Stale stopowe
Celem wprowadzania dodatków stopowych do stali jest
uzyskanie pożądanych właściwości.
- Zwiększenie hartowności
- Umocnienie stali (roztworowe lub cząstkami wydzieleń twardych faz)
- Wzrost odporności na korozję
Najczęściej stosowane dodatki stopowe:
Mn, Cr, Si, Ni, W, Mo, V
oraz Al, Co, Cu, Ti, Nb
Pierwiastki stopowe mogą wpływać na;
" położenie punktów krytycznych w układzie Fe- Fe3C
" położenie temperatury Ms (obniżają za wyjątkiem Al i Co)
" hartowność (podwyższają za wyjątkiem Al i Co)
" zmianę wykresów CTPi
Wpływ pierwiastków stopowych na zmianę wykresów CTPi
Stale konstrukcyjne niskostopowe
Stale używane na konstrukcje o wymaganej granicy plastyczności (Re),
odporności na pękanie (udarność U ) oraz dobrej spawalności.
Skład chemiczny:
- niska zawartość węgla (poniżej 0,2 %)
- zwiększona zawartość manganu (do 2%)
- obecność mikrododatków (Nb, V, Ti, Cu, Al) powodujących rozdrobnienie ziarna i
nadanie innych wymaganych właściwości jak podwyższenie odporności na korozję.
Struktura: ferrytyczno-perlityczna o drobnym ziarnie
Stale stopowe konstrukcyjne-na części maszyn
Stosowane do wytwarzania elementów maszyn i urządzeń
narażonych na działanie dużych naprężeń.
Wymagania:
- wysoka wytrzymałość (Re: 600-1000MPa)
- odporność na pękanie,
- odporność na zmęczenie
- dobra i powtarzalna hartowność
- dobra skrawalność
Właściwości te uzyskuje za pomocą dodatków stopowych i
obróbki cieplnej lub cieplno-chemicznej
ZawierajÄ… min. 0,25% C, oraz Cr, Mn, Ni, Mo, Si
Stanowią podstawowy materiał konstrukcyjny w przemyśle maszynowym
Stale stopowe konstrukcyjne obejmujÄ… grupy stali:
- Stale do ulepszania cieplnego:
ZawierajÄ… zwykle 0,20-0,6%C, Cr, Mn, Mo, Ni
Przykłady :
Wg PN-EN: 41Cr4, 42CrMo4, 36CrNiMo6
- Stale do nawęglania
Zawierają poniżej 0,25% C i zwykle 1-2%Cr. Dodatki stopowe zapewniają
wymagane właściwości wytrzymałościowe rdzenia i zmniejszenie naprężeń
hartowniczych.
Przykłady: PN-EN: 17Cr3, 18CrMo3, 16MnCr5, 18CrNiMo7-6
- Stale do azotowania
Stal do ulepszania cieplnego z dodatkami zwiększającymi twardość warstwy
azotowanej
Przykład: PN-EN: 41CrAlMo7-10
- Stale sprężynowe.
Stale przeznaczone do wyrobu sprężyn, resorów, drążków skrętnych itp.
powinny się cechować:
" możliwie wysoką granicą sprężystości,
" dobrą wytrzymałością zmęczeniową.
Obróbka ich polega na hartowaniu od temp. 800 850°C w oleju lub wodzie i
odpuszczaniu w zakresie temp. 400-500°C, tak aby ich twardość wynosiÅ‚a
35-45 HRC
Przykłady:
PN-EN: 46Si7, 56Si7, 56SiCr7, 51CrV4
Stale do pracy w podwyższonych temperaturach
W urządzeniach energetycznych i aparaturze chemicznej stosuje się stale, które muszą
wykazywać: odporność na odksztaÅ‚cenia plastyczne (peÅ‚zanie) do temp. ok. 600°C.
Ze stali takich wyrabia się np. rury kotłowe, armatury kotłów i turbin itp..
Są to stale niskowęglowe zawierające dodatek chromu i molibdenu. Stosuje się je w
stanie normalizowanym, lub ulepszanym cieplnie.
Przykłady:
PN-EN: P280GH, P305GH,
16Mo3, 15CrMo4-5, 14MoV6-3, X16CrMo5-1
PN: K10, K18,
16M, 15HM, 14MF, 16H5M
W temperaturach pracy powyżej 600oC należy stosować wysokostopowe stale
specjalne
Stale niestopowe i niskostopowe
niskowęglowe średniowęglowe wysokowęglowe
węglowe węglowe
węglowe
mikro- i niskostopowe niskostopowe niskostopowe
%C
konstrukcyjne maszynowe sprężynowe
twardość
narzędziowe
C15
C45 C90
S335
42CrMo4 56SiCr7
P275
36CrNiMo6 140Cr6
65NiCrMoV7
Spawalne stale,
Obróbka cieplna
Obróbka cieplna
drobnoziarniste
Stale wysokostopowe (o szczególnych właściwościach)
Stale odporne na korozjÄ™
- stale nierdzewne (chromowe)
- stale kwasoodporne (austenityczne)
- stale żaroodporne i żarowytrzymałe
Stale odporne na ścieranie
Stale narzędziowe
Stale odporne na korozjÄ™
Stale nierdzewne (chromowe):
Zawartość Cr > 13% powoduje skokowy wzrost odporności na korozję. Stale tego
typu tworzÄ… pasywnÄ… warstwÄ™ chroniÄ…cÄ… przed dalszym utlenianiem.
Skład chemiczny: 13%, lub 17%Cr, 0,08  0,4%C
Struktura: ferryt, powyżej 0,2%C martenzyt odpuszczony + węgliki
Przykłady: X30Cr13, X6Cr17, X20CrNi17-2
Zastosowania: elementy konstrukcyjne, śruby,
narzędzia chirurgiczne, sztućce, łożyska toczne
Właściwości: odporność na działanie wody,
pary wodnej, rozcieńczonych kwasów i
soli (za wyjątkiem chlorków), ropy naftowej,
paliw, środków spożywczych.
Stale kwasoodporne (chromowo-niklowe)
Skład chemiczny: min18% Cr, min 8% Ni, <0,1% C (0,03%C), Ti, Nb
Struktura:
austenityczna, która zapewnia wysoką odporność na korozję elektrochemiczną.
Obróbka cieplna: przesycanie
Przykłady: X8CrNi18-9, X6CrNiTi18-10
Zastosowania:
przemysł spożywczy, chemiczny,
petrochemiczny, zastosowania ozdobne
Właściwości:
odporność na działanie kwasów,
związków azotu, agresywnych środków
spożywczych
Stale żaroodporne i żarowytrzymałe
Żaroodporność: odporność na korozję wysokotemperaturową (utlenianie) w
temperaturze ponad 600oC. Stale żaroodporne powinny posiadać strukturę
jednorodnego ferrytu, lub austenitu o dużej zawartości Cr i Ni, oraz Si i Al
Żarowytrzymałość: odporność na odkształcenia (zachowanie wysokich
właściwości wytrzymałościowych) w temperaturze powyżej 600oC. Zależy głównie
od odporności na pełzanie.
Stale żarowytrzymałe powinny posiadać strukturę ferrytyczną lub austenityczną o
dużych ziarnach z drobnymi wydzieleniami, głównie na granicach.
Przykłady:
X12CrMo5 - żaroodporna, ferrytyczno-perlityczna
X10CrAlSi18 - żarowytrzymała, ferrytyczna
X8CrNi 23-13 - żarowytrzymała, austenityczna
temperatury pracy stali żarowytrzymałych: do 800oC
Zastosowania:
elementy pieców, transportery, rury przegrzewaczy, wymienniki ciepła .
Stale zaworowe
to grupa stali żarowytrzymałych, odporna na korozję w atmosferze spalin do
około 750oC, stosowana na zawory w silnikach spalinowych.
Dodatki stopowe: Cr, Si, oraz Ni, W, Mo
Struktura: - martenzyt wysokoodpuszczony (sorbit)
- austenit z węglikami i fazami m-m .
Przykłady :
- X45CrSi9-3 ( Rz/1000/600 = 250 MPa),
- X53CrMnNiNbN21-9-4 ( Rz/1000/650 = 510 MPa)
Przykład zastosowania:
zawory wylotowe tłokowych silników spalinowych
Stale odporne na ścieranie
Stale te znajdują zastosowanie na elementy narażone na ścieranie przy dużych
naciskach powierzchniowych
Przykład:
stal (staliwo) Hadfielda:
PN-EN: X110Mn12 (GX110Mn12 )
Struktura:
Austenit - po szybkim chłodzeniu (przesycaniu), który łatwo umacnia się pod
wpływem zgniotu; do stosowania
Ferrytyczna z wydzieleniami cementytu - po powolnym chłodzeniu; do obróbki
Zastosowanie: gąsienice do ciągników, rozjazdy kolejowe, kasy pancerne,
elementy mielące w młynach kulowych itp.
Stale stopowe narzędziowe
Stale narzędziowe są przeznaczone do wyrobu narzędzi służących do obróbki
różnych materiałów drogą skrawania lub obróbki plastycznej oraz narzędzi
pomiarowych i sprawdzianów.
Wymagania: duża twardość, odporność na ścieranie także w podwyższonych
temperaturach, ciągliwość (w warunkach obciążeń dynamicznych).
Dodatki stopowe: chrom, wolfram, molibden, wanad, kobalt
Dodatki te w trakcie odpuszczania wywołują twardość wtórną.
Stale narzędziowe stopowe dzielimy na:
-stale do pracy na zimno, ( do 250°C)
-stale do pracy na gorÄ…co, (do ok.600°C)
-stale szybkotnÄ…ce.
Przykłady:
X165Cr12, X60CrMoV5-1
Stale szybkotnÄ…ce
Stale szybkotnące stosuje się do skrawania materiałów z dużymi
prÄ™dkoÅ›ciami. MogÄ… one pracować bez utraty twardoÅ›ci w temp. 550-600°C.
Ich wysoka odporność na odpuszczanie jest wynikiem składu chemicznego
tych stali oraz obróbki cieplnej, w której wykorzystuje się zjawisko wtórnego
utwardzania. Twardość ok. 64- 66 HRC
Skład chemiczny: ilość pierwiastków stopowych dochodzi do 30%.
Zawierają 0,8-1,4% C, W (do 19%), Cr, V, a także Mo i Co
Przykłady:
Wg PN-EN: HS18-0-1, HS12-1-5-5
Wg PN: SW18, SW7M
Stopy metali
żelazne
nieżelazne
Al
stale Cu
żeliwa
Ni
Ti
Szare
Węglowe
Mg
Niskostopowe Wysokostopowe
(niestopowe)
Sn
Modyfikowane
Zn
wysoko
&
odporne na
Sferoidalne
wytrzymałe stale
nisko-
korozjÄ™
niskostopowe
CiÄ…gliwe
średnio-
trudnościeralne
stale łożyskowe
Białe
wysoko-
narzędziowe
<5% dodatków
węglowe
Stopowe
stopowych
>5% dodatków
stopowych
Stopy metali nieżelaznych
Aluminium
Właściwości:
- niski ciężar właściwy (2,7g/cm3),
- temperatura topnienia 660oC
- niski moduł Younga (ok. 1/3EFe)
- właściwości wytrzymałościowe: Rm H" 40 MPa , HB H" 15
- dobra przewodność cieplna i elektryczna
- odporność na korozję atmosferyczną na skutek tworzenia się na
powierzchni Al cienkiej i ściśle przylegającej warstewki Al2O3
Zastosowania:
elektrotechnika, opakowania, AGD, elementy pracujÄ…ce w niskich temperaturach
Podstawowe rodzaje stopów aluminium
Al-Mn
Al-Si
Al-Cu
Odlewnicze stopy aluminium :
Siluminy (Al - Si ):
- podeutektyczne ( 4 ÷ 10% Si ) ,
- eutektyczne ( 10 ÷ 13% Si ) ,
- nadeutektyczne ( 17 ÷ 30% Si )
Właściwości
- wysokie właściwości wytrzymałościowe, RmE" 200 MPa
- dobra odporność na korozję,
- mały współczynnik rozszerzalności cieplnej,
- niska temperatura odlewania ( 680 ÷ 780oC ),
- niskie własności plastyczne
Zastosowanie: na odlewane elementy maszyn, tłoki i głowice silników
spalinowych, części lotnicze i samochodowe, itp
Stopy aluminium do przeróbki plastycznej
Durale miedziowe (Al-Cu):
Stopy podlegające obróbce cieplnej: przesycania (500oC) i starzenia (170 -200oC)
Wykazują wysokie właściwości wytrzymałościowe (Re02 H" 340 MPa),
lecz niską odporność na korozję.
Inne stopy aluminium
" z magnezem - dobra odporność na korozję, lekkie
" z cynkiem - najwyższe właściwości wytrzymałościowe, (Re 02 H" 500 MPa) lecz
niska odporność na korozję
" z manganem - dobra odporność na korozję
" wieloskładnikowe
Przykłady zastosowań : lotnictwo, przemysł samochodowy, zbiorniki,
elementy dekoracyjne, przemysł spożywczy, części pracujące do 300oC itp.
Recykling: Al posiada bardzo wysoki wskaz
nik recyklingu (ok. 30% produkcji Al pochodzi z
ponownego przetworzenia
Miedz

Właściwości:
- bardzo dobra przewodność elektryczna i cieplna,
- odporność na korozję
- właściwości wytrzymałościowe RmH"220 MPa,
ReH"70 MPa, HB H" 30
- plastyczność
- temperatura topnienia 1083oC
Zanieczyszczenia, składniki stopowe i zgniot
obniżają przewodność miedzi (dopuszczalna
ilość zanieczyszczeń w Cu dla celów
elektrotechnicznych wynosi 0,10%)
Przykłady zastosowania: elektrotechnika, elektronika ,
produkcja stopów, odlewy itp. .
Stopy miedzi
" MosiÄ…dze (Cu-Zn):
odlewnicze i do obróbki plastycznej,
Stosowane na części armatury gazowej, hydraulicznej i budowlanej, drobną
galanteriÄ™ itp.
" BrÄ…zy:
- cynowe, Cu-Sn
- aluminiowe, Cu-Al
- berylowe (nie iskrzÄ…), Cu-Be
- manganowe, Cu-Mn
- krzemowe, Cu-Si
Posiadają wysokie właściwości wytrzymałościowe (Rm 200 do 700 MPa)
Materiały odlewnicze i do obróbki plastycznej stosowane na części maszyn,
armaturę narażoną na korozję, panewki łożysk ślizgowych, itp
" Miedzionikle (Cu-Ni):
stosowane na stopy oporowe
Stopy łożyskowe
Stopy cyny i ołowiu stosowane na panewki łożysk ślizgowych
Stopy metali trudnotopliwych: W, Mo, Nb, Hf, Ta
stosowane sÄ… w zastosowaniach specjalnych - w warunkach
szczególnie korozyjnych, w reaktorach jądrowych.
W większości są nieodporne na utlenianie w wysokich
temperaturach.
Stopy innych metali: Ti, Mg, Zn...
Stopy Ti (Ti6Al4V)
Właściwości:
- niska gęstość 4,5g/cm3
- moduł sprężystości E=127GPa
- możliwa poprawa właściwości wytrzymałościowych przez obróbkę cieplną
- wysoka odporność na korozję
- biokompatybilność
Zastosowania:
Elementy samolotów i statków kosmicznych, statków pojazdów mechanicznych,
Aparatura chemiczna, instalacje do odsalania wody morskiej
Sprzęt sportowy (kije golfowe0, obudowy laptopów, telefonów, zegarki, biżuteria
Endoprotezy, implanty zębowe
Żarowytrzymałe stopy metali
Stopy na odpowiedzialne elementy obciążone, pracujące w wysokich temperaturach
jak Å‚opatki, wirniki, dysze w turbinach parowych i silnikach odrzutowych
" Nadstopy Fe (zawierające ponad 50% dodatków stopowych)
- Fe-Cr-Ni
- Fe-Cr-Ni-Co
" Stopy Ni: Nimonic, Inconel
" Stopy Co: stellity, Vitallium
Temperatura pracy stopów żarowytrzymałych: do 1000oC
Dalsze podniesienie żarowytrzymałości stopów uzyskuje
siÄ™ przez:
" krystalizację kierunkową stopów eutektycznych
" otrzymywanie elementów monokrystalicznych
" nakładanie powłok żaroodpornych na powierzchnię
materiałów