STOPY ŻELAZACz. I. Stale niestopowe konstrukcyjne i o szczególnych właściwościach, staliwa

i żeliwa niestopowe

STALE

Stal – stop żelaza z węglem i innymi dodatkami stopowymi, zawierający do ok. 2 % węgla, otrzymany w procesach stalowniczych, przeznaczony na półwyroby i wyroby przerabiane plastycznie.Stal niestopowa (węglowa) – stal, która nie zawiera specjalnie wprowadzonych pierwiastków, jedynie węgiel i ograniczoną ilośćpierwiastków – domieszek i zanieczyszczeń.• domieszki: np. Mn (max.~0,8%) i Si (max.~0,3 %), pochodzące głównie z procesu metalurgicznego• zanieczyszczenia: np. S (max.~0,05%), i P (max.~0,05%), pochodzące z rudStal stopowa – stal zawierająca dodatkowe pierwiastki, tzw. stopowe, wprowadzone w celu zmiany właściwości w określonym kierunku.

Przykładowe kryteria klasyfikacji stali

1. Skład chemiczny:• stale niestopowe• stale stopowe

2. Podstawowe zastosowanie:

• stale konstrukcyjne• stale narzędziowe

• stale o szczególnych właściwościach

3. Jakość (stopień czystości metalurgicznej), określona maksymalną zawartością siarki i fosforu:

• stale zwykłej jakości (0,05 %)• stale wyższej jakości (0,04 %)• stale o określonym przeznaczeniu, w których dopuszczalne

zawartości zanieczyszczeń określają odpowiednie normy

STALE NIESTOPOWEZawartość węgla i związana z tym struktura wywierają zasadniczy wpływ na właściwości mechaniczne stali niestopowych (węglowych)

Wpływ węgla na strukturę stali niestopowej

% C

Wpływ węgla na właściwości mechaniczne stali niestopowej

Wpływ domieszek i zanieczyszczeń na właściwości staliMangan rozpuszcza się w ferrycie oraz tworzy siarczek MnS o wyższej temperaturze topnienia niż FeS. Utworzenie MnSzmniejsza prawdopodobieństwo nadtopień stali podczas obróbki plastycznej na gorąco i obróbki cieplnej. Sprzyja jednak niekorzystnemu rozrostowi ziaren stali.

Krzem rozpuszcza się w ferrycie oraz tworzy tlenki SiO2, co jest korzystne, gdyż obniża stężenie tlenu we wlewkach

Siarka i fosfor wpływają niekorzystnie na właściwości stali. Siarka jest powodem kruchości na gorąco – w wyniku nadtopieńwtrąceń siarczkowych. Fosfor rozpuszcza się w ferrycie i powoduje wzrost temperatury przejścia stali w stan kruchy (spadek udarności w niskich temperaturach).

Wtrącenia niemetaliczneW stali występuje szereg wtrąceń niemetalicznych, stanowiących nieciągłości w osnowie, wpływających niekorzystnie na właściwości mechaniczne stali. Szczególnie niekorzystne są duże, wydłużone wtrącenia, nierównomiernie rozmieszczone.

Rodzaje wtrąceń niemetalicznych:

• endogeniczne – siarczki, tlenki, krzemiany, które powstają w ciekłej stali podczas procesu stalowniczego

•egzogeniczne – cząstki materiałów ogniotrwałych stanowiących wyłożenie pieca, rynien spustowych, kadzi

Stale niestopowe konstrukcyjne

1. Ogólnego przeznaczenia: dostarczane w postaci kęsów, prętów, kształtowników, odkuwek, blach, stosowane na mało odpowiedzialne konstrukcje, nie podlegają obróbce cieplnej. Mogą być produkowane jako np. spawalne, o wymaganej udarności, o zwiększonej odporności na korozjęatmosferyczną (C=0,20-0,60%, S, P= 0,035- 0,050 % max.Re=200-400 N/mm2, Rm=300-800 N/m2, A=10-20%).

2. Do normalizowania, ulepszania cieplnego, hartowania powierzchniowego: przeznaczone do produkcji elementów maszyn (C=0,25-0,65%, S, P= 0,020- 0,040 % max., Re min. 300-600 N/mm2, Rm=500-1000 N/mm2, A=10-20% po ulepszaniu cieplnym).

3. Do nawęglania: przeznaczone do produkcji elementów maszyn (C=0,1-0,2 %).

4. O określonym przeznaczeniu: druty patentowane, druty na sprężyny, łańcuchy techniczne i okrętowe, pręty do zbrojenia betonu, budowa mostów, dla górnictwa, kolejnictwa, do pracy w podwyższonej temperaturze.

Stale niestopowe o szczególnych właściwościach

• Stale przeznaczone na magnetycznie czynne elementy urządzeń elektrotechnicznych i elektronicznych magnetycznie miękkie. Są to stale niskowęglowe z ograniczoną zawartością S i P (0,01-0,02 %), odznaczające się małą koercją i dużąprzenikalnością magnetyczną.

•Stale automatowe, z których wytwarza się mało obciążone drobne elementy (śruby, nakrętki, sworznie), stosując obróbkęskrawaniem na szybkobieżnych obrabiarkach i automatach (C=0,1-0,4%, P=0,04-0,8%, S=0,15-0,35 %). Wysoka zawartość P i S powoduje, że powstający w czasie skrawania wiór jest kruchy i łatwo usuwalny (dobra skrawalność).

STALIWA NIESTOPOWE

Staliwo niestopowe – cieplnie obrabialny stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami pochodzącymi z przerobu hutniczego, przeznaczonych do wykonywania elementów maszyn i urządzeńna drodze odlewania, o masie od kilku kg do kilkuset ton.Teoretycznie, może zawierać do 2% węgla, w praktyce zawiera ~ 0,1- 0,6 % C.

Staliwo niestopowe dzieli się na gatunki różniące sięwytrzymałością na rozciąganie (400 – 650 N/mm2).

Szybko chłodzone staliwo posiada strukturę Widmanstättena, co skutkuje niższą udarnością tego materiału w porównaniu do stali o tej samej zawartości węgla. Taką wadę można usunąć stosując odpowiednią obróbkę cieplną.

Zalety w stosunku do innych materiałów odlewniczych: dobre właściwości mechaniczne, dobra spawalność i skrawalność, wady: większy skurcz, wyższa temperatura topnienia.

50 µmb)a)

Struktura Widmanstättena w staliwie (a), ziarnista struktura stali o podobnej zawartości węgla (b). Białe ziarna – ferryt, ciemne ziarna – perlit. Zgład trawiony 4% HNO3, mikroskop świetlny

ŻELIWA NIESTOPOWE

Żeliwo – stop żelaza z węglem, zawierający 2,5-4,5% C i inne pierwiastki (Si, Mn, P, S), przeznaczony do wykonywania części maszyn, urządzeń przemysłowych i wyrobów codziennego użytku na drodze odlewania.

Zależnie od postaci węgla wyróżnia się żeliwa:

• białe (jasny przełom), w których węgiel występuje w postaci cementytu; mają one ograniczone zastosowanie

• szare - z grafitem (szary przełom), w których węgiel występuje głównie jako grafit i częściowo związanej jako cementyt w perlicie; mają one szerokie zastosowanie. Ze względu na kształt wydzieleńgrafitu wyróżnia się żeliwo z grafitem płatkowym, sferoidalne i ciągliwe

• Połowiczne (pstre) – węgiel w postaci cementytu i grafitu

% C

Układ Fe-C: układ żelazo-cementyt (linia ciągła), układ żelazo-grafit (linia przerywana

Zmiana energii swobodnej ciekłego stopu (FL) i mieszaniny austenit + cementyt (FA+C) oraz mieszaniny austenit + grafit (FA+G) ze zmianą temperatury

Żeliwo szare krzepnące bez regulowania procesu krystalizacjizawiera duże płatki grafitu, których obecność wpływa ujemnie na właściwości mechaniczne (Rm<250 N/mm2).

Żeliwo modyfikowane: W celu podwyższenia właściwości wytrzymałościowych, przeprowadza się proces modyfikacji żeliw. Modyfikacja polega na wprowadzeniu do ciekłego stopu modyfikatora (np. Fe-Si, Ca-Si) w ilości do 0,5% masy stopu. Modyfikator powoduje zwiększenie ilości zarodków krystalizacji, a tym samym rozdrobnienie płatków grafitu, oraz uzyskanie struktury perlitu w osnowie metalicznej. Te dwa czynniki sąpowodem wyższej wytrzymałości żeliw modyfikowanych (Rm>300 N/mm2).

Żeliwo sferoidalne: W celu podwyższenia właściwości wytrzymałościowych i plastycznych, do ciekłego stopu dodaje sięmodyfikator oraz niewielkie ilości substancji (Cr, Mg, Mg-Ni), które zmieniają napięcie powierzchniowe i powodują utworzenie wydzieleń grafitu w postaci sferoidalnej.

Żeliwo ciągliwe – otrzymywane z żeliwa białego w wyniku wyżarzania grafityzującego. W czasie obróbki cieplnej cementyt ulega rozkładowi z wydzieleniem węgla żarzenia w postaci kłaczkowatych skupień.

Proces wyżarzania żeliwa przebiega w zakresie temperatur ~1000-700ºC w czasie ~ 100 godzin. Zależnie od przebiegu cyklu wyżarzania i atmosfery procesu, otrzymuje się żeliwo o osnowie ferrytycznej, ferrytyczno-perlitycznej, perlityczno-ferrytycznej lub perlitycznej, o strukturze jednolitej na przekroju elementu (atmosfera obojętna), lub o zmniejszonej zawartości węgla przy powierzchni odlewu (atmosfera utleniająca).

Kłaczkowa postać grafitu wpływa korzystnie na właściwości mechaniczne żeliwa.

Właściwości mechaniczne żeliw z grafitem w zależności od osnowy metalicznej i postaci grafitu

Z grafitem płatkowym

Korzystne właściwości technologiczne żeliw, wynikające z obecności grafitu: • mała wrażliwość na karby zewnętrzne, np. zmianę przekroju elementu konstrukcji, z uwagi na liczne karby wewnętrzne •mały skurcz odlewniczy•dobra skrawalność•dobre właściwości ślizgowe•duża zdolność tłumienia drgań•dobra wytrzymałość zmęczeniowa

Typowe zastosowania żeliwRodzaj żeliwa ZastosowanieBiałe Odlewy odporne na ścieranie, nie wymagające większej

obróbki skrawaniem: wykładziny i ślimaki mieszalników i przenośników materiałów sypkich,kule młynów kulowych, klocki hamulcowe

Szare z grafitem płatkowym

Masowo produkowane odlewy nie przenoszące obciążeń(ruszty, płyty i drzwi pieców, grzejniki, wanny, zlewy), odlewy części maszyn, wlewnice, cylindry samochodowe, tłoki

Sferoidalne Części samochodowe (wałki rozrządu, korbowody, wały korbowe, części układu kierowniczego), koła zębate i wrzeciona obrabiarek, części armatury przemysłowej, walce hutnicze

Osnowa ferrytyczna

Odlewy nie wymagające większej wytrzymałości, a przy tym tanie: części maszyn rolniczych,maszyn do szycia, artykułów gospodarstwa domowego

Ciągli-we

Osnowa perlityczna

Odlewy silniej obciążone: wałki rozrządu, wały korbowe, krzywki, koła zębate, klucze maszynowe, podstawy dział