STAL NIESTOPOWA
Dodatki szkodliwe lub zanieczyszczenia to: fosfor, siarka, arsen, antymon,
wodór, tlen, azot i inne. Pierwiastki te pogarszają właściwości stali, lecz całko-
wite ich usunięcie jest technicwie niemożliwe lub nieopłacalne. Dlatego do-
puszcza się ich obecność do pewnego minimalnego poziomu, który zależy 0d
zastosowania stali. Do stali przechodZĄ także, z reguły ze złomu, pierwiastki
metaliczne jak: nikiel, chrom, miedź i inne. Pierwiastki te w zAsadzie nie obni-
żają właściwości stali, lecz zrnieniają jej charakterystyki technologiczne, dlate-
90 ich udział w stali niestopowej jest również ograniczony. Polska norma
PN-EN 10020 klasyfikuje stal według zawartości pierwiastków, stopnia odtle-
nienia oraz według właściwości i zAstoSOwania. Zgodnie z tą klasyfikacją, stal
niestopowa to gatunki, w których zawartość pierwiastków metalicznych jest
mniejsza 0d zAwartości granicznej podanej w normie, np. poniżej 0, 10% alumi-
nium, 0,30% chromu, 0,50% krzemu, 1,65% manganu, 0,08% molibdenu,
0,30% niklu, 0,05% tytanu, 0,10% wanadu. Jeżeli zawartość któregokolwiek
pierwiastka przekroczy zawartość graniczną, to stal jest klasyfikowana jako stopowa.
Podstawowej klasyfikacji stali niestopowej dokonuje się według jakości
i wyróżnia się:
. stal niestopową podstawową,
. stal niestopowąjakościową,
. stal niestopową specjalną.
stal niestopowa podstawowa to gatunki nie przeznaczone do obróbki ciepl-
nej, których właściwości określa się w próbie rozciągania, zginania, przez po-
miar udamości przy +20°C i pomiar twardości. Gatunki te powinny zawierać nie
mniej niż 0,10% węgla, 0,045% fosforu i 0,045% siarki. Warunki te spełnia stal
określona w normie PN-881H-84020: Stal niestopowa konstrukcyjna ogólnego
przeznaczenia.
stal niestopowa jakościowa to również gatunki nie przeznaczone do obróbki
cieplnej (z wyjątkiem wyżarzAnia odprężającego, zrniękczającego i normalizo-
wania), 0d których wymaga się np. określonej wielkości ziama, ciągliwego
przełomu, podatności na odkształcenia plastycwe, ograniczonej zawartości 2A-
nieczyszczeń itp. Do grupy tej należy stal przeznaczona na blachy do tłoczenia,
automatowa, spawalna drobnoziamista, niestopowa maszynowa itp.
stal niestopowa specjalna musi spełniać cały szereg wymagań, z których
najważniejsze to:
. określona udamość w stanie ulepszonym cieplnie,
. określona hartowność,
. minimalna udamość KV w temperaturze -50°C,
. mała zawartość wtrąceń niemetalicznych oraz fosforu i siarki.
Wymagania te spełniają m.in. stal niestopowa do
niowego i ulepszania cieplnego (PN-93/H-84019) oraz stal
dziowa (PN-84/H-85020).
utwa .DzANIA powierzch-
niestopowa narzę-
2.2. Konstrukcyjna stal niestopowa
Konstrukcyjna stal niestopowa jest wytwarzana w 6 podstawowych gatun-
kach różniących się zawartością węgla i właściwościami mechanicznymi (tab. 1
i 2). Stal ta zawiera nie więcej niż 0,55% węgla, jest więc podeutektoidalna,
a jej mikrostruktura składa się z ferr)rtu i perlitu. Jest przeznaczona do stosowa-
nia w stanie surowym, to znaczy bez obróbki cieplnej. Odkuwki jednak i blachy
większej grubości często się normalizuje. Również materiaty przeznaczone do
spawania, a pracujące w trudniejszych warunkach, poddaje się normalizowaniu.
Gatunek StOS jest stosowany na małe, najmniej odpowiedzialne części kon-
strukcji stalowych, osłony, pokrycia oraz podkładki i nakładki wyrównujące.
StOS
St3
(5, SX, SY, VX, VY, ł 85-235 340-520
V W)
St4
(5, SX, SY VX, Zł5-275 400-580 l 5-22
V W)
W każdym gatunku właściwości są zróżnicowane w zależności 0d średnicy
lub grubości wyrobu, a wydłużenie A5 i średnica d także zależą 0d kierunku wy-
cięcia próbek (wzdłużny, poprzeczny).
Gatunki z grupy St3 i St4 stosuje się powszechnie na konstrukcje budowla-
ne łączone metodą spawania, jak: konstrukcje mostów, dużych hal, suwnic
i konstrukcji podsuwnicowych, kratowych konstrukcji dźwigów, słupów itp.
Gatunki 0 większej zawartości węgla (StS i St6) stosuje się w budowie środków
transportu i na mało odpowiedzialne części maszyn. stal St7 jest stosowana na
2.3. Maszynowa stal niestopowa
Grupę tą stanowią gatunki stali niestopowej jakościowej i specjalnej prze-
maczonej do utwardzania powierzchniowego przez nawęglanie lub hartowanie
powierzchniowe oraz stosowane w stanie norrnalizowanym albo ulepszonym
cieplnie i przeznaczone do wyrobu elementów maszyn. Wybrane gatunki, zgod-
nie z PN-93/H-84019, przedstawiono w tab. 3, a ich właściwości mechanicme
w tab. 4 i na rys. 1 .
1) Znak gatunku sklada się z łiczby i ewentuałnie liter. Liczby oznaczają śred~ią zawartość węgla
w setnych częściach procentu. litery oznaczają: G - zwiększoną zawartość Mn, A - zmniejszoną
zawartość 5 i P, AA - zaostrzone wymagania odnośnie do skladu chemicznego, rs - regułowaną
zawartość siarki. H - podwyższoną dołną granicę twardości w stosunku do wymaganego pasma
hartowności, h - wymaganą hartowność, L - obniżoną górną granicę twardości w stosunku do
wymaganego pasma hartowności.
2) Wszystkie gatunki mają ograniczoną zawartość pierwiastków stopowych do: Cr - maks. 0,3%;
Mo - maks. O,ł%; Ni - maks. 0,3% i Cu - maks. 0,3%.
Maszynowa stal niestopowa, produkowana jako jakościowa i specjalna,
różni się 0d gatunków jakości podstawowej staranniejszymi metodami wytwa-
rzania, większą czystością i dokładniejszą kontrolą wyrobów; 1a więc lepsze
i bardziej jednorodne właściwości. Znak stali składa się z liczby dwucyfrowej
określającej średnią zAwartość węgla podaną w setnych procenta. Gatunki ze
zwiększoną zAw3rtością manganu mają ponadto literę G.
,. .
1) WlaŚciwości podane w tabeli odnoszą się do pierwszego zakresu wymiarowego, do 16 mm.
2) Nonoa podaje wlaściwości dla czterech zakresów grubości (do 250 mm). Ze wzrostem grubości
wlaŚciwości ~vytrzymalościowe maleją, a plastyczne (A5) nieco rosną.
31 Nonoa podaje wlaŚciwości dla trzech zakresów grubości (do 100 mm). Ze ~~zrostem grubości
wlaŚciwości ~rzymalościowe ulegają zmniejszeniu, a plastyczne (A5) nieco rosną.
Znaki poszczególnych gatunków mogą zawierać także litery związane
z wym3ganą dodatkowo jakością lub określające wymagania określonej hartow-
ności stali.
Gatunki 10, 15, 20, 15G, 20G są używane na drobne wyroby, j3k: części
rowerów, maszyn do szyci3 i do pisania, m3łe koł3 zęb3te, tuleje, sworznie
i prowadnice utwardzane powierzchniowo metodą nawęglani3 oraz następnego
hartowania.
Stal w gatunk3ch 0d 25 do 45 jest stosowan3 w stanie norm31izow3nym
lub ulepszonym cieplnie do wyrobu części maszyn, gdzie wystarcza Rm = 450-
-700 MPa. gatunki 0d 50 do 65 są używane z reguły w stanie ulepszonym ciepl-
nie do wyrobu części maszyn 0 większej wytrzymałości i odpomości na ściera-
nie, takich jak koła zębate~ ślimaki, mimośrody itp. Do hartow3ni3 powierzch-
niowego używa się stali 45, 50, 55, a na sprężyny i proste narzędzia stali 65.
Stal 0 zwiększonej zAw3rtości manganu, charakteryzująca się większą hartow~
nością w porównaniu ze stalą nie zawierającą m3nganu, jest stosowana na ana-
logiczne wyroby, lecz większych rozmiarów, jak gatunki niestopowe 0 tej samej
zawartości węgla.
l
2.4. Narzędziowa stal niestopowa Cwęglowa)
Niestopowa stal narzędziowa jest produkowana w dwóch odmianach: jako
płytko- i głębokohartująca się.
Znak stali skł3da się z litery N (stal narzędziowa do pracy na zimno), licz-
by, która pod3je zawartość węgla w dziesiętnych procenta, i litery E, która jest
dod3w3n3 do znaku gatunków płytkohartujących się, np. N9 i N9E. Mała har-
towność obydwu odmian jest wynikiem małej, dopuszczalnej zawartości man-
g3nu i krzemu, a także chromu, niklu i miedzi oraz drobnego ziama austenitu.
Drobne ziamo austenitu i m3łą skłonność do jego rozrostu uzyskuje się, stosując
odtlenianie stali 31uminium. Stal ta podlega kontroli składu chemicznego, har-
towności przez pomiar grubości warstwy zAhartowanej na znormalizowanej
próbce i wrażliwości n3 przegrzanie przez pomiar ziama na przełomie próbki
(porównanie z wzorcarni wg sk31i Jemkontoret).
Podstawowe zalety narzędziowej stali niestopowej to możliwość uzyskania
twardej, odpomej na ścieranie warstwy martenzytycznej na ciągliwym rdzeniu,
m3ła ilość austenitu szczątkowego po hartowaniu oraz mała twardość po wyża-
rzAniu zmiękczającym, umożliwiająca wytwarzanie narzędzi 0 skomplikowa-
nych ksztahach. Wadą tej stali jest skłonność do tworzenia tzw. "miękkich
plam". Miękkie plamv ~ są to miejsca na powierzchni, które nie uległy zaharto-
waniu ze względu na lokalnie zbyt małą szybkość chłodzenia. W tabeli 5 poda-
no skład chemiczny i typowe zAstoSOwanie narzędziowej stali niestopowej. Ga-
tunki tej stali zAwierające ponad 0,8% węgla hartuje się 0d temperatury 780-
-820°C w zimnej wodzie lub wodnych roztworach NaCI, Na,CO~ i NaOH. Ga-
tunki podeutektoidalne N5-N8 hartuje się 0d temperatury Ac. ~ + 30-50°C, stosu-
jąc analogiczne ośrodki oziębiające. Odpuszczanie prowadzi się w temperaturze
160-220°C tak, aby nie nastąpiło zmniejszenie twardości. Wyroby po hartowa-
niu mają mikrostrukturę drobnoiglastego martenzytu z nieznaczną, kilkupro-
centową zawartością austenitu szczątkowego i sferoidalnymi cząstkami cemen-
tytu drugorzędowego.
STOPOWA STAL MASZYNOWA, SPRĘŻYNOWA
,
l ŁOŻYSKOWA
1
Stal niestopowa 1a dobre właściwości mechaniczne, lecz często nie może
zaspokoić wielu wymagań technologicwych i eksploatacyjnych. W takim przy-
padku stosuje się stal stopową. W budowie maszyn stosuje się głównie nastę-
pujące gatunki stali stopowej :
. do ulepszania cieplnego i hartowania powierzchniowego,
. do nawęglania,
. do azotowania,
. sprężynową,
. łożyskową.
2.1. stal do ulepszania cieplnego i hartowania
powierzchniowego
Stopowa stal maszynowa jest stosowana głównie do wyrobu małych i śred-
nich rozmiarów części maszyn oraz pojazdów, jeżeli wymagane granice pla-
styczności, wytrzymałości i ciągliwość są zbyt duże, by używać stali niesto~
wej 0 rnikrostrukturze ferrytyczno-perlitycznej. Mikrostruktura sorbityczna przy
jednakowej twardości i wytrzymałości 1a największą ciągliwość, korzystniejszą
proporcję Re/Rm i niżsZĄ temperaturę przejścia w stan kruchy niż struktura per-
lityczno-ferrytyczna, dzięki czemu stal ulepszAną cieplnie stosuje się powszech-
nie do wyrobu silniej obci~onych elementów maszyn. Podstawowym zagadnie-
niem jest taki dobór stali, aby w tych częściach przekroju, w których występują
duże naprężenia, można było przez hartowanie i odpuszczanie uzyskać żądaną
strukturę sorbityczną. Tak więc czynnikiem warunkującym stosowanie tej stali
jest zAwartość węgla, wpływająca przede wszystkim na utwardzalność stali
i pierwiastków stopowych, decydująca 0 hartowności stali (rys. 1). Gatunki ma-
szynowej stali stopowej do ulepszania cieplnego i hartowania powierzchniowe-
90 są liczne. Zostały zgrupowane w normach PN-89/H-84030 (stal stopowa
konstrukcyjna) i w PN-721H-84035 (stal stopowa do wyrobu sprzętu PN-721H-
-84035 szczególnie obciążonego). Norma PN-EN 10020 klasyfikuje tę stal jako
maszynową. Wybrane gatunki, skład chemiczny, parametry ulepszAnia cieplne-
90 i właściwości mechaniczne przedstawiono w tab. 1 .
Stal manganowa 30G2 i 45G2 1a większą hartowność niż stal niestopowa
0 podobnej zawartości węgla i dlatego efekty ulepszania są wyraźne, nawet
w przekrojach do 30 mm, a więc większych 0d krytycznych dla stali niestopo-
wej (tab. 1). Jest ona stosowana również w stanie normalizowanym, ponieważ
zwiększona zawartość manganu umożliwia i w tym stanie osiągnięcie wyraisie
wyższych wartości Re i Rm niż w stali niestopowej.
Stal manganowo-krzemowa 35SG stanowi materiał pozwalający uzyskać
dobre właściwości w małych i średnich przekrojach. Ponadto krzem rozpusz-
czony w ferrycie utwardzA 90. dzięki czemu zarówno po ulepszAniu cieplnym,
jak i w stanie normalizowanym stal wykazuje więksZĄ odpomość na ścieranie.
Z tego powodu stal ta jest uŻvw ~ ana do wyrobu dużych kół zębatych (w stanie
normalizowanym).
Stal chromowa 0d 30R do 50R jest stalą 0 większej hartowności, stosowa-
ną do wyrobu elementów 0 średnicv ~ do ok. 100 mm, które nie ~~1v ~ magają harto-
wania wskroś. Jeżeli jednak jest to konieczne, to największy wymiar elementu
określa średnica krytyczna dla danych warunków hartowania. Stal 30HGS
0 jeszcze większej hartowności jest używana w stanie hartowanym i odpuszczo-
nym w temperaturze nie wyższej niż 500°C ze względu na kruchość odpuszcm-
nia. Dobre wyniki uzyskuje się stosując hartowanie tej stali z przemianą izoter-
miczną.
stal chromowo-molibdenowa 0d 25RM do 40RM 1a więksZĄ hartowność
0d 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 kru-
chość odpuszczan ia.
Stal 40R2MF dzięki dużej zawartości chromu i molibdenu oraz dodatkowi
wanadu odznacza się bardzo dużą hartownośc ią, co pozwala uzyskać duże war-
tości Rn, i Re przy dobrej ciągliwości w dużych przekrojach.
Stal chromowo-niklowo-molibdenowa (0d 37RGNM do 30H2N2M) sta-
nowi zespół gatunków 0 największej hartowności, która zależy 0d zawartości
składników stopowych: chromu, niklu i molibdenu. Średnice krytyczne zwięk-
szają się podczas hartowania w oleju 0d 50 1m dla 37HGNM do 250 1m dla
30RZNZM. W takich przekrojach można więc uzyskiwać równomierne właści-
wości wytrzymałościowe, połączone z dobrą ciągliwością. Te gatunki stali są
stosowane przede wszystkim do wyrobu dużych części maszyn i konstrukcji
pracujących w najtrudniejszych warunkach.
2.2. stal do utwardzania powierzchniowego
Celem utwardzania powierzchniowego jest uzyskanie twardej i odpomej na
ścieranie warstwy powierzchniowej z zachowaniem dobrej ciągliwości rdzenia.
Podstawowymi metodami utwardzania powierzchniowego są nawęglanie i azo-
towanie.
2.2.1. stal do nawęglania
W celu zapewnienia dobrej ciągliwości rdzenia w stanie hartowanym i ni-
sko odpuszczonym stal do nawęglania zAwiera nie więcej niż 0,25% węgla
(tab. 2). W celu polepszenia właściwości technologicznych i użytkowych zawie-
ra wiele pierwiastków stopowych. Pierwiastki te zwiększają przede wszystkim
hartowno~ć, a tym samym umożliwiają zahartowanie i uzyskanie dużej ~zy-
małości rdzenia. Umożliwiają tahe stosowanie mniejszej szybkości chłodzenia
podczas hartowania, co pozwala uniknąć dużych naprężeń hartowniczych
i krzywizn. Chrom np. ~viększając hartowność, zwiększa również wytrzymałość
i ciągliwość rdzenia, a tahe odpomość warstwy nawęglonej na ścieranie. Więk-
sza 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. Dlatego chrom w stali do nawęglania występuje
najczęściej łącznie z niklem lub manganem, które przeciwdziałają temu zjawi-
sku i wpływają dodatnio na ciągliwość. Obniżają jednak znacznie temperaturę
początku przemiany martenzytycznej M s' co powoduje obecność dużej zawarto-
ści austenitu szczątkowego w warstwie nawęglonej. Dlatego zawartość tych
pierwiastków w stalijest ograniczona i występują zawsze łącznie z chromem lub
molibdenem. Ponadto molibden przeciwdziała skłonności stali do rozrostu ziar-
na, wywoływanej przez mangan (stal 15RGM). W tym samym celu stosuje się
dodatki tytanu (stal 18RGT).
Stal chromowa i chromowo-manganowa ( 15H, 20R, 14HG, 20HG) jest
stosowana do wyrobu niedużych elementów, 0d których jest wymagana jedynie
duża odpomość na ścieranie warstwy nawęglonej, jak: wały noskowe, rolki,
sworznie, wrzeciona i inne. Stal 18RGT stosuje się do wyrobu silnie obciążo-
nych kół zębatych, wałków i innych części 0 średnicy do 150 mm, 0d których
jest wymagana duża wytrzymałość rdzenia. W lotnictwie i motoryzacji na
sworznie oraz koła zębate skrzyni biegów stosuje się głównie stal chromowo-
-niklową 12HN3 i 18R2NZ lub chromowo-manganowo-molibdenową 15RGM
i 18RGM. Do wyrobu części najbardziej obciążonych i 0 największych prze-
krojach stosuje się stal 12HZN4A, 20H2N4A i 18H2N4W A.
2.2.2. stal do azotowania
Stal stopowa do azotowania dzięki odpowiedniej zAwartości pierwiastków
stopowych pozwala na uzyskanie twardej, odpomej na ścieranie powierzchni.
Zawartość węgla (C ~ 0,38%) jest tak dobrana, aby po ulepszeniu cieplnym
uzyskać dużą wytrzymałość rdzenia. Ponieważ azotowanie prowadzi się w tem-
peraturze ok. 500°C, stal zawiera 0,15-0,25% molibdenu w celu usunięcia
wrażliwości na kruchość odpuszczania. Dużą twardość warstwy dyfilzyjnej
1000- 1200 HV uzyskuje się na skutek obecności aluminium tworZącego
najtwardsze azotki. Polska nonna PN-891H-84030103 przewiduje do azotowania
gatunki 38HMJ (0,35-0,42% węgla, 0,30-0,60% manganu, 0,17-0,37% krzemu,
1,35-1,65% chromu, 0,15-0,25% molibdenu, 0,70-1,10% aluminium) oraz
33R3MF i 36R3M. Stal ta jest stosowana do wyrobu części silników spalino-
wych, wałów korbowych, kół zębatych, cylindrów, wałków roo.ZĄdu i innych.
2.3. stal sprężynowa
Do wyrobu sprężyn i resorów używa się stali niestopowej i stopowej 0 za-
wartości 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 spręży-
stości. 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 kolejo-
wych - 50S2, resory tramwajów i samochodów ciężarowych - 60S2, drążki
skrętne i resory samochodów osobowych - 50RSA, 50RF A, sprężyny zaworów -
65G. Sprężyny i resory pracują przede wszystkim na zmęczenie. Dlatego zna-
czącY wpływ na ich trwałość wywiera stan powierzchni. Nie dopuszcza się pęk-
nięć w warstwie powierzchniowej, odwęglenia i zubożenia węgla. W celu
wprowadzenia do tej warstwy naprężeń ściskających często się stosuje obróbkę
mechaniczną - np. śrutowanie.
2.4. stal łożyskowa
Części łożysk tocznych powinny się odznaczać dużą twardością, odpomo-
ścią 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 hartowno-
ści. Wtrącenia niemetaliczne, a przede wszystkim kruche tlenki oraz siarczki
zmniejszają wytrzymałość zmęczeniową. Dlatego często stosuje się przetapianie
elektrożużlowe tej stal i.
Duże wymagania co do mikrostruktury stawia się półwyrobom hutniczym,
przeznaczonym do produkcji elementów łożysk tocznych. Sferoidyt składający
się z dyspersyjnych, równomiemie rozmieszczonych węglików w osnowie fer-
rytycznej umożliwia obróbkę tej stali na automatach kuźniczych oraz pozwala
uzyskać po ich obróbce dobre i powtarzalne właściwości mechaniczne. Pasmo-
wa segregacja oraz siatka węglików, a tahe perlit pasemkowy są niepożądane i
dyskwalifikują wyroby ze względu na ich ujemny wpływ na właściwości łożysk.
Stal ło~skową hartuje się 0d temperatwry 820-840°C w oleju i odpuszcza
w temperaturze ok. 180°C. Swktura po takiej obróbce cieplnej ~ się
z drobnoiglastego rnartenzytu z drobnym, sferoidalnym, rówNomiemie roz-
mieszczonym cementytem. Obecność austenitu szcZĄtkowego, który pojaWla się
w preypadku wadliwej mibu półWyIbów huhliceych lub BŁĘD6w
w obróbce cieplnej, wpływa niekorey~ie na właściwości ło~sk. Polska norma
PN-741H-84001 przewiduje dwa gatunki stali ło~skowej: LHIS i LH1SSG,
a BN-72l0641 -06: LH 18M, LHZ0M i LHZOGM przem~ne na elementy ło-
~sk wielkogabarytowych (tab. 3). Do wyrobu ło~sk tocmych pr8Cuj~ych
w podwyżsmnej temperaturze stosuje się stal seybkoh1~ i węgliki spiekane,
a ło~sk pracujących w warunkach korozji - stal NIERdzeWNĄH18.
STAL NARZĘDZIOWA STOPOWA
Stal narzędziowa jest stosowana do produkcj i narzędzi służących do
kształtowania materiałów zarówno metodami obróbki skrawaniem, jak i prze-
róbki plastycznej, a także do produkcji różnego rodzaju przyrZĄdów pomiaro-
wych.
Poszczególne gmpy narzędzi podlegają podczas pracy różnym obci~e-
n iom, co wymaga stosowania na nie materiałów 0 odmiennych właściwościach.
Podstawowe wymagania stawiane stali narzędziowej to:
. duża twardość, która musi być większa 0d twardości obrabianego mate-
riału,
. odpowiednia hartowność do zapewnienia narzędziom niezbędnej grubo-
ści warstwy zahartowanej i odpowiedniej wytrzymałości rdzenia,
. dobra odpomość na ścieranie zapewniająca trwałość narzędzi w wamn-
kach tarcia przy znacznych naciskach jednostkowych,
. dostateczna odpomość na działanie podwyższonej temperatury.
Ze względu na zastosowanie stal narzęclziową dzieli się na:
. przeznaczoną do pracy na zimno,
. przeznaczoną do pracy na gorąco, i
. szybkotnącą. l
Znak stali narzędziowej składa się z:
. l itery N (stal narzędziowa do pracy na zimno), W (stal narzędziowa do
pracy na gorąco) lub 5 (stal szybkotnąca) umieszczonej na początku,
. litery lub kilku liter określających główny składnik lub składniki stopo-
we,
. liczb stawianych w środku lub na końcu znaku stali, wyróżniających ga- l
tunek stali, a w przypadku stali szybkotnącej określających zawartość
procentową głównych pierwiastków stopowych. l
2.2. stal narzędziowa do pracy na zimno
2.2.1. Klasyfikacja stali l
Stal narzędziowa do pracy na zimno jest stosowana na narzędzia pracujące
w temperaturze nie przekraczAjącej 200°C. Gatunki stali stopowej z tej grupy,
w porównaniu ze stalą węglową, mają większą hartowność, wytrzymałość na
skręcanie i zginanie, ciągliwość oraz dużą odpomość na ścieranie. Głównymi
dodatkami stopowymi w tej stali są chrom, mangan, wolfram i wanad. Ze
względu na zawartość węgla stal tę dzieli się na:
. średniowęglową (0d 0,4 do 0,55% węgla),
. wysokowęglową (0d 0,55 do 2,1 % węgla).
Stal średniowęglowa, wykazująca zwiększoną ciągliwość, jest stosowana
na narzędzia narażone na udarowe działanie obci~eń, natomiast stal wysoko-
węglową stosuje się na narzędzia skrawające oraz takie, w których jest pożądana
duża odpomość na ścieranie i wysoka twardość.
Skład chemicwy niektórych gatunków narzędziowej stali stopowej do pra-
cy na zimno, najczęściej stosowanych, podano w tab. 1.
2.2.2. Obróbka cieplna
Obróbka cieplna ze względu na charakter pracy i żądane właściwości sta-
nowi najważniejsze ogniwo w produkcji narzędzi. Gatunki tej stali poddaje się
hartowaniu i niskiemu odpuszczaniu. Temperatura austenityzowania jest zwią-
zana z rodzajem i zawartością pierwiastków węglikotwórczych w stali - im
większe stężenie pierwiastków stopowych, tym wyższa temperatura austenity-
zowania. Zapewnia to rozpuszczenie dostatecznej ilości węglików stopowych
w austenicie. Ponieważ część węglików zwiększających odpomość na ścieranie
powinna pozostać nierozpuszczona, więc gatunki nadeutektoidalne hartuje się
z temperatury 30-60°C powyżej Acl , natorniast gatunki ledeburytyczne można
hartować z temperatury wyższej 0d Acm. Zapewnia to nasycenie austenitu
węglem i pierwiastkami stopowymi, co powoduje zwiększenie hartowności. Stal
narzędziowa do pracy na zimno po hartowaniu 1a mikrostrukurę składającą się
z martenzytu listwowego, austenitu szczątkowego i nierozpuszczonych węgli-
ków.
Odpuszczanie przeprowadzA się najczęściej w zakresie temperatury 150-
-260°C. Jedynie narzędzia wykonane ze stali podeutektoidalnych narażone na
działanie obciążeń dynamicznv - ch, 0d których jest wymagana większa ciągli-
wość, są poddawane odpuszczAniu w wyższej temperaturze (250-450°C). Taka
obróbka cieplna powoduje jednak zmniejszenie twardości stali. Stosunkowo
małe obniżenie twardości po obróbce cieplnej w tych warunkach wykazują ga-
tunki 0 znacznym stężeniu pierwiastków węglikotwórczych: NC 10, NC 1 1,
NCl lLV, NW9 (rys. 1). .
Powierzchnie narzędzi wykonanych ze stal i narzędziowej do pracy na zim-
no w czasie obróbki cieplnej powinny być zabezpieczone przed utlenieniem
i odwęgleniem, dlatego narzędzia 0 dużych rozmiarach obrabia się cieplnie
w piecach z atmosferami ochronnymi, a małe - w kąpielach solnych.
2.3. stal narzędziowa do pracy na gorąco
2.3.1. Klasyfikacja stali
Stal narzędziowa do pracy na gorąco jest stosowana na narzędzia prac
w zakresie temperatury 250-700°C. W niższej temperaturze pracują nie
kowadła kuźnicze i noże do cięcia na gorąco, w najwyższej zaś - matryc~
kuźniczych, narzędzia do wyciskania na gorąco oraz formy do odlewani~
ciśnieniem.
Wymagania stawiane tym gatunkom stali. dużą wytrzymałość, twa
i odpomość na ścieranie w podwyższonej temperaturze osiąga się przez (
składu chemicznego oraz odpowiednią obróbkę cieplną. Stal ta zawiera 0
do 0,6% węgla oraz dość znaczną ilość dodatków stopowych. Głównymi d
kami stopowymi są chrom oraz wanad, molibden i wolfram, powodujące
twardości wtómej podczas odpuszczania, oraz krzem, nikiel i mangan.
Ze względu na zastosowanie narzędzia wykonane ze stali narzędzio~
pracy na gorąco są narażone na wystąpienie zjawiska zmęczenia cieplnego,
możliwość pękania w wyniku działania zmieniających się cyklicznie nap
cieplnych. Może również wystąpić zjawisko zmęczenia cieplno-mechanic~
(w przypadku nakładających się na siebie zjawisk zmęczenia cieplnego i n
żeń zewnętrznych spowodowanych np. naciskami powierzchniowymi). Zja'
te znacznie przyspieszają zużycie narzędzi.
Skład chemiczn~. niektórych gatunków stopowej stali narzędziowej dc
cy na gorąco podano w tab. 2.
2.3.2. Obróbka cieplna
Stal narzędziowa do pracy na gorąco jest dostarczana w stanie zmiękczo-
nym. Po obróbce skrawaniem narzędzia poddaje się hartowaniu i wysokie-
1u odpuszczaniu (rys. 2). Temperatura austenityzowania jest zawarta w za-
kresie 840-1140°C w zależności 0d składu chemicznego i rodzAju narzędzia.
Po austenityzowaniu i hartowaniu stal narzędziowa do pracy na gorąco 1a mi-
krostrukturę martenzytu listwowego z węglikami pierwotnymi i austenitem
szczątkowym. Podczas odpuszczania przemiana austenitu szczątkowego i wy-
dzielające się węgliki stopowe typu M4C3, M?C i M7C3 powodują efekt twar-
dości wtómej. Po ulepszaniu cieplnym stal narzędziowa do pracy na gorąco
1a mniejszą twardość niż stal narzędziowa do pracy na zimno. Aby zwiększyć
trwałość narzędzi, należy je przed rozpoczęciem pracy nagrzewać do tempera-
tury 200-300°C, a podczas pracy nie powinno się ich schładzać poniżej tego
zakresu.
2.4. stal szybkotnąca
2.4.1. Klasyfikacja stali
Stal szybkotnąca jest najczęściej stosowana na wieloostrzowe narzędzia
skrawające z dużą szybkością, złożone narzędzia ksmłtowe oraz elementy na-
rzędzi pomiarowych. stal ta wykazuje dużą twardość i odpomość na ścieranie
w temperaturze do ok. 650°C. Wymagane właściwości, zwłaszcm dużą hartow-
ność oraz efekt twardości wtómej, osiąga się przez odpowiednie dobranie skła-
du chemicznego i prawidłowo przeprowadzoną obróbkę cieplną. Najważniejsze
pierwiastki stopowe to chrom, wolfram, molibden i wanad, a w wielu gatunkach
dodatkowo występuje kobalt. Skład chemiczny gatunków stali szybkotnącej
stosowanych w Polsce podano w tab. 3.
Oprócz optymalnie dobranego składu chemicznego 0 dobrych właściwo-
ściach stali szybkotnącej decyduje ksmłt i rozłożenie węglików. Segregacja
węglików zależy 0d pierwotnej budowy wlewka oraz stopnia przerobu podczas
przeróbki plastycznej.
Mikrostmktura stali szybkotnącej po odlaniu jest ledeburytyczna. Po wyża-
rzaniu ujednorodniającym przeprowadza się obróbkę plastyczną (ok. 1100°C
w celu rozbicia siatki ledeburytu i rozdrobnienia węglików) oraz wyżarza-
nie zmiękczające. W stali szybkotnącej w stanie wyżarzonym występują wę-
gliki typu M6C, M23C6 i MC. Ich rodzAj i ilość zależy 0d składu chemiczne-
go stali.
2.4.2. Obróbka cieplna
Obróbka cieplna narzędzi ze stali szybkotnącej polega na hartowaniu
z temperatury bliskiej solidusu (1200-1270°C) i wysokim odpuszczaniu (rys. 3).
0d jej prawidłowego wykonania zależy uzyskanie pożądanych właściwości na-
rzędzi. Bardzo ważne w procesie obróbki cieplnej jest zastosowanie odpowied-
niej temperatury austenityzowania, podczas którego następuje rozpuszczanie się
węglików w osnowie. co powoduje wzbogacenie austenitu w pierwiastki stopo-
we. polepszenie hartowności i wpływa na przemiany fazowe zachodzące pod-
czas chłodzenia. Zbyt wv ~ soka temperatura austenityzowania powoduje wyraźny
rozrost ziama austenitu oraz może powodować lokalne nadtopienia. Natomiast
zbyt niska temperatura austenityzowania nie zapewnia prawidłowego rozpusz-
czania węglików w osnowie. w wyniku czego otrzymuje się mniejszą twardość
stali po odpuszczaniu. Podobny wpływ ~vywiera przedłużenie CzASU austenity-
zowania (rys. 4).
Mikrostruktura stal i szybkotnącej po hartowaniu składa się z martenzytu
listwowego i austenitu szczątkowego (ok. 20%) oraz nie rozpuszczonych węgli-
ków pierwotnych. Podczas odpuszczania z osnowy wydzielają się dyspersyjne
węgliki, najczęściej M4C3, a niekiedy M- ,c oraz następuje przemiana martenzy-
tyczna austenitu szczątkowego. Po prawidłowo ~vykonanym odpuszczaniu twar-
dość stali jest ok. 2-3 HRC wYżSzA 0d uzyskanej po hartowaniu. Zależność
twardości 0d temperatury odpuszczAnia różnych gatunków stali przedstawiono
na rys. 5.
5TAL 0 SZCZEGÓLNYCH WŁAŚCIWOŚCIACH
CHEMICZNYCH l FIZYCZNYCH
Podstawowe grupy gatunków stali 0 szczególnych właściwościach
micznych i fizycznych to:
. stal odpoma na korozję,
. stal żaroodpoma i zaworowa,
. stal 0 szczególnych właściwościach magnetycznych.
2.1. stal odporna na korozję
Korozja to niszczenie metali wskutek agresywnego oddziaływania środo-
wiska. Żelazo oraz stal niestopowa i niskostopowa nie są odpome na korozję
i ulegają korozyjnemu niszczeniu w każdym środowisku- W suchym powietrzu
żelazo pokrywa się cienką, pasywną warstwą FE304, która dostatecznie chroni
żelazo przed dalszym utlenianiem. Jednak w wilgotnym powietrzu tlenek ten
przyłącza cząsteczki wody, przechodzi w rdzę [Fe(OH)3] i traci właściwości
ochronne. W temperaturze powyżej 570°C FE304 przechodzi w FeO, który jako
roztwór pustowęzłowy nie 1a żadn~ch właściwości ochronnych. Podobnie za-
cho~,tują się w środowisku korozyjnym także inne metale. Niektóre z nich, te
które mają większe powinowactwo z tlenem niż żelazo, tworzą tv ~ lko jeden tle-
nek 0 ~vartej budowie i przenosZĄ tę cechę na stopy z żelazem, są wykorzysty-
wane do ich ochron)~ przed korozją. Pierwiastkami ~tmi są chrom. aluminium
i krzem.
Stal zawierająca ok. 13% chromu zmienia swój potencjał elektrochemiczny
z ujemnego na dodatni (rys. la), co zapobiega jej korozji w roztworach wod-
nvch. Przyczyną tego jest utworzenie się na powierzchni pasywnej warstewki
~
[CrO4]Ż- (rys. 1 b). Aluminium i krzem tworzą zwarte oraz szczelne tlenki Al, -03
oraz SiOż i są stosowane przede wszystkim do ochrony stali przed korozją ga-
zową w temperaturze powyżej 600°C. Ponieważ AlżO~ i SiOż są kruche, alumi-
nium i krzem stosuje się łącznie z chromem, którego t'lenek Cr,03 jest elastycz-
ny i wchodząc w skład zgorzeliny, zwiększa odporność stali na zmęczenie
cieplne.
Stal odpomą na korozję dzieli się na:
. chromową - nierdzewną,
. chromowoniklową - kwasoodpomą.
Stal chromowa zawierająca 13-14% chromu lub ok. 17% chromu przy zawarto-
ści < 0,1% węgla (OH13, OH13J, H17, OH17T)jest ferrytyczna w całym zakre-
sie temperatury. Można ją spawać, umacniać tylko zgniotem, nie podlega ob-
róbce cieplnej z wyjątkiem wyżarzania rekrystalizującego i odprężającego. Stal
zawierająca powyżej 0,2% węgla (2H13, 3H13, 4H13, 3H17M, Hl7N2, H18)
w temperaturze ok. 1100°C uzyskuje strukturę austenityczną, a podCzAS chło-
dzenia w powietrzu się hartuje~e stali tej wykonuje się nierdzewne części ma-
szyn i nierdzewne narzędzia. Hartowanie prowadzi się najczęściej z temperatury
960-1000°C (z zakresu dwufazowego: austenit-węgliki) w oleju. EIEmENTY ma-
szyn odpuszcza się wysoko: 600-700°C, a narzędzia nisko, w ok. 200°C. Wy-
brane gatunki nierdzewnej stali chromowej przedstawiono w tab. 1.
Stal chromowo-niklowa, nazywana stalą kwasoodporną, zAwiera powyżej
8% niklu i dlatego 1a w temperaturze pokojowej strukturę austenityczną. Cha-
rakteryzuje się lepsZĄ odpomością na korozję 0d stali chromowej, zwłaszcza
w środowiskach kwaśnych. Wszystkie gatunki tej stali mają małą wytrzymałość
i bardzo dużą plastyczność:
. Rm - ok.500 MPa,
. Re - 200-250 MPa,
. A5 - 35-40%,
. KCU - 120-150 J/cmż.
Można je umacniać gniotem, kształtować plastycznie i obrabiać skrawa-
niem. Spawanie tych stali jest technologicznie proste. Stal ta jednak zawiera do
0,1% węgla, wskutek czego w strefach wpływu ciepła (500-800°C) mogą się
wydzielać wzdłuż granic ziam węgliki CrnC6. Węgliki te zAwierają 60-65%
chromu, wskutek czego w stykających się z nimi zewnętrznych strefach ziam
jego zawartość znacznie się zmniejsza i w sprzyjających warunkach ulegają one
korozji (tzw. korozja międzykrystaliczna). Dlatego wyroby po spawaniu musZĄ
być poddane przesycaniu ( 1050- 1 1000C/w0da) w celu rozpuszczenia węglików
chromu i wprowadzenia ich składników do roztworu stałego. Jeżeli ze względu
na rodzaj konstrukcji (np. duże zbiomiki) przesycanie jest niemożliwe, to sto-
suje się stal "genetycznie" odpomą na korozję międzykrystaliczną. Odpomość
tę uzyskuje się przez zmniejszenie zawartości węgla do maks. 0,03%, co unie-
możliwia wydzielanie się węglików chromu, lub przez stabilizowanie stali tyta-
nem albo niobem; %Ti = 5x%C; Nb = 10x%C. Pierwiastki te podczas krystali-
zacji pierwotnej wiążą węgiel, a także azot w stabilny tytan (węgiel, azot) i niob
(węgiel, azot), co zapobiega wydzielaniu się węglików chromu i przeciwdziała
koro~i międzykrystalicznej. W roztworach, w których się znajdują jony chlo-
rowców, może wystąpić miejscowe zniszczenie pasywnej warstewki na po-
wierzchni stali i szvbka korozja w głąb - tzw. korozja wżerowa. Zapobiega się
~
jej przez dodatek co najmniej 2% molibdenu, ten jednak silnie stabilizuje ferryt,
czemu się przeciwdziała zwiększoną zawartością niklu: gatunki zAwierające
molibden mają nie mniej niż 14-16% niklu. Dodatek 1,5-2,5% miedzi zwiększa
odpomość tej stali na korozję w środowisku kwasu siarkowego. Zastąpienie
części niklu manganem zmniejszA koszt stali: gatunki takie stosuje się w prze-
myśle spożywczyw. Niektóre austenityczne gatunki stali chromowo-niklowej
przedstawiono w tab. 2.
2.2. stal żaroodporna i zaworowa
Żaroodpomością nazywa się odpomość stali na działanie gazów utleniają-
cych w wysokiej temperaturze. Wraz z odpomością na korozję gazową stal ża-
roodpoma musi mieć zdolność przenoszenia obciążeń mechanicznych. Ponadto
są pożądane dobre właściwości technologiczne, a zwłaszcza spawalność.
Wśród stali żaroodpomej wyróżnia się stal żaroodpomą ogólnego przezna-
czenia, stosowaną w budowie pieców przemysłowych, palenisk, kotłów, apara-
tury chemicznej, w przemyśle szklarskim, w petrochemii itp. Specjalne grupy
tworZĄ gatunki używane do wyrobu zAworów silników spalinowych oraz stale
i stopy do wyrobu oporów grzewczych.
Stal węglowa w atmosferze utleniającej się utlenia; szybkość utleniania
silnie się zwiększa z podwyższeniem temperatury (rys. 2). Żaroodpomość stali
polega głównie na tworzeniu się na jej powierzchni zwartej i dobrze prZylegają-
cej warstwy tlenków, chroniącej metal przed dalszym utlenianiem. Aby nadać
stali żaroodpomość, wprowadza się do niej chrom, krzem oraz aluminium.
Pierwiastki te, mając większe powinowactwo z tlenem niż żelazo, utleniają się
intensywniej i wytwarzają na powierzchni części stalowych zwartą oraz szczel-
nie przylegającą warstwę tlenków hamujących proces dalszego utleniania.
Żaroodporność stali zależy przede wszystkim 0d jej składu chemicznego,
a nie 0d struktury i z tego powodu nie 1a zasadniczej różnicy między stalą fer-
rytyczną (chromową) a austenityczną (chromowo-niklową). W ażne jest, aby stal
żaroodpoma w zakresie temperatury pracy nie przechodziła przemian alotropo-
wych, gdyż związane z tym zmiany objętości mogą naruszyć spójność warstwy
tlenków wytworzonej na powierzchni wyrobu.
Stal żaroodpomą można podzielić na (PN-71/H-86022):
. ferrytyczną stal chromowo-aluminiową,
. ferrytyczną stal chromowo-krzemową,
. austenityczną stal chromowo-niklową.
Dla każdej stali istnieje określona graniczna temperatura, powyżej której
stal traci żaroodpomość. Jako miarę żaroodpomości przyjmuje się temperaturę,
w której próbka 0 ściśle oznaczonych wymiarach uzyskuje graniczną wartość
przyrostu masy wynoszącą 0,025 gicmZ jej powierzchni w czasie 250 h.
Oprócz odpomośc i chemicznej 0d stali żaroodpomej wv ~ maga się zdolności
zachowania właściwości mechanicznych w wv ~ sokiej temperaturze. przy jedno-
czesnvm działaniu krótkotrwałego lub długotrwałego obciążenia. Właściwości
mechaniczne stali w wysokiej temperaturze ~viększają: molibden, wolfram
i ~~ anad. Ponieważ dodatki te nie zwiększAją żaroodporności stali. musi ona
zawierać także pierwiastki zApewniające żaroodpomość, przede wszvstkim
chrom. krzem i aluminium. Aby zApewnić strukturę austenityczną, do stali żaro-
odpomej wprowadza się jeszcze nikiel i man~an. Wiele elementów pieców
przemysłowych i aparatury chemicznej ~vykonuje się z żaroodpomego staliwa,
którego skład chemiczny odpowiada żaroodpornej stali. Gatunki stali żarood-
pomej przedstawiono w tab. 3.
Szczególną grupę stali żaro~[trzymałej, u~.wanej na zawory w silnikach
spalinowych, stanowi stal zaworowa.
Temperatura pracy zaworów wlotowych nie przekracza 500°C, natorniast
części zaworów wydechowvch mogą osiągać do 900°C. Zawory, zwłaszcza wy-
~ środowisku zawierającym tlenki wana-
dechowe, pracują w bardzo agresywnv ~ m
du i ołowiu oraz związki siarki i są obciążone dynamicznie siłami bezwładności,
które zależą 0d masy zaworu, układu napędu zaworu i l iczby obrotów silnika.
stali stosowanej na zawory stawia się szereg wymagań:
. dużej odporności na wysokotemperaturową korozję gazową,
. dużej odporności na ścieranie,
. małej rozszerzalności i dużej przewodności cieplnej,
. dużej wytrzymałości na pełzanie oraz obciążenia udarowe,
. dobrych właściwości technologicznych, zwłaszcza podatności na obrób-
kę plastyczną.
Na zawory stosuje się gatunki martenzytyczne (H9S2, H 10SZM) i austeni-
tyczne (50H21G9N4, 4H14N14WZM). Skład chemiczny, obróbkę cieplną, wła-
ściwości tej stali przedstawiono w tab. 4.
Gatunki martenzytyczne hartuje się z temperatury 1050°C i odpuszcza
w temperaturze 750-800°C. Z powodu jednak mniejszej wytrzymałości mecha-
nicznej i odpomości chemicznej stosuje się ją głównie na zawory wlotowe.
stal austenityczną przesyca się w temperaturze 1000- 1100°C i starzy
w temperaturze 700-800°C przez kilkanaście godzin. stal ta jeszcze w tempera-
turze 800°C 1a wystarczającą wytrzymałość mechaniczną. Dlatego gatunek
50H21G9N4, wykazujący dużą odpomość na korozję w tlenkach ołowiu, jest
standardową stalą na zawory wydechowe silników spalinowych. stal
4H 14N 14WZM po przesycaniu i starzeniu 1a niekorzystny rozkład węglików -
po granicach ziam i granicach bliźniaczych, dlatego jest stosowana w stanie
zmiękczonym na duże zawory silników lotniczych. Zawory te, ze względu na
małą przewodność cieplną, mają drążone trzonki, wypełnione metalicznym 50-
dem, który podczas pracy się topi i ułatwia chłodzenie zaworu.
Wszystkie zAwory silników spalinowych mają przylgnię zaworową napa-
waną stellitem, powierzchnię trzonków utwardzoną przeciwciemie warstwą
chromu, a stopkę utwardzoną przez hartowanie indukcyjne lub napawanie stel-
litem. Często powierzchnie trzonków zaworów, zwłaszcza prZy przejściu w
grzybek, utwardzA się przez azotowanie.
2.3. stal 0 szczególnych właściwościach magnetycznych
Do stali 0 szczególnv ~ ch właściwościach magnetycznych zaliCzA się:
. stalmagnetycznie miękką,
. stal magnetycznie twardą,
. stal n iemagnetyczną.
Do materiałów magnetycznie miękkich zalicza się czyste żelazo, stal nisko-
~,ęglową, stal krzemową oraz stopy żelaza z niklem. Najprostszym materiałem
magnetycznie miękkim jest technicznie czyste żelazo (EO05Pr, EO08Pr) stoso-
~ane do wyrobu rdzeni elektromagnesów i przekaźników. Latwiejsza do otrzy-
maniajest stal niskowęglowa (PN-81/H-84023; 04, 04A, 04J).
Stal krzemowa jest podstawowym materiałem stosowanym do wyrobu
blach elektrotechnicznych, z których się wykonuje rdzenie transformatorów
i części prądnic. Zgodnie z zastosowaniem, blachy elektrotechniczne można
podzielić na dwie grupy.
. blachy prądnicowe 0 zawartości 0,4-3,4% krzemu,
. blachy transformatorowe 0 zawartości 3,7-4,2% krzemu.
W przypadku dużych ~eymagań co do przenikalności magnetycznej ja-
ko materiały magnetycznie miękkie stosuje się stopy żelaza z niklem. Najwięk-
sZĄ przenikalność 1a stop z zawartością 78% niklu i 22% żelazA 0 nazwie
permalloy; jego przenikalność magnetyczna jest ok. 10 razy większA 0d przeni-
kalności czystego żelaza.
stal magnetycznie twarda stosowana do wyrobu magnesów trwałych dzieli
się na następujące grupy:
. stal węglowa 0 zawartości 1,0-1,5% węgla, stosowana w stanie zaharto-
wanym; można z niej wykonać tylko niewielkie magnesy ze względu na
małą hartowność tej stali,
. stal stopowa (PN-751H-84038); zawiera ok. 1% węgla oraz dodatki: wol-
fram, chrom i kobalt; stal tę hartuje się do uzyskania stmktury marten-
zytycznej, która jest najkorzystniejszą stmkturą stali do wyrobu magne-
sów trwałych; po hartowaniu przeprowadza się obróbkę podzerową
w temperaturze -70°C (wymrażanie) w celu usunięcia austenitu szcząt-
kowego oraz się odpuszcza.
ŻELIWO NIESTOPOWE
2.1. Właściwości i zastosowanie żeliwa
Żeliwo to wieloskładnikowy stop żelaza z węglem otrzymany w wyniku
wtómego przetopu surówki, krzepnący z wydzieleniem eutektyki. Teoretyczna
zawartość węgla, zapewniająca utworzenie eutektyki i wynosząca dla stopu
dwuskładnikowego ielaza z węglem 2,1 %, moie być w rzeczywistości mniejsza
ze względu na obecność w żeliwie wielu pierwiastków (krzemu, manganu, fos-
foru, siarki, niklu, chromu, miedzi i innych), w większości przesuwających cha-
rakterystyczne punkty układu równowagi fazowej w stronę mniejszej zawartości
węgla. Zawartość węgla w ieliwie niestopowym wynosi w praktyce 0d 2,5
do 4,5% (w żeliwie stopowym nawet poniiej 2%). Zawartość węgla i innych
pierwiastków w ieliwach jest zbliżona do zawartości tych pierwiastków w 5u-
rówkach. Między tymi stopami jednak istnieje zasadnicza różnica wynikająca ze
sposobu otrzymywania i czystości. Surówka jest produktem procesu wielkopie-
cowego i tylko w niewielkiej ilości jest przeznaczona do bezpośredniej produk-
cji odlewów Natomiast żeliwo otrzymuje się w wyniku wtómego przetopu 5u-
rówki, złomu i dodatków
KorZystne właściwości technologicwe i użytkowe decydują, że ieliwo jest
nadal w wielu dziedzinach podstawowym tworzywem konstrukcyjnym (udział
elementów żeliwnych w budowie maszyn wynosi 0d 50 do 70%) i najczęściej
stosowanym stopem odlewniczym, którego udział 0d wielu lat nie spada poniiej
80%. Odpowiednie właściwości odlewnicze, jak dobra lejność i mały skurcz,
pozwalają otrzymywać dobrej jakości odlewy. Niska temperatura topnienia,
proste urZądzenia i tanie składniki do produkcji, dobra skrawalność (prZy braku
cementytu) decydują 0 małych kosztach wytwarzania. 0 stosowaniu żeliwa jed-
nak jako tworzywa konstrukcyjnego decydują głównie właściwości użytkowe:
dobre właściwości ślizgowe, odpomość na ścieranie, zdolność tłumienia drgań,
odpomość chemiczna na działanie wielu czynników, odpomość na korozję
ziemną i wodną oraz ciągle poprawiona wytrzymałość. Powszechne zastosowa-
nie znajdują odlewy z żeliwa w przemyśle budowy maszyn na koła zębate, wały,
korpusy, w tym łoża obrabiarek, w budownictwie na rury i kształtki wodno-
-kanalizacyjne, w przemyśle energetycwym i motoryzacyjnym na korpusy silni-
ków, cylindry, pierścienie tłokowe, wały korbowe itp.
2.2. Mikrostruktura żeliwa
Mikrostruktura ieliwa niestopowego składa się z metalicznej osnowy (fer-
rytu, perlitu, ledeburytu), grafitu oraz wtrąceń niemetalicznych. Właściwości
żeliwa zależą 0d postaci węgla, kształtu, wielkości i rozłożenia grafitu oraz
udziału i stopnia dyspersji faz osnowy.
Węgiel w żeliwie może krystalizować zgodnie ze stabilnym układem rów-
nowagi w postaci wolnej - grafitu - lub zgodnie z układem metastabilnym
w postaci zwi~nej - cementytu. Niekiedy obie te postacie węgla mogą wystę-
pować jednocześnie, krystalizując bezpośrednio z roztworu ciekłego lub z roz-
tworu stałego - austenitu. Na krystalimcję żeliwa wpływa głównie stopień prze-
chłodzenia oraz czynniki termodynamiczne. Wydzielanie się cementytu zarów-
no z cieczy, jak i z austenitu jest łatwiejsze niż wydzielanie grafitu. Wynika to
z bliższego podobieństwa struktury i składu chemicwego austenitu do cemen-
tytu niż do grafitu. Grafitjestjednak w całym zakresie temperatury faZą bardziej
stabilną termodynamicwie 0d cementytu (rys. 1). Krystalizacja poniiej tempe-
ratury 1 148°C przebiega z wydzielaniem się cementytu, w zAkresie temperatury
1 154-1 148°C z wydzielaniem się mieszaniny austenitu i grafitu, ale tylko wów-
CzAS, gdy przechłodzenie nie przekroczy różnicy temperatury między stabilnym
i metastabilnym wykresem równowagi. Duży stopień przechłodzenia, jaki towa-
rzyszy dużej szybkości chłodzenia w czasie krystalizacji, sprzyja tworzeniu się
ledeburytu - mieszaniny austenitu i cementytu. Podobnie przebiegają procesy
wydzielania w zakresie przerniany eutektoidalnej. Węgiel jako podstawowy
składnik żeliwa sprzyja grafityzacji. Ze wzrostem jego zawartości łatwiej uzy-
skać w żeliwie węgiel w postaci grafitu. Również obecność w żeliwie innych
pierwiastków wpływa na ten proces, sprzyjając lub przeciwdziałając wydziela-
niu się węgla w postaci cementytu albo grafitu - często inaczej w zAkresie prze-
rniany eutektycznej, a inaczej w zakresie przerniany eutektoidalnej. Najinten-
sywniej grafityzacji zarówno podczas krystalizacji, jak i obróbki cieplnej
sprzyja krzem występujący w żeliwie w ilości 0d 0,5 do 3,5%, który dodatkowo
polepsza właściwości odlewnicze. Grafityzacji sprzyjają również fosfor, alumi-
nium, miedź i nikiel, natomiast przeciwdziałają siarka, mangan, chrom, wolfram
i molibden.
2.3. Wpływ składu chemicznego i szybkości chłodzenia
na mikrostrukturę żeliwa
Na mikrostrukturę żeliwa, decydującą 0 właściwościach, wpływa skład
chem iczny, warunki wytopu i odlewania, rodzaj formy, szybkość chłodzenia
podczas krzepnięcia i stygnięcia odlewu. Uwzględnienie wszystkich czynników
jest niekiedy wręcz niemożliwe. Ograniczenie liczby czynników stało się pod-
stawą opracowania wykresów strukturalnych dających orientacyjny pogląd na
wpływ niektórych z nich na mikrostrukturę i właściwości otrzymanych odle-
wów. Najprostszymi wykresami strukturalnymi są opracowane już dość dawno
(okres m iędzywoj enny) wykresy Maurera, Greinera-Klingensteina (ry 5. 2), S ip-
pa. Obrazują one przede wszystkim wpływ składu chemicznego i szybkości
chłodzenia podczas krystalizacji na mikrostrukturę żeliwa niestopowego. Przy
małej zawartości węgla i krzemu otrzymuje się żeliwo białe. Wzrost zawartości
węgla przy małej zawartości krzemu sprzyja otrzymaniu żeliwa połowicznego.
Podniesienie zawartości krzemu zwiększa skłonność do grafityzacji, co sprzyja
otrzymaniu żeliwa szarego perlitycznego, a przy dużej zawartości krzemu - fer-
rytycznego. Szybkość chłodzenia jest określana na tych wykresach grubością
ścianek odlewu.
Przy dużej szybkości chłodzenia (cienkie ścianki odlewu) otrzymuje się
żeliwo białe. W wyniku zmniejszenia szybkości chłodzenia odlewu (średnia
grubość ścianki) powstaje żeliwo połowiczne. Wolne chłodzenie sprzyjające
grafityzacji umożliwia otrzymanie żeliwa szarego perlitycznego, a następnie
ferrytycznego przy tym samym składzie chemicznym. Szybkość chłodzenia
wpływa również na ilość i rozmiary wydzieleń grafitu. Podczas wolnego chło-
dzenia (grube ścianki odlewu) otrzymuje się żeliwo szare ferrytyczne z dużymi
wydzieleniami grafitu, co pogarsza właściwości mechaniczne żeliwa. Przy zróż-
nicowanej grubości ścianek właściwości odlewu są różne w poszczególnych
jego częściach.
2.4. Rodzaje, otrzymywanie i zastosowanie żeliwa niestopowego
Norrny określające podstawowe rodzaje żeliwa pozostawiają producentom
dowolność wyboru (lub do uzgodnienia z odbiorcą) metody ich otrzymywania.
Producent ustala skład chemiczny, metodę produkcj i i ewentualną obróbkę
cieplną, które powinny zagwarantować wymagania ustalone w normach lub
z odbiorcą. Dopuszcza się uzgodnienie pomiędzy producentem i odbiorcą wła-
ściwości mechanicznych (Rm' A, HB) na podstawie próbek przylanych lub pO-
bieranych z odlewów. W arunkami odbioru może być objęta również mikro-
struktura (kształt, ilość, rozmiary i rozłożenie grafitu oraz mikrostruktura osno-
wy metalicznej) oceniana podobnie jak właściwości mechaniczne na próbkach
dodatkowo odlewanych, próbkach po badaniach właściwości mechanicznych
lub z uzgodnionych miejsc odlewu. Oprócz grafitu i osnowy jest również znor-
malizowana wielkość wtrąceń niemetalicznych i eutektyki fosforow~j.
Żełiwo niestopowe oprócz węgla w iłości 0d 2,3 do 4,5% zAwIera dodatki
krzemu (0,5-3%) i manganu (0,1-1%) oraz zAnieczyszczenia takie jak siarka
(< 0,15%) i fosfor (< 0,5ąc).
W załeżności 0d wygłądu przełomu żełiwo dzieli się na (rys. 3):
. szare; przełom znormalizowanej próbki 1a szare zABARwIENIE wywołane
węgłem wydziełonym w postaci grafitu,
. białe; przełom znormałizowanej próbki 1a jasną, metałiczną barwę spo-
wodowaną wydziełeniem się węgła w postaci cementytu,
. połowiczne; przełom jest w części szAry, a w części biały w wyniku wy-
stępowania w strukturze zarówno grafitu, jak 1 cementytu.
Żeliwo białe jest bardzo kruche i prawie nieobrabiałne ze względu na dużą
twardość. Zastosowanie znajduje jedynie do produkcji żełiwa ciągliwego, do
wyrobu elementów roboccych mieszałników i młynów kułowych. Również
ograniczone zastosowanie 1a tzw. żeliwo powierzchniowo zabielone, ucyski-
wane przez odpowIednie sterowanie scybkością chłodzenIa. Cementyt celowo
otrcymany w określonych mIejscach odłewu utwardza te powierzchnie, zwięk-
szając Ich odpomość na ścieranIe (walce hutnicze, krzywkI wałków rozrZĄdu,
klocki pracujące na ścieranie, czopy wałów korbowych).
Żeliwo szare, w którym węgiel występuje głównIe w postaci grafitu, a ilość
węgla zwi~nego nie przekraczA zawartości węgła w perłicie, jest najczęściej
stosowane do wytwarzania odlewów. Ze względu na kształt wyróżnia się trcy
podstawowe rodzaje grafitu: płatkowy, sferoidałny i węgiel żarzenia. Grafit
płatkowy występuje w żełiwie szarym zwykłym, tzw. mascynowym, żełiwo
0 kułistym kształcie grafitu jest nazywane żełiwem sferoidalnym, natomiast
węgiel żarzenia występuje w żeliwie ciągłiwym.
Żełiwo szare (zwykłe), w którym grafit 1a kształt płatkowy, kłasyfikuje się
zgodnie z normą PN-921H-83101 w załeżrtości 0d minimałnej wytrzymałości na
rozciąganie i 0d twardości (tab. 1). Skład chemiczny żełiwa szarego może się
zmieniać w dość szerokich granicach w załeżności 0d wymaganych właściwo-
ści, rozmiarów i kształtu odłewów (2,60-3,50% węgła, 0,5-3,0% krzemu,
0,4- 1,2% manganu, 0,1 -0,3% chromu, 0,1 -0,5% fosforu). Wyróżrtia się sześć
gatunków tego żełiwa oznaczonych łiczbą trzycyfrową, okreśłającą minimałną
wytrcymałość na rozciąganie w megapaskalach: 100, 150, 200, 250, 300 i 350,
wyznaczoną na próbkach specjałnie odłanych do tego celu. Mikrostruktura me-
tałicznej osnowy żełiwa szarego może być ferrytyczna, ferrytyczno-perlityczna,
perłityczno-ferrytyczna i perłityczna (rys. 3). Największą twardość i wytrzyma-
lość mają żełiwa 0 osnowie perłitycznej, najmniejszą - 0 osnowie ferrytycznej.
Nie okreśła się właściwości płastycznych żełiwa szarego. Do najistotniejscych
właściwości żełiwa szarego zalicza się zdołność tłumienia drgań, dużą wytrzy-
małość na ściskanie, małą wrażłiwość na działanie karbu i odporność na ściera-
nie. Znajduje ono zastosowanie w budowie maszyn, obrabiarek, silników spali-
nowych i kół zębatych.
Do żełiwa szarego załicza się również żełiwo modyfikowane, otrcymywane
przez wprowadzenie do żełiwa krzepnącego jako białe łub połowiczne modyfi-
katora, którym jest najczęściej żełazo-krzem, żełazo-wapń łub aluminium. Mo-
dyfikator przez odgazowanie kąpiełi metałowej i wytworzenie dużej iłości tłen-
ków będących ośmdkami krystałizacji grafitu powoduje rozdrobnienie i bardziej
równomieme rozłożenie płatków grafitu, w wyniku czego powstaje żełiwo szare
perłityczne 0 większej wytrcymałości na rozciąganie (do 400 MPa).
Żeliwo sferoidalne otrcymuje się przez dodanie - przed odłaniem do żeliwa
krzepnącego jako szare - magnezu łub ceru, w wyniku czego grafit krystalizuje
w kształcie kułistym. Dodatkowo żełiwo sferoidalne jest produkowane jako mo-
dyfikowane, przy obniżonej zawartości siarki (< 0,08%) i większej zawartości
węgła (do 4,5%). Wyższa jakość i kułisty kształt grafitu bardzo istotnie zwięk-
szają jego wytrcymałość i plastyczność z zachowaniem innych właściwości że-
łIwa SzArego. Żełiwo sferoIdałne, w porównaniu z żeliwem SzArym, 1a mniejszą
zdołność tłumienIa drgań. Polska norma PN-921H-83123 wyróżrtIa dziewięć
gatunków nIestopowego żeliwa sferoidalnego skłasyfikowanego na podstawie
minimałnej wytrcymałości na rozciąganie Rm i wydłużenia A5 (tab. 2). W szcze-
gółnych prcypadkach jest również dopuszczałna kłasyfikacja na podstawie
twardości w skałi Brinella mierzonej na odlewach.
Mikrostrukturę osnowy żeliwa sferoidalnego (ferryt, ferryt z perlitem, per-
lit, bainit, martenzyt) uzyskuje się bezpośrednio podczas krzepnięcia i stygnię-
cia odlewu po odlaniu lub w wyniku dodatkowej obróbki cieplnej.
Wytrzymałość na rozciąganie żeliwa sferoidalnego zmienia się 0d 350 do
900 MPa w zależności 0d mikrostruktury osnowy: minimalne wydłużenie A5
wynosi 0d 2% dla żeliwa z osnową perlityczną do 22% dla żeliwa z osnową
ferrytyczną. Wyznacza się również udamość ferrytycznych gatunków żeliwa
sferoidalnego (350-22, 400-18 i 400-15). Żeliwo sferoidalne jest stosowane
między innymi na korpusy maszyn i przekładni, wały korbowe, korbowody oraz
wałki rozrZĄdu.
W technologii produkcji żeliwa dopusZCzA się stosowanie dodatkowej ob-
róbki cieplnej, w celu usunięcia naprężeń odlewniczych (wyżarzanie odprężają-
ce), usunięcia ewentualnych zabieleń (wyżarzanie grafityzujące), poprawy wła-
ściwości wytrzymałościowych (wyżarzanie perlityzujące), a w produkcji żeliwa
sferoidalnego wyżarzanie normalizujące oraz ulepszanie cieplne.
Żeliwo ciągliwe. Żeliwo ciągliwe jest to poddany obróbce cieplnej stop żela-
za z węglem, który w stanie odlanym 1a strukturę pozbawioną grafitu, tzn. że
węgiel występuje wyłącznie w postaci cementytu. Użytkową strukturę żeliwa
ciągliwego uzyskuje się w wyniku obróbki cieplnej. Wyróżnia się dwie grupy
żeliwa ciągliwego, różniące się składem chemicznym i mikrostrukturą zależną
0d sposobu prowadzenia wyżarzAnia grafityzującego (tab. 3):
. żeliwo ciągliwe białe - W,
. żeliwo ciągliwe czame - B i perlityczne - P.
Żeliwo ciągliwe białe otrzymuje się w wyniku długotrwałego wyżarzania gra-
fityzującego żeliwa białego (rys. 4 - a,b) w atmosferze odwęglającej, mającego
na celu całkowite usunięcie węgla (mikrostruktura ferrytyczna). Jest to jednak
możliwe tylko w odlewach 0 małym przekroju. W dużych przekrojach jest do-
puszczalna w strefie środkowej odlewu mikrostruktura złożona z ferrytu i węgla
żarzenia, a nawet perlitu, ferrytu i węgla żarzenia. Nie dopuszcza się w mikro-
strukturze żeliwa ciągliwego białego obecności grafitu płatkowego.
Żeliwo ciągliwe czarne i perlityczne otrzymuje się przez wyżarzanie grafity-
zujące żeliwa białego w atmosferze obojętnej. W żeliwie ciągliwym czamym
podczas WYżarzAnia w temperaturze ok. 900- 1000°C zachodzi całkowita grafity-
zacja cementytu pierwotnego i eutektycznego z wydzieleniem węgla żarzenia.
Uzyskanie mikrostruktury ferrytycznej z węglem żarzenia, charakterystycznej
dla żeliwa ciągliwego czamego, wymaga również grafityzacji cementytu wtór-
nego, co uzyskuje się podczas bardzo wolnego chłodzenia (< 5°CIh) w zakresie
przemiany eutektoidalnej (rys. 4 - c). Żeliwo ciągliwe perlityczne (rys. 4 - d)
otrzymuje się również przez wyżarzanie grafityzujące w atmosferze obojętnej,
przy czym nie doprowadza się do całkowitej grafityzacji cementytu eutektoidal-
nego .
Żeliwo ciągliwe oznacm się odpowiednio literami W, B, P i liczbami 0d-
powiadającymi minimalnej wytrzymałości na rozciąganie Rm, MPa (podzielonej
przez 10) oraz liczbami określającymi minimalne wydłużenie A5, %. Największą
wytrzymałością charakteryzuje się żeliwo ciągliwe perlityczne, natomiast pla-
stycznością żeliwo ciągliwe czArne. Żeliwo ciągliwe białe charakteryzuje się
natomiast dobrą spawalnością przy gorszej skrawalności. Żeliwa ciągliwe są
stosowane na rnniej odpowiedzialne odlewy w produkcji maszyn do szycia, ma-
szyn rolniczych, w budownictwie do produkcj i łącmików rur.
W praktyce produkcyjnej coraz szersze mstosowanie majduje żeliwo nie-
stopowe 0 zmodyfikowanym składzie chemicznym. Przez dodanie niewielkiej
ilości (do kilku dziesiątych procenta) takich pierwiastków jak miedź, nikiel,
fosfor, mangan, chrom, molibden uzyskuje się korzystną zmianę rozmiarów
i rozłożenia grafitu, zwiększenie dyspersji perlitu, umocnienie ferrytu, wydzie-
lenie eutektyki fosforowej, prowadZĄce do polepszenia wytrzymałości i innych
właściwości użytkowych żeliwa niestopowego.