Badania mikroskopowe stali niestopowych

Stosowane w praktyce stale węglowe nie są czystymi stopami żelaza z wę­glem, lecz zawierają pewne ilaści dodatków, uwarunkowanych względami technologicznymi (np. mangan, krzem, aluminium), które są wprowadzane w celu lepszego odtlenienia lub odsiarczenia stali. Inne pierwiastki jak S, P, O, H, N pozostają w stali w nieznacznych ilościach, gdyż ich całkowite usunięcie byłoby bardzo kosztowne i nieopłacalneStale węglowe dzieli się na 3 grupy: niskowęglowe (poniżej 0,25°/o C), średniowęglowe (0,25-0,6% C) i wysokowęglowe (powyżej 0,6% C).

Wpływ domieszek na własności stali węglowych

Siarka przedostaje się do stali z rud lub paliwa. Normalna zawartość siarki wynosi poniżej 0,05%, a w stalach o wysokiej jakości w granicach 0,02-0,03%. Z układu równowagi Fe-S wynika (rys. 2), że nie rozpuszcza się ona w żelazie, natomiast tworzy siarczek żelazawy FeS, który wcho­dzi w skład eutektyki o temperaturze topnienia znacznie niższej niż że­laza (988°C). Ponieważ eutektyka ta wydziela się głównie na granicach ziaren austenitu, powoduje ona osłabienie stali w temperaturze czerwonego żaru (powyżej 800°C) i uniemożliwia jej obróbkę plastyczną na gorąco.

Zjawisko to nazywane jest kruchością na gorąco. W celu zmniejszenia szkodliwego działania siarki wprowadza się do stali mangan w ilości do 0,7 %, który ma większe powinowactwo do siarki niż żelazo, tworząc siar­czek manganawy według reakcji FeS + Mn → MnS + Fe

Siarczek ten ma znacznie wyższą temperaturę topnienia (1620°C), nie wydziela się w postaci siatki po granicach ziaren, a w zakresie temperatur obróbki plastycznej stali (800-1200°C) jest plastyczny. W wyniku ob­róbki plastycznej siarczki manganu wydłużają się przybierając postać pas­mową, co jest źródłem tzw. włóknistej struktury i anizotropii własności.

Fosfor dostaje się do stali, podobnie jak siarka, z rudy. W procesie bessemerowskim otrzymywania stali fosfor nie był usuwany i jego zawar­tość była dość duża (0,07-0,12% P). Przy użyciu pieców zasadowych można jego obecność zmniejszyć do 0,02%. Zwykle zawartość fosforu w stalach wynosi ok. 0,05%, a w stalach o wysokiej jakości 0,02-

0,03%. Niekiedy celowo wprowadza się większe ilości fosforu w celu zwiększenia kruchości wióra w stalach automatowych i polepszenia skra­walności.

Z wykresu równowagi Fe-P (rys. 3.) wynika, że fosfor rozpuszcza się w żelazie do 2,8%, natomiast przy większej zawartości tworzy związek Fe₃P (fosforek żelaza), który jest składnikiem eutektyki występującej w żeliwach. Fosfor rozpuszczony w ferrycie silnie go utwardza, a jedno­cześnie zmniejsza jego plastyczność, wywołując zjawisko kruchości na zimno. Podwyższa przejściową temperaturę kruchości, poniżej której stal traci gwałtownie udarność. Ze względu na znaczną rozpiętość między li­kwidusem i solidusem fosfor wykazuje silną skłonność do segregacji.

Gazy (O₂, N₂, H₂). Tlen jest składnikiem bardzo szkodliwym, gdyż jego obecność w ilości ponad 0,003% silnie zmniejsza plastyczność żelaza. Rozpuszczalność tlenu w stanie stałym jest bardzo mała (poniżej 0,01%) i dlatego występuje on głównie w postaci tlenków. Obecność tlenków że­laza jest niepożądana, gdyż pogarszają one znacznie plastyczność stali. Stal odtlenia się wprowadzając pierwiastki o większym powinowactwie do tle­nu, takie jak Si, Mn, Al. Stąd obecność w stalach oprócz manganu do 0,3% Si i 0,1% Al. Tlenki krzemu, manganu i aluminium wypływają czę­ściowo do żużla; te które pozostają w stali są kruche (np. Al₂O₂) i w wy­niku obróbki plastycznej wyciągają się w łańcuszkowate pasma złożone z drobnych cząstek. Obniżają one własności mechaniczne stali, a zwłaszcza bardzo ujemnie wpływają na wytrzymałość zmęczeniową.

Azot rozpuszcza się w Fe-α do ok. 0,1% w temp. 590°C, jednak przy chłodzeniu jego rozpuszczalność maleje i w temp, 200°C wynosi zaledwie kilka tysięcznych procentu, Nadmiar azotu może wydzielać się w postaci azotków żelaza Fe₈N lub Fe₄N. Obecność azotu w stali powoduje wystę­powanie wyraźnej granicy plastyczności i starzenia po zgniocie na skutek skupiania się atomów azotu wokół dyslokacji. Jest to szczególnie szkodliwe w stalach do głębokiego tłoczenia i spawania.

Szczególnie dużo azotu (do 0,014%) zawierają stale wytwarzane w kon­wertorach Bessemera, a najmniej w konwertorach tlenowych (do 0,003%). Wprowadzenie do stali aluminium jest powodem tworzenia się azotków aluminium AIN, które hamują rozrost ziaren oraz zapobiegają tworzeniu się atmosfer Cottrella.

Wodór w stali jest bardzo szkodliwy. Rozpuszcza się w postaci ato­mowej, a ze względu na duży współczynnik dyfuzji może szybko dyfun­dować w głąb stali. Już bardzo nieznaczna jego zawartość (1-2 ppm) powoduje zmniejszenie ciągliwości stali. Większa zawartość może spowo­dować powstawanie tzw. płatków (flokenów), które stanowią pęknięcia o wymiarach od kilku do kilkunastu mm. Szczególnie wrażliwe na pęka­nie wodorowe są stale o wyższej zawartości węgla i stopowe mające duże przekroje. Pęknięciom można zapobiegać przez powolne chłodzenie stali poniżej temp. 300°C. Normalna zawartość wodoru w stali wynosi 2-8 ppm, przy czym w wyniku długotrwałego leżenia znaczna część wodoru może się ze stali ulatniać. W celu zmniejszenia zawartości wodoru w stali na­leży unikać wprowadzania wilgoci w procesie wytapiania i odlewania. Intensywne świeżenie obniża nie tylko zawartość wodoru, ale również in­nych szkodliwych gazów. Dalszą drogą do zmniejszenia ilości gazów w sta­li jest przedmuchiwanie argonem i stosowanie metalurgii próżniowej.

Podział stali według metod ich wytapiania i odtleniania

Obecnie więk­szość stali jest otrzymywana w konwertorach tlenowych, natomiast pro­ces martenowski jest w zaniku.

Stale o wysokiej jakości wytwarza się w piecach elektrycznych luko­wych lub indukcyjnych, gdyż można w nich osiągnąć najwyższy stopień oczyszczenia ze szkodliwych domieszek. Dodatkowe oczyszczanie, zwłaszcza z gazów, można uzyskać przez stosowanie metalurgii próżniowej.

Do stali o najniższej jakości należą stale wytapiane w konwertorach powietrznych. Na przykład stal bessemerowska zawiera dużo siarki, fo­sforu oraz tlenu i azotu, gdyż fosforu i siarki nie można usunąć w kwaś­nym konwertorze, a tlen i azot dostają się do stali przy świeżeniu. Stale te są mało plastyczne, mają dużo wtrąceń, są skłonne do starzenia i nie nadają się do spawania. Stal thomasowska różni się od bessemerowskiej mniejszą zawartością fosforu. Zaletą tych stali jest niski koszt wytwa­rzania.

W stosowanych obecnie konwertorach tlenowych można otrzymać stal o własnościach stali martenowskich. Wadą procesu jest konieczność dyspo­nowania ciekłą surówką.

Stale martenowskie mogą być kwaśne - lepiej odtlenione, ale zawie­rające zwiększaną ilość siarki i fosforu lub zasadowe - gorzej odtlenione, ale mające mniej siarki, a zwłaszcza fosforu. Stale martenowskie zawie­rają mniej azotu niż bessemerowskie lub thomasowskie, a więc są mniej skłonne do starzenia i nadają się do spawania. Zawierają również mniej wtrąceń niemetalicznych.

W zależności od s p o s o b u o d t 1 e n i e n i a stale dzieli się na: uspokojone, półuspokojone i nieuspokojone.

Stale uspokojone zawierają dodatki pierwiastków o dużym powino­wactwie do tlenu (mangan, krzem, aluminium) w takich ilościach, aby nastąpiło dalsze odtlenianie ciekłej stali, a nie zachodziła reakcja odtle­niania drogą utleniania węgla we wlewnicy. W stalach takich nie wy­dziela się w czasie krystalizacji wlewków tlenek węgla, co powoduje skłonność do tworzenia się jamy skurczowej i zmniejsza uzysk stali.

W celu zwiększenia uzysku wytwarza się stale półuspokojone lub nie­uspokojone. W stalach półuspokojonych wstępne odtlenianie kąpieli prze­prowadza się mniejszą ilością odtleniaczy, w wyniku czego we wlewnicy następuje częściowe odtlenianie węglem rozpuszczonym w kąpieli. Wy­dzielający się tlenek węgla tworzy pęcherze gazowe, które kompensują częściowo skurcz przy krzepnięciu. Stale te zawierają jednak więcej tlenu niż uspokojone.

W stalach nieuspokojonych ilość pierwiastków odtleniających jest mi­nimalna. Powoduje to intensywne odtlenienie we wlewnicy drogą reakcji węgla z tlenem rozpuszczonym w żelazie i powstanie dużej ilości pę­cherzy gazowych. Uzysk w tych stalach jest największy, ale zawierają one najwięcej tlenu. Pęcherze gazowe, jeśli zalegają blisko pod powierzchnią stali i zostaną utlenione podczas nagrzewania, mogą utrudnić obróbkę

plastyczną stali. Pęcherze nie utlenione ulegają zgrzaniu przy zastosowaniu dużego stopnia obróbki plastycznej. Stale nieuspokojone ze względu na ­niższą jakość są stosowane na wyroby o niezbyt wysokich wymaganiach.

Podział stali według przeznaczenia - zasady znakowania

Zastosowanie stali jest uwarunkowane jej własnościami i jakością. Włas­ności zależą z kolei od zawartości węgla i domieszek, a więc od sposobu wytwarzania stali. Stąd w podziale według zastosowania będą uwzględ­nione poprzednio omówione czynniki. Podział stali węglowych według z a s t o s o w a n i a jest przeprowadzony zgodnie z Polską Normą, która rozróżnia dwie grupy stali:

a) konstrukcyjne - zawierają do ok. 0,7% C,

b) narzędziowe (ujęte w normie PN-84/H-85020) - zawierają 0,65 - 1,4% C.

Stale konstrukcyjne dzielimy z kolei na:

a) stale zwykłej jakości ogólnego przeznaczenia (ujęte w PN-88/H­-84020),

b) stale niestopowe do utwardzania powierzchniowego i ulepszania cieplnego (ujęte w PN-93/H-84019).

Do grupy stali zwykłej jakości wchodzi sześć gatunków podstawo­wych różniących się zawartością węgla i domieszek oraz własnościami me­chanicznymi i sposobem odtleniania. Znak tych stali składa się z liter St i liczb porządkowych od 0 do 7 (bez 1 i 2), które oznaczają zakres wytrzy­małości lub składu chemicznego, oraz litery podającej dodatkowe informa­cje umieszczonej na końcu znaku.

Gatunki St0, St3 i St4 są przeznaczone na konstrukcje spawane (a znaczone literą S). Gatunki St3 i St4 mogą być wytwarzane w różnych odmianach, np. z ograniczaną zawartością węgla, siarki i fosforu - ozna­czone literą V, lub W (w zależności od stopnia ograniczenia).

Gatunki St0 - St4 mogą być produkowane jako nieuspokojone (X), półuspokojone (Y), uspokojone lub specjalnie uspokojone (drobnoziarniste). Gatunki St5 - St7 są dostarczane jako uspokojone. Stale z dodatkiem mie­dzi ok. 0,3% oznacza się dodatkowo symbolem Cu.

Gatunki St3S i St4S mogą być zamawiane jako stale o wymaganej udarności w temperaturze normalnej (oznaczone literą U) i w temp. -20°C (oznaczone literą M). Gdy udarność jest wymagana po starzeniu - są oznaczone literą J. Jeżeli udarność ma być badana na próbkach Charpy V w temp. 0°C, to stal oznacza się literą C, a w temp. -20°C - literą D.

Stale niestopowe do utwardzania powierzchniowego i ulepszania cieplnego są w zasadzie przeznaczone do obróbki cieplnej: nawęglania lub ulep­szania i w związku z tym muszą mieć zagwarantowany określony skład chemiczny i własności mechaniczne zgodnie z podanymi w tabl. 1 i 2. Stale te cechuje niższa zawartość P i S, nie przekraczająca 0,04%. Ozna­cza się je liczbą dwucyfrową, która określa średnią zawartość węgla w setnych procentu. Na końcu symbolu może być dodana litera G - przy podwyższonej zawartości Mn, A - o obniżonej zawartości P i S, AA ­o zaostrzonych wymaganiach w zakresie składu chemicznego i inne.

Węglowe stale konstrukcyjne mogą być wytwarzane do specjalnego przeznaczenia. W ostatnich latach stosuje się tzw. kontrolowane walco­wanie, które pozwala na otrzymanie stali umocnionej zgniotem (rekry­stalizacja nie zachodzi do końca). Stale takie mają większą wytrzyma­łość.

Do głębokiego tłoczenia są stosowane stale o szczególnie małej zawar­tości węgla (C większa lub równa 0,08%) i obniżonej zawartości P i S. Może to być stal nieuspokojona, półuspokojona lub uspokojona z dodatkiem Al w celu zapobieżenia występowaniu zjawiska starzenia po zgniocie.

Do stali konstrukcyjnych należy również zaliczyć stale automatowe, przeznaczone do toczenia na automatach przy wytwarzaniu masowych ele­mentów, jak śrub, wkrętów, sworzni. Polepszenie skrawalności uzyskuje się przez wytworzenie kruchego wióra, drogą zwiększenia w stali zawar­tości P i S. W normie PN-73/H-84026 przewidziane są m.in, dwie stale A10 i A12 o zawartości P do 0,15% i S do 0,20%. Stale te znakuje się literą A umieszczoną na początku symbolu. Polepszenie skrawalności moż­na również uzyskać przez wprowadzenie do stali 0,1 - 0,2°/o Pb lub spo­wodowanie rozrostu ziarna.

Stale narzędziowe tworzą drugą grupę stali węglowych o zawartości C > 0,7%, chociaż granica ta nie jest ścisła. Wspólną cechą stali narzę­dziowych jest wysoka twardość, mała ciągliwość i duża odporność na ścieranie. Należy pamiętać, że węglowe stale narzędziowe, chociaż bar­dzo twarde w temperaturze pokojowej (po hartowaniu i niskim odpuszcze­niu HRC > 60), to jednak nawet po nieznacznym podgrzaniu szybko stają się miękkie i nie nadają się do dalszego użytku.

Dlatego stale węglowe stosuje się na narzędzia, które pracują „na zimno", tzn. w temperaturze pokojowej i nie nagrzewają się w czasie pracy powyżej 200°C. Należy tu wymienić narzędzia pomiarowe, gwin­towniki, przecinaki, przebijaki, narzędzia do obróbki drewna, papieru, skó­ry itp.

1

---