Metale i stopy

Stal:
Stany kwalifikacyjne stali:
- surowy
- R rekrystalizowany (o.p. na zimno + wyżarzanie rekrystalizujące)
- O odprężony (o.p. na zimno + wyżarzanie odprężające)
- J ujednorodniony (głównie stale stopowe 1000÷1200 - wyrównanie składu chemicznego)
- Pł (wyżarzanie przeciwpłytkowe)
- Sf sferoidyzowany (węgliki sferoidalne, wyżarzanie sferoidyzujące, odporność na pękanie, głównie stale nadeutektoidalne i stopowe)
- M zmiękczony (niska twardość )
- N normalizowany (30÷50 powyżej A₃÷A_cm, wyżarzanie normalizujące)
- H hartowany (przemiana alotropowa)
- O odpuszczony (utwardzony, hartowanie + niskie odpuszczanie)
- T ulepszony (hartowanie + wysokie odpuszczanie)
- P przesycony (stale austenityczne, brak przemiany alotropowej)
- S starzony
- D utwardzony wydzieleniowo/dyspersyjny
- V po regulowanym chłodzeniu po obróbce plastyczne

Podział stali PN-EN 10020:2002U:
- niestopowe:
a) jakościowe (zawartość S, P do 0,045%)
b) specjalne (zawartość S, P do 0,020%/0,035%)
- stopowe:
a) jakościowe (zawartość S, P do 0,035%):
1) konstrukcyjne
2) elektrotechniczne
b) specjalne:
1) narzędziowe
2) łożyskowe
3) szybkotnące
c) odporne na korozję:
1) nierdzewne
2) żaroodporne
3) żarowytrzymałe

Stale niestopowe jakościowe (PN: stale węglowe):
Oznaczenia:
- E maszynowe
- S konstrukcyjne (przykład: S235 R_e= 235MPa)
Spawalność – zdolność do tworzenia łącza spawanego o właściwościach identycznych lub zbliżonych do właściwości materiału łączonego. Podczas spawania problemem może być przemiana austenitu w martenzyt, co zwiększa kruchość stali, zatem stale spawalne muszą mieć niską hartowność (zawartość C do 0,24%).

Stale niestopowe specjalne (PN: stale konstrukcyjne):
Oznaczenia:
- przykłady: C8, C10, C15, C20
Właściwości:
- twardość około 100HB
- R_m=295÷410MPa
- A=35÷29%
- odporne na pękanie
- dobre do o.p. na zimno
- spawalne
- brak odporności na ścieranie
Nawęglanie – nasycanie dyfuzyjne wierzchniej warstwy (do około 1,5mm) stali węglem; wzrost odporności na ścieranie (zastosowanie przykładowe: koła zębate). Metody: proszkowa (regulacja temperatury i czasu), gazowa (regulacja potencjału węgla). Temperatura procesu: 900÷950. Czas trwania procesu: 4÷5h. O.c. po nawęglaniu: H + O niskie (około 160). Można hartować bezpośrednio z temperatury nawęglania. W przypadku uzyskania dużych ziaren po nawęglaniu stosuje się wyżarzanie normalizujące przed hartowaniem. Wadami warstwo nawęglanych są: przewęglenie (siatka cementytu II-rzędowego przy powierzchni) i nieprawidłowy profil stężenia (gwałtowna zmiana zawartości C w przekroju).
Stale średniowęglowe:
Przykłady: C25, C 30, C35, C40
Elementy w stanie normalizowanym (wyżarzanie normalizujące). Struktura ferrytyczno-perlityczna. R_m=450÷570MPa.
Stale do ulepszania cieplnego:
Przykłady: C45, C55 (najbardziej typowa), C60, C65
H (30÷50 powyżej A₃)/woda -> martenzyt -> O wysokie 500÷650 - > sorbit
H powierzchniowe: szybkie grzanie (na przykład płomieniowe przy skomplikowanych elementach, indukcyjne przy prostych kształtach). Przy hartowaniu indukcyjnym powstaje warstwa przejściowa między A₁÷A₃: austenityczno-ferrytyczna.
Odpuszczanie ma głównie na celu poprawę właściwości plastycznych.
Hartowanie bainityczne nie wymaga odpuszczania.
Stale niskowęglowe ferrytyczne:
Żelazo ARMCO (zbliżone do C8), zastosowanie ze względu na właściwości magnetyczne.
Stale dla kolejnictwa:
- stale na szyny
- stale na obręcze
Przykład: RO900
Stale dla kolejnictwa muszą być odporne na ścieranie, pękanie oraz zmęczenie. W tym celu zawartość C nie przekracza 0,65÷0,75%, a S, P do 0,04%. Podwyższona zawartość Mn do 1,5% zapewnia umocnienie roztworowe.
O. c.:
- normalizowanie
- hartowanie bez struktury martenzytycznej
Obręcze na koła kolejowe: dodatkowym parametrem jest zdolność do pracy w niskich temperaturach. Zawartość Mn 0,6÷0,9%; mikrododatki (najwięcej Ni, Cr do 0,3%, inne: V, Nb, Al); dyspersyjne wydzielenia na granicach, blokowanie rozrostu ziaren. O. c. H + O wysokie (580÷650) zapewnia odporność na pękanie.
Mikrododatki muszą występować, a domieszki nie.

Stale automatowe (o specjalnych właściwościach):
Przykład: 11MnS4
Stale te charakteryzuje dobra skrawalność i kruchy wiór. Są to stale nisko i średniowęglowe (zawartość węgla 0,1÷0,4%), stosuje się dodatek Mn do 1,2% w celu poprawy kruchości wióra. Zawartości S, P podwyższone (odpowiednio 0,3 i 0,11%). Ze stali automatowych wykonuje się elementy na części mniej odpowiedzialne. Dodatek Pb do 1÷2% nie tworzy roztworu stałego i faz międzymetalicznych, a zmniejsza tarcie; pod mikroskopem widoczne jako ciemne drobne kulki.

Stale stopowe:
Dodatki stopowe prowadzą do zmiany właściwości mechanicznych takich jak wytrzymałość, plastyczność, zmiana układu równowagi (temperatur i punktów). Zachodzą także zmiany właściwości fizycznych: magnetyzm, spadek przewodności cieplnej. Właściwości chemiczne (odporność korozyjna): dodatki Cr, Ni, Mo. Innym istotnym aspektem jest cena.

Stale stopowe jakościowe konstrukcyjne:
Mnożnik do dodatków stopowych:
4x Co, Cr, Mn, Ni, Si, W
10x Al., Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr
100x C, N, P, S
1000x B
Do nawęglania:
Przykłady: 18CrNi8-8, X2CrNiMo20-12-2
Twardość około 750HV
Do azotowania:
Przykłady: 38CrAlMo6-9, 38CrAlMo6-10
Twardość: 850÷1150HV
Grubość warstwy: 0,04÷0,4mm
Temperatura procesu: 500÷550
O. c. przeprowadza się przed azotowaniem
Innym procesem jest azotonawęglanie/węgloazotowanie.
Stale na łożyska toczne:
Przykłady: 100CrMnSi6-4, 100Cr6
Problemy: duże naciski jednostkowe, ścieranie, zmęczenie, zmienna siła – obciążenia udarowe.
Rozwiązanie: wysoka twardość, czystość stali (najwyższa czystość), drobnoziarnistość, brak karbów wewnętrznych strukturze, plastyczny rdzeń.
Oczywiście nie da się uzyskać wszystkich powyższych właściwości w jednej stali, często należy szukać kompromisów.
Skład chemiczny: 0,9÷1,1%C, do 0,03%S,P (w rzeczywistości znacznie mniej), około 1,5%Cr.
Pitting – zużycie łożysk związane ze zmęczeniowym zużyciem warstwy wierzchniej materiału przy pracy na smarowanym styku.
Stan wyjściowy: ujednorodniony
Stan dostawy: sferoidyzowany
H w oleju zapobiega powstawaniu naprężeń, temperatura 820÷360, struktura: martenzyt drobno lub skryto iglasty + cementyt sferoidalny + austenit szczątkowy.
O niskie w około 160, struktura: martenzyt odpuszczony + węgliki ε, spadek ilości austenitu szczątkowego, przy odpuszczaniu w temperaturze 200 zachodzi spadek twardości + jeszcze niej austenitu szczątkowego.
Długotrwałą praca łożyska może wiązać się z przemianą austenitu, a co za tym idzie zmianą wymiarów elementu.
Zastosowanie: kulki łożyskowe, wałeczki łożyskowe, pierścienie do łożysk.
Właściwości:
- twardość: >62HRC
- odporność na ścieranie i działanie zmiennych obciążeń
Bardzo rzadko stosuje się hartowanie bainityczne.
Stale specjalne:
Stale odporne na ścieranie:
Głównie odporne na ścieranie w suchym środowisku (bez smaru). Są to między innymi stale Hadfielda.
Skład chemiczny: 1,2÷1,4%C, 12÷14%Mn (dodatek austenitotwórczy), około 1%Si.
Przesycanie w około 1000 powoduje powstawanie austenitu metastabilnego i twardość około 220HB. Umocnienie odkształceniem powoduje wzrost twardości do około 500HB.
W stalach specjalnych dochodzi do umocnienia w trakcie eksploatacji (przemiana martenzytyczna w wyniku zgniotu).
Zastosowanie: płytki gąsienic pojazdów, elementy rozjazdów kolejowych.
Stale o specjalnych właściwościach mechanicznych:
Stale wysokowytrzymałe o dobrych właściwościach plastycznych, tak zwane maraging.
Skład chemiczny:
- niska zawartość: do 0,03%C, do 0,01%S, P, do 0,1%Mn, do 0,1%Si
- duża zawartość: do 18%Ni, do 20%Co, do 10%Mo, do 15%Cr, do 1,6%Ti, do 0,13%Al
Zastosowanie: elementy silników rakietowych, wały turbin gazowych, lufy dział szybkostrzelnych, ostrza do szermierczej broni sportowej, korby i wały napędowe samochodów.
Stale narzędziowe:
Stosowane tam gdzie występuje styk mechaniczny. Charakteryzują się wysoką czystością (do 0,025%S, P).
Wymogi: wysoka twardość, odporność na pękanie, odporność zmęczeniowa, odporność na działanie wysokich temperatur, odporność korozyjna.
Podział:
- niestopowe:
0,7÷1,3%C
do pracy na zimno, płytkohartujące
stan dostawy: sferoidyzowany
o. c.: H 790÷820/woda, O 180÷300, struktura: martenzyt + cementyt sferoidalny + austenit szczątkowy
twardość 54÷57HRC
1HRC=20HV – im wyżej tym większa różnica.
zastosowanie: narzędzia ślusarskie
- stopowe do pracy na zimno:
przykłady: X165Cr12, X195Cr12 (stale ledeburytyczne)
skład chemiczny: 0,4÷2,1%C, dodatki Cr, Mo, Mn
o. c.: H 800÷1000 (zależnie od ilości dodatków stopowych, im więcej tym wyższa temperatura)/woda (niskostopowe), olej (wysokostopowe), O 150÷450 (zależnie od ilości dodatków stopowych, im więcej tym wyższa temperatura)
twardość: 60÷64HRC
- stopowe do pracy na gorąco:
skład chemiczny: 0,3÷0,4%C, dodatki W, Mn, Cr, B
stan dostawy: sferoidyzowany głównie podeutektoidalny
o. c.: H 800÷1100/olej, O 400÷600 (zależnie od pracy, może być wyżej)
właściwości: odporność na pękanie, wytrzymałość zmęczeniowa, twardość do 57HRC
zastosowanie: narzędzia do obróbki plastycznej, do form odlewniczych
- szybkotnące (szybkoskrawające/HSS):
skład chemiczny: 0,7÷1,4%C, dodatki W, Mo, V, Cr, Co
stan wyjściowy: sferoidyzowany
o. c.: H 1140÷1270, O 550÷580, 2÷3x bezpośrednio po H (stabilizacja austenitu po czasie jest niewskazana)
właściwości: twardość: 64÷66HRC, wtórna twardość (po odpuszczaniu), dość znaczne umocnienie wydzieleniowe (martenzyt -> cementyt M₃C -> M₂C i MC (dyspersyjne) -> M₆C (koagulacyjne)), temperatura pracy do 500
Stale odporne na korozję:
Żaroodporność – odporność na działanie czynników chemicznych, głównie powietrza oraz spalin i agresywnych składników w temperaturze powyżej 550.
Żarowytrzymałość – odporność na odkształcenia w temperaturze powyżej 550.
Stale nierdzewne:
Przykłady struktur: ferrytyczne, martenzytyczne, austenityczne.
Skład chemiczny: do 0,4%C, powyżej 12÷13%Cr (obniżenie ubytku korozyjnego).
a) Stale ferrytyczne:
- przykłady: X2Cr13, X2CrNi12
- nie można wyżarzać ich normalizująco
- do 0,1%C
- odporne głównie na korozję chemiczną
b) Stale martenzytyczne (stale chirurgiczne):
- przykład: X46Cr13
- do 0,15%C
- 13÷14%Cr
- wyższe temperatury austenityzowania: 1000÷1050
- o. c.: H 1000÷1050/olej (struktura martenzytu), O 300÷400 (martenzyt odpuszczony), twardość do 58HRC – odporne na ścieranie
- zastosowanie: narzędzia chirurgiczne, noże kuchenne
c) Stale austenityczne:
- przykłady: X2CrNi18-10, X5CrNi18-10, X2CrNiMoTi26-20-2
- właściwości paramagnetyczne
- ryzyko korozji międzykrystalicznej z powodu występowania węglika chromu po granicach ziaren austenitu; zapobieganie: obniżenie zawartości C do 0,03%, dodatek pierwiastków węglikotwórczych (Ti,Nb), przesycanie 1050/woda, wyżarzanie 500÷800 (dyfuzja Cr – wyrównanie stężenia)
Stale kwasoodporne:
Zastosowanie: przemysł spożywczy, chemiczny, farmaceutyczny.

Staliwa i żeliwa (stopy odlewnicze Fe):
Porównanie właściwości odlewniczych i mechanicznych:

staliwa	właściwość	żeliwa
-	Temperatura	+
-	Lejność	+
-	Skurcz odlewniczy	+
+	Rm	-
+	KC (udarność)	-
-	o. s.	+
-	Tłumienie drgań	+
-	cena	+

Żeliwa:
- białe (cementyt metastabilny)
- szare (grafit stabilny), bardzo wolne studzenie, dodatki Si, Ni, P, C sprzyjają grafityzacji
Staliwa:
niestopowe do 0,25%C
ferryt Widmanstättena -> usuwanie poprzez wyżarzanie normalizujące

Stopy innych pierwiastków:
- Cu (temperatura topnienia czystego metalu: 1083)
- Al (temperatura topnienia czystego metalu: 660)
- Ti (temperatura topnienia czystego metalu: 1668)
- Sn (temperatura topnienia czystego metalu: 232)
- Pb (temperatura topnienia czystego metalu: 325)
- Mg (temperatura topnienia czystego metalu: 650)
- Zn (temperatura topnienia czystego metalu: 419)