STALE STOPOWE MASZYNOWE(STOPOWE KONTR.)

l Stale konstrukcyjne stopowe są stosowane w budownictwie oraz w budowie własności

maszyn i urządzeń pracujących w zakresie temperatury od ok. 25 do 300°C,

w środowiskach o niewielkim działaniu korozyjnym. Kryterium doboru stali konstrukcyjnych stanowią najczęściej podstawowe własności mechaniczne. W przypadku obciążeń statycznych, kryterium stanowi granica plastyczności Re lub granica sprężystości Rsp — gdy niedopuszczalne jest odkształcenie plastyczne konstrukcji. W przypadku obciążeń zmęcze­niowych jako kryterium przyjmuje się granicę zmęczenia Zg. Coraz częściej do oceny własności stali konstrukcyjnych oraz specjalnych przyjmuje się własności określane metodami mechaniki pękania, tj. współczynnik intensywności naprężeń Klc, rozwarcie dna karbu Sc(CODc), całkę od­kształcenia u wierzchołka karbu Jc. W niektórych przypadkach o przydatności stali decyduje jej odporność na ścieranie.

pierwiastki stopowe

Własności stali konstrukcyjnych stopowych zalezą od stężenia węgla i pier­wiastków stopowych.Główne znaczenie Cr, Mn, Si, Ni, Mo i innych dodatków stopowych w stalach konstrukcyjnych polega na polepszeniu hartowności stanowiącej podstawowe kryterium doboru tych stali struktury martenzytycznej na założonym przekroju elementu zape­wnia po obróbce cieplnej wydatne zwiększenie własności mechanicznych. Pierwiastki węgliko-twórcze, takie jak np. Cr, V, Mo, W, zwiększają także twardość i odporność na ścieranie w wyniku tworzenia węglików, wpływają na zmniejszenie wielkości ziarn, przeciwdziałają kru­chości odpuszczania (Mo, W) oraz powodują polepszenie wielu innych własności technologicz­nych i użytkowych stali konstrukcyjnych.

W celu uzyskania najkorzystniejszych własności stale konstrukcyjne stopowe należy stoso­wać w stanie obrobionym cieplnie (zwykle po ulepszaniu cieplnym) lub po innych procesach technologicznych (np. regulowanym walcowaniu) zapewniających wykorzystanie pozytywnego oddziaływania pierwiastków stopowych.

znakowanie stali koń strukcyjnych stopoWYCH

Gatunek stali konstrukcyjnych stopowych jest

określany, zgodnie z Polskimi Normami, znakiem stali, składającym się z: * liczby dwucyfrowej na początku znaku, określającej przybliżone stężenie węgla w stali w setnych częściach procentu, • litery lub kilku liter, określających dodatki stopowe• liczb całkowitych, podawanych po znaku literowym poszczególnych pierwiastków, określających przybliżone stężenie dodatków stopowych w stali w procentach, gdy zawartość ich jest nie mniejsza od ok. 2%. Dodanie na końcu znaku litery A oznacza wyższą jakość stali. Mikrododatki w stalach spawalnych niskostopowych o podwyższonej wytrzymałości oznacza się odpowiednio Nb — niob, V -wanad i B - bór.

STALE STOPOWE NA ŁOŻYSKA TOCZNE

zastosowanie i własności Stale konstrukcyjne stosowane do wytwarzania elementów łożysk tocznych powinny cechować się bardzo duża twardością, jednorodnością struktury, wysokim stopniem czystości oraz hartownością, zapewniająca uzyskanie struktury martenzyty-cznej bez austenitu szczątkowego w całym przekroju. Stale te w stanie obrobionym cieplnie są odporne na ścieranie, wykazują dużą wytrzymałość zmęczeniową i statyczną oraz odpowiednia ciągliwość.

skład chemiczny Dużą twardość i odporność na ścieranie zapewnia stalom łożyskowym węgiel o stężeniu ok. l %, a więc znacznie większym niż w innych grupach stali konstrukcyjnych stopo­wych. Wysoka czystość i jednorodna struktura bez skupień i pasmowej segregacji węglików gwa­rantują dużą wytrzymałość zmęczeniową. Wymaganą hartowność stale te osiągąją dzięki dodatkowi ok. 1,5% Cr. W przypadku dużych wymiarów elementów łożysk są stosowane stale, które oprócz Cr zawierają Si i Mn, zapewniające większą hartownoś. Skład chemiczny krajowych stali stosowanychna łożyska toczne(według PN-74/H-84041).

obróbka cieplna Łożyska toczne są wytwarzane, a więc i obrabiane cieplnie, w specjalisty­cznych zakładach produkcyjnych. Wytwarza się je z półwyrobów hutniczych wyżarzonych zmięk­czająco, o jednorodnej strukturze drobnoziarnistego sferoidalnego cementytu w ferrytycznej osno­wie. Elementy łożysk tocznych hartuje się z temperatury 820-840°C w oleju, po czym odpuszcza w temperaturze 180°C przez 1—2 h. Po takiej obróbce cieplnej stale łożyskowe mają struktura niskoodpuszczonego martenzytu drobnolistwowego z równomiernie rozmieszczonymi drobnymi ziarnami cementytu stopowego i wykazują twardość przekraczającą62HRC.

STALE STOPOWE ODPORNE NA KOROZJE

ogólna klasyfikacja Stale odporne na korozję obejmują trzy grupy:• stale trudno rdzewiejące• stale wysokochromowe• stale chromowo—niklowe i chromowo—niklowo—manganowe.

Stale trudno rdzewiejące, o odporności na korozję jedynie nieznacznie większej od stali węg­lowych, zawierają 0,1% C oraz dodatki 1—3% pasywującego Cr i ok. 0,5% Cu, tworzącej na powierzchni warstewkę pasywującą złożoną z siarczanów i węglanów miedzi. Do stali tych są wprowadzane także w niewielkich stężeniach P, Al i Ni. Stale te znajdują zastosowanie głównie jako stale spawalne, pracujące w środowisku atmosfery przemysłowej oraz morskiej.

Stale wysokochromowe o strukturze ferrytycznej, ferrytyczno—martenzytycznej lub marten-zytycznej są odporne głównie na korozję chemiczną w tym na utlenianie w atmosferze powietrza, wody naturalnej i pary wodnej w niskiej i podwyższonej temperaturze, na działanie zimnych roztworów alkalicznych, rozcieńczonych kwasów i soli, z wyjątkiem chlorków i jodków, oraz na działanie ropy naftowej i jej par, paliw, olejów, alkoholi, a także środ­ków spożywczych.

Stale chromowo-niklowe i chromowo—niklowo—manganowe, o strukturze austenitycznej s;

Odkształcenie plastyczne metali

Podstawową próbą wytrzymałości jest statyczna próba rozciągania. Próba ta polega na powolnym, jednoosiowym rozciąganiu próbki aż do jej zerwania. Granica plastyczności jest to naprężenie, przy którym obróbka rozpoczyna się makroskopowo wyraźnie odkształcać. Umowna granica plastyczności jest to naprężenie wywołujące umowne odkształcenie trwałe, równe 0,2 %. Górna granica plastyczności jest to naprężenie niezbędne do zapoczątkowaniu procesu płynięcia. Dolna granica plastyczności jest to wartość, do której zmniejsza się naprężenie.

(Rys.23)

gdzie:

E_r - przewężenie równomierne

E_n - przewężenie nierównomierne

R_e - górna granica plastyczności

E = ΔL / L₀ = (L₁ - L₀) / L₀ *100%

R_p = F_p / S₀

R_sp = F_sp / S₀

R_e = F_e / S₀

R_m = F_m / S₀

E = E_r + E_n

Metody statyczne badania twardości

Pomiar twardości metodą statyczną polega na powolnym wgniataniu w badany materiał wgłębnika o określonym kształcie pod działaniem określonej siły. Rozróżniamy trzy rodzaje pomiarów twardości:

- pomiar makrotwardości (P>30N)

- pomiar przy małych obciążeniach (2N<P<30N)

- pomiar mikrotwardości (P<2N)

Pomiary makrotwardości (prawo podobieństwa Kicka)

P=cd²

Pomiary mikrotwardości (prawo Mayera)

P=cdⁿ

gdzie:

P - obciążenie

c i n - współczynniki materiałowe

d - średnica odcisku

Metoda Rockwella

Zaletą jest prostota przeprowadzania próby twardości (pomiar głębokości odcisku).

Wgłębnik - stożek o kącie wierzchołkowym 120 ; kulka o średnicy 1/16”.

(Rys.25)

HR = H - h

20HRC = 100HRB

Metoda Brinella . Metoda Vickersa

Klasyfikacja stali

Stal jest to plastycznie i cieplnie obrabialny stop żelaza z węglem (do ok. 2% C) oraz innymi pierwiastkami.

Kryteria klasyfikacji stali:

1.Skład chemiczny

-niestopowe (węglowe)

Mn≤1,65%, Si≤0,5%, Cu,Pb≤0,4%, Ni,Cr≤0,3%, Al,Bi,Co,Se,TeV,W≤0,1%, lantanowce,

Ti≤0,05%, Mo≤0,08%, Nb≤0,06%

-stopowe

1.niskostopowe P≤2%, ∑ P≤3,5%

2.średniostopowe P≤8% (2-8%) ∑ P≤12%

3.wysokostopowe P≥% ∑ P≤55%

2.Stopień odtlenienia

-stal uspokojona

-stal pół uspokojona

-stal nie uspokojona

Stale

1.Niestopowe

a)Podstawowe

-nie obrabialne cieplnie

-własności mechaniczne w stanie walcowanym na gorąco

-skład chemiczny

b)Jakościowe

-o kontrolowanym stężeniu Si i P

-o określonym przeznaczeniu

c)Specjalne

2.Stopowe

a)Jakościowe

-spawalne

-elektrotechniczne

-szyny i obudowy górnicze

-z dodatkiem Cu

-sprężyny i odporne na ścieranie

b)Specjalne

-odporne na korozję <1,2%C i ≥10,5%Cr

-szybkotnące ≤0,6%C i 3-6%Cr

-stopowe innych grup

-stopowe konstrukcyjne

-stopowe maszynowe

-żaroodporne

-odporne na pełzanie

-narzędziowe stopowe

-na łożyska toczne

-o szczególnych własnościach fizycznych

Wpływ dodatków stopowych na stale

-umocnienie ferrytu pierwiastkami stopowymi

-umocnienie ferrytu przez wydzielenie faz dyspersyjnych (węgliki, azotki)

-rozdrobnienie ziarna i produktów przemiany austenitu

-zwiększenie hartowności

-opóźnienie procesów odpuszczania

Regulacja struktury stali

-składem chemicznym stali

-modyfikacją wtrąceń metalicznych ( CaCN₂ lub N → AlN, TiN, NbN

-regulowane walcowanie (hamowanie rozrostu ziarn)

-obróbka cieplna (stale bainityczne)

Stale sprężynowe

Zadaniem sprężyn i resorów jest przejmowanie obciążeń dynamicznych oraz tłumienie drgań, dlatego od materiałów przeznaczonych na te części wymaga się: wysokiej granicy plastyczności, dużej wytrzymałości na zmęczenie i wysokich własności plastycznych. Stosuje się stale o zawartości: 0,6%C, 0,7%C, 0,75%C, 0,8%C.

Rm = 110 MPa

R0,2 = 800 - 1000 MPa

Rz = Rm

Zawartość innych pierwiastków: Si 1,5-1,8% ; Cu 0,9-1,2% ;

V 0,1-0,2% ; Cr 0,9-1,1%

Stale na łożyska toczne

Części łożysk takie jak kulki, wałki i pierścienie, które należą do odpowiedzialnych części maszyn i urządzeń muszą odznaczać się: dużą twardością, odpornością na ścieranie, zginanie, ściskanie. A więc stalom przeznaczonym do tego celu stawia się wysokie wymagania w zakresie: twardości, jednorodności struktury, stopnia czystości, hartowności. W Polsce stosuje się cztery rodzaje stali łożyskowych: ŁH6 (0,6%Cr), ŁH9, ŁH15, ŁH15SG (1%Mn, 0,5%Si)

Korozja

1.Korozja w środowisku wilgotnym - mechanizm elektrochemiczny:

-korozja w wodzie i roztworach wodnych

-korozja atmosferyczna

-korozja w glebie

2.Korozja w stopionych solach i żużlu chemicznym - mechanizm elektrochemiczny

3.Korozja (utlenianie) w gazach suchych - mechanizm chemiczny

-w temperaturze normalnej - matowienie i zmiana barwy powierzchni; korozja cierna

-w temperaturze wyższej - tworzenie zgorzeliny

4.Korozja w bezwodnych cieczach organicznych i gazach - mechanizm chemiczny

-w węglowodorach chlorowanych

-w alkoholach

5.Korozja w metalach stopionych - mechanizm fizyczny

Stale trudno rdzewiejące

1.Żelazo Armco - żelazo techniczne, bardzo miękkie, łączna zawartość domieszek nie przekracza 0,1%. Duża czystość zapewnia wysoką odporność na korozję atmosferyczną.

2.Stale odporne na działanie atmosfery przemysłowej (P-Cu, Cr-Cu, Ni-Cu)

3.Stale odporne na działanie atmosfery morskiej (Cr-Al, Cr-AL-Ni)

Obecność Cu w stali redukuje stopień korozji o ok. 20% w ciągu pierwszych pięciu lat i o 40-50% w dalszym okresie. Dodawanie więcej niż 0,35-0,4%Cu jest niecelowe.

Oddziaływanie Cr na odporność korozyjną stali jest widoczne dopiero przy zawartości ok. 1%Cr. Zawartość w stali 3-4%Cr zmniejsza korozję 0 60-70%

Stale chromowe

Ze względu na strukturę, stale nierdzewne o zawartości 13-14%Cr, można podzielić na:

1.ferrytyczne - do 0,15%C (0H13, 1H13, 0H14, 1H14)

2.ferrytyczno-martenzytyczne - 0,15-0,35%C (2H13, 2H14)

3.martenzytyczne - powyżej 0,35%C (3H13, 4H13, 4H14, 3H14)

Stale kwasoodporne

Typowymi stalami kwasoodpornymi są stale austenityczne o zawartości ok. 0,1%C, 18%Cr i 8%Ni. Są to tzw. stale 18-8, które są stosowane we wszystkich krajach. Stale taki mają wyższe własności mechaniczne, większą odporność na korozję i mniejszą skłonność do rozrostu ziarn. Stal ta jest nieodporna na działanie korozji międzykrystalicznej, która jest bardzo niebezpieczna, ponieważ proces niszczenie przebiega po granicach ziarn w głąb materiału i nie pozostawia śladów na powierzchni. Można zmniejszyć skłonność stali 18-8 do korozji międzykrystalicznej poprzez zmniejszenie zawartości C poniżej 0,07% oraz przez wprowadzenie do stali dodatków Ti, Nb, Ta.

Stale o specjalnych własnościach fizykochemicznych

1.Stale i stopy na opory grzewcze

Materiały, które posiadają duży opór właściwy stosuje się na oporniki, elementy grzejne pieców przemysłowych i laboratoryjnych, urządzeń codziennego użytku.

Własności: duży opór elektryczny właściwy, mały współczynnik cieplny oporności, dobra przerabialność plastyczna, duża żaroodporność, wytrzymałość i ciągliwość, dobra spawalność

Podział:

1.oporniki pracujące w zakresie temperatur 300-450°C

2.przyrządy laboratoryjne i urządzenie gospodarstwa domowego pracujące w temperaturach 500-750°C

3.piece laboratoryjne i przemysłowe

-austenityczne 1050-1200°C

-ferrytyczne 1000-1300°C

-stopy specjalne, szlachetne, spiekane 1300-2000°C

2.Stopy o określonym współczynniku rozszerzalności liniowej oraz punkcie przemiany magnetycznej (do połączeń ze szkłem)

Podział:

1.Stopy o małym współczynniku rozszerzalności cieplnej

2.Stopy o dużym współczynniku rozpuszczalności cieplnej

3.Stopy do połączeń ze szkłem (6-8 ⋅ 10^-6 %C)

Metale i stopy o specjalnych własnościach magnetycznych

(RYS.)

Podstawową charakterystyką materiałów magnetycznych jest krzywa magnesowania (pętla histerezy). Na jej podstawie można określić: B_r - pozostałość magnetyczną oraz H_c - koercję. Pole, które jest ograniczone krzywą przedstawia energię zużytą do namagnesowania i odmagnesowania.

Podział:

1.Magnetycznie twarde

Wzrostowi koercji sprzyjają:

-naprężenia w sieci krystalicznej (zgniot, przemiana martenzytyczna, procesy starzenia)

-rozdrobnienie ziarn

-rozpad roztworu stałego na mieszaninę faz lub jej uporządkowanie

1.stale o strukturze martenzytycznej (hartowanie)

-hartowanie od 1050°C (dla stali EH4) do 1250°C (dla stali EH9K15M) - przeprowadzenie węglików do roztworu stałego

-hartowanie od 810°C do 1000°C - uzyskanie drobnoiglastego martenzytu

-odpuszczanie nie może przekroczyć 100-120°C

Stal EH4 stosuje się na magnesy: dla elektroniki prądów silnych i słabych, magnesy licznikowe, induktorowe, profilowe.

2.stopy zawierające Al, Ni, Co i Fe

np.: Al-Ni-Co-Fe - alnico

2.Magnetycznie miękkie

Przykładem są żelazo techniczne i stale niskostopowe, które odznaczają się małą koercją i dużą przenikalnością magnetyczną. Stosuje się je na rdzenie elektromagnesów. Zawartość zanieczyszczeń wpływa na pogorszenie własności magnetycznych i dlatego wymagana jest ich najmniejsza ilość: C≤0,02%, P≤0,015%, S≤0,015%. Na rdzenie transformatorów używa się stali krzemowej o zawartości ok. 4%Si. Stal ta posiada strukturę ferrytyczną oraz odznacza się gruboziarnistością (duża przenikalność magnetyczna). Obróbka cieplna tej stali to: gniot 5-10% na zimno, wyżarzanie w temperaturze 1000°C, atmosfera redukująca. Stal prądnicowa zawiera 1-3%Si i 0,1%C. Stal ta ma gorsze własności magnetyczne, ale lepsze własności wytrzymałościowe i plastyczne.

Stale o specjalnych własnościach mechanicznych

Stale odporne na ścieranie

Największą odporność na ścieranie wykazuje stal manganowa - stal Hadfielda. Zawiera ona 1-1,3%C oraz 11-14%Mn (stosunek C i Mn 1:10). Po nagrzaniu do temperatury 950-1000°C i chłodzeniu w powietrzu ma ona strukturę austenitu z wydzieleniami węglików. Po przesyceniu w wodzie powstaje struktura austenityczna. Własności: Rm = 900-1100 MPa ; Re = 350-450 MPa ; A5 = 50% ; Z = 60% ; twardość 200-250 HB ; U = 300 J/cm².

---