pobieranie: 10_stale_staliwa_i_zeliwa
Pobierz dokument pdfPrzeglądaj wersję html pliku:
96
JW
7. Klasyfikacja stali*
Klasyfikacji gatunków stali dokonuje się zgodnie z PN-EN 10020:1996 według składu chemicznego oraz wg ich zastosowania i własności mechanicznych lub fizycznych. Klasyfikacja stali według składu chemicznego - stale niestopowe (węglowe), - stale stopowe. Do stali niestopowych zalicza się te gatunki stali, w których zawartość pierwiastków jest mniejsza od zawartości granicznych podanych w tabl. 7.1. Do stali stopowych zalicza się gatunki stali, w których zawartość przynajmniej jednego pierwiastka jest równa lub większa od zawartości granicznej podanej w tabl. 7.1. Tablica 7.1 Granica między stalami niestopowymi i stopowymi (wg PN-EN 10020:1996)
Nazwa i symbol Zawartość graniczna chemiczny pierwiastka (% wagowy) Aluminium, Al 0,10 Bor, B 0,0008 Bizmut, Bi 0,10 Chrom, Cr* 0,30 Cyrkon, Zr* 0,05 Kobalt, Co 0,10 Krzem, Si 0,50 Lantanowce, każdy 0,05 Mangan, Mn 1.65** Miedź, Cu* 0,40 Molibden, Mo* 0,08 Nikiel, Ni* 0,30 Niob, Nb* 0,06 Ołów.Pb 0,40 Selen, Se 0,10 Tellur, Te 0,10 Tytan, Ti* 0,05 Wanad, V* 0,10 Wolfram, W 0,10 Inne (każdy oprócz 0,05 fosforu, siarki i azotu), * Jeżeli te pierwiastki określa się dla stali w kombinacji dwu, trzech lub czterech, a ich zawartości są mniejsze niż podane w tablicy, to przy kwalifikacji stali należy dodatkowo uwzględnić zawartość graniczną wynoszącą 70% sumy poszczególnych zawartości granicznych tych dwu, trzech lub czterech pierwiastków ** Jeżeli jest określona tylko maksymalna zawartość manganu, jego graniczna zawartość wynosi 1,80% i nie stosuje się zasady 70%.
Klasyfikacja stali według zastosowania i własności mechanicznych lub fizycznych A. Klasy jakości stali niestopowych • stale niestopowe podstawowe, • stale niestopowe jakościowe, • stale niestopowe specjalne. Stale niestopowe podstawowe Stale podstawowe to gatunki stali o takich wymaganiach jakościowych, jakie można osiągnąć w ogólnie stosowanym procesie stalowniczym, bez dodatkowych zabiegów technologicznych.
* Oznaczanie stali wg PN-EN 10027-1 na stronie 146
97 JW Wyroby z tych stali nie są przeznaczone do obróbki cieplnej (z wyjątkiem wyżarzania odprężającego, zmiękczającego i normalizowania). Z wyjątkiem manganu i krzemu (oraz granicznych zawartości C, P, S), zawartość innych pierwiastków stopowych nie jest wymagana. Nie określa się dodatkowych wymagań jakościowych dotyczących np. głębokiego tłoczenia, ciągnienia, kształtowania na zimno itp. Własności w stanie walcowanym na gorąco lub wyżarzonym odprężające, zmiękczająco albo normalizowanym powinny odpowiadać następującym wartościom granicznym dla wyrobów o grubości do 16 mm: minimalna wytrzymałość na rozciąganie (Rm) < 690 MPa, minimalna granica plastyczności (Re) < 360 MPa, minimalne wydłużenie (A) . < 26%, minimalna praca łamania w temp. 20°C na próbkach wzdłużnych ISO < 27 J, minimalna średnica trzpienia w próbie zginania (e oznacza grubość próbki) >1 e maksymalna zawartość węgla > 0,10%, maksymalna zawartość fosforu > 0,045%, maksymalna zawartość siarki > 0,045%. Przykłady stali należących do tej klasy: • stale miękkie niskowęglowe na taśmy i blachy walcowane na gorąco lub na zimno ogólnego zastosowania, • stale konstrukcyjne walcowane na gorąco ogólnego zastosowania, • stale do wyrobu walcówki do ciągnienia (drutu). Stale niestopowe jakościowe Stale niestopowe jakościowe to gatunki stali, których własności w stanie obrobionym cieplnie w zasadzie się nie określa, nie określa się również czystości metalurgicznej wyrażonej stopniem zanieczyszczenia wtrąceniami niemetalicznymi. Ze względu na warunki stosowania wyrobów ze stali jakościowych, wymagania dotyczące np. wrażliwości na kruche pękanie, regulowanej wielkości ziarna czy podatności na kształtowanie, są wyższe niż dla stali podstawowych, co wymusza większą staranność podczas produkcji. Przykłady stali należących do tej klasy: • stale na wyroby płaskie do kształtowania na zimno; • stale konstrukcyjne o zawartości Pmax i Smax poniżej 0,045%, np.: stale o podwyższonej wytrzymałości, stale do budowy statków, stale na wyroby ocynkowane ogniowo, stale na butle gazowe, stale na kotły i zbiorniki ciśnieniowe; • stale z wymaganą podatnością na odkształcenie plastyczne; • stale konstrukcyjne z wymaganą minimalną zawartością Cu; • stale do zbrojenia betonu; • stale szynowe; • stale automatowe; • stale do ciągnienia drutu; • stale do spęczania na zimno; • stale sprężynowe; • stale z wymaganymi własnościami magnetycznymi lub elektrycznymi; • stale do produkcji blach cienkich, ocynowanych (na opakowania); • stale do produkcji elektrod otulonych lub drutu spawalniczego o zawartości Pmax, i Smax większej niż 0,02%.
98
JW
Stale niestopowe specjalne Stale niestopowe specjalne charakteryzują się wyższym niż stale jakościowe stopniem czystości metalurgicznej, szczególnie w zakresie zawartości wtrąceń niemetalicznych. Są one przeważnie przeznaczone do ulepszania cieplnego lub hartowania powierzchniowego. Dzięki dokładnemu doborowi składu chemicznego oraz przestrzeganiu specjalnych warunków produkcji stali i kontroli przebiegu procesów technologicznych uzyskuje się różnorodne własności przetwórcze i użytkowe stali. Często otrzymuje się równocześnie i w zawężonych granicach np. wysoką wytrzymałość lub hartowność z równocześnie dobrą ciągliwością, podatnością na kształtowanie, spawanie itp. Stale niestopowe specjalne spełniają jeden lub więcej z niżej wymienionych warunków: a) określona udarność w stanie ulepszonym cieplnie; b) określona hartowność lub twardość powierzchniowa w stanie hartowanym i odpuszczonym lub utwardzonym powierzchniowo; c) określona mała zawartość wtrąceń niemetalicznych; d) określona maksymalna zawartość fosforu i siarki (każdy z nich): < 0,020% według analizy wytopowej, < 0,025% według analizy chemicznej wyrobu (np. walcówka przeznaczona do produkcji mocno obciążonych sprężyn, elektrod, drutu do zbrojenia opon Przykłady stali należących do tej klasy: • stale konstrukcyjne o określonej minimalnej pracy łamania próbek wzdłużnych ISO z karbem V, większej niż 27 J w temperaturze -50°C; • stale konstrukcyjne przeznaczone do produkcji reaktorów jądrowych, o ograniczonej zawartości następujących pierwiastków: miedź < 0,10%, kobalt < 0,05%, wanad < 0,05%; • stale do ulepszania cieplnego; • stale do nawęglania; stale utwardzalne wydzieleniowo o wymaganej zawartości węgla minimum 0,25% lub większej (w analizie wytopowej) i strukturze ferrytyczno-perlitycznej: zawierające jeden lub więcej mikrododatków stopowych, takich jak niob albo wanad, jednak ich zawartość powinna być niższa niż wartość graniczna dla stali stopowych; utwardzanie wydzieleniowe uzyskuje się zwykle przez kontrolowane chłodzenie z temperatury przeróbki plastycznej na gorąco; • stale do sprężania betonu; • stale do ciągnienia (drutu); • stale do spęczania na zimno; • stale sprężynowe; • stale narzędziowe; • stale o określonej przewodności elektrycznej większej niż 9 Sm/mm; • stale do produkcji elektrod otulonych lub na drut spawalniczy o zawartości Pmax i Smax mniejszej niż 0,02%. B. Klasy jakości stali stopowych - stale stopowe jakościowe, - stale stopowe specjalne. Stale stopowe jakościowe Stale stopowe jakościowe mają podobne zastosowanie jak stale niestopowe jakościowe, lecz wymagane własności powodują konieczność zwiększenia w nich zawartości pierwiastków stopowych powyżej wartości granicznych podanych w tabl. 7.1. Stale te zwykle nie są przeznaczone do ulepszania cieplnego lub utwardzania powierzchniowego. Do grupy stali stopowych jakościowych należą: stale konstrukcyjne drobnoziarniste spawalne, w tym stale przeznaczone do produkcji
99 JW zbiorników i rurociągów pracujących pod ciśnieniem, spełniające następujące warunki: a) wymagana minimalna granica plastyczności dotycząca wyrobów o grubości do 16 mm poniżej 380 N/mm, b) zawartości pierwiastków stopowych powinny być niższe niż wartości graniczne według tabl. 6.la, c) wymagana praca łamania próbek wzdłużnych ISO z karbem V w temperaturze -50°C - do 27 J; stale elektrotechniczne zawierające jako pierwiastki stopowe tylko krzem lub krzem i aluminium w celu uzyskania wymaganych własności w zakresie stratności magnetycznej, minimalnej wartości indukcji magnetycznej, polaryzacji lub przenikalności magnetycznej; stale stopowe przeznaczone do produkcji szyn i grodzic oraz kształtowników na obudowy górnicze; stale stopowe przeznaczone do produkcji wyrobów płaskich walcowanych na gorąco lub na zimno do dalszej trudniejszej przeróbki plastycznej na zimno (wyłączając stale przeznaczone do produkcji zbiorników ciśnieniowych lub rur), zawierające pierwiastki rozdrabniające ziarno, takie jak B, Ti, Nb, V i/lub Zr, -albo „stale dwufazowe" (struktura wyrobów płaskich ze stali dwufazowych składa się z ferrytu i 10 ÷ 35% martenzytu wysepkowego); stale, w których miedź jest jedynym wymaganym pierwiastkiem stopowym. Tablica 7.1a
Stale stopowe drobnoziarniste spawalne. Granica składu chemicznego między stalami stopowymi jakościowymi i specjalnymi Pierwiastek Zawartość graniczna (% wagowy)
Cr Chrom* 0,50 Cu Miedź* 0,50 La Lantanowce 0,06 Mn Mangan 1,80 Mo Molibden* 0,10 Nb Niob* 0,08 Ni Nikiel* 0,50 Ti Tytan* 0,12 V Wan* 0,12 Zr Cyrkon* 0,12 Inne nie wymienione patrz tablica 6.1 pierwiastki (każdy) *Jeżeli te pierwiastki występują w stali w kombinacji dwu, trzech lub czterech, a ich zawartości są mniejsze niż podane w tablicy 7.1, to przy klasyfikacji stali należy dodatkowo uwzględnić wartość graniczną, która stanowi 70% sumy poszczególnych zawartości granicznych tych dwu, trzech lub czterech pierwiastków.
Stale stopowe specjalne Stale stopowe specjalne dzięki precyzyjnie określonemu składowi chemicznemu odpowiednim warunkom wytwarzania i kontroli procesów produkcyjnych maję różnorodne własności przetwórcze i użytkowe często uzupełniające się i utrzymywane w zawężonych granicach. Ta klasa obejmuje następujące grupy stali: • stale odporne na korozję, • stale żaroodporne i żarowytrzymałe, • stale przeznaczone do produkcji łożysk tocznych, • stale narzędziowe, • stale maszynowe, • stale do nawęglania,
• •
100 JW specjalne stale konstrukcyjne (spawalne drobnoziarniste stale konstrukcyjne, stale odporne na korozję atmosferyczną), stale o specjalnych własnościach fizycznych (niemagnetyczne, magnetyczne lub o wymaganym współczynniku rozszerzalności cieplnej).
Skład chemiczny stali stopowych specjalnych stanowi podstawę ich podziału na następujące główne kategorie: l) stale odporne na korozję o zawartości węgla < 1,20% i chromu > 10,50%, które pod względem zawartości niklu dzieli się na: a) poniżej 2,50% Ni, b) nie mniej niż 2,50% Ni; 2) stale szybkotnące zawierające (wraz z innymi składnikami lub bez nich): - co najmniej dwa z trzech następujących pierwiastków: Mo, W lub V łącznie nie mniej niż 7% wagowych, - 0,60% lub więcej węgla, - i 3 ÷ 6% wagowych chromu; 3) inne stale stopowe specjalne. 7.2. Stale niestopowe (węglowe) 7. 2.1. Wpływ węgla na własności stali Węgiel bardzo silnie wpływa na własności stali nawet przy nieznacznej zmianie jego zawartości i z tego względu jest bardzo ważnym składnikiem stali. Zwiększenie zawartości węgla powoduje, jak już poprzednio wspomniano, zmianę struktury stali. Jeżeli stal zawiera mniej niż 0,8% C, to jej struktura składa się ferrytu i perlitu. Struktura stali zawierającej 0,8% C składa się tylko z perlitu, natomiast w stali o zawartości powyżej 0,8% C oprócz perlitu występuje również cementyt wtórny. Zmiana struktury stali spowodowana różną zawartością węgla wiąże się ściśle ze zmianą własności mechanicznych. Na rysunku 7.1 przedstawiono wpływ węgla na własności mechaniczne stali walcowanej na gorąco.
7.1. Wpływ węgla na własności mechaniczne stali Jak widać zwiększenie zawartości węgla zwiększa wytrzymałość na rozciąganie Rm i zmniejsza plastyczność stali. Maksymalną wytrzymałość osiąga stal przy zawartości ok. 0,85% węgla. Przy większej zawartości węgla wytrzymałość zmniejsza się na skutek pojawiania się coraz większej ilości cementu wtórnego, który wydziela się na granicach ziarn. Zwiększenie zawartości węgla, oprócz obniżenia własności plastycznych, pogarsza również własności technologiczne stali węglowej; szczególne znaczenie ma pogorszenie spawalności.
101
JW
7.2.2. Domieszki zwykłe w stali Za domieszki zwykłe stali uważa się mangan, krzem, fosfor, siarkę oraz wodór, azot i tlen, ponieważ te pierwiastki występują zawsze w mniejszej lub większej ilości w przemysłowych gatunkach stali. Zawartość tych pierwiastków w stalach węglowych nie przekracza zwykle następujących granic: Mn do 0,8% (w niektórych gatunkach stali granica ta jest rozszerzona do 1,5%), Si do 0,5%, P do 0,05% (z wyjątkiem stali automatowych), S do 0,05% (z wyjątkiem stali automatowych). Mangan wprowadza się do wszystkich stali w procesie stalowniczym w celu ich odtlenienia, tj. usunięcia szkodliwego tlenku żelazawego lub związania siarki w MnS, przez co zapobiega się powstaniu FeS powodującemu powstanie kruchości stali na gorąco. W ilościach (1,0 ÷ 1,5)% Mn rozpuszczając się zarówno w ferrycie, jak i w cementycie umacnia roztworowo stal, zmniejsza wielkość ziarna ferrytu w wyrobach walcowanych na gorąco oraz zwiększa hartowność. Ponieważ jednak wszystkie stale węglowe mają zazwyczaj mniej więcej taką samą zawartość manganu, to jego wpływ na własności różnych gatunków tych stali jest jednakowy. Krzem w ilościach do 0,5% jest dodawany do stali podczas jej wytapiania w celu odtlenienia. W ilościach (0,5 ÷ 1,0)% jest dodawany w celu umocnienia ferrytu. W większych ilościach (0,5 ÷ 4,5)% powoduje zwiększenie oporu elektrycznego oraz zmniejszenie stratności stali magnetycznie miękkich. Zwiększa również żaroodporność stali. Krzem stabilizuje bardzo mocno ferryt, dlatego stale zawierające więcej niż 3% Si zachowują strukturę ferrytyczną od temperatury otoczenia do temperatury solidusu.Wpływ krzemu, który rozpuszcza się w ferrycie, jest podobny do wpływu manganu. Fosfor dostaje się do stali z rud żelaza, które zawierają różne jego ilości. Podczas wytapiania stali fosfor zostaje z niej usunięty w mniejszym lub większym stopniu, zależnie od rodzaju procesu stalowniczego. Fosfor rozpuszczony w ferrycie (graniczna rozpuszczalność w temperaturze pokojowej wynosi ok. 1,2%) zmniejsza bardzo znacznie jego plastyczność i podwyższa temperaturę, w której stal staje się krucha, wywołując tzw. kruchość na zimno. Ten wpływ fosforu jest bardzo wyraźny wówczas, gdy jego zawartość w stali jest większa niż 0,1%. Jednak w stalach przeznaczonych na odpowiedzialne wyroby zawartość nawet 0,05% P jest niebezpieczna i należy jej unikać, ponieważ w czasie krystalizacji stali zachodzi silna segregacja fosforu, wskutek czego w pewnych miejscach zawartość fosforu będzie dość znaczna i będzie powodować kruchość. W zależności od przeznaczenia stali ustala się ostrzejsze wymagania dotyczące zawartości fosforu (np. max 0,025%). Należy zaznaczyć, że w niektórych wyjątkowych przypadkach zawartość fosforu w stali może być pożyteczna. Na przykład w stalach automatowych dodatek ok. 0,1% P polepsza skrawalność, zaś do ok. 0,35% - zwiększa odporność na ścieranie. Przy jednoczesnej zawartości miedzi fosfor zwiększa odporność stali na korozję atmosferyczną. Siarka podobnie jak fosfor dostaje się do stali z rud żelaza, a ponadto z gazów piecowych, tzn. z produktów spalania paliwa zawierających dwutlenek siarki (SO2). Siarkę można w znacznej mierze usunąć ze stali, jeżeli stosuje się podczas wytapiana zasadowy proces martenowski lub zasadowy proces elektryczny. W stalach wysokojakościowych zawartość siarki ogranicza się zazwyczaj do 0,02 ÷ 0,03%. W stali zwykłej jakości dopuszcza się większą zawartość siarki (do 0,05%). Siarka nie rozpuszcza się w żelazie, lecz tworzy siarczek żelazawy FeS, który jest składnikiem eutektyki Fe + FeS o temperaturze topnienia 985°C. Występowanie w stalach tej łatwo topliwej i kruchej eutektyki, rozmieszczonej przeważnie a granicach ziarn, powoduje kruchość stali nagrzanych do temperatury 800°C i powyżej. Zjawisko to nosi nazwę kruchości na gorąco. Wskutek tej wady stal zawierająca większy procent siarki nie nadaje się do przeróbki plastycznej na gorąco. W stali pojawiają się naderwania i pęknięcia, m.in. dlatego, że podczas
102 JW nagrzewania poczynając od temperatury 985°C, zachodzi nadtapianie otoczek z siarczku żelazawego wokół ziarn. Z tego powodu należy uważać siarkę za szkodliwą domieszkę stali. Dodatek manganu do stali zmniejsza szkodliwe działanie siarki, gdyż wówczas w ciekłej stali następuje reakcja, w wyniku której tworzy się siarczek manganawy MnS. Siarczek ten topi się w 1620°C, a więc w temperaturze o wiele wyższej niż temperatura przeróbki plastycznej na gorąco (800 ÷ 1200°C). Siarczki w temperaturze przeróbki plastycznej na gorąco są plastyczne i ulegają odkształceniu, tworząc wydłużone wtrącenia. Pogarszają one wytrzymałość na zmęczenie i obciążenia dynamiczne stali. Siarka pogarsza również spawalność stali. Natomiast siarka, podobnie jak fosfor, polepsza skrawalność stali i w ilości 0,15-0,30% jest wprowadzana celowo do stali automatowych. Wodór, azot i tlen występują w stali w niedużych ilościach, a ich zawartość zależy w dużym stopniu od sposobu wytapiania. W stali będącej w stanie stałym, gazy mogą występować w kilku postaciach: w stanie wolnym, skupiając się w różnych nieciągłościach wewnątrz metalu najczęściej tworząc tzw. pęcherze); mogą być rozpuszczone w żelazie; mogą tworzyć związki (azotki, tlenki) występujące w stali jako tzw. wtrącenia niemetaliczne. Wpływ wodoru na własności stali jest zdecydowanie ujemny. Rozpuszcza się on stosunkowo łatwo w żelazie i to w całym zakresie temperatury, szczególnie zaś przy przejściu fazy α w γ oraz w stanie ciekłym. Zmniejsza on w znacznym stopniu własności plastyczne i technologiczne stali oraz powoduje występowanie wielu wad materiałowych, jak np. tzw. płatków śnieżnych (tj. wewnętrznych pęknięć o jasnej powierzchni), odwęglania, skłonności do tworzenia pęcherzy przy trawieniu itp. Azot powoduje zwiększenie wytrzymałości i zmniejszenie plastyczności stali, co objawiać się może jako tzw. kruchość na niebiesko. Niekorzystne działanie azotu przejawia się także zwiększeniem skłonności stali do starzenia, powodowanym wydzielaniem się azotków z przesyconego roztworu. Zjawisko to jest szczególnie niekorzystne w stalach w stanie zgniecionym, gdyż wówczas występuje już w temperaturze otoczenia. W niektórych stalach stopowych azot jest stosowany jako korzystny dodatek stopowy stabilizujący austenit, zastępując drogi nikiel. Tlen występuje w stali głównie w postaci związanej, najczęściej tlenków FeO, SiO2, Al2O3 i in. Tlen powoduje pogorszenie prawie wszystkich własności mechanicznych i dlatego dąży się przez odpowiednie prowadzenie procesu metalurgicznego do obniżenia jego zawartości w stali. Odtlenianie stali przeprowadza się za pomocą stopów krzemu, manganu i aluminium. Sposób odtleniania wywiera także duży wpływ na wielkość ziarna stali węglowej. Stale odtleniane żelazomanganem wykazują skłonności do intensywnego rozrostu ziarn przy nagrzaniu już nieco powyżej temperatury Ac3. W przeciwieństwie do tego stale odtlenione aluminium, a także żelazokrzemem wykazują wyraźny wzrost ziarn dopiero w temperaturze 150-200°C powyżej Ac3, co praktycznie wystarczy, aby przeciwdziałać zjawisku przegrzania stali. Bardzo skutecznym sposobem zmniejszania ilości wodoru, azotu i tlenu oraz wtrąceń niemetalicznych w stali jest wytapianie lub odlewanie jej w próżni. Można w ten sposób otrzymać stal o lepszych własnościach dzięki większej czystości i prawie zupełnemu brakowi rozpuszczonych w metalu gazów. 7.2.3. Stale niestopowe (węglowe) podstawowe konstrukcyjne ogólnego zastosowania Stale niestopowe podstawowe konstrukcyjne są stosowane zazwyczaj w stanie surowym lub rzadziej w stanie normalizowanym. Według PN-88/H-84020 rozróżnia się 6 podstawowych gatunków stali w tej grupie. w zależności od składu chemicznego i wymaganych własności mechanicznych. Znak gatunku stali składa się z liter St oraz liczby porządkowej 0, 3, 4, 5, 6 lub 7.
103 JW Gatunki stali przeznaczone na konstrukcje spawane o liczbie porządkowej 0, 3 i 4 oznacza się dodatkowo literą S (np. St0S, St3S, St4S) oraz w przypadku określonej zawartości miedzi (z wyjątkiem St0S) dodatkowo literami Cu (np. St3SCu. St4SCu). Gatunki o liczbie porządkowej 3 i 4 o podwyższonych wymaganiach jakościowych (o obniżonej zawartości C oraz P i S) oznacza się dodatkowo literą V lub W (np. St3V, St4W). Znak gatunku stali St5, St6 i St7 w przypadku określonej dodatkowo zawartości węgla, manganu i krzemu uzupełnia się na początku literą M (np. MSt5). Gatunki stali o liczbie porządkowej 3 i 4 z literą S lub V mogą być dodatkowe oznaczane literą X w przypadku stali nieuspokojonej (np. St3SX, St3VX, St3SCuXC lub literą Y w przypadku stali półuspokojonej (np. StSCuY, St4SY, St4W). Skład chemiczny i własności mechaniczne tych stali podane są w tabl. 7.2. Tablica 7.2
Skład chemiczny i własności mechaniczne stali węglowych konstrukcyjnych ogólnego zastosowania (PN-88/H-84020) Znak stali StOS St3S St3W St4S St4W MSt5 MSt6 MSt7 Skład chemiczny, % C 0,23 max 0,22 max 0,17 max 0,24 max 0,20 max Mn Si P max S max 0,065 0,050 0,040 0,050 0,040 0,050 0,050 0,050 1,30 0,40 max 0,070 1,10 1,30 1,10 1,30 0,10 0,35 0,10 0,35 0,10 0,35 0,100,35 0,35 max 0,050 0,040 0,050 0,040 0,050 Re* i MPa 185 225 225 265 265 285 325 355 Rm** MPa 300-540 360-490 360-490 420-550 420-550 470-640 570-740 670-840 A5*** % W 20 P 18 W 26 P 24 W 26 P 24 W 22 P 20 W 22 P 20 W 20 P 18 W 15 P 13 W11 P9
0,26+0,37 0,80
0,38+0,49 0,80 0,35 max 0,050 0,50-0,62 0,80 0,35 max 0,050
* Dla wyrobów o grubości lub średnicy powyżej 16 ÷ 40 mm. ** Dla wyrobów o grubości lub średnicy powyżej 3 ÷ 100 mm. *** Dla wyrobów o grubości lub średnicy powyżej 3 ÷ 40 mm. Kierunek osi próbki: W - wzdłużny, P - poprzeczny (w stosunku do kierunku walcowania).
Gatunki stali o liczbie porządkowej 3 i 4 mogą mieć dodatkowo określoną wymaganą udarność w temperaturze +20°C, 0°C i -20°C. Szczegółowe wymagania odnośnie do tych odmian stali i ich oznaczenia podane są w PN-88/H-84020. Znaki gatunków tych stali uzupełnia się na końcu znakiem odmiany plastyczności B, C, D lub U, M, J (np. St3SYU, St4WD). 7.2.4. Stale niestopowe specjalne do ulepszania cieplnego i utwardzania powierzchniowego Stale te należą do grupy stali o wyższych wymaganiach w porównaniu do stali jakościowych i charakteryzują się wyższym stopniem czystości. Zawartość fosforu i siarki nie może w nich przekraczać po 0,040%. Są przeznaczone do wyrobu maszyn i urządzeń i stosuje się je w stanie ulepszonym cieplnie, normalizowanym, hartowanym powierzchniowo lub po nawęglaniu. Dzięki dokładnemu doborowi składu chemicznego oraz przez zastosowanie specjalnych warunków wytwarzania uzyskuje się wymagane właściwości technologiczne i użytkowe często w kombinacji z wysoką lub wąsko ograniczoną wytrzymałością lub hartownością. Znak tych stali wg PN-93/H-84019 składa się z liczb dwucyfrowych, które mogą być uzupełnione literami. Liczby te określają przybliżone średnie zawartości węgla w setnych częściach procentu (np. 10, 15, 20, 25, 30 itd). Litery po liczbach oznaczają:
104 JW G - stal o podwyższonej zawartości manganu, A - stal o podwyższonej czystości w zakresie fosforu i siarki, AA - stal o zaostrzonych wymaganiach w zakresie składu chemicznego (np. dotyczących zawartości węgla, obniżonej zawartości fosforu i siarki ograniczonej sumie zawartości Cr+Mo+Ni, itp.), rs - stal o regulowanej zawartości siarki, h - stal o wymaganej hartowności, H - stal o podwyższonej dolnej granicy twardości w stosunku do wymaganego pasma hartowności, L - stal o obniżonej granicy twardości w stosunku do wymaganego pasma hartowności, przy czym cyfry (np. 4, 5, 15) po literach hH i hL oznaczają odległości od czoła próbki w milimetrach (4 mm, 5 mm, 15 mm). Skład chemiczny niektórych stali niestopowych do nawęglania oraz normalizowania, ulepszania cieplnego i hartowania powierzchniowego podano w tabl. 7.3 Tablica 7.3.
Skład chemiczny niektórych gatunków stali niestopowej specjalnej do nawęglania oraz normalizowania, ulepszania cieplnego i hartowania powierzchniowego (wg PN-93/H-840191 Znak gatunku stali 10 15 14A 20 20G 25 26A 30 35 40 45 46A 46rs 45G 50 55 60 65 0,07-0,14 0,12-0,19 0,12-0,18 0,17-0,24 0,17+0,24 0,22-0,29 0,22+0,29 0,27-0,34 0,32-0,39 0,37+0,44 0,42-0,50 0,42+0,50 0,42-0,50 0,42+0,50 0,47+0,55 0,52+0,60 0,57-0,65 0,62+0,70 C Skład chemiczny, % wag. Mn 0,35+0,65 0,35-0,65 0,30+0,60 0,35+0,65 0,70+1,00 0,40+0,70 0,40+0,70 0,50+0,80 0,50+0,80 0,50+0,80 0,50+0,80 0,50+0,80 0,50+0,80 0,70+1,00 0,60+0,90 0,60+0,90 0,60+0,90 0,50+0,80 Si Stale do nawęglania 0,15-0,40 0,15-0,40 0,15+0,40 0,15+0,40 0,15+0,40 0,10+0,40 0,10+0,40 0,10+0,40 0,10+0,40 0,10+0,40 0,10-0,40 0,10-0,40 0,10+0,40 0,10+0,40 0,10+0,40 0,10+0,40 0,10+0,40 0,10+0,40 0,040 0,040 0,035 0,040 0,040 0,040 0,035 0,040 0,040 0,040 0,040 0,035 0,035 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 max 0,040 max 0,040 max 0,035 max 0,040 max 0,040 max 0,040 max 0,035 max 0,040 max 0,040 max 0,040 max 0,040 max 0,035 0,020+0,040 max 0,040 max 0,040 max 0,040 max 0,040 max 0,040 P max S
Stale do normalizowania, ulepszania cieplnego i hartowania powierzchniowego
Własności mechaniczne w stanie normalizowanym i dla porównania w stanie ulepszonym cieplnie (po hartowaniu i odpuszczaniu w temperaturze 550 ÷ 660°C) niektórych stali podano w tabl. 7.4. Należy zwrócić uwagę, że wytrzymałość na rozciąganie Rm granica plastyczności Re i udarność KCU2 są znacznie wyższe w stanie ulepszonym cieplnie, w porównaniu ze stanem normalizowanym, a dla stali o większej zawartości węgla (gatunku 55, 60) większe jest również wydłużenie. 7.2.5 Stale niestopowe jakościowe i specjalne o określonym zastosowaniu W przemyśle, oprócz omówionych wyżej stali węglowych konstrukcyjnych ogólnego zastosowania, stosuje się również wiele gatunków stali węglowych o określonym z góry zastosowaniu. Stale te z uwagi na konieczność zapewnienia szczególnych własności użytkowych lub technologicznych mają skład chemiczny różniący się od składu stali węglowych ogólnego zastosowania i to zarówno w odniesieniu do składników zasadniczych, jak i przypadkowych lub zanieczyszczeń. Poza tym w niektórych przypadkach stale te wykazują wyższe lub niższe
105 JW własności mechaniczne, w porównaniu do odpowiednich stali ogólnego zastosowania o zbliżonym składzie chemicznym, jednakże zapewniają żądane własności technologiczne i użytkowe. Tablica 7.4
Własności mechaniczne niektórych gatunków stali niestopowej specjalnej w stanie normalizowanym oraz ulepszanym cieplnie wg PN-93/H-84019 (dla wyrobów o średnicy lub grubości do 16 mm*)
Znak gatunku stali 25 30 35 40 45 55 60 Stan obróbki cieplnej N**) T***) N T N T N T N T N T N T Rm MPa min 470 550 ÷ 700 min 510 600 ÷ 750 min 550 630 ÷ 780 min 580 650 ÷ 800 min 620 700 ÷ 850 min 680 800 ÷ 950 min 710 850 ÷ 1000 Re (ReH,R0,2) MPa, min 275 370 295 400 315 430 335 460 355 490 380 550 400 580 A5, % min 22 19 20 18 18 17 16 16 14 14 11 12 10 11 KCU 2, J/cm2 min 60 90 60 80 50 70 50 60 40 50 -
* Dla większych wartości grubości wyrobów własności wytrzymałościowe są odpowiednio niższe. ** N - normalizowanie. *** T - ulepszanie cieplne (hartowanie i odpuszczanie wysokie).
Wśród stali węglowych konstrukcyjnych o określonym zastosowaniu można wyodrębnić następujące ważniejsze grupy gatunków: stale do wyrobu drutu do patentowania, na liny, na sprężyny, do konstrukcji sprężanych, drutu ogólnego przeznaczenia i dla przemysłu włókienniczego (PN 91/H-84028); stale, dla kolejnictwa (PN-84/H-84027, PN-91/H-84027/03, PN-88/H-84027/04-05); stale do wyrobu rur (PN-89/H-84023/07); stale do wyrobu nitów (PN-89/H-84023/04-05); stale na blachy kotłowe (PN-81/H-92123); stale do budowy mostów (PN-89/H-84023/04); stale na blachy grube i uniwersalne do budowy statków (PN-85/H-92147); stale na blachy karoseryjne (PN-89/H-84023/03); stale do wyrobu ogniw łańcuchów technicznych i okrętowych (PN-89/H-84023/08); stale automatowe (łatwo obrabialne mechanicznie) (PN-73/H-84026); stale magnetycznie miękkie (PN-89/H-84023/02). Stale niestopowe przeznaczone na walcówkę do produkcji drutu są wysokiej czystości. Zawartość węgla w tych stalach zawiera się w granicach 0,33 ÷ 0,98%. W stalach o najwyższej czystości do wyrobu drutu na liny zawartość fosforu i siarki nie może przekroczyć po 0,020%, ale łącznie zawartość P+S nie może być wyższa niż 0,035%. Stale automatowe (oznaczone wg PN-73/H-84026 znakami A10X, A10XN, A11. A35, A45, A35G2), a także stal do wyrobu nakrętek prasowanych (10P) są stalami o podwyższonej zawartości fosforu i siarki (np. stal automatowa A10 zawiera 0,04 ÷ 0,08% P i 0,24 ÷ 0,34% S, a stal do wyrobu nakrętek 10P - 0,20 ÷ 0,35% P i 0,06% S). Duża zawartość tych pierwiastków zapewnia dobrą skrawalność stali, które dzięki temu nadają się szczególnie dobrze do obróbki
106 JW wiórowej na automatach i szybkobieżnych obrabiarkach do nacinania gwintów, gdyż obecność dużej ilości wtrąceń niemetalicznych (siarczków i fosforków) ułatwia łamanie się wióra podczas skrawania. Skład chemiczny i własności mechaniczne stali automatowych podano w tabl. 7.5. Stale węglowe magnetycznie miękkie są to stale o bardzo małej zawartości węgla (max 0,04%). Stale te odznaczają się małą koercją i dużą przenikalnością magnetyczną. Stosuje się je najczęściej na rdzenie elektromagnesów. Własności magnetyczne materiałów magnetycznie miękkich pogarszają się ze wzrostem ilości zanieczyszczeń, zwłaszcza C, S, P, O i N. Dlatego wymaga się, aby w tych stalach ich ilość była jak najmniejsza. Szczegółowe wymagania, dotyczące wymienionych wyżej grup stali węglowych o określonym przeznaczeniu i o szczególnych własnościach, podają Polskie Normy. Tablica 7.5
Skład chemiczny i własności mechaniczne stali automatowych (wg PN-73/H-84026) Znak Średnia zawartość, % Stan** Rm*** Re***min A5***min stali MPa MPa % C Mn Si P S min min A10X 0,12 1,10 0,05 0,06 0,29 W 380 ÷ 510 — max max C 490 ÷ 740 390 8 A11 0,10 0,70 0,27 0,06 0,20 W 380 ÷ 510 — — max C 490 ÷ 740 390 8 T 440 ÷ 740 260 14 A35 0,35 0,70 0,27 0,06 0,20 W 490 ÷ 660 — max C 540 ÷ 740 310 8 TC 620 ÷ 770 500 12 A45 0,45 0,70 0,27 0,06 0,20 W 590 ÷ 770 max C 640 ÷ 830 370 7 TC 700 ÷ 890 580 10 A35G2 0,35 1,60 0,27 0,035 0,14 WN min 690 410 13 max C — — T 780 ÷ 930 590 12 * Wytwarzany jest również gatunek z azotem A10XN zawierający średnio ok. 0,013% N. **Własności mechaniczne podano dla grubości wyrobów powyżej 16 ÷ 40 mm; dla grubości mniejszej własności wytrzymałościowe są nieco wyższe, a plastyczne nieco niższe, natomiast dla grubości większej własności wytrzymałościowe są nieco niższe, a plastyczne wyższe. ***W - walcowanie na gorąco, WN - walcowanie i normalizowanie, T – ulepszanie cieplne, TC ciągnienie po ulepszaniu cieplnym, C - ciągnienie po walcowaniu.
7.3. Stale niestopowe (węglowe) narzędziowe Stale narzędziowe służą w głównej mierze do wyrobu wszelkiego rodzaju narzędzi w tym skrawających, na odpowiedzialne części przyrządów mierniczych, uchwytów itd. Zasadnicze cechy, których wymaga się od stali narzędziowych, to: twardość po zahartowaniu, odporność na ścieranie i zużycie, ciągliwość, niewrażliwość na przegrzanie, mała odkształcalność przy hartowaniu - przy czym nie zawsze wszystkie cechy są wymagane jednocześnie. Podstawowym wymaganiem stawianym narzędziom skrawającym jest trwałość ostrza, która stępia się i zużywa podczas skrawania. Im bardziej stal jest odporna na zużycie i ścieranie, tym lepiej nadaje się na narzędzia skrawające. Aby stal była odporna na ścieranie, powinna mieć dużą twardość, zazwyczaj powyżej 60 HRC. Największą twardość po hartowaniu uzyskują stale o większej zawartości węgla i z tego względu stale narzędziowe są z reguły stalami wysokowęglowymi. Zawartość węgla w stalach węglowych narzędziowych objętych Polską Normą PN-84/H85020 wynosi 0,5 ÷ 1,24. Stale te w porównaniu ze stalami węglowymi konstrukcyjnymi charakteryzują się większą czystością (mniejszą zawartością fosforu i siarki), mniejszą zawartością manganu oraz drobnoziarnistością. Charakterystyczną zaletą stali narzędziowych węglowych jest mała głębokość hartowania, tzn. że hartuje się tylko warstwa wierzchnia narzędzia, a rdzeń pozostaje bardziej miękki i ciągliwy.
107 JW Daje to możliwość uzyskania narzędzia twardego i odpornego na ścieranie, a jednocześnie mającego dostateczną odporność na uderzenia. Według Polskich Norm PN-84/H-85020 stale węglowe narzędziowe dzielą się na dwie grupy: - stale hartujące się płytko, - stale hartujące się głęboko. W tablicy 7.6. podano skład chemiczny tych stali oraz ich twardość w stanie zmiękczonym i po hartowaniu. Stale hartujące się płytko oznaczone są literą N (oznaczają stal narzędziową), liczbą oznaczającą w przybliżeniu średnią zawartość węgla w dziesiętnych częściach procentu oraz na końcu literą E. Stale hartujące się głęboko są oznaczone analogicznie, ale bez litery E. Tablica 7.6
Skład chemiczny i twardość w stanie zmiękczonym i po hartowaniu stali węglowych narzędziowych (wg PN-84/H-85020) Skład chemiczny, % C Znak stali Twardość w Temp.**) Twardość w hartowania, stanie hartostanie o inne pierwiastki zmiękczony wanym HRC, C min m HB, max
Stale hartujące się płytko Mn 0,15 ÷ 0,30 187 790 ÷ 810 61 Si 0,15 ÷ 0,30 187 780 ÷ 800 62 Pmax 0,025 197 770 ÷ 790 Smax 0,025 197 770 ÷ 790 Crmax 0,15 207 770 ÷ 790 Nimax 0,20 207 760 ÷ 780 63 Cu max 0,20 Stale hartujące się głęboko N5 0,50 ÷ 0,60 Mn 0,40÷0,60* 183 790 ÷ 810 58 N6 0,61 ÷ 0,70 Mn 0,30÷0,50* 183 790 ÷ 810 61 N7 0,65 ÷ 0,74 Mn 0,15 ÷ 0,35 187 790 ÷ 810 61 N8 0,75 ÷ 0,84 Si 0,15 ÷ 0,35 187 790 ÷ 800 62 N9 0,85 ÷ 0,94 Pmax 0,030 197 770 ÷ 790 N10 0,95 ÷ 1,04 S max 0,030 197 770 ÷ 790 N11 1,05 ÷ 1,14 Cr max 0,20 207 770 ÷ 790 207 760 ÷ 780 N12 1,15 ÷ 1,24 Ni max 0,25 Cu 63 max 0,25 * Pozostałe pierwiastki dla stali N5 i N6; Si max 0,15%, P max 0,035%, S max 0,035%, Cr, C, i Ni nie określa się. * Hartowanie w wodzie czystej lub słonej. N7E N8E N9E N10E N11E 0,65 ÷ 0,74 0,75 ÷ 0,84 0,85 ÷ 0,94 0,95 ÷ 1,04 1,05 ÷ 1,14 1,15 ÷ 1,24
Stale płytko i głęboko się hartujące, które mają taką samą zawartość węgla, różnią się tylko zawartością domieszek pochodzących z wytopu, które jednak wpływają na ich hartowność. Stale hartujące się płytko są stalami o małej hartowności (głębokość zahartowania wynosi 2 ÷ 5 mm w zależności od temperatury hartowania), wykazują małą wrażliwość na przegrzanie i ze względu na małą zawartość zanieczyszczeń należą do stali najwyższej jakości. Stale hartujące się głęboko są bardziej wrażliwe na przegrzanie, tzn. że hartowane z wyższej temperatury wykazują większą gruboziarnistość i większą skłonność do rys i pęknięć. Stale te odznaczają się nieco większą hartownością (głębokość zahartowania wynosi 5 ÷12 mm, w zależności od temperatury hartowania) i mają nieco większą dopuszczalną zawartość zanieczyszczeń (fosforu i siarki) i innych domieszek, co powoduje, że są stalami niższej klasy niż stale hartujące się płytko. Stale hartujące się płytko są stosowane w zasadzie do wyrobu narzędzi, których grubość nie przekracza 20 mm, natomiast stale głęboko hartujące się - do wyrobu narzędzi, których grubość lub średnica jest większa niż 20 mm.
108 JW Obróbka cieplna stali narzędziowych węglowych polega na hartowaniu i niskim opuszczaniu (ok. 180°C). Typowa struktura wysokowęglowej stali narzędziowej przedstawiona jest na rys. 7.2. Nagrzewanie zahartowanych stali węglowych powyżej temperatury 180°C zaczyna powodować odpuszczanie martenzytu i obniżanie twardości. Wrażliwość na podwyższoną temperaturę jest główną wadą stali węglowych narzędziowych, które z tego powodu są zakwalifikowane jako stale do pracy na zimno i do obróbki materiałów przy niewielkiej szybkości skrawania.
Rys. 7..2. Mikrostruktura stali węglowej narzędziowej N11E po hartowaniu i niskim odpuszczaniu (180°C). Widoczne jasne wydzielenia cementytu na tle drobnoiglastego martenzytu. Traw. 2% nitalem. Powiększ. 630x
Rys.7.3. Stal narzędziowa węglowa w stanie zmiękczonym. Widoczny cementyt kulkowy (sferiodyt) na tle osnowy ferrytycznej. Traw. 5% nitalem. Powiększ. 500x Stal narzędziowa jest dostarczana z huty w stanie zmiękczonym i aby ułatwić dalszą jej przeróbkę lub obróbkę skrawaniem, wyżarzana w celu uzyskania struktury cementytu kulkowego (rys. 7.3), gdyż stal mająca strukturę perlitu płytkowego trudniej poddaje się obróbce. Strukturę taką otrzymuje się najprościej przez wyżarzanie sferoidyzujące w temperaturze nieco wyższej od Ac1
7.4. Stale stopowe
Stalą stopową nazywa się stal, do której celowo wprowadzono pierwiastki stopowe, aby nadać jej wymagane własności. Według Polskich Norm do stali stopowych zalicza się gatunki stali, w których najmniejsza wymagana zawartość chociażby jednego z pierwiastków jest równa lub większa niż podano w tabl. 7.1. Wprowadzenie do stali dodatków stopowych może mieć na celu: • uzyskanie określonych własności wytrzymałościowych, • wywołanie pożądanych zmian strukturalnych, • uzyskanie specjalnych własności chemicznych lub fizycznych, • podwyższenie hartowności, • ułatwienie technologii i polepszenie efektów obróbki cieplnej.
109 JW Najczęściej stosowanymi dodatkami stopowymi są: mangan, krzem, chrom, nikiel, molibden, wanad, wolfram. Nieco rzadziej stosuje się aluminium, kobalt, tytan i niob. Ponadto coraz częściej jako celowe dodatki stopowe zyskują na znaczeniu bor i azot. 7.4.1. Wpływ pierwiastków stopowych na strukturę i własności stali Pierwiastki stopowe dodawane do stali w procesie metalurgicznym w przeważającej ilości przechodzą do roztworu ciekłego. Po skrzepnięciu stali pierwiastki stopowe mogą wystąpić w następujących fazach: • w roztworach stałych: ferrycie i austenicie; • w związkach z węglem i azotem: węglikach, azotkach i węgliko-azotkach; • w związkach międzymetalicznych; • w postaci wolnej (czystego pierwiastka). Ze względu na różnice potencjału chemicznego pierwiastków w poszczególnych fazach, składniki stopowe nie są równomiernie rozłożone we wszystkich składnikach strukturalnych stopu, ale wykazują tendencję do skupiania się w poszczególnych fazach. Węgliki są w stalach tworzone przez metale położone w układzie okresowym na lewo od żelaza (Mn, Cr, V, Ti, Mo, Nb, Zr, W, Ta, Hf). Pierwiastki te należą podobnie jak żelazo, do metali przejściowych. Im dalej na lewo od żelaza znajduje się w układzie okresowym pierwiastek węglikotwórczy, tym aktywniej łączy się z węglem i trwałość utworzonych węglików jest większa. Według wzrastającej skłonności do tworzenia w stali węglików, pierwiastki węglikotwórcze można uszeregować w następującej kolejności: Fe, Mn, Cr, W, Mo, V, Ti, Zr, Nb. W stalach powstają najczęściej następujące węgliki: węgliki grupy I - Fe3C, Mn3C, Cr23C6, Cr7C3, Fe3Mo3C, Fe3W3C; węgliki grupy II - VC, TiC, NbC, ZrC, WC, W2C, Mo2C, TaC, Ta2C. Węgliki grupy I mają złożoną sieć krystaliczną i charakteryzują się tym, że łatwo się rozpuszczają w austenicie podczas nagrzewania. Węgliki grupy II mają prostą sieć krystaliczną (regularną lub heksagonalną) znacznie trudniej rozpuszczają się w austenicie, tak że przy nagrzewaniu nawet do wysokich temperatur mogą nie przejść do roztworu stałego. W stalach jednak węgliki z reguły nie występują w postaci czystej. Zawierają zwykle rozpuszczone żelazo, a gdy w skład stali stopowej wchodzi kilka pierwiastków, to węgliki zawierają również te pierwiastki w roztworze. Na przykład w stali chromowo-manganowej tworzy się nie czysty węglik chromu Cr23C6, lecz węglik (Cr, Mn, Fe)23C6, zawierający w roztworze żelazo i mangan. Dodatki stopowe rozpuszczające się w żelazie wpływają silnie na zmianę temperatury przemian alotropowych A3 i A4. Niektóre z pierwiastków w pewnym zakresie stężeń albo podwyższają temperaturę A3 i obniżają temperaturę A4, wskutek czego ulega rozszerzeniu obszar istnienia odmiany alotropowej γ np. (Ni, Mn), albo obniżają temperaturę A4 a podwyższają temperaturę A3, zwężając obszar istnienia odmiany γ (np. Cr, Si, W, Mo, V, Ti), względnie mogą podwyższać (Co) lub obniżać obie te temperatury jednocześnie (Cr). W wyniku oddziaływania pierwiastków stopowych na temperatury przemian alotropowych żelaza oraz punkty krytyczne układu Fe-Fe3C, struktura stali stopowych może różnić się zasadniczo od występującej w stalach węglowych przy tych równoważnych zawartościach węgla. Duże znaczenie ma również wpływ pierwiastków stopowych na przemiany austenitu przechłodzonego, w szczególności na krytyczną szybkość chłodzenia oraz temperaturę przemiany martenzytycznej Ms. Pierwiastki, które rozpuszczają się jedynie w ferrycie lub cementycie, jak np. Mn, Ni, Si, Al, Cu, wpływają na przemianę austenitu tylko ilościowo, opóźniając ją i przesuwając krzywą początku rozkładu austenitu (na wykresie CTP) w kierunku większych wartości czasu (rys. 7.4) w stosunku do stali węglowej (wyjątkiem jest jedynie Co, który przyspiesza przemianę).
110 JW Natomiast pierwiastki węglikotwórcze wywołują w kinetyce przemiany izotermicznej austenitu zmiany nie tylko ilościowe, ale i jakościowe. Krzywe początku przemiany ulegają nie tylko przesunięciu, lecz również zmienia się ich kształt (rys. 7.4d). Obszary przemian perlitycznej oraz bainitycznej zostają w tych stalach przedzielone zakresem o zwiększonej trwałości przechłodzonego austenitu
Rys.7. 4. Schemat krzywych izotermicznych przemian austenitu przechłodzonego dla stali stopowych: a) stal węglowa (0,45% C), b) stal manganowa (0,45% C, 0,2% Mn), c) stal chromowo-wanadowa (0,5%C, 1,0% Cr, 0,1% V), d) stal chromowo-niklowo-molibdenowa (0,30% C, 1,5% Cr, 2,0% Ni, 0,35 Mo) Najważniejszy dla praktyki wpływ pierwiastków stopowych polega na zmniejszeniu szybkości rozkładu austenitu w zakresie jego przemiany w struktury perlityczne. Zapewnia to większą hartowność stali, a przechłodzenie austenitu do zakresu przemiany martenzytycznej można osiągnąć stosując powolniejsze chłodzenie, np. podczas chłodzenia w oleju lub w powietrzu. Zwiększenie hartowności jest szczególnie duże, gdy stal zawiera jednocześnie kilka pierwiastków stopowych, np. nikiel, chrom i molibden itp. Stwierdzono również, że bardzo małe dodatki niektórych pierwiastków zwiększają bardzo wyraźnie hartowność stali, natomiast większa ich zawartość nie wywołuje tak skutecznego działania. Do takich pierwiastków należy przede wszystkim bor (B). Optymalna zawartość boru w stali, zapewniająca największą hartowność wynosi zaledwie 0,001 ÷0,003%. W razie większej ilości boru jego stężenie na granicach ziarn austenitu przekracza maksymalną rozpuszczalność, wskutek czego powstają odrębne fazy zawierające bor (borki), które jako ośrodki krystalizacji ułatwiają wykrystalizowanie struktur perlitycznych i hartowność zmniejsza się. Wpływ pierwiastków stopowych na wykresy CTP stali zaznacza się nie tylko zmianą położenia i kształtu krzywych przemian, lecz również przesunięciem punktu przemiany martenzytycznej Ms. Większość pierwiastków obniża punkt Ms, zwiększając tym samym zawartość austenitu szczątkowego po zahartowaniu. Odwrotne działanie wywierają jedynie Al i Co. 7.4.2. Klasyfikacja stali wg struktury po wyżarzaniu i po chłodzeniu na powietrzu Przyjmując zasadę podziału wg struktury w stanie wyżarzonym, można wyróżnić następujące grupy stali stopowych: • podeutektoidalne, w których strukturze obok perlitu występuje wolny ferryt; • eutektoidalne, o strukturze perlitycznej; • nadeutektoidalne, zawierające w strukturze wydzielone z austenitu węgliki wtórne • ledeburytyczne, w których strukturze występuje eutektyka - ledeburyt, zawierająca węgliki pierwotne wydzielone z ciekłej stali; • ferrytyczne, ewentualnie z wydzieleniami węglików; • austenityczne, mogące również zawierać wydzielone węgliki.
111 JW Zgodnie z wykresem Fe-Fe3C stale węglowe podeutektoidalne zawierają mnie niż 0,8% C, eutektoidalne ok. 0,8% C, nadeutektoidalne 0,8 ÷2,0% C, ledeburytyt natomiast pojawia się powyżej ok. 2% C. Ponieważ jednak większość pierwiastków stopowych przesuwa punkty S i E wykresu Fe-Fe3C w lewo, tj. w kierunku mniejszych zawartości węgla, więc granica między stalami podeutektoidalnymi i nadeutektoidalnymi oraz nadeutektoidalnymi i ledeburytycznymi odpowiada w stalach stopowych mniejszym zawartościom węgla niż w stalach węglowych. Stale ferrytyczna i austenityczna są to najczęściej stale o dużej zawartości dodatków stopowych i niskiej zawartości węgla. Podział stali stopowych ze względu na strukturę przeprowadza się również w zależności od tego, jaką strukturę otrzymuje się po ochłodzeniu w spokojnym powietrzu próbek o niedużym przekroju. Struktura ta może się zasadniczo różnić od struktury uzyskanej po wyżarzaniu. W tym przypadku można rozróżnić trzy podstawowe klasy stali: • perlityczną, • martenzytyczną, • austenityczną (mogą także występować klasy pośrednie). Klasę perlityczną cechuje dość mała zawartość pierwiastków stopowych, stale klasy martenzytycznej zawierają więcej, a klasy austenitycznej - najwięcej tych pierwiastków. Wytworzenie się jednej z tych trzech struktur stali następuje wskutek tego, że w miarę zwiększania się zawartości pierwiastków stopowych wzrasta trwałość przechłodzonego austenitu (krzywe C na wykresie CTP przesuwają się w prawo), zaś początek przemiany martenzytycznej obniża się w kierunku niższych temperatur. Należy podkreślić, że podana klasyfikacja jest umowna i ma znaczenie w przypadku chłodzenia w powietrzu próbek o dość małych wymiarach. Zmieniając warunki chłodzenia, można oczywiście otrzymać w tej samej stali różne struktury. 7.4.3. Oznaczanie stali stopowych konstrukcyjnych i maszynowych Sposób oznaczania różnych gatunków stali stopowych konstrukcyjnych został opracowany i ujęty przez Polską Normę PN-89/H-84030/01. Stale stopowe konstrukcyjne oznaczane są za pomocą znaku składającego się z: cyfr i liter. Pierwsze dwie cyfry określają średnią zawartość węgla w setnych procenta. Litery oznaczają pierwiastki stopowe: G — mangan, S — krzem, H — chrom, N — nikiel, M — molibden, T - tytan, F - wanad (także V), J — aluminium. Liczby występujące za literami oznaczają zaokrąglone do liczby całkowitej średnie zawartości składnika w stali w przypadku, gdy jego średnia zawartość przekracza 1,5% (w przypadku stali niskostopowych, gdy średnia zawartość składnika przekracza 1%). Stale o wyższych wymaganiach co do składu chemicznego (np. co do zawartości fosforu i siarki) oznacza się na końcu znaku literą A. Stale przetapiane elektrożużlowo oznacza się przez dodanie na końcu znaku stali Ż. Stale modyfikowane związkami chemicznymi litu, sodu lub wapnia i innymi oznacza się literą D. Według takich samych zasad, jak stale stopowe konstrukcyjne, oznacza się stale odporne na korozję i stale żaroodporne. Natomiast stale stopowe narzędziowe oznacza się w odrębny sposób wg dawnych cech hutniczych (patrz rozdz. 7.5).
112 7.4.4. Stale niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości
JW
W wyniku dążenia do obniżania ciężaru konstrukcji, zwłaszcza budowlanych. i poprawy wskaźników użytkowych opracowanych zostało szereg gatunków stali niskostopowych, które bez dodatkowej obróbki cieplnej odznaczają się lepszymi własnościami mechanicznymi niż stale węglowe. Są to stale zawierające niewielkie dodatki składników stopowych i wykazujące w stanie dostawy podwyższone własności wytrzymałościowe i strukturę ferrytyczno-perlityczną. Stale te są stosowane głównie na konstrukcje budowlane, mosty, siatki i pręty do zbrojenia betonu, na zbiorniki i rury ciśnieniowe. Od materiałów tych, oprócz odpowiednio dużych wartości Re i Rm, wymaga się odpowiedniej plastyczności, niskiej wartości temperatury progu kruchości, dobrej spawalności oraz niskiej ceny. Duże znaczenie przy opracowywaniu nowych gatunków stali o podwyższone wytrzymałości miały osiągnięcia w zakresie fizyki metali, a w szczególności poznanie mechanizmów umocnienia metali i stopów. Stwierdzono, że obok utwardzenia roztworu stałego i udziału perlitu w strukturze, często znacznie większy wpływ na podwyższenie wytrzymałości stali wywierają inne czynniki, w tym głównie wielkość ziarna i obecność w strukturze dyspersyjnych wydzieleń węglików i azotków lub innych faz. Szczególne znaczenie w produkcji stali o podwyższonej wytrzymałości ma tzw. regulowane walcowanie, polegające na obniżeniu temperatury nagrzewania wsadu, na niewielkich, lecz licznych zgniotach, a przede wszystkim na obniżeniu temperatury końca walcowania i przyspieszeniu chłodzenia wyrobów po walcowaniu. W efekcie ulega zahamowaniu rekrystalizacja zgniecionego austenitu, a uzyskane w wyniku jego przemiany drobne ziarno ferrytu zapewnia odpowiednio wysokie własności wytrzymałościowe i plastyczne. Zasadnicze znaczenie ma również obecność w stali mikrododatków Al, V, Ti, Nb i Zr, tworzących trudno rozpuszczalne dyspersyjne wydzielenia, które wpływają na opóźnienie rekrystalizacji i rozrostu ziarn austenitu, oddziałując tym samym na wzrost umocnienia i obniżenie progu kruchości. Jedną z grup stali spawalnych o podwyższonej wytrzymałości stanowią stale niskostopowe o strukturze ferrytyczno-perlitycznej zawierające maksymalnie 0,20% C dodatek manganu max do ok. 1,8% oraz mikrododatki Al, V, Ti, Nb i N, tworzące dyspersyjne wydzielenia węglików i azotków. Zawartości tych pierwiastków na ogół nie przekraczają 0,02% Al, 0,15% V, 0,05% Nb oraz do ok. 0,025% N. Stale te stosowane po regulowanym walcowaniu lub normalizowaniu zapewniają uzyskanie granicy plastyczności Re 305 ÷ 460 MPa (dla wyrobów o grubości 3 ÷ 16 mm). Polska Norma PN-86/H-84018 obejmuje 11 gatunków stali niskostopowych podwyższonej wytrzymałości oznaczonych znakami: 09G2 18G2A 09G2Cu 18G2ACu 15GA 18G2ANb 15G2ANb 18G2AV 15G2ANNb 18G2AVCu 18G2 Stale te, w zależności od wymaganych własności wytrzymałościowych na rozciągnie i technologicznych na zginanie, dzielą się na 7 kategorii oznaczonych symbolami E305, E325, E355, E390, E420, E440, E460. Trzycyfrowa liczba po literze E oznacza w przybliżeniu granicę plastyczności Re w MPa. Granica ta wykazuje pewne niewielkie różnice w zależności od grubości wyrobu (3 ÷ 70 mm). Należy określić, że stale te mają znacznie wyższą (o 50 ÷ 80%) granicę plastyczności porównaniu ze stalami węglowymi zwykłej jakości przeznaczonymi do spawania, co stwarza możliwość uzyskania znacznych oszczędności materiałowych. W zależności od wymaganej udarności w temperaturze od +20 do -60°C stale te dzielą się na odmiany. Jak wspomniano już na wstępie, omawiana grupa stali musi charakteryzować się dobrą spawalnością. Muszą to być zatem stale o ograniczonej hartowności, tj. możliwie niskim ekwiwalencie węgla CE, który można wyliczyć z zależności;
113
JW
CE = C +
Mn Cr + Mo + V Ni + Cu + + 6 5 15
Stale niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości ujęte w PN-86/H-84018 mają ekwiwalent węgla CE nie przekraczający 0,44 ÷ 0,52. 7.4.5. Stale stopowe konstrukcyjne i maszynowe do ulepszania cieplnego W przypadkach nie pozwalających na użycie stali węglowych ze względu na małą hartowność lub też zbyt niskie własności wytrzymałościowe, stosuje się stale stopowe konstrukcyjne i maszynowe do ulepszania cieplnego. Wykonuje się z nich głównie wysoko obciążone i ważne elementy konstrukcyjne maszyn, silników, pojazdów mechanicznych itp., zwłaszcza o dużych przekrojach. Grupa stali konstrukcyjnych stopowych do ulepszania cieplnego obejmuje znaczą ilość gatunków o bardzo zróżnicowanym składzie chemicznym. Polskie Normy wyszczególniają 35 gatunków stali stopowych konstrukcyjnych do ulepszania cieplnego (PN-89/H-84030/04) oraz ponadto 9 gatunków stali o większej zawartości pierwiastków stopowych, przeznaczonych do wyrobu sprzętu szczególnie obciążonego PN-72/H-84035), np. sprzętu lotniczego, części silników spalinowych itp. Skład chemiczny tych dwóch grup stali oraz ich własności mechaniczne podano w tabl. 7.7 ÷ 7.10. Tablica 7.7
Skład chemiczny niektórych stali stopowych konstrukcyjnych do ulepszania cieplnego (wg PN-89/H-84030/04)
Grupa stali Mn Mn-Si Cr
Znak stali C 30G2 4502 35SG 30H 40H 45H 50H 37HS 20HGS 30HGS 35HGS 25HM 30HM 35HM 40HM 0,30 0,45 0,35 0,30 0,40 0,45 0,50 0,37 0,20 0,30 0,35 0,25 0,30 0,35 0,40 Mn 1,60 1,60 1,25 0,65 0,65 0,65 0,65 0,45 0,95 0,95 0,95 0,55 0,55 0,55 0,55 0,65 0,65 0,95 0,65 0,55 0,65 0,65
Średnia zawartość, % Si 0,27 0,27 1,25 0,27 0,27 0,27 0,27 1,15 1,05 1,05 0,15 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27 0,95 0,95 0,95 0,95 1,45 0,95 0,95 1,25 0,95 0,95 1,05 0,95 1,75 0,60 0,55 1,05 1,50 0,75 0,95 1,2 0,55 1,05 1,50 1,45 1,55 Cr Ni Mo Inne
Cr-Si Cr-Mn-Si
Cr-Mo
0,20 0,20 0,20 0,20 0,35 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20 V - 0,20
Cr-Mo-V 40H2MF 0,40 Cr-Ni 45HN 0,45 Cr-Mn-Ni-Mo 37HGN 0,37 36HNM 34HNM 40HNM Cr-Ni-Mo-V 45HNMF Cr-Ni-Mo 0,36 0,36 0,40 0,45
V-0,15
Zawartość fosforu i siarki max po 0,025-0,035%.
Obróbka cieplna stali stopowych konstrukcyjnych polega na hartowaniu w oleju z temperatury 820-950°C oraz odpuszczaniu najczęściej w zakresie 500-650°C. Uzyskuje się wówczas sorbit złożony z ferrytu stopowego oraz bardzo drobnych węglików (rys. 7.5).
114 JW Własności mechaniczne zależą od zawartości węgla i pierwiastków stopowych oraz od temperatury odpuszczania. Niższa temperatura odpuszczania pozwala uzyskiwać wysokie własności wytrzymałościowe przy gorszych plastycznych i odwrotnie, zależnie od stawianych wymagań (rys. 7.6).
Hartowność stali stopowych. Najistotniejszym kryterium stosowania poszczególnych gatunków stali stopowych konstrukcyjnych jest hartowność. W tablicy 7.8. podano dla poszczególnych gatunków stali wielkości średnic krytycznych, tj. największych średnic wyrobów hartujących się na wskroś z utworzeniem w rdzeniu struktury zawierającej 50% martenzytu oraz 50% struktur perlityczno-bainitycznych.
Rys. 7..5. Mikrostruktura stali 30HGSA po ulepszaniu cieplnym. Sorbit. Traw. 3% nitalem. 300x Tablica 7.8 Własności mechaniczne w stanie ulepszonym cieplnie oraz hartowność (średnica krytyczna) niektórych stali stopowych konstrukcyjnych
Znak stali Średnica kryWłasności wytrzymałościowe tyczna (50% martenzytu) Rm MPa, Re, MPa, min A5, % hartów. w min oleju, min 30G2 20 780 540 14 45G2 25 880 690 10 35SG 30 880 690 15 30H 30 880 740 12 40H 40 980 780 10 38HA 40 930 780 12 45H 40 1030 830 9 50H 45 1080 930 8 37HS 80 930 740 12 20HGS 40 780 640 12 30HGS 65 1080 830 10 35HGS 90 1620 1280 9 25HM 50 740 590 15 30HM 55 930 740 11 35HM 55 980 780 12 40HM 65 1030 880 10 40H2MF 250 1230 1030 9 45HN 50 1030 830 10 37HGNM 60 930 780 13 36HNM 110 980 780 11 34HNM 160 1080 880 10 40HMNA 165 1080 930 12 45HNMF 180 1470 1320 7 Udarność Z,% 50 40 40 45 45 50 45 40 50 45 45 40 55 45 45 45 40 45 50 50 45 50 45 KCU2, J/cm2 80 60 70 60 90 50 40 70 70 45 40 100 80 80 70 50 70 80 80 70 90 40
Na rysunkach 7.7 i 7.8 przedstawiono przykładowo pasma hartowności dla prób hartowania od czoła dwóch gatunków stali o małej (40H) i bardzo dużej hartowności (40HNMA). Spośród stali o jednakowej hartowności należy zawsze stosować najekonomiczniejszą, oczywiście o ile dodatkowe wymagania (np. udarność) nie uzasadniają stosowania stali droższej, wyżej stopowej.
115 JW Stale manganowe (30G2, 45G2), krzemowo-manganowe (35SG) oraz chromowe (30H, 40H, 45H, 50H) charakteryzują się stosunkowo niedużą hartownością w porównaniu z innymi gatunkami stali stopowych. Znacznie wyższą hartowność wykazują stale chromowomanganowo-krzemowe (30HGS, 35HGS). Zastępują one w wielu przypadkach drogie stale zawierające Ni, Mo, W i V. Największą hartowność oraz najkorzystniejszy zespół własności wytrzymałościowych po ulepszaniu cieplnym wykazują stale chromowo-niklowo-molibdenowe, ewentualnie z dodatkiem wanadu lub wolframu, a także manganu i krzemu (40HNMA, 36HNM, 45HNMF, 30H2N2M, 30HGSNA, 25H2N4W, 30HN2MFA i inne). Stale te są używane na części maszyn o największych wymaganiach wytrzymałościowych, jak wały korbowe silników lotniczych, wały napędowe, na części turbin o dużych przekrojach, na koła zębate i inne części, gdzie występują największe i zmienne obciążenia. Tablica 7.9
Skład chemiczny stali stopowych konstrukcyjnych do ulepszania cieplnego przeznaczonych do wyrobu sprzętu szczególnie obciążonego (wg PN-72/H-84035) Średnia zawartość, % Znak stali C 25HGS 30HGSNA 20HN3A 30HN3A 37HN3A 25H2NWA 30H2N2M 30HN2MFA 65S2WA 0,25 0,30 0,20 0,30 0,37 0,25 0,30 0,30 0,65 Mn 0,95 1,15 0,45 0,45 0,40 0,40 0,45 0,45 0,85 Si 1,05 1,05 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27 1,75 Cr 0,95 1,05 0,75 0,75 1,40 1,50 1,95 0,60 Ni 1,60 3,00 3,00 3,25 4,20 1,05 2,00 0,40 max Mo 0,30 0,20 inne W-1,00 V - 0,22 W-1,00
Tablica 7.10
Własności mechaniczne stali stopowych konstrukcyjnych w stanie ulepszonym cieplnie, przeznaczonych do wyrobu sprzętu szczególnie obciążonego (wg PN-72/H-84035) Znak stali 25HGS 30HGSNA 20HN3A 30HN3A 37HN3A 25H2N4W 30H2N2M 30HN2MFA 65S2WA Obróbka cieplna RmMPa hart. oC/odp. °C min 880/480 900/200-300 820/500 820/530 820/520 850/560 A. 830/600 B. 830/530 860/680 850/420 1080 1620 930 1080 1130 1080 980 1230 880 1860 ReMPa min 830 1370 780 880 980 930 830 1030 780 1670 A5, % 10 9 12 10 10 11 13 9 10 5 Z,% 40 45 55 50 50 45 50 40 40 20 KCU, J/cm2 60 60 100 80 60 90 80 50 90 -
Stale stopowe konstrukcyjne o zawartości węgla 0,4 ÷ 0,6% mogą być także poddawane hartowaniu powierzchniowemu, co w wielu przypadkach jest korzystne, gdyż unika się w ten sposób długotrwałego i bardziej kłopotliwego procesu nawęglania.
116
JW
Rys. 7.7. Pasmo hartowności dla próby hartowania od czoła stali 40H
Rys. 7.6. Wpływ temperatury odpuszczania oraz grubości wyrobu na własności mechaniczne: a) stali węglowej 40, b) stali stopowej 40HNMA
Rys. 7.8. Pasmo hartowności dla próby hartowania od czoła stali 40HNMA
117 JW 7.4.6. Stale stopowe konstrukcyjne do nawęglania Nawęglanie ma na celu uzyskanie twardej i odpornej na ścieranie warstwy wierzchniej elementu konstrukcyjnego, przy zachowaniu wysokiej udarności i ciągliwości rdzenia. Własności te uzyskuje się przez odpowiednią obróbkę cieplną. Dużą twardość osiąga się przez wzbogacenie warstwy powierzchniowej w węgiel i następnie zahartowanie. Drugim zagadnieniem jest sprawa wytrzymałości rdzenia nawęglonego przedmiotu. Na ogół wymaga się od rdzenia dużej udarności i ciągliwości, aby skompensować niebezpieczeństwo, które przedstawia warstwa powierzchniowa o dużej twardości i kruchości. Z tego względu zawartość węgla w stalach do nawęglania jest niska i wynosi zazwyczaj 0,10 ÷0,25%, natomiast wyższą wytrzymałość rdzenia uzyskuje się dzięki obecności pierwiastków stopowych. W porównaniu ze stalami węglowymi stale stopowe do nawęglania mają wyższą wytrzymałość na rozciąganie zarówno w stanie zmiękczonym, jak i zahartowanym, a dzięki większej hartowności wysoką wytrzymałość można uzyskać w elementach o większych przekrojach przy jednocześnie dużej udarności, dużym przewężeniu i wydłużeniu. Przedmioty wykonane ze stali stopowej charakteryzuje więc po nawęgleniu i zahartowaniu duża wytrzymałość rdzenia, której nie można uzyskać przy użyciu stali węglowych. Z tego względu stal stopową do nawęglania stosuje się wyłącznie na wysoko obciążone, ważne elementy konstrukcyjne silników, pojazdów mechanicznych i samolotów oraz na inne odpowiedzialne części maszyn. Aby spełnić zasadniczy postulat uzyskania najwyższej twardości powierzchniowej, należy warunki hartowania dostosować do składu chemicznego warstwy nawęglonej, dla której właściwa temperatura hartowania jest znacznie niższa niż temperatura hartowania właściwa dla rdzenia. Poza tym temperatura odpuszczania po hartowaniu musi być niska, gdyż już przy 150°C twardość warstwy nawęglanej zaczyna się zmniejszać. Wobec tego, że własności stali do nawęglania nie można zmieniać przez odpuszczanie, skład chemiczny stali jest zasadniczym czynnikiem rozstrzygającym o własnościach wytrzymałościowych rdzenia. Wynika stąd, że dobrawszy odpowiednio zawartość pierwiastków stopowych można uzyskać jednocześnie potrzebną wytrzymałość rdzenia w wymaganym przekroju i pożądaną twardość powierzchniową po nawęgleniu. Ponieważ jednak każdy gatunek stali pozwala na osiągnięcie tylko wąskiego zakresu wytrzymałości rdzenia, aby uzyskać szeroki zakres wytrzymałości Rm 700 ÷ 1500 MPa i spełnić różnorodne wymagania dotyczące twardości powierzchniowej, należy mieć do dyspozycji dość dużo gatunków stali do nawęglania. Polskie Normy obejmują łącznie 20 gatunków stali stopowych do nawęglania. W grupie stali stopowych konstrukcyjnych (PN-89/H-84030/02) Polskie Normy wyszczególniają 16 gatunków stali do nawęglania: 15H, 20H, 16HG, 20HG, 18HGT, 15HGM, 15HGMA, 18HGM, 17HGN, 15HGN, 15HN, 15HNA, 20HNM, 22HNM, 17HNM, 18H2N2 a w grupie stali stopowych konstrukcyjnych przeznaczonych do wyrobu sprzętu szczególnie obciążonego (PN-72/H-84035) - 4 gatunki stali do nawęglania: 12HN3A, 12H2N4A, 20H2N4A, 18H2N4WA. Stale te odznaczają się niską zawartością węgla (średnio 0,12-0,22%), zawierają prawie zawsze 0,5 ÷ 2% Cr oraz zależnie od gatunku również Mn, Ni, Mo oraz rzadziej Ti i W. Najniższe własności mechaniczne rdzenia uzyskuje się w przypadku stali chromowych i chromowo-manganowych (15H, 20H, 16HG, 20HG). Mangan w omawianych stalach sprzyja niekorzystnemu rozrostowi ziarn. Przeciwdziała się temu przez dodatek Ti, np. w stali 18HGT. Wobec mniejszej skłonności do rozrostu ziarn, stal może być nawęglana w szerokim zakresie temperatury. Wytrzymałość rdzenia na rozciąganie w tych stalach może dochodzić do ponad 1200 MPa. Stale chromowo-niklowe (15HN, 17HNM, 18H2N2) uzyskują znacznie lepsze własności, ze względu jednak na drogi dodatek niklu zastępowane są coraz częściej stalami chromowomanganowo-molibdenowymi (15HGM, 18HGM, 19HM) również wykazującymi wysokie własności mechaniczne i dużą hartowność. Elementy maszyn wymagające wysokich własności plastycznych rdzenia i jednocześnie bardzo wysokiej wytrzymałości (Rm = 1200 ÷ 1400 MPa), jak np. części silników lotniczych, wykonuje się ze stali chromowo-niklowych wyższej jakości: większej zawartości chromu (ok.
118 1,5%) i niklu (3 ÷ 4,5%) z dodatkiem Mo (0,2 ÷ 0,3) lub W (ok. 1%) (np. stali 12HN3A, 12H2N4A, 20H2N4A, 18H2N4WA).
7 4.7. Stale do azotowania
JW
Dzięki zawartości niektórych pierwiastków stopowych, a w szczególności aluminium, chromu i molibdenu stale stopowe do azotowania pozwalają na uzyskanie po azotowaniu największej twardości i odporności na ścieranie warstwy wierzchniej, bez potrzeby stosowania dodatkowej obróbki cieplnej. Twardość warstwy naazotowanej nie tylko nie zmniejsza się po nagrzaniu do temperatury dochodzącej do 500°C, lecz także pozostaje nie zmieniona podczas dłuższego wygrzewania w tym zakresie temperatury. W związku z tym stale do azotowania znajdują duże zastosowanie na cylindry, wały, sworznie tłokowe i inne części silników spalinowych, na części turbin, armaturę do pary przegrzanej, wrzeciona zaworów, sprawdziany itp. Czynnikiem rozstrzygającym o wysokiej twardości naazotowanej warstwy powierzchniowej jest niemal wyłącznie skład chemiczny stali, a mianowicie zawartość pierwiastków tworzących trwałe azotki (Al, Cr, Mo i V). Polska Norma PN-89/H-84030/03 przewiduje 3 gatunki konstrukcyjnych stali stopowych do azotowania: 38HMJ, 33H3MF i 25H3M. Oprócz specjalnych gatunków do azotowania, również niektóre stale chromowo-molibdenowe i zawierające wanad (40HMF, 40HGM, 35HM) mogą być stosowane do tego celu, nie pozwalając jednak na uzyskanie maksymalnej twardości powierzchniowej. Przed azotowaniem stale ulepsza się cieplnie, stosując hartowanie w wodzie lub oleju i wysokie odpuszczanie, aby uzyskać możliwie wysokie własności wytrzymałościowe rdzenia. Stale te dzięki większej zawartości węgla i pierwiastków stopowych odznaczają się dużą hartownością.
7.4.8. Stale sprężynowe
Stale konstrukcyjne przeznaczone do wyrobu sprężyn i resorów powinny się charakteryzować wysoką granicą sprężystości i plastyczności oraz dużą wytrzymałością na zmęczenie. Jednocześnie jednak stale te muszą mieć pewne minimalne własności plastyczne, aby w razie przekroczenia granicy sprężystości raczej nastąpiło odkształcenie, a nie pęknięcie. Duża ilość różnorodnych sprężyn i metod ich wytwarzania wymaga stosowania różnych materiałów i różnych gatunków stali. Typowe stale sprężynowe cechuje zwiększona zawartość węgla, wynosząca zazwyczaj 0,5 ÷ 0,7%. Stale te zawierają również dodatki manganu, krzemu i chromu oraz wanadu. Wysoką granicę sprężystości tych stali osiąga się przez hartowanie (przeważnie w oleju) i odpuszczanie w temperaturze 380 ÷ 520°C. Ten zakres temperatury odpuszczania zapewnia najkorzystniejszy stosunek granicy sprężystości Rsp (lub granicy plastyczności Re,) do wytrzymałości na rozciąganie Rm. Stale sprężynowe są znormalizowane. W tablicy 7.11 podano średnią zawartość głównych dodatków stopowych oraz własności mechaniczne w stanie ulepszonym cieplnie wg PN-74/H84032. Pierwsze trzy gatunki są stalami niestopowymi o zawartości węgla 0,65 ÷ 0,85% (±0,05%), podlegającym hartowaniu w oleju i odpuszczaniu. Sprężyny mniej odpowiedzialne wykonuje się ze stali węglowej również w stanie surowym z taśm walcowanych na zimno lub drutu ciągnionego. Sprężyny bardziej odpowiedzialne wykonuje się ze stali stopowych zawierających 0,4 ÷ 2,0% Si z ewentualnym dodatkiem Mn, Cr i V. Krzem jest pierwiastkiem stopowym, który najintensywniej zwiększa Rsp , Re, i Rm i dlatego jest składnikiem większości gatunków stali sprężynowych. Stale sprężynowe krzemowe (45S, 50S, 40S2, 50S2, 55S2, 60S2, 60S2A) wykazują stosunkowo małą hartowność, co ma jednak mniejsze znaczenie, gdyż sprężyny mają zwykle małe przekroje. W przypadku większych przekrojów zaleca się stale zawierające chrom oraz Si, Mn lub V zapewniające większą hartowność. Do wyrobu sprężyn o szczególnie ważnym przeznaczeniu stosuje się stal chromowo-wanadową 50HF, która charakteryzuje się bardzo
119 JW drobnym ziarnem oraz wykazuje mniejszą skłonność do odwęglania powierzchniowego niż stale krzemowe Tablica 7.11
Skład chemiczny i własności mechaniczne w stanie ulepszonym cieplnie stali sprężynowych (wg PN-74/H-84032)
Grupa stali Znak stali'1 65 75 85 65G 45S 50S 40S2 50S2 55S2 60S2 60S2A 60SG 60SGH 50HG 50HS 50HF Średnia za- Temp. hart., Rm MPa Re MPa °C min min wartość Temp. odp., składników °C 0,65% C 840/480 980 780 0,75% C 820/480 1080 880 0,85% C 820/480 1030 980 1,1% Mn 830/480 980 780 1,15%Si 0,45% Si 1,70%Si 1,65%Si 1,65%Si 1,65%Si 1,80%Si 0,95% Mn 1,55%Si 1,0% Mn 1,15%Si 0,50% Cr 1,05%Cr 0,95% Mn 1,05%Cr 1,00%Si 0,95% Cr 0,15% V 830/420 800/380 840/430 870/460 870/460 870/460 870/420 860/460 850/480 840/440 850/520 850/500 1180 1080 1370 1280 1320 1370 1520 1570 1370 1370 1320 1280 980 930 1080 1180 1180 1180 1370 1230 1180 1180 1080 A5 % min 10 9 8 8 6 5 6 6 6 5 5 6 7 7 6 8 Z,% min
C Mn
35 30 30 30 30 30 25 20 25 35 30 35
Si
Mn-Si Si-Mn-Cr Cr-Mn Cr-Si Cr-V
Wiele sprężyn wykonuje się również z innych stali, np. ze stali narzędziowych węglowych lub stopowych, a do pracy w podwyższonych temperaturach ze stali narzędziowych szybkotnących. Natomiast sprężyny pracujące w środowiskach korozyjnych wykonywane są ze stali nierdzewnych hartowanych i odpuszczonych lub utwardzonych przez zgniot.
7. 4.9. Stal na łożyska toczne
Stal do wyrobu łożysk tocznych (pierścieni łożyskowych, kulek, wałeczków itp.) powinna się odznaczać wysoką twardością i odpornością na ścieranie, a także dużą wytrzymałość na ściskanie i zginanie. W tym celu stosuje się stale wysokowęglowe (ok. 1% C) z dodatkiem chromu (ok. 1,5% Cr) i ewentualnie manganu i krzemu, głównie w celu zwiększenia hartowności. Ze względu na warunki pracy oraz metody produkcji stalom tym stawia się szczególne wymagania pod względem czystości i struktury. Dopuszczalna zawartość fosforu i siarki jest w nich bardzo ograniczona i wynosi wg PN-74/H-84041 max 0,027% P i max 0,020% S. Ponadto w stalach tych kontroluje się ściśle stopień zanieczyszczenia wtrąceniami niemetalicznymi, pasmowość ułożenia węglików (segregację) oraz przeprowadza inne szczegółowe badania mikroskopowe i makroskopowe. W kraju stosuje się dwa gatunki stali łożyskowych (PN-74/H-84041): ŁH15 (1,0% C, 0,3% Mn, 0,25% Si, 1,50% Cr), ŁH15SG (1,0% C, 1,1% Mn, 0,55% Si, 1,5% Cr). Stal ŁH15SG ze względu na wyższą zawartość manganu i krzemu ma większą hartowność i jest stosowana do wyrobu pierścieni łożyskowych o większej grubości (powyżej 30 mm).
120 JW Obróbka cieplna stali łożyskowych polega na hartowaniu w oleju od temperatur 815 ÷ 860°C (zależnie od grubości wyrobu) i niskim odpuszczaniu w temperaturze ok. 160°C. Po obróbce cieplnej stal powinna mieć twardość co najmniej 61HRC. Struktura stali łożyskowych w stanie obrobionym cieplnie składa się z drobnoziarnistego odpuszczonego martenzytu i drobnych wtrąceń równomiernie rozłożonych węglików chromu (rys. 7.9).
Rys. 7.9. Mikrostruktura stali łożyskowej ŁH15 po hartowaniu i niskim odpuszczaniu. Traw. 3% nitalem Powiększ. 630x Na łożyska toczne pracujące w środowiskach powodujących korozję stosuje się najczęściej stal H 18 zawierającą ok. 1% C i 18% Cr. Duża zawartość chromu w tej stali jest niezbędna, by nadać jej znaczną odporność na korozję. Obróbka cieplna tej stali polega na hartowaniu w oleju od temperatury 1050°C, obróbce podzerowej w 70°C i odpuszczaniu w temp. ok. 160°C. Twardość stali po takiej obróbce wynosi 60 ÷ 61 HRC.
7.5. Stale narzędziowe stopowe Zależnie od warunków pracy, od stali narzędziowych wymaga się wysokie twardości i hartowności, odporności na ścieranie, odpowiedniej wytrzymałość i ciągliwości (zwłaszcza w przypadku obciążeń udarowych), odporności na odpuszczające działanie ciepła oraz twardości i wytrzymałości w podwyższonych temperaturach. Własności te w decydującej mierze zależą od składu chemicznego tych stali rodzaju i ilości dodatków stopowych), a także od przeróbki plastycznej i obróbki cieplnej, które w istotny sposób wpływają na strukturę i własności stali. Twardość stali zahartowanej zależy przede wszystkim od zawartości węgla, przy czym maksymalną twardość ok. 66 HRC osiąga martenzyt przy zawartości węgla ok. 0,8%. Pierwiastki stopowe nie powiększają twardości w sposób istotny, ale głównie zwiększają hartowność i tworzą twarde węgliki odporne na ścieranie. Większa hartowność jest wymagana w odniesieniu do stali narzędziowych, szczególnie w tych przypadkach, gdy podczas pracy narzędzia występują znaczne naciski. Wówczas warstwa zahartowana na martenzyt musi być odpowiednio grubsza i potrzebna jest większa wytrzymałość rdzenia. Osiąga się to przez stosowanie stali narzędziowych stopowych. Przy bardzo dużych naciskach konieczne jest stosowanie stali hartujących się na wskroś. Narzędzia wykonane ze stali stopowych hartuje się w oleju. Łagodniejsze chłodzenie (w porównaniu ze stalami narzędziowymi węglowymi, które hartuje się w wodzie) zmniejsza niebezpieczeństwo pęknięć i odkształceń, co jest bardzo istotne w przypadku narzędzi o złożonych kształtach. Wysoka odporność na ścieranie narzędzi, zwłaszcza stosowanych do obróbki w produkcji seryjnej lub jako narzędzia pomiarowe, staje się parametrem decydującym. Odporność na ścieranie stali narzędziowych osiąga się przez zwiększenie ilości twardych węglików stopowych w strukturze zahartowanej stali, a zwłaszcza węglików chromu (typu M23C6) i wolframu (M6C). Klasyfikacja stali narzędziowych stopowych opiera się głównie na ich zastosowaniu. W szczególności można wyróżnić następujące grupy objęte normami: - stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno (PN-86/H-85023), - stale narzędziowe stopowe do pracy na gorąco (PN-86/H-85021), - stale szybkotnące (PN-86/H-85022).
121 JW Przyjęty przez polskie normy sposób oznaczania stali narzędziowych stopowych różni się od oznaczeń stali stopowych konstrukcyjnych. Znak stali składa się z liter liczb, przy czym pierwsza litera oznacza zawsze grupę stali narzędziowych: N — stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno, W — stale narzędziowe stopowe do pracy na gorąco, S — stale szybkotnące. Następna litera lub kilka liter określają składniki stopowe lub grupę składników, przy czym symbolika jest tu nieco inna niż w przypadku stali konstrukcyjnych specjalnych, a mianowicie: M - mangan, W - wolfram, S - krzem, K - kobalt, C - chrom, B - bor, N - nikiel, P - chrom + nikiel + wanad, L - molibden, Z - krzem + chrom + wolfram. V - wanad, Liczba znajdująca się na końcu lub w środku znaku służy do odróżnienia poszczególnych gatunków stali zawierających te same składniki stopowe. W stalach szybkotnących liczby te oznaczają średnią zawartość głównego składnika stopowego w procentach.
7.5.1. Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno
Ze stali narzędziowych stopowych do pracy na zimno wykonuje się narzędzia służące do obróbki materiałów w temperaturze otoczenia. Stale te w porównaniu ze stalami narzędziowymi węglowymi mają większą hartowność, wyższą wytrzymałość i ciągliwość oraz lepszą odporność na ścieranie. Polska Norma PN-86/H-85023 obejmuje 18 gatunków stali narzędziowych stopowych do pracy na zimno: NV (V 0,22) NW1 (W 1,25) NWV (Mn 1,9, V 0,15) NZ2 (Si 0,95, Cr 1,05, W 1,85, V 0,22) NCV1 (Cr 0.55, V 0,22) NZ3 (Si 0,95, Cr 1,05, W 1,85, V 0,22) NCMS (Cr 1,45, Mn 1,1) NW1 (W 1,25) NC5 (Cr 0,55) NWC (W 1,4, Cr 1,05) NC6 (Cr 1,45, V 0,20) NPW (Cr 1,35, Ni 3, V 0,5) NC4 (Cr 1,45) NMWV (Mn 1,2, W 0,6, V 0,2) NC10 (Cr 12, C 1,65) NCLV (CR 5, V 0,4, Mo 1,0) NC11 (Cr 12, C 1,95) NW9 (Cr 4,3, W 9, V 2). NC11LV (Cr 11, Mo 0,85, V 0,75) Obok znaku stali w nawiasie podano średnią zawartość pierwiastków stopowych w procentach (liczby za symbolami pierwiastków). Gatunki NZ2, NZ3 i NPW są stalami średniowęglowymi o zawartości 0,40 ÷ 0,55% C. Pozostałe gatunki są stalami wysokowęglowymi zawierającymi 0,75 ÷ 2,10% C. Stale średniowęglowe znalazły zastosowanie na narzędzia, od których wymagana jest większa plastyczność i odporność na obciążenia dynamiczne, jak np. matryce, stemple, tłoczniki, rolki do prasowania, wybijaki itp. Stale wysoko-węglowe stosowane są głównie do wyrobu narzędzi skrawających. Podstawowymi dodatkami stopowymi w stalach narzędziowych do pracy na zimno są: Cr, W, V oraz w stali NPW - Ni. Dodatki te nadają stali dużą hartowność i drobnoziarnistą strukturę, zapewniają wysokie własności wytrzymałościowe, a w szczególności wysoką odporność na ścieranie wskutek tworzenia się węglików stopowych o dużej twardości i dyspersji. Węgliki te nie ulegają całkowitemu rozpuszczeniu w czasie nagrzewania do hartowania, dzięki czemu przeciwdziałają rozrostowi ziarn austenitu, zapewniając tym samym drobnoziarnistość stali. Zależnie od gatunku stale hartuje się w wodzie lub oleju z temperatur) 780 ÷ 1020°C, a stale wysokochromowe (NC10, NC11 i NC11LV) z temperatur) 970 ÷ 1020°C. Po hartowaniu stosuje
122 JW się w zasadzie niskie odpuszczanie w temperaturze 150 ÷ 350°C. Stale wysokochromowe odpuszcza się w nieco wyższych temperaturach w zakresie 220 ÷ 450°C. Stal NW9 hartuje się z temperatury 1200°C i odpuszcza w temperaturze 500 ÷ 560°C. Twardość stali wysokowęglowych w stanie zahartowanym wynosi 60 ÷ 68 HRC, natomiast stale średniowęglowe mają po hartowaniu twardość 50 ÷ 57 HRC. Należy podkreślić, że własności stali narzędziowych stopowych po hartowaniu i odpuszczaniu zależą w dużej mierze od temperatury austenityzowania, z którą ściśle wiąże się stopień nasycenia roztworu stałego (austenitu) dodatkami stopowymi i późniejsze wydzielanie się węglików wtórnych podczas odpuszczania.
7.5.2. Stale narzędziowe stopowe do pracy na gorąco
Ze stali narzędziowych do pracy na gorąco wytwarza się narzędzia służące do przeróbki plastycznej materiałów uprzednio nagrzanych do wysokich temperatur oraz formy do odlewania metali pod ciśnieniem. W stanie nagrzanym przerabiane metale są plastyczne, więc stale narzędziowe do pracy na gorąco nie muszą mieć tak dużej twardości w temperaturze otoczenia jak stale do pracy na zimno. Wymagania stawiane stalom do pracy na gorąco to przede wszystkim wysoka wytrzymałość i twardość przy wyższych temperaturach, wysoka udarność, stabilność struktury, odpowiednio wysoka hartowność oraz możliwie mała skłonność do zmęczenia cieplnego i pęknięć ogniowych. Odporność na ścieranie i erozję, którą powoduje odkształcony plastycznie metal, jest również ważną cechą, ale główną przyczyną zużywania się narzędzi są pęknięcia ogniowe. Odpowiednie własności osiąga się przez stosowanie stali o stosunkowo niskiej zawartości węgla 0,25 ÷ 0,60%, zawierających jako podstawowe dodatki stopowe wolfram, molibden, wanad i chrom, a także czasem krzem i nikiel. Wolfram, molibden i wanad są pierwiastkami silnie węglikotwórczymi, które po rozpuszczeniu podczas austenityzacji i po zahartowaniu dają podczas odpuszczania twardość wtórną lub znacznie hamują spadek twardości stali. Chrom silnie zwiększa hartowność, a przy wyższych zawartościach również odporność na utlenianie. Polska Norma PN-86/H-85021 obejmuje 12 gatunków stali narzędziowych stopowych do pracy na gorąco, a mianowicie: WNLV (Cr 1,2, Ni 1,75, Mo 0,6, V 0,1), WLV (Cr 3,0, Mo 2,75, V 0,55), WLK (Cr 2,75, Mo 2,75, V 0,5, Co 3,0), WCLV (Cr 5,25, Mo 1,35, V 1,0), WCL (Cr 5,0, Mo 1,35, V 0,4), WLB (Cr 2,4, Mo 0,4, B 0,003), WNLB (Cr 1,1, Mo 0,3, B 0,003, Ti 0,03, A1 0,03), WNL (Cr 0,7, Ni 1,6, Mo 0,22), WNL1 (jak WNL + V 0,1), WWS1 (Cr 2,5, V 0,5, W 4,5, Si 1,0), WWV (Cr 2,7, W 9,0, V 0,3), WWN1 (jak WWV + Ni 1,4). Obok znaku stali w nawiasach podano średnią zawartość dodatków stopowych liczby za symbolami pierwiastków). Zawartość węgla w tych stalach wynosi średnio 0,3 ÷ 0,6%. Obróbka cieplna stali do pracy na gorąco polega na hartowaniu w oleju lub na powietrzu z temperatury w zakresie 840 ÷ 1160°C (zależnie od gatunku stali) i następnym odpuszczaniu w zakresie 400 ÷ 600°C, tj. w temperaturach wyższych niż stali do pracy na zimno. Zapewnia to dobrą udarność, niezbędną ze względu na charakter pracy oraz twardość min 43 ÷ 50 HRC. Temperatura odpuszczania stali powinna być wyższa od temperatury pracy, aby zapewnić stabilność struktury i własności. Ze względu na zastosowanie, stale do pracy na gorąco można podzielić na trzy grupy. Do pierwszej należą stale, z których wykonuje się matryce do pras i formy dla odlewów pod ciśnieniem. Wspólną cechą tych zastosowań jest stosunkowo długi kontakt gorącego materiału z narzędziem i związane z tym silniejsze nagrzewanie się powierzchni pracującej. Są to stale
123 JW wolframowe (WWS1, WWV) i chromowo-molibdenowa (WCL). Zawartość węgla w tych stalach jest stosunkowo niska (0,3 ÷ 0,4%), co zapewnia ciągliwość. Temperatura austenityzowania tych stali jest wysoka (950 ÷ 1120°C) ze względu na konieczność rozpuszczania węglików zawierających W, Mo, V, Cr. Drugą grupę stanowią stale używane przede wszystkim na matryce kuzienne i kowadła do młotów (WNL, WNLV). Matryce mają stosunkowo krótki kontakt z gorącą odkuwką, natomiast w czasie pracy występują duże naciski i uderzenia związane z kuciem, co wymaga materiału twardego, ale równocześnie bardzo ciągliwego. W stalach tych bardzo ważna jest hartowność, ponieważ wymiary matryc często są znaczne. Do trzeciej grupy zalicza się stale używane na walce do walcowania na gorąco oraz na wkładki matrycowe do pras i kuźniarek, oraz stemple do wyciskania i spęczania wyrobów ze stopów miedzi i aluminium.
7.5.3. Stale szybkotnące
Nazwa „stale szybkotnące" pochodzi stąd, że służą one do wyrobu narzędzi skrawających, pracujących przy dużych prędkościach skrawania lub przy dużych przekrojach wióra. Praca w takich warunkach jest przyczyną bardzo silnego rozgrzewania się narzędzia, nawet do temperatury czerwonego żaru, wskutek tarcia o skrawany materiał. Stale węglowe i niskostopowe w tych warunkach szybko tracą twardość, a narzędzia tępią się, natomiast stale szybkotnące zachowują wysoką twardość do znacznie wyższych temperatur (rys. 7.10). Wysoką twardość „na gorąco" oraz odporność na ścieranie nadaje stalom szybkotnącym twarda i nie mięknąca pod wpływem odpuszczania osnowa, w której rozmieszczone są twarde węgliki.
O 100 200 300 400 500 600 700 800 o Temperatura, C
Rys. 7.10. Twardość na gorąco różnych materiałów narzędziowych: l — stal narzędziowa węglowa, 2 — stal szybkotnąca, 3 — węgliki spiekane Podstawowymi składnikami stopowymi stali szybkotnących są pierwiastki węglikotwórcze: wolfram, wanad, chrom i molibden. Stale o najlepszych własnościach zawierają również znaczne dodatki kobaltu. Skład chemiczny stali szybkotnących produkowanych w kraju, podany jest w tabl. 7.12 (wg PN-86/H-85022). Stale szybkotnące przyjęto zaliczać do tzw. stali ledeburytycznych, ponieważ w stanie odlanym w ich strukturze występuje częściowo eutektyka, na skutek nie osiągania stanu równowagi podczas krzepnięcia. Po przekuciu i wyżarzeniu struktura stali szybkotnących składa się z ferrytu stopowego i mniej lub więcej równomiernie rozmieszczonych węglików.
124
Stale szybkotnące (wg PN-86/H-85022)
JW Tablica 7.12 Średnia temperatura, oC Co hart. 1250 5,0 8,0 5,0 5,5 10,0 5,0 1210 1190 1200 1190 1200 1270 1220 1160 1200 Twardość w stanie harto wania i odpu odp. szczania HRC, min 560 64 560 560 560 560 560 560 560 560 560 65 64 65 66 65 65 66 64 66
Średnia zawartość, %
Znak stali SW18 SW7M SW12 SK5M SK8M SK5 SK5V SK10V
C 0,8 0,87 1,1 0,92 1,1 1,1 1,38 1,22
Cr 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0
W 18,0 6,5 12,0 6,3 1,6 12,0 12,8 10,0 1,75 7,0
Mo — 5,0 4,7 9,5 1,0 3,3 5,0 4,0
V 1,3 2,0 2,5 1,9 1,2 2,3 4,5 3,0 1,3 1,9
SW2M5 0,95 SK5MC 1,1
Obróbka cieplna narzędzi ze stali szybkotnących polega na hartowaniu i odpuszczaniu. Do hartowania stale nagrzewa się do wysokiej temperatury ok. 1160 ÷ 1270°C (tabl. 7.12), aby zapewnić rozpuszczenie się dostatecznie dużej ilości węgla i składników stosowanych w austenicie, które tym samym, po hartowaniu zostaną w martenzycie. Ze względu na małe przewodnictwo cieplne oraz wysoką temperaturę hartowania, nagrzewanie stali szybkotnącej przy hartowaniu prowadzi się stopniowo wg schematu przedstawionego na rys. 7.11. Odpuszczanie po hartowaniu przeprowadza się w temperaturze ok. 560°C, przy czym zabieg ten powtarza się dwu- albo trzykrotnie (rys. 7.11); drugie i ewentualne trzecie odpuszczanie przeprowadza się w temperaturze niższej o 20 ÷ 30°C od pierwszego odpuszczania. Podczas odpuszczania zachodzi wydzielanie się węglików wtórnych z martenzytu oraz austenitu szczątkowego, który ubożeje w dodatki stopowe i podczas studzenia od temperatury odpuszczania przemienia się w martenzyt.
Czas Rys. 7.11. Schemat obróbki cieplnej stali szybkotnącej W wyniku odpuszczania w temperaturze 550-570°C pojawia się w tych stalach efekt twardości wtórnej, tj. wzrost twardości na skutek wydzielania się z przesyconego roztworu metastabilnych węglików typu M3C i MC. Strukturę o najkorzystniejszych własnościach użytkowych, tzn. o wysokiej twardości, bez austenitu szczątkowego i o odpowiedniej żarowytrzymałości i ciągliwości, uzyskuje się po wielokrotnym odpuszczaniu w ciągu ok. 2 godzin (rys. 7.11). Struktura stali szybkotnącej po hartowaniu i odpuszczaniu pokazana jest na rys. 7.12.
125
JW
Rys. 7.12. Mikrostruktura stali szybkotnącej SW7M hartowanej i odpuszczonej. W osnowie drobnoiglastego martenzytu widoczne jasne węgliki. Traw. 5% nitalem. Powiększ. 650x
7.6. Stale stopowe odporne na korozję, żaroodporne, żarowytrzymałe i o specjalnych własnościach fizycznych
7.6.1. Stale odporne na korozję (nierdzewne i kwasoodporne) Odporność stali nierdzewnych na korozję związana jest przede wszystkim z działaniem chromu, który powiększa zdolność tzw. pasywacji stopów żelaza. Przejście w stan pasywny zaznacza się skokową zmianą potencjału elektrochemiczego metalu lub stopu na bardziej dodatni (rys. 7.13).
Rys. 7.13. Potencjał elektrochemiczny stopów żelaza z chromem Zjawisko pasywowania się metali polega na pokrywaniu się ich powierzchni bardzo cienką, szczelnie przylegającą i odporną warstewką tlenków, która chroni metal przed korozją. Pasywacja jest zjawiskiem zależnym od składu chemicznego stopu i od zdolności utleniania jaką mają różne środowiska. Żelazo i miękka stal pasywują się np. w stężonym kwasie azotowym i w roztworach związków silnie utleniających. Pasywacja żelaza jest jednak bardzo nietrwała. Natomiast niektóre metale o większym powinowactwie do tlenu pasywują się łatwiej, a ich stan pasywny jest znacznie trwalszy. Do takich metali należy chrom, którego odporność na korozję związana jest właśnie z łatwością pasywowania się. Chrom ma tę własność, że przenosi skłonność do pasywacji również na stopy z innymi metalami. Stopy żelaza z chromem przy zawartości powyżej 13 ÷ 14% Cr pasywują się pod wpływem tlenu zawartego w powietrzu, co zapewnia im odporność chemiczną. Podstawowym składnikiem wszystkich stali nierdzewnych jest więc chrom, przy czym jego zawartość winna wynosić co najmniej 12% (rys. 7.13). Oprócz chromu w skład stali odpornych na korozję często wchodzi nikiel jako drugi składnik podstawowy. Na podstawie składu chemicznego można najogólniej podzielić stale odporne na korozję na: chromowe i chromowoniklowe. Jednak częściej stosuje się klasyfikację tych stali według struktury i rozróżnia się stale ferrytyczne, martenzytyczne i austenityczne.
126 JW Stale chromowe ferrytyczne i martenzytyczne (nierdzewne). Stale chromowe odporne na korozję, zależnie od zawartości chromu i węgla, mogą być ferrytyczne lub martenzytyczne. W przypadku stali martenzytycznych występuje w czasie nagrzewania całkowita przemiana ferrytu w austenit, dzięki czemu możliwe jest hartowanie i powstawanie struktury martenzytycznej. Stale te hartują się już w czasie chłodzenia na powietrzu i właśnie z tego powodu nazywane są martenzytycznymi. W przypadku stali ferrytycznych, ferryt jest fazą trwałą od temperatury pokojowej aż do temperatury topnienia i przemiany fazowe nie zachodzą. Z tego względy stali ferrytycznych nie można utwardzać przez obróbkę cieplną (hartowanie). W tablicy 7.13 podano skład chemiczny częściej stosowanych stali ferrytycznych i martenzytycznych (wg PN-71/H-86020). W stalach ferrytycznych (w temperaturze otoczenia) ferryt stanowi osnowę, ale oprócz niego występują również często niewielkie ilości węglików, które rozpuszczając się w wyższych temperaturach powodują tworzenie się pewnej ilości austenitu, a szybkie chłodzenie może spowodować przemianę tego austenitu w martenzyt. Mikrostruktura stali ferrytycznej 0H13 z niewielką ilością węglików widoczna jest na rys. 7.14. Taki sam wpływ mają również azot i nikiel, których małe ilości zawsze spotyka się w tych stalach. Martenzyt, który powstaje po szybkim chłodzeniu od wysokiej temperatury, np. podczas spawania, jest przyczyną kruchości i pęknięć w strefie wpływu cieplnego spoiny. Tym niepożądanym zjawiskom przeciwdziała dodatek tytanu w ilości wystarczającej do związania węgla i azotu, jak to ma miejsce np. w stali 0H17T (tabl. 7.13), albo dodatek pierwiastka stabilizującego ferryt, jakim jest aluminium, np. w stali 0H13J (tabl. 7.13). Tablica 7.1.
Stale chromowe odporne na korozję: ferrytyczne i martenzytyczne (wg PN-71/H-08620)
Znak stali Średnia zawartość, %* C Cr inne składn Średnia temp, oC hartów. odp. Struktura po obróbce cieplnej
Stale ferrytyczne OH13 OH13J H17 OH17T 0,08 max 0,08 max 0,10 max 0,08 max 13,0 13,0 17,0 17,0 AI0.2 Ti5XC 1025 750 ferryt ferryt ferryt ferryt
Stale martenzytyczne 1H13 2H13 3H13 0,12 0,20 0,30 13,0 13,0 13,0 1000 1020 980 750 720 250 350 650 150 250 600 250 310 700 ferryt i perlit sorbit martenzyt sorbit martenzyt sorbit martenzyt sorbit i ferryt sorbit
4H13
0,40
13,0
-
1030
H18 H17N2 2H17N2
*
1,0 0,14 0,20
18,0 17,0 17,0
Ni 2,0 Ni 2,0
1020 1000 1080
Zawartość Pmax ≤ 0,040, Smax ≤ 0,030.
127 Na rysunku 7.15 pokazana jest mikrostruktura stali ferrytycznej 0H17T, z wyraźnie widocznymi węglikami i azotkami tytanu.
JW
Rys. 7.14. Mikrostruktura stali chromowej 0H13. Widoczne ziarna ferrytu i wydzielenia wielkiej ilości węglików. Traw. elektrol. w kwasie szczawiowym. Powiększ. 150x
Rys. 7.15. Mikrostruktura stali chromowe OH17T. Widoczne ziarna ferrytu i wydzielenie węglików i azotków tytanu. Traw. elektrol. w kwasie szczawiowym. Powiększ. 150x
Największą odporność na korozję i największą ciągliwość wykazują stale ferrytczne w stanie wyżarzonym w ok. 800°C. Ich odporność chemiczna jest lepsza niż stali martenzytycznych i wzrasta z zawartością chromu, dlatego stale o zawartości 17% Cr są bardziej odporne na korozję niż stale o zawartości 13% Cr. Stale ferrytyczne są odporne na korozję atmosferyczną, z wyjątkiem warunków szczególnie agresywnych, jak np. zanieczyszczona atmosfera przemysłowa. Są dość odporne na działanie kwasu azotowego i środowisk utleniających, słabych kwasów organicznych i różnych produktów żywnościowych. Stal 0H17T i H17 w stanie wyżarzonym (ok. 800°C) jest stosunkowo miękka i ciągliwa, nadaje się do tłoczenia na zimno, w związku z czym gatunki te są szeroko stosowane na naczynia kuchenne, aparaty w przemyśle spożywczym, elementy karoserii samochodowych itp. Do najbardziej rozpowszechnionych stali martenzytycznych, tj. takich, które można hartować na martenzyt, należą stale o zawartości 13% Cr i 0,1-0,45% węgla, stale o zawartości ok. 17% Cr, 2% Ni i ok. 0,2% węgla oraz stal zawierająca 18% Cr i ok. 1% węgla (tabl. 7.13). Stale 1H13, 2H13, 3H13 hartuje się od temperatury 950-1050°C. Temperatura odpuszczania wynosi zwykle 600-700°C. Stale 4H13 i H18 są stosowane w stanie hartowanym i odpuszczanym, ale przy stosunkowo niskiej temperaturze ok. 200°C, ponieważ chodzi o możliwie dużą twardość. Mikrostruktura stali H18 w stanie zahartowanym pokazana jest na rys. 7.16. Widoczne są skupienia dużych pierwotnych węglików chromu oraz rozsiane małe węgliki w osnowie drobnego martenzytu. Stale H17N2 i 2H17N2 ze względu na wyższą zawartość chromu mają lepszą odporność chemiczną niż stale z zawartością 13% Cr. Dodatek niklu w tych stalach rozszerza zakres występowania austenitu i umożliwia osiągnięcie jednofazowej struktury podczas austenityzowania. Stale 1H13, 2H13 i 3H13 są używane w stanie ulepszonym cieplnie na silnie obciążone części maszyn, które muszą być odporne na korozję, oraz na przedmioty gospodarstwa domowego. Stal 2H17N2 jest dość odporna na działanie wody morskiej i ma zastosowanie w budowie okrętów. Stal 4H13 jest używana na noże. sprężyny i narzędzia, a stal H18 na łożyska kulkowe odporne na korozję, na elementy maszyn odporne na ścieranie pracujące np. w środowisku wodnym, na noże chirurgiczne, narzędzia skrawające, przyrządy pomiarowe itp.
128
JW
Rys. 7.16. Mikrostruktura stali H18 (1% C, 18% Cr). Widoczne skupienia dużych pierwotnych węglików chromu oraz drobne węgliki na tle osnowy martenzytycznej. Traw. elektrol. w kwasie szczawiowym. Powiększ. 500x
Rys. 7.17. Mikrostruktura austenitycznej stali kwasoodpomej OH18N9 w stanie przesyconym. Widoczne ziarna austenitu z bliźniakami rekrystalizacji. Traw. elektrol. w kwasie szczawiowym. Powiększ. 150x
Stale martenzytyczne są odporne na działanie kwasu azotowego, szeregu kwasów organicznych i produktów spożywczych. Na korozję atmosferyczną są odporne poć warunkiem braku agresywnych zanieczyszczeń w powietrzu. Odporność chemiczne tych stali zależy ponadto od gładkości powierzchni.
Austenityczne stale chromowo-niklowe (kwasoodporne). Stale austenityczne odporne na korozję są w zasadzie stalami chromowo-niklowymi o niskiej zawartości węgla. Dodatek niklu w ilości ok. 8% do niskowęglowych stali chromowych zawierających ok. 18% Cr zwiększa ich odporność na korozję i na działanie kwasów podwyższa wytrzymałość i udarność. Duży dodatek niklu powoduje, że stale te mają strukturę austenityczną. Mikrostruktura tego typu stali pokazana jest na rys 7.17. Ze względu na dobrą odporność na działanie wielu kwasów stale te są również nazywane kwasoodpornymi. Stale zawierające 18% Cr i 8% Ni oznaczane popularnie znakiem 18/8, zyskały ogromne znaczenie praktyczne. Większość dziś stosowanych gatunków stali kwasoodpornych stanowi modyfikację tego podstawowego składu. Ze względu na niebezpieczeństwo korozji międzykrystalicznej, zawartość węgla w stalach 18/8 powinna być jak najniższa. Na rysunku 7.18 przedstawiony jest przekrój przez układ Fe-Cr-Ni-C dla stałej zawartości 18% Cr i 8% Ni, przy zmiennej zawartości węgla, ilustrujący zakres jednorodnego roztworu i granice rozpuszczalności węglików M23C6. Przy powolnym chłodzeniu, np. w stali o zawartości 0,1% C, część węgla pozostaje w roztworze stałym w austenicie, część zaś wydziela się w postaci węglików (Cr, Fe)23C6 bogatych w chrom, zgodnie z krzywą rozpuszczalności. Stal o jednofazowej strukturze austenitycznej, bez wydzielonych węglików, można otrzymać przez przesycanie od temperatury 1050 ÷ 1100°C z chłodzeniem w wodzie. W temperaturze 1050 ÷1100°C węgliki rozpuszczają się w austenicie, natomiast szybkie chłodzenie zapobiega ich wydzielaniu. Po takiej obróbce cieplnej stal 18/8 jest najbardziej odporna na korozję, gdyż stanowi Rys. 7.18. Fragment układu materiał jednofazowy. Natomiast podczas wygrzewania równowagi Fe-Cr-Ni-C. stali 18/8 w temperaturze 500 ÷ 800°C na granicach ziarn Przekrój dla zawartości 18% Cr następuje wydzielanie się węglików chromu typu M23C6, i 8% Ni zawierających zwykle co najmniej 60% Cr. Jest to szczególnie niekorzystne, gdyż w wyniku tego procesu stal staje się skłonna do korozji
129 JW międzykrystalicznej. W środowisku korozyjnym atakowane są szczególnie granice ziarn. Ilustruje to rys. 7.19 przedstawiający skorodowaną powierzchnię blachy ze stali 18/8. Ten rodzaj korozji jest bardzo niebezpieczny, gdyż niszczy materiał w głąb, nie pozostawiając wyraźnych śladów na powierzchni. Stal traci wytrzymałość i plastyczność i nie daje metalicznego dźwięku przy uderzeniu. Zjawisko korozji międzykrystalicznej można wytłumaczyć zubożeniem granic ziarn w chrom na skutek wydzieleń węglików chromu, które zarodkują prawie wyłącznie na granicach ziarn. W temperaturze powyżej 500°C szybkość dyfuzji węgla jest większa od szybkości dyfuzji chromu, w związku z czym węgiel potrzebny dla tworzących się węglików chromu na granicach ziarn pochodzi z całego ziarna, podczas gdy chrom - tylko z zewnętrznej warstewki w pobliżu granic ziarn. Zawartość chromu w pobliżu granic ziarn może więc spaść poniżej 12%, co stanowi minimum konieczne dla pasywacji (rys. 7.20). W tych warunkach rozpuszczanie zubożałej w chrom warstewki może postępować bardzo szybko nawet w roztworach, na które stal 18/8 normalnie jest odporna. Stale typu 18/8 stosuje się najczęściej w stanie przesyconym (od temp. 1050 ÷ 1100°C) i w tym stanie niebezpieczeństwo korozji międzykrystalicznej nie istnieje. Jednak w budowie aparatów chemicznych, zbiorników, rurociągów itp. stosuje się powszechnie spawanie. Sama spoina i jej najbliższe sąsiedztwo stygną szybko od wysokich temperatur. W strefie wpływu cieplnego spoiny znajdują się jednak zawsze obszary, które podczas spawania nagrzewają się tylko do niebezpiecznego zakresu temperatur, tj. do 500 ÷ 800°C. W tych obszarach może następować wydzielanie węglików chromu na granicach ziarn i możliwe jest występowanie korozji międzykrystalicznej
Rys. 7.19. Korozja międzykrystaliczna austenitycznej stali chromowo-niklowej. Próbka nietrawiona. Powiększ. 600x
Rys. 7.20. Schemat zmian koncentracji chromu w pobliżu granicy ziarna, spowodowany wydzielaniem się węglików chromu typu M23C6. Materiał w takim stanie jest wrażliwy na korozję międzykrystaliczna
Obszary te leżą zwykle w odległości kilku do kilkunastu milimetrów od spoiny. Zjawisko to stanowiło początkowo poważną trudność w stosowaniu stali 18/8. Obecnie istnieje szereg sposobów opracowanych w celu zapobiegania korozji międzykrystalicznej. Najważniejsze z nich to: a) przesycanie, b) stabilizacja, c) zmniejszenie zawartości węgla. Pierwszy z tych sposobów, o którym już wspomniano, jest najprostszy i polega na zastosowaniu przesycania od temperatury 1050-1100°C spawanego przedmiotu. Sposób ten jednak jest ograniczony do przedmiotów o małych rozmiarach. Drugi sposób polega na wprowadzeniu do stali dodatków tytanu lub niobu, w ilości wystarczającej do związania węgla w postaci węglików. Ti i Nb wykazują silniejsze powinowactwo do węgla niż chrom i tworzą bardzo trwałe węgliki TiC i NbC, które nie rozpuszczają się w austenicie w normalnie stosowanych temperaturach przesycania, co utrudnia tworzenie się węglików chromu. Stale takie nazywa się stabilizowanymi. Normy przewidują zawartość tytanu równą co najmniej 5-krotnej zawartości węgla, a niobu co najmniej 10-krotnej
130 JW (tabl. 7.14), Są to ilości większe niż potrzeba do związania węgla, ale tytan i niob wiążą również azot, którego zawartość w tych stalach wynosi zwykle 0,01 ÷ 0,02% i dlatego dodatki tych pierwiastków oblicza się z pewną rezerwą na związanie azotu. Tablica 7.14 Stale austenityczne odporne na korozję wg PN-71/H-86020 Znak stali 00H18N10 0H18N9 1H18N9 0H18N10T 1H18N9T 1H18N12T 0H18N12Nb 00H17N14M2 H17N13M2T H18N10MT C max 0,03 max 0,07 max 0,12 max 0,08 max 0,10 max 0,10 max 0,08 max 0,3 max 0,08 max 0,10 Skład chemiczny, % Cr 17,0+19,0 17,0-19,0 17,0+19,0 17,0+19,0 17,0+19,0 17,0-19,0 17,0-19,0 16,0---18,0 16,0+18,0 17,0+11,0 Ni 10,0+12,5 9,0+11,0 8,0-10,0 9,0-11,0 8,0+10,0 11,0+13,0 10,0+13,0 12,0+15,0 11,0+14,0 9,0+11,0 inne składniki — Ti5xC÷0,7 Ti5xC÷0,8 Ti5xC÷0,8 Nb10xC÷1,1 Mo 2,0÷2,5 Ti 5xC0÷,7 Mo 1,5÷2,2 Ti5xC÷0,8 Mo 3,0÷4,0
Ti 0,3÷0,6 Mn 7,0-9,0 0H17N4G8 max 0,07 16,0+18,0 4,0+5,0 N 0,12÷0,25 1H17N4G9 max 0,12 16,0+18,0 3,5+4,5 Mn 8,0÷10,5 N 0,15÷0,25 00H18N5M3S max 0,03 17,0+19,0 4,5+5,5 Mo 3,0÷4,0** Si 1,0÷2,0 *' Zawartość Mn max 2,0 z wyjątkiem stali 0H17N4G8 i 1H17N4G9, zawartość Si max 0,8, zwartość P max 0,045, zawartość S max 0,030. ** Stal OOH18N5M3S nie jest ujęta w normie PN-71/H-86020. Trzecim sposobem (najskuteczniejszym) zapobiegania korozji międzykrystalicznej jest obniżenie zawartości węgla do 0,02 ÷ 0,03%. Zastosowanie tego sposobu stało się możliwe dopiero po opanowaniu metod wytapiania stali o tak niskiej zwartości węgla. Obniżenie zawartości węgla wywołuje niestabilność austenitu pojawienie się ferrytu. Aby tego uniknąć, powiększa się zawartość niklu z 8 ÷ 9% do 10 ÷ 13%. To samo dotyczy stali stabilizowanych tytanem lub niobem (tabl. 7.14). Oprócz korozji międzykrystalicznej stale austenityczne 18/8 ulegają również korozji wżerowej i naprężeniowej. Korozję wżerową wywołują głównie jony chloru, bromu, jodu, fluoru i inne. Powodują one lokalną depasywację powierzchni, na skutek czego miejsca pozbawione warstwy ochronnej stają się anodą wobec pasywnej powierzchni i w miejscach tych rozpuszczanie się metalu zachodzi bardzo szybko. Korozji wżerowej zapobiega w pewnym stopniu dodatek molibdenu. Stosuje się dodatki w ilości 2 ÷ 4% Mo. Mikrostruktura stali z dodatkiem Mo widoczna jest na rys. 7.21. Ze względu na ferrytyzujący wpływ molibdenu (dodatek Mo sprzyja powstawaniu struktury ferrytycznej) powiększa się w tych stalach zawartość niklu. Na przykład gdy dodatek Mo wynosi 3-4%, zawartość niklu dochodzi do 16% (stal OH17N16M3T, tabl. 7.14). Stale austenityczne są również wrażliwe na korozję naprężeniową. Warunkiem jej wystąpienia jest równoczesne działanie naprężeń rozciągających i środowiska korozyjnego, głównie roztworów chlorków magnezu, wapnia, sodu, roztworów alkalicznych i in.
0H17N16M3T
max 0,08
16,0+18,0
14,0+16,0
131 JW Większą odporność na korozję naprężeniową wykazują stale austenityczne o znacznie zwiększonej zawartości niklu oraz stale o strukturze częściowo ferrytycznej, co z kolei wymaga obniżenia zawartości niklu. Przykładem jest stal 00H18N5M3S (tabl. 7.14) o strukturze austenityczno-ferrytycznej (rys. 7.22).
Rys. 7.21. Mikrostruktura austenitycznej stali chromowo-niklowej z dodatkiem molibdenu i tytanu (H17N12M2T). Widoczne ziarna austenitu z bliźniakami rekrystalizacji oraz wydzieleniami węglików Mo i Ti oraz azotków Ti. Traw. elektrol. w kwasie szczawiowym. Powiększ. 150x
Rys. 7.22. Austenityczno-ferrytyczna struktura stali 00H18N5M3S o zwiększonej odporności na korozję naprężeniową. Traw. elektrol. w kwasie szczawiowym. Powiększ. 150x
Najskuteczniejsze są jednak takie środki, które pozwalają na uniknięcie naprężeń lub obróbka powierzchni wywołująca naprężenia ściskające w warstwie wierzchniej. Najważniejsze gatunki stali austenitycznych odpornych na korozję zestawiono w tabl. 7.14. Stale 0H17N4G8 i 1H17N4G9 są gatunkami oszczędnościowymi, w których nikiel zastąpiono częściowo manganem i azotem. Odporność tych stali na korozję międzykrystaliczną jest porównywalna ze stalami 0H18N9 i 1H18N9. Nadają się one do głębokiego tłoczenia i są stosowane głównie w przemyśle spożywczym, w architekturze, do wyrobu przedmiotów gospodarstwa domowego itp. Szczegółowe dane dotyczące odporności na korozję stali austenitycznych w różnych środowiskach podane są w specjalnych tablicach, wykazach i normach PN-71/H-86020). W praktyce jednak odporność tych stali wymaga skrupulatnego sprawdzenia przed ich zastosowaniem, zwłaszcza w środowiskach szczególnie agresywnych. Stale austenityczne w stanie przesyconym (od temp. 1050 ÷ 1100°C, chłodzenie w wodzie) są stosunkowo miękkie i bardzo ciągliwe, Rm wynosi ok. 500 ÷ 700 MPa, a wydłużenie A powyżej 40%. Umowna granica plastyczności R02 wynosi ok. 200 ÷ 250 MPa. Obniżenie zawartości węgla poniżej 0,03% powoduje obniżenie Rm do 450 ÷ 650 MPa i R0,2 do 180 MPa. Ta stosunkowo niska wytrzymałość powoduje często konieczność stosowania grubszych ścianek w elementach konstrukcyjnych. Zwiększenie wytrzymałości tych stali można uzyskać przez zwiększenie zawartości azotu bez szkodliwego wpływu na odporność chemiczną. Inną możliwością powiększenia granicy plastyczności i wytrzymałości stali austenitycznych jest zgniot (rys. 7.23). Sposób ten stosuje się zwłaszcza do cienkich blach i taśm walcowanych na zimno. Na tej drodze istnieje możliwość uzyskania wytrzymałości na rozciąganie ok. 1200 MPa, przy zachowaniu wystarczającej ciągliwości. Rys. 7.23. Zmiana własności mechanicznych stali austenitycznej (18% Cr, 8% Ni, 0,2% C) pod wpływem zgniotu)
132
7.6.2. Stale żaroodporne i żarowytrzymałe
JW
Stale przeznaczone do pracy w podwyższonych temperaturach powinny się odznaczać odpornością na korozyjne działania gazów, zwłaszcza utleniających, czyli powinny być żaroodporne. Od stali tych wymaga się również, aby były żarowytrzymałe tj. aby wykazywały znacznie wyższe własności wytrzymałościowe w wysokich temperaturach w porównaniu z innymi stalami. Szybkość utleniania żelaza i stali niskostopowych wzrasta gwałtownie powyżej ok. 560 oC na skutek tworzenia się tlenku FeO (wustytu), który umożliwia szybką dyfuzję tlenu do żelaza i dalsze jego utlenianie. Podstawowymi pierwiastkami stopowymi, które chronią stal przed utlenianiem są: Cr, Al i Si. Pierwiastki te mają większe powinowactwo do tlenu aniżeli żelazo i tworzą szczelne warstewki tlenków Cr2O3, Al2O3 SiO2, które utrudniają dyfuzję tlenu w głąb metalu. Im wyższa temperatura pracy danego elementu, tym większa jest potrzebna zawartość pierwiastka stopowego dla zapewnienia żaroodporności. Na rysunku 7.24 przedstawiono wpływ zawartości chromu na żaroodporność stali. Jak widać, wpływ na żaroodporność ma również struktura stali. Przy tej samej zawartości chromu stale austenityczne są nieco bardziej żaroodporne niż stale ferrytyczne.
Rys.7.24. Wpływ zawartości chromu na żaroodporność stali; l - stale austenityczne, 2 - stale ferrytyczne Wzrost żarowytrzymalości, która jest związana przede wszystkim z wysoką odpornością na pełzanie, powodują dodatki stopowe podwyższające temperaturę topnienia i rekrystalizacji stali, a więc: Mo, W, C, Co oraz Ti, Cr i Si. Również bardziej korzystna jest struktura austenityczna stali, co wynika m.in. z wyższej temperatury rekrystalizacji austenitu. Ponadto na podwyższenie żarowytrzymałości znacznie wpływa wzrost wielkości ziarna i wydzielanie faz o dużej dyspersji (utwardzanie dyspersyjne). Ze względu na zastosowanie i strukturę wśród stali przeznaczonych do pracy w podwyższonych temperaturach można wyróżnić kilka grup. Zasady znakowania tych stali są analogiczne, jak stali stopowych konstrukcyjnych i stali odpornych na korozję.
Stale żarowytrzymałe stosowane do budowy kotłów i turbin parowych.
Są to na ogół stale ulepszane cieplnie, które po chłodzeniu na powietrzu mogą mieć strukturę ferrytyczno-perlityczną, perlityczno-bainityczną, martenzytyczną, martenzytycznoferrytyczną itp. W większości są to stale niskostopowe (z wyjątkiem martenzytycznych, które zawierają ok. 12% Cr) o małej i średniej zawartości węgla (0,10 ÷ 0,35%). Po ulepszaniu cieplnym, które kończy się wysokim odpuszczaniem struktura większości tych stali składa się z ferrytu i węglików stopowych. Polska norma PN-75/H-84024 obejmuje 26 gatunków stali
133 JW stopowych przeznaczonych do pracy w podwyższonych temperaturach, stosowanych w budowie kotłów parowych i wodnych, zbiorników ciśnieniowych, turbin, rurociągów pary i wody oraz innych urządzeń energetycznych. Stale te mają następujące oznaczenia, z których wynika ich orientacyjny skład chemiczny: 19G2, 16M, 20M, 15HM, 20HM, 10H2M 12HMF, 13HMF, 15HMF, 20MF, 21HMF, 20HMFTB, 15HCuMNb, 23H2MF 24H2MF, 26H2MF, 30H2MF, 22H2NM, 33H2NMJ, 20H3MWF, 32HN3M 34HN3M, 15H11MF, 15H12WMF, 20H12M1F, 23H12MWF. Wszystkie te stale, z wyjątkiem czterech ostatnich zawierających po ok. 12% Cr (stale martenzytyczne), są stalami niskostopowymi. Dobre własności mechaniczne w podwyższonych temperaturach uzyskuje się przede wszystkim dzięki zawartości molibdenu i wanadu, i utwardzaniu wydzieleniowemu węglikami. Temperatura długotrwałej pracy tych stali wynosi, zależnie od gatunku 400 ÷ 600°C. Górna granica ich zastosowania nie może przekraczać 600°C, ponieważ powyżej tej temperatury szybkość dyfuzji węgla i pierwiastków stopowych wzrasta, następuje koagulacja węglików i zanik utwardzenia, co powoduje obniżenie naprężeń wywołujących odkształcenia plastyczne, i wzrost szybkości pełzania. Ponadto temperatura 600°C jest dla tych stali (z wyjątkiem wysokochromowych) krytyczna ze względu na gwałtowny wzrost szybkości utleniania.
Rys. 7.25. Wytrzymałość na rozciąganie różnych stopów żarowytrzymałych w zależności od temperatury badania; l - stal konstrukcyjna niskostopowa chromowo-niklowa, 2 stal żarowytrzymała ferrytyczna, 3 - stal żarowytrzymała austenityczna, 4 żarowytrzymały stop na osnowie niklu Z tego względu do pracy w wyższych temperaturach lub w warunkach powodujących intensywną korozję gazową stosuje się stale wysokostopowe ferrytyczne dużej zawartości chromu lub austenityczne chromowo-niklowe, wykazujące wyższą odporność na utlenianie.
Stale wysokochromowe ferrytyczne. Stale te charakteryzują się wysoką żaroodpornością, którą zapewnia duża zawartość chromu oraz dodatki Al i Si (tabl. 7.15). Natomiast żarowytrzymałość tych stali jest stosunkowo niska i z tego względu są one stosowane na nisko obciążone elementy pracujące w wysokich temperaturach, jak np. części żaroodporne kotłów parowych, pojemniki do wyżarzania, szyny, kołpaki i rury do pieców przemysłowych, części aparatury do destylacji siarki, części gazogeneratorów itp. Stale austenityczne chromowo-niklowe. Odznaczają się również wysoką żaroodpornością jak stale ferrytyczne wysokochromowe, natomiast są bardziej żarowytrzymałe i dlatego mogą być stosowane na części obciążone mechanicznie, pracujące w wysokich temperaturach (rys. 7.25). Skład chemiczny tych stali podano w tabl. 7.15. Wysoką odporność na utlenianie zapewnia znaczna zawartość chromu (16 ÷ 26%) i dodatek krzemu (1 ÷ 2,5%). Na żaroodporność wpływa dodatnio także nikiel, który nadaje stali strukturę austenityczną. Obróbka cieplna stali austenitycznych polega na przesycaniu od temperatur 1050 ÷ 1150°C w wodzie lub w powietrzu
134 JW (elementy o małym przekroju o grubości do 2 mm). Stale o większej zawartości niklu (20 ÷36%) są stosowane na części aparatury i urządzeń pracujących pod bardzo silnym obciążeniem mechanicznym w wysokich temperaturach. Stale zaworowe. Zawory w silnikach spalinowych pracują w bardzo trudnych warunkach. Narażone są na działanie wysokich temperatur dochodzących w przypadku zaworów wylotowych do 900°C, zaworów wlotowych - do 500°C, a jednocześnie są silnie obciążone mechanicznie na skutek uderzenia o gniazda zaworów i narażone na ścieranie w prowadnicach i w miejscach styku z popychaczami. Ponadto na zawory działają spaliny często zawierające tlenki ołowiu, które powodują silną korozję. W tablicy 7.15 podano gatunki stali zaworowych produkowane w kraju. Dwa pierwsze H9S2 i H10S2M są to tzw. silchromy, czyli stale chromowo-krzemowe, które można hartować na martenzyt. Temperatura austenityzowania wynosi dla tych stali ok. 1050°C. Hartowanie przeprowadza się w oleju, a następnie odpuszcza się w zakresie 750 ÷ 850°C. Silchromy wykazują dość wysoką żarowytrzymałość do ok. 700°C. Powyżej tej temperatury wytrzymałość zaczyna jednak dość szybko spadać. Stale te są stosowane głównie na wylotowe oraz wlotowe zawory silników spalinowych samochodowych i motocyklowych.
Stale żaroodporne i żarowytrzymałe (wg PN-71/H-86022)
Tablica 7.15 Struktura po obróbce cieplnej ferryt i perlit ferryt i perlit ferryt ferryt ferryt ferryt ferryt ferryt i austenit austenit austenit austenit austenit austenit austenit austenit sorbit sorbit austenit i węgliki austenit i węgliki
Średnia zawartość, % Znak stali C 0,15* 0,15* 0,15* 0,12* 0,12* 0,12* 0,15* 0,20* 0,15 0,20* 0,20* 0,20* 0,20* 0,35 0,15* Si 0,50* 1,75 1,2* 1,15 0,9 1,45 1,0* 2,5* 1,5* 1,0* 2,2 1,0* 2,5 2,5 1,7 2,5 2,2 0,8* Inne Cr Ni składnik 5,0 0,5* Mo0,5 6,0 0,6* 17,0 0,6* 13,0 0,5* AI0.9 18,0 0,5* AI1,0 24,0 0,5* Al 1,4 25,0 0,6* Ti(4xC) 26,0 4,5 18,0 9,5 23,0 13,5 20,0 12,0 23,0 18,5 25,0 19,5 18,0 25,0 16,0 36,0 Stale zaworowe 9,0 0,60* 10,0 0,50* Mo0,8 14,0 14,0 W 2,5 Mo 0,35 21,0 4,0 N0,45
H5M H6S2 2H17 H13JS H18JS H24JS H25T H26N4 H18N9S H23N13 H20N12S2 H23N18 H25N20S2 H18N25S2 H16N36S2
Żaroodpo rność w powietrzu do temp. °C 650 800 850 950 1050 1200 1100 1100 850 1050 1050 1050 1150 1100 1100 850 900 900 900
H9S2 0,40 H10S2M 0,40 4H14N14W 0,45
50H21G9N 0,50 0,5* * Zawartość maksymalna
Dwa następne gatunki (4H14N14W2M i 50H21G9N4) są to stale austenityczne, które w zakresie temperatury 800 ÷ 900°C wykazują jeszcze wystarczającą wytrzymałość i są stosowane w trudniejszych warunkach pracy: stal 4H14N14WZM na najbardziej obciążone zawory wylotowe i wlotowe silników lotniczych, a stal 50H21G9N4, która wykazuje dobrą odporność na korozję powodowaną przez tlenki ołowiu - na najbardziej obciążone zawory wylotowe silników samochodowych. Struktura obu tych stali składa się z austenitu i węglików. Można je utwardzać wydzieleniowo, stosując przesycanie od temperatury 1100 ÷ 1150°C i starzenie w temperaturze 700 ÷ 750°C przez kilkanaście godzin. Jednak stal 4H14N14WZM ze względu na
135 JW niebezpieczeństwo rozrostu ziarn w czasie nagrzewania do przesycania i niekorzystne wydzielanie się węglików na granicach ziarn w czasie starzenia, częściej jest stosowana tylko po kuciu w zakresie temperatury 1150 ÷ 900°C i wyżarzaniu zmiękczającym w temperaturze ok. 850°C.
7.6.3. Stale stopowe o szczególnych własnościach fizycznych
Do tej grupy stali można zaliczyć stale o specjalnych własnościach magnetycznych (są omówione w rozdziale dotyczącym materiałów magnetycznych), stale oporowe, stopy żelaza o specjalnej rozszerzalności cieplnej i inne. Jako materiały o dużym oporze elektrycznym używane są stale chromowo-niklowe i chromowo-aluminiowe. Stosuje się je głównie na oporniki oraz elementy grzejne pieców przemysłowych i laboratoryjnych i innych urządzeń. Stale oporowe Cr-Ni zawierają ok. 20% Ni i 20% Cr, 60% Fe oraz dodatki Mn i Si (1 ÷ 2%). Temperatura pracy wynosi maksymalnie ok. 1000°C. Stale oporowe Cr-Al są to stale ferrytyczne zawierające 12-27% Cr i 3-7% Al. W kraju produkowane są z następującymi oznaczeniami: H13J4, H17J5, H25J5, 0H25J5. Ze wzrostem zawartości chromu odporność na utlenianie zwiększa się coraz bardziej. Górne temperatury stosowania tych stali wynoszą odpowiednio 850-1200°C. Wadą tych stali jest to, że po pewnym okresie pracy stają się kruche i pękają przy próbach zginania; z tego względu elementy grzejne umieszcza się w specjalnych obudowach o kształtach dostosowanych do określonych wymagań. Jako stopy o specjalnej rozszerzalności cieplnej znalazły zastosowanie głównie stopy Fe-Ni. Zależnie od zawartości niklu wartość współczynnika rozszerzalności cieplej a tych stopów zmienia się w granicach l ,2 ÷ 20,0 ⋅10 -6 °C -1. Najniższy współczynnik z tej grupy stopów ma stop o zawartości ok. 36% Ni noszący nazwę inwaru. Stopy Fe-Ni z dodatkiem 6 ÷ 12% Cr odznaczają się tym, że ich moduł sprężystości podczas nagrzewania zmienia się bardzo mało, czyli mają stałą sprężystość nie zmieniającą się z temperaturą. Jednym ze stopów tego typu jest tzw. elinwar stosowany na sprężyny do dokładnych przyrządów pomiarowych. Współczynnik rozszerzalności cieplnej podobny do współczynnika niektórych szkieł ma stop o zawartości 54% Fe, 28% Ni i 18% Co noszący nazwę femico, który jest stosowany do wtapiania przejść elektrycznych w różnych przyrządach i lampach. Istnieje również szereg odmian tych stopów o podobnych własnościach.
7.7. Staliwa węglowe i stopowe
Staliwo jest to stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami, zawierający do około 2,0% węgla, otrzymywany w procesach stalowniczych w stanie ciekłym odlewany do form odlewniczych. Odlewy takie mogą być używane bezpośrednio po zakrzepnięciu bez obróbki cieplnej lub mogą być obrabiane cieplnie, względnie poddawane obróbce cieplno-chemicznej. Jako materiał konstrukcyjny staliwo wykazuje wiele zalet, ma lepsze własności wytrzymałościowe i plastyczne w porównaniu z żeliwem, a także dobrą spawalność zwłaszcza niskowęglowe i niskostopowe). Wykazuje jednak gorsze własności odlewnicze ze względu na skurcz dochodzący do 2% i wysoką temperaturę topnienia dochodzącą do 1600°C.
7.7.1. Staliwa węglowe konstrukcyjne ogólnego przeznaczenia Polska norma PN-ISO 3755:1994 wymienia 8 gatunków staliw węglowych konstrukcyjnych ogólnego przeznaczenia. Gatunki te oznacza się dwiema liczbami trzycyfrowymi lub dwiema liczbami trzycyfrowymi i literą W: 200-400, 200-400W, 230-450, 230-450W, 270-480, 270480W, 340-550, 340-550W. Pierwsza liczba oznacza wymaganą minimalną wartość Re lub Rg, w MPa, a druga - minimalną wytrzymałość na rozciąganie Rm również w MPa. Gatunki zawierające na końcu literę W mają dodatkowo określoną maksymalną zawartość poszczególnych pierwiastków (czyli tzw. ograniczony skład chemiczny), w celu zapewnienia dobrej (jednolitej) spawalności. Staliwa, których oznaczenie nie zawiera litery W, nie mają obowiązującego składu chemicznego poza fosforem (max 0,035%) i siarką (max 0,035%). Natomiast gatunki z literą W
136 JW mają max 0,25% C i zróżnicowaną w zależności od gatunku zawartość Mn od max 1,00% do max 1,50%, oraz określoną maksymalną zawartość pozostałych pierwiastków (jednakowa dla tych gatunków): ≤ 0,60% Si, ≤ 0,035% P, ≤ 0,035% S, ≤ 0,40% Ni, ≤ 0,35% Cr, ≤ 0,40% Cu, ^ ≤ 0,15% Mo i ≤ 0,05% V. Wytrzymałość na rozciąganie Rm zależy od gatunku staliwa i zawiera się w granicach od 400 ÷ 550 MPa do 550 ÷ 700 MPa, a wydłużenie Amin odpowiednio - od 25% do 15%. Staliwa węglowe konstrukcyjne ogólnego przeznaczenia mogą być obrabiane cieplnie. Zwykle poddaje się je normalizowaniu, wyżarzaniu zupełnemu lub wyżarzaniu odprężającemu.
7.7.2. Staliwa stopowe Staliwa stopowe, podobnie jak stale, zawierają specjalnie wprowadzone dodatki stopowe, które nadają im określone własności. Sposób znakowania gatunków staliw stopowych jest analogiczny, jak stali stopowych konstrukcyjnych, z tą różnicą, że w przypadku staliw na początku znaku znajduje się litera L. Za literą L znajdują się cyfry określające średnią zawartość węgla w setnych procentu, następnie litery symbole) analogiczne jak w przypadku stali stopowych konstrukcyjnych rozdz. 7.4.3), które określają pierwiastki stopowe, i cyfry, które podają średnią zawartość danego pierwiastka w procentach. Jeżeli zawartość pierwiastka stopowego nie przekracza średnio 2%, to podaje się tylko litery stanowiące symbole tego pierwiastka. Staliwa stopowe ze względu na zastosowanie dzielą się na: Staliwa stopowe konstrukcyjne — Polska Norma PN-H/83156:1997 obejmuje 23 gatunki staliw tej grupy o następujących oznaczeniach: L20G, L35G, L15GM, L30GS, L35GM, L35GN, L30H, L40H, L17HM, L25HM, L25HN, L35HM, L40HF, L30HMF, L30HGNM, L35HGS, L35HNM, L20HN3M, L30H2N2M, 35H2MF, L12H13, L12H13N4M, L0H13N4M. W normie podany jest skład chemiczny poszczególnych gatunków i ich własności mechaniczne. Wytrzymałość na rozciąganie Rm powyższych staliw w stanie normalizowanym zawiera się w graniach od 450 do 800 MPa, a w stanie ulepszonym cieplnie po normalizowaniu – od 450 do 1200 MPa. Staliwa do pracy w podwyższonych temperaturach — PN-89/H-83157 (9 gatunków: L20, L16M, L20M, L20HM, L18H2M, L15HMF, L18HM, L21HMF, L17HMF). Staliwa te charakteryzują się określonymi własnościami mechanicznymi określoną granicą pełzania w zakresie temperatury do 600°C.
Staliwa stopowe odporne na korozję (nierdzewne i kwasoodporne) charakteryzujące się zwiększoną odpornością na działanie korozyjne atmosfery, kwasów oraz niektórych ośrodków korozyjnych - PN-86/H-83158 (14 gatunków). Ze względu na zawartość pierwiastków stopowych i struktury osnowy rozróżnia się następujące staliwa odporne na korozję: - chromowe martenzytyczne (LOH13, LH14, LH14N), - chromowo-niklowe austenityczne (LH18N9, LH18N9T, LH16N5G6), - chromowo-niklowo-molibdenowe austenityczne (LH18N10M2, L0H18N10M2, L0H18N9M, LH18N10M2T), - chromowo-niklowe austenityczno-ferrytyczne (L0H12N4M, LH21N5, LH12N5M, LH21N5T). Wszystkie gatunki staliwa odpornego na korozję mogą być spawane. Zastosowanie tych staliw jest podobne jak stali nierdzewnych i kwasoodpomych o podobnym składzie chemicznym. Staliwa żaroodporne i żarowytrzymałe - PN-90/H-83159 (9 gatunków). Staliwo żaroodporne charakteryzuje się odpornością na bezpośrednie działanie płomienia lub spalin w wysokich temperaturach. Staliwo żarowytrzymałe wykazuje w wysokich temperaturach wyższe własności wytrzymałościowe niż inne staliwa pracujące w tych temperaturach. Gatunki LH18S2, LH26, LH29S2G, LH26N4S2 są wysokochromowymi staliwami żaroodpornymi przeznaczonymi do pracy przy małych obciążeniach. Zawartość węgla jest wysoka (1,3 ÷ 1,5% C, z wyjątkiem LH26 - 0,5% C). Struktura tych staliw składa się z perlitu i
137 JW węglików lub ferrytu i węglików. Staliwo LH29S2G są ponadto bardzo odporne na ścieranie w wysokich temperaturach. Gatunki LH17N8G, LH19N14G, LH23N18G, LH25H19S2, LH17N37S2G są chromowoniklowymi staliwami żarowytrzymałymi i żaroodpornymi, o strukturze austenitycznej. Obróbka cieplna i zastosowanie tych staliw są analogiczne jak austenitycznych stali żarowytrzymałych. Stosowane są one również jako kwasoodporne w podwyższonych temperaturach. Staliwa odporne na ścieranie - PN-88/H-83160 (12 gatunków: L20HGSNM, L25SHNM, L30HGN2M, L35GSM, L40GM, L40H3T, L100AGM, L40HM, [20G13, L120G13H, L120G13T oraz L30GS wg PN-87/H-83156). Stosowane są wyjątkiem L120G13, L120G13T i L120G13H) w stanie normalizowanym i ulepszonym na: korpusy sprzęgieł, elementy czerpaków, koparek, koła zębate, części maszyn budowlanych, ogniwa gąsienicowe, płyty pancerne, szczęki do kruszarek koła jezdne do suwnic itp. Staliwa L120G13, L120G13H i L120G13T (wysokowęglowe i wysokomanganowe) mają strukturę austenityczną i są szczególnie odporne na zużycie. Stosowane są w stanie przesyconym najczęściej na rozjazdy kolejowe, gąsienice traktorowe i części łamaczy i kruszarek. Staliwa narzędziowe - PN-90/H-83161. Norma obejmuje 18 gatunków staliw do pracy na zimno i gorąco: L150HSM, L155HNM, L180HNM, L200HNM. L200HSNM, L70H2GNM, L90HMF, L120H21NM, L180H20F, L35H17N2M. L40H5MF, L45HN2MF, L65HNM, L75HMF, L100H2M, L120HWMF. L120HNMF, L210H21S. Staliwa te stosuje się w stanie obrobionym cieplnie, aby zapewnić odpowiednią twardość.
7.8. Żeliwa węglowe
Żeliwami węglowymi nazywa się odlewnicze stopy żelaza z węglem, zawierające teoretycznie powyżej 2,06% C, a praktycznie 2,5 ÷ 4,5% C. Poza tym żeliwa te podobnie jak stale, zawsze zawierają pewne ilości krzemu, manganu, fosforu i siarki pochodzenia metalurgicznego. W przeciwieństwie do stali, większość żeliw odznaczają się niską plastycznością. Węgiel w żeliwach może występować w dwóch postaciach: bądź w stanie wolnym jako grafit, bądź w postaci związanej w cementycie. W zależności od tego rozróżnia się żeliwa szare, które niezależnie od struktury osnowy (ferrytycznej, perlitycznej lub ferrytyczno-perlitycznej) zawierają wydzielenia grafitu, oraz żeliwa białe, w których węgiel występuje prawie wyłącznie w postaci cementytu. Nazwy te związane z kolorem ich przełomów. Niekiedy spotyka się żeliwa połowiczne, które miejscami mają budowę żeliw szarych, a miejscami - białych. Struktura żeliw zależy zarówno od ich składu chemicznego (rys. 7.26), jak szybkości krystalizacji metalu, co jest związane z grubością ścianek odlewu.
Rys. 7.26. Wpływ zawartości węgla i krzemu na strukturę żeliw (odlewy piaskowe o grubości ścianek około 30 mm) Krzem, którego zawartość w żeliwach waha się od 0,3 do 5%, sprzyja tworzeniu grafitu. Zmieniając zawartość krzemu można otrzymać różne rodzaje żeliw, całkowicie odmienne
138 JW zarówno pod względem struktury, jak i własności, od żeliwa białego do ferrytycznego szarego. Proces grafityzacji ułatwiają również takie pierwiastki, jak miedź i nikiel. Mangan utrudnia proces grafityzacji, sprzyjając tworzeniu się cementytu. Podobnie działa siarka, której zawartość w żeliwach nie może przekraczać 0,08 ÷ 0,12% (w zależności od wielkości odlewów), ponieważ pogarsza ona własności odlewnicze i zwiększa kruchość. Poza tym do pierwiastków przeciwdziałających grafityzacji należą między innymi chrom, wolfram, molibden i wanad. Ważnym składnikiem żeliw jest fosfor, który zwiększa ich rzadkopłynność dzięki tworzeniu eutektyki fosforowej, nie oddziałując w wyraźnym stopniu na proces grafityzacji.
7.8.l. Żeliwa szare Największe zastosowanie przemysłowe mają jak dotąd żeliwa szare. W żeliwach i grafit występuje w postaci nieregularnych płatków różnej wielkości, tworząc nieciągłości w osnowie metalicznej (rys. 7.27). Wytrzymałość grafitu w porównaniu z wytrzymałością tej osnowy można przyjąć za równą zeru, stąd też żeliwa szare odznaczają się niską wytrzymałością na rozciąganie i zginanie, przy dość dobrej wytrzymałości na ściskanie. Również wytrzymałość zmęczeniowa żeliw jest niewielka, ze względu na istnienie wspomnianych karbów naturalnych. Z tego samego powodu żeliwa szare są mało wrażliwe na działanie wad powierzchniowych, wszelkiego rodzaju karbów konstrukcyjnych itp.
Rys. 7.27, Struktura żeliwa szarego nie trawionego. Widoczne płatki grafitu. Powiększ. 100x
Rys. 7.28. Struktura żeliwa szarego ferrytyczno-perlitycznego z wyraźnie widoczną eutektyką fosforową (jasne, kropkowane obszar. Traw. 5% roztworem alkoholowym HN03. Powiększ. 500x
Główną zaletą żeliwa szarego są przede wszystkim dobre własności odlewnicze przejawiające się wysoką rzadkopłynnością, dobrym wypełnianiem form, mały skurczem odlewniczym (-1%) itd. Inne zalety związane z obecnością wydzielę-grafitu to: dobre własności przeciwcierne i zdolność tłumienia drgań. Dodatkowi zaletą tych żeliw jest niska cena. Grafit, będący jednym z głównych składników strukturalnych żeliw szarych, jest rozmieszczony w osnowie ferrytycznej, ferrytyczno-perlitycznej lub perlityczne przy czym ferryt jest tu nie tylko roztworem stałym węgla w żelazie a, lecz także roztworem krzemu oraz ewentualnie innych pierwiastków w żelazie a i dlatego nosi nazwę krzemoferrytu. Oczywiście perlit jest w przypadku żeliw mieszaniną krzemoferrytu i cementytu. Charakterystycznym składnikiem strukturalnym żeliw szarych jest potrójna eutektyka fosforowa, zwana niekiedy steadytem. W temperaturze powstawania składa się ona z cementytu (Fe3C), fosforku żelaza (Fe3P) i austenitu, w temperatura pokojowej - z cementytu, fosforku żelaza oraz produktów przemiany eutektoidalnej austenitu (perlitu, cementytu wtórnego i trzeciorzędowego). Przy większej zawartości siarki w strukturze żeliw szarych uwidaczniają się również siarczki manganu w postaci lekko niebieskawych wieloboków. Strukturę żeliwa szarego o osnowie ferrytyczno-perlitycznej pokazano na rys. 7.28. Oprócz grafitu płatkowego i składników osnowy wyraźnie widać potrójną eutektykę fosforową w postaci jasnych, kropkowanych obszarów o charakterystycznych kształtach.
139 JW Żeliwa szare zgodnie z PN-92/H-83101 dzielą się na gatunki, przy czym podstawą podziału jest wytrzymałość na rozciąganie, określana na próbkach o średnicy pomiarowej 20 mm, wytoczonych z oddzielnie odlewanych wlewków próbnych. Polska Norma podaje 6 gatunków żeliwa szarego z określoną minimalną wytrzymania na rozciąganie, a mianowicie: 100, 150, 200, 250, 300 i 350 (trzycyfrowa liczba oznacza min. Rm w MPa). Niższe wartości odnoszą się do żeliw o strukturze ferrytycznej, wyższe - do żeliw o strukturze perlitycznej. Wytrzymałość i twardość zesłane na próbkach wykonanych z wlewków próbnych różnią się od wytrzymali i twardości odlewów, gdyż własności te w istotny sposób zależą od grubości ścianek odlewów, zmniejszając się z jej wzrostem. Na przykład żeliwo szare gatunek 100, ze zwiększaniem grubości ścianek odlewu, wykazuje wytrzymałość na rozciąganie 120 ÷ 90 MPa, a żeliwo gatunku 350 – 315 ÷270 MPa. W przypadku wymaganej dobrej obrabialności i odporności odlewów na ścieranie żeliwa szare klasyfikuje się na podstawie twardości, przy czym ustala się 6 klas twardości oznaczających przewidywaną średnią twardość HB w określonym miejscu odlewu (tabl. 7.16). Przewidywane zakresy twardości HB dla różnych grubości ścianki odlewu podano w tabl. 7.17. .
Klasy twardości żeliw szarych (wg PN-92/H-83101)
Tablica 7.16
Klasa twardości H 145 H 175 H 195 H 215 H 235 H 255
Zakres twardości odlewu HB max 170 150-200 170-200 190-240 210-260 230-280
Dla żeliw szarych istnieją ustalone empirycznie zależności między twardością i wytrzymałością na rozciąganie w przypadkach, gdy: Rm ≥ 196 MPa, wówczas HB = RH (100 + 0,438) Rm Rm < 196 MPa, wówczas HB = RH (100 + 0,724) Rm Czynnik RH, czyli tzw. twardość względna, zmienia się w granicach 0,8 ÷1,2 w zależności od materiału wyjściowego, procesu topienia i rzeczywistego procesu metalurgicznego. W poszczególnych odlewniach można ustalić wartość czynnika RH na prawie stałym poziomie i w takich przypadkach, mierząc twardość HB na powierzchni odlewu, można określić jego wytrzymałość na rozciąganie wykorzystując podane zależności. Tablica 7.17 Orientacyjne zakresy twardości żeliw szarych dla różnych grubości ścianki odlewu (wg PN-92/H-83101) Gatunek 2,5 ÷ 5 350 300 250 200 150 100 Twardość HB Grubość 5 ÷ 10 20 ÷ 40 ścianki, mm 280-200 280-200 255-180 280-200 250-180 235-160 260-170 230-150 210-135 225-140 205-125 185-110 <185 <175 <160 40 ÷ 80 260-185 240-165 220-145 190-120 170-100 <150
<280 260-170 <210
140 JW Dzięki swym zaletom, żeliwa szare są materiałem konstrukcyjnym powszechnie stosowanym w przemyśle maszynowym, kolejowym, samochodowym i in. (np. na korpusy maszyn, płyty fundamentowe, pierścienie tłokowe, bębny hamulcowe, tuleje cylindrowe, armaturę). Odmianą żeliw szarych są żeliwa modyfikowane, zawierające bardzo drobny grafit płatkowy. To rozdrobnienie grafitu uzyskuje się przez dodanie do żeliwa przed odlaniem tzw. modyfikatora, najczęściej w postaci sproszkowanego żelazokrzemu. Żeliwa modyfikowane mają wyższą wytrzymałość niż żeliwa zwykłe.
7.8.2. Żeliwa sferoidalne
Żeliwami sferoidalnymi nazywa się żeliwa, w których grafit wydziela się podczas krzepnięcia w postaci kulek. Otrzymuje się je w wyniku procesu modyfikacji, który polega na wprowadzeniu do metalu bezpośrednio przed jego odlewaniem - niewielkiego dodatku magnezu (w stopie z niklem lub miedzią). Struktura osnowy żeliw sferoidalnych, podobnie jak struktura osnowy zwykłych żeliw szarych, może być ferrytyczna (rys. 7.29), ferrytyczno-perlityczna, perlityczno-ferrytyczna lub perlityczna (rys. 7.30). Żeliwa sferoidalne są w Polsce znormalizowane (PN-92/H-83123), przy czym podstawą klasyfikacji są ich własności mechaniczne. Polska Norma podaje dwie odrębne klasyfikacje żeliw sferoidalnych. Pierwsza - opiera się na własnościach mechanicznych określanych na próbkach wyciętych z wlewków próbnych oddzielnie odlewanych. Według tej klasyfikacji rozróżnia się 9 gatunków żeliw (tabl. 7.18). Oznaczenie poszczególnych gatunków składa się z liczby określające minimalną wytrzymałość na rozciąganie w MPa oraz liczby określającej minimalne wydłużenie w procentach. Na przykład oznaczenie 400-15 oznacza żeliwo sferoidalne o Rm min. 400 MPa i wydłużeniu A5 min. 15%.
Rys. 7.29. Struktura żeliwa sferoidalnego ferrytycznego. Widoczne kuliste wydzielenia grafitu na tle ferrytycznej osnowy. Traw. 5% roztworem alkoholowym HNO3. Powiększ. 200x
Rys. 7.30. Struktura żeliwa sferoidalnego perlitycznego. Widoczne kuliste wydzielenia grafitu w otoczce ferrytycznej na tle perlitycznej osnowy. Traw. 5% roztworem alkoholowym HNO3. Powiększ. 200x
Druga klasyfikacja opiera się na własnościach mechanicznych określanych na próbkach wykonanych z wlewków próbnych tzw. przylanych (odlewanych razem z odlewem). W tym przypadku, w oznaczeniu gatunku za liczbą określającą minimalne wydłużenie podaje się literę A, np. 400-15A. Ta klasyfikacja zawiera 6 garnków żeliw o wytrzymałości na rozciąganie 320700 MPa, granicy plastyczności 210 ÷ 400 MPa, wydłużeniu 15 ÷ 2% i twardości HB 130 ÷ 320. Dodatkowa klasyfikacja (również zawarta w PN) oparta na twardości mierzonej na samych odlewach rozróżnia 9 gatunków oznaczanych literą H i podaje średnią twardość HB danego gatunku, np. H330, H150 itd. Niezależnie od przyjętej klasyfikacji, wyższa wytrzymałość i twardość odpowiada perlitycznej strukturze osnowy, wyższa plastyczność - strukturze ferrytycznej.
141 Gatunki i własności mechaniczne żeliw sferoidalnych (wg PN-92/H-83123) Gatunek żeliwa 900-2 800-2 700-2 600-3 500-7 450-10 400-15 400-18 350-22 Rm min 900 800 700 600 500 450 400 400 350 R0,2 min 600 480 420 370 320 310 250 250 220 A5 min 2 2 2 3 7 10 15 18 22 Twardość HB 280-360 245-335 225-305 190-270 170-230 160-210 130-180 130-180 <150
JW Tablica 7.18
Struktura osnowy bainit lub martenzyt odpuszczony perlit lub struktura.odpuszczona perlit perlit + ferryt perlit + ferryt ferryt ferryt ferryt ferryt
Żeliwo sferoidalne zastępuje z powodzeniem nie tylko staliwo, lecz również niektóre odkuwki stalowe. Wytwarza się z niego takie części silników samochodowych, jak wały wykorbione, wałki rozrządcze, cylindry i pierścienie tłokowe. W budowie obrabiarek żeliwo sferoidalne wykorzystuje się na koła zębate, wrzeciona, korpusy itd.
7.8.3. Żeliwa białe Żeliwa białe ze względu na zawartość węgla dzielą się na: podeutektyczne, eutektyczne i nadeutektyczne. Struktura żeliwa podeutektycznego (o zawartości węgla poniżej 4,3%), zgodnie z układem równowagi żelazo-cementyt (p. rozdz. 3), składa się w temperaturze 1147°C z austenitu i ledeburytu. W miarę obniżania temperatury z austenitu wydziela się cementyt wtórny. W temperaturze 723°C następuje przemiana austenitu w perlit, a ledeburytu - w ledeburyt przemieniony. Przy dalszym ochładzaniu stopu do temperatury pokojowej, w miarę zmniejszania się rozpuszczalności węgla w żelazie a, wydziela się cementyt trzeciorzędowy (w bardzo małej ilości). W rezultacie, w temperaturze pokojowej struktura żeliwa białego podeutektycznego składa się z perlitu, cementytu i ledeburytu przemienionego (rys. 7.31). Struktura żeliwa eutektycznego (zawierającego 4,3% C) w temperaturze 1147°C składa się z ledeburytu, a w temperaturze pokojowej - z ledeburytu przemienionego. Struktura żeliwa białego nadeutektycznego (zawierającego ponad 4,3% węgla) składa się w temperaturze 1147°C z ledeburytu i cementytu pierwszorzędowego (pierwotnego) krystalizującego w postaci grubych igieł, w temperaturze pokojowej — z ledeburytu przemienionego i cementytu pierwotnego (rys. 7.32).
Rys. 7.31. Struktura żeliwa białego podeutektycznego. Na tle przemienionego ledeburytu widoczne ciemne kryształy perlitu z wydzielonym cementytem wtórnym. Traw. 5% roztworem alkoholowym HNO3. Powiększ. 100x
Rys. 7.32. Struktura żeliwa białego nadeutektycznego. Na tle przemienionego ledeburytu widoczne jasne, iglaste kryształy cementytu pierwszorzędowego. Traw. 5% roztworem alkoholowym HNO3. Powiększ. 100x
142 JW Żeliwa białe, jako materiał konstrukcyjny, prawie nie mają bezpośredniego zastosowania technicznego, natomiast powierzchniowa warstwa żeliwa białego na żeliwie szarym, powstająca przez tzw. zabielenie (tj. szybkie lokalne ochłodzenie odlewu), jest często stosowana w celu zwiększenia odporności materiału na ścieranie. Taką twardą warstwę w żeliwie otrzymuje się umieszczając w formie tzw. ochładzalniki, czyli odpowiednie wkładki metaliczne szybko odprowadzające ciepło. Zabielenie żeliwa szarego stosuje się czasem w przypadku mniej odpowiedzialnych prowadnic korpusów maszyn, bieżni kół wagoników roboczych itp. Żeliwo białe jest materiałem wyjściowym przy wytwarzaniu przedmiotów z żeliwa ciągłego.
7.8.4. Żeliwa ciągliwe Żeliwami ciągliwymi nazywa się żeliwa białe, które wskutek długotrwałego (rzędu kilkudziesięciu godz.) wyżarzania w wysokiej temperaturze (ok. 1000°C) ulegają określonemu uplastycznieniu, dzięki odwęgleniu lub grafityzacji lub obu tym procesom łącznie. W zależności od sposobu przeprowadzania tej obróbki otrzymuje się: - Żeliwa ciągliwe białe, przez wyżarzanie żeliw białych w środowisku utleniającym, np. w rudzie żelaza. Podczas wyżarzania znaczna część węgla zawartego w żeliwie utlenia się, a w warstwie powierzchniowej grubości 1,5 ÷ 2 mm zachodzi zupełne odwęglenie. Przy ochładzaniu zazwyczaj nie wygrzewa się żeliwa w temperaturze poniżej temperatury przemiany, w wyniku czego w metalicznej osnowie rdzenia zachowuje się znaczna ilość perlitu. Przy powierzchni odlewu żeliwo to wykazuje matowobiałą barwę przełomu (ferryt) przechodzącą łagodnie w srebrzystą bliżej środka ścianki odlewu (perlit). - Żeliwa ciągliwe czarne, przez wyżarzanie żeliw białych w środowisku obojętnym. W czasie tego wyżarzania cementyt zawarty w żeliwie rozpada się, a wydzielający się z niego węgiel w postaci grafitu tworzy skupienia zwane węglem żarzenia. Struktura żeliwa w temperaturze wyżarzania składa się więc z austenitu i węgla żarzenia. Kolejnym zabiegiem jest bardzo wolne chłodzenie, warunkujące zachodzenie przemian fazowych zgodnie ze stabilnym układem równowagi żelazo-grafit (z austenitu zamiast cementytu wydziela się grafit). W efekcie, w temperaturze pokojowej otrzymuje się żeliwo, którego struktura składa się ze skupień grafitu (węgla żarzenia) rozmieszczonych w ferrytycznej osnowie (rys. 7.33). Duża ilość wydzieleń grafitu wywołuje ciemną barwę przełomu. - Żeliwa ciągliwe perlityczne, przez wyżarzanie żeliw białych w środowisku obojętnym, lecz bez doprowadzania do końca procesu grafityzacji (szybsze chłodzenie poniżej temperatury przemiany, dzięki czemu w strukturze zachowuje się część cementytu). W wyniku uzyskuje się żeliwo o osnowie perlitycznej lub perlityczno-ferrytycznej i srebrzystej barwie przełomu. W procesie produkcji żeliwa ciągliwego bardzo ważnym czynnikiem jest uzyskanie w odlewie żeliwa całkowicie białego, ponieważ częściowa grafityzacja podczas krzepnięcia i utworzenie się w żeliwie płatków grafitu zakłócają zachodzące w czasie wyżarzania grafityzującego powstawanie zwartych skupień grafitu. W związku z tym zawartość pierwiastków wchodzących w skład żeliwa ciągliwego musi mieścić się w stosunkowo wąskich granicach. Zazwyczaj skład chemiczny żeliwa ciągliwego jest następujący: 2,4 ÷ 2,8 % węgla, 0,8 ÷ 1,4% krzemu, do 1% manganu, do 0,1% siarki i do 0,2 % fosforu.
Rys. 7.33. Struktura żeliwa ciągliwego czarnego. Na tle ferrytu widoczne wydzielenia węgla żarzenia. Traw. 5% roztworem alkoholowym HN03. Powiększ. 100x
143 JW Żeliwa ciągliwe są w Polsce znormalizowane (PN-92/H-83221), przy czym norma rozróżnia 4 gatunki żeliwa ciągliwego białego (tabl. 7.19), 3 - żeliwa ciągliwego czarnego i 7 - żeliwa ciągliwego perlitycznego (tabl. 7.20). Oznaczenie poszczególnych gatunków składa się z liter i cyfr. Litery oznaczają: W - żeliwo ciągliwe białe, B - żeliwo ciągliwe czarne, P - żeliwo ciągliwe perlityczne. Po literze oddzielonej odstępem podawane są dwie cyfry oznaczające minimalną wytrzymałość na rozciąganie w MPa próbki o średnicy 12 mm podzieloną przez 10, a następnie, oddzielone znakiem pauzy, dwie cyfry oznaczające minimalne wydłużenie A3 wyrażone w %. Jeśli wartość wydłużenia jest mniejsza niż 10%, pierwszą cyfrą jest 0. Przykładowe oznaczenia żeliw ciągliwych: W 35—04, B 32—10, P 65—02. Żeliwo ciągliwe odznacza się dobrą skrawalnością, dużą odpornością na działanie dymu i kwaśnej wody kopalnianej. Wykonuje się z niego odlewy o dużej wytrzymałości, dobrej plastyczności, obrabialności i odporności na uderzenia, gdyż łączy w sobie dobre własności odlewnicze żeliwa z dobrymi własnościami mechanicznymi staliwa Tablica 7.19 Własności mechaniczne i twardość żeliw ciągliwych białych (wg PN-92/H-83221) Oznaczenie Średnica gatunku próbki mm 9 W 35-04 12 15 9 W 38-12 12 15 9 W 40-05 12 15 9 W 45-07 12 15
R min MPa 340 350 360 320 380 400 360 400 420 400 450 480
Rmin MPa 170 200 210 200 220 230 230 260 290
A5 min 5 4 3 15 12 8 8 5 4 10 7 4
Twardość HB max 230 200 ; 220 220
Jest szeroko stosowane w przemyśle maszyn rolniczych, samochodowym, obrabiarkowym, w kolejnictwie itp Tablica 7.20 Własności mechaniczne i twardość żeliw ciągliwych czarnych i perlitycznych (wg PN-92/H-83221) Oznaczenie gatunku B 30-06 B 32-12 B 35-10 P 45-06 P 50-05 P 55-04 P 60-03 P 65-02 P 70-02 P 80-01*
*
Rm min 300
R0,2 min MPa -
A5 min 6 12 10 6 5 4 3 2 2 1
Twardość HB max 150 max 150 max 150 150-200 160-220 180-230 200-250 210-260 240-290 270-310
320 350 450 500 550 600 650 700 800
190 200 270 300 340 390 430 530 600
Hartowanie w oleju, a następnie odpuszczanie.
144
7.9. Żeliwa stopowe
JW
Żeliwami stopowymi nazywa się żeliwa zawierające dodatkowo pierwiastki takie jak nikiel, chrom, molibden, aluminium, tytan, wanad, miedź, wolfram, bor lub zwiększone ilości krzemu i manganu. Dobór ww. składników oraz ich wzajemne stosunki ilościowe decydują o własnościach wytrzymałościowych żeliw stopowych, ich odporności na ścieranie i działanie środowisk korozyjnych oraz na oddziaływane utleniających atmosfer w wysokich temperaturach. Polska Norma PN-88/H-83144 podaje 48 gatunków żeliw stopowych dzielących się, w zależności od własności i zastosowania, na 3 grupy: żaroodporne, odporne na korozję i odporne na ścieranie. Żeliwo stopowe oznacza się znakiem gatunku, który zawiera: litery Zl dla żeliwa stopowego szarego i połowicznego, litery Zb dla żeliwa stopowego białego, litery Zs dla żeliwa stopowego sferoidalnego, symbole chemiczne pierwiastków stopowych wg malejącej procentowej zawartości składnika, oraz liczby określające średnią procentową zawartość pierwiastka stopowego, jeżeli jest ona równa lub większa od 0,8%. Żeliwa stopowe żaroodporne. Jest to grupa żeliw wykazujących odporność na korozyjne działanie gazów utleniających w wysokich temperaturach dzięki zawartości takich dodatków stopowych, jak krzem (do 6%), chrom (do 34%) i aluminium (do 8%). Graniczna temperatura pracy tych żeliw zależy od zawartości i wzajemnego stosunku ilościowego ww. dodatków stopowych i w zależności od gatunku żeliwa wynosi 550 ÷1100°C. Oprócz żaroodporności, ta grupa żeliw charakteryzuje się również dobrą odpornością na ścieranie i twardością, a także odpornością na korozyjne oddziaływanie różnych środowisk chemicznych. Polska Norma podaje 10 ganków żeliw stopowych żaroodpornych. Żeliwa stopowe odporne na korozję. Żeliwa węglowe zwykłe są stosunkowo mało odporne na działanie czynników chemicznych. Wprowadzenie do tych żeliw dodatków stopowych, takich jak krzem, nikiel, chrom i miedź znakomicie podwyższa ich odporność na korozyjne i erozyjne oddziaływanie różnorodnych środowisk chemicznych. Polska Norma podaje 8 gatunków żeliw stopowych odpornych na korozję, w tym: l gatunek żeliwa wysokokrzemowego (14 ÷16% Si), 5 gatunków żeliw wysokoniklowych (13,5 ÷32% Ni) o podwyższonej zawartości krzemu, chromu i miedzi oraz 2 gatunki żeliw wysokochromowych (25 ÷34% Cr), wykazujących również bardzo dobrą odporność na ścieranie i doskonałą żaroodporność. Żeliwa stopowe odporne na ścieranie. Jest to najliczniejsza grupa żeliw stopowych, obejmująca zgodnie z Polską Normą 33 gatunki. W większości są to żeliwa wysokostopowe zawierające: 0,5 ÷ 3,1% Si, 0,5 ÷1,2% Mn (tylko l gatunek zawiera do 12% Mn), 0,15 ÷ 2,4% Cr (tylko 2 gatunki żeliw mają wysoką zawartość chromu: jeden do 19%, drugi - do 30% Cr), 0,13 ÷ 5% Ni, 0,5 ÷ 2,0% Cu. Ponadto w 7 gatunkach występują niewielkie zawartości molibdenu, tytanu, wanadu bądź boru. Skład chemiczny tych żeliw jest tak dobrany, że wykazują dobre własności przeciwcierne oraz wytrzymałościowe przy zadowalającej odporności korozyjnej w określonych ośrodkach chemicznych; niektóre gatunki zachowują te własności również w podwyższonych temperaturach.
7.10. Oznaczanie stali wg: PN-EN 10027-1 Systemy oznaczania stali. Znaki stali, symbole główne. EN 10027-1:1992 jest zalecana przez CEN (Europejski Komitet Normalizacyjny) do stosowania przez krajowe komitety normalizacyjne bez jakichkolwiek zmian. PN-EN 10027-1 jest identyczna z EN 10027-1:1992 i została ustanowiona przez Polski Komitet Normalizacyjny 15.12.1994 r. W tej klasyfikacji oznaczeń stali wyróżnia się dwie główne grupy znaków: • znaki zawierające symbole wskazujące na skład chemiczny stali, • znaki zawierające symbole wskazujące na zastosowanie oraz mechaniczne lub fizyczne własności stali.
145 JW W obu grupach znaków po symbolach głównych mogą być podawane symbole dodatkowe. Poniżej podano jedynie, z jakich symboli głównych składa się znak stali. W przypadku staliwa znak gatunku zawierający symbole wskazujące na skład chemiczny poprzedza litera G.
Oznaczanie stali wg składu chemicznego W znakach stali wg składu chemicznego wyróżnia się cztery podgrupy; • stale niestopowe (bez stali automatowych) o średniej zawartości manganu <1%. Znak tych stali składa się z następujących symboli głównych, umieszczonych kolejno po sobie: litery C i liczby będącej 100-krotną średnią wymaganą zawartością węgla; • stale niestopowe o średniej zawartości manganu ≥ 1 %, niestopowe stale automatowe i stale stopowe (bez stali szybkotnących) o zawartości każdego pierwiastka stopowego <5%. Znak tych stali składa się z: liczby będącej 100-krotną wymaganą średnią zawartością węgla, symboli pierwiastków chemicznych składników stopowych stali w kolejności malejącej zawartości pierwiastków oraz liczb oznaczających zawartości poszczególnych pierwiastków stopowych w stali. Każda liczba oznacza odpowiednio, średni procent zawartości pierwiastka pomnożony przez współczynnik wg tabl. 7.21 i zaokrąglony do najbliższej liczby całkowitej. Liczby oznaczające zawartości poszczególnych pierwiastków stopowych należy oddzielić poziomą kreską.
TABLICA 7.21. Współczynnik do ustalania symboli liczbowych pierwiastków stopowych przy oznaczaniu stali stopowych (bez stali szybkotnących) o zawartości każdego pierwiastka stopowego <5% (PNEN 10027-1) Pierwiastek Cr, Co, Mn, Ni, Si, W Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Ce, N, P, S B Współczynnik 4 10 100 1000
Na przykład 55NiCrMoV6-2-2 jest znakiem stali o średnim składzie: 0,55% C, l,5%Ni, 0,6% Cr, 0,2% Mo i poniżej 0,1 % V (jest to stal narzędziowa do pracy na gorąco); • stale stopowe (bez stali szybkotnących) zawierające przynajmniej jeden pierwiastek stopowy w ilości ≥ 5%. Znak tych stali składa się z: litery X, liczby będącej 100-krotną wymaganą średnią zawartością węgla, symboli chemicznych składników stopowych stali w kolejności malejącej zawartości oraz liczb (zaokrąglonych do najbliższej liczby całkowitej) oznaczających średni procent zawartości poszczególnych pierwiastków. Na przykład X5CrNiMol7-12-2 jest znakiem stali o składzie: maks. 0,07% C, 17,5% Cr, 11,6% Ni, 2,25% Mo. Stal ta wg polskiej normy (PN) miałaby oznaczenie 0H17N12M2; • stale szybkotnące. Znak tych stali składa się z następujących symboli literowych i liczbowych: liter HS oraz liczb oznaczających procentowe zawartości (zaokrąglone do najbliższych liczb całkowitych) pierwiastków stopowych w następującej kolejności; wolfram, molibden, wanad, kobalt; np. HS18-0-1 jest znakiem stali oznaczanej wg PN SW18; średnia zawartość pierwiastków w tej stali wynosi: 0,80% C, 18,0% W, 1,25% V. Zawartość Cr w stalach szybkotnących nie jest podawana, gdyż jest we wszystkich gatunkach tych stali taka sama i wynosi od 3,5 do 4,5%.
Oznaczanie stali wg zastosowania i własności Znak stali oznaczanych wg ich zastosowania i własności mechanicznych lub fizycznych zawiera następujące główne symbole: a) S - stale konstrukcyjne, P - stale pracujące pod ciśnieniem, L - stale na rury przewodowe, E - stale maszynowe,
146 za którymi umieszcza się liczbę będącą minimalną granicą plastyczności w MPa; b) B - stale do zbrojenia betonu, za którym umieszcza się liczbę będącą charakterystyczną granicą plastyczności;
JW
c) Y - stale do betonu sprężonego, R - stale na szyny lub w postaci szyn, za którymi umieszcza się liczbę będącą wymaganą minimalną wytrzymałością ni rozciąganie; d) H - wyroby płaskie walcowane na zimno ze stali o podwyższone wytrzymałości przeznaczone do kształtowania na zimno, za którym umieszcza się liczbę będącą wymaganą minimalną granicą plastyczności albo jeżeli jest wymagana tylko wytrzymałość na rozciąganie, wtedy umieszcza się literę T, za którą podaje się wymaganą minimalną wytrzymałość na rozciąganie; e) D - wyroby płaskie ze stali miękkich przeznaczonych do kształtowania na zimno, za którym umieszcza się jedną z następujących liter: 1) C - dla wyrobów walcowanych na zimno, 2) D - dla wyrobów walcowanych na gorąco przeznaczonych do kształtowania na zimno, 3) X - dla wyrobów bez charakterystyki walcowania (na zimno lub na gorąco); oraz dwa symbole cyfrowe lub literowe charakteryzujące stal; f) T - wyroby walcowni blachy ocynowanej, za którym umieszcza się: 1) dla wyrobów o jednokrotnie redukowanej grubości - literę H, za którą podaje się liczbę będącą wymaganą nominalną twardością wg HR 30Tm; 2) dla wyrobów o dwukrotnie redukowanej grubości - liczbę będącą wymaganą nominalną granicą plastyczności; g) M - stale elektrotechniczne, za którym umieszcza się: 1) liczbę będącą 100-krotną wymaganą maksymalną stratnością w W·kg-1, 2) liczbę będącą 100-krotną nominalną grubością wyrobu w mm, 3) liczbę oznaczającą rodzaj blachy lub taśmy elektrotechnicznej, tj.: A - o niezorientowanym ziarnie, D - ze stali niestopowych, nie wyżarzonych końcowo, E - ze stali stopowych, nie wyżarzonych końcowo, N - o normalnie zorientowanym ziarnie, S - o zorientowanym ziarnie i zmniejszonej stratności, P - o zorientowanym ziarnie i dużej przenikalności magnetycznej. Tablica 7.22 Skład chemiczny i własności wytrzymałościowe niektórych stali konstrukcyjnych
Znak stali wg PN-EN
Rodzaj stali
Średni skład stali, %
Re MPa
Inne
Rm MPa
C
Stal niestopowa C10 C35 C60 S355NL S460N C15R 16MnCrB5 20NiCrMoS2-2 0,10 0,35 0,61 ≤0 ,18 ≤0,20 0,15 0,16 0,20 0,45 0,25 0,42 0,34 0,51 0,60
Si
≤0,40 ≤0,40 ≤0,40 ≤0,50 ≤O,6O ≤0,40 ≤0,40 ≤S0,40 ≤0 ,40 ≤0,40 ≤0,40 ≤0,40 ≤0,40 1,65
Mn
0,45 0,65 0,75 1,28 1,35 0,45 1,15 0,80 0,65 0,75 0,75 0,65 0,90 0,75
Cr — — — — — —
0,95 0,53
-
280 390 540 355 460
480 680 950 550 640
Stal niskostopowa o podwyższonej Stal do nawęglania
0,05 ≥ Nb; 0,12 ≥ V; 0,03 ≥ Ti 0,05 ≥ Nb; 0,20 ≥ V; 0,03 ≥ Ti 0,03 S 0,035 ≥ S; 0,0029 B 0,55 Ni; 0,20 Mo; 0,03 S
320 — —
620 650 880 950 1100 1200
550 — —
900 920 1100 1100 1300 1400
Stal do ulepszania C45E cieplnego 25CrMoS4 42CrMoS4 34CrNiMo6 Stal sprężynowa 51CrV4 60Si7
—
1,05 1,05 1,50 1,05
—
0,23 Mo; 0,03 S 0,23 Mo; 0,03 S 1,50 Ni; 0,23 Mo 0,18 V
—
—
147
Składy chemiczne i twardości wybranych stali narzędziowych
Rodzaj stali Znak stali wg PN-EN ISO 4957 C Stal nicslupowa do pracy na zimno C45U C70U C90U C12OIJ 102Cr6 60WCW8 X2IOCrWI2 X153C>MoV12 55NiCrMuV7 32CrMoVI2-2R X40CrMnV5-l X30WOV9-3 HSl8-0-1 HS2-9-2 HS6-5-4 HS2-9-1-8 0,45 0,70 0,90 1,20 1,02 0,60 2,15 1,53 0,55 0,32 0,40 0,30 0.78 1,00 1,32 1,10 Si 0,27 0,20 0,20 0,20 0,25 0,85 0,25 0,35 0,25 0,25 1,00 0,25 ≤0,45 ≤0,70 ≤0,45 ≤0,70 Mn 0,70 0,25 0.25 0,25 0,35 0,30 0,45 0,40 0,75 0,30 0,38 0,30 ≤0,40 ≤0,40 Ą0.40 Ą0.40 Średni skład stali, %
Ci
JW
Tablica 7.23.
Twardość HV minInne 54 57 60 62 60 58 62 61 42 46 50 4ff 63 64 64 66
− − − −
1,50 1,05 12,00 12,00 1,00 2,95 5,15 2,85 4.15 4,00 4,15 4,00
− − − − −
1,95 W; 0,15 V 0,7 W 0,85 Mo; 0,85V 1,65 Ni; 0.45 Mo; 0.10 V 2,75 Mo; 0,55 V 1,35 Mo; 1,00 V 9,00 W; 0,40 V 17.95 W; 1,10 V 8,70 Mo; 1.95 V; 1.80 W 5,60 W; 4,60 Mo; 3,95 V 9,50 Mo; K,00 Co; 1,55 W; 1,10 V
Stal słupowa do pracy na zimno
Stal stopowa do pracy na gorącu
Stal szybkotnąca
Tablica 7.24. Skład chemiczny wybranych stali o szczególnych własnościach
Rodzaj stali Stal odporna na korozję; ferryty czna Stal odporna na korozję; martenzytyczna Stal odporna na korozję; austenityczna Znak wg PN-EN C X6Crl3 X6Crl7 X6CrMol7-l X30Crl3 X17CrNil6-2 X90CrMoV18 X2CrNil9-ll X2CrNiMol7-12-2 X2CrNiMoN17-13-5 X1 CrNiMoCuN25-25-5 X3CrNiMoN27-5-2 X2CrNiMoCuN25-6-3 X10CrAlSil3 X10CrAlSi25 X15CrNiSi20-12 X6CrNiSiNCel9-10 ≤0,08 ≤0,08 ≤0,08 0,30 0,17 0,90 ≤0,03 ≤0,03 ≤0,03 ≤0,02 ≤0,05 ≤0,03 ≤0,12 ≤0,12 ≤0,12 0,06 Si ≤1,00 ≤1,00 ≤1,00 ≤1,00 ≤1,00 ≤1,00 ≤1,00 ≤1,00 ≤1,00 ≤0,70 ≤1,00 ≤0,70 1,05 1,05 2,00 1,50 Mn ≤1,00 ≤1,00 ≤1,00 ≤1,00 ≤1,00 ≤1,00 ≤2,00 ≤2,00 ≤2,00 ≤2,00 ≤2,00 ≤2,00 ≤1,00 ≤1,00 ≤2,00 ≤1,00 Średni skład stali, % Cr 13,00 17,00 17,00 13,00 16,00 18,00 19,00 17,50 17,50 25,00 26,50 25,00 13,00 24,50 20,00 19,00 − − 1,15 Mo 2,00 Ni 1,10 Mo; 0,10 V 11,00 Ni 11,50 Ni; 2,25 Mo 13,50 Ni; 4,50 Mo; 0,17 N 25,50 Ni; 5,20 Mo; 1,50 Cu; 0,21 N 5,50 Ni; 1,65 Mo; 0,125 N 6,50 Ni; 3,35 Mo; 1,75 Cu; 0,225 N 0,95 Al. 1,45 Al 12,00 Ni 10,00 Ni; 0,16 N; 0,055 Ce Inne
Stal odporna na korozję; ferrytyczno-austenityczna Stal żaroodporna; ferrytyczna Stal żaroodporna; austenityczna
Oznaczenia i składy stali odpornych na korozję zaczerpnięto z PN-EN 10088-1, natomiast stali żaroodpornych z PN-EN 10095.
10_stale_staliwa_i_zeliwa
96
JW
7. Klasyfikacja stali*
Klasyfikacji gatunków stali dokonuje się zgodnie z PN-EN 10020:1996 według składu chemicznego oraz wg ich zastosowania i własności mechanicznych lub fizycznych. Klasyfikacja stali według składu chemicznego - stale niestopowe (węglowe), - stale stopowe. Do stali niestopowych zalicza się te gatunki stali, w których zawartość pierwiastków jest mniejsza od zawartości granicznych podanych w tabl. 7.1. Do stali stopowych zalicza się gatunki stali, w których zawartość przynajmniej jednego pierwiastka jest równa lub większa od zawartości granicznej podanej w tabl. 7.1. Tablica 7.1 Granica między stalami niestopowymi i stopowymi (wg PN-EN 10020:1996)
Nazwa i symbol Zawartość graniczna chemiczny pierwiastka (% wagowy) Aluminium, Al 0,10 Bor, B 0,0008 Bizmut, Bi 0,10 Chrom, Cr* 0,30 Cyrkon, Zr* 0,05 Kobalt, Co 0,10 Krzem, Si 0,50 Lantanowce, każdy 0,05 Mangan, Mn 1.65** Miedź, Cu* 0,40 Molibden, Mo* 0,08 Nikiel, Ni* 0,30 Niob, Nb* 0,06 Ołów.Pb 0,40 Selen, Se 0,10 Tellur, Te 0,10 Tytan, Ti* 0,05 Wanad, V* 0,10 Wolfram, W 0,10 Inne (każdy oprócz 0,05 fosforu, siarki i azotu), * Jeżeli te pierwiastki określa się dla stali w kombinacji dwu, trzech lub czterech, a ich zawartości są mniejsze niż podane w tablicy, to przy kwalifikacji stali należy dodatkowo uwzględnić zawartość graniczną wynoszącą 70% sumy poszczególnych zawartości granicznych tych dwu, trzech lub czterech pierwiastków ** Jeżeli jest określona tylko maksymalna zawartość manganu, jego graniczna zawartość wynosi 1,80% i nie stosuje się zasady 70%.
Klasyfikacja stali według zastosowania i własności mechanicznych lub fizycznych A. Klasy jakości stali niestopowych • stale niestopowe podstawowe, • stale niestopowe jakościowe, • stale niestopowe specjalne. Stale niestopowe podstawowe Stale podstawowe to gatunki stali o takich wymaganiach jakościowych, jakie można osiągnąć w ogólnie stosowanym procesie stalowniczym, bez dodatkowych zabiegów technologicznych.
* Oznaczanie stali wg PN-EN 10027-1 na stronie 146
97 JW Wyroby z tych stali nie są przeznaczone do obróbki cieplnej (z wyjątkiem wyżarzania odprężającego, zmiękczającego i normalizowania). Z wyjątkiem manganu i krzemu (oraz granicznych zawartości C, P, S), zawartość innych pierwiastków stopowych nie jest wymagana. Nie określa się dodatkowych wymagań jakościowych dotyczących np. głębokiego tłoczenia, ciągnienia, kształtowania na zimno itp. Własności w stanie walcowanym na gorąco lub wyżarzonym odprężające, zmiękczająco albo normalizowanym powinny odpowiadać następującym wartościom granicznym dla wyrobów o grubości do 16 mm: minimalna wytrzymałość na rozciąganie (Rm) < 690 MPa, minimalna granica plastyczności (Re) < 360 MPa, minimalne wydłużenie (A) . < 26%, minimalna praca łamania w temp. 20°C na próbkach wzdłużnych ISO < 27 J, minimalna średnica trzpienia w próbie zginania (e oznacza grubość próbki) >1 e maksymalna zawartość węgla > 0,10%, maksymalna zawartość fosforu > 0,045%, maksymalna zawartość siarki > 0,045%. Przykłady stali należących do tej klasy: • stale miękkie niskowęglowe na taśmy i blachy walcowane na gorąco lub na zimno ogólnego zastosowania, • stale konstrukcyjne walcowane na gorąco ogólnego zastosowania, • stale do wyrobu walcówki do ciągnienia (drutu). Stale niestopowe jakościowe Stale niestopowe jakościowe to gatunki stali, których własności w stanie obrobionym cieplnie w zasadzie się nie określa, nie określa się również czystości metalurgicznej wyrażonej stopniem zanieczyszczenia wtrąceniami niemetalicznymi. Ze względu na warunki stosowania wyrobów ze stali jakościowych, wymagania dotyczące np. wrażliwości na kruche pękanie, regulowanej wielkości ziarna czy podatności na kształtowanie, są wyższe niż dla stali podstawowych, co wymusza większą staranność podczas produkcji. Przykłady stali należących do tej klasy: • stale na wyroby płaskie do kształtowania na zimno; • stale konstrukcyjne o zawartości Pmax i Smax poniżej 0,045%, np.: stale o podwyższonej wytrzymałości, stale do budowy statków, stale na wyroby ocynkowane ogniowo, stale na butle gazowe, stale na kotły i zbiorniki ciśnieniowe; • stale z wymaganą podatnością na odkształcenie plastyczne; • stale konstrukcyjne z wymaganą minimalną zawartością Cu; • stale do zbrojenia betonu; • stale szynowe; • stale automatowe; • stale do ciągnienia drutu; • stale do spęczania na zimno; • stale sprężynowe; • stale z wymaganymi własnościami magnetycznymi lub elektrycznymi; • stale do produkcji blach cienkich, ocynowanych (na opakowania); • stale do produkcji elektrod otulonych lub drutu spawalniczego o zawartości Pmax, i Smax większej niż 0,02%.
98
JW
Stale niestopowe specjalne Stale niestopowe specjalne charakteryzują się wyższym niż stale jakościowe stopniem czystości metalurgicznej, szczególnie w zakresie zawartości wtrąceń niemetalicznych. Są one przeważnie przeznaczone do ulepszania cieplnego lub hartowania powierzchniowego. Dzięki dokładnemu doborowi składu chemicznego oraz przestrzeganiu specjalnych warunków produkcji stali i kontroli przebiegu procesów technologicznych uzyskuje się różnorodne własności przetwórcze i użytkowe stali. Często otrzymuje się równocześnie i w zawężonych granicach np. wysoką wytrzymałość lub hartowność z równocześnie dobrą ciągliwością, podatnością na kształtowanie, spawanie itp. Stale niestopowe specjalne spełniają jeden lub więcej z niżej wymienionych warunków: a) określona udarność w stanie ulepszonym cieplnie; b) określona hartowność lub twardość powierzchniowa w stanie hartowanym i odpuszczonym lub utwardzonym powierzchniowo; c) określona mała zawartość wtrąceń niemetalicznych; d) określona maksymalna zawartość fosforu i siarki (każdy z nich): < 0,020% według analizy wytopowej, < 0,025% według analizy chemicznej wyrobu (np. walcówka przeznaczona do produkcji mocno obciążonych sprężyn, elektrod, drutu do zbrojenia opon Przykłady stali należących do tej klasy: • stale konstrukcyjne o określonej minimalnej pracy łamania próbek wzdłużnych ISO z karbem V, większej niż 27 J w temperaturze -50°C; • stale konstrukcyjne przeznaczone do produkcji reaktorów jądrowych, o ograniczonej zawartości następujących pierwiastków: miedź < 0,10%, kobalt < 0,05%, wanad < 0,05%; • stale do ulepszania cieplnego; • stale do nawęglania; stale utwardzalne wydzieleniowo o wymaganej zawartości węgla minimum 0,25% lub większej (w analizie wytopowej) i strukturze ferrytyczno-perlitycznej: zawierające jeden lub więcej mikrododatków stopowych, takich jak niob albo wanad, jednak ich zawartość powinna być niższa niż wartość graniczna dla stali stopowych; utwardzanie wydzieleniowe uzyskuje się zwykle przez kontrolowane chłodzenie z temperatury przeróbki plastycznej na gorąco; • stale do sprężania betonu; • stale do ciągnienia (drutu); • stale do spęczania na zimno; • stale sprężynowe; • stale narzędziowe; • stale o określonej przewodności elektrycznej większej niż 9 Sm/mm; • stale do produkcji elektrod otulonych lub na drut spawalniczy o zawartości Pmax i Smax mniejszej niż 0,02%. B. Klasy jakości stali stopowych - stale stopowe jakościowe, - stale stopowe specjalne. Stale stopowe jakościowe Stale stopowe jakościowe mają podobne zastosowanie jak stale niestopowe jakościowe, lecz wymagane własności powodują konieczność zwiększenia w nich zawartości pierwiastków stopowych powyżej wartości granicznych podanych w tabl. 7.1. Stale te zwykle nie są przeznaczone do ulepszania cieplnego lub utwardzania powierzchniowego. Do grupy stali stopowych jakościowych należą: stale konstrukcyjne drobnoziarniste spawalne, w tym stale przeznaczone do produkcji
99 JW zbiorników i rurociągów pracujących pod ciśnieniem, spełniające następujące warunki: a) wymagana minimalna granica plastyczności dotycząca wyrobów o grubości do 16 mm poniżej 380 N/mm, b) zawartości pierwiastków stopowych powinny być niższe niż wartości graniczne według tabl. 6.la, c) wymagana praca łamania próbek wzdłużnych ISO z karbem V w temperaturze -50°C - do 27 J; stale elektrotechniczne zawierające jako pierwiastki stopowe tylko krzem lub krzem i aluminium w celu uzyskania wymaganych własności w zakresie stratności magnetycznej, minimalnej wartości indukcji magnetycznej, polaryzacji lub przenikalności magnetycznej; stale stopowe przeznaczone do produkcji szyn i grodzic oraz kształtowników na obudowy górnicze; stale stopowe przeznaczone do produkcji wyrobów płaskich walcowanych na gorąco lub na zimno do dalszej trudniejszej przeróbki plastycznej na zimno (wyłączając stale przeznaczone do produkcji zbiorników ciśnieniowych lub rur), zawierające pierwiastki rozdrabniające ziarno, takie jak B, Ti, Nb, V i/lub Zr, -albo „stale dwufazowe" (struktura wyrobów płaskich ze stali dwufazowych składa się z ferrytu i 10 ÷ 35% martenzytu wysepkowego); stale, w których miedź jest jedynym wymaganym pierwiastkiem stopowym. Tablica 7.1a
Stale stopowe drobnoziarniste spawalne. Granica składu chemicznego między stalami stopowymi jakościowymi i specjalnymi Pierwiastek Zawartość graniczna (% wagowy)
Cr Chrom* 0,50 Cu Miedź* 0,50 La Lantanowce 0,06 Mn Mangan 1,80 Mo Molibden* 0,10 Nb Niob* 0,08 Ni Nikiel* 0,50 Ti Tytan* 0,12 V Wan* 0,12 Zr Cyrkon* 0,12 Inne nie wymienione patrz tablica 6.1 pierwiastki (każdy) *Jeżeli te pierwiastki występują w stali w kombinacji dwu, trzech lub czterech, a ich zawartości są mniejsze niż podane w tablicy 7.1, to przy klasyfikacji stali należy dodatkowo uwzględnić wartość graniczną, która stanowi 70% sumy poszczególnych zawartości granicznych tych dwu, trzech lub czterech pierwiastków.
Stale stopowe specjalne Stale stopowe specjalne dzięki precyzyjnie określonemu składowi chemicznemu odpowiednim warunkom wytwarzania i kontroli procesów produkcyjnych maję różnorodne własności przetwórcze i użytkowe często uzupełniające się i utrzymywane w zawężonych granicach. Ta klasa obejmuje następujące grupy stali: • stale odporne na korozję, • stale żaroodporne i żarowytrzymałe, • stale przeznaczone do produkcji łożysk tocznych, • stale narzędziowe, • stale maszynowe, • stale do nawęglania,
• •
100 JW specjalne stale konstrukcyjne (spawalne drobnoziarniste stale konstrukcyjne, stale odporne na korozję atmosferyczną), stale o specjalnych własnościach fizycznych (niemagnetyczne, magnetyczne lub o wymaganym współczynniku rozszerzalności cieplnej).
Skład chemiczny stali stopowych specjalnych stanowi podstawę ich podziału na następujące główne kategorie: l) stale odporne na korozję o zawartości węgla < 1,20% i chromu > 10,50%, które pod względem zawartości niklu dzieli się na: a) poniżej 2,50% Ni, b) nie mniej niż 2,50% Ni; 2) stale szybkotnące zawierające (wraz z innymi składnikami lub bez nich): - co najmniej dwa z trzech następujących pierwiastków: Mo, W lub V łącznie nie mniej niż 7% wagowych, - 0,60% lub więcej węgla, - i 3 ÷ 6% wagowych chromu; 3) inne stale stopowe specjalne. 7.2. Stale niestopowe (węglowe) 7. 2.1. Wpływ węgla na własności stali Węgiel bardzo silnie wpływa na własności stali nawet przy nieznacznej zmianie jego zawartości i z tego względu jest bardzo ważnym składnikiem stali. Zwiększenie zawartości węgla powoduje, jak już poprzednio wspomniano, zmianę struktury stali. Jeżeli stal zawiera mniej niż 0,8% C, to jej struktura składa się ferrytu i perlitu. Struktura stali zawierającej 0,8% C składa się tylko z perlitu, natomiast w stali o zawartości powyżej 0,8% C oprócz perlitu występuje również cementyt wtórny. Zmiana struktury stali spowodowana różną zawartością węgla wiąże się ściśle ze zmianą własności mechanicznych. Na rysunku 7.1 przedstawiono wpływ węgla na własności mechaniczne stali walcowanej na gorąco.
7.1. Wpływ węgla na własności mechaniczne stali Jak widać zwiększenie zawartości węgla zwiększa wytrzymałość na rozciąganie Rm i zmniejsza plastyczność stali. Maksymalną wytrzymałość osiąga stal przy zawartości ok. 0,85% węgla. Przy większej zawartości węgla wytrzymałość zmniejsza się na skutek pojawiania się coraz większej ilości cementu wtórnego, który wydziela się na granicach ziarn. Zwiększenie zawartości węgla, oprócz obniżenia własności plastycznych, pogarsza również własności technologiczne stali węglowej; szczególne znaczenie ma pogorszenie spawalności.
101
JW
7.2.2. Domieszki zwykłe w stali Za domieszki zwykłe stali uważa się mangan, krzem, fosfor, siarkę oraz wodór, azot i tlen, ponieważ te pierwiastki występują zawsze w mniejszej lub większej ilości w przemysłowych gatunkach stali. Zawartość tych pierwiastków w stalach węglowych nie przekracza zwykle następujących granic: Mn do 0,8% (w niektórych gatunkach stali granica ta jest rozszerzona do 1,5%), Si do 0,5%, P do 0,05% (z wyjątkiem stali automatowych), S do 0,05% (z wyjątkiem stali automatowych). Mangan wprowadza się do wszystkich stali w procesie stalowniczym w celu ich odtlenienia, tj. usunięcia szkodliwego tlenku żelazawego lub związania siarki w MnS, przez co zapobiega się powstaniu FeS powodującemu powstanie kruchości stali na gorąco. W ilościach (1,0 ÷ 1,5)% Mn rozpuszczając się zarówno w ferrycie, jak i w cementycie umacnia roztworowo stal, zmniejsza wielkość ziarna ferrytu w wyrobach walcowanych na gorąco oraz zwiększa hartowność. Ponieważ jednak wszystkie stale węglowe mają zazwyczaj mniej więcej taką samą zawartość manganu, to jego wpływ na własności różnych gatunków tych stali jest jednakowy. Krzem w ilościach do 0,5% jest dodawany do stali podczas jej wytapiania w celu odtlenienia. W ilościach (0,5 ÷ 1,0)% jest dodawany w celu umocnienia ferrytu. W większych ilościach (0,5 ÷ 4,5)% powoduje zwiększenie oporu elektrycznego oraz zmniejszenie stratności stali magnetycznie miękkich. Zwiększa również żaroodporność stali. Krzem stabilizuje bardzo mocno ferryt, dlatego stale zawierające więcej niż 3% Si zachowują strukturę ferrytyczną od temperatury otoczenia do temperatury solidusu.Wpływ krzemu, który rozpuszcza się w ferrycie, jest podobny do wpływu manganu. Fosfor dostaje się do stali z rud żelaza, które zawierają różne jego ilości. Podczas wytapiania stali fosfor zostaje z niej usunięty w mniejszym lub większym stopniu, zależnie od rodzaju procesu stalowniczego. Fosfor rozpuszczony w ferrycie (graniczna rozpuszczalność w temperaturze pokojowej wynosi ok. 1,2%) zmniejsza bardzo znacznie jego plastyczność i podwyższa temperaturę, w której stal staje się krucha, wywołując tzw. kruchość na zimno. Ten wpływ fosforu jest bardzo wyraźny wówczas, gdy jego zawartość w stali jest większa niż 0,1%. Jednak w stalach przeznaczonych na odpowiedzialne wyroby zawartość nawet 0,05% P jest niebezpieczna i należy jej unikać, ponieważ w czasie krystalizacji stali zachodzi silna segregacja fosforu, wskutek czego w pewnych miejscach zawartość fosforu będzie dość znaczna i będzie powodować kruchość. W zależności od przeznaczenia stali ustala się ostrzejsze wymagania dotyczące zawartości fosforu (np. max 0,025%). Należy zaznaczyć, że w niektórych wyjątkowych przypadkach zawartość fosforu w stali może być pożyteczna. Na przykład w stalach automatowych dodatek ok. 0,1% P polepsza skrawalność, zaś do ok. 0,35% - zwiększa odporność na ścieranie. Przy jednoczesnej zawartości miedzi fosfor zwiększa odporność stali na korozję atmosferyczną. Siarka podobnie jak fosfor dostaje się do stali z rud żelaza, a ponadto z gazów piecowych, tzn. z produktów spalania paliwa zawierających dwutlenek siarki (SO2). Siarkę można w znacznej mierze usunąć ze stali, jeżeli stosuje się podczas wytapiana zasadowy proces martenowski lub zasadowy proces elektryczny. W stalach wysokojakościowych zawartość siarki ogranicza się zazwyczaj do 0,02 ÷ 0,03%. W stali zwykłej jakości dopuszcza się większą zawartość siarki (do 0,05%). Siarka nie rozpuszcza się w żelazie, lecz tworzy siarczek żelazawy FeS, który jest składnikiem eutektyki Fe + FeS o temperaturze topnienia 985°C. Występowanie w stalach tej łatwo topliwej i kruchej eutektyki, rozmieszczonej przeważnie a granicach ziarn, powoduje kruchość stali nagrzanych do temperatury 800°C i powyżej. Zjawisko to nosi nazwę kruchości na gorąco. Wskutek tej wady stal zawierająca większy procent siarki nie nadaje się do przeróbki plastycznej na gorąco. W stali pojawiają się naderwania i pęknięcia, m.in. dlatego, że podczas
102 JW nagrzewania poczynając od temperatury 985°C, zachodzi nadtapianie otoczek z siarczku żelazawego wokół ziarn. Z tego powodu należy uważać siarkę za szkodliwą domieszkę stali. Dodatek manganu do stali zmniejsza szkodliwe działanie siarki, gdyż wówczas w ciekłej stali następuje reakcja, w wyniku której tworzy się siarczek manganawy MnS. Siarczek ten topi się w 1620°C, a więc w temperaturze o wiele wyższej niż temperatura przeróbki plastycznej na gorąco (800 ÷ 1200°C). Siarczki w temperaturze przeróbki plastycznej na gorąco są plastyczne i ulegają odkształceniu, tworząc wydłużone wtrącenia. Pogarszają one wytrzymałość na zmęczenie i obciążenia dynamiczne stali. Siarka pogarsza również spawalność stali. Natomiast siarka, podobnie jak fosfor, polepsza skrawalność stali i w ilości 0,15-0,30% jest wprowadzana celowo do stali automatowych. Wodór, azot i tlen występują w stali w niedużych ilościach, a ich zawartość zależy w dużym stopniu od sposobu wytapiania. W stali będącej w stanie stałym, gazy mogą występować w kilku postaciach: w stanie wolnym, skupiając się w różnych nieciągłościach wewnątrz metalu najczęściej tworząc tzw. pęcherze); mogą być rozpuszczone w żelazie; mogą tworzyć związki (azotki, tlenki) występujące w stali jako tzw. wtrącenia niemetaliczne. Wpływ wodoru na własności stali jest zdecydowanie ujemny. Rozpuszcza się on stosunkowo łatwo w żelazie i to w całym zakresie temperatury, szczególnie zaś przy przejściu fazy α w γ oraz w stanie ciekłym. Zmniejsza on w znacznym stopniu własności plastyczne i technologiczne stali oraz powoduje występowanie wielu wad materiałowych, jak np. tzw. płatków śnieżnych (tj. wewnętrznych pęknięć o jasnej powierzchni), odwęglania, skłonności do tworzenia pęcherzy przy trawieniu itp. Azot powoduje zwiększenie wytrzymałości i zmniejszenie plastyczności stali, co objawiać się może jako tzw. kruchość na niebiesko. Niekorzystne działanie azotu przejawia się także zwiększeniem skłonności stali do starzenia, powodowanym wydzielaniem się azotków z przesyconego roztworu. Zjawisko to jest szczególnie niekorzystne w stalach w stanie zgniecionym, gdyż wówczas występuje już w temperaturze otoczenia. W niektórych stalach stopowych azot jest stosowany jako korzystny dodatek stopowy stabilizujący austenit, zastępując drogi nikiel. Tlen występuje w stali głównie w postaci związanej, najczęściej tlenków FeO, SiO2, Al2O3 i in. Tlen powoduje pogorszenie prawie wszystkich własności mechanicznych i dlatego dąży się przez odpowiednie prowadzenie procesu metalurgicznego do obniżenia jego zawartości w stali. Odtlenianie stali przeprowadza się za pomocą stopów krzemu, manganu i aluminium. Sposób odtleniania wywiera także duży wpływ na wielkość ziarna stali węglowej. Stale odtleniane żelazomanganem wykazują skłonności do intensywnego rozrostu ziarn przy nagrzaniu już nieco powyżej temperatury Ac3. W przeciwieństwie do tego stale odtlenione aluminium, a także żelazokrzemem wykazują wyraźny wzrost ziarn dopiero w temperaturze 150-200°C powyżej Ac3, co praktycznie wystarczy, aby przeciwdziałać zjawisku przegrzania stali. Bardzo skutecznym sposobem zmniejszania ilości wodoru, azotu i tlenu oraz wtrąceń niemetalicznych w stali jest wytapianie lub odlewanie jej w próżni. Można w ten sposób otrzymać stal o lepszych własnościach dzięki większej czystości i prawie zupełnemu brakowi rozpuszczonych w metalu gazów. 7.2.3. Stale niestopowe (węglowe) podstawowe konstrukcyjne ogólnego zastosowania Stale niestopowe podstawowe konstrukcyjne są stosowane zazwyczaj w stanie surowym lub rzadziej w stanie normalizowanym. Według PN-88/H-84020 rozróżnia się 6 podstawowych gatunków stali w tej grupie. w zależności od składu chemicznego i wymaganych własności mechanicznych. Znak gatunku stali składa się z liter St oraz liczby porządkowej 0, 3, 4, 5, 6 lub 7.
103 JW Gatunki stali przeznaczone na konstrukcje spawane o liczbie porządkowej 0, 3 i 4 oznacza się dodatkowo literą S (np. St0S, St3S, St4S) oraz w przypadku określonej zawartości miedzi (z wyjątkiem St0S) dodatkowo literami Cu (np. St3SCu. St4SCu). Gatunki o liczbie porządkowej 3 i 4 o podwyższonych wymaganiach jakościowych (o obniżonej zawartości C oraz P i S) oznacza się dodatkowo literą V lub W (np. St3V, St4W). Znak gatunku stali St5, St6 i St7 w przypadku określonej dodatkowo zawartości węgla, manganu i krzemu uzupełnia się na początku literą M (np. MSt5). Gatunki stali o liczbie porządkowej 3 i 4 z literą S lub V mogą być dodatkowe oznaczane literą X w przypadku stali nieuspokojonej (np. St3SX, St3VX, St3SCuXC lub literą Y w przypadku stali półuspokojonej (np. StSCuY, St4SY, St4W). Skład chemiczny i własności mechaniczne tych stali podane są w tabl. 7.2. Tablica 7.2
Skład chemiczny i własności mechaniczne stali węglowych konstrukcyjnych ogólnego zastosowania (PN-88/H-84020) Znak stali StOS St3S St3W St4S St4W MSt5 MSt6 MSt7 Skład chemiczny, % C 0,23 max 0,22 max 0,17 max 0,24 max 0,20 max Mn Si P max S max 0,065 0,050 0,040 0,050 0,040 0,050 0,050 0,050 1,30 0,40 max 0,070 1,10 1,30 1,10 1,30 0,10 0,35 0,10 0,35 0,10 0,35 0,100,35 0,35 max 0,050 0,040 0,050 0,040 0,050 Re* i MPa 185 225 225 265 265 285 325 355 Rm** MPa 300-540 360-490 360-490 420-550 420-550 470-640 570-740 670-840 A5*** % W 20 P 18 W 26 P 24 W 26 P 24 W 22 P 20 W 22 P 20 W 20 P 18 W 15 P 13 W11 P9
0,26+0,37 0,80
0,38+0,49 0,80 0,35 max 0,050 0,50-0,62 0,80 0,35 max 0,050
* Dla wyrobów o grubości lub średnicy powyżej 16 ÷ 40 mm. ** Dla wyrobów o grubości lub średnicy powyżej 3 ÷ 100 mm. *** Dla wyrobów o grubości lub średnicy powyżej 3 ÷ 40 mm. Kierunek osi próbki: W - wzdłużny, P - poprzeczny (w stosunku do kierunku walcowania).
Gatunki stali o liczbie porządkowej 3 i 4 mogą mieć dodatkowo określoną wymaganą udarność w temperaturze +20°C, 0°C i -20°C. Szczegółowe wymagania odnośnie do tych odmian stali i ich oznaczenia podane są w PN-88/H-84020. Znaki gatunków tych stali uzupełnia się na końcu znakiem odmiany plastyczności B, C, D lub U, M, J (np. St3SYU, St4WD). 7.2.4. Stale niestopowe specjalne do ulepszania cieplnego i utwardzania powierzchniowego Stale te należą do grupy stali o wyższych wymaganiach w porównaniu do stali jakościowych i charakteryzują się wyższym stopniem czystości. Zawartość fosforu i siarki nie może w nich przekraczać po 0,040%. Są przeznaczone do wyrobu maszyn i urządzeń i stosuje się je w stanie ulepszonym cieplnie, normalizowanym, hartowanym powierzchniowo lub po nawęglaniu. Dzięki dokładnemu doborowi składu chemicznego oraz przez zastosowanie specjalnych warunków wytwarzania uzyskuje się wymagane właściwości technologiczne i użytkowe często w kombinacji z wysoką lub wąsko ograniczoną wytrzymałością lub hartownością. Znak tych stali wg PN-93/H-84019 składa się z liczb dwucyfrowych, które mogą być uzupełnione literami. Liczby te określają przybliżone średnie zawartości węgla w setnych częściach procentu (np. 10, 15, 20, 25, 30 itd). Litery po liczbach oznaczają:
104 JW G - stal o podwyższonej zawartości manganu, A - stal o podwyższonej czystości w zakresie fosforu i siarki, AA - stal o zaostrzonych wymaganiach w zakresie składu chemicznego (np. dotyczących zawartości węgla, obniżonej zawartości fosforu i siarki ograniczonej sumie zawartości Cr+Mo+Ni, itp.), rs - stal o regulowanej zawartości siarki, h - stal o wymaganej hartowności, H - stal o podwyższonej dolnej granicy twardości w stosunku do wymaganego pasma hartowności, L - stal o obniżonej granicy twardości w stosunku do wymaganego pasma hartowności, przy czym cyfry (np. 4, 5, 15) po literach hH i hL oznaczają odległości od czoła próbki w milimetrach (4 mm, 5 mm, 15 mm). Skład chemiczny niektórych stali niestopowych do nawęglania oraz normalizowania, ulepszania cieplnego i hartowania powierzchniowego podano w tabl. 7.3 Tablica 7.3.
Skład chemiczny niektórych gatunków stali niestopowej specjalnej do nawęglania oraz normalizowania, ulepszania cieplnego i hartowania powierzchniowego (wg PN-93/H-840191 Znak gatunku stali 10 15 14A 20 20G 25 26A 30 35 40 45 46A 46rs 45G 50 55 60 65 0,07-0,14 0,12-0,19 0,12-0,18 0,17-0,24 0,17+0,24 0,22-0,29 0,22+0,29 0,27-0,34 0,32-0,39 0,37+0,44 0,42-0,50 0,42+0,50 0,42-0,50 0,42+0,50 0,47+0,55 0,52+0,60 0,57-0,65 0,62+0,70 C Skład chemiczny, % wag. Mn 0,35+0,65 0,35-0,65 0,30+0,60 0,35+0,65 0,70+1,00 0,40+0,70 0,40+0,70 0,50+0,80 0,50+0,80 0,50+0,80 0,50+0,80 0,50+0,80 0,50+0,80 0,70+1,00 0,60+0,90 0,60+0,90 0,60+0,90 0,50+0,80 Si Stale do nawęglania 0,15-0,40 0,15-0,40 0,15+0,40 0,15+0,40 0,15+0,40 0,10+0,40 0,10+0,40 0,10+0,40 0,10+0,40 0,10+0,40 0,10-0,40 0,10-0,40 0,10+0,40 0,10+0,40 0,10+0,40 0,10+0,40 0,10+0,40 0,10+0,40 0,040 0,040 0,035 0,040 0,040 0,040 0,035 0,040 0,040 0,040 0,040 0,035 0,035 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 max 0,040 max 0,040 max 0,035 max 0,040 max 0,040 max 0,040 max 0,035 max 0,040 max 0,040 max 0,040 max 0,040 max 0,035 0,020+0,040 max 0,040 max 0,040 max 0,040 max 0,040 max 0,040 P max S
Stale do normalizowania, ulepszania cieplnego i hartowania powierzchniowego
Własności mechaniczne w stanie normalizowanym i dla porównania w stanie ulepszonym cieplnie (po hartowaniu i odpuszczaniu w temperaturze 550 ÷ 660°C) niektórych stali podano w tabl. 7.4. Należy zwrócić uwagę, że wytrzymałość na rozciąganie Rm granica plastyczności Re i udarność KCU2 są znacznie wyższe w stanie ulepszonym cieplnie, w porównaniu ze stanem normalizowanym, a dla stali o większej zawartości węgla (gatunku 55, 60) większe jest również wydłużenie. 7.2.5 Stale niestopowe jakościowe i specjalne o określonym zastosowaniu W przemyśle, oprócz omówionych wyżej stali węglowych konstrukcyjnych ogólnego zastosowania, stosuje się również wiele gatunków stali węglowych o określonym z góry zastosowaniu. Stale te z uwagi na konieczność zapewnienia szczególnych własności użytkowych lub technologicznych mają skład chemiczny różniący się od składu stali węglowych ogólnego zastosowania i to zarówno w odniesieniu do składników zasadniczych, jak i przypadkowych lub zanieczyszczeń. Poza tym w niektórych przypadkach stale te wykazują wyższe lub niższe
105 JW własności mechaniczne, w porównaniu do odpowiednich stali ogólnego zastosowania o zbliżonym składzie chemicznym, jednakże zapewniają żądane własności technologiczne i użytkowe. Tablica 7.4
Własności mechaniczne niektórych gatunków stali niestopowej specjalnej w stanie normalizowanym oraz ulepszanym cieplnie wg PN-93/H-84019 (dla wyrobów o średnicy lub grubości do 16 mm*)
Znak gatunku stali 25 30 35 40 45 55 60 Stan obróbki cieplnej N**) T***) N T N T N T N T N T N T Rm MPa min 470 550 ÷ 700 min 510 600 ÷ 750 min 550 630 ÷ 780 min 580 650 ÷ 800 min 620 700 ÷ 850 min 680 800 ÷ 950 min 710 850 ÷ 1000 Re (ReH,R0,2) MPa, min 275 370 295 400 315 430 335 460 355 490 380 550 400 580 A5, % min 22 19 20 18 18 17 16 16 14 14 11 12 10 11 KCU 2, J/cm2 min 60 90 60 80 50 70 50 60 40 50 -
* Dla większych wartości grubości wyrobów własności wytrzymałościowe są odpowiednio niższe. ** N - normalizowanie. *** T - ulepszanie cieplne (hartowanie i odpuszczanie wysokie).
Wśród stali węglowych konstrukcyjnych o określonym zastosowaniu można wyodrębnić następujące ważniejsze grupy gatunków: stale do wyrobu drutu do patentowania, na liny, na sprężyny, do konstrukcji sprężanych, drutu ogólnego przeznaczenia i dla przemysłu włókienniczego (PN 91/H-84028); stale, dla kolejnictwa (PN-84/H-84027, PN-91/H-84027/03, PN-88/H-84027/04-05); stale do wyrobu rur (PN-89/H-84023/07); stale do wyrobu nitów (PN-89/H-84023/04-05); stale na blachy kotłowe (PN-81/H-92123); stale do budowy mostów (PN-89/H-84023/04); stale na blachy grube i uniwersalne do budowy statków (PN-85/H-92147); stale na blachy karoseryjne (PN-89/H-84023/03); stale do wyrobu ogniw łańcuchów technicznych i okrętowych (PN-89/H-84023/08); stale automatowe (łatwo obrabialne mechanicznie) (PN-73/H-84026); stale magnetycznie miękkie (PN-89/H-84023/02). Stale niestopowe przeznaczone na walcówkę do produkcji drutu są wysokiej czystości. Zawartość węgla w tych stalach zawiera się w granicach 0,33 ÷ 0,98%. W stalach o najwyższej czystości do wyrobu drutu na liny zawartość fosforu i siarki nie może przekroczyć po 0,020%, ale łącznie zawartość P+S nie może być wyższa niż 0,035%. Stale automatowe (oznaczone wg PN-73/H-84026 znakami A10X, A10XN, A11. A35, A45, A35G2), a także stal do wyrobu nakrętek prasowanych (10P) są stalami o podwyższonej zawartości fosforu i siarki (np. stal automatowa A10 zawiera 0,04 ÷ 0,08% P i 0,24 ÷ 0,34% S, a stal do wyrobu nakrętek 10P - 0,20 ÷ 0,35% P i 0,06% S). Duża zawartość tych pierwiastków zapewnia dobrą skrawalność stali, które dzięki temu nadają się szczególnie dobrze do obróbki
106 JW wiórowej na automatach i szybkobieżnych obrabiarkach do nacinania gwintów, gdyż obecność dużej ilości wtrąceń niemetalicznych (siarczków i fosforków) ułatwia łamanie się wióra podczas skrawania. Skład chemiczny i własności mechaniczne stali automatowych podano w tabl. 7.5. Stale węglowe magnetycznie miękkie są to stale o bardzo małej zawartości węgla (max 0,04%). Stale te odznaczają się małą koercją i dużą przenikalnością magnetyczną. Stosuje się je najczęściej na rdzenie elektromagnesów. Własności magnetyczne materiałów magnetycznie miękkich pogarszają się ze wzrostem ilości zanieczyszczeń, zwłaszcza C, S, P, O i N. Dlatego wymaga się, aby w tych stalach ich ilość była jak najmniejsza. Szczegółowe wymagania, dotyczące wymienionych wyżej grup stali węglowych o określonym przeznaczeniu i o szczególnych własnościach, podają Polskie Normy. Tablica 7.5
Skład chemiczny i własności mechaniczne stali automatowych (wg PN-73/H-84026) Znak Średnia zawartość, % Stan** Rm*** Re***min A5***min stali MPa MPa % C Mn Si P S min min A10X 0,12 1,10 0,05 0,06 0,29 W 380 ÷ 510 — max max C 490 ÷ 740 390 8 A11 0,10 0,70 0,27 0,06 0,20 W 380 ÷ 510 — — max C 490 ÷ 740 390 8 T 440 ÷ 740 260 14 A35 0,35 0,70 0,27 0,06 0,20 W 490 ÷ 660 — max C 540 ÷ 740 310 8 TC 620 ÷ 770 500 12 A45 0,45 0,70 0,27 0,06 0,20 W 590 ÷ 770 max C 640 ÷ 830 370 7 TC 700 ÷ 890 580 10 A35G2 0,35 1,60 0,27 0,035 0,14 WN min 690 410 13 max C — — T 780 ÷ 930 590 12 * Wytwarzany jest również gatunek z azotem A10XN zawierający średnio ok. 0,013% N. **Własności mechaniczne podano dla grubości wyrobów powyżej 16 ÷ 40 mm; dla grubości mniejszej własności wytrzymałościowe są nieco wyższe, a plastyczne nieco niższe, natomiast dla grubości większej własności wytrzymałościowe są nieco niższe, a plastyczne wyższe. ***W - walcowanie na gorąco, WN - walcowanie i normalizowanie, T – ulepszanie cieplne, TC ciągnienie po ulepszaniu cieplnym, C - ciągnienie po walcowaniu.
7.3. Stale niestopowe (węglowe) narzędziowe Stale narzędziowe służą w głównej mierze do wyrobu wszelkiego rodzaju narzędzi w tym skrawających, na odpowiedzialne części przyrządów mierniczych, uchwytów itd. Zasadnicze cechy, których wymaga się od stali narzędziowych, to: twardość po zahartowaniu, odporność na ścieranie i zużycie, ciągliwość, niewrażliwość na przegrzanie, mała odkształcalność przy hartowaniu - przy czym nie zawsze wszystkie cechy są wymagane jednocześnie. Podstawowym wymaganiem stawianym narzędziom skrawającym jest trwałość ostrza, która stępia się i zużywa podczas skrawania. Im bardziej stal jest odporna na zużycie i ścieranie, tym lepiej nadaje się na narzędzia skrawające. Aby stal była odporna na ścieranie, powinna mieć dużą twardość, zazwyczaj powyżej 60 HRC. Największą twardość po hartowaniu uzyskują stale o większej zawartości węgla i z tego względu stale narzędziowe są z reguły stalami wysokowęglowymi. Zawartość węgla w stalach węglowych narzędziowych objętych Polską Normą PN-84/H85020 wynosi 0,5 ÷ 1,24. Stale te w porównaniu ze stalami węglowymi konstrukcyjnymi charakteryzują się większą czystością (mniejszą zawartością fosforu i siarki), mniejszą zawartością manganu oraz drobnoziarnistością. Charakterystyczną zaletą stali narzędziowych węglowych jest mała głębokość hartowania, tzn. że hartuje się tylko warstwa wierzchnia narzędzia, a rdzeń pozostaje bardziej miękki i ciągliwy.
107 JW Daje to możliwość uzyskania narzędzia twardego i odpornego na ścieranie, a jednocześnie mającego dostateczną odporność na uderzenia. Według Polskich Norm PN-84/H-85020 stale węglowe narzędziowe dzielą się na dwie grupy: - stale hartujące się płytko, - stale hartujące się głęboko. W tablicy 7.6. podano skład chemiczny tych stali oraz ich twardość w stanie zmiękczonym i po hartowaniu. Stale hartujące się płytko oznaczone są literą N (oznaczają stal narzędziową), liczbą oznaczającą w przybliżeniu średnią zawartość węgla w dziesiętnych częściach procentu oraz na końcu literą E. Stale hartujące się głęboko są oznaczone analogicznie, ale bez litery E. Tablica 7.6
Skład chemiczny i twardość w stanie zmiękczonym i po hartowaniu stali węglowych narzędziowych (wg PN-84/H-85020) Skład chemiczny, % C Znak stali Twardość w Temp.**) Twardość w hartowania, stanie hartostanie o inne pierwiastki zmiękczony wanym HRC, C min m HB, max
Stale hartujące się płytko Mn 0,15 ÷ 0,30 187 790 ÷ 810 61 Si 0,15 ÷ 0,30 187 780 ÷ 800 62 Pmax 0,025 197 770 ÷ 790 Smax 0,025 197 770 ÷ 790 Crmax 0,15 207 770 ÷ 790 Nimax 0,20 207 760 ÷ 780 63 Cu max 0,20 Stale hartujące się głęboko N5 0,50 ÷ 0,60 Mn 0,40÷0,60* 183 790 ÷ 810 58 N6 0,61 ÷ 0,70 Mn 0,30÷0,50* 183 790 ÷ 810 61 N7 0,65 ÷ 0,74 Mn 0,15 ÷ 0,35 187 790 ÷ 810 61 N8 0,75 ÷ 0,84 Si 0,15 ÷ 0,35 187 790 ÷ 800 62 N9 0,85 ÷ 0,94 Pmax 0,030 197 770 ÷ 790 N10 0,95 ÷ 1,04 S max 0,030 197 770 ÷ 790 N11 1,05 ÷ 1,14 Cr max 0,20 207 770 ÷ 790 207 760 ÷ 780 N12 1,15 ÷ 1,24 Ni max 0,25 Cu 63 max 0,25 * Pozostałe pierwiastki dla stali N5 i N6; Si max 0,15%, P max 0,035%, S max 0,035%, Cr, C, i Ni nie określa się. * Hartowanie w wodzie czystej lub słonej. N7E N8E N9E N10E N11E 0,65 ÷ 0,74 0,75 ÷ 0,84 0,85 ÷ 0,94 0,95 ÷ 1,04 1,05 ÷ 1,14 1,15 ÷ 1,24
Stale płytko i głęboko się hartujące, które mają taką samą zawartość węgla, różnią się tylko zawartością domieszek pochodzących z wytopu, które jednak wpływają na ich hartowność. Stale hartujące się płytko są stalami o małej hartowności (głębokość zahartowania wynosi 2 ÷ 5 mm w zależności od temperatury hartowania), wykazują małą wrażliwość na przegrzanie i ze względu na małą zawartość zanieczyszczeń należą do stali najwyższej jakości. Stale hartujące się głęboko są bardziej wrażliwe na przegrzanie, tzn. że hartowane z wyższej temperatury wykazują większą gruboziarnistość i większą skłonność do rys i pęknięć. Stale te odznaczają się nieco większą hartownością (głębokość zahartowania wynosi 5 ÷12 mm, w zależności od temperatury hartowania) i mają nieco większą dopuszczalną zawartość zanieczyszczeń (fosforu i siarki) i innych domieszek, co powoduje, że są stalami niższej klasy niż stale hartujące się płytko. Stale hartujące się płytko są stosowane w zasadzie do wyrobu narzędzi, których grubość nie przekracza 20 mm, natomiast stale głęboko hartujące się - do wyrobu narzędzi, których grubość lub średnica jest większa niż 20 mm.
108 JW Obróbka cieplna stali narzędziowych węglowych polega na hartowaniu i niskim opuszczaniu (ok. 180°C). Typowa struktura wysokowęglowej stali narzędziowej przedstawiona jest na rys. 7.2. Nagrzewanie zahartowanych stali węglowych powyżej temperatury 180°C zaczyna powodować odpuszczanie martenzytu i obniżanie twardości. Wrażliwość na podwyższoną temperaturę jest główną wadą stali węglowych narzędziowych, które z tego powodu są zakwalifikowane jako stale do pracy na zimno i do obróbki materiałów przy niewielkiej szybkości skrawania.
Rys. 7..2. Mikrostruktura stali węglowej narzędziowej N11E po hartowaniu i niskim odpuszczaniu (180°C). Widoczne jasne wydzielenia cementytu na tle drobnoiglastego martenzytu. Traw. 2% nitalem. Powiększ. 630x
Rys.7.3. Stal narzędziowa węglowa w stanie zmiękczonym. Widoczny cementyt kulkowy (sferiodyt) na tle osnowy ferrytycznej. Traw. 5% nitalem. Powiększ. 500x Stal narzędziowa jest dostarczana z huty w stanie zmiękczonym i aby ułatwić dalszą jej przeróbkę lub obróbkę skrawaniem, wyżarzana w celu uzyskania struktury cementytu kulkowego (rys. 7.3), gdyż stal mająca strukturę perlitu płytkowego trudniej poddaje się obróbce. Strukturę taką otrzymuje się najprościej przez wyżarzanie sferoidyzujące w temperaturze nieco wyższej od Ac1
7.4. Stale stopowe
Stalą stopową nazywa się stal, do której celowo wprowadzono pierwiastki stopowe, aby nadać jej wymagane własności. Według Polskich Norm do stali stopowych zalicza się gatunki stali, w których najmniejsza wymagana zawartość chociażby jednego z pierwiastków jest równa lub większa niż podano w tabl. 7.1. Wprowadzenie do stali dodatków stopowych może mieć na celu: • uzyskanie określonych własności wytrzymałościowych, • wywołanie pożądanych zmian strukturalnych, • uzyskanie specjalnych własności chemicznych lub fizycznych, • podwyższenie hartowności, • ułatwienie technologii i polepszenie efektów obróbki cieplnej.
109 JW Najczęściej stosowanymi dodatkami stopowymi są: mangan, krzem, chrom, nikiel, molibden, wanad, wolfram. Nieco rzadziej stosuje się aluminium, kobalt, tytan i niob. Ponadto coraz częściej jako celowe dodatki stopowe zyskują na znaczeniu bor i azot. 7.4.1. Wpływ pierwiastków stopowych na strukturę i własności stali Pierwiastki stopowe dodawane do stali w procesie metalurgicznym w przeważającej ilości przechodzą do roztworu ciekłego. Po skrzepnięciu stali pierwiastki stopowe mogą wystąpić w następujących fazach: • w roztworach stałych: ferrycie i austenicie; • w związkach z węglem i azotem: węglikach, azotkach i węgliko-azotkach; • w związkach międzymetalicznych; • w postaci wolnej (czystego pierwiastka). Ze względu na różnice potencjału chemicznego pierwiastków w poszczególnych fazach, składniki stopowe nie są równomiernie rozłożone we wszystkich składnikach strukturalnych stopu, ale wykazują tendencję do skupiania się w poszczególnych fazach. Węgliki są w stalach tworzone przez metale położone w układzie okresowym na lewo od żelaza (Mn, Cr, V, Ti, Mo, Nb, Zr, W, Ta, Hf). Pierwiastki te należą podobnie jak żelazo, do metali przejściowych. Im dalej na lewo od żelaza znajduje się w układzie okresowym pierwiastek węglikotwórczy, tym aktywniej łączy się z węglem i trwałość utworzonych węglików jest większa. Według wzrastającej skłonności do tworzenia w stali węglików, pierwiastki węglikotwórcze można uszeregować w następującej kolejności: Fe, Mn, Cr, W, Mo, V, Ti, Zr, Nb. W stalach powstają najczęściej następujące węgliki: węgliki grupy I - Fe3C, Mn3C, Cr23C6, Cr7C3, Fe3Mo3C, Fe3W3C; węgliki grupy II - VC, TiC, NbC, ZrC, WC, W2C, Mo2C, TaC, Ta2C. Węgliki grupy I mają złożoną sieć krystaliczną i charakteryzują się tym, że łatwo się rozpuszczają w austenicie podczas nagrzewania. Węgliki grupy II mają prostą sieć krystaliczną (regularną lub heksagonalną) znacznie trudniej rozpuszczają się w austenicie, tak że przy nagrzewaniu nawet do wysokich temperatur mogą nie przejść do roztworu stałego. W stalach jednak węgliki z reguły nie występują w postaci czystej. Zawierają zwykle rozpuszczone żelazo, a gdy w skład stali stopowej wchodzi kilka pierwiastków, to węgliki zawierają również te pierwiastki w roztworze. Na przykład w stali chromowo-manganowej tworzy się nie czysty węglik chromu Cr23C6, lecz węglik (Cr, Mn, Fe)23C6, zawierający w roztworze żelazo i mangan. Dodatki stopowe rozpuszczające się w żelazie wpływają silnie na zmianę temperatury przemian alotropowych A3 i A4. Niektóre z pierwiastków w pewnym zakresie stężeń albo podwyższają temperaturę A3 i obniżają temperaturę A4, wskutek czego ulega rozszerzeniu obszar istnienia odmiany alotropowej γ np. (Ni, Mn), albo obniżają temperaturę A4 a podwyższają temperaturę A3, zwężając obszar istnienia odmiany γ (np. Cr, Si, W, Mo, V, Ti), względnie mogą podwyższać (Co) lub obniżać obie te temperatury jednocześnie (Cr). W wyniku oddziaływania pierwiastków stopowych na temperatury przemian alotropowych żelaza oraz punkty krytyczne układu Fe-Fe3C, struktura stali stopowych może różnić się zasadniczo od występującej w stalach węglowych przy tych równoważnych zawartościach węgla. Duże znaczenie ma również wpływ pierwiastków stopowych na przemiany austenitu przechłodzonego, w szczególności na krytyczną szybkość chłodzenia oraz temperaturę przemiany martenzytycznej Ms. Pierwiastki, które rozpuszczają się jedynie w ferrycie lub cementycie, jak np. Mn, Ni, Si, Al, Cu, wpływają na przemianę austenitu tylko ilościowo, opóźniając ją i przesuwając krzywą początku rozkładu austenitu (na wykresie CTP) w kierunku większych wartości czasu (rys. 7.4) w stosunku do stali węglowej (wyjątkiem jest jedynie Co, który przyspiesza przemianę).
110 JW Natomiast pierwiastki węglikotwórcze wywołują w kinetyce przemiany izotermicznej austenitu zmiany nie tylko ilościowe, ale i jakościowe. Krzywe początku przemiany ulegają nie tylko przesunięciu, lecz również zmienia się ich kształt (rys. 7.4d). Obszary przemian perlitycznej oraz bainitycznej zostają w tych stalach przedzielone zakresem o zwiększonej trwałości przechłodzonego austenitu
Rys.7. 4. Schemat krzywych izotermicznych przemian austenitu przechłodzonego dla stali stopowych: a) stal węglowa (0,45% C), b) stal manganowa (0,45% C, 0,2% Mn), c) stal chromowo-wanadowa (0,5%C, 1,0% Cr, 0,1% V), d) stal chromowo-niklowo-molibdenowa (0,30% C, 1,5% Cr, 2,0% Ni, 0,35 Mo) Najważniejszy dla praktyki wpływ pierwiastków stopowych polega na zmniejszeniu szybkości rozkładu austenitu w zakresie jego przemiany w struktury perlityczne. Zapewnia to większą hartowność stali, a przechłodzenie austenitu do zakresu przemiany martenzytycznej można osiągnąć stosując powolniejsze chłodzenie, np. podczas chłodzenia w oleju lub w powietrzu. Zwiększenie hartowności jest szczególnie duże, gdy stal zawiera jednocześnie kilka pierwiastków stopowych, np. nikiel, chrom i molibden itp. Stwierdzono również, że bardzo małe dodatki niektórych pierwiastków zwiększają bardzo wyraźnie hartowność stali, natomiast większa ich zawartość nie wywołuje tak skutecznego działania. Do takich pierwiastków należy przede wszystkim bor (B). Optymalna zawartość boru w stali, zapewniająca największą hartowność wynosi zaledwie 0,001 ÷0,003%. W razie większej ilości boru jego stężenie na granicach ziarn austenitu przekracza maksymalną rozpuszczalność, wskutek czego powstają odrębne fazy zawierające bor (borki), które jako ośrodki krystalizacji ułatwiają wykrystalizowanie struktur perlitycznych i hartowność zmniejsza się. Wpływ pierwiastków stopowych na wykresy CTP stali zaznacza się nie tylko zmianą położenia i kształtu krzywych przemian, lecz również przesunięciem punktu przemiany martenzytycznej Ms. Większość pierwiastków obniża punkt Ms, zwiększając tym samym zawartość austenitu szczątkowego po zahartowaniu. Odwrotne działanie wywierają jedynie Al i Co. 7.4.2. Klasyfikacja stali wg struktury po wyżarzaniu i po chłodzeniu na powietrzu Przyjmując zasadę podziału wg struktury w stanie wyżarzonym, można wyróżnić następujące grupy stali stopowych: • podeutektoidalne, w których strukturze obok perlitu występuje wolny ferryt; • eutektoidalne, o strukturze perlitycznej; • nadeutektoidalne, zawierające w strukturze wydzielone z austenitu węgliki wtórne • ledeburytyczne, w których strukturze występuje eutektyka - ledeburyt, zawierająca węgliki pierwotne wydzielone z ciekłej stali; • ferrytyczne, ewentualnie z wydzieleniami węglików; • austenityczne, mogące również zawierać wydzielone węgliki.
111 JW Zgodnie z wykresem Fe-Fe3C stale węglowe podeutektoidalne zawierają mnie niż 0,8% C, eutektoidalne ok. 0,8% C, nadeutektoidalne 0,8 ÷2,0% C, ledeburytyt natomiast pojawia się powyżej ok. 2% C. Ponieważ jednak większość pierwiastków stopowych przesuwa punkty S i E wykresu Fe-Fe3C w lewo, tj. w kierunku mniejszych zawartości węgla, więc granica między stalami podeutektoidalnymi i nadeutektoidalnymi oraz nadeutektoidalnymi i ledeburytycznymi odpowiada w stalach stopowych mniejszym zawartościom węgla niż w stalach węglowych. Stale ferrytyczna i austenityczna są to najczęściej stale o dużej zawartości dodatków stopowych i niskiej zawartości węgla. Podział stali stopowych ze względu na strukturę przeprowadza się również w zależności od tego, jaką strukturę otrzymuje się po ochłodzeniu w spokojnym powietrzu próbek o niedużym przekroju. Struktura ta może się zasadniczo różnić od struktury uzyskanej po wyżarzaniu. W tym przypadku można rozróżnić trzy podstawowe klasy stali: • perlityczną, • martenzytyczną, • austenityczną (mogą także występować klasy pośrednie). Klasę perlityczną cechuje dość mała zawartość pierwiastków stopowych, stale klasy martenzytycznej zawierają więcej, a klasy austenitycznej - najwięcej tych pierwiastków. Wytworzenie się jednej z tych trzech struktur stali następuje wskutek tego, że w miarę zwiększania się zawartości pierwiastków stopowych wzrasta trwałość przechłodzonego austenitu (krzywe C na wykresie CTP przesuwają się w prawo), zaś początek przemiany martenzytycznej obniża się w kierunku niższych temperatur. Należy podkreślić, że podana klasyfikacja jest umowna i ma znaczenie w przypadku chłodzenia w powietrzu próbek o dość małych wymiarach. Zmieniając warunki chłodzenia, można oczywiście otrzymać w tej samej stali różne struktury. 7.4.3. Oznaczanie stali stopowych konstrukcyjnych i maszynowych Sposób oznaczania różnych gatunków stali stopowych konstrukcyjnych został opracowany i ujęty przez Polską Normę PN-89/H-84030/01. Stale stopowe konstrukcyjne oznaczane są za pomocą znaku składającego się z: cyfr i liter. Pierwsze dwie cyfry określają średnią zawartość węgla w setnych procenta. Litery oznaczają pierwiastki stopowe: G — mangan, S — krzem, H — chrom, N — nikiel, M — molibden, T - tytan, F - wanad (także V), J — aluminium. Liczby występujące za literami oznaczają zaokrąglone do liczby całkowitej średnie zawartości składnika w stali w przypadku, gdy jego średnia zawartość przekracza 1,5% (w przypadku stali niskostopowych, gdy średnia zawartość składnika przekracza 1%). Stale o wyższych wymaganiach co do składu chemicznego (np. co do zawartości fosforu i siarki) oznacza się na końcu znaku literą A. Stale przetapiane elektrożużlowo oznacza się przez dodanie na końcu znaku stali Ż. Stale modyfikowane związkami chemicznymi litu, sodu lub wapnia i innymi oznacza się literą D. Według takich samych zasad, jak stale stopowe konstrukcyjne, oznacza się stale odporne na korozję i stale żaroodporne. Natomiast stale stopowe narzędziowe oznacza się w odrębny sposób wg dawnych cech hutniczych (patrz rozdz. 7.5).
112 7.4.4. Stale niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości
JW
W wyniku dążenia do obniżania ciężaru konstrukcji, zwłaszcza budowlanych. i poprawy wskaźników użytkowych opracowanych zostało szereg gatunków stali niskostopowych, które bez dodatkowej obróbki cieplnej odznaczają się lepszymi własnościami mechanicznymi niż stale węglowe. Są to stale zawierające niewielkie dodatki składników stopowych i wykazujące w stanie dostawy podwyższone własności wytrzymałościowe i strukturę ferrytyczno-perlityczną. Stale te są stosowane głównie na konstrukcje budowlane, mosty, siatki i pręty do zbrojenia betonu, na zbiorniki i rury ciśnieniowe. Od materiałów tych, oprócz odpowiednio dużych wartości Re i Rm, wymaga się odpowiedniej plastyczności, niskiej wartości temperatury progu kruchości, dobrej spawalności oraz niskiej ceny. Duże znaczenie przy opracowywaniu nowych gatunków stali o podwyższone wytrzymałości miały osiągnięcia w zakresie fizyki metali, a w szczególności poznanie mechanizmów umocnienia metali i stopów. Stwierdzono, że obok utwardzenia roztworu stałego i udziału perlitu w strukturze, często znacznie większy wpływ na podwyższenie wytrzymałości stali wywierają inne czynniki, w tym głównie wielkość ziarna i obecność w strukturze dyspersyjnych wydzieleń węglików i azotków lub innych faz. Szczególne znaczenie w produkcji stali o podwyższonej wytrzymałości ma tzw. regulowane walcowanie, polegające na obniżeniu temperatury nagrzewania wsadu, na niewielkich, lecz licznych zgniotach, a przede wszystkim na obniżeniu temperatury końca walcowania i przyspieszeniu chłodzenia wyrobów po walcowaniu. W efekcie ulega zahamowaniu rekrystalizacja zgniecionego austenitu, a uzyskane w wyniku jego przemiany drobne ziarno ferrytu zapewnia odpowiednio wysokie własności wytrzymałościowe i plastyczne. Zasadnicze znaczenie ma również obecność w stali mikrododatków Al, V, Ti, Nb i Zr, tworzących trudno rozpuszczalne dyspersyjne wydzielenia, które wpływają na opóźnienie rekrystalizacji i rozrostu ziarn austenitu, oddziałując tym samym na wzrost umocnienia i obniżenie progu kruchości. Jedną z grup stali spawalnych o podwyższonej wytrzymałości stanowią stale niskostopowe o strukturze ferrytyczno-perlitycznej zawierające maksymalnie 0,20% C dodatek manganu max do ok. 1,8% oraz mikrododatki Al, V, Ti, Nb i N, tworzące dyspersyjne wydzielenia węglików i azotków. Zawartości tych pierwiastków na ogół nie przekraczają 0,02% Al, 0,15% V, 0,05% Nb oraz do ok. 0,025% N. Stale te stosowane po regulowanym walcowaniu lub normalizowaniu zapewniają uzyskanie granicy plastyczności Re 305 ÷ 460 MPa (dla wyrobów o grubości 3 ÷ 16 mm). Polska Norma PN-86/H-84018 obejmuje 11 gatunków stali niskostopowych podwyższonej wytrzymałości oznaczonych znakami: 09G2 18G2A 09G2Cu 18G2ACu 15GA 18G2ANb 15G2ANb 18G2AV 15G2ANNb 18G2AVCu 18G2 Stale te, w zależności od wymaganych własności wytrzymałościowych na rozciągnie i technologicznych na zginanie, dzielą się na 7 kategorii oznaczonych symbolami E305, E325, E355, E390, E420, E440, E460. Trzycyfrowa liczba po literze E oznacza w przybliżeniu granicę plastyczności Re w MPa. Granica ta wykazuje pewne niewielkie różnice w zależności od grubości wyrobu (3 ÷ 70 mm). Należy określić, że stale te mają znacznie wyższą (o 50 ÷ 80%) granicę plastyczności porównaniu ze stalami węglowymi zwykłej jakości przeznaczonymi do spawania, co stwarza możliwość uzyskania znacznych oszczędności materiałowych. W zależności od wymaganej udarności w temperaturze od +20 do -60°C stale te dzielą się na odmiany. Jak wspomniano już na wstępie, omawiana grupa stali musi charakteryzować się dobrą spawalnością. Muszą to być zatem stale o ograniczonej hartowności, tj. możliwie niskim ekwiwalencie węgla CE, który można wyliczyć z zależności;
113
JW
CE = C +
Mn Cr + Mo + V Ni + Cu + + 6 5 15
Stale niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości ujęte w PN-86/H-84018 mają ekwiwalent węgla CE nie przekraczający 0,44 ÷ 0,52. 7.4.5. Stale stopowe konstrukcyjne i maszynowe do ulepszania cieplnego W przypadkach nie pozwalających na użycie stali węglowych ze względu na małą hartowność lub też zbyt niskie własności wytrzymałościowe, stosuje się stale stopowe konstrukcyjne i maszynowe do ulepszania cieplnego. Wykonuje się z nich głównie wysoko obciążone i ważne elementy konstrukcyjne maszyn, silników, pojazdów mechanicznych itp., zwłaszcza o dużych przekrojach. Grupa stali konstrukcyjnych stopowych do ulepszania cieplnego obejmuje znaczą ilość gatunków o bardzo zróżnicowanym składzie chemicznym. Polskie Normy wyszczególniają 35 gatunków stali stopowych konstrukcyjnych do ulepszania cieplnego (PN-89/H-84030/04) oraz ponadto 9 gatunków stali o większej zawartości pierwiastków stopowych, przeznaczonych do wyrobu sprzętu szczególnie obciążonego PN-72/H-84035), np. sprzętu lotniczego, części silników spalinowych itp. Skład chemiczny tych dwóch grup stali oraz ich własności mechaniczne podano w tabl. 7.7 ÷ 7.10. Tablica 7.7
Skład chemiczny niektórych stali stopowych konstrukcyjnych do ulepszania cieplnego (wg PN-89/H-84030/04)
Grupa stali Mn Mn-Si Cr
Znak stali C 30G2 4502 35SG 30H 40H 45H 50H 37HS 20HGS 30HGS 35HGS 25HM 30HM 35HM 40HM 0,30 0,45 0,35 0,30 0,40 0,45 0,50 0,37 0,20 0,30 0,35 0,25 0,30 0,35 0,40 Mn 1,60 1,60 1,25 0,65 0,65 0,65 0,65 0,45 0,95 0,95 0,95 0,55 0,55 0,55 0,55 0,65 0,65 0,95 0,65 0,55 0,65 0,65
Średnia zawartość, % Si 0,27 0,27 1,25 0,27 0,27 0,27 0,27 1,15 1,05 1,05 0,15 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27 0,95 0,95 0,95 0,95 1,45 0,95 0,95 1,25 0,95 0,95 1,05 0,95 1,75 0,60 0,55 1,05 1,50 0,75 0,95 1,2 0,55 1,05 1,50 1,45 1,55 Cr Ni Mo Inne
Cr-Si Cr-Mn-Si
Cr-Mo
0,20 0,20 0,20 0,20 0,35 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20 V - 0,20
Cr-Mo-V 40H2MF 0,40 Cr-Ni 45HN 0,45 Cr-Mn-Ni-Mo 37HGN 0,37 36HNM 34HNM 40HNM Cr-Ni-Mo-V 45HNMF Cr-Ni-Mo 0,36 0,36 0,40 0,45
V-0,15
Zawartość fosforu i siarki max po 0,025-0,035%.
Obróbka cieplna stali stopowych konstrukcyjnych polega na hartowaniu w oleju z temperatury 820-950°C oraz odpuszczaniu najczęściej w zakresie 500-650°C. Uzyskuje się wówczas sorbit złożony z ferrytu stopowego oraz bardzo drobnych węglików (rys. 7.5).
114 JW Własności mechaniczne zależą od zawartości węgla i pierwiastków stopowych oraz od temperatury odpuszczania. Niższa temperatura odpuszczania pozwala uzyskiwać wysokie własności wytrzymałościowe przy gorszych plastycznych i odwrotnie, zależnie od stawianych wymagań (rys. 7.6).
Hartowność stali stopowych. Najistotniejszym kryterium stosowania poszczególnych gatunków stali stopowych konstrukcyjnych jest hartowność. W tablicy 7.8. podano dla poszczególnych gatunków stali wielkości średnic krytycznych, tj. największych średnic wyrobów hartujących się na wskroś z utworzeniem w rdzeniu struktury zawierającej 50% martenzytu oraz 50% struktur perlityczno-bainitycznych.
Rys. 7..5. Mikrostruktura stali 30HGSA po ulepszaniu cieplnym. Sorbit. Traw. 3% nitalem. 300x Tablica 7.8 Własności mechaniczne w stanie ulepszonym cieplnie oraz hartowność (średnica krytyczna) niektórych stali stopowych konstrukcyjnych
Znak stali Średnica kryWłasności wytrzymałościowe tyczna (50% martenzytu) Rm MPa, Re, MPa, min A5, % hartów. w min oleju, min 30G2 20 780 540 14 45G2 25 880 690 10 35SG 30 880 690 15 30H 30 880 740 12 40H 40 980 780 10 38HA 40 930 780 12 45H 40 1030 830 9 50H 45 1080 930 8 37HS 80 930 740 12 20HGS 40 780 640 12 30HGS 65 1080 830 10 35HGS 90 1620 1280 9 25HM 50 740 590 15 30HM 55 930 740 11 35HM 55 980 780 12 40HM 65 1030 880 10 40H2MF 250 1230 1030 9 45HN 50 1030 830 10 37HGNM 60 930 780 13 36HNM 110 980 780 11 34HNM 160 1080 880 10 40HMNA 165 1080 930 12 45HNMF 180 1470 1320 7 Udarność Z,% 50 40 40 45 45 50 45 40 50 45 45 40 55 45 45 45 40 45 50 50 45 50 45 KCU2, J/cm2 80 60 70 60 90 50 40 70 70 45 40 100 80 80 70 50 70 80 80 70 90 40
Na rysunkach 7.7 i 7.8 przedstawiono przykładowo pasma hartowności dla prób hartowania od czoła dwóch gatunków stali o małej (40H) i bardzo dużej hartowności (40HNMA). Spośród stali o jednakowej hartowności należy zawsze stosować najekonomiczniejszą, oczywiście o ile dodatkowe wymagania (np. udarność) nie uzasadniają stosowania stali droższej, wyżej stopowej.
115 JW Stale manganowe (30G2, 45G2), krzemowo-manganowe (35SG) oraz chromowe (30H, 40H, 45H, 50H) charakteryzują się stosunkowo niedużą hartownością w porównaniu z innymi gatunkami stali stopowych. Znacznie wyższą hartowność wykazują stale chromowomanganowo-krzemowe (30HGS, 35HGS). Zastępują one w wielu przypadkach drogie stale zawierające Ni, Mo, W i V. Największą hartowność oraz najkorzystniejszy zespół własności wytrzymałościowych po ulepszaniu cieplnym wykazują stale chromowo-niklowo-molibdenowe, ewentualnie z dodatkiem wanadu lub wolframu, a także manganu i krzemu (40HNMA, 36HNM, 45HNMF, 30H2N2M, 30HGSNA, 25H2N4W, 30HN2MFA i inne). Stale te są używane na części maszyn o największych wymaganiach wytrzymałościowych, jak wały korbowe silników lotniczych, wały napędowe, na części turbin o dużych przekrojach, na koła zębate i inne części, gdzie występują największe i zmienne obciążenia. Tablica 7.9
Skład chemiczny stali stopowych konstrukcyjnych do ulepszania cieplnego przeznaczonych do wyrobu sprzętu szczególnie obciążonego (wg PN-72/H-84035) Średnia zawartość, % Znak stali C 25HGS 30HGSNA 20HN3A 30HN3A 37HN3A 25H2NWA 30H2N2M 30HN2MFA 65S2WA 0,25 0,30 0,20 0,30 0,37 0,25 0,30 0,30 0,65 Mn 0,95 1,15 0,45 0,45 0,40 0,40 0,45 0,45 0,85 Si 1,05 1,05 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27 1,75 Cr 0,95 1,05 0,75 0,75 1,40 1,50 1,95 0,60 Ni 1,60 3,00 3,00 3,25 4,20 1,05 2,00 0,40 max Mo 0,30 0,20 inne W-1,00 V - 0,22 W-1,00
Tablica 7.10
Własności mechaniczne stali stopowych konstrukcyjnych w stanie ulepszonym cieplnie, przeznaczonych do wyrobu sprzętu szczególnie obciążonego (wg PN-72/H-84035) Znak stali 25HGS 30HGSNA 20HN3A 30HN3A 37HN3A 25H2N4W 30H2N2M 30HN2MFA 65S2WA Obróbka cieplna RmMPa hart. oC/odp. °C min 880/480 900/200-300 820/500 820/530 820/520 850/560 A. 830/600 B. 830/530 860/680 850/420 1080 1620 930 1080 1130 1080 980 1230 880 1860 ReMPa min 830 1370 780 880 980 930 830 1030 780 1670 A5, % 10 9 12 10 10 11 13 9 10 5 Z,% 40 45 55 50 50 45 50 40 40 20 KCU, J/cm2 60 60 100 80 60 90 80 50 90 -
Stale stopowe konstrukcyjne o zawartości węgla 0,4 ÷ 0,6% mogą być także poddawane hartowaniu powierzchniowemu, co w wielu przypadkach jest korzystne, gdyż unika się w ten sposób długotrwałego i bardziej kłopotliwego procesu nawęglania.
116
JW
Rys. 7.7. Pasmo hartowności dla próby hartowania od czoła stali 40H
Rys. 7.6. Wpływ temperatury odpuszczania oraz grubości wyrobu na własności mechaniczne: a) stali węglowej 40, b) stali stopowej 40HNMA
Rys. 7.8. Pasmo hartowności dla próby hartowania od czoła stali 40HNMA
117 JW 7.4.6. Stale stopowe konstrukcyjne do nawęglania Nawęglanie ma na celu uzyskanie twardej i odpornej na ścieranie warstwy wierzchniej elementu konstrukcyjnego, przy zachowaniu wysokiej udarności i ciągliwości rdzenia. Własności te uzyskuje się przez odpowiednią obróbkę cieplną. Dużą twardość osiąga się przez wzbogacenie warstwy powierzchniowej w węgiel i następnie zahartowanie. Drugim zagadnieniem jest sprawa wytrzymałości rdzenia nawęglonego przedmiotu. Na ogół wymaga się od rdzenia dużej udarności i ciągliwości, aby skompensować niebezpieczeństwo, które przedstawia warstwa powierzchniowa o dużej twardości i kruchości. Z tego względu zawartość węgla w stalach do nawęglania jest niska i wynosi zazwyczaj 0,10 ÷0,25%, natomiast wyższą wytrzymałość rdzenia uzyskuje się dzięki obecności pierwiastków stopowych. W porównaniu ze stalami węglowymi stale stopowe do nawęglania mają wyższą wytrzymałość na rozciąganie zarówno w stanie zmiękczonym, jak i zahartowanym, a dzięki większej hartowności wysoką wytrzymałość można uzyskać w elementach o większych przekrojach przy jednocześnie dużej udarności, dużym przewężeniu i wydłużeniu. Przedmioty wykonane ze stali stopowej charakteryzuje więc po nawęgleniu i zahartowaniu duża wytrzymałość rdzenia, której nie można uzyskać przy użyciu stali węglowych. Z tego względu stal stopową do nawęglania stosuje się wyłącznie na wysoko obciążone, ważne elementy konstrukcyjne silników, pojazdów mechanicznych i samolotów oraz na inne odpowiedzialne części maszyn. Aby spełnić zasadniczy postulat uzyskania najwyższej twardości powierzchniowej, należy warunki hartowania dostosować do składu chemicznego warstwy nawęglonej, dla której właściwa temperatura hartowania jest znacznie niższa niż temperatura hartowania właściwa dla rdzenia. Poza tym temperatura odpuszczania po hartowaniu musi być niska, gdyż już przy 150°C twardość warstwy nawęglanej zaczyna się zmniejszać. Wobec tego, że własności stali do nawęglania nie można zmieniać przez odpuszczanie, skład chemiczny stali jest zasadniczym czynnikiem rozstrzygającym o własnościach wytrzymałościowych rdzenia. Wynika stąd, że dobrawszy odpowiednio zawartość pierwiastków stopowych można uzyskać jednocześnie potrzebną wytrzymałość rdzenia w wymaganym przekroju i pożądaną twardość powierzchniową po nawęgleniu. Ponieważ jednak każdy gatunek stali pozwala na osiągnięcie tylko wąskiego zakresu wytrzymałości rdzenia, aby uzyskać szeroki zakres wytrzymałości Rm 700 ÷ 1500 MPa i spełnić różnorodne wymagania dotyczące twardości powierzchniowej, należy mieć do dyspozycji dość dużo gatunków stali do nawęglania. Polskie Normy obejmują łącznie 20 gatunków stali stopowych do nawęglania. W grupie stali stopowych konstrukcyjnych (PN-89/H-84030/02) Polskie Normy wyszczególniają 16 gatunków stali do nawęglania: 15H, 20H, 16HG, 20HG, 18HGT, 15HGM, 15HGMA, 18HGM, 17HGN, 15HGN, 15HN, 15HNA, 20HNM, 22HNM, 17HNM, 18H2N2 a w grupie stali stopowych konstrukcyjnych przeznaczonych do wyrobu sprzętu szczególnie obciążonego (PN-72/H-84035) - 4 gatunki stali do nawęglania: 12HN3A, 12H2N4A, 20H2N4A, 18H2N4WA. Stale te odznaczają się niską zawartością węgla (średnio 0,12-0,22%), zawierają prawie zawsze 0,5 ÷ 2% Cr oraz zależnie od gatunku również Mn, Ni, Mo oraz rzadziej Ti i W. Najniższe własności mechaniczne rdzenia uzyskuje się w przypadku stali chromowych i chromowo-manganowych (15H, 20H, 16HG, 20HG). Mangan w omawianych stalach sprzyja niekorzystnemu rozrostowi ziarn. Przeciwdziała się temu przez dodatek Ti, np. w stali 18HGT. Wobec mniejszej skłonności do rozrostu ziarn, stal może być nawęglana w szerokim zakresie temperatury. Wytrzymałość rdzenia na rozciąganie w tych stalach może dochodzić do ponad 1200 MPa. Stale chromowo-niklowe (15HN, 17HNM, 18H2N2) uzyskują znacznie lepsze własności, ze względu jednak na drogi dodatek niklu zastępowane są coraz częściej stalami chromowomanganowo-molibdenowymi (15HGM, 18HGM, 19HM) również wykazującymi wysokie własności mechaniczne i dużą hartowność. Elementy maszyn wymagające wysokich własności plastycznych rdzenia i jednocześnie bardzo wysokiej wytrzymałości (Rm = 1200 ÷ 1400 MPa), jak np. części silników lotniczych, wykonuje się ze stali chromowo-niklowych wyższej jakości: większej zawartości chromu (ok.
118 1,5%) i niklu (3 ÷ 4,5%) z dodatkiem Mo (0,2 ÷ 0,3) lub W (ok. 1%) (np. stali 12HN3A, 12H2N4A, 20H2N4A, 18H2N4WA).
7 4.7. Stale do azotowania
JW
Dzięki zawartości niektórych pierwiastków stopowych, a w szczególności aluminium, chromu i molibdenu stale stopowe do azotowania pozwalają na uzyskanie po azotowaniu największej twardości i odporności na ścieranie warstwy wierzchniej, bez potrzeby stosowania dodatkowej obróbki cieplnej. Twardość warstwy naazotowanej nie tylko nie zmniejsza się po nagrzaniu do temperatury dochodzącej do 500°C, lecz także pozostaje nie zmieniona podczas dłuższego wygrzewania w tym zakresie temperatury. W związku z tym stale do azotowania znajdują duże zastosowanie na cylindry, wały, sworznie tłokowe i inne części silników spalinowych, na części turbin, armaturę do pary przegrzanej, wrzeciona zaworów, sprawdziany itp. Czynnikiem rozstrzygającym o wysokiej twardości naazotowanej warstwy powierzchniowej jest niemal wyłącznie skład chemiczny stali, a mianowicie zawartość pierwiastków tworzących trwałe azotki (Al, Cr, Mo i V). Polska Norma PN-89/H-84030/03 przewiduje 3 gatunki konstrukcyjnych stali stopowych do azotowania: 38HMJ, 33H3MF i 25H3M. Oprócz specjalnych gatunków do azotowania, również niektóre stale chromowo-molibdenowe i zawierające wanad (40HMF, 40HGM, 35HM) mogą być stosowane do tego celu, nie pozwalając jednak na uzyskanie maksymalnej twardości powierzchniowej. Przed azotowaniem stale ulepsza się cieplnie, stosując hartowanie w wodzie lub oleju i wysokie odpuszczanie, aby uzyskać możliwie wysokie własności wytrzymałościowe rdzenia. Stale te dzięki większej zawartości węgla i pierwiastków stopowych odznaczają się dużą hartownością.
7.4.8. Stale sprężynowe
Stale konstrukcyjne przeznaczone do wyrobu sprężyn i resorów powinny się charakteryzować wysoką granicą sprężystości i plastyczności oraz dużą wytrzymałością na zmęczenie. Jednocześnie jednak stale te muszą mieć pewne minimalne własności plastyczne, aby w razie przekroczenia granicy sprężystości raczej nastąpiło odkształcenie, a nie pęknięcie. Duża ilość różnorodnych sprężyn i metod ich wytwarzania wymaga stosowania różnych materiałów i różnych gatunków stali. Typowe stale sprężynowe cechuje zwiększona zawartość węgla, wynosząca zazwyczaj 0,5 ÷ 0,7%. Stale te zawierają również dodatki manganu, krzemu i chromu oraz wanadu. Wysoką granicę sprężystości tych stali osiąga się przez hartowanie (przeważnie w oleju) i odpuszczanie w temperaturze 380 ÷ 520°C. Ten zakres temperatury odpuszczania zapewnia najkorzystniejszy stosunek granicy sprężystości Rsp (lub granicy plastyczności Re,) do wytrzymałości na rozciąganie Rm. Stale sprężynowe są znormalizowane. W tablicy 7.11 podano średnią zawartość głównych dodatków stopowych oraz własności mechaniczne w stanie ulepszonym cieplnie wg PN-74/H84032. Pierwsze trzy gatunki są stalami niestopowymi o zawartości węgla 0,65 ÷ 0,85% (±0,05%), podlegającym hartowaniu w oleju i odpuszczaniu. Sprężyny mniej odpowiedzialne wykonuje się ze stali węglowej również w stanie surowym z taśm walcowanych na zimno lub drutu ciągnionego. Sprężyny bardziej odpowiedzialne wykonuje się ze stali stopowych zawierających 0,4 ÷ 2,0% Si z ewentualnym dodatkiem Mn, Cr i V. Krzem jest pierwiastkiem stopowym, który najintensywniej zwiększa Rsp , Re, i Rm i dlatego jest składnikiem większości gatunków stali sprężynowych. Stale sprężynowe krzemowe (45S, 50S, 40S2, 50S2, 55S2, 60S2, 60S2A) wykazują stosunkowo małą hartowność, co ma jednak mniejsze znaczenie, gdyż sprężyny mają zwykle małe przekroje. W przypadku większych przekrojów zaleca się stale zawierające chrom oraz Si, Mn lub V zapewniające większą hartowność. Do wyrobu sprężyn o szczególnie ważnym przeznaczeniu stosuje się stal chromowo-wanadową 50HF, która charakteryzuje się bardzo
119 JW drobnym ziarnem oraz wykazuje mniejszą skłonność do odwęglania powierzchniowego niż stale krzemowe Tablica 7.11
Skład chemiczny i własności mechaniczne w stanie ulepszonym cieplnie stali sprężynowych (wg PN-74/H-84032)
Grupa stali Znak stali'1 65 75 85 65G 45S 50S 40S2 50S2 55S2 60S2 60S2A 60SG 60SGH 50HG 50HS 50HF Średnia za- Temp. hart., Rm MPa Re MPa °C min min wartość Temp. odp., składników °C 0,65% C 840/480 980 780 0,75% C 820/480 1080 880 0,85% C 820/480 1030 980 1,1% Mn 830/480 980 780 1,15%Si 0,45% Si 1,70%Si 1,65%Si 1,65%Si 1,65%Si 1,80%Si 0,95% Mn 1,55%Si 1,0% Mn 1,15%Si 0,50% Cr 1,05%Cr 0,95% Mn 1,05%Cr 1,00%Si 0,95% Cr 0,15% V 830/420 800/380 840/430 870/460 870/460 870/460 870/420 860/460 850/480 840/440 850/520 850/500 1180 1080 1370 1280 1320 1370 1520 1570 1370 1370 1320 1280 980 930 1080 1180 1180 1180 1370 1230 1180 1180 1080 A5 % min 10 9 8 8 6 5 6 6 6 5 5 6 7 7 6 8 Z,% min
C Mn
35 30 30 30 30 30 25 20 25 35 30 35
Si
Mn-Si Si-Mn-Cr Cr-Mn Cr-Si Cr-V
Wiele sprężyn wykonuje się również z innych stali, np. ze stali narzędziowych węglowych lub stopowych, a do pracy w podwyższonych temperaturach ze stali narzędziowych szybkotnących. Natomiast sprężyny pracujące w środowiskach korozyjnych wykonywane są ze stali nierdzewnych hartowanych i odpuszczonych lub utwardzonych przez zgniot.
7. 4.9. Stal na łożyska toczne
Stal do wyrobu łożysk tocznych (pierścieni łożyskowych, kulek, wałeczków itp.) powinna się odznaczać wysoką twardością i odpornością na ścieranie, a także dużą wytrzymałość na ściskanie i zginanie. W tym celu stosuje się stale wysokowęglowe (ok. 1% C) z dodatkiem chromu (ok. 1,5% Cr) i ewentualnie manganu i krzemu, głównie w celu zwiększenia hartowności. Ze względu na warunki pracy oraz metody produkcji stalom tym stawia się szczególne wymagania pod względem czystości i struktury. Dopuszczalna zawartość fosforu i siarki jest w nich bardzo ograniczona i wynosi wg PN-74/H-84041 max 0,027% P i max 0,020% S. Ponadto w stalach tych kontroluje się ściśle stopień zanieczyszczenia wtrąceniami niemetalicznymi, pasmowość ułożenia węglików (segregację) oraz przeprowadza inne szczegółowe badania mikroskopowe i makroskopowe. W kraju stosuje się dwa gatunki stali łożyskowych (PN-74/H-84041): ŁH15 (1,0% C, 0,3% Mn, 0,25% Si, 1,50% Cr), ŁH15SG (1,0% C, 1,1% Mn, 0,55% Si, 1,5% Cr). Stal ŁH15SG ze względu na wyższą zawartość manganu i krzemu ma większą hartowność i jest stosowana do wyrobu pierścieni łożyskowych o większej grubości (powyżej 30 mm).
120 JW Obróbka cieplna stali łożyskowych polega na hartowaniu w oleju od temperatur 815 ÷ 860°C (zależnie od grubości wyrobu) i niskim odpuszczaniu w temperaturze ok. 160°C. Po obróbce cieplnej stal powinna mieć twardość co najmniej 61HRC. Struktura stali łożyskowych w stanie obrobionym cieplnie składa się z drobnoziarnistego odpuszczonego martenzytu i drobnych wtrąceń równomiernie rozłożonych węglików chromu (rys. 7.9).
Rys. 7.9. Mikrostruktura stali łożyskowej ŁH15 po hartowaniu i niskim odpuszczaniu. Traw. 3% nitalem Powiększ. 630x Na łożyska toczne pracujące w środowiskach powodujących korozję stosuje się najczęściej stal H 18 zawierającą ok. 1% C i 18% Cr. Duża zawartość chromu w tej stali jest niezbędna, by nadać jej znaczną odporność na korozję. Obróbka cieplna tej stali polega na hartowaniu w oleju od temperatury 1050°C, obróbce podzerowej w 70°C i odpuszczaniu w temp. ok. 160°C. Twardość stali po takiej obróbce wynosi 60 ÷ 61 HRC.
7.5. Stale narzędziowe stopowe Zależnie od warunków pracy, od stali narzędziowych wymaga się wysokie twardości i hartowności, odporności na ścieranie, odpowiedniej wytrzymałość i ciągliwości (zwłaszcza w przypadku obciążeń udarowych), odporności na odpuszczające działanie ciepła oraz twardości i wytrzymałości w podwyższonych temperaturach. Własności te w decydującej mierze zależą od składu chemicznego tych stali rodzaju i ilości dodatków stopowych), a także od przeróbki plastycznej i obróbki cieplnej, które w istotny sposób wpływają na strukturę i własności stali. Twardość stali zahartowanej zależy przede wszystkim od zawartości węgla, przy czym maksymalną twardość ok. 66 HRC osiąga martenzyt przy zawartości węgla ok. 0,8%. Pierwiastki stopowe nie powiększają twardości w sposób istotny, ale głównie zwiększają hartowność i tworzą twarde węgliki odporne na ścieranie. Większa hartowność jest wymagana w odniesieniu do stali narzędziowych, szczególnie w tych przypadkach, gdy podczas pracy narzędzia występują znaczne naciski. Wówczas warstwa zahartowana na martenzyt musi być odpowiednio grubsza i potrzebna jest większa wytrzymałość rdzenia. Osiąga się to przez stosowanie stali narzędziowych stopowych. Przy bardzo dużych naciskach konieczne jest stosowanie stali hartujących się na wskroś. Narzędzia wykonane ze stali stopowych hartuje się w oleju. Łagodniejsze chłodzenie (w porównaniu ze stalami narzędziowymi węglowymi, które hartuje się w wodzie) zmniejsza niebezpieczeństwo pęknięć i odkształceń, co jest bardzo istotne w przypadku narzędzi o złożonych kształtach. Wysoka odporność na ścieranie narzędzi, zwłaszcza stosowanych do obróbki w produkcji seryjnej lub jako narzędzia pomiarowe, staje się parametrem decydującym. Odporność na ścieranie stali narzędziowych osiąga się przez zwiększenie ilości twardych węglików stopowych w strukturze zahartowanej stali, a zwłaszcza węglików chromu (typu M23C6) i wolframu (M6C). Klasyfikacja stali narzędziowych stopowych opiera się głównie na ich zastosowaniu. W szczególności można wyróżnić następujące grupy objęte normami: - stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno (PN-86/H-85023), - stale narzędziowe stopowe do pracy na gorąco (PN-86/H-85021), - stale szybkotnące (PN-86/H-85022).
121 JW Przyjęty przez polskie normy sposób oznaczania stali narzędziowych stopowych różni się od oznaczeń stali stopowych konstrukcyjnych. Znak stali składa się z liter liczb, przy czym pierwsza litera oznacza zawsze grupę stali narzędziowych: N — stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno, W — stale narzędziowe stopowe do pracy na gorąco, S — stale szybkotnące. Następna litera lub kilka liter określają składniki stopowe lub grupę składników, przy czym symbolika jest tu nieco inna niż w przypadku stali konstrukcyjnych specjalnych, a mianowicie: M - mangan, W - wolfram, S - krzem, K - kobalt, C - chrom, B - bor, N - nikiel, P - chrom + nikiel + wanad, L - molibden, Z - krzem + chrom + wolfram. V - wanad, Liczba znajdująca się na końcu lub w środku znaku służy do odróżnienia poszczególnych gatunków stali zawierających te same składniki stopowe. W stalach szybkotnących liczby te oznaczają średnią zawartość głównego składnika stopowego w procentach.
7.5.1. Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno
Ze stali narzędziowych stopowych do pracy na zimno wykonuje się narzędzia służące do obróbki materiałów w temperaturze otoczenia. Stale te w porównaniu ze stalami narzędziowymi węglowymi mają większą hartowność, wyższą wytrzymałość i ciągliwość oraz lepszą odporność na ścieranie. Polska Norma PN-86/H-85023 obejmuje 18 gatunków stali narzędziowych stopowych do pracy na zimno: NV (V 0,22) NW1 (W 1,25) NWV (Mn 1,9, V 0,15) NZ2 (Si 0,95, Cr 1,05, W 1,85, V 0,22) NCV1 (Cr 0.55, V 0,22) NZ3 (Si 0,95, Cr 1,05, W 1,85, V 0,22) NCMS (Cr 1,45, Mn 1,1) NW1 (W 1,25) NC5 (Cr 0,55) NWC (W 1,4, Cr 1,05) NC6 (Cr 1,45, V 0,20) NPW (Cr 1,35, Ni 3, V 0,5) NC4 (Cr 1,45) NMWV (Mn 1,2, W 0,6, V 0,2) NC10 (Cr 12, C 1,65) NCLV (CR 5, V 0,4, Mo 1,0) NC11 (Cr 12, C 1,95) NW9 (Cr 4,3, W 9, V 2). NC11LV (Cr 11, Mo 0,85, V 0,75) Obok znaku stali w nawiasie podano średnią zawartość pierwiastków stopowych w procentach (liczby za symbolami pierwiastków). Gatunki NZ2, NZ3 i NPW są stalami średniowęglowymi o zawartości 0,40 ÷ 0,55% C. Pozostałe gatunki są stalami wysokowęglowymi zawierającymi 0,75 ÷ 2,10% C. Stale średniowęglowe znalazły zastosowanie na narzędzia, od których wymagana jest większa plastyczność i odporność na obciążenia dynamiczne, jak np. matryce, stemple, tłoczniki, rolki do prasowania, wybijaki itp. Stale wysoko-węglowe stosowane są głównie do wyrobu narzędzi skrawających. Podstawowymi dodatkami stopowymi w stalach narzędziowych do pracy na zimno są: Cr, W, V oraz w stali NPW - Ni. Dodatki te nadają stali dużą hartowność i drobnoziarnistą strukturę, zapewniają wysokie własności wytrzymałościowe, a w szczególności wysoką odporność na ścieranie wskutek tworzenia się węglików stopowych o dużej twardości i dyspersji. Węgliki te nie ulegają całkowitemu rozpuszczeniu w czasie nagrzewania do hartowania, dzięki czemu przeciwdziałają rozrostowi ziarn austenitu, zapewniając tym samym drobnoziarnistość stali. Zależnie od gatunku stale hartuje się w wodzie lub oleju z temperatur) 780 ÷ 1020°C, a stale wysokochromowe (NC10, NC11 i NC11LV) z temperatur) 970 ÷ 1020°C. Po hartowaniu stosuje
122 JW się w zasadzie niskie odpuszczanie w temperaturze 150 ÷ 350°C. Stale wysokochromowe odpuszcza się w nieco wyższych temperaturach w zakresie 220 ÷ 450°C. Stal NW9 hartuje się z temperatury 1200°C i odpuszcza w temperaturze 500 ÷ 560°C. Twardość stali wysokowęglowych w stanie zahartowanym wynosi 60 ÷ 68 HRC, natomiast stale średniowęglowe mają po hartowaniu twardość 50 ÷ 57 HRC. Należy podkreślić, że własności stali narzędziowych stopowych po hartowaniu i odpuszczaniu zależą w dużej mierze od temperatury austenityzowania, z którą ściśle wiąże się stopień nasycenia roztworu stałego (austenitu) dodatkami stopowymi i późniejsze wydzielanie się węglików wtórnych podczas odpuszczania.
7.5.2. Stale narzędziowe stopowe do pracy na gorąco
Ze stali narzędziowych do pracy na gorąco wytwarza się narzędzia służące do przeróbki plastycznej materiałów uprzednio nagrzanych do wysokich temperatur oraz formy do odlewania metali pod ciśnieniem. W stanie nagrzanym przerabiane metale są plastyczne, więc stale narzędziowe do pracy na gorąco nie muszą mieć tak dużej twardości w temperaturze otoczenia jak stale do pracy na zimno. Wymagania stawiane stalom do pracy na gorąco to przede wszystkim wysoka wytrzymałość i twardość przy wyższych temperaturach, wysoka udarność, stabilność struktury, odpowiednio wysoka hartowność oraz możliwie mała skłonność do zmęczenia cieplnego i pęknięć ogniowych. Odporność na ścieranie i erozję, którą powoduje odkształcony plastycznie metal, jest również ważną cechą, ale główną przyczyną zużywania się narzędzi są pęknięcia ogniowe. Odpowiednie własności osiąga się przez stosowanie stali o stosunkowo niskiej zawartości węgla 0,25 ÷ 0,60%, zawierających jako podstawowe dodatki stopowe wolfram, molibden, wanad i chrom, a także czasem krzem i nikiel. Wolfram, molibden i wanad są pierwiastkami silnie węglikotwórczymi, które po rozpuszczeniu podczas austenityzacji i po zahartowaniu dają podczas odpuszczania twardość wtórną lub znacznie hamują spadek twardości stali. Chrom silnie zwiększa hartowność, a przy wyższych zawartościach również odporność na utlenianie. Polska Norma PN-86/H-85021 obejmuje 12 gatunków stali narzędziowych stopowych do pracy na gorąco, a mianowicie: WNLV (Cr 1,2, Ni 1,75, Mo 0,6, V 0,1), WLV (Cr 3,0, Mo 2,75, V 0,55), WLK (Cr 2,75, Mo 2,75, V 0,5, Co 3,0), WCLV (Cr 5,25, Mo 1,35, V 1,0), WCL (Cr 5,0, Mo 1,35, V 0,4), WLB (Cr 2,4, Mo 0,4, B 0,003), WNLB (Cr 1,1, Mo 0,3, B 0,003, Ti 0,03, A1 0,03), WNL (Cr 0,7, Ni 1,6, Mo 0,22), WNL1 (jak WNL + V 0,1), WWS1 (Cr 2,5, V 0,5, W 4,5, Si 1,0), WWV (Cr 2,7, W 9,0, V 0,3), WWN1 (jak WWV + Ni 1,4). Obok znaku stali w nawiasach podano średnią zawartość dodatków stopowych liczby za symbolami pierwiastków). Zawartość węgla w tych stalach wynosi średnio 0,3 ÷ 0,6%. Obróbka cieplna stali do pracy na gorąco polega na hartowaniu w oleju lub na powietrzu z temperatury w zakresie 840 ÷ 1160°C (zależnie od gatunku stali) i następnym odpuszczaniu w zakresie 400 ÷ 600°C, tj. w temperaturach wyższych niż stali do pracy na zimno. Zapewnia to dobrą udarność, niezbędną ze względu na charakter pracy oraz twardość min 43 ÷ 50 HRC. Temperatura odpuszczania stali powinna być wyższa od temperatury pracy, aby zapewnić stabilność struktury i własności. Ze względu na zastosowanie, stale do pracy na gorąco można podzielić na trzy grupy. Do pierwszej należą stale, z których wykonuje się matryce do pras i formy dla odlewów pod ciśnieniem. Wspólną cechą tych zastosowań jest stosunkowo długi kontakt gorącego materiału z narzędziem i związane z tym silniejsze nagrzewanie się powierzchni pracującej. Są to stale
123 JW wolframowe (WWS1, WWV) i chromowo-molibdenowa (WCL). Zawartość węgla w tych stalach jest stosunkowo niska (0,3 ÷ 0,4%), co zapewnia ciągliwość. Temperatura austenityzowania tych stali jest wysoka (950 ÷ 1120°C) ze względu na konieczność rozpuszczania węglików zawierających W, Mo, V, Cr. Drugą grupę stanowią stale używane przede wszystkim na matryce kuzienne i kowadła do młotów (WNL, WNLV). Matryce mają stosunkowo krótki kontakt z gorącą odkuwką, natomiast w czasie pracy występują duże naciski i uderzenia związane z kuciem, co wymaga materiału twardego, ale równocześnie bardzo ciągliwego. W stalach tych bardzo ważna jest hartowność, ponieważ wymiary matryc często są znaczne. Do trzeciej grupy zalicza się stale używane na walce do walcowania na gorąco oraz na wkładki matrycowe do pras i kuźniarek, oraz stemple do wyciskania i spęczania wyrobów ze stopów miedzi i aluminium.
7.5.3. Stale szybkotnące
Nazwa „stale szybkotnące" pochodzi stąd, że służą one do wyrobu narzędzi skrawających, pracujących przy dużych prędkościach skrawania lub przy dużych przekrojach wióra. Praca w takich warunkach jest przyczyną bardzo silnego rozgrzewania się narzędzia, nawet do temperatury czerwonego żaru, wskutek tarcia o skrawany materiał. Stale węglowe i niskostopowe w tych warunkach szybko tracą twardość, a narzędzia tępią się, natomiast stale szybkotnące zachowują wysoką twardość do znacznie wyższych temperatur (rys. 7.10). Wysoką twardość „na gorąco" oraz odporność na ścieranie nadaje stalom szybkotnącym twarda i nie mięknąca pod wpływem odpuszczania osnowa, w której rozmieszczone są twarde węgliki.
O 100 200 300 400 500 600 700 800 o Temperatura, C
Rys. 7.10. Twardość na gorąco różnych materiałów narzędziowych: l — stal narzędziowa węglowa, 2 — stal szybkotnąca, 3 — węgliki spiekane Podstawowymi składnikami stopowymi stali szybkotnących są pierwiastki węglikotwórcze: wolfram, wanad, chrom i molibden. Stale o najlepszych własnościach zawierają również znaczne dodatki kobaltu. Skład chemiczny stali szybkotnących produkowanych w kraju, podany jest w tabl. 7.12 (wg PN-86/H-85022). Stale szybkotnące przyjęto zaliczać do tzw. stali ledeburytycznych, ponieważ w stanie odlanym w ich strukturze występuje częściowo eutektyka, na skutek nie osiągania stanu równowagi podczas krzepnięcia. Po przekuciu i wyżarzeniu struktura stali szybkotnących składa się z ferrytu stopowego i mniej lub więcej równomiernie rozmieszczonych węglików.
124
Stale szybkotnące (wg PN-86/H-85022)
JW Tablica 7.12 Średnia temperatura, oC Co hart. 1250 5,0 8,0 5,0 5,5 10,0 5,0 1210 1190 1200 1190 1200 1270 1220 1160 1200 Twardość w stanie harto wania i odpu odp. szczania HRC, min 560 64 560 560 560 560 560 560 560 560 560 65 64 65 66 65 65 66 64 66
Średnia zawartość, %
Znak stali SW18 SW7M SW12 SK5M SK8M SK5 SK5V SK10V
C 0,8 0,87 1,1 0,92 1,1 1,1 1,38 1,22
Cr 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0
W 18,0 6,5 12,0 6,3 1,6 12,0 12,8 10,0 1,75 7,0
Mo — 5,0 4,7 9,5 1,0 3,3 5,0 4,0
V 1,3 2,0 2,5 1,9 1,2 2,3 4,5 3,0 1,3 1,9
SW2M5 0,95 SK5MC 1,1
Obróbka cieplna narzędzi ze stali szybkotnących polega na hartowaniu i odpuszczaniu. Do hartowania stale nagrzewa się do wysokiej temperatury ok. 1160 ÷ 1270°C (tabl. 7.12), aby zapewnić rozpuszczenie się dostatecznie dużej ilości węgla i składników stosowanych w austenicie, które tym samym, po hartowaniu zostaną w martenzycie. Ze względu na małe przewodnictwo cieplne oraz wysoką temperaturę hartowania, nagrzewanie stali szybkotnącej przy hartowaniu prowadzi się stopniowo wg schematu przedstawionego na rys. 7.11. Odpuszczanie po hartowaniu przeprowadza się w temperaturze ok. 560°C, przy czym zabieg ten powtarza się dwu- albo trzykrotnie (rys. 7.11); drugie i ewentualne trzecie odpuszczanie przeprowadza się w temperaturze niższej o 20 ÷ 30°C od pierwszego odpuszczania. Podczas odpuszczania zachodzi wydzielanie się węglików wtórnych z martenzytu oraz austenitu szczątkowego, który ubożeje w dodatki stopowe i podczas studzenia od temperatury odpuszczania przemienia się w martenzyt.
Czas Rys. 7.11. Schemat obróbki cieplnej stali szybkotnącej W wyniku odpuszczania w temperaturze 550-570°C pojawia się w tych stalach efekt twardości wtórnej, tj. wzrost twardości na skutek wydzielania się z przesyconego roztworu metastabilnych węglików typu M3C i MC. Strukturę o najkorzystniejszych własnościach użytkowych, tzn. o wysokiej twardości, bez austenitu szczątkowego i o odpowiedniej żarowytrzymałości i ciągliwości, uzyskuje się po wielokrotnym odpuszczaniu w ciągu ok. 2 godzin (rys. 7.11). Struktura stali szybkotnącej po hartowaniu i odpuszczaniu pokazana jest na rys. 7.12.
125
JW
Rys. 7.12. Mikrostruktura stali szybkotnącej SW7M hartowanej i odpuszczonej. W osnowie drobnoiglastego martenzytu widoczne jasne węgliki. Traw. 5% nitalem. Powiększ. 650x
7.6. Stale stopowe odporne na korozję, żaroodporne, żarowytrzymałe i o specjalnych własnościach fizycznych
7.6.1. Stale odporne na korozję (nierdzewne i kwasoodporne) Odporność stali nierdzewnych na korozję związana jest przede wszystkim z działaniem chromu, który powiększa zdolność tzw. pasywacji stopów żelaza. Przejście w stan pasywny zaznacza się skokową zmianą potencjału elektrochemiczego metalu lub stopu na bardziej dodatni (rys. 7.13).
Rys. 7.13. Potencjał elektrochemiczny stopów żelaza z chromem Zjawisko pasywowania się metali polega na pokrywaniu się ich powierzchni bardzo cienką, szczelnie przylegającą i odporną warstewką tlenków, która chroni metal przed korozją. Pasywacja jest zjawiskiem zależnym od składu chemicznego stopu i od zdolności utleniania jaką mają różne środowiska. Żelazo i miękka stal pasywują się np. w stężonym kwasie azotowym i w roztworach związków silnie utleniających. Pasywacja żelaza jest jednak bardzo nietrwała. Natomiast niektóre metale o większym powinowactwie do tlenu pasywują się łatwiej, a ich stan pasywny jest znacznie trwalszy. Do takich metali należy chrom, którego odporność na korozję związana jest właśnie z łatwością pasywowania się. Chrom ma tę własność, że przenosi skłonność do pasywacji również na stopy z innymi metalami. Stopy żelaza z chromem przy zawartości powyżej 13 ÷ 14% Cr pasywują się pod wpływem tlenu zawartego w powietrzu, co zapewnia im odporność chemiczną. Podstawowym składnikiem wszystkich stali nierdzewnych jest więc chrom, przy czym jego zawartość winna wynosić co najmniej 12% (rys. 7.13). Oprócz chromu w skład stali odpornych na korozję często wchodzi nikiel jako drugi składnik podstawowy. Na podstawie składu chemicznego można najogólniej podzielić stale odporne na korozję na: chromowe i chromowoniklowe. Jednak częściej stosuje się klasyfikację tych stali według struktury i rozróżnia się stale ferrytyczne, martenzytyczne i austenityczne.
126 JW Stale chromowe ferrytyczne i martenzytyczne (nierdzewne). Stale chromowe odporne na korozję, zależnie od zawartości chromu i węgla, mogą być ferrytyczne lub martenzytyczne. W przypadku stali martenzytycznych występuje w czasie nagrzewania całkowita przemiana ferrytu w austenit, dzięki czemu możliwe jest hartowanie i powstawanie struktury martenzytycznej. Stale te hartują się już w czasie chłodzenia na powietrzu i właśnie z tego powodu nazywane są martenzytycznymi. W przypadku stali ferrytycznych, ferryt jest fazą trwałą od temperatury pokojowej aż do temperatury topnienia i przemiany fazowe nie zachodzą. Z tego względy stali ferrytycznych nie można utwardzać przez obróbkę cieplną (hartowanie). W tablicy 7.13 podano skład chemiczny częściej stosowanych stali ferrytycznych i martenzytycznych (wg PN-71/H-86020). W stalach ferrytycznych (w temperaturze otoczenia) ferryt stanowi osnowę, ale oprócz niego występują również często niewielkie ilości węglików, które rozpuszczając się w wyższych temperaturach powodują tworzenie się pewnej ilości austenitu, a szybkie chłodzenie może spowodować przemianę tego austenitu w martenzyt. Mikrostruktura stali ferrytycznej 0H13 z niewielką ilością węglików widoczna jest na rys. 7.14. Taki sam wpływ mają również azot i nikiel, których małe ilości zawsze spotyka się w tych stalach. Martenzyt, który powstaje po szybkim chłodzeniu od wysokiej temperatury, np. podczas spawania, jest przyczyną kruchości i pęknięć w strefie wpływu cieplnego spoiny. Tym niepożądanym zjawiskom przeciwdziała dodatek tytanu w ilości wystarczającej do związania węgla i azotu, jak to ma miejsce np. w stali 0H17T (tabl. 7.13), albo dodatek pierwiastka stabilizującego ferryt, jakim jest aluminium, np. w stali 0H13J (tabl. 7.13). Tablica 7.1.
Stale chromowe odporne na korozję: ferrytyczne i martenzytyczne (wg PN-71/H-08620)
Znak stali Średnia zawartość, %* C Cr inne składn Średnia temp, oC hartów. odp. Struktura po obróbce cieplnej
Stale ferrytyczne OH13 OH13J H17 OH17T 0,08 max 0,08 max 0,10 max 0,08 max 13,0 13,0 17,0 17,0 AI0.2 Ti5XC 1025 750 ferryt ferryt ferryt ferryt
Stale martenzytyczne 1H13 2H13 3H13 0,12 0,20 0,30 13,0 13,0 13,0 1000 1020 980 750 720 250 350 650 150 250 600 250 310 700 ferryt i perlit sorbit martenzyt sorbit martenzyt sorbit martenzyt sorbit i ferryt sorbit
4H13
0,40
13,0
-
1030
H18 H17N2 2H17N2
*
1,0 0,14 0,20
18,0 17,0 17,0
Ni 2,0 Ni 2,0
1020 1000 1080
Zawartość Pmax ≤ 0,040, Smax ≤ 0,030.
127 Na rysunku 7.15 pokazana jest mikrostruktura stali ferrytycznej 0H17T, z wyraźnie widocznymi węglikami i azotkami tytanu.
JW
Rys. 7.14. Mikrostruktura stali chromowej 0H13. Widoczne ziarna ferrytu i wydzielenia wielkiej ilości węglików. Traw. elektrol. w kwasie szczawiowym. Powiększ. 150x
Rys. 7.15. Mikrostruktura stali chromowe OH17T. Widoczne ziarna ferrytu i wydzielenie węglików i azotków tytanu. Traw. elektrol. w kwasie szczawiowym. Powiększ. 150x
Największą odporność na korozję i największą ciągliwość wykazują stale ferrytczne w stanie wyżarzonym w ok. 800°C. Ich odporność chemiczna jest lepsza niż stali martenzytycznych i wzrasta z zawartością chromu, dlatego stale o zawartości 17% Cr są bardziej odporne na korozję niż stale o zawartości 13% Cr. Stale ferrytyczne są odporne na korozję atmosferyczną, z wyjątkiem warunków szczególnie agresywnych, jak np. zanieczyszczona atmosfera przemysłowa. Są dość odporne na działanie kwasu azotowego i środowisk utleniających, słabych kwasów organicznych i różnych produktów żywnościowych. Stal 0H17T i H17 w stanie wyżarzonym (ok. 800°C) jest stosunkowo miękka i ciągliwa, nadaje się do tłoczenia na zimno, w związku z czym gatunki te są szeroko stosowane na naczynia kuchenne, aparaty w przemyśle spożywczym, elementy karoserii samochodowych itp. Do najbardziej rozpowszechnionych stali martenzytycznych, tj. takich, które można hartować na martenzyt, należą stale o zawartości 13% Cr i 0,1-0,45% węgla, stale o zawartości ok. 17% Cr, 2% Ni i ok. 0,2% węgla oraz stal zawierająca 18% Cr i ok. 1% węgla (tabl. 7.13). Stale 1H13, 2H13, 3H13 hartuje się od temperatury 950-1050°C. Temperatura odpuszczania wynosi zwykle 600-700°C. Stale 4H13 i H18 są stosowane w stanie hartowanym i odpuszczanym, ale przy stosunkowo niskiej temperaturze ok. 200°C, ponieważ chodzi o możliwie dużą twardość. Mikrostruktura stali H18 w stanie zahartowanym pokazana jest na rys. 7.16. Widoczne są skupienia dużych pierwotnych węglików chromu oraz rozsiane małe węgliki w osnowie drobnego martenzytu. Stale H17N2 i 2H17N2 ze względu na wyższą zawartość chromu mają lepszą odporność chemiczną niż stale z zawartością 13% Cr. Dodatek niklu w tych stalach rozszerza zakres występowania austenitu i umożliwia osiągnięcie jednofazowej struktury podczas austenityzowania. Stale 1H13, 2H13 i 3H13 są używane w stanie ulepszonym cieplnie na silnie obciążone części maszyn, które muszą być odporne na korozję, oraz na przedmioty gospodarstwa domowego. Stal 2H17N2 jest dość odporna na działanie wody morskiej i ma zastosowanie w budowie okrętów. Stal 4H13 jest używana na noże. sprężyny i narzędzia, a stal H18 na łożyska kulkowe odporne na korozję, na elementy maszyn odporne na ścieranie pracujące np. w środowisku wodnym, na noże chirurgiczne, narzędzia skrawające, przyrządy pomiarowe itp.
128
JW
Rys. 7.16. Mikrostruktura stali H18 (1% C, 18% Cr). Widoczne skupienia dużych pierwotnych węglików chromu oraz drobne węgliki na tle osnowy martenzytycznej. Traw. elektrol. w kwasie szczawiowym. Powiększ. 500x
Rys. 7.17. Mikrostruktura austenitycznej stali kwasoodpomej OH18N9 w stanie przesyconym. Widoczne ziarna austenitu z bliźniakami rekrystalizacji. Traw. elektrol. w kwasie szczawiowym. Powiększ. 150x
Stale martenzytyczne są odporne na działanie kwasu azotowego, szeregu kwasów organicznych i produktów spożywczych. Na korozję atmosferyczną są odporne poć warunkiem braku agresywnych zanieczyszczeń w powietrzu. Odporność chemiczne tych stali zależy ponadto od gładkości powierzchni.
Austenityczne stale chromowo-niklowe (kwasoodporne). Stale austenityczne odporne na korozję są w zasadzie stalami chromowo-niklowymi o niskiej zawartości węgla. Dodatek niklu w ilości ok. 8% do niskowęglowych stali chromowych zawierających ok. 18% Cr zwiększa ich odporność na korozję i na działanie kwasów podwyższa wytrzymałość i udarność. Duży dodatek niklu powoduje, że stale te mają strukturę austenityczną. Mikrostruktura tego typu stali pokazana jest na rys 7.17. Ze względu na dobrą odporność na działanie wielu kwasów stale te są również nazywane kwasoodpornymi. Stale zawierające 18% Cr i 8% Ni oznaczane popularnie znakiem 18/8, zyskały ogromne znaczenie praktyczne. Większość dziś stosowanych gatunków stali kwasoodpornych stanowi modyfikację tego podstawowego składu. Ze względu na niebezpieczeństwo korozji międzykrystalicznej, zawartość węgla w stalach 18/8 powinna być jak najniższa. Na rysunku 7.18 przedstawiony jest przekrój przez układ Fe-Cr-Ni-C dla stałej zawartości 18% Cr i 8% Ni, przy zmiennej zawartości węgla, ilustrujący zakres jednorodnego roztworu i granice rozpuszczalności węglików M23C6. Przy powolnym chłodzeniu, np. w stali o zawartości 0,1% C, część węgla pozostaje w roztworze stałym w austenicie, część zaś wydziela się w postaci węglików (Cr, Fe)23C6 bogatych w chrom, zgodnie z krzywą rozpuszczalności. Stal o jednofazowej strukturze austenitycznej, bez wydzielonych węglików, można otrzymać przez przesycanie od temperatury 1050 ÷ 1100°C z chłodzeniem w wodzie. W temperaturze 1050 ÷1100°C węgliki rozpuszczają się w austenicie, natomiast szybkie chłodzenie zapobiega ich wydzielaniu. Po takiej obróbce cieplnej stal 18/8 jest najbardziej odporna na korozję, gdyż stanowi Rys. 7.18. Fragment układu materiał jednofazowy. Natomiast podczas wygrzewania równowagi Fe-Cr-Ni-C. stali 18/8 w temperaturze 500 ÷ 800°C na granicach ziarn Przekrój dla zawartości 18% Cr następuje wydzielanie się węglików chromu typu M23C6, i 8% Ni zawierających zwykle co najmniej 60% Cr. Jest to szczególnie niekorzystne, gdyż w wyniku tego procesu stal staje się skłonna do korozji
129 JW międzykrystalicznej. W środowisku korozyjnym atakowane są szczególnie granice ziarn. Ilustruje to rys. 7.19 przedstawiający skorodowaną powierzchnię blachy ze stali 18/8. Ten rodzaj korozji jest bardzo niebezpieczny, gdyż niszczy materiał w głąb, nie pozostawiając wyraźnych śladów na powierzchni. Stal traci wytrzymałość i plastyczność i nie daje metalicznego dźwięku przy uderzeniu. Zjawisko korozji międzykrystalicznej można wytłumaczyć zubożeniem granic ziarn w chrom na skutek wydzieleń węglików chromu, które zarodkują prawie wyłącznie na granicach ziarn. W temperaturze powyżej 500°C szybkość dyfuzji węgla jest większa od szybkości dyfuzji chromu, w związku z czym węgiel potrzebny dla tworzących się węglików chromu na granicach ziarn pochodzi z całego ziarna, podczas gdy chrom - tylko z zewnętrznej warstewki w pobliżu granic ziarn. Zawartość chromu w pobliżu granic ziarn może więc spaść poniżej 12%, co stanowi minimum konieczne dla pasywacji (rys. 7.20). W tych warunkach rozpuszczanie zubożałej w chrom warstewki może postępować bardzo szybko nawet w roztworach, na które stal 18/8 normalnie jest odporna. Stale typu 18/8 stosuje się najczęściej w stanie przesyconym (od temp. 1050 ÷ 1100°C) i w tym stanie niebezpieczeństwo korozji międzykrystalicznej nie istnieje. Jednak w budowie aparatów chemicznych, zbiorników, rurociągów itp. stosuje się powszechnie spawanie. Sama spoina i jej najbliższe sąsiedztwo stygną szybko od wysokich temperatur. W strefie wpływu cieplnego spoiny znajdują się jednak zawsze obszary, które podczas spawania nagrzewają się tylko do niebezpiecznego zakresu temperatur, tj. do 500 ÷ 800°C. W tych obszarach może następować wydzielanie węglików chromu na granicach ziarn i możliwe jest występowanie korozji międzykrystalicznej
Rys. 7.19. Korozja międzykrystaliczna austenitycznej stali chromowo-niklowej. Próbka nietrawiona. Powiększ. 600x
Rys. 7.20. Schemat zmian koncentracji chromu w pobliżu granicy ziarna, spowodowany wydzielaniem się węglików chromu typu M23C6. Materiał w takim stanie jest wrażliwy na korozję międzykrystaliczna
Obszary te leżą zwykle w odległości kilku do kilkunastu milimetrów od spoiny. Zjawisko to stanowiło początkowo poważną trudność w stosowaniu stali 18/8. Obecnie istnieje szereg sposobów opracowanych w celu zapobiegania korozji międzykrystalicznej. Najważniejsze z nich to: a) przesycanie, b) stabilizacja, c) zmniejszenie zawartości węgla. Pierwszy z tych sposobów, o którym już wspomniano, jest najprostszy i polega na zastosowaniu przesycania od temperatury 1050-1100°C spawanego przedmiotu. Sposób ten jednak jest ograniczony do przedmiotów o małych rozmiarach. Drugi sposób polega na wprowadzeniu do stali dodatków tytanu lub niobu, w ilości wystarczającej do związania węgla w postaci węglików. Ti i Nb wykazują silniejsze powinowactwo do węgla niż chrom i tworzą bardzo trwałe węgliki TiC i NbC, które nie rozpuszczają się w austenicie w normalnie stosowanych temperaturach przesycania, co utrudnia tworzenie się węglików chromu. Stale takie nazywa się stabilizowanymi. Normy przewidują zawartość tytanu równą co najmniej 5-krotnej zawartości węgla, a niobu co najmniej 10-krotnej
130 JW (tabl. 7.14), Są to ilości większe niż potrzeba do związania węgla, ale tytan i niob wiążą również azot, którego zawartość w tych stalach wynosi zwykle 0,01 ÷ 0,02% i dlatego dodatki tych pierwiastków oblicza się z pewną rezerwą na związanie azotu. Tablica 7.14 Stale austenityczne odporne na korozję wg PN-71/H-86020 Znak stali 00H18N10 0H18N9 1H18N9 0H18N10T 1H18N9T 1H18N12T 0H18N12Nb 00H17N14M2 H17N13M2T H18N10MT C max 0,03 max 0,07 max 0,12 max 0,08 max 0,10 max 0,10 max 0,08 max 0,3 max 0,08 max 0,10 Skład chemiczny, % Cr 17,0+19,0 17,0-19,0 17,0+19,0 17,0+19,0 17,0+19,0 17,0-19,0 17,0-19,0 16,0---18,0 16,0+18,0 17,0+11,0 Ni 10,0+12,5 9,0+11,0 8,0-10,0 9,0-11,0 8,0+10,0 11,0+13,0 10,0+13,0 12,0+15,0 11,0+14,0 9,0+11,0 inne składniki — Ti5xC÷0,7 Ti5xC÷0,8 Ti5xC÷0,8 Nb10xC÷1,1 Mo 2,0÷2,5 Ti 5xC0÷,7 Mo 1,5÷2,2 Ti5xC÷0,8 Mo 3,0÷4,0
Ti 0,3÷0,6 Mn 7,0-9,0 0H17N4G8 max 0,07 16,0+18,0 4,0+5,0 N 0,12÷0,25 1H17N4G9 max 0,12 16,0+18,0 3,5+4,5 Mn 8,0÷10,5 N 0,15÷0,25 00H18N5M3S max 0,03 17,0+19,0 4,5+5,5 Mo 3,0÷4,0** Si 1,0÷2,0 *' Zawartość Mn max 2,0 z wyjątkiem stali 0H17N4G8 i 1H17N4G9, zawartość Si max 0,8, zwartość P max 0,045, zawartość S max 0,030. ** Stal OOH18N5M3S nie jest ujęta w normie PN-71/H-86020. Trzecim sposobem (najskuteczniejszym) zapobiegania korozji międzykrystalicznej jest obniżenie zawartości węgla do 0,02 ÷ 0,03%. Zastosowanie tego sposobu stało się możliwe dopiero po opanowaniu metod wytapiania stali o tak niskiej zwartości węgla. Obniżenie zawartości węgla wywołuje niestabilność austenitu pojawienie się ferrytu. Aby tego uniknąć, powiększa się zawartość niklu z 8 ÷ 9% do 10 ÷ 13%. To samo dotyczy stali stabilizowanych tytanem lub niobem (tabl. 7.14). Oprócz korozji międzykrystalicznej stale austenityczne 18/8 ulegają również korozji wżerowej i naprężeniowej. Korozję wżerową wywołują głównie jony chloru, bromu, jodu, fluoru i inne. Powodują one lokalną depasywację powierzchni, na skutek czego miejsca pozbawione warstwy ochronnej stają się anodą wobec pasywnej powierzchni i w miejscach tych rozpuszczanie się metalu zachodzi bardzo szybko. Korozji wżerowej zapobiega w pewnym stopniu dodatek molibdenu. Stosuje się dodatki w ilości 2 ÷ 4% Mo. Mikrostruktura stali z dodatkiem Mo widoczna jest na rys. 7.21. Ze względu na ferrytyzujący wpływ molibdenu (dodatek Mo sprzyja powstawaniu struktury ferrytycznej) powiększa się w tych stalach zawartość niklu. Na przykład gdy dodatek Mo wynosi 3-4%, zawartość niklu dochodzi do 16% (stal OH17N16M3T, tabl. 7.14). Stale austenityczne są również wrażliwe na korozję naprężeniową. Warunkiem jej wystąpienia jest równoczesne działanie naprężeń rozciągających i środowiska korozyjnego, głównie roztworów chlorków magnezu, wapnia, sodu, roztworów alkalicznych i in.
0H17N16M3T
max 0,08
16,0+18,0
14,0+16,0
131 JW Większą odporność na korozję naprężeniową wykazują stale austenityczne o znacznie zwiększonej zawartości niklu oraz stale o strukturze częściowo ferrytycznej, co z kolei wymaga obniżenia zawartości niklu. Przykładem jest stal 00H18N5M3S (tabl. 7.14) o strukturze austenityczno-ferrytycznej (rys. 7.22).
Rys. 7.21. Mikrostruktura austenitycznej stali chromowo-niklowej z dodatkiem molibdenu i tytanu (H17N12M2T). Widoczne ziarna austenitu z bliźniakami rekrystalizacji oraz wydzieleniami węglików Mo i Ti oraz azotków Ti. Traw. elektrol. w kwasie szczawiowym. Powiększ. 150x
Rys. 7.22. Austenityczno-ferrytyczna struktura stali 00H18N5M3S o zwiększonej odporności na korozję naprężeniową. Traw. elektrol. w kwasie szczawiowym. Powiększ. 150x
Najskuteczniejsze są jednak takie środki, które pozwalają na uniknięcie naprężeń lub obróbka powierzchni wywołująca naprężenia ściskające w warstwie wierzchniej. Najważniejsze gatunki stali austenitycznych odpornych na korozję zestawiono w tabl. 7.14. Stale 0H17N4G8 i 1H17N4G9 są gatunkami oszczędnościowymi, w których nikiel zastąpiono częściowo manganem i azotem. Odporność tych stali na korozję międzykrystaliczną jest porównywalna ze stalami 0H18N9 i 1H18N9. Nadają się one do głębokiego tłoczenia i są stosowane głównie w przemyśle spożywczym, w architekturze, do wyrobu przedmiotów gospodarstwa domowego itp. Szczegółowe dane dotyczące odporności na korozję stali austenitycznych w różnych środowiskach podane są w specjalnych tablicach, wykazach i normach PN-71/H-86020). W praktyce jednak odporność tych stali wymaga skrupulatnego sprawdzenia przed ich zastosowaniem, zwłaszcza w środowiskach szczególnie agresywnych. Stale austenityczne w stanie przesyconym (od temp. 1050 ÷ 1100°C, chłodzenie w wodzie) są stosunkowo miękkie i bardzo ciągliwe, Rm wynosi ok. 500 ÷ 700 MPa, a wydłużenie A powyżej 40%. Umowna granica plastyczności R02 wynosi ok. 200 ÷ 250 MPa. Obniżenie zawartości węgla poniżej 0,03% powoduje obniżenie Rm do 450 ÷ 650 MPa i R0,2 do 180 MPa. Ta stosunkowo niska wytrzymałość powoduje często konieczność stosowania grubszych ścianek w elementach konstrukcyjnych. Zwiększenie wytrzymałości tych stali można uzyskać przez zwiększenie zawartości azotu bez szkodliwego wpływu na odporność chemiczną. Inną możliwością powiększenia granicy plastyczności i wytrzymałości stali austenitycznych jest zgniot (rys. 7.23). Sposób ten stosuje się zwłaszcza do cienkich blach i taśm walcowanych na zimno. Na tej drodze istnieje możliwość uzyskania wytrzymałości na rozciąganie ok. 1200 MPa, przy zachowaniu wystarczającej ciągliwości. Rys. 7.23. Zmiana własności mechanicznych stali austenitycznej (18% Cr, 8% Ni, 0,2% C) pod wpływem zgniotu)
132
7.6.2. Stale żaroodporne i żarowytrzymałe
JW
Stale przeznaczone do pracy w podwyższonych temperaturach powinny się odznaczać odpornością na korozyjne działania gazów, zwłaszcza utleniających, czyli powinny być żaroodporne. Od stali tych wymaga się również, aby były żarowytrzymałe tj. aby wykazywały znacznie wyższe własności wytrzymałościowe w wysokich temperaturach w porównaniu z innymi stalami. Szybkość utleniania żelaza i stali niskostopowych wzrasta gwałtownie powyżej ok. 560 oC na skutek tworzenia się tlenku FeO (wustytu), który umożliwia szybką dyfuzję tlenu do żelaza i dalsze jego utlenianie. Podstawowymi pierwiastkami stopowymi, które chronią stal przed utlenianiem są: Cr, Al i Si. Pierwiastki te mają większe powinowactwo do tlenu aniżeli żelazo i tworzą szczelne warstewki tlenków Cr2O3, Al2O3 SiO2, które utrudniają dyfuzję tlenu w głąb metalu. Im wyższa temperatura pracy danego elementu, tym większa jest potrzebna zawartość pierwiastka stopowego dla zapewnienia żaroodporności. Na rysunku 7.24 przedstawiono wpływ zawartości chromu na żaroodporność stali. Jak widać, wpływ na żaroodporność ma również struktura stali. Przy tej samej zawartości chromu stale austenityczne są nieco bardziej żaroodporne niż stale ferrytyczne.
Rys.7.24. Wpływ zawartości chromu na żaroodporność stali; l - stale austenityczne, 2 - stale ferrytyczne Wzrost żarowytrzymalości, która jest związana przede wszystkim z wysoką odpornością na pełzanie, powodują dodatki stopowe podwyższające temperaturę topnienia i rekrystalizacji stali, a więc: Mo, W, C, Co oraz Ti, Cr i Si. Również bardziej korzystna jest struktura austenityczna stali, co wynika m.in. z wyższej temperatury rekrystalizacji austenitu. Ponadto na podwyższenie żarowytrzymałości znacznie wpływa wzrost wielkości ziarna i wydzielanie faz o dużej dyspersji (utwardzanie dyspersyjne). Ze względu na zastosowanie i strukturę wśród stali przeznaczonych do pracy w podwyższonych temperaturach można wyróżnić kilka grup. Zasady znakowania tych stali są analogiczne, jak stali stopowych konstrukcyjnych i stali odpornych na korozję.
Stale żarowytrzymałe stosowane do budowy kotłów i turbin parowych.
Są to na ogół stale ulepszane cieplnie, które po chłodzeniu na powietrzu mogą mieć strukturę ferrytyczno-perlityczną, perlityczno-bainityczną, martenzytyczną, martenzytycznoferrytyczną itp. W większości są to stale niskostopowe (z wyjątkiem martenzytycznych, które zawierają ok. 12% Cr) o małej i średniej zawartości węgla (0,10 ÷ 0,35%). Po ulepszaniu cieplnym, które kończy się wysokim odpuszczaniem struktura większości tych stali składa się z ferrytu i węglików stopowych. Polska norma PN-75/H-84024 obejmuje 26 gatunków stali
133 JW stopowych przeznaczonych do pracy w podwyższonych temperaturach, stosowanych w budowie kotłów parowych i wodnych, zbiorników ciśnieniowych, turbin, rurociągów pary i wody oraz innych urządzeń energetycznych. Stale te mają następujące oznaczenia, z których wynika ich orientacyjny skład chemiczny: 19G2, 16M, 20M, 15HM, 20HM, 10H2M 12HMF, 13HMF, 15HMF, 20MF, 21HMF, 20HMFTB, 15HCuMNb, 23H2MF 24H2MF, 26H2MF, 30H2MF, 22H2NM, 33H2NMJ, 20H3MWF, 32HN3M 34HN3M, 15H11MF, 15H12WMF, 20H12M1F, 23H12MWF. Wszystkie te stale, z wyjątkiem czterech ostatnich zawierających po ok. 12% Cr (stale martenzytyczne), są stalami niskostopowymi. Dobre własności mechaniczne w podwyższonych temperaturach uzyskuje się przede wszystkim dzięki zawartości molibdenu i wanadu, i utwardzaniu wydzieleniowemu węglikami. Temperatura długotrwałej pracy tych stali wynosi, zależnie od gatunku 400 ÷ 600°C. Górna granica ich zastosowania nie może przekraczać 600°C, ponieważ powyżej tej temperatury szybkość dyfuzji węgla i pierwiastków stopowych wzrasta, następuje koagulacja węglików i zanik utwardzenia, co powoduje obniżenie naprężeń wywołujących odkształcenia plastyczne, i wzrost szybkości pełzania. Ponadto temperatura 600°C jest dla tych stali (z wyjątkiem wysokochromowych) krytyczna ze względu na gwałtowny wzrost szybkości utleniania.
Rys. 7.25. Wytrzymałość na rozciąganie różnych stopów żarowytrzymałych w zależności od temperatury badania; l - stal konstrukcyjna niskostopowa chromowo-niklowa, 2 stal żarowytrzymała ferrytyczna, 3 - stal żarowytrzymała austenityczna, 4 żarowytrzymały stop na osnowie niklu Z tego względu do pracy w wyższych temperaturach lub w warunkach powodujących intensywną korozję gazową stosuje się stale wysokostopowe ferrytyczne dużej zawartości chromu lub austenityczne chromowo-niklowe, wykazujące wyższą odporność na utlenianie.
Stale wysokochromowe ferrytyczne. Stale te charakteryzują się wysoką żaroodpornością, którą zapewnia duża zawartość chromu oraz dodatki Al i Si (tabl. 7.15). Natomiast żarowytrzymałość tych stali jest stosunkowo niska i z tego względu są one stosowane na nisko obciążone elementy pracujące w wysokich temperaturach, jak np. części żaroodporne kotłów parowych, pojemniki do wyżarzania, szyny, kołpaki i rury do pieców przemysłowych, części aparatury do destylacji siarki, części gazogeneratorów itp. Stale austenityczne chromowo-niklowe. Odznaczają się również wysoką żaroodpornością jak stale ferrytyczne wysokochromowe, natomiast są bardziej żarowytrzymałe i dlatego mogą być stosowane na części obciążone mechanicznie, pracujące w wysokich temperaturach (rys. 7.25). Skład chemiczny tych stali podano w tabl. 7.15. Wysoką odporność na utlenianie zapewnia znaczna zawartość chromu (16 ÷ 26%) i dodatek krzemu (1 ÷ 2,5%). Na żaroodporność wpływa dodatnio także nikiel, który nadaje stali strukturę austenityczną. Obróbka cieplna stali austenitycznych polega na przesycaniu od temperatur 1050 ÷ 1150°C w wodzie lub w powietrzu
134 JW (elementy o małym przekroju o grubości do 2 mm). Stale o większej zawartości niklu (20 ÷36%) są stosowane na części aparatury i urządzeń pracujących pod bardzo silnym obciążeniem mechanicznym w wysokich temperaturach. Stale zaworowe. Zawory w silnikach spalinowych pracują w bardzo trudnych warunkach. Narażone są na działanie wysokich temperatur dochodzących w przypadku zaworów wylotowych do 900°C, zaworów wlotowych - do 500°C, a jednocześnie są silnie obciążone mechanicznie na skutek uderzenia o gniazda zaworów i narażone na ścieranie w prowadnicach i w miejscach styku z popychaczami. Ponadto na zawory działają spaliny często zawierające tlenki ołowiu, które powodują silną korozję. W tablicy 7.15 podano gatunki stali zaworowych produkowane w kraju. Dwa pierwsze H9S2 i H10S2M są to tzw. silchromy, czyli stale chromowo-krzemowe, które można hartować na martenzyt. Temperatura austenityzowania wynosi dla tych stali ok. 1050°C. Hartowanie przeprowadza się w oleju, a następnie odpuszcza się w zakresie 750 ÷ 850°C. Silchromy wykazują dość wysoką żarowytrzymałość do ok. 700°C. Powyżej tej temperatury wytrzymałość zaczyna jednak dość szybko spadać. Stale te są stosowane głównie na wylotowe oraz wlotowe zawory silników spalinowych samochodowych i motocyklowych.
Stale żaroodporne i żarowytrzymałe (wg PN-71/H-86022)
Tablica 7.15 Struktura po obróbce cieplnej ferryt i perlit ferryt i perlit ferryt ferryt ferryt ferryt ferryt ferryt i austenit austenit austenit austenit austenit austenit austenit austenit sorbit sorbit austenit i węgliki austenit i węgliki
Średnia zawartość, % Znak stali C 0,15* 0,15* 0,15* 0,12* 0,12* 0,12* 0,15* 0,20* 0,15 0,20* 0,20* 0,20* 0,20* 0,35 0,15* Si 0,50* 1,75 1,2* 1,15 0,9 1,45 1,0* 2,5* 1,5* 1,0* 2,2 1,0* 2,5 2,5 1,7 2,5 2,2 0,8* Inne Cr Ni składnik 5,0 0,5* Mo0,5 6,0 0,6* 17,0 0,6* 13,0 0,5* AI0.9 18,0 0,5* AI1,0 24,0 0,5* Al 1,4 25,0 0,6* Ti(4xC) 26,0 4,5 18,0 9,5 23,0 13,5 20,0 12,0 23,0 18,5 25,0 19,5 18,0 25,0 16,0 36,0 Stale zaworowe 9,0 0,60* 10,0 0,50* Mo0,8 14,0 14,0 W 2,5 Mo 0,35 21,0 4,0 N0,45
H5M H6S2 2H17 H13JS H18JS H24JS H25T H26N4 H18N9S H23N13 H20N12S2 H23N18 H25N20S2 H18N25S2 H16N36S2
Żaroodpo rność w powietrzu do temp. °C 650 800 850 950 1050 1200 1100 1100 850 1050 1050 1050 1150 1100 1100 850 900 900 900
H9S2 0,40 H10S2M 0,40 4H14N14W 0,45
50H21G9N 0,50 0,5* * Zawartość maksymalna
Dwa następne gatunki (4H14N14W2M i 50H21G9N4) są to stale austenityczne, które w zakresie temperatury 800 ÷ 900°C wykazują jeszcze wystarczającą wytrzymałość i są stosowane w trudniejszych warunkach pracy: stal 4H14N14WZM na najbardziej obciążone zawory wylotowe i wlotowe silników lotniczych, a stal 50H21G9N4, która wykazuje dobrą odporność na korozję powodowaną przez tlenki ołowiu - na najbardziej obciążone zawory wylotowe silników samochodowych. Struktura obu tych stali składa się z austenitu i węglików. Można je utwardzać wydzieleniowo, stosując przesycanie od temperatury 1100 ÷ 1150°C i starzenie w temperaturze 700 ÷ 750°C przez kilkanaście godzin. Jednak stal 4H14N14WZM ze względu na
135 JW niebezpieczeństwo rozrostu ziarn w czasie nagrzewania do przesycania i niekorzystne wydzielanie się węglików na granicach ziarn w czasie starzenia, częściej jest stosowana tylko po kuciu w zakresie temperatury 1150 ÷ 900°C i wyżarzaniu zmiękczającym w temperaturze ok. 850°C.
7.6.3. Stale stopowe o szczególnych własnościach fizycznych
Do tej grupy stali można zaliczyć stale o specjalnych własnościach magnetycznych (są omówione w rozdziale dotyczącym materiałów magnetycznych), stale oporowe, stopy żelaza o specjalnej rozszerzalności cieplnej i inne. Jako materiały o dużym oporze elektrycznym używane są stale chromowo-niklowe i chromowo-aluminiowe. Stosuje się je głównie na oporniki oraz elementy grzejne pieców przemysłowych i laboratoryjnych i innych urządzeń. Stale oporowe Cr-Ni zawierają ok. 20% Ni i 20% Cr, 60% Fe oraz dodatki Mn i Si (1 ÷ 2%). Temperatura pracy wynosi maksymalnie ok. 1000°C. Stale oporowe Cr-Al są to stale ferrytyczne zawierające 12-27% Cr i 3-7% Al. W kraju produkowane są z następującymi oznaczeniami: H13J4, H17J5, H25J5, 0H25J5. Ze wzrostem zawartości chromu odporność na utlenianie zwiększa się coraz bardziej. Górne temperatury stosowania tych stali wynoszą odpowiednio 850-1200°C. Wadą tych stali jest to, że po pewnym okresie pracy stają się kruche i pękają przy próbach zginania; z tego względu elementy grzejne umieszcza się w specjalnych obudowach o kształtach dostosowanych do określonych wymagań. Jako stopy o specjalnej rozszerzalności cieplnej znalazły zastosowanie głównie stopy Fe-Ni. Zależnie od zawartości niklu wartość współczynnika rozszerzalności cieplej a tych stopów zmienia się w granicach l ,2 ÷ 20,0 ⋅10 -6 °C -1. Najniższy współczynnik z tej grupy stopów ma stop o zawartości ok. 36% Ni noszący nazwę inwaru. Stopy Fe-Ni z dodatkiem 6 ÷ 12% Cr odznaczają się tym, że ich moduł sprężystości podczas nagrzewania zmienia się bardzo mało, czyli mają stałą sprężystość nie zmieniającą się z temperaturą. Jednym ze stopów tego typu jest tzw. elinwar stosowany na sprężyny do dokładnych przyrządów pomiarowych. Współczynnik rozszerzalności cieplnej podobny do współczynnika niektórych szkieł ma stop o zawartości 54% Fe, 28% Ni i 18% Co noszący nazwę femico, który jest stosowany do wtapiania przejść elektrycznych w różnych przyrządach i lampach. Istnieje również szereg odmian tych stopów o podobnych własnościach.
7.7. Staliwa węglowe i stopowe
Staliwo jest to stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami, zawierający do około 2,0% węgla, otrzymywany w procesach stalowniczych w stanie ciekłym odlewany do form odlewniczych. Odlewy takie mogą być używane bezpośrednio po zakrzepnięciu bez obróbki cieplnej lub mogą być obrabiane cieplnie, względnie poddawane obróbce cieplno-chemicznej. Jako materiał konstrukcyjny staliwo wykazuje wiele zalet, ma lepsze własności wytrzymałościowe i plastyczne w porównaniu z żeliwem, a także dobrą spawalność zwłaszcza niskowęglowe i niskostopowe). Wykazuje jednak gorsze własności odlewnicze ze względu na skurcz dochodzący do 2% i wysoką temperaturę topnienia dochodzącą do 1600°C.
7.7.1. Staliwa węglowe konstrukcyjne ogólnego przeznaczenia Polska norma PN-ISO 3755:1994 wymienia 8 gatunków staliw węglowych konstrukcyjnych ogólnego przeznaczenia. Gatunki te oznacza się dwiema liczbami trzycyfrowymi lub dwiema liczbami trzycyfrowymi i literą W: 200-400, 200-400W, 230-450, 230-450W, 270-480, 270480W, 340-550, 340-550W. Pierwsza liczba oznacza wymaganą minimalną wartość Re lub Rg, w MPa, a druga - minimalną wytrzymałość na rozciąganie Rm również w MPa. Gatunki zawierające na końcu literę W mają dodatkowo określoną maksymalną zawartość poszczególnych pierwiastków (czyli tzw. ograniczony skład chemiczny), w celu zapewnienia dobrej (jednolitej) spawalności. Staliwa, których oznaczenie nie zawiera litery W, nie mają obowiązującego składu chemicznego poza fosforem (max 0,035%) i siarką (max 0,035%). Natomiast gatunki z literą W
136 JW mają max 0,25% C i zróżnicowaną w zależności od gatunku zawartość Mn od max 1,00% do max 1,50%, oraz określoną maksymalną zawartość pozostałych pierwiastków (jednakowa dla tych gatunków): ≤ 0,60% Si, ≤ 0,035% P, ≤ 0,035% S, ≤ 0,40% Ni, ≤ 0,35% Cr, ≤ 0,40% Cu, ^ ≤ 0,15% Mo i ≤ 0,05% V. Wytrzymałość na rozciąganie Rm zależy od gatunku staliwa i zawiera się w granicach od 400 ÷ 550 MPa do 550 ÷ 700 MPa, a wydłużenie Amin odpowiednio - od 25% do 15%. Staliwa węglowe konstrukcyjne ogólnego przeznaczenia mogą być obrabiane cieplnie. Zwykle poddaje się je normalizowaniu, wyżarzaniu zupełnemu lub wyżarzaniu odprężającemu.
7.7.2. Staliwa stopowe Staliwa stopowe, podobnie jak stale, zawierają specjalnie wprowadzone dodatki stopowe, które nadają im określone własności. Sposób znakowania gatunków staliw stopowych jest analogiczny, jak stali stopowych konstrukcyjnych, z tą różnicą, że w przypadku staliw na początku znaku znajduje się litera L. Za literą L znajdują się cyfry określające średnią zawartość węgla w setnych procentu, następnie litery symbole) analogiczne jak w przypadku stali stopowych konstrukcyjnych rozdz. 7.4.3), które określają pierwiastki stopowe, i cyfry, które podają średnią zawartość danego pierwiastka w procentach. Jeżeli zawartość pierwiastka stopowego nie przekracza średnio 2%, to podaje się tylko litery stanowiące symbole tego pierwiastka. Staliwa stopowe ze względu na zastosowanie dzielą się na: Staliwa stopowe konstrukcyjne — Polska Norma PN-H/83156:1997 obejmuje 23 gatunki staliw tej grupy o następujących oznaczeniach: L20G, L35G, L15GM, L30GS, L35GM, L35GN, L30H, L40H, L17HM, L25HM, L25HN, L35HM, L40HF, L30HMF, L30HGNM, L35HGS, L35HNM, L20HN3M, L30H2N2M, 35H2MF, L12H13, L12H13N4M, L0H13N4M. W normie podany jest skład chemiczny poszczególnych gatunków i ich własności mechaniczne. Wytrzymałość na rozciąganie Rm powyższych staliw w stanie normalizowanym zawiera się w graniach od 450 do 800 MPa, a w stanie ulepszonym cieplnie po normalizowaniu – od 450 do 1200 MPa. Staliwa do pracy w podwyższonych temperaturach — PN-89/H-83157 (9 gatunków: L20, L16M, L20M, L20HM, L18H2M, L15HMF, L18HM, L21HMF, L17HMF). Staliwa te charakteryzują się określonymi własnościami mechanicznymi określoną granicą pełzania w zakresie temperatury do 600°C.
Staliwa stopowe odporne na korozję (nierdzewne i kwasoodporne) charakteryzujące się zwiększoną odpornością na działanie korozyjne atmosfery, kwasów oraz niektórych ośrodków korozyjnych - PN-86/H-83158 (14 gatunków). Ze względu na zawartość pierwiastków stopowych i struktury osnowy rozróżnia się następujące staliwa odporne na korozję: - chromowe martenzytyczne (LOH13, LH14, LH14N), - chromowo-niklowe austenityczne (LH18N9, LH18N9T, LH16N5G6), - chromowo-niklowo-molibdenowe austenityczne (LH18N10M2, L0H18N10M2, L0H18N9M, LH18N10M2T), - chromowo-niklowe austenityczno-ferrytyczne (L0H12N4M, LH21N5, LH12N5M, LH21N5T). Wszystkie gatunki staliwa odpornego na korozję mogą być spawane. Zastosowanie tych staliw jest podobne jak stali nierdzewnych i kwasoodpomych o podobnym składzie chemicznym. Staliwa żaroodporne i żarowytrzymałe - PN-90/H-83159 (9 gatunków). Staliwo żaroodporne charakteryzuje się odpornością na bezpośrednie działanie płomienia lub spalin w wysokich temperaturach. Staliwo żarowytrzymałe wykazuje w wysokich temperaturach wyższe własności wytrzymałościowe niż inne staliwa pracujące w tych temperaturach. Gatunki LH18S2, LH26, LH29S2G, LH26N4S2 są wysokochromowymi staliwami żaroodpornymi przeznaczonymi do pracy przy małych obciążeniach. Zawartość węgla jest wysoka (1,3 ÷ 1,5% C, z wyjątkiem LH26 - 0,5% C). Struktura tych staliw składa się z perlitu i
137 JW węglików lub ferrytu i węglików. Staliwo LH29S2G są ponadto bardzo odporne na ścieranie w wysokich temperaturach. Gatunki LH17N8G, LH19N14G, LH23N18G, LH25H19S2, LH17N37S2G są chromowoniklowymi staliwami żarowytrzymałymi i żaroodpornymi, o strukturze austenitycznej. Obróbka cieplna i zastosowanie tych staliw są analogiczne jak austenitycznych stali żarowytrzymałych. Stosowane są one również jako kwasoodporne w podwyższonych temperaturach. Staliwa odporne na ścieranie - PN-88/H-83160 (12 gatunków: L20HGSNM, L25SHNM, L30HGN2M, L35GSM, L40GM, L40H3T, L100AGM, L40HM, [20G13, L120G13H, L120G13T oraz L30GS wg PN-87/H-83156). Stosowane są wyjątkiem L120G13, L120G13T i L120G13H) w stanie normalizowanym i ulepszonym na: korpusy sprzęgieł, elementy czerpaków, koparek, koła zębate, części maszyn budowlanych, ogniwa gąsienicowe, płyty pancerne, szczęki do kruszarek koła jezdne do suwnic itp. Staliwa L120G13, L120G13H i L120G13T (wysokowęglowe i wysokomanganowe) mają strukturę austenityczną i są szczególnie odporne na zużycie. Stosowane są w stanie przesyconym najczęściej na rozjazdy kolejowe, gąsienice traktorowe i części łamaczy i kruszarek. Staliwa narzędziowe - PN-90/H-83161. Norma obejmuje 18 gatunków staliw do pracy na zimno i gorąco: L150HSM, L155HNM, L180HNM, L200HNM. L200HSNM, L70H2GNM, L90HMF, L120H21NM, L180H20F, L35H17N2M. L40H5MF, L45HN2MF, L65HNM, L75HMF, L100H2M, L120HWMF. L120HNMF, L210H21S. Staliwa te stosuje się w stanie obrobionym cieplnie, aby zapewnić odpowiednią twardość.
7.8. Żeliwa węglowe
Żeliwami węglowymi nazywa się odlewnicze stopy żelaza z węglem, zawierające teoretycznie powyżej 2,06% C, a praktycznie 2,5 ÷ 4,5% C. Poza tym żeliwa te podobnie jak stale, zawsze zawierają pewne ilości krzemu, manganu, fosforu i siarki pochodzenia metalurgicznego. W przeciwieństwie do stali, większość żeliw odznaczają się niską plastycznością. Węgiel w żeliwach może występować w dwóch postaciach: bądź w stanie wolnym jako grafit, bądź w postaci związanej w cementycie. W zależności od tego rozróżnia się żeliwa szare, które niezależnie od struktury osnowy (ferrytycznej, perlitycznej lub ferrytyczno-perlitycznej) zawierają wydzielenia grafitu, oraz żeliwa białe, w których węgiel występuje prawie wyłącznie w postaci cementytu. Nazwy te związane z kolorem ich przełomów. Niekiedy spotyka się żeliwa połowiczne, które miejscami mają budowę żeliw szarych, a miejscami - białych. Struktura żeliw zależy zarówno od ich składu chemicznego (rys. 7.26), jak szybkości krystalizacji metalu, co jest związane z grubością ścianek odlewu.
Rys. 7.26. Wpływ zawartości węgla i krzemu na strukturę żeliw (odlewy piaskowe o grubości ścianek około 30 mm) Krzem, którego zawartość w żeliwach waha się od 0,3 do 5%, sprzyja tworzeniu grafitu. Zmieniając zawartość krzemu można otrzymać różne rodzaje żeliw, całkowicie odmienne
138 JW zarówno pod względem struktury, jak i własności, od żeliwa białego do ferrytycznego szarego. Proces grafityzacji ułatwiają również takie pierwiastki, jak miedź i nikiel. Mangan utrudnia proces grafityzacji, sprzyjając tworzeniu się cementytu. Podobnie działa siarka, której zawartość w żeliwach nie może przekraczać 0,08 ÷ 0,12% (w zależności od wielkości odlewów), ponieważ pogarsza ona własności odlewnicze i zwiększa kruchość. Poza tym do pierwiastków przeciwdziałających grafityzacji należą między innymi chrom, wolfram, molibden i wanad. Ważnym składnikiem żeliw jest fosfor, który zwiększa ich rzadkopłynność dzięki tworzeniu eutektyki fosforowej, nie oddziałując w wyraźnym stopniu na proces grafityzacji.
7.8.l. Żeliwa szare Największe zastosowanie przemysłowe mają jak dotąd żeliwa szare. W żeliwach i grafit występuje w postaci nieregularnych płatków różnej wielkości, tworząc nieciągłości w osnowie metalicznej (rys. 7.27). Wytrzymałość grafitu w porównaniu z wytrzymałością tej osnowy można przyjąć za równą zeru, stąd też żeliwa szare odznaczają się niską wytrzymałością na rozciąganie i zginanie, przy dość dobrej wytrzymałości na ściskanie. Również wytrzymałość zmęczeniowa żeliw jest niewielka, ze względu na istnienie wspomnianych karbów naturalnych. Z tego samego powodu żeliwa szare są mało wrażliwe na działanie wad powierzchniowych, wszelkiego rodzaju karbów konstrukcyjnych itp.
Rys. 7.27, Struktura żeliwa szarego nie trawionego. Widoczne płatki grafitu. Powiększ. 100x
Rys. 7.28. Struktura żeliwa szarego ferrytyczno-perlitycznego z wyraźnie widoczną eutektyką fosforową (jasne, kropkowane obszar. Traw. 5% roztworem alkoholowym HN03. Powiększ. 500x
Główną zaletą żeliwa szarego są przede wszystkim dobre własności odlewnicze przejawiające się wysoką rzadkopłynnością, dobrym wypełnianiem form, mały skurczem odlewniczym (-1%) itd. Inne zalety związane z obecnością wydzielę-grafitu to: dobre własności przeciwcierne i zdolność tłumienia drgań. Dodatkowi zaletą tych żeliw jest niska cena. Grafit, będący jednym z głównych składników strukturalnych żeliw szarych, jest rozmieszczony w osnowie ferrytycznej, ferrytyczno-perlitycznej lub perlityczne przy czym ferryt jest tu nie tylko roztworem stałym węgla w żelazie a, lecz także roztworem krzemu oraz ewentualnie innych pierwiastków w żelazie a i dlatego nosi nazwę krzemoferrytu. Oczywiście perlit jest w przypadku żeliw mieszaniną krzemoferrytu i cementytu. Charakterystycznym składnikiem strukturalnym żeliw szarych jest potrójna eutektyka fosforowa, zwana niekiedy steadytem. W temperaturze powstawania składa się ona z cementytu (Fe3C), fosforku żelaza (Fe3P) i austenitu, w temperatura pokojowej - z cementytu, fosforku żelaza oraz produktów przemiany eutektoidalnej austenitu (perlitu, cementytu wtórnego i trzeciorzędowego). Przy większej zawartości siarki w strukturze żeliw szarych uwidaczniają się również siarczki manganu w postaci lekko niebieskawych wieloboków. Strukturę żeliwa szarego o osnowie ferrytyczno-perlitycznej pokazano na rys. 7.28. Oprócz grafitu płatkowego i składników osnowy wyraźnie widać potrójną eutektykę fosforową w postaci jasnych, kropkowanych obszarów o charakterystycznych kształtach.
139 JW Żeliwa szare zgodnie z PN-92/H-83101 dzielą się na gatunki, przy czym podstawą podziału jest wytrzymałość na rozciąganie, określana na próbkach o średnicy pomiarowej 20 mm, wytoczonych z oddzielnie odlewanych wlewków próbnych. Polska Norma podaje 6 gatunków żeliwa szarego z określoną minimalną wytrzymania na rozciąganie, a mianowicie: 100, 150, 200, 250, 300 i 350 (trzycyfrowa liczba oznacza min. Rm w MPa). Niższe wartości odnoszą się do żeliw o strukturze ferrytycznej, wyższe - do żeliw o strukturze perlitycznej. Wytrzymałość i twardość zesłane na próbkach wykonanych z wlewków próbnych różnią się od wytrzymali i twardości odlewów, gdyż własności te w istotny sposób zależą od grubości ścianek odlewów, zmniejszając się z jej wzrostem. Na przykład żeliwo szare gatunek 100, ze zwiększaniem grubości ścianek odlewu, wykazuje wytrzymałość na rozciąganie 120 ÷ 90 MPa, a żeliwo gatunku 350 – 315 ÷270 MPa. W przypadku wymaganej dobrej obrabialności i odporności odlewów na ścieranie żeliwa szare klasyfikuje się na podstawie twardości, przy czym ustala się 6 klas twardości oznaczających przewidywaną średnią twardość HB w określonym miejscu odlewu (tabl. 7.16). Przewidywane zakresy twardości HB dla różnych grubości ścianki odlewu podano w tabl. 7.17. .
Klasy twardości żeliw szarych (wg PN-92/H-83101)
Tablica 7.16
Klasa twardości H 145 H 175 H 195 H 215 H 235 H 255
Zakres twardości odlewu HB max 170 150-200 170-200 190-240 210-260 230-280
Dla żeliw szarych istnieją ustalone empirycznie zależności między twardością i wytrzymałością na rozciąganie w przypadkach, gdy: Rm ≥ 196 MPa, wówczas HB = RH (100 + 0,438) Rm Rm < 196 MPa, wówczas HB = RH (100 + 0,724) Rm Czynnik RH, czyli tzw. twardość względna, zmienia się w granicach 0,8 ÷1,2 w zależności od materiału wyjściowego, procesu topienia i rzeczywistego procesu metalurgicznego. W poszczególnych odlewniach można ustalić wartość czynnika RH na prawie stałym poziomie i w takich przypadkach, mierząc twardość HB na powierzchni odlewu, można określić jego wytrzymałość na rozciąganie wykorzystując podane zależności. Tablica 7.17 Orientacyjne zakresy twardości żeliw szarych dla różnych grubości ścianki odlewu (wg PN-92/H-83101) Gatunek 2,5 ÷ 5 350 300 250 200 150 100 Twardość HB Grubość 5 ÷ 10 20 ÷ 40 ścianki, mm 280-200 280-200 255-180 280-200 250-180 235-160 260-170 230-150 210-135 225-140 205-125 185-110 <185 <175 <160 40 ÷ 80 260-185 240-165 220-145 190-120 170-100 <150
<280 260-170 <210
140 JW Dzięki swym zaletom, żeliwa szare są materiałem konstrukcyjnym powszechnie stosowanym w przemyśle maszynowym, kolejowym, samochodowym i in. (np. na korpusy maszyn, płyty fundamentowe, pierścienie tłokowe, bębny hamulcowe, tuleje cylindrowe, armaturę). Odmianą żeliw szarych są żeliwa modyfikowane, zawierające bardzo drobny grafit płatkowy. To rozdrobnienie grafitu uzyskuje się przez dodanie do żeliwa przed odlaniem tzw. modyfikatora, najczęściej w postaci sproszkowanego żelazokrzemu. Żeliwa modyfikowane mają wyższą wytrzymałość niż żeliwa zwykłe.
7.8.2. Żeliwa sferoidalne
Żeliwami sferoidalnymi nazywa się żeliwa, w których grafit wydziela się podczas krzepnięcia w postaci kulek. Otrzymuje się je w wyniku procesu modyfikacji, który polega na wprowadzeniu do metalu bezpośrednio przed jego odlewaniem - niewielkiego dodatku magnezu (w stopie z niklem lub miedzią). Struktura osnowy żeliw sferoidalnych, podobnie jak struktura osnowy zwykłych żeliw szarych, może być ferrytyczna (rys. 7.29), ferrytyczno-perlityczna, perlityczno-ferrytyczna lub perlityczna (rys. 7.30). Żeliwa sferoidalne są w Polsce znormalizowane (PN-92/H-83123), przy czym podstawą klasyfikacji są ich własności mechaniczne. Polska Norma podaje dwie odrębne klasyfikacje żeliw sferoidalnych. Pierwsza - opiera się na własnościach mechanicznych określanych na próbkach wyciętych z wlewków próbnych oddzielnie odlewanych. Według tej klasyfikacji rozróżnia się 9 gatunków żeliw (tabl. 7.18). Oznaczenie poszczególnych gatunków składa się z liczby określające minimalną wytrzymałość na rozciąganie w MPa oraz liczby określającej minimalne wydłużenie w procentach. Na przykład oznaczenie 400-15 oznacza żeliwo sferoidalne o Rm min. 400 MPa i wydłużeniu A5 min. 15%.
Rys. 7.29. Struktura żeliwa sferoidalnego ferrytycznego. Widoczne kuliste wydzielenia grafitu na tle ferrytycznej osnowy. Traw. 5% roztworem alkoholowym HNO3. Powiększ. 200x
Rys. 7.30. Struktura żeliwa sferoidalnego perlitycznego. Widoczne kuliste wydzielenia grafitu w otoczce ferrytycznej na tle perlitycznej osnowy. Traw. 5% roztworem alkoholowym HNO3. Powiększ. 200x
Druga klasyfikacja opiera się na własnościach mechanicznych określanych na próbkach wykonanych z wlewków próbnych tzw. przylanych (odlewanych razem z odlewem). W tym przypadku, w oznaczeniu gatunku za liczbą określającą minimalne wydłużenie podaje się literę A, np. 400-15A. Ta klasyfikacja zawiera 6 garnków żeliw o wytrzymałości na rozciąganie 320700 MPa, granicy plastyczności 210 ÷ 400 MPa, wydłużeniu 15 ÷ 2% i twardości HB 130 ÷ 320. Dodatkowa klasyfikacja (również zawarta w PN) oparta na twardości mierzonej na samych odlewach rozróżnia 9 gatunków oznaczanych literą H i podaje średnią twardość HB danego gatunku, np. H330, H150 itd. Niezależnie od przyjętej klasyfikacji, wyższa wytrzymałość i twardość odpowiada perlitycznej strukturze osnowy, wyższa plastyczność - strukturze ferrytycznej.
141 Gatunki i własności mechaniczne żeliw sferoidalnych (wg PN-92/H-83123) Gatunek żeliwa 900-2 800-2 700-2 600-3 500-7 450-10 400-15 400-18 350-22 Rm min 900 800 700 600 500 450 400 400 350 R0,2 min 600 480 420 370 320 310 250 250 220 A5 min 2 2 2 3 7 10 15 18 22 Twardość HB 280-360 245-335 225-305 190-270 170-230 160-210 130-180 130-180 <150
JW Tablica 7.18
Struktura osnowy bainit lub martenzyt odpuszczony perlit lub struktura.odpuszczona perlit perlit + ferryt perlit + ferryt ferryt ferryt ferryt ferryt
Żeliwo sferoidalne zastępuje z powodzeniem nie tylko staliwo, lecz również niektóre odkuwki stalowe. Wytwarza się z niego takie części silników samochodowych, jak wały wykorbione, wałki rozrządcze, cylindry i pierścienie tłokowe. W budowie obrabiarek żeliwo sferoidalne wykorzystuje się na koła zębate, wrzeciona, korpusy itd.
7.8.3. Żeliwa białe Żeliwa białe ze względu na zawartość węgla dzielą się na: podeutektyczne, eutektyczne i nadeutektyczne. Struktura żeliwa podeutektycznego (o zawartości węgla poniżej 4,3%), zgodnie z układem równowagi żelazo-cementyt (p. rozdz. 3), składa się w temperaturze 1147°C z austenitu i ledeburytu. W miarę obniżania temperatury z austenitu wydziela się cementyt wtórny. W temperaturze 723°C następuje przemiana austenitu w perlit, a ledeburytu - w ledeburyt przemieniony. Przy dalszym ochładzaniu stopu do temperatury pokojowej, w miarę zmniejszania się rozpuszczalności węgla w żelazie a, wydziela się cementyt trzeciorzędowy (w bardzo małej ilości). W rezultacie, w temperaturze pokojowej struktura żeliwa białego podeutektycznego składa się z perlitu, cementytu i ledeburytu przemienionego (rys. 7.31). Struktura żeliwa eutektycznego (zawierającego 4,3% C) w temperaturze 1147°C składa się z ledeburytu, a w temperaturze pokojowej - z ledeburytu przemienionego. Struktura żeliwa białego nadeutektycznego (zawierającego ponad 4,3% węgla) składa się w temperaturze 1147°C z ledeburytu i cementytu pierwszorzędowego (pierwotnego) krystalizującego w postaci grubych igieł, w temperaturze pokojowej — z ledeburytu przemienionego i cementytu pierwotnego (rys. 7.32).
Rys. 7.31. Struktura żeliwa białego podeutektycznego. Na tle przemienionego ledeburytu widoczne ciemne kryształy perlitu z wydzielonym cementytem wtórnym. Traw. 5% roztworem alkoholowym HNO3. Powiększ. 100x
Rys. 7.32. Struktura żeliwa białego nadeutektycznego. Na tle przemienionego ledeburytu widoczne jasne, iglaste kryształy cementytu pierwszorzędowego. Traw. 5% roztworem alkoholowym HNO3. Powiększ. 100x
142 JW Żeliwa białe, jako materiał konstrukcyjny, prawie nie mają bezpośredniego zastosowania technicznego, natomiast powierzchniowa warstwa żeliwa białego na żeliwie szarym, powstająca przez tzw. zabielenie (tj. szybkie lokalne ochłodzenie odlewu), jest często stosowana w celu zwiększenia odporności materiału na ścieranie. Taką twardą warstwę w żeliwie otrzymuje się umieszczając w formie tzw. ochładzalniki, czyli odpowiednie wkładki metaliczne szybko odprowadzające ciepło. Zabielenie żeliwa szarego stosuje się czasem w przypadku mniej odpowiedzialnych prowadnic korpusów maszyn, bieżni kół wagoników roboczych itp. Żeliwo białe jest materiałem wyjściowym przy wytwarzaniu przedmiotów z żeliwa ciągłego.
7.8.4. Żeliwa ciągliwe Żeliwami ciągliwymi nazywa się żeliwa białe, które wskutek długotrwałego (rzędu kilkudziesięciu godz.) wyżarzania w wysokiej temperaturze (ok. 1000°C) ulegają określonemu uplastycznieniu, dzięki odwęgleniu lub grafityzacji lub obu tym procesom łącznie. W zależności od sposobu przeprowadzania tej obróbki otrzymuje się: - Żeliwa ciągliwe białe, przez wyżarzanie żeliw białych w środowisku utleniającym, np. w rudzie żelaza. Podczas wyżarzania znaczna część węgla zawartego w żeliwie utlenia się, a w warstwie powierzchniowej grubości 1,5 ÷ 2 mm zachodzi zupełne odwęglenie. Przy ochładzaniu zazwyczaj nie wygrzewa się żeliwa w temperaturze poniżej temperatury przemiany, w wyniku czego w metalicznej osnowie rdzenia zachowuje się znaczna ilość perlitu. Przy powierzchni odlewu żeliwo to wykazuje matowobiałą barwę przełomu (ferryt) przechodzącą łagodnie w srebrzystą bliżej środka ścianki odlewu (perlit). - Żeliwa ciągliwe czarne, przez wyżarzanie żeliw białych w środowisku obojętnym. W czasie tego wyżarzania cementyt zawarty w żeliwie rozpada się, a wydzielający się z niego węgiel w postaci grafitu tworzy skupienia zwane węglem żarzenia. Struktura żeliwa w temperaturze wyżarzania składa się więc z austenitu i węgla żarzenia. Kolejnym zabiegiem jest bardzo wolne chłodzenie, warunkujące zachodzenie przemian fazowych zgodnie ze stabilnym układem równowagi żelazo-grafit (z austenitu zamiast cementytu wydziela się grafit). W efekcie, w temperaturze pokojowej otrzymuje się żeliwo, którego struktura składa się ze skupień grafitu (węgla żarzenia) rozmieszczonych w ferrytycznej osnowie (rys. 7.33). Duża ilość wydzieleń grafitu wywołuje ciemną barwę przełomu. - Żeliwa ciągliwe perlityczne, przez wyżarzanie żeliw białych w środowisku obojętnym, lecz bez doprowadzania do końca procesu grafityzacji (szybsze chłodzenie poniżej temperatury przemiany, dzięki czemu w strukturze zachowuje się część cementytu). W wyniku uzyskuje się żeliwo o osnowie perlitycznej lub perlityczno-ferrytycznej i srebrzystej barwie przełomu. W procesie produkcji żeliwa ciągliwego bardzo ważnym czynnikiem jest uzyskanie w odlewie żeliwa całkowicie białego, ponieważ częściowa grafityzacja podczas krzepnięcia i utworzenie się w żeliwie płatków grafitu zakłócają zachodzące w czasie wyżarzania grafityzującego powstawanie zwartych skupień grafitu. W związku z tym zawartość pierwiastków wchodzących w skład żeliwa ciągliwego musi mieścić się w stosunkowo wąskich granicach. Zazwyczaj skład chemiczny żeliwa ciągliwego jest następujący: 2,4 ÷ 2,8 % węgla, 0,8 ÷ 1,4% krzemu, do 1% manganu, do 0,1% siarki i do 0,2 % fosforu.
Rys. 7.33. Struktura żeliwa ciągliwego czarnego. Na tle ferrytu widoczne wydzielenia węgla żarzenia. Traw. 5% roztworem alkoholowym HN03. Powiększ. 100x
143 JW Żeliwa ciągliwe są w Polsce znormalizowane (PN-92/H-83221), przy czym norma rozróżnia 4 gatunki żeliwa ciągliwego białego (tabl. 7.19), 3 - żeliwa ciągliwego czarnego i 7 - żeliwa ciągliwego perlitycznego (tabl. 7.20). Oznaczenie poszczególnych gatunków składa się z liter i cyfr. Litery oznaczają: W - żeliwo ciągliwe białe, B - żeliwo ciągliwe czarne, P - żeliwo ciągliwe perlityczne. Po literze oddzielonej odstępem podawane są dwie cyfry oznaczające minimalną wytrzymałość na rozciąganie w MPa próbki o średnicy 12 mm podzieloną przez 10, a następnie, oddzielone znakiem pauzy, dwie cyfry oznaczające minimalne wydłużenie A3 wyrażone w %. Jeśli wartość wydłużenia jest mniejsza niż 10%, pierwszą cyfrą jest 0. Przykładowe oznaczenia żeliw ciągliwych: W 35—04, B 32—10, P 65—02. Żeliwo ciągliwe odznacza się dobrą skrawalnością, dużą odpornością na działanie dymu i kwaśnej wody kopalnianej. Wykonuje się z niego odlewy o dużej wytrzymałości, dobrej plastyczności, obrabialności i odporności na uderzenia, gdyż łączy w sobie dobre własności odlewnicze żeliwa z dobrymi własnościami mechanicznymi staliwa Tablica 7.19 Własności mechaniczne i twardość żeliw ciągliwych białych (wg PN-92/H-83221) Oznaczenie Średnica gatunku próbki mm 9 W 35-04 12 15 9 W 38-12 12 15 9 W 40-05 12 15 9 W 45-07 12 15
R min MPa 340 350 360 320 380 400 360 400 420 400 450 480
Rmin MPa 170 200 210 200 220 230 230 260 290
A5 min 5 4 3 15 12 8 8 5 4 10 7 4
Twardość HB max 230 200 ; 220 220
Jest szeroko stosowane w przemyśle maszyn rolniczych, samochodowym, obrabiarkowym, w kolejnictwie itp Tablica 7.20 Własności mechaniczne i twardość żeliw ciągliwych czarnych i perlitycznych (wg PN-92/H-83221) Oznaczenie gatunku B 30-06 B 32-12 B 35-10 P 45-06 P 50-05 P 55-04 P 60-03 P 65-02 P 70-02 P 80-01*
*
Rm min 300
R0,2 min MPa -
A5 min 6 12 10 6 5 4 3 2 2 1
Twardość HB max 150 max 150 max 150 150-200 160-220 180-230 200-250 210-260 240-290 270-310
320 350 450 500 550 600 650 700 800
190 200 270 300 340 390 430 530 600
Hartowanie w oleju, a następnie odpuszczanie.
144
7.9. Żeliwa stopowe
JW
Żeliwami stopowymi nazywa się żeliwa zawierające dodatkowo pierwiastki takie jak nikiel, chrom, molibden, aluminium, tytan, wanad, miedź, wolfram, bor lub zwiększone ilości krzemu i manganu. Dobór ww. składników oraz ich wzajemne stosunki ilościowe decydują o własnościach wytrzymałościowych żeliw stopowych, ich odporności na ścieranie i działanie środowisk korozyjnych oraz na oddziaływane utleniających atmosfer w wysokich temperaturach. Polska Norma PN-88/H-83144 podaje 48 gatunków żeliw stopowych dzielących się, w zależności od własności i zastosowania, na 3 grupy: żaroodporne, odporne na korozję i odporne na ścieranie. Żeliwo stopowe oznacza się znakiem gatunku, który zawiera: litery Zl dla żeliwa stopowego szarego i połowicznego, litery Zb dla żeliwa stopowego białego, litery Zs dla żeliwa stopowego sferoidalnego, symbole chemiczne pierwiastków stopowych wg malejącej procentowej zawartości składnika, oraz liczby określające średnią procentową zawartość pierwiastka stopowego, jeżeli jest ona równa lub większa od 0,8%. Żeliwa stopowe żaroodporne. Jest to grupa żeliw wykazujących odporność na korozyjne działanie gazów utleniających w wysokich temperaturach dzięki zawartości takich dodatków stopowych, jak krzem (do 6%), chrom (do 34%) i aluminium (do 8%). Graniczna temperatura pracy tych żeliw zależy od zawartości i wzajemnego stosunku ilościowego ww. dodatków stopowych i w zależności od gatunku żeliwa wynosi 550 ÷1100°C. Oprócz żaroodporności, ta grupa żeliw charakteryzuje się również dobrą odpornością na ścieranie i twardością, a także odpornością na korozyjne oddziaływanie różnych środowisk chemicznych. Polska Norma podaje 10 ganków żeliw stopowych żaroodpornych. Żeliwa stopowe odporne na korozję. Żeliwa węglowe zwykłe są stosunkowo mało odporne na działanie czynników chemicznych. Wprowadzenie do tych żeliw dodatków stopowych, takich jak krzem, nikiel, chrom i miedź znakomicie podwyższa ich odporność na korozyjne i erozyjne oddziaływanie różnorodnych środowisk chemicznych. Polska Norma podaje 8 gatunków żeliw stopowych odpornych na korozję, w tym: l gatunek żeliwa wysokokrzemowego (14 ÷16% Si), 5 gatunków żeliw wysokoniklowych (13,5 ÷32% Ni) o podwyższonej zawartości krzemu, chromu i miedzi oraz 2 gatunki żeliw wysokochromowych (25 ÷34% Cr), wykazujących również bardzo dobrą odporność na ścieranie i doskonałą żaroodporność. Żeliwa stopowe odporne na ścieranie. Jest to najliczniejsza grupa żeliw stopowych, obejmująca zgodnie z Polską Normą 33 gatunki. W większości są to żeliwa wysokostopowe zawierające: 0,5 ÷ 3,1% Si, 0,5 ÷1,2% Mn (tylko l gatunek zawiera do 12% Mn), 0,15 ÷ 2,4% Cr (tylko 2 gatunki żeliw mają wysoką zawartość chromu: jeden do 19%, drugi - do 30% Cr), 0,13 ÷ 5% Ni, 0,5 ÷ 2,0% Cu. Ponadto w 7 gatunkach występują niewielkie zawartości molibdenu, tytanu, wanadu bądź boru. Skład chemiczny tych żeliw jest tak dobrany, że wykazują dobre własności przeciwcierne oraz wytrzymałościowe przy zadowalającej odporności korozyjnej w określonych ośrodkach chemicznych; niektóre gatunki zachowują te własności również w podwyższonych temperaturach.
7.10. Oznaczanie stali wg: PN-EN 10027-1 Systemy oznaczania stali. Znaki stali, symbole główne. EN 10027-1:1992 jest zalecana przez CEN (Europejski Komitet Normalizacyjny) do stosowania przez krajowe komitety normalizacyjne bez jakichkolwiek zmian. PN-EN 10027-1 jest identyczna z EN 10027-1:1992 i została ustanowiona przez Polski Komitet Normalizacyjny 15.12.1994 r. W tej klasyfikacji oznaczeń stali wyróżnia się dwie główne grupy znaków: • znaki zawierające symbole wskazujące na skład chemiczny stali, • znaki zawierające symbole wskazujące na zastosowanie oraz mechaniczne lub fizyczne własności stali.
145 JW W obu grupach znaków po symbolach głównych mogą być podawane symbole dodatkowe. Poniżej podano jedynie, z jakich symboli głównych składa się znak stali. W przypadku staliwa znak gatunku zawierający symbole wskazujące na skład chemiczny poprzedza litera G.
Oznaczanie stali wg składu chemicznego W znakach stali wg składu chemicznego wyróżnia się cztery podgrupy; • stale niestopowe (bez stali automatowych) o średniej zawartości manganu <1%. Znak tych stali składa się z następujących symboli głównych, umieszczonych kolejno po sobie: litery C i liczby będącej 100-krotną średnią wymaganą zawartością węgla; • stale niestopowe o średniej zawartości manganu ≥ 1 %, niestopowe stale automatowe i stale stopowe (bez stali szybkotnących) o zawartości każdego pierwiastka stopowego <5%. Znak tych stali składa się z: liczby będącej 100-krotną wymaganą średnią zawartością węgla, symboli pierwiastków chemicznych składników stopowych stali w kolejności malejącej zawartości pierwiastków oraz liczb oznaczających zawartości poszczególnych pierwiastków stopowych w stali. Każda liczba oznacza odpowiednio, średni procent zawartości pierwiastka pomnożony przez współczynnik wg tabl. 7.21 i zaokrąglony do najbliższej liczby całkowitej. Liczby oznaczające zawartości poszczególnych pierwiastków stopowych należy oddzielić poziomą kreską.
TABLICA 7.21. Współczynnik do ustalania symboli liczbowych pierwiastków stopowych przy oznaczaniu stali stopowych (bez stali szybkotnących) o zawartości każdego pierwiastka stopowego <5% (PNEN 10027-1) Pierwiastek Cr, Co, Mn, Ni, Si, W Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Ce, N, P, S B Współczynnik 4 10 100 1000
Na przykład 55NiCrMoV6-2-2 jest znakiem stali o średnim składzie: 0,55% C, l,5%Ni, 0,6% Cr, 0,2% Mo i poniżej 0,1 % V (jest to stal narzędziowa do pracy na gorąco); • stale stopowe (bez stali szybkotnących) zawierające przynajmniej jeden pierwiastek stopowy w ilości ≥ 5%. Znak tych stali składa się z: litery X, liczby będącej 100-krotną wymaganą średnią zawartością węgla, symboli chemicznych składników stopowych stali w kolejności malejącej zawartości oraz liczb (zaokrąglonych do najbliższej liczby całkowitej) oznaczających średni procent zawartości poszczególnych pierwiastków. Na przykład X5CrNiMol7-12-2 jest znakiem stali o składzie: maks. 0,07% C, 17,5% Cr, 11,6% Ni, 2,25% Mo. Stal ta wg polskiej normy (PN) miałaby oznaczenie 0H17N12M2; • stale szybkotnące. Znak tych stali składa się z następujących symboli literowych i liczbowych: liter HS oraz liczb oznaczających procentowe zawartości (zaokrąglone do najbliższych liczb całkowitych) pierwiastków stopowych w następującej kolejności; wolfram, molibden, wanad, kobalt; np. HS18-0-1 jest znakiem stali oznaczanej wg PN SW18; średnia zawartość pierwiastków w tej stali wynosi: 0,80% C, 18,0% W, 1,25% V. Zawartość Cr w stalach szybkotnących nie jest podawana, gdyż jest we wszystkich gatunkach tych stali taka sama i wynosi od 3,5 do 4,5%.
Oznaczanie stali wg zastosowania i własności Znak stali oznaczanych wg ich zastosowania i własności mechanicznych lub fizycznych zawiera następujące główne symbole: a) S - stale konstrukcyjne, P - stale pracujące pod ciśnieniem, L - stale na rury przewodowe, E - stale maszynowe,
146 za którymi umieszcza się liczbę będącą minimalną granicą plastyczności w MPa; b) B - stale do zbrojenia betonu, za którym umieszcza się liczbę będącą charakterystyczną granicą plastyczności;
JW
c) Y - stale do betonu sprężonego, R - stale na szyny lub w postaci szyn, za którymi umieszcza się liczbę będącą wymaganą minimalną wytrzymałością ni rozciąganie; d) H - wyroby płaskie walcowane na zimno ze stali o podwyższone wytrzymałości przeznaczone do kształtowania na zimno, za którym umieszcza się liczbę będącą wymaganą minimalną granicą plastyczności albo jeżeli jest wymagana tylko wytrzymałość na rozciąganie, wtedy umieszcza się literę T, za którą podaje się wymaganą minimalną wytrzymałość na rozciąganie; e) D - wyroby płaskie ze stali miękkich przeznaczonych do kształtowania na zimno, za którym umieszcza się jedną z następujących liter: 1) C - dla wyrobów walcowanych na zimno, 2) D - dla wyrobów walcowanych na gorąco przeznaczonych do kształtowania na zimno, 3) X - dla wyrobów bez charakterystyki walcowania (na zimno lub na gorąco); oraz dwa symbole cyfrowe lub literowe charakteryzujące stal; f) T - wyroby walcowni blachy ocynowanej, za którym umieszcza się: 1) dla wyrobów o jednokrotnie redukowanej grubości - literę H, za którą podaje się liczbę będącą wymaganą nominalną twardością wg HR 30Tm; 2) dla wyrobów o dwukrotnie redukowanej grubości - liczbę będącą wymaganą nominalną granicą plastyczności; g) M - stale elektrotechniczne, za którym umieszcza się: 1) liczbę będącą 100-krotną wymaganą maksymalną stratnością w W·kg-1, 2) liczbę będącą 100-krotną nominalną grubością wyrobu w mm, 3) liczbę oznaczającą rodzaj blachy lub taśmy elektrotechnicznej, tj.: A - o niezorientowanym ziarnie, D - ze stali niestopowych, nie wyżarzonych końcowo, E - ze stali stopowych, nie wyżarzonych końcowo, N - o normalnie zorientowanym ziarnie, S - o zorientowanym ziarnie i zmniejszonej stratności, P - o zorientowanym ziarnie i dużej przenikalności magnetycznej. Tablica 7.22 Skład chemiczny i własności wytrzymałościowe niektórych stali konstrukcyjnych
Znak stali wg PN-EN
Rodzaj stali
Średni skład stali, %
Re MPa
Inne
Rm MPa
C
Stal niestopowa C10 C35 C60 S355NL S460N C15R 16MnCrB5 20NiCrMoS2-2 0,10 0,35 0,61 ≤0 ,18 ≤0,20 0,15 0,16 0,20 0,45 0,25 0,42 0,34 0,51 0,60
Si
≤0,40 ≤0,40 ≤0,40 ≤0,50 ≤O,6O ≤0,40 ≤0,40 ≤S0,40 ≤0 ,40 ≤0,40 ≤0,40 ≤0,40 ≤0,40 1,65
Mn
0,45 0,65 0,75 1,28 1,35 0,45 1,15 0,80 0,65 0,75 0,75 0,65 0,90 0,75
Cr — — — — — —
0,95 0,53
-
280 390 540 355 460
480 680 950 550 640
Stal niskostopowa o podwyższonej Stal do nawęglania
0,05 ≥ Nb; 0,12 ≥ V; 0,03 ≥ Ti 0,05 ≥ Nb; 0,20 ≥ V; 0,03 ≥ Ti 0,03 S 0,035 ≥ S; 0,0029 B 0,55 Ni; 0,20 Mo; 0,03 S
320 — —
620 650 880 950 1100 1200
550 — —
900 920 1100 1100 1300 1400
Stal do ulepszania C45E cieplnego 25CrMoS4 42CrMoS4 34CrNiMo6 Stal sprężynowa 51CrV4 60Si7
—
1,05 1,05 1,50 1,05
—
0,23 Mo; 0,03 S 0,23 Mo; 0,03 S 1,50 Ni; 0,23 Mo 0,18 V
—
—
147
Składy chemiczne i twardości wybranych stali narzędziowych
Rodzaj stali Znak stali wg PN-EN ISO 4957 C Stal nicslupowa do pracy na zimno C45U C70U C90U C12OIJ 102Cr6 60WCW8 X2IOCrWI2 X153C>MoV12 55NiCrMuV7 32CrMoVI2-2R X40CrMnV5-l X30WOV9-3 HSl8-0-1 HS2-9-2 HS6-5-4 HS2-9-1-8 0,45 0,70 0,90 1,20 1,02 0,60 2,15 1,53 0,55 0,32 0,40 0,30 0.78 1,00 1,32 1,10 Si 0,27 0,20 0,20 0,20 0,25 0,85 0,25 0,35 0,25 0,25 1,00 0,25 ≤0,45 ≤0,70 ≤0,45 ≤0,70 Mn 0,70 0,25 0.25 0,25 0,35 0,30 0,45 0,40 0,75 0,30 0,38 0,30 ≤0,40 ≤0,40 Ą0.40 Ą0.40 Średni skład stali, %
Ci
JW
Tablica 7.23.
Twardość HV minInne 54 57 60 62 60 58 62 61 42 46 50 4ff 63 64 64 66
− − − −
1,50 1,05 12,00 12,00 1,00 2,95 5,15 2,85 4.15 4,00 4,15 4,00
− − − − −
1,95 W; 0,15 V 0,7 W 0,85 Mo; 0,85V 1,65 Ni; 0.45 Mo; 0.10 V 2,75 Mo; 0,55 V 1,35 Mo; 1,00 V 9,00 W; 0,40 V 17.95 W; 1,10 V 8,70 Mo; 1.95 V; 1.80 W 5,60 W; 4,60 Mo; 3,95 V 9,50 Mo; K,00 Co; 1,55 W; 1,10 V
Stal słupowa do pracy na zimno
Stal stopowa do pracy na gorącu
Stal szybkotnąca
Tablica 7.24. Skład chemiczny wybranych stali o szczególnych własnościach
Rodzaj stali Stal odporna na korozję; ferryty czna Stal odporna na korozję; martenzytyczna Stal odporna na korozję; austenityczna Znak wg PN-EN C X6Crl3 X6Crl7 X6CrMol7-l X30Crl3 X17CrNil6-2 X90CrMoV18 X2CrNil9-ll X2CrNiMol7-12-2 X2CrNiMoN17-13-5 X1 CrNiMoCuN25-25-5 X3CrNiMoN27-5-2 X2CrNiMoCuN25-6-3 X10CrAlSil3 X10CrAlSi25 X15CrNiSi20-12 X6CrNiSiNCel9-10 ≤0,08 ≤0,08 ≤0,08 0,30 0,17 0,90 ≤0,03 ≤0,03 ≤0,03 ≤0,02 ≤0,05 ≤0,03 ≤0,12 ≤0,12 ≤0,12 0,06 Si ≤1,00 ≤1,00 ≤1,00 ≤1,00 ≤1,00 ≤1,00 ≤1,00 ≤1,00 ≤1,00 ≤0,70 ≤1,00 ≤0,70 1,05 1,05 2,00 1,50 Mn ≤1,00 ≤1,00 ≤1,00 ≤1,00 ≤1,00 ≤1,00 ≤2,00 ≤2,00 ≤2,00 ≤2,00 ≤2,00 ≤2,00 ≤1,00 ≤1,00 ≤2,00 ≤1,00 Średni skład stali, % Cr 13,00 17,00 17,00 13,00 16,00 18,00 19,00 17,50 17,50 25,00 26,50 25,00 13,00 24,50 20,00 19,00 − − 1,15 Mo 2,00 Ni 1,10 Mo; 0,10 V 11,00 Ni 11,50 Ni; 2,25 Mo 13,50 Ni; 4,50 Mo; 0,17 N 25,50 Ni; 5,20 Mo; 1,50 Cu; 0,21 N 5,50 Ni; 1,65 Mo; 0,125 N 6,50 Ni; 3,35 Mo; 1,75 Cu; 0,225 N 0,95 Al. 1,45 Al 12,00 Ni 10,00 Ni; 0,16 N; 0,055 Ce Inne
Stal odporna na korozję; ferrytyczno-austenityczna Stal żaroodporna; ferrytyczna Stal żaroodporna; austenityczna
Oznaczenia i składy stali odpornych na korozję zaczerpnięto z PN-EN 10088-1, natomiast stali żaroodpornych z PN-EN 10095.
