Stale stopowe i ich obróbka cieplna
Stal stopowa to stal do której wprowadzono pierwiastki w celu poprawienia jej własności.
Dodatki stopowe wprowadzane są do stali w celu:
spowodowania określonych zmian strukturalnych,
zwiększenia własności wytrzymałościowych i polepszenia niektórych własności chemicz. lub fizycznych,
zwiększenia hartowności,
polepszenia efektywności i ułatwienia obróbki cieplnej.
Pierwiastki: Co, Mn, Ni, zwane austenitotwórczymi, w stopach żelaza powodują rozszerzenie obszaru występowania roztworu stałego γ.
Pierwiastki zwane ferrytotwórczymi,np. Cr, V, Al, Si, Ti, Mo, W, ograniczają w stopach zelaza występowanie roztworu stałego γ.
Stale konstrukcyjne
Stale konstrukcjne stopowe są stosowane w budownictwie oraz w budowie maszyn i urządzeń pracujących w zakresie temperatury od ok. 25 do 300°C, w środowiskach o niewielkim działaniu korozyjnym. Kryterium doboru stali stanowią najczęściej podstawowe własności mechaniczne. W przypadku obciążeń statycznych, kryterium stanowi granica plastyczności Re lub granica sprężystości Rsp – gdy niedopuszczalne jest odkształcenie plastyczne konstrukcji. W przypadku obciążeń zmęczeniowych jako kryterium przyjmuje się granicę zmęczenia Zg.
Własności stali konstrukcyjnych stopowych zależą od stężenia węgla i pierwiastków stopowych. Główne znaczenie polega na polepszeniu hartowności stanowiącej podstawowe kryterium doboru tych stali. Uzyskanie struktury martenzytycznej zapewnia zwiększenie własności mechanicznych. Pierwiastki Cr, V, Mo, W, zwiększają także twardość i odporność na ścieranie, przeciwdziałają kruchości odpuszczania (Mo, W) oraz powodują polepszenie wielu innych własności technologicznych i użytkowych stali. W celu uzyskania najkorzystniejszych własności stale konstrukcyjne stopowe należy stosować w stanie obrobionym cieplnie lub po innych procesach technologicznych
Stale spawalne
Większość elementów konstrukcyjnych stosowanych do budowy m.in. konstrukcji przemysłowych, mostów, do zbrojenia betonu, na rury do rurociągów, jest łączona przez spawanie lub zgrzewanie. Elementy tych konstrukcji, o ile wymaga się od nich większej wytrzymałości niż uzyskiwana przez stale konstrukcyjne węglowe, wykonuje się z niskostopowych stali konstrukcyjnych spawalnych o podwyższonej wytrzymałości. Stale te powinny charakteryzować się dobrą spawalnością, dużymi wartościami wytrzymałości Rm, granicy plastyczności Re oraz niską temperaturą przejścia w stan kruchy. Wymagane własności tych stali zapewnia odpowiedni dobór składu chemicznego, a także technologia wytapiania, obróbki plastycznej i obróbki cieplnej.
Przykładowe stale: 09G2, 18G2A, 18G2ACu, 18G2AV.
Stale do nawęglania
Stale do nawęglania cechuje dobra skrawalność, odporność na przegrzanie, mała skłonność do odkształceń podczas obróbki cieplnej, hartowność dostosowana do przekroju, obciążeń i cech geometrycznych wykonanych z nich elementów konstrukcyjnych oraz wysokie własności wytrzymałościowe nawęglonej powierzchni i duża ciągliwość rdzenia. Stale stopowe do nawęglania charakterzują się małym stężeniem C, nie przekraczającym 0,25% i zwykle dodatkiem 1–2% Cr. W zależności od gatunku zawierają także Mn, Ni, Mo,niekiedy V, W lub Ti. Dodatki Cr, Mn i Ni w stalach tej grupy zwiększają hartowność, zapewniają wymagane własności wytrzymałościowe rdzenia, a także zmniejszają naprężenia hartownicze w warstwie nawęglonej
Stale do azotowania
Niektóre elementy konstrukcyjne, takie jak np. korbowody, wały korbowe, koła zębate, tuleje, cylindry powinny się cechować b. twardą i odporną na ścieranie warstwą wierzchnią w części współpracującej z innymi elementami oraz rdzeniem o dużej wytrzymałości przy możliwie dużej ciągliwości. Własności takie zapewniają stale konstrukcyjne stopowe do azotowania poddane ulepszaniu cieplnemu, a następnie azotowaniu. Stale te mają najczęściej dodatki Cr, Mo oraz Al, chociaż podane wymagania spełniają także w mniejszym stopniu średniowęglowe stale chromowe i chromowo-molibdenowe z dodatkiem V lub Ti. Obróbka cieplna części maszyn przeznaczonych do azotowania polega na hartowaniu i wysokim odpuszczaniu, po którym następuje szlifowanie wykończające powierzchni przewidzianych do nasycenia azotem i samo azotowanie w temperaturze niższej od temperatury uprzedniego odpuszczania. Przykładowe stale: 38HMJ, 33H3MF, 25H3M.
Stale do ulepszania cieplnego
Stale konstrukcyjne do ulepszania cieplnego mają średnie stężenie węgla ok. 0,25-0,5% oraz dodatki stopowe do nadania stali określonej hartowności. Większość tych stali jest niskostopowa do 3%, ale mogą mieć do 5%. Głównym dodatkiem stopowym w stalach konstrukcyjnych do ulepszania cieplnego jest chrom. Zwiększając hartowność i opóźniając przemiany martenzytu podczas odpuszczania, chrom zapewnia stalom dużą wytrzymałość i ciągliwość. Stale chromowe są stosowane na silnie obciążone wały, osie, korbowody, przekładnie zębate, śruby i inne części maszyn o niedużych przekrojach.
Nikiel również bardzo intensywnie zwiększa hartowność stali konstrukcyjnych do ulepszania cieplnego, obniżając jednocześnie temperaturę przejścia w stan kruchy i zwiększając ciągliwość.
Założone własności elementów konstrukcyjnych ze stali do ulepszania cieplnego uzyskuje się po obróbce cieplnej polegającej na hartowaniu i wysokim odpuszczaniu. Temperatura odpuszczania mieści się w zakresie 500-650° i może być tym wyższa, im większe jest w stali stężenie węgla i pierwiastków węglikotwórczych. Podwyższenie temperatury odpuszczania stali o określonym składzie chemicznym powoduje zmniejszenie własności wytrzymałościowych i zwiększenie własności plastycznych .Po ulepszaniu cieplnym strukturę stali stanowi martenzyt wysokoodpuszczony.
Przykładowe stale: 30G2, 38HA, 35HGS, 40HM, 45HN2A, 34HNM.
Stale sprężynowe
Materiał stosowany na elementy sprężyste powinien cechować się b. dobrymi własnościami sprężystymi, tzn. wysoką granicą sprężystości Rsp oraz dużą wartością stosunków tej wielkości do granicy plastyczności Re i wytrzymałości na rozciąganie Rm. Pożądana jest duża wytrzymałość na zmęczenie przy ograniczonych wymaganiach dotyczących własności plastycznych. Stale sprężynowe zawierają ok. 0,5-07% C, od którego przede wszystkim zależą własności wytrzymałościowe i granica sprężystości. Podstawowym pierwiastkiem stopowym w tych stalach jest Si, najintensywniej zwiększający Rsp, Re i Rm.
Stale chromowo-wanadowe stosuje się na najsilniej obciążone sprężyny, w tym także o dużych przekrojach. Sprężyny ze stali chromowo-wanadowych, a także ze stali chromowo-krzemowych mogą pracować w temperaturze do ok. 300°C, natomiast z pozostałych – w temperaturze nie przekraczającej 150°C.
Obróbka cieplna sprężyn i resorów polega na austenityzowaniu w temperaturze 800-870°C i hartowaniu w oleju lub wodzie zależnie od gatunku zastosowanej stali, a następnie średnim odpuszczaniu w temperaturze 380-520°C. Po takiej obróbce cieplnej sprężyny mają strukturę martenzytu odpuszczonego o wymaganych własnościach mechanicznych. Przykład stali: 45S, 50S2, 65G, 50HF.
Stale na łożyska toczne
Stale konstrukcyjne stosowane do wytwarzania elementów łożysk tocznych powinny cechować się b. dużą twardością, jednorodnością struktury, wysokim stopniem czystości oraz hartownością. Stale te w stanie obrobionym cieplnie są odporne na ścieranie, wykazują dużą wytrzymałość zmęczeniową i statyczną oraz odpowiednią ciągliwość. Dużą twardość i odporność na ścieranie zapewnia stalom łożyskowym węgiel o stężeniu ok. 1%. Wymaganą hartowność stale te osiągają dzięki dodatkowi ok. 1,5 % Cr. W przypadku dużych wymiarów elementów łożysk są stosowane stale, które oprócz Cr zawierają Si i Mn, zapewniające większą hartowność.
Łożyska toczne są wytwrzane, a więc i obrabiane cieplnie, w specjalistycznych zakładach produkcyjnych. Wytwarza się je z półwyrobów hutniczych wyżarzonych zmiękczająco, o jednorodnej strukturze drobnoziarnistego sferoidalnego cementytu w ferrytycznej osnowie. Elementy łożysk tocznych hartuje się z temperatury 820-840°C w oleju, po czym odpuszcza w temperaturze 180°C przez 1-2 h. Po takiej obróbce cieplnej stale łożyskowe mają strukturę niskoodpuszczonego martenzytu drobnolistwowego z równomiernie rozmieszczonymi drobnymi ziarnami cementytu stopowego i wykazują twardość przekraczającą 62 HRC. Przykładowe stale: ŁH15, ŁH15SG.
Stale niestopowe narzędziowe
Stale narzędziowe niestopowe wysokowęglowe znalazły zastosowanie na proste narzędzia tnące do drewna, papieru i tworzyw sztucznych, takie jak pilniki i proste narzędzia rolnicze – np. kosy lub zęby bron. Stale o mniejszym stężeniu węgla są stosowane na proste narzędzia tnące, np. piły, dłuta oraz narzędzia pracujące udarowo, jak młotki, przecinaki i cechowniki. Stale wysokowęglowe, po odpowiedniej obróbce cieplnej, charakteryzują się głównie dużą twardością, a stale o niższym stężeniu węgla – nieco większą ciągliwością. Stale narzędziowe niestopowe cechują się ponadto małą hartownością i małą skłonnością do rozrostu ziarna austenitu. Są produkowane jako głęboko lub płytko hartujące się. Stale płytko hartujące się są stosowane na narzędzia o średnicy mniejszej od 20 mm, a głęboko hartujące się – na narzędzia grubsze.
W celu uzyskania wymaganych własności stale narzędziowe niestopowe poddaje się hartowaniu i odpuszczaniu w temperaturze 180-300°C z wygrzaniem przez 2 h. Temperatura odpuszczania jest dobierana w zależności od wymaganej twardości i ciągliwości narzędzia i zwykle nie przekracza 200°C. Podwyższanie temperatury odpuszczania powoduje szybkie zmniejszanie twardości i odporności na ścieranie stali niestopowych. Przykłady stal: N9E, N11E (płytko), N9, N11 (głęboko).
Stale narzędziowe stopowe szybkotnące
Stale szybkotnące są stosowane głównie na wieloostrzowe narzędzia skrawające, często narzędzia wykrojnikowe, a także na narzędzia do obróbki plastycznej na zimno i gorąco. Stale te wykazują dużą twardość i odporność na ścieranie w temperaturze do ok. 600°C.
Przykładowe stale: sw18, sk5.
Stale narzędziowe stopowe do pracy na gorąco
Stale narzędziowe stopowe do pracy na gorąco są stosowane na narzędzia pracujące w zakresie temperatury 250-700°C. Skład chemiczny tych stali oraz ich obróbka cieplna zapewniają wysoką wytrzymałość, twardość i odporność na ścieranie w wysokiej temperaturze pracy. W stalach tych stężenie węgla jest ograiczone do ok. 0,3-06%. Wynika to z konieczności zapewnienia tym stalom wymaganej odporności na zmęczenie cieplne i obciążenia dynamiczne. Głównymi pierwiastkami stopowymi są Cr, W, Mo i V, powodujące efekt twardości wtórnej podczas odpuszczania. Przykładowe stale: WCL, WWV, WNLV.
Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno
Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno są stosowane na narzędzia nie osiągające w czasie pracy temperatury wyższej niż 200°C. Stale stopowe do pracy na zimno w porównaniu ze stalami narzędziowymi niestopowymi wykazują podwyższoną hartowność, powodowaną głównie zwiększonym stężeniem Mn, Cr, a w niektórych gatunkach – także W, V i Ni. Powierzchnia narzędzi wykonywanych ze stali narzędziowych do pracy na zimno w czasie obróbki cieplnej powinna być zabezpieczona przed utlenianiem i odwęglaniem. Przykłady stali: NC4, NCV1, NC11, NZ2.
Stale żaroodporne
Żaroodporność to odporność stopu na działanie czynników chemicznych, głównie powietrza oraz spalin i ich agresywnych składników w temperaturze wyższej niż 600°
Żaroodporność jest ściśle związana ze skłonnością stali do tworzenia zgorzeliny. Zgorzelina powinna stanowić ciągłą warstwę, dokładnie przylegającą do metalicznego rdzenia, co utrudnia dyfuzję utleniacza i jonów metalu. Wymagania te spełniają niskowęglowe stale o jednofazowej strukturze ferrytu lub austenitu, o dużym stężeniu chromu i niklu oraz dodatkowo krzemu i aluminium.
Przykłady stali: H6S2, 2H17.
Stale żarowytrzymałe
Żarowytrzymałością jest nazywana odporność stopu na odkształcenia, z czym wiąże się zdolność do wytrzymywania obciążeń mechanicznych w wysokiej temperaturze – powyżej 600°C. Żarowytrzymałość w temperaturze wyższej od 600°C jest uzależniona głównie od odporności na pełzanie.
Przykłady stali: H18N9S, H23N18
Stale zaworowe
Szczególną grupę stali żarowytrzymałych, używanych na zawory w slnikach spalinowych, stanowią stale zaworowe. Charakteryzują się one dużą odpornością na korozję w atmosferze spalin, w temperaturze do ok. 750°C. Odporność tę zapewniają główne dodatki Si i Cr, stąd nazwa tych stali – silchromy. Dużą twardość i odporność na ścieranie zapewnia im stosunkowo duże stężenie węgla – 0,4-0,6%. Ponieważ stale o strukturze austenitycznej wykazują większą wytrzymałość w wysokiej temperaturze, niż stale o strukturze perlitycznej, niektóre gatunki mają duże stężenie Cr i Ni. Częściowo Ni może być zastępowany tańszym Mn, również austenitotwórczym. Dodatki W i Mo powodują zwiększenie żarowytrzymałości i rozdrobnienie ziarn. W stalach o strukturze perlitycznej dodatki te powodują zwiększenie odporności na odpuszczanie i przeciwdziałają kruchości odpuszczania. Stale krzemowo-chromowe o strukturze perlitycznej poddaje się hartowaniu z temperatury 1010-1060°C i odpuszczaniu w temperaturze 700-790°C z chłodzeniem w wodzie, co zapobiega kruchości odpuszczania.
Przykłady stali: H9S2, 4H14N14W2M.
Stale odporne na korozję
Stale odporne na korozję obejmują trzy grupy:
Stale trudno rdzewiejące, o odporności na korozję jedynie nieznacznie większej od stali węglowych, zawierają 0,1% C oraz dodatki 1-3% pasywującego Cr i ok. 0,5% Cu, tworzącej na powierzchni warstewkę pasywującą złożoną z siarczanów i węglanów miedzi. Do stali tych są wprowadzane także w niewielkich stężeniach P, Al i Ni. Stale te znajdują zastosowanie głównie jako stale spawalne pracujące w środowisku atmosfery przemysłowej oraz morskiej. Stale wysokochromowe o strukturze ferrytycznej ferrytyczno-martenzytycznej lub martenzytycznej są odporne głównie na korozję chemiczną, w tym na utlenianie w atmosferze powietrza, wody naturalnej i pary wodnej w niskiej i podwyższonej temperaturze, na działanie zimych roztworów alkalicznych, rozcieńczonych kwasów i soli, z wyjątkiem chlorków i jodków, oraz na działanie ropy naftowej i jej par, paliw, olejów, alkoholi, a także środków spożywczych. Stale chromowo-niklowe i chromowo-niklowo-manganowe, o strukturze austenitycznej są odporne głównie na korozję elektrochemiczną w środowisku kwasów nieorganicznych i organicznych, związków azotu, roztworów soli i agresywnych środków spożywczych. Przykłady stali: 0H13, 1H13, 4H14, 0H17T, 3H17M.
Stopy aluminium
Stosunkowo niewielkie własności wytrzymałościowe aluminium można zwiększyć – nawet kilkakrotnie – przez wprowadzenie pierwiastków stopowych oraz obróbkę cieplną stopów. W porównaniu ze stalmi stopy aluminiowe charakteryzują się znacznie mniejszą masą, a w niskiej temperaturze – większą udarnością. Najogólniej – ze względu na sposób wytwarzania – stopy aluminium dzieli się na: odlewnicze i do obróbki plastycznej. Niektóre z tych stopów mogą być stosowane zarówno jako odlewnicze jak i przeznaczone do obróbki plastycznej. Odlewnicze stopy aluminium są przeważnie stopami wieloskładnikowymi o dużym stężeniu – od 5 do 25% – pierwiastków stopowych, głównie Cu, Si, Mg i Ni lub ich różnych zestawień. Charakteryzują się dobrą lejnością i często małym skurczem odlewniczym. Stopy do obróbki plastycznej zawierają znacznie mniej, bo ok. 5%, pierwiastków stopowych, zwykle Cu, Mg, Mn, niekiedy także Si, Zn, Ni, Cr, Ti lub Li. Niektóre z tych stopów są stosowane w stanie zgniecionym lub po wyżarzaniu rekrystalizującym, a część jest poddawana obróbce cieplnej polegającej na utwardzaniu wydzielinowym.
Stopy aluminium z krzemem
Aluminium tworzy z krzemem układ z eutektyką, występujący przy stężeniu 12,6% Si i dwoma roztworami stałymi granicznymi o rozpuszczalności składników zmniejszającej się wraz z obniżaniem temperatury. Roztwór α (Si w Al) wykazuje sieć regularną typu A1. Aluminium w temperaturze eutektycznej rozpuszcza się w Si w b. niewielkim stężeniu – ok. 0,07%, a w temperaturze pokojowej nie wykazuje niemal zupełnie rozpuszczalności w Si. Podstawową grupę stopów Al z Si stanowią stopy odlewnicze zwane siluminami o stężeniu 4-30% Si. Krzem, jako podstawowy składnik tych stopów, zapewnia dobrą rzadkopłynność oraz lejność i mały skurcz odlewniczy. Siluminy mogą być również stopami wieloskładnikowymi. Zawierają wówczas dodatki Cu, Mg i Mn, zwiększające wytrzymałość. Siluminy eutektyczne i nadeutektyczne wykazujące znaczną żarowytrzymałość są stosowane na wysoko obciążone tłoki silników spalinowych. Z siluminów podeutektycznych wytwarza się silnie obciążone części dla przemysłu okrętowego i elektrycznego, pracujące w podwyższonej temperaturze i w wodzie morskiej. Wieloskładnikowe stopy Al z Si są stosowane m.in. na głowice silników spalinowych oraz inne odlewy w przemyśle maszynowym. Stopy Al z niewielkim dodatkiem – ok. 1% Si – są przeznaczone do obróbki plastycznej, na średnio obciążone elementy konstrukcji lotniczych i pojazdów mechanicznych oraz elementy głębokotłoczne i kute o złożonych kształtach.
Stopy miedzi
Mosiądze. Stopy miedzi i cynku (mosiądze) zawierające ok. 40% tego metalu. Mogą zawierać także dodatki takich metali jak ołów, aluminium, cyna, mangan, żelazo i chrom oraz krzem. Topi się w temperaturze ok. .
Stop ten jest odporny na korozję, ciągliwy, łatwy do obróbki plastycznej. Posiada dobre właściwości odlewnicze.
stosuje się go na wyroby armatury, osprzęt odporny na wodę morską (śruby okrętowe, okucia budowlane), na elementy maszyn w przemyśle maszynowym, samochodowym, elektrotechnicznym, okrętowym, precyzyjnym, chemicznym. Ważnym zastosowaniem mosiądzu jest produkcja instrumentów muzycznych. Jest on wytrzymalszy od brązu, ponieważ zawiera cynk nadający mu twardość. Jest on bardzo przydatny do obróbki plastycznej na zimno, np. podczas produkcji łusek amunicji.
Dodawane pierwiastki stopowe powodują zwiększenie wytrzymałości i odporności mosiądzów na korozję.
Wieloskładnikowe mosiądze odlewnicze zwykle cechuje dobra odporność na korozję i ścieranie oraz dobre własności wytrzymałościowe przy obciążeniach statycznych. Stosuje się je głównie na armaturę, osprzęt, łożyska, śruby okrętowe i elementy maszyn.
Miedzionikle – stopy miedzi i niklu, które mogą zawierać także takie dodatki stopowe jak krzem, żelazo, aluminium lub mangan. Miedzionikle charakteryzują się dobrą wytrzymałością, żaroodpornością i odpornością na korozję. Miedzionikle posiadają dobre własności oporowe. Miedzionikle dostarczane są jako wyroby po obróbce plastycznej w postaci blach, drutów, prętów, taśm i rur. Składy miedzionikli specyfikuje Polska Norma PN-xx/H-87052.
Miedzionikle dzielą się na:
Brązy
stopy miedzi z innymi metalami i ewentualnie innymi pierwiastkami, w których zawartość miedzi zawiera się w granicach 80-90% wagowych.
posiadają dobre własności wytrzymałościowe, są łatwo obrabialne. Brązy wysokostopowe poddają się także hartowaniu. Posiadają dobre właściwości przeciwcierne, odporne są na wysoką temperaturę i korozję. Zastosowanie brązów jest ograniczone ze względu na ich wysoką cenę,
dzieli się je na brązy do obróbki plastycznej, dostarczane w formie wyrobów hutniczych - blach, pasów, taśm, prętów, drutów i rur oraz brązy odlewnicze dostarczane w postaci sztab lub kęsów,
brązy odlewnicze stosuje się do odlewania części i elementów do zastosowań podobnych jak w przypadku brązów do obróbki plastycznej oraz do odlewania pomników. Wyrób narzędzi itp.
Brąz cynowy – zawierający od 1% do 9% cyny
Posiada barwę szarą, której intensywność wzrasta wraz z zawartością cyny. Mogą zawierać także inne dodatki stopowe, takie jak cynk (2.7% do 5%), ołów (1.5% do 4.5%) oraz domieszki fosforu (0.1% do 0.3%) z zanieczyszczeniami nie przekraczającymi 0.3%. Symbole brązów cynowych to B2 (CuSn2), B4 (CuSn4), B6 (CuSn6), B43 (CuSn4Zn3), B443 (CuSn4n4Pb3), B444 (CuSn4n4Pb4). Brązy cynowe używane są na elementy sprężyste, trudno ścieralne, a przy większej zawartości ołowiu na tuleje i panwie łożyskowe.
Brąz aluminiowy - zawierający od 4% do 11% aluminium
Może zawierać także inne dodatki stopowe, takie jak żelazo (2.0% do 5.5%), mangan (1.5% do 4.5%) oraz nikiel (3.5% do 5.5%), z zanieczyszczeniami nie przekraczającymi 1.7%. Symbole brązów cynowych to BA5 (CuAl5), BA8 (CuAl8), BA93 (CuAl9Fe3), BA1032 (CuAl10Fe3Mn2), BA1044 (CuAl10Fe4Ni4), BA92 (CuAl9Mn4). Brązy aluminiowe stosowane są na części do przemysłu chemicznego, elementy pracujące w wodzie morskiej, monety, styki ślizgowe, części łożysk, wały, śruby, sita.
Brąz berylowy - zawierający od 1.6% do 2.1% berylu
Może zawierać także inne dodatki stopowe, takie jak nikiel w połączeniu z kobaltem (0.2% do 0.4%) oraz tytan (0.1% do 0.25%), z zanieczyszczeniami nie przekraczającymi 0.5%. Symbole brązów berylowych to BB2 (CuBe2Ni(Co)), BB1T (CuBe1.7NiTi), BB2T (CuBe2NiTi). Brązy berylowe stosowane są na elementy sprężyste, elementy aparatury chemicznej, elementy żaroodporne, np. gniazda zaworów, narzędzia nieiskrzące.
Brąz krzemowy - BK31 (CuSi3Mn1)
zawierający 2.7% do 3.5 krzemu i 1.0% do 1.5% manganu, przy zanieczyszczeniach nie przekraczających 1.0%. Stosowany jest na siatki, elementy sprężyste, elementy w przemyśle chemicznym, elementy odporne na ścieranie, konstrukcje spawane.
brąz manganowy – BM123 (CuMn12Ni3)
zawierający 11.5% do 13% manganu i 2.5% do 3.5% niklu przy dopuszczalnych zanieczyszczeniach do 1%. Stosowany na oporniki wysokiej jakości.
Staliwo
to stop żelaza z węglem w postaci lanej (czyli odlana w formy odlewnicze), nie poddany obróbce plastycznej. W odmianach użytkowych zawartość węgla nie przekracza 1,5%, suma typowych domieszek również nie przekracza 1%. Właściwości mechaniczne staliwa są nieco niższe niż własności stali o takim samym składzie po obróbce plastycznej. Wynika to z charakterystycznych dla odlewów: gruboziarnistości i pustek międzykrystalicznych. Staliwo ma natomiast znacznie lepsze właściwości mechaniczne od żeliwa, w szczególności - jest plastycznie obrabialne, a odmiany o zawartości węgla poniżej 0,25% są również dobrze spawalne. Ze względu na skład chemiczny rozróżnia się staliwa:
węglowe - zawierające tylko składniki zwykłe i zanieczyszczenia z przerobu hutniczego
stopowe - zawierające dodatkowo wprowadzone celowo domieszki stopowe
Ze względu na własności fizyczne i związane z nimi możliwości praktycznego zastosowania, wyróżnia się staliwa:
węglowe
zwykłej jakości
wyższej jakości
najwyższej jakości
Żeliwa
Żeliwami nazywamy stopy żelaza z węglem zawierające ponad 2% węgla. Od tej zwartości węgla (2%) pojawia się w tych stopach nie spotykany w stalach składnik mikrostruktury – ledeburyt, w którego skład wchodzi cementyt. Węgiel w żeliwie może występować zarówno w postaci wiązanej (cementyt) jak i wolnej (grafit). W zależności od postaci w jakiej występuje węgiel rozróżnia się żeliwa: szare, w których węgiel występuje w postaci grafitu; białe, w których węgiel jest związany w cementycie, połowiczne, w których występuje zarówno grafit, jak i cementyt (powyżej 0,8% ogółu węgla w żeliwie).
Strukturę żeliwa stanowi osnowa metaliczna, którą może być ferryt, perlit lub ich mieszaniny, ewentualnie z cementytem i wtrąceniami niemetalicznymi a także grafit o różnej wielkości i kształcie. Grafit jest b. miękki, a jego wytrzymałość jest bliska zeru. Grafit może się tworzyć przy krzepnięciu z cieczy jako płatkowy na skutek przemiany eutektoidalnej austenitu lub w wyniku rozpadu cementytu w żeliwie białym poddanym długotrwałemu wyżarzaniu w temperaturze nieznacznie niższej od solidusu. W stopach eutektycznych grafit wydziela się z cieczy w postaci b. drobnych płatków w eutektyce grafitowej. Grube płatki grafitu pierwotnego wydzielają się w czasie krzepnięcia żeliw nadeutektycznych.
Grafit powoduje zmniejszenie własności wytrzymałościowych żeliwa i zmianę niektórych innych własności, a szczególnie: działa jako karb wewnętrzny, stanowiąc nieciągłości w metalu; zmniejsza skurcz odlewniczy; polepsza skrawalność; zwiększa własności ślizgowe; sprzyja tłumieniu drgań.
Według Polskich Norm żeliwa dzielimy na:
szare – PN-92/H03101
sferoidalne (grafit w postaci kulek) – PN-92/H03123
ciągliwe (grafit kłaczkowy) – PN-92/H83221
stopowe – PN-92/H83144
Żeliwa szare dzielimy na:
1. zwykłe – charakteryzuje się niską wytrzymałością, dobrą skrawalnością oraz małą odpornością na zużycie ścierne. Twardość i wytrzymałość żeliwa szarego zwiększa się w miarę zwiększania udziału perlitu w strukturze. Żeliwa zwykłe dzielmy na: ferrytyczne 100, ferrytyczno-perlityczne 150, perlityczne 200
2. modyfikowane – bezpośrednio przed odlaniem do kąpieli metalowej o temp. ok. 1400°C, w rynnie spustowej lub kadzi, dodaje się ok. 0,1-0,5% sproszkowanego modyfikatora, najczęściej żelazo-krzemu, wapnio-krzemu lub aluminium. Żeliwa te są perlityczne (250, 300, 350). Żeliwo sferoidalne wykazuje b. dobre własności – zarówno wytrzymałościowe jak i plastyczne. Uzyskuje się je w wyniku modyfikowania żeliwa o tendencji krzepnięcia jako szare, lecz o b. małym stężeniu siarki i fosforu. Jako modyfikatorów używa się ceru lub magnezu. W wyniku tego zabiegu technologicznego grafit występuje w tych żeliwach w postaci kulistej. Żeliwa sferoidalne można podzielić na: ferrytyczne (350-22, 400-18, 400-15, 450-10), ferrytyczno-perlityczne (508-7), perlityczno-ferrytyczne (600-3), perlityczne (700-2), po obróbce cieplnej (800-2, 900-2).
Żeliwo ciągliwe jest otrzymywane z żeliwa białego w wyniku wyżarzania grafityzującego. Podczas tej operacji cementyt ulega rozpadowi o wydziela się tzw. węgiel żarzenia w postaci kłaczkowatych skupień. Żeliwo ciągliwe charakteryzuje się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi i plastycznymi. W zależności od parametrów procesu technologicznego żeliwo ciągliwe można podzielić na: białe (W), czarne (B), perlityczne (P).
Jakie roztwory stałe tworzy węgiel z żelazem? Czym one się charakteryzują?
Ferryt (α) – międzywęzłowy roztwór stały węgla w Fe α o maksymalnej zawartości węgla 0,022 % w temperaturze 727ºC
Austenit (γ) – międzywęzłowy roztwór stały węgla w Fe γ o maksymalnej zawartości węgla 2,14 % w temperaturze 1147ºC
Cementyt – faza międzymetaliczna (międzywęzłowa) zawierająca 6,7% węgla, krystalizująca w temperaturze 1252ºC
Perlit – mieszanina eutektoidalna ferrytu z cementytem zawierająca 0,77% węgla. Powstaje podczas przemiany eutektoidalnej w temperaturze 727ºC. Nazwę swą zawdzięcza perlistemu odcieniowi, jaki posiada wypolerowany przekrój tego stopu. Perlit ma budowę ziarnistą. Pojedyncze ziarno perlitu zbudowane jest z płytek (w przekroju widocznych jako linie) ferrytu i cementytu ułożonych na przemian.
Ledeburyt - mieszanina eutektyczna austenitu z cementytem, zawierająca 4,3% węgla. Ledeburyt powstaje w krzepnącym ciekłym roztworze żelaza z węglem, gdy zawartość węgla jest w granicach 2,06% - 6,67%, w temperaturze , jest stabilny do temperatury .
STALE DO PRACY W PODWYŻSZONYCH TEMPERATURACH
Stal przeznaczona na elementy maszyn i urządzeń pracujących w wysokich temperaturach powinna posiadać dwie podstawowe właściwości:
Żaroodporność – to odporność stopu na działanie czynników chemicznych: głównie powietrza oraz spalin i ich agresywnych składników w temperaturze wyższej niż 600°C. H5M, H18N25S2 , H23N13
Żarowytrzymałość – jest nazywana odporność stopu na odkształcenie z czym wiąże się zdolność do wytrzymywania obciążeń mechanicznych w wysokiej temperaturze – powyżej 600°C.
Stale ferrytyczne są stosowane na nie obciążone mechanicznie części aparatury chemicznej pieców i kotłów przemysłowych, części palników gazowych, skrzynie do nawęglania i inne. Stale austenityczne o większej żarowytrzymałości są stosowane na podobne elementy lecz obciążone mechanicznie.
Stale do pracy w podwyższonych temperaturach:
Charakteryzuje się wysoką odpornością na pełzanie nawet do200 tys. godzin pracy z obciążeniem
Przeważa struktura ferrytyczno - perlityczna lub martenzytowa
Ich temperatura pracy może osiągać do 600oC
Zastosowanie: energetyka, na rury kotłowe, przegrzewacze odbijające od spalin, itp.
Przykłady: 10H2M; 16M; 15HM
Stale żaroodporne
Stale wysokochromowe 5-30%, (im więcej chromu tym większa żaroodporność);
Ich temperatura pracy może osiągać do 900oC;
Struktura ferrytyczna;
Zastosowanie: w przemyśle chemicznym i naftowym, w aparaturze chemicznej, itp.
Np.: H9S2, H13J, H18N9S2,
Stale żarowytrzymałe
Wysoka wytrzymałość od 600oC do 1000oC;
Są równocześnie żaroodporne;
Podstawowe pierwiastki składowe to: Cr, Mo, Ni, V, W, Mn, (Al, Ti do 1% );
Zastosowanie: w przemyśle chemicznym i naftowym, farmaceutycznym, do aparatury pracującej pod obciążeniem;
Np.: H18JS, H2ST, H26N4
Stale zaworowe
Stale krzemowo – chromowe o strukturze perlitycznej poddaje się hartowaniu w temperaturze 1010- 1060°C i odpuszczaniu w temp 700-790°C z chłodzeniem w wodzie, co zapobiega kruchości odpuszczenia. Strukturę stali stanowi martenzyt odpuszczony.
Odporna na korozje w spalinach silników tłokowych
Stale o strukturze austenitycznej poddaje się przesycaniu z temperatury 1050-1100°C z chłodzeniem w wodzie i starzeniu w temperaturze 700-750°C. W wyniku tej obróbki otrzymuje się strukturę austenitu z Adyspersyjnymi wydzieleniami węglików M6C, M23C6 oraz węglikoazotków.
Odporne na ścieranie
Zastosowanie: na zawory silników motocyklowych i samochodowych, na bardzo silnie obciążone zawory wylotowe, na zawory silników lotniczych pracujących w temperaturze do 900oC
Np.: H9S2,H10S2M,4H14N14W2M, 50H21G9N4A
Stale oporowe
Charakteryzują się dużą opornością właściwą;
Małą przewodnością cieplną;
Wysoka odporność na korozje gazową;
Wysokie właściwości mechaniczne w temperaturze pokojowej;
Np.: Struktura ferrytyczna H13J4, H17J5, H20J5, OK23J5;
Np.: Struktura austenityczna NH19, NH30Pr, N50H18S
Nadstopy na bazie Fe, Ni, Co
Są to stopy żarowytrzymałe i żaroodporne;
Zawierają więcej niż 50% dodatków stopowych;
Pracują w temperaturze do 900oC;
Zastosowanie: na łopatki, wirniki oraz dysze turbin parowych i silników odrzutowych
Obróbka cieplna polega na przesycaniu i nasyceniu
STALE ODPORNE NA KOROZJĘ.
Stale trudnordzewiejące
Wykazują większą odporność na korozję atmosferyczną od stali węglowej;
Zawiera ok. 0,1% węgla oraz dodatki 1-3% pasywującego chromu i około 005% miedzi;
zastosowanie głównie jako stale spawalne pracujące w środowisku atmosfery przemysłowej oraz morskiej;
Np.: H3S, 10HAVP
Stal nierdzewna
Zawiera około 13-18% Cr
Struktura zależy przede wszystkim od zawartości węgla:
odporne na korozje chemiczną w tym na utleniacze w atmosferze, powietrze, wody naturalnej i pary wodnej, rozcieńczonych kwasów i soli oraz na działanie ropy naftowej, paliw, olejów i alkoholi, a także środków spożywczych.
Np.: 0H13J , 3H13
Stale kwasoodporne
Zawiera około 0,1% C, 18% Cr, 8-10%Ni
odporne na korozje elektrochemiczną, kwasów organicznych i nieorganicznych, związków azotu i roztworów soli i agresywnych środków spożywczych;
zastosowanie: w przemyśle spożywczym i chemicznym;
Np.:00H18N10, H13N4G9
STALE ODPORNE NA ŚCIERANIE
Koniecznym warunkiem wysokiej odporności na ścieranie jest występowanie dużych nacisków umacniających austenit w wyniku odkształcenia na zimno;
Często ze względów technologicznych elementy te są wykonywane przez odlewanie.
Stal Hadfielda umacniająca się w czasie pracy jest stosowana na elementy narażone na ścieranie przy dużych i dynamicznych naciskach powierzchniowych.,
Struktura austenityczna,
Np.: 11G12, L12oG13, staliwo
STALE O SZCZEGÓLNYCH WŁAŚCIWOŚCIACH MAGNETYCZNYCH
Podaj przykłady zastosowań różnych materiałów magnetycznych.
Ferromagnetyki twarde stosuje się do wyrobu magnesów trwałych. Ferromagnetyki miękkie do budowy magnetowodów i rdzeni magnetycznych silników elektrycznych, transformatorów itp. w celu kształtowania pola magnetycznego. Ferromagnetyki półtwarde wykazują własności pośrednie i używane są np. do zapisu danych cyfrowych na dyskach lub kartach magnetycznych. Twarde ferromagnetyki służą koprodukcji magnesów stałych.
Do najpopularniejszych przewodników należą
Grafit, żelazo, stal, aluminium, złoto, miedź, srebro
Co to są ferromagnetyki
Magnetyzują się bardzo silnie w kierunku zgodnym z kierunkiem działania zewnętrznego pola magnetycznego - wzmacnia zewnętrzne pole magnetyczne - przy okresowej zmianie kierunku pola magnetycznego wykazują własności histerezy - tzn. w mniejszym lub w większym stopniu zachowują magnetyzację po zaniknięciu zewnętrznego pola
Diamagnetyki to substancje, które magnesują się pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego, przeciwnie do tego pola, w efekcie, czego są z niego wypychane. Namagnesowanie znika po usunięciu zewnętrznego pola. Diamagnetyki ustawiają się prostopadle do kierunku pola magnetycznego. Diamagnetyki samorzutnie nie wykazują właściwości magnetycznych. Diamagnetyk jest odpychany przez magnes.
Stale magnetyczne miękkie
Stale magnesują się bardzo łatwo i szybko, ale na krótko;
Charakteryzują się wysmukłą pętlą histerezy i dużą pozostałością magnetyczną;
Zawierają krzem i w małych ilościach węgiel;
Struktura gruboziarnistego ferrytu;
blachy elektrotechniczne prądnicy, blachy transformatorowe;
Stale magnetycznie twarde
Stale magnesują się bardzo trudno, ale na długo;
magnesy trwałe charakteryzuje je moc właściwa (BH) moc, która powinna możliwie osiągać największe wartości. Wymagania te spełniają stale węglowe oraz stale stopowe zawierające W, Cr, Co;
Np.: W6, H6K6, H9K15M2
Stale niemagnetyczne
Struktura austenityczna;
W polu magnetycznym zachowują się możliwie obojętnie, czyli wykazuja przenikalność względną:
Zastosowanie: elektrotechnika, śruby w rdzeniach transformatorów
Stale o szczególnych właściwościach mechanicznych do umocnienia wydzieleniowego.
Posiadają bardzo wysoką wytrzymałość po dodaniu pierwiastków stopowych tak, aby zmienna była rozpuszczalność składników wraz ze wzrostem temperatury;
Np.: N18K9M5TPr,N18K12M4TPr, N13K15M10TPr, H10N7K10M5Pr, H15K20M3Ipr
Wysykowytrzymałe niskowęglowe stale martenzytyczne utwardzane wydzieleniowo typu „Maraging”
Zastosowanie:jako materiał konstrukcyjny do wytwarzania elementów pracujących w szerokim zakresie temperatur od 200°C - 600°C. Przemysł lotniczy i zbrojeniowy, chemiczny i naftowy, w budowie okrętów.
STALE DO PRACY W OBNIŻONEJ TEMPERATURZE
są stosowane w zakresie od poniżej 0°C do temperatury wrzenia helu tj. ok. -269°C,
Zastosowanie w chemii i w petrochemii, chłodnictwie, przemyśle lotniczym, nuklearnym i kosmonautyce,
Wraz z obniżeniem temperatury pracy zwiększa się wytrzymałość, natomiast zmniejsza się ciągliwość i odporność stali na kruche pękanie.
STOPY Z PAMIĘCIĄ KSZTAŁTU
Są to stopy, które po odkształceniu wracają do swojego pierwotnego kształtu;
Zastosowanie: przy produkcji okien
STOPY O ZŁOŻONEJ ROZSZERZALNOŚCI CIEPLNEJ
Stopy te rozszerzają się pod wpływem temperatury ( od pewnego stopnia ) ,
Zastosowanie: do przyrządów pomiarowych