2

PIERWIASTKI STOPOWE

Pierwiastki stopowe – pierwiastki wprowadzane do stali celowo w ilości przekraczającej minimalne
stężenie, przy którym nie stwierdza się wpływu pierwiastka na strukturę i własności stali. Stal zawierającą
dodatki stopowe nazywamy stalą stopową.

Dodatki stopowe są wprowadzane do stali w celu:


spowodowania określonych zmian strukturalnych,



zwiększenia własności wytrzymałościowych i polepszenia niektórych własności chemicznych lub

fizycznych (żaroodporność, żarowytrzymałość, odporność chemiczna, określona rozszerzalność
cieplna, własności magnetyczne),



polepszenia efektywności i ułatwienia obróbki cieplnej (uzyskanie określonej hartowności, opóźnienie

procesów odpuszczania).

Pierwiastki stopowe i ich wpływ na własności stali:



nikiel (Ni) – rozpuszczalność: w

 ok. 10%, w  - nieograniczona; austenitotwórczy, nie tworzy

węglików, opóźnia początek przemiany austenitu przechłodzonego; obniża temp. M

s

;

sprzyja grafityzacji,

hamuje rozrost ziarn austenitu, utrudnia przegrzanie; powoduje wzrost R

m

i HB oraz własności

plastycznych; powoduje wzrost ilości austenitu szczątkowego oraz hartowności (zwł. w obecności Co i
Mo); tworzy siarczek niklu o temp. topnienia 645

0

C; powoduje kruchość przy przeróbce plastycznej na

gorąco; występuje w stalach odpornych na korozję, żarowytrzymałych, o specjalnych własnościach
magnetycznych, elektrycznych i cieplnych;


mangan (Mn) - rozpuszczalność: w

 ok. kilku %, w  - nieograniczona; występuje w ilości powyżej

0,8% (tani – wypiera Ni); austenitotwórczy; nie tworzy węglików, opóźnia początek przemiany austenitu
przechłodzonego; obniża temp. M

s

;

powoduje wzrost R

m

i HB ferrytu i perlitu; powoduje wzrost

odporności na ścieranie oraz obniża udarność i własności plastyczne; powoduje skłonność stali do
gruboziarnistości (wrażliwość na przegrzanie); podwyższa hartowność i ilość austenitu szczątkowego;
stale z Mn są skłonne do wykazywania kruchości odpuszczania; stal o zawartości 13% Mn – odporna na
scieranie – stal Hadfielda (11G12);


kobalt (Co) – austenitotwórczy; nie tworzy węglików, przyśpiesza początek przemiany austenitu

przechłodzonego; podwyższa temp. M

s

;

zwiększa twardość, wytrzymałość i granicę plastyczności;

zmniejsza wydłużenie, przewężenie i udarność; zwiększa żarowytrzymałość;


chrom (Cr) – ferrytotwórczy; obniża temp. M

s

;

zwiększa R

m

i HB; obniża wlasności plastyczne; 12-

25% - stale odporne na korozję, żaroodporne, odporne na zużycie (Cr tworzy węgliki); składnik stali i
stopów magnetycznie twardych oraz o specjalnych własnościach elektrycznych (stale oporowe);


molibden (Mo) - ferrytotwórczy; tworzy węgliki; obniża temp. M

s

;

zwiększa twardość,

wytrzymałość, granicę plastyczności i udarność; zmniejsza wydłużenie i przewężenie; zmniejsza
podatność na obróbkę plastyczną i skrawalność;


wolfram (W) - tworzy węgliki; obniża temp. M

s

;

zwiększa twardość, wytrzymałość i granicę

plastyczności; zmniejsza wydłużenie i przewężenie; zmniejsza podatność na obróbkę plastyczną;


wanad (V) - tworzy węgliki; obniża temp. M

s

;

zwiększa twardość, wytrzymałość i granicę

plastyczności; zwiększa udarność; zwiększa podatność na obróbkę plastyczną;


tytan (Ti);



niob i tantal (Nb i Ta);



krzem (Si) - opóźnia początek przemiany austenitu przechłodzonego; nie wpływa na temp M

s

;

zwiększa twardość, wytrzymałość i granicę plastyczności; zmniejsza wydłużenie i udarność; zmniejsza
podatność na obróbkę plastyczną; stale sprężynowe;


miedź (Cu) - opóźnia początek przemiany austenitu przechłodzonego; obniża temp. M

s

;

zwiększa

twardość, wytrzymałość i granicę plastyczności; zmniejsza podatność na obróbkę plastyczną; zwiększa
żarowytrzymałość; zwiększa odporność na korozję;


bor (B);



azot (N);



aluminium (Al) – zmniejsza przewężenie i udarność; zwiększa odporność na korozję; podwyższa

temp. M

s

;

opóźnia początek przemiany austenitu przechłodzonego;

3

Pierwiastki austenitotwórcze (Co, Mn, Ni) – powodują rozszerzenie obszaru występowania roztworu
stałego

. Dodane w niewielkiej ilości, w zależności od stężenia węgla zapewniają strukturę

podeutektoidalną, eutektoidalną lub nadeutektoidalną. Zwiększenie stężenia pierwiastka
austenitotwórczego powoduje wystąpienie struktury półaustenitycznej, stanowiącej mieszaninę austenitu
i ferrytu. Duże stężenie dodatku austenitotwórczego zapewnia strukturę austenityczną. Przy dużych
tężeniach węgla, bez względu na stężenie dodatków austenitotwórczych, stal ma strukturę ledeburytyczną.

Pierwiastki ferrytotwórcze (Cr, V, Al., Si, Ti, Mo, P) – ograniczają w stopach żelaza obszar
występowania roztworu stałego

. Stale wykazują struktury podeutektoidalną, eutektoidalną lub

nadeutektoialną przy małym stężeniu tych pierwiastków, a przy większych stężeniach – półferrytyczną lub
ferrytyczną. Przy dużych stężeniach węgla, bez względu na stężenie dodatków ferrytotwórczych, stal ma
strukturę ledeburytyczną

Dodatki stopowe rozpuszczające się w żelazie wpływają na zmianę temperatury przemian alotropowych
A

3

i A

4

:



Cr, Mn, Ni, Cu, C, N – obniżają A

3

;



Mn, Ni, Cu, C, N, Co – podwyższają A

4

;



Ti, Mo, Si, W, Cr – podwyższają A

1,2

;



Mn, Ni – obniżają A

1,3

.

Pierwiastki węglikotwórcze (Cr, W, Mo, V, Ti) - ich wpływ na przemiany austenitu przechłodzonego
zależy od stopnia rozpuszczenia węglików w fazie

 podczas austenityzowania. Stabilność austenitu

podczas chłodzenia zwiększa się wraz ze wzrostem stężenia pierwiastków węglikotwórczych
rozpuszczonych w tej fazie. Krzywe CTP ulegają przesunięciu do dłuższych czasów.

Hartowność stali. Pierwiastki stopowe powodują zmniejszenie krytycznej szybkości chłodzenia
i zwiększenie hartowności. Większa hartowność stali stopowych umożliwia stosowanie w czasie
hartowania powolniejszego chłodzenia, np. w oleju lub w powietrzu, co sprzyja zmniejszeniu naprężeń
hartowniczych.


WŁASNOŚCI MECHANICZNE MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH

Do własności mechanicznych materiałów konstrukcyjnych zaliczamy:


R

m

– wytrzymałość na rozciąganie,



R

e

– granica plastyczności,



R

0,2

– umowna granica plastyczności,



R

sp

– granica sprężystości,



E – moduł Younga.

Własności plastyczne:


A – wydłużenie,



Z – przewężenie.

Wytrzymałość na rozciąganie jest to naprężenie normalne w próbce obliczone jako stosunek największej
siły rozciągającej F

m

, uzyskanej podczas przeprowadzania próby, do pola powierzchni przekroju

początkowego próbki S

0

:

0

S

F

R

m

m



4

Granica plastyczności jest to naprężenie rozciągające w próbce, przy osiągnięciu którego następuje
wyraźny wzrost jej wydłużenia przy ustalonej lub nieco zmniejszonej sile rozciągającej:

0

S

F

R

e

e



Umowna granica plastyczności jest to naprężenie powodujące w próbce umowne wydłużenie trwałe x.
Wartość tego wydłużenia podaje się w indeksie (zwykle x=0,2%):

0

2

,

0

2

,

0

S

F

R



%

100

0





L

L

x

x

L

x

– wydłużenie bezwzględne (przyrost) odpowiadające założonemu umownemu wydłużeniu trwałemu x,

np. x=0,2%.

Wydłużenie jest stosunkiem trwałego wydłużenia bezpośredniego próbki po rozerwaniu

L do długości

pomiarowej L

0

, wyrażonym w procentach:

%

100

0







L

L

A

Oznaczenia:


A:

0

0

65

,

5

S

L



;

S

0

– przekrój początkowy próbki;



A

5

:

0

0

5d

L



;

d

0

– średnica początkowa próbki.



A

10

:

0

0

10d .

L



Wydłużenie równomierne A

r

, niezależne od długości pomiarowej próbki i mierzone poza obszarem

wpływu przewężenia:

%

100

2

2

2

0







r

r

r

d

d

d

A

d

0

– średnica początkowa próbki;

d

r

– średnica próbki zmierzona po zerwaniu na dłuższej części próbki, wpołowie odległości między

miejscem zerwania i końcem długości pomiarowej.

Przewężenie

to stosunek zmniejszonego pola powierzchni przekroju poprzecznego próbki w miejscu

zerwania do pola powierzchni jej przekroju początkowego, wyrażony w procentach:

%

100

0

0







S

S

S

Z

u

5

Statyczna próba rozciągania

=0,2%

Rm

Rrz

R z

R0,2

Rsp

R H

l

F

L

m

e

R

R

- dobroć mechaniczna (ok. 0,6 dla stali węglowych, ok. 0,95 dla stali ulepszonych cieplnie)

Wytrzymałosć zmęczeniowa:

R

z

=(0,35-0,6)R

m

– nie zależy od granicy plastyczności.

Udarność

jest stosunkiem pracy łamania K[J] zużytej na złamanie próbki do pola powierzchni jej

przekroju poprzecznego w miejscu złamania S

0

[cm

2

]:

0

S

K

KC



.

Udarność oznacza się odpowiednio KCU lub KCV w zależności od kształtu karbu na próbce.

Twardość
Próby twardości:


statyczne,



dynamiczne,



próby zarysowania,



próby twardości, o której decyduje ścieralność materiału.

Statyczne próby twardości:


Brinella (HB, dla materiałów niestopowych i niskostopowych: R

m

=k*HB, k=0,34-0,36 ),



Vickersa (HV),



Rockwella (HRA, HRB, HRC, HRF).

Przy zastosowaniu metod statycznych twardość można określić jako miarę odporności materiału na
odkształcenie trwałe, powstające w wyniku wciskania wgłębnika.

Dynamiczne metody pomiaru twardości:


młotkiem Poldiego,



metoda Shore’a.

OBRÓBKA CIEPLNA STALI

Obróbka cieplna

jest dziedziną technologii obejmującą zespół zabiegów wywołujących polepszenie

własności mechanicznych i fizyczno-chemicznych metali i stopów, powodowane zmianami struktury
w stanie stałym w wyniku zmian temperatury, czasu oraz działania ośrodka.

Można wyróżnić następujące rodzaje obróbki cieplnej:


obróbkę cieplną zwykłą,

6



obróbkę cieplno-chemiczną,



obróbkę cieplno-mechaniczną (cieplno-plastyczną),



obróbkę cieplno-magnetyczną.

Obróbka cieplna zwykła:



wyżarzanie,



hartowanie i odpuszczanie,



przesycanie i starzenie.

0

1

2

200

400

600

800

1000

1200

G

P

E

Temperatura ( C)

o

Stężenie masowe C (%)

Wyżarzanie

ujednoradniające

Wyżarzanie zupełne

i normalizujące

Hartowanie

Wyżarzanie
sferoidyzujące

Wyżarzanie

rekrystalizujące

Wyżarzanie
odprężające

S

Operacje obróbki cieplnej stali

Operacja obróbki cieplnej

jest częścią procesu technologicznego, wykonywaną w sposób ciągły,

przeważnie na jednym stanowisku roboczym. Częściami obróbki cieplnej są zabiegi obróbki cieplnej:


nagrzewanie,



wygrzewanie,



chłodzenie.

czas

temperatura

Grzanie

Chłodzenie

Nagrzewanie

Wygrzewanie

Dogrzew

Podgrz. Wygrz.

Podchładzanie

Wychładzanie

Dochładzanie

Wychładzanie

Studzenie

Grzanie stopniowe

Grznie ciągłe

Chłodzenie
stopniowe

Chłodzenie
ciągłe

Oziębianie

Zabiegi obróbki cieplnej

7

Wyżarzanie

to operacja zwykłej obróbki cieplnej polegająca na nagrzaniu stali do określonej

temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu w celu uzyskania struktur zbliżonych do stanu
równowagi. Wyróżniamy:


wyżarzanie ujednoradniające – polega na nagrzaniu stali do temperatury 1050-1200

0

C o ok. 100-

200

0

C niższej od temperatury solidusu, wygrzewaniu długotrwałym w tym zakresie temperatury

i następnym studzeniu. Celem tej operacji, stosowanej głównie dla wlewków stalowych, jest ograniczenie
niejednorodności składu chemicznego spowodowanej mikrosegregacją, a w części także likwacją.


wyżarzanie rekrystalizujące – polega na nagrzaniu metalu uprzednio odkształconego plastycznie na

zimno do temperatury wyższej od temperatury rekrystalizacji, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu
z dowolną szybkością. Wyżarzanie rekrystalizujące, często stosowane jako międzyoperacyjne podczas
walcowania lub ciągnienia metali na zimno, usuwa umocnienie zgniotowe, powodując zmniejszenie
twardości i wytrzymałości oraz zwiększenie ciągliwości metalu, co umożliwia dalszą obróbkę plastyczną
na zimno.


wyżarzanie odprężające – polega na nagrzaniu stali do temperatury niższej od Ac

1

, wygrzaniu w tej

temperaturze i następnym powolnym studzeniu. Celem tej operacji jest usunięcie naprężeń odpowiednio
odlewniczych, spawalniczych, cieplnych oraz spowodowanych obróbką plastyczną. Odprężanie
samorzutne – sezonowanie – zachodzi w temperaturze pokojowej w czasie kilku lub kilkunastu miesięcy,
a nawet kilku lat.


wyżarzanie normalizujące – polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30-50

0

C wyższej od Ac

3

,

wygrzaniu w tej temperaturze i następnym studzeniu w spokojnym powietrzu. Operacja ta ma na celu
uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej, a przez to polepszenie własności mechanicznych stali.
Jest stosowana do stali niestopowych konstrukcyjnych i staliwa – często przed dalszą obróbką cieplną –
w celu ujednolicenia struktury.


wyżarzanie zupełne – stosowane dla stali stopowych, polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30-

50

0

C wyższej od Ac

3

, Ac

cm

, wygrzaniu w tej temperaturze i następnym bardzo wolnym chłodzeniu, np.

z piecem, w zakresie temperatury między Ac

3

i Ac

cm

a Ac

1

. Dalsze studzenie może odbywać się

w powietrzu.


wyżarzanie izotermiczne – odmiana wyżarzania zupełnego – polega na nagrzaniu stali do

temperatury o 30-50

0

C wyższej od Ac

1

, wygrzaniu w tej temperaturze, szybki chłodzeniu do temperatury

nieco niższej od Ac

1

, wytrzymaniu izotermicznym w tej temperaturze aż do zakończenia przemiany

perlitycznej i następnym chłodzeniu w powietrzu. Wyżarzanie izotermiczne stosowane jest w przypadku
obróbki cieplnej stali stopowych, które po wyżarzaniu zupełnym wykazują zbyt dużą twardość.


wyżarzanie sferoidyzujące – zmiękczanie – polega na nagrzaniu stali do temperatury zbliżonej do

Ac

1

, wygrzaniu w tej temperaturze, bardzo wolnym chłodzeniu do temperatury ok. 600

0

C i następnie

dowolnym chłodzeniudo temperatury otoczenia. W wyniku tej operacji strukturę stali stanowi cementyt
kulkowy – sferoidyt – w osnowie ferrytu. Struktura taka zapewnia niewielką twardość, dobrą skrawalność
oraz dobrą podatność na pdkształcenie plastyczne w czasie obróbki plastycznej na zimno. Jest także
prawidłową strukturą stali nadeutektoidalnych przed następnym hartowaniem.

Hartowanie:


martenzytyczne – polega na nagrzaniu stali do temperatury austenityzowania, wygrzaniu w tej

temperaturze i oziębieniu z szybkością większą od krytycznej w celu uzyskania struktury
martenzytycznej.



bainityczne – stosuje się chłodzenie z szybkością mniejszą od krytycznej lub z wygrzewaniem

izotermicznym w warunkach zapewniających przebieg przemiany bainitycznej.

Odpuszczanie

polega na nagrzaniu stali zahartowanej do temperatury niższej od Ac

1

, wygrzaniu w tej

temperaturze i ochłodzeniu do temperatury pokojowej. Odpuszczanie może być:


niskie – temp. 150-200

0

C – stosowane głównie dla narzędzi, sprężyn, sprawdzianów. Celem tej

operacji jest usunięcie naprężeń hartowniczych z zachowaniem dużej twardości, wytrzymałości
i odporności na ścieranie.


średnie – temp. 250-500

0

C – stosowane do sprężyn, resorów, matryc, i innych części maszyn.

Twardość ulega niewielkiemu zmniejszeniu, zostają zachowane duża wytrzymałość i sprężystość.

8



wysokie – temp. pow. 500

0

C i niższa od Ac

1

– ma na celu osiągnięcie możliwie dobrych własności

plastycznych stali. Stosowane dla elementów maszyn, od których wymagana jest wysoka granica
plastyczności R

e

.

Utwardzanie cieplne

- wykonane łącznie hartowanie i niskie odpuszczanie.

Ulepszanie cieplne

– hartowanie i wysokie odpuszczanie. Miarą ulepszania cieplnego jest stosunek

R

e

:R

m

.

Naprężenia własne

i wywołane przez nie odkształcenia ze względu na przyczyny podzielić można na:



naprężenia cieplne, powodowane nierównomiernymi dylatacyjnymi zmianami wymiarów w wyniku

gradientu temperatury podczas grzania i chłodzenia,



naprężenia strukturalne, wywoływane przemianami fazowymi i związanymi z tym zmianami

objętości właściwej faz.

PRZEMIANY W STALI PODCZAS CHŁODZENIA

W stali nagrzanej do temperatury austenityzowania, podczas wolnego chłodzenia zachodzą przemiany
zgodnie z wykresem żelazo cementyt. Znacznie większe szybkości chłodzenia stosowane w praktyce
powodują przesunięcie przemian do niższej temperatury. W czasie chłodzenia austenitu, w zależności od
szybkości chłodzenia i temperatury, mogą zachodzić przemiany:


martenzytyczna



bainityczna



perlityczna

czas,

temp., t

A

A

3

1

M

M

s

f

P

B

M

a)

czas,

temp., t

M

M

s

f

P

B

M

A

A

cm

1,3

ce

m

en

tyt

czas,

temp., t

A

A

3

1

M

M

s

f

P

B

M

czas,

temp., t

A

A

cm

1,3

M

M

s

f

ce

m

en

tyt

P

B

M

b)

d)

c)

Wykresy przemian: a) CTP

i

dla stali podeutektoidalnej, b) CTP

i

dla stali nadeutektoidalnej,

c) CTP

c

dla stali podeutektoidalnej, d) CTP

c

dla stali nadeutektoidalnej.

Przemiana martenzytyczna

jest przemianą bezdyfuzyjną i zachodzi przy duży przechłodzeniu austenitu

do temperatury M

S

, początku tej przemiany, przy chłodzeniu z szybkością większą od krytycznej v

k

.

W wyniku tej przemiany powstaje martenzyt, czyli przesycony roztwór węgla w żelazie α. Przemiana
martezytyczna zachodzi pod warunkiem ciągłego obniżania temperatury w zakresie od temperatury

9

początku przemiany M

S

, do temperatury M

f

jej końca. Wartości tych temperatur obniżają się wraz ze

wzrostem zawartości węgla oraz niemal wszystkich dodatków stopowych z wyjątkiem Al. I Co.
Przemianę martenzytyczną ułatwiają naprężenia rozciągające i odkształcenia plastyczne.
W wyniku przemiany martenzytycznej w stalach mogą utworzyć się dwa rodzaje martenzytu listwowy
i płytkowy.

Przemiana bainityczna

łączy w sobie cechy przemiany bezdyfuzyjnej i dyfuzyjnego przemieszczania

węgla. Zachodzi przy przechłodzeniu stali do temperatury w zakresie 450 ÷ 200

o

C. W wyniku przemiany

powstaje bainit, będący mieszaniną ferrytu przesyconego węglem oraz dyspersyjnych węglików.
Zróżnicowanie składu chemicznego austenitu wymaga pewnego czasu inkubacji, niezbędnego do
zainicjowania przemiany bainitycznej.
W zależności od temperatury przechłodzenia rozróżnia się bainit górny (składa się z ziarn przesyconego
węglem ferrytu o nieregularnych kształtach z nieregularnymi wydzieleniami węglików oraz austenitu
szczątkowego), bainit dolny (składa się z przesyconego węglem ferrytu o postaci listwowej, zbliżonego do
martenzytu, płytkowych węglików oraz z austenitu szczątkowego)
Przemiana perlityczna

zachodzi po ochłodzeniu austenitu nieznacznie poniżej temperatury A

r1

. W jej

wyniku z austenitu powstaje mieszanina eutektoidalna złożona z płytek ferrytu i cementytu zwana
perlitem. Przemiana perlityczna jest przemianą dyfuzyjną, związaną z przegrupowaniem atomów węgla
i zachodzącą poprzez zarodkowanie oraz rozrost zarodków.

Hartowanie objętościowe

Ze względu na rodzaj uzyskiwanej struktury hartowanie można podzielić na:


martenzytyczne,



bainityczne

Hartowanie martenzytyczne

polega na nagrzaniu stali do temperatury austenityzowania, wygrzaniu

w tej temperaturze i oziębieniu z prędkością większą od krytycznej w celu uzyskania struktury
martenzytycznej. W czasie hartowania bainitycznego stosuje się chłodzenie z szybkością mniejszą od
krytycznej lub z wygrzewaniem izotermicznym w warunkach zapewniających przebieg przemiany
bainitycznej.
Gdy austenityzowanie obejmuje całą objętość obrabianego przedmiotu, a grubość warstwy zahartowanej
zależy od wyłącznie od własności materiału i szybkości chłodzenia, hartowanie jest nazwane hartowaniem
objętościowym.

Nagrzewanie do hartowania
Nagrzewanie do temperatury austenityzowania musi odbywać się z szybkością uniemożliwiającą
pęknięcia w wyniku naprężeń cieplnych. Z tego względu często, przede wszystkim w przypadku
przedmiotów o skomplikowanych kształtach i rozwiniętej powierzchni, nagrzewanie jest stopniowe
z wygrzewaniem w kilku temperaturach pośrednich, w czasie umożliwiającym wyrównanie temperatury
w całym przekroju obrabianego cieplnie przedmiotu.

Temperatura austenityzowania
Temperatura austenityzowania w przypadku stali węglowych podeutektoidalnych jest o 30 ÷ 50

o

C

wyższa od temperatury A

C3

. Wyższa temperatura austenityzowania powoduje nadmierny rozrost ziarn

austenitu, co decyduje o uzyskaniu struktury martenzytu gruboziarnistego w wyniku hartowania,
powodującej pogorszenie własności mechanicznych i użytkowych oraz zwiększenie kruchości stali.
Stale węglowe nadeutektoidalne austenityzuje się w temperaturze o 30 ÷ 50

o

C wyższej od temperatury

A

C1,3

. Zwiększenie temperatury austenityzowania powoduje pogorszenie własności martenzytu oraz

wystąpienie siarki cementytu wtórnego na granicach ziarn austenitu pierwotnego, co – ze względu na dużą
kruchość – dyskwalifikuje przedmiot jako obrobiony cieplnie. Stale stopowe, zwłaszcza narzędziowe
klasy nadeutektoidalnej lub ledeburytycznej, w tym szybkotnące, są austenityzowane w temperaturze
znacznie wyższej. Dopiero w takich warunkach następuje rozpuszczenie węglików w austenicie
i nasycenie go węglem oraz pierwiastkami stopowymi, co umożliwia uzyskanie wymaganych własności
po całkowicie wykonanej obróbce cieplnej.

10

Hartowanie martenzytyczne zwykłe z chłodzeniem ciągłym
Podczas hartowania martenzytycznego zwykłego chłodzenie z temperatury austenityzowania wykonuje
się w sposób ciągły z szybkością większą od krytycznej, do temperatury niższej od temperatury M

S

,

a w przypadku wielu stali, np. konstrukcyjnych, niższej nawet od M

f

. W praktyce stale węglowe chłodzi

się w wodzie, natomiast stale stopowe wolniej, np. w oleju. Ośrodek chłodzący należy dobierać
posługując się wykresami CTP

C

, tak aby możliwe było ochłodzenie z szybkością większą od krytycznej

nie tylko powierzchni ale także środka przekroju.
W wyniku hartowania zwykłego uzyskuje się strukturę martenzytu z austenitem szczątkowym oraz
innymi składnikami strukturalnymi, które nie ulegają przemianom podczas obróbki cieplnej, np.
węglikami nie rozpuszczonymi w roztworze stałym podczas austenityzowania lub wtrąceniami
niemetalicznymi. Stale zahartowane charakteryzują się bardzo dużą twardością - powyżej 60 ÷ 65 HRC
w zależności od stężenia C – i wysokimi pozostałymi własnościami wytrzymałościowymi oraz niskimi
własnościami plastycznymi idużą kruchością.

Hartowanie martenzytyczne stopniowe
Podczas hartowania martenzytycznego stopniowego chłodzenie polega na kolejnym:


oziębianiu w stopionej soli lub oleju do temperatury wyższej 30 ÷ 50

o

C wyższa od temperatury M

S

,



wytrzymaniu w stopionej soli lub gorącym oleju o tej temperaturze, w czasie niezbędnym do

wyrównania temperatury w całym przekroju obrabianego przedmiotu lecz zapewniającym trwałość
austenitu przechłodzonego


studzeniu, zazwyczaj w powietrzu, do temperatury otoczenia

Hartowanie w podanych warunkach zapewnia uzyskanie struktury stali takiej jak po operacji hartowania
martenzytycznego zwykłego przy znacznie mniejszych naprężeniach i odkształceniach cieplnych
i strukturalnych. Hartowanie stopniowe jest stosowane do małych drobnych przedmiotów ze stali
węglowych oraz przedmiotów o złożonych kształtach i zmiennych przekrojach.

Hartowanie bainityczne zwykłe
Hartowanie bainityczne zwykłe charakteryzuje się chłodzeniem ciągłym z szybkością mniejszą od
krytycznej – taką, aby mogła przebiegać przemiana bainityczna. Celem operacji jest uzyskanie struktury
bainitu, ewentualnie z martenzytem, oraz austenitu szczątkowego. W ten sposób uzyskuje się większe
własności plastyczne i większą udarność stali niż po hartowaniu martenzytycznym i wysokim
odpuszczaniu. Większa jest również odporność stali na zmęczenie, niższa jednak niż granica sprężystości
i plastyczności.

Hartowanie bainityczne z przemianą izotermiczną
Podczas hartowania bainitycznego z przemianą izotermiczną, zwanego również hartowaniem
izotermicznym, chłodzenie jest wielozabiegowe i polega na kolejnym:


oziębianiu austenitu przechłodzonego do temperatury niższej od temperatury przemiany perlitycznej,



wytrzymaniu izotermicznym w kąpieli chłodzącej, lub innym ośrodku, o temperaturze wyższej od

temperatury M

S

tj. 250 ÷ 400

o

C, w czasie zapewniającym zakończenie przemiany bainitycznej,



chłodzenie do temperatury pokojowej z dowolną szybkością, zwykle w spokojnym powietrzu

Hartowanie z przemianą izotermiczną zapewnia uzyskanie struktury bainitycznej, przy znacznym
ograniczeniu naprężeń cieplnych i strukturalnych oraz zmniejszeniu możliwości powstania pęknięć
i odkształceń. Hartowanie izotermiczne jest stosowane w przypadku obróbki cieplnej przedmiotów
o małych przekrojach oraz dużych przedmiotów ze stali wysokostopowych.

Hartowanie powierzchniowe
Hartowanie powierzchniowe polega na szybkim nagrzaniu warstwy wierzchniej przedmiotu do
temperatury hartowania i następnie szybkim chłodzeniu. Hartowanie powierzchniowe umożliwia
ograniczenie nagrzewania do cienkiej warstwy powierzchniowej i to jedynie w miejscach, które powinny
być obrobione cieplnie. Nie wywołuje więc dużych naprężeń i odkształceń cieplnych. Hartowanie
powierzchniowe umożliwia automatyzację i mechanizację procesów technologicznych obróbki cieplnej.
W zależności od sposobu nagrzewania można wyróżnić następujące rodzaje hartowania
powierzchniowego: indukcyjne, płomieniowe, kąpielowe, kontaktowe, elektrolityczne.

11

Hartowność stali
Podatność stali na hartowanie, zwana hartownością, jest wyrażana zależnością przyrostu twardości
w wyniku hartowania od warunków austenityzowania i szybkości chłodzenia. O hartowności stali
współdecydują:


utwardzalność (podatność stali na hartowanie, miarą której jest zależność największej – możliwej do

uzyskania po hartowaniu – twardości od warunków austenityzowania. Utwardzalność jest zależna od
warunków austenityzowania oraz stężenia węgla w austenicie)


przehartowalność (podatność stali na hartowanie jako zależność przyrostu twardości w wyniku

hartowania od szybkości chłodzenia. Na przehartowalność mają wpływ: stężenie węgla i pierwiastków
stopowych w roztworze stałym podczas austenityzowania, stopień jednorodności austenitu oraz wielkość
jego ziarn.)

Średnica krytyczna

jest miarą przehartowalności podobnie jak prędkość krytyczna chłodzenia. Średnicą

krytyczną D

n

nazywamy średnicę pręta, w którym po zahartowaniu w ośrodku o określonej intensywności

chłodzenia w osi przekroju poprzecznego obrabianego elementu uzyskuje się strukturę złożoną z co
najmniej n% martenzytu (indeks n oznacza udział procentowy martenzytu w strukturze). Średnica D

50

zwana jest półmartenzytyczną.

Współczynnik intensywności chłodzenia

jest miarą zdolności chłodzącej ośrodka oziębiającego.

Współczynnik ten określa względną zdolność chłodzenia w porównaniu z wodą, dla której przyjmuje się
H=1. wielkość ta może zmieniać się w przedziale (0,∞), gdzie H = ∞ oznacza idealny ośrodek chłodzący,
w którym powierzchnia przedmiotu chłodzonego natychmiast oziębiałaby się do temperatury ośrodka.

Metoda Jominy’ego określania hartowności
Najpowszechniej stosowana metoda do określania hartowności, zwana próbą Jominy’ego hartowania od
czoła. Metoda ta polega na oziębianiu strumieniem wody, czołowej powierzchni próbki walcowej
o średnicy 25 mm i długości 100 mm, po austenityzowaniu w warunkach zalecanych dla danego gatunku
stali. Na próbkach zahartowanych w tych warunkach wykonuje się próby twardości wzdłuż zeszlifowanej
tworzącej próbki w odległości co 2 mm, poczynając od czoła próbki. Następnie sporządza się wykres
twardości w funkcji odległości od czoła próbki, zwany krzywą hartowności, nanosząc średnie pomiarów
z dwóch przeciwległych tworzących. Wobec rozrzutu składu chemicznego stali dopuszczalnego przez
normy, dla stali tego samego gatunku z poszczególnych wytopów otrzymuje się krzywe hartowności nieco
różniące się między sobą. Obszar między maksymalnymi a minimalnymi wartościami twardości nazywa
się pasmem hartowności.

Pasmo hartowności

Metoda krzywych „U” określania hartowności
Polega na hartowaniu w stałych warunkach prętów z danego gatunku stali o różnych średnicach
i wyznaczaniu rozkładu twardości na przekroju poprzecznym każdego pręta wzdłuż średnicy. Wyniki
próby podaje się w postaci wykresu twardości w funkcji odległości od środka próbki wzdłuż średnicy –
tzw. krzywych „U”.

12

Metoda Grossmana
W metodzie tej średnice D oblicza się z zależności, która uwzględnia jednorodność chemiczną, wielkość
ziarna byłego austenitu oraz stężenie węgla i pierwiastka stopowego.

D

I

= D

IC

*k

1

*k

2

*k

3

*...*k

n

,

gdzie:
D

IC

– idealna średnica krytyczna podstawowa dla stali węglowej, zależna od wielkości ziarna i stężenia

węgla,
k

1

..k

n

- mnożniki hartowności dla poszczególnych pierwiastków stopowych.

KLASYFIKACJA STALI

Klasyfikacja stali wg zawartości pierwiastków:


niestopowe (węglowe): Mn<=1,65%; Si<=0,5%; Cu, Pb<=0,4%; Ni,Cr<=0,3%; Al., Bi, Co, Se, Te,

V, W <0,1%; lanatanowce, Ti <=0,05%; Mn<=0,08%; Nb<=0,06%;



stopowe:

- niskostopowe: pierwiatek <=2%;

P<=3,5%;

- średniostopowe: pierwiastek 2-8%;

P<=12%;

- wysokostopowe: pierwiastek >8%;

P<=55%.

Klasyfikacja stali wg stopnia odtlenienia:


uspokojona;



półuspokojona;



nieuspokojona.

Stale niestopowe:


podstawowe – wytwarzane w procesie stalowniczym bez dodatkowych zabiegów; wyrobu nie są

poddawane obróbce cieplnej, z wyjątkiem wyżarzania odprężającego, zmiękczającego i normalizowania;


jakościowe – nie określa się wymagań dotyczących własności mechanicznych dla stanu obr. cieplnie

lub wymagań odnoszących siędo zanieczyszczeńwyrobu wtrąceniami niemetalicznymi; wymagania
jakościowe (reg. wielkość ziarna, ciągliwość, itd.) wyższe niż dla stali podstawowych; wszystkie stale
niestopowe nia zaliczane do stali podstawowych lub specjalnych;


specjalne – wyższy stopień i mniejszy udział wtrąceń niemetalicznych niż stale jakościowe; spełniają

warunki:

- wymagana udarność w stanie ulepszonym cieplnie;
- wymagan grubość utwardzenia pow. lub hartowania;
- niski udział wtrąceń niemetalicznych;
- P i S <= 0,020% dla analizy wytopowej; <=0,025% dla analizy kontrolnej;
- minimalna praca łamania KV>=27J w –50

0

C na próbkach wzdłużych ISO z karbem V;

- przewodność elektryczna właściwa >9 S*m/mm

2

.

Stale stopowe:


jakościowe:

- konstrukcyjne drobnoziarniste spawalne (R

e

>=380Mpa, KV=27J),

- elektrotechniczne (tylko Si i Al.),
- na szyny, grodzice lekkie, łuki na obudowy górnicze,
- na wyroby płaskie walcowane na zimno lub na gorąco,
- z miedzią,



specjalne:

- odporne na korozję (C<1,20%; Cr>=10,50%; Ni<2,50% lub >=2,50%),
- szybkotnące (C>=0,60%; Cr=3-6%; Mo, W, V:

>=7%),



specjalne inne:

- konstrukcyjne,
- maszynowe,

13

- żaroodporne,
- odporne na pełzanie,
- stopowe,
- na łożyska toczne,
- o szczególnych własnościach fizycznych.

Stale niestopowe konstrukcyjne:


ogólnego przeznaczenia:

- St0S, St3S, St4S – na konstrukcje spawane; St5, St6, St7;
- MSt6; M – okreslone stężenie C, Mn, Si;
- St3V, St4V; V – ogr. stęż. C;
- St3W, St4W; W – ogr. stęż. P i S;
- nieuspokojone (St0S), półuspokojone, uspokojone (St5, MSt7), specjalne uspokojone

(St3W, St4W);

- St3S, St4S: X – nieuspokojona, Y – półuspokojona (St4VX, St3SY);
- St3S, St4S: U – wymagana udarność w 20

0

C;



do normalizowania, ulepszania cieplnego i hartowania powierzchniowego:

- G – podwyższone stężenie Mn,
- A – podwyższona czystość (ograniczone stężenie P i S),
- AA – zaostrzone wymagania dotyczące składu chemicznego,
- rs – regulowane stężenie siarki,
- h – wymagana hartowność,
- H – podwyższona dolna granica hartowności w stosunku do wymaganego pasma

hartowności,

- L – obniżona górna granica hartowności w stosunku do wymaganego pasma hartowności;



stale niestopowe do nawęglania – C<0,2%;



o określonym przeznaczeniu:

- na druty patentowane,
- na sprężyny,
- na łańcuchy,
- do zbrojenia betonu,
- dla kolejnictwa,
- na zbiorniki ciśnieniowe,
- na rury kotłowe,
- do pracy w podwyższonej temperaturze,
- automatyczne.

Stale obrabiane cieplnie:


N –normalizowanie,



H – hartowanie,



T – ulepszanie cieplne.

STALE SPRĘŻYNOWE

Wlasności:



wysoka granica sprężystości R

sp

,



duża wartość stosunków R

sp

: R

e

lub R

sp

: R

0,2

,



duża wytrzymałość na zmęczenie przy ograniczonych wymaganiach dotyczących własności

plastycznych.

Skład chemiczny
C=0,5-0,7% C. Podstawowy pierwiastek stopowy – Si (najintensywniej podwyższa R

sp

, R

e

i R

m

). Stale

krzemowe cechują się małą hartownością i dlatego są stosowane sprężyny o niewielkich przekrojach.
Większą hartownością charakteryzują się stale manganowe. Dodatek Cr jeszcze intensywniej zwiększa

14

hartowność i odporność stali na odpuszczanie. Podobny wpływ wywiera V, bardziej węglikotwórczy od
Cr, zapewniając stalom sprężynowym drobnoziarnistość, zmniejszając szybkość przemian martenzytu
i zmian własności wytrzymałościowych podczas odpuszczania oraz ograniczając skłonność stali do
odwęglania. Stale chromowo-wanadowe stosuje się na najsilniej obciążone sprężyny, w tym także
o dużych przekrojach. Sprężyny ze stali chromowo-wanadowych, a także ze stali chromowo-krzemowych
mogą pracować w temperaturze do ok. 300

0

C, natomiast z pozostałych – w temp <150

0

C.

Obróbka cieplna

:



austenityzowanie w temperaturze 800-870

0

C i hartowanie w oleju lub w wodzie,



średnie odpuszczanie w temperaturze 380-520

0

C.

Oznaczenia:


stale krzemowe: 45S, 50S, 40S2, 50S2, 55S2, 60S2, 60S2A,



stale manganowe: 65G,



stale krzemowo-manganowe: 60SG,



stale krzemowo-manganowo-chromowe: 60SGH,



stale chromowo-manganowe: 50HG,



stale chromowo-krzemowe: 50HS,



stale chromowo-wanadowe: 50HF.

STALE ŁOŻYSKOWE

Własności:


duża twardość,



jednorodność struktury,



wysoki stopień czystości,



hartowność zapewniająca uzyskanie struktury martenzytycznej bez austenitu szczątkowego w całym

przekroju,


odporność na ścieranie,



duża wytrzymałość zmęczeniowa i statyczna,



odpowiednia ciągliwość.

Skład chemiczny
Ok. 1%C, ok.1,5%Cr.W przypadku dużych wymiarów elementów łożysk stosuje się dodatek Si (0,6%)
i Mn (1,1%) zapewniający większą hartowność.

Obróbka cieplna:


hartowanie z temperatury 820-840

0

C w oleju,



odpuszcanie w temperaturze 180

0

C przez 1-2h

Oznaczenia:

ŁH15, ŁH15SG.

Łożyska produkuje się w stanie zmiękczonym, następnie hartuje oraz stosuje się niskie odpuszczanie.


STALE KONSTRUKCYJNE STOPOWE DO NAWĘGLANIA

Wlaściwości:


dobra skrawalność,



odporność na przegrzanie,



małą skłonność do odkształceń podczas obróbki cieplnej,



hartowność dostosowana do przekroju, obciążeń i cech geometrycznych elementów konstrukcyjnych,



wysokie własności wytrzymałościowe nawęglonej powierzchni,



duża ciągliwość rdzenia.

15

Skłąd chemiczny
C<0,25%, Cr=1-2%. Cr, Mn, i Ni zwiększają hartowność, zapewniają wymagane własności
wytrzymałosćiowe rdzenia, oraz zmniejszają naprężenia hartownicze w warstwie nawęglonej. Stężenie ich
jest ograniczone, gdyż obniżają M

s

, co wpływa na zwiększenie udziału austenitu szczątkowego,

zmniejszającego twardość warstwy nawęglonej. Mn powoduje niepożądany rozrost ziarn, czemu
przeciwdziała Ti. Mo sprzyja drobnoziarnistości, Ni zwiększa plastyczność rdzenia.


STALE ŻAROODPORNE I ŻAROWYTRZYMAŁE

Żaroodporność

– odporność stopu na działanie czynników chemicznych, głównie powietrza oraz spalin

i ich agresywnych składników w temperaturze >600

0

C.

Żarowytrzymałość

– odporność stopu na odkształcenia, z czym wiąże się zdolność do wytrzymywania

obciążeń mechanicznych w temperaturze >600

0

C.

Pierwiastki wpływające na żaroodporność
Podstawowym pierwiastkiem zwiększającym żaroodporność jest Cr (5%:600-650

0

C, 30%:1100

0

C). Si

i Al. Również zwiększają żaroodporność, lecz obniżają własności plastyczne i podatność na obróbkę
plastyczną (zawartość odpowiednio 3 i 2,5%). V i Mo wpływają niekorzystnie na żaroodporność.

Pierwiastki wpływające na żarowytrzymałość
Ni przy stężeniu 9% w obecności ok. 18% Cr powoduje zwiększenie żarowytrzymałości.
Żarowytrzymałość zwiększają pierwiastki podwyższające temperaturę topnienia i rekrystalizacji: Mo, W,
V, Co, Ti, Cr, Si. Żarowytrzymałość jest zwiększana w wyniku umocnienia zgniotowego oraz
utwardzania dyspersyjnego.
Stale żaroodporne i żarowytrzymałe można podzielić na:


chromowe i chromowo-krzemowe,



wysokochromowe z dodatkiem Al. I podwyższonym stężeniem Si,



chromowo-niklowe,



chromowo-niklowe z dodatkiem Si.

STALE SPAWALNE

Materiały spawalne dzielimy na:


łatwo spawalne – bez zabiegów przed i po spawaniu,



średnio spawalne – większe elektrody, większy prąd, mniejsze napięcie lub podgrzewanie elementów

łączonych,


trudno spawalne – jw., dodatkowo obróbka cieplna po spawaniu,



nie spawalne.

O spawalności elementu konstrukcji decydują:


spawalność metalurgiczna (zachowanie się materiału podczas spawania i wpływ spawania na

własności spawanego materiału i złącza,


spawalność technologiczna (typ, metoda, technika, itp.),



spawalność konstrukcyjna (sztywność konstrukcji, rodzaj konstrukcji, wielkość spoin, itp.).

Równoważnik węgla

%

15

5

6

Cu

Ni

V

Mo

Cr

Mn

C

C

E















C

E

<=0,45% - stale spawalne bez ograniczeń

16

Stale spawalne o podwyższonej wytrzymałości:


niskostopowe (0,20%C) – ferrytyczno-perlityczna (Corten):<0,04%Al., ~0,15%V, ~0,09%Ti,

~0,05%Nb, ~0,15%N; stan: regulowane cieplnie lub normalizowane;


bainityczne (Fortiweld):~0,15%C, ~0,6%Mn, ~0,5%Mo, ~0,003%B;



ulepszane cieplnie – sorbityczne (T, Naxtra):~0,15%C, ~0,8%Mn, ~0,8%Ni, ~0,6%Cr, ~0,5%Mo,

0,05%V, ~0,002%B.


STALE O SPECJALNYCH WŁASNOŚCIACH MAGNETYCZNYCH

W zależności od kształtu pętli histerezy materiały te dzieli się na:


magnetyczne miękkie (m) – o dużej pozostałości magnetycznej B

r

i małym natężeniu koercji H

c

,



magnetyczne twarde (f) – o mniejszej pozostałości magnetycznej i znacznie większym natężeniu

koercji.

Materiały magnetycznie miękkie
Stale magnetycznie miękkie stosowane w postaci blach elektrotechnicznych prądnicowych zawierają
poniżej 0,08% C i 0,4-3,4% Si. Blachy transformatorowe zawierają 2,8-4,2% Si. Walcowanie blach
wykonuje się tak, aby uzyskac teksturę <100> {100}. <100> jest kierunkiem najłatwiejszego
namagnesowania żelaza. Po walcowaniu blachy poddaje się wyżarzaniu odwęglającemu, doprowadzając
do korzystnego rozrostu ziarn. Materiały te nie powinny być odkształcane plastycznie na zimno, gdyż
zgniot zwiększa koercję.
W technice prądów stałych stosowane są:


stopy Fe-Ni, typu 64-36 i 22-78 – permalloye,



stopy Ni-Fe-Mo, typu 79-16-5 – supermalloye,



czyste żelazo krzemowe.

Materiały magnetycznie twarde
Materiały magnetycznie twarde stosowane na magnesy trwałe charakteryzuje moc właściwa (BH)

max

,

która powinna osiągać możliwie największe wartości. Wymagania te spełniają stale węglowe
eutektoidalne zahartowane na martenzyt oraz stale stopowe zawierające W, Cr i Co, silnie zwiększające
koercję. Stosuje się również stopy Al.-Ni-Co, zwane alnico, zawierające 10-15%Al., 20-30%Ni, ok.
20%Co, 3-4%Cu, ewentualnie do 5%Ti i 25-45%Fe. Stopy te wykazują 10-krotnie większą wartość mocy
właściwej (HB)

max

niż stale niestopowe. Żewzględu na znaczną twardość i kruchość Magnesy ze stopów

alnico są odlewane.


ŻELIWA

Żeliwo jest odlewniczym stopem żelaza z węglem oraz innymi pierwiastkami stopowymi, otrzymywanym
w procesie ponownego przetopu surówki, złomu oraz żelazostopów. Zawartość węgla w żeliwach
przekracza zazwyczaj 2% i zawiera się praktycznie w granicach 2,5% ÷ 4,5%. W żeliwach
wysokostopowych i

wysokokrzemowych zawartość węgla nie przekracza 1%. W skład żeliw

niestopowych wchodzą takie pierwiastki, jak: krzem, mangan, fosfor i siarka, zaś w skład żeliw
stopowych dodatkowo: chrom, molibden, aluminium, miedź, selen, nikiel.
Powszechność zastosowania żeliwa jako materiału konstrukcyjnego wynika z:
- Dobrych własności odlewniczych, w tym dobrej lejności, niewielkiej skłonności do segregacji, niskiej

temperatury topnienia

- Dużej zdolności do tłumienia drgań, istotnej w budowie maszyn
- Dobrych własności wytrzymałościowych, a szczególnie małej wrażliwości na działanie karbu,

dobrych własności przeciwciernych

- Dobrej obrabialności przez skrawanie
- Ekonomicznej technologii wytwarzania odlewów

17

Składniki strukturalne żeliw
Podstawowe składniki strukturalne żeliw to: ferryt, perlit i cementyt, tworzące osnowę metaliczną, grafit
o różnym kształcie i wielkości, występujący jako postać wolna wydzieleń węgla oraz fazy zawierające
fosfor i siarkę.
Obydwie postacie węgla tj. cementyt (Fe

3

C), oraz grafit, mogą współistnieć w żeliwach, a wyjaśnienie

przyczyn wydzielania się węgla w postaci grafitu bądź cementytu dostarcza analiza różnic występujących
w obrębie dwóch układów równowagi, a mianowicie:
- Układu stabilnego żelazo – grafit,
- Układu metastabilnego żelazo – cementyt
Układ równowagi żelazo – grafit jest nieco przesunięty w stosunku do układu żelazo – grafit zarówno
w kierunku mniejszych zawartości węgla, jak i w kierunku wyższych temperatur. Grafit jak i cementyt
może się wydzielać bezpośrednio z roztworu ciekłego (L), jak i roztworu stałego (γ) – austenit.
Na ostateczny przebieg krystalizacji żeliwa, zgodnie z układem żelazo – grafit, wpływają następujące
czynniki:
- Kinetyka procesy krystalizacji,
- Czynnik termodynamiczny,
- Stopień przechłodzenia ciekłego żeliwa.
Domieszki i składniki stopowe bądź sprzyjają grafityzacji lub osłabiają te tendencję. Podczas krzepnięcia
najintensywniej sprzyja grafityzacji krzem występujący w żeliwach w ilościach 0,5% ÷ 3,0 %. Przyśpiesza
on ponadto rozkład cementytu podczas obróbki cieplnej żeliwa, polepsz własności odlewnicze, zmniejsza
natomiast własności mechaniczne stopu. Węgiel można uznać również za pierwiastek grafityzujący,
ponieważ wzrost jego zawartości, przy zachowaniu stałej ilości pozostałych składników żeliwa, sprzyja
wydzielaniu się grafitu. W znacznie mniejszym stopniu grafityzacji sprzyjają: fosfor, aluminium, nikiel,
miedź. Pierwiastkami które przeciwdziałają grafityzacji są w kolejności zwiększającego się działania:
siarka, wolfram, mangan, molibden, chrom.

Wpływ grafitu na własności żeliwa
Grafit jako miękki składnik strukturalny o niewielkiej wytrzymałości na rozciąganie, powoduje obniżenie
własności mechanicznych żeliwa. Grafit nadaje żeliwom pewne cechy specjalne, których inne materiały
nie posiadają, a mianowicie:


Dużą zdolność pochłaniania drgań; zwłaszcza grafit płatkowy przeciwstawia się odkształceniom

sprężystym wydatnie tłumiąc drgania, co jest wykorzystywane w budowie korpusów maszyn pracujących
przy obciążeniach dynamicznych


Niewrażliwość na działanie karbu; płatki grafitu wykazują małą wytrzymałość na rozciąganie, R

m

=20

MPa, stanowiąc jak gdyby przerwy w osnowie metalicznej o charakterze karbów wewnętrznych, co
powoduje zmniejszenie wrażliwości na karby powierzchniowe, gwałtowne zmiany przekroju, wady
powierzchniowe,


Dobre własności ślizgowe wynikające z heksagonalnej warstwowej budowy krystalicznej grafitu;

wykruszony grafit miesza się ze smarem i polepsza własności smarne, pozostające natomiast puste
miejsca po graficie służą za zbiorniki smaru, zasilając powierzchnie trące, stąd wynika zastosowanie
żeliwa szarego na pierścienie tłokowe, tuleje cylindrów,


Dobrą obrabialność mechaniczną, gdyż obecność grafitu, zwłaszcza grubego, powoduje łamliwość

wiórów przy obróbce,


Dobre własności odlewnicze, takie jak rzadkopłynność i zmniejszenie skurczu,



Istotny wpływ na własności mechaniczne odlewów mają ponadto następujące cechy morfologiczne

grafitu:


Kształt (płatkowy, gwiazdkowy, kulkowy, wermikularny – pomiędzy płatkowym a kulkowym)



Wielkość,



Rozmieszczenie.

Fazy zawierające fosfor i siarkę
W odróżnieniu od stali większość żeliw zawiera duże ilości fosforu (do około 1%), a także tworzy on
odrębne składniki strukturalne, a mianowicie:
- podwójną eutektykę fosforową (α(P,C); Fe

3

C-Fe

3

P), zwaną steadytem o niskiej temperaturze topnienia

(953

o

C),

18

- pseudopodwójną, również niskotopliwą eutektykę z grafitem (α(P,C); Fe

3

P+C

graf

).

Żeliwo z fosforem w ilości powyżej 0,5% jest rzadkopłynne i dobrze wypełnia cienkościenne
i skomplikowane geometrycznie formy. Poza tym eutektyki fosforowe charakteryzują się dużą twardością,
zwiększają odporność żeliwa na ścieranie jednak zwiększają jego kruchość.
Siarka występuje w żeliwach najczęściej w ilości do 0,12% utrudnia grafityzację i często jest przyczyną
zabielenia odlewów. Zwiększa ponadto gęstopłynność żeliwa, jego skurcz i porowatość.

Wpływ składu chemicznego i szybkości chłodzenia na strukturę i własności żeliw
Przy małej zawartości krzemu i węgla otrzymuje się żeliwo białe. Przy małej zawartości krzemu, a dużej
węgla powstaje żeliwo połowiczne. Ze wzrostem zawartości krzemu zwiększa się skłonność do
grafityzacji i tworzenia się struktury szarego żeliwa perlitycznego, a następnie ferrytycznego. Przy małych
grubościach ścianek odlewu na skutek szybkiego chłodzenia otrzymuje się żeliwo białe. Przy grubszych
ściankach, a zatem także mniejszych szybkościach chłodzenia, powstaje żeliwo połowiczne. Wolniejsze
chłodzenie sprzyja intensywniejszej grafityzacji, a więc zwiększaniu ilości ferrytu w osnowie i tworzeniu
odpowiednio żeliwa szarego perlitycznego, a następnie ferrytycznego. Im grubsza ścianka odlewu tym
większy powstaje grafit co w konsekwencji wpływa na pogorszenie własności wytrzymałościowych.

Podział żeliw
Ogólna klasyfikacja żeliw opiera się na kryterium wyglądu przełomu. Rozróżnia się zatem:

1. żeliwa szare,
2. żeliwa białe
3. żeliwa połowiczne

1. Żeliwa szare
Żeliwo szare jest materiałem, z którego wytwarza się największą ilość odlewów. Żeliwa szare klasyfikuje
się wg własności wytrzymałościowych.
Struktura osnowy metalicznej żeliw szarych zależy od ilości C

zw

, czyli węgla związanego w Fe

3

C. Jeśli

stężenie C

zw

wynosi 0,8%, to żeliwo przyjmuje strukturę perlityczną. Dla stężenia mniejszego niż 0,8%

strukturę perlityczno – ferrytyczną, gdy ilość C

zw

jest bliska zeru, wówczas żeliwo posiada strukturę

ferrytyczną. Najmniejszą twardość i wytrzymałość mają żeliwa o osnowie ferrytycznej. Wytrzymałość
rośnie wraz ze wzrostem udziału perlitu przy stałej zawartości grafitu. Charakterystycznym składnikiem
struktury żeliwa szarego jest grafit płatkowy.
Zgodnie z normą rozróżnia się sześć rodzajów żeliwa szarego, oznaczonych: 100, 150, 200, 250, 300, 350.
Przyjęte oznaczenia odpowiadają minimalnej wymaganej wytrzymałości na rozciąganie. Norma
dopuszcza również klasyfikacje na podstawie twardości. Własności plastycznych nie bada się wcale, gdyż
wydłużenie w próbie rozciągania nie przekracza 1%, a przewężenie jest znikomo małe.
Zastosowanie: ze względu na małą wrażliwość na działanie karbu, oraz zdolność do tłumienia drgań
żeliwo szare znalazło zastosowanie na: łoża obrabiarek, bloki cylindrów, płyty fundamentowe maszyn,
tłoki silników spalinowych, pierścienie tłokowe, prowadnice, koła zębate.

W grupie żeliw szarych należy również wyróżnić żeliwa modyfikowane oraz sferoidalne.


Żeliwo modyfikowane. Modyfikacja polega na wprowadzeniu do żeliwa wykazującego tendencje do

krzepnięcia jako białe lub połowiczne modyfikatorów w postaci żelazo – krzemu, wapnio – krzemu lub
aluminium. Modyfikatory dodaje się do ciekłego żeliwa w temperaturze ok. 1400

o

C wprost na rynnę

spustową lub do kadzi. Działanie modyfikatora polega na odgazowaniu kąpieli i wytworzeniu dużej ilości
drobnych tlenków, spełniających rolę ośrodków krystalizacji grafitu. W efekcie węgiel wydziela się
w postaci licznych, drobnych i równomiernie rozłożonych płatków grafitu, a powstałe żeliwo ma przełom
szary. Wytrzymałość na rozciąganie żeliwa modyfikowanego, posiadającego osnowę perlityczną sięga
400 MPa lecz jego własności plastyczne są nadal małe.


Żeliwo sferoidalne. Żeliwo sferoidalne jest materiałem konstrukcyjnym wykazującym bardzo dobre

własności zarówno wytrzymałościowe jak i plastyczne. Znaczna poprawa własności plastycznych tego
żeliwa związana jest ze zmianą kształtu wydzieleń grafitu z płatkowego na wydzielenia regularne kuliste.
Żeliwo sferoidalne otrzymywane jest w wyniku modyfikacji z żeliwa skłonnego do krzepnięcia jako szare,
lecz o bardzo małej zawartości siarki (0,01% ÷ 0,015%). Wprowadzenie sferoidyzatorów w postaci

19

magnezu lub rzadziej ceru, powoduje krystalizację grafitu w postaci sferoidalnej. Strukturę osnowy
metalicznej stanowić może ferryt, ferryt z perlitem, perlit a także bainit lub martenzyt odpuszczony.
Żeliwo sferoidalne łączy w sobie zarówno dobre własności wytrzymałościowe jak i plastyczne. Kulista
postać wydzieleń grafitu jako najbardziej zwarta w znacznie mniejszym stopniu osłabia osnowę, jak ma to
miejsce w przypadku grafitu płatkowego. Wokół wydzieleń grafitu sferoidalnego obserwuje się ponadto
mniejszą koncentrację naprężeń. Wytrzymałość na rozciąganie żeliw sferoidalnych w zależności od
struktury osnowy może zmieniać się w przedziale 350÷900 MPa, natomiast wydłużenie A

5

od 2% do

wartości 22% dla żeliwa sferoidalnego ferrytycznego. Żeliwa sferoidalne oznacza się przez podanie liczb
odpowiadających minimalnej wytrzymałości ma rozciąganie oraz minimalnemu wydłużeniu A

5

w % (np.

żeliwo 350 – 22 oznacza R

m

=350 MPa, A

5

=22%).

Żeliwo sferoidalne ma mniejszą zdolność do tłumienia drgań niż żeliwo szare z grafitem płatkowym, ale
większą niż stal. Wykonywane są z niego m.in.: wały korbowe, korbowody, wałki rozrządu.

2. Żeliwa białe
Węgiel zawarty w żeliwie białym jest całkowicie związany w postaci cementytu. Powstaniu struktury
żeliwa białego sprzyja mała zawartość krzemu (do ok. 1%) oraz szybkie chłodzenie podczas krzepnięcia.
Do odlewów o grubszych ściankach wprowadza się dodatki stopowe przeciwdziałające grafityzacji, takie
jak chrom (do 2%), nikiel (5%) i molibden (do 1%). Struktura żeliwa białego zawiera ledeburyt
przemieniony (żeliwo eutektyczne), ledeburyt przemieniony (żeliwo podeutektyczne) lub ledeburyt
przemieniony z przewagą cementytu (żeliwo nadeutektyczne). Wytrzymałość na rozciąganie żeliwa
białego jest mała, natomiast na ściskanie jest 5 ÷ 6 razy większa niż stali. Żeliwo białe ma stosunkowo
ograniczone zastosowanie z powodu dużej kruchości oraz złej skrawalności. Odlewy z tego żeliwa stosuje
się wówczas, gdy twardość i odporność na ścieranie jest czynnikiem decydującym, a warunki pracy nie
wymagają ciągliwości.
Przykłady zastosowań: wykładziny i ślimaki mieszalników materiałów sypkich, kule w małych młynach
kulowych.
Żeliwo białe znajduje także zastosowanie na odlewy artystyczne oraz stanowi produkt wyjściowy do
otrzymywania żeliw ciągliwych.

3. Żeliwo połowiczne
Żeliwo połowiczne zawiera w swej strukturze składniki strukturalne zarówno żeliw szarych, jak i białych.
Wyróżnić w nim zatem można perlit, ledeburyt przemieniony, cementyt oraz grafit.
W praktyce przemysłowej stosuje się tzw. odlewy utwardzone lub zabielone, od których wymagana jest
duża odporność na ścieranie. Jednym z ważniejszych zastosowań są walce hutnicze do walcowania
zarówno na zimno jak i na gorąco. Skład żeliwa zabielonego dobiera się w taki sposób, aby przy
początkowym chłodzeniu z dużą szybkością powstała warstwa żeliwa białego tyko przy powierzchni
odlewu. Zmniejszenie szybkości chłodzenia po zakrzepnięciu warstwy zewnętrznej powoduje wydzielenie
się grafitu i powstanie struktury żeliwa szarego w rdzeniu odlewu. Taki rozkład składników
strukturalnych na przekroju, z warstwą przejściową o strukturze żeliwa połowicznego, umożliwia łagodny
spadek twardości od powierzchni do rdzenia odlewu.
Żeliwo ciągliwe

Żeliwo ciągliwe otrzymuje się z żeliwa białego w efekcie długotrwałego wyżarzania grafityzującego
prowadzonego w temperaturach 950 ÷ 1050

o

C. W czasie tej operacji zachodzi rozpad cementytu,

a węgiel wydziela się w postaci kłaczkowatych skupień tzw. węgiel żarzenia. Zależnie od sposobu
prowadzenia wyżarzania rozróżnia się trzy rodzaje żeliwa ciągliwego:

1. żeliwo ciągliwe białe (W)
2. żeliwo ciągliwe czarne (B)
3. żeliwo ciągliwe perlityczne (P)

1.

Żeliwo ciągliwe białe.

Otrzymywane jest przez wyżarzanie w atmosferze utleniającej w temperaturze 950 ÷ 1000

o

C i w czasie

60 do 90 h. Jego struktura w warstwach powierzchniowych jest całkowicie odwęglona, a więc ferrytyczna.

20

2.

Żeliwo ciągliwe czarne

Uzyskiwane jest poprzez wyżarzanie w atmosferze obojętnej w temperaturach 900 ÷ 1000

o

C. Podczas

wygrzewania zachodzi całkowita grafityzacja cementytu pierwotnego z wydzieleniem węgla żarzenia.
Jeśli dąży się do całkowitej grafityzacji również cementytu wtórnego, to następuje ochłodzenie do
temperatury ok. 750

o

C i przy bardzo wolnym chłodzeniu (3 ÷ 5

o

C/h) zachodzi przemiana eutektoidalna

austenitu. Podczas tego procesu węgiel wydziela się nie jako cementyt, lecz jako grafit krystalizujący na
istniejącym węglu żarzenia. Struktura żeliwa ciągliwego czarnego składa się zatem z ferrytu oraz węgla
żarzenia.

3.

Żeliwo ciągliwe perlityczne

Otrzymywane jest przez wyżarzanie w atmosferze obojętnej, przy czym proces grafityzacji nie jest
doprowadzany do końca. Celem tego procesu jest uzyskanie osnowy perlitycznej, cechującej się większą
wytrzymałością. Aby to osiągnąć w pierwszym okresie wyżarzania w temperaturze ok. 950

o

C następuje

szybsze chłodzenie, np. w powietrzu. Zwiększona szybkość chłodzenia zapobiega dalszej grafityzacji
cementytu zawartego w perlicie, dzięki temu struktura osnowy składa się z perlitu lub perlitu i ferrytu
z wydzieleniami węgla żarzenia.

Żeliwo ciągliwe zgodnie z normami oznacza się odpowiednio do typu żeliwa literami W, B, P, a następnie
liczbami odpowiadającymi minimalnej wytrzymałości na rozciąganie R

m

, wyrażonej w MPa i podzielonej

przez 10, oraz cyframi odnoszącymi się do minimalnego wydłużenia A

3

w % (np. W 35 – 04; czyli

R

m

=350 MPa, A

3

=4%)

Zastosowanie żeliw ciągliwych:


żeliwa ciągliwe białe (cienkościenne odlewy, którym nie stawia się wygórowanych wymagań

wytrzymałościowych, żeliwa ciągliwe wykazują dobrą spawalność, ale gorszą niż żeliwa czarne
podatność do obróbki skrawaniem)


żeliwa ciągliwe czarne (posiada największą spośród wszystkich odmian wartość wydłużenia A

3

=10 ÷

12%, dobrą skrawalność. Znajduje zastosowanie tam, gdzie większa wytrzymałość małych elementów nie
jest konieczna, natomiast ważne są niskie koszty produkcji, np. części maszyn rolniczych, maszyn do
szycia, łączników rur, itp.)


żeliwa perlityczne (żeliwo ciągliwe perlityczne ma podobne zastosowanie jak żeliwo ciągliwe czarne,

lecz głównie w przypadkach, w których wymagana jest większa wytrzymałość na rozciąganie)
Żeliwa stopowe

W celu zwiększenia własności wytrzymałościowych oraz nadania żeliwom cech specjalnych wprowadza
się składniki stopowe. W zależności od ilości wprowadzonych pierwiastków stopowych dzielimy je na:


niskostopowe (do 3%)



średniostopowe (3% ÷ 20%)



wysokostopowe (powyżej 20%)

Żeliwa niskostopowe zawierają najczęściej: Ni, Cr, Mo, Cu. Pierwiastki te odziaływujące głównie na
strukturę osnowy, umożliwiają uzyskanie żeliwa perlitycznego z drobnopłatkowym grafitem.
Rozpuszczając się w ferrycie wpływają również na rozdrobnienie struktury osnowy, powodując tym
samym wzrost własności wytrzymałościowych. Chrom i molibden stabilizują ponadto cementyt,
zwiększają odporność żeliwa na pęcznienie i wpływają na zachowanie własności mechanicznych
w podwyższonych temperaturach.
Pierwiastki stopowe wprowadzane do żeliw w większych ilościach mają na celu:


poprawę odporności na pęcznienie,



zwiększenie żaroodporności i żarowytrzymałości,



zwiększenie odporności na ścieranie,



umożliwienie pracy w obniżonych temperaturach,



nadanie specjalnych własności fizycznych.

Stosownie do wymagań własności mechanicznych, fizycznych bądź chemicznych wprowadzono
klasyfikację żeliw stopowych zawartą w normach. Można je klasyfikować również wg struktury osnowy
metalicznej na:

21



żeliwo austenityczne (wysokoniklowe, niklo-chromowe, średnio i wysoko manganowe)



żeliwo ferrytyczne (średnio i wysokostopowe, krzemowe i aluminiowe, wysokostopowe chromowe),



żeliwo perlityczne (średnioniklowe z miedzią, molibdenem, wolframem i wanadem)



żeliwo ledeburytyczne (chromowe),



żeliwo martezytyczne lub bainityczne (niklowe, niklowo-chromowe, chromowo-molibdenowe)

MOSIĄDZE

Mosiądze dwuskładnikowe jako stopy Cu i Zn dzieli się na:


jednofazowe (2-39% Zn),



dwufazowe (39-45% Zn).

Cechy mosiądzów

:



duża plastyczność (obróbka plastyczna:jednofazowe – na zimno, dwufazowe – na gorąco),



wysoka odporność na korozję atmosferyczną i w wodzie morskiej (zwiększa się ze wzrostem

zawartości Cu).

Wady mosiądzów

:



odcynkowanie – w mosiądzach o stężeniu Zn>20% zanurzonych w elektrolitach zawierających Cl;

przeciwdziałanie – arsen, fosfor, siarka);


pękanie sezonowe – międzykrystaliczna korozja naprężeniowa mosiądzów obrobionych plastycznie

na zimno i poddanych działaniu ośrodka zawierającego amoniak; przeciwdziałąnie – wyżarzanie
odprężające w temperaturze 200-300

0

C przez parę h).

Obróbka cieplna mosiądzów:


wyżarzanie odprężające,



wyżarzanie rekrystalizujące,



wyżarzanie ujednoradniające,



hartowanie i odpuszczanie.

Mosiądze do przeróbki plastycznej

(15 gatunków) klasyfikujemy ze względu na:



skład chemiczny,



R

m

, A

5

, A

10

dla określonych stanów i postaci (pręty, rury, taśmy),



wlasności technologiczne,



zastosowanie: elementy o dobrej skrawalności, elementy głebokotłoczne, sztukatoria, elementy

amunicji, elementy odporne na ścieranie, okrętownictwo, wymienniki ciepła (odporne na wodę morską).

Mosiądze odlewnicze

klasyfikujemy ze względu na:



skład chemiczny,



R

m

, A

5

, HB zależnie od sposobów odlewania (piasek, wlewnice, forma),



własności technologiczne,



zastosowanie: osprzęt, elementy odporne na korozję, ścieranie, okrętownictwo, łożyska i elementy w

środowisku korozyjnym.


BRĄZY

Brązy

są to stopy miedzi z cyną i innymi pierwiastkami.

Brązy dzielimy na:


brązy cynowe:

- do przeróbki plastycznej (Sn<7%),
- odlewnicze (Sn=7-12%),

22



brązy bezcynowe:

- do przeróbki plastycznej,
- odlewnicze,



brązy wieloskładnikowe:

- do przeróbki plastycznej,
- odlewnicze.

Brązy do przeróbki plastycznej

(16 gatunków) klasyfikujemy ze względu na:



skład chemiczny,



R

m

, A

5

, A

10

, HB,



postać wytwarzania,



wlasności szczególne (skrawalność, korozyjność, żarotrwałość),



zastosowanie: sprężyny, przemysł chemiczny, łożyska ślizgowe, elementy maszyn, okrętownictwo,

elektrotechnika.

Brązy odlewnicze

(17 gatunków) klasyfikujemy podobnie jak brązy do przeróbki plastycznej.

W zależności od rodzaju głównego dodatku stopowego wyróżnia się:


brązy cynowe,



brązy aluminiowe,



brązy berylowe,



brązy manganowe,



inne, np. ołowiowe, nie znormalizowane w Polsce.

Obróbka cieplna:


wyżarzanie ujednoradniające, odprężające,



utwardzanie dyspersyjne (Be, Si, Mn),



hartowanie i odpuszczanie (Al.>10%).

STOPY ALUMINIUM

Stopy aluminium dzielimy na:


odlewnicze (26 gatunków), klasyfikacja ze względu na:

- skład chemiczny,
- własności mechaniczne: R

m

, R

e

, A

5

, HB (zależnie od sposobu lania i stanu obróbki

cieplnej),

- zastosowanie;



przeróbcze (17 gatunków), klasyfikacja ze względu na:

- skład chemiczny,
- własności mechaniczne R

m

, R

e

, A

10

, HB,

- własności technologiczne,
- postać,
- zastosowanie.

Typowe stopy:


Al.-Mn – aluany – dobra podatność do przeróbki plastycznej, spawalny, odporny na korozję;

zastosowanie: urządzenia transportowe, przemysł chemiczny i spożywczy;


Al.-Mo – anticorodel – dobra odporność na korozję, połysk, spawalny;



Al.-Mg – hydronalium –dobra odporność na korozję, dobra polerowalność, dobra wytrzymałość

zmęczeniowa; zastosowanie: średnio obciążone elementy konstrukcji lotniczych i okrętowych;


Al.-Cu-Mg-Mn, Zn+Cu – durale – średnio i wysoko obciążone konstrukcje lotnicze; najlepsze

własności posiadają durale cynkowe.