Temat 6: Stale stopowe konstrukcyjne.

1. Wprowadzenie

Stale zawierające oprócz węgla celowo wprowadzone pierwiastki, niezależnie od ich ilości nazywamy stalami stopowymi.

Wprowadzając do żelaza dodatki stopowe możemy zmienić w szerokich granicach jego własności. Najczęściej stosowanym i najtańszym dodatkiem jest węgiel. Stopy żelaza z węglem nazywamy stopami węglowymi. W zależności od zawartości węgla i stosowanej obróbki cieplnej można nadawać im bardzo zróżnicowane własności. Stale węglowe muszą zawierać pewne ilości pierwiastków stopowych, takich jak: krzem, mangan, aluminium, koniecznych do zniwelowania szkodliwych skutków domieszek tlenu i siarki. Stale węglowe nie mogą jednak zaspokoić całkowicie wymagań nowoczesnej techniki.

Po pierwsze - cechują się małą hartownością, co powoduje, że po ulepszaniu ich struktura, a więc i własności ulegają zmianie tylko na małej głębokości.

Po drugie - zahartowane stale węglowe mają dużą skłonność do zmiany własności w czasie odpuszczania; po nagrzaniu szybko tracą twardość, a więc nie mogą być stosowane na narzędzia pracujące w podwyższonych temperaturach lub nagrzewające się podczas pracy.

Po trzecie - stale węglowe w podwyższonych temperaturach ulegają szybkiemu utlenianiu, mają małą odporność na pełzanie i na korozję.

Wymienione ujemne cechy mogą być usunięte przez wprowadzenie do stali odpowiednio dobranych dodatków stopowych.

Rola pierwiastków stopowych jest bardzo szeroka. Oprócz wymienionych zmian własności, mogą m.in. wpływać na zwiększenie własności wytrzymałościowych, plastyczności w obniżonych temperaturach, na zmniejszenie skłonności do rozrostu ziarna, na położenie temperatur krytycznych oraz punktów M_s i M_f.

2. Klasyfikacja stali stopowych

Stale stopowe można klasyfikować wg różnych kryteriów: zastosowania, struktury, zawartości pierwiastków stopowych.

Klasyfikacja według zastosowania

W zależności od przeznaczenia stale muszą się cechować określonym zespołem własności - można je podzielić na trzy grupy:

Stale konstrukcyjne, stosowane do wyrobu części maszyn i konstrukcji. W tej grupie znajdują się stale do nawęglania, azotowania, ulepszania, łożyskowe i sprężynowe oraz stale dla budownictwa. Są to, z wyjątkiem łożyskowych, stale o małych lub średnich zawartościach węgla i niskostopowe, w których ogólna zawartość pierwiastków stopowych nie przekracza na ogół kilku procent.

Stale narzędziowe, które powinny cechować się możliwie dużą twardością, większą od obrabianego materiału. Zawierają na ogół większe ilości węgla i pierwiastków stopowych. Ostateczne własności nadaje się im przez hartowanie i odpuszczanie. W grupie tej można wyodrębnić stale narzędziowe do pracy na zimno i gorąco oraz stale szybkotnące.

Stale i stopy o szczególnych własnościach. Do tej grupy zalicza się stopy o najbardziej zróżnicowanym zastosowaniu, a tym samym własnościach, a więc: nierdzewne, żaro- i kwasoodporne, zaworowe, odporne na ścieranie, mające określone własności elektryczne i magnetyczne i inne.

Klasyfikacja według struktury

Stal można klasyfikować według struktury w stanie równowagi lub po przyspieszonym chłodzeniu. W stanie równowagi stale można podzielić na następujące grupy:

• podeutektoidalne - ferrytyczne lub ferrytyczno-perlityczne;

• eutektoidalne - perlityczne;

• nadeutektoidalne - o strukturze złożonej z perlitu i węglików;

• ledeburytyczne - o strukturze złożonej z perlitu i ledeburytytu (powstają przy większych zawartościach pierwiastków węglikotwórczych przesuwających punkt E w lewo).

Po przyspieszonym chłodzeniu (na powietrzu) stale stopowe mogą mieć strukturę:

• ferrytyczną - przy znikomej zawartości węgla i znacznej ilości pierwiastków ferrytotwórczych, (np. Cr>13%);

• perlityczną - gdy zawartość pierwiastków stopowych jest mała i austenit cechuje się małą trwałością w zakresie perlitycznym;

• bainityczną - gdy w zakresie przemiany perlitycznej trwałość austenitu jest duża, a w zakresie przemiany bainitycznej mała;

• martenzytyczną - przy większej zawartości pierwiastków stopowych zwiększających trwałość austenitu, ale nie obniżających M_s poniżej temperatury pokojowej;

• austenityczną - przy dużej trwałości austenitu i położeniu M_s poniżej temperatury pokojowej.

Klasyfikacja według rodzaju pierwiastków stopowych

Podstawą do podziału na grupy jest rodzaj pierwiastka stopowego lub grupa pierwiastków, np. stale: chromowe, chromowo-niklowe, chromowo-molibdenowe.

3. Wpływ pierwiastków stopowych na własności stali stopowych

Wpływ pierwiastków stopowych na własności stali zależy w znacznym stopniu od tego, w jakiej fazie dany pierwiastek występuje. W zależności od ilości i rodzaju pierwiastków stopowych mogą one występować w następujących fazach:

• rozpuszczać się w ferrycie lub austenicie;

• tworzyć węgliki, azotki lub węglikoazotki;

• tworzyć fazy międzymetaliczne z żelazem lub między sobą;

• tworzyć związki z domieszkami (np. S, O₂) i znajdować się we wtrąceniach niemetalicznych;

• w nielicznych przypadkach mogą występować w stanie wolnym, kiedy nie rozpuszczają się w ogóle w osnowie lub ich rozpuszczalność jest bardzo mała, a jednocześnie nie reagują ze składnikami stopu.

Pierwiastki stopowe znajdujące się w roztworach stałych (ferrycie lub austenicie) wpływają na własności mechaniczne tych faz, na położenie temperatur krytycznych przemiany austenitu lub szybkość dyfuzji, na przemianę martenzytyczną i skłonność do odpuszczania. Wchodzenie pierwiastków stopowych do innych faz działa w bardziej złożony sposób, gdyż z jednej strony następuje zubożenie roztworu stałego w te pierwiastki, a z drugiej - w zależności od własności wydzielonych faz, ich kształtu i dyspersji, ich wpływ na własności mechaniczne może być różny. Najczęściej działają one umacniająco ma metal, chociaż zmniejszają niekiedy bardzo znacznie plastyczność stali. Poznanie wpływu pierwiastków stopowych na różne własnośći ma ogromne znaczenie w metaloznawstwie.

(..)

4. Stale konstrukcyjne stopowe

Stale konstrukcyjne stopowe są stosowane do wyrobu części maszyn i pojazdów oraz na wszelkiego rodzaju konstrukcje. Ich własności powinny być dostosowane do warunków pracy. Znaczna część stali konstrukcyjnych to stale średniowęglowe o zawartości min. 0.25% C, przeznaczone do ulepszania cieplnego. Wymaga się od nich możliwie dużej wytrzymałości przy dobrej plastyczności. Takie własności osiąga się po hartowaniu i wysokim odpuszczaniu. Pierwiastki stopowe wprowadza się do tych stali głównie w celu zwiększenia hartowności, tak aby zahartowanie nastąpiło na wskroś. Zawierają więc takie pierwiastki, jak chrom, mangan, nikiel, molibden. Ten ostatni głównie przeciwdziała kruchości odpuszczania.

Wiele stali z tej grupy pracuje w warunkach zmiennych naprężeń. Powinny więc cechować się dobrą odpornością na zmęczenie i kruche pękanie. Inne powinny mieć dobrą udarność w obniżonych temperaturach. Jedynym pierwiastkiem zapewniającym tę własność jest nikiel.

Stale łożyskowe musi cechować duża twardość i odporność na ścieranie, dlatego też mają one większą zawartość węgla i chromu i odpuszczane są w niskiej temperaturze.

Stale resorowe z kolei powinny mieć wysoką granicę sprężystości, co osiąga się przez wprowadzenie odpowiednich pierwiastków stopowych (np. manganu i krzemu) i zastosowanie średniej temperatury odpuszczania.

Osobną grupę stanowią stale do utwardzenia powierzchniowego: nawęglania, azotowania, hartowania powierzchniowego, ale i te stale różnią się zarówno składem chemicznym, jak i zastosowaną obróbką. Stale do nawęglania mają mniejszą zawartość węgla (do ok. 0.25%), a pierwiastki stopowe prawie analogicznie jak stale do ulepszania. Ich temperatura odpuszczania jest niska. Stale do azotowania są poddawane obróbce cieplno-chemicznej po ulepszaniu, z tym że zawierają pierwiastki tworzące twarde i trwałe azotki, jak aluminium, chrom i milobden.

Ze względu na znaczne zróżnicowanie stali konstrukcyjnych pod względem składu chemicznego i obróbki cieplnej omówimy każdą grupę tych stali oddzielnie.

Znakowanie stali konstrukcyjnych

Przyjęte w Polskich Normach zasady znakowania stali konstrukcyjnych wykorzystują cyfry i litery, przy czym dwie cyfry, które stoją na początku, oznaczają zawartość węgla w stali w setnych częściach procentu, a litery oznaczają pierwiastek stopowy.

H - chrom G - mangan S - krzem

N - nikiel F - wanad T - tytan

W - wolfram K - kobalt B - bor

M - molibden J - aluminium

Jeśli zawartość pierwiastka jest większa od 1%, to po literze pierwiastka podaje się cyfrę określającą zawartość tego pierwiastka w procentach. Stale łożyskowe zamiast cyfr oznaczających zawartość węgla mają literę Ł, a po znaku chromu (H) - liczbę oznaczającą zawartość tego pierwiastka w dziesiętnych częściach procenta. Przy znakowaniu stali konstrukcyjnych wykorzystuje się te same zasady, co w normach radzieckich GOST.

Stale niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości i mikroskopowe

W ostatnich kilkudziesięciu latach zanotowano rozwój stali niskowęglowych i niskostopowych - spawalnych o podwyższonej wytrzymałości, których pierwowzorem była stal 18G2 (0.18%C, 1-1.5Mn). Stale te były skłonne do kruchego pękania (spowodowanego rozrostem ziarna) i dopiero wprowadzenie do nich mikrododatków (ok.0.1%) wanadu, tytanu lub niobu oraz ewentualnie azotu pozwoliło na zahamowanie rozrostu ziarna. Gdyż utworzyły się stabilne węgliki lub węglikoazotki tych pierwiastków o dużej dyspersji. Wprowadzone mikrododatki wpłynęły również na zwiększenie R_e i R_m - średnio o 100MPa oraz przesunięcie temperatury przejściowej kruchości ku niższym wartościom.

Dalszą poprawę własności osiąga się przez zmniejszenie zawartości siarki i fosforu (np. stal o składzie 0.01% C; 0.3% Si; 1.4% Mn, z mikrododatkami 0.11% Nb i 0.12% V osiągnęła R_e ok. 560MPa oraz temperaturę przejściową kruchości ( na próbkach V) do -95^oC). Stal taka praktycznie nie zawiera perlitu i po spawaniu nie ulega zmianie jej twardość w strefie wpływu ciepła. Na podkreślenie zasługuje fakt, że wysokie własności wytrzymałościowe i plastyczne stale tej grupy uzyskują bez stosowania ulepszenia cieplnego, a jedynie po normalizowaniu i kontrolnym walcowaniu. Niewielki dodatek miedzi (0.25-0.5%) zwiększa odporność tych stali na korozję atmosferyczną (w znaku stali dodaje się na końcu symbol Cu).

W Polsce stale o podwyższonej wytrzymałości są ujęte w normie PN-86/H-84018.

(...)

Stale konstrukcyjne do ulepszania cieplnego

Ze stali tych wykonuje się większość części maszyn, pojazdów i konstrukcji. Struktura sorbityczna, jaką otrzymujemy w wyniku ulepszania, zapewnia duży stosunek R_e/R_m przy dużej ciągliwości (udarności). Hartowność tych stali jest większa niż stali węglowych i rośnie w niarę zwiększania ilości dodatków stopowych. Stosowane w Polsce stale są ujęte w normie PN-89/H-84030, a stale przeznaczone na elementy szczególnie obciążone w PN-72/H-84035.

Obróbka tych stali polega na hartowaniu, zwykle w zakresie 820-860^oC w wodzie lub oleju i odpuszczaniu temp. 500-550^oC. Elementy o większych przekrojach należy chłodzić po odpuszczaniu w oleju celem przeciwdziałania kruchości odpuszczania, chyba że są wykonane ze stali z dodatkiem molibdenu.

Na niektóre konstrukcje spawane stosuje się ostatnio stale konstrucyjne bainityczne, nie ujęte w PN. Dają one możliwość uzyskania wysokiej granicy plastyczności (ponad 600MPa) w dużych przekrojach po chłodzeniu w powietrzu. Stale te zawierają mało węgla oraz takie pierwiastki, jak: chrom, molibden, mangan i bor. Na przykład dla stali o zawartości 0.1% C, 1.5% Mn, 2% Cr i 0.5% Mo oraz B wytrzymałość R_m wynosi 1100MPa.

Stale do nawęglania

Stale tej grupy muszą spełniać specjalne wymagania, tzn. po nawęglaniu i obróbce cieplnej powinny cechować się wysoką twardością powierzchni - dochodzącą do 63HRC i możliwie ciągliwym rdzeniem. Oprócz węgla, którego ilość nie przekracza na ogół 0.25%, zawierają mangan i chrom, które zwiększają hartowność. Chrom poza tym przechodzi do węglików, zwiększając ich twardość i odporność na ścieranie. Nikiel polepsza plastyczność rdzenia i warstwy, molibden sprzyja drobnoziarnistości.

Należy wspomnieć, że niekiedy do nawęglania lub węgloazotowania stosuje się stale chromowe i chromowo-niklowe o większych zawartościach węgla (0.4-0.5%), które nawęgla się w kąpieli i bezpośrednio hartuje w oleju. Pozwala to na uzyskanie bardzo twardej warstwy powierzchniowej przy dużej wytrzymałości rdzenia.

Stale do azotowania

Stale po azotowaniu w nieznacznym stopniu zwiększają swą twardość; dlatego bywają azotowane głównie w celu zwiększenia odporności korozyjnej. Duży wzrost twardości osiąga się natomiast po azotowaniu specjalnie dobranego gatunku stali, zawierającego pierwiastki tworzące twarde azotki (1000-1200HV) o dużej twardości. Są to aluminium, chrom, i molibden, który zapobiega kruchości odpuszczania. Stal taka - o znaku 38HMJ jest ujęta w normie PN-89/H-84030/03.

Oprócz stali 38HMJ do azotowania stosuje się stale chromowe, chromowo-molibdenowe i chromowo-wanadowe, które jednak uzyskują mniejszą twardość powierzchni.

Stale do hartowania powierzchniowego

Można stosować stale do ulepszania o średnich zawartościach węgla, np.: 35SG, 50H, 40HM, 37HGNM i inne. Stale o większej hartowności stosuje się tylko wtedy, gdy elementy mają duże przekroje i przed hartowaniem powierzchniowym są poddawane ulepszaniu na wskroś.

Laboratorium

Stal stopowa 37HS (stal do ulepszania cieplnego)

1. Skład chemiczny [%] 2. Punkty przełomowe [^oC]

węgiel C - 0.35-0.42 % A_C1 - 750^oC

mangan Mn - 0.3-0.6 % A_C2 - 840^oC

krzem Si - 1.0-1.3 % M_s - 325^oC

chrom Cr - 1.3-1.6 %

nikiel Ni - max. 0,3 %

molibden Mo - 0%

2. Własności mechaniczne (próbki kwalifikacyjne).

Własność Próbki kwalifikacyjne

Rm 950 MPa

Re 750 MPa

A₅ 12 %

Z 50 %

KCUZ 70 J/cm²

3. Zalecane warunki obróbki cieplnej.

- Hartowanie 900^oC w oleju

- Odpuszczanie 630^oC w oleju.

4. Wytyczne zastosowania.

Stal do ulepszania cieplnego o dość dużej hartowności, pozwalającej na osiągnięcie najwyższych własności mechanicznych na przekrojach do grubości 85mm przy hartowaniu w oleju stosuje się na osie, wały i inne części wymagające większej plastyczności i sprężystości.

Stal stopowa 30HGS (stal do ulepszania cieplnego)

1. Skład chemiczny [%] 2. Punkty przełomowe [^oC]

węgiel C - 0.28-0.352 % A_C1 - 750^oC

mangan Mn - 0.8-1.1 % A_C2 - 840^oC

krzem Si - 0.9-1.2 % M_s - 340^oC

chrom Cr - 0.8-1.0 %

nikiel Ni - max. 0,3 %

molibden Mo - 0%

2. Własności mechaniczne (próbki kwalifikacyjne).

Własność Próbki kwalifikacyjne

Rm 1100 MPa

Re 850 MPa

A₅ 10 %

Z 45 %

KCUZ 50 J/cm²

3. Zalecane warunki obróbki cieplnej.

- Hartowanie 880^oC w oleju

- Odpuszczanie 540^oC w wodzie lub oleju.

4. Wytyczne zastosowania.

Stal do ulepszania cieplnego o dużej hartowności.

Stal stopowa 18H2N2 (stal nawęglania)

1. Skład chemiczny [%] 2. Punkty przełomowe [^oC]

węgiel C - 0.15-0.22 % A_C1 - 725^oC

mangan Mn - 0.4-0.6 % A_C2 - 800^oC

krzem Si - 0.17-0.37 % A_C3 - 410^oC

chrom Cr - 1.8-2.1 %

nikiel Ni - max. %

2. Własności mechaniczne (próbki kwalifikacyjne).

Własność Próbki kwalifikacyjne

Rm 1250 MPa

Re 850 MPa

A₅ 7 %

Z 30 %

3. Zalecane warunki obróbki cieplnej.

- Nawęglanie 870-930^oC -chłodzenie po nawęglaniu w powietrzu

- Wysokie odpuszczanie w temperaturze 650^oC i hartowanie jednokrotne 820-840^oC

- Twardość rdzenia 32-47HRC

- Węgloazotowanie 800-900^oC - hartowanie bezpośrednie lub z podchładzaniem do 820^oC

- Odpuszczanie 160-200^oC

4. Wytyczne zastosowania.

Stal do nawęglania o dużej hartowności, stosowana jest na części kwalifikacyjne o dużych wymiarach (do ∅70). Stosowana na najbardziej obciążone koła zębate i wały, przekładnie, koła talerzowe. Ze wzrostem grubości przekroju Rm i Re obniżają się.

Stal stopowa 38HMJ (stal do azotowania)

1. Skład chemiczny [%] 2. Punkty przełomowe [^oC]

węgiel C - 0.35-0.42 % A_C1 - 790^oC

mangan Mn - 0.3-0.6 % A_C2 - 850^oC

krzem Si - 0.17-0.37 % M_s - 360^oC

chrom Cr - 1.35-1.65 %

nikiel Ni - max.0,25 %

molibden Mo - 0.15-0.25%

aluminium Al - 0.7-1.1%

2. Własności mechaniczne (próbki kwalifikacyjne).

Własność Próbki kwalifikacyjne

Rm 1000 MPa

Re 850 MPa

A₅ 14 %

Z 50 %

KCUZ 90 J/cm²

3. Zalecane warunki obróbki cieplnej.

- Azotowanie 940^oC w oleju lub ciepłej wodzie;

- Odpuszczanie 640^oC w oleju lub w wodzie;

- Azotowanie 500-560^oC - chłodzenie z piecem

4. Wytyczne zastosowania.

Stal konstrukcyjna do azotowania o dużej hartowności pozwalającej na osiągnięcie najwyższych własności wytrzymałościowych na przekrojach, grubości 110mm przy hartowaniu w oleju. Stosuje się na części konstrukcyjne azotowane, o twardości powierzchniowej powyżej 900HV.

LABORATORIUM Z MATERIAŁOZNAWSTWA

ĆWICZENIE NR 6. str. 7

___________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________

---