Politechnika Śląska Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii
Seminarium dyplomowe Katedra Nauki o Materiałach
Temat: Metale i ich stopy - ogólna klasyfikacja, znakowani, stale niestopowe, stale konstrukcyjne stopowe, stale narzędziowe, stale i stopy żelaza o szczególnych właściwościach, odlewnicze stopy żelaza.
Uwagi prowadzącego:
		Imię Nazwisko	Łukasz Kortyka Paweł Stachoń
				Grupa: sekcja:		ZIP 40 TYCHY Sekcja I

Klasyfikacja stali:

• ze względu na skład chemiczny (rodzaj i udział składników stopowych):

• stal niestopowa

• niskowęglowa

• średniowęglowa

• wysokowęglowa

• stal stopowa

• niskostopowa

• średniostopowa

• wysokostopowa

• ze względu na procentową zawartość węgla i strukturę wewnętrzną:

• stal podeutektoidalna

• stal eutektoidalna

• stal nadeutektoidalna

• ze względu na zastosowanie:

• stal konstrukcyjna

• stal narzędziowa:

• węglowa

• stopowa:

• do pracy na zimno

• do pracy na gorąco

• szybkotnąca.

• stal specjalna

Stal - plastycznie i cieplnie obrabialny stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami, zawierający do 2% węgla.

Ze względu na skład chemiczny stal dzielimy na:

- stal niestopową (węglową)

- stal stopową

Stal niestopowa - obejmuje te gatunki stali, w których zawartość określonych pierwiastków jest mniejsza od pewnych wartości granicznych. Graniczne wartości pierwiastków wyrażane w procentach są następujące:

bor < 0.0009%, cyrkon, tytan i inne (oprócz C, P, S, N) < 0.05%, niob <0.06%, molibden <0.08%, bizmut, selen, tellur i wanad <0.1%, aluminium, chrom, kobalt, nikiel i wolfram <0.3%, ołów i miedź <0.4%, krzem <0.5% oraz mangan <1.65%.

Stal stopowa - stal, w której oprócz węgla występują inne dodatki stopowe o zawartości od kilku do nawet kilkudziesięciu procent, zmieniające w znaczny sposób charakterystyki stali.

Ze względu na sumaryczne stężenie pierwiastków stale stopowe dzieli się na następujące grupy:

niskostopowe, w których stężenie jednego pierwiastka (oprócz węgla) nie przekracza

2%, a suma pierwiastków łącznie nie przekracza 3,5%,

średniostopowe, w których stężenie jednego pierwiastka (oprócz węgla) przekracza

2% lecz nie przekracza 8%, lub suma pierwiastków łącznie nie przekracza 12%,

wysokostopowe, w których stężenie jednego pierwiastka przekracza 8% a suma

pierwiastków łącznie nie przekracza 55%.

Stale narzędziowe - stopy przeznaczone na narzędzia tj. przedmioty służące do rozdzielania i rozdrabniania materiałów bądź nadawania kształtu przez obróbkę skrawaniem lub przez przeróbkę plastyczną, a także stopy przeznaczone na przyrządy pomiarowe używane w masowej produkcji - sprawdziany, a ponadto uchwyty, klucze itp.

Wyróżniamy:

1. Stale narzędziowe niestopowe

2. Stale narzędziowe stopowe

• do pracy na zimno,

• do pracy na gorąco,

• szybkotnące.

Stale i stopy żelaza o szczególnych właściwościach

Grupę stali o szczególnych własnościach stanowią stale o własnościach fizycznych,

chemicznych lub mechanicznych, jednoznacznie decydujących o ich zastosowaniu.

Niejednokrotnie stężenie pierwiastków stopowych w tych materiałach

przekracza 50%, dlatego często mówi się o stopach specjalnych, a gdy Fe nie jest

głównym składnikiem, a jedynie jednym z wielu - o nadstopach.

W grupie stali i stopów specjalnych można wyróżnić wiele stopów, np. stale żaroodporne,

żarowytrzymałe, zaworowe, odporne na korozję, o szczególnych własnościach

fizycznych.

Odlewnicze stopy żelaza

Żeliwa niestopowe:

- białe, w którym węgiel związany jest w cementycie

- szare, którym węgiel występuje w postaci grafitu

- połowiczne, w którym węgiel występuje w postaci grafitu i cementytu.

Żeliwa stopowe - żeliwo, do którego w celu modyfikacji jego własności fizycznych i chemicznych dodawane są dodatki stopowe takie jak krzem, nikiel, chrom, molibden, aluminium i inne. Pierwiastki stopowe wpływają na:

1. zwiększenie własności mechanicznych,

2. zwiększenie odporności na ścieranie,

3. polepszenie odporności na działanie korozji elektrochemicznej,

4. polepszenie odporności na działanie korozji gazowej w podwyższonej temperaturze,

5. polepszenie własności fizycznych, np. magnetycznych lub elektrycznych.

Skład chemiczny żeliw jest dobierany tak, aby w wyniku dodania pierwiastków stopowych nie zmienić niekorzystnie ich struktury i własności.

Staliwa niestopowe - materiał konstrukcyjny, stosowany w postaci odlewów. Otrzymuje się je w wyniku odlewania do form, w których krzepnie,uzyskując wymagany kształt użytkowy.

Staliwa niestopowe dzieli się na dwie grupy podlegające odpowiednio

odbiorowi:

• na podstawie własności mechanicznych,

• na podstawie własności mechanicznych oraz składu chemicznego.

Staliwa stopowe - zawierają dodatki stopowe o stężeniu przekraczającym wartości

graniczne takie same jak dla stali stopowych. Ze względu na zastosowanie, staliwa stopowe dzieli się na konstrukcyjne, odporne na ścieranie, odporne na korozję, żaroodporne i żarowytrzymałe oraz narzędziowe

Stopy metali:

Miedź i jej stopy

Miedź - występuje w przyrodzie w postaci rodzimej oraz w rudach siarczkowych: błyszczu miedzi, czyli chalkozynie - Cu2S, bornicie - Cu3FeS2, chalkopirycie - CuFeS2, lub rudach tlenkowych, np. kuprycie - Cu2O. Jej gęstość wynosi 8,93 g/cm³ a temperatura topnienia 1084°C. Po wytopie i oczyszczeniu jest miękkim metalem o bardzo dobrym przewodnictwie cieplnym i elektrycznym.

Stopy miedzi dzielimy na:

• odlewnicze,

• przeznaczone do obróbki plastycznej.

Wyróżnia się następujące grupy stopów miedzi:

• z cynkiem,

• z cynkiem i ołowiem,

• z cynkiem i niklem,

• z niklem,

• z cyną,

• z aluminium,

• z innymi pierwiastkami stopowymi, których łączne stężenie przekracza 5%,

• niskostopowe, w których stężenie pierwiastków stopowych jest mniejsze niż 5%.

Większość stopów miedzi ma swoje tradycyjne nazwy. Mosiądze to stopy zawierające Zn jako główny dodatek stopowy, miedzionikle - stopy, w których głównym dodatkiem jest Ni, natomiast brązy to stopy miedzi zawierające ponad 2% dodatków stopowych, spośród których głównym nie jest Zn lub Ni. Brązy, w zależności od głównego dodatku stopowego dzieli się m.in. na cynowe, aluminiowe, berylowe, ołowiowe.

Mosiądze - stopy miedzi z cynkiem, jako głównym pierwiastkiem stopowym. Charakteryzują się dobrą odpornością na korozję, szczególnie atmosferyczną i w wodzie morskiej. Odporność na korozję stopów miedzi z cynkiem zwiększa się wraz ze wzrostem stężenia Cu.

Mosiądze dzielimy na:

• jednofazowe - o strukturze roztworu α i stężeniu od 2 do 39% Zn, charakteryzują się bardzo dużą plastycznością, co umożliwia stosowanie ich na produkty głęboko tłoczone i obrabiane plastycznie na zimno

• dwufazowe o strukturze mieszaniny α + β i stężeniu od 39 do 45% Zn.

Brązy - stopy miedzi zawierające ponad 2% pierwiastków stopowych, w których głównym pierwiastkiem stopowym nie jest cynk lub nikiel.

Rodzaje brązów:

• Cynowe, w których głównym pierwiastkiem stopowym jest cynk

• Aluminiowe, w których głównym pierwiastkiem stopowym jest aluminium

• Berylowe, w których głównym pierwiastkiem stopowym jest beryl

• Ołowiowe, w których głównym pierwiastkiem stopowym jest ołów.

Aluminium i jego stopy

Aluminium - glin o czystości technicznej, zawierający różne ilości zanieczyszczeń, zależnie od metody otrzymywania. W wyniku rafinacji elektrolitycznej otrzymuje się aluminium zawierające 99,95-99,955% Al. Aluminium hutnicze, otrzymywane przez elektrolizę tlenku glinu w stopionym kriolicie, zawiera 99,0-99,8% Al. Aluminium jest pierwiastkiem metalicznym, krystalizującym w układzie regularnym płaskocentrycznym Al, o gęstości 2,7 g/cm³, temperaturze topnienia 660°C i temperaturze wrzenia 2450°C.

Ogólna kwalifikacja stopów aluminium:

• ze względu na sposób wytwarzania stopy aluminium dzieli się na:

- stopy do obróbki plastycznej,

- stopy odlewnicze.

Wyróżnia się następujące grupy stopów miedzi:

• Stopy aluminium z krzemem

• Stopy aluminium z magnezem

• Stopy aluminium z miedzią

• Wieloskładnikowe stopy aluminium z cynkiem

Stopy aluminium z krzemem

Podstawową grupę stopów Al z Si stanowią stopy odlewnicze zwane siluminami, o stężeniu 2÷30% Si (najczęściej 5÷13,5% Si). Krzem, jako podstawowy składnik tych stopów, zapewnia dobrą rzadkopłynność oraz lejność i mały skurcz odlewniczy. Część stopów zawierających ponad 4% Si może być także stosowana po obróbce plastycznej

Aluminium tworzy z krzemem układ z eutektyką, występującą przy stężeniu

12,6% Si, i dwoma roztworami stałymi granicznymi o rozpuszczalności składników

zmniejszającej się wraz z obniżeniem temperatury. Roztwór α (Si w Al) wykazuje

sieć regularną typu A1.

Aluminium w temperaturze eutektycznej rozpuszcza się w Si w bardzo niewielkim

stężeniu - ok. 0,07%, a w temperaturze pokojowej nie wykazuje niemal zupełnie

rozpuszczalności w Si.

Stopy Al z niewielkim dodatkiem - do ok. 2% Si, są przeznaczone do obróbki plastycznej, na średnio obciążone elementy konstrukcji lotniczych i pojazdów mechanicznych oraz elementy głęboko tłoczne i kute o złożonym kształcie. Stopy zawierające od 5 do 12% Si - np. stop EN AW-AlSi12(A) - mogą być poddane również obróbce plastycznej, np. w celu wytworzenia drutów spawalniczych.

Stopy aluminium z magnezem

Aluminium tworzy z Mg roztwór stały graniczny α o rozpuszczalności zmniejszającej się wraz z obniżaniem temperatury, krystalizujący w sieci ściennie centrowanej typu A1 układu regularnego. W zakresie stężenia do ok. 35,5% Mg występuje mieszanina eutektyczna roztworu α z roztworem stałym wtórnym β na osnowie fazy elektronowej Al8Mg5, krystalizującej w sieci regularnej złożonej. W stopach przemysłowych Al z Mg stężenie Mg jest zawarte w przedziale od 0,5 do ok. 13%. Stopy o małym stężeniu Mg wykazują dużą podatność na obróbkę plastyczną, a o dużym stężeniu - bardzo dobre własności odlewnicze. Stopy aluminium z Mg - oprócz siluminów - są najczęściej stosowanymi stopami odlewniczymi. Wykazują bowiem największą spośród stopów aluminium odporność na korozję i najmniejszą gęstość. Własności odlewnicze tych stopów są jednak gorsze niż siluminów.

Stopy aluminium z miedzią (duraluminium)

Duraluminium, dural, wieloskładnikowy stop aluminium, oraz: miedzi (2.0-4.9 %), magnezu (0.15-1.8 %), manganu (0.3-1.0 %) z domieszkami krzemu i żelaza, przeznaczony do obróbki plastycznej. Duraluminium charakteryzuje się dobrymi własnościami mechanicznymi przy stosunkowo małym ciężarze właściwym (2,8 g/cm³)

Przez wzgląd na bardzo dużą wytrzymałość duraluminium stosowany jest jako części maszyn, samochodów, motocykli, taboru kolejowego. Są to stopy niespawalne, ale także słabo odporne na korozję co sprawia iż produkowane z nich elementy najczęściej pokrywane są fabrycznie powłokami ochronnymi.

Znakowanie stali

Oznaczenie literowe	Oznaczenie cyfrowe
S - stale konstrukcyjne P - pracujące pod ciśnieniem L - na rury przewodowe E - stale maszynowe	Minimalna granica plastyczności [N/mm^2]
B - stale do zbrojenia betonu	Minimalna granica plastyczności [N/mm^2]
Y - stale do betonu sprężonego	Minimalna wytrzymałość na rozciąganie [N/mm^2]
R - stal na szyny lub w postaci szyn	Minimalna wytrzymałość na rozciąganie [N/mm^2]
H - wyroby płaskie walcowane na zimno ze stali o podwyższonej wytrzymałości do kształtowania na zimno	Minimalna granica plastyczności [N/mm^2]
T - wyroby płaskie walcowane na zimno ze stali o podwyższonej wytrzymałości do kształtowania na zimno	Minimalna wytrzymałość na rozciąganie [N/mm^2]
D - wyroby ze stali miękkich do kształtowania na zimno (poza tymi ze znakiem H)
M - stale elektrotechniczne	liczba odpowiadająca 100-krotnej maksymalnej stratności w W/kg

Znakowanie stali według składu chemicznego

Grupa stali	Składniki symbolu głównego znaku stali
Stale niestopowe (bez stali automatowych) o średnim stężeniu Mn <1%	C i liczba oznaczająca średnie stężenie węgla w stali w setnych częściach % (np. C35)
Stale niestopowe o średnim stężeniu Mn ≥1%, stale niestopowe automatowe i stale stopowe (bez szybkotnących) o stężeniu każdego pierwiastka stopowego <5%	liczba oznaczająca średnie stężenie węgla w stali w setnych częściach %, symbole chemiczne pierwiastków stopowych i na końcu liczby (rozdzielone kreskami), podające średnie stężenie głównych pierwiastków stopowych (w %) pomnożone przez odpowiedni współczynnik
Stale stopowe (bez szybkotnących) o stężeniu przynajmniej jednego pierwiastka stopowego <5%	X, liczba oznaczająca średnie stężenie węgla w stali w setnych częściach %, symbole chemiczne pierwiastków stopowych i na końcu liczby (rozdzielone kreskami), podające średnie stężenie głównych pierwiastków stopowych w % (np. X8CrNiMoAl5-7-2)
Stale szybkotnące	HS i liczby (rozdzielone kreskami), podające średnie stężenie (w %) pierwiastków w kolejności: W, Mo, V, Co (np. HS2-9-1-8)

Współczynnik do ustalania symboli liczbowych pierwiastków stopowych przy oznaczaniu stali stopowych (bez stali szybkotnących) o zawartości każdego pierwiastka stopowego <5%

Pierwiastek	Współczynnik
Cr, Co, Mn, Ni, Si, W	4
Al.,Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V,Zr	10
Ce, N, P, S,	100
B	1000

Literatura:

L. A. Dobrzański - „ Postawy nauki o materiałach i metaloznawstwo ”.

---