Anna Durazińska ZIP41 sekcja III Joanna Chudobska ZIP41 sekcja III

METALE I ICH STOPY – OGÓLNA KLASYFIKACJA, ZNAKOWANIE, STALE, ODLEWNICZE STOPY ŻELAZA, METALE NIEŻELAZNE I ICH STOPY.

Zasady oznaczania stali.

1. Wg własności fizycznych, mechanicznych i zastosowania np. S275, gdzie: S-stal konstrukcyjna (znak początkowy stali), 275-min. wartość granicy plastyczności.

2. Wg składu chemicznego:

• Stal niestopowa o zawartości Mn < 1% np. C45;

• Stal niestopowa o zawartości Mn ≥ 1% o zawartości każdego pierwiastka stałego < 5% np. 13CrMo4-5;

• Stal stopowa – symbol „X” oznacza pierwiastki o podwyższonej zawartości Cr, Mo itp. np. X8CrNiMoAl15-7-2;

• Stal szybkotnąca – symbol „HS”, pierwiastki w kolejności W, Mo, V, Co; zawartość Cr zawsze taka sama ok. 4% np. HS2-9-1-8.

1. System cyfrowy – składa się z 5 cyfr – 1.XXYY, gdzie: XX-podział stali np. 44-stale nierdzewne, YY-cyfry wyróżniające gatunki w grupie.

2. Wg norm PN oraz PN-EN.

STALE:

STALE NIESTOPOWE (WĘGLOWE) – główne składniki Fe + C, węgiel wywiera dominujący wpływ na strukturę i własności stali, tworzywa najczęściej używane do budowy maszyn, wyroby z tych stali nie są poddawane obróbce cieplnej:

• Konstrukcyjne i maszynowe – należą do klasy stali jakościowych np. S185, E429, E225

• Na urządzenia ciśnieniowe – nie podlegają w czasie pracy dużym obciążeniom np. D335N;

• Do nawęglania – niskowęglowe ok. 0,2% C np. C10R;

• Do ulepszania cieplnego i hartowania powierzchniowego – są przeznaczone do produkcji elementów w stanie ulepszania cieplnego np. C22;

• Sprężynowe - na sprężyny i resory, cechują się wysoką granicą sprężystości, plastyczności i wytrzymałości na rozciąganie ok. 0,5-1,3% C np. C55S;

• Narzędziowe – wysokowęglowe charakteryzują się dużą twardością, a niskowęglowe większą ciągliwością np. C45U;

• O określonym przeznaczeniu – automatowe przeznaczone do obróbki skrawaniem np. 115Mn37, walcowane na gorąco do obróbki plastycznej na zimno np. DD11.

STALE STOPOWE – małe stężenie pierwiastków austenitotwórczych (Mn, Ni, Co) zapewnia strukturę podeutektoidalną, eutektoidalną i nadeutektoidalną, większe stężenie tych pierwiastków powoduje strukturę półaustenityczną , duże - austenityczną, a przy jednocześnie dużej zawartości węgla – ledeburytyczną;

pierwiastki ferrytotwórcze – Al, Si, P, Ti, V, Cr, Mo, W; pierwiastki zwiększające hartowność stali – Ni, Si, Al, Cu; w stalach zawierających Mo, V lub W obserwuje się zjawisko twardości wtórnej; stale należy używać tylko w stanie obrobionym cieplnie.

Podział grupy stali ze względu na ich zastosowanie:

1. Stale konstrukcyjne – stosowane do wyrobu maszyn i elementów konstrukcyjnych pracujących w temp. od -40 do 300°C; główne dodatki stopowe: Mn, Cr, Si, Ni, Mo, W, V, Ti; zawartość C od 0,1-1%;

• Niskostopowe o podwyższonej granicy plastyczności do obróbki plastycznej na zimno – grupa stali jakościowych np. H400LA;

• Niskostopowe konstrukcyjne, maszynowe i na urządzenia ciśnieniowe spawalne – zawartość C do 0,25%, ważną cechą jest spawalność np. S420NL;

• Do ulepszania cieplnego – zawierają od 0,15-0,5%C, od tych stali wymaga się wysokich własności wytrzymałościowych, dużej ciągliwości; np. 28Mn6-stale manganowe, 34Cr4-stale chromowe;

• Do nawęglania – zawartość C do 0,25%C z dodatkiem 0,8-1,7% Cr, wymaga się dużej twardości; w celu zwiększenia hartowności w stalach chromowych wprowadza się Ni i Mo np. 18CrNiMo7-6;

• Do azotowania – azotowanie stosuje się w celu zwiększenia twardości i odporności na ścieranie oraz wytrzymałości zmęczeniowej, przed azotowaniem stal ulepsza się cieplnie np. 24CrMo13-6;

• Sprężynowe – zawartość C od 0,4-0,7%, zdolność do przyjmowania obciążeń dynamicznych, tłumienia drgań, główny składnik stopowy – krzem(Si), na sprężyny i resory, o strukturze martenzytycznej np. 38Si7;

• Na elementy łożysk tocznych – odznaczające się wysoką twardością, odpornością na ścieranie, cechują się dobrą hartownością, czystością i jednorodnością struktury na przekroju.

1. Stale narzędziowe – stal z której wykonuje się narzędzia do kształtowania metali:

• do pracy na zimno – zawartość C ok. 1%, przeznaczone na narzędzia, które podczas pracy nie nagrzewają się powyżej 250°C, w porównaniu ze stalami narzędziowymi niestopowymi wykazują podwyższoną hartowność w związku ze zwiększonym stężeniem Mn i Cr;

• do pracy na gorąco – zawartość C od 0,3-0,6%, przeznaczone na narzędzia pracujące w temp. 250-700°C, głównie na pręty;

• stale szybkotnące – zawartość C od 0,8-1,6%, przeznaczone są głównie na wieloostrzowe narzędzia skrawające, często na narzędzia do obróbki plastycznej na zimno i gorąco, stosuje się głównie do skrawania materiałów z dużymi prędkościami, temp. pracy od 500-600°C.

1. Stale i stopy o szczególnych właściwościach – niejednokrotnie stężenie pierwiastków w tych materiałach przekracza 50%, a gdy Fe nie jest głównym składnikiem tylko jednym z wielu mówimy o nadstopach, do cech specjalnych zalicza się: żaroodporność, żarowytrzymałość, odporność na korozję, ścieranie, specjalne właściwości fizyczne:

• Stale żaroodporne – odporność na korozyjne działanie gazów w wysokiej temp. (do 500°C), podstawowe dodatki stopowe: Cr, Al., Si;

• Stale do pracy w obniżonej temp. – stosowane w zakresie od poniżej 0°C do temp. wrzenia helu ok. -269°C, stosowane w chemii, chłodnictwie, przemyśle lotniczym, nuklearnym, kosmonautyce, głównym dodatkiem jest Ni, wraz z obniżeniem temp. pracy zwiększa się wytrzymałość, natomiast zmniejsza się ciągliwość i odporność stali na kruche pękanie;

• Stale i stopy o szczególnych właściwościach fizycznych – stosowane w elektronice, dzielimy na: magnetycznie miękkie o zawartości C poniżej 0,08% i magnetycznie twarde np. X98CoCrMo;

• Stale i stopy o szczególnych właściwościach mechanicznych – stale maraging, Ni-Co-Mo, stal odporna na korozję, o bardzo dużej wytrzymałości i odporności na pękanie;

• Stale odporne na korozje – niskostopowe o małej zawartości C np. stale ferrytyczne wysokochromowe, stale martenzytyczne wysokochromowe, stale chromowo-niklowe.

Odlewnicze stopy żelaza.

STALIWA – stop żelaza z węglem, zawartość C ok. 2%, to odlana stal do wlewnic lub form w których krzepnąc uzyskuje wymagany użytkowy kształt, dzielimy na:

1. Węglowe (niestopowe) - własności staliw węglowych zależą głównie od zawartości C, czystości i warunków odlewania, celem poprawy ich własności poddaje się je obróbce cieplnej; PN. uwzględnia staliwa węglowe zwykłej jakości (np. 350 - 550) oraz wysokiej jakości (np. 350 - 550W). Pierwsze cyfry oznaczają R_{e min}- min. granicę plast., druga natomiast R_{m min}- min. wytrzymałość na rozciąganie, litera „W” na końcu oznakowania oznacza staliwo wysokiej jakości.

2. Stopowe - stosuje się je na odlewy o skomplikowanych kształtach (od kilku kg do kilkuset ton) i tylko wtedy gdy własności żeliwa są niewystarczające, ze względu na zastosowanie dzielimy je na: konstrukcyjne i maszynowe, odporne na ścieranie, odporne na korozje, żaroodporne i żarowytrzymałe oraz narzędziowe. Zawierają dodatki innych pierwiastków – głównie Ni, Cr, Si, Mo; oznakowanie od litery G lub L. Dzielimy na:

• Niskostopowe – stężenie pierwiastków stopowych nie przekracza 2,5%,

• Średniostopowe – stężenie pierwiastków stopowych od 2,5-5%,

• Wysokostopowe – stężenie pierwiastków powyżej 5%.

ŻELIWA – stopy odlewnicze na osnowie żelaza o zawartości C od 2-4%, głównie stosowany w budowie maszyn, najbardziej popularny materiał odlewniczy (masowo stanowi ok. 90% odlewów). Wynika to z wielu jego zalet: łatwość nadania kształtów, cena, niska temp. odlewania, dobre własności mechaniczne i technologiczne.

W strukturze żeliwa znajduje się grafit, który wpływa osłabiająco na metal powodując jego mniejszą wytrzymałość i ciągliwość, dużą zdolność tłumienia i lepsze właściwości odlewnicze.

1. Niestopowe (węglowe) – dzielimy na:

• Szare - grafit występuje w postaci płatkowej, struktura ferrytyczna, oznacza się trzycyfrową liczbą, wyrażającą jego wytrzymałość (w MPa) np.100,150...350;

• Modyfikowane – modyfikowanie polega na odgazowaniu kąpieli i wymuszeniu heterogeniczne zarodkowanie grafitu, jako modyfikatora używa się Fe – Si, Ca – Si lub Al w ilości 0,1-0,5%, zastosowanie tej operacji umożliwia uzyskanie żeliwa o wytrzymałości 300-400[MPa], jednak o dużej kruchości;

• Sferoidalne - otrzymuje się poprzez modyfikację odp. rodzaju żeliwa szarego, jako modyfikatora używa się Mg, Ce lub Na, grafit występuje w postaci kulistej, oznacza się za pomocą trzech cyfr, które oznaczają min. wytrzymałość na rozciąganie, pauzy, po której występują dwie cyfry oznaczające min. wydłużenie[%]; np. 350- 22.

1. Białe - nie znalazło bezpośredniego zastosowania, stanowi ono półprodukt do wytwarzania żeliwa ciągliwego.

2. Ciągliwe - otrzymuje się przez długotrwałe wyżarzanie żeliwa białego (grafityzacji), podczas którego Fe₃C ulega rozpadowi na żelazo i węgiel nzw. Węglem żarzenia i wydziela się grafit żarzenia w postaci kłaczkowatej, żeliwo ciągliwe można podzielić na:

• Żeliwo ciągliwe białe (W); otrzymywane w atmosferze utleniającej [950 – 1000 C⁰],

• Żeliwo ciągliwe czarne (B);otrzymywane w atmosferze obojętnej [900 – 1050 ⁰C],

• Żeliwo perlityczne ( P ); otrzymywane w atmosferze obojętnej [900 – 1050 ⁰C].

Oznaczanie: pierwsze cyfry oznaczają R_{m min}- min. wytrzymałość na rozciąganie, druga

natomiast wydłużenie A w [%], np. W35 – 04, B30 – 06, P45 – 06.

1. Stopowe - do żeliw stopowych są wprowadzane najczęściej dodatki pierwiastków tj. Ni, Cr, Si, Al., Cu, Mo, V, Ti i W – celem polepszenia ich własności użytkowych, a w szczególności:

• zwiększenia własności mechanicznych,

• zwiększenia odporności na ścieranie,

• polepszenia odporności korozyjnej,

• polepszenia odporności na działanie wysokich temperatur,

• polepszenie własności fizycznych np. magnetycznych lub elektrycznych.

Metale nieżelazne.

To wszystkie metale, z wyjątkiem żelaza. Dzięki szerokiemu wachlarzowi właściwości fizycznych, chemicznych, mechanicznych i technologicznych znajdują bardzo szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach techniki, często zaspokajając najbardziej wygórowane wymagania różnego rodzaju.
Metale nieżelazne i ich stopy można podzielić na dwie zasadnicze grupy:

• metale lekkie - Al, Mg, Ti i ich stopy,

• metale ciężkie - Cu, Zn, Ni, Sn, Pb, Cd i ich stopy.

1. ALUMINIUM I JEGO STOPY:

Aluminium nie wykazuje odmian alotropowych oraz ma małą gęstość – 2,69 g/cm³.

Własności wytrzymałościowe czystego Al są stosunkowo niskie, aby je podwyższyć stosuje się

stopy, które po odpowiedniej obróbce cieplnej mają wytrzymałość nawet kilkakrotnie większą.

Ze względu na sposób wytwarzania stopy Al dzieli się na:

• odlewnicze – stopy wieloskładnikowe o większej zawartości pierwiastków stopowych od 5-25%, głównymi pierwiastkami stopowymi są Si(tworzą siluminy o stęż. Si 2-30%), Cu, Mg, Zn i Ni, cechują się one dobrą lejnością i małym skurczem,

• do obróbki plastycznej – zawierają mniejszą ilość dodatków stopowych do ok. 5%, niektóre stopy można poddawać utwardzaniu wydzieleniowemu, po którym ich własności wytrzymałościowe są zbliżone do stali.

1. TYTAN I JEGO STOPY:

Tytan to metal o dużym znaczeniu technologicznym, jest bardzo wytrzymały i dwa razy lżejszy od stali węglowych i stopowych oraz od większości metali nieżelaznych. Stopy tytanu posiadają znakomitą odporność na korozje, żarowytrzymałość do 500°C i żaroodporność do 600°C. Stopy tytanu dzielimy na trzy grupy:

• Stopy jednofazowe o strukturze roztworu α – głównymi składnikami są Al, który zwiększa wytrzymałość stopu i zmniejsza jego gęstość oraz Sn lub Zr,

• Stopy jednofazowe o strukturze roztworu β – o dużej zawartości składników stopowych, rzadko stosowane i wykorzystywane jako materiały o dużej plastyczności do umocnienia odkształceniowego,

• Stopy dwufazowe o strukturze α+β – najczęściej stosowana grupa konstrukcyjna stopów tytanu, przeznaczona na części maszyn pracujących w szczególnie trudnych warunkach w chemii, lotnictwie, architekturze, medycynie, kosmonautyce. Zawiera ok. 6% Al, wytrzymałość jest wyższa niż stopów jednofazowych nawet o 50%.

1. MIEDŹ I JEJ STOPY:

Miedź jest metalem krystalizującym w układzie regularnym. Ma bardzo dużą przewodność elektryczną (małą oporność elektryczną), dlatego znajduje bardzo szerokie zastosowanie w elektrotechnice i elektronice. Inne jej właściwości, a mianowicie duża przewodność cieplna, plastyczność, odporność na korozję atmosferyczną pozwala na stosowanie w budowie maszyn, okrętów, w budownictwie, komunikacji, chemii itp. Wytrzymałość i twardość miedzi są jednak małe. Zwiększenie tych wielkości osiąga się przez gniot i przez wprowadzanie odpowiednich pierwiastków stopowych do miedzi mogą powstać:

• Mosiądze - stopy miedzi z cynkiem do 50% Zn i ewentualnie innymi pierwiastkami (Si, Ni, Al, Fe, Pb, Sn i in.). W zależności od kryterium podziału rozróżnia się mosiądze:
  wg struktury jednofazowej, gdzie stężenie Zn wynosi od 2-39% i dwufazowej, gdzie stężenie Zn wynosi od 39-45%, stopy dwufazowe są mniej plastyczne. Cechuje je skłonność do pękania w wyniku korozji naprężeniowej.

• Brązy - stopy miedzi z cyną i z innymi metalami (Al, Si, Be, Ni, Mn, Pb i in.), których zawartość jest większa od 2%. W zależności od głównego pierwiastka stopowego nosi on odpowiednią nazwę, np. brąz cynowy, aluminiowy itp. Poza tym brąz dzieli się na przerabialny plastycznie i odlewniczy. Pierwszy wytwarza się w postaci blach, taśm, rur, prętów, drutów i kształtowników o różnym stanie umocnienia, który decyduje o ich właściwościach mechanicznych. Brąz odlewniczy wytwarza się w postaci gąsek przeznaczonych, po przetopieniu, do odlewania w formach piaskowych lub metalowych. W grupie brązu przerabialnego plastycznie mamy, podobnie jak w przypadku mosiądzu, brąz dwu- i wieloskładnikowy.