Stale węglowe
Stal jest to stop żelaza z węglem o zawartości do 2% węgla. Domieszki zawsze występujące w stalach węglowych: Mn-0,8%, Si-0,4%, P-0,05%, S-0,05%. Dodatkowo stal węglowa może zawierać Cu, Cr, Ni oraz rozpuszczone gazy, jak wodór, tlen, azot.
Wpływ składników chemicznych na własności stali węglowych:
Węgiel: główny składnik stopowy stali węglowych, silnie wpływający na jej własności,
Mangan: podwyższa wytrzymałość stali, wpływa korzystnie na zgrzewalność, wiąże siarkę w siarczek manganu MnS zapobiegając w ten sposób powstawaniu szkodliwego siarczku żelaza FeS,
Krzem: powoduje korzystne obniżenie stężenia gazów, podnosi wytrzymałość stali, zwłaszcza granicę sprężystości, pogarszając jej zgrzewalność,
Fosfor: stanowi niekorzystną domieszkę, podwyższa wytrzymałość na rozciąganie i twardość, ale gwałtownie obniża własności plastyczne. Powoduje podwyższenie temperatury, przy której stal staje się krucha (kruchość na zimno). Maksymalna zawartość nie powinna przekraczać 0,05%.
Siarka: stanowi również niekorzystną domieszkę, występuje w postaci siarczków FeS topliwych już w temperaturach 1000 oC co powoduje do powstawania pęknięć i naderwań (kruchość na gorąco),
Tlen: powoduje kruchość stali na gorąco, zmniejszenie własności wytrzymałościowych,
Wodór: powoduje kruchość stali, powoduje powstawanie pęknięć wewnętrznych zwanych płatkami śniegowymi,
Azot: tworzy kruche i twarde azotki,
Miedź: korzystna z uwagi na zwiększenie odporności stali na korozję atmosferyczną
Występują też fazy o charakterze niemetalicznym, stanowiące przerwy w ciągłości osnowy metalicznej mające niekorzystny wpływ na własności mechaniczne (siarczki, tlenki, krzemiany).
Klasyfikacja stali węglowych
Opiera się na ich składzie chemicznym, stopniu czystości, przeznaczeniu i podstawowym zastosowaniu
Stal nieprzerabialna plastycznie w postaci odlewów nosi nazwę staliwa.
Ze względu na zawartość węgla można podzielić stale na:
niskowęglowe o zawartości węgla do 0,25%
średniowęglowe 0,25-0,6%
wysokowęglowe, powyżej 0,6%
Podział stali ze względu na ich jakość opiera się na maksymalnych dopuszczalnych zawartościach fosforu i siarki:
zwykła P 0,050% S 0,050%
wyższa P 0,040% S 0,040%
najwyższa P 0,030% S 0,030%
Ponadto na jakość stali wpływa jej: zwartość budowy, zawartość wtrąceń niemetalicznych, obecność wad wewnętrznych, nasycenie gazami, wielkość ziarna, staranność procesu wytapiania, sposób czyszczenia powierzchni wlewków, przeróbka plastyczna, obróbka cieplna oraz kontrola poszczególnych etapów procesu.
Przy doborze stali węglowej do określonego celu uwzględnia się nie tylko jakość stali ale również zawartość węgla decydującą o własnościach mechanicznych.
Stale węglowe konstrukcyjne zwykłej jakości:
Są najczęściej stosowanym materiałem do budowy maszyn i urządzeń, metalowych konstrukcji budowlanych, wyrobów powszechnego użytku. Dostarczane w postaci kęsów, prętów, kształtowników, odkuwek, blach grubych kutych lub walcowanych na gorąco, taśm, rur itp.
Stale węglowe konstrukcyjne zwykłej jakości ogólnego przeznaczenia obejmują 7 podstawowych gatunków stali: St0S, St2S, St3S, St4S, St5, St6 St7 (rys 5-10D). Stale grupy St0S do St4S mogą zawierać 0,25-0,40% Cu w celu polepszenia ich odporności na korozję atmosferyczną. Stale węglowe konstrukcyjne zwykłej jakości te nie podlegają obróbce cieplnej.
Oznaczenia:
X - stal nieuspokojona
Y - stal półuspokojona
U - stale o wymaganej udarności w temperaturze normalnej
J - stale o wymaganej udarności po starzeniu
M - o wymaganej udarności przy temperaturze - 20oC
Stale węglowe konstrukcyjne wyższej jakości:
Różnią się one od stali konstrukcyjnych zwykłej jakości większą czystością, wykazują lepsze i bardziej jednolite własności wytrzymałościowe, które podlegają kontroli, podobnie jak skład chemiczny. Oznaczone są symbolami 08, 10, 15 do 65, które odpowiadają średniej zawartości węgla w stali.
Wykonuje się z nich części maszyn, które obrabia się cieplnie:
stale niskowęglowe (10, 15, 20) podlegają nawęglaniu,
średnio i wysokowęglowe (25 do 65) ulepsza się cieplnie lub normalizuje.
Ze względu na małą hartowność stali węglowych, ulepszanie cieplne stosuje się do elementów o małych przekrojach (do 40 mm).
Oznaczenia:
G - stal o podwyższonej zawartości manganu
T - stan ulepszony cieplnie
N - stan znormalizowany
UT - stal z wymaganą udarnością w stanie ulepszonym cieplnie
Stale o określonym przeznaczeniu:
Skład chemiczny oraz własności i zastosowania są określone szczegółowymi normami. Np. można wyróżnić:
stale do wyrobów drutów na sprężyny (DS75, DS65G0)
do wyrobu drutów na konstrukcje sprężone (DB80, DB92)
na rury kotłowe (K10, K18)
do pracy w podwyższonej temperaturze (St36K, St44K)
Stale automatowe:
Są to stale o szczególnej podatności do obróbki wiórowej przeznaczone do obróbki mechanicznej na obrabiarkach-automatach. Warunki obróbki wymagają kruchego wióra nie tworzącego długich zwojów. Powierzchnia obrobiona powinna być gładka i błyszcząca. Są to stale o obniżonej zawartości węgla o podwyższonej zawartości fosforu (do 0,15%0 i siarki (do 0,35%). Siarka w postaci siarczków powoduje przerwy w ciągłości osnowy metalicznej. Fosfor powoduje korzystną kruchość stali. W celu przeciwdziałania kruchości na gorąco (siarczki) podwyższa się zawartość manganu. Poprzez obniżenie wytrzymałości nadają się na przedmioty mniej odpowiedzialne, masowego wyrobu, takie które nie przenoszą dużych obciążeń zmiennych lub uderzeń. Dostarcza się je najczęściej kalibrowane na określone wymiary co znacznie skraca czas obróbki mechanicznej.
Staliwa węglowe:
Element konstrukcyjny maszyn, stosowany w postaci gotowych odlewów. Otrzymuje się je w drodze odlewania stali do form, gdzie krzepnąc uzyskuje właściwy kształt użytkowy. Poddaje je się obróbce cieplnej zapewniającej jednorodny skład chemiczny, usunięcie gruboziarnistości i naprężeń odlewniczych. Głównie jest to wyżarzanie ujednoradniające lub normalizujące. Można je również hartować i obrabiać cieplno-chemicznie. Cechują się dobrą spawalnością. Występują cztery grupy staliwa węglowego konstrukcyjnego:
grupa I - zwykłej jakości
grupa II - wyższej jakości
grupa III - najwyższej jakości
grupa IV - o specjalnych własnościach, do maszyn elektrycznych
Staliwo zwykłej jakości podlega odbiorowi na podstawie: wytrzymałości na rozciąganie, granicy plastyczności, wydłużenia i twardości.
Staliwo wyższej jakości podlega odbiorowi na podstawie: wytrzymałości na rozciąganie, granicy plastyczności, wydłużenia, twardości, przewężenia, udarności i składu chemicznego.
Żeliwa węglowe:
Żeliwa albo surówki są to stopy żelaza z węglem o zawartości węgla 2÷4,5%. Surówka jest bezpośrednim produktem wielkiego pieca, a przetopiona po raz wtóry ze złomem żeliwnym lub stalowym i dodatkami nosi nazwę żeliwa.
Należy do materiałów najpowszechniej stosowanych w budowie maszyn z powodu niskiego kosztu wyrobu, niskiej temperatury topnienia, dobrych własności wytrzymałościowych oraz dobrej skrawalności. Węgiel może występować w żeliwie w postaci grafitu albo cementytu (węglik żelaza Fe3C). W zależności od postaci występowania węgla i zabarwienia przełomu rozróżniamy:
żeliwo szare (grafit)
żeliwo białe (cementyt)
żeliwo połowiczne (cementyt i grafit)
Formy występowania grafitu w żeliwie:
grafit płatkowy, mający kształt żyłek lub pasemek i występuje w zwykłym żeliwie szarym
grafit sferoidalny o kształcie kulistym, występujący w żeliwie sferoidalnym
grafit kłaczkowy o kształcie zwartym, występujący w żeliwie ciągliwym
Wpływ grafitu na własności żeliw:
działa jako karb wewnętrzny stanowiąc nieciągłości w metalu
zmniejsz skurcz odlewniczy
polepsza skrawalność
zwiększa własności ślizgowe
sprzyja tłumieniu drgań
zwiększa wytrzymałość zmęczeniową
Najlepsze własności ma żeliwo o małej ilości grafitu rozmieszczonego równomiernie w postaci drobnych odosobnionych wtrąceń, gdzie osłabienie osnowy metalicznej występuje najsłabiej. Najgorsze własności mechaniczne ma żeliwo zawierające grafit w postaci dużych płatków, które stykając się ze sobą tworzą zwarty szkielet.
Żeliwo szare węglowe można podzielić na trzy grupy:
żeliwo szare zwykłe: charakteryzujące się niską wytrzymałością, dobrą skrawalnością oraz małą odpornością na zużycie ścierne.
żeliwo modyfikowane: żeliwo o podwyższonych własnościach wytrzymałościowych uzyskanych na drodze modyfikacji. Polega ona na wprowadzeniu do żeliwa przed odlewaniem niewielkiej ilości sproszkowanego modyfikatora (0,1÷0,5%), najczęściej żelazo-krzemu, wapno-krzemu lub aluminium. Modyfikator powoduje rozdrobnienie struktury i wytworzenie jednorodnej struktury odlewu w ten sposób, że wytwarza się drobny, równomiernie rozłożony grafit płatkowy. Modyfikowanie podwyższa znacznie własności mechaniczne, zwłaszcza odporność na ścieranie, zwiększa wytrzymałość na rozciąganie (do 600 MPa), zwiększa odporność na korozję, zmniejsza „rośnięcie” żeliwa w podwyższonych temperaturach. Nie zmienia własności plastycznych, które jak żeliwa szarego są nikłe.
żeliwo sferoidalne: żeliwo w którym grafit występuje w postaci sferoidalnych skupień , a nie płatków. Sferoidyzację grafitu uzyskuje się poprzez wprowadzenie przed odlewaniem do ciekłego żeliwa magnezu i jego stopów. Posiada bardzo dobre własności wytrzymałościowe, jak i plastyczne. Dzięki swoim dobrym własnościom oraz cenie znajduje coraz szersze zastosowanie, zastępując w budowie maszyn żeliwo stopowe, żeliwo ciągliwe, staliwo, stopy metali nieżelaznych. Wykonuje się z niego min. wały korbowe, koła zębate, walce, pierścienie tłokowe, rury, części aparatury.
Żeliwo białe i połowiczne:
Ze względu na bardzo dużą kruchość i złą skrawalność nie znalazły bezpośredniego zastosowania. Stanowią półprodukt do wytwarzania żeliw ciągliwych.
Żeliwo ciągliwe:
Otrzymuje się je poprzez długotrwałe wyżarzanie odlewów z żeliwa białego. Następuje rozkład cementytu na grafit (węgiel żarzenia) i żelazo. Węgla żarzenia występuje w postaci kłaczkowatych skupień. W tej postaci grafitu osnowa metaliczna jest mniej poprzerywana, niż w przypadku grafity płatkowego. Otrzymany materiał charakteryzuje się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi i wykazuje dobrą, w porównaniu z innymi żeliwami plastycznością. W zależności od parametrów procesu technologicznego otrzymuje się żeliwo ciągliwe białe, czarne i perlityczne. Żeliwo ciągliwe znajduje zastosowanie przy wytwarzaniu części w przemyśle górniczym, samochodowym, ciągnikowym, rolniczym.
Żeliwo utwardzone:
Wykonuje się z niego elementy, które muszą mieć wysoką odporność na ścieranie. Można tutaj wymienić bębny młynów, walce hutnicze, części maszyn do przeróbki kamieni itp. Żeliwo takie posiada warstwę powierzchniową z żeliwa białego o dużej twardości i odporności na ścieranie, natomiast rdzeń jest żeliwem szarym. Warstwą przejściową jest żeliwo połowiczne.
Żeliwa nie tracą swoich własności do momentu jak temperatura pracy nie przekroczy 400oC, powyżej której następuje tzw. rośnięcie żeliwa. Powyżej tej temperatury, zwłaszcza przy cyklicznie powtarzającym się nagrzewaniu i chłodzeniu osnowa metaliczna ulega rozluźnieniu co powoduje, że żeliwa stają się miękkie i kruche oraz zwiększają swoją objętość. Spowodowane jest to rozkładem cementytu a wynikłe stąd miejscowe zmiany objętości powodują powstanie drobnych pęknięć.
Żeliwo stopowe:
W celu podwyższenia odporności żeliwa na działanie czynników atmosferycznych, chemikaliów i wysokich temperatur stosuje się dodatki stopowe, jak krzem, nikiel, chrom, aluminium i molibden. Skład chemiczny jest dobierany tak, aby nie zmienić niekorzystnie ich struktury. Do otrzymanych w ten sposób żeliw można zaliczyć np.:
Silal charakteryzujący się dużą żaroodpornością i niewielkim rośnięciem, lecz bardzo dużą kruchością. Wykonuje się z niego części piecowe pracujące w temperaturze do
930 oC.
Nicrosilal używany na części maszyn i pieców znajdujące się w temperaturze 600÷800 oC
Niresist charakteryzujące się dużą odpornością na korozję i wysoką temperaturę. Ma zastosowanie min. w przemyśle chemicznym, naftowym, papierniczym oraz lotniczym.
Odporność na działanie czynników chemicznych nie jest uniwersalna i zależy od składu i warunków pracy. Na przykład żeliwo krzemowe jest odporne na kwas azotowy, fosforowy, octowy, siarkowy a ulega korozji w kwasie solnym i ługach.
1
1