STOPY ŻELAZA
Cz. I. Stale, staliwa i żeliwa niestopowe
Obowiązujący materiał
STALE
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 niestopowa (węglowa)  stal, która nie zawiera specjalnie
wprowadzonych pierwiastków, jedynie węgiel i ograniczoną ilość
pierwiastków  domieszek i zanieczyszczeń.
" domieszki: np. Mn (max.~0,8%) i Si (max.~0,3 %), pochodzące
głównie z procesu metalurgicznego
" zanieczyszczenia: np. S (max.~0,05%), i P (max.~0,05%),
pochodzące z rud
Stal stopowa  stal zawierająca dodatkowe pierwiastki, tzw.
stopowe, wprowadzone w celu zmiany właściwości w
określonym kierunku.
Przykładowe kryteria klasyfikacji stali
1. Skład chemiczny:
" stale niestopowe
" stale stopowe
2. Podstawowe zastosowanie:
" stale konstrukcyjne
" stale narzędziowe
" stale o szczególnych właściwościach
3. Jakość (stopień czystości metalurgicznej), określona
maksymalną zawartością siarki i fosforu:
" stale zwykłej jakości (0,05 %)
" stale wyższej jakości (0,04 %)
" stale o określonym przeznaczeniu, w których dopuszczalne
zawartości zanieczyszczeń określają odpowiednie normy
STALE NIESTOPOWE
Zawartość węgla i związana z tym struktura wywierają zasadniczy
wpływ na właściwości mechaniczne stali niestopowych
(węglowych)
Wpływ węgla na strukturę stali niestopowej
% C
Wpływ węgla na właściwości mechaniczne stali niestopowej
Wpływ domieszek i zanieczyszczeń na właściwości stali
Mangan rozpuszcza się w ferrycie oraz tworzy siarczek MnS o
wyższej temperaturze topnienia niż FeS. Utworzenie MnS
zmniejsza prawdopodobieństwo nadtopień stali podczas obróbki
plastycznej na gorąco i obróbki cieplnej. Sprzyja jednak
niekorzystnemu rozrostowi ziaren stali.
Krzem rozpuszcza się w ferrycie oraz tworzy tlenki SiO2, co jest
korzystne, gdyż obniża stężenie tlenu we wlewkach
Siarka i fosfor wpływają niekorzystnie na właściwości stali.
Siarka jest powodem kruchości na gorąco  w wyniku nadtopień
wtrąceń siarczkowych. Fosfor rozpuszcza się w ferrycie i
powoduje wzrost temperatury przejścia stali w stan kruchy
(spadek udarności w niskich temperaturach).
Wtrącenia niemetaliczne
W stali występuje szereg wtrąceń niemetalicznych, stanowiących
nieciągłości w osnowie, wpływających niekorzystnie na
właściwości mechaniczne stali. Szczególnie niekorzystne są duże,
wydłużone wtrącenia, nierównomiernie rozmieszczone.
Rodzaje wtrąceń niemetalicznych:
" endogeniczne  siarczki, tlenki, krzemiany, które powstają w
ciekłej stali podczas procesu stalowniczego
" egzogeniczne  cząstki materiałów ogniotrwałych stanowiących
wyłożenie pieca, rynien spustowych, kadzi
Stale niestopowe konstrukcyjne
1. Ogólnego przeznaczenia: dostarczane w postaci kęsów,
prętów, kształtowników, odkuwek, blach, stosowane na mało
odpowiedzialne konstrukcje, nie podlegają obróbce cieplnej.
Mogą być produkowane jako np. spawalne, o wymaganej
udarności, o zwiększonej odporności na korozję
atmosferyczną (C=0,20-0,60%, S, P= 0,035- 0,050 % max.
Re=200-400 N/mm2, Rm=300-800 N/m2, A=10-20%).
2. Do normalizowania, ulepszania cieplnego, hartowania
powierzchniowego: przeznaczone do produkcji elementów
maszyn (C=0,25-0,65%, S, P= 0,020- 0,040 % max., Re min.
300-600 N/mm2, Rm=500-1000 N/mm2, A=10-20% po
ulepszaniu cieplnym).
3. Do nawęglania: przeznaczone do produkcji elementów
maszyn (C=0,1-0,2 %).
4. O określonym przeznaczeniu: druty patentowane, druty na
sprężyny, łańcuchy techniczne i okrętowe, pręty do zbrojenia
betonu, budowa mostów, dla górnictwa, kolejnictwa, do pracy
w podwyższonej temperaturze.
Stale niestopowe narzędziowe
" Zawartość węgla większa niż w stalach konstrukcyjnych.
" Przeznaczone na proste narzędzia do kształtowania i dzielenia
drewna, papieru, tworzyw sztucznych, proste narzędzia
rolnicze, w temperaturze pokojowej lub do 250�C.
" Wymagane cechy: wysoka twardość i odporność na ścieranie.
" Obróbka cieplna: hartowanie z 760-800�C z chłodzeniem w
wodzie i odpuszczanie w 180-300�C.
Stale niestopowe o szczególnych właściwościach
" Stale przeznaczone na magnetycznie czynne elementy
urządzeń elektrotechnicznych i elektronicznych magnetycznie
miękkie. Są to stale niskowęglowe z ograniczoną zawartością S i
P (0,01-0,02 %), odznaczające się małą koercją i dużą
przenikalnością magnetyczną.
" Stale automatowe, z których wytwarza się mało obciążone
drobne elementy (śruby, nakrętki, sworznie), stosując obróbkę
skrawaniem na szybkobieżnych obrabiarkach i automatach
(C=0,1-0,4%, P=0,04-0,8%, S=0,15-0,35 %). Wysoka zawartość P
i S powoduje, że powstający w czasie skrawania wiór jest kruchy i
łatwo usuwalny (dobra skrawalność).
STALIWA NIESTOPOWE
Staliwo niestopowe  cieplnie obrabialny stop żelaza z węglem i
innymi pierwiastkami pochodzącymi z przerobu hutniczego,
przeznaczonych do wykonywania elementów maszyn i urządzeń
na drodze odlewania, o masie od kilku kg do kilkuset ton.
Teoretycznie, może zawierać do 2% węgla, w praktyce zawiera ~
0,1- 0,6 % C.
Staliwo niestopowe dzieli się na gatunki różniące się
wytrzymałością na rozciąganie (400  650 N/mm2).
Szybko chłodzone staliwo posiada strukturę Widmanst�ttena, co
skutkuje niższą udarnością tego materiału w porównaniu do stali o
tej samej zawartości węgla. Taką wadę można usunąć stosując
odpowiednią obróbkę cieplną.
Zalety w stosunku do innych materiałów odlewniczych: dobre
właściwości mechaniczne, dobra spawalność i skrawalność,
wady: większy skurcz, wyższa temperatura topnienia.
50 �m
b)
a)
Struktura Widmanst�ttena w staliwie (a), ziarnista struktura stali
o podobnej zawartości węgla (b). Białe ziarna  ferryt, ciemne
ziarna  perlit. Zgład trawiony 4% HNO3, mikroskop świetlny
ŻELIWA NIESTOPOWE
Żeliwo  stop żelaza z węglem, zawierający 2,5-4,5% C i inne
pierwiastki (Si, Mn, P, S), przeznaczony do wykonywania części
maszyn, urządzeń przemysłowych i wyrobów codziennego użytku
na drodze odlewania.
Zależnie od postaci węgla wyróżnia siężeliwa:
" białe (jasny przełom), w których węgiel występuje w postaci
cementytu; mają one ograniczone zastosowanie
" szare - z grafitem (szary przełom), w których węgiel występuje
głównie jako grafit i częściowo związanej jako cementyt w perlicie;
mają one szerokie zastosowanie. Ze względu na kształt wydzieleń
grafitu wyróżnia siężeliwo z grafitem płatkowym, sferoidalne i
ciągliwe
" Połowiczne (pstre)  węgiel w postaci cementytu i grafitu
% C
Układ Fe-C: układ żelazo-cementyt (linia ciągła), układ żelazo-
grafit (linia przerywana
Zmiana energii swobodnej ciekłego stopu (FL) i mieszaniny
austenit + cementyt (FA+C) oraz mieszaniny austenit + grafit (FA+G)
ze zmianą temperatury
Żeliwo szare krzepnące bez regulowania procesu krystalizacji
zawiera duże płatki grafitu, których obecność wpływa ujemnie na
właściwości mechaniczne (Rm<250 N/mm2).
Żeliwo modyfikowane: W celu podwyższenia właściwości
wytrzymałościowych, przeprowadza się proces modyfikacji żeliw.
Modyfikacja polega na wprowadzeniu do ciekłego stopu
modyfikatora (np. Fe-Si, Ca-Si) w ilości do 0,5% masy stopu.
Modyfikator powoduje zwiększenie ilości zarodków krystalizacji, a
tym samym rozdrobnienie płatków grafitu, oraz uzyskanie
struktury perlitu w osnowie metalicznej. Te dwa czynniki są
powodem wyższej wytrzymałości żeliw modyfikowanych (Rm>300
N/mm2).
Żeliwo sferoidalne: W celu podwyższenia właściwości
wytrzymałościowych i plastycznych, do ciekłego stopu dodaje się
modyfikator oraz niewielkie ilości substancji (Cr, Mg, Mg-Ni), które
zmieniają napięcie powierzchniowe i powodują utworzenie
wydzieleń grafitu w postaci sferoidalnej.
Żeliwo ciągliwe  otrzymywane z żeliwa białego w wyniku
wyżarzania grafityzującego. W czasie obróbki cieplnej cementyt
ulega rozkładowi z wydzieleniem węgla żarzenia w postaci
kłaczkowatych skupień.
Proces wyżarzania żeliwa przebiega w zakresie temperatur
~1000-700�C w czasie ~ 100 godzin. Zależnie od przebiegu cyklu
wyżarzania i atmosfery procesu, otrzymuje siężeliwo o osnowie
ferrytycznej, ferrytyczno-perlitycznej, perlityczno-ferrytycznej lub
perlitycznej, o strukturze jednolitej na przekroju elementu
(atmosfera obojętna), lub o zmniejszonej zawartości węgla przy
powierzchni odlewu (atmosfera utleniająca).
Kłaczkowa postać grafitu wpływa korzystnie na właściwości
mechaniczne żeliwa.
Właściwości mechaniczne żeliw z grafitem w zależności
od osnowy metalicznej i postaci grafitu
Z grafitem
płatkowym
Korzystne właściwości technologiczne żeliw, wynikające
z obecności grafitu:
" mała wrażliwość na karby zewnętrzne, np. zmianę przekroju
elementu konstrukcji, z uwagi na liczne karby wewnętrzne
" mały skurcz odlewniczy
" dobra skrawalność
" dobre właściwości ślizgowe
" duża zdolność tłumienia drgań
" dobra wytrzymałość zmęczeniowa
Typowe zastosowania żeliw
Rodzaj żeliwa Zastosowanie
Białe Odlewy odporne na ścieranie, nie wymagające większej
obróbki skrawaniem: wykładziny i ślimaki mieszalników i
przenośników materiałów sypkich,kule młynów kulowych,
klocki hamulcowe
Szare z grafitem Masowo produkowane odlewy nie przenoszące obciążeń
płatkowym (ruszty, płyty i drzwi pieców, grzejniki, wanny, zlewy),
odlewy części maszyn, wlewnice, cylindry
samochodowe, tłoki
Sferoidalne Części samochodowe (wałki rozrządu, korbowody, wały
korbowe, części układu kierowniczego), koła zębate i
wrzeciona obrabiarek, części armatury przemysłowej,
walce hutnicze
Osnowa
Ciągli- Odlewy nie wymagające większej wytrzymałości, a przy
ferrytyczna
we tym tanie: części maszyn rolniczych,maszyn do szycia,
artykułów gospodarstwa domowego
Osnowa
Odlewy silniej obciążone: wałki rozrządu, wały korbowe,
perlityczna
krzywki, koła zębate, klucze maszynowe, podstawy dział