POLITECHNIKA RZESZOWSKA

im. Ignacego Łukasiewicza

WYDZIAŁ BUDOWY MASZYN I LOTNICTWA

Laboratorium

z

Metaloznawstwa i

Obróbki cieplnej.

Temat: Konstrukcyjna stal stopowa.

Dariusz Schabowski

II MDT gr.1209

Stale wyróżniają się złożonym składem chemicznym, wpływającym intensywnie na ich właściwości użytkowe. Każda stal zawiera tzw. domieszki. Zwykle będące procesów metalurgicznych głównie odtleniania. Są to głównie: mangan, krzem i aluminium przy czym ilości ich zależy od użytych surowców i metod wytopu. Innym rodzajem domieszek w stalach są zanieczyszczenia w tym głównie siarka i fosfor oraz w mniejszym stopniu arsen, cyna i antymon. Do zanieczyszczeń zalicza się również tzw. domieszki ukryte albo raczej pierwiastki śladowe: tlen, azot i wodór.

Wprowadzenie do stali dodatków stopowych ma na celu:

• uzyskanie określonych własności wytrzymałościowych,

• wywołanie pożądanych zmian struktury,

• uzyskanie specjalnych właściwości chemicznych i fizycznych,

• podwyższenie hartowności,

• ułatwianie technologii i polepszanie efektów obróbki cieplnej.

W budowie maszyn stosuje się głównie następujące gatunki stali stopowej:

• do ulepszania cieplnego i hartowania powierzchniowego,

• do nawęglania,

• do azotowania,

• sprężynową,

• łożyskową.

1. Stal do ulepszenia cieplnego i hartowania powierzchniowego.

Stopowa stal maszynowa jest głównie stosowana do wyrobu małych i średnich rozmiarów części maszyn oraz pojazdów, jeżeli wymagane granice plastyczności, wytrzymałości i ciągliwość są zbyt duże, by używać stali niestopo­wej o mikrostrukturze ferrytyczno-perlitycznej.

Stal manganowa 30G2 i 45G2 ma większą hartowność niż stal niestopowa o podobnej zawartości węgla i dlatego efekty ulepszania są wyraźne, nawet w przekrojach do 30 mm, a więc większych od krytycznych dla stali niestopo­wej. Jest ona stosowana również w stanie normalizowanym, ponieważ zwiększona zawartość manganu umożliwia i w tym stanie osiągnięcie wyraźnie wyższych wartości R_e i R_m niż w stali niestopowej.

Stal manganowo-krzemowa 35SG stanowi materiał pozwalający uzyskać dobre właściwości w małych i średnich przekrojach. Ponadto krzem rozpusz­czony w ferrycie utwardza go, dzięki czemu zarówno po ulepszaniu cieplnym, jak i w stanie normalizowanym stal wykazuje większą odporność na ścieranie. Z tego powodu stal ta jest używana do wyrobu dużych kół zębatych (w stanie normalizowanym).

Stal chromowa od 30H do 50H jest stalą o większej hartowności, stosowa­ną do wyrobu elementów o średnicy do ok. 100 mm, które nie wymagają harto­wania wskroś. Jeżeli jednak jest to konieczne, to największy wymiar elementu określa średnica krytyczna dla danych warunków hartowania. Stal 30HGS o jeszcze większej hartowności jest używana w stanie hartowanym i odpuszczo­nym w temperaturze nie wyższej niż 500°C ze względu na kruchość odpuszcza­nia. Dobre wyniki uzyskuje się stosując hartowanie tej stali z przemianą izotermiczną.

Stal chromowo-molibdenowa od 25HM do 40HM ma większą hartowność od stali chromowej, dzięki zawartości molibdenu. Ze względu na jego zawartość należy, w celu uzyskania tej samej twardości, stosować wyższą temperaturę odpuszczania, co zapewnia lepszą ciągliwość. Stal ta jest niewrażliwa na kru­chość odpuszczania.

Stal 40H2MF dzięki dużej zawartości chromu i molibdenu oraz dodatkowi wanadu odznacza się bardzo dużą hartownością, co pozwala uzyskać duże war­tości Rm i R, przy dobrej ciągliwości w dużych przekrojach.

Stal chromowo-niklowo-molibdenowa (od 37HGNM do 30H2N2M) sta­nowi zespół gatunków o największej hartowności, która zależy od zawartości składników stopowych: chromu, niklu i molibdenu. Średnice krytyczne zwięk­szają się podczas hartowania w oleju od 50 mm dla 37HGNM do 250 mm dla 30H2N2M. W takich przekrojach można więc uzyskiwać równomierne właści­wości wytrzymałościowe, połączone z dobrą ciągliwością, Te gatunki stali są stosowane przede wszystkim do wyrobu dużych części maszyn i konstrukcji pracujących w najtrudniejszych warunkach.

2. Stal do utwardzania powierzchniowego.

Stal do nawęglania.

W celu zapewnienia dobrej ciągliwości rdzenia w stanie hartowanym i ni­sko odpuszczonym stal do nawęglania zawiera nie więcej niż 0,25% węgla. W celu polepszenia właściwości technologicznych i użytkowych zawie­ra wiele pierwiastków stopowych. Pierwiastki te zwiększają przede wszystkim hartowność, a tym samym umożliwiają zahartowanie i uzyskanie dużej wytrzy­małości rdzenia. Więk­sza zawartość chromu opóźnia dyfuzję węgla, a wskutek obniżenia aktywności węgla w austenicie i cementycie powoduje jego dużą koncentrację w warstwie i ostre przejście do rdzenia. Stal chromowa i chromowo-manganowa (15H, 20H, 14HG, 20HG) jest stosowana do wyrobu niedużych elementów, od których jest wymagana jedynie duża odporność na ścieranie warstwy nawęglonej, jak: wały noskowe, rolki, sworznie, wrzeciona i inne. Stal 18HGT stosuje się do wyrobu silnie obciążo­nych kół zębatych, wałków i innych części o średnicy do 150 mm, od których jest wymagana duża wytrzymałość rdzenia.

Stal do azotowania.

Stal stopowa do azotowania dzięki odpowiedniej zawartości pierwiastków stopowych pozwala na uzyskanie twardej, odpornej na ścieranie powierzchni. Zawartość węgla (C = 0,38%) jest tak dobrana, aby po ulepszeniu cieplnym uzyskać dużą wytrzymałość rdzenia. Ponieważ azotowanie prowadzi się w tem­peraturze ok. 500°C, stal zawiera 0,15-0,25% molibdenu w celu usunięcia wrażliwości na kruchość odpuszczania. Dużą twardość warstwy dyfuzyjnej 1000-1200 HV uzyskuje się na skutek obecności aluminium tworzącego najtwardsze azotki.

3. Stal sprężynowa.

Do wyrobu sprężyn l resorów używa się stali niestopowej i stopowej o za­wartości węgla 0,35-0,90%. Jako składniki stopowe stosuje się krzem, mangan, chrom i wanad (tab. 3). Rola pierwiastków stopowych sprowadza się przede wszystkim do zapewnienia niezbędnej hartowności i wysokiej granicy spręży­stości. Wymagane właściwości mechaniczne uzyskuje się stosując hartowanie i odpuszczanie. Dla większości gatunków temperatura odpuszczania wynosi 400-480°C; gatunki zawierające chrom odpuszcza się w temperaturze ok. 500°C. Jako typowe zastosowanie można wymienić: resory wagonów kolejo­wych - 50S2, resory tramwajów i samochodów ciężarowych - 60S2, drążki skrętne i resory samochodów osobowych - 50HSA, 50HFA, sprężyny zaworów -65G. Sprężyny i resory pracują przede wszystkim na zmęczenie. Dlatego zna­czący wpływ na ich trwałość wywiera stan powierzchni. Nie dopuszcza się pęk­nięć w warstwie powierzchniowej, odwęglenia i zubożenia węgla. W celu wprowadzenia do tej warstwy naprężeń ściskających często się stosuje obróbkę mechaniczną - np. śrutowanie.

4. Stal łożyskowa.

Części łożysk tocznych powinny się odznaczać dużą twardością, odporno­ścią na ścieranie, zginanie i skręcanie oraz dużą wytrzymałością zmęczeniową w warunkach zmęczenia kontaktowego. Stąd też stali do wyrobu łożysk stawia się duże wymagania co do czystości, mikrostruktury, twardości oraz hartowno­ści. Wtrącenia niemetaliczne, a przede wszystkim kruche tlenki oraz siarczki zmniejszają wytrzymałość zmęczeniową Dlatego często stosuje się przetapianie elektrożużlowe tej stali.

Sferoidyt składający się z dyspersyjnych, równomiernie rozmieszczonych węglików w osnowie ferrytycznej umożliwia obróbkę tej stali na automatach kuźniczych oraz pozwala uzyskać po ich obróbce dobre i powtarzalne właściwości mechaniczne. Pasmo­wa segregacja oraz siatka węglików, a także perlit pasemkowy są niepożądane i dyskwalifikują wyroby ze względu na ich ujemny wpływ na właściwości łożysk. Stal łożyskową hartuje się od temperatury 820-840C w oleju i odpuszcza w temp 180C. Struktura po takiej OC składa się z drobnoiglastego martenzytu z drobnym, sferoidalnym, równomiernie rozmieszczonym cementytem. ŁH5 i ŁH15SG.

---