Politechnika Łódzka Bielsko - Biała dn. 17.04.1998

Filia w Bielsku - Białej

Ćwiczenie nr 6

Temat: Stale węglowe zwykłej i wyższej jakości

Grupa II Semestr II

Rok akadem. `97/'98

Stopy żelaza z węglem - stale, staliwa i żeliwa - należą do najczęściej stosowanych materiałów konstrukcyjnych.

Stal - definiowana jako plastycznie i cieplnie obrabialny stop żelaza z węglem ( do około 2% ) oraz innymi pierwiastkami, otrzymany w procesach stalowniczych ze stanu ciekłego - jest w istocie stopem wieloskładnikowym. W procesie metalurgicznym poszczególne pierwiastki mogą być wprowadzone do stali przypadkowo - jako domieszki i zanieczyszczenia - lub celowo - jako dodatki stopowe.

Zawartość węgla jako głównego składnika warunkuje bezpośrednio własności użytkowe stali węglowych - wytrzymałość na rozciąganie, granicę plastyczności, wydłużenie, przewężenie, udarność, ścieralność, spawalność, hartowność itp.

Przy klasyfikacji produkowanych gatunków stali stosuje się zwykle następujące kryteria:

1. - Skład chemiczny:

• stale węglowe niestopowe ( maksymalne zawartości pierwiastków stopowych - domieszek w stalach podano w poniższej tabelce )

Pierwiastek	Mn	Si	Ni	Cr	W	Co	Cu	Mo	V	Ti	Al
Maksymalna zawartość wg PN, %....	0,8	0,4	0,3	0,3	0,2	0,2	0,2	0,05	0,05	0,05	0,1
Maksymalna zawartość Euronorm 20-60, %.....	0,5	0,5	0,3	0,3	0,2	0,2	0,4	0,05	0,05	-	0,3

2. podstawowe zastosowanie

• stale konstrukcyjne

• stale narzędziowe

• stale o szczególnych własnościach

3. Stopień czystości ( jakości ) określony maksymalną zawartością zanieczyszczeń fosforem i siarką:

• stale zwykłej jakości

• stale wyższej jakości

• stale najwyższej jakości

4. szczegółowe przeznaczenie - zgodnie z normami ISO

Struktura stali węglowych.

Struktura stali decyduje o jej właściwościach, co zależy przede wszystkim od zawartości węgla ( rys 1 ). Rozróżnia się strukturę pierwotną i wtórną. Struktury pierwotne powstają podczas krzepnięcia i mogą być ujawniane w badaniach makroskopowych przez wytrawianie zgładów odpowiednimi odczynnikami, jak również metodami mikroskopowymi. Wśród struktur pierwotnych można wyodrębnić m.in. struktury dendryczne, płatkowe i widmanstetenowskie. Wszelkie struktury cechuje na ogół gruboziarnistość.

Struktura wtórna powstaje po przekrystalizowaniu w wyniku przejścia fazy γ w α w czasie obróbki plastycznej na gorąco lub w wyniku obróbki cieplnej. Otrzymane ziarno jest na ogół drobniejsze o może być wykryte za pomocą badań mikroskopowych. Obróbka plastyczna oraz wpływ wtrąceń niemetalicznych i zanieczyszczeń inicjują w pewnych warunkach powstanie struktury pasmowej, w której są ułożone na przemian pasma ferrytu ( wokół wtrąceń ) i perlitu. W pewnych warunkach powstaje struktura wtórna widmanstetenowska o iglastym układzie ferrytu o perlitu, świadczą najczęściej o przegrzaniu stali. W określonych warunkach w stali powstają również struktury wtórne dendryczne i globulityczne.

Stale węglowe w zależności od zawartości węgla mają w stanie znormalizowanym następującą strukturę: ferrytu ( od ok. 0,05% C ), ferrytu z perlitem, perlitu z siarką ferrytu.

Znak stali	C	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	Cu	Al
St0S	0,23	1,30	0,40	0,070	0,065	-	-	-	-
St3SX St3SCuX	0,22	1,10	0,07	0,050	0,050	0,030	0,030	0,030	0,02
St3SY St3SCuY	0,22	1,10	0,15	0,050	0,050	0,030	0,030	0,030	0,02
St3S St3SCu	0,22	1,10	0,10-0,35	0,050	0,050	0,030	0,030	0,030	0,02
St3VX	0,20	1,20	0,07	0,045	0,045	0,030	0,030	0,030	-
St3VY	0,20	1,20	0,15	0,040	0,040	0,030	0,030	0,030	-
St3V	0,20	1,20	0,10-0,35	0,035	0,035	0,030	0,030	0,030	-
St3W	0,17	1,30	0,10-0,35	0,050	0,050	0,030	0,030	0,030	0,02
St4SX St4SCuX	0,24	1,10	0,07	0,050	0,050	0,030	0,030	0,030	-
St4SY St4SCuY	0,24	1,10	0,15	0,050	0,050	0,030	0,030	0,030	-
St4S St4SCu	0,24	1,10	0,10-0,35	0,045	0,045	0,030	0,030	0,030	-
St4VX	0,22	1,20	0,07	0,045	0,045	0,030	0,030	0,030	0,02
St4VY	0,22	1,20	0,15	0,045	0,045	0,030	0,030	0,030	0,02
St4V	0,22	1,20	0,10-0,35	0,045	0,045	0,030	0,030	0,030	0,02
St4W	0,20	1,30	0,07	0,040	0,040	0,030	0,030	0,030	0,02
St5	-	-	-	0,050	0,050	-	-	-	-
MSt5	0,26-0,37	0,80	0,35	0,050	0,050	-	-	-	-
St6	-	-	-	0,050	0,050	-	-	-	-
MSSt6	0,38-0,49	0,80	0,35	0,050	0,050	-	-	-	-
St7	-	-	-	0,050	0,050	-	-	-	-
MSt7	0,50-0,62	0,80	0,35	0,050	0,050	-	-	-	-

Stale węglowe konstrukcyjne można podzielić ogólnie, w zależności od zawartości zanieczyszczeń na trzy klasy:

• stale zwykłej jakości

• stale wyższej jakości

• stale o określonym przeznaczeniu

Stale węglowe konstrukcyjne zwykłej jakości ogólnego przeznaczenia ( PN-88/H-84020 ), są wytwarzane w

postaci walcowanych na gorąco lub w inny sposób.

W zależności od składu chemicznego i wymaganych własności mechanicznych rozróżnia się sześć podstawowych gatunków stali: St0S, St3S i St4S ( przeznaczone na konstrukcje spawane ) oraz St5, St6 i St7 - Litera S oznacza że stal jest spawalna.

W gatunkach St3S i St4S rozróżnia się odmiany :

• z ograniczoną zawartością węgla ( w oznaczeniu V zamiast S )

• z ograniczoną zawartością węgla oraz fosforu i siarki ( w oznaczeniu W zamiast S )

Gatunki St3S i St4S, a także ich odmiany V mogą być nieusponojone ( dotyczy ziaren ) , odmiany St5,6,7 są uspokojone.

Na końcu znaku stali nieuspokojonych wprowadza się symbol X, dla półuspokojonych - symbol Y

Znak gatunku stali St (5,6,7) w przypadku określonej dodatkowo zawartości węgla, manganu i krzemu uzupełnia się na początku Literą - M

Wpływ domieszek w stalach węglowych.

Proces metalurgiczny warunkuje obecność w stali pewnych pierwiastków, określonych jako domieszki. Wpływ domieszek na własności i zachowanie się podczas pracy stali węglowych można ogólnie scharakteryzować następująco:

MANGAN - występuje zarówno w ferrycie, jak i w cemencie, a stabilizując austenit polepsza hartowność oraz zwiększa wytrzymałość na rozciąganie i twardość. Oddziaływa korzystnie przez wiązanie siarki w siarczek manganu MnS o wyższej temperaturze topnienia niż siarczek żelaza FeS, co ułatwia obróbkę plastyczną. Niekorzystny wpływ manganu objawia się zwiększoną podatnością na przegrzewanie, to znaczy rozrostem ziaren w czasie wygrzewania stali.

KRZEM - rozpuszcza się w ferrycie, zwiększając wytrzymałość i twardość, a stosowany jako odtleniasz wpływa korzystnie na drobnoziarnistość stali. Niewielka zawartość krzemu w kąpieli stalowej oddziaływa dodatnio na własności stali lanej, sprzyja zmniejszeniu liczby pęcherzyków gazowych, powodując powstanie bardziej ścisłego odlewu. Poza tym krzem, sam nie ulegając segregacji, przeciwdziała segregacji takich składników, jak siarka czy fosfor.

Wpływ manganu i krzemu na własności stali węglowych staje się wyraźniejszy, gdy zawartość tych pierwiastków jako domieszek są bliskie górnych granic.

Występowanie w stalach węglowych innych domieszek ( Ni, Cr, Cu, Al., W, V, Mo, Co i Ti ) jest związane ze składem chemicznym przetapianego złomu stalowego. Powoduje to stały szkodliwy wzrost ilościowy niektórych domieszek w stalach węglowych; stąd powstaje konieczność ograniczania ich zawartości.

FOSFOR - rozpuszcza się w ferrycie i powiększa wytrzymałość stali przy równoczesnym zmniejszeniu wartości własności plastycznych. Rozpuszczalność fosforu w żelazie α zmniejsz się z obniżeniem temperatury; w wyniku czego stal staje się skłonna do starzenia. Stale z fosforem wykazują podwyższoną temperaturę przejścia w stan kruchości, skłonność do kruchości na niebiesko, a także do występowania segregacjiw i gruboziarnistości. Fosfor, zwłaszcza w obecności miedzi, polepsza odporność na korozję atmosferyczną. W stalach automatowych dodatek 0,1% fosforu polepsza skrawalność i do ok. 0,35% zwiększa odporność na ścieranie.

SIARKA - rozpuszcza się w żelazie w bardzo małych ilościach. W stali występuje w postaci siarczków manganu MnS o temperaturze topnienia 1620^oC lub siarczków Żelaza FeS, przechodzących w stan ciekły już poniżej 1000^oC. Najbardziej szkodliwe są siarczki niklu tworzące niskotopliwą eutektykę w temperaturze ok. 675^oC. Siarczki powodują tzw. Kruchość stali na gorąco, występują w dwóch zakresach temperatur:

• od 800 do 1000^oC, w którym siarczki rozmieszczone zazwyczaj na granicach ziarn (ew. łącznie z tlenkami ) powodują pogorszenie plastyczności.

• Powyżej 1200^oC, w którym siarczki przechodzą w stan ciekły, co objawia się utworzeniem warstwy cieczy na granicach ziarn.

Siarka wykazuje dużą skłonność do segregacji. Pogarsza również spawalność stali, a także wytrzymałość na zmęczenie i obciążenie dynamiczne. Natomiast siarka w ilości 0,15 - 0,4 % jest celowo wprowadzana do stali automatowych ferrytycznych oraz nierdzewnych ferrytycznych i austenitycznych dla polepszenia skrawalności.

Fosfor i Siarka są uważane w stali za zanieczyszczenia, a ich zawartość stanowi kryterium podziału stali na grupy jakości.

WODÓR I AZOT - jako pierwiastki tworzące roztwory międzywęzłowe w żelazie wywierają szczególnie szkodliwy wpływ na własności stali. Wpływ wodoru jest zdecydowanie ujemny. Rozpuszcza się on dość łatwo w całym zakresie temperatur, a zwłaszcza przy przejściu fazy α i γ oraz w stanie ciekłym. Zmniejsza radykalnie własności plastyczne i technologiczne oraz jest przyczyną występowania wielu wad materiałowych, takich jak np.: płatki śnieżne, odwęglenia, skłonność do tworzenia pęcherzy przy trawieniu oraz do powstania pasm o zwiększonej zawartości fosforu, utrudniających skrawanie itp.

Azot łatwo dyfunduje do stali po skrzepnięciu, zwłaszcza gdy jest doprowadzany w stanie atomowym. Ogólnie można przyjąć, że azot powoduje zwiększenie własności wytrzymałościowych i zmniejszenie plastyczności stali , co objawia się tzw. kruchością na niebiesko. Dalsze niekorzystne działanie przejawia się zwiększeniem skłonności stali do starzenia, powodowanym wydzieleniem azotków z przesyconego roztworu. Zjawisko to jest szczególnie niekorzystne w stalach zgniecionych, gdyż występuje już w temperaturze otoczenia. Azot jest stosowany coraz częściej jako korzystnie oddziaływujący dodatek stopowy w stalach specjalnych, w których stabilizuje austenit, zastępując kosztowny nikiel.

Tlen występuje w stali w postaci związanej, najczęściej tlenków FeO, SiO₂ i Al₂O₃. Tlen powoduje zmniejszenie wartości prawie wszystkich własności mechanicznych zarówno wytrzymałościowych, jak i plastycznych; prawidłowe prowadzenie procesu metalurgicznego przeciwdziała jego występowaniu w stali.

Stale węglowe wyższej jakości.

Stale węglowe wyższej jakości nadają się do wyrobu części maszyn i urządzeń. Stosuje się je w stanie normalizowanym, ulepszonym cieplnie, po hartowaniu powierzchniowym lub po nawęglaniu. Kontroluje się ich skład chemiczny i własności wytrzymałościowe.

Stale konstrukcyjne wyższej jakości różnią się od stali konstrukcyjnych zwykłej jakości staranniejszymi metodami wytwarzania, większym stopniem czystości i dokładniejszą kontrolą wyrobu; wykazują wyższe i bardziej jednolite własności.

Znakowanie stali wyższej jakości oparte jest na zawartości węgla: znak stanowi liczba dwucyfrowa określająca średnią zawartość węgla w setnych procentu. Stale o podwyższonej zawartości manganu oznacza się dodatkową literą G - mangan.

Skład chemiczny konstrukcyjnych stali węglowych wyższej jakości wg PN-75/H-84019 podano w poniższej tabeli.

Znak stali	C %	Mn %	Si %	Pmax %	Smax %	Crmax %	Nimax %	Cumax %	Inne
08X	0.05÷0.11	0.25÷0.50	max.0.04	0.040	0.040	0.15	0.25	0.25	-
08Y*)	0.05÷0.11	0.35÷0.65	max.0.12	0.040	0.040	0.15	0.25	0.25	- *)
08	0.05÷0.11	0.35÷0.65	0.17÷0.37	0.035	0.040	0.15	0.25	0.25	-
10X	0.07÷0,14	0.25÷0.50	max.0.04	0.040	0.040	0.20	0.30	0.30	-
10Y*)	0.07÷0,14	0.35÷0.65	max.0.17	0.040	0.040	0.20	0.30	0.30	- *)
10	0.07÷0,14	0.35÷0.65	0.17÷0.37	0.040	0.040	0.25	0.30	0.30	-
15X	0.12÷0.19	0.25÷0.50	max.0.07	0.040	0.040	0.30	0.30	0.30	-
15Y*)	0.12÷0.19	0.35÷0.65	max.0.17	0.040	0.040	0.30	0.30	0.30	- *)
15	0.12÷0.19	0.35÷0.65	0.17÷0.37	0.040	0.040	0.30	0.30	0.30	-
20Y*)	0.17÷0.24	0.35÷0.65	max.0.17	0.040	0.040	0.30	0.30	0.30	- *)
20	0.17÷0.24	0.35÷0.65	0.17÷0.37	0.040	0.040	0.30	0.30	0.30	-
25	0.22÷0.30	0.50÷0.80	0.17÷0.37	0.040	0.040	0.30	0.30	0.30	-
30	0.27÷0.35	0.50÷0.80	0.17÷0.37	0.040	0.040	0.30	0.30	0.30	-
35	0.32÷0.40	0.50÷0.80	0.17÷0.37	0.040	0.040	0.30	0.30	0.30	-
40	0.37÷0.45	0.50÷0.80	0.17÷0.37	0.040	0.040	0.30	0.30	0.30	-
45	0.42÷0.50	0.50÷0.80	0.17÷0.37	0.040	0.040	0.30	0.30	0.30	-
55	0.52÷0.60	0.50÷0.80	0.17÷0.37	0.040	0.040	0.30	0.30	0.30	-
60	0.57÷0.65	0.50÷0.80	0.17÷0.37	0.040	0.040	0.30	0.30	0.30	-
65	0.62÷0.70	0.50÷0.80	0.17÷0.37	0.040	0.040	0.30	0.30	0.30	-
15G	0.12÷0.19	0.70÷1.00	0.17÷0.37	0.040	0.040	0.30	0.30	0.30	-
20G	0.17÷0.24	0.70÷1.00	0.17÷0.37	0.040	0.040	0.30	0.30	0.30	-
45G	0.42÷0.50	0.70÷1.00	0.17÷0.37	0.040	0.040	0.30	0.30	0.30	-
50G	0.48÷0.56	0.70÷1.00	0.17÷0.37	0.040	0.040	0.30	0.30	0.30	-
60G	0.57÷0.65	0.70÷1.00	0.17÷0.37	0.040	0.040	0.30	0.30	0.30	-

*) Stale te mogą być uspokojone za pomocą Al. (Al. met. min 0.02%) lub innymi mikrododatkami (Ti lub V) w odpowiedniej zawartości. Ponadto we wszystkich stalach nie powinna być przekroczona zawartość molibdenu 0.10% i arsenu 0.08%.

W przypadku gdy zawartość fosforu i siarki jest niższa od wartości podanych w tabeli, wtedy stale te oznacza się dodatkowo literą A.

Własności wytrzymałościowe stali wyższej jakości podlegają sprawdzeniu po normalizowaniu (N) lub po ulepszaniu cieplnym (T). Udarność (tylko na życzenie odbiorcy) oznacza się na próbkach Mesnagera.

Ze stali 08X wyrabia się przeważnie blachy do tłoczenia na zimno. Stale 10, 15, 20,15G, i 20G są stosowane do nawęglania. Po prawidłowo przeprowadzonych zabiegach tej obróbki cieplno-chemicznej wykazują zwiększoną twardość w warstwach zewnętrznych przy zachowaniu ciągliwego rdzenia.

Stale o średniej zawartości węgla 25, 30, 35, 40, 45 są używane na części maszyn w stanie normalizowanym. Stale 55, 60, 65 stosuje się zazwyczaj na części maszyn o podwyższonej wytrzymałości oraz odporności na ścieranie, jak na przykład: koła zębate, ślimaki mimośrody i tym podobne. Stale te jak również stal 45, mogą być stosowane w stanie ulepszonym cieplnie, a także mogą być poddawane hartowaniu powierzchniowemu, co umożliwia uzyskanie powierzchniowej twardości rzędu 50 ÷ 62 HRC, Zależnie od zawartości węgla. Stale ze zwiększoną zawartością 0.7 ÷ 1.0% Mn, to jest stale 45G, 50G, 60G, mają nieco
większą hartowność i są hartowane w oleju. Stal 65 bywa także stosowana jako stal sprężynowa i na proste narzędzia ślusarskie.

Własności wytrzymałościowe stali wyższej jakości w stanie normalizowanym przedstawiono na poniższych rysunkach. Własności te ulegają poprawie po ulepszeniu cieplnym.

Stale nieuspokojone (08X, 10X i 15X) są dostarczane wówczas jako półuspokojone z zawartością maksymalną 0.12 ÷ 0.17% Si (08Y, 10Y, 15Y) i uspokojone (08, 10 i 15), zaś stal 20 jest wytwarzana jako półuspokojona (20Y) i uspokojona (20). Pozostałe stale wyższej jakości są produkowane jako uspokojone.

Do wglądu otrzymano 4 próbki. Dane o nich oraz rysunki przedstawiające obraz widziany w okularze mikroskopu przy powiększeniu 40X przedstawiono poniżej.

Stal 45

Materiał: Stal 45 wg PN-75/H-84019

Skład chemiczny:

C	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	Cu
0.47%	0.62%	0.21%	0.031%	0.036%	0.024%	0.022%	0.21%

Opis struktury: jasne ziarna - ferryt,

ciemne ziarna - perlit.

Trawiono odczynnikiem o składzie:

4ml kwasu azotowego HNO₃

96ml alkoholu etylowego C₂H₅OH

Stal 45

Materiał: Stal 45 wg PN-75/H-84019

Skład chemiczny:

C	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	Cu
0.47%	0.62%	0.21%	0.025%	0.022%	0.21%	0.24%	0.24%

Opis struktury: struktura Widmannstattena,

jasne ziarna - ferryt,

ciemne ziarna - perlit.

Trawiono odczynnikiem o składzie:

4ml kwasu azotowego HNO₃

96ml alkoholu etylowego C₂H₅OH

Stal 25

Materiał: Stal 25 wg PN-75/H-84019

Stan: Wyżarzona

Skład chemiczny:

C	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	Cu
0.26%	0.32%	0.28%	0.032%	0.036%	0.22%	0.24%	0.20%

Opis struktury: jasne ziarna - ferryt,

ciemne ziarna - perlit

Trawiono odczynnikiem o składzie:

4ml kwasu azotowego HNO₃

96ml alkoholu etylowego C₂H₅OH

Stal 10

Materiał: Stal 10 wg PN-75/H-84019

Stan: Nawęglona

Skład chemiczny:

C	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	Cu
0.12%	0.51%	0.28%	0.031%	0.038%	0.13%	0.21%	0.18%

Opis struktury: od powierzchni próbki warstwa nadeutektoidalna /siatka cementytu po granicach ziarn perlitu/,

głębiej warstwa eutektoidalna /perlit/ i podeutektoidalna /perlit + ferryt/, wewnątrz próbki struktura ferrytyczna z małą ilością perlitu.

Trawiono odczynnikiem o składzie:

4ml kwasu azotowego HNO₃

96ml alkoholu etylowego C₂H₅OH

Wnioski

Znając strukturę danej stali można zaoszczędzić na środkach związanych z produkcją danego surowca, a także można zapobiec niepotrzebnym wypadkom do których dochodzi przy zastosowaniu nieodpowiedniego surowca jaki jest właśnie stal.

---