Klasyfikacja stali - Notatki - Materiałoznastwo - Część 2, Notatki'z Materiałoznastwo. Warsaw University of Technology
mellow_99
mellow_9914 March 2013

Klasyfikacja stali - Notatki - Materiałoznastwo - Część 2, Notatki'z Materiałoznastwo. Warsaw University of Technology

PDF (2.0 MB)
47 strona
938Liczba odwiedzin
Opis
W notatkach omawiane zostają zagadnienia z materiałoznastwa: klasyfikacja stali.
20punkty
Punkty pobierania niezbędne do pobrania
tego dokumentu
Pobierz dokument
Podgląd3 strony / 47
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
materialoznawstwo-_skrypt cz3.pdf

101 JW

7.2.2. Domieszki zwyk e w stali

Za domieszki zwyk e stali uwa!a si" mangan, krzem, fosfor, siark" oraz wodór, azot i tlen, poniewa! te pierwiastki wyst"puj# zawsze w mniejszej lub wi"kszej ilo$ci w przemys owych gatunkach stali. Zawarto$% tych pierwiastków w stalach w"glowych nie przekracza zwykle nast"puj#cych 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 wyj#tkiem stali automatowych), S do 0,05% (z wyj#tkiem stali automatowych).

Mangan wprowadza si" do wszystkich stali w procesie stalowniczym w celu ich odtlenienia, tj. usuni"cia szkodliwego tlenku !elazawego lub zwi#zania siarki w MnS, przez co zapobiega si" powstaniu FeS powoduj#cemu powstanie krucho$ci stali na gor#co. W ilo$ciach (1,0 ÷ 1,5)% Mn rozpuszczaj#c si" zarówno w ferrycie, jak i w cementycie umacnia roztworowo stal, zmniejsza wielko$% ziarna ferrytu w wyrobach walcowanych na gor#co oraz zwi"ksza hartowno$%. Poniewa! jednak wszystkie stale w"glowe maj# zazwyczaj mniej wi"cej tak# sam# zawarto$% manganu, to jego wp yw na w asno$ci ró!nych gatunków tych stali jest jednakowy.

Krzem w ilo$ciach do 0,5% jest dodawany do stali podczas jej wytapiania w celu odtlenienia. W ilo$ciach (0,5 ÷ 1,0)% jest dodawany w celu umocnienia ferrytu. W wi"kszych ilo$ciach (0,5 ÷ 4,5)% powoduje zwi"kszenie oporu elektrycznego oraz zmniejszenie stratno$ci stali magnetycznie mi"kkich. Zwi"ksza równie! !aroodporno$% stali. Krzem stabilizuje bardzo mocno ferryt, dlatego stale zawieraj#ce wi"cej ni! 3% Si zachowuj# struktur" ferrytyczn# od temperatury otoczenia do temperatury solidusu.Wp yw krzemu, który rozpuszcza si" w ferrycie, jest podobny do wp ywu manganu.

Fosfor dostaje si" do stali z rud !elaza, które zawieraj# ró!ne jego ilo$ci. Podczas wytapiania stali fosfor zostaje z niej usuni"ty w mniejszym lub wi"kszym stopniu, zale!nie od rodzaju procesu stalowniczego. Fosfor rozpuszczony w ferrycie (graniczna rozpuszczalno$% w temperaturze pokojowej wynosi ok. 1,2%) zmniejsza bardzo znacznie jego plastyczno$% i podwy!sza temperatur", w której stal staje si" krucha, wywo uj#c tzw. krucho!" na zimno. Ten wp yw fosforu jest bardzo wyra&ny wówczas, gdy jego zawarto$% w stali jest wi"ksza ni! 0,1%. Jednak w stalach przeznaczonych na odpowiedzialne wyroby zawarto$% nawet 0,05% P jest niebezpieczna i nale!y jej unika%, poniewa! w czasie krystalizacji stali zachodzi silna segregacja fosforu, wskutek czego w pewnych miejscach zawarto$% fosforu b"dzie do$% znaczna i b"dzie powodowa% krucho$%.

W zale!no$ci od przeznaczenia stali ustala si" ostrzejsze wymagania dotycz#ce zawarto$ci fosforu (np. max 0,025%).

Nale!y zaznaczy%, !e w niektórych wyj#tkowych przypadkach zawarto$% fosforu w stali mo!e by% po!yteczna. Na przyk ad w stalach automatowych dodatek ok. 0,1% P polepsza skrawalno$%, za$ do ok. 0,35% - zwi"ksza odporno$% na $cieranie. Przy jednoczesnej zawarto$ci miedzi fosfor zwi"ksza 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 zawieraj#cych dwutlenek siarki (SO2). Siark" mo!na w znacznej mierze usun#% ze stali, je!eli stosuje si" podczas wytapiana zasadowy proces martenowski lub zasadowy proces elektryczny. W stalach wysokojako$ciowych zawarto$% siarki ogranicza si" zazwyczaj do 0,02 0,03%. W stali zwyk ej jako$ci dopuszcza si" wi"ksz# zawarto$% siarki (do 0,05%). Siarka nie rozpuszcza si" w !elazie, lecz tworzy siarczek !elazawy FeS, który jest sk adnikiem eutektyki Fe + FeS o temperaturze topnienia 985°C. Wyst"powanie w stalach tej atwo topliwej i kruchej eutektyki, rozmieszczonej przewa!nie a granicach ziarn, powoduje krucho$% stali nagrzanych do temperatury 800°C i powy!ej. Zjawisko to nosi nazw" krucho!ci na gor#co. Wskutek tej wady stal zawieraj#ca wi"kszy procent siarki nie nadaje si" do przeróbki plastycznej na gor#co. W stali pojawiaj# si" naderwania i p"kni"cia, m.in. dlatego, !e podczas

docsity.com

102 JW

nagrzewania poczynaj#c od temperatury 985°C, zachodzi nadtapianie otoczek z siarczku !elazawego wokó ziarn. Z tego powodu nale!y uwa!a% siark" za szkodliw# domieszk" stali. Dodatek manganu do stali zmniejsza szkodliwe dzia anie siarki, gdy! wówczas w ciek ej stali nast"puje reakcja, w wyniku której tworzy si" siarczek manganawy MnS. Siarczek ten topi si" w 1620°C, a wi"c w temperaturze o wiele wy!szej ni! temperatura przeróbki plastycznej na gor#co (800 1200°C). Siarczki w temperaturze przeróbki plastycznej na gor#co s# plastyczne i ulegaj# odkszta ceniu, tworz#c wyd u!one wtr#cenia. Pogarszaj# one wytrzyma o$% na zm"czenie i obci#!enia dynamiczne stali. Siarka pogarsza równie! spawalno$% stali. Natomiast siarka, podobnie jak fosfor, polepsza skrawalno$% stali i w ilo$ci 0,15-0,30% jest wprowadzana celowo do stali automatowych.

Wodór, azot i tlen wyst"puj# w stali w niedu!ych ilo$ciach, a ich zawarto$% zale!y w du!ym stopniu od sposobu wytapiania.

W stali b"d#cej w stanie sta ym, gazy mog# wyst"powa% w kilku postaciach: w stanie wolnym, skupiaj#c si" w ró!nych nieci#g o$ciach wewn#trz metalu najcz"$ciej tworz#c tzw. p"cherze); mog# by% rozpuszczone w !elazie; mog# tworzy% zwi#zki (azotki, tlenki) wyst"puj#ce w stali jako tzw. wtr#cenia niemetaliczne.

Wp yw wodoru na w asno$ci stali jest zdecydowanie ujemny. Rozpuszcza si" on stosunkowo atwo w !elazie i to w ca ym zakresie temperatury, szczególnie za$ przy przej$ciu fazy ! w " oraz w stanie ciek ym. Zmniejsza on w znacznym stopniu w asno$ci plastyczne i technologiczne stali oraz powoduje wyst"powanie wielu wad materia owych, jak np. tzw. p atków $nie!nych (tj. wewn"trznych p"kni"% o jasnej powierzchni), odw"glania, sk onno$ci do tworzenia p"cherzy przy trawieniu itp.

Azot powoduje zwi"kszenie wytrzyma o$ci i zmniejszenie plastyczno$ci stali, co objawia% si" mo!e jako tzw. krucho ! na niebiesko. Niekorzystne dzia anie azotu przejawia si" tak!e zwi"kszeniem sk onno$ci stali do starzenia, powodowanym wydzielaniem si" azotków z przesyconego roztworu. Zjawisko to jest szczególnie niekorzystne w stalach w stanie

zgniecionym, gdy! wówczas wyst"puje ju! w temperaturze otoczenia. W niektórych stalach stopowych azot jest stosowany jako korzystny dodatek stopowy

stabilizuj#cy austenit, zast"puj#c drogi nikiel. Tlen wyst"puje w stali g ównie w postaci zwi#zanej, najcz"$ciej tlenków FeO, SiO2, Al2O3 i

in. Tlen powoduje pogorszenie prawie wszystkich w asno$ci mechanicznych i dlatego d#!y si" przez odpowiednie prowadzenie procesu metalurgicznego do obni!enia jego zawarto$ci w stali. Odtlenianie stali przeprowadza si" za pomoc# stopów krzemu, manganu i aluminium. Sposób odtleniania wywiera tak!e du!y wp yw na wielko$% ziarna stali w"glowej. Stale odtleniane !elazomanganem wykazuj# sk onno$ci do intensywnego rozrostu ziarn przy nagrzaniu ju! nieco powy!ej temperatury Ac3. W przeciwie'stwie do tego stale odtlenione aluminium, a tak!e !elazokrzemem wykazuj# wyra&ny wzrost ziarn dopiero w temperaturze 150-200°C powy!ej Ac3, co praktycznie wystarczy, aby przeciwdzia a% zjawisku przegrzania stali.

Bardzo skutecznym sposobem zmniejszania ilo$ci wodoru, azotu i tlenu oraz wtr#ce' niemetalicznych w stali jest wytapianie lub odlewanie jej w pró!ni. Mo!na w ten sposób otrzyma% stal o lepszych w asno$ciach dzi"ki wi"kszej czysto$ci i prawie zupe nemu brakowi rozpuszczonych w metalu gazów.

7.2.3. Stale niestopowe (w$glowe) podstawowe konstrukcyjne ogólnego zastosowania

Stale niestopowe podstawowe konstrukcyjne s# stosowane zazwyczaj w stanie surowym lub rzadziej w stanie normalizowanym.

Wed ug PN-88/H-84020 rozró!nia si" 6 podstawowych gatunków stali w tej grupie. w zale!no$ci od sk adu chemicznego i wymaganych w asno$ci mechanicznych. Znak gatunku stali sk ada si" z liter St oraz liczby porz#dkowej 0, 3, 4, 5, 6 lub 7.

docsity.com

103 JW

Gatunki stali przeznaczone na konstrukcje spawane o liczbie porz#dkowej 0, 3 i 4 oznacza si" dodatkowo liter# S (np. St0S, St3S, St4S) oraz w przypadku okre$lonej zawarto$ci miedzi (z wyj#tkiem St0S) dodatkowo literami Cu (np. St3SCu. St4SCu). Gatunki o liczbie porz#dkowej 3 i 4 o podwy!szonych wymaganiach jako$ciowych (o obni!onej zawarto$ci C oraz P i S) oznacza si" dodatkowo liter# V lub W (np. St3V, St4W). Znak gatunku stali St5, St6 i St7 w przypadku okre$lonej dodatkowo zawarto$ci w"gla, manganu i krzemu uzupe nia si" na pocz#tku liter# M (np. MSt5).

Gatunki stali o liczbie porz#dkowej 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 pó uspokojonej (np. StSCuY, St4SY, St4W). Sk ad chemiczny i w asno$ci mechaniczne tych stali podane s# w tabl. 7.2.

Tablica 7.2

Sk ad chemiczny i w asno!ci mechaniczne stali w$glowych konstrukcyjnych ogólnego zastosowania (PN-88/H-84020)

Sk ad chemiczny, % Re* i

Rm ** A5

***Znak

stali C Mn Si P max S max MPa MPa %

StOS 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

P 24 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

P 20 St4W 0,20 max 1,30 0,10-

0,35

0,040 0,040 265 420-550 W 22

P 20 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 0,80 0,35 max 0,050 0,050 325 570-740 W 15

P 13 MSt7

0,50-0,62

0,80 0,35 max 0,050 0,050 355 670-840

W11

P9

* Dla wyrobów o grubo$ci lub $rednicy powy!ej 16 ÷ 40 mm. ** Dla wyrobów o grubo$ci lub $rednicy powy!ej 3 ÷ 100 mm. *** Dla wyrobów o grubo$ci lub $rednicy powy!ej 3 ÷ 40 mm. Kierunek osi próbki: W - wzd u!ny, P - poprzeczny (w stosunku do kierunku walcowania).

Gatunki stali o liczbie porz#dkowej 3 i 4 mog# mie% dodatkowo okre$lon# wymagan# udarno$% w temperaturze +20°C, 0°C i -20°C. Szczegó owe wymagania odno$nie do tych odmian stali i ich oznaczenia podane s# w PN-88/H-84020. Znaki gatunków tych stali uzupe nia si" na ko'cu znakiem odmiany plastyczno$ci B, C, D lub U,M, J (np. St3SYU, St4WD).

7.2.4. Stale niestopowe specjalne do ulepszania cieplnego i utwardzania powierzchniowego

Stale te nale!# do grupy stali o wy!szych wymaganiach w porównaniu do stali jako$ciowych i charakteryzuj# si" wy!szym stopniem czysto$ci. Zawarto$% fosforu i siarki nie mo!e w nich przekracza% po 0,040%. S# przeznaczone do wyrobu maszyn i urz#dze' i stosuje si" je w stanie ulepszonym cieplnie, normalizowanym, hartowanym powierzchniowo lub po naw"glaniu. Dzi"ki dok adnemu doborowi sk adu chemicznego oraz przez zastosowanie specjalnych warunków wytwarzania uzyskuje si" wymagane w a$ciwo$ci technologiczne i u!ytkowe cz"sto w kombinacji z wysok# lub w#sko ograniczon# wytrzyma o$ci# lub hartowno$ci#.

Znak tych stali wg PN-93/H-84019 sk ada si" z liczb dwucyfrowych, które mog# by% uzupe nione literami. Liczby te okre$laj# przybli!one $rednie zawarto$ci w"gla w setnych cz"$ciach procentu (np. 10, 15, 20, 25, 30 itd). Litery po liczbach oznaczaj#:

docsity.com

104 JW

G - stal o podwy!szonej zawarto$ci manganu, A - stal o podwy!szonej czysto$ci w zakresie fosforu i siarki, AA - stal o zaostrzonych wymaganiach w zakresie sk adu chemicznego (np. dotycz#cych

zawarto$ci w"gla, obni!onej zawarto$ci fosforu i siarki ograniczonej sumie zawarto$ci Cr+Mo+Ni, itp.),

rs - stal o regulowanej zawarto$ci siarki, h - stal o wymaganej hartowno$ci,

H - stal o podwy!szonej dolnej granicy twardo$ci w stosunku do wymaganego pasma hartowno$ci,

L - stal o obni!onej granicy twardo$ci w stosunku do wymaganego pasma hartowno$ci, przy czym cyfry (np. 4, 5, 15) po literach hH i hL oznaczaj# odleg o$ci od czo a próbki w milimetrach (4 mm, 5 mm, 15 mm). Sk ad chemiczny niektórych stali niestopowych do naw"glania oraz normalizowania, ulepszania cieplnego i hartowania powierzchniowego podano w tabl. 7.3

Tablica 7.3.

Sk ad chemiczny niektórych gatunków stali niestopowej specjalnej do naw$glania oraz normalizowania, ulepszania cieplnego i hartowania powierzchniowego (wg PN-93/H-840191

Znak Sk ad chemiczny, % wag.

gatunku C Mn Si P max S

stali Stale do naw"glania

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+0,60 0,15+0,40 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 0,10+0,40 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+0,80 0,10+0,40 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+0,80 0,10+0,40 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 0,10+0,40 0,040 max 0,040

W asno$ci 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. 7.4. Nale!y zwróci% uwag", !e wytrzyma o$% na rozci#ganie Rm granica plastyczno$ci Re i udarno$% KCU2 s# znacznie wy!sze w stanie ulepszonym cieplnie, w porównaniu ze stanem normalizowanym, a dla stali o wi"kszej zawarto$ci w"gla (gatunku 55, 60) wi"ksze jest równie! wyd u!enie.

7.2.5 Stale niestopowe jako!ciowe i specjalne o okre!lonym zastosowaniu

W przemy$le, oprócz omówionych wy!ej stali w"glowych konstrukcyjnych ogólnego zastosowania, stosuje si" równie! wiele gatunków stali w"glowych o okre$lonym z góry zastosowaniu. Stale te z uwagi na konieczno$% zapewnienia szczególnych w asno$ci u!ytkowych lub technologicznych maj# sk ad chemiczny ró!ni#cy si" od sk adu stali w"glowych ogólnego zastosowania i to zarówno w odniesieniu do sk adników zasadniczych, jak i przypadkowych lub zanieczyszcze'. Poza tym w niektórych przypadkach stale te wykazuj# wy!sze lub ni!sze

docsity.com

105 JW

w asno$ci mechaniczne, w porównaniu do odpowiednich stali ogólnego zastosowania o zbli!onym sk adzie chemicznym, jednak!e zapewniaj# !#dane w asno$ci technologiczne i u!ytkowe.

Tablica 7.4

W asno!ci mechaniczne niektórych gatunków stali niestopowej specjalnej w stanie normalizowanym oraz ulepszanym cieplnie wg PN-93/H-84019 (dla wyrobów o !rednicy lub grubo!ci do 16 mm*)

Znak gatunku

stali

Stan obróbki

cieplnej

Rm

MPa

Re (ReH,R0,2)

MPa, min

A5, %

min

KCU 2, J/cm2

min

N**) min 470 275 22 60 25

T***) 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 wi"kszych warto$ci grubo$ci wyrobów w asno$ci wytrzyma o$ciowe s# odpowiednio ni!sze. ** N - normalizowanie.

*** T - ulepszanie cieplne (hartowanie i odpuszczanie wysokie).

W$ród stali w"glowych konstrukcyjnych o okre$lonym zastosowaniu mo!na wyodr"bni% nast"puj#ce wa!niejsze grupy gatunków: stale do wyrobu drutu do patentowania, na liny, na spr"!yny, do konstrukcji spr"!anych,

drutu ogólnego przeznaczenia i dla przemys u w ókienniczego (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 kot owe (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);

stale do wyrobu ogniw a'cuchów technicznych i okr"towych (PN-89/H-84023/08); stale automatowe ( atwo obrabialne mechanicznie) (PN-73/H-84026); stale magnetycznie mi"kkie (PN-89/H-84023/02).

Stale niestopowe przeznaczone na walcówk" do produkcji drutu s# wysokiej czysto$ci. Zawarto$% w"gla w tych stalach zawiera si" w granicach 0,33 ÷ 0,98%. W stalach o najwy!szej czysto$ci do wyrobu drutu na liny zawarto$% fosforu i siarki nie mo!e przekroczy% po 0,020%, ale #cznie zawarto$% P+S nie mo!e by% wy!sza ni! 0,035%.

Stale automatowe (oznaczone wg PN-73/H-84026 znakami A10X, A10XN, A11. A35, A45,

A35G2), a tak!e stal do wyrobu nakr"tek prasowanych (10P) s# stalami o podwy!szonej zawarto$ci fosforu i siarki (np. stal automatowa A10 zawiera 0,04 ÷ 0,08% P i 0,24 ÷ 0,34% S, a stal do wyrobu nakr"tek 10P - 0,20 ÷ 0,35% P i 0,06% S). Du!a zawarto$% tych pierwiastków zapewnia dobr# skrawalno$% stali, które dzi"ki temu nadaj# si" szczególnie dobrze do obróbki

docsity.com

106 JW

wiórowej na automatach i szybkobie!nych obrabiarkach do nacinania gwintów, gdy! obecno$% du!ej ilo$ci wtr#ce' niemetalicznych (siarczków i fosforków) u atwia amanie si" wióra podczas skrawania. Sk ad chemiczny i w asno$ci mechaniczne stali automatowych podano w tabl. 7.5. Stale w$glowe magnetycznie mi"kkie s# to stale o bardzo ma ej zawarto$ci w"gla (max 0,04%). Stale te odznaczaj# si" ma # koercj# i du!# przenikalno$ci# magnetyczn#. Stosuje si" je najcz"$ciej na rdzenie elektromagnesów. W asno$ci magnetyczne materia ów magnetycznie mi"kkich pogarszaj# si" ze wzrostem ilo$ci zanieczyszcze', zw aszcza C, S, P, O i N. Dlatego wymaga si", aby w tych stalach ich ilo$% by a jak najmniejsza.

Szczegó owe wymagania, dotycz#ce wymienionych wy!ej grup stali w"glowych o okre$lonym przeznaczeniu i o szczególnych w asno$ciach, podaj# Polskie Normy.

Tablica 7.5 Sk ad chemiczny i w asno!ci mechaniczne stali automatowych (wg PN-73/H-84026)

(rednia zawarto$%, % Znak stali

Stan** Rm***

MPa

Re***min

MPa

A5***min %

C Mn Si P S min min A10X 0,12 1,10 0,05 0,06 0,29 W 380 ÷ 510 - —

max max C 490 ÷ 740 390 8 A11 0,10 0,70 0,27 0,06 0,20 W 380 ÷ 510 — —

max C 490 ÷ 740 390 8

T 440 ÷ 740 260 14

A35 0,35 0,70 0,27 0,06 0,20 W 490 ÷ 660 —

max C 540 ÷ 740 310 8 TC 620 ÷ 770 500 12

A45 0,45 0,70 0,27 0,06 0,20 W 590 ÷ 770

max C 640 ÷ 830 370 7

TC 700 ÷ 890 580 10

A35G2 0,35 1,60 0,27 0,035 0,14 WN min 690 410 13

max C — - —

T 780 ÷ 930 590 12

* Wytwarzany jest równie! gatunek z azotem A10XN zawieraj#cy $rednio ok. 0,013% N. **W asno$ci mechaniczne podano dla grubo$ci wyrobów powy!ej 16 ÷ 40 mm; dla grubo$ci

mniejszej w asno$ci wytrzyma o$ciowe s# nieco wy!sze, a plastyczne nieco ni!sze, natomiast dla grubo$ci wi"kszej w asno$ci wytrzyma o$ciowe s# nieco ni!sze, a plastyczne wy!sze.

***W - walcowanie na gor#co, WN - walcowanie i normalizowanie, T – ulepszanie cieplne, TC - ci#gnienie po ulepszaniu cieplnym, C - ci#gnienie po walcowaniu.

7.3. Stale niestopowe (w$glowe) narz$dziowe

Stale narz"dziowe s u!# w g ównej mierze do wyrobu wszelkiego rodzaju narz"dzi w tym skrawaj#cych, na odpowiedzialne cz"$ci przyrz#dów mierniczych, uchwytów itd. Zasadnicze cechy, których wymaga si" od stali narz"dziowych, to: twardo$% po zahartowaniu, odporno$% na $cieranie i zu!ycie, ci#gliwo$%, niewra!liwo$% na przegrzanie, ma a odkszta calno$% przy hartowaniu - przy czym nie zawsze wszystkie cechy s# wymagane jednocze$nie. Podstawowym wymaganiem stawianym narz"dziom skrawaj#cym jest trwa o$% ostrza, która st"pia si" i zu!ywa podczas skrawania. Im bardziej stal jest odporna na zu!ycie i $cieranie, tym lepiej nadaje si" na narz"dzia skrawaj#ce. Aby stal by a odporna na $cieranie, powinna mie% du!# twardo$%, zazwyczaj powy!ej 60 HRC. Najwi"ksz# twardo$% po hartowaniu uzyskuj# stale o wi"kszej zawarto$ci w"gla i z tego wzgl"du stale narz"dziowe s# z regu y stalami wysokow"glowymi. Zawarto$% w"gla w stalach w"glowych narz"dziowych obj"tych Polsk# Norm# PN-84/H- 85020 wynosi 0,5 1,24. Stale te w porównaniu ze stalami w"glowymi konstrukcyjnymi charakteryzuj# si" wi"ksz# czysto$ci# (mniejsz# zawarto$ci# fosforu i siarki), mniejsz# zawarto$ci# manganu oraz drobnoziarnisto$ci#. Charakterystyczn# zalet# stali narz"dziowych w"glowych jest ma a g "boko$% hartowania, tzn. !e hartuje si" tylko warstwa wierzchnia narz"dzia, a rdze' pozostaje bardziej mi"kki i ci#gliwy.

docsity.com

107 JW

Daje to mo!liwo$% uzyskania narz"dzia twardego i odpornego na $cieranie, a jednocze$nie maj#cego dostateczn# odporno$% na uderzenia. Wed ug Polskich Norm PN-84/H-85020 stale w"glowe narz"dziowe dziel# si" na dwie grupy: - stale hartuj#ce si" p ytko, - stale hartuj#ce si" g "boko.

W tablicy 7.6. podano sk ad chemiczny tych stali oraz ich twardo$% w stanie zmi"kczonym i po hartowaniu. Stale hartuj#ce si" p ytko oznaczone s# liter# N (oznaczaj# stal narz"dziow#), liczb# oznaczaj#c# w przybli!eniu $redni# zawarto$% w"gla w dziesi"tnych cz"$ciach procentu oraz na ko'cu liter# E. Stale hartuj#ce si" g "boko s# oznaczone analogicznie, ale bez litery E.

Tablica 7.6 Sk ad chemiczny i twardo!" w stanie zmi$kczonym i po hartowaniu stali

w$glowych narz$dziowych (wg PN-84/H-85020)

Sk ad chemiczny, % Znak stali

C

inne pierwiastki

Twardo$% w stanie

zmi"kczony m HB, max

Temp.**)

hartowania, oC

Twardo$% w stanie harto-

wanym HRC,

min

Stale hartuj#ce si" p ytko

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 Pmax 0,025 197 770 ÷ 790

N10E 0,95 ÷ 1,04 Smax 0,025 197 770 ÷ 790

N11E 1,05 ÷ 1,14 Crmax 0,15 207 770 ÷ 790

62

1,15 ÷ 1,24 Nimax 0,20

Cu max 0,20

207 760 ÷ 780 63

Stale hartuj#ce si" g "boko

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 Pmax 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

* Pozosta e pierwiastki dla stali N5 i N6; Si max 0,15%, P max 0,035%, S max 0,035%, Cr, C, i Ni nie okre$la si". * Hartowanie w wodzie czystej lub s onej.

Stale p ytko i g "boko si" hartuj#ce, które maj# tak# sam# zawarto$% w"gla, ró!ni# si" tylko zawarto$ci# domieszek pochodz#cych z wytopu, które jednak wp ywaj# na ich hartowno$%.

Stale hartuj#ce si" p ytko s# stalami o ma ej hartowno$ci (g "boko$% zahartowania wynosi 2 5 mm w zale!no$ci od temperatury hartowania), wykazuj# ma # wra!liwo$% na przegrzanie i ze wzgl"du na ma # zawarto$% zanieczyszcze' nale!# do stali najwy!szej jako$ci.

Stale hartuj#ce si" g "boko s# bardziej wra!liwe na przegrzanie, tzn. !e hartowane z wy!szej temperatury wykazuj# wi"ksz# gruboziarnisto$% i wi"ksz# sk onno$% do rys i p"kni"%. Stale te odznaczaj# si" nieco wi"ksz# hartowno$ci# (g "boko$% zahartowania wynosi 5 12 mm, w zale!no$ci od temperatury hartowania) i maj# nieco wi"ksz# dopuszczaln# zawarto$% zanieczyszcze' (fosforu i siarki) i innych domieszek, co powoduje, !e s# stalami ni!szej klasy ni! stale hartuj#ce si" p ytko.

Stale hartuj#ce si" p ytko s# stosowane w zasadzie do wyrobu narz"dzi, których grubo$% nie przekracza 20 mm, natomiast stale g "boko hartuj#ce si" - do wyrobu narz"dzi, których grubo$% lub $rednica jest wi"ksza ni! 20 mm.

docsity.com

108 JW

Obróbka cieplna stali narz"dziowych w"glowych polega na hartowaniu i niskim opuszczaniu (ok. 180°C). Typowa struktura wysokow"glowej stali narz"dziowej przedstawiona jest na rys. 7.2. Nagrzewanie zahartowanych stali w"glowych powy!ej temperatury 180°C zaczyna powodowa% odpuszczanie martenzytu i obni!anie twardo$ci. Wra!liwo$% na podwy!szon# temperatur" jest g ówn# wad# stali w"glowych narz"dziowych, które z tego powodu s#

zakwalifikowane jako stale do pracy na zimno i do obróbki materia ów przy niewielkiej szybko$ci skrawania.

Rys. 7..2. Mikrostruktura stali w"glowej narz"dziowej N11E po hartowaniu i niskim odpuszczaniu (180°C). Widoczne jasne wydzielenia cementytu na tle drobnoiglastego

martenzytu. Traw. 2% nitalem. Powi"ksz. 630x

Rys.7.3. Stal narz"dziowa w"glowa w stanie zmi"kczonym. Widoczny cementyt kulkowy (sferiodyt) na tle osnowy ferrytycznej. Traw. 5% nitalem. Powi"ksz. 500x

Stal narz"dziowa jest dostarczana z huty w stanie zmi"kczonym i aby u atwi% dalsz# jej przeróbk" lub obróbk" skrawaniem, wy!arzana w celu uzyskania struktury cementytu kulkowego (rys. 7.3), gdy! stal maj#ca struktur" perlitu p ytkowego trudniej poddaje si" obróbce. Struktur" tak# otrzymuje si" najpro$ciej przez wy!arzanie sferoidyzuj#ce w temperaturze nieco wy!szej od Ac1

7.4. Stale stopowe

Stal# stopow# nazywa si" stal, do której celowo wprowadzono pierwiastki stopowe, aby nada% jej wymagane w asno$ci.

Wed ug Polskich Norm do stali stopowych zalicza si" gatunki stali, w których najmniejsza wymagana zawarto$% chocia!by jednego z pierwiastków jest równa lub wi"ksza ni! podano w tabl. 7.1.

Wprowadzenie do stali dodatków stopowych mo!e mie% na celu: # uzyskanie okre$lonych w asno$ci wytrzyma o$ciowych, # wywo anie po!#danych zmian strukturalnych, # uzyskanie specjalnych w asno$ci chemicznych lub fizycznych, # podwy!szenie hartowno$ci, # u atwienie technologii i polepszenie efektów obróbki cieplnej.

docsity.com

109 JW

Najcz"$ciej stosowanymi dodatkami stopowymi s#: mangan, krzem, chrom, nikiel, molibden, wanad, wolfram. Nieco rzadziej stosuje si" aluminium, kobalt, tytan i niob. Ponadto coraz cz"$ciej jako celowe dodatki stopowe zyskuj# na znaczeniu bor i azot.

7.4.1. Wp yw pierwiastków stopowych na struktur$ i w asno!ci stali

Pierwiastki stopowe dodawane do stali w procesie metalurgicznym w przewa!aj#cej ilo$ci przechodz# do roztworu ciek ego. Po skrzepni"ciu stali pierwiastki stopowe mog# wyst#pi% w nast"puj#cych fazach:

# w roztworach sta ych: ferrycie i austenicie; # w zwi#zkach z w"glem i azotem: w"glikach, azotkach i w"gliko-azotkach; # w zwi#zkach mi"dzymetalicznych; # w postaci wolnej (czystego pierwiastka).

Ze wzgl"du na ró!nice potencja u chemicznego pierwiastków w poszczególnych fazach, sk adniki stopowe nie s# równomiernie roz o!one we wszystkich sk adnikach strukturalnych stopu, ale wykazuj# tendencj" do skupiania si" w poszczególnych fazach. W"gliki s# w stalach tworzone przez metale po o!one w uk adzie okresowym na lewo od !elaza (Mn, Cr, V, Ti, Mo, Nb, Zr, W, Ta, Hf). Pierwiastki te nale!# podobnie jak !elazo, do metali przej$ciowych. Im dalej na lewo od !elaza znajduje si" w uk adzie okresowym pierwiastek w"glikotwórczy, tym aktywniej #czy si" z w"glem i trwa o$% utworzonych w"glików jest wi"ksza. Wed ug wzrastaj#cej sk onno$ci do tworzenia w stali w"glików, pierwiastki w"glikotwórcze mo!na uszeregowa% w nast"puj#cej kolejno$ci: Fe, Mn, Cr, W, Mo, V, Ti, Zr, Nb.

W stalach powstaj# najcz"$ciej nast"puj#ce w"gliki: w"gliki grupy I - Fe3C, Mn3C, Cr23C6, Cr7C3, Fe3Mo3C, Fe3W3C; w"gliki grupy II - VC, TiC, NbC, ZrC, WC, W2C, Mo2C, TaC, Ta2C.

W"gliki grupy I maj# z o!on# sie% krystaliczn# i charakteryzuj# si" tym, !e atwo si" rozpuszczaj# w austenicie podczas nagrzewania.

W"gliki 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 sta ego.

W stalach jednak w"gliki z regu y nie wyst"puj# w postaci czystej. Zawieraj# zwykle rozpuszczone !elazo, a gdy w sk ad stali stopowej wchodzi kilka pierwiastków, to w"gliki zawieraj# równie! te pierwiastki w roztworze. Na przyk ad w stali chromowo-manganowej tworzy si" nie czysty w"glik chromu Cr23C6, lecz w"glik (Cr, Mn, Fe)23C6, zawieraj#cy w roztworze !elazo i mangan.

Dodatki stopowe rozpuszczaj#ce si" w !elazie wp ywaj# silnie na zmian" temperatury przemian alotropowych A3 i A4. Niektóre z pierwiastków w pewnym zakresie st"!e' albo podwy!szaj# temperatur" A3 i obni!aj# temperatur" A4, wskutek czego ulega rozszerzeniu obszar istnienia odmiany alotropowej $" np. (Ni, Mn), albo obni!aj# temperatur" A4 a podwy!szaj# temperatur" A3, zw"!aj#c obszar istnienia odmiany " (np. Cr, Si, W, Mo, V, Ti), wzgl"dnie mog# podwy!sza% (Co) lub obni!a%obie te temperatury jednocze$nie (Cr).

W wyniku oddzia ywania pierwiastków stopowych na temperatury przemian alotropowych !elaza oraz punkty krytyczne uk adu Fe-Fe3C, struktura stali stopowych mo!e ró!ni% si" zasadniczo od wyst"puj#cej w stalach w"glowych przy tych równowa!nych zawarto$ciach w"gla. Du!e znaczenie ma równie! wp yw pierwiastków stopowych na przemiany austenitu przech odzonego, w szczególno$ci na krytyczn# szybko$% ch odzenia oraz temperatur" przemiany martenzytycznej Ms.

Pierwiastki, które rozpuszczaj# si" jedynie w ferrycie lub cementycie, jak np. Mn, Ni, Si, Al, Cu, wp ywaj# na przemian" austenitu tylko ilo$ciowo, opó&niaj#c j# i przesuwaj#c krzyw# pocz#tku rozk adu austenitu (na wykresie CTP) w kierunku wi"kszych warto$ci czasu (rys. 7.4) w stosunku do stali w"glowej (wyj#tkiem jest jedynie Co, który przyspiesza przemian").

docsity.com

110 JW

Natomiast pierwiastki w"glikotwórcze wywo uj# w kinetyce przemiany izotermicznej austenitu zmiany nie tylko ilo$ciowe, ale i jako$ciowe. Krzywe pocz#tku przemiany ulegaj# nie tylko przesuni"ciu, lecz równie! zmienia si" ich kszta t (rys. 7.4d). Obszary przemian perlitycznej oraz bainitycznej zostaj# w tych stalach przedzielone zakresem o zwi"kszonej trwa o$ci przech odzonego austenitu

Rys.7. 4. Schemat krzywych izotermicznych przemian austenitu przech odzonego dla stali stopowych: a) stal w"glowa (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)

Najwa!niejszy dla praktyki wp yw pierwiastków stopowych polega na zmniejszeniu szybko$ci rozk adu austenitu w zakresie jego przemiany w struktury perlityczne. Zapewnia to wi"ksz# hartowno$% stali, a przech odzenie austenitu do zakresu przemiany martenzytycznej mo!na osi#gn#% stosuj#c powolniejsze ch odzenie, np. podczas ch odzenia w oleju lub w powietrzu.

Zwi"kszenie hartowno$ci jest szczególnie du!e, gdy stal zawiera jednocze$nie kilka pierwiastków stopowych, np. nikiel, chrom i molibden itp.

Stwierdzono równie!, !e bardzo ma e dodatki niektórych pierwiastków zwi"kszaj# bardzo wyra&nie hartowno$% stali, natomiast wi"ksza ich zawarto$% nie wywo uje tak skutecznego dzia ania. Do takich pierwiastków nale!y przede wszystkim bor (B). Optymalna zawarto$% boru w stali, zapewniaj#ca najwi"ksz# hartowno$% wynosi zaledwie 0,001 0,003%. W razie wi"kszej ilo$ci boru jego st"!enie na granicach ziarn austenitu przekracza maksymaln# rozpuszczalno$%, wskutek czego powstaj# odr"bne fazy zawieraj#ce bor (borki), które jako o$rodki krystalizacji u atwiaj# wykrystalizowanie struktur perlitycznych i hartowno$% zmniejsza si".

Wp yw pierwiastków stopowych na wykresy CTP stali zaznacza si" nie tylko zmian# po o!enia i kszta tu krzywych przemian, lecz równie! przesuni"ciem punktu przemiany martenzytycznej Ms. Wi"kszo$% pierwiastków obni!a punkt Ms, zwi"kszaj#c tym samym zawarto$% austenitu szcz#tkowego po zahartowaniu. Odwrotne dzia anie wywieraj# jedynie Al i Co.

7.4.2. Klasyfikacja stali wg struktury po wy%arzaniu i po ch odzeniu na powietrzu

Przyjmuj#c zasad" podzia u wg struktury w stanie wy!arzonym, mo!na wyró!ni% nast"puj#ce grupy stali stopowych:

# podeutektoidalne, w których strukturze obok perlitu wyst"puje wolny ferryt; # eutektoidalne, o strukturze perlitycznej;

# nadeutektoidalne, zawieraj#ce w strukturze wydzielone z austenitu w"gliki wtórne # ledeburytyczne, w których strukturze wyst"puje eutektyka - ledeburyt, zawieraj#ca

w"gliki pierwotne wydzielone z ciek ej stali; # ferrytyczne, ewentualnie z wydzieleniami w"glików; # austenityczne, mog#ce równie! zawiera% wydzielone w"gliki.

docsity.com

111 JW

Zgodnie z wykresem Fe-Fe3C stale w"glowe podeutektoidalne zawieraj# mnie ni! 0,8% C, eutektoidalne ok. 0,8% C, nadeutektoidalne 0,8 2,0% C, ledeburytyt natomiast pojawia si" powy!ej ok. 2% C. Poniewa! jednak wi"kszo$% pierwiastków stopowych przesuwa punkty S i E wykresu Fe-Fe3C w lewo, tj. w kierunku mniejszych zawarto$ci w"gla, wi"c granica mi"dzy stalami podeutektoidalnymi i nadeutektoidalnymi oraz nadeutektoidalnymi i ledeburytycznymi

odpowiada w stalach stopowych mniejszym zawarto$ciom w"gla ni! w stalach w"glowych. Stale ferrytyczna i austenityczna s# to najcz"$ciej stale o du!ej zawarto$ci dodatków

stopowych i niskiej zawarto$ci w"gla. Podzia stali stopowych ze wzgl"du na struktur" przeprowadza si" równie! w zale!no$ci od

tego, jak# struktur" otrzymuje si" po och odzeniu w spokojnym powietrzu próbek o niedu!ym przekroju. Struktura ta mo!e si" zasadniczo ró!ni% od struktury uzyskanej po wy!arzaniu. W tym przypadku mo!na rozró!ni% trzy podstawowe klasy stali:

# perlityczn#, # martenzytyczn#, # austenityczn#

(mog# tak!e wyst"powa% klasy po$rednie). Klas" perlityczn# cechuje do$% ma a zawarto$% pierwiastków stopowych, stale klasy martenzytycznej zawieraj# wi"cej, a klasy austenitycznej - najwi"cej tych pierwiastków.

Wytworzenie si" jednej z tych trzech struktur stali nast"puje wskutek tego, !e w miar" zwi"kszania si" zawarto$ci pierwiastków stopowych wzrasta trwa o$% przech odzonego austenitu (krzywe C na wykresie CTP przesuwaj# si" w prawo), za$ pocz#tek przemiany martenzytycznej obni!a si" w kierunku ni!szych temperatur. Nale!y podkre$li%, !e podana klasyfikacja jest umowna i ma znaczenie w przypadku ch odzenia w powietrzu próbek o do$% ma ych wymiarach. Zmieniaj#c warunki ch odzenia, mo!na oczywi$cie otrzyma% w tej samej stali ró!ne struktury.

7.4.3. Oznaczanie stali stopowych konstrukcyjnych i maszynowych

Sposób oznaczania ró!nych gatunków stali stopowych konstrukcyjnych zosta opracowany i uj"ty przez Polsk# Norm" PN-89/H-84030/01.

Stale stopowe konstrukcyjne oznaczane s# za pomoc# znaku sk adaj#cego si" z: cyfr i liter. Pierwsze dwie cyfry okre$laj# $redni# zawarto$% w"gla w setnych procenta. Litery oznaczaj# pierwiastki stopowe:

G — mangan,

S — krzem,

H — chrom,

N — nikiel,

M — molibden,

T - tytan,

F - wanad (tak!e V), J — aluminium.

Liczby wyst"puj#ce za literami oznaczaj# zaokr#glone do liczby ca kowitej $rednie zawarto$ci sk adnika w stali w przypadku, gdy jego $rednia zawarto$% przekracza 1,5% (w przypadku stali niskostopowych, gdy $rednia zawarto$% sk adnika przekracza 1%).

Stale o wy!szych wymaganiach co do sk adu chemicznego (np. co do zawarto$ci fosforu i siarki) oznacza si" na ko'cu znaku liter# A.

Stale przetapiane elektro!u!lowo oznacza si" przez dodanie na ko'cu znaku stali ). Stale modyfikowane zwi#zkami chemicznymi litu, sodu lub wapnia i innymi oznacza si" liter# D.

Wed ug takich samych zasad, jak stale stopowe konstrukcyjne, oznacza si" stale odporne na korozj" i stale !aroodporne. Natomiast stale stopowe narz"dziowe oznacza si" w odr"bny sposób wg dawnych cech hutniczych (patrz rozdz. 7.5).

docsity.com

112 JW

7.4.4. Stale niskostopowe o podwy%szonej wytrzyma o!ci

W wyniku d#!enia do obni!ania ci"!aru konstrukcji, zw aszcza budowlanych. i poprawy wska&ników u!ytkowych opracowanych zosta o szereg gatunków stali niskostopowych, które bez dodatkowej obróbki cieplnej odznaczaj# si" lepszymi w asno$ciami mechanicznymi ni! stale w"glowe. S# to stale zawieraj#ce niewielkie dodatki sk adników stopowych i wykazuj#ce w stanie dostawy podwy!szone w asno$ci wytrzyma o$ciowe i struktur" ferrytyczno-perlityczn#. Stale te s# stosowane g ównie na konstrukcje budowlane, mosty, siatki i pr"ty do zbrojenia betonu, na zbiorniki i rury ci$nieniowe. Od materia ów tych, oprócz odpowiednio du!ych war- to$ci Re i Rm, wymaga si" odpowiedniej plastyczno$ci, niskiej warto$ci temperatury progu krucho$ci, dobrej spawalno$ci oraz niskiej ceny. Du!e znaczenie przy opracowywaniu nowych gatunków stali o podwy!szone wytrzyma o$ci mia y osi#gni"cia w zakresie fizyki metali, a w szczególno$ci poznanie mechanizmów umocnienia metali i stopów. Stwierdzono, !e obok utwardzenia roztworu sta ego i udzia u perlitu w strukturze, cz"sto znacznie wi"kszy wp yw napodwy!szenie wytrzyma o$ci stali wywieraj# inne czynniki, w tym g ównie wielko$% ziarna i obecno$% w strukturze dyspersyjnych wydziele' w"glików i azotków lub innych faz.

Szczególne znaczenie w produkcji stali o podwy!szonej wytrzyma o$ci ma tzw. regulowane walcowanie, polegaj#ce na obni!eniu temperatury nagrzewania wsadu, na niewielkich, lecz licznych zgniotach, a przede wszystkim na obni!eniu temperatury ko'ca walcowania i przyspieszeniu ch odzenia wyrobów po walcowaniu. W efekcie ulega zahamowaniu rekrystalizacja zgniecionego austenitu, a uzyskane w wyniku jego przemiany drobne ziarno

ferrytu zapewnia odpowiednio wysokie w asno$ci wytrzyma o$ciowe i plastyczne. Zasadnicze znaczenie ma równie! obecno$% w stali mikrododatków Al, V, Ti, Nbi Zr, tworz#cych trudno rozpuszczalne dyspersyjne wydzielenia, które wp ywaj# na opó&nienie rekrystalizacji i rozrostu ziarn austenitu, oddzia uj#c tym samym na wzrost umocnienia i obni!enie progu krucho$ci.

Jedn# z grup stali spawalnych o podwy!szonej wytrzyma o$ci stanowi# stale niskostopowe o strukturze ferrytyczno-perlitycznej zawieraj#ce maksymalnie 0,20% C dodatek manganu max do ok. 1,8% oraz mikrododatki Al, V, Ti, Nb i N, tworz#ce dyspersyjne wydzielenia w"glików i azotków. Zawarto$ci 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 plastyczno$ci Re 305 460 MPa (dla wyrobów o grubo$ci 3 16 mm).

Polska Norma PN-86/H-84018 obejmuje 11 gatunków stali niskostopowych podwy!szonej wytrzyma o$ci oznaczonych znakami:

09G2 18G2A

09G2Cu 18G2ACu

15GA 18G2ANb

15G2ANb 18G2AV

15G2ANNb 18G2AVCu

18G2

Stale te, w zale!no$ci od wymaganych w asno$ci wytrzyma o$ciowych na rozci#gnie i technologicznych na zginanie, dziel# si" na 7 kategorii oznaczonych symbolami E305, E325, E355, E390, E420, E440, E460. Trzycyfrowa liczba po literze E oznacza w przybli!eniu granic" plastyczno$ci Rew MPa. Granica ta wykazuje pewne niewielkie ró!nice w zale!no$ci od grubo$ci wyrobu (3 70 mm). Nale!y okre$li%, !e stale te maj# znacznie wy!sz# (o 50 80%) granic" plastyczno$ci porównaniu ze stalami w"glowymi zwyk ej jako$ci przeznaczonymi do spawania, co stwarza mo!liwo$% uzyskania znacznych oszcz"dno$ci materia owych. W zale!no$ci od wymaganej udarno$ci w temperaturze od +20 do -60°C stale te dziel# si" na odmiany.

Jak wspomniano ju! na wst"pie, omawiana grupa stali musi charakteryzowa% si" dobr# spawalno$ci#. Musz# to by% zatem stale o ograniczonej hartowno$ci, tj. mo!liwie niskim ekwiwalencie w"gla CE, który mo!na wyliczy% z zale!no$ci;

docsity.com

113 JW

Stale niskostopowe o podwy!szonej wytrzyma o$ci uj"te w PN-86/H-84018 maj# ekwiwalent w"gla CE nie przekraczaj#cy 0,44 0,52.

7.4.5. Stale stopowe konstrukcyjne i maszynowe do ulepszania cieplnego

W przypadkach nie pozwalaj#cych na u!ycie stali w"glowych ze wzgl"du na ma # hartowno$% lub te! zbyt niskie w asno$ci wytrzyma o$ciowe, stosuje si" stale stopowe konstrukcyjne i maszynowe do ulepszania cieplnego. Wykonuje si" z nich g ównie wysoko obci#!one i wa!ne elementy konstrukcyjne maszyn, silników, pojazdów mechanicznych itp., zw aszcza o du!ych przekrojach.

Grupa stali konstrukcyjnych stopowych do ulepszania cieplnego obejmuje znacz# ilo$% gatunków o bardzo zró!nicowanym sk adzie chemicznym. Polskie Normy wyszczególniaj# 35 gatunków stali stopowych konstrukcyjnych do ulepszania cieplnego (PN-89/H-84030/04) oraz

ponadto 9 gatunków stali o wi"kszej zawarto$ci pierwiastków stopowych, przeznaczonych do wyrobu sprz"tu szczególnie obci#!onego PN-72/H-84035), np. sprz"tu lotniczego, cz"$ci silników spalinowych itp. Sk ad chemiczny tych dwóch grup stali oraz ich w asno$ci mechaniczne podano w tabl. 7.7 7.10.

Tablica 7.7 Sk ad chemiczny niektórych stali stopowych konstrukcyjnych do ulepszania cieplnego (wg

PN-89/H-84030/04)

Grupa stali (rednia zawarto$%, %

Znak stali

C Mn Si Cr Ni Mo Inne

Mn 30G2

4502

0,30

0,45

1,60

1,60

0,27

0,27

Mn-Si 35SG 0,35 1,25 1,25

Cr

30H

40H

45H

50H

0,30

0,40

0,45

0,50

0,65

0,65

0,65

0,65

0,27

0,27

0,27

0,27

0,95

0,95

0,95

0,95

Cr-Si 37HS 0,37 0,45 1,15 1,45

Cr-Mn-Si

20HGS

30HGS

35HGS

0,20

0,30

0,35

0,95

0,95

0,95

1,05

1,05

0,15

0,95

0,95

1,25

Cr-Mo

25HM

30HM

35HM

40HM

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

0,36

0,36

0,40

0,65

0,55

0,65

0,27

0,27

0,27

1,05

1,50

0,75

1,05

1,50

1,45

0,20

0,20

0,20

Cr-Ni-Mo-V 45HNMF 0,45 0,65 0,27 0,95 1,55 0,20 V-0,15

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 najcz"$ciej w zakresie 500-650°C. Uzyskuje si" wówczas sorbit z o!ony z ferrytu stopowego oraz bardzo drobnych w"glików (rys. 7.5).

15

CuNi

5

VMoCr

6

Mn CCE

% %

%% %%&

docsity.com

114 JW

W asno$ci mechaniczne zale!# od zawarto$ci w"gla i pierwiastków stopowych oraz od temperatury odpuszczania. Ni!sza temperatura odpuszczania pozwala uzyskiwa% wysokie w asno$ci wytrzyma o$ciowe przy gorszych plastycznych i odwrotnie, zale!nie od stawianych wymaga' (rys. 7.6).

Hartowno!" stali stopowych. Najistotniejszym kryterium stosowania poszczególnych gatunków stali stopowych konstrukcyjnych jest hartowno$%. W tablicy 7.8. podano dla poszczególnych gatunków stali wielko$ci $rednic krytycznych, tj. najwi"kszych $rednic wyrobów hartuj#cych si" na wskro$ z utworzeniem w rdzeniu struktury zawieraj#cej 50% martenzytu oraz 50% struktur perlityczno-bainitycznych.

Rys. 7..5. Mikrostruktura stali 30HGSA po ulepszaniu cieplnym. Sorbit. Traw. 3% nitalem. 300x

Tablica 7.8

W asno!ci mechaniczne w stanie ulepszonym cieplnie oraz hartowno!" (!rednica krytyczna) niektórych stali stopowych konstrukcyjnych

W asno$ci wytrzyma o$ciowe

Udarno$%

Znak stali

(rednica kry- tyczna (50%

martenzytu)

hartów. 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 7.7 i 7.8 przedstawiono przyk adowo pasma hartowno$ci dla prób hartowania od czo a dwóch gatunków stali o ma ej (40H) i bardzo du!ej hartowno$ci (40HNMA). Spo$ród stali o jednakowej hartowno$ci nale!y zawsze stosowa% najekonomiczniejsz#, oczywi$cie o ile dodatkowe wymagania (np. udarno$%) nie uzasadniaj# stosowania stali dro!szej, wy!ej stopowej.

docsity.com

115 JW

Stale manganowe (30G2, 45G2), krzemowo-manganowe (35SG) oraz chromowe (30H, 40H,

45H, 50H) charakteryzuj# si" stosunkowo niedu!# hartowno$ci# w porównaniu z innymi gatunkami stali stopowych. Znacznie wy!sz# hartowno$% wykazuj# stale chromowo- manganowo-krzemowe (30HGS, 35HGS). Zast"puj# one w wielu przypadkach drogie stale zawieraj#ce Ni, Mo, W i V.

Najwi"ksz# hartowno$% oraz najkorzystniejszy zespó w asno$ci wytrzyma o$ciowych po ulepszaniu cieplnym wykazuj# stale chromowo-niklowo-molibdenowe, ewentualnie z dodatkiem wanadu lub wolframu, a tak!e manganu i krzemu (40HNMA, 36HNM, 45HNMF, 30H2N2M, 30HGSNA, 25H2N4W, 30HN2MFA i inne). Stale te s# u!ywane na cz"$ci maszyn o najwi"kszych wymaganiach wytrzyma o$ciowych, jak wa y korbowe silników lotniczych, wa y nap"dowe, na cz"$ci turbin o du!ych przekrojach, na ko a z"bate i inne cz"$ci, gdzie wyst"puj# najwi"ksze i zmienne obci#!enia.

Tablica 7.9

Sk ad chemiczny stali stopowych konstrukcyjnych do ulepszania cieplnego przeznaczonych do wyrobu sprz$tu szczególnie obci#%onego (wg PN-72/H-84035)

(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 7.10

W asno!ci mechaniczne stali stopowych konstrukcyjnych w stanie ulepszonym cieplnie,

przeznaczonych do wyrobu sprz$tu szczególnie obci#%onego (wg PN-72/H-84035)

Znak stali

Obróbka cieplna

hart. oC/odp. °C

RmMPa

min

ReMPa

min

A5, %

Z,%

KCU,

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 860/680 880 780 10 40 90 65S2WA 850/420 1860 1670 5 20 -

Stale stopowe konstrukcyjne o zawarto$ci w"gla 0,4 0,6% mog# by% tak!e poddawane hartowaniu powierzchniowemu, co w wielu przypadkach jest korzystne, gdy! unika si" w ten sposób d ugotrwa ego i bardziej k opotliwego procesu naw"glania.

docsity.com

116 JW

Rys. 7.7. Pasmo hartowno$ci dla próby hartowania od czo a stali 40H

Rys. 7.6. Wp yw temperatury odpuszczania oraz grubo$ci wyrobu na w asno$ci

mechaniczne: a) stali w"glowej 40, b) stali stopowej 40HNMA

Rys. 7.8. Pasmo hartowno$ci dla próby hartowania od czo a stali 40HNMA

docsity.com

117 JW

7.4.6. Stale stopowe konstrukcyjne do naw$glania

Naw"glanie ma na celu uzyskanie twardej i odpornej na $cieranie warstwy wierzchniej elementu konstrukcyjnego, przy zachowaniu wysokiej udarno$ci i ci#gliwo$ci rdzenia. W asno$ci te uzyskuje si" przez odpowiedni# obróbk" ciepln#. Du!# twardo$% osi#ga si" przez wzbogacenie warstwy powierzchniowej w w"giel i nast"pnie zahartowanie. Drugim zagadnieniem jest sprawa wytrzyma o$ci rdzenia naw"glonego przedmiotu. Na ogó wymaga si" od rdzenia du!ej udarno$ci i ci#gliwo$ci, aby skompensowa% niebezpiecze'stwo, które przedstawia warstwa powierzchniowa o du!ej twardo$ci i krucho$ci. Z tego wzgl"du zawarto$% w"gla w stalach do naw"glania jest niska i wynosi zazwyczaj 0,10 0,25%, natomiast wy!sz# wytrzyma o$% rdzenia uzyskuje si" dzi"ki obecno$ci pierwiastków stopowych. W porównaniu ze stalami w"glowymi stale stopowe do naw"glania maj# wy!sz# wytrzyma o$% na rozci#ganie zarówno w stanie zmi"kczonym, jak i zahartowanym, a dzi"ki wi"kszej hartowno$ci wysok# wytrzyma o$% mo!na uzyska% w elementach o wi"kszych przekrojach przy jednocze$nie du!ej udarno$ci, du!ym przew"!eniu i wyd u!eniu. Przedmioty wykonane ze stali stopowej charakteryzuje wi"c po naw"gleniu i zahartowaniu du!a wytrzyma o$% rdzenia, której nie mo!na uzyska% przy u!yciu stali w"glowych. Z tego wzgl"du stal stopow# do naw"glania stosuje si" wy #cznie na wysoko obci#!one, wa!ne elementy konstrukcyjne silników, pojazdów mechanicznych i samolotów oraz na inne odpowiedzialne cz"$ci maszyn. Aby spe ni% zasadniczy postulat uzyskania najwy!szej twardo$ci powierzchniowej, nale!y warunki hartowania dostosowa% do sk adu chemicznego warstwy naw"glonej, dla której w a$ciwa temperatura hartowania jest znacznie ni!sza ni! temperatura hartowania w a$ciwa dla rdzenia. Poza tym temperatura odpuszczania po hartowaniu musi by% niska, gdy! ju! przy 150°C twardo$% warstwy naw"glanej zaczyna si" zmniejsza%. Wobec tego, !e w asno$ci stali do naw"glania nie mo!na zmienia% przez odpuszczanie, sk ad chemiczny stali jest zasadniczym czynnikiem rozstrzygaj#cym o w asno$ciach wytrzyma o$ciowych rdzenia. Wynika st#d, !e dobrawszy odpowiednio zawarto$% pierwiastków stopowych mo!na uzyska% jednocze$nie potrzebn# wytrzyma o$% rdzenia w wymaganym przekroju i po!#dan# twardo$% powierzchniow# po naw"gleniu. Poniewa! jednak ka!dy gatunek stali pozwala na osi#gni"cie tylko w#skiego zakresu wytrzyma o$ci rdzenia, aby uzyska% szeroki zakres wytrzyma o$ci Rm 700 1500 MPa i spe ni% ró!norodne wymagania dotycz#ce twardo$ci powierzchniowej, nale!y mie% do dyspozycji do$% du!o gatunków stali do naw"glania.

Polskie Normy obejmuj# #cznie 20 gatunków stali stopowych do naw"glania. W grupie stali stopowych konstrukcyjnych (PN-89/H-84030/02) Polskie Normy wyszczególniaj# 16 gatunków stali do naw"glania: 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 sprz"tu szczególnie obci#!onego (PN-72/H-84035) - 4 gatunki stali do naw"glania: 12HN3A, 12H2N4A, 20H2N4A, 18H2N4WA. Stale te odznaczaj# si" nisk# zawarto$ci# w"gla ($rednio 0,12-0,22%), zawieraj# prawie zawsze 0,5 2% Cr oraz zale!nie od gatunku równie! Mn, Ni, Mo oraz rzadziej Ti i W. Najni!sze w asno$ci mechaniczne rdzenia uzyskuje si" w przypadku stali chromowych i chromowo-manganowych (15H, 20H, 16HG, 20HG). Mangan w omawianych stalach sprzyja

niekorzystnemu rozrostowi ziarn. Przeciwdzia a si" temu przez dodatek Ti, np. w stali 18HGT. Wobec mniejszej sk onno$ci do rozrostu ziarn, stal mo!e by% naw"glana w szerokim zakresie temperatury. Wytrzyma o$% rdzenia na rozci#ganie w tych stalach mo!e dochodzi% do ponad 1200 MPa.

Stale chromowo-niklowe (15HN, 17HNM, 18H2N2) uzyskuj# znacznie lepsze w asno$ci, ze wzgl"du jednak na drogi dodatek niklu zast"powane s# coraz cz"$ciej stalami chromowo- manganowo-molibdenowymi (15HGM, 18HGM, 19HM) równie! wykazuj#cymi wysokie w asno$ci mechaniczne i du!# hartowno$%. Elementy maszyn wymagaj#ce wysokich w asno$ci plastycznych rdzenia i jednocze$nie bardzo wysokiej wytrzyma o$ci (Rm = 1200 1400 MPa), jak np. cz"$ci silników lotniczych, wykonuje si" ze stali chromowo-niklowych wy!szej jako$ci: wi"kszej zawarto$ci chromu (ok.

docsity.com

118 JW

1,5%) i niklu (3 4,5%) z dodatkiem Mo (0,2 0,3) lub W (ok. 1%) (np. stali 12HN3A,

12H2N4A, 20H2N4A, 18H2N4WA).

7 4.7. Stale do azotowania

Dzi"ki zawarto$ci niektórych pierwiastków stopowych, a w szczególno$ci aluminium, chromu i molibdenu stale stopowe do azotowania pozwalaj# na uzyskanie po azotowaniu najwi"kszej twardo$ci i odporno$ci na $cieranie warstwy wierzchniej, bez potrzeby stosowania dodatkowej obróbki cieplnej. Twardo$% warstwy naazotowanej nie tylko nie zmniejsza si" po nagrzaniu do temperatury dochodz#cej do 500°C, lecz tak!e pozostaje nie zmieniona podczas d u!szego wygrzewania w tym zakresie temperatury.

W zwi#zku z tym stale do azotowania znajduj# du!e zastosowanie na cylindry, wa y, sworznie t okowe i inne cz"$ci silników spalinowych, na cz"$ci turbin, armatur" do pary przegrzanej, wrzeciona zaworów, sprawdziany itp.

Czynnikiem rozstrzygaj#cym o wysokiej twardo$ci naazotowanej warstwy powierzchniowej jest niemal wy #cznie sk ad chemiczny stali, a mianowicie zawarto$% pierwiastków tworz#cych trwa e 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 zawieraj#ce wanad (40HMF, 40HGM, 35HM) mog# by% stosowane do tego celu, nie pozwalaj#c jednak na uzyskanie maksymalnej twardo$ci powierzchniowej. Przed azotowaniem stale ulepsza si" cieplnie, stosuj#c hartowanie w wodzie lub oleju i wysokie odpuszczanie, aby uzyska% mo!liwie wysokie w asno$ci wytrzyma o$ciowe rdzenia. Stale te dzi"ki wi"kszej zawarto$ci w"gla i pierwiastków stopowych odznaczaj# si" du!# hartowno$ci#.

7.4.8. Stale spr$%ynowe

Stale konstrukcyjne przeznaczone do wyrobu spr"!yn i resorów powinny si" charakteryzowa% wysok# granic# spr"!ysto$ci i plastyczno$ci oraz du!# wytrzyma o$ci# na zm"czenie. Jednocze$nie jednak stale te musz# mie% pewne minimalne w asno$ci plastyczne, aby w razie przekroczenia granicy spr"!ysto$ci raczej nast#pi o odkszta cenie, a nie p"kni"cie. Du!a ilo$% ró!norodnych spr"!yn i metod ich wytwarzania wymaga stosowania ró!nych materia ów i ró!nych gatunków stali. Typowe stale spr"!ynowe cechuje zwi"kszona zawarto$% w"gla, wynosz#ca zazwyczaj 0,5 0,7%. Stale te zawieraj# równie! dodatki manganu, krzemu i chromu oraz wanadu. Wysok# granic" spr"!ysto$ci tych stali osi#ga si" przez hartowanie (przewa!nie w oleju) i odpuszczanie w temperaturze 380 520°C. Ten zakres temperatury odpuszczania

zapewnia najkorzystniejszy stosunek granicy spr"!ysto$ci Rsp (lub granicy plastyczno$ci Re,) do wytrzyma o$ci na rozci#ganie Rm.

Stale spr"!ynowe s# znormalizowane. W tablicy 7.11 podano $redni# zawarto$% g ównych dodatków stopowych oraz w asno$ci mechaniczne w stanie ulepszonym cieplnie wg PN-74/H- 84032. Pierwsze trzy gatunki s# stalami niestopowymi o zawarto$ci w"gla 0,65 0,85% (±0,05%), podlegaj#cym hartowaniu w oleju i odpuszczaniu. Spr"!yny mniej odpowiedzialne wykonuje si" ze stali w"glowej równie! w stanie surowym z ta$m walcowanych na zimno lub drutu ci#gnionego. Spr"!yny bardziej odpowiedzialne wykonuje si" ze stali stopowych zawieraj#cych 0,4 2,0% Si z ewentualnym dodatkiem Mn, Cr i V. Krzem jest pierwiastkiem stopowym, który najintensywniej zwi"ksza Rsp , Re, i Rm i dlatego jest sk adnikiem wi"kszo$ci gatunków stali spr"!ynowych.

Stale spr"!ynowe krzemowe (45S, 50S, 40S2, 50S2, 55S2, 60S2, 60S2A) wykazuj# stosunkowo ma # hartowno$%, co ma jednak mniejsze znaczenie, gdy! spr"!yny maj# zwykle ma e przekroje. W przypadku wi"kszych przekrojów zaleca si" stale zawieraj#ce chrom oraz Si, Mn lub V zapewniaj#ce wi"ksz# hartowno$%. Do wyrobu spr"!yn o szczególnie wa!nym przeznaczeniu stosuje si" stal chromowo-wanadow# 50HF, która charakteryzuje si" bardzo

docsity.com

119 JW

drobnym ziarnem oraz wykazuje mniejsz# sk onno$% do odw"glania powierzchniowego ni! stale krzemowe

Tablica 7.11

Sk ad chemiczny i w asno!ci mechaniczne w stanie ulepszonym cieplnie stali spr$%ynowych (wg PN-74/H-84032)

Temp. hart.,

°C

Grupa

stali

Znak

stali'1

(rednia za- warto$%

sk adników Temp. odp., °C

Rm MPa

min

Re MPa

min

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

45S 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 spr"!yn wykonuje si" równie! z innych stali, np. ze stali narz"dziowych w"glowych

lub stopowych, a do pracy w podwy!szonych temperaturach ze stali narz"dziowych szybkotn#cych. Natomiast spr"!yny pracuj#ce w $rodowiskach korozyjnych wykonywane s# ze stali nierdzewnych hartowanych i odpuszczonych lub utwardzonych przez zgniot.

7. 4.9. Stal na o%yska toczne

Stal do wyrobu o!ysk tocznych (pier$cieni o!yskowych, kulek, wa eczków itp.) powinna si" odznacza% wysok# twardo$ci# i odporno$ci# na $cieranie, a tak!e du!# wytrzyma o$% na $ciskanie i zginanie. W tym celu stosuje si" stale wysokow"glowe (ok. 1% C) z dodatkiem chromu (ok. 1,5% Cr) i ewentualnie manganu i krzemu, g ównie w celu zwi"kszenia hartowno$ci. Ze wzgl"du na warunki pracy oraz metody produkcji stalom tym stawia si" szczególne wymagania pod wzgl"dem czysto$ci i struktury. Dopuszczalna zawarto$% 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" $ci$le stopie' zanieczyszczenia wtr#ceniami niemetalicznymi, pasmowo$% u o!enia w"glików (segregacj") oraz przeprowadza inne szczegó owe badania mikroskopowe i makroskopowe.

W kraju stosuje si" dwa gatunki stali o!yskowych (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 wzgl"du na wy!sz# zawarto$% manganu i krzemu ma wi"ksz# hartowno$% i

jest stosowana do wyrobu pier$cieni o!yskowych o wi"kszej grubo$ci (powy!ej 30 mm).

docsity.com

120 JW

Obróbka cieplna stali o!yskowych polega na hartowaniu w oleju od temperatur 815 860°C (zale!nie od grubo$ci wyrobu) i niskim odpuszczaniu w temperaturze ok. 160°C. Po obróbce cieplnej stal powinna mie% twardo$% co najmniej 61HRC.

Struktura stali o!yskowych w stanie obrobionym cieplnie sk ada si" z drobnoziarnistego odpuszczonego martenzytu i drobnych wtr#ce' równomiernie roz o!onych w"glików chromu (rys. 7.9).

Rys. 7.9. Mikrostruktura stali o!yskowej *H15 po hartowaniu i niskim odpuszczaniu. Traw. 3% nitalem Powi"ksz. 630x

Na o!yska toczne pracuj#ce w $rodowiskach powoduj#cych korozj" stosuje si" najcz"$ciej stal H 18 zawieraj#c# ok. 1% C i 18% Cr. Du!a zawarto$% chromu w tej stali jest niezb"dna, by nada% jej znaczn# odporno$% 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.

7.5. Stale narz$dziowe stopowe

Zale!nie od warunków pracy, od stali narz"dziowych wymaga si" wysokie twardo$ci i hartowno$ci, odporno$ci na $cieranie, odpowiedniej wytrzyma o$% i ci#gliwo$ci (zw aszcza w przypadku obci#!e' udarowych), odporno$ci na odpuszczaj#ce dzia anie ciep a oraz twardo$ci i wytrzyma o$ci w podwy!szonych temperaturach. W asno$ci te w decyduj#cej mierze zale!# od sk adu chemicznego tych stali rodzaju i ilo$ci dodatków stopowych), a tak!e od przeróbki plastycznej i obróbki cieplnej, które w istotny sposób wp ywaj# na struktur" i w asno$ci stali. Twardo$% stali zahartowanej zale!y przede wszystkim od zawarto$ci w"gla, przy czym maksymaln# twardo$% ok. 66 HRC osi#ga martenzyt przy zawarto$ci w"gla ok. 0,8%. Pierwiastki stopowe nie powi"kszaj# twardo$ci w sposób istotny, ale g ównie zwi"kszaj# hartowno$% i tworz# twarde w"gliki odporne na $cieranie. Wi"ksza hartowno$% jest wymagana w odniesieniu do stali narz"dziowych, szczególnie w

tych przypadkach, gdy podczas pracy narz"dzia wyst"puj# znaczne naciski. Wówczas warstwa zahartowana na martenzyt musi by% odpowiednio grubsza i potrzebna jest wi"ksza wytrzyma o$% rdzenia. Osi#ga si" to przez stosowanie stali narz"dziowych stopowych. Przy bardzo du!ych naciskach konieczne jest stosowanie stali hartuj#cych si" na wskro$. Narz"dzia wykonane ze stali stopowych hartuje si" w oleju. *agodniejsze ch odzenie (w porównaniu ze stalami narz"dziowymi w"glowymi, które hartuje si" w wodzie) zmniejsza niebezpiecze'stwo p"kni"% i odkszta ce', co jest bardzo istotne w przypadku narz"dzi o z o!onych kszta tach.

Wysoka odporno$% na $cieranie narz"dzi, zw aszcza stosowanych do obróbki w produkcji seryjnej lub jako narz"dzia pomiarowe, staje si" parametrem decyduj#cym. Odporno$% na $cieranie stali narz"dziowych osi#ga si" przez zwi"kszenie ilo$ci twardych w"glików stopowych w strukturze zahartowanej stali, a zw aszcza w"glików chromu (typu M23C6) i wolframu (M6C). Klasyfikacja stali narz"dziowych stopowych opiera si" g ównie na ich zastosowaniu. W szczególno$ci mo!na wyró!ni% nast"puj#ce grupy obj"te normami: - stale narz"dziowe stopowe do pracy na zimno (PN-86/H-85023), - stale narz"dziowe stopowe do pracy na gor#co (PN-86/H-85021), - stale szybkotn#ce (PN-86/H-85022).

docsity.com

121 JW

Przyj"ty przez polskie normy sposób oznaczania stali narz"dziowych stopowych ró!ni si" od oznacze' stali stopowych konstrukcyjnych. Znak stali sk ada si" z liter liczb, przy czym pierwsza litera oznacza zawsze grup" stali narz"dziowych:

N — stale narz"dziowe stopowe do pracy na zimno, W — stale narz"dziowe stopowe do pracy na gor#co, S — stale szybkotn#ce.

Nast"pna litera lub kilka liter okre$laj# sk adniki stopowe lub grup" sk adników, 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 znajduj#ca si" na ko'cu lub w $rodku znaku s u!y do odró!nienia poszczególnych gatunków stali zawieraj#cych te same sk adniki stopowe. W stalach szybkotn#cych liczby te oznaczaj# $redni# zawarto$% g ównego sk adnika stopowego w procentach.

7.5.1. Stale narz$dziowe stopowe do pracy na zimno

Ze stali narz"dziowych stopowych do pracy na zimno wykonuje si" narz"dzia s u!#ce do obróbki materia ów w temperaturze otoczenia. Stale te w porównaniu ze stalami narz"dziowymi w"glowymi maj# wi"ksz# hartowno$%, wy!sz# wytrzyma o$% i ci#gliwo$% oraz lepsz# odporno$% na $cieranie.

Polska Norma PN-86/H-85023 obejmuje 18 gatunków stali narz"dziowych 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 $redniow"glowymi o zawarto$ci 0,40 0,55% C. Pozosta e gatunki s# stalami wysokow"glowymi zawieraj#cymi 0,75 2,10% C. Stale $redniow"glowe znalaz y zastosowanie na narz"dzia, od których wymagana jest wi"ksza plastyczno$% i odporno$% na obci#!enia dynamiczne, jak np. matryce, stemple, t oczniki, rolki do prasowania, wybijaki itp. Stale wysoko-w"glowe stosowane s# g ównie do wyrobu narz"dzi skrawaj#cych.

Podstawowymi dodatkami stopowymi w stalach narz"dziowych do pracy na zimno s#: Cr, W, V oraz w stali NPW - Ni. Dodatki te nadaj# stali du!# hartowno$% i drobnoziarnist# struktur", zapewniaj# wysokie w asno$ci wytrzyma o$ciowe, a w szczególno$ci wysok# odporno$% na $cieranie wskutek tworzenia si" w"glików stopowych o du!ej twardo$ci i dyspersji. W"gliki te nie ulegaj# ca kowitemu rozpuszczeniu w czasie nagrzewania do hartowania, dzi"ki czemu przeciwdzia aj# rozrostowi ziarn austenitu, zapewniaj#c tym samym drobnoziarnisto$% stali.

Zale!nie 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

docsity.com

122 JW

si" w zasadzie niskie odpuszczanie w temperaturze 150 350°C. Stale wysokochromowe odpuszcza si" w nieco wy!szych temperaturach w zakresie 220 450°C. Stal NW9 hartuje si" z temperatury 1200°C i odpuszcza w temperaturze 500 560°C.

Twardo$% stali wysokow"glowych w stanie zahartowanym wynosi 60 68 HRC, natomiast stale $redniow"glowe maj# po hartowaniu twardo$% 50 57 HRC.

Nale!y podkre$li%, !e w asno$ci stali narz"dziowych stopowych po hartowaniu i odpuszczaniu zale!# w du!ej mierze od temperatury austenityzowania, z któr# $ci$le wi#!e si" stopie' nasycenia roztworu sta ego (austenitu) dodatkami stopowymi i pó&niejsze wydzielanie si" w"glików wtórnych podczas odpuszczania.

7.5.2. Stale narz$dziowe stopowe do pracy na gor#co

Ze stali narz"dziowych do pracy na gor#co wytwarza si" narz"dzia s u!#ce do przeróbki plastycznej materia ów uprzednio nagrzanych do wysokich temperatur oraz formy do odlewania metali pod ci$nieniem. W stanie nagrzanym przerabiane metale s# plastyczne, wi"c stale narz"dziowe do pracy na gor#co nie musz# mie% tak du!ej twardo$ci w temperaturze otoczenia jak stale do pracy na zimno. Wymagania stawiane stalom do pracy na gor#co to przede wszystkim wysoka wytrzyma o$% i twardo$% przy wy!szych temperaturach, wysoka udarno$%, stabilno$% struktury, odpowiednio wysoka hartowno$% oraz mo!liwie ma a sk onno$% do zm"czenia cieplnego i p"kni"% ogniowych. Odporno$% na $cieranie i erozj", któr# powoduje odkszta cony plastycznie metal, jest równie! wa!n# cech#, ale g ówn# przyczyn# zu!ywania si" narz"dzi s# p"kni"cia ogniowe.

Odpowiednie w asno$ci osi#ga si" przez stosowanie stali o stosunkowo niskiej zawarto$ci w"gla 0,25 0,60%, zawieraj#cych jako podstawowe dodatki stopowe wolfram, molibden, wanad i chrom, a tak!e czasem krzem i nikiel. Wolfram, molibden i wanad s# pierwiastkami silnie w"glikotwórczymi, które po rozpuszczeniu podczas austenityzacji i po zahartowaniu daj# podczas odpuszczania twardo$% wtórn# lub znacznie hamuj# spadek twardo$ci stali. Chrom silnie zwi"ksza hartowno$%, a przy wy!szych zawarto$ciach równie! odporno$% na utlenianie.

Polska Norma PN-86/H-85021 obejmuje 12 gatunków stali narz"dziowych stopowych do pracy na gor#co, 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$% w"gla w tych stalach wynosi $rednio 0,3 0,6%.

Obróbka cieplna stali do pracy na gor#co polega na hartowaniu w oleju lub na powietrzu z temperatury w zakresie 840 1160°C (zale!nie od gatunku stali) i nast"pnym odpuszczaniu w zakresie 400 600°C, tj. w temperaturach wy!szych ni! stali do pracy na zimno. Zapewnia to dobr# udarno$%, niezb"dn# ze wzgl"du na charakter pracy oraz twardo$% min 43 50 HRC. Temperatura odpuszczania stali powinna by% wy!sza od temperatury pracy, aby zapewni% stabilno$% struktury i w asno$ci.

Ze wzgl"du na zastosowanie, stale do pracy na gor#co mo!na podzieli% na trzy grupy. Do pierwszej nale!# stale, z których wykonuje si" matryce do pras i formy dla odlewów pod ci$nieniem. Wspóln# cech# tych zastosowa' jest stosunkowo d ugi kontakt gor#cego materia u z narz"dziem i zwi#zane z tym silniejsze nagrzewanie si" powierzchni pracuj#cej. S# to stale

docsity.com

123 JW

wolframowe (WWS1, WWV) i chromowo-molibdenowa (WCL). Zawarto$% w"gla w tych stalach jest stosunkowo niska (0,3 0,4%), co zapewnia ci#gliwo$%. Temperatura austenityzowania tych stali jest wysoka (950 1120°C) ze wzgl"du na konieczno$% rozpuszczania w"glików zawieraj#cych W, Mo, V, Cr.

Drug# grup" stanowi# stale u!ywane przede wszystkim na matryce kuzienne i kowad a do m otów (WNL, WNLV). Matryce maj# stosunkowo krótki kontakt z gor#c# odkuwk#, natomiast w czasie pracy wyst"puj# du!e naciski i uderzenia zwi#zane z kuciem, co wymaga materia u twardego, ale równocze$nie bardzo ci#gliwego. W stalach tych bardzo wa!na jest hartowno$%, poniewa! wymiary matryc cz"sto s# znaczne.

Do trzeciej grupy zalicza si" stale u!ywane na walce do walcowania na gor#co oraz na wk adki matrycowe do pras i ku&niarek, oraz stemple do wyciskania i sp"czania wyrobów ze stopów miedzi i aluminium.

7.5.3. Stale szybkotn#ce

Nazwa „stale szybkotn#ce" pochodzi st#d, !e s u!# one do wyrobu narz"dzi skrawaj#cych, pracuj#cych przy du!ych pr"dko$ciach skrawania lub przy du!ych przekrojach wióra. Praca w takich warunkach jest przyczyn# bardzo silnego rozgrzewania si" narz"dzia, nawet do temperatury czerwonego !aru, wskutek tarcia o skrawany materia . Stale w"glowe i niskostopowe w tych warunkach szybko trac# twardo$%, a narz"dzia t"pi# si", natomiast stale szybkotn#ce zachowuj# wysok# twardo$% do znacznie wy!szych temperatur (rys. 7.10). Wysok# twardo$% „na gor#co" oraz odporno$% na $cieranie nadaje stalom szybkotn#cym twarda i nie mi"kn#ca pod wp ywem odpuszczania osnowa, w której rozmieszczone s# twarde w"gliki.

Rys. 7.10. Twardo$% na gor#co ró!nych materia ów narz"dziowych: l — stal narz"dziowa w"glowa, 2 — stal szybkotn#ca, 3 — w"gliki spiekane

Podstawowymi sk adnikami stopowymi stali szybkotn#cych s# pierwiastki w"glikotwórcze: wolfram, wanad, chrom i molibden. Stale o najlepszych w asno$ciach zawieraj# równie! znaczne dodatki kobaltu.

Sk ad chemiczny stali szybkotn#cych produkowanych w kraju, podany jest w tabl. 7.12 (wg PN-86/H-85022).

Stale szybkotn#ce przyj"to zalicza% do tzw. stali ledeburytycznych, poniewa! w stanie odlanym w ich strukturze wyst"puje cz"$ciowo eutektyka, na skutek nie osi#gania stanu równowagi podczas krzepni"cia. Po przekuciu i wy!arzeniu struktura stali szybkotn#cych sk ada si" z ferrytu stopowego i mniej lub wi"cej równomiernie rozmieszczonych w"glików.

O 100 200 300 400 500 600 700 800

Temperatura, o C

docsity.com

124 JW

Tablica 7.12

Stale szybkotn#ce (wg PN-86/H-85022)

(rednia zawarto$%, %

(rednia tem- peratura,

o C

Twardo$% w stanie harto

wania i odpu

Znak

stali

C

Cr

W

Mo

V

Co

hart.

odp.

szczania HRC,

min

SW18 0,8 4,0 18,0 — 1,3 1250 560 64

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 narz"dzi ze stali szybkotn#cych polega na hartowaniu i odpuszczaniu. Do hartowania stale nagrzewa si" do wysokiej temperatury ok. 1160 1270°C (tabl. 7.12), aby zapewni% rozpuszczenie si" dostatecznie du!ej ilo$ci w"gla i sk adników stosowanych w austenicie, które tym samym, po hartowaniu zostan# w martenzycie. Ze wzgl"du na ma e przewodnictwo cieplne oraz wysok# temperatur" hartowania, nagrzewanie stali szybkotn#cej przy hartowaniu prowadzi si" stopniowo wg schematu przedstawionego na rys. 7.11.

Odpuszczanie po hartowaniu przeprowadza si" w temperaturze ok. 560°C, przy czym zabieg ten powtarza si" dwu- albo trzykrotnie (rys. 7.11); drugie i ewentualne trzecie odpuszczanie przeprowadza si" w temperaturze ni!szej o 20 30°C od pierwszego odpuszczania. Podczas odpuszczania zachodzi wydzielanie si" w"glików wtórnych z martenzytu oraz austenitu szcz#tkowego, który ubo!eje w dodatki stopowe i podczas studzenia od temperatury odpuszczania przemienia si" w martenzyt.

Czas

Rys. 7.11. Schemat obróbki cieplnej stali szybkotn#cej

W wyniku odpuszczania w temperaturze 550-570°C pojawia si" w tych stalach efekt twardo$ci wtórnej, tj. wzrost twardo$ci na skutek wydzielania si" z przesyconego roztworu metastabilnych w"glików typu M3C i MC. Struktur" o najkorzystniejszych w asno$ciach u!ytkowych, tzn. o wysokiej twardo$ci, bez austenitu szcz#tkowego i o odpowiedniej !arowytrzyma o$ci i ci#gliwo$ci, uzyskuje si" po wielokrotnym odpuszczaniu w ci#gu ok. 2 godzin (rys. 7.11). Struktura stali szybkotn#cej po hartowaniu i odpuszczaniu pokazana jest na rys. 7.12.

docsity.com

125 JW

Rys. 7.12. Mikrostruktura stali szybkotn#cej SW7M hartowanej i odpuszczonej. W osnowie drobnoiglastego martenzytu widoczne jasne w"gliki. Traw. 5% nitalem. Powi"ksz. 650x

7.6. Stale stopowe odporne na korozj$, %aroodporne, %arowytrzyma e i o specjalnych w asno!ciach fizycznych

7.6.1. Stale odporne na korozj" (nierdzewne i kwasoodporne) Odporno$% stali nierdzewnych na korozj" zwi#zana jest przede wszystkim z dzia aniem

chromu, który powi"ksza zdolno$% tzw. pasywacji stopów !elaza. Przej$cie w stan pasywny zaznacza si" skokow# zmian# potencja u elektrochemiczego metalu lub stopu na bardziej dodatni (rys. 7.13).

Rys. 7.13. Potencja elektrochemiczny stopów !elaza z chromem

Zjawisko pasywowania si" metali polega na pokrywaniu si" ich powierzchni bardzo cienk#, szczelnie przylegaj#c# i odporn# warstewk# tlenków, która chroni metal przed korozj#.

Pasywacja jest zjawiskiem zale!nym od sk adu chemicznego stopu i od zdolno$ci utleniania jak# maj# ró!ne $rodowiska. )elazo i mi"kka stal pasywuj# si" np. w st"!onym kwasie azotowym i w roztworach zwi#zków silnie utleniaj#cych. Pasywacja !elaza jest jednak bardzo nietrwa a. Natomiast niektóre metale o wi"kszym powinowactwie do tlenu pasywuj# si" atwiej, a ich stan pasywny jest znacznie trwalszy. Do takich metali nale!y chrom, którego odporno$% na korozj" zwi#zana jest w a$nie z atwo$ci# pasywowania si". Chrom ma t" w asno$%, !e przenosi sk onno$% do pasywacji równie! na stopy z innymi metalami. Stopy !elaza z chromem przy zawarto$ci powy!ej 13 14% Cr pasywuj# si" pod wp ywem tlenu zawartego w powietrzu, co zapewnia im odporno$% chemiczn#.

Podstawowym sk adnikiem wszystkich stali nierdzewnych jest wi"c chrom, przy czym jego zawarto$% winna wynosi% co najmniej 12% (rys. 7.13). Oprócz chromu w sk ad stali odpornych na korozj" cz"sto wchodzi nikiel jako drugi sk adnik podstawowy. Na podstawie sk adu chemicznego mo!na najogólniej podzieli% stale odporne na korozj" na: chromowe i chromowo- niklowe. Jednak cz"$ciej stosuje si" klasyfikacj" tych stali wed ug struktury i rozró!nia si" stale ferrytyczne, martenzytyczne i austenityczne.

docsity.com

126 JW

Stale chromowe ferrytyczne i martenzytyczne (nierdzewne).

Stale chromowe odporne na korozj", zale!nie od zawarto$ci chromu i w"gla, mog# by% ferrytyczne lub martenzytyczne.

W przypadku stali martenzytycznych wyst"puje w czasie nagrzewania ca kowita przemiana ferrytu w austenit, dzi"ki czemu mo!liwe jest hartowanie i powstawanie struktury martenzytycznej. Stale te hartuj# si" ju! w czasie ch odzenia na powietrzu i w a$nie 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 wzgl"dy stali ferrytycznych nie mo!na utwardza% przez obróbk" ciepln# (hartowanie).

W tablicy 7.13 podano sk ad chemiczny cz"$ciej stosowanych stali ferrytycznych i martenzytycznych (wg PN-71/H-86020).

W stalach ferrytycznych (w temperaturze otoczenia) ferryt stanowi osnow", ale oprócz niego wyst"puj# równie! cz"sto niewielkie ilo$ci w"glików, które rozpuszczaj#c si" w wy!szych temperaturach powoduj# tworzenie si" pewnej ilo$ci austenitu, a szybkie ch odzenie mo!e spowodowa% przemian" tego austenitu w martenzyt. Mikrostruktura stali ferrytycznej 0H13 z niewielk# ilo$ci# w"glików widoczna jest na rys. 7.14. Taki sam wp yw maj# równie! azot i nikiel, których ma e ilo$ci zawsze spotyka si" w tych stalach. Martenzyt, który powstaje po szybkim ch odzeniu od wysokiej temperatury, np. podczas spawania, jest przyczyn# krucho$ci i p"kni"% w strefie wp ywu cieplnego spoiny.

Tym niepo!#danym zjawiskom przeciwdzia a dodatek tytanu w ilo$ci wystarczaj#cej do zwi#zania w"gla i azotu, jak to ma miejsce np. w stali 0H17T (tabl. 7.13), albo dodatek pierwiastka stabilizuj#cego ferryt, jakim jest aluminium, np. w stali 0H13J (tabl. 7.13).

Tablica 7.1.

Stale chromowe odporne na korozj$: ferrytyczne i martenzytyczne (wg PN-71/H-08620)

Znak stali (rednia zawarto$%, %* (rednia temp, oC Struktura po

C

Cr

inne

sk adn hartów.

odp.

obróbce

cieplnej

Stale ferrytyczne

OH13

OH13J

H17

OH17T

0,08 max

0,08 max

0,10 max

0,08 max

13,0

13,0

17,0

17,0

AI0.2

Ti5XC

1025

750

ferryt

ferryt

ferryt

ferryt

Stale martenzytyczne

1H13

2H13

0,12 0,20

13,0

13,0

-

1000

1020

750

720

ferryt i perlit

sorbit

3H13

0,30

13,0

-

980

250

350

martenzyt

sorbit

650

4H13

0,40

13,0 - 1030 150

250

martenzyt

sorbit

600

H18

H17N2

2H17N2

1,0 0,14

0,20

18,0

17,0

17,0

Ni 2,0

Ni 2,0

1020

1000

1080

250 310 700

martenzyt

sorbit i ferryt

sorbit

* Zawarto$% Pmax ' 0,040, Smax ' 0,030.

docsity.com

127 JW

Na rysunku 7.15 pokazana jest mikrostruktura stali ferrytycznej 0H17T, z wyra&nie widocznymi w"glikami i azotkami tytanu.

Rys. 7.14. Mikrostruktura stali chromowej

0H13. Widoczne ziarna ferrytu i wydzielenia

wielkiej ilo$ci w"glików. Traw. elektrol. w kwasie szczawiowym. Powi"ksz. 150x

Rys. 7.15. Mikrostruktura stali chromowe

OH17T. Widoczne ziarna ferrytu i

wydzielenie w"glików i azotków tytanu. Traw. elektrol. w kwasie szczawiowym.

Powi"ksz. 150x

Najwi"ksz# odporno$% na korozj" i najwi"ksz# ci#gliwo$% wykazuj# stale ferrytczne w stanie wy!arzonym w ok. 800°C. Ich odporno$% chemiczna jest lepsza ni! stali martenzytycznych i wzrasta z zawarto$ci# chromu, dlatego stale o zawarto$ci 17% Cr s# bardziej odporne na korozj" ni! stale o zawarto$ci 13% Cr.

Stale ferrytyczne s# odporne na korozj" atmosferyczn#, z wyj#tkiem warunków szczególnie agresywnych, jak np. zanieczyszczona atmosfera przemys owa. S# do$% odporne na dzia anie kwasu azotowego i $rodowisk utleniaj#cych, s abych kwasów organicznych i ró!nych produktów !ywno$ciowych.

Stal 0H17T i H17 w stanie wy!arzonym (ok. 800°C) jest stosunkowo mi"kka i ci#gliwa, nadaje si" do t oczenia na zimno, w zwi#zku z czym gatunki te s# szeroko stosowane na naczynia kuchenne, aparaty w przemy$le spo!ywczym, elementy karoserii samochodowych itp.

Do najbardziej rozpowszechnionych stali martenzytycznych, tj. takich, które mo!na hartowa% na martenzyt, nale!# stale o zawarto$ci 13% Cr i 0,1-0,45% w"gla, stale o zawarto$ci ok. 17% Cr, 2% Ni i ok. 0,2% w"gla oraz stal zawieraj#ca 18% Cr i ok. 1% w"gla (tabl. 7.13). Stale 1H13, 2H13, 3H13 hartuje si" od temperatury 950-1050°C. Temperatura odpuszczania wynosi zwykle 600-700°C.

Stale 4H13 i H18 s# stosowane w stanie hartowanym i odpuszczanym, ale przy stosunkowo niskiej temperaturze ok. 200°C, poniewa! chodzi o mo!liwie du!# twardo$%.

Mikrostruktura stali H18 w stanie zahartowanym pokazana jest na rys. 7.16. Widoczne s# skupienia du!ych pierwotnych w"glików chromu oraz rozsiane ma e w"gliki w osnowie drobnego martenzytu.

Stale H17N2 i 2H17N2 ze wzgl"du na wy!sz# zawarto$% chromu maj# lepsz# odporno$% chemiczn# ni! stale z zawarto$ci# 13% Cr. Dodatek niklu w tych stalach rozszerza zakres wyst"powania austenitu i umo!liwia osi#gni"cie jednofazowej struktury podczas austenityzowania.

Stale 1H13, 2H13 i 3H13 s# u!ywane w stanie ulepszonym cieplnie na silnie obci#!one cz"$ci maszyn, które musz# by% odporne na korozj", oraz na przedmioty gospodarstwa domowego. Stal 2H17N2 jest do$% odporna na dzia anie wody morskiej i ma zastosowanie w budowie okr"tów. Stal 4H13 jest u!ywana na no!e. spr"!yny i narz"dzia, a stal H18 na o!yska kulkowe odporne na korozj", na elementy maszyn odporne na $cieranie pracuj#ce np. w $rodowisku wodnym, na no!e chirurgiczne, narz"dzia skrawaj#ce, przyrz#dy pomiarowe itp.

docsity.com

128 JW

Rys. 7.16. Mikrostruktura stali H18 (1%

C, 18% Cr). Widoczne skupienia du!ych pierwotnych w"glików chromu oraz drobne w"gliki na tle osnowy martenzytycznej. Traw. elektrol. w kwasie

szczawiowym. Powi"ksz. 500x

Rys. 7.17. Mikrostruktura austenitycznej

stali kwasoodpomej OH18N9 w stanie

przesyconym. Widoczne ziarna austenitu z

bli&niakami rekrystalizacji. Traw. elektrol. w kwasie szczawiowym. Powi"ksz. 150x

Stale martenzytyczne s# odporne na dzia anie kwasu azotowego, szeregu kwasów organicznych i produktów spo!ywczych. Na korozj" atmosferyczn# s# odporne po% warunkiem braku agresywnych zanieczyszcze' w powietrzu. Odporno$% chemiczne tych stali zale!y ponadto od g adko$ci powierzchni.

Austenityczne stale chromowo-niklowe (kwasoodporne).

Stale austenityczne odporne na korozj" s# w zasadzie stalami chromowo-niklowymi o niskiej zawarto$ci w"gla. Dodatek niklu w ilo$ci ok. 8% do niskow"glowych stali chromowych zawie- raj#cych ok. 18%Cr zwi"ksza ich odporno$% na korozj" i na dzia anie kwasów podwy!sza wytrzyma o$% i udarno$%. Du!y dodatek niklu powoduje, !e stale te maj# struktur" austenityczn#. Mikrostruktura tego typu stali pokazana jest na rys 7.17. Ze wzgl"du na dobr# odporno$% na dzia anie wielu kwasów stale te s# równie! nazywane kwasoodpornymi.

Stale zawieraj#ce 18% Cr i 8% Ni oznaczane popularnie znakiem 18/8, zyska y ogromne znaczenie praktyczne. Wi"kszo$% dzi$ stosowanych gatunków stali kwasoodpornych stanowi modyfikacj" tego podstawowego sk adu.

Ze wzgl"du na niebezpiecze'stwo korozji mi"dzykrystalicznej, zawarto$% w"gla w stalach 18/8 powinna by% jak najni!sza. Na rysunku 7.18 przedstawiony jest przekrój przez uk ad Fe-Cr-Ni-C dla sta ej zawarto$ci 18% Cr i 8% Ni, przy zmiennej zawarto$ci w"gla, ilustruj#cy zakres jednorodnego roztworu i granice rozpuszczalno$ci w"glików M23C6. Przy powolnym ch o- dzeniu, np. w stali o zawarto$ci 0,1% C, cz"$% w"gla pozostaje w roztworze sta ym w austenicie, cz"$% za$ wydziela si" w postaci w"glików (Cr, Fe)23C6 bogatych w chrom, zgodnie z krzyw# rozpuszczalno$ci.

Stal o jednofazowej strukturze austenitycznej, bez

wydzielonych w"glików, mo!na otrzyma% przez przesycanie od temperatury 1050 1100°C z ch odzeniem w wodzie. W temperaturze 1050 1100°C w"gliki roz- puszczaj# si" w austenicie, natomiast szybkie ch odzenie zapobiega ich wydzielaniu. Po takiej obróbce cieplnej stal

18/8 jest najbardziej odporna na korozj", gdy! stanowi materia jednofazowy. Natomiast podczas wygrzewania stali 18/8 w temperaturze 500 800°C na granicach ziarn

nast"puje wydzielanie si" w"glików chromu typu M23C6, zawieraj#cych zwykle co najmniej 60% Cr. Jest to szczególnie niekorzystne, gdy! w wyniku tego procesu stal staje si" sk onna do korozji

Rys. 7.18. Fragment uk adu równowagi Fe-Cr-Ni-C.

Przekrój dla zawarto$ci 18% Cr i 8% Ni

docsity.com

129 JW

mi$dzykrystalicznej. W $rodowisku korozyjnym atakowane s# szczególnie granice ziarn. Ilustruje to rys. 7.19 przedstawiaj#cy skorodowan# powierzchni" blachy ze stali 18/8. Ten rodzaj korozji jest bardzo niebezpieczny, gdy! niszczy materia w g #b, nie pozostawiaj#c wyra&nych $ladów na powierzchni. Stal traci wytrzyma o$% i plastyczno$% i nie daje metalicznego d&wi"ku przy uderzeniu.

Zjawisko korozji mi"dzykrystalicznej mo!na wyt umaczy% zubo!eniem granic ziarn w chrom na skutek wydziele' w"glików chromu, które zarodkuj# prawie wy #cznie na granicach ziarn. W temperaturze powy!ej 500°C szybko$% dyfuzji w"gla jest wi"ksza od szybko$ci dyfuzji chromu, w zwi#zku z czym w"giel potrzebny dla tworz#cych si" w"glików chromu na granicach ziarn pochodzi z ca ego ziarna, podczas gdy chrom - tylko z zewn"trznej warstewki w pobli!u granic ziarn. Zawarto$% chromu w pobli!u granic ziarn mo!e wi"c spa$% poni!ej 12%, co stanowi minimum konieczne dla pasywacji (rys. 7.20). W tych warunkach rozpuszczanie

zubo!a ej w chrom warstewki mo!e post"powa% bardzo szybko nawet w roztworach, na które stal 18/8 normalnie jest odporna.

Stale typu 18/8 stosuje si" najcz"$ciej w stanie przesyconym (od temp. 1050 1100°C) i w tym stanie niebezpiecze'stwo korozji mi"dzykrystalicznej nie istnieje. Jednak w budowie aparatów chemicznych, zbiorników, ruroci#gów itp. stosuje si" powszechnie spawanie. Sama spoina i jej najbli!sze s#siedztwo stygn# szybko od wysokich temperatur. W strefie wp ywu cieplnego spoiny znajduj# si" jednak zawsze obszary, które podczas spawania nagrzewaj# si" tylko do niebezpiecznego zakresu temperatur, tj. do 500 800°C. W tych obszarach mo!e nast"powa% wydzielanie w"glików chromu na granicach ziarn i mo!liwe jest wyst"powanie korozji mi"dzykrystalicznej

Rys. 7.19. Korozja mi"dzykrystaliczna auste- nitycznej stali chromowo-niklowej. Próbka

nietrawiona. Powi"ksz. 600x

Rys. 7.20. Schemat zmian koncentracji

chromu w pobli!u granicy ziarna, spowodowany wydzielaniem si" w"glików chromu typu M23C6. Materia w takim stanie jest wra!liwy na korozj" mi"dzykrystaliczna

Obszary te le!# zwykle w odleg o$ci kilku do kilkunastu milimetrów od spoiny. Zjawisko to stanowi o pocz#tkowo powa!n# trudno$% w stosowaniu stali 18/8. Obecnie istnieje szereg sposobów opracowanych w celu zapobiegania korozji mi"dzykrystalicznej. Najwa!niejsze z nich to:

a) przesycanie,

b) stabilizacja,

c) zmniejszenie zawarto$ci w"gla. Pierwszy z tych sposobów, o którym ju! wspomniano, jest najprostszy i polega na

zastosowaniu przesycania od temperatury 1050-1100°C spawanego przedmiotu. Sposób ten

jednak jest ograniczony do przedmiotów o ma ych rozmiarach. Drugi sposób polega na wprowadzeniu do stali dodatków tytanu lub niobu, w ilo$ci

wystarczaj#cej do zwi#zania w"gla w postaci w"glików. Ti i Nb wykazuj# silniejsze powinowactwo do w"gla ni! chrom i tworz# bardzo trwa e w"gliki TiC i NbC, które nie rozpuszczaj# si" w austenicie w normalnie stosowanych temperaturach przesycania, co utrudnia tworzenie si" w"glików chromu. Stale takie nazywa si" stabilizowanymi. Normy przewiduj# zawarto$% tytanu równ# co najmniej 5-krotnej zawarto$ci w"gla, a niobu co najmniej 10-krotnej

docsity.com

130 JW

(tabl. 7.14), S# to ilo$ci wi"ksze ni! potrzeba do zwi#zania w"gla, ale tytan i niob wi#!# równie! azot, którego zawarto$% w tych stalach wynosi zwykle 0,01 0,02% i dlatego dodatki tych pierwiastków oblicza si" z pewn# rezerw# na zwi#zanie azotu.

Tablica 7.14

Stale austenityczne odporne na korozj$ wg PN-71/H-86020

Znak stali Sk ad chemiczny, %

C Cr Ni inne sk adniki

00H18N10 max 0,03 17,0+19,0 10,0+12,5 —

0H18N9 max 0,07 17,0-19,0 9,0+11,0 -

1H18N9 max 0,12 17,0+19,0 8,0-10,0 -

0H18N10T max 0,08 17,0+19,0 9,0-11,0 Ti5xC 0,7

1H18N9T max 0,10 17,0+19,0 8,0+10,0 Ti5xC 0,8 1H18N12T max 0,10 17,0-19,0 11,0+13,0 Ti5xC 0,8

0H18N12Nb max 0,08 17,0-19,0 10,0+13,0 Nb10xC 1,1 00H17N14M2 max 0,3 16,0---18,0 12,0+15,0 Mo 2,0 2,5

H17N13M2T max 0,08 16,0+18,0 11,0+14,0 Ti 5xC0 ,7

H18N10MT

max 0,10

17,0+11,0

9,0+11,0

Mo 1,5 2,2

Ti5xC 0,8

Mo 3,0 4,0

0H17N16M3T

max 0,08

16,0+18,0

14,0+16,0

Ti 0,3 0,6

Mn 7,0-9,0

0H17N4G8 max 0,07 16,0+18,0 4,0+5,0 N 0,12 0,25

1H17N4G9 max 0,12 16,0+18,0 3,5+4,5 Mn 8,0 10,5

N 0,15 0,25

00H18N5M3S max 0,03 17,0+19,0 4,5+5,5 Mo 3,0 4,0**

Si 1,0 2,0

*' Zawarto$% Mn max 2,0 z wyj#tkiem stali 0H17N4G8 i 1H17N4G9, zawarto$% Si max 0,8, zwarto$% P max 0,045, zawarto$% S max 0,030.

** Stal OOH18N5M3S nie jest uj"ta w normie PN-71/H-86020.

Trzecim sposobem (najskuteczniejszym) zapobiegania korozji mi"dzykrystalicznej jest obni!enie zawarto$ci w"gla do 0,02 0,03%. Zastosowanie tego sposobu sta o si" mo!liwe dopiero po opanowaniu metod wytapiania stali o tak niskiej zwarto$ci w"gla. Obni!enie zawarto$ci w"gla wywo uje niestabilno$% austenitu pojawienie si" ferrytu. Aby tego unikn#%, powi"ksza si" zawarto$% niklu z 8 9% do 10 13%. To samo dotyczy stali stabilizowanych tytanem lub niobem (tabl. 7.14).

Oprócz korozji mi"dzykrystalicznej stale austenityczne 18/8 ulegaj# równie! korozji w!erowej i napr"!eniowej.

Korozj$ w%erow# wywo uj# g ównie jony chloru, bromu, jodu, fluoru i inne. Powoduj# one lokaln# depasywacj" powierzchni, na skutek czego miejsca pozbawione warstwy ochronnej staj# si" anod# wobec pasywnej powierzchni i w miejscach tych rozpuszczanie si" metalu zachodzi bardzo szybko. Korozji w!erowej zapobiega w pewnym stopniu dodatek molibdenu. Stosuje si" dodatki w ilo$ci 2 4% Mo. Mikrostruktura stali z dodatkiem Mo widoczna jest na rys. 7.21. Ze wzgl"du na ferrytyzuj#cy wp yw molibdenu (dodatek Mo sprzyja powstawaniu struktury ferrytycznej) powi"ksza si" w tych stalach zawarto$% niklu. Na przyk ad gdy dodatek Mo wynosi 3-4%, zawarto$% niklu dochodzi do 16% (stal OH17N16M3T, tabl. 7.14).

Stale austenityczne s# równie! wra!liwe na korozj$ napr$%eniow#. Warunkiem jej wyst#pienia jest równoczesne dzia anie napr"!e' rozci#gaj#cych i $rodowiska korozyjnego, g ównie roztworów chlorków magnezu, wapnia, sodu, roztworów alkalicznych i in.

docsity.com

131 JW

Wi"ksz# odporno$% na korozj" napr"!eniow# wykazuj# stale austenityczne o znacznie zwi"kszonej zawarto$ci niklu oraz stale o strukturze cz"$ciowo ferrytycznej, co z kolei wymaga obni!enia zawarto$ci niklu. Przyk adem jest stal 00H18N5M3S (tabl. 7.14) o strukturze austenityczno-ferrytycznej (rys. 7.22).

Rys. 7.21. Mikrostruktura austenitycznej stali

chromowo-niklowej z dodatkiem molibdenu i

tytanu (H17N12M2T). Widoczne ziarna

austenitu z bli&niakami rekrystalizacji oraz wydzieleniami w"glików Mo i Ti oraz azotków Ti. Traw. elektrol. w kwasie szczawiowym.

Powi"ksz. 150x

Rys. 7.22. Austenityczno-ferrytyczna struktura

stali 00H18N5M3S o zwi"kszonej odporno$ci na korozj" napr"!eniow#. Traw. elektrol. w kwasie szczawiowym. Powi"ksz. 150x

Najskuteczniejsze s# jednak takie $rodki, które pozwalaj# na unikni"cie napr"!e' lub obróbka powierzchni wywo uj#ca napr"!enia $ciskaj#ce w warstwie wierzchniej.

Najwa!niejsze gatunki stali austenitycznych odpornych na korozj" zestawiono w tabl. 7.14. Stale 0H17N4G8 i 1H17N4G9 s# gatunkami oszcz"dno$ciowymi, w których nikiel zast#piono cz"$ciowo manganem i azotem. Odporno$% tych stali na korozj" mi"dzykrystaliczn# jest porównywalna ze stalami 0H18N9 i 1H18N9. Nadaj# si" one do g "bokiego t oczenia i s# stosowane g ównie w przemy$le spo!ywczym, w architekturze, do wyrobu przedmiotów gospodarstwa domowego itp.

Szczegó owe dane dotycz#ce odporno$ci na korozj" stali austenitycznych w ró!nych $rodowiskach podane s# w specjalnych tablicach, wykazach i normach PN-71/H-86020). W praktyce jednak odporno$% tych stali wymaga skrupulatnego sprawdzenia przed ich zastosowaniem, zw aszcza w $rodowiskach szczególnie agresywnych.

Stale austenityczne w stanie przesyconym (od temp. 1050 1100°C, ch odzenie w wodzie) s# stosunkowo mi"kkie i bardzo ci#gliwe, Rm wynosi ok. 500 700 MPa, a wyd u!enie A powy!ej 40%. Umowna granica plastyczno$ci R02 wynosi ok. 200 250 MPa. Obni!enie zawarto$ci w"gla poni!ej 0,03% powoduje obni!enie Rm do 450 650 MPa i R0,2 do 180 MPa.

Ta stosunkowo niska wytrzyma o$% powoduje cz"sto konieczno$% stosowania grubszych $cianek w elementach konstrukcyjnych. Zwi"kszenie wytrzyma o$ci tych stali mo!na uzyska% przez zwi"kszenie zawarto$ci azotu bez szkodliwego wp ywu na odporno$% chemiczn#. Inn# mo!liwo$ci# powi"kszenia granicy plastyczno$ci i wytrzyma o$ci stali austenitycznych jest zgniot (rys. 7.23). Sposób ten

stosuje si" zw aszcza do cienkich blach i ta$m walcowanych na zimno. Na tej drodze istnieje

mo!liwo$% uzyskania wytrzyma o$ci na rozci#ganie ok. 1200 MPa, przy zachowaniu wystarczaj#cej ci#gliwo$ci.

Rys. 7.23. Zmiana w asno$ci mechanicznych stali austenitycznej (18% Cr, 8% Ni, 0,2% C) pod wp ywem zgniotu)

docsity.com

132 JW

7.6.2. Stale %aroodporne i %arowytrzyma e

Stale przeznaczone do pracy w podwy!szonych temperaturach powinny si" odznacza% odporno$ci# na korozyjne dzia ania gazów, zw aszcza utleniaj#cych, czyli powinny by% !aroodporne. Od stali tych wymaga si" równie!, aby by y !arowytrzyma e tj. aby wykazywa y znacznie wy!sze w asno$ci wytrzyma o$ciowe w wysokich temperaturach w porównaniu z innymi stalami.

Szybko$% utleniania !elaza i stali niskostopowych wzrasta gwa townie powy!ej ok. 560 oC na skutek tworzenia si" tlenku FeO (wustytu), który umo!liwia szybk# dyfuzj" tlenu do !elaza i dalsze jego utlenianie.

Podstawowymi pierwiastkami stopowymi, które chroni# stal przed utlenianiem s#: Cr, Al i Si. Pierwiastki te maj# wi"ksze powinowactwo do tlenu ani!eli !elazo i tworz# szczelne warstewki tlenków Cr2O3, Al2O3 SiO2, które utrudniaj# dyfuzj" tlenu w g #b metalu. Im wy!sza temperatura pracy danego elementu, tym wi"ksza jest potrzebna zawarto$% pierwiastka stopowego dla zapewnienia !aroodporno$ci.

Na rysunku 7.24 przedstawiono wp yw zawarto$ci chromu na %aroodporno!" stali. Jak wida%, wp yw na !aroodporno$% ma równie! struktura stali. Przy tej samej zawarto$ci chromu stale austenityczne s# nieco bardziej !aroodporne ni! stale ferrytyczne.

Rys.7.24. Wp yw zawarto$ci chromu na !aroodporno$% stali; l - stale austenityczne, 2 - stale ferrytyczne

Wzrost %arowytrzymalo!ci, która jest zwi#zana przede wszystkim z wysok# odporno$ci# na pe zanie, powoduj# dodatki stopowe podwy!szaj#ce temperatur" topnienia i rekrystalizacji stali, a wi"c: Mo, W, C, Co oraz Ti, Cr i Si. Równie! bardziej korzystna jest struktura austenityczna stali, co wynika m.in. z wy!szej temperatury rekrystalizacji austenitu. Ponadto na podwy!szenie !arowytrzyma o$ci znacznie wp ywa wzrost wielko$ci ziarna i wydzielanie faz o du!ej dyspersji (utwardzanie dyspersyjne).

Ze wzgl"du na zastosowanie i struktur" w$ród stali przeznaczonych do pracy w podwy!szonych temperaturach mo!na wyró!ni% kilka grup. Zasady znakowania tych stali s# analogiczne, jak stali stopowych konstrukcyjnych i stali odpornych na korozj".

Stale %arowytrzyma e stosowane do budowy kot ów i turbin parowych.

S# to na ogó stale ulepszane cieplnie, które po ch odzeniu na powietrzu mog# mie% struktur" ferrytyczno-perlityczn#, perlityczno-bainityczn#, martenzytyczn#, martenzytyczno- ferrytyczn# itp. W wi"kszo$ci s# to stale niskostopowe (z wyj#tkiem martenzytycznych, które zawieraj# ok. 12% Cr) o ma ej i $redniej zawarto$ci w"gla (0,10 0,35%). Po ulepszaniu cieplnym, które ko'czy si" wysokim odpuszczaniem struktura wi"kszo$ci tych stali sk ada si" z ferrytu i w"glików stopowych. Polska norma PN-75/H-84024 obejmuje 26 gatunków stali

docsity.com

133 JW

stopowych przeznaczonych do pracy w podwy!szonych temperaturach, stosowanych w budowie kot ów parowych i wodnych, zbiorników ci$nieniowych, turbin, ruroci#gów pary i wody oraz innych urz#dze' energetycznych. Stale te maj# nast"puj#ce oznaczenia, z których wynika ich orientacyjny sk ad chemiczny: 19G2, 16M, 20M, 15HM, 20HM, 10H2M 12HMF, 13HMF, 15HMF, 20MF, 21HMF, 20HMFTB, 15HCuMNb, 23H2MF 24H2MF, 26H2MF, 30H2MF,

22H2NM, 33H2NMJ, 20H3MWF, 32HN3M 34HN3M, 15H11MF, 15H12WMF, 20H12M1F,

23H12MWF.

Wszystkie te stale, z wyj#tkiem czterech ostatnich zawieraj#cych po ok. 12% Cr (stale martenzytyczne), s# stalami niskostopowymi. Dobre w asno$ci mechaniczne w podwy!szonych temperaturach uzyskuje si" przede wszystkim dzi"ki zawarto$ci molibdenu i wanadu, i utwardzaniu wydzieleniowemu w"glikami. Temperatura d ugotrwa ej pracy tych stali wynosi, zale!nie od gatunku 400 600°C. Górna granica ich zastosowania nie mo!e przekracza% 600°C, poniewa! powy!ej tej temperatury szybko$% dyfuzji w"gla i pierwiastków stopowych wzrasta, nast"puje koagulacja w"glików i zanik utwardzenia, co powoduje obni!enie napr"!e' wywo uj#cych odkszta cenia plastyczne, i wzrost szybko$ci pe zania. Ponadto temperatura 600°C jest dla tych stali (z wyj#tkiem wysokochromowych) krytyczna ze wzgl"du na gwa towny wzrost szybko$ci utleniania.

Rys. 7.25. Wytrzyma o$% na rozci#ganie ró!nych stopów !arowytrzyma ych w zale!no$ci od

temperatury badania; l - stal konstrukcyjna niskostopowa chromowo-niklowa, 2 -

stal !arowytrzyma a ferrytyczna, 3 - stal !arowytrzyma a austenityczna, 4 - !arowytrzyma y stop na osnowie niklu

Z tego wzgl"du do pracy w wy!szych temperaturach lub w warunkach powoduj#cych intensywn# korozj" gazow# stosuje si" stale wysokostopowe ferrytyczne du!ej zawarto$ci chromu lub austenityczne chromowo-niklowe, wykazuj#ce wy!sz# odporno$% na utlenianie.

Stale wysokochromowe ferrytyczne.

Stale te charakteryzuj# si" wysok# !aroodporno$ci#, któr# zapewnia du!a zawarto$% chromu oraz dodatki Al i Si (tabl. 7.15). Natomiast !arowytrzyma o$% tych stali jest stosunkowo niska i z tego wzgl"du s# one stosowane na nisko obci#!one elementy pracuj#ce w wysokich temperaturach, jak np. cz"$ci !aroodporne kot ów parowych, pojemniki do wy!arzania, szyny, ko paki i rury do pieców przemys owych, cz"$ci aparatury do destylacji siarki, cz"$ci gazogeneratorów itp.

Stale austenityczne chromowo-niklowe. Odznaczaj# si" równie! wysok# !aroodporno$ci# jak stale ferrytyczne wysokochromowe, natomiast s# bardziej !arowytrzyma e i dlatego mog# by% stosowane na cz"$ci obci#!one mechanicznie, pracuj#ce w wysokich temperaturach (rys. 7.25). Sk ad chemiczny tych stali podano w tabl. 7.15. Wysok# odporno$% na utlenianie zapewnia znaczna zawarto$% chromu (16 26%) i dodatek krzemu (1 2,5%). Na !aroodporno$% wp ywa dodatnio tak!e nikiel, który nadaje stali struktur" austenityczn#. Obróbka cieplna stali austenitycznych polega na przesycaniu od temperatur 1050 1150°C w wodzie lub w powietrzu

docsity.com

134 JW

(elementy o ma ym przekroju o grubo$ci do 2 mm). Stale o wi"kszej zawarto$ci niklu (20 36%) s# stosowane na cz"$ci aparatury i urz#dze' pracuj#cych pod bardzo silnym obci#!eniem mechanicznym w wysokich temperaturach.

Stale zaworowe. Zawory w silnikach spalinowych pracuj# w bardzo trudnych warunkach. Nara!one s# na dzia anie wysokich temperatur dochodz#cych w przypadku zaworów wylotowych do 900°C, zaworów wlotowych - do 500°C, a jednocze$nie s# silnie obci#!one mechanicznie na skutek uderzenia o gniazda zaworów i nara!one na $cieranie w prowadnicach i w miejscach styku z popychaczami. Ponadto na zawory dzia aj# spaliny cz"sto zawieraj#ce tlenki o owiu, które powoduj# siln# korozj". W tablicy 7.15 podano gatunki stali zaworowych produkowane w kraju. Dwa pierwsze H9S2 i

H10S2M s# to tzw. silchromy, czyli stale chromowo-krzemowe, które mo!na hartowa% na martenzyt. Temperatura austenityzowania wynosi dla tych stali ok. 1050°C. Hartowanie

przeprowadza si" w oleju, a nast"pnie odpuszcza si" w zakresie 750 850°C. Silchromy wykazuj# do$% wysok# !arowytrzyma o$% do ok. 700°C. Powy!ej tej temperatury wytrzyma o$% zaczyna jednak do$% szybko spada%. Stale te s# stosowane g ównie na wylotowe oraz wlotowe zawory silników spalinowych samochodowych i motocyklowych.

Stale %aroodporne i %arowytrzyma e (wg PN-71/H-86022) Tablica 7.15

(rednia zawarto$%, % )aroodpo Struktura po Znak stali rno$% w obróbce

Inne powietrzu cieplnej

C Si Cr Ni sk adnik do temp. °C

H5M 0,15* 0,50* 5,0 0,5* Mo0,5 650 ferryt i perlit

H6S2 0,15* 1,75 6,0 0,6* 800 ferryt i perlit 2H17 0,15* 1,2* 17,0 0,6* 850 ferryt H13JS 0,12* 1,15 13,0 0,5* AI0.9 950 ferryt H18JS 0,12* 0,9 18,0 0,5* AI1,0 1050 ferryt H24JS 0,12* 1,45 24,0 0,5* Al 1,4 1200 ferryt H25T 0,15* 1,0* 25,0 0,6* Ti(4xC) 1100 ferryt

H26N4 0,20* 2,5* 26,0 4,5 1100 ferryt i austenit

H18N9S 0,15 1,5* 18,0 9,5 850 austenit H23N13 0,20* 1,0* 23,0 13,5 1050 austenit H20N12S2 0,20* 2,2 20,0 12,0 1050 austenit H23N18 0,20* 1,0* 23,0 18,5 1050 austenit H25N20S2 0,20* 2,5 25,0 19,5 1150 austenit

H18N25S2 0,35 2,5 18,0 25,0 1100 austenit H16N36S2 0,15* 1,7 16,0 36,0 1100 austenit

Stale zaworowe

H9S2 0,40 2,5 9,0 0,60* 850 sorbit

H10S2M 0,40 2,2 10,0 0,50* Mo0,8 900 sorbit 4H14N14W 0,45 0,8* 14,0 14,0 W 2,5 900 austenit i w"gliki

Mo 0,35 50H21G9N 0,50 0,5* 21,0 4,0 N0,45 900 austenit i w"gliki

* Zawarto$% maksymalna

Dwa nast"pne gatunki (4H14N14W2M i 50H21G9N4) s# to stale austenityczne, które w zakresie temperatury 800 900°C wykazuj# jeszcze wystarczaj#c# wytrzyma o$% i s# stosowane w trudniejszych warunkach pracy: stal 4H14N14WZM na najbardziej obci#!one zawory wylotowe i wlotowe silników lotniczych, a stal 50H21G9N4, która wykazuje dobr# odporno$% na korozj" powodowan# przez tlenki o owiu - na najbardziej obci#!one zawory wylotowe silników samochodowych. Struktura obu tych stali sk ada si" z austenitu i w"glików. Mo!na je utwardza% wydzieleniowo, stosuj#c przesycanie od temperatury 1100 1150°C i starzenie w temperaturze 700 750°C przez kilkana$cie godzin. Jednak stal 4H14N14WZM ze wzgl"du na

docsity.com

135 JW

niebezpiecze'stwo rozrostu ziarn w czasie nagrzewania do przesycania i niekorzystne wydzielanie si" w"glików na granicach ziarn w czasie starzenia, cz"$ciej jest stosowana tylko po kuciu w zakresie temperatury 1150 900°C i wy!arzaniu zmi"kczaj#cym w temperaturze ok. 850°C.

7.6.3. Stale stopowe o szczególnych w asno!ciach fizycznych

Do tej grupy stali mo!na zaliczy% stale o specjalnych w asno$ciach magnetycznych (s# omówione w rozdziale dotycz#cym materia ów magnetycznych), stale oporowe, stopy !elaza o specjalnej rozszerzalno$ci cieplnej i inne. Jako materia y o du!ym oporze elektrycznym u!ywane s# stale chromowo-niklowe i chromowo-aluminiowe. Stosuje si" je g ównie na oporniki oraz elementy grzejne pieców przemys owych i laboratoryjnych i innych urz#dze'. Stale oporowe Cr-Ni zawieraj# ok. 20% Ni i 20%Cr, 60% Fe oraz dodatki Mn i Si (1 2%). Temperatura pracy wynosi maksymalnie ok. 1000°C.

Stale oporowe Cr-Al s# to stale ferrytyczne zawieraj#ce 12-27% Cr i 3-7% Al. W kraju produkowane s# z nast"puj#cymi oznaczeniami: H13J4, H17J5, H25J5, 0H25J5. Ze wzrostem zawarto$ci chromu odporno$% na utlenianie zwi"ksza si" coraz bardziej. Górne temperatury stosowania tych stali wynosz# odpowiednio 850-1200°C. Wad# tych stali jest to, !e po pewnym okresie pracy staj# si" kruche i p"kaj# przy próbach zginania; z tego wzgl"du elementy grzejne umieszcza si" w specjalnych obudowach o kszta tach dostosowanych do okre$lonych wymaga'. Jako stopy o specjalnej rozszerzalno$ci cieplnej znalaz y zastosowanie g ównie stopy Fe-Ni. Zale!nie od zawarto$ci niklu warto$% wspó czynnika rozszerzalno$ci cieplej a tych stopów zmienia si" w granicach l ,2 20,0 (10 -6 °C -1. Najni!szy wspó czynnik z tej grupy stopów ma stop o zawarto$ci ok. 36% Ni nosz#cy nazw" inwaru.

Stopy Fe-Ni z dodatkiem 6 12% Cr odznaczaj# si" tym, !e ich modu spr"!ysto$ci podczas nagrzewania zmienia si" bardzo ma o, czyli maj# sta # spr"!ysto$% nie zmieniaj#c# si" z temperatur#. Jednym ze stopów tego typu jest tzw. elinwar stosowany na spr"!yny do dok adnych przyrz#dów pomiarowych.

Wspó czynnik rozszerzalno$ci cieplnej podobny do wspó czynnika niektórych szkie ma stop o zawarto$ci 54% Fe, 28% Ni i 18% Co nosz#cy nazw" femico, który jest stosowany do wtapiania przej$% elektrycznych w ró!nych przyrz#dach i lampach. Istnieje równie! szereg odmian tych stopów o podobnych w asno$ciach.

7.7. Staliwa w$glowe i stopowe

Staliwo jest to stop !elaza z w"glem i innymi pierwiastkami, zawieraj#cy do oko o 2,0% w"gla, otrzymywany w procesach stalowniczych w stanie ciek ym odlewany do form odlewniczych. Odlewy takie mog# by% u!ywane bezpo$rednio po zakrzepni"ciu bez obróbki cieplnej lub mog# by% obrabiane cieplnie, wzgl"dnie poddawane obróbce cieplno-chemicznej.

Jako materia konstrukcyjny staliwo wykazuje wiele zalet, ma lepsze w asno$ci wytrzyma o$ciowe i plastyczne w porównaniu z !eliwem, a tak!e dobr# spawalno$% zw aszcza niskow"glowe i niskostopowe). Wykazuje jednak gorsze w asno$ci odlewnicze ze wzgl"du na skurcz dochodz#cy do 2% i wysok# temperatur" topnienia dochodz#c# do 1600°C.

7.7.1. Staliwa w$glowe konstrukcyjne ogólnego przeznaczenia

Polska norma PN-ISO 3755:1994 wymienia 8 gatunków staliw w"glowych konstrukcyjnych ogólnego przeznaczenia. Gatunki te oznacza si" dwiema liczbami trzycyfrowymi lub dwiema liczbami trzycyfrowymi i liter# W: 200-400, 200-400W, 230-450, 230-450W, 270-480, 270- 480W, 340-550, 340-550W. Pierwsza liczba oznacza wymagan# minimaln# warto$% Re lub Rg, w MPa, a druga - minimaln# wytrzyma o$% na rozci#ganie Rm równie! w MPa. Gatunki zawieraj#ce na ko'cu liter" W maj# dodatkowo okre$lon# maksymaln# zawarto$% poszczególnych pierwiastków (czyli tzw. ograniczony sk ad chemiczny), w celu zapewnienia dobrej (jednolitej) spawalno$ci.

Staliwa, których oznaczenie nie zawiera litery W, nie maj# obowi#zuj#cego sk adu chemicznego poza fosforem (max 0,035%) i siark# (max 0,035%). Natomiast gatunki z liter# W

docsity.com

136 JW

maj# max 0,25% C i zró!nicowan# w zale!no$ci od gatunku zawarto$% Mn od max 1,00% do max 1,50%, oraz okre$lon# maksymaln# zawarto$% pozosta ych pierwiastków (jednakowa dla tych gatunków): ' 0,60% Si, ' 0,035% P, ' 0,035% S, ' 0,40% Ni, ' 0,35% Cr, ' 0,40% Cu, ^ '

0,15% Mo i ' 0,05% V.

Wytrzyma o$% na rozci#ganie Rm zale!y od gatunku staliwa i zawiera si" w granicach od 400 550 MPa do 550 700 MPa, a wyd u!enie Amin odpowiednio - od 25% do 15%.

Staliwa w"glowe konstrukcyjne ogólnego przeznaczenia mog# by% obrabiane cieplnie. Zwykle poddaje si" je normalizowaniu, wy!arzaniu zupe nemu lub wy!arzaniu odpr"!aj#cemu.

7.7.2. Staliwa stopowe

Staliwa stopowe, podobnie jak stale, zawieraj# specjalnie wprowadzone dodatki stopowe, które nadaj# im okre$lone w asno$ci. Sposób znakowania gatunków staliw stopowych jest analogiczny, jak stali stopowych konstrukcyjnych, z t# ró!nic#, !e w przypadku staliw na pocz#tku znaku znajduje si" litera L. Za liter# L znajduj# si" cyfry okre$laj#ce $redni# zawarto$% w"gla w setnych procentu, nast"pnie litery symbole) analogiczne jak w przypadku stali stopowych konstrukcyjnych rozdz. 7.4.3), które okre$laj# pierwiastki stopowe, i cyfry, które podaj# $redni# zawarto$% danego pierwiastka w procentach. Je!eli zawarto$% pierwiastka stopowego nie przekracza $rednio 2%, to podaje si" tylko litery stanowi#ce symbole tego pierwiastka.

Staliwa stopowe ze wzgl"du na zastosowanie dziel# si" na:

Staliwa stopowe konstrukcyjne — Polska Norma PN-H/83156:1997 obejmuje 23 gatunki

staliw tej grupy o nast"puj#cych oznaczeniach: L20G, L35G, L15GM, L30GS, L35GM, L35GN, L30H, L40H, L17HM, L25HM, L25HN, L35HM, L40HF, L30HMF, L30HGNM, L35HGS,

L35HNM, L20HN3M, L30H2N2M, 35H2MF, L12H13, L12H13N4M, L0H13N4M. W normie

podany jest sk ad chemiczny poszczególnych gatunków i ich w asno$ci mechaniczne. Wytrzyma o$% na rozci#ganie Rm powy!szych staliw w stanie normalizowanym zawiera si" w graniach od 450 do 800 MPa, a w stanie ulepszonym cieplnie po normalizowaniu – od 450 do

1200 MPa.

Staliwa do pracy w podwy%szonych temperaturach — PN-89/H-83157 (9 gatunków: L20, L16M, L20M, L20HM, L18H2M, L15HMF, L18HM, L21HMF, L17HMF). Staliwa te

charakteryzuj# si" okre$lonymi w asno$ciami mechanicznymi okre$lon# granic# pe zania w zakresie temperatury do 600°C.

Staliwa stopowe odporne na korozj$ (nierdzewne i kwasoodporne) charakteryzuj#ce si" zwi"kszon# odporno$ci# na dzia anie korozyjne atmosfery, kwasów oraz niektórych o$rodków korozyjnych - PN-86/H-83158 (14 gatunków). Ze wzgl"du na zawarto$% pierwiastków stopowych i struktury osnowy rozró!nia si" nast"puj#ce staliwa odporne na korozj": - chromowe martenzytyczne (LOH13, LH14, LH14N),

- chromowo-niklowe austenityczne (LH18N9, LH18N9T, LH16N5G6),

- chromowo-niklowo-molibdenowe austenityczne (LH18N10M2, L0H18N10M2, L0H18N9M,

LH18N10M2T),

- chromowo-niklowe austenityczno-ferrytyczne (L0H12N4M, LH21N5, LH12N5M, LH21N5T).

Wszystkie gatunki staliwa odpornego na korozj" mog# by% spawane. Zastosowanie tych staliw jest podobne jak stali nierdzewnych i kwasoodpomych o podobnym sk adzie chemicznym.

Staliwa %aroodporne i %arowytrzyma e - PN-90/H-83159 (9 gatunków). Staliwo !aroodporne charakteryzuje si" odporno$ci# na bezpo$rednie dzia anie p omienia lub spalin w wysokich temperaturach. Staliwo !arowytrzyma e wykazuje w wysokich temperaturach wy!sze w asno$ci wytrzyma o$ciowe ni! inne staliwa pracuj#ce w tych temperaturach.

Gatunki LH18S2, LH26, LH29S2G, LH26N4S2 s# wysokochromowymi staliwami !aroodpornymi przeznaczonymi do pracy przy ma ych obci#!eniach. Zawarto$% w"gla jest wysoka (1,3 1,5%C, z wyj#tkiem LH26 - 0,5% C). Struktura tych staliw sk ada si" z perlitu i

docsity.com

137 JW

w"glików lub ferrytu i w"glików. Staliwo LH29S2G s# ponadto bardzo odporne na $cieranie w wysokich temperaturach.

Gatunki LH17N8G, LH19N14G, LH23N18G, LH25H19S2, LH17N37S2G s# chromowo- niklowymi staliwami !arowytrzyma ymi i !aroodpornymi, o strukturze austenitycznej. Obróbka cieplna i zastosowanie tych staliw s# analogiczne jak austenitycznych stali !arowytrzyma ych. Stosowane s# one równie! jako kwasoodporne w podwy!szonych temperaturach.

Staliwa odporne na !cieranie - PN-88/H-83160 (12 gatunków: L20HGSNM, L25SHNM, L30HGN2M, L35GSM, L40GM, L40H3T, L100AGM, L40HM, [20G13, L120G13H,

L120G13T oraz L30GS wg PN-87/H-83156). Stosowane s# wyj#tkiem L120G13, L120G13T i L120G13H) w stanie normalizowanym i ulepszonym na: korpusy sprz"gie , elementy czerpaków, koparek, ko a z"bate, cz"$ci maszyn budowlanych, ogniwa g#sienicowe, p yty pancerne, szcz"ki do kruszarek ko a jezdne do suwnic itp. Staliwa L120G13, L120G13H i L120G13T (wysokow"glowe i wysokomanganowe) maj# struktur" austenityczn# i s# szczególnie odporne na zu!ycie. Stosowane s# w stanie przesyconym najcz"$ciej na rozjazdy kolejowe, g#sienice traktorowe i cz"$ci amaczy i kruszarek. Staliwa narz$dziowe - PN-90/H-83161. Norma obejmuje 18 gatunków staliw do pracy na zimno i gor#co: L150HSM, L155HNM, L180HNM, L200HNM. L200HSNM, L70H2GNM, L90HMF, L120H21NM, L180H20F, L35H17N2M. L40H5MF, L45HN2MF, L65HNM,

L75HMF, L100H2M, L120HWMF. L120HNMF, L210H21S. Staliwa te stosuje si" w stanie obrobionym cieplnie, aby zapewni% odpowiedni# twardo$%.

7.8. &eliwa w$glowe

)eliwami w"glowymi nazywa si" odlewnicze stopy !elaza z w"glem, zawieraj#ce teoretycznie powy!ej 2,06% C, a praktycznie 2,5 4,5% C. Poza tym !eliwa te podobnie jak stale, zawsze zawieraj# pewne ilo$ci krzemu, manganu, fosforu i siarki pochodzenia metalurgicznego. W przeciwie'stwie do stali, wi"kszo$% !eliw odznaczaj# si" nisk# plastyczno$ci#. W"giel w !eliwach mo!e wyst"powa% w dwóch postaciach: b#d& w stanie wolnym jako grafit,

b#d& w postaci zwi#zanej w cementycie. W zale!no$ci od tego rozró!nia si" !eliwa szare, które niezale!nie od struktury osnowy (ferrytycznej, perlitycznej lub ferrytyczno-perlitycznej) zawieraj# wydzielenia grafitu, oraz !eliwa bia e, w których w"giel wyst"puje prawie wy #cznie w postaci cementytu. Nazwy te zwi#zane z kolorem ich prze omów. Niekiedy spotyka si" !eliwa po owiczne, które miejscami maj# budow" !eliw szarych, a miejscami - bia ych. Struktura !eliw zale!y zarówno od ich sk adu chemicznego (rys. 7.26), jak szybko$ci

krystalizacji metalu, co jest zwi#zane z grubo$ci# $cianek odlewu.

Rys. 7.26. Wp yw zawarto$ci w"gla i krzemu na struktur" !eliw (odlewy piaskowe o grubo$ci $cianek oko o 30 mm)

Krzem, którego zawarto$% w !eliwach waha si" od 0,3 do 5%, sprzyja tworzeniu grafitu. Zmieniaj#c zawarto$% krzemu mo!na otrzyma% ró!ne rodzaje !eliw, ca kowicie odmienne

docsity.com

138 JW

zarówno pod wzgl"dem struktury, jak i w asno$ci, od !eliwa bia ego do ferrytycznego szarego. Proces grafityzacji u atwiaj# równie! takie pierwiastki, jak mied& i nikiel. Mangan utrudnia proces grafityzacji, sprzyjaj#c tworzeniu si" cementytu. Podobnie dzia a siarka, której zawarto$% w !eliwach nie mo!e przekracza% 0,08 0,12% (w zale!no$ci od wielko$ci odlewów), poniewa! pogarsza ona w asno$ci odlewnicze i zwi"ksza krucho$%. Poza tym do pierwiastków przeciwdzia aj#cych grafityzacji nale!# mi"dzy innymi chrom, wolfram, molibden i wanad. Wa!nym sk adnikiem !eliw jest fosfor, który zwi"ksza ich rzadkop ynno$% dzi"ki tworzeniu eutektyki fosforowej, nie oddzia uj#c w wyra&nym stopniu na proces grafityzacji.

7.8.l. &eliwa szare

Najwi"ksze zastosowanie przemys owe maj# jak dot#d !eliwa szare. W !eliwach i grafit wyst"puje w postaci nieregularnych p atków ró!nej wielko$ci, tworz#c nieci#g o$ci w osnowie metalicznej (rys. 7.27). Wytrzyma o$% grafitu w porównaniu z wytrzyma o$ci# tej osnowy mo!na przyj#% za równ# zeru, st#d te! !eliwa szare odznaczaj# si" nisk# wytrzyma o$ci# na rozci#ganie i zginanie, przy do$% dobrej wytrzyma o$ci na $ciskanie. Równie! wytrzyma o$% zm"czeniowa !eliw jest niewielka, ze wzgl"du na istnienie wspomnianych karbów naturalnych. Z tego samego powodu !eliwa szare s# ma o wra!liwe na dzia anie wad powierzchniowych, wszelkiego rodzaju karbów konstrukcyjnych itp.

Rys. 7.27, Struktura !eliwa szarego nie trawionego. Widoczne p atki grafitu.

Powi"ksz. 100x

Rys. 7.28. Struktura !eliwa szarego ferrytyczno-perlitycznego z wyra&nie widoczn# eutektyk# fosforow# (jasne, kropkowane obszar. Traw. 5% roztworem

alkoholowym HN03. Powi"ksz. 500x

G ówn# zalet# !eliwa szarego s# przede wszystkim dobre w asno$ci odlewnicze przejawiaj#ce si" wysok# rzadkop ynno$ci#, dobrym wype nianiem form, ma y skurczem odlewniczym (-1%) itd. Inne zalety zwi#zane z obecno$ci# wydziel"-grafitu to: dobre w asno$ci przeciwcierne i zdolno$% t umienia drga'. Dodatkowi zalet# tych !eliw jest niska cena. Grafit, b"d#cy jednym z g ównych sk adników strukturalnych !eliw szarych, jest rozmieszczony w osnowie ferrytycznej, ferrytyczno-perlitycznej lub perlityczne przy czym ferryt

jest tu nie tylko roztworem sta ym w"gla w !elazie a, lecz tak!e roztworem krzemu oraz ewentualnie innych pierwiastków w !elazie a i dlatego nosi nazw" krzemoferrytu. Oczywi$cie perlit jest w przypadku !eliw mieszanin# krzemoferrytu i cementytu.

Charakterystycznym sk adnikiem strukturalnym !eliw szarych jest potrójna eutektyka fosforowa, zwana niekiedy steadytem. W temperaturze powstawania sk ada si" ona z cementytu (Fe3C), fosforku !elaza (Fe3P) i austenitu, w temperatura pokojowej - z cementytu, fosforku !elaza oraz produktów przemiany eutektoidalnej austenitu (perlitu, cementytu wtórnego i trzeciorz"dowego).

Przy wi"kszej zawarto$ci siarki w strukturze !eliw szarych uwidaczniaj# si" równie! siarczki manganu w postaci lekko niebieskawych wieloboków.

Struktur" !eliwa szarego o osnowie ferrytyczno-perlitycznej pokazano na rys. 7.28. Oprócz grafitu p atkowego i sk adników osnowy wyra&nie wida% potrójn# eutektyk" fosforow# w postaci jasnych, kropkowanych obszarów o charakterystycznych kszta tach.

docsity.com

139 JW

)eliwa szare zgodnie z PN-92/H-83101 dziel# si" na gatunki, przy czym podstaw# podzia u jest wytrzyma o$% na rozci#ganie, okre$lana na próbkach o $rednicy pomiarowej 20 mm, wytoczonych z oddzielnie odlewanych wlewków próbnych.

Polska Norma podaje 6 gatunków !eliwa szarego z okre$lon# minimaln# wytrzymania na rozci#ganie, a mianowicie: 100, 150, 200, 250, 300 i 350 (trzycyfrowa liczba oznacza min. Rm w MPa). Ni!sze warto$ci odnosz# si" do !eliw o strukturze ferrytycznej, wy!sze - do !eliw o strukturze perlitycznej. Wytrzyma o$% i twardo$% zes ane na próbkach wykonanych z wlewków próbnych ró!ni# si" od wytrzymali i twardo$ci odlewów, gdy! w asno$ci te w istotny sposób zale!# od grubo$ci $cianek odlewów, zmniejszaj#c si" z jej wzrostem. Na przyk ad !eliwo szare gatunek 100, ze zwi"kszaniem grubo$ci $cianek odlewu, wykazuje wytrzyma o$% na rozci#ganie 120 90 MPa, a !eliwo gatunku 350 – 315 270 MPa. W przypadku wymaganej dobrej obrabialno$ci i odporno$ci odlewów na $cieranie !eliwa szare klasyfikuje si" na podstawie twardo$ci, przy czym ustala si" 6 klas twardo$ci oznaczaj#cych przewidywan# $redni# twardo$% HB w okre$lonym miejscu odlewu (tabl. 7.16). Przewidywane zakresy twardo$ci HB dla ró!nych grubo$ci $cianki odlewu podano w tabl. 7.17.

.

Klasy twardo!ci %eliw szarych (wg PN-92/H-83101) Tablica 7.16

Klasa twardo$ci Zakres twardo$ci odlewu HB

H 145 max 170

H 175 150-200

H 195 170-200

H 215 190-240

H 235 210-260

H 255 230-280

Dla !eliw szarych istniej# ustalone empirycznie zale!no$ci mi"dzy twardo$ci# i wytrzyma o$ci# na rozci#ganie w przypadkach, gdy:

Rm ) 196 MPa, wówczas HB = RH (100 + 0,438)Rm

Rm < 196 MPa, wówczas HB = RH (100 + 0,724)Rm

Czynnik RH, czyli tzw. twardo$% wzgl"dna, zmienia si" w granicach 0,8 1,2 w zale!no$ci od materia u wyj$ciowego, procesu topienia i rzeczywistego procesu metalurgicznego. W poszczególnych odlewniach mo!na ustali% warto$% czynnika RH na prawie sta ym poziomie i w takich przypadkach, mierz#c twardo$% HB na powierzchni odlewu, mo!na okre$li% jego wytrzyma o$% na rozci#ganie wykorzystuj#c podane zale!no$ci.

Tablica 7.17

Orientacyjne zakresy twardo!ci %eliw szarych dla ró%nych grubo!ci !cianki odlewu (wg PN-92/H-83101)

Twardo$% HB Gatunek 2,5 5 5 10 Grubo$%

$cianki, mm 20 40 40 80

350 280-200 260-185

300 280-200 255-180 240-165

250 280-200 250-180 235-160 220-145

200 <280 260-170 230-150 210-135 190-120

150 260-170 225-140 205-125 185-110 170-100

100 <210 <185 <175 <160 <150

docsity.com

140 JW

Dzi"ki swym zaletom, !eliwa szare s# materia em konstrukcyjnym powszechnie stosowanym w przemy$le maszynowym, kolejowym, samochodowym i in. (np. na korpusy maszyn, p yty fundamentowe, pier$cienie t okowe, b"bny hamulcowe, tuleje cylindrowe, armatur").

Odmian# !eliw szarych s# !eliwa modyfikowane, zawieraj#ce bardzo drobny grafit p atkowy. To rozdrobnienie grafitu uzyskuje si" przez dodanie do !eliwa przed odlaniem tzw. modyfikato- ra, najcz"$ciej w postaci sproszkowanego !elazokrzemu. )eliwa modyfikowane maj# wy!sz# wytrzyma o$% ni! !eliwa zwyk e.

7.8.2. &eliwa sferoidalne

)eliwami sferoidalnymi nazywa si" !eliwa, w których grafit wydziela si" podczas krzepni"cia w postaci kulek.

Otrzymuje si" je w wyniku procesu modyfikacji, który polega na wprowadzeniu do metalu - bezpo$rednio przed jego odlewaniem - niewielkiego dodatku magnezu (w stopie z niklem lub miedzi#).

Struktura osnowy !eliw sferoidalnych, podobnie jak struktura osnowy zwyk ych !eliw szarych, mo!e by% ferrytyczna (rys. 7.29), ferrytyczno-perlityczna, perlityczno-ferrytyczna lub perlityczna (rys. 7.30).

)eliwa sferoidalne s# w Polsce znormalizowane (PN-92/H-83123), przy czym podstaw# klasyfikacji s# ich w asno$ci mechaniczne. Polska Norma podaje dwie odr"bne klasyfikacje !eliw sferoidalnych. Pierwsza - opiera si" na w asno$ciach mechanicznych okre$lanych na próbkach wyci"tych z wlewków próbnych oddzielnie odlewanych. Wed ug tej klasyfikacji rozró!nia si" 9 gatunków !eliw (tabl. 7.18). Oznaczenie poszczególnych gatunków sk ada si" z liczby okre$laj#ce minimaln# wytrzyma o$% na rozci#ganie w MPa oraz liczby okre$laj#cej minimalne wyd u!enie w procentach. Na przyk ad oznaczenie 400-15 oznacza !eliwo sferoidalne o Rm min. 400 MPa i wyd u!eniu A5 min. 15%.

Rys. 7.29. Struktura !eliwa sferoidalnego ferrytycznego. Widoczne kuliste wydzielenia

grafitu na tle ferrytycznej osnowy. Traw. 5%

roztworem alkoholowym HNO3. Powi"ksz. 200x

Rys. 7.30. Struktura !eliwa sferoidalnego perlitycznego. Widoczne kuliste wydzielenia

grafitu w otoczce ferrytycznej na tle

perlitycznej osnowy. Traw. 5% roztworem

alkoholowym HNO3. Powi"ksz. 200x

Druga klasyfikacja opiera si" na w asno$ciach mechanicznych okre$lanych na próbkach wykonanych z wlewków próbnych tzw. przylanych (odlewanych razem z odlewem). W tym

przypadku, w oznaczeniu gatunku za liczb# okre$laj#c# minimalne wyd u!enie podaje si" liter" A, np. 400-15A. Ta klasyfikacja zawiera 6 garnków !eliw o wytrzyma o$ci na rozci#ganie 320- 700 MPa, granicy plastyczno$ci 210 400 MPa, wyd u!eniu 15 2% i twardo$ci HB 130 320. Dodatkowa klasyfikacja (równie! zawarta w PN) oparta na twardo$ci mierzonej na samych odlewach rozró!nia 9 gatunków oznaczanych liter# H i podaje $redni# twardo$% HB danego gatunku, np. H330, H150 itd.

Niezale!nie od przyj"tej klasyfikacji, wy!sza wytrzyma o$% i twardo$% odpowiada perlitycznej strukturze osnowy, wy!sza plastyczno$% - strukturze ferrytycznej.

docsity.com

141 JW

Gatunki i w asno!ci mechaniczne %eliw sferoidalnych (wg PN-92/H-83123) Tablica 7.18

Gatunek

!eliwa Rm

min

R0,2 min

A5 min

Twardo$% HB

Struktura osnowy

900-2 900 600 2 280-360 bainit lub martenzyt odpuszczony

800-2 800 480 2 245-335 perlit lub struktura.odpuszczona

700-2 700 420 2 225-305 perlit

600-3 600 370 3 190-270 perlit + ferryt

500-7 500 320 7 170-230 perlit + ferryt

450-10 450 310 10 160-210 ferryt

400-15 400 250 15 130-180 ferryt

400-18 400 250 18 130-180 ferryt

350-22 350 220 22 <150 ferryt

)eliwo sferoidalne zast"puje z powodzeniem nie tylko staliwo, lecz równie! niektóre odkuwki stalowe. Wytwarza si" z niego takie cz"$ci silników samochodowych, jak wa y wykorbione, wa ki rozrz#dcze, cylindry i pier$cienie t okowe. W budowie obrabiarek !eliwo sferoidalne wykorzystuje si" na ko a z"bate, wrzeciona, korpusy itd.

7.8.3. &eliwa bia e

)eliwa bia e ze wzgl"du na zawarto$% w"gla dziel# si" na: podeutektyczne, eutektyczne i nadeutektyczne.

Struktura !eliwa podeutektycznego (o zawarto$ci w"gla poni!ej 4,3%), zgodnie z uk adem równowagi !elazo-cementyt (p. rozdz. 3), sk ada si" w temperaturze 1147°C z austenitu i ledeburytu. W miar" obni!ania temperatury z austenitu wydziela si" cementyt wtórny. W temperaturze 723°C nast"puje przemiana austenitu w perlit, a ledeburytu - w ledeburyt przemieniony. Przy dalszym och adzaniu stopu do temperatury pokojowej, w miar" zmniejszania si" rozpuszczalno$ci w"gla w !elazie a, wydziela si" cementyt trzeciorz"dowy (w bardzo ma ej ilo$ci). W rezultacie, w temperaturze pokojowej struktura !eliwa bia ego podeutektycznego sk ada si" z perlitu, cementytu i ledeburytu przemienionego (rys. 7.31).

Struktura !eliwa eutektycznego (zawieraj#cego 4,3% C) w temperaturze 1147°C sk ada si" z ledeburytu, a w temperaturze pokojowej - z ledeburytu przemienionego.

Struktura !eliwa bia ego nadeutektycznego (zawieraj#cego ponad 4,3% w"gla) sk ada si" w temperaturze 1147°C z ledeburytu i cementytu pierwszorz"dowego (pierwotnego) krystalizuj#cego w postaci grubych igie , w temperaturze pokojowej — z ledeburytu przemienionego i cementytu pierwotnego (rys. 7.32).

Rys. 7.31. Struktura !eliwa bia ego podeutek- tycznego. Na tle przemienionego ledeburytu

widoczne ciemne kryszta y perlitu z wydzie- lonym cementytem wtórnym. Traw. 5% roz-

tworem alkoholowym HNO3. Powi"ksz. 100x

Rys. 7.32. Struktura !eliwa bia ego nadeutek- tycznego. Na tle przemienionego ledeburytu

widoczne jasne, iglaste kryszta y cementytu pierwszorz"dowego. Traw. 5% roztworem al- koholowym HNO3. Powi"ksz. 100x

docsity.com

142 JW

)eliwa bia e, jako materia konstrukcyjny, prawie nie maj# bezpo$redniego zastosowania technicznego, natomiast powierzchniowa warstwa !eliwa bia ego na !eliwie szarym, powstaj#ca przez tzw. zabielenie (tj. szybkie lokalne och odzenie odlewu), jest cz"sto stosowana w celu zwi"kszenia odporno$ci materia u na $cieranie. Tak# tward# warstw" w !eliwie otrzymuje si" umieszczaj#c w formie tzw. och adzalniki, czyli odpowiednie wk adki metaliczne szybko odprowadzaj#ce ciep o. Zabielenie !eliwa szarego stosuje si" czasem w przypadku mniej odpowiedzialnych prowadnic korpusów maszyn, bie!ni kó wagoników roboczych itp.

)eliwo bia e jest materia em wyj$ciowym przy wytwarzaniu przedmiotów z !eliwa ci#g ego.

7.8.4. &eliwa ci#gliwe

)eliwami ci#gliwymi nazywa si" !eliwa bia e, które wskutek d ugotrwa ego (rz"du kilkudziesi"ciu godz.) wy!arzania w wysokiej temperaturze (ok. 1000°C) ulegaj# okre$lonemu uplastycznieniu, dzi"ki odw"gleniu lub grafityzacji lub obu tym procesom #cznie. W zale!no$ci od sposobu przeprowadzania tej obróbki otrzymuje si": - )eliwa ci#gliwe bia e, przez wy!arzanie !eliw bia ych w $rodowisku utleniaj#cym, np. w rudzie !elaza. Podczas wy!arzania znaczna cz"$% w"gla zawartego w !eliwie utlenia si", a w warstwie powierzchniowej grubo$ci 1,5 2 mm zachodzi zupe ne odw"glenie. Przy och adzaniu zazwyczaj nie wygrzewa si" !eliwa w temperaturze poni!ej temperatury przemiany, w wyniku czego w metalicznej osnowie rdzenia zachowuje si" znaczna ilo$% perlitu. Przy powierzchni odlewu !eliwo to wykazuje matowobia # barw" prze omu (ferryt) przechodz#c# agodnie w srebrzyst# bli!ej $rodka $cianki odlewu (perlit). - )eliwa ci#gliwe czarne, przez wy!arzanie !eliw bia ych w $rodowisku oboj"tnym. W czasie tego wy!arzania cementyt zawarty w !eliwie rozpada si", a wydzielaj#cy si" z niego w"giel w postaci grafitu tworzy skupienia zwane w"glem !arzenia. Struktura !eliwa w temperaturze wy!arzania sk ada si" wi"c z austenitu i w"gla !arzenia. Kolejnym zabiegiem jest bardzo wolne ch odzenie, warunkuj#ce zachodzenie przemian fazowych zgodnie ze stabilnym uk adem równowagi !elazo-grafit (z austenitu zamiast cementytu wydziela si" grafit). W efekcie, w temperaturze pokojowej otrzymuje si" !eliwo, którego struktura sk ada si" ze skupie' grafitu (w"gla !arzenia) rozmieszczonych w ferrytycznej osnowie (rys. 7.33). Du!a ilo$% wydziele' grafitu wywo uje ciemn# barw" prze omu. - )eliwa ci#gliwe perlityczne, przez wy!arzanie !eliw bia ych w $rodowisku oboj"tnym, lecz bez doprowadzania do ko'ca procesu grafityzacji (szybsze ch odzenie poni!ej temperatury przemiany, dzi"ki czemu w strukturze zachowuje si" cz"$% cementytu). W wyniku uzyskuje si" !eliwo o osnowie perlitycznej lub perlityczno-ferrytycznej i srebrzystej barwie prze omu.

W procesie produkcji !eliwa ci#gliwego bardzo wa!nym czynnikiem jest uzyskanie w odlewie !eliwa ca kowicie bia ego, poniewa! cz"$ciowa grafityzacja podczas krzepni"cia i utworzenie si" w !eliwie p atków grafitu zak ócaj# zachodz#ce w czasie wy!arzania grafityzuj#cego powstawanie zwartych skupie' grafitu. W zwi#zku z tym zawarto$% pierwiastków wchodz#cych w sk ad !eliwa ci#gliwego musi mie$ci% si" w stosunkowo w#skich granicach.

Zazwyczaj sk ad chemiczny !eliwa ci#gliwego jest nast"puj#cy: 2,4 2,8 % w"gla, 0,8 1,4% krzemu, do 1% manganu, do 0,1% siarki i do 0,2 % fosforu.

Rys. 7.33. Struktura !eliwa ci#gliwego czarnego. Na tle ferrytu widoczne wydzielenia w"gla !arzenia. Traw. 5% roztworem alkoholowym HN03. Powi"ksz. 100x

docsity.com

143 JW

)eliwa ci#gliwe s# w Polsce znormalizowane (PN-92/H-83221), przy czym norma rozró!nia 4 gatunki !eliwa ci#gliwego bia ego (tabl. 7.19), 3 - !eliwa ci#gliwego czarnego i 7 - !eliwa ci#gliwego perlitycznego (tabl. 7.20). Oznaczenie poszczególnych gatunków sk ada si" z liter i cyfr. Litery oznaczaj#: W - !eliwo ci#gliwe bia e, B - !eliwo ci#gliwe czarne, P - !eliwo ci#gliwe perlityczne. Po literze oddzielonej odst"pem podawane s# dwie cyfry oznaczaj#ce minimaln# wytrzyma o$% na rozci#ganie w MPa próbki o $rednicy 12 mm podzielon# przez 10, a nast"pnie, oddzielone znakiem pauzy, dwie cyfry oznaczaj#ce minimalne wyd u!enie A3 wyra!one w %. Je$li warto$% wyd u!enia jest mniejsza ni! 10%, pierwsz# cyfr# jest 0. Przyk adowe oznaczenia !eliw ci#gliwych: W 35—04, B 32—10, P 65—02. )eliwo ci#gliwe odznacza si" dobr# skrawalno$ci#, du!# odporno$ci# na dzia anie dymu i kwa$nej wody kopalnianej. Wykonuje si" z niego odlewy o du!ej wytrzyma o$ci, dobrej plastyczno$ci, obrabialno$ci i odporno$ci na uderzenia, gdy! #czy w sobie dobre w asno$ci odlewnicze !eliwa z dobrymi w asno$ciami mechanicznymi staliwa

Tablica 7.19

W asno!ci mechaniczne i twardo!" %eliw ci#gliwych bia ych (wg PN-92/H-83221)

Oznaczenie

gatunku

(rednica próbki mm

R min

MPa

Rmin

MPa

A5

min

Twardo$% HB max

9 340 5 W 35-04 12 350 - 4 230

15 360 - 3

9 320 170 15

W 38-12 12 380 200 12 200 ; 15 400 210 8 9 360 200 8

W 40-05 12 400 220 5 220 15 420 230 4 9 400 230 10

W 45-07 12 450 260 7 220 15 480 290 4

Jest szeroko stosowane w przemy$le maszyn rolniczych, samochodowym, obrabiarkowym, w kolejnictwie itp

Tablica 7.20

W asno!ci mechaniczne i twardo!" %eliw ci#gliwych czarnych i perlitycznych (wg PN-92/H-83221)

Oznaczenie

gatunku

Rm

min

R0,2

min MPa

A5

min

Twardo$% HB

B 30-06 300 - 6 max 150

B 32-12 320 190 12 max 150

B 35-10 350 200 10 max 150

P 45-06 450 270 6 150-200

P 50-05 500 300 5 160-220

P 55-04 550 340 4 180-230

P 60-03 600 390 3 200-250

P 65-02 650 430 2 210-260

P 70-02 700 530 2 240-290

P 80-01* 800 600 1 270-310

* Hartowanie w oleju, a nast"pnie odpuszczanie.

docsity.com

144 JW

7.9. &eliwa stopowe

)eliwami stopowymi nazywa si" !eliwa zawieraj#ce dodatkowo pierwiastki takie jak nikiel, chrom, molibden, aluminium, tytan, wanad, mied&, wolfram, bor lub zwi"kszone ilo$ci krzemu i manganu. Dobór ww. sk adników oraz ich wzajemne stosunki ilo$ciowe decyduj# o w asno$ciach wytrzyma o$ciowych !eliw stopowych, ich odporno$ci na $cieranie i dzia anie $rodowisk korozyjnych oraz na oddzia ywane utleniaj#cych atmosfer w wysokich temperaturach. Polska Norma PN-88/H-83144 podaje 48 gatunków !eliw stopowych dziel#cych si", w zale!no$ci od w asno$ci i zastosowania, na 3 grupy: !aroodporne, odporne na korozj" i odporne na $cieranie. )eliwo stopowe oznacza si" znakiem gatunku, który zawiera: litery Zl dla !eliwa stopowego szarego i po owicznego, litery Zb dla !eliwa stopowego bia ego, litery Zs dla !eliwa stopowego sferoidalnego, symbole chemiczne pierwiastków stopowych wg malej#cej procentowej zawarto$ci sk adnika, oraz liczby okre$laj#ce $redni# procentow# zawarto$% pierwiastka stopowego, je!eli jest ona równa lub wi"ksza od 0,8%. &eliwa stopowe %aroodporne. Jest to grupa !eliw wykazuj#cych odporno$% na korozyjne dzia anie gazów utleniaj#cych w wysokich temperaturach dzi"ki zawarto$ci takich dodatków stopowych, jak krzem (do 6%), chrom (do 34%) i aluminium (do 8%). Graniczna temperatura

pracy tych !eliw zale!y od zawarto$ci i wzajemnego stosunku ilo$ciowego ww. dodatków stopowych i w zale!no$ci od gatunku !eliwa wynosi 550 1100°C. Oprócz !aroodporno$ci, ta grupa !eliw charakteryzuje si" równie! dobr# odporno$ci# na $cieranie i twardo$ci#, a tak!e odporno$ci# na korozyjne oddzia ywanie ró!nych $rodowisk chemicznych. Polska Norma podaje 10 ganków !eliw stopowych !aroodpornych.

&eliwa stopowe odporne na korozj$. )eliwa w"glowe zwyk e s# stosunkowo ma o odporne na dzia anie czynników chemicznych. Wprowadzenie do tych !eliw dodatków stopowych, takich jak krzem, nikiel, chrom i mied& znakomicie podwy!sza ich odporno$% na korozyjne i erozyjne oddzia ywanie ró!norodnych $rodowisk chemicznych. Polska Norma podaje 8 gatunków !eliw stopowych odpornych na korozj", w tym: l gatunek !eliwa wysokokrzemowego (14 16% Si), 5 gatunków !eliw wysokoniklowych (13,5 32% Ni) o podwy!szonej zawarto$ci krzemu, chromu i miedzi oraz 2 gatunki !eliw wysokochromowych (25 34% Cr), wykazuj#cych równie! bardzo dobr# odporno$% na $cieranie i doskona # !aroodporno$%.

&eliwa stopowe odporne na !cieranie. Jest to najliczniejsza grupa !eliw stopowych, obejmuj#ca zgodnie z Polsk# Norm# 33 gatunki. W wi"kszo$ci s# to !eliwa wysokostopowe zawieraj#ce: 0,5 3,1% Si, 0,5 1,2% Mn (tylko l gatunek zawiera do 12% Mn), 0,15 2,4% Cr (tylko 2 gatunki !eliw maj# wysok# zawarto$% chromu: jeden do 19%, drugi - do 30% Cr), 0,13 5% Ni, 0,5 2,0% Cu. Ponadto w 7 gatunkach wyst"puj# niewielkie zawarto$ci molibdenu, tytanu, wanadu b#d& boru. Sk ad chemiczny tych !eliw jest tak dobrany, !e wykazuj# dobre w asno$ci przeciwcierne oraz wytrzyma o$ciowe przy zadowalaj#cej odporno$ci korozyjnej w okre$lonych o$rodkach chemicznych; niektóre gatunki zachowuj# te w asno$ci równie! w podwy!szonych temperaturach.

7.10. Oznaczanie stali wg: PN-EN 10027-1 Systemy oznaczania stali. Znaki stali, symbole

g ówne. EN 10027-1:1992 jest zalecana przez CEN (Europejski Komitet Normalizacyjny) do

stosowania przez krajowe komitety normalizacyjne bez jakichkolwiek zmian. PN-EN 10027-1

jest identyczna z EN 10027-1:1992 i zosta a ustanowiona przez Polski Komitet Normalizacyjny 15.12.1994 r.

W tej klasyfikacji oznacze' stali wyró!nia si" dwie g ówne grupy znaków: # znaki zawieraj#ce symbole wskazuj#ce na sk ad chemiczny stali, # znaki zawieraj#ce symbole wskazuj#ce na zastosowanie oraz mechaniczne lub fizyczne

w asno$ci stali.

docsity.com

145 JW W obu grupach znaków po symbolach g ównych mog# by% podawane symbole dodatkowe.

Poni!ej podano jedynie, z jakich symboli g ównych sk ada si" znak stali. W przypadku staliwa znak gatunku zawieraj#cy symbole wskazuj#ce na sk ad chemiczny poprzedza litera G.

Oznaczanie stali wg sk adu chemicznego W znakach stali wg sk adu chemicznego wyró!nia si" cztery podgrupy; # stale niestopowe(bez stali automatowych) o redniej zawarto ci manganu <1%. Znak

tych stali sk ada si" z nast"puj#cych symboli g ównych, umieszczonych kolejno po sobie: litery C i liczby b"d#cej 100-krotn# $redni# wymagan# zawarto$ci# w"gla;

# stale niestopowe o redniej zawarto ci manganu"1 %, niestopowe staleautomatowe i stale stopowe(bez stali szybkotn#cych) o zawarto ci ka#dego pierwiastka stopowego <5%. Znak tych stali sk ada si" z: liczby b"d#cej 100-krotn# wymagan# $redni# zawarto$ci# w"gla, symboli pierwiastków chemicznych sk adników stopowych stali w kolejno$ci malej#cej zawarto$ci pierwiastków oraz liczb oznaczaj#cych zawarto$ci poszczególnych pierwiastków stopowych w stali. Ka!da liczba oznacza odpowiednio, $redni procent zawarto$ci pierwiastka pomno!ony przez wspó czynnik wg tabl. 7.21 i zaokr#glony do najbli!szej liczby ca kowitej. Liczby oznaczaj#ce zawarto$ci poszczególnych pierwiastków stopowych nale!y oddzieli% poziom# kresk#.

TABLICA 7.21.

Wspó czynnik do ustalania symboli liczbowych pierwiastków stopowych przy oznaczaniu stali stopowych (bez stali szybkotn#cych) o zawarto!ci ka%dego pierwiastka stopowego <5% (PN- EN 10027-1)

Pierwiastek Wspó czynnik

Cr, Co, Mn, Ni, Si, W 4

Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, 10

Ce, N, P, S 100

B 1000

Na przyk ad 55NiCrMoV6-2-2 jest znakiem stali o $rednim sk adzie: 0,55% C, l,5%Ni, 0,6% Cr, 0,2% Mo i poni!ej 0,1 % V (jest to stal narz"dziowa do pracy na gor#co); # stale stopowe(bez stali szybkotn#cych) zawieraj$ce przynajmniej jeden pierwiastek stopowy w ilo ci ' 5%. Znak tych stali sk ada si" z: litery X, liczby b"d#cej 100-krotn# wymagan# $redni# zawarto$ci# w"gla, symboli chemicznych sk adników stopowych stali w kolejno$ci malej#cej zawarto$ci oraz liczb (zaokr#glonych do najbli!szej liczby ca kowitej) oznaczaj#cych $redni procent zawarto$ci poszczególnych pierwiastków. Na przyk ad X5CrNiMol7-12-2 jest znakiem stali o sk adzie: maks. 0,07% C, 17,5% Cr, 11,6% Ni, 2,25% Mo. Stal ta wg polskiej normy (PN) mia aby oznaczenie 0H17N12M2; # stale szybkotn$ce. Znak tych stali sk ada si" z nast"puj#cych symboli literowych i liczbowych: liter HS oraz liczb oznaczaj#cych procentowe zawarto$ci (zaokr#glone do najbli!szych liczb ca kowitych) pierwiastków stopowych w nast"puj#cej kolejno$ci; wolfram, molibden, wanad, kobalt; np. HS18-0-1 jest znakiem stali oznaczanej wg PN SW18; $rednia zawarto$% pierwiastków w tej stali wynosi: 0,80% C, 18,0% W, 1,25% V. Zawarto$% Cr w stalach szybkotn#cych nie jest podawana, gdy! jest we wszystkich gatunkach tych stali taka sama i wynosi od 3,5 do 4,5 %.

Oznaczanie stali wg zastosowania i w asno!ci Znak stali oznaczanych wg ich zastosowania i w asno$ci mechanicznych lub fizycznych zawiera nast"puj#ce g ówne symbole: a) S - stale konstrukcyjne,

P - stale pracuj#ce pod ci$nieniem, L - stale na rury przewodowe, E - stale maszynowe,

docsity.com

146 JW za którymi umieszcza si" liczb" b"d#c# minimaln# granic# plastyczno$ci w MPa; b) B - stale do zbrojenia betonu, za którym umieszcza si" liczb" b"d#c# charakterystyczn# granic# plastyczno$ci; c) Y - stale do betonu spr"!onego,

R - stale na szyny lub w postaci szyn, za którymi umieszcza si" liczb" b"d#c# wymagan# minimaln# wytrzyma o$ci# ni rozci#ganie; d) H - wyroby p askie walcowane na zimno ze stali o podwy!szone wytrzyma o$ci przeznaczone do kszta towania na zimno, za którym umieszcza si" liczb" b"d#c# wymagan# minimaln# granic# plastyczno$ci albo je!eli jest wymagana tylko wytrzyma o$% na rozci#ganie, wtedy umieszcza si" liter" T, za któr# podaje si" wymagan# minimaln# wytrzyma o$% na rozci#ganie; e) D - wyroby p askie ze stali mi"kkich przeznaczonych do kszta towania na zimno, za którym umieszcza si" jedn# z nast"puj#cych liter:

1) C - dla wyrobów walcowanych na zimno,

2) D - dla wyrobów walcowanych na gor#co przeznaczonych do kszta towania na zimno, 3) X - dla wyrobów bez charakterystyki walcowania (na zimno lub na gor#co);

oraz dwa symbole cyfrowe lub literowe charakteryzuj#ce stal; f) T - wyroby walcowni blachy ocynowanej, za którym umieszcza si":

1) dla wyrobów o jednokrotnie redukowanej grubo$ci - liter" H, za któr# podaje si" liczb" b"d#c# wymagan# nominaln# twardo$ci# wg HR 30Tm;

2) dla wyrobów o dwukrotnie redukowanej grubo$ci - liczb" b"d#c# wymagan# nominaln# granic# plastyczno$ci; g) M - stale elektrotechniczne, za którym umieszcza si":

1) liczb" b"d#c# 100-krotn# wymagan# maksymaln# stratno$ci# w W·kg-1, 2) liczb" b"d#c# 100-krotn# nominaln# grubo$ci# wyrobu w mm, 3) liczb" oznaczaj#c# rodzaj blachy lub ta$my elektrotechnicznej, tj.:

A - o niezorientowanym ziarnie, D - ze stali niestopowych, nie wy!arzonych ko'cowo, E - ze stali stopowych, nie wy!arzonych ko'cowo, N - o normalnie zorientowanym ziarnie, S - o zorientowanym ziarnie i zmniejszonej stratno$ci, P - o zorientowanym ziarnie i du!ej przenikalno$ci magnetycznej.

Tablica 7.22

Sk ad chemiczny i w asno!ci wytrzyma o!ciowe niektórych stali konstrukcyjnych

Rodzaj stali Znak stali wg PN-EN

(redni sk ad stali, % Re MPa

Rm MPa

C Si Mn Cr Inne

Stal niestopowa C10 C35

C60

0,10

0,35

0,61

+0,40 +0,40 +0,40

0,45

0,65

0,75

— -

280

390

540

480

680

950

Stal

niskostopowa o

podwy!szonej

S355NL

S460N +0,18 +0,20

+0,50 +O,6O

1,28

1,35 —

— 0,05 , Nb; 0,12 , V; 0,03 , Ti

0,05 , Nb; 0,20 , V; 0,03 , Ti 355

460 550

640

Stal do

naw"glania C15R

16MnCrB5

20NiCrMoS2-2

0,15

0,16

0,20

+0,40 +0,40 +S0,40

0,45

1,15

0,80

0,95

0,53

0,03 S

0,035 , S; 0,0029 B 0,55 Ni; 0,20 Mo; 0,03 S

320

550

Stal do ulepszania

cieplnego C45E

25CrMoS4

42CrMoS4

34CrNiMo6

0,45

0,25

0,42

0,34

+0,40 +0,40 +0,40 +0,40

0,65

0,75

0,75

0,65

1,05

1,05

1,50

0,23 Mo; 0,03 S

0,23 Mo; 0,03 S

1,50 Ni; 0,23 Mo

620

650

880

950

900

920

1100

1100

Stal spr"!ynowa 51CrV4 60Si7

0,51

0,60 +0,40

1,65 0,90

0,75 1,05

— 0,18 V

1100

1200 1300

1400

docsity.com

147 JW

Tablica 7.23.

Sk ady chemiczne i twardo!ci wybranych stali narz$dziowych

Tablica 7.24.

Sk ad chemiczny wybranych stali o szczególnych w asno!ciach

Rodzaj stali Znak stali wg PN-EN ISO 4957

(redni sk ad stali, % Twardo$% HV min-

C Si Mn Ci Inne

Stal nicslupowa do pracy

na zimno

C45U

C70U

C90U

C12OIJ

0,45

0,70

0,90 1,20

0,27

0,20

0,20

0,20

0,70

0,25

0.25

0,25

* * * *

* * * *

54

57

60

62

Stal s upowa do pracy na zimno

102Cr6

60WCW8

X2IOCrWI2

X153C>MoV12

1,02

0,60

2,15

1,53

0,25

0,85 0,25

0,35

0,35

0,30

0,45 0,40

1,50

1,05 12,00

12,00

* 1,95 W; 0,15 V 0,7 W

0,85 Mo; 0,85V

60 58

62

61

Stal stopowa do

pracy na gor#cu

55NiCrMuV7

32CrMoVI2-2R

X40CrMnV5-l

X30WOV9-3

0,55

0,32

0,40

0,30

0,25

0,25

1,00

0,25

0,75

0,30

0,38

0,30

1,00

2,95

5,15 2,85

1,65 Ni; 0.45 Mo; 0.10 V

2,75 Mo; 0,55 V

1,35 Mo; 1,00 V

9,00 W; 0,40 V

42

46

50

4ff

Stal szybkotn#ca HSl8-0-1 HS2-9-2

HS6-5-4

HS2-9-1-8

0.78

1,00 1,32

1,10

+0,45 +0,70 +0,45 +0,70

+0,40 +0,40 -0.40 -0.40

4.15

4,00

4,15 4,00

17.95 W; 1,10 V

8,70 Mo; 1.95 V; 1.80 W

5,60 W; 4,60 Mo; 3,95 V

9,50 Mo; K,00 Co; 1,55 W; 1,10 V

63

64 64

66

Rodzaj stali Znak wg PN-EN (redni sk ad stali, %

C Si Mn Cr Inne

Stal odporna na korozj"; ferryty czna

X6Crl3

X6Crl7

X6CrMol7-l

+0,08 +0,08 +0,08

+1,00 +1,00 +1,00

+1,00 +1,00 +1,00

13,00

17,00

17,00

*

* 1,15 Mo

Stal odporna na korozj"; martenzytyczna

X30Crl3

X17CrNil6-2

X90CrMoV18

0,30

0,17

0,90

+1,00 +1,00 +1,00

+1,00 +1,00 +1,00

13,00

16,00

18,00

-

2,00 Ni

1,10 Mo; 0,10 V

Stal odporna na korozj"; austenityczna

X2CrNil9-ll

X2CrNiMol7-12-2

X2CrNiMoN17-13-5 X1

CrNiMoCuN25-25-5

+0,03 +0,03 +0,03 +0,02

+1,00 +1,00 +1,00 +0,70

+2,00 +2,00 +2,00 +2,00

19,00

17,50

17,50

25,00

11,00 Ni

11,50 Ni; 2,25 Mo

13,50 Ni; 4,50 Mo; 0,17 N

25,50 Ni; 5,20 Mo; 1,50 Cu; 0,21 N

Stal odporna na korozj"; ferrytyczno-austenityczna

X3CrNiMoN27-5-2

X2CrNiMoCuN25-6-3 +0,05 +0,03

+1,00 +0,70

+2,00 +2,00

26,50

25,00 5,50 Ni; 1,65 Mo; 0,125 N

6,50 Ni; 3,35 Mo; 1,75 Cu; 0,225 N

Stal !aroodporna; ferrytyczna

X10CrAlSil3

X10CrAlSi25 +0,12 +0,12

1,05

1,05 +1,00 +1,00

13,00

24,50 0,95 Al.

1,45 Al

Stal !aroodporna; austenityczna

X15CrNiSi20-12

X6CrNiSiNCel9-10 +0,12 0,06

2,00

1,50 +2,00 +1,00

20,00

19,00 12,00 Ni

10,00 Ni; 0,16 N; 0,055 Ce

Oznaczenia i sk ady stali odpornych na korozj! zaczerpni!to z PN-EN 10088-1, natomiast stali "aroodpornych z PN-EN 10095.

docsity.com

komentarze (0)
Brak komentarzy
Bądź autorem pierwszego komentarza!
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
Docsity is not optimized for the browser you're using. In order to have a better experience we suggest you to use Internet Explorer 9+, Chrome, Firefox or Safari! Download Google Chrome