11. DODATKI STOPOWE W STOPACH ŻELAZO-WĘGIEL

1. Stale stopowe

Stalami stopowymi nazywamy stale, które poza żelazem i węglem oraz zwykłymi domieszkami (Mn, Si, P, S, Cu) zawierają jeszcze inne specjalnie wprowadzone składniki lub podwyższone zawartości manganu i krzemu. Te celowo wprowadzone składniki noszą nazwę dodatków stopowych.

Dodatki stopowe oddziałują zarówno na węgiel i żelazo, jak i wzajemnie na siebie, na skutek czego struktura i właściwości stali ulegają zmianie. Dzięki wprowadzeniu do stali dodatków stopowych można przede wszystkim uzyskać:

1) wysokie właściwości mechaniczne i technologiczne,

2) zwiększoną hartowność,

3) wysoką twardość i odporność na ścieranie,

4) określone właściwości fizyczne i chemiczne, np. odporność na korozję, żaroodpor-ność i żarowytrzymałość.

Stale stopowe są droższe od stali węglowych i stosuje się je tylko wtedy, gdy stawiane wymagania są niemożliwe do spełnienia w przypadku użycia stali węglowych. W celu uzyskania optymalnych właściwości stale stopowe stosowane są zwykle w stanie ob­robionym cieplnie.

Do kryteriów, na których oparta jest klasyfikacja stali stopowych, zaliczyć można ich skład chemiczny, tj. rodzaj i ilość dodatków stopowych, strukturę w stanie wolno chłodzonym, zastosowanie, jakość stali oraz metody jej otrzymywania.

Najbardziej rozpowszechniony jest podział stali w zależności od zawartych w nich dodatków stopowych, na tym też oparto nazwy stali stopowych, np. stale chromowe, stale manganowe, stale chromowo-niklowe. Z uwagi na bardzo złożony obecnie skład chemiczny stosowanych gatunków stali stopowych podział ten staje się coraz mniej jednoznaczny. Według ilości dodatków stopowych dzieli się stale na niskostopowe, średniostopowe i wysokostopowe, to znaczy stale o małej, średniej i dużej zawartości dodatków stopowych. Stale o bardzo małej zawartości dodatków stopowych noszą nazwę stali mikrostopowych. Duże praktyczne znaczenie ma podział stali według ich zastosowa­nia, a mianowicie stale konstrukcyjne, narzędziowe i stale o specjalnych właściwościach.

Oprócz stali przerabianych plastycznie mamy także staliwa stopowe. Również i żeliwa mogą zawierać dodatki stopowe i nazywamy je wówczas żeliwami stopowymi.

Poszczególne gatunki stali są oznaczone symbolami wskazującymi na ich zasadniczy skład chemiczny. System oznaczeń przyjęty w polskich normach dla stali stopowych nie jest całkowicie jednolity. Oznaczenie stali kontrukcyjnych, stali nierdzewnych i kwasood-pornych, a także stali żaroodpornych oparte jest na normach GOST. Znak tych stali składa się z cyfr oraz liter. Cyfry oznaczają zawartość węgla i pierwiastków stopowych, a litery określają zawarte w stali składniki stopowe.

Symbolika poszczególnych pierwiastków, pochodząca z alfabetu rosyjskiego, jest następująca:

N	—	nikiel,	M	—	molibden,
H	—	chrom,	G	—	mangan,
K	—	kobalt,	T	—	tytan,
S	—	krzem,	F	—	wanad,
W	—	wolfram,	J	—	aluminium.

Pierwsza liczba na początku znaku stali określa średnią zawartość węgla w setnych procenta, liczby zaś po literach wskazują przeciętną zawartość pierwiastka stopowego wyrażoną w całkowitych procentach. Brak liczby po literze określającej dany pierwiastek oznacza, że jego zawartość w stali nie przekracza 1,5%. Stale stopowe produkowane są jako stale zwykłej i wyższej jakości. Stale wyższej jakości (zawierające poniżej 0,03% fosforu i poniżej 0,03% siarki) oznacza się przez dodanie na końcu znaku litery A. Zgodnie z tym stal o znaku 18H2N2 zawiera: 0,15 ÷ 0,22% C, 1,80 ÷  2,10 Cr, i 1,80 ÷  2,10% Ni i jest stalą zwykłej jakości. Dodatkowy symbol przed znakiem stali wskazuje na jej zastosowanie, np. litera Ł oznacza stal łożyskową.

System oznaczania stali narzędziowych jest odmienny. Na początku znaku stali występują litery N, W lub S. Oznaczają one odpowiednio: stale do pracy na zimno (N), stale do pracy na gorąco (W) oraz stale szybkotnące (S). Dalsze litery w znaku narzędziowej stali stopowej wskazują na zawartość zasadniczych pierwiastków stopowych lub ich grup, a cyfry służą do odróżnienia gatunków stali zawierających te same dodatki stopowe. Literowe oznaczenie pierwiastków w stalach narzędziowych jest następujące:

W	—	wolfram,	S	—	krzem,
V	—	wanad,	L	—	molibden,
C	—	chrom,	K	—	kobalt,
M	—	mangan,	N	—	nikiel,
P	—	grupa: chrom + nikiel+wanad,
Z	—	grupa: krzem + chrom+wolfram.

Przykłady oznaczeń podano przy omawianiu stali narzędziowych. Pewne indywidualne oznaczenia stosowane dla niektórych rodzajów stali stopowych będą podane przy ich omówieniu.

2. Wpływ dodatków stopowych na przemiany fazowe

Pierwiastki stopowe wpływają na zakres istnienia odmian alotropowych żelaza, co wynika z odpowiednich układów równowagi fazowej. Można je pod tym względem podzielić na dwie zasadnicze grupy. Pierwiastki grupy pierwszej powodują obniżenie

temperatury przemiany A₃, a podwyższenie temperatury przemiany A₄, jak to przedstawiono na schemacie układu równowagi na rys. 11. l. W miarę zwiększania się zawartości pierwiastka stopowego, zakres istnienia fazy γ znacznie się rozszerza, aż do całkowitego zaniku obszaru występowania fazy α. Nie zachodzi wówczas przemiana alotropowa żelaza α 
 γ i roztwór γ istnieje w całym zakresie temperatur, od temperatury otoczenia aż do temperatury topnienia. Jest to układ z tak zwanym otwartym polem austenitu. Tego rodzaju układ mają stopy żelaza z niklem, kobaltem i manganem, które to pierwiastki tworzą z żelazem roztwory stałe ciągłe. Jeżeli pierwiastki rozszerzające zakres istnienia fazy γ tworzą z żelazem jedynie roztwory stałe graniczne, obszar zasięgu fazy γ jest wówczas ograniczony przez występowanie zakresów dwufazowych. W tym przypadku również w miarę zwiększania się zawartości dodatku stopowego temperatura krytyczna A₃ obniża się, a temperatura A₄ podwyższa się i zakres istnienia roztworu γ początkowo rozszerza się. Jednakże w dalszym ciągu na skutek powstawania zakresów dwufazowych, obszar fazy γ stopniowo zawęża się, aż wreszcie zupełnie zanika. Jest to układ z rozszerzonym polem austenitu, którego schemat podano na rys. 11.2. Układy tego rodzaju mają stopy żelaza z miedzią i złotem oraz pierwiastkami tworzącymi z żelazem roztwory międzywęzłowe jako węgiel i azot.

Rys. 11.1. Układ równowagi fazowej z otwartym polem austenitu

Pierwiastki grupy drugiej działają wręcz przeciwnie, to jest obniżają temperaturę przemiany A₄ i podnoszą temperaturę A₃. Jeżeli rozpuszczalność danego pierwiastka w żelazie jest dostatecznie duża, linie przemian A₄ i A₃ zbiegają się, tworząc zamknięte pole austenitu, ograniczone zakresem, w którym współistnieją ferryt i austenit, co widać na rys. 11.3. Poza tym zakresem występuje ferryt od temperatur normalnych aż do temperatur topnienia. Jest to układ równowagi z zamkniętym polem austenitu. Tego rodzaju układy mają stopy żelaza z berylem, aluminium, krzemem, fosforem, tytanem, wanadem, chromem, germanem, arsenem, niobem, molibdenem, cyną, antymonem i wolframem. O zaliczeniu pierwiastka do tej grupy decyduje fakt zamknięcia pola austenitu zakresem dwufazowym α + y, bez względu na obecność innych faz, które mogą występować przy większych zawartościach pierwiastka stopowego. Jeżeli rozpuszczal­ność pierwiastka stopowego w żelazie y nie jest wystarczająco duża, aby spowodować powstanie zamkniętego obszaru austenit-ferryt, ograniczającego pole austenitu, to po­wstaje układ ze zwężonym polem austenitu, którego schemat podano na rys. 11.4. W tym przypadku nie dochodzi do wytworzenia obszaru o czysto ferrytycznej strukturze. Taki układ równowagi mają stopy żelaza z borem, cyrkonem i cezem.

Rys. 11.2. Układ równowagi fazowej z rozszerzo­nym polem austenitu

Rys. 11.3. Układ równowagi fazowej z zamknię­tym polem austenitu

Rys. 11.4. Układ równowagi fazowej ze zwężonym polem auste­nitu

3. Postać występowania dodatków stopowych

Pierwiastki stopowe mogą występować w stali w różnych postaciach:

1) w roztworze stałym,

2. jako węgliki,

3) jako wtrącenia niemetaliczne,

4) jako związki międzymetaliczne,

5) w postaci wolnej.

Ilość wtrąceń niemetalicznych w stalach stopowych jest niewielka, przy czym z pun­ktu widzenia wpływu na właściwości stali większe znaczenie ma kształt, wielkość i rozmieszczenie wtrąceń niż ich skład chemiczny, można je więc w tym miejscu pominąć. Większość pierwiastków stopowych może stworzyć związki międzymetaliczne, jednakże związki te występują dopiero przy dużych zawartościach pierwiastków stopowych. Z tego względu można przyjąć, że w stosowanych zwykle stalach stopowych pierwiastki stopowe związków międzymetalicznych na ogół nie tworzą. Również i przypadki występowania dodatków stopowych w postaci wolnej są bardzo rzadkie. Z powyższych względów zasadnicze znaczenie z uwagi na wpływ na właściwości stali ma występowanie dodatków stopowych w postaci roztworu stałego oraz węglików.

1. Wpływ dodatków stopowych na właściwości ferrytu

Większość pierwiastków stopowych rozpuszcza się w ferrycie lub w austenicie, przy czym rozpuszczalność ta jest różna, indywidualna dla każdego pierwiastka, zgodnie z ogólną zasadą tworzenia roztworów stałych. Wychodząc ze średnicy atomu żelaza wynoszącej 2,48 kX i zakładając, że roztwory stałe różnowęzłowe tworzą się przy różnicy w średnicach atomowych w granicach +15%, określono, że korzystny zakres średnic atomowych z punktu widzenia rozpuszczalności w żelazie, leży w granicach 2,11 ÷ 2,85 kX.

Rys. 11.5. Rozpuszczalność dodatków stopowych w żelazie w zależności od ich średnicy atomowej

(wg W. Hume-Rothery'ego)

Wartościom tym odpowiadają linie kreskowane na rys. 11.5. W ferrycie rozpuszczają się w mniejszym lub w większym stopniu takie pierwiastki jak krzem, nikiel, kobalt, chrom, molibden i inne. Pierwiastki o małych średnicach atomowych jak azot, węgiel, bor, tlen i wodór tworzą z żelazem roztwory międzywęzłowe.

Dodatki stopowe rozpuszczone w ferrycie zmieniają jego właściwości, a mianowicie podwyższają wytrzymałość na rozciąganie, granicę plastyczności, twardość, a obniżają właściwości plastyczne. Zmiana właściwości jest tym większa, im bardziej te pierwiastki są oddalone od żelaza w okresowym układzie pierwiastków i im większa jest różnica w średnicach atomowych. Z rysunku 11.6 wynika, że największe utwardzanie ferrytu powodują mangan i krzem oraz nikiel. Wpływ chromu, molibdenu, czy też wolframu jest znacznie mniej wyraźny. Wszystkie te pierwiastki natomiast, z wyjątkiem chromu i niklu, obniżają udarność ferrytu, co widać na rys. 11.7. Z podanych więc sześciu pierwiastków najkorzystniej na właściwości ferrytu wpływa nikiel, który podwyższa zarówno twardość jak i udarność stali.

Rys. 11.6. Wpływ dodatków stopowych na twar­dość ferrytu (wg A. P. Gulajewa i Jemielina)		Rys. 11.7. Wpływ dodatków stopowych na udar-ność ferrytu (wg A. P. Gulajewa i Jemielina)

Podane zależności dotyczą stopów w stanie wolno chłodzonym. Jak widać z rys. 11.8, twardość ferrytu zawierającego w roztworze nikiel, chrom lub mangan zależy od szybkości chłodzenia. Przy szybkim chłodzeniu otrzymuje się strukturę typu iglastego, podobną z wyglądu do martenzytu, o 100 ÷ 150 HB twardszą niż w przypadku wolnego chłodzenia. Natomiast właściwości ferrytu zawierającego w roztworze krzem, molibden lub wolfram prawie nie zależą od szybkości chłodzenia.

Rys. 11.8. Wpływ dodatków stopowych na twardość ferrytu w stanie zahartowanym (linia kreskowana) i w stanie wyżarzonym (linia ciągła) (wg A. P. Gulajewa)

2. Węgliki

Węgiel tworzy z metalami przejściowymi grup IVA-VIIA, w tym również z żelazem, związki zwane węglikami. Metale te są położone na lewo od żelaza w okresowym układzie pierwiastków. Skłonność pierwiastków stopowych do tworzenia węglików jest związana ze strukturą elektronową ich atomów, a w szczególności ze stopniem wypeł­nienia elektronami podpoziomu d. Im bardziej na lewo od żelaza zajmuje miejsce dany pierwiastek węglikotwórczy w układzie okresowym, tym mniej jest wypełniony elektro­nami podpoziom energetyczny d i tym jego powinowactwo do węgla jest większe, a powstały węglik bardziej stabilny. W związku z tym można uszeregować pierwiastki stopowe według wzrastającej zdolności tworzenia węglików następująco:

Fe, Mn, Cr, Mo, W, V, Ti, Zr, Nb.

Im bardziej stabilne są węgliki danego metalu, tym w wyższych temperaturach rozpuszcza­ją się w austenicie przy nagrzewaniu oraz trudniej wydzielają się z martenzytu w procesie odpuszczania, co ma bardzo istotne znaczenie dla obróbki cieplnej stali stopowych.

Klasyfikację węglików według Goldschmidta podano na rys. 11.9. Rysunek przed­stawia część układu okresowego, w której występują pierwiastki tworzące węgliki.

Rys. l 1.9. Klasyfikacja węglików według V. M. Goldschmidta

Zgodnie z klasyfikacją Goldschmidta wszystkie węgliki można podzielić na trzy grupy:

Grupa I	—	węgliki o sieci regularnej prostej (typ NaCl) odpowiadające wzorowi MC, które tworzą pierwiastki grupy IVA i VA, jak np. TiC, ZrC, VC, NbC, TaC. Są one związkami stabilnymi o wysokiej temperaturze topnienia (2000 ÷ 3500°C) i dużej twardo­ści (1600 ÷ 3200 HV).
Grupa II	—	węgliki o sieci heksagonalnej zwartej odpowiadające wzorowi MC lub M2C, które tworzą pierwiastki grupy VA i VIA, jak np. V2C, Nb2C, Ta2C, MoC, W2C, WC. Mają one niższą temperaturę topnienia i niższą twardość (1600 ÷ 2200 HV) niż węgliki grupy I.
Grupa III	—	węgliki M3C o strukturze rombowej cementytu; mają one najniższą twardość (700 ÷ 2100 HV). Węgliki tego typu tworzą: żelazo i mangan.

Węgliki stopowe nie występują jednak w postaci prostej. Przeważnie zawierają one w roztworze żelazo, a gdy w skład stali wchodzi kilka dodatków stopowych, również i te pierwiastki. Ponadto węgliki o tym samym typie wzoru chemicznego wzajemnie się rozpuszczają; tak np. cementyt Fe₃C oraz węglik manganu Mn₃C, krystalizujące w tym samym typie sieci przestrzennej, tworzą roztwory stałe. Istnieją również jeszcze i inne odmiany węglików, np. M₂₃C₆, M₇C₃, o złożonej budowie krystalicznej. Cyfra przy symbolu M oznacza w tych ogólnych wzorach łączną liczbę atomów metali wchodzących w skład węglików. Węgliki o budowie prostej typu MC i M₂C są bardzo stabilne i trudno się rozpuszczają w austenicie nawet w wysokich temperaturach, w przeciwieństwie do węglików o budowie złożonej, które łatwo rozpuszczają się w austenicie podczas nagrzewania.

3. Podział pierwiastków stopowych pomiędzy poszczególne fazy stali

Pod względem oddziaływania na węgiel wszystkie pierwiastki stopowe można po­dzielić na dwie grupy, a mianowicie:

1) pierwiastki nie tworzące węglików,

2. pierwiastki węglikotwórcze.

Do pierwiastków stopowych nie tworzących węglików zaliczamy:

Ni, Si, Co, Al, Cu, N.

W stalach dodatki te występują w postaci roztworu stałego w żelazie, z wyjątkiem miedzi, która przy zawartości powyżej 0,5% tworzy odrębną fazę (roztwór stały na osnowie miedzi) oraz azotu, który tworzy związki zwane azotkami.

Pierwiastki węglikotwórcze mogą występować w stalach w postaci zarówno roztworu stałego jak i węglików. Zależy to zarówno od zawartości węgla w stali, jak i od jednoczesnego występowania innych pierwiastków węglikotwórczych. Jeżeli zawartość węgla w stali jest znaczna przy niewielkiej ilości węglikotwórczych dodatków stopowych, to pierwiastki te występują głównie w postaci węglików. Gdy natomiast zawartość węgla w stali jest niewielka, a zawartość dodatków stopowych tworzących węgliki jest duża, wówczas węgiel zostanie związany w postaci węglików, reszta zaś dodatków stopowych występować będzie w postaci roztworu stałego. Czynnikiem określającym rozmieszczenie dodatków stopowych w poszczególnych fazach stali w tym przypadku jest ich stopień powinowactwa do węgla. Pierwiastki o największym powinowactwie do węgla będą występować w postaci węglików, natomiast pozostałe pierwiastki stopowe będą występować w postaci roztworu stałego w ferrycie lub austenicie.

Węgliki stopowe powodują wzrost wytrzymałości i twardości stali, przy czym decydujący jest stopień dyspersji węglików zależny od uprzedniej obróbki cieplnej i składu chemicznego stali. Ten wpływ węglików jest zwykle wielokrotnie silniejszy od utwardzenia ferrytu przez rozpuszczone składniki stopowe. Ogólnie biorąc, wpływ węglików stopowych na właściwości stali jest podobny do wpływu cementytu w stalach niestopowych, a mianowicie:

1) im większe są cząstki węglików, tym wpływ ich na wytrzymałość jest mniejszy,

2) wydzielenia węglików w postaci płytkowej dają mniejszą plastyczność niż wy­dzielenia sferoidalne przy tej samej twardości,

3) wydzielenia węglików na granicach ziarn powodują kruchość materiału,

4) przy jednakowym stopniu dyspersji węgliki stopowe mają taki sam wpływ na właściwości wytrzymałościowe i ciągliwość stali w temperaturze pokojowej jak cementyt; mogą one jednak odmiennie wpływać na inne właściwości stali.

1. Wpływ dodatków stopowych na układ równowagi żelazo-cementyt

Pierwiastki stopowe rozszerzające zakres istnienia fazy y obniżają temperaturę przemiany Ac₃; a pierwiastki zwężające istnienie fazy γ podwyższają temperaturę przemiany Ac₃; zjawisko to szczególnie wyraźnie występuje przy niskiej zawartości węgla. Do pewnego stopnia podobny wpływ wywierają te pierwiastki na tem­peraturę przemiany eutektoidalnej, ponieważ wtedy również zachodzi przemiana alotropowa, co przedstawiono na rys. 11.10.

Rys. 11.10. Wpływ dodatków stopowych na temperaturę przemiany A_l (wg E. Baina)

Pierwiastki stopowe wpływają również na koncentrację węgla w punkcie eutektoidalnym. Wszystkie pierwiastki stopowe przesuwają punkt perlityczny S w lewo ku niższym zawartościom węgla, obniżając tym samym zawartość węgla w perlicie stopowym (rys. 11.11). Podobnie jak punkt eutektoidalny, większość pierwiastków stopowych przesuwa w lewo także punkt E określający granicę rozpuszczalności węgla w austenicie. Najbardziej przesuwają punkt E pierwiastki (ułożone w kolejno­ści ich wzrastającego stopnia działania):

W, Si, Cr, Mo, V, Ti.

Punkt E może ulec przesunięciu tak dalece, że w stalach stopowych nawet przy koncentracji węgla poniżej 2% może wystąpić struktura ledeburytyczna.

Rys. 11.11. Wpływ dodatków stopowych na położenie punktu S oraz E w układzie Fe-Fe₃C

Wprowadzenie do stopów Fe-C pierwiastków stopowych powoduje więc zmiany zarówno temperatur przemian, jak i koncentracji węgla w punktach charakterystycznych układu żelazo-cementyt i to tym większe, im większa jest zawartość tych pierwiastków w stali. Dlatego też w przypadku stali stopowych nie można się posługiwać układem żelazo-cementyt, lecz tylko odpowiednim układem wieloskła­dnikowym.

2. Wpływ dodatków stopowych na rozrost ziarn austenitu

Wszystkie dodatki stopowe z wyjątkiem manganu zmniejszają skłonność do rozrostu ziarna austenitu podczas nagrzewania. Wpływ ten jest różny dla różnych pierwiastków i zależy od ich zawartości i postaci występowania w stali. Najintensywniej na rozdrob­nienie ziarn austenitu wpływają:

Cr, W, Mo, V, Nb, Ti, Al, Si.

Pierwiastki te tworzą w stali trudno rozpuszczalne węgliki, azotki lub tlenki o dużym stopniu dyspersji. Podczas nagrzewania fazy te rozmieszczone na granicach ziarn austenitu hamują ich rozrost. Dlatego też wszystkie stale stopowe z wyjątkiem stali manganowych są mniej wrażliwe na przegrzanie niż stale węglowe, co jest ważną zaletą technologiczną stali stopowych. Dopiero po nagrzaniu stali do wysokich temperatur, gdy fazy te rozpuszczą się w austenicie, ziarno austenitu zaczyna się rozrastać. Jeśli wymienione pierwiastki występują w stali w postaci roztworu stałego, to wywierają one tylko bardzo nieznaczny wpływ na zmniejszenie się skłonności do rozrostu ziarna austenitu. Wyjątek stanowi mangan, który zwiększa skłonność do rozrostu ziarna austenitu, czyniąc stal skłonną do przegrzania.

3. Wpływ dodatków stopowych na przemiany przechłodzonego austenitu

Wpływ dodatków stopowych na przemiany, jakim podlega przechłodzony austenit, uwidacznia się wyraźnie na wykresach czas-temperatura-przemiana izotermiczna (wy­kresy CTPi). Dodatki stopowe, w zależności od ich rodzaju i ilości, przy równoczesnym uwzględnieniu zawartości węgla, powodują zmianę zarówno kształtu, jak i położenia linii odpowiadających poszczególnym przemianom.

Pierwiastki nie tworzące węglików, jak np. Ni, Cu, Si, Al, Co, nie zmieniają kształtu linii początku i końca przemiany austenitu na wykresach CTPi, a jedynie przesuwają je w prawo, jak to przedstawiono na rys. 11.12. Z rysunku wynika, że zwiększają one trwałość przechłodzonego austenitu i zmniejszają szybkość jego przemiany. Jedynie kobalt zachowuje się odmiennie, przyspieszając przemianę. Pierwiastki węglikotwórcze natomiast, zwłaszcza przy dużych zawartościach węgla, powodują:

1) opóźnienie przemiany perlitycznej,

2) podniesienie (z wyjątkiem manganu) temperatury maksymalnej szybkości prze­miany perlitycznej,

3. obniżenie górnej granicy temperatury przemiany bainitycznej,

4) opóźnienie przemiany bainitycznej, ale zwykle w stopniu znacznie słabszym niż przemiany perlitycznej.

Rys. 11.12. Schemat wykresu izotermicznego rozkładu austenitu dla stali zawierających dodatki stopowe nie tworzące węglików

Oddziaływanie to powoduje, że zakresy przemiany perlitycznej i bainitycznej, które na wykresach CTPi dla stali niestopowych zachodzą na siebie, w miarę wzrostu zawartości pierwiastków stopowych w stali rozsuwają się. Powstają wskutek tego dwa odrębne maksima szybkości przemiany perlitycznej i bainitycznej, rozdzielone zakresem dużej trwałości austenitu (rys. 11.13). Wykres izotermicznej przemiany austenitu ma więc wówczas dwa wyraźnie rozgraniczone zakresy przemiany perlitycznej i przemiany bainitycznej.

Rys. 11.13. Schemat wykresu izotermicznego rozkładu auste­nitu dla stali zawierających węglikotwórcze dodatki stopowe

Wpływ dodatków stopowych na przemiany austenitu zależy od ich rzeczywistej zawartości w austenicie. Z tego względu pierwiastki węglikotwórcze zwiększają trwałość przechłodzonego austenitu jedynie w tym przypadku, gdy zostały w nim w czasie austenityzacji całkowicie rozpuszczone. Jeżeli natomiast występują one w postaci wę­glików, to może nastąpić nawet skutek wręcz przeciwny, tj. zmniejszenie trwałości przechlodzonego austenitu, a to dlatego, że skutkiem obecności węglików austenit jest uboższy zarówno w dodatki stopowe, jak i w węgiel. Ponadto węgliki, odgrywając rolę zarodków krystalicznych, sprzyjają zwiększeniu szybkości przemiany austenitu.

Ważny jest również wpływ dodatków stopowych na temperaturę początku i końca przemiany martenzytycznej (M_s i M_f), ponieważ od niej zależy zarówno ilość austenitu szczątkowego, jak i skłonność stali do pękania podczas hartowania. Niektóre tylko pierwiastki, jak aluminium i kobalt, podwyższają temperaturę początku przemiany martenzytycznej i zmniejszają ilość austenitu szczątkowego. Większość jednak pierwias­tków obniża temperaturę początku przemiany martenzytycznej i zwiększa ilość austenitu szczątkowego.

Najsilniej w tym względzie działają Mn, a następnie Mo, Cr, Ni i Cu, jak to widać na rys. 11.14. Obniżenie temperatury początku przemiany martenzytycznej może być tak duże, że będzie on leżeć poniżej 0°C; taka stal, ochłodzona do temperatur otoczenia, zachowa swoją strukturę austenityczną.

Rys. 11.14. Wpływ dodatków stopowych na temperaturę początku przemiany martenzytycznej
(a) oraz ilość austenitu szczątkowego (b) (wg D. Sadowskiego)

Stale stopowe mogą mieć w zależności od zawartości węgla i dodatków stopowych w warunkach wolnego chłodzenia strukturę perlityczną, bainityczną, martenzytyczną lub austenityczną, co przedstawiono na rys. 11.15. Jeżeli krzywa chłodzenia przecina linie początku i końca przemiany perlitycznej, otrzymuje się stal o strukturze perlitycznej, jeśli zaś krzywa ta przecina linie wykresu CTPi w zakresie przemian bainitycznych, stal będzie miała strukturę bainityczną. W przypadku gdy krzywa chłodzenia nie przetnie na wykresie CTPi linii początku przemiany austenitu, wówczas austenit przechłodzony poniżej M_s, ulega przemianie na martenzyt i stal po ochłodzeniu będzie miała strukturę martenzytyczną. Jeśli temperatura M_s leży dla danej stali poniżej temperatury otoczenia, to taka stal po ochłodzeniu zachowa swoją strukturę austenityczną.

Rys. 11.15. Klasyfikacja stali stopowych w stanie wolno chłodzonym według struktury na podstawie wykresu CTPi: a) stale perlityczne, b) stale bainityczne, c) stale martenzytyczne, d) stale austenityczne

Dodatki stopowe nie oddziaływają na kinetykę przemiany martenzytycznej, lecz wpływają na krytyczną szybkość chłodzenia i związaną z tym hartowność stali. Pierwia­stki stopowe, które zwiększają trwałość przechłodzonego austenitu, zmniejszają krytycz­ną szybkość chłodzenia, zwiększając przez to hartowność stali. Jest to bardzo istotna właściwość stali stopowych i dlatego na elementy o dużych wymiarach, które powinny hartować się na wskroś, stosuje się stale stopowe o odpowiednio dużej zawartości dodatków stopowych i o dużej w związku z tym hartowności. Najważniejsze pierwiastki stopowe uszeregowane według wzrastającego wpływu na hartowność są następujące:

Ni, Si, Cr, Mo, Mn.

Należy jednak pamiętać, że pierwiastki te wtedy tylko zwiększają hartowność stali, gdy w czasie austenityzacji ulegają rozpuszczeniu. Obecność nie rozpuszczonych węglików tych pierwiastków powoduje skutek wręcz przeciwny.

1. Wpływ dodatków stopowych na przemiany przy odpuszczaniu

Twardość zahartowanych stali stopowych zależy przede wszystkim od zawartości węgla i dlatego jest zbliżona do twardości stali niestopowych o tej samej zawartości węgla, jeśli tylko po zahartowaniu nie występuje w ich strukturze zbyt dużo austenitu szczątkowego. Wpływ pierwiastków stopowych zaznacza się wyraźnie dopiero podczas odpuszczania. Dodatki stopowe opóźniają proces przemiany martenzytu i austenitu szczątkowego. Zakres temperatur przemian martenzytu leży dla stali stopowej o średniej zawartości dodatków stopowych o kilkadziesiąt stopni wyżej niż dla stali węglowych, a temperatura początku dostrzegalnego obniżenia twardości jest także wyższa. W związ­ku z tym, aby przez odpuszczenie obniżyć twardość do żądanej wartości, należy nagrzewać stal stopową do wyższej temperatury niż stal węglowa lub stosować dłuższe czasy odpuszczania. Sprzyja to uzyskaniu lepszych właściwości plastycznych przy za­chowaniu stosunkowo wysokich właściwości wytrzymałościowych. Szczególnie silnie w tym względzie oddziaływają

Ti, V, Cr, Mo, W, Si.

Przemiany martenzytu podczas odpuszczania stali stopowych w zakresie niskich temperatur przebiegają podobnie jak w stalach niestopowych, tj. początkowo powstaje węglik e, który następnie przemienia się w cementyt; ponadto zachodzi przemiana austenitu szczątkowego w dolny bainit. Dzieje się to dlatego, że przemiany w niskich temperaturach polegają głównie na dyfuzji węgla, a dyfuzja żelaza i pierwiastków stopowych w tych temperaturach praktycznie nie zachodzi. Istotne różnice w przebiegu odpuszczania zaznaczają się dopiero w zakresie 400 ÷ 500°C; w tych temperaturach szybkość dyfuzji pierwiastków stopowych staje się wyraźna. W wyniku przemiany cementytu powstają wówczas węgliki stopowe. Koncentracja pierwiastków stopowych w węglikach i zubożenie w te pierwiastki ferrytu zaznacza się tym silniej, im większe jest ich powinowactwo chemiczne do węgla. Proces ten zleży oczywiście także nie tylko od temperatury, lecz i od czasu odpuszczania. W niższych temperaturach odpuszczania proces ten trwa dłużej. Węgliki stopowe mogą powstawać albo w drodze przemiany węglika wyjściowego (tzw. przemiana „in situ"), albo też w drodze rozpuszczania się węglika wyjściowego i wydzielania się roztworu nowego węglika stopowego. Wydzielanie się z roztworu stałego wysokodyspersyjnych węglików w zakresie temperatur 550 ÷ 650°C prowadzi w stalach o większej zawartości węgla i dodatków stopowych do utwardzenia dyspersyjnego. Zjawisko wzrostu twardości zahartowanej stali przy odpusz­czaniu, które może nawet przekroczyć twardość uzyskaną bezpośrednio po zahar­towaniu, nosi nazwę twardości wtórnej. Ma ono ważne znaczenie dla obróbki cieplnej narzędziowych stali stopowych.

1

12

---