Stale stopowe

Celem wprowadzania dodatków stopowych do stali jest

uzyskanie pożądanych właściwości.

- Zwiększenie hartowności

- Umocnienie stali (roztworowe lub cząstkami wydzieleń twardych faz)

- Wzrost odporności na korozję

Najczęściej stosowane dodatki stopowe:

Mn, Cr, Si, Ni, W, Mo, V

oraz Al, Co, Cu, Ti, Nb

Pierwiastki stopowe mogą wpływać na;

• położenie punktów krytycznych w układzie Fe- Fe

3

C

• położenie temperatury Ms (obniżają za wyjątkiem Al i Co)

• hartowność (podwyższają za wyjątkiem Al i Co)

•zmianę wykresów CTPi

Wpływ pierwiastków stopowych na zmianę wykresów CTP

i

Stale używane na konstrukcje o wymaganej granicy plastyczności (Re),

odporności na pękanie (udarność U ) oraz dobrej spawalności.

Skład chemiczny:
- niska zawartość węgla (poniżej 0,2 %)
- zwiększona zawartość manganu (do 2%)
- obecność mikrododatków (Nb, V, Ti, Cu, Al) powodujących rozdrobnienie ziarna i
nadanie innych wymaganych właściwości jak podwyższenie odporności na korozję.

Struktura: ferrytyczno-perlityczna o drobnym ziarnie

Stale konstrukcyjne niskostopowe

Stale stopowe konstrukcyjne-na części maszyn

Stosowane do wytwarzania elementów maszyn i urządzeń
narażonych na działanie dużych naprężeń.
Wymagania:
- wysoka wytrzymałość (Re: 600-1000MPa)
- odporność na pękanie,
- odporność na zmęczenie
- dobra i powtarzalna hartowność
- dobra skrawalność
Właściwości te uzyskuje za pomocą dodatków stopowych i
obróbki cieplnej lub cieplno-chemicznej

Zawierają min. 0,25% C, oraz Cr, Mn, Ni, Mo, Si

Stanowią podstawowy materiał konstrukcyjny w przemyśle maszynowym

Stale stopowe konstrukcyjne obejmują grupy stali:

- Stale do ulepszania cieplnego:

Zawierają zwykle 0,20-0,6%C, Cr, Mn, Mo, Ni
Przykłady :
Wg PN-EN: 41Cr4, 42CrMo4, 36CrNiMo6

- Stale do nawęglania

Zawierają poniżej 0,25% C i zwykle 1-2%Cr. Dodatki stopowe zapewniają
wymagane właściwości wytrzymałościowe rdzenia i zmniejszenie naprężeń
hartowniczych.
Przykłady: PN-EN: 17Cr3, 18CrMo3, 16MnCr5, 18CrNiMo7-6

- Stale do azotowania

Stal do ulepszania cieplnego z dodatkami zwiększającymi twardość warstwy
azotowanej
Przykład: PN-EN: 41CrAlMo7-10

- Stale sprężynowe.

Stale przeznaczone do wyrobu sprężyn, resorów, drążków skrętnych itp.
powinny się cechować:
• możliwie wysoką granicą sprężystości,
• dobrą wytrzymałością zmęczeniową.
Obróbka ich polega na hartowaniu od temp. 800—850°C w oleju lub wodzie i
odpuszczaniu w zakresie temp. 400-500°C, tak aby ich twardość wynosiła
35-45 HRC

Przykłady:

PN-EN: 46Si7, 56Si7, 56SiCr7, 51CrV4

Stale do pracy w podwyższonych temperaturach

W urządzeniach energetycznych i aparaturze chemicznej stosuje się stale, które muszą
wykazywać: odporność na odkształcenia plastyczne (pełzanie) do temp. ok. 600°C.
Ze stali takich wyrabia się np. rury kotłowe, armatury kotłów i turbin itp..
Są to stale niskowęglowe zawierające dodatek chromu i molibdenu. Stosuje się je w
stanie normalizowanym, lub ulepszanym cieplnie.

Przykłady:
PN-EN: P280GH, P305GH,

16Mo3, 15CrMo4-5, 14MoV6-3, X16CrMo5-1

PN:

K10, K18,
16M, 15HM, 14MF, 16H5M

W temperaturach pracy powyżej 600

o

C należy stosować wysokostopowe stale

specjalne

niskowęglowe

%C

węglowe

Stale niestopowe i niskostopowe

mikro- i niskostopowe

średniowęglowe

konstrukcyjne

maszynowe

spr

ęż

ynowe

narz

ę

dziowe

węglowe

niskostopowe

wysokowęglowe

węglowe

niskostopowe

twardo

ść

C15

C45

C90

42CrMo4

36CrNiMo6

56SiCr7

140Cr6

65NiCrMoV7

S335
P275

Spawalne stale,
drobnoziarniste

Obróbka cieplna

Obróbka cieplna

Stale odporne na korozję

- stale nierdzewne (chromowe)
- stale kwasoodporne (austenityczne)
- stale żaroodporne i żarowytrzymałe

Stale odporne na ścieranie

Stale narzędziowe

Stale wysokostopowe (o szczególnych właściwościach)

Stale nierdzewne (chromowe):

Zawartość Cr > 13% powoduje skokowy wzrost odporności na korozję. Stale tego
typu tworzą pasywną warstwę chroniącą przed dalszym utlenianiem.

Skład chemiczny: 13%, lub 17%Cr, 0,08 – 0,4%C

Struktura: ferryt, powyżej 0,2%C martenzyt odpuszczony + węgliki

Przykłady

:

X30Cr13, X6Cr17, X20CrNi17-2

Zastosowania: elementy konstrukcyjne, śruby,

narzędzia chirurgiczne, sztućce, łożyska toczne

Właściwości: odporność na działanie wody,
pary wodnej, rozcieńczonych kwasów i
soli (za wyjątkiem chlorków), ropy naftowej,

paliw, środków spożywczych.

Stale odporne na korozję

Stale kwasoodporne (chromowo-niklowe)

Skład chemiczny: min18% Cr, min 8% Ni, <0,1% C (0,03%C), Ti, Nb

Struktura:
austenityczna, która zapewnia wysoką odporność na korozję elektrochemiczną.

Obróbka cieplna: przesycanie

Przykłady:

X8CrNi18-9, X6CrNiTi18-10

Zastosowania:
przemysł spożywczy, chemiczny,
petrochemiczny, zastosowania ozdobne

Właściwości:
odporność na działanie kwasów,
związków azotu, agresywnych środków

spożywczych

Stale żaroodporne i żarowytrzymałe

Żaroodporność: odporność na korozję wysokotemperaturową (utlenianie) w
temperaturze ponad 600

o

C. Stale żaroodporne powinny posiadać strukturę

jednorodnego ferrytu, lub austenitu o dużej zawartości Cr i Ni, oraz Si i Al

Żarowytrzymałość: odporność na odkształcenia (zachowanie wysokich
właściwości wytrzymałościowych) w temperaturze powyżej 600

o

C. Zależy głównie

od odporności na pełzanie.
Stale żarowytrzymałe powinny posiadać strukturę ferrytyczną lub austenityczną o
dużych ziarnach z drobnymi wydzieleniami, głównie na granicach.

Przykłady:
X12CrMo5 - żaroodporna, ferrytyczno-perlityczna
X10CrAlSi18 - żarowytrzymała, ferrytyczna
X8CrNi 23-13 - żarowytrzymała, austenityczna
temperatury pracy stali żarowytrzymałych: do 800

oC

Zastosowania:
elementy pieców, transportery, rury przegrzewaczy, wymienniki ciepła .

Stale zaworowe
to grupa stali żarowytrzymałych, odporna na korozję w atmosferze spalin do
około 750

o

C, stosowana na zawory w silnikach spalinowych.

Dodatki stopowe: Cr, Si, oraz Ni, W, Mo

Struktura: - martenzyt wysokoodpuszczony (sorbit)

- austenit z węglikami i fazami m-m .

Przykłady :
- X45CrSi9-3 ( R

z/1000/600

= 250 MPa),

- X53CrMnNiNbN21-9-4 ( R

z/1000/650

= 510 MPa)

Przykład zastosowania:
zawory wylotowe tłokowych silników spalinowych

Stale te znajdują zastosowanie na elementy narażone na ścieranie przy dużych
naciskach powierzchniowych

Przykład:
stal (staliwo) Hadfielda:
PN-EN: X110Mn12 (GX110Mn12 )

Struktura:

Austenit - po szybkim chłodzeniu (przesycaniu), który łatwo umacnia się pod
wpływem zgniotu; do stosowania
Ferrytyczna z wydzieleniami cementytu - po powolnym chłodzeniu; do obróbki

Zastosowanie: gąsienice do ciągników, rozjazdy kolejowe, kasy pancerne,
elementy mielące w młynach kulowych itp.

Stale odporne na ścieranie

Stale narzędziowe są przeznaczone do wyrobu narzędzi służących do obróbki
różnych materiałów drogą skrawania lub obróbki plastycznej oraz narzędzi
pomiarowych i sprawdzianów.

Wymagania: duża twardość, odporność na ścieranie także w podwyższonych
temperaturach, ciągliwość (w warunkach obciążeń dynamicznych).

Dodatki stopowe: chrom, wolfram, molibden, wanad, kobalt
Dodatki te w trakcie odpuszczania wywołują twardość wtórną.

Stale narzędziowe stopowe dzielimy na:
-stale do pracy na zimno, ( do 250°C)
-stale do pracy na gorąco, (do ok.600°C)
-stale szybkotnące.

Stale stopowe narzędziowe

Przykłady:
X165Cr12, X60CrMoV5-1

Stale szybkotnące

Stale szybkotnące stosuje się do skrawania materiałów z dużymi
prędkościami. Mogą one pracować bez utraty twardości w temp. 550-600°C.
Ich wysoka odporność na odpuszczanie jest wynikiem składu chemicznego
tych stali oraz obróbki cieplnej, w której wykorzystuje się zjawisko wtórnego
utwardzania. Twardość ok. 64- 66 HRC

Skład chemiczny: ilość pierwiastków stopowych dochodzi do 30%.
Zawierają 0,8-1,4% C, W (do 19%), Cr, V, a także Mo i Co

Przykłady:
Wg PN-EN: HS18-0-1, HS12-1-5-5

Wg PN: SW18, SW7M

Stopy metali

ż

elazne

nie

ż

elazne

stale

ż

eliwa

W

ę

glowe

(niestopowe)

Niskostopowe

Wysokostopowe

nisko-

ś

rednio-

wysoko-
w

ę

glowe

wysoko
wytrzymałe stale
niskostopowe

stale ło

ż

yskowe

<5% dodatków
stopowych

odporne na
korozj

ę

trudno

ś

cieralne

narz

ę

dziowe

>5% dodatków
stopowych

Szare

Modyfikowane

Sferoidalne

Ci

ą

gliwe

Białe

Stopowe

Al
Cu
Ni
Ti
Mg
Sn
Zn
…

Stopy metali nieżelaznych

Aluminium

Właściwości:
- niski ciężar właściwy (2,7g/cm

3

),

- temperatura topnienia 660

o

C

- niski moduł Younga (ok. 1/3E

Fe

)

- właściwości wytrzymałościowe: R

m

≈

40 MPa , HB

≈

15

- dobra przewodność cieplna i elektryczna
- odporność na korozję atmosferyczną na skutek tworzenia się na
powierzchni Al cienkiej i ściśle przylegającej warstewki Al

2

O

3

Zastosowania:
elektrotechnika, opakowania, AGD, elementy pracujące w niskich temperaturach

Al-Mn

Al-Cu

Al-Si

Podstawowe rodzaje stopów aluminium

Odlewnicze stopy aluminium :

Siluminy (Al - Si ):

- podeutektyczne ( 4 ÷ 10% Si ) ,
- eutektyczne ( 10 ÷ 13% Si ) ,
- nadeutektyczne ( 17 ÷ 30% Si )

Właściwości

- wysokie właściwości wytrzymałościowe, R

m

≅

200 MPa

- dobra odporność na korozję,
- mały współczynnik rozszerzalności cieplnej,
- niska temperatura odlewania ( 680 ÷ 780

o

C ),

- niskie własności plastyczne

Zastosowanie: na odlewane elementy maszyn, tłoki i głowice silników
spalinowych, części lotnicze i samochodowe, itp

Przykłady zastosowań : lotnictwo, przemysł samochodowy, zbiorniki,
elementy dekoracyjne, przemysł spożywczy, części pracujące do 300

o

C itp.

Durale miedziowe (Al-Cu):
Stopy podlegające obróbce cieplnej: przesycania (500

o

C) i starzenia (170 -200

o

C)

Wykazują wysokie właściwości wytrzymałościowe (

R

e02

≈

340 MPa),

lecz niską odporność na korozję.

Inne stopy aluminium
• z magnezem - dobra odporność na korozję, lekkie
• z cynkiem - najwyższe właściwości wytrzymałościowe, (R

e 02

≈

500 MPa) lecz

niska odporność na korozję
• z manganem - dobra odporność na korozję
• wieloskładnikowe

Stopy aluminium do przeróbki plastycznej

Recykling: Al posiada bardzo wysoki wskaźnik recyklingu (ok. 30% produkcji Al pochodzi z
ponownego przetworzenia

Miedź

Właściwości:
- bardzo dobra przewodność elektryczna i cieplna,
-

odporność na korozję

-

właściwości wytrzymałościowe R

m

≈

220 MPa

,

R

e

≈

70 MPa

,

HB

≈

30

-

plastyczność

-

temperatura topnienia 1083

o

C

Zanieczyszczenia, składniki stopowe i zgniot

obniżają przewodność miedzi (dopuszczalna
ilość zanieczyszczeń w Cu dla celów
elektrotechnicznych wynosi 0,10%)

Przykłady zastosowania: elektrotechnika, elektronika ,

produkcja stopów, odlewy itp. .

• Mosiądze (Cu-Zn):
odlewnicze i do obróbki plastycznej,
Stosowane na części armatury gazowej, hydraulicznej i budowlanej, drobną
galanterię itp.

• Brązy:
- cynowe, Cu-Sn
- aluminiowe, Cu-Al
- berylowe (nie iskrzą), Cu-Be
- manganowe, Cu-Mn
- krzemowe, Cu-Si
Posiadają wysokie właściwości wytrzymałościowe (R

m

200 do 700 MPa)

Materiały odlewnicze i do obróbki plastycznej stosowane na części maszyn,
armaturę narażoną na korozję, panewki łożysk ślizgowych, itp

• Miedzionikle (Cu-Ni):

stosowane na stopy oporowe

Stopy miedzi

Stopy łożyskowe
Stopy cyny i ołowiu stosowane na panewki łożysk ślizgowych

Stopy metali trudnotopliwych: W, Mo, Nb, Hf, Ta
stosowane są w zastosowaniach specjalnych - w warunkach
szczególnie korozyjnych, w reaktorach jądrowych.
W większości są nieodporne na utlenianie w wysokich
temperaturach.

Stopy innych metali: Ti, Mg, Zn...

Stopy Ti (Ti6Al4V)
Właściwości:
- niska gęstość 4,5g/cm

3

- moduł sprężystości E=127GPa
- możliwa poprawa właściwości wytrzymałościowych przez obróbkę cieplną
- wysoka odporność na korozję
- biokompatybilność

Zastosowania:
Elementy samolotów i statków kosmicznych, statków pojazdów mechanicznych,
Aparatura chemiczna, instalacje do odsalania wody morskiej
Sprzęt sportowy (kije golfowe0, obudowy laptopów, telefonów, zegarki, biżuteria
Endoprotezy, implanty zębowe

Żarowytrzymałe stopy metali

•Nadstopy Fe (zawierające ponad 50% dodatków stopowych)

- Fe-Cr-Ni
- Fe-Cr-Ni-Co

• Stopy Ni: Nimonic, Inconel
• Stopy Co: stellity, Vitallium

Stopy na odpowiedzialne elementy obciążone, pracujące w wysokich temperaturach
jak łopatki, wirniki, dysze w turbinach parowych i silnikach odrzutowych

Temperatura pracy stopów żarowytrzymałych: do 1000

o

C

Dalsze podniesienie żarowytrzymałości stopów uzyskuje
się przez:
• krystalizację kierunkową stopów eutektycznych
• otrzymywanie elementów monokrystalicznych
• nakładanie powłok żaroodpornych na powierzchnię
materiałów