stale.doc

Stale

1. STRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI STALI WYŻARZONYCH.

1.1.  wstęp.

Nazwą stali określa się stopy żelaza z węglem (do granicznej zawartości ok. 2%C) oraz in­nymi pierwiastkami, przerobione plastycznie i obrobione cieplnie. Zależnie od składu che­micznego stale dzieli się na węglowe i stopowe, te zaś pod względem struktury na ferrytyczne, podeutektoidalne, nadeutektoidalne, ledeburytyczne i austenityczne. W stalach węglowych występuje szereg domieszek pochodzących z procesów metalurgicznych - np. Mn, Si, Cr, Ni, Cu (trzy ostatnie pierwiastki pochodzą ze złomu) oraz nieuniknione zanieczyszczenia, głównie fosfor i siarka. Za stopowe uważa się te stale, w których zawartość domieszek metalicznych przekracza ustalone normą wielkości graniczne.

Zależnie od przeznaczenia, stale winny wykazywać szereg odpowiednich właściwości. Wymagane właściwości zapewnia nadanie stali odpowiedniej struktury, co osiąga się poprzez zmianę składu chemicznego, obróbkę cieplną albo też przeróbkę plastyczną na zimno.

Mikrostruktura stali węglowych wyżarzonych w temperaturze otoczenia składa się z trzech podstawowych składników: ferrytu, perlitu i cementytu. Ukształtowanie i wzajemne rozmiesz­czenie tych składników zależy od szeregu czynników, jak np. temperatura i czas przemiany, zawartość węgla, ilość i rozłożenie wtrąceń niemetalicznych itp. W stalach stopowych przy małych ilościach dodatków, mikrostruktury są bardzo zbliżone do stali węglowych; występują jedynie przesunięcia ilościowe spowodowane obecnością składnika stopowego. Przy dużych ilościach składników stopowych otrzymuje się jeszcze strukturę ledeburytyczną (np. w stalach szybkotnących i niektórych narzędziowych - NCWV, NC10, NC11) i austenityczną (w stalach 18-8) w wyniku przesunięć w składzie eutektyki i dużych zmian temperatur przemian alotropowych.

1.2. struktury stali wyżarzonych.

Składniki strukturalne stopów żelaza można określić następująco:

•      Ferryt - roztwór stały węgla w żelazie a. Powstaje z austenitu wskutek przemiany a«g.

•      Perlit - struktura eutektoidalna składająca się z płytek ferrytu i cementytu. Grubość płytek zależna jest od szybkości chłodzenia.

•      Cementyt - węglik żelaza Fe3C zawierający 6,67% C. Rozróżnia się cementyt pierwotny, wtórny i trzeciorzędowy.

•      Austenit - roztwór stały węgla w żelazie y. Trwały w temperaturze powyżej linii GSH, a w niektórych stalach wysokostopowych również w temperaturze otoczenia.

•      Ledeburyt - struktura eutektyczna złożona z cementytu i austenitu. W temperaturze oto­czenia wskutek przemiany austenitu występuje ledeburyt przemieniony, składający się z perlitu oraz cementytu pierwotnego i wtórnego.

Stosunek ilościowy ferrytu do perlitu w stalach podeutektoidalnych i perlitu do cementytu w stalach nadeutektoidalnych można określić za pomocą „pra­wa dźwigni". Ma to szczególne znaczenie w odnie­sieniu do podeutektoidalnych stali węglowych, moż­na tu bowiem na podstawie obserwacji mikrostruktu­ry stali wyżarzonej określić zawartość węgla z do­stateczną dla celów praktycznych dokładnością. Przyjmijmy np., że ferryt zajmuje ok. 60%, zaś perlit pozostałą część powierzchni obserwowanego pola widzenia. Stosując prawo dźwigni :

F • x = P • (0,8-x)

gdzie: F - procentowa ilość ferrytu, oszacowania  na zgładzie; P - procentowa ilość perlitu; x - szukana zawartość węgla w stali;

otrzymujemy:

czyli, że badana stal zawiera około 0,3% węgla.

W zależności od zawartości węgla w stali i wzajemnego rozmieszczenia trzech podsta­wowych składników struktural­nych, rozróżnia się następujące mikrostruktury: ziarnistą, widmnanstetenowską, siatkową, płat­kową, pasemkową, globulityczną i dendrytyczną. Wymienione mikrostruktury zostaną omówio­ne w odniesieniu do stali węglo­wych, w oparciu o układ żelazo -węgiel.

   Układ żelazo – węgiel.

Struktura ziarnista występuje w wyżarzonych stalach niskowęglowych. Składa się na ogół z regularnych ziarn ferrytu w stalach zawierających poniżej 0,008%C, ferrytu z cementytem trzeciorzędowym wydzielonym na linii PQ przy zawartości 0,008-0,025% C, albo też ferrytu i perlitu przy zawartości węgla w stali powyżej 0,025% C. Odnosi się to tylko do stali w warunkach równowagi, a więc studzo­nych po wyżarzaniu bardzo wolno, np. z piecem. Jeżeli po wyżarzeniu stal jest chłodzona np. na powietrzu, podane zakresy ulegają przesunięciu w stronę wyższych zawartości węgla. W stalach ferrytyczno – perlitycznych ze wzrostem zawartości węgla udział perlitu staje się coraz to większy i przy ok. 0,4% C ilość obu składników jest prawie równa.

Struktura widntanstetenowska lub Widmannstättena jest charakterystyczna dla stali prze­grzanych oraz staliwa. Występuje zarówno w stalach podeutektoidalnych (igły ferrytu i perlit), jak i nadeutektoidalnych (igły cementytu w osnowie perlitycznej). Igły ferrytu lub cementytu tworzą figury zbliżone kształtem do trójkątów lub kwadratów. Kształt figur zależy od kierunku przecięcia ziarn płaszczyzną zgładu.

Struktura siatkowa występuje w stalach węglowych podeutektoidalnych przy zawartości węgla ponad 0,5%. Ferryt tworzy siatkę dookoła ziarn perlitu przy czym grubość siatki zmniej­sza się w miarę wzrostu zawartości węgla. Dla coraz to większej zawartości i w miarę zbliżania się do składu eutektoidalnego ilość ferrytu w strukturze nadal maleje i ferryt tworzy już tylko siatkę przerywaną. Na grubość siatki ferrytu wpływa także szybkość chłodzenia stali. Przy stałej zawartości węgla siatka będzie węższa po chłodzeniu szybszym. W stalach nadeutektoidalnych struktura siatkowa uwidacznia się wyraźnie dopiero od zawartości ok.- 1,1 % C. Do tej zawartości węgla ilość cementytu nie jest jeszcze wystarczająca do utworzenia ciągłej siatki i często cementyt tworzy tylko skupienia w perlicie. Przy braku wprawy odróżnienie siatki cementytu od siatki ferrytu może stanowić trudności, gdyż oba składniki po wytrawieniu nitalem wykazują jasne zabarwienie. Należy wówczas zwrócić uwagę na przebieg granic ziarn; w ferrycie występują one wyraźnie (szczególnie przy grubej siatce), a w cementycie są niewi­doczne. Dla rozróżnienia obu składników można się także posłużyć odczynnikiem, który za­ciemnia cementyt (pikrynian sodowy), albo też zarysować zgład igłą.; twardy cementyt nie ulega zarysowaniu.

Struktura płatkowa występuje najczęściej w odlewach odlanych przy niskiej temperaturze. Ferryt występuje w formie płatków lub owalnych ziarn o zaokrąglonych obrzeżach, wewnątrz których znajdują się niekiedy wtrącenia niemetaliczne. Struktura płatkowa występuje często obok struktury widmanstetenowskiej.

Struktura pasemkowa występuje w przerobionych plastycznie stalach podeutektoidalnych. Cechuje ją pasmowe ułożenie ziarn ferrytu i perlitu przy czym w ferrycie występują charakterystyczne dla tej struktury nitki lub drobne układy wtrąceń niemetalicznych wydłużone w kierunku przeróbki. Większy stopień przeróbki plastycznej stali powoduje rozdrobnienie wtrąceń, co w strukturze zaznacza się zbliżeniem pasm ferrytu i perlitu przy równoczesnym ich zawężeniu. Struktura pasemkowa jest na ogół dziedziczna. Pa­smowość można usunąć jednorazowo przy bardzo szybkim chłodzeniu - np. przy hartowaniu. Ponowne wyżarzanie wprowadza znów mniej lub bardziej wyraźną pasmowość.

Struktura globulityczna występuje w staliwie surowym lub wyżarzonym. Przy praktycznie jednakowej ilości węgla, krzemu i manganu lecz różnej zawartości siarki i fosforu staliwo wykazuje dwa odmienne rodzaje struktury globulitycznej. W przypadku zwiększonej ilości siarczków struktura globulityczna zaznacza, się siatką ferrytu dookoła globulitycznych ziarn perlitu. Przy malej ilości fosforu i siarki, w staliwie wyżarzonym powstaje siatka perlitu do­okoła zgrupowań ziarn ferrytu.

Struktura dendrytyczna występuje w staliwie lub stali (przy małym stopniu przeróbki pla­stycznej) jako pozostałość makrostruktury dendrytycznej. Struktura ta charakteryzuje się dendrytycznym ułożeniem ziarn ferrytu wzdłuż osi krystalizacji.

Struktura ledeburytyczna występuje w lanych sta­lach narzędziowych wysokostopowych, w wyniku przesunięcia punktu eutektycznego w stronę niższych zawartości węgla. Struktura ta składa się z perlitu otoczonego siatką węglików stopowych oraz miejsco­wych wydzieleń eutektyki - ledeburytu stopowego.

Strukturę austenityczną posiadają stale wysoko-stopowe zawierające dużą ilość dodatków austenitotwórczych, głównie nikiel i mangan. Należą tutaj stale kwasoodporne, stal Hadfielda itp. Struktura składa się z poliedrycznych ziarn austenitu i charakterystycznych utworów bliźniaczych a niekiedy także drobnych węglików.

1.2.  zależność właściwości mechanicznych od struktury stali.

Struktura stali wpływa w sposób decydujący na ich właściwości mechaniczne. Należy tutaj wyróżnić wpływ dwóch zasadniczych czynników: rodzaju struktury oraz wielkości ziarna.

Struktury dendrytyczna, globulityczna, płatkowa oraz widmanstetenowska występujące w stali lub staliwie nie poddanym obróbce cieplnej (stan surowy) bądź obrobionym niewłaściwie (przegrzanie) charakteryzuje duża wielkość ziarna. Struktury te nie zapewniają optimum wła­ściwości mechanicznych i. wykazują niższą wytrzymałość, wydatne obniżenie wydłużenia i przewężenia oraz wyraźny spadek udarności w porównaniu ze strukturami drobnoziarnistymi. Przez odpowiednią obróbkę cieplną - jedno lub dwukrotne normalizowanie - można otrzymać strukturę ziarnistą lub siatkową o drobnym ziarnie i optymalnych właściwościach mechanicz­nych.

Struktury ziarnista i siatkowa są charakterystyczne dla stali wyżarzonych. Właściwości me­chaniczne (głównie wytrzymałość) zależą tutaj przede wszystkim od ilości perlitu w strukturze. Ilość perlitu zależy nie tylko od zawartości węgla w stali, ale także od zawartości innych dodatków, które przesuwają punkt eutektoidalny w stronę niższych zawartości węgla, zwiększa­jąc tym samym ilość perlitu w strukturze. Istotny wpływ wywiera również szybkość chłodzenia po wyżarzaniu. Mianowicie stal chłodzona szybko wykazuje zwiększoną ilość perlitu w struk­turze i odpowiednio wyższą wytrzymałość w porównaniu ze stalą o identycznym składzie chemicznym, ale studzoną powoli. Przykładowo w węglowych stalach podeutektoidalnych zawierających np. 0,6% C możliwe jest - przy dostatecznie szybkim chłodzeniu - otrzymanie struktury zwanej pseudoperlitem albo quasiperlitem w miejsce struktury siatkowej (perlit i siatka ferrytu) występującej w tych stalach przy chłodzeniu powolnym. Właściwości mecha­niczne stali o strukturze ziarnistej i siatkowej zależne są także od wielkości ziarna. Struktury gruboziarniste wykazują gorsze właściwości, struktury drobnoziarniste otrzymane np. po nor­malizowaniu charakteryzuje optimum właściwości mechanicznych. W podobny sposób zmie­niają się właściwości stali o strukturze perlitycznej. Przy powolnym studzeniu stale eutektoidalne wykazują duże ziarno o budowie grubopłytkowej. Zwiększenie szybkości studzenia nadaje stali drobnoziarnistość i powoduje powstanie struktury drobnopłytkowej, co polepsza właściwości mechaniczne.

Stale o strukturze pasemkowej wykazują wyraźną anizotropię właściwości mechanicznych. Wytrzymałość i właściwości plastyczne zależne są od kierunku pobrania próbek, przy czym najlepsze właściwości wykazu j ą próbki pobrane równolegle do kierunku walcowania, określo­nego w mikrostrukturze przebiegiem pasemek. Kierunek pobrania próbki wywiera szczególny wpływ na udarność stali o strukturze pasemkowej.

1.4. wady mikroskopowe wyrobów hutniczych.

Przyczyną nieodpowiednich własności wyrobów lub półwyrobów stalowych są niekiedy wady mikroskopowe pochodzenia hutniczego. Należą tutaj głównie wady pochodzące z proce­su stalowniczego oraz przeróbki plastycznej - walcowania lub kucia.

Z ważniejszych wad pochodzenia stalowniczego można wymienić wtrącenia obcego metalu oraz anormalność struktury stali. Najczęściej występujące wady powstałe podczas przeróbki plastycznej to: zawalcowania, zakucia, skupienia węglików w stalach ledeburytycznych oraz pasmowość struktury.

Wtrącenia obcego metalu różnią się od metalu zasadniczego składem chemicznym i wła­snościami. Mogą pochodzić z nic rozpuszczonych żelazostopów lub przedmiotów metalowych, które dostały się przypadkowo do płynnej stali. Wtrącenia te są przyczyną obecności twardych lub miękkich miejsc w półwyrobach i wyrobach stalowych. Wadę wykrywa się między innymi przez badania mikroskopowe, gdyż mikrostruktura wtrącenia obcego metalu różni się wyraźnie od metalu zasadniczego.

Anormalność struktury stali występuje w stalach nadeutektoidalnych, najczęściej w war­stwie nadeutektoidalnej stali nawęglonej. Przyczyną wady może być bądź znaczna zawartość

tlenu w stali, bądź też silnie utleniająca atmosfera pieca grzewczego. Strukturę anormalną charakteryzuje występowanie strukturalnie wolnych skupień ferrytu i cementytu zamiast wła­ściwej dla stali nadeutektoidalnej struktury składającej się z perlitu i cementytu.

Zawalcowania i zakucia spowodowane są zawinięciem lub wtłoczeniem metalu przy prze­róbce plastycznej na gorąco. Powodują powstanie nieciągłości materiału, wypełnionych zgo­rzeliną. Na zgładzić nietrawionym odróżnienie zawalcowania od zakucia jest utrudnione; w przypadku zawalcowania po wytrawieniu zgładu uwidacznia się charakterystyczne odwęglenie otaczające po obu stronach zawalcowaną warstwę tlenków. Przyczyną występowania wady mogą być między innymi pęcherze podskórne we wlewku, głębokie zadrapania, przekręcenie pręta w wykroju.

Skupienia węglików występują najczęściej w stalach szybkotnących jako pozostałość struktury ledeburytycznej. Charakteryzują je miejscowe zgrupowania grubych węglików pier­wotnych lub nawet resztki siatki ledeburytu, która nie została rozbita podczas kucia. Wada ta zwiększa kruchość narzędzia.

Pasmowość struktury charakteryzuje warstwowe ułożenie składników strukturalnych stali. Przykładem może być struktura pasemkowa w stalach węglowych podeutektoidalnych lub też pasma węglików w stalach szybkotnących. Przyczyną wady może być niedostateczna homoge­nizacja wlewków, skupienia wtrąceń niemetalicznych, zbyt niska temperatura przeróbki pla­stycznej, likwacja dendrytyczna itp. Stal o strukturze pasemkowej wykazuje wyraźną anizotro­pię właściwości.

2. STRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI ŻELIW.

2.1. wstęp.

Żeliwo jest stopem żelaza zawierającym praktycznie około 2,5 - 4,5% C oraz domieszki, głównie krzem, mangan, fosfor i siarkę. Jest w zasadzie stopem kruchym i nie daje się przera­biać plastycznie ani na zimno, ani na gorąco.

Żeliwo różni się od stali większą zawartością węgla i wykazuje lepsze własności odlewni­cze, gdyż cechuje się niską temperaturą topnienia i nadaje się dobrze do wyrobu odlewów.

Zasadniczym składnikiem decydującym o własnościach żeliwa jest węgiel. Występuje on w żeliwach w postaci związanej jako cementyt Fe3C lub wolnej jako grafit. Cementyt jest bardzo twardym i kruchym składnikiem, a żeliwo zawierające go w dużej ilości odznacza się tymi samymi właściwościami. Ma ono przełom srebrzysty i dlatego nazwano je żeliwem białym. Grafit występuje zazwyczaj w postaci płatków stanowiących nieciągłości metaliczne. Ze wzro­stem ilości i wielkości płatków grafitu obniża się wytrzymałość żeliwa zaś kruchość wzrasta. Obecność grafitu wpływa na szarą barwę przełomu i stąd nazwano je żeliwem szarym. Grafit może również występować w postaci kulistej jako grafit sferoidalny lub jako węgiel żarzenia. Przyjmuje się, że grafit wydziela się z cieczy lub austenitu podczas chłodzenia w wąskim zakresie temperatur między liniami wykresów równowagi stabilnej i metastabilnej, to jest gdy przechłodzenie jest małe, a szybkość chłodzenia niewielka. Stąd struktury żeliwa szarego powstają bezpośrednio z cieczy lub z austenitu podczas powolnego chłodzenia, natomiast struktury żeliwa białego przy szybszym chłodzeniu. Wydzielanie się grafitu z cieczy lub auste­nitu jest procesem powolnym ponieważ energia powstania zarodka jest duża, zaś utworzenie kryształu grafitu wymaga znacznej dyfuzji atomów węgla tudzież odprowadzenia atomów żelaza z miejsca krystalizacji grafitu. W czystych stopach żelaza z węglem bezpośrednia kry­stalizacja grafitu z cieczy jest zjawiskiem rzadko występującym. Żeliwo techniczne nie jest stopem czystym i występujące w nim domieszki oraz zanieczyszczenia stają się zarodkami, na których osadzają się atomy węgla tworząc kryształ grafitu. W istotny sposób na warunki grafityzacji wpływa przede wszystkim krzem i węgiel. Zawartość krzemu w żeliwie waha się w szerokim zakresie (od 0,93 - 5%). Zmieniając zawartość krzemu można otrzymać rodzaje żeliw całkowicie odmienne, różniące się zarówno strukturą jak i własnościami. Węgiel oddziaływuje na grafityzację, lecz w mniejszym zakresie niż krzem. Oprócz zawartości C i Si dalszym czyn­nikiem warunkującym ilość grafitu w żeliwie jest szybkość chłodzenia. W oparciu o wykres (rys. 1 i 2) można określić w przybliżeniu strukturę żeliwa, zakładając określoną zawartość procentową węgla i krzemu oraz szybkość chłodzenia jako funkcję grubości ścianki odlewu.

Struktura żeliwa białego, w temperaturze otoczenia składa się z cementytu i perlitu, to jest cała ilość węgla zawartego w żeliwie białym występuje w postać! cementytu Żeliwo białe jest twarde i kruche praktycznie biorąc nie daje się obrabiać narzędziami skrawającymi i z tego względu jest raczej stoso...