STOPY ŻELAZA

STOPY ŻELAZA

Klasyfikacja

STOPY ŻELAZA

Definicje

Stal

– stop żelaza z węglem i innymi dodatkami

stopowymi, zawierający do ok. 2 % węgla, otrzymany

w procesach stalowniczych, przeznaczony na

półwyroby i wyroby przerabiane plastycznie.

Stal węglowa (niestopowa)

– stal niezawierająca

specjalnie wprowadzonych dodatków stopowych,

jedynie węgiel i ograniczoną ilość pierwiastków

pochodzących z rudy i procesu hutniczego.

Stal stopowa

– stal zawierająca pierwiastki stopowe,

wprowadzone w celu zmiany właściwości w

określonym kierunku.

Staliwo

- stop żelaza z węglem i innymi dodatkami

stopowymi, zawierający do ok. 2 % węgla, otrzymany

w procesach stalowniczych, przeznaczony na odlewy.

STALE NIESTOPOWE

Wpływ węgla na mikrostrukturę stali

STALE NIESTOPOWE

Wpływ węgla na właściwości mechaniczne stali

STALE NIESTOPOWE

Podział

W zależności od zastosowania:

 Konstrukcyjne (do ok. 0,85%C)
 Narzędziowe (0,6-1,3%C)
 O szczególnych właściwościach

W zależności od zawartości zanieczyszczeń (siarki i

fosforu):

 Zwykłej jakości, P = 0,050% masy max., S = 0,050%

masy max.

 Wyższej jakości, P = 0,040% masy max., S = 0,040%

masy max.

 O określonym przeznaczeniu, w którym dopuszczalne

zawartości zanieczyszczeń określają normy

STALE NIESTOPOWE

Wielkość ziarna w stali

Wielkość ziarna ma duży wpływ na właściwości mechaniczne.

Duże ziarno obniża właściwości mechaniczne, zwłaszcza
udarność i granicę plastyczności.

STALE NIESTOPOWE

Wyżarzanie

STALE NIESTOPOWE

Wyżarzanie normalizujące (normalizacja)

Parametry:

30-50ºC powyżej A

1

lub A

cm

, 1-2 min./mm

2

przekoju, studzenie w spokojnym powietrzu.

Mikrostruktura po wyżarzaniu

: drobnoziarnista,

jednakowa na przekroju.

Właściwości mechaniczne po wyżarzaniu:

wyraźnie

wyższa granica plastyczności i udarność, niewielki

wzrost pozostałych właściwości.

Cel:

 Usunięcie skutków przegrzania,
 Ujednorodnienie struktury wyrobów hutniczych,
 Ujednorodnienie struktury w wyrobach spawanych,
 Zapewnienie powtarzalności wyników obróbki

cieplnej w produkcji seryjnej poprzez nadanie

jednolitej struktury wyjściowej.

STALE NIESTOPOWE

Wyżarzanie normalizujące (normalizacja)

A

cm

A

1

STALE NIESTOPOWE

Wyżarzanie rekrystalizujące – usunięcie skutków zgniotu na

zimno

Wyżarzanie odprężające – zmniejszenie naprężeń własnych

wyrobu

STALE NIESTOPOWE

Hartowanie i odpuszczanie

Hartowanie

polega na

nagrzaniu stali do
temperatur występowania
austenitu, wygrzaniu i
szybkim chłodzeniu (w
wodzie).

Przemiana

austenit  perlit

przy szybkim chłodzeniu
zostaje zahamowana; ma
miejsce tylko przemiana
alotropowa γ  α, a całość

węgla rozpuszczonego w
austenicie pozostaje w sieci
ferrytu. Powstaje martenzyt –
przesycony roztwór węgla w

Fe α.

Pasmo prawidłowych

temperatur

hartowania i nieprawidłowe
temperatury T

1

-T

10

STALE NIESTOPOWE

Hartowanie i odpuszczanie

Efektem zniekształcenia sieci Fe α są naprężenia wewnętrzne

powodujące bardzo dużą twardość, wytrzymałość i niską
plastyczność martenzytu.

STALE NIESTOPOWE

Hartowanie i odpuszczanie

Po hartowaniu stosuje się
zawsze

odpuszczanie

, czyli

nagrzanie stali do

temperatur

niższych od temperatury
występowanie austenitu,
wygrzaniu i chłodzeniu w
spokojnym powietrzu.

Wpływ temperatury
odpuszczania na

właściwości

zahartowanej stali z 0,4%

C

STALE NIESTOPOWE

Hartowanie i odpuszczanie

Odpuszczanie

przeprowadza się w celu:

 Usunięcia naprężeń hartowniczych, przy zachowaniu jak

najwyższej twardości i odporności na ścieranie (150-250C).
Jest to odpuszczanie niskie, które stosuje się do narzędzi.

 Uzyskania jak największej granicy sprężystości przy

względnie dobrej plastyczności (250-500C). Jest to
odpuszczanie średnie, które stosuje się do sprężyn i
resorów.

 Uzyskania optymalnego zespołu właściwości

mechanicznych: wysokiej wytrzymałości i plastyczności
(500-650C). Jest to odpuszczanie wysokie, któremu
poddaje się stale konstrukcyjne o zawartości 0,25-0,45% C,
z których wytwarza się części maszyn takie jak: sworznie,
tuleje, wały korbowe, sprzęgła, osie. Hartowanie i wysokie
odpuszczanie nazywa się

ulepszaniem cieplnym.

STALE NIESTOPOWE

Hartowanie powierzchniowe

W wypadku części maszyn podlegających obciążeniom

dynamicznym, takich jak: walce hutnicze i papiernicze,

koła kolejowe, kowadła, małe matryce, bijaki młotów

mechanicznych, większą trwałość zapewnia duża

twardość i odporność na ścieranie tylko warstwy

wierzchniej elementu przy rdzeniu mniej twardym i

wytrzymałym, ale bardziej ciągliwym. Takie

właściwości zapewnia

hartowanie powierzchniowe.

Zasadniczym warunkiem hartowania powierzchniowego

jest

szybkie intensywne nagrzewanie.

Ilość energii

cieplnej doprowadzana w jednostce czasu musi być

dużo większa od ilości, jaka może przenikać w głąb

elementu. Również chłodzenie musi być dostatecznie

intensywne,

aby przeważająca ilość ciepła

zgromadzona w warstwie wierzchniej została

odprowadzona przez ośrodek chłodzący.

Orientacyjne właściwości: np. w wypadku stali z 0,4 % C

twardość powierzchni i rdzenia:

500 HB i 180HB,

głębokość warstwy zahartowanej:

2 mm.

STALE NIESTOPOWE

Hartowanie powierzchniowe

HARTOWNOŚĆ

Hartowność –

zdolność stali do hartowania;

zależy głównie od składu chemicznego
stali. Im więcej węgla zawiera stal, tym
większa jest jej hartowność. Hartowność
zwiększają pierwiastki stopowe: Ni, Cr,
Mn, Mo.

Miara hartowności –

głębokość warstwy

zahartowanej.

STALE NIESTOPOWE

konstrukcyjne

Stale konstrukcyjne

– stosowane w budownictwie oraz budowie

urządzeń i maszyn pracujących w środowiskach mało agresywnych.

Obliczenia konstrukcyjne

bazują na

granicy plastyczności

. Im większa

jest zawartość C, tym większa jest granica plastyczności i zdolność
stali do przenoszenia obciążeń.

Zastosowanie zależne od zawartości C:

0,10% blachy do głębokiego tłoczenia (np. karoseryjne)
0,20% części rowerowe, rurociągi
0,20-0,35 konstrukcje mostów, zbiorników, budynków
0,25-0,45 części maszyn w stanie normalizowanym lub

ulepszonym

cieplnie, np. sworznie, tuleje, wały korbowe, sprzęgła,

osie

0,55-0,65 części maszyn o dużej odporności na ścieranie, np.

ślimaki

i koła zębate hartowane powierzchniowo lub ulepszane
cieplnie

STALE NIESTOPOWE

narzędziowe

Stale narzędziowe

– przeznaczone do wyrobu narzędzi do

kształtowania i dzielenia materiałów, zwykle w
temperaturze pokojowej lub do 250ºC.

Wymagane cechy:

twardość i odporność na ścieranie

Obróbka cieplna

: hartowanie i niskie odpuszczanie

Zawartość C:

większa niż w stalach konstrukcyjnych

Zastosowanie zależne od zawartości C:

0,6% siekiery, narzędzia ślusarskie, murarskie,

szewskie

0,7% młotki, śrubokręty, narzędzia kowalskie
>0,9% noże do cięcia blach, piły, wiertła, narzędzia

grawerskie, pilniki, igły, brzytwy, narzędzia do obróbki
kamienia

STALE STOPOWE

Podział

W zależności od zastosowania:

 Konstrukcyjne
 Narzędziowe
 O szczególnych właściwościach

STALE STOPOWE

konstrukcyjne

Większość stali

– to stale

niskostopowe,

zawierające do

ok. 5% pierwiastków stopowych.

Stale

stosuje się zawsze w stanie

obrobionym cieplnie

,

często hartowanym i odpuszczonym.

Pierwiastki stopowe

zwiększają

hartowność

stali, co

pozwala na stosowanie łagodniejszych, bardziej

korzystnych ośrodków chłodzących (mniejsze

naprężenia).

Grupy stali, np.:

do ulepszania cieplnego (Cr, Ni, Mn),

sprężynowe (Si), na łożyska toczne (Cr i C=1%)

Obliczenia konstrukcyjne

bazują na

granicy

plastyczności

. Stale stopowe maja wyższą granicę

plastyczności niż niestopowe, co pozwala na

wykonanie lżejszych konstrukcji i oszczędność

materiału.

STALE STOPOWE

narzędziowe

Przeznaczone na narzędzia:

 Do pracy na zimno (< 250°C)
 Do pracy na gorąco (<600°C)
 Skrawające z dużą szybkością przy temperaturze

<650°C

Skład chemiczny stali:

C 0,2 – 1,4%
Cr 12% max.
W 18% max.
Co 10% max.
Mo 10% max.
V 4% max.

Pierwiastki stopowe zapewniają dużą hartowność,

dużą twardość i zachowanie dużej twardości

podczas pracy w podwyższonej temperaturze.

STALE STOPOWE

o szczególnych właściwościach

Stale odporne na korozję

Zawartość Cr > 13%. Przy
takiej zawartości Cr na
powierzchni stali powstaje
warstwa pasywna,
zbudowana z tlenków Cr i
Fe, o zwartej budowie,
spójna z podłożem,
odnawiająca się, chroniąca
metal przed korozją, tak
jak np. powłoka malarska

STALE STOPOWE

o szczególnych właściwościach

Skład chemiczny:

C 0,03 – 0,4%
Cr 13 – 30%
Ni 0 – 30%

Stale kwasoodporne:

Przy dużej zawartości Cr i Ni, np. 18% Cr i 9% Ni stale

mają strukturę austenitu stopowego o dużej

odporności na działanie kwasów nieorganicznych i

organicznych.

Zastosowanie:

Narzędzia chirurgiczne, pomiarowe, części maszyn i

urządzeń w przemyśle chemicznym, spożywczym,

rafineryjnym, petrochemicznym, papierniczym,

sprzęt w gospodarstwach domowych.