Stopy żelaza.doc

Klasyfikacja

STOPY ŻELAZA
Definicje

Stal – stop żelaza z węglem i innymi dodatkami stopowymi, zawierający do ok. 2 % węgla, otrzymany w procesach stalowniczych, przeznaczony na półwyroby i wyroby przerabiane plastycznie.

Stal węglowa (niestopowa) – stal niezawierająca specjalnie wprowadzonych dodatków stopowych, jedynie węgiel i ograniczoną ilość pierwiastków pochodzących z rudy i procesu hutniczego.

Stal stopowa – stal zawierająca pierwiastki stopowe, wprowadzone w celu zmiany właściwości w określonym kierunku.

Staliwo - stop żelaza z węglem i innymi dodatkami stopowymi, zawierający do ok. 2 % węgla, otrzymany w procesach stalowniczych, przeznaczony na odlewy.

1 Wpływ węgla na właściwości mechaniczne stali

2 Wpływ węgla na mikrostrukturę stali

STALE NIESTOPOWE
Podział

W zależności od zastosowania:

ü                  Konstrukcyjne (do ok. 0,85%C)

ü                  Narzędziowe (0,6-1,3%C)

ü                  O szczególnych właściwościach

W zależności od zawartości zanieczyszczeń (siarki i fosforu):

ü                  Zwykłej jakości, P = 0,050% masy max., S = 0,050% masy max.

ü                  Wyższej jakości, P = 0,040% masy max., S = 0,040% masy max.

ü                  O określonym przeznaczeniu, w którym dopuszczalne zawartości zanieczyszczeń określają normy

3 Wielkość ziarna w stali

Wielkość ziarna ma duży wpływ na właściwości mechaniczne. Duże ziarno obniża właściwości mechaniczne, zwłaszcza udarność i granicę plastyczności.

4 Schemat obróbki cieplnej wyżarzania

Wyżarzanie normalizujące (normalizacja)

Parametry: 30-50şC powyżej A1 lub Acm, 1-2 min./mm2 przekoju, studzenie w spokojnym powietrzu.

Mikrostruktura po wyżarzaniu: drobnoziarnista, jednakowa na przekroju.

Właściwości mechaniczne po wyżarzaniu: wyraźnie wyższa granica plastyczności i udarność, niewielki wzrost pozostałych właściwości.

Cel:

ü                  Usunięcie skutków przegrzania,

ü                  Ujednorodnienie struktury wyrobów hutniczych,

ü                  Ujednorodnienie struktury w wyrobach spawanych,

ü                  Zapewnienie powtarzalności wyników obróbki cieplnej w produkcji seryjnej poprzez nadanie jednolitej struktury wyjściowej.

Hartowanie i odpuszczanie

Hartowanie polega na nagrzaniu stali do temperatur występowania austenitu, wygrzaniu i szybkim chłodzeniu (w wodzie).

Przemiana austenit ® perlit przy szybkim chłodzeniu zostaje zahamowana; ma miejsce tylko przemiana alotropowa γ ® α, a całość węgla rozpuszczonego w austenicie pozostaje w sieci ferrytu. Powstaje martenzyt – przesycony roztwór węgla w

      Fe α.

5 Pasmo prawidłowych temperatur  hartowania i nieprawidłowe temperatury T1-T10

Efektem zniekształcenia sieci Fe α są naprężenia wewnętrzne powodujące bardzo dużą twardość, wytrzymałość i niską plastyczność  martenzytu.

Po hartowaniu stosuje się zawsze odpuszczanie, czyli nagrzanie stali do temperatur niższych od temperatury występowanie austenitu, wygrzaniu i chłodzeniu w spokojnym powietrzu.

6 Wpływ temperatury odpuszczania na właściwości zahartowanej stali  z 0,4%

Odpuszczanie przeprowadza się w celu:

ü                  Usunięcia naprężeń hartowniczych, przy zachowaniu jak najwyższej twardości i odporności na ścieranie (150-250C). Jest to odpuszczanie niskie, które stosuje się do narzędzi.

ü                  Uzyskania jak największej granicy sprężystości przy względnie dobrej plastyczności (250-500C). Jest to odpuszczanie średnie, które stosuje się do sprężyn i resorów.

ü                  Uzyskania optymalnego zespołu właściwości mechanicznych: wysokiej wytrzymałości i plastyczności (500-650C). Jest to odpuszczanie wysokie, któremu poddaje się stale konstrukcyjne o zawartości 0,25-0,45% C, z których wytwarza się części maszyn takie jak: sworznie, tuleje, wały korbowe, sprzęgła, osie.  Hartowanie i wysokie odpuszczanie nazywa się ulepszaniem cieplnym.

Hartowanie powierzchniowe

W wypadku części maszyn podlegających obciążeniom dynamicznym, takich jak: walce hutnicze i papiernicze, koła kolejowe, kowadła, małe matryce, bijaki młotów mechanicznych, większą trwałość zapewnia duża twardość i odporność na ścieranie tylko warstwy wierzchniej elementu przy rdzeniu mniej twardym i wytrzymałym, ale bardziej ciągliwym. Takie właściwości zapewnia   hartowanie powierzchniowe.

Zasadniczym warunkiem hartowania powierzchniowego jest szybkie intensywne nagrzewanie. Ilość energii cieplnej doprowadzana w jednostce czasu musi być dużo większa od ilości, jaka może przenikać w głąb elementu. Również chłodzenie musi być dostatecznie intensywne, aby przeważająca ilość ciepła zgromadzona w warstwie wierzchniej została odprowadzona przez ośrodek chłodzący.

Orientacyjne właściwości: np. w wypadku stali z 0,4 % C twardość powierzchni i rdzenia: 500 HB i 180HB, głębokość warstwy zahartowanej: 2 mm.

Hartowność – zdolność stali do hartowania; zależy głównie od składu chemicznego stali. Im więcej węgla zawiera stal, tym większa jest jej hartowność. Hartowność zwiększają pierwiastki stopowe:  Ni, Cr, Mn, Mo.

Miara hartowności – głębokość warstwy zahartowanej.

STALE NIESTOPOWE
konstrukcyjne

Stale konstrukcyjne – stosowane w budownictwie oraz  budowie urządzeń i maszyn pracujących w środowiskach mało agresywnych.

Obliczenia konstrukcyjne bazują na granicy plastyczności. Im większa jest zawartość C, tym większa jest granica plastyczności i zdolność stali do przenoszenia obciążeń.

Zastosowanie zależne od zawartości C:

0,10%              blachy do głębokiego tłoczenia (np. karoseryjne)

0,20%              części rowerowe, rurociągi

0,20-0,35          konstrukcje mostów, zbiorników, budynków

0,25-0,45          części maszyn w stanie normalizowanym lub ulepszonym

                         cieplnie, np. sworznie, tuleje, wały korbowe, sprzęgła, osie

0,55-0,65          części maszyn o dużej odporności na ścieranie, np. ślimaki

                         i koła zębate hartowane powierzchniowo lub ulepszane

                         cieplnie

STALE NIESTOPOWE
narzędziowe

Stale narzędziowe – przeznaczone do wyrobu narzędzi do kształtowania i dzielenia materiałów, zwykle w temperaturze pokojowej lub do 250şC.

Wymagane cechy: twardość i odporność na ścieranie

Obróbka cieplna: hartowanie i niskie odpuszczanie

Zawartość C: większa niż w stalach konstrukcyjnych

Zastosowanie zależne od zawartości C:

0,6%         siekiery, narzędzia ślusarskie, murarskie, szewskie

0,7%         młotki, śrubokręty, narzędzia kowalskie

>0,9%      noże do cięcia blach, piły, wiertła, narzędzia grawerskie, pilniki, igły, brzytwy, narzędzia do obróbki kamienia

STALE STOPOWE
Podział

W zależności od zastosowania:

ü                  Konstrukcyjne

ü                  Narzędziowe

ü                  O szczególnych właściwościach

STALE STOPOWE
konstrukcyjne

Większość stali – to stale niskostopowe, zawierające do ok. 5% pierwiastków stopowych.

Stale stosuje się zawsze w stanie obrobionym cieplnie, często hartowanym i odpuszczonym.

Pierwiastki stopowe zwiększają hartowność stali, co pozwala na stosowanie łagodniejszych, bardziej korzystnych ośrodków chłodzących (mniejsze naprężenia).

Grupy stali, np.: do ulepszania cieplnego (Cr, Ni, Mn), sprężynowe (Si), na łożyska toczne (Cr i C=1%)      

Obliczenia konstrukcyjne bazują na granicy plastyczności. Stale stopowe maja wyższą granicę plastyczności niż niestopowe, co pozwala na wykonanie lżejszych konstrukcji i oszczędność materiału. 

STALE STOPOWE
narzędziowe

Przeznaczone na narzędzia:

Ø                  Do pracy na zimno (< 250°C)

Ø                  Do pracy na gorąco (<600°C)

Ø                  Skrawające z dużą szybkością przy temperaturze <650°C

Skład chemiczny stali:

C          0,2 – 1,4%

Cr       12% max.

W        18% max.

Co       10% max.

Mo      10% max.

V           4% max.

Pierwiastki stopowe zapewniają dużą hartowność, dużą twardość i zachowanie dużej twardości podczas pracy w podwyższonej temperaturze.

STALE STOPOWE
o szczególnych właściwościach

Stale odporne na korozję

Zawartość Cr > 13%. Przy

takiej zawartości Cr na

powierzchni stali powstaje

warstwa pasywna,

zbudowana z tlenków Cr i

Fe, o zwartej budowie,

spójna z podłożem,

odnawiająca się, chroniąca

metal przed korozją, tak

jak np. powłoka malarska

Skład chemiczny:

C       0,03 – 0,4%

Cr     13 – 30%

Ni      0 – 30%

Stale kwasoodporne:

Przy dużej zawartości Cr i Ni,  np. 18% Cr i  9% Ni stale mają strukturę austenitu  stopowego o dużej odporności na działanie kwasów nieorganicznych i organicznych.

Zastosowanie:

Narzędzia chirurgiczne, pomiarowe, części maszyn i urządzeń w przemyśle chemicznym, spożywczym, rafineryjnym, petrochemicznym, papierniczym, sprzęt w gospodarstwach domowych.