20. Stale
Stale niestopowe to stale w których stężenie każdego z pierwiastków jest mniejsze od poniższych wartości (%):
Al – 0,1; B – 0,0008; Bi – 0,1; Cr – 0,3; Zr – 0,05; Co – 0,1; Si – 0,5; Lantanowce – 0,05; Mn – 1,65; Cu–0,4; Mo – 0,08; Ni – 0,3; Nb – 0,06; Pb – 0,4; Se – 0,1; Te – 0,1; Ti – 0,05; V – 0,1; W – 0,1; inne – 0,05.
Ze względu na sumaryczne stężenie pierwiastków stale stopowe dzieli się na:
· niskostopowe, w których stężenie jednego pierwiastka (oprócz węgla) nie przekracza 2%, a suma pieriwastków łącznie nie przekracza 3,5%,
· średniostopowe, w których stężenie jednego pierwiastka przekracza (oprócz C) 2% lecz nie przekracza 8%, lub suma pierwiastków łącznie nie przekracza 12%,
· wysokostopowe, w których stężenie jednego pierwiastka przekracza 8%, a suma pierwiastków łącznie nie przekracza 55%.
Według stopnia odtlenienia można wyróżnić następujące rodzaje stali:
· stal nieuspokojoną, w której przy krzepnięciu we wlewnicy dochodzi do reakcji węgla z rozpuszczonym tlenem, a tworzący się w wyniku tego tlenek węgla uchodzi ze stali wywołując jej gotowanie się,
· stal półuspokojoną, w której stężenie rozpuszczonego tlenu obniżono tak, aby przy jej krzepnięciu we wlewnicy dochodziło jedynie do ograniczonej reakcji węgla z O2,
· stal uspokojoną, w której przed odlaniem do wlewnicy nie dochodzi do reakcji tlenu z węglem, a stal po wlaniu do wlewnicy zachowuje się spokojnie.
Wpływ węgla na własności stali węglowych
Dominujący wpływ na strukturę i własności stali węglowych wywiera węgiel. W miarę podwyższania stężenia tego pierwiastka w stali zmniejszeniu ulega udział miękkiego i plastycznego ferrytu w strukturze stali, a zwiększeniu – udział twardego i kruchego cementytu. Z tego względu stale o większym stężeniu węgla wykazują większą twardość, wytrzymałość na rozciąganie Rm i granicę plastyczności Re. Zwiększenie stężenia węgla powoduje przy tym jednoczesne zmniejszenie własności plastycznych i ciągliwości stali, a w szczególności – wydłużenia A i przewężenia Z określanych w próbie rozciągania, oraz udarności KC określanej w próbie zginania udarowego. Stężenie węgla decyduje również o własnościach technologicznych stali. Przy większych stężeniach węgla stal cechuje się większym współczynnikiem liniowej rozszerzalności cieplnej i mniejszą przewodnością cieplną, co zwiększa naprężenia cieplne i skłonność do pęknięć w trakcie obróbki cieplnej. Zwiększone stężenie węgla pogarsza podatność stali na obróbkę plastyczną na zimno i na gorąco. Węgiel o stężeniu 0,25% zdecydowanie pogarsza również spawalność stali. Stale niskowęglowe o stężeniu węgla mniejszym od 0,25% – ze względu na dużą ciągliwość – wykazują gorszą skrawalność niż stale o strukturze perlitycznej. Stale nadeutektoidalne – ze względu na znaczny udział kruchego i twardego cementytu – charakteryzuje również obniżona skrawalność.
W stalach przedeutektoidalnych stwierdzono doświadczalnie prostą zależność między twardością HB a wytrzymałością na rozciąganie Rm:
W zakresie od 0,0 do 0,8% wzrost zawartości węgla w stali powoduje wzrost wytrzymałości na rozciąganie o ok. 500 MPa. Można zatem określić orientacyjną wytrzymałość na rozciąganie stali węglowych w zależności do zawartości węgla z prostego wzoru:
Rm =300 + (600 %C) MPa.
15,15 Domieszki w stali ich wpływ
Domieszki występują w stalach niestopowych jako pozostałość z procesu metalurgicznego wytapiania stali, a także w wyniku przetapiania złomu stalowego. Mangan działa korzystnie, tworząc siarczek MnS o wyższej temperaturze topnienia od siarczku żelaza. Powoduje jednak niekorzystny rozrost ziarn w czasie obróbki cieplnej i plastycznej na gorąco. Krzem powoduje korzystne obniżenie stężenia gazów w stali lanej i przeciwdziała segregacji fosforu i siarki. Fosfor i siarka stanowią zanieczyszczenia niekorzystne. Stale zawierające fosfor charakteryzują się podwyższoną temperaturą przejścia w stan kruchości, skłonnością do kruchości na niebiesko, gruboziarnistości i segregacji. Siarka tworzy siarczki MnS o temperaturze topnienia 1620°C i FeS, ciekłe już w 1000°C, co powoduje kruchość stali na gorąco, zwłaszcza podczas obróbki plastycznej. Siarka o dużej skłonności do segregacji pogarsza spawalność i wytrzymałość stali na zmęczenie. Wodór działa zdecydowanie szkodliwie, powodując powstawanie płatków śnieżnych, odwęglenia, pęcherzy gazowych oraz segregacji fosforu. Azot powoduje zmniejszenie plastyczności i kruchości na niebiesko, a także zwiększenie skłonności stali do starzenia, szczególnie po zgniocie. Tlen powoduje zmniejszenie własności wytrzymałościowych oraz plastycznych stali. Z tego względu jest b. istotne
odtlenianie kąpieli stalowej.
Wpływ wtrąceń niemetalicznych
W stalach występują również wtrącenia niemetaliczne, stanowiące nieciągłości w osnowie metalicznej stali, co niekorzystnie wpływa na własności mechaniczne stali. Wtrącenia niemetaliczne mogą być:
· endogeniczne – takie jak siarczki, tlenki i krzemiany, powstające w ciekłej stali podczas procesu stalowniczego,
· egzogeniczne, do których zalicza się głównie cząstki materiałów ogniotrwałych stanowiących wyłożenie pieca, rynien spustowych i kadzi, dostające się z zewnątrz do ciekłej stali.
IV Żeliwa
Żeliwami nazywamy stopy żelaza z węglem zawierające ponad 2% węgla. Od tej zwartości węgla (2%) pojawia się w tych stopach nie spotykany w stalach składnik mikrostruktury – ledeburyt, w którego skład wchodzi cementyt. Węgiel w żeliwie może występować zarówno w postaci wiązanej (cementyt) jak i wolnej (grafit). W zależności od postaci w jakiej występuje węgiel rozróżnia się żeliwa: szare, w których węgiel występuje w postaci grafitu; białe, w których węgiel jest związany w cementycie, połowiczne, w których występuje zarówno grafit, jak i cementyt (powyżej 0,8% ogółu węgla w żeliwie).
Strukturę żeliwa stanowi osnowa metaliczna, którą może być ferryt, perlit lub ich mieszaniny, ewentualnie z cementytem i wtrąceniami niemetalicznymi a także grafit o różnej wielkości i kształcie. Grafit jest b. miękki, a jego wytrzymałość jest bliska zeru. Grafit może się tworzyć przy krzepnięciu z cieczy jako płatkowy na skutek przemiany eutektoidalnej austenitu lub w wyniku rozpadu cementytu w żeliwie białym poddanym długotrwałemu wyżarzaniu w temperaturze nieznacznie niższej od solidusu. W stopach eutektycznych grafit wydziela się z cieczy w postaci b. drobnych płatków w eutektyce grafitowej. Grube płatki grafitu pierwotnego wydzielają się w czasie krzepnięcia żeliw nadeutektycznych.
Grafit powoduje zmniejszenie własności wytrzymałościowych żeliwa i zmianę niektórych innych własności, a szczególnie: działa jako karb wewnętrzny, stanowiąc nieciągłości w metalu; zmniejsza skurcz odlewniczy; polepsza skrawalność; zwiększa własności ślizgowe; sprzyja tłumieniu drgań.
Według Polskich Norm żeliwa dzielimy na:
· szare – PN-92/H03101
· sferoidalne (grafit w postaci kulek) – PN-92/H03123
· ciągliwe (grafit kłaczkowy) – PN-92/H83221
· stopowe – PN-92/H83144
Żeliwo sferoidalne wykazuje b. dobre własności – zarówno wytrzymałościowe jak i plastyczne. Uzyskuje się je w wyniku modyfikowania żeliwa o tendencji krzepnięcia jako szare, lecz o b. małym stężeniu siarki i fosforu. Jako modyfikatorów używa się ceru lub magnezu. W wyniku tego zabiegu technologicznego grafit występuje w tych żeliwach w postaci kulistej. Żeliwa sferoidalne można podzielić na: ferrytyczne (350-22, 400-18, 400-15, 450-10), ferrytyczno-perlityczne (508-7), perlityczno-ferrytyczne (600-3), perlityczne (700-2), po obróbce cieplnej (800-2, 900-2).
Przemiana perlityczna (austenit–perlit)
Przemiana perlityczna zachodzi po ochłodzeniu austenitu nieznacznie Ar1. W jej wyniku z austenitu powstaje mieszanina eutektoidalna złożona z płytek ferrytu i cementytu zawana perlitem. Siłą pędną przemiany perlitycznej jest różnica energii swobodnej austenitu i mieszaniny ferrytu i cementytu. Przemiana perlityczna jest przemianą dyfuzyjną związaną z przegrupowaniem atomów węgla i zachodząca przez zarodkowanie oraz rozrost zarodków. Zarodkowanie perlitu odbywa się heterogenicznie, czyli w sposób uprzywilejowany, na cząstkach cementytu, płytkach ferrytu, a w jednorodnym austenicie – na granicach ziarn tej fazy. Wzrost płytki cementytu bogatej w węgiel powoduje znaczne zmniejszenie stężenia węgla w austenicie do wartości Ca umożliwiającej powstanie płytki ferrytu. W wyniku ograniczonej rozpuszczalności węgla w ferrycie jego nadmiar wzbogaca austenit w pobliżu utworzonej płytki ferrytu, umożliwiając tworzenie kolejnej płytki cementytu. Proces kolejnego dobudowywania płytek trwa aż do wyczerpania się austenitu. Przemiana perlityczna przebiega również przez wzrost czołowy utworzonych wcześniej płytek.
Utworzone kolonie perlitu mają kształt kulisty, gdyż szybkości dobudowania nowych płytek i ich rozrostu czołowego są jednakowe. W wyniku dyfuzji węgla do płytek cementytu następuje zróżnicowanie składu chemicznego austenitu przed frontem przemiany. Grubość płytek cementytu jest ok. siedmiokrotnie mniejsza od grubości płytek ferrytu. Przy stałej temperaturze, grubości płytek każdej z faz perlitu są prawie stałe i nie zależą od wielkości i jednorodności austenitu, z którego powstają. Obniżaniu temperatury przemiany towarzyszy zmniejszanie się odległości między płytkami perlitu.
Szybkość przemiany perlitycznej zależy od szybkości zarodkowania i szybkości wzrostu. Funkcja szybkości zarodkowania perlitu od czasu jest nieliniowa i wykazuje okres inkubacyjny. Przy małym przechłodzeniu szybkość zarodkowania jest b. mała, a szybkość rozrostu – duża. W związku z tym w opisanych warunkach tworzą się nieliczne jedynie kolonie perlitu o b. dużych wymiarach.
Wyżarzanie
Wyżarzanie to operacja zwykłej obróbki cieplnej polegająca na nagrzaniu stali do określonej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu w celu uzyskania struktur zbliżonych do stanu równowagi.
12. Odpuszczanie
Odpuszczanie polega na nagrzaniu stali zahartowanej do temperatury niższej od Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze i ochłodzeniu do temperatury pokojowej. W zależności od temperatury odpuszczanie może być: niskie, średnie, wysokie. Odpuszczanie niskie jest wykonywane w temperaturze 150–200°C i stosowane głównie do narzędzi, sprężyn, sprawdzianów. Celem tej operacji jest usunięcie naprężeń hartowniczych z zachowaniem dużej twardości, wytrzymałości i odporności na ścieranie. Odpuszczanie średnie, odbywające się w temperaturze 250–500°C, jest stosowane do sprężyn, resorów, matryc i innych części maszyn. W wyniku tej operacji twardość stali ulega wprawdzie niewielkiemu zmniejszeniu, lecz zostają zachowane duża wytrzymałość i sprężystość. Odpuszczanie wysokie, wykonywane w temperaturze wyższej od 500°C, lecz niższej od Ac1, ma na celu osiągnięcie możliwie dobrych własności plastycznch stali. Stosowane jest między innymi dla elementów maszyn, od których wymagana jest wysoka granica plastyczności Re.
10. Hartowanie powierzchniowe
Hartowanie powierzchniowe polega na szybkim nagrzaniu warstwy wierzchniej przedmiotu do temperatury hartowania i następnie szybkim chłodzeniu. Hartowanie powierzchniowe umożliwia ograniczenie nagrzewania do cienkiej warstwy powierzchniowej i to jedynie w miejscach, które powinny być obrobione cieplnie. Nie wywołuje więc dużych naprężeń i odkształceń cieplnych. Hartowanie powierzchniowe umożliwia automatyzację i mechanzację procesów technologicznych obróbki cieplnej. W zależności od sposobu nagrzewania można wyróżnić następujące rodzaje hartowania powierzchniowego: indukcyjne, płomieniowe, kąpielowe, kontaktowe, elektrolityczne. Podczas hartowania indukcyjnego grzanie odbywa się prądem elektrycznym indukowanym w obrabianym cieplnie przedmiocie przez zmienne pole magnetyczne. Pole magnetyczne jest wytwarzane przez wzbudnik I, tj. cewkę zasilaną prądem wytwarzanym przez generatory prądu zmiennego. Chłodzenie może być wykonywane przez zanurzenie przedmiotu w kąpieli chłodzącej lub natrysk cieczy chłodzącej bezpośrednio we wzbudniku. Indukcyjnie są hartowane zwykle wałki, koła zębate, zawory, rolki, sworznie, prowadnice i inne przedmioty, często b. drobne.
Dyfuzja jest aktywowanym cieplnie procesem zachodzącym wskutek ruchu atomów w sieci przestrzennej metalu w kierunku wyrównania stężenia składników. Warunkiem przebiegu dyfuzji jest rozpuszczalność w stanie stałym pierwiastka nasycającego w metalu osnowy. Ogólnie można stwierdzić, że procesy dyfuzji są zależne od temperatury, czasu i gradientu stężenia dyfundujących pierwiastków. Od czynników tych zależy zatem grubość i struktura warstw powierzchniowych otrzymanych w wyniku obróbki cieplno-chemicznej. Prawa Ficka opisują następujące zależności: Pierwsze prawo Ficka określa strumień dyfuzji J składnika nasycającego:
gdzie: D – współczynnik dyfuzji, dc/dx – gradient stężenia pierwiastka dfundującego, Q – energia aktywacji dyfuzji, k – stała Boltzmanna, T – temperat. w skali bezwzględnej, D0 – stała, zależna od struktury krystalicznej metali.
Drugie prawo Ficka opisuje zależność rozkładu stężenia składnika od czasu (t – czas procesu):
Dyfuzja w roztworach różnowęzłowych przebiega głównie za pośrednictwem mechanizmu wakansowego, natomiast w roztworach międzywęzłowych – międzywęzłowego. Mechanizm międzywęzłowy jest charakterystyczny dla dyfuzji m.in. C, N, B w stopach żelaza. W zależności od energii aktywacji różne są drogi łatwej dyfuzji, która przebiega: wzdłuż powierzchni metalu (najłatwiej), wzdłuż granic ziarn (trudniej), wewnątrz ziarn (najtrudniej).
Stale stopowe i ich obróbka cieplna
Stal stopowa to stal do której wprowadzono pierwiastki w celu poprawienia jej własności. Oznaczenia: N – nikiel, H – chrom (stale konstrukcyjne), C – chrom (narzędziowe), W – wolfram, M – molibden, F – wanad (konstrukcyjne), V – wanad (pozostałe), G – mangan, S – krzem, K– kobalt, J – aluminium, T – tytan, Cu – miedź, B – bor.
16. Domieszki stopowe wprowadzane są do stali w celu:
· spowodowania określonych zmian strukturalnych,
· zwiększenia własności wytrzymałościowych i polepszenia niektórych własności chemicz. lub fizycznych,
· zwiększenia hartowności,
· polepszenia efektywności i ułatwienia obróbki cieplnej.
Pierwiastki: Co, Mn, Ni, zwane austenitotwórczymi, w stopach żelaza powodują rozszerzenie obszaru występowania roztworu stałego g. Przy odpowiednio dużych stężeniach tych pierwiastków jednofazowa struktura austenityczna występuje w całym zakresie poniżej temperatury solidusu. Pierwiastki zwane ferrytotwórczymi,np. Cr, V, Al, Si, Ti, Mo, W, ograniczają w stopach zelaza występowanie roztworu stałego g. Przy dostatecznie dużym stężeniu tych pierwiastków w stanie stałym w całym zakresie temperatury (od temperatury pokojowej do solidusu) występuje więc struktura roztworu stałego a. Wszystkie pierwiastki stopowe przesuwają do mniejszego stężenia węgla położenie punktu eutektoidalnego oraz punktu E granicznej rozpuszczalności węgla w austenicie. Przesunięcie linii SE do mniejszego stężenia węgla, powodowane przez wszystkie niemal pierwiastki stopowe, sprzyja wydzielaniu węglików wtórnych przy stężeniach węgla mniejszych niż w stalach węglowych. Niemal wszystkie pierwiastki stopowe rozpuszczone w roztworach stałych w sposób znaczący decydują o przebiegu przemian strukturalnych zachodzących podczas obróbki cieplnej. W szczególności wpływ ten dotyczy procesów tworzenia i ujednorodniania austenitu w czasie nagrzewania stali, kinetyki przemian tej fazy podczas chłodzenia oraz związanej z tym hartowności stali. Pierwiastki przejściowe cechujące się dużym powinowactwem chemicznym do węgla, szczególnie Cr, W, Mo, V, Ti, Nb oraz Fe, tworzą w stalach fazy międzywęzłowe: węgliki o strukturach złożonych, tj. M3C, M23C6, M7C3, M6C, oraz węgliki o strukturach prostych MC i M2C. Podczas obróbki cieplnej węgliki ulegają rozpuszczeniu w austenicie, wpływając na zmianę własności tej fazy, głównie na hartowność i kinetykę przemian austenitu przechłodzonego. Zróżnicowana rozpuszczalność węglików w austenicie decyduje o wielkości ziarna i składzie chemicznym austenitu. Nie rozpuszczone węgliki utrudniają bowiem rozrost ziarn austenitu. Dopiero po nagrzaniu stali do odpowiednio wysokiej temperatury, nierzadko zbliżonej do temperatury solidusu, następuje zwykle rozpuszczenie znacznej liczby węglików, czemu towarzyszy znaczny rozrost ziarn austenitu.
20. Stale niestopowe narzędziowe
Stale narzędziowe niestopowe wysokowęglowe znalazły zastosowanie na proste narzędzia tnące do drewna, papieru i tworzyw sztucznych, takie jak pilniki i proste narzędzia rolnicze – np. kosy lub zęby bron. Stale o mniejszym stężeniu węgla są stosowane na proste narzędzia tnące, np. piły, dłuta oraz narzędzia pracujące udarowo, jak młotki, przecinaki i cechowniki. Stale wysokowęglowe, po odpowiedniej obróbce cieplnej, charakteryzują się głównie dużą twardością, a stale o niższym stężeniu węgla – nieco większą ciągliwością. Stale narzędziowe niestopowe cechują się ponadto małą hartownością i małą skłonnością do rozrostu ziarna austenitu. Są produkowane jako głęboko lub płytko hartujące się. Stale płytko hartujące się są stosowane na narzędzia o średnicy mniejszej od 20 mm, a głęboko hartujące się – na narzędzia grubsze.
W celu uzyskania wymaganych własności stale narzędziowe niestopowe poddaje się hartowaniu z temperatury 760-800°C z chłodzeniem w wodzie i odpuszczaniu w temperaturze 180-300°C z wygrzaniem przez 2 h. Temperatura odpuszczania jest dobierana w zależności od wymaganej twardości i ciągliwości narzędzia i zwykle nie przekracza 200°C. Podwyższanie temperatury odpuszczania powoduje szybkie zmniejszanie twardości i odporności na ścieranie stali niestopowych. Przykłady stal: N9E, N11E (płytko), N9, N11 (głęboko).
25. Stale żarowytrzymałe
Żarowytrzymałością jest nazywana odporność stopu na odkształcenia, z czym wiąże się zdolność do wytrzymywania obciążeń mechanicznych w wysokiej temperaturze – powyżej 600°C. Żarowytrzymałość w temperaturze wyższej od 600°C jest uzależniona głównie od odporności na pełzanie. Dużą żarowytrzymałość wykazują stale o strukturze austenitycznej – ze względu na mniejsze współczynniki dyfuzji niż w ferrycie, o znacznej wielkości ziarn i z dyspersyjnymi wydzieleniami faz, głównie na granicach ziarn. Nikiel przy stężeniu 9%, w obecności ok. 18% Cr, powoduje tworzenie trwałej struktury austenitycznej, co decyduje o zwiększeniu żarowytrzymałości stali. Żarowytrzymałość podwyższają pierwiastki stopowe zwiększające energię wiązania atomów sieci roztworu stałego, a więc podwyższające temperaturę topnienia i rekrystalizacji, do których należą Mo, W, V, Co, a także Ti, Cr i Si. Żarowytrzymałość jest ponadto zwiększana w wyniku umocnienia zgniotowego oraz utwardzania dyspersyjnego. Natomiast obniżenie żarowytrzymałości następuje wskutek poligonizacji i rekrystalizacji stali uprzednio odkształconej plastycznie na zimno oraz koagulacji wydzieleń faz. Stężenie węgla w tych stalach – ze względu na zapewnienie odpowiedniej spawalności – jest ograniczone do ok. 0,2%. Przykłady stali: H18N9S, H23N18
25. Stale zaworowe
Szczególną grupę stali żarowytrzymałych, używanych na zawory w slnikach spalinowych, stanowią stale zaworowe. Charakteryzują się one dużą odpornością na korozję w atmosferze spalin, w temperaturze do ok. 750°C. Odporność tę zapewniają główne dodatki Si i Cr, stąd nazwa tych stali – silchromy. Dużą twardość i odporność na ścieranie zapewnia im stosunkowo duże stężenie węgla – 0,4-0,6%. Ponieważ stale o strukturze austenitycznej wykazują większą wytrzymałość w wysokiej temperaturze, niż stale o strukturze perlitycznej, niektóre gatunki mają duże stężenie Cr i Ni. Częściowo Ni może być zastępowany tańszym Mn, również austenitotwórczym. Dodatki W i Mo powodują zwiększenie żarowytrzymałości i rozdrobnienie ziarn. W stalach o strukturze perlitycznej dodatki te powodują zwiększenie odporności na odpuszczanie i przeciwdziałają kruchości odpuszczania. Stale krzemowo-chromowe o strukturze perlitycznej poddaje się hartowaniu z temperatury 1010-1060°C i odpuszczaniu w temperaturze 700-790°C z chłodzeniem w wodzie, co zapobiega kruchości odpuszczania. Strukturę stali obrobionej cieplnie stanowi martenzyt wysokoodpuszczony. Stale o strukturze austenitycznej poddaje się przesycaniu z temperatury 1050-1170°C, z chłodzeniem w wodzie, i starzeniu w temperaturze 700-750°C. W wyniku tej obróbki otrzymuje się strukturę austenitu z dyspersyjnymi wydzieleniami węglików M6C i M23C6 oraz węglikoazotków. Przykłady stali: H9S2, 4H14N14W2M.
Stale odporne na korozję
Stale odporne na korozję obejmują trzy grupy:
Stale trudno rdzewiejące, o odporności na korozję jedynie nieznacznie większej od stali węglowych, zawierają 0,1% C oraz dodatki 1-3% pasywującego Cr i ok. 0,5% Cu, tworzącej na powierzchni warstewkę pasywującą złożoną z siarczanów i węglanów miedzi. Do stali tych są wprowadzane także w niewielkich stężeniach P, Al i ...
ewelina915