PIERWIASTKI AUSTENITOTWÓRCZE

Takie pierwiastki jak Co, Mn, Ni, zwane austenitotwórczymi, w stopach żelaza powodują rozszerzenie obszaru występowania roztworu stałego γ Przy odpowiednio dużym stężeniu tych pierwiastków jednofazowa struktura austenityczna występuje w całym zakresie poniżej temperatury solidusu.

PIERWIASTKI FERRYTOTWÓRCZE

Pierwiastki nazywane ferrytotwórczymi, np. Cr, V, Al, Si, Ti, Mo, W, ograniczają

w stopach żelaza obszar występowania roztworu stałego γ. Przy dostatecznie

dużym stężeniu tych pierwiastków w stanie stałym w całym zakresie

temperatury (od temperatury pokojowej do solidusu) występuje więc struktura roztworu

stałego α.

Pozostałe pierwiastki, do których - poza węglem - należą między innymi azot

i miedź, powodują występowanie fazy γ w wysokiej temperaturze oraz fazy α

w temperaturze niskiej (rys. 6.4c).

Stale stopowe sprężynowe

ZASTOSOWANIE I WŁASNOŚCI

Sprężyny i resory są wykonywane najczęściej ze stali sprężynowych. Materiał

stosowany na elementy sprężyste powinien cechować się bardzo dobrymi własnościami

sprężystymi, tzn. wysoką granicą sprężystości Rsp oraz dużą wartością stosunków

tej wielkości do granicy plastyczności Re lub Rp0,2 i wytrzymałości na rozciąganie

Rm. Pożądana jest duża wytrzymałość na zmęczenie przy ograniczonych

wymaganiach dotyczących własności plastycznych.

SKŁAD CHEMICZNY

Stale sprężynowe zawierają ok. 0,5÷1,25% C (najczęściej 0,5÷0,8% C), od którego

przede wszystkim zależą własności wytrzymałościowe i granica sprężystości.

Stale stopowe sprężynowe, dostarczane w postaci taśm wąskich o grubości od 0,3

do 6 mm, ujęto w normie PN-EN 10132-4:2002U (tabl. 6.47). W części stali podstawowym

pierwiastkiem stopowym w tych stalach jest Si, najintensywniej zwiększający

Rsp, Re i Rm. Stale sprężynowe krzemowe cechują się jednak małą hartownością

i z tego względu są stosowane na sprężyny o niewielkich przekrojach. Większą

hartownością charakteryzują się stale sprężynowe z podwyższonym stężeniem

manganu. Dodatek Cr jeszcze intensywniej zwiększa hartowność i odporność stali

na odpuszczanie, hamując jednocześnie relaksację naprężeń. Podobny wpływ wywiera

V, bardziej węglikotwórczy od Cr, zapewniając stalom sprężynowym drobnoziarnistość,

zmniejszając szybkość przemian martenzytu i zmian własności wytrzymałościowych

podczas odpuszczania oraz ograniczając skłonność stali do odwęglenia.

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 nieprzekraczającej 150°C.

W krajowych stalach sprężynowych (według dotychczasowej normy PN-74/H-

84032) średnie stężenie C nie przekracza 0,7%, a podstawowym pierwiastkiem stopowym

w większości z nich jest Si.

OBRÓBKA CIEPLNA

Obróbka cieplna sprężyn i resorów polega na austenityzowaniu w temperaturze

800÷870°C i hartowaniu w oleju lub wodzie zależnie od gatunku stali, a następnie

średnim odpuszczaniu w temperaturze 380÷520°C (tabl. 6.47). Po takiej obróbce

cieplnej sprężyny mają strukturę martenzytu odpuszczonego o wymaganych własnościach

mechanicznych. Wytrzymałość zmęczeniowa stali jest w dużym stopniu

zależna od struktury warstwy wierzchniej, dlatego podczas obróbki cieplnej konieczne

jest zabezpieczenie sprężyn przed odwęgleniem przez zastosowanie atmosfery

ochronnej lub kąpieli solnej. Sprężyny szczególnie odpowiedzialne są wytwarzane

z taśm lub drutów szlifowanych i obrabiane cieplnie wyłącznie w ośrodkach

o potencjale węglowym większym od stężenia węgla w stali.

Warstwę wierzchnią piór resorów można dodatkowo poddać umocnieniu zgniotowemu

przez śrutowanie lub młotkowanie, co wpływa na zwiększenie wytrzymałości

zmęczeniowej i trwałości resorów.

STALE STOPOWE DO ULEPSZANIA CIEPLNEGO

ZASTOSOWANIE I WŁASNOŚCI

Najwięcej elementów konstrukcyjnych i elementów maszyn podlegających dużym

obciążeniom mechanicznym, jak np. wały, koła zębate, sworznie, korbowody,

śruby, trzonki i oprawy narzędzi składanych z częścią roboczą z węglików spiekanych,

powinna być wykonana z materiału łączącego możliwie dużą wytrzymałość

z dużą plastycznością i odpornością na pękanie przy obciążeniach dynamicznych.

Warunki te spełniają w różnym stopniu stale maszynowe i konstrukcyjne stopowe

do ulepszania cieplnego, mające po hartowaniu i odpuszczaniu strukturę martenzytu

wysokoodpuszczonego. Stale te stanowią podstawowy materiał konstrukcyjny

w przemyśle maszynowym.

SKŁAD CHEMICZNY

Stale maszynowe i konstrukcyjne do ulepszania cieplnego mają średnie stężenie

węgla, ok. 0,25÷0,5%, decydujące o własnościach wytrzymałościowych, oraz dodatki

stopowe, których głównym celem jest nadanie stali określonej hartowności. Wymagana

hartowność jest jednym z głównych kryteriów doboru stali z tej grupy na

elementy o znanej postaci geometrycznej (porównaj rozdz. 4.9.2 i 6.3.2). Skład

chemiczny tych stali według normy PN-EN 10083-1+A1:1999 przedstawiono w tablicy

6.45, natomiast stale z mikrododatkiem boru są objęte normą PN-EN 10083-

3:2000 (tabl. 6.46). Normy te odnoszą się do walcówki, prętów, blach uniwersalnych,

walcowanych na gorąco blach cienkich i grubych, taśm, odkuwek, kęsów i kęsisk

walcowanych na gorąco lub kutych o grubości do 250 mm. Te wszystkie stale

OBRÓBKA CIEPLNA

Założone własności elementów maszyn i elementów konstrukcyjnych ze stali

do ulepszania cieplnego uzyskuje się po obróbce cieplnej polegającej na hartowaniu

i wysokim odpuszczaniu. Orientacyjne warunki obróbki cieplnej zestawiono

w tablicach 6.45 i 6.46. Temperatura odpuszczania mieści się najczęściej w zakresie

500÷680°C 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 w związku z intensyfikacją procesu rozpadu

martenzytu. Po ulepszaniu cieplnym strukturę stali stanowi martenzyt wysokoodpuszczony.

Niektóre elementy konstrukcyjne, od których wymaga się dużej

wytrzymałości i dopuszcza się ich obniżoną udarność, można wykonać ze stali

o stężeniu węgla 0,4÷0,5% i zastosować po zahartowaniu niskie odpuszczanie. Poza

ulepszaniem cieplnym, większość stali tej grupy można poddawać hartowaniu

izotermicznemu, pod warunkiem, że uzyskane własności spełniają warunki podane

w normie.

Ulepszanie cieplne, w przypadku gdy średnica krytyczna jest większa lub równa

średnicy elementu konstrukcyjnego, umożliwia uzyskanie w przybliżeniu jednakowych

własności mechanicznych na całym przekroju obrabianego elementu.

Zróżnicowanie własności warstwy wierzchniej i rdzenia jest możliwe metodami

obróbki powierzchniowej, np. hartowania powierzchniowego lub obróbki cieplno

-chemicznej.

STALE STOPOWE DO NAWĘGLANIA

ZASTOSOWANIE I WŁASNOŚCI

Stale stopowe maszynowe 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 maszyn oraz wysokie własności wytrzymałościowe nawęglonej

powierzchni i duża ciągliwość rdzenia.

SKŁAD CHEMICZNY

Stale stopowe do nawęglania charakteryzują się małym stężeniem C, nieprzekraczającym

0,25% i zwykle dodatkiem 0,8÷1,7% 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. Stężenie

wymienionych pierwiastków jest ograniczane, gdyż powodują one obniżenie

temperatury Ms, co wpływa na zwiększenie udziału austenitu szczątkowego, decydującego

o zmniejszeniu twardości warstwy nawęglonej. Najniższe własności wytrzymałościowe

rdzenia wykazują stale chromowe i chromowo-manganowe. Mangan

w zbyt dużym stężeniu powoduje niepożądany rozrost ziarn, czemu przeciwdziała

dodatek Ti. Bor jest dodawany do stali 16MnCrB5 w celu zwiększenia ciągliwości

warstwy nawęglonej i zahartowanej.

W przypadku gdy są wymagane bardzo duże własności plastyczne rdzenia i wysokie

własności wytrzymałościowe, stosuje się stale chromowo-manganowo-molibdenowe

i chromowo-molibdenowe. Molibden sprzyja drobnoziarnistości, natomiast

nikiel zwiększa plastyczność rdzenia. Najwyższe własności wytrzymałościowe

i wysokie własności plastyczne rdzenia wykazują więc stale chromowo-niklowe,

korzystnie z dodatkiem Mo lub W.

OBRÓBKA CIEPLNA

Obróbkę cieplną zwykłą i cieplno-chemiczną stali do nawęglania omówiono

w rozdz. 4.13.1, natomiast orientacyjną temperaturę tych operacji dla stali podano

w tablicy 6.48. Nawęglanie stali o niskim stężeniu C, np. 10NiCr5-4, może odbywać

się w temperaturze wyższej niż podana tablicy 6.48. Temperatura nawęglania jest także zależna od metody nawęglania, np. wynosi nawet do 1050°C w przypadku

nawęglania próżniowego. Po nawęglaniu elementy maszyn są poddawane alternatywnie:

bezpośredniemu hartowaniu z temperatury nawęglania (korzystne, ze względu

na niski koszt obróbki), po ochłodzeniu, pojedynczemu hartowaniu z temperatury właściwej dla warstwy nawęglanej, po ochłodzeniu, podwójnemu hartowaniu: z temperatury wyższej, właściwej dla rdzenia i następnie z temperatury niższej, właściwej dla warstwy nawęglonej

(niezalecane, z powodu wysokiego kosztu obróbki). Obróbkę cieplną stali nawęglonych kończy niskie odpuszczanie. Wytrzymałość rdzenia tak obrobionych cieplnie elementów maszyn o średnicy w zakresie 16÷40 mm wynosi od ok. 650 MPa w wypadku stali 17Cr3 do ok. 1050 MPa w wypadku stali 18CrNiMo7-6.

Stale stopowe do azotowania

ZASTOSOWANIE I WŁASNOŚCI

Niektóre elementy maszyn, takie jak np. wały korbowe, korbowody, sworznie

tłokowe, koła zębate, tuleje, cylindry, krzywki rozrządu, wały rozrządowe, elementy

pompy paliwowej silników wysokoprężnych, powinny się cechować bardzo twardą

i odporną na ścieranie warstwą wierzchnią w części współpracującej z innymi

elementami oraz rdzeniem o dużej wytrzymałości przy możliwie dużej ciągliwości.

Twardość warstwy wierzchniej, jak i wytrzymałość rdzenia powinny być większe od

uzyskiwanych w wyniku nawęglania i obróbki cieplnej elementów ze stali maszynowych

do nawęglania. Własności takie zapewniają stale stopowe do azotowania poddane

ulepszaniu cieplnemu, a następnie azotowaniu.

SKŁAD CHEMICZNY

Skład chemiczny stali do azotowania jest zbliżony do stali stopowych do ulepszania

cieplnego i jest tak dobrany, aby poza zapewnieniem dużej hartowności

oraz odporności na kruchość odpuszczania, pierwiastki stopowe tworzyły także

dyspersyjne i twarde azotki podczas nasycania warstwy wierzchniej azotem. 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. Orientacyjny skład chemiczny i niektóre własności stali

stopowych do azotowania (według normy PN-EN 10085:2002U) podano w tablicy

6.49. Stale te należą do klasy jakości specjalnych i mogą być dostarczane w postaci

prętów, taśm, blach i odkuwek. Znaki tych stali są zgodne z zasadami oznaczania

stali stopowych na podstawie ich składu chemicznego, podanymi w rozdz.

6.1.5 (tabl. 6.8). Dotychczas w kraju stosowano stale stopowe do azotowania objęte

wycofaną normą PN-89/H-84030/03. Azotowaniu można także poddać niektóre

elementy wykonane ze stali maszynowych do ulepszania cieplnego.

OBRÓBKA CIEPLNA

Obróbka cieplna elementów maszyn przeznaczonych do azotowania polega na

hartowaniu i wysokim odpuszczaniu, po którym następuje szlifowanie wykończające

powierzchni przewidzianych do nasycenia azotem i jako operacja końcowa - azotowanie

jedną z metod podanych w rozdz. 4.13.2, w temperaturze niższej od temperatury

uprzedniego odpuszczania, zwykle w zakresie 480÷570°C. Orientacyjne warunki

ulepszania cieplnego poprzedzającego azotowanie podano w tablicy 6.49.

Ogólna charakterystyka stali na elementy

łożysk tocznych

ZASTOSOWANIE I WŁASNOŚCI

Stale stosowane do wytwarzania elementów łożysk tocznych powinny cechować

się bardzo dużą twardością, jednorodnością struktury, wysokim stopniem czystości

oraz hartownością, zapewniającą uzyskanie struktury martenzytycznej bez

austenitu szczątkowego w całym przekroju. Stale te w stanie obrobionym cieplnie

są odporne na ścieranie, wykazują dużą wytrzymałość zmęczeniową i statyczną

oraz odpowiednią ciągliwość. Własności wymagane od elementów łożysk tocznych

można także osiągnąć przez utwardzanie warstwy wierzchniej przez nawęglanie

lub hartowanie powierzchniowe. Niektóre łożyska toczne pracujące w szczególnych

warunkach powinny być wykonane ze stali odpornych na korozję lub zachowujących

swoje własności w podwyższonej temperaturze.

SKŁAD CHEMICZNY

Dużą twardość i odporność na ścieranie zapewnia stalom na elementy łożysk

tocznych węgiel o stężeniu ok. 1%, a więc znacznie większym niż w innych grupach

stali stopowych konstrukcyjnych lub maszynowych. Wysoka czystość i jednorodna

struktura bez skupień i pasmowej segregacji węglików gwarantują dużą wytrzymałość

zmęczeniową. Wymaganą hartowność stale te osiągają dzięki dodatkowi ok.

1,5% Cr. W przypadku dużych wymiarów elementów łożysk są stosowane stale,

które oprócz podwyższonego stężenia Cr zawierają Si i Mn, zapewniające większą

hartowność. Znaczące zwiększenie własności stali łożyskowych (zwłaszcza stosowanych

na łożyska o dużych wymiarach) powoduje także dodatek do ok. 0,5% Mo.

Grupa stali łożyskowych o strukturze nadeutektoidalnej, przeznaczonych do hartowania

na wskroś, jest stosowana do wytwarzania większości łożysk tocznych

i jest podana jako pierwsza w normie PN-EN ISO 683-17:2002U (tabl. 6.50).

Oznaczanie tych stali jest zgodne z zasadami obowiązującymi dla stali stopowych

klasyfikowanych na podstawie składu chemicznego, podanymi w rozdz. 6.1.5 (tabl.

6.8). Dotychczas w kraju stosowano gatunki stali łożyskowych ujęte w wycofanej

normie PN-74/H-84041.

---