich zawarto zaley w duym stopniu od sposobu wytapiania. W stali bdcej w stanie staym, gazy mog wystpowa w kilku postaciach: • w stanie wolnym, skupiajc si w rónych niecigociach wewntrz metalu najczciej
tworzc tzw. pcherze); • mog by rozpuszczone w elazie; • mog tworzy zwizki (azotki, tlenki) wystpujce w stali jako tzw. wtrcenia
niemetaliczne.
Wpyw wodoru na wasnoci stali jest zdecydowanie ujemny. Rozpuszcza si on stosunkowo atwo w elazie i to w caym zakresie temperatury, szczególnie za przy przejciu fazy a w y oraz w stanie ciekym. Zmniejsza on w znacznym stopniu wasnoci plastyczne i technologiczne stali oraz powoduje wystpowanie wielu wad materiaowych, jak np. tzw. patków nienych (tj. wewntrznych pkni o jasnej powierzchni), odwglania, skonnoci do tworzenia pcherzy przy trawieniu itp.
Azot powoduje zwikszenie wytrzymaoci i zmniejszenie plastycznoci stali, co objawia si moe jako tzw. krucho na niebiesko. Niekorzystne dziaanie azotu przejawia si take zwikszeniem skonnoci stali do starzenia, powodowanym wydzielaniem si azotków z przesyconego roztworu. Zjawisko to jest szczególnie niekorzystne w stalach w stanie zgniecionym, gdy wówczas wystpuje ju w temperaturze otoczenia.
W niektórych stalach stopowych azot jest stosowany jako korzystny dodatek stopowy stabilizujcy austenit, zastpujc drogi nikiel.
Tlen wystpuje w stali gównie w postaci zwizanej, najczciej tlenków FeO, SiO2, Al2O3 i in. Tlen
powoduje pogorszenie prawie wszystkich wasnoci mechanicznych i dlatego dy si przez odpowiednie prowadzenie procesu metalurgicznego do obnienia jego zawartoci w stali. Odtlenianie stali przeprowadza si za pomoc stopów krzemu, manganu i aluminium. Sposób odtleniania wywiera take duy wpyw na wielko ziarna stali wglowej. Stale odtleniane elazomanganem wykazuj skonnoci do intensywnego rozrostu ziarn przy nagrzaniu ju nieco powyej temperatury Ac3. W przeciwiestwie do tego stale odtlenione aluminium, a take elazokrzemem wykazuj wyrany wzrost ziarn dopiero w temperaturze 150-200°C powyej Ac3, co praktycznie wystarczy, aby przeciwdziaa zjawisku przegrzania stali.
Bardzo skutecznym sposobem zmniejszania iloci wodoru, azotu i tlenu oraz wtrce
niemetalicznych w stali jest wytapianie lub odlewanie jej w próni. Mona w ten sposób otrzyma stal o lepszych wasnociach dziki wikszej czystoci i prawie zupenemu brakowi rozpuszczonych w metalu gazów.
8
Stale niestopowe podstawowe konstrukcyjne s stosowane zazwyczaj w stanie surowym lub rzadziej w stanie normalizowanym.
Wedug PN-88/H-84020 rozrónia si 6 podstawowych gatunków stali w tej grupie. w zalenoci od skadu chemicznego i wymaganych wasnoci mechanicznych. Znak gatunku stali skada si z liter St oraz liczby porzdkowej 0, 3, 4, 5, 6 lub 7.
Gatunki stali przeznaczone na konstrukcje spawane o liczbie porzdkowej 0, 3 i 4 oznacza si dodatkowo liter S (np. St0S, St3S, St4S) oraz w przypadku okrelonej zawartoci miedzi (z wyjtkiem St0S) dodatkowo literami Cu (np. St3SCu. St4SCu). Gatunki o liczbie porzdkowej 3 i 4 o podwyszonych wymaganiach jakociowych (o obnionej zawartoci C oraz P i S) oznacza si dodatkowo liter V lub W (np. St3V, St4W). Znak gatunku stali St5, St6 i St7 w przypadku okrelonej dodatkowo zawartoci wgla, manganu i krzemu uzupenia si na pocztku liter M (np. MSt5).
Gatunki stali o liczbie porzdkowej 3 i 4 z liter S lub V mog by dodatkowe oznaczane liter X w przypadku stali nieuspokojonej (np. St3SX, St3VX, St3SCuXC lub liter Y w przypadku stali póuspokojonej (np. StSCuY, St4SY, St4W). Skad chemiczny i wasnoci mechaniczne tych stali podane s w tabl. 5.2.
Tablica 5.2 Skad chemiczny i wasnoci mechaniczne stali wglowych konstrukcyjnych ogólnego zastosowania
(PN-88/H-84020)
Skad chemiczny, % Re* Rm** A5*** Znak stali C
Mn Si P max S max MPa MPa %
St0S 0,23 max 1,30 0,40 max 0,070 0,065 185 300-540 W 20 P 18
St3S 0,22 max 1,10 0,10 0,35 0,050 0,050 225 360-490 W 26
P74 St3W 0,17 max 1,30 0,10
0,35 0,040 0,040 225 360-490 W 26 P 24
St4S 0,24 max 1,10 0,10 0,35 0,050 0,050 265 420-550 W 22
P20
St4W 0,20 max 1,30 0,10- 0,35 0,040 0,040 265 420-550 W 22
P20
MSt5 0,26+0,37 0,80 0,35 max 0,050 0,050 285 470-640 W 20 P 18
MSt6 0,38+0,49 0,38 0,35 max 0 325 570 0 325 570 325 570-740 W 15
P 13
MSt7 0,50-0,62 0,80 0,35 max 0 355 670 0 355 670 355 670-840
W11 P9
* Dla wyrobów o gruboci lub rednicy powyej 16 ÷ 40 mm. ** Dla wyrobów o gruboci lub rednicy powyej 3 ÷ 100 mm. *** Dla wyrobów o gruboci lub rednicy powyej 3 ÷ 40 mm. Kierunek osi próbki: W - wzduny, P - poprzeczny (w stosunku do kierunku walcowania).
Gatunki stali o liczbie porzdkowej 3 i 4 mog mie dodatkowo okrelon wymagan udarno w temperaturze +20°C, 0°C i -20°C. Szczegóowe wymagania odnonie do tych odmian stali i ich oznaczenia podane s w PN-88/H-84020. Znaki gatunków tych stali uzupenia si na kocu znakiem odmiany plastycznoci B, C, D lub U, M, J (np. St3SYU, St4WD).
9
5.2.4. Stale niestopowe specjalne do ulepszania cieplnego i utwardzania powierzchniowego
Stale te nale do grupy stali o wyszych wymaganiach w porównaniu do stali jakociowych i charakteryzuj si wyszym stopniem czystoci. Zawarto fosforu i siarki nie moe w nich przekracza po 0,040%. S przeznaczone do wyrobu maszyn i urzdze i stosuje si je w stanie ulepszonym cieplnie, normalizowanym, hartowanym powierzchniowo lub po nawglaniu. Dziki dokadnemu doborowi skadu chemicznego oraz przez zastosowanie specjalnych warunków wytwarzania uzyskuje si wymagane waciwoci technologiczne i uytkowe czsto w kombinacji z wysok lub wsko ograniczon wytrzymaoci lub hartownoci.
Znak tych stali wg PN-93/H-84019 skada si z liczb dwucyfrowych, które mog by uzupenione literami. Liczby te okrelaj przyblione rednie zawartoci wgla w setnych czciach procentu (np. 10, 15, 20, 25, 30 itd). Litery po liczbach oznaczaj:
G - stal o podwyszonej zawartoci manganu, A - stal o podwyszonej czystoci w zakresie fosforu i siarki, AA - stal o zaostrzonych wymaganiach w zakresie skadu chemicznego (np. dotyczcych zawartoci
wgla, obnionej zawartoci fosforu i siarki ograniczonej sumie zawartoci Cr+Mo+Ni, itp.), rs - stal o regulowanej zawartoci siarki, h - stal o wymaganej hartownoci, H - stal o podwyszonej dolnej granicy twardoci w stosunku do wymaganego pasma hartownoci, L - stal o obnionej granicy twardoci w stosunku do wymaganego pasma hartownoci, przy czym
cyfry (np. 4, 5, 15) po literach hH i hL oznaczaj odlegoci od czoa próbki w milimetrach (4 mm, 5 mm, 15 mm). Skad chemiczny niektórych stali niestopowych do nawglania oraz normalizowania, ulepszania cieplnego i hartowania powierzchniowego podano w tabl. 5.3
Tablica 5.3. Skad chemiczny niektórych gatunków stali niestopowej specjalnej do nawglania
oraz normalizowania, ulepszania cieplnego i hartowania powierzchniowego (wg PN-93/H-840191
Skad chemiczny, % wag.
gatunku stali
Stale do nawglania
10 0,07-0,14 0,35+0,65 0,15-0,40 0,040 max 0,040 15 0,12-0,19 0,35-0,65 0,15-0,40 0,040 max 0,040
14A 0,12-0,18 0,30+0,600 0,15+0,400 0,035 max 0,035 20 0,17-0,24 0,35+0,65 0,15+0,40 0,040 max 0,040
20G 0,17+0,24 0,70+1,00 0,15+0,40 0,040 max 0,040
Stale do normalizowania, ulepszania cieplnego i hartowania powierzchniowego
25 0,22-0,29 0,40+0,70 0,040 max 0 0,040 max 0,040 26A 0,22+0,29 0,40+0,70 0,10+0,40 0,035 max 0,035 30 0,27-0,34 0,50+0,800 0,10+0,400 0,040 max 0,040 35 0,32-0,39 0,50+0,80 0,10+0,40 0,040 max 0,040 40 0,37+0,44 0,50+0,80 0,10+0,40 0,040 max 0,040 45 0,42-0,50 0,50+0,80 0,10-0,40 0,040 max 0,040
46A 0,42+0,50 0,50+0,80 0,10-0,40 0,035 max 0,035 46rs 0,42-0,50 0,50+0,800 0,10+0,400 0,035 0,020+0,040 45G 0,42+0,50 0,70+1,00 0,10+0,40 0,040 max 0,040 50 0,47+0,55 0,60+0,90 0,10+0,40 0,040 max 0,040 55 0,52+0,60 0,60+0,90 0,10+0,40 0,040 max 0,040 60 0,57-0,65 0,60+0,90 0,10+0,40 0,040 max 0,040 65 0,62+0,70 0,50+0,80 0,040 max 0 0,040 max 0,040
10
Wasnoci mechaniczne w stanie normalizowanym i dla porównania w stanie ulepszonym cieplnie (po hartowaniu i odpuszczaniu w temperaturze 550 ÷ 660°C) niektórych stali podano w tabl. 5.4. Naley zwróci uwag, e wytrzymao na rozciganie Rm granica plastycznoci Re i udarno KCU2 s znacznie wysze w stanie ulepszonym cieplnie, w porównaniu ze stanem normalizowanym, a dla stali o wikszej zawartoci wgla (gatunku 55, 60) wiksze jest równie wyduenie.
5.2.5 Stale niestopowe jakociowe i specjalne o okrelonym zastosowaniu W przemyle, oprócz omówionych wyej stali wglowych konstrukcyjnych ogólnego zastosowania, stosuje si równie wiele gatunków stali wglowych o okrelonym z góry zastosowaniu. Stale te z uwagi na konieczno zapewnienia szczególnych wasnoci uytkowych lub technologicznych maj skad chemiczny rónicy si od skadu stali wglowych ogólnego zastosowania i to zarówno w odniesieniu do skadników zasadniczych, jak i przypadkowych lub zanieczyszcze. Poza tym w niektórych przypadkach stale te wykazuj wysze lub nisze wasnoci mechaniczne, w porównaniu do odpowiednich stali ogólnego zastosowania o zblionym skadzie chemicznym, jednake zapewniaj dane wasnoci technologiczne i uytkowe.
Tablica 5.4
Wasnoci mechaniczne niektórych gatunków stali niestopowej specjalnej w stanie normalizowanym oraz ulepszanym cieplnie wg PN-93/H-84019 (dla wyrobów o rednicy lub gruboci do 16 mm*)
Znak gatunku stali
MPa, min A5, % min
25 550 - 700 370 19 90
N min 510 295 20 60 30
T 600 - 750 400 18 80 N min 550 315 18 50
35 T 630 - 780 430 17 70 N min 580 335 16 50
40 T 650 - 800 460 16 60 N min 620 355 14 40
45 T 700 - 850 490 14 50 N min 680 380 11 -
55 T 800 - 950 550 12 - N min 710 400 10 -
60 T 850 - 1000 580 11 -
* Dla wikszych wartoci gruboci wyrobów wasnoci wytrzymaociowe s odpowiednio nisze. ** N - normalizowanie. *** T - ulepszanie cieplne (hartowanie i odpuszczanie wysokie).
Wród stali wglowych konstrukcyjnych o okrelonym zastosowaniu mona wyodrbni nastpujce waniejsze grupy gatunków:
• stale do wyrobu drutu do patentowania, na liny, na spryny, do konstrukcji spranych, drutu ogólnego przeznaczenia i dla przemysu wókienniczego (PN 91/H-84028);
• stale, dla kolejnictwa (PN-84/H-84027, PN-91/H-84027/03, PN-88/H-84027/04-05); • stale do wyrobu rur (PN-89/H-84023/07); • stale do wyrobu nitów (PN-89/H-84023/04-05); • stale na blachy kotowe (PN-81/H-92123); • stale do budowy mostów (PN-89/H-84023/04); • stale na blachy grube i uniwersalne do budowy statków (PN-85/H-92147); • stale na blachy karoseryjne (PN-89/H-84023/03);
11
• stale do wyrobu ogniw acuchów technicznych i okrtowych (PN-89/H-84023/08); • stale automatowe (atwo obrabialne mechanicznie) (PN-73/H-84026); • stale magnetycznie mikkie (PN-89/H-84023/02). Stale niestopowe przeznaczone na walcówk do produkcji drutu s wysokiej czystoci. Zawarto
wgla w tych stalach zawiera si w granicach 0,33 ÷ 0,98%. W stalach o najwyszej czystoci do wyrobu drutu na liny zawarto fosforu i siarki nie moe przekroczy po 0,020%, ale cznie zawarto P+S nie moe by wysza ni 0,035%.
Stale automatowe (oznaczone wg PN-73/H-84026 znakami A10X, A10XN, A11, A35, A45, A35G2), a take stal do wyrobu nakrtek prasowanych (10P) s stalami o podwyszonej zawartoci fosforu i siarki (np. stal automatowa A10 zawiera 0,04 ÷ 0,08%P i 0,24 ÷ 0,34%S, a stal do wyrobu nakrtek 10P - 0,20 ÷ 0,35%P i 0,06%S). Dua zawarto tych pierwiastków zapewnia dobr skrawalno stali, które dziki temu nadaj si szczególnie dobrze do obróbki wiórowej na automatach i szybkobienych obrabiarkach do nacinania gwintów, gdy obecno duej iloci wtrce niemetalicznych (siarczków i fosforków) uatwia amanie si wióra podczas skrawania. Skad chemiczny i wasnoci mechaniczne stali automatowych podano w tabl. 5.5.
Stale wglowe magnetycznie mikkie s to stale o bardzo maej zawartoci wgla (max 0,04%). Stale te odznaczaj si ma koercj i du przenikalnoci magnetyczn. Stosuje si je najczciej na rdzenie elektromagnesów. Wasnoci magnetyczne materiaów magnetycznie mikkich pogarszaj si ze wzrostem iloci zanieczyszcze, zwaszcza C, S, P, O i N. Dlatego wymaga si, aby w tych stalach ich ilo bya jak najmniejsza.
Szczegóowe wymagania, dotyczce wymienionych wyej grup stali wglowych o okrelonym przeznaczeniu i o szczególnych wasnociach, podaj Polskie Normy.
Tablica 5.5 Skad chemiczny i wasnoci mechaniczne stali automatowych (wg PN-73/H-84026)
rednia zawarto, % Znak stali C Mn Si P S
Stan** Rm*** MPa
Re*** MPa min
380-510 490 - 740
W C T
— 390 260
W C
310 500
W C
WN C T
13 — 12
* Wytwarzany jest równie gatunek z azotem A10XN zawierajcy rednio ok. 0,013% N. ** Wasnoci mechaniczne podano dla gruboci wyrobów powyej 16 ÷ 40 mm; dla gruboci mniejszej
wasnoci wytrzymaociowe s nieco wysze, a plastyczne nieco nisze, natomiast dla gruboci wikszej wasnoci wytrzymaociowe s nieco nisze, a plastyczne wysze.
*** W - walcowanie na gorco, WN - walcowanie i normalizowanie, T - ulepszanie cieplne, TC -cignienie po ulepszaniu cieplnym, C - cignienie po walcowaniu.
12
5.3. Stale niestopowe (wglowe) narzdziowe
Stale narzdziowe su w gównej mierze do wyrobu wszelkiego rodzaju narzdzi w tym skrawajcych, na odpowiedzialne czci przyrzdów mierniczych, uchwytów itd. Zasadnicze cechy, których wymaga si od stali narzdziowych, to: twardo po zahartowaniu, odporno na cieranie i zuycie, cigliwo, niewraliwo na przegrzanie, maa odksztacalno przy hartowaniu - przy czym nie zawsze wszystkie cechy s wymagane jednoczenie.
Podstawowym wymaganiem stawianym narzdziom skrawajcym jest trwao ostrza, która stpia si i zuywa podczas skrawania. Im bardziej stal jest odporna na zuycie i cieranie, tym lepiej nadaje si na narzdzia skrawajce. Aby stal bya odporna na cieranie, powinna mie du twardo, zazwyczaj powyej 60 HRC. Najwiksz twardo po hartowaniu uzyskuj stale o wikszej zawartoci wgla i z tego wzgldu stale narzdziowe s z reguy stalami wysoko wglowymi.
Zawarto wgla w stalach wglowych narzdziowych objtych Polsk Norm PN-84/H-85020 wynosi 0,5 - 1,24. Stale te w porównaniu ze stalami wglowymi konstrukcyjnymi charakteryzuj si wiksz czystoci (mniejsz zawartoci fosforu i siarki), mniejsz zawartoci manganu oraz drobnoziarnistoci. Charakterystyczn zalet stali narzdziowych wglowych jest maa gboko hartowania, tzn. e hartuje si tylko warstwa wierzchnia narzdzia, a rdze pozostaje bardziej mikki i cigliwy. Daje to moliwo uzyskania narzdzia twardego i odpornego na cieranie, a jednoczenie majcego dostateczn odporno na uderzenia. Wedug Polskich Norm PN-84/H-85020 stale wglowe narzdziowe dziel si na dwie grupy:
- stale hartujce si pytko, - stale hartujce si gboko.
W tablicy 5.6. podano skad chemiczny tych stali oraz ich twardo w stanie zmikczonym i po hartowaniu. Stale hartujce si pytko oznaczone s liter N (oznaczaj stal narzdziow), liczb oznaczajc w przyblieniu redni zawarto wgla w dziesitnych czciach procentu oraz na kocu liter E. Stale hartujce si gboko s oznaczone analogicznie, ale bez litery E.
Tablica 5.6 Skad chemiczny i twardo w stanie zmikczonym i po hartowaniu stali wglowych
narzdziowych (wg PN-84/H-85020)
wanym HRC, min
Stale hartujce si pytko N7E 0,65 - 0,74 Mn 0,15 -0,30 187 790-810 N8E 0,75 - 0,84 Si 0,15 -0,30 187 780-800
61
N9E 0,85 - 0,94 P max 0,025 197 770-790 N10E 0,95 - 1,04 S max 0,025 197 770-790 N11E 1,05-1,14 Cr max 0,15 207 770-790
62
1,15-1,24 Ni max 0,20 Cu max 0,20 207 760-780 63
Stale hartujce si gboko N5 0,50 - 0,60 Mn 0,40-0,60* 183 790-810 58 N6 0,61-0,70 Mn 0,30-0,50* 183 790-810 61 N7 0,65 - 0,74 Mn 0,15 -0,35 187 790-810 N8 0,75 - 0,84 Si 0,15 -0,35 187 790-800
61
N9 0,85 - 0,94 P max 0,030 197 770-790 N10 0,95 - 1,04 S max 0,030 197 770-790 N11 1,05-1,14 Cr max 0,20 207 770-790
62
N12 1,15-1,24 Ni max 0,25 Cu max 0,25 207 760-780 63
13
* Pozostae pierwiastki dla stali N5 i N6; Si max 0,15%, P max 0,035%, S max 0,035%, Cr, C, i Ni nie okrela si. * Hartowanie w wodzie czystej lub sonej.
Stale pytko i gboko si hartujce, które maj tak sam zawarto wgla, róni si tylko zawartoci domieszek pochodzcych z wytopu, które jednak wpywaj na ich hartowno.
Stale hartujce si pytko s stalami o maej hartownoci (gboko zahartowania wynosi 2 - 5 mm w zalenoci od temperatury hartowania), wykazuj ma wraliwo na przegrzanie i ze wzgldu na ma zawarto zanieczyszcze nale do stali najwyszej jakoci. Stale hartujce si gboko s bardziej wraliwe na przegrzanie, tzn. e hartowane z wyszej temperatury wykazuj wiksz gruboziarnisto i wiksz skonno do rys i pkni. Stale te odznaczaj si nieco wiksz hartownoci (gboko zahartowania wynosi 5 -12 mm, w zalenoci od temperatury hartowania) i maj nieco wiksz dopuszczaln zawarto zanieczyszcze (fosforu i siarki) i innych domieszek, co powoduje, e s stalami niszej klasy ni stale hartujce si pytko.
Stale hartujce si pytko s stosowane w zasadzie do wyrobu narzdzi, których grubo nie przekracza 20 mm, natomiast stale gboko hartujce si - do wyrobu narzdzi, których grubo lub rednica jest wiksza ni 20 mm.
Obróbka cieplna stali narzdziowych wglowych polega na hartowaniu i niskim opuszczaniu (ok. 180°C). Typowa struktura wysokowglowej stali narzdziowej przedstawiona jest na rys. 5.2. Nagrzewanie zahartowanych stali wglowych powyej temperatury 180°C zaczyna powodowa odpuszczanie martenzytu i obnianie twardoci. Wraliwo na podwyszon temperatur jest gówn wad stali wglowych narzdziowych, które z tego powodu s zakwalifikowane jako stale do pracy na zimno i do obróbki materiaów przy niewielkiej szybkoci skrawania .
Rysunek 5.3. Stal narzdziowa wglowa w stanie zmikczonym.
Widoczny cementyt kulkowy (sferiodyt) na tle osnowy ferrytycznej. Trawienie 5% nitalem. Powikszenie 500x
Rysunek 5..2. Mikrostruktura stali wglowej narzdziowej N11E po hartowaniu i niskim odpuszczaniu (180°C). Widoczne jasne wydzielenia cementytu na tle drobnoiglastego martenzytu.
Trawienie 2% nitalem. Powikszenie 630x
14
Stal narzdziowa jest dostarczana z huty w stanie zmikczonym i aby uatwi dalsz jej przeróbk
lub obróbk skrawaniem, wyarzana w celu uzyskania struktury cementytu kulkowego (rys. 5.3), gdy stal majca struktur perlitu pytkowego trudniej poddaje si obróbce. Struktur tak otrzymuje si najprociej przez wyarzanie sferoidyzujce w temperaturze nieco wyszej od Ac1
5.4. Stale stopowe
Stal stopow nazywa si stal, do której celowo wprowadzono pierwiastki stopowe, aby nada jej wymagane wasnoci.
Wedug Polskich Norm do stali stopowych zalicza si gatunki stali, w których najmniejsza wymagana zawarto chociaby jednego z pierwiastków jest równa lub wiksza ni podano w tabl. 5.1.
Wprowadzenie do stali dodatków stopowych moe mie na celu: • uzyskanie okrelonych wasnoci wytrzymaociowych, • wywoanie podanych zmian strukturalnych, • uzyskanie specjalnych wasnoci chemicznych lub fizycznych, • podwyszenie hartownoci, • uatwienie technologii i polepszenie efektów obróbki cieplnej.
Najczciej stosowanymi dodatkami stopowymi s: mangan, krzem, chrom, nikiel, molibden, wanad, wolfram. Nieco rzadziej stosuje si aluminium, kobalt, tytan i niob. Ponadto coraz czciej jako celowe dodatki stopowe zyskuj na znaczeniu bor i azot.
7.4.1. Wpyw pierwiastków stopowych na struktur i wasnoci stali
Pierwiastki stopowe dodawane do stali w procesie metalurgicznym w przewaajcej iloci przechodz do roztworu ciekego. Po skrzepniciu stali pierwiastki stopowe mog wystpi w nastpujcych fazach:
• w roztworach staych: ferrycie i austenicie; • w zwizkach z wglem i azotem: wglikach, azotkach i wgliko-azotkach; • w zwizkach midzymetalicznych; • w postaci wolnej (czystego pierwiastka).
Ze wzgldu na rónice potencjau chemicznego pierwiastków w poszczególnych fazach, skadniki stopowe nie s równomiernie rozoone we wszystkich skadnikach strukturalnych stopu, ale wykazuj tendencj do skupiania si w poszczególnych fazach. Wgliki s w stalach tworzone przez metale pooone w ukadzie okresowym na lewo od elaza (Mn, Cr, V, Ti, Mo, Nb, Zr, W, Ta, Hf). Pierwiastki te nale podobnie jak elazo, do metali przejciowych. Im dalej na lewo od elaza znajduje si w ukadzie okresowym pierwiastek wglikotwórczy, tym aktywniej czy si z wglem i trwao utworzonych wglików jest wiksza. Wedug wzrastajcej skonnoci do tworzenia w stali wglików, pierwiastki wglikotwórcze mona uszeregowa w nastpujcej kolejnoci: Fe, Mn, Cr, W, Mo, V, Ti, Zr, Nb.
W stalach powstaj najczciej nastpujce wgliki: wgliki grupy I - Fe3C, Mn3C, Cr23C6, Cr7C3, Fe3Mo3C, Fe3W3C; wgliki grupy II - VC, TiC, NbC, ZrC, WC, W2C, Mo2C, TaC, Ta2C.
Wgliki grupy I maj zoon sie krystaliczn i charakteryzuj si tym, e atwo si rozpuszczaj w austenicie podczas nagrzewania.
Wgliki grupy II maj prost sie krystaliczn (regularn lub heksagonaln) znacznie trudniej rozpuszczaj si w austenicie, tak e przy nagrzewaniu nawet do wysokich temperatur mog nie przej do roztworu staego.
W stalach jednak wgliki z reguy nie wystpuj w postaci czystej. Zawieraj zwykle rozpuszczone elazo, a gdy w skad stali stopowej wchodzi kilka pierwiastków, to wgliki zawieraj równie te
15
pierwiastki w roztworze. Na przykad w stali chromowo-manganowej tworzy si nie czysty wglik chromu Cr23C6, lecz wglik (Cr, Mn, Fe)23C6, zawierajcy w roztworze elazo i mangan.
Dodatki stopowe rozpuszczajce si w elazie wpywaj silnie na zmian temperatury przemian alotropowych A3 i A4. Niektóre z pierwiastków w pewnym zakresie ste albo podwyszaj temperatur A3 i obniaj temperatur A4, wskutek czego ulega rozszerzeniu obszar istnienia odmiany alotropowej y np. (Ni, Mn), albo obniaj temperatur A4 a podwyszaj temperatur A3, zwajc obszar istnienia odmiany y (np. Cr, Si, W, Mo, V, Ti), wzgldnie mog podwysza (Co) lub obnia obie te temperatury jednoczenie (Cr).
W wyniku oddziaywania pierwiastków stopowych na temperatury przemian alotropowych elaza oraz punkty krytyczne ukadu Fe-Fe3C, struktura stali stopowych moe róni si zasadniczo od wystpujcej w stalach wglowych przy tych równowanych zawartociach wgla. Due znaczenie ma równie wpyw pierwiastków stopowych na przemiany austenitu przechodzonego, w szczególnoci na krytyczn szybko chodzenia oraz temperatur przemiany martenzytycznej Ms. Pierwiastki, które rozpuszczaj si jedynie w ferrycie lub cementycie, jak np. Mn, Ni, Si, Al, Cu, wpywaj na przemian austenitu tylko ilociowo, opóniajc j i przesuwajc krzyw pocztku rozkadu austenitu (na wykresie CTP) w kierunku wikszych wartoci czasu (rys. 5.4) w stosunku do stali wglowej (wyjtkiem jest jedynie Co, który przyspiesza przemian).
Natomiast pierwiastki wglikotwórcze wywouj w kinetyce przemiany izotermicznej austenitu zmiany nie tylko ilociowe, ale i jakociowe. Krzywe pocztku przemiany ulegaj nie tylko przesuniciu, lecz równie zmienia si ich ksztat (rys. 5.4d). Obszary przemian perlitycznej oraz bainitycznej zostaj w tych stalach przedzielone zakresem o zwikszonej trwaoci przechodzonego austenitu
Rysunek 5. 4. Schemat krzywych izotermicznych przemian austenitu przechodzonego dla stali stopowych: a) stal wglowa (0,45% C), b) stal manganowa (0,45% C, 0,2% Mn),
c) stal chromowo-wanadowa (0,5%C, 1,0% Cr, 0,1% V), d) stal chromowo-niklowo-molibdenowa (0,30% C, 1,5% Cr, 2,0% Ni, 0,35 Mo)
Najwaniejszy dla praktyki wpyw pierwiastków stopowych polega na zmniejszeniu szybkoci rozkadu austenitu w zakresie jego przemiany w struktury perlityczne. Zapewnia to wiksz hartowno stali, a przechodzenie austenitu do zakresu przemiany martenzytycznej mona osign stosujc powolniejsze chodzenie, np. podczas chodzenia w oleju lub w powietrzu.
Zwikszenie hartownoci jest szczególnie due, gdy stal zawiera jednoczenie kilka pierwiastków stopowych, np. nikiel, chrom i molibden itp.
Stwierdzono równie, e bardzo mae dodatki niektórych pierwiastków zwikszaj bardzo wyranie hartowno stali, natomiast wiksza ich zawarto nie wywouje tak skutecznego dziaania. Do takich pierwiastków naley przede wszystkim bor (B). Optymalna zawarto boru w stali, zapewniajca najwiksz hartowno wynosi zaledwie 0,001 -K),003%. W razie wikszej iloci boru jego stenie na granicach ziarn austenitu przekracza maksymaln rozpuszczalno, wskutek czego powstaj odrbne fazy zawierajce bor (borki), które jako orodki krystalizacji uatwiaj wykrystalizowanie struktur perlitycznych i hartowno zmniejsza si.
16
Wpyw pierwiastków stopowych na wykresy CTP stali zaznacza si nie tylko zmian pooenia i ksztatu krzywych przemian, lecz równie przesuniciem punktu przemiany martenzytycznej Ms. Wikszo pierwiastków obnia punkt Ms, zwikszajc tym samym zawarto austenitu szcztkowego po zahartowaniu. Odwrotne dziaanie wywieraj jedynie Al i Co.
5.4.2. Klasyfikacja stali wg struktury po wyarzaniu i po chodzeniu na powietrzu
Przyjmujc zasad podziau wg struktury w stanie wyarzonym, mona wyróni nastpujce grupy stali stopowych:
• podeutektoidalne, w których strukturze obok perlitu wystpuje wolny ferryt; • eutektoidalne, o strukturze perlitycznej; • nadeutektoidalne, zawierajce w strukturze wydzielone z austenitu wgliki wtórne • ledeburytyczne, w których strukturze wystpuje eutektyka - ledeburyt, zawierajca
wgliki pierwotne wydzielone z ciekej stali; • ferrytyczne, ewentualnie z wydzieleniami wglików; • austenityczne, mogce równie zawiera wydzielone wgliki.
Zgodnie z wykresem Fe-Fe3C stale wglowe podeutektoidalne zawieraj mnie ni 0,8% C,
eutektoidalne ok. 0,8% C, nadeutektoidalne 0,8÷2,0% C, ledeburytyt natomiast pojawia si powyej ok. 2% C. Poniewa jednak wikszo pierwiastków stopowych przesuwa punkty S i E wykresu Fe-Fe3C w lewo, tj. w kierunku mniejszych zawartoci wgla, wic granica midzy stalami podeutektoidalnymi i nadeutektoidalnymi oraz nadeutektoidalnymi i ledeburytycznymi odpowiada w stalach stopowych mniejszym zawartociom wgla ni w stalach wglowych.
Stale ferrytyczna i austenityczna s to najczciej stale o duej zawartoci dodatków stopowych i niskiej zawartoci wgla.
Podzia stali stopowych ze wzgldu na struktur przeprowadza si równie w zalenoci od tego, jak
struktur otrzymuje si po ochodzeniu w spokojnym powietrzu próbek o nieduym przekroju. Struktura ta moe si zasadniczo róni od struktury uzyskanej po wyarzaniu. W tym przypadku mona rozróni trzy podstawowe klasy stali: • perlityczn, • martenzytyczn, • austenityczn
(mog take wystpowa klasy porednie). Klas perlityczn cechuje do maa zawarto pierwiastków stopowych, stale klasy martenzytycznej zawieraj wicej, a klasy austenitycznej - najwicej tych pierwiastków. Wytworzenie si jednej z tych trzech struktur stali nastpuje wskutek tego, e w miar zwikszania si zawartoci pierwiastków stopowych wzrasta trwao przechodzonego austenitu (krzywe C na wykresie CTP przesuwaj si w prawo), za pocztek przemiany martenzytycznej obnia si w kierunku niszych temperatur. Naley podkreli, e podana klasyfikacja jest umowna i ma znaczenie w przypadku chodzenia w powietrzu próbek o do maych wymiarach. Zmieniajc warunki chodzenia, mona oczywicie otrzyma w tej samej stali róne struktury.
5.4.3. Oznaczanie stali stopowych konstrukcyjnych i maszynowych
Sposób oznaczania rónych gatunków stali stopowych konstrukcyjnych zosta opracowany i ujty przez Polsk Norm PN-89/H-84030/01.
Stale stopowe konstrukcyjne oznaczane s za pomoc znaku skadajcego si z: cyfr i liter. Pierwsze dwie cyfry okrelaj redni zawarto wgla w setnych procenta. Litery oznaczaj pierwiastki stopowe:
17
G — mangan, S — krzem, H — chrom, N — nikiel, M — molibden, T — tytan, F — wanad (take V), J — aluminium. Liczby wystpujce za literami oznaczaj zaokrglone do liczby cakowitej rednie zawartoci
skadnika w stali w przypadku, gdy jego rednia zawarto przekracza 1,5% (w przypadku stali niskostopowych, gdy rednia zawarto skadnika przekracza 1%).
Stale o wyszych wymaganiach co do skadu chemicznego (np. co do zawartoci fosforu i siarki) oznacza si na kocu znaku liter A.
Stale przetapiane elektroulowo oznacza si przez dodanie na kocu znaku stali . Stale modyfikowane zwizkami chemicznymi litu, sodu lub wapnia i innymi oznacza si liter D. Wedug takich samych zasad, jak stale stopowe konstrukcyjne, oznacza si stale odporne na korozj i stale aroodporne. Natomiast stale stopowe narzdziowe oznacza si w odrbny sposób wg dawnych cech hutniczych (patrz rozdz. 5.5). 5.4.4. Stale niskostopowe o podwyszonej wytrzymaoci
W wyniku denia do obniania ciaru konstrukcji, zwaszcza budowlanych. i poprawy wskaników uytkowych opracowanych zostao szereg gatunków stali niskostopowych, które bez dodatkowej obróbki cieplnej odznaczaj si lepszymi wasnociami mechanicznymi ni stale wglowe. S to stale zawierajce niewielkie dodatki skadników stopowych i wykazujce w stanie dostawy podwyszone wasnoci wytrzymaociowe i struktur ferrytyczno-perlityczn. Stale te s stosowane gównie na konstrukcje budowlane, mosty, siatki i prty do zbrojenia betonu, na zbiorniki i rury cinieniowe. Od materiaów tych, oprócz odpowiednio duych wartoci Re i Rm, wymaga si odpowiedniej plastycznoci, niskiej wartoci temperatury progu kruchoci, dobrej spawalnoci oraz niskiej ceny.
Due znaczenie przy opracowywaniu nowych gatunków stali o podwyszone wytrzymaoci miay osignicia w zakresie fizyki metali, a w szczególnoci poznanie mechanizmów umocnienia metali i stopów. Stwierdzono, e obok utwardzenia roztworu staego i udziau perlitu w strukturze, czsto znacznie wikszy wpyw na podwyszenie wytrzymaoci stali wywieraj inne czynniki, w tym gównie wielko ziarna i obecno w strukturze dyspersyjnych wydziele wglików i azotków lub innych faz.
Szczególne znaczenie w produkcji stali o podwyszonej wytrzymaoci ma tzw. regulowane walcowanie, polegajce na obnieniu temperatury nagrzewania wsadu, na niewielkich, lecz licznych zgniotach, a przede wszystkim na obnieniu temperatury koca walcowania i przyspieszeniu chodzenia wyrobów po walcowaniu. W efekcie ulega zahamowaniu rekrystalizacja zgniecionego austenitu, a uzyskane w wyniku jego przemiany drobne ziarno ferrytu zapewnia odpowiednio wysokie wasnoci wytrzymaociowe i plastyczne. Zasadnicze znaczenie ma równie obecno w stali mikrododatków Al, V, Ti, Nb i Zr, tworzcych trudno rozpuszczalne dyspersyjne wydzielenia, które wpywaj na opónienie rekrystalizacji i rozrostu ziarn austenitu, oddziaujc tym samym na wzrost umocnienia i obnienie progu kruchoci.
Jedn z grup stali spawalnych o podwyszonej wytrzymaoci stanowi stale niskostopowe
o strukturze ferrytyczno-perlitycznej zawierajce maksymalnie 0,20% C dodatek manganu max do ok. 1,8% oraz mikrododatki Al, V, Ti, Nb i N, tworzce dyspersyjne wydzielenia wglików i azotków. Zawartoci tych pierwiastków na ogó nie przekraczaj 0,02% Al, 0,15% V, 0,05% Nb oraz do ok. 0,025% N. Stale te stosowane po regulowanym walcowaniu lub normalizowaniu zapewniaj uzyskanie granicy plastycznoci Re 305 ÷460 MPa (dla wyrobów o gruboci 3 ÷16 mm).
18
wytrzymaoci oznaczonych znakami:
09G2 18G2A 09G2Cu 18G2ACu 15GA 18G2ANb 15G2ANb 18G2AV 15G2ANNb 18G2AVCu 18G2
Stale te, w zalenoci od wymaganych wasnoci wytrzymaociowych na rozcignie i technologicznych na zginanie, dziel si na 7 kategorii oznaczonych symbolami E305, E325, E355, E390, E420, E440, E460. Trzycyfrowa liczba po literze E oznacza w przyblieniu granic plastycznoci Re w MPa. Granica ta wykazuje pewne niewielkie rónice w zalenoci od gruboci wyrobu (3÷70 mm). Naley okreli, e stale te maj znacznie wysz (o 50 ÷ 80%) granic plastycznoci porównaniu ze stalami wglowymi zwykej jakoci przeznaczonymi do spawania, co stwarza moliwo uzyskania znacznych oszczdnoci materiaowych.
W zalenoci od wymaganej udarnoci w temperaturze od +20 do -60°C stale te dziel si na odmiany.
Jak wspomniano ju na wstpie, omawiana grupa stali musi charakteryzowa si dobr spawalnoci. Musz to by zatem stale o ograniczonej hartownoci, tj. moliwie niskim ekwiwalencie wgla CE, który mona wyliczy z zalenoci:
Stale niskostopowe o podwyszonej wytrzymaoci ujte w PN-86/H-84018 maj ekwiwalent wgla CE nie przekraczajcy 0,44 ÷0,52.
5.4.5. Stale stopowe konstrukcyjne i maszynowe do ulepszania cieplnego
W przypadkach nie pozwalajcych na uycie stali wglowych ze wzgldu na ma hartowno lub te zbyt niskie wasnoci wytrzymaociowe, stosuje si stale stopowe konstrukcyjne i maszynowe do ulepszania cieplnego. Wykonuje si z nich gównie wysoko obcione i wane elementy konstrukcyjne maszyn, silników, pojazdów mechanicznych itp., zwaszcza o duych przekrojach.
Grupa stali konstrukcyjnych stopowych do ulepszania cieplnego obejmuje znacz ilo gatunków
o bardzo zrónicowanym skadzie chemicznym. Polskie Normy wyszczególniaj 35 gatunków stali stopowych konstrukcyjnych do ulepszania cieplnego (PN-89/H-84030/04) oraz ponadto 9 gatunków stali o wikszej zawartoci pierwiastków stopowych, przeznaczonych do wyrobu sprztu szczególnie obcionego PN-72/H-84035), np. sprztu lotniczego, czci silników spalinowych itp. Skad chemiczny tych dwóch grup stali oraz ich wasnoci mechaniczne podano w tabl. 5.7 ÷ 5.10.
1556 CuNiVMoCrMnCCE
19
rednia zawarto, % Grupa stali Znak stali
C Mn Si Cr Ni Mo Inne
Mn 30G2 4502
Cr
Cr-Mn-Si 20HGS 30HGS 35HGS
0,25 0,30 0,35 0,40
0,55 0,55 0,55 0,55
0,27 0,27 0,27 0,27
0,95 0,95 1,05 0,95
0,20 0,20 0,20 0,20
Cr-Mo-V 40H2MF 0,40 0,65 0,27 1,75 0,35 V - 0,20 Cr-Ni 45HN 0,45 0,65 0,27 0,60 1,2
Cr-Mn-Ni-Mo 37HGN 0,37 0,95 0,27 0,55 0,55 0,20
Cr-Ni-Mo 36HNM 34HNM 40HNM
Zawarto fosforu i siarki max po 0,025 - 0,035%.
Obróbka cieplna stali stopowych konstrukcyjnych polega na hartowaniu w oleju z temperatury 820-950°C oraz odpuszczaniu najczciej w zakresie 500-650°C. Uzyskuje si wówczas sorbit zoony z ferrytu stopowego oraz bardzo drobnych wglików (rys. 5.5). Wasnoci mechaniczne zale od zawartoci wgla i pierwiastków stopowych oraz od temperatury odpuszczania. Nisza temperatura odpuszczania pozwala uzyskiwa wysokie wasnoci wytrzymaociowe przy gorszych plastycznych i odwrotnie, zalenie od stawianych wymaga (rys. 5.6). Hartowno stali stopowych. Najistotniejszym kryterium stosowania poszczególnych gatunków stali stopowych konstrukcyjnych jest hartowno. W tablicy 5.8. podano dla poszczególnych gatunków stali wielkoci rednic krytycznych, tj. najwikszych rednic wyrobów hartujcych si na wskro z utworzeniem w rdzeniu struktury zawierajcej 50% martenzytu oraz 50% struktur perlityczno- -bainitycznych.
Rysunek 5.5. Mikrostruktura stali 30HGSA po ulepszaniu cieplnym. Sorbit. Traw. 3% nitalem. 300x
20
Wasnoci wytrzymaociowe Udarno Znak stali
rednica kry- tyczna (50% martenzytu) hartow. w oleju, min
Rm MPa, min Re, MPa, min A5, % Z,% KCU2,
J/cm2
30G2 20 780 540 14 50 80 45G2 25 880 690 10 40 - 35SG 30 880 690 15 40 60 30H 30 880 740 12 45 70 40H 40 980 780 10 45 60
38HA 40 930 780 12 50 90 45H 40 1030 830 9 45 50 50H 45 1080 930 8 40 40 37HS 80 930 740 12 50 70
20HGS 40 780 640 12 45 70 30HGS 65 1080 830 10 45 45 35HGS 90 1620 1280 9 40 40 25HM 50 740 590 15 55 100 30HM 55 930 740 11 45 80 35HM 55 980 780 12 45 80 40HM 65 1030 880 10 45 70
40H2MF 250 1230 1030 9 40 50 45HN 50 1030 830 10 45 70
37HGNM 60 930 780 13 50 80 36HNM 110 980 780 11 50 80 34HNM 160 1080 880 10 45 70
40HMNA 165 1080 930 12 50 90 45HNMF 180 1470 1320 7 45 40
Na rysunkach 5.7 i 5.8 przedstawiono przykadowo pasma hartownoci dla prób hartowania od czoa dwóch gatunków stali o maej (40H) i bardzo duej hartownoci (40HNMA). Sporód stali o jednakowej hartownoci naley zawsze stosowa najekonomiczniejsz, oczywicie o ile dodatkowe wymagania (np. udarno) nie uzasadniaj stosowania stali droszej, wyej stopowej.
Stale manganowe (30G2, 45G2), krzemowo-manganowe (35SG) oraz chromowe (30H, 40H, 45H, 50H) charakteryzuj si stosunkowo niedu hartownoci w porównaniu z innymi gatunkami stali stopowych. Znacznie wysz hartowno wykazuj stale chromowo-manganowo-krzemowe (30HGS, 35HGS). Zastpuj one w wielu przypadkach drogie stale zawierajce Ni, Mo, W i V.
Najwiksz hartowno oraz najkorzystniejszy zespó wasnoci wytrzymaociowych po ulepszaniu
cieplnym wykazuj stale chromowo-niklowo-molibdenowe, ewentualnie z dodatkiem wanadu lub wolframu, a take manganu i krzemu (40HNMA, 36HNM, 45HNMF, 30H2N2M, 30HGSNA, 25H2N4W, 30HN2MFA i inne). Stale te s uywane na czci maszyn o najwikszych wymaganiach wytrzymaociowych, jak way korbowe silników lotniczych, way napdowe, na czci turbin o duych przekrojach, na koa zbate i inne czci, gdzie wystpuj najwiksze i zmienne obcienia.
21
rednia zawarto, % Znak stali
C Mn Si Cr Ni Mo inne
25HGS 0,25 0,95 1,05 0,95 - - - 30HGSNA 0,30 1,15 1,05 1,05 1,60 20HN3A 0,20 0,45 0,27 0,75 3,00 30HN3A 0,30 0,45 0,27 0,75 3,00 - - 37HN3A 0,37 0,40 0,27 1,40 3,25
25H2NWA 0,25 0,40 0,27 1,50 4,20 - W-1,00 30H2N2M 0,30 0,45 0,27 1,95 1,05 0,30
30HN2MFA 0,30 0,45 0,27 0,60 2,00 0,20 V - 0,22 65S2WA 0,65 0,85 1,75 - 0,40 max - W-1,00
Tablica 5.10 Wasnoci mechaniczne stali stopowych konstrukcyjnych w stanie ulepszonym cieplnie,
przeznaczonych do wyrobu sprztu szczególnie obcionego (wg PN-72/H-84035)
Znak stali Obróbka cieplna hart. °C/odp. °C
Rm MPa min
J/cm2
25HGS 880/480 1080 830 10 40 60 30HGSNA 900/200-300 1620 1370 9 45 60 20HN3A 820/500 930 780 12 55 100 30HN3A 820/530 1080 880 10 50 80 37HN3A 820/520 1130 980 10 50 60
25H2N4W 850/560 1080 930 11 45 90 30H2N2M A. 830/600 980 830 13 50 80
B. 830/530 1230 1030 9 40 50 30HN2MFA 860/680 780 780 10 40 90
65S2WA 850/420 1860 1670 5 20 -
Stale stopowe konstrukcyjne o zawartoci wgla 0,4 ÷ 0,6% mog by take poddawane hartowaniu powierzchniowemu, co w wielu przypadkach jest korzystne, gdy unika si w ten sposób dugotrwaego i bardziej kopotliwego procesu nawglania.
Rysunek 5.7. Pasmo hartownoci dla próby hartowania od czoa stali 40H
22
Rysunek 5.6. Wpyw temperatury odpuszczania oraz gruboci wyrobu na wasnoci mechaniczne:
a) stali wglowej 40, b) stali stopowej 40HNMA
Rysunek 5.8. Pasmo hartownoci dla próby hartowania od czoa stali 40HNMA
23
Nawglanie ma na celu uzyskanie twardej i odpornej na cieranie warstwy wierzchniej elementu konstrukcyjnego, przy zachowaniu wysokiej udarnoci i cigliwoci rdzenia. Wasnoci te uzyskuje si przez odpowiedni obróbk ciepln. Du twardo osiga si przez wzbogacenie warstwy powierzchniowej w wgiel i nastpnie zahartowanie. Drugim zagadnieniem jest sprawa wytrzymaoci rdzenia nawglonego przedmiotu. Na ogó wymaga si od rdzenia duej udarnoci i cigliwoci, aby skompensowa niebezpieczestwo, które przedstawia warstwa powierzchniowa o duej twardoci i kruchoci. Z tego wzgldu zawarto wgla w stalach do nawglania jest niska i wynosi zazwyczaj 0,10 ÷0,25%, natomiast wysz wytrzymao rdzenia uzyskuje si dziki obecnoci pierwiastków stopowych. W porównaniu ze stalami wglowymi stale stopowe do nawglania maj wysz wytrzymao na rozciganie zarówno w stanie zmikczonym, jak i zahartowanym, a dziki wikszej hartownoci wysok wytrzymao mona uzyska w elementach o wikszych przekrojach przy jednoczenie duej udarnoci, duym przeweniu i wydueniu. Przedmioty wykonane ze stali stopowej charakteryzuje wic po nawgleniu i zahartowaniu dua wytrzymao rdzenia, której nie mona uzyska przy uyciu stali wglowych. Z tego wzgldu stal stopow do nawglania stosuje si wycznie na wysoko obcione, wane elementy konstrukcyjne silników, pojazdów mechanicznych i samolotów oraz na inne odpowiedzialne czci maszyn.
Aby speni zasadniczy postulat uzyskania najwyszej twardoci powierzchniowej, naley warunki hartowania dostosowa do skadu chemicznego warstwy nawglonej, dla której waciwa temperatura hartowania jest znacznie nisza ni temperatura hartowania waciwa dla rdzenia. Poza tym temperatura odpuszczania po hartowaniu musi by niska, gdy ju przy 150°C twardo warstwy nawglanej zaczyna si zmniejsza. Wobec tego, e wasnoci stali do nawglania nie mona zmienia przez odpuszczanie, skad chemiczny stali jest zasadniczym czynnikiem rozstrzygajcym o wasnociach wytrzymaociowych rdzenia.
Wynika std, e dobrawszy odpowiednio zawarto pierwiastków stopowych mona uzyska
jednoczenie potrzebn wytrzymao rdzenia w wymaganym przekroju i podan twardo powierzchniow po nawgleniu. Poniewa jednak kady gatunek stali pozwala na osignicie tylko wskiego zakresu wytrzymaoci rdzenia, aby uzyska szeroki zakres wytrzymaoci Rm 700 ÷1500 MPa i speni rónorodne wymagania dotyczce twardoci powierzchniowej, naley mie do dyspozycji do duo gatunków stali do nawglania.
Polskie Normy obejmuj cznie 20 gatunków stali stopowych do nawglania. W grupie stali stopowych konstrukcyjnych (PN-89/H-84030/02) Polskie Normy wyszczególniaj 16 gatunków stali do nawglania: 15H, 20H, 16HG, 20HG, 18HGT, 15HGM, 15HGMA, 18HGM, 17HGN, 15HGN, 15HN, 15HNA, 20HNM, 22HNM, 17HNM, 18H2N2 a w grupie stali stopowych konstrukcyjnych przeznaczonych do wyrobu sprztu szczególnie obcionego (PN-72/H-84035) - 4 gatunki stali do nawglania: 12HN3A, 12H2N4A, 20H2N4A, 18H2N4WA. Stale te odznaczaj si nisk zawartoci wgla (rednio 0,12-0,22%), zawieraj prawie zawsze 0,5 ÷ 2% Cr oraz zalenie od gatunku równie Mn, Ni, Mo oraz rzadziej Ti i W.
Najnisze wasnoci mechaniczne rdzenia uzyskuje si w przypadku stali chromowych i chromowo-
manganowych (15H, 20H, 16HG, 20HG). Mangan w omawianych stalach sprzyja niekorzystnemu rozrostowi ziarn. Przeciwdziaa si temu przez dodatek Ti, np. w stali 18HGT. Wobec mniejszej skonnoci do rozrostu ziarn, stal moe by nawglana w szerokim zakresie temperatury. Wytrzymao rdzenia na rozciganie w tych stalach moe dochodzi do ponad 1200 MPa.
Stale chromowo-niklowe (15HN, 17HNM, 18H2N2) uzyskuj znacznie lepsze wasnoci, ze wzgldu
jednak na drogi dodatek niklu zastpowane s coraz czciej stalami chromowo-manganowo- molibdenowymi (15HGM, 18HGM, 19HM) równie wykazujcymi wysokie wasnoci mechaniczne i du hartowno.
24
Elementy maszyn wymagajce wysokich wasnoci plastycznych rdzenia i jednoczenie bardzo wysokiej wytrzymaoci (Rm = 1200 ÷1400 MPa), jak np. czci silników lotniczych, wykonuje si ze stali chromowo-niklowych wyszej jakoci: wikszej zawartoci chromu (ok. 1,5%) i niklu (3 ÷ 4,5%) z dodatkiem Mo (0,2 ÷0,3) lub W (ok. 1%) (np. stali 12HN3A, 12H2N4A, 20H2N4A, 18H2N4WA).
5. 4.7. Stale do azotowania Dziki zawartoci niektórych pierwiastków stopowych, a w szczególnoci aluminium, chromu
i molibdenu stale stopowe do azotowania pozwalaj na uzyskanie po azotowaniu najwikszej twardoci i odpornoci na cieranie warstwy wierzchniej, bez potrzeby stosowania dodatkowej obróbki cieplnej. Twardo warstwy naazotowanej nie tylko nie zmniejsza si po nagrzaniu do temperatury dochodzcej do 500°C, lecz take pozostaje nie zmieniona podczas duszego wygrzewania w tym zakresie temperatury. W zwizku z tym stale do azotowania znajduj due zastosowanie na cylindry, way, sworznie tokowe i inne czci silników spalinowych, na czci turbin, armatur do pary przegrzanej, wrzeciona zaworów, sprawdziany itp. Czynnikiem rozstrzygajcym o wysokiej twardoci naazotowanej warstwy powierzchniowej jest niemal wycznie skad chemiczny stali, a mianowicie zawarto pierwiastków tworzcych trwae azotki (Al, Cr, Mo i V).
Polska Norma PN-89/H-84030/03 przewiduje 3 gatunki konstrukcyjnych stali stopowych do azotowania: 38HMJ, 33H3MF i 25H3M.
Oprócz specjalnych gatunków do azotowania, równie niektóre stale chromowo-molibdenowe i zawierajce wanad (40HMF, 40HGM, 35HM) mog by stosowane do tego celu, nie pozwalajc jednak na uzyskanie maksymalnej twardoci powierzchniowej. Przed azotowaniem stale ulepsza si cieplnie, stosujc hartowanie w wodzie lub oleju i wysokie odpuszczanie, aby uzyska moliwie wysokie wasnoci wytrzymaociowe rdzenia. Stale te dziki wikszej zawartoci wgla i pierwiastków stopowych odznaczaj si du hartownoci.
5.4.8. Stale sprynowe
Stale konstrukcyjne przeznaczone do wyrobu spryn i resorów powinny si charakteryzowa wysok granic sprystoci i plastycznoci oraz du wytrzymaoci na zmczenie. Jednoczenie jednak stale te musz mie pewne minimalne wasnoci plastyczne, aby w razie przekroczenia granicy sprystoci raczej nastpio odksztacenie, a nie pknicie. Dua ilo rónorodnych spryn i metod ich wytwarzania wymaga stosowania rónych materiaów i rónych gatunków stali. Typowe stale sprynowe cechuje zwikszona zawarto wgla, wynoszca zazwyczaj 0,5 ÷0,7%. Stale te zawieraj równie dodatki manganu, krzemu i chromu oraz wanadu. Wysok granic sprystoci tych stali osiga si przez hartowanie (przewanie w oleju) i odpuszczanie w temperaturze 380 ÷520°C. Ten zakres temperatury odpuszczania zapewnia najkorzystniejszy stosunek granicy sprystoci Rsp (lub granicy plastycznoci Re,) do wytrzymaoci na rozciganie Rm.
Stale sprynowe s znormalizowane. W tablicy 5.11 podano redni zawarto gównych dodatków stopowych oraz wasnoci mechaniczne w stanie ulepszonym cieplnie wg PN-74/H-84032. Pierwsze trzy gatunki s stalami niestopowymi o zawartoci wgla 0,65 ÷0,85% (±0,05%), podlegajcym hartowaniu w oleju i odpuszczaniu. Spryny mniej odpowiedzialne wykonuje si ze stali wglowej równie w stanie surowym z tam walcowanych na zimno lub drutu cignionego. Spryny bardziej odpowiedzialne wykonuje si ze stali stopowych zawierajcych 0,4 ÷2,0% Si z ewentualnym dodatkiem Mn, Cr i V. Krzem jest pierwiastkiem stopowym, który najintensywniej zwiksza Rsp , Re, i Rm i dlatego jest skadnikiem wikszoci gatunków stali sprynowych. Stale sprynowe krzemowe (45S, 50S, 40S2, 50S2, 55S2, 60S2, 60S2A) wykazuj stosunkowo ma hartowno, co ma jednak mniejsze znaczenie, gdy spryny maj zwykle mae przekroje. W przypadku wikszych przekrojów zaleca si stale zawierajce chrom oraz Si, Mn lub V zapewniajce wiksz hartowno. Do wyrobu spryn o szczególnie wanym przeznaczeniu stosuje si stal chromowo-wanadow 50HF, która charakteryzuje si bardzo drobnym ziarnem oraz wykazuje mniejsz skonno do odwglania powierzchniowego ni stale krzemowe.
25
Skad chemiczny i wasnoci mechaniczne w stanie ulepszonym cieplnie stali sprynowych (wg PN-74/H-84032)
Grupa stali
Znak stali'1
A5 % min Z,% min
65 0,65% C 840/480 980 780 10 35 C 75 0,75% C 820/480 1080 880 9 30 85 0,85% C 820/480 1030 980 8 30
Mn 65G 1,1% Mn 830/480 980 780 8 30 45 S 1 15%Si 830/420 1180 980 6 _ 50S 0,45% Si 800/380 1080 930 5 - 40S2 1,70%Si 840/430 1370 - 6 - 50S2 1,65%Si 870/460 1280 1080 6 30
Si 55S2 1,65%Si 870/460 1320 1180 6 30 60S2 1,65%Si 870/460 1370 1180 5 25 60S2A 1,80%Si 870/420 1520 1180 5 20
Mn-Si 60SG 0,95% Mn 860/460 1570 1370 6 25 1,55%Si 1,0% Mn
Si-Mn-Cr 60SGH 1,15%Si 850/480 1370 1230 7 - 0,50% Cr
Cr-Mn 50HG 1,05%Cr 840/440 1370 1180 7 35 0,95% Mn
Cr-Si 50HS 1,05%Cr 850/520 1320 1180 6 30 1,00%Si
Cr-V 50HF 0,95% Cr 850/500 1280 1080 8 35 0,15% V
Wiele spryn wykonuje si równie z innych stali, np. ze stali narzdziowych wglowych lub stopowych, a do pracy w podwyszonych temperaturach ze stali narzdziowych szybkotncych. Natomiast spryny pracujce w rodowiskach korozyjnych wykonywane s ze stali nierdzewnych hartowanych i odpuszczonych lub utwardzonych przez zgniot.
5. 4.9. Stal na oyska toczne
Stal do wyrobu oysk tocznych (piercieni oyskowych, kulek, waeczków itp.) powinna si odznacza wysok twardoci i odpornoci na cieranie, a take du wytrzymao na ciskanie i zginanie. W tym celu stosuje si stale wysokowglowe (ok. 1% C) z dodatkiem chromu (ok. 1,5% Cr) i ewentualnie manganu i krzemu, gównie w celu zwikszenia hartownoci. Ze wzgldu na warunki pracy oraz metody produkcji stalom tym stawia si szczególne wymagania pod wzgldem czystoci i struktury. Dopuszczalna zawarto fosforu i siarki jest w nich bardzo ograniczona i wynosi wg PN-74/H-84041 max 0,027% P i max 0,020% S. Ponadto w stalach tych kontroluje si cile stopie zanieczyszczenia wtrceniami niemetalicznymi, pasmowo uoenia wglików (segregacj) oraz przeprowadza inne szczegóowe badania mikroskopowe i makroskopowe.
W kraju stosuje si dwa gatunki stali oyskowych (PN-74/H-84041): H15 (1,0% C, 0,3% Mn, 0,25% Si, 1,50% Cr), H15SG (1,0% C, 1,1% Mn, 0,55% Si, 1,5% Cr).
Stal H15SG ze wzgldu na wysz zawarto manganu i krzemu ma wiksz hartowno i jest stosowana do wyrobu piercieni oyskowych o wikszej gruboci (powyej 30 mm).
26
Obróbka cieplna stali oyskowych polega na hartowaniu w oleju od temperatur 815 ÷ 860°C (zalenie od gruboci wyrobu) i niskim odpuszczaniu w temperaturze ok. 160°C. Po obróbce cieplnej stal powinna mie twardo co najmniej 61HRC. Struktura stali oyskowych w stanie obrobionym cieplnie skada si z drobnoziarnistego odpuszczonego martenzytu i drobnych wtrce równomiernie rozoonych wglików chromu (rys. 5.9).
Rysunek 5.9. Mikrostruktura stali oyskowej H15 po hartowaniu i niskim odpuszczaniu.
Trawienie 3% nitalem Powikszenie 630x
Na oyska toczne pracujce w rodowiskach powodujcych korozj stosuje si najczciej stal H18 zawierajc ok. 1% C i 18% Cr. Dua zawarto chromu w tej stali jest niezbdna, by nada jej znaczn odporno na korozj. Obróbka cieplna tej stali polega na hartowaniu w oleju od temperatury 1050°C, obróbce podzerowej w 70°C i odpuszczaniu w temp. ok. 160°C. Twardo stali po takiej obróbce wynosi 60 ÷ 61 HRC.
5.5. Stale narzdziowe stopowe
Zalenie od warunków pracy, od stali narzdziowych wymaga si wysokie twardoci i hartownoci, odpornoci na cieranie, odpowiedniej wytrzymao i cigliwoci (zwaszcza w przypadku obcie udarowych), odpornoci na odpuszczajce dziaanie ciepa oraz twardoci i wytrzymaoci w podwyszonych temperaturach. Wasnoci te w decydujcej mierze zale od skadu chemicznego tych stali rodzaju i iloci dodatków stopowych), a take od przeróbki plastycznej i obróbki cieplnej, które w istotny sposób wpywaj na struktur i wasnoci stali.
Twardo stali zahartowanej zaley przede wszystkim od zawartoci wgla, przy czym maksymaln twardo ok. 66 HRC osiga martenzyt przy zawartoci wgla ok. 0,8%. Pierwiastki stopowe nie powikszaj twardoci w sposób istotny, ale gównie zwikszaj hartowno i tworz twarde wgliki odporne na cieranie.
Wiksza hartowno jest wymagana w odniesieniu do stali narzdziowych, szczególnie w tych przypadkach, gdy podczas pracy narzdzia wystpuj znaczne naciski. Wówczas warstwa zahartowana na martenzyt musi by odpowiednio grubsza i potrzebna jest wiksza wytrzymao rdzenia. Osiga si to przez stosowanie stali narzdziowych stopowych. Przy bardzo duych naciskach konieczne jest stosowanie stali hartujcych si na wskro. Narzdzia wykonane ze stali stopowych hartuje si w oleju. agodniejsze chodzenie (w porównaniu ze stalami narzdziowymi wglowymi, które hartuje si w wodzie) zmniejsza niebezpieczestwo pkni i odksztace, co jest bardzo istotne w przypadku narzdzi o zoonych ksztatach.
Wysoka odporno na cieranie narzdzi, zwaszcza stosowanych do obróbki w produkcji seryjnej lub jako narzdzia pomiarowe, staje si parametrem decydujcym. Odporno na cieranie stali narzdziowych osiga si przez zwikszenie iloci twardych wglików stopowych w strukturze zahartowanej stali, a zwaszcza wglików chromu (typu M23C6) i wolframu (M6C). Klasyfikacja stali narzdziowych stopowych opiera si gównie na ich zastosowaniu. W szczególnoci mona wyróni nastpujce grupy objte normami: - stale narzdziowe stopowe do pracy na zimno (PN-86/H-85023), - stale narzdziowe stopowe do pracy na gorco (PN-86/H-85021), - stale szybkotnce (PN-86/H-85022).
27
Przyjty przez polskie normy sposób oznaczania stali narzdziowych stopowych róni si od oznacze
stali stopowych konstrukcyjnych. Znak stali skada si z liter liczb, przy czym pierwsza litera oznacza zawsze grup stali narzdziowych: N — stale narzdziowe stopowe do pracy na zimno, W — stale narzdziowe stopowe do pracy na gorco, S — stale szybkotnce. Nastpna litera lub kilka liter okrelaj skadniki stopowe lub grup skadników, przy czym symbolika jest tu nieco inna ni w przypadku stali konstrukcyjnych specjalnych, a mianowicie: M - mangan, W - wolfram,
S - krzem, K - kobalt, C - chrom, B - bor, N - nikiel, P - chrom + nikiel + wanad, L - molibden, Z - krzem + chrom + wolfram. V - wanad, Liczba znajdujca si na kocu lub w rodku znaku suy do odrónienia poszczególnych gatunków
stali zawierajcych te same skadniki stopowe. W stalach szybkotncych liczby te oznaczaj redni zawarto gównego skadnika stopowego w procentach.
5.5.1. Stale narzdziowe stopowe do pracy na zimno
Ze stali narzdziowych stopowych do pracy na zimno wykonuje si narzdzia suce do obróbki materiaów w temperaturze otoczenia. Stale te w porównaniu ze stalami narzdziowymi wglowymi maj wiksz hartowno, wysz wytrzymao i cigliwo oraz lepsz odporno na cieranie.
Polska Norma PN-86/H-85023 obejmuje 18 gatunków stali narzdziowych stopowych do pracy na zimno:
NV (V 0,22) NW1 (W 1,25) NWV (Mn 1,9, V 0,15) NZ2 (Si 0,95, Cr 1,05, W 1,85, V 0,22) NCV1 (Cr 0.55, V 0,22) NZ3 (Si 0,95, Cr 1,05, W 1,85, V 0,22) NCMS (Cr 1,45, Mn 1,1) NW1 (W 1,25) NC5 (Cr 0,55) NWC (W 1,4, Cr 1,05) NC6 (Cr 1,45, V 0,20) NPW (Cr 1,35, Ni 3, V 0,5) NC4 (Cr 1,45) NMWV (Mn 1,2, W 0,6, V 0,2) NC10 (Cr 12, C 1,65) NCLV (CR 5, V 0,4, Mo 1,0) NC11 (Cr 12, C 1,95) NW9 (Cr 4,3, W 9, V 2). NC11LV (Cr 11, Mo 0,85, V 0,75) Obok znaku stali w nawiasie podano redni zawarto pierwiastków stopowych w procentach (liczby
za symbolami pierwiastków).
Gatunki NZ2, NZ3 i NPW s stalami redniowglowymi o zawartoci 0,40 ÷ 0,55% C. Pozostae gatunki s stalami wysokowglowymi zawierajcymi 0,75 ÷ 2,10% C. Stale redniowglowe znalazy zastosowanie na narzdzia, od których wymagana jest wiksza plastyczno i odporno na obcienia dynamiczne, jak np. matryce, stemple, toczniki, rolki do prasowania, wybij aki itp. Stale wysokowglowe stosowane s gównie do wyrobu narzdzi skrawajcych.
Podstawowymi dodatkami stopowymi w stalach narzdziowych do pracy na zimno s: Cr, W, V oraz w stali NPW - Ni. Dodatki te nadaj stali du hartowno i drobnoziarnist struktur, zapewniaj wysokie wasnoci wytrzymaociowe, a w szczególnoci wysok odporno na cieranie wskutek tworzenia si wglików stopowych o duej twardoci i dyspersji. Wgliki te nie ulegaj cakowitemu rozpuszczeniu w czasie nagrzewania do hartowania, dziki czemu przeciwdziaaj rozrostowi ziarn austenitu, zapewniajc tym samym drobnoziarnisto stali.
Zalenie od gatunku stale hartuje si w wodzie lub oleju z temperatur) 780 ÷ 1020°C, a stale wysokochromowe (NC10, NC11 i NC11LV) z temperatur) 970 ÷ 1020°C. Po hartowaniu stosuje si w zasadzie niskie odpuszczanie w temperaturze 150 ÷ 350°C. Stale wysokochromowe odpuszcza si w nieco wyszych temperaturach w zakresie 220 ÷ 450°C. Stal NW9 hartuje si z temperatury 1200°C i odpuszcza w temperaturze 500 ÷ 560°C.
28
Twardo stali wysokowglowych w stanie zahartowanym wynosi 60 ÷ 68 HRC, natomiast stale
redniowglowe maj po hartowaniu twardo 50 ÷ 57 HRC. Naley podkreli, e wasnoci stali narzdziowych stopowych po hartowaniu i odpuszczaniu zale
w duej mierze od temperatury austenityzowania, z któr cile wie si stopie nasycenia roztworu staego (austenitu) dodatkami stopowymi i póniejsze wydzielanie si wglików wtórnych podczas odpuszczania.
5.5.2. Stale narzdziowe stopowe do pracy na gorco
Ze stali narzdziowych do pracy na gorco wytwarza si narzdzia suce do przeróbki plastycznej materiaów uprzednio nagrzanych do wysokich temperatur oraz formy do odlewania metali pod cinieniem. W stanie nagrzanym przerabiane metale s plastyczne, wic stale narzdziowe do pracy na gorco nie musz mie tak duej twardoci w temperaturze otoczenia jak stale do pracy na zimno. Wymagania stawiane stalom do pracy na gorco to przede wszystkim wysoka wytrzymao i twardo przy wyszych temperaturach, wysoka udarno, stabilno struktury, odpowiednio wysoka hartowno oraz moliwie maa skonno do zmczenia cieplnego i pkni ogniowych. Odporno na cieranie i erozj, któr powoduje odksztacony plastycznie metal, jest równie wan cech, ale gówn przyczyn zuywania si narzdzi s pknicia ogniowe.
Odpowiednie wasnoci osiga si przez stosowanie stali o stosunkowo niskiej zawartoci wgla 0,25 ÷ 0,60%, zawierajcych jako podstawowe dodatki stopowe wolfram, molibden, wanad i chrom, a take czasem krzem i nikiel. Wolfram, molibden i wanad s pierwiastkami silnie wglikotwórczymi, które po rozpuszczeniu podczas austenityzacji i po zahartowaniu daj podczas odpuszczania twardo wtórn lub znacznie hamuj spadek twardoci stali. Chrom silnie zwiksza hartowno, a przy wyszych zawartociach równie odporno na utlenianie.
Polska Norma PN-86/H-85021 obejmuje 12 gatunków stali narzdziowych stopowych do pracy na gorco, a mianowicie:
WNLV (Cr 1,2, Ni 1,75, Mo 0,6, V 0,1), WLV (Cr 3,0, Mo 2,75, V 0,55), WLK (Cr 2,75, Mo 2,75, V 0,5, Co 3,0), WCLV (Cr 5,25, Mo 1,35, V 1,0), WCL (Cr 5,0, Mo 1,35, V 0,4), WLB (Cr 2,4, Mo 0,4, B 0,003), WNLB (Cr 1,1, Mo 0,3, B 0,003, Ti 0,03, A1 0,03), WNL (Cr 0,7, Ni 1,6, Mo 0,22), WNL1 (jak WNL + V 0,1), WWS1 (Cr 2,5, V 0,5, W 4,5, Si 1,0), WWV (Cr 2,7, W 9,0, V 0,3),
WWN1 (jak WWV + Ni 1,4). Obok znaku stali w nawiasach podano redni zawarto dodatków stopowych liczby za symbolami
pierwiastków). Zawarto wgla w tych stalach wynosi rednio 0,3 ÷ 0,6%. Obróbka cieplna stali do pracy na gorco polega na hartowaniu w oleju lub na powietrzu
z temperatury w zakresie 840 ÷ 1160°C (zalenie od gatunku stali) i nastpnym odpuszczaniu w zakresie 400 ÷ 600°C, tj. w temperaturach wyszych ni stali do pracy na zimno. Zapewnia to dobr udarno, niezbdn ze wzgldu na charakter pracy oraz twardo min 43 ÷ 50 HRC. Temperatura odpuszczania stali powinna by wysza od temperatury pracy, aby zapewni stabilno struktury i wasnoci.
Ze wzgldu na zastosowanie, stale do pracy na gorco mona podzieli na trzy grupy. Do pierwszej nale stale, z których wykonuje si matryce do pras i formy dla odlewów pod cinieniem. Wspóln cech tych zastosowa jest stosunkowo dugi kontakt gorcego materiau z narzdziem i zwizane z tym silniejsze nagrzewanie si powierzchni pracujcej. S to stale wolframowe (WWS1, WWV) i chromowo-molibdenowa (WCL). Zawarto wgla w tych stalach jest stosunkowo niska (0,3 ÷ 0,4%), co zapewnia cigliwo. Temperatura austenityzowania tych stali jest wysoka (950 ÷ 1120°C) ze wzgldu na konieczno rozpuszczania wglików zawierajcych W, Mo, V, Cr.
Drug grup stanowi stale uywane przede wszystkim na matryce kuzienne i kowada do motów
29
(WNL, WNLV). Matryce maj stosunkowo krótki kontakt z gorc odkuwk, natomiast w czasie pracy wystpuj due naciski i uderzenia zwizane z kuciem, co wymaga materiau twardego, ale równoczenie bardzo cigliwego. W stalach tych bardzo wana jest hartowno, poniewa wymiary matryc czsto s znaczne.
Do trzeciej grupy zalicza si stale uywane na walce do walcowania na gorco oraz na wkadki matrycowe do pras i kuniarek, oraz stemple do wyciskania i spczania wyrobów ze stopów miedzi i aluminium.
5.5.3. Stale szybkotnce
Nazwa „stale szybkotnce" pochodzi std, e su one do wyrobu narzdzi skrawajcych, pracujcych przy duych prdkociach skrawania lub przy duych przekrojach wióra. Praca w takich warunkach jest przyczyn bardzo silnego rozgrzewania si narzdzia, nawet do temperatury czerwonego aru, wskutek tarcia o skrawany materia. Stale wglowe i niskostopowe w tych warunkach szybko trac twardo, a narzdzia tpi si, natomiast stale szybkotnce zachowuj wysok twardo do znacznie wyszych temperatur (rys. 5.10). Wysok twardo „na gorco" oraz odporno na cieranie nadaje stalom szybkotncym twarda i nie miknca pod wpywem odpuszczania osnowa, w której rozmieszczone s twarde wgliki.
O 100 200 300 400 500 600 700 800 Temperatura, °C
Rysunek 5.10. Twardo na gorco rónych materiaów narzdziowych: l — stal narzdziowa wglowa, 2 — stal szybkotnca, 3 — wgliki spiekane
Podstawowymi skadnikami stopowymi stali szybkotncych s pierwiastki wglikotwórcze: wolfram, wanad, chrom i molibden. Stale o najlepszych wasnociach zawieraj równie znaczne dodatki kobaltu.
Skad chemiczny stali szybkotncych produkowanych w kraju, podany jest w tabl. 5.12 (wg PN-86/H-85022). Stale szybkotnce przyjto zalicza do tzw. stali ledeburytycznych, poniewa w stanie odlanym w ich strukturze wystpuje czciowo eutektyka, na skutek nie osigania stanu równowagi podczas krzepnicia. Po przekuciu i wyarzeniu struktura stali szybkotncych skada si z ferrytu stopowego i mniej lub wicej równomiernie rozmieszczonych wglików.
30
stali C Cr W Mo V Co hart. odp.
Twardo w stanie hartowania i odp-
szczania HRC, min
SW7M 0,87 4,0 6,5 5,0 2,0 - 1210 560 65
SW12 1,1 4,0 12,0 - 2,5 - 1190 560 64 SK5M 0,92 4,0 6,3 4,7 1,9 5,0 1200 560 65 SK8M 1,1 4,0 1,6 9,5 1,2 8,0 1190 560 66 SK5 1,1 4,0 12,0 - 2,3 5,0 1200 560 65
SK5V 1,38 4,0 12,8 1,0 4,5 5,5 1270 560 65
SK10V 1,22 4,0 10,0 3,3 3,0 10,0 1220 560 66
SW2M5 0,95 4,0 1,75 5,0 1,3 - 1160 560 64
SK5MC 1,1 4,0 7,0 4,0 1,9 5,0 1200 560 66
Obróbka cieplna narzdzi ze stali szybkotncych polega na hartowaniu i odpuszczaniu. Do hartowania stale nagrzewa si do wysokiej temperatury ok. 1160 ÷ 1270°C (tabl. 5.12), aby zapewni rozpuszczenie si dostatecznie duej iloci wgla i skadników stosowanych w austenicie, które tym samym, po hartowaniu zostan w martenzycie. Ze wzgldu na mae przewodnictwo cieplne oraz wysok temperatur hartowania, nagrzewanie stali szybkotncej przy hartowaniu prowadzi si stopniowo wg schematu przedstawionego na rys. 5.11.
Odpuszczanie po hartowaniu przeprowadza si w temperaturze ok. 560°C, przy czym zabieg ten powtarza si dwu- albo trzykrotnie (rys. 5.11); drugie i ewentualne trzecie odpuszczanie przeprowadza si w temperaturze niszej o 20 ÷ 30°C od pierwszego odpuszczania. Podczas odpuszczania zachodzi wydzielanie si wglików wtórnych z martenzytu oraz austenitu szcztkowego, który uboeje w dodatki stopowe i podczas studzenia od temperatury odpuszczania przemienia si w martenzyt.
Rysunek 5.11. Schemat obróbki cieplnej stali szybkotncej
W wyniku odpuszczania w temperaturze 550-570°C pojawia si w tych stalach efekt twardoci wtórnej, tj. wzrost twardoci na skutek wydzielania si z przesyconego roztworu metastabilnych wglików typu M3C i MC. Struktur o najkorzystniejszych wasnociach uytkowych, tzn. o wysokiej twardoci, bez austenitu szcztkowego i o odpowiedniej arowytrzymaoci i cigliwoci, uzyskuje si po wielokrotnym odpuszczaniu w cigu ok. 2 godzin (rys. 5.11). Struktura stali szybkotncej po hartowaniu i odpuszczaniu pokazana jest na rys. 5.12.
31
Trawienie 5% nitalem. Powikszenie 650x
5.6. Stale stopowe odporne na korozj, aroodporne, arowytrzymae i o specjalnych wasnociach fizycznych
5.6.1. Stale odporne na korozj (nierdzewne i kwasoodporne)
Odporno stali nierdzewnych na korozj zwizana jest przede wszystkim z dziaaniem chromu, który powiksza zdolno tzw. pasywacji stopów elaza. Przejcie w stan pasywny zaznacza si skokow zmian potencjau elektrochemiczego metalu lub stopu na bardziej dodatni (rys. 5.13).
Rysunek 5.13. Potencja elektrochemiczny stopów elaza z chromem
Zjawisko pasywowania si metali polega na pokrywaniu si ich powierzchni bardzo cienk, szczelnie przylegajc i odporn warstewk tlenków, która chroni metal przed korozj.
Pasywacja jest zjawiskiem zalenym od skadu chemicznego stopu i od zdolnoci utleniania jak maj róne rodowiska. elazo i mikka stal pasywuj si np. w stonym kwasie azotowym i w roztworach zwizków silnie utleniajcych. Pasywacja elaza jest jednak bardzo nietrwaa. Natomiast niektóre metale o wikszym powinowactwie do tlenu pasywuj si atwiej, a ich stan pasywny jest znacznie trwalszy. Do takich metali naley chrom, którego odporno na korozj zwizana jest wanie z atwoci pasywowania si. Chrom ma t wasno, e przenosi skonno do pasywacji równie na stopy z innymi metalami. Stopy elaza z chromem przy zawartoci powyej 13 ÷14% Cr pasywuj si pod wpywem tlenu zawartego w powietrzu, co zapewnia im odporno chemiczn.
Podstawowym skadnikiem wszystkich stali nierdzewnych jest wic chrom, przy czym jego zawarto winna wynosi co najmniej 12% (rys. 5.13). Oprócz chromu w skad stali odpornych na korozj czsto wchodzi nikiel jako drugi skadnik podstawowy. Na podstawie skadu chemicznego mona najogólniej podzieli stale odporne na korozj na: chromowe i chromowo-niklowe. Jednak czciej stosuje si klasyfikacj tych stali wedug struktury i rozrónia si stale ferrytyczne, martenzytyczne i austenityczne.
32
Stale chromowe ferrytyczne i martenzytyczne (nierdzewne).
Stale chromowe odporne na korozj, zalenie od zawartoci chromu i wgla, mog by ferrytyczne lub martenzytyczne.
W przypadku stali martenzytycznych wystpuje w czasie nagrzewania cakowita przemiana ferrytu w austenit, dziki czemu moliwe jest hartowanie i powstawanie struktury martenzytycznej. Stale te hartuj si ju w czasie chodzenia na powietrzu i wanie z tego powodu nazywane s martenzytycznymi.
W przypadku stali ferrytycznych, ferryt jest faz trwa od temperatury pokojowej a do temperatury topnienia i przemiany fazowe nie zachodz. Z tego wzgldy stali ferrytycznych nie mona utwardza przez obróbk ciepln (hartowanie).
W tablicy 5.13 podano skad chemiczny czciej stosowanych stali ferrytycznych i martenzytycznych (wg PN-71/H-86020). W stalach ferrytycznych (w temperaturze otoczenia) ferryt stanowi osnow, ale oprócz niego wystpuj równie czsto niewielkie iloci wglików, które rozpuszczajc si w wyszych temperaturach powoduj tworzenie si pewnej iloci austenitu, a szybkie chodzenie moe spowodowa przemian tego austenitu w martenzyt.
Mikrostruktura stali ferrytycznej 0H13 z niewielk iloci wglików widoczna jest na rys. 5.14. Taki sam wpyw maj równie azot i nikiel, których mae iloci zawsze spotyka si w tych stalach. Martenzyt, który powstaje po szybkim chodzeniu od wysokiej temperatury, np. podczas spawania, jest przyczyn kruchoci i pkni w strefie wpywu cieplnego spoiny.
Tym niepodanym zjawiskom przeciwdziaa dodatek tytanu w iloci wystarczajcej do zwizania wgla i azotu, jak to ma miejsce np. w stali 0H17T (tabl. 5.13), albo dodatek pierwiastka stabilizujcego ferryt, jakim jest aluminium, np. w stali 0H13J (tabl. 5.13).
Tablica 5.13 Stale chromowe odporne na korozj: ferrytyczne i martenzytyczne (wg PN-71/H-08620)
rednia zawarto;, %* rednia temp, °C
Znak stali C Cr inne
skadn. hartów. odp.
Struktura po
obróbce cieplnej
Stale ferrytyczne
OH13 0,08 max 13,0 AI0.2 1025 750 ferryt OH13J 0,08 max 13,0 Ti5XC ferryt
H17 0,10 max 17,0 ferryt OH17T 0,08 max 17,0 ferryt
Stale martenzytyczne
1H13 0,12 0,20 13,0 - 1000 750 ferryt i perlit 2H13 13,0 1020 720 sorbit 3H13 0,30 13,0 980 250 martenzyt
350 sorbit 650
4H13 0,40 13,0 - 1030 150 martenzyt 250 sorbit 600
H18 1,0 0,14 18,0 Ni 2,0 1020 250 310 700 martenzyt H17N2 0,20 17,0 Ni 2,0 1000 sorbit i ferryt 2H17N2 17,0 1080 sorbit
Zawarto Pmax < 0,040, Smax < 0,030.
33
Na rysunku 5.15 pokazana jest mikrostruktura stali ferrytycznej 0H17T, z wyranie widocznymi wglikami i azotkami tytanu.
Najwiksz odporno na

5. Klasyfikacja stali1 - Metal Best

Documents

Transcript of 5. Klasyfikacja stali1 - Metal Best