następnego oziębiania zachodzi przemiana martenzytyczna. Podczas oziębiania
stali zawierających ok. 7% Ni korzystne jest wymrażanie w celu wymuszenia prze-
miany austenitu w martenzyt niskowęglowy o małej twardości. Wysoką wytrzyma-
łość, nawet do ponad 1500 MPa (tabl. 6.65), nadaje stali następne odpuszczanie,
w czasie którego wydzielają się węgliki i fazy międzymetaliczne z martenzytu (po-
równaj rozdz. 6.7.10 o stalach typu „maraging“).

STALE AUSTENITYCZNE CHROMOWO–NIKLOWE ODPORNE NA KOROZJĘ

Wysoką odporność na korozję elektrochemiczną wykazują stale i stopy jedno-

fazowe. W przypadku dodania więcej niż 8% Ni do stali zawierających co najmniej
18% Cr stale te w całym zakresie temperatury wykazują strukturę austenitu (rys.
6.29). Stale o strukturze austenitycznej mają wyższe własności mechaniczne,
większą odporność na korozję i mniejszą skłonność do rozrostu ziarn niż stale

6. Stale i inne stopy żelaza

636

Znak stali

Stężenie pierwiastków

1)

, %

Warunki obróbki cieplnej,

°C/ośrodek chłodzący

2)

Wytrzymałość

na rozciąganie,

R

m

, MPa

C

Cr

Ni

Mo

Nb

inne

hartowanie

odpuszczanie

X5CrNiCuNb16–4

≤0,07

16

4

≤0,6

0,35

Cu: 4

1025÷1055/o,p

470÷630

800÷1270

X5CrNiMoCuNb14–5

≤0,07

14

5,5

1,6

0,4

Cu: 1,6

1030÷1050/o,p

550÷620/p

930÷1270

X7CrNiAl17–7

≤0,09

17

7,2

–

–

Al: 1,1

945÷965/w

500÷520

≥1450

X8CrNiMoAl15–7–2

≤0,1

15

7,2

2,5

–

Al: 1,1

945÷965/w

500÷520

≥1550

1)

P ≤0,04; S ≤0,015; Mn ≤1÷1,5; Si ≤0,7;

wartości bez znaku ≤ oznaczają stężenie średnie.

2)

o – olej, p – powietrze, w – szybko do 20°C

i wymrażanie w –70°C przez 9 h.

Tablica 6.65

Orientacyjny skład chemiczny, warunki obróbki cieplnej i wytrzymałość martenzytycznych, umacnianych
wydzieleniowo stali odpornych na korozję

STĘŻENIE WĘGLA (%)

TEMPERA

TURA (°C)

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0

L+

α

(

δ

)

α

(

δ

)+

γ

L+

α

(

δ

)+

γ

L+

γ

L+w+

γ

γ

+

α

+w

γ

α

+w

L+w

ciecz L

C

E

austenit

austenit + węgliki (w)

granica rozpuszczalności
węgla w austenicie

Rysunek 6.29

Wpływ węgla na strukturę stali o stężeniu 18% Cr i 8% Ni (według F.H. Keatinga)

6 rozB 8-11-02 15:30 Page 636

o strukturze ferrytycznej. W stalach Cr–Ni
typu 18–8 rozpuszczalność węgla w austeni-
cie zmniejsza się wraz z obniżeniem tempe-
ratury i w temperaturze pokojowej wynosi
ok. 0,04% (rys. 6.29). Zmniejszającej się roz-
puszczalności C w austenicie towarzyszy wy-
dzielanie się węglików (Fe,Cr)

23

C

6

.

Jednofazową strukturę austenitu o wyso-

kiej odporności na korozję, bez wydzieleń
węglików, stal uzyskuje w wyniku przesyca-
nia w wodzie z temperatury 1100°C. W przy-
padku ponownego nagrzania tak obrobionej
stali do temperatury wyższej od ok. 500°C,
np. w warunkach pracy lub w czasie spawa-
nia, następuje wydzielanie węglików chromu
w postaci siatki, nierzadko przerywanej na
granicach ziarn, a w przypadku spawania
– w strefie wpływu ciepła. Proces ten jest
związany z dechromizacją obszarów przyle-
głych do granic ziarn austenitu (rys. 6.30)
i korozją międzykrystaliczną (porównaj
rozdz. 5.8.2). W temperaturze ok. 500°C
szybkość dyfuzji Cr jest bowiem znacznie
mniejsza od szybkości dyfuzji C. Węgiel two-
rzący węgliki pochodzi więc z obszaru całe-
go ziarna, natomiast Cr – z obszarów przyle-
głych do jego granic. Może to powodować lo-
kalne zmniejszenie stężenia Cr poniżej ok.
12% (rys. 6.30). Z tego powodu następuje
gwałtowny wzrost potencjału Fladego stali
w tych miejscach i uwrażliwienie jej na dzia-
łanie korozji elektrochemicznej, przebiegają-
cej po granicach ziarn. Szybkość dyfuzji Cr
w temperaturze ok. 650°C jest znacznie
większa niż w niższej temperaturze i dlatego
korozja międzykrystaliczna po nagrzaniu do
tej temperatury nie zachodzi. Podobnie
wpływa znaczne przedłużenie wygrzewania
stali, nawet w stosunkowo niskiej temperatu-
rze – zbliżonej do 500°C. Wrażliwość na ko-
rozję międzykrystaliczną zależy więc od stę-
żenia węgla w roztworze, temperatury i cza-
su wygrzewania, co można przedstawić na
wykresie CTW (czas–temperatura–wrażli-
wość na korozję międzykrystaliczną), podob-
nym do wykresów CTP (rys. 6.31).

6.7. Stale i stopy żelaza o szczególnych własnościach

637

%Cr

%C

%Cr

%C

a)

b)

stężenie średnie 0,10%

węglik

węglik

węglik

stężenie węgla
w równowadze
z węglikami ok. 0,002%

stężenie węgla
w równowadze
z węglikami ok. 0,002%

stężenie chromu
zapewniające odporność
chemiczną ok. 12%

stężenie chromu
zapewniające odporność
chemiczną ok. 12%

stężenie średnie 18%

granica ziarna

granica ziarna

0,09

0,06

0,04

0,03

0,02

stężenie węgla w stali, %

TEMPERA

TURA (°C)

CZAS WYGRZEWANIA (s)

900

800

700

600

500

0,01 0,1

1

10

100 1000 10000 100000

Rysunek 6.30

Schemat wpływu wydzielania węglików typu M

23

C

6

na zmiany

stężenia węgla i chromu w pobliżu granicy ziarn w stalach
wysokochromowych a) uwrażliwionych na korozję międzykrys-
taliczną, b) odpornych na ten rodzaj korozji w wyniku
przedłużenia czasu i podwyższenia temperatury wygrzewania
(według E.C. Baina)

Rysunek 6.31

Wykres CTW czas–temperatura–wrażliwość na korozję
międzykrystaliczną stali Cr–Ni typu 18–8 o różnym stężeniu
węgla (według H.J. Rocha’ego)

6 rozB 8-11-02 15:30 Page 637

W celu skutecznego przeciwdziałania korozji międzykrystalicznej nie można

dopuścić do wydzielenia węglików chromu. Osiąga się to przez:

ponowne przesycanie stali, co może być stosowane tylko do elementów o nie-
wielkich wymiarach;
zmniejszenie stężenia C poniżej 0,03%; w niektórych gatunkach dopuszcza się
stężenie węgla nie większe niż 0,07%; sposób ten należy uznać za najbardziej
skuteczny, choć wymagający specjalnych zabiegów metalurgicznych;
tzw. stabilizowanie stali przez wprowadzenie pierwiastków węglikotwórczych
o większym od Cr powinowactwie chemicznym do węgla, najczęściej Ti lub Nb;
pierwiastki te tworzą trwałe węgliki typu MX, nieprzechodzące do roztworu
stałego podczas przesycania; ich stężenie jest dobierane tak, aby związać cały
węgiel: %Ti ≥4

⋅

%C, %Nb ≥8

⋅

%C.

Nadmiar Ti zmniejsza odporność na korozję, zwłaszcza w strefie wpływu cie-

pła w pobliżu spoiny, a ponadto utlenia się całkowicie w strefie przetopienia spo-
iny. Ponieważ Nb wykazuje małe powinowactwo chemiczne do tlenu, korzystne
jest jego zastosowanie, choć większe są tego koszty. Stale stabilizowane mają do-
bre własności wytrzymałościowe w temperaturze do ok. 600°C.

Dodatek 1÷3% Mo zwiększa odporność stali chromowo–niklowych o struktu-

rze austenitycznej na działanie kwasów siarkowego i octowego oraz na korozję wże-
rową w obecności jonów chlorkowych. Dodatek 2÷3% Si polepsza odporność na
działanie kwasu solnego i rozcieńczonego kwasu siarkowego, a także żaroodpor-
ność (porównaj rozdz. 6.7.2). Skłonność stali Cr–Ni do korozji naprężeniowej
zmniejsza dodatek ok. 3% Cu. Kolejne dodatki stopowe w stalach Cr–Ni typu
18–8, przy zróżnicowanym stężeniu C i N, wpływają na przesunięcie zakresu ist-

nienia faz i zmiany stabilności struktury au-
stenitycznej. Orientacyjne określenie składu
fazowego stali Cr–Ni w zależności od stęże-
nia dodatków stopowych umożliwiają wykre-
sy (rys. 6.32), podające skład fazowy spoiny
stali po szybkim chłodzeniu z temperatury
spawania. Struktura jednorodnego austenitu
bez obecności martenzytu lub ferrytu Fe

α

występuje tylko w ściśle określonym zakresie
stężenia C, N, Cr, Ni i innych pierwiastków
stopowych. Jednofazowa struktura austeni-
tyczna uniemożliwia zwiększenie własności
wytrzymałościowych tej grupy stali w proce-
sie obróbki cieplnej. Zwiększenie wytrzyma-
łości stali austenitycznych można uzyskać
stosując dodatek azotu lub przez odkształce-
nie plastyczne na zimno.

Skład chemiczny, warunki przesycania

oraz wytrzymałość stali chromowo–niklo-
wych o strukturze austenitycznej odpornych
na korozję zestawiono w tablicy 6.66 (według
PN-EN 10088-1:1998). Stale o największym

6. Stale i inne stopy żelaza

638

austenit A

martenzyt M

ferryt F

0

28

24

20

16

12

8

4

0

4

8

12

16

20

24

28

32

36

40

Ni

E

=%Ni+30

⋅

%C+0,5

⋅

%Mn+30

⋅

%N

Cr

E

=%Cr+1,4

⋅

%Mo+1,5

⋅

%Si+0,5

⋅

%Nb+2

⋅

%Ti

0% f

er

rytu

A+M

A+M+F

M+F

A+F

10%

10

%

20%

20%

40%

40%

40%

80%

80%

100%

100%

5%

5%

Rysunek 6.32

Wpływ pierwiastków austenito- i ferrytotwórczych na strukturę
spoiny stali Cr–Ni typu 18–8, spawanej i szybko ochłodzonej
z temperatury krzepnięcia do temperatury pokojowej
(według A.L. Schafflera)
Cr

E

– ekwiwalent chromu, Ni

E

– ekwiwalent niklu

6 rozB 8-11-02 15:30 Page 638

6.7. Stale i stopy żelaza o szczególnych własnościach

639

Znak stali

Stężenie pierwiastków

1)

, %

Temperatura

przesycania

2)

, °C

Wytrzymałość na

rozciąganie,R

m

, MPa

C

Cr

Ni

Mn

Mo

inne

X10CrNi18–8

0,1

17,5

7,8

≤0,8

N ≤0,11

1000÷1100

500÷750

X2CrNiN18–7

≤0,03

17,5

7

–

N: 0,15

1020÷1100

530÷780

X2CrNi18–9

≤0,03

18,5

9

–

N ≤0,11

1000÷1100

450÷680

X2CrNi19–11

≤0,03

19

11

–

N ≤0,11

1000÷1100

460÷680

X2CrNiN18–10

≤0,03

18,3

10

–

N: 0,17

1000÷1100

550÷760

X5CrNi18–10

≤0,07

18

9,2

≤2

–

N ≤0,11

1000÷1100

500÷700

X8CrNiS18–9

≤0,1

18

9

–

Cu ≤1, S: 0,25

1000÷1100

500÷750

X6CrNiTi18–10

≤0,08

18

10,5

–

Ti: 5

⋅

C÷0,7

1000÷1120

500÷700

X6CrNiNb18–10

≤0,08

18

10,5

–

Nb: 10

⋅

C÷1

1020÷1120

500÷740

X4CrNi18–12

≤0,06

18

12

–

N ≤0,11

1000÷1100

500÷700

X1CrNi25–21

≤0,02

25

21

≤0,2

N ≤0,11

1030÷1110

470÷670

X2CrNiMo17–12–2

≤0,03

17,5

11,5

2,3

N ≤0,11

1020÷1120

500÷700

X2CrNiMoN17–11–2

≤0,03

17,5

11

2,3

N: 0,17

1020÷1120

580÷800

X5CrNiMo17–12–2

≤0,07

17,5

11,5

2,3

N ≤0,11

1020÷1120

500÷700

X1CrNiMoN25–22–2

≤0,02

25

22

2,3

N: 0,13

1070÷1150

540÷740

X6CrNiMoTi17–12–2

≤0,08

17,5

12

2,3

Ti: 5

⋅

C÷0,7

1020÷1120

500÷700

X6CrNiMoNb17–12–2

≤0,08

17,5

12

2,3

Nb: 10

⋅

C÷1,0

1020÷1120

510÷740

X2CrNiMo17–12–3

≤0,03

17,5

11,8

2,8

N ≤0,11

1020÷1120

500÷700

X2CrNiMoN17–13–3

≤0,03

17,5

12,5

2,8

N: 0,17

1020÷1120

580÷800

X3CrNiMo17–13–3

≤0,05

17,5

11,8

2,8

N ≤0,11

1020÷1120

500÷700

X2CrNiMo18–14–3

≤0,03

18

13,8

2,8

N ≤0,11

1020÷1120

500÷700

X2CrNiMoN18–12–4

≤0,03

18

11,8

3,5

N: 0,15

1070÷1150

540÷740

X2CrNiMo18–15–4

≤0,03

18,5

14,5

3,5

N ≤0,11

1020÷1150

500÷700

X2CrNiMoN17–13–5

≤0,03

17,5

13,5

4,5

N: 0,17

1020÷1140

580÷800

X1CrNiSi18–15–4

≤0,015

17,5

15

≤0,2

Si: 4,1, N ≤0,11

1100÷1160

530÷730

X12CrMnNiN17–7–5

≤0,15

17

4,5

6,5

–

N: 0,15

1000÷1100

750÷950

X2CrMnNiN17–7–5

≤0,03

16,5

4,5

7

–

N: 0,18

1000÷1100

630÷830

X12CrMnNiN18–9–5

≤0,15

18

5

9

–

N: 0,15

1000÷1100

600÷800

X3CrNiCu19–9–2

≤0,035

18,5

8,5

1,8

–

Cu: 1,8, N ≤0,11

1000÷1100

450÷650

X6CrNiCuS18–9–2

≤0,08

18

9

≤2

≤0,6

Cu: 1,6, S: 0,25, N ≤0,11

1000÷1100

500÷710

X3CrNiCu18–9–4

≤0,04

18

9,5

≤2

–

Cu: 3,5, N ≤0,11

1000÷1100

450÷650

X3CrNiCuMo17-11-3-2

≤0,04

17

10,5

≤1

2,3

Cu: 3,3, N ≤0,11

1000÷1100

450÷650

X1CrNiMoCuN20-18-7

≤0,02

20

18

≤1

6,5

Cu: 0,8, N: 0,22

1140÷1200

650÷850

X1NiCrMoCu25–20–5

≤0,02

20

25

≤2

4,5

Cu: 1,6, N ≤0,15

1050÷1150

520÷730

X1NiCrMoCuN25-20-7

≤0,02

20

25

≤1

6,5

Cu: 1,0, N: 0,2

1120÷1180

650÷850

X1CrNiMoCuN25-25-5

≤0,02

25

25,5

≤2

5,2

Cu: 1,5, N: 0,21

1120÷1180

600÷800

X1NiCrMoCu31–27–4

≤0,02

27

31

≤2

3,5

Cu: 1,1, N ≤0,11

1050÷1150

500÷750

1)

P ≤0,025÷0,05, S ≤0,01÷0,03, Si ≤0,25÷2;

wartości bez znaku ≤ oznaczają stężenie średnie.

2)

Chłodzenie po przesycaniu w wodzie lub w powietrzu.

≤2

Tablica 6.66

Orientacyjny skład chemiczny, warunki obróbki cieplnej oraz wytrzymałość na rozciąganie austenitycznych
stali odpornych na korozję

6 rozB 8-11-02 15:30 Page 639

stężeniu Cr, Ni i Mo mają strukturę bardzo stabilnego austenitu, przez co są nazy-
wane stalami super austenitycznymi. Cechują się one bardzo dużą odpornością na
korozję, jednak ze względu na cenę powinny być stosowane jedynie w uzasadnio-
nych przypadkach.

STALE AUSTENITYCZNE CHROMOWO–NIKLOWO–MANGANOWE

ODPORNE NA KOROZJĘ

W związku z deficytem Ni stosuje się zastępczo odporne na korozję stale chro-

mowo–niklowo–manganowe o strukturze austenitycznej. W celu stabilizacji auste-
nitu oraz rozdrobnienia ziarna do stali tych dodaje się ponadto 0,1÷0,3% N. Stale
te ustępują nieco pod względem odporności na korozję stalom chromowo–niklo-
wym. Są stosowane na aparaturę chemiczną pracującą pod ciśnieniem w niskiej
temperaturze. W środowiskach, takich jak roztwory kwasu mlekowego, octowego
i innych, występujących w sokach owocowych, stale Cr–Ni–Mn wykazują dobrą
odporność na korozję. Dlatego ze stali tych są wykonywane aparaty do przerobu
mleka i jego produktów, urządzenia przetwórstwa warzywno–owocowego oraz in-
na aparatura przemysłu spożywczego. Skład chemiczny oraz dodatkowe informa-
cje dotyczące poszczególnych gatunków tych stali podano w tablicy 6.66.

STALE FERRYTYCZNO–AUSTENITYCZNE ODPORNE NA KOROZJĘ

Stale odporne na korozję o zwiększonym stężeniu Cr i innych pierwiastków fer-

rytotwórczych w stosunku do ograniczonego stężenia Ni i innych pierwiastków
austenitotwórczych w temperaturze pokojowej cechują się strukturą dwufazową

α

+

γ

. Stale te zawierają zwykle 22÷27% Cr, 4÷7% Ni oraz dodatki Mo i N, co po-

woduje, że udział austenitu w tych stalach zawiera się w przedziale ok. 40 do 60%.
Stale ferrytyczno–austenityczne mają większe własności wytrzymałościowe w po-
równaniu ze stalami austenitycznymi oraz cechują się szczególnie dobrą odporno-
ścią na korozję naprężeniową. Znormalizowane w kraju stale z tej grupy zestawio-
no w tablicy 6.67 (według PN-EN 10088-1:1998).

6. Stale i inne stopy żelaza

640

Znak stali

Stężenie pierwiastków

1)

, %

Temperatura

przesycania, °C

/ośrodek chłodzący

2)

Wytrzymałość

na rozciąganie,

R

m

, MPa

C

Cr

Ni

N

Mo

inne

X2CrNiN23–4

≤0,03

23

4,5

0,13

0,35

Cu: 0,35

950÷1050/w,p

600÷830

X3CrNiMoN27–5–2

≤0,05

26,5

5,5

0,13

1,7

–

1020÷1100/w,p

620÷880

X2CrNiMoN22–5–3

≤0,03

22

5,5

0,16

3

–

1020÷1100/w,p

640÷880

X2CrNiMoCuN25–6v3

≤0,03

25

6,5

0,23

3,4

Cu: 1,8

1040÷1120/w

690÷900

X2CrNiMoN25–7–4

≤0,03

25

7

0,28

3,8

–

1040÷1120/w

730÷930

X2CrNiMoCuWN25–7–4

≤0,03

25

7

0,25

3,5

Cu: 0,8, W: 0,8

1040÷1120/w

730÷930

P ≤0,0

35, S ≤0,015÷0,03, Si ≤0,7÷1, Mn ≤1÷2;

wartości bez znaku ≤ oznaczają stężenie średnie.

w – woda, p – powietrze.

1)

2)

Tablica 6.67

Orientacyjny skład chemiczny, warunki obróbki cieplnej oraz wytrzymałość na rozciąganie
ferrytyczno–austenitycznych stali odpornych na korozję

6 rozB 8-11-02 15:30 Page 640

STALE CHROMOWO–NIKLOWE

ODPORNE NA KOROZJĘ NA WSZCZEPY CHIRURGICZNE

Szczególnym przypadkiem stali chromowo–niklowych odpornych na korozję

są stale do wytwarzania wszczepów (implantów) chirurgicznych. Materiały te nie
powinny ulegać korozji w organizmie człowieka nawet przez kilkadziesiąt lat. Wy-
maga się od nich wysokiej jakości metalurgicznej oraz stabilnej struktury austeni-
tycznej, zapewnionej np. w stalach Cr–Ni–Mo typu 18–15–3 ujętych w PN-ISO
5832-1:1997 jako stopy D i E (porównaj rozdz. 8.6.2).

6.7.7. Stale do pracy w obniżonej temperaturze

OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA

Stale do pracy w obniżonej temperaturze są stosowane w zakresie od poniżej

0°C do temperatury wrzenia helu, tj. ok. –269°C, w chemii i petrochemii, chłod-
nictwie, przemysłach stoczniowym, lotniczym, nuklearnym i kosmonautyce, a tak-
że do wytwarzania zbiorników do magazynowania ciekłych gazów. Wraz z obniże-
niem temperatury pracy zwiększa się wytrzymałość, natomiast zmniejsza ciągli-
wość i odporność stali na kruche pękanie. Obniżenie temperatury powoduje bo-
wiem zmniejszenie ruchliwości dyslokacji i ich tzw. zamrożenie.

Na krzywej udarności (rys. 6.33) – w zależności od temperatury – występuje

gwałtowne zmniejszenie wartości udarności, a punkt przegięcia na krzywej t

k

określa tzw. temperaturę przejścia w stan kruchy, zwaną niekiedy progiem krucho-
ści. Zjawisko to, charakterystyczne dla metali o sieci A2 i A3, nie występuje w sto-
pach o sieci A1. Dla wielu stali jako wartość graniczną pracy łamania przyjmuje
się KV = 27 J.

W celu uniknięcia uszkodzenia lub zniszczenia konstrukcji pracujących w obni-

żonej temperaturze używa się na nie stali charakteryzujących się temperaturą przej-
ścia w stan kruchy niższą od temperatury pracy.

6.7. Stale i stopy żelaza o szczególnych własnościach

641

stal węglowa
0,2% C

13% Ni

8,5% Ni

5% Ni

3,5% Ni

2% Ni

36% Ni
sieć A1

PRA

CA ŁAMANIA (J)

TEMPERATURA BADANIA (°C)

120

100

80

60

40

20

0

–200

–150

–100

–50

0

Rysunek 6.33

Wpływ temperatury badania
i stężenia niklu na udarność
stali (według T.N. Armstronga
i G.R. Brophy’ego)

6 rozB 8-11-02 15:30 Page 641

Do pracy w obniżonej temperaturze są stosowane:
stale węglowe i niskostopowe; mogą pracować w temperaturze nie niższej od
–50°C; w celu rozdrobnienia ziarn są poddawane regulowanemu walcowaniu,
wyżarzaniu normalizującemu lub ulepszaniu cieplnemu; zawierają dodatek Mn
(rys. 6.34) i niewielkie dodatki Al, Nb, V, niekiedy także Ni, Mo, Cr i Cu o stę-
żeniu nieprzekraczającym 1% (porównaj rozdz. 6.4.3);

stale niklowe o stężeniu od 1,5 do 9% Ni
– w temperaturze od –50 do –200°C;
stale chromowo–niklowe i chromowo–ni-
klowo–manganowe o strukturze austeni-
tycznej i stosunkowo niskiej granicy pla-
styczności (porównaj rozdz. 6.7.2
i 6.7.6), nieznacznie zmniejszającej się
wraz z obniżeniem temperatury badania;
stopy wysokoniklowe o strukturze auste-
nitycznej, w tym tzw. inwar o stężeniu
36% Ni, w których próg kruchości nie wy-
stępuje aż do temperatury wrzenia He, tj.
do ok. –269°C.

STALE NIKLOWE DO PRACY W OBNIŻONEJ TEMPERATURZE

Głównym dodatkiem w stalach do pracy w obniżonej temperaturze jest Ni.

Pierwiastek ten silnie przesuwa temperaturę t

k

przejścia w stan kruchy do mniej-

szych wartości, powodując jednocześnie zmniejszenie udarności maksymalnej
w temperaturze wyższej od progu kruchości (rys. 6.33). Ze względu na silny wpływ
na hartowność Ni sprzyja powstawaniu drobnoziarnistej struktury bainitycznej
i martenzytycznej stali. Obniżenie temperatury M

s

i M

f

– początku i końca prze-

miany martenzytycznej – wywołane przez dodatek Ni powoduje występowanie
znacznego udziału austenitu szczątkowego w strukturze stali obrobionej cieplnie,
co decyduje o dodatkowym zwiększeniu udarności stali w obniżonej temperaturze.
Dodatek Mn również wpływa na obniżenie progu kruchości (rys. 6.34), zwiększa-
jąc własności mechaniczne stali wraz z udarnością, zarówno w temperaturze poko-
jowej, jak i obniżonej. Mangan w stężeniu powyżej 0,8% może powodować kru-
chość odpuszczania, czemu przeciwdziała dodatek Mo, a także przyspieszone
chłodzenie po odpuszczaniu. Pierwiastki C oraz N silnie podwyższają temperatu-
rę t

k

progu kruchości, podobnie jak S, O i P.

Znaczący wpływ na temperaturę przejścia w stan kruchy wywiera obróbka ciepl-

na (rys. 6.35). Stale o strukturze drobnolistwowego martenzytu wysokoodpuszczo-
nego, uzyskanego w wyniku ulepszania cieplnego, cechują się najniższą temperaturą
t

k

; nieco wyższa jest właściwa dla stali o strukturze bainitycznej, natomiast najwyż-

sza – dla stali wyżarzonych normalizująco o strukturze ferrytyczno–perlitycznej.

6. Stale i inne stopy żelaza

642

PRA

CA ŁAMANIA

, KV (J)

TEMPERATURA (°C)

400

300

200

100

0

–80 –40

0

0

40

stężenie Mn, %

120 160

80

0,5

1,0

2,0

Rysunek 6.34

Wpływ stężenia manganu na temperaturę przejścia stali w stan
kruchy (według W.P. Reesa, B.E. Hopkinsa i H.R. Tiplera)

6 rozB 8-11-02 15:30 Page 642

Orientacyjny skład chemiczny półproduktów płaskich, tj. blach, taśm i pasów,

ze stali niskostopowych i niklowych przeznaczonych na urządzenia ciśnieniowe do
pracy w obniżonej temperaturze, objętych normą PN-EN 10028-4:1999, wraz
z przybliżonymi własnościami i warunkami obróbki cieplnej zestawiono w tablicy
6.68. Wymagania dotyczące odkuwek z tych stali zawarte są w projekcie PN-EN
10222-3. Stale te należą do klasy jakości stopowych specjalnych.

6.7. Stale i stopy żelaza o szczególnych własnościach

643

Znak stali

Stężenie głównych

pierwiastków

1)

, %

Najniższa

temp.

pracy,

Własności mechaniczne

Temperatura, °C

/sposób chłodzenia

4)

C

Mn

Si

Ni

°C

R

eH

(R

p

0,2

),

MPa

R

,

MPa

KV

hartowania (Q)

lub wyżarzania

normalizującego

(N)

odpuszczania

lub wyżarzania
odprężającego

temp.

badania,

°C

J

11MnNi5–3

2)

≤0,14

1,1

≤0,5

0,55

–

60

≥275

420÷530

–

60

27

(N)880÷940/p

580÷640/p

13MnNi6–3

2)

≤0,16

1,3

≤0,5

0,6

–

60

≥345

490÷610

–

60

27

(N)880÷940/p

580÷640/p

15NiMn6

≤0,18

1,2

≤0,35

1,5

–

60

≥345

490÷640

–

80

27

(N)850÷900/p

(Q)850÷900/w,o

600÷660/p,w

12Ni14

≤0,15

0,6

≤0,35

3,5

–

100

≥345

490÷640

–

100

27

(N)830÷880/p

(Q)830÷880/w,o

580÷640/p,w

12Ni19

≤0,15

0,6

≤0,35

5

–

120

≥380

530÷710

–

120

27

(N)800÷850/p

(Q)800÷850/w,o

580÷660/p,w

X8Ni9

≤0,1

0,6

≤0,35

9,3

–

196

≥480
≥575

640÷840
680÷820

–

196

–

196

27
50

(Q)770÷830/w,o

540÷640/p,w

X7Ni9

≤0,1

0,6

≤0,35

9,3

–

196

≥575

680÷820

–

196

80

(Q)770÷830/w,o

540÷640/p,w

P ≤0,015÷0,025, S ≤0,005÷0,015, V ≤0,01÷0,05, Cr + Cu + Mo ≤0,5;
wartości bez znaku ≤ oznaczają stężenie średnie.

Al ≥0,02, Nb ≤0,05.

Próbki poprzeczne.

4)

w – woda,

o – olej,
p – powietrze.

3)

1)

2)

3)

m

Tablica 6.68

Orientacyjny skład chemiczny, przybliżone własności i warunki obróbki cieplnej stali na urządzenia ciśnieniowe
do pracy w obniżonej temperaturze

PRA

CA ŁAMANIA

, KV (J)

TEMPERATURA BADANIA (°C)

120

100

80

60

40

20

0

-220 -200 -180

hartowanie
i odpuszczanie

normalizowanie

normalizowanie

i odprężanie

dwukrotne hartowanie
i odpuszczanie

-160 -140 -120 -100 -80 -60 -40

-20

0

Rysunek 6.35

Wpływ obróbki cieplnej
oraz temperatury badania
na udarność stali
zawierającej 5% Ni
(według B. Müsgena
i J. Degenkolbego)

6 rozB 8-11-02 15:30 Page 643

6.7.8. Stale odporne na ścieranie

STAL HADFIELDA

Typowa stal odporna na ścieranie – X120Mn13

– nazywana stalą Hadfielda, zawiera 1,1÷1,3% C
i 12÷13% Mn. Zgodnie z wykresem równowagi
Fe–Mn–C (rys. 6.36) stal ta w temperaturze
wyższej od ok. 950°C wykazuje stabilną strukturę
austenityczną, a po powolnym ochłodzeniu do tem-
peratury pokojowej jest mieszaniną ferrytu i cemen-
tytu manganowego. Podczas ochłodzenia stali
z wychłodzeniem izotermicznym w temperaturze
ok. 600°C z austenitu wydzielają się węgliki
(Fe,Mn)

3

C i następnie częściowo przebiega prze-

miana perlityczna. Stal w tym stanie wykazuje
dobrą obrabialność. W wyniku przesycania z tempe-
ratury ok. 1000°C, z chłodzeniem w wodzie, w tem-
peraturze pokojowej stal uzyskuje strukturę
austenityczną. Stale X120Mn13 oraz X110Mn14
i X120Mn12 o zbliżonym składzie chemicznym
(z dodatkiem Cr, Mo lub Ni), w stanie przesyconym
cechują się dużą skłonnością do umocnienia w wy-
niku zgniotu związanego z tworzeniem mikrobliź-
niaków. Twardość stali wynosi wówczas ok. 500 HB.

ZASTOSOWANIE STALI HADFIELDA

Stal Hadfielda umacniająca się w czasie pracy, jest stosowana na elementy na-

rażone na ścieranie przy dużych i dynamicznych naciskach powierzchniowych, np.
na kosze koparek, gąsienice do ciągników, rozjazdy kolejowe, łamacze kamienia
i młyny kulowe. Często ze względów technologicznych elementy te są wykonywa-
ne przez odlewanie ze staliwa GX120Mn13 o składzie analogicznym jak stali
X120Mn13 (porównaj rozdz. 6.8.2, tabl. 6.78).

6.7.9. Stale o szczególnych własnościach

magnetycznych

OGÓLNA KLASYFIKACJA

W elektrotechnice i elektronice szerokie zastosowanie znajdują stale o szczegól-

nych własnościach magnetycznych

*)

. W zależności od kształtu pętli histerezy (rys.

6.37) materiały te dzieli się na:

6. Stale i inne stopy żelaza

644

STĘŻENIE MASOWE C

TEMPERA

TURA (°C)

1000

900

800

700

600

500

400

300

200

100

0

0,4

γ

+(Fe,Mn)

3

C

α

+

γ

+(Fe,Mn)

3

C

α

+

ε

α

+

ε

+(Fe,Mn)

3

C

α

+(Fe,Mn)

3

C

α

+

γ

γ

pole to obejmuje
orientacyjny
przebieg krzywych

0,8

1,2

1,6

Rysunek 6.36

Przekrój pionowy
potrójnego układu
równowagi Fe–Mn–C
przy stałym stężeniu
13% Mn (według
Tofautego i Lindena)

*)

Pozostałe grupy materiałów o szczególnych własnościach magnetycznych opisano w roz-
dziale 8.5.6.

6 rozB 8-11-02 15:30 Page 644

magnetycznie miękkie (m) – o dużej pozostałości magnetycznej B

r

i małym na-

tężeniu koercji H

c

(rys. 6.37a),

magnetycznie twarde (t) – o mniejszej pozostałości magnetycznej i znacznie
większym natężeniu koercji (rys. 6.37b).
Powierzchnia pętli histerezy jest proporcjonalna do energii przemagnesowania

materiału, rozproszonej w postaci ciepła.

STALE 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 z tych stali wykonuje się tak, aby uzyskać
teksturę

〈

100

〉 {

110

}

(rys. 6.38). Jest to korzystne, ponieważ

〈

100

〉

jest kierunkiem

najłatwiejszego namagnesowania żelaza. Po walcowaniu blachy poddaje się wyża-
rzaniu odwęglającemu (w atmosferze 20% H

2

i 80% N

2

), doprowadzając do ko-

rzystnego rozrostu ziarn. Materiały te nie powinny być odkształcane plastycznie na
zimno, gdyż zgniot zwiększa koercję.

Stale magnetycznie miękkie są objęte kilkoma normami dotyczącymi blach

i taśm elektrotechnicznych o różnym stopniu przetworzenia. Są oznaczane literą
M, po niej liczbą podającą pomnożoną przez 100 wartość stratności całkowitej

6.7. Stale i stopy żelaza o szczególnych własnościach

645

a)

B

B

r

H

c

H

c

B

r

H

m

t

H

B

b)

Rysunek 6.37

Schemat pętli histerezy
magnetycznej materiałów
magnetycznie
a) miękkich – m,
b) twardych – t;
B – indukcja magnetyczna,
H – natężenie pola
magnetycznego

Rysunek 6.38

Schemat tekstury materiałów magnetycznych o sieci A2, regularnej przestrzennie centrowanej
(według N.P. Gossa)

kier

unek walcowania

6 rozB 8-11-02 15:30 Page 645

(w W/kg, przy 1,5 T i 50 Hz) i po pauzie – następną liczbą podającą grubość
produktu w mm też pomnożoną przez 100. Znak jest zakończony literą zależną od
stanu i rodzaju stali:

w stanie w pełni przetworzonym:
— o ziarnie niezorientowanym, walcowanej na zimno, według PN-EN

10106:1998, o znaku zakończonym literą A, np. M800–100A,

— o ziarnie zorientowanym, według PN-EN 10107:1999, o znaku zakończonym

literą N (o normalnej stratności), S (o obniżonej stratności) lub P (o wyso-
kiej przenikalności), np. M111–35N, M140–30S, M100–23P,

w stanie nie w pełni przetworzonym, walcowanej na zimno (bez końcowej ob-
róbki cieplnej):
— niestopowej, według PN-EN 10126:2000, o znaku zakończonym literą D, np.

M1050–50D,

— stopowej, według PN-EN 10165:2000, o znaku zakończonym literą E, np.

M520–65E.

Cienkie blachy i taśmy stalowe elektrotechniczne do pracy przy średnich

częstotliwościach są ujęte w normie PN-EN 10303:2002U, natomiast materiały
magnetyczne stosowane w przekaźnikach – w PN-EN 10304:2002U.

Odrębną grupę stanowią stale o określonych własnościach mechanicznych i ma-

gnetycznych. Blachy i taśmy z tych stali są stosowane do wytwarzania stojanów

6. Stale i inne stopy żelaza

646

Znak stali

1)

Umowna granica

plastyczności

R ,

p

0,2

MPa

Wytrzymałość na

rozciąganie ,

R

m

MPa

Wydłużenie

Gęstość strumienia magnetycznego, T

przy natężeniu pola magnetycznego

A

80mm

, %

A

2)

5 kA/m

15 kA/m

250-xxx-TF 183

250

325

16

–

1,6

1,83

300–xxx–TF 182

300

375

15

–

1,55

1,82

350–xxx–TF 181

350

425

13

–

1,52

1,81

400–xxx–TF 180

400

450

10

–

1,5

1,8

250–xxx–TG 180

250

350

22

26

1,6

1,8

300–xxx–TG 180

300

400

20

24

1,6

1,8

350–xxx–TG 179

350

450

18

22

1,55

1,79

400–xxx–TG 179

400

500

16

19

1,55

1,79

450–xxx–TG 179

450

550

14

17

1,54

1,79

500–xxx–TG 179

500

600

12

14

1,53

1,79

550–xxx–TG 178

550

650

12

14

1,52

1,78

600–xxx–TG 178

600

700

10

12

1,5

1,78

650–xxx–TG 178

650

750

10

12

1,48

1,78

700–xxx–TG 178

700

800

10

12

1,46

1,78

1)

xxx – stukrotna wartość grubości blachy lub taśmy w mm, TF – produkty walcowane na zimno lub – TG walcowane na gorąco.

2)

Produkty o grubości >3 mm.

, %

Tablica 6.69

Wymagane minimalne własności stali o określonych własnościach mechanicznych i magnetycznych

6 rozB 8-11-02 15:30 Page 646

i wirników maszyn elektrycznych. Zgodnie z normą PN-EN 10265:2001 stale te na-
leżą do grupy stali niestopowych jakościowych, ponieważ jednak nie stawia się im
wymagań dotyczących składu chemicznego – część z nich może być wytwarzana
jako stale stopowe. Klasyfikuje się je w zależności od wartości minimalnej umow-
nej granicy plastyczności oraz od wartości minimalnej gęstości strumienia magne-
tycznego i dzieli na dwie grupy: produktów walcowanych na gorąco (o grubości
1,6÷4,5 mm) i walcowanych na zimno (o grubości 0,5÷2 mm). Oznaczenie tych
stali składa się z liczby równej minimalnej wartości umownej granicy plastyczno-
ści w MPa, oddzielonej kreską od stukrotnej wartości grubości nominalnej produk-
tu w mm, a po następnej kresce – z liter TF (produkty walcowane na zimno) lub
TG (produkty walcowane na gorąco) i stukrotnej wartości minimalnej gęstości
strumienia magnetycznego w T określonej przy natężeniu pola magnetycznego
15 kA/m, np. 400–160–TF 180 lub 550–320–TG 178 (tabl. 6.69).

STALE MAGNETYCZNIE TWARDE

Stale magnetycznie twarde stosowane na

magnesy trwałe (rys. 6.39) charakteryzuje
moc właściwa (B

⋅

H)

maks.

, która powinna osią-

gać możliwie największe wartości. Wymaga-
nia te spełniają stale węglowe eutektoidalne
zahartowane na martenzyt oraz stale stopo-
we zawierające W, Cr i Co silnie zwiększają-
ce koercję (według dotychczasowej normy
PN-75/H-84038, tabl. 6.70). Inne materiały
magnetycznie twarde stosowane na magnesy
stałe opisano szerzej w rozdziale 8.5.6.

6.7. Stale i stopy żelaza o szczególnych własnościach

647

m

a

g

n

e

s

o

w

an

i

e

r

oz

m

a

g

n

es

o

w

a

n

ie

(B

⋅

H)

maks.

B

B

r

-H

c

0

H

Rysunek 6.39

Charakterystyka magnesu
trwałego

Znak stali

1)

Średnie stężenie pierwiastków

2)

, %

Pozostałość

magne-
tyczna,

B

r

, T

Koercja,

H

c

,

A/m

Maksymalny

iloczyn

(B

⋅

H

)

maks

.

,

J/m

3

Temperatura, °C

C

Cr

W

Mo

Co

hartowania/

ośrodek chłodzący

3)

odpuszczania

4)

W6 (X73W6)

0,73

0,4

5,7

–

–

–

4930

2300

800÷840/w,p

100÷120

H6K6
(X98CoCr6–6)

0,98

6

–

–

6

6

7560

3200

930÷1000/o

100÷120

H9K15M2
(X98CoCrMo15–9)

0,98

9

–

1,5

15

15

13525

5170

1000÷1050/o,p

100÷120

1)

Znak w nawiasie zgodny z zasadami podanymi w PN-EN 10027-1:1994 (porównaj rozdz. 6.1.5).

2)

P ≤0,03, S ≤0,03, Mn: 0,3, Si: 0,3, Ni ≤0,3÷0,6.

3)

w, o, p – odpowiednio: woda, olej, powietrze.

4)

Czas odpuszczania: 4÷5 h.

Tablica 6.70

Skład chemiczny, własności i warunki obróbki cieplnej stali stopowych magnetycznie twardych

*)

*)

Porównaj przypis do tablicy 6.60.

6 rozB 8-11-02 15:30 Page 647

6. Stale i inne stopy żelaza

648

648

Ropa naftowa jest wydobywana na polach naftowych (1) (2), jak w Zagłębiu Północnym Wielkich Równin
w stanie Wyoming (14) w USA lub na pustyniach na środkowym Wschodzie, w Afryce, Ameryce Południowej,
Rosji (2), po dokonaniu odwiertu przy użyciu świdrów koronkowych zbrojonych diamentem (13). Ok. 25%
spośród światowej produkcji ropy naftowej, która wynosi ok. 25 miliardów baryłek, pochodzi ze złóż podmor-
skich i jest wydobywana na platformach (5)

÷

(9), wykonanych głównie ze stali i betonu np. na Oceanie

Atlantyckim, o fundamencie ze sprężonego betonu, metodą wstrzykiwanie wody i gazu (Hibernia koło Nowej
Funlandii), na 270-tonowych słupach wbitych w dno (RAM POWELL w zatoce Meksykańskiej) lub na specjalnym
statku utrzymywanym w stałym położeniu, jak w najgłębszym czynnym szybie Marlin (1709 m) u wybrzeży
Campos w Brazylii, a także na Morzu Północnym (6) (7). Największa na świecie pływająca platforma produkcyj-
na Nkossa (9) na Morzu Śródziemnym składa się z 7 modułów wybudowanych równocześnie w stoczniach
Francji, Włoch i Holandii i zmontowanych w Fos-sur-Mer w 1996 roku, w tym 2 platform wiertniczych (5)
i tankowców (10), które jak na innych platformach (11) dostarczają ropę do portów przeznaczenia, często wraz
z ciekłym gazem (12). Ropa naftowa jest również pozyskiwana z piasków bitumicznych w prowincji Alberta
w Kanadzie, a łupki bitumiczne występują także w Australii, Estonii, Brazylii, Szwecji, USA i Chinach.
Na lądzie ropa naftowa jest transportowana rurociągami ze stali odpornych na korozję w tych warunkach,
spawanych z odcinków rur o średnicy do 1,2 m, jak rurociąg z Zatoki Proidhoe do portu Valdez na Alasce w USA
(4). Ropa naftowa jako mieszanina węglowodorów stała się podstawowym surowcem do produkcji materiałów
polimerowych oraz jednym z głównych paliw.

1

8

2

3

13

4

W roku 1852 polski aptekarz Ignacy Łukasiewicz, w wyniku
destylacji ropy naftowej wydzielił naftę, a w roku 1853
skonstruował lampę naftową i wprowadził oświetlenie
naftowe w szpitalu we Lwowie. W roku 1854 w Bóbrce
założył pierwszą w Polsce kopalnię ropy naftowej, a w roku
1859 uruchomił w Ułaszowicach k. Jasła pierwszą w Polsce
destylarnię ropy naftowej. Pierwszy odwiert naftowy został
wykonany przez pułkownika Edwina Drake'a w 1959 roku
w Titusville w Zachodniej Pensylwanii w USA (1).

6 rozB 8-11-02 15:30 Page 648

6.7. Stale i stopy żelaza o szczególnych własnościach

649

649

6

7

9

5

12

14

10

11

6 rozB 8-11-02 15:30 Page 649

6.7.10. Wysokowytrzymałe niskowęglowe stale

martenzytyczne utwardzane wydzieleniowo

typu „maraging“

SKŁAD CHEMICZNY I WŁASNOŚCI

Grupę stali typu „maraging“

*)

stanowią niskowęglowe stopy żelazowo–niklowe

o strukturze martenzytycznej, utwardzane wydzieleniowo, cechujące się znaczną
wytrzymałością i plastycznością. W odróżnieniu od stali zawierających węgiel wy-
stępujący w roztworze stałym lub w fazach węglikowych, stale typu „maraging“
umacniają się dzięki wydzielaniu faz międzymetalicznych, np. Ni

3

Ti, Fe

2

Mo,

Ni

3

Mo, NiAl

2

.

Głównym pierwiastkiem stopowym w stalach typu „maraging“ jest Ni, o stęże-

niu 8÷25%. Zwiększa on hartowność stali umożliwiając w czasie hartowania, po
austenityzowaniu, zajście przemiany martenzytycznej podczas chłodzenia w po-
wietrzu. Nikiel zwiększa również odporność stali na kruche pękanie i decyduje
o obniżeniu progu kruchości, tak że granica plastyczności zmienia się nieznacznie
do temperatury ok. –250°C. Pierwiastek ten w niewielkim stopniu sprzyja umoc-
nieniu stali w czasie odpuszczania, tworzy jednak fazy międzymetaliczne Ni

3

Ti,

Ni

3

Mo, Ni

3

(Mo,Ti), NiTi, (Fe,Ni)

2

Mo.

Pierwiastkiem najsilniej umacniającym jest Ti, tworzący w stalach typu „mara-

ging“ liczne fazy międzymetaliczne. Przy stężeniu większym od 1% powoduje on
jednak znaczne obniżenie ciągliwości stali. Natomiast na zwiększenie ciągliwości
silnie wpływa Mo, który powoduje zmniejszenie współczynnika dyfuzji innych pier-
wiastków stopowych po granicach ziarn, sprzyjając wydzielaniu się faz międzyme-
talicznych wewnątrz ziarn, a nie na ich granicach. Molibden tworzy kilka faz
utwardzających te stale podczas odpuszczania, korzystnie działając szczególnie
w obecności Co. Kobalt zmniejsza bowiem rozpuszczalność Mo, a także W w że-
lazie Fe

α

. Podnosząc temperaturę M

s

, kobalt umożliwia wprowadzenie innych

pierwiastków decydujących o umocnieniu, które działają przeciwnie, bez obawy
uzyskania austenitu szczątkowego w strukturze stali po chłodzeniu z temperatury
hartowania. Do stali typu „maraging“ mogą być dodawane Al (0,2÷0,3%), Be, Nb,
W, Zr, a także Cr, silnie umacniające martenzyt przez wydzielanie faz międzyme-
talicznych, tworzonych przez te pierwiastki. Chrom zwiększa ponadto odporność
korozyjną tych stali (porównaj rozdz. 6.7.6, tabl. 6.65). Dodatek Si sprzyja umoc-
nieniu przez zmniejszenie rozpuszczalności Mo i Ti w żelazie Fe

α

, natomiast Mn

powoduje umocnienie martenzytu, przy większym stężeniu tworząc fazy NiMn
i Ni

3

Mn.

6. Stale i inne stopy żelaza

650

*)

Nazwa tych stali pochodzi od angielskiego określenia starzenie martenzytu (martensite aging
– maraging). W definicji według PN-EN 10052:1999 starzenie martenzytu to „obróbka wy-
dzieleniowa stali polegająca na przesycaniu, w czasie którego powstaje miękki, bardzo nisko-
węglowy martenzyt, który może być starzony w celu uzyskania żądanych własności“. Jeśli za
kryterium hartowania przyjąć zajście przemiany martenzytycznej w czasie chłodzenia po au-
stenityzowaniu (tak czyni się konsekwentnie w całej książce), to pierwsza operacja jest harto-
waniem, a w konsekwencji druga – odpuszczaniem (porównaj rozdz. 4.6.1), a zatem zarówno
nazwa tej grupy stali, jak i określenia przyjęte w PN-EN 10052:1999 są nieścisłe.

6 rozB 8-11-02 15:30 Page 650

Niekorzystnie na własności stali typu „maraging“ oddziałują C i N, tworzące

węgliki i azotki – zamiast pożądanych faz międzymetalicznych. Szkodliwy jest rów-
nież wpływ S i P.

Orientacyjny skład chemiczny i własności stali typu „maraging“ podano w ta-

blicy 6.71.

OBRÓBKA CIEPLNA STALI TYPU „MARAGING“

Obróbka cieplna stali typu „maraging“ polega na hartowaniu

**)

z temperatury

zależnej od gatunku stali, zbliżonej jednak do 800÷900°C, z chłodzeniem w powie-
trzu. Strukturę stali po hartowaniu stanowi bezwęglowy martenzyt żelazowo–
niklowy o wytrzymałości R

m

ok. 1000 MPa, twardości ok. 30 HRC i znacznej

plastyczności. Odpuszczanie stali typu „maraging“ odbywa się w zakresie
450÷550°C – w zależności od gatunku. Odpuszczanie powoduje znaczne zwiększe-
nie wytrzymałości i niewielkie zmniejszenie własności ciągliwych. Na rysunku 6.40
przedstawiono schematycznie udział różnych mechanizmów, w tym utwardzania
wydzieleniowego, w umocnieniu stali typu „maraging“ obrobionych cieplnie.

6.7. Stale i stopy żelaza o szczególnych własnościach

651

*)

Porównaj przypis do tablicy 6.60.

**)

Porównaj przypis na str. 650.

Znak stali

1)

Stężenie pierwiastków

2)

, %

Orientacyjne własności po

hartowaniu

odpuszczaniu

C

Ni

Co

Mo

Cr

Ti

Al

R

m

,

MPa

KCU

,

J/cm

2

HRC

R

m

,

MPa

KCU

,

J/cm

2

HRC

N18K9M5TPr
(X2NiCoMoTiAl18–9–5)

≤0,03

18

9,2

4,8

≤0,2

0,7

0,12

1100

160

33

1800

25

52

N18K12M4TPr
(X2NiCoMoTiAl17–12–4)

17,4

12,4

4

1,6

0,13

1180

3)

100

3)

38

3)

2000

8

57

N13K15M10TPr
(X2CoNiMoTi15–13–10)

13,4

15

10

≤0,2

0,2

≤0,1

1200

3)

90

3)

40

3)

2200

4

60

H10N7K10M5Pr

4)

(X2CoCrNiMoAl10–10–7)

7,2

10

5,6

10

≤0,1

0,12

980

180

29

1500

60

40

H15K20M3JPr

4)

(X2CoCrMoAl20–15–3)

≤ 0,3 20,1

2,9

15

≤0,2

0,12

1200

150

40

1500

90

48

1)

Znak w nawiasie zgodny z zasadami podanymi w PN-EN 10027-1:1994 (porównaj rozdz. 6.1.5).

2)

P ≤0,01, S ≤0,01, O ≤0,01, N ≤0,01, Mn ≤0,1, Si ≤0,1, Cu ≤0,1; wartości bez znaku ≤ oznaczają stężenie średnie.

3)

Własności po hartowaniu wykonanym jako ostatni zabieg obróbki cieplno–mechanicznej w zakładzie hutniczym,

użytkownik wykonuje tylko odpuszczanie.

4)

Stale odporne na korozję (porównaj też rozdz. 6.7.6).

≤0,2

Tablica 6.71

Skład chemiczny oraz niektóre własności krajowych stali typu „maraging“

*)

6 rozB 8-11-02 15:30 Page 651

ZASTOSOWANIE STALI TYPU „MARAGING“

Stale typu „maraging“ znajdują zastosowanie jako materiał konstrukcyjny do

wytwarzania elementów pracujących w szerokim zakresie temperatury – od obni-
żonej do ok. –200°C po wysoką – do ok. 600°C, w szczególnie ciężkich warunkach
obciążeń mechanicznych. Stale te są stosowane najczęściej w technice lotniczej
i rakietowej, w przemyśle zbrojeniowym, a także w chemicznym i naftowym na
zbiorniki wysokociśnieniowe, w budowie okrętów, do wyrobu sprężyn. Stale typu
„maraging“ o odpowiednio dobranym składzie chemicznym są także stosowane na
niektóre narzędzia do pracy na gorąco, w tym na matryce kuźnicze, a specjalne sta-
le bezniklowe – także na narzędzia tradycyjnie wytwarzane ze stali szybkotnących.

6. Stale i inne stopy żelaza

652

STĘŻENIE MASOWE
PIERWIASTKÓW
STOPOWYCH
Ni+Co+Mo+Ti (%)

CZAS ODPU-
SZCZANIA (h)

W

Y

TRZYMAŁ

OŚĆ N

A ROZCIĄGANIE, R

m

(MPa)

2400

2000

1600

1200

800

400

0

0

10

20

30

0

1

2

3

0

10

martenzyt
z wydziele-
niami faz
międzyme-
talicznych

martenzyt

a)

b)

c)

– martenzyt stopowy odpuszczony
– martenzyt stopowy
– martenzyt niestopowy
– ferryt stopowy
– ferryt niestopowy

ferryt

20

30

Rysunek 6.40

Schemat wpływu różnych mechanizmów umocnienia na wytrzymałość martenzytu odpuszczonego
(według M.D. Perkasa)

6 rozB 8-11-02 15:31 Page 652

6.8. Odlewnicze
stopy żelaza

6.8.1. Staliwa niestopowe

*)

KLASYFIKACJA STALIW NIESTOPOWYCH

Ważnym materiałem konstrukcyjnym, stosowanym w postaci odlewów jest sta-

liwo niestopowe. Otrzymuje się je w wyniku odlewania do form, w których krzep-
nie, uzyskując wymagany kształt użytkowy.

Staliwa niestopowe (węglowe) dzieli się na dwie grupy podlegające odpowied-

nio odbiorowi:

na podstawie własności mechanicznych,
na podstawie własności mechanicznych oraz składu chemicznego.
Skład chemiczny staliw węglowych według PN-ISO 3755:1994 zestawiono w ta-

blicy 6.72. Znak staliwa składa się z dwóch liczb określających wyrażone w MPa
wartości: minimalnej granicy plastyczności R

e

oraz minimalnej wytrzymałości na

rozciąganie R

m

(np. 200–400), po których, w przypadku staliw węglowych podle-

gających odbiorowi także na podstawie składu chemicznego, umieszczona jest lite-
ra W (np. 270–480W).

Staliwa niestopowe konstrukcyjne są także stosowane na odlewy do pracy pod

ciśnieniem (tabl. 6.73, według PN-EN 10213-2:1999 i PN-EN 10213-3:1999). Stali-
wa te poddaje się wyżarzaniu normalizującemu (+N) z temperatury 900÷980°C lub

653

*)

Uwaga: niektóre normy nie określają staliw jako niestopowych, lecz tradycyjnie nazywają je
węglowymi (porównaj rozdz. 6.2.1 dotyczący stali węglowych).

Znak

staliwa

1)

Maksymalne stężenie głównych pierwiastków

2)

, %

Minimalne własności mechaniczne

C

Mn

Si

R

e

(R

p

0,2

),

MPa

R

m

,

MPa

A

,

%

Z

,

%

KV

3)

,

J

200–400W

0,25

1

0,6

200

400

25

40

45

230–450W

1,2

230

450

22

31

45

270–480W

1,2

270

480

18

25

22

340–550W

1,5

340

550

15

21

20

1)

W – odbiór staliwa na podstawie składu chemicznego i własności mechanicznych.

Gatunki staliw bez litery W na końcu znaku, są odbierane tylko na podstawie własności mechanicznych.

2)

P ≤0,035, S ≤0,035, Ni ≤0,4, Cr ≤0,35, Cu ≤0,4, Mo ≤0,15, V ≤0,05, Ni + Cr + Cu + Mo + V ≤1.

3)

Dla gatunków 200–400 i 230–450, minmalna praca łamania KV wynosi odpowiednio 30 J i 25 J.

Tablica 6.72

Skład chemiczny i własności mechaniczne staliw węglowych konstrukcyjnych

6 rozB 8-11-02 15:31 Page 653

ulepszaniu cieplnemu (+QT) polegającemu na hartowaniu z temperatury
890÷980°C i odpuszczaniu w 600÷700°C. Oznaczenia tych staliw zaczynają się od
litery G, po czym są identyczne z oznaczeniami odpowiadających im stali (porów-
naj rozdz. 6.1.5).

STRUKTURA I WŁASNOŚCI STALIW NIESTOPOWYCH

Własności staliw, podobnie jak stali węglowych i niestopowych, zależą głównie

od stężenia węgla (rys. 6.41). Staliwa, szczególnie nisko- i średniowęglowe, cechu-
ją się dobrą spawalnością. Korzystny zespół własności mechanicznych i technolo-
gicznych decyduje o stale rosnącym udziale produkcji staliwa w ogólnej produkcji
stopów żelaza z węglem.

Składnikami strukturalnymi występującymi w staliwie niestopowym są ferryt

i perlit. W zależności od sposobu i szybkości chłodzenia odlewu, w staliwie niesto-
powym w stanie surowym może wystąpić tzw. struktura globulityczna o okrągłych
ziarnach lub struktura Widmannstättena. Struktura widmannstättenowska charak-
teryzuje się iglastą budową ferrytu w osnowie perlitu i ma niekorzystny wpływ na
własności mechaniczne staliwa.

6. Stale i inne stopy żelaza

654

Znak staliwa

Maksymalne stężenie

głównych pierwiastków

1)

, %

Minimalne własności mechaniczne

C

Mn

Si

R

p

0,2

MPa

R

m

MPa

A
%

KV

J

GP240GR+N

0,25

1,2

0,6

240

420

22

27

GP240GH+QT

0,23

1,2

240

420

22

40

GP280GH+QT

0,25

1,2

280

480

22

35

G17Mn5+N

0,2

1,6

240

450

24

27

2)

1)

P ≤0,03, S ≤0,02, Ni ≤0,4, Cr ≤0,3, Cu ≤0,3,

Mo ≤0,12, V ≤0,03, Ni + Cr + Cu + Mo + V ≤1.

2)

Próba w –40°C.

,

,

,

,

Tablica 6.73

Skład chemiczny
i własności mechaniczne
staliw niestopowych
do pracy pod ciśnieniem

STĘŻENIE WĘGLA (%)

R

e

, R

m

(MPa)

Z

, A (%)

KU (J)

700

600

500

400

300

200

100

70

60

50

40

30

20

10

240

160

80

0,4 0,5 0,6

0,3

0,2

0,1

0

KU

Z

A

R

e

R

m

Rysunek 6.41

Wpływ stężenia węgla
na własności mechaniczne
staliw węglowych w stanie
wyżarzonym
(według K. Roescha
i K. Zimmermanna)

6 rozB 8-11-02 15:31 Page 654

OBRÓBKA CIEPLNA STALIW NIESTOPOWYCH

W celu usunięcia niekorzystnej struktury pierwotnej, niejednorodności składu

chemicznego, a także naprężeń odlewniczych, odlewy staliwne poddaje się obrób-
ce cieplnej, głównie wyżarzaniu ujednorodniającemu lub normalizującemu, a tak-
że wyżarzaniu odprężającemu. Odlewy staliwne można również hartować i odpusz-
czać, a także obrabiać cieplno–chemicznie, stosując zasady podobne jak przy ob-
róbce cieplnej elementów stalowych o zbliżonym składzie chemicznym.

6.8.2. Staliwa stopowe

OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA STALIW STOPOWYCH

Staliwa stopowe zawierają dodatki stopowe o stężeniu przekraczającym warto-

ści graniczne takie same jak dla stali stopowych (porównaj tabl. 6.2, rozdz. 6.1.2).
Ze względu na zastosowanie, staliwa stopowe dzieli się na konstrukcyjne, odporne
na ścieranie, odporne na korozję, żaroodporne i żarowytrzymałe oraz narzędzio-
we. Gdy łączne stężenie dodatków stopowych nie przekracza 2,5%, staliwo jest
uważane za niskostopowe, gdy jest zawarte w przedziale 2,5÷5% – za średniostopo-
we, a przy stężeniu większym niż 5% – za wysokostopowe. Przeważnie są stosowa-
ne staliwa zawierające kilka składników stopowych, w tym głównie Ni, Cr, Si, Mn,
często dodatki Mo, V, W, Ti, Nb, Co i B. Staliwa stopowe zawierające tylko jeden
z wymienionych składników są stosowane rzadko.

Własności staliw stopowych często są polepszane przez modyfikowanie, np.

mieszankami cerowymi, a także przez zastosowanie odpowiedniej obróbki cieplnej
odlewów.

Oznaczenie staliw stopowych rozpoczyna się od litery G (według PN-EN) lub

L (według dotychczasowych norm PN), a następujący po nich znak jest zgodny
z systemem oznaczania odpowiedniej grupy stali (porównaj rozdz. 6.1.5).

STALIWA STOPOWE KONSTRUKCYJNE I MASZYNOWE

Staliwa stopowe konstrukcyjne i maszynowe są stosowane na silnie obciążone

odlewy i cechują się wysoką wytrzymałością na rozciąganie, przy dużej granicy pla-
styczności i dużej ciągliwości. Skład chemiczny staliwa powinien być dobrany tak,
aby przy danej grubości ścianki odlewu umożliwiał zahartowanie odlewu na
wskroś oraz uzyskanie jednolitych i dobrych własności mechanicznych na całym
przekroju odlewu po ulepszaniu cieplnym. Dlatego główne znaczenie pierwiastków
stopowych w tych staliwach polega na zwiększeniu ich hartowności.

Staliwa stopowe konstrukcyjne najczęściej są ulepszane cieplnie, choć niekiedy

odlewy są poddawane wyżarzaniu ujednorodniającemu lub normalizującemu,
które to operacje obróbki cieplnej zapewniają wymagane własności użytkowe odle-
wów wykonanych ze stopów o odpowiednio dobranym składzie chemicznym. Sta-
liwa wysokomanganowe odporne na ścieranie poddaje się przesycaniu.

W grupie staliw stopowych konstrukcyjnych wyróżnia się:
staliwa ogólnego przeznaczenia (tabl. 6.74, według dotychczasowej normy PN-
H-83156:1997),
staliwa do pracy pod ciśnieniem (tabl. 6.75, według PN-EN 10213-1:1999):

6.8. Odlewnicze stopy żelaza

655

6 rozB 8-11-02 15:31 Page 655