Wydział Technologii Chemicznej
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
STALE STOPOWE
Wykonanie:
Bartosz Bilon
Marta Dębska
Agnieszka Kamińska
Stale stopowe są stalami używanymi przeważnie w przemyśle maszynowym i są przeznaczone na budowę elementów o wysokich obciążeniach. Stale te dzieli się na stale do nawęglania, do ulepszania cieplnego, do azotowania, stale sprężynowe( resorowe), stale specjalne nierdzewne i kwasoodporne oraz żarowytrzymałe. Dodatki stopowe oraz obróbka cieplna wpływają na osiągnięcie odpowiednich własności fizycznych i chemicznych.
Stale stopowe, zwykle bardzo drogie, używane są w zastosowaniach specjalnych, tam gdzie jest to uzasadnione ekonomicznie.
Jest to stal, w której oprócz węgla występują inne dodatki stopowe o zawartości od kilku do nawet kilkudziesięciu procent, zmieniające w znaczny sposób charakterystyki stali. Dodatki stopowe dodaje się by:
podnieść hartowność stali
uzyskać większą wytrzymałość stali
zmienić pewne właściwości fizyczne i chemiczne stali
Stal ze względu na zastosowanie dzieli się na:
Stal konstrukcyjna - stal używana do budowy konstrukcji stalowych i części urządzeń i maszyn o typowym przeznaczeniu. Gdy konstrukcja lub element urządzenia pracuje w trudnych lub ekstremalnych warunkach atmosferycznych, wytężeniowych lub cieplnych, stosuje się stale specjalne.
Stal konstrukcyjna niskostopowa - stal o niskiej zawartości węgla maksymalnie do 0.22% posiadająca dodatki stopowe w ograniczonych ilościach. Stale niskostopowe używane są do budowy konstrukcji narażonych na działanie warunków atmosferycznych takich jak mosty, maszty, wagony kolejowe itp. - wszędzie tam, gdzie zastosowanie jej jest uzasadnione ekonomicznie. Charakteryzują się większą wytrzymałością od stali konstrukcyjnych wyższej jakości oraz większą odpornością na korozję.
Stal automatowa - stal wykorzystywana do produkcji drobnych części np.: śrub, nakrętek, podkładek itp. Używana na części nie podlegające silnym obciążeniom. Stal taka, dostarczana w postaci prętów, jest używana w automatach, które pracując przy minimalnym nadzorze ludzkim, wymagają stali tworzącej krótkie i łamliwe wióry. Zapewnia się to przez zwiększony dodatek siarki do 0,35% i fosforu do 0,15%. Siarka, tworząca z metalami kruche siarczki, najbardziej wpływa na łamliwość wiórów
Stal do azotowania - stal używana do obróbki chemicznej azotowania. Do azotowania stosuje się stale konstrukcyjne niskostopowe oraz stale stopowe o zawartości aluminium powyżej 1.0%. Wyroby wykonane z takiej stali po azotowaniu uzyskują dużą odporność na ścieranie.
do ulepszania cieplnego
stal narzędziowa:
stopowa:
do pracy na zimno
do pracy na gorąco
szybkotnąca
Stal specjalna - stal przeznaczona do specjalnych zastosowań. Stale specjalne zawierają dużą ilość dodatków stopowych, wymagają bardzo skomplikowanej obróbki cieplnej oraz wysokiego reżimu obróbki i montażu. Ze względu na wysoką cenę nie są stosowane powszechnie. W przemyśle chemicznym najczęściej są używane stale stopowe specjalne tj.: stale nierdzewne, kwasoodporne, żaroodporne, żarowytrzymałe.
Stal nierdzewna - stal odporna na działanie czynników atmosferycznych, rozcieńczonych kwasów, roztworów alkalicznych i podobnych. Nierdzewność stali uzyskuje się poprzez zwiększoną zawartość chromu. Im większa zawartość chromu, tym większa odporność stali na korozję. Zwykle stosuje się od 12% do 25% chromu. Zwiększona zawartość węgla także wpływa na wzrost nierdzewności stali, lecz zawartość tego dodatku stopowego ogranicza się ze względu na jego wpływ na kruchość stali.
Stal kwasoodporna - stal odporna na działanie wszystkich kwasów organicznych i większości nieorganicznych, z wyjątkiem kwasu solnego i siarkowego. Kwasoodporność uzyskuje się dzięki stabilizacji austenitu w normalnych warunkach, co można uzyskać dzięki wysokim zawartościom chromu (17% - 20%) I niklu (8% - 14%), oraz innych dodatków stopowych, takich jak mangan, tytan, molibden i miedź. Stale kwasoodporne stosowane są po polerowaniu. Jako że w wysokich temperaturach dodatki stopowe mają tendencję do łączenia się z węglem tworząc twarde węgliki, po spawaniu elementów wykonanych ze stali kwasoodpornych wymagana jest ich obróbka cieplna. Stąd stale typu 18-8, zyskały ogromne znaczenie praktyczne i większość stosowanych dziś gatunków stanowi modyfikacje, tego podstawowego składu. Struktura stali kwasoodpornych może być austenityczna lub austenityczno-ferrytyczna.
Odporna na zużycie najbardziej jest znana stal Hadfielda zawierająca od 1-1,3% C i 11-14% Mn. Jest to stal w stanie przesyconym austenityczna, praktycznie nieobrabialna przez skrawanie. Wyroby otrzymuje się nadając im ostateczną postać przez odlewanie. Odznacza się wybitną odpornością na ścieranie i jednocześnie ma dużą odporność na uderzenie. Odporność na zużycie i zła obrabialność tłumaczy się strukturą austenityczną, która przy próbach obróbki, pod wpływem dużych miejscowych naprężeń zmienia się na martenzytyczną. Ze stali tej wykonuje się części gąsienic do traktorów i czołgów, kosze i chwytaki do koparek, rozjazdy tramwajowe i kolejowe.
Stal zaworowa - należy do grupy stali żarowytrzymałych z przeznaczeniem na zawory wylotowe silników spalinowych. Są to stale chromowo-krzemowo-molibdenowe, oraz stale chromowo-niklowo-wolfra-mowo-molibdenowe z dodatkiem do 0,5% azotu przeznaczone na najsilniej obciążone zawory wylotowe i wlotowe silników lotniczych i samochodowych. W zależności od składu chemicznego struktura tych stali może być ferrytyczna lub austenityczna z wydzieleniami wąglików.
Żaroodporna, przez żaroodporność stali rozumie się jej odporność na korozyjne działanie gorących gazów o temperaturze powyżej 550°C (tzn. powyżej temperatury czerwonego żaru). Głównymi składnikami stopowymi stali żaroodpornych są chrom, krzem i glin. Czasami ze względów technologicznych (spawalność) do stali tych dodaje się, nikiel w ilości nie przekraczającej 4%. Stąd stale te posiadają najczęściej strukturę, ferrytyczną, a w przypadku występowania niklu mogą wykazywać strukturą ferrytyczno-austenityczną
Żarowytrzymałe są to stale żaroodporne, które dodatkowo w wysokiej temperaturze pod wpływem stałego obciążenia w ciągu długiego czasu nie wykazują odkształceń lub tylko w stopniu minimalnym, czyli są odporne na pełzanie. W porównaniu do stali ferrytycznych wyższą wytrzymałość na pełzanie wykazują stale austenityczne. Dlatego oprócz dodatków stopowych podwyższających żaroodporność Cr, Si. Al wprowadza się Ni. Mn, Cu w celu uzyskania struktury austenitycznej. Dalszy wzrost wytrzymałości na pełzanie stali austenitycznych zapewniają pierwiastki Mo, W, V, które w austenitycznej osnowie tworzą wągliki stopowe o dużym stopniu dyspersji. Najczęściej stosowane stale żarowytrzymałe to: chromowo-niklowe z dodatkiem krzemu przy zwiększonej zawartości manganu. zawartość węgla w tych stalach nie przekracza 0.2%.
Ze względu na zawartość stopów w stali, możemy wyróżnić stale:
Niskostopowe - stężenie jednego pierwiastka (oprócz węgla) nie przekracza 2%, a suma pierwiastków łącznie nie przekracza 3,5%
Średniostopowe - stężenie jednego pierwiastka (oprócz węgla) przekracza 2%, lecz nie przekracza 8% lub suma pierwiastków łącznie nie przekracza 12%
Wysokostopowe - stężenie jednego pierwiastka przekracza 8% a suma pierwiastków łącznie nie przekracza 55%.
Do najczęściej stosowanych dodatków w stalach zalicza się:
Nikiel- wpływa na obniżenie temperatury przemiany A, oraz obniża krytyczną szybkość chłodzenia przy hartowaniu. W praktyce oznacza to, że stal niklowa przehartowuje się głębiej niż węglowa. Spośród wszystkich składników nikiel jest jedynym, który umacnia ferryt i jednocześnie zwiększa jego odporność na uderzanie.. Dodatek niklu w ilości 0,5-4,5% stosuje się w stalach do nawęglania i do ulepszania cieplnego; duży dodatek w ilości 8-10%- w stalach kwasoodpornych. Oznaczany jako N.
Chrom- zwiększa twardość stali, wpływa na rozdrobnienie ziarna oraz zwiększa zdolność przehartowania stali, jednak w większym stopniu niż nikiel. W stalach konstrukcyjnych z wyjątkiem łozysk owych chrom stosuje się zazwyczaj z innymi składnikami, jak np. nikiel molibden, mangan- są to przede wszystkim stale do nawęglania i ulepszania cieplnego. Dużą rolę odgrywa chrom przy wyrobie stali narzędziowych( stale narzędziowe, do pracy na zimno, do pracy na ciepło i szybkotnące). Dodatek chromu w dużych ilościach (12-30%) zwiększa wybitnie odporność stali na działanie czynników utleniających( stale nierdzewne, kwasoodporne, żaroodporne). W symbolach stali jego dodatek oznacza się literą H
Mangan- działa na strukturę podobnie jak nikiel, ale w stopniu znacznie silniejszym. Stale manganowe konstrukcyjne(0,8-1,4%Mn) odznaczają się dużą wytrzymałością na rozciąganie i odpornością na uderzenie: stosuje się je na konstrukcje mostowe, szyny kolejowe, osie samochodowe. Stale manganowe narzędziowe, stosowane do wyrobu narzędzi tnących, wykrojników itp., odznaczają się małą zmianą wymiarów i niekrzywieniem się przy hartowaniu. Stale austenityczne o zawartości 10-15% Mn stosuje się do celów specjalnych. W symbolach stali jego dodatek oznacza się literą G.
Wolfram- nadaje stali drobnoziarnistość, zwiększa hartowność, twardość i odporność na zużycie Dodatek wolframu w dużej ilości(8-20%)powoduje odporność stali na odpuszczenie temperaturach aż do 600 C(stale szybkotnące). Jego dodatek oznacza się jako W.
Molibden- zwiększa głębokość hartowania, zmniejsza kruchość odpuszczania, zwiększa odporność na pełzanie oraz podobnie jak wolfram wywołuje odporność na odpuszczanie w 600C. Stosowany bywa w ilościach 3,5-9,0% w stalach szybkotnących zamiast wolframu. W stalach do nawęglania i ulepszania cieplnego jest dodawany zazwyczaj w ilości 0,15-0,25%, a w stalach, które mają być odporne na pełzanie- 0,25-0,60%. Oznaczany jako M.
Wanad- przeciwdziała rozrostowi ziarna stali w wysokich temperaturach( sprzyja drobnoziarnistości), zwiększa głębokość hartowania a w stalach szybkotnących zwiększa twardość ostrza. W symbolach stali jego dodatek oznacza się literą V (F).
Krzem- w ilościach 0,5-2,6%( najczęściej łącznie z manganem) stosuje się do wyrobu stali resorowych i sprężynowych. Krzem zmniejsza straty energetyczne "w żelazie" wywołane prądem zmiennym i dlatego stosuje się w ilościach do 4% do wyrobu blach prądnicowych i transformatorowych. W symbolach stali jego dodatek oznacza się literą S.
Kobalt- - stosowany w stalach szybkotnących najwyższej jakości(w ilości od 5-10%), podnosi znacznie trwałość ostrza. Jego dodatek oznacza się jako K.
Miedź- Posiada podobne właściwości fizyczne jak czyste żelazo, lecz jest znacznie bardziej odporne na korozję. Miedź jest pożądanym dodatkiem i jej zawartość systematycznie wzrasta wraz z użyciem stali złomowej przy wytapianiu nowej stali. W symbolach stali jej dodatek oznacza się literami Cu.
Zastosowanie stali stopowej w inżynierii i aparaturze chemicznej:
Stale żaroodporne i żarowytrzymałe
Pręty, blachy i rury do aparatury krakingu ropy naftowej, aparatura do uwodornienia węgla, synteza NH3, stosowana też na części do rekuperatorów, sprężyny manometrów ponadto zasuwy, łopatki turbin, części pomp i pokrywy(H5N)
Części aparatury kotłów i innych urządzeń pracujących w wysokich temperaturach i przy małych obciążeniach mechanicznych( H6S2)
Garnki żarzalne, skrzynki do nawęglania, rury do pieców przemysłowych, części żaroodporne kotłów parowych i aparatur, części suszarek do mas plastycznych, komór próżniowych, podpory do podgrzewaczy pary, części zdmuchiwaczy sadzy ( 2H17)
Cześci aparatury do destylacji siarki, części palników zdmuchiwaczy sadzy, osłony termopar ( np. H13JS)
Części obciążone mechanicznie, pracujące w wysokich temperaturach (H25T)
Silnie obciążone mechanicznie części do urządzeń konwersji metanu, pirolizy gazów, hydrogenizacji, urządzenia do przemysłu szklarskiego, kosze do wypalania porcelany( H25N20S2)
W zależności od rodzaju stali wytrzymują one w temperaturach od 650- 1200oC .
Stale zaworowe
Zawory wylotowe oraz silnie obciążone, zawory wylotowe silników spalinowych, samochodowych, motocyklowych(H9S2, 850-900oC)
Stale kwasoodporne
W przemyśle naftowym na spawane wykładziny zbiorników zwykłych i ciśnieniowych, na kolumny rektyfikacyjne, wymienniki ciepła i rury krakingowe, niektóre urządzenia w przemyśle koksowniczym( OH13)
Na łopatki turbin parowych, zawory pras hydraulicznych, sworznie nakrętki i przedmioty gospodarstwa domowego(1H13)
Wały, śruby, dławice, sprężyny, części maszyn i formy do odlewów pod ciśnieniem( gdy wymaga się większej twardości i wytrzymałości- 1H13
Narzędzia skrawające, pomiarowe, igły do gaźników, łożyska kulkowe (4H13)
Urządzenie do wytwarzania kwasu azotowego, urządzenia i części maszyn przemysłu żywnościowego np. : mleczarskiego, browarniczego, cukrowniczego, owocowo-warzywniczego, wytwórni konserw i przemysłu gospodarstwa domowego (H17)
Oznaczanie stali.
Obowiązują dwa systemy oznaczania stali:
Znakowy (wg PN-EN 10027-1:1994); znak składa się z symboli literowych i cyfr,
Cyfrowy (wg PN-EN 10027-2: 1994), numer stali składa się tylko z cyfr.
Oznaczanie postaci i stanu obróbki cieplnej
Postać stali uzyskana w wyniku przeróbki technologicznej oznacza się następującymi literami(PN-56/H-01101):
Lana(staliwo) -L
Kuta -K
Walcowana na gorąco -W
Walcowana na zimno -Z
Ciągniona na zimno -C
Stan stali określony wg ostatniej obróbki cieplnej jakiej podlegała stal po nadaniu jej postaci oznacza się również literami:
Surowy - -
Ujednorodniony -J
Normalizowany -N
Zmiękczony -M
Odprężony -O
Hartowany lub przesycony -H
Ulepszony(hartow. i wysoko odpuszczony) -T
Stopień utwardzenia stali w stanie zgniecionym:
Podwójnie twarda( sprężysta) -Z2/1
Twarda -Z1/1
Półtwarda -Z1/2
Ćwierćtwarda -Z1/4
Stale stopowe ( bez stali szybkotnących) o stężeniu przynajmniej jednego pierwiastka stopowego >5% |
X liczba oznaczająca średnie stężenie węgla w stali w setnych częściach %, symbole chemiczne pierwiastków stopowych i na końcu liczby (rozdzielone kreskami), podające średnie stężenie głównych pierwiastków stopowych w % (np. X8CrNiMoAl 15-7-2) |
Bibliografia:
Pikoń J: Podstawy konstrukcji aparatury chemicznej cz.І, Państwowe Wydawnictwo Naukowe Warszawa 1979
Praca zbiorowa pod red. Mgr inż. Barbary Reymer: poradnik mechanika, nauki matematyczno-fozyczne i ogólnotechniczne, wydawnictwo naukowo-techniczne, Warszawa 1976
http://pl.wikipedia.org/wiki/Stal_niskostopowa
6