STALE STOPOWE

Do ~1995r. Stary wg. norm PN
(państw RWPG )

Stale

Węglowe

Stopowe

-

konstrukcyjne (do

~0.65%C) --narzędziowe

---------o

specjalnych
własnościach

-

konstrukcyjne

---narzędziowe

---o

specjalnych własnościach

Po 1995r nowe europejskie normy PN-EN

Stale

Stale
niestopowe
-s.n.
jakościowe
-s.n. specjalne

Stale
Stopowe
odporne na
korozję
--nierdzewn
e
--żaroodpor
ne
--żarowytrzy
m.

Inne stale stopowe
-s.s. jakościowe

-s.s.

specjalne

PN podział

subiektywny

„stale do których specjalnie dodano DS.

aby

wyraźnie zmienić

ich zwykłe (uwarunkowane przez węgiel)

własności.”

Prof.. J.Pietrzyk
02.2006p

Wg. PN-EN podział wg.ścisłych kryteriów

Dodatki stopowe (DS.) rozmieszczone są w fazach
występujących w stali:

I. W

 i Fe

zamieniając atomy Fe w węzłach sieci

krystalicznej a/Ni, Mn, Co, Cu, C, N -rozszerzają zakres
występowania fazy . b/ Al., Si, Cr,i inn. rozszerzają zakres

występowania fazy . Pierwiastki te rozpuszczając się

zmieniają własności stali -hartowność, twardość, odporność na
korozję, własności magnetyczne i inne .

II. W postaci

węglików i azotków

-pod względem siły wiązań

(trwałości) możemy je uszeregować:

Ti;V;W;Mo;Cr;Mn;Fe;Co
; Ni

trwałość

węglika

Trwalszy węglik to:

a

/Podczas chłodzenia wydziela się pierwszy

(TiC przed Fe

3

C) podczas nagrzewania rozpuszcza się później -przy

wyższej temperaturze.

b

/Podmienia Fe w Fe

3

C -----(Fe,Me)

3

C.

c

/Podczas odpuszczania uniemożliwia rozpad martenzytu,

wydzielanie się węglika  i Fe

3

C -przy wyższych temperaturach

wydziela się węglik stopowy dając efekty

twardości wtórnej

. 6-

15

III. Związki Międzymetaliczne Fe

2

Ti; Ni

3

Al; Ni

3

Mo; i inn.

IV.Wtrącenia niemetaliczne -tlenki, siarczki, aluminaty,
krzemiany.

V.Fazy obce np. Pb w stalach

automatowych.

Najpopularniejsz
e DS

Cr -stosunkowo tani szeroko stosowany

W stalach

konstrukcyjnych 0.5-2%

polepsza hartowność,

utwardza ferryt, daje węgliki (FeCr)

3

C; Cr

7

C

3

; Cr

23

C

6

, utrudnia

rozpad martenzytu podczas odpuszczania. W stalach

odpornych na korozje (10.5% -25%)Cr.

/10.5-25Cr +8-20Ni -austenityczne/

Ni -drogi -konieczność oszczędzania (podmiana tanim Mn).

W stalach

konstrukcyjnych 0.5-1%

polepsza

hartowność, udarność (T

KR

). W stalach

odpornych na korozje

(austenitycznych)

8% -20%

(+10.5-25%Cr).

Mn -tani -szeroko stosowany w stalach

konstrukcyjnych (1-1.5%)

w

celu umocnienia stali, zwiększa hartowność, jest dodatkiem
technologicznym -odtlenia i odsiarcza stal. Podstawowy składnik

(10

-12%)

austenitycznych stali

odpornych na ścieranie

- stali Hatfielda

-strzałki rozjazdów kolejowych, tramwajowych.

Si -tani, silnie umacnia stale konstrukcyjne (sprężynowe -1.5%)
zwiększa oporność ferrytu w stalach elektrotechnicznych 0.5-4%
(transformatorowych), dodatek technologiczny -silny odtleniacz.

Mo

-drogi niezastąpiony w stalach pracujących przy wysokich

temperaturach -przeciwdziała pełzaniu (0.2-1%), zwiększa
hartowność.

W

-drogi niezastąpiony w stalach szybkotnących (8-18%) -noże do

skrawania stali. Narzędzia skrawające z węglików spiekanych
(95%WC +5%Co)

Cu

-0.2-0.5% -zwiększa odporność na korozję atmosferyczną stali

konstrukcyjnych.

Mikrododatki Al.; V; Nb; Ti; Mo; W

; w ilości 0.02-0.2% stosowane

w celu ograniczenia rozrostu ziaren austenitu podczas obróbki
cieplnej -wydzielenia węglików i azotków na granicach ziaren,
-zwiększają hartowność.

Dodatki zwiększające skrawalność

S(0.08-0.13%); Pb(0.15-

0.35%).

Stale konstrukcyjne spawalne.

Stale konstrukcyjne spawalne -

problem dobrej

spawalności to unikanie pęknięć

„na zimno”

w strefie przy

spoinowej wywołane H

2

i powstającym po spawaniu

martenzytem

.

Pęknięcia te mogą się uwidocznić po pewnym okresie eksploatacji.

Pęknięcia mogą powstawać i przy wysokich temperaturach

wskutek skurczu podczas krzepnięcia spoiny -pęknięcia „

na gorąco

”.

Na powstawanie pęknięć największy wpływ ma zawartość węgla i
siarki, za granicę dobrej spawalności przyjmuje się

0.2%C

-czym

mniej tym lepiej.

BH

A. Stale na karoserie.

Głębokotłoczne miękkie IF;
BH. IF -intersticjal free /
0.003%C; 0.003N; 0.1%Si;
0.2Mn; 0.01Ti; 0.02Nb; 0.03Al

atomy C i N związane -wyraźna
granica plastyczności nie
występuje.

Stale BH -bake hardening o podobnym składzie
jak IF z tym że zawierają ok..15ppm C w
roztworze powoduje to jej starzenie po deformacji
(tłoczenie) i starzeniu podczas wypalania lakieru.
Efekt umocnienia to ok. 40 -60MPa.

Tłoczne o zwiększonej wytrzymałości

-umacniane przez

przemianę

Stale dwufazowe (dual)-
osnowa Fe z wyspami

martenzytu (10-25%)
zawierającymi austenit
szczątkowy. Podczas
odkształcenia przemienia
się on w twardy martenzyt
przeciwdziałając pojawieniu
się przewężenia (szyjki).

Stale TRIP (Transformation
Induce Plasticity) o osnowie
ferrytycznej (75%) z wyspami
bainitu (12%) i austenitu
resztkowego (13%). Podczas
odkształcenia austenit
przemienia się w twardy
martenzyt przeciwdziałając
pojawieniu się przewężenia
(szyjki).

+

A

Stale te używane są na elementy nośne karoserii. Stale TRIP podczas
zderzenia, deformując się pochłaniają duże ilości energii.

B.Umacniane wydzieleniowo stale

na rurociągi

ropy

i gazu.

Inne stale konstrukcyjne

Wymagana dobra
spawalność i niski (<-
40

0

C) próg kruchości.

Jeszcze niższy próg
kruchości wymagany jest
dla stali przeznaczonych
do pracy w

niskich

temperaturach -zbiorniki
ciekłego tlenu, azotu,
gazu ziemnego. Obniża
próg kruchości dodatek
Ni.

Stale do pracy

w

podwyższonych

temperaturach, praktycznie

gdy temperatura żaroodporności <600

0

C gdzie na czas

eksploatacji nie wpływa korozja gazowa (żaroodporność)

Stale te używane są
na walczaki i
przegrzewacze pary
elektrowni pracujące
przy 450-560

0

C. Przy

wyższych używa się
stali żaroodpornych.

Stale narzędziowe stopowe

służą do nadawania

kształtu, cięcia, rozdrabniania różnych materiałów. Warunki ich
pracy są tak różnorodne że

kryteria

ich użyteczności to

czas pracy

wykonanego z nich narzędzia. Kryteria odbioru to

1

)skład chemiczne

2

)twardość

3

)Hartowność.

Ich

obróbka cieplna to ulepszanie cieplne (H+O) i bardzo często
obróbka powierzchniowa.

Podział stali narzędziowych

I.S.N.S. do pracy na zimno (max.

+250

0

C)

II. S.N.S. do pracy na gorąco

III.Stale szybkotnące.

Porównanie stali narzędziowych

niestopowa

S. Stopowa d.p.

na

zimno

S. Stopowa d.p.

na

gorąco

S. Stopowa

szybkotnąca

I.S.Narzędziowe Stopowe do pracy na zimno.

Używane

na noże do kartonu, drewna, metali kolorowych, frezy, wiertła,
matryce do formowania metali na zimno.

I.S.Narzędziowe Stopowe

do pracy na gorąco

.

Używane na noże, matryce kuźnicze, formy do odlewania
metali kolorowych pod ciśnieniem. Wymagana:
1)Żarowytrzymałość 2)Odporność na ścieranie 3)Odporność
na zmęczenie cieplne 4)Odporność na udary termiczne
5)Duża hartowność -duże gabaryty w.

III.S.Narzędziowe Stopowe

szybkotnące

używane na

noże do skrawania stali -ostatnio wypierane przez węgliki
spiekane (95%WC+5%Co). Typowa obróbka cieplna to wysokie
hartowanie + 2, 3krotne odpuszczanie (obróbka podzerowa +
odpuszczanie) w celu usunięcia austenitu szczątkowego.

Struktura po OC Martenzyt odpuszczony i węgliki (pierwotne,
wtórne).

Stale o specjalnych własnościach

I. Stale

kwasoodporne

ferrytyczne.

d po 8 latach

Dolna
granica
10,5-13%Cr

Górna granica
składu
wydzielanie się
kruchej fazy
 

 Cr).

-zmiana
potencjału
korozyjneg
o

Stale ferrytyczne są tanie ale podatne na dwa rodzaje

wad

:

a/wydzielanie kruchej

fazy 

zauważalnej przy

20-25%Cr (650-500

0

C)

b/

kruchości „475

”-odwracalna

kruchość pojawiająca się podczas chłodzenia 550-400

0

C. Wpływ na

nią mają dodatki stopowe, jest ona trudna do uniknięcia podczas
chłodzenia po spawaniu. Wada ta jest związana ze strukturą

ferrytyczną

, wolne od niej są stale o podobnej zawartości Cr

(zapewniającą odporność na korozję) lecz o strukturze

austenityczne

j -uzyskanej przez dodatek 8-20%Ni.

II. Stale kwasoodporne

austenityczne

.

Stale droższe (Ni!)

o lepszych właściwościach użytkowych.

<0.0
2

Stale kwasoodporne

austenityczne

chociaż lepsze od

ferrytycznych posiadają również typowe dla nich wady;

a/skłonność do korozji międzykrystalicznej -wydzielanie

węglików Cr (60%Cr) na granicach ziaren powoduje obniżenie
w ich pobliżu zawartości Cr <13%

b/skłonność do korozji naprężeniowej.

III. Stale kwasoodporne

martenzytyczne i

umacniane wydzieleniowo

o podwyższonej wytrzymałości

Stale odporne na

pełzanie

dla energetyki parowej (praca przy T(540-

650

0

C)>T

gr

)

Sprawność turbiny parowej dla 540

0

C ~35%; 640

0

C ~45%

Turbiny gazowe pracują przy 900 -1300

0

C materiały tam

stosowane to stopy na bazie Ni lub Co ceramiki lub ceramiczno
-metalowe kompozyty.

Np.. Nimonic115 60Ni; 15Co; 15Cr; 5Al; 4Ti; 4Mo; 0.2C; 0.2Zr;
0.015B

struktura austenityczna z wydzieleniami.

Stop cobaltu HS-21 62Co; 27Cr; 5Mo; 3Ni; 1Fe; 0.25C

struktura ferrytyczna z wydzieleniami

I.Proste stale konstrukcyjne (0.1-0.15)C; (1-1.5)Cr; (0.2-0.5)Mo; m.d. Ti; V;
Nb; o strukturze F+P; F+B; B (bainit)

II

III

Stale

żaroodporne

/ubytek ciężaru na tlenki <1g/m

2

w danych

warunkach/

9.5
1.9

Stale

odporne na ścieranie

na rozjazdy kolejowe (tramwajowe),

gąsienice ciągników, młyny kulowe. Stale Hadfielda (1.1-1.3%)C; (12-
13%)Mn struktura austenityczna -silne umocnienie powierzchniowe
podczas ścierania -zgniotu.

Stale

oporowe

na

elementy grzewcze

.

Ferrytyczne

Kantal 20%Cr; 5%Al.; 2%Co

<T=1300

0

C

Austenityczne

Nichrom 80%Ni; 20%Cr

<T=1200

0

C

Stopy o specjalnych

własnościach

magnetycznych

.

M. miękich

M.

twardych

M.

miękic

wymagane duże =dB/dH;

B

r

; małe H

C

i P-stratność. Stale

krzemowe (0.5- 2%)Si; =10-10

3

używane na statory i rotory maszyn.
Stale krzemowe (2.5-4%)Si; =1000-

10000; na rdzenie transformatorów.
Stopy Fe-79%Ni (permaloye) =10

5

-

10

6

na głowice zapisująco-

odczytujące (pamięci magnetyczne).

Magnetycznie twarde

. Wymagana duża energia

ferromagnetyka iloczyn (BH

max

). Zastosowania

mikrosilniki, słuchawki, głośniki, pineski
magnetyczne -siła przyciągania F~B

2

.

Materiały

Magnetycznie twarde

. To w

97% przypadków spiekane materiały tlenkowe SrO*Fe

2

O

3

-

HBmax=~30 kJ/m

3

;

stopy Alnico (Fe; 7Al; 35Co; 15Ni; 4Cu; 5Ti) ~2%

HBmax=30-68 kJ/m

3

;

SmCo

5 -

HBmax=170; Nd

2

Fe

14

B HBmax=270kJ/m

3

;

sporadycznie stale hartowane na martenzyt np.. (1%C; 9%Cr;

15%Co; 1.5%Mo; -HBmax~2 kJ/m

3

.)

Stopy niemagnetyczne /nieferromagnetyczne/ stale

austenityczne, stopy metali kolorowych. Zastosowania -elementy
obwodów magnetycznych, korpusy okrętów.
Stopy z

zadanym współczynnikiem rozszerzalności cieplnej

w ściśle

określomym zakresie temperatur. =l/l*T [K

-1

].

Dla precyzyjnych przyrządów

pomiarowych stopy Fe -36%Ni

inwary

~0.

Dla

przepustów przez szkło i ceramikę

elinwary

(Fe -42 -56%Ni) ~(4-

6)*10

-6

[K

-1

]

dla kompensacji rozszerzalności termicznej innych elementów

Fe-56Pt ~-6*10

-6

[K

-1

]. Bimetale.

Stopy te wykorzystują magnetostrykcyjny efekt skurczu

związany z utratą własności ferromagnetycznych jaki występuje w
pobliżu temperatury Curie.
Materiały „inteligentne” z pamięcią kształtu jedno i dwu
kierunkową. Wykorzystujące przemianę

Austenit Martenzyt

./stopy 50Ni; 50Ti/ zastosowania w medycynie i automatyce.

odkształce
nie

T<40

0

C

T>80

0

C

0

0

C

40

0

C

Prof.. J.Pietrzyk
02.2006p

Regulator temperatury