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;
MATERIA UZUPENIAJCY DO WYKADU - MATERIAOZNAWSTWO – WBiI, sem.
02
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.
MATERIA UZUPENIAJCY DO WYKADU - MATERIAOZNAWSTWO – WBiI, sem.
02
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.
MATERIA UZUPENIAJCY DO WYKADU - MATERIAOZNAWSTWO – WBiI, sem.
02
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
MATERIA UZUPENIAJCY DO WYKADU - MATERIAOZNAWSTWO – WBiI, sem.
02
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
MATERIA UZUPENIAJCY DO WYKADU - MATERIAOZNAWSTWO – WBiI, sem.
02
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.
MATERIA UZUPENIAJCY DO WYKADU - MATERIAOZNAWSTWO – WBiI, sem.
02
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).
MATERIA UZUPENIAJCY DO WYKADU - MATERIAOZNAWSTWO – WBiI, sem.
02
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
MATERIA UZUPENIAJCY DO WYKADU - MATERIAOZNAWSTWO – WBiI, sem.
02
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);
MATERIA UZUPENIAJCY DO WYKADU - MATERIAOZNAWSTWO – WBiI, sem.
02
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.
MATERIA UZUPENIAJCY DO WYKADU - MATERIAOZNAWSTWO – WBiI, sem.
02
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
MATERIA UZUPENIAJCY DO WYKADU - MATERIAOZNAWSTWO – WBiI, sem.
02
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
MATERIA UZUPENIAJCY DO WYKADU - MATERIAOZNAWSTWO – WBiI, sem.
02
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
MATERIA UZUPENIAJCY DO WYKADU - MATERIAOZNAWSTWO – WBiI, sem.
02
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.
MATERIA UZUPENIAJCY DO WYKADU - MATERIAOZNAWSTWO – WBiI, sem.
02
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:
MATERIA UZUPENIAJCY DO WYKADU - MATERIAOZNAWSTWO – WBiI, sem.
02
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).
MATERIA UZUPENIAJCY DO WYKADU - MATERIAOZNAWSTWO – WBiI, sem.
02
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
MATERIA UZUPENIAJCY DO WYKADU - MATERIAOZNAWSTWO – WBiI, sem.
02
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.
MATERIA UZUPENIAJCY DO WYKADU - MATERIAOZNAWSTWO – WBiI, sem.
02
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
MATERIA UZUPENIAJCY DO WYKADU - MATERIAOZNAWSTWO – WBiI, sem.
02
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
MATERIA UZUPENIAJCY DO WYKADU - MATERIAOZNAWSTWO – WBiI, sem.
02
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.
MATERIA UZUPENIAJCY DO WYKADU - MATERIAOZNAWSTWO – WBiI, sem.
02
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.
MATERIA UZUPENIAJCY DO WYKADU - MATERIAOZNAWSTWO – WBiI, sem.
02
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).
MATERIA UZUPENIAJCY DO WYKADU - MATERIAOZNAWSTWO – WBiI, sem.
02
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).
MATERIA UZUPENIAJCY DO WYKADU - MATERIAOZNAWSTWO – WBiI, sem.
02
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 wysoko- wglowe 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.
MATERIA UZUPENIAJCY DO WYKADU - MATERIAOZNAWSTWO – WBiI, sem.
02
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
MATERIA UZUPENIAJCY DO WYKADU - MATERIAOZNAWSTWO – WBiI, sem.
02
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.
MATERIA UZUPENIAJCY DO WYKADU - MATERIAOZNAWSTWO – WBiI, sem.
02
30
stali C Cr W Mo V Co hart. odp.
Twardo w stanie harto- wania 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.
MATERIA UZUPENIAJCY DO WYKADU - MATERIAOZNAWSTWO – WBiI, sem.
02
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.
MATERIA UZUPENIAJCY DO WYKADU - MATERIAOZNAWSTWO – WBiI, sem.
02
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.
MATERIA UZUPENIAJCY DO WYKADU - MATERIAOZNAWSTWO – WBiI, sem.
02
33
Na rysunku 5.15 pokazana jest mikrostruktura stali ferrytycznej
0H17T, z wyranie widocznymi wglikami i azotkami tytanu.
Najwiksz odporno na