operator_obrabiarek_skrawa_722[02].O1.05

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

SPIS TREŚCI

1. Wprowadzenie

2. Wymagania wstępne

3. Cele kształcenia

4. Materiał nauczania

4.1. Właściwości fizyczne, chemiczne, mechaniczne i technologiczne metali

i stopów

4.1.1.  Materiał nauczania
4.1.2.  Pytania sprawdzające
4.1.3.  Ćwiczenia
4.1.4.  Sprawdzian postępów

11
12
12

4.2. Stale niestopowe (węglowe), wpływ węgla na właściwości stali,

klasyfikacja stali, znakowanie stali

4.2.1.  Materiał nauczania
4.2.2.  Pytania sprawdzające
4.2.3.  Ćwiczenia
4.2.4.  Sprawdzian postępów

13
24
24
25

4.3. Stale stopowe: wpływ dodatków stopowych na właściwości stali,

klasyfikacja stali, znakowanie stali

4.3.1.  Materiał nauczania
4.3.2.  Pytania sprawdzające
4.3.3.  Ćwiczenia
4.3.4.  Sprawdzian postępów

26
32
32
33

4.4. Staliwo. śeliwo

4.4.1.  Materiał nauczania
4.4.2.  Pytania sprawdzające
4.4.3.  Ćwiczenia
4.4.4.  Sprawdzian postępów

34
42
43
43

4.5. Metale nieŜelazne i ich stopy: właściwości, znakowanie, zastosowanie

4.5.1.  Materiał nauczania
4.5.2.  Pytania sprawdzające
4.5.3.  Ćwiczenia
4.5.4.  Sprawdzian postępów

44
49
49
50

4.6. Wyroby hutnicze

4.6.1.  Materiał nauczania
4.6.2.  Pytania sprawdzające
4.6.3.  Ćwiczenia
4.6.4.  Sprawdzian postępów

51
55
56
56

4.7. Rodzaje i zastosowanie tworzyw sztucznych

4.7.1.  Materiał nauczania
4.7.2.  Pytania sprawdzające
4.7.3.  Ćwiczenia
4.7.4.  Sprawdzian postępów

57
63
63
64

4.8. Materiały z proszków spiekanych. Materiały ceramiczne. Materiały

uszczelniające. Materiały lakiernicze. Drewno, szkło, guma

4.8.1.  Materiał nauczania
4.8.2.  Pytania sprawdzające
4.8.3.  Ćwiczenia
4.8.4.  Sprawdzian postępów

65
70
70
71

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4. MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1. Właściwości fizyczne, chemiczne, mechaniczne i technologiczne

metali i stopów

4.1.1. Materiał nauczania

Materiały stosowane w budowie maszyn, dzieli się na metale i niemetale

(tzw. metaloidy). RóŜnorodność grup, rodzajów, klas i gatunków materiałów niemetalowych
jest znaczna i trudna do sklasyfikowania.

Faza metaliczna, stan metaliczny to postać występowania materii w skondensowanych

stanach  skupienia  tj.  stałym  i  ciekłym,  wyróŜnianą  spośród  innych  ciał  stałych  i  ciekłych  ze
względu  na  swoje  specyficzne  własności  zanikające  dopiero  po  przejściu  w  stan  gazowy
reprezentowana  jest  przez  przewaŜającą  większość  (ponad  80)  pierwiastków  chemicznych,
które  ze  względu  na  ich  elektrododatni  charakter  zalicza  się  do  pierwiastków  metalicznych,
a  takŜe  przez  niezmiernie  rozpowszechnione  stopy  i  fazy  międzymetaliczne  tych
pierwiastków.  Faza  metaliczna  materii  właściwa  zarówno  dla  stopów  metali,  a  takŜe
związków  międzymetalicznych  uwarunkowana  jest  specyficznym  charakterem  wiązań
metalicznych.  Charakter  ten  wynika  z  budowy  zewnętrznych  powłok  elektronowych
pierwiastków  elektrododatnich,  charakteryzujących  się  łatwością  uwolnienia  i  uwspólnienia
(kolektywizacji)  swych  elektronów  walencyjnych,  nazywanych  dlatego  elektronami
swobodnymi. Przejawem osłabionego związania elektronów walencyjnych z jądrem atomu są:
niski  potencjał  jonizacyjny  oraz  występujący  efekt  fotoelektryczny  i  zjawisko  emisji
elektronów swobodnych w wyŜszych temperaturach.

Odzwierciedleniem tych stosunków jest równieŜ specyficzna struktura krystaliczna

metali  występujących  w  warunkach  normalnych  w  stanie  stałym  (z  wyjątkiem  rtęci).
Charakteryzują  się  one  wśród  kryształów  gęsto  upakowaną  strukturą  sieci,  w  której  węzły
obsadzają  wyłącznie  dodatnie  jony  metali,  natomiast  wspólne  dla  całej  sieci  elektrony
swobodne znajdują się w pobliŜu tych jonów i pozostają w ustawicznym chaotycznym ruchu
(tzw.  gaz  elektronowy).  Ze  względu  na  taką  budowę  metale  odznaczają  się  połyskiem
i  brakiem  przezroczystości,  maja  duŜy  cięŜar  właściwy,  są  bardzo  dobrymi  przewodnikami
ciepła  i  elektryczności,  odznaczają  się  zarówno  duŜą  spręŜystością  jak  i  zdolnością  do
plastycznych  odkształceń  wzdłuŜ  płaszczyzn  lub  kierunków  najgęstszego  upakowania
atomów,  a  więc  do  łatwych  poślizgów.  W  odróŜnieniu  od  struktury  wewnętrznej  większość
niemetali,  zbudowanych  co  najmniej  z  dwóch  rodzajów  jonów  lub  jonoidów  o  przeciwnych
znakach,  w  sieci  metalicznej  występuje  tylko  jeden  lub  kilka  rodzajów  jonów  dodatnich
metali.

W metalach o własnościach półprzewodnikowych (np. Ge, Si) występują wiązania

o charakterze częściowo metalicznym, a częściowo jonowym, wskutek czego przewodzą prąd
elektryczny wyłącznie jednokierunkowo. W tym przypadku ich elektrony walencyjne noszą
nazwę elektronów prawie swobodnych. Niektóre metale (np. Fe, Co) wykazują specyficzne
właściwości magnetyczne.

Klasyfikacja materiałów metalowych obejmuje:

−

metale, czyli czyste pierwiastki metaliczne, do których zalicza się m. in. aluminium,
chrom, cynę, cynk, kobalt, magnez, miedź, molibden, nikiel, ołów, platynę, srebro, sód,
tytan, uran, wanad, wolfram, złoto, Ŝelazo i inne,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

stopy metali, czyli substancje metaliczne otrzymywane przez stopienie dwu lub więcej
metali, do których często dodaje się pierwiastki niemetaliczne jak węgiel, krzem, siarkę,
fosfor, azot itp.,

−

spieki, czyli półwyroby lub wyroby gotowe otrzymywane metodami metalurgii proszków
przez spiekanie składników metalowych i ceramicznych, metalowo-grafitowych,
metalowo-diamentowych itp.

Klasyfikacja stopów metali obejmuje:

−

stopy Ŝelaza (z węglem), do których zalicza się głownie Ŝeliwo, staliwo i stal (najbardziej

rozpowszechnione),

−

stopy metali nieŜelaznych, do których zalicza się m. in. brąz, mosiądz itp.
Większość metali nie jest uŜywana przez nas w postaci czystej, lecz jako stopy, których

co najmniej jednym składnikiem jest metal. Dzieje się tak, poniewaŜ czyste metale rzadko
mają właściwości dostosowane do potrzeb, a moŜna je łatwo poprawić, stosując róŜnorakie
dodatki.

Do właściwości chemicznych metali i stopów zalicza się odporność na korozje i działanie

czynników chemicznych oraz na działanie temperatury. DuŜą odpornością na korozje
odznaczają się niektóre metale takie jak: srebro, złoto, platyna i w mniejszym stopniu nikiel
i chrom.

Do właściwości fizycznych zaliczamy: gęstość, temperaturę topnienia, temperaturę

wrzenia, ciepło właściwe, przewodność cieplną i elektryczna, właściwości magnetyczne,
rozszerzalność cieplną i wygląd zewnętrzny.
Gęstość jest to stosunek masy ciała jednorodnego do objętości, wyraŜany w kg/m

lub g/cm

Stopy  i  metale  lekkie,  jak  np.:  lit,  sód,  magnez,  aluminium  i  ich  stopy,  odznaczają  się  małą
gęstością.  DuŜą  gęstość  mają  metale  cięŜkie,  jak  np.: Ŝelazo, nikiel, miedź, wolfram, platyna
i ich stopy.

Temperatura topnienia metali i ich stopów jest wyraŜana w stopniach Celsjuusza (

C).

Wszystkie  metale  są  topliwe,  a  poniewaŜ  ich  temperatura  topnienia  waha  się  w  bardzo
szerokich  granicach,  więc  dzieli  się  je  na  łatwo  topliwe,  trudno  topliiwe  i  bardzo  trudno
topliwe. Do metali łatwo topliwych, których temperatura topnienia wynosi do 650°C, zalicza
się między innymi takie metale, jak: cynę, cynk, bizmut, kadm, magnez i ołów. Metale trudno
topliwe  mają  temperaturę  topnienia  do  2000°C.  Są  to  np.:  chrom,  kobalt,  miedź,  nikiel,
platyna  ,  Ŝelazo,  molibden,  tantal  i  wolfram.  Metale  mają  stałą  temperatura  topnienia,
natomiast  temperatura  topnienia  większości  stopów  mieści  się  w  pewnych  zaakresach
temperatury.  Temperatura  topnienia  stopów  metali  jest  zwykle  niŜsza  od  temperatury
topnienia składnika o najwyŜszej temperaturze topnienia.

Temperatura wrzenia dla większości metali jest dość wysoka. Do łatwo wrzących

metali  zalicza  się  kadm  i  cynk.  Temperatura  wrzenia  kadmu  wynosi  767°C,  a  cynku  907°C.
Tę własność cynku wykorzystuje się w hutnictwie otrzymując czysty cynk przez odparowanie
z rudy.

Ciepło właściwe jest to ilość ciepła pobierana (lub oddawana) przez 1 g danej substancji

przy  zmianie  temperatury  o  1°C.  Ciepło  właściwe  zaleŜy  od  rodzaju  substancji,  temperatury
i  sposobu  ogrzewania.  Na  ogół  ciepło  właściwe  cieczy  jest  większe  niŜ  ciała  stałego.  Ciepło
właściwe jest zawsze podawane wraz z zakresem temperatury, dla jakiej je określono.

Przewodnictwo cieplne jest jedną z charakterystycznych cech metali i stopów.

Najlepszym  przewodnikiem  ciepła  jest  srebro,  a  następnie  miedź,  złoto  i  aluminium.
Najgorzej  natomiast  przewodzi  kadm,  bizmut,  antymon,  ołów,  tantal  i  nikiel.  Miarą
przewodnictwa  cieplnego  jest  ilość  ciepła,  jaka  przepływa  przez  przewodnik  o  długości  1  m
o przekroju 1 m

w ciągu 1 godziny przy róŜnicy temperatury 1°C.

Przewodnością elektryczną metali i stopów nazywamy zdolność przewodzenia prądu

elektrycznego. Najlepszym przewodnikiem prądu jest srebro, a następnie miedź, złoto

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

i  aluminium.  Dlatego  na  przewody  elektryczne  uŜywa  się  miedzi  lub  aluminium,  gdyŜ
stawiają  one  najmniejszy  opór  przepływającemu  prądowi  elektrycznemu.  Przewodność
elektryczna maleje ze wzrostem temperatury przewodnika.

Właściwości magnetyczne metali i stopów polegają na zdolności magnesowania się.

Najlepsze właściwości magnetyczne mają Ŝelazo, nikiel i kobalt, a ze stopów – stal.
Z materiałów tych buduje się najlepsze magnesy trwałe.

Rozszerzalność cieplna metali i stopów przejawia się we wzroście wymiarów liniowych

i objętości pod wpływem wzrostu temperatury i kurczeniu się podczas chłodzenia. Największą
rozszerzalność  cieplną  wykazuje  kadm,  a  najmniejszą  wolfram.  Zjawisko  rozszerzalności
cieplnej  ma  duŜe  znaczenie  praktyczne  i  musi  być  uwzględniane  w  konstrukcjach  mostów,
urządzeń  pracujących  w  zmiennych  temperaturach  i  silnikach  cieplnych.  Właściwości
mechaniczne,  najprościej  rzecz  ujmując  określają  odporność  metalu  na  działanie  róŜnych  sił
zewnętrznych.

Wytrzymałość jest określona jako stosunek największej wartości obciąŜenia uzyskanego

w czasie próby wytrzymałościowej do pola powierzchni przekroju poprzecznego badanego
elementu. W zaleŜności od rodzaju obciąŜeń rozróŜnia się wytrzymałość na rozciąganie,
ś

ciskanie, zginanie, skręcanie, ścinanie i wyboczenie.

Twardość określa odporność materiału na odkształcenia trwałe, powstające wskutek

wciskania weń wgłębnika. Próby twardości dokonuje się sposobem: Brinella, Rockwella
i Vickersa.

Udarność, czyli odporność materiałów na uderzenia, sprawdza się za pomocą próby

udarności  polegającej  na  złamaniu  jednym  uderzeniem  młota  wahadłowego  próbki
o określonym kształcie i wymiarach. Miarą udarności jest stosunek pracy zuŜytej na złamanie
próbki  do  pola  przekroju  poprzecznego  próbki.  Próbie  udarności  poddaje  się  materiał
przeznaczony na części, które są naraŜone na uderzenia lub nagłe obciąŜenia, a niekiedy nawet
gotowe juŜ części.
Właściwości  technologiczne  matali  określa  się  jako  ich  przydatność  do  przetwarzana.
Zaliczamy do nich lejność, plastyczność, skrawalność.

Lejność, czyli zdolność ciekłego metalu lub stopu do wypełniania formy odlewniczej,

zaleŜy  od  składu  chemicznego,  struktury  i  temperatury  ciekłego  metalu.  Dla  określenia
lejności  stosuje  się  próbę  odlewania  spirali o znormalizowanych wymiarach. Im większa jest
lejność metalu, tym dłuŜszy odcinek spirali zostanie w czasie odlewania wypełniony metalem.
Z  przetwarzaniem  przez  odlewanie,  związane  jest  takŜe  pojecie  skurczu,  który  jest  róznicą
między wymiarem formy i odlewu mierzonym po upływie pewnego czasu, najczęściej 24h.

Plastyczność określa zdolność ciał stałych do osiągania znacznych odkształceń trwałych

pod działaniem sił zewnętrznych bez naruszania spójności. Pojęciami z wiązanymi
z plastycznościa są wydłuŜenie i przewęzenie czyli zmiany wymiarów jakim podlega element
poddany działaniu sił. Inaczej – jest to przydatność metalu do obróbki plastycznej, czyli
kucia, tłoczenia, walcowania itp.

Skrawalność to podatność materiału do obróbki skrawaniem, bada sie stosujac próby

podczas których okresla się powierzchnie skrawana oraz rodzaj wiórów [1].

Właściowści fizyczne metalu, takie na przykład jak wytrzymałość, twardość, temperatura

topnienia  czy  przewodność  elektryczna  i  cieplna,  zaleŜą  od  jego  struktury  krystalicznej.  Ta
zmienia  się  zaś,  gdy  dodajemy  doń  domieszki.  Powstały  w  procesie  mieszania  stop  ma
strukturę  róŜną  od  struktur  swoich  składników,  róŜne  są  takŜe  jego  właściowści  fizyczne.
Niektóre  stopy  zawierają  substancje  niemetaliczne,  jak  węgiel,  krzem  czy  fosfor,  lecz
większość składa się wyłącznie z metali. Jednym z najbardziej popularnych stopów jest stal –
stop  Ŝelaza  i  węgla.  Stale  stopowe  natomiast  są  stopami  stali  z  innymi  pierwiastkami,
przykładowo chromem, niklem, krzemem czy manganem. Zmieniają one strukturę stali tak, Ŝe

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

moŜliwe jest poddawanie jej róŜnym procesom pozwalającym nadać jej poŜądaną twardość,
spręŜystość i wytrzymałość.

Właściwości wytworzonych wyrobów i elementów w znacznej mierze zaleŜą od

materiałów, z których zostały wykonane. Optymalny dobór materiału, jak równieŜ prawidłowe
określenie wymaganych właściwości, uzyskanych w procesach produkcji, stanowią istotne
składniki procesu konstruowania. Dobór materiału powinien uwzględniać kryteria
konstrukcyjne, technologiczne i ekonomiczne.

Kryterium konstrukcyjne wymaga zapewnienia odpowiednich właściowości gotowemu

elementowi, gwarantujących jego funkcjonowanie, trwałość i niezawodność w określonych
warunkach pracy.

Kryterium technologiczne polega na umoŜliwieniu wykonania części w jak najprostszy

sposób, unikając procesów pracochłonnych, materiałochłonnych i energochłonnych.

Kryterium ekonomiczne sprowadza się do zasady stosowania materiału najtańszego

i najbardziej dostępnego spośród materiałów spełniających pozostałe wymagania.

Materiały konstrukcyjne są produkowane i dostarczane w określonej postaci (odlewy,

odkuwki,  pręty,  blachy,  rury  itp.).  Postać  materiału  decydująco  wpływa  na  technologiczność
i  ekonomiczność  wykonywanej  z  niego  części;  często  wpływa  równieŜ  na  jej  jakość.  Przy
doborze  materiału  jest  konieczne  określenie  nie  tylko  jego  rodzaju  i  gatunku,  lecz  takŜe
postaci,  stanu  oraz  innych  wymagań.  W  normach  dopuszcza  się  wybór  rodzaju  obróbki
cieplnej,  obróbki  plastycznej,  stanu  powierzchni,  tolerancji  wymiarowych  i  wielu  własności
półwyrobów  metalowych,  których  ustalenie  podczas  konstruowania  części  i  umieszczenie
w  postaci  wymagań  na  rysunku  konstrukcyjnym  w  znacznym  stopniu  ułatwia  uzyskiwanie
załoŜonych własności gotowych elementów.

Szczegółowe wymagania oraz sposób ich podawania na rysunkach i w zamówieniach są

określone w normach przedmiotowych dotyczących półwyrobów metalowych.

Charakterystyki materiałów konstrukcyjnych są ujęte nie tylko w normach (państwowe,

branŜowe,  zakładowe),  lecz  takŜe  w  warunkach  technicznych,  kartach  materiałowych,
poradnikach  i  broszurach  wydawanych  przez  hutnictwo,  wydawnictwach  opracowywanych
w ramach tzw. Banków informacji o materiałach oraz wydawnictwach instytutów i wyŜszych
uczelni. Korzystanie z tej obszernej dokumentacji wymaga duŜego doświadczenia oraz wiedzy
metaloznawczej.  Dlatego  dobór  materiału  oraz  procesów  technologicznych  mających  na  celu
nadanie  częściom  określonych  własności  powinien  być  konsultowany  ze  specjalistami
z dziedziny metaloznawstwa, obróbki cieplnej, przeróbki plastycznej itp.

Konstrukcyjne materiały metalowe z wyjątkiem odlewów i proszków spiekanych są

produkowane  w  postaci  półwyrobów  przerobionych  plastycznie  na  gorąco  lub  na  zimno
(kutych,  walcowanych,  ciągnionych,  wyciskanych).  Materiały  takie  wykazują  anizotropię,
róŜnicę  właściwości  mechanicznych  w  zaleŜności  od  kierunku  przeróbki  plastycznej,  co
powinno być uwzględnione przy ich wykorzystaniu na określone elementy.

4.1.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jakie są najwaŜniejsze cechy metali?
2.  Jak klasyfikujemy materiały metalowe?
3.  Jakie metale mają największą odporność na korozję?
4.  Jakie są metody badania twardości?
5.  Jakie są najwaŜniejsze kryteria doboru materiału?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Elementy, które otrzymałeś, wykonane są z róŜnych materiałów, podziel je na dwie grupy

metale i niemetale, scharakteryzuj krótko własności metali.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zastanowić się, czym charakteryzują się metale,
2) wypisać wszystkie cechy na kartce (burza mózgów – nie krytykując Ŝadnego z pomysłów

Twoich koleŜanek/kolegów),

3)  uporządkować zapisane pomysły – odrzucić budzące wątpliwości członków grupy,
4)  podzielić elementy według spisanych cech na metale i niemetale,
5)  zaprezentować efekty pracy grupy na forum klasy.

rodki dydaktyczne:

−

arkusze papieru,

−

mazaki,

−

elementy wykonane z metali i niemetali np. tworzywa sztucznego czy drewna.

Ćwiczenie 2

Wykonaj pomiar twardości metodą Brinella.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z metodą i przebiegiem próby,
2)  przygotować próbki do wykonania ćwiczenia,
3)  wykonać próby pomiaru twardości i zapisać ich wyniki oraz wnioski.

rodki dydaktyczne:

−

twardościomierz Brinella,

−

norma PN-91/H-04350 zawierająca opis przebiegu pomiaru, tabele doboru i odczyt
wyników,

−

próbki metali,

−

arkusze papieru i pisaki.

4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) zdefiniować pojęcie metale?

2) określić kryteria doboru materiałów?

3) zdefiniować pojęcie stop?

4) opisać próbę twardości metoda Brinella?

5) podać chemiczne, fizyczne technologiczne, mechaniczne własności metali?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2. Stale niestopowe (węglowe), wpływ węgla na właściwości stali,

klasyfikacja stali, znakowanie stali

4.2.1. Materiał nauczania

elazo występuje w przyrodzie pod postacią związków chemicznych, najczęściej

z  tlenem.  W  technice,  poza  nielicznymi  wyjątkami,  stosuje  się  stopy  Ŝelaza  z  róŜnymi
składnikami,  z  których  najwaŜniejszym  jest  węgiel:  oprócz  węgla,  techniczne  stopy  Ŝelaza
zawierają  zawsze  pewne  ilości  krzemu,  manganu, siarki i fosforu, przedostające się do stopu
w czasie procesów metalurgicznych. Stal to stop Ŝelaza z węglem o zawartości węgla do 2%.
W zaleŜności od składu chemicznego dzieli się stale na: węglowe (niestopowe) i stopowe.

Stale niestopowe zawierają, oprócz Ŝelaza, gł. węgiel (do 2%) oraz niewielkie ilości

pierwiastków  pochodzących  z przerobu  hutniczego  (zwykle  poniŜej  1%);  są  to
zanieczyszczenia (gł. siarka i fosfor) oraz domieszki, których zawartość nie moŜe przekraczać
określonych umownych ilości: 0,8% manganu, 0,4% krzemu, 0,3% chromu, 0,3% niklu, 0,2%
wolframu,  0,2%  miedzi,  0,2%  kobaltu,  0,1%  aluminium,  0,05%  molibdenu,  0,05%  wanadu,
0,05% tytanu; pod względem zawartości węgla stale węglowe dzieli się na:

−

niskowęglowe (do 0,25% C),

−

średniowęglowe (0,35–0,6% C),

−

wysokowęglowe (powyŜej 0,6% C).
ZaleŜnie od stopnia czystości, określonego zawartością fosforu i siarki, rozróŜnia się stale

węglowe:

−

zwykłej jakości (0,045–0,07% P i 0,045–0,06% S),

−

wyŜszej jakości (do 0,04% P i 0,04% S),

−

najwyŜszej jakości (0,025–0,035% P i 0,025–0,035% S).
W czasie nagrzewania (lub chłodzenia) stopów Ŝelaza zachodzi w nich szereg przemian,

aŜ do topnienia włącznie; obrazuje je tzw. wykres Ŝelazo-węgiel (rys.1).

Rys. 1.Wykres Ŝelazo-węgiel [4].

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Mikrostruktura stali. Stopy Ŝelaza zawierające mniej niŜ 2,0% węgla są kowalne

i  noszą  nazwę  stali.  Nazwa  „Ŝelazo”  odnosi  się  tylko  do  Ŝelaza  chemicznie  czystego  lub
niektórych produktów zbliŜonych, jak np.: Ŝelazo karbonylkowe, Ŝelazo Armco. Budowa stali
jest  krystaliczna.  W  stalach  węglowych  niestopowych  w  stanie  wyŜarzonym,  kryształy,
a  ściślej  mówiąc  ziarna  (krystality),  składają  się  z  dwóch  składników:  ferrytu  i  cementytu.
Ferryt (od łacińskiego słowa ferrum = Ŝelazo) jest to prawie czyste Ŝelazo, o twardości 50–70
HB,  a  więc  zbliŜonej  do  twardości  miedzi.  Cementyt  (Fe

C – węglik Ŝelaza, zwany teŜ

karbidkiem Ŝelaza, o zawartości 6,67% C) jest bardzo twardy; jego twardość leŜy między
twardością korundu i diamentu. Stal jest tym twardsza, im więcej zawiera składnika twardego,
cementytu – czyli im większy jest procent węgla (rys. 2).

Rys. 2. Wytrzymałość i wydłuŜenie podczas rozciągania stali w zaleŜności od zawartości węgla [4].

Wykres  Ŝelazo-węgiel  odnosi  się  do  przemian  w  stanie  zbliŜonym  do  równowagi,  tj.
zachodzących  bardzo  wolno.  Szybkości  grzania  czy  chłodzenia  nie  są  uwzględnione  na
wykresie  i  dlatego,  jeŜeli  chodzi  o  hartowanie,  to  wykres  daje  tylko  wskazówkę,  do  jakiej
temperatury naleŜy ogrzać stal, aby uzyskać zahartowanie [2].

Węgiel bardzo silnie wpływa na własności stali nawet przy nieznacznej zmianie jego

zawartości  i  z  tego  względu  jest  bardzo  waŜnym  składnikiem  stali.  Zwiększenie  zawartości
węgla  powoduje,  jak  juŜ  poprzednio  wspomniano,  zmianę  struktury  stali.  JeŜeli  stal  zawiera
mniej niŜ 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  powyŜej  0,8%  C  oprócz  perlitu
występuje  równieŜ  cementyt  wtórny.  Zmiana  struktury  stali  spowodowana  róŜną  zawartością
węgla wiąŜe się ściśle ze zmianą właściwości mechanicznych.  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 obniŜa właściwości plastyczne, pogarsza równieŜ własności
technologiczne stali węglowej; szczególne znaczenie ma pogorszenie spawalności.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Za  domieszki  zwykłe  stali  uwaŜa  się  mangan,  krzem,  fosfor,  siarkę  oraz  wodór,  azot  i  tlen,
poniewaŜ 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  Ŝelazawego  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. PoniewaŜ jednak wszystkie stale węglowe mają zazwyczaj
mniej  więcej  taką  samą  zawartość  manganu,  to  jego  wpływ  na  własności  róŜnych  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 równieŜ Ŝaroodporność stali. Krzem stabilizuje bardzo
mocno  ferryt,  dlatego  stale  zawierające  więcej  niŜ  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 Ŝelaza, które zawierają róŜne jego ilości. Podczas

wytapiania stali fosfor zostaje z niej usunięty w mniejszym lub większym stopniu, zaleŜnie od
rodzaju  procesu  stalowniczego.  Fosfor  rozpuszczony  w  ferrycie  (graniczna  rozpuszczalność
w  temperaturze  pokojowej  wynosi  ok.  1,2%)  zmniejsza  bardzo  znacznie  jego  plastyczność
i podwyŜsza 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 niŜ
0,1%. Jednak w stalach przeznaczonych na odpowiedzialne wyroby zawartość nawet 0,05% P
jest  niebezpieczna  i  naleŜy  jej  unikać,  poniewaŜ  w  czasie  krystalizacji  stali  zachodzi  silna
segregacja  fosforu,  wskutek  czego  w  pewnych  miejscach  zawartość  fosforu  będzie  dość
znaczna  i  będzie  powodować  kruchość.W  zaleŜności  od  przeznaczenia  stali  ustala  się
ostrzejsze  wymagania  dotyczące  zawartości  fosforu  (np.  max  0,025%). NaleŜy zaznaczyć, Ŝe
w  niektórych  wyjątkowych  przypadkach  zawartość  fosforu  w  stali  moŜe  być  poŜyteczna.  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 Ŝelaza, a ponadto z gazów

piecowych, tzn. z produktów spalania paliwa zawierających dwutlenek siarki (SO

). Siarkę

moŜna  w  znacznej  mierze  usunąć  ze  stali,  jeŜeli  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  Ŝelazie,  lecz  tworzy
siarczek  Ŝelazawy  FeS,  który  jest  składnikiem  eutektyki  Fe  +  FeS  o  temperaturze  topnienia
985°C.  Występowanie  w  stalach  tej  łatwo  topliwej  i  kruchej  eutektyki,  rozmieszczonej
przewaŜnie  na  granicach  ziarn,  powoduje  kruchość  stali  nagrzanych  do  temperatury  800°C
i powyŜej. 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,  Ŝe  podczas  nagrzewania  poczynając  od  temperatury
985°C,  zachodzi  nadtapianie  otoczek  z  siarczku  Ŝelazawego  wokół  ziarn.  Z  tego  powodu
naleŜy uwaŜać siarkę za szkodliwą domieszkę stali.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Dodatek manganu do stali zmniejsza szkodliwe działanie siarki, gdyŜ 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  wyŜszej  niŜ  temperatura  przeróbki
plastycznej na gorąco (800–1200°C). Siarczki w temperaturze przeróbki plastycznej na gorąco
są  plastyczne  i  ulegają  odkształceniu,  tworząc  wydłuŜone  wtrącenia.  Pogarszają  one
wytrzymałość  na  zmęczenie  i  obciąŜenia  dynamiczne  stali.  Siarka  pogarsza  równieŜ
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 nieduŜych ilościach, a ich zawartość zaleŜy

w duŜym stopniu od sposobu wytapiania.

W stali będącej w stanie stałym, gazy mogą występować w kilku postaciach:

−

w stanie wolnym, skupiając się w róŜnych nieciągłościach wewnątrz metalu najczęściej
tworząc tzw. pęcherze,

−

mogą być rozpuszczone w Ŝelazie,

−

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 Ŝelazie i to w całym zakresie temperatury, szczególnie zaś przy przejściu
fazy Fe

w Fe

(patrz układ Ŝelazo-wegiel) oraz w stanie ciekłym. Zmniejsza on w znacznym

stopniu właściwości plastyczne i technologiczne stali oraz powoduje występowanie wielu wad
materiałowych, jak np. tzw. płatków śnieŜnych (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 moŜe jako tzw. kruchość na niebiesko. Niekorzystne działanie azotu przejawia
się takŜe zwiększeniem skłonności stali do starzenia, powodowanym wydzielaniem się
azotków z przesyconego roztworu. Zjawisko to jest szczególnie niekorzystne w stalach
w stanie zgniecionym, gdyŜ wówczas występuje juŜ 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, SiO

i in. Tlen powoduje pogorszenie prawie wszystkich właściowości mechanicznych

i dlatego  dąŜy  się    przez  odpowiednie  prowadzenie  procesu  metalurgicznego  do  obniŜenia
jego  zawartości  w  stali.  Odtlenianie  stali  przeprowadza  się  za  pomocą  stopów  krzemu,
manganu i aluminium. Sposób odtleniania wywiera takŜe duŜy wpływ na wielkość ziarna stali
węglowej.  Bardzo  skutecznym  sposobem  zmniejszania  ilości  wodoru,  azotui  tlenu  oraz
wtrąceń  niemetalicznych  w  stali  jest  wytapianie  lub  odlewanie  jej  w  próŜni.  MoŜna  w  ten
sposób otrzymać stal o lepszych właściwościach dzięki większej czystości i prawie zupełnemu
brakowi rozpuszczonych w metalu gazów.

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 tabeli 1.

Do stali stopowych zalicza się gatunki stali, w których zawartość przynajmniej jednego

pierwiastka jest równa lub większa od zawartości granicznej podanej w tabeli 1

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tabela 1. Granica między stalami niestopowymi i stopowymi [PN-EN 10020:1996].

Nazwa i symbol

chemiczny pierwiastka

Zawartość graniczna

(% wagowy)

Aluminium,
Bor,
Bizmut,
Chrom,
Cyrkon,
Kobalt,
Krzem,
Lantanowce,
Mangan,
Miedź,
Molibden,
Nikiel,
Niob,
Ołów.
Selen,
Tellur,
Tytan,
Wanad,
Wolfram,
Inne (kaŜdy oprócz
fosforu, siarki i azotu),

Al 0,10

B 0,0008

Bi 0,10

Cr* 0,30

Zr* 0,05

Co 0,10

Si 0,50

kaŜdy 0,05
Mn 1.65**

Cu* 0,40

Mo* 0,08

Ni* 0,30

Nb* 0,06

Pb 0,40

Se 0,10

Te 0,10

Ti* 0,05

V* 0,10

W 0,10

0,05

*  JeŜeli  te  pierwiastki  określa  się  dla  stali  w  kombinacji  dwu,  trzech  lub  czterech,  a  ich
zawartości  są  mniejsze  niŜ  podane  w  tablicy,  to  przy  kwalifikacji  stali  naleŜy  dodatkowo
uwzględnić  zawartość  graniczną  wynoszącą  70%  sumy  poszczególnych  zawartości
granicznych tych dwu, trzech lub czterech pierwiastków.
**  JeŜeli  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

Klasy jakości stali niestopowych:

−

stale niestopowe podstawowe,

−

stale niestopowe jakościowe,

−

stale niestopowe specjalne.
Stale podstawowe to gatunki stali o takich wymaganiach jakościowych, jakie moŜna

osiągnąć w ogólnie stosowanym procesie stalowniczym, bez dodatkowych zabiegów
technologicznych. * Oznaczanie stali wg PN-EN 10027-1.

Wyroby z tych stali nie są przeznaczone do obróbki cieplnej (z wyjątkiem wyŜarzania

odpręŜającego, 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.

Właściwości w stanie walcowanym na gorąco lub wyŜarzonym odpręŜające,

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 wydłuŜenie (A) . < 26%,

−

minimalna praca łamania w temp. 20°C na próbkach wzdłuŜnych ISO < 27 J,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

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 naleŜących 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 to gatunki stali, których własności w stanie obrobionym

cieplnie w zasadzie się nie określa, nie określa się równieŜ czystości metalurgicznej wyraŜonej
stopniem zanieczyszczenia wtrąceniami niemetalicznymi. Ze względu na warunki stosowania
wyrobów ze stali jakościowych, wymagania dotyczące np. wraŜliwości na kruche pękanie,
regulowanej wielkości ziarna czy podatności na kształtowanie, są wyŜsze niŜ dla stali
podstawowych, co wymusza większą staranność podczas produkcji.
Przykłady stali naleŜących do tej klasy:
–

stale na wyroby płaskie do kształtowania na zimno,

–

stale konstrukcyjne o zawartości Pmax i Smax poniŜej 0,045%, np.:

•

stale o podwyŜszonej 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 spręŜynowe,

–

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 niŜ 0,02%.
Stale niestopowe specjalne charakteryzują się wyŜszym niŜ stale jakościowe stopniem

czystości metalurgicznej, szczególnie w zakresie zawartości wtrąceń niemetalicznych. Są one
przewaŜnie  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  róŜnorodne
własności  przetwórcze  i  uŜytkowe  stali.  Często  otrzymuje  się  równocześnie  i  w  zawęŜonych
granicach  np.  wysoką  wytrzymałość  lub  hartowność  z  równocześnie  dobrą  ciągliwością,
podatnością na kształtowanie, spawanie itp.

Stale niestopowe specjalne spełniają jeden lub więcej z niŜej wymienionych warunków:

−

określona udarność w stanie ulepszonym cieplnie;

−

określona

hartowność

lub

twardość

powierzchniowa

stanie

hartowanym

i odpuszczonym lub utwardzonym powierzchniowo;

−

określona mała zawartość wtrąceń niemetalicznych;

−

określona maksymalna zawartość fosforu i siarki (kaŜdy z nich):

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

•

< 0,020% według analizy wytopowej,

•

< 0,025% według analizy chemicznej wyrobu (np. walcówka przeznaczona do
produkcji mocno obciąŜonych spręŜyn, elektrod, drutu do zbrojenia opon).

Przykłady stali naleŜących do tej klasy:

−

stale konstrukcyjne o określonej minimalnej pracy łamania próbek wzdłuŜnych ISO
z karbem V, większej niŜ 27 J(dŜuli) 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  niŜsza  niŜ  wartość  graniczna  dla  stali  stopowych;  utwardzanie
wydzieleniowe  uzyskuje  się  zwykle  przez  kontrolowane  chłodzenie  z  temperatury
przeróbki plastycznej na gorąco,

−

stale do spręŜania betonu,

−

stale do ciągnienia (drutu),

−

stale do spęczania na zimno,

−

stale spręŜynowe,

−

stale narzędziowe,

−

stale o określonej przewodności elektrycznej (konduktywności) większej niŜ 9 S/m,

−

stale do produkcji elektrod otulonych lub na drut spawalniczy o zawartości P

max

i S

max,

−

mniejszej niŜ 0,02%.

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 wyróŜnia 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.

W obu grupach znaków po symbolach głównych mogą być podawane symbole dodatkowe.
PoniŜej 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 wyróŜnia 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,

−

stale stopowe (bez stali szybkotnących) o zawartości kaŜdego pierwiastka
stopowego <5%.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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.  KaŜda  liczba  oznacza  odpowiednio,  średni  procent
zawartości  pierwiastka  pomnoŜony  przez  współczynnik  wg  tableli  2  i  zaokrąglony  do
najbliŜszej  liczby  całkowitej.  Liczby  oznaczające  zawartości  poszczególnych  pierwiastków
stopowych naleŜy oddzielić poziomą kreską.

Tabela 2. Współczynnik do ustalania symboli liczbowych pierwiastków stopowych przy oznaczaniu stali

stopowych (bez stali szybkotnących) o zawartości kaŜdego pierwiastka stopowego <5%
[PN-EN100271].

Pierwiastek

Współczynnik

Cr, Co, Mn, Ni, Si, W

Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V,

Ce, N, P, S

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 poniŜej 0,1 % V (jest to stal narzędziowa do pracy na gorąco).

Stale niestopowe podstawowe konstrukcyjne są stosowane zazwyczaj w stanie

surowym  lub  rzadziej  w  stanie  normalizowanym.    Według  PN-88/H-84020  rozróŜnia  się  6
podstawowych  gatunków  stali  w  tej  grupie.  W  zaleŜności  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. 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 podwyŜszonych wymaganiach jakościowych
(o obniŜonej 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 dodatkowo 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 tabeli 3.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tabela 3. Skład chemiczny i własności stali węglowych konstrukcyjnych ogólnego zastosowania

[PN-88/H-84020],

* dla wyrobów o średnicy lub grubości 16–40 mm,

** dla wyrobów o średnicy lub grubości 3–100 mm,
*** dla wyrobów o średnicy lub grubości 3–40 mm.

Kierunek osi próbki: W – wzdłuŜny, 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).

Stale niestopowe do ulepszania cieplnego i utwardzania powierzchniowego naleŜą do

grupy stali o wyŜszych wymaganiach w porównaniu do stali jakościowych i charakteryzują się
wyŜszym  stopniem  czystości.  Zawartość  fosforu  i  siarki  nie  moŜe  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  uŜytkowe  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  przybliŜone  średnie  zawartości  węgla  w  setnych  częściach
procentu (np. 10, 15, 20, 25, 30 itd). Litery po liczbach oznaczają:
G – stal o podwyŜszonej zawartości manganu,
A – stal o podwyŜszonej czystości w zakresie fosforu i siarki,
AA  –  stal  o  zaostrzonych  wymaganiach  w  zakresie  składu  chemicznego  (np.  dotyczących

zawartości węgla, obniŜonej 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 podwyŜszonej dolnej granicy twardości w stosunku do wymaganego pasma

hartowności,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

L – stal o obniŜonej 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 tabeli 4.

Tabela 4. Skład chemiczny niektórych gatunków stali niestopowej specjalnej do nawęglania oraz

normalizowania, ulepszania cieplnego i hartowania powierzchniowego [PN-93/H-840191].

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 tabeli 5. NaleŜy zwrócić uwagę, Ŝe wytrzymałość na rozciąganie RM

granica plastyczności

i udarność KCU2 są znacznie wyŜsze w stanie ulepszonym cieplnie, w porównaniu ze

stanem normalizowanym, a dla stali o większej zawartości węgla (gatunku 55, 60) większe
jest równieŜ wydłuŜenie.

Stale niestopowe jakościowe i specjalne o określonym zastosowaniu

W przemyśle, oprócz omówionych wyŜej stali węglowych konstrukcyjnych ogólnego

zastosowania,  stosuje  się  równieŜ  wiele  gatunków  stali  węglowych  o  określonym  z  góry
zastosowaniu.  Stale  te  z  uwagi  na  konieczność  zapewnienia  szczególnych  własności
uŜytkowych  lub  technologicznych  mają  skład  chemiczny  róŜniący  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  wyŜsze  lub  niŜsze  własności  mechaniczne,  w  porównaniu  do  odpowiednich  stali
ogólnego  zastosowania  o  zbliŜonym  składzie  chemicznym,  jednakŜe  zapewniają  Ŝądane
własności technologiczne i uŜytkowe.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tabela 5. Własności mechaniczne niektórych gatunków stali niestopowej specjalnej w stanie normalizowanym

oraz ulepszonym cieplnie wg (dla wyrobów o średnicy lub grubości mniejszej od 16 mm)
[PN-93/H84019].

* Dla większych wartości grubości wyrobów własności wytrzymałościowe są niŜsze.
** N – normalizowanie.
*** T – ulepszanie cieplne (hartowanie i odpuszczanie wysokie).

Wśród stali węglowych konstrukcyjnych o określonym zastosowaniu moŜna wyodrębnić

następujące waŜniejsze grupy gatunków:

−

stale do wyrobu drutu do patentowania, na liny, na spręŜyny, do konstrukcji spręŜanych,

−

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 najwyŜszej
czystości do wyrobu drutu na liny zawartość fosforu i siarki nie moŜe przekroczyć po 0,020%,
ale łącznie zawartość P+S nie moŜe być wyŜsza niŜ 0,035%.

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, za którymi umieszcza się liczbę będącą minimalną
granicą plastyczności w MPa;

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

b) B – stale do zbrojenia betonu, za którym umieszcza się liczbę będącą charakterystyczną

granicą plastyczności,

c) Y – stale do betonu spręŜonego, R – stale na szyny lub w postaci szyn, za którymi

umieszcza się liczbę będącą wymaganą minimalną wytrzymałością na rozciąganie,

d) H – wyroby płaskie walcowane na zimno ze stali o podwyŜszonej wytrzymałości

przeznaczone do kształtowania na zimno, za którym umieszcza się liczbę będącą
wymaganą minimalną granicą plastyczności albo, jeŜeli 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 wyŜarzonych końcowo (odpręŜająco),
E – ze stali stopowych, nie wyŜarzonych końcowo,
N – o normalnie zorientowanym ziarnie,
S – o zorientowanym ziarnie i zmniejszonej stratności,
P – o zorientowanym ziarnie i duŜej przenikalności magnetycznej.

4.2.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Co to jest stal?
2.  Co to jest stal węglowa (niestopowa)?
3.  Jakie znasz rodzaje stali węglowych (niestopowych)?
4.  Co to są przemiany fazowe?
5.  Jak oznaczamy stale węglowe?

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Odczytaj z PN i katalogów właściwości i zastosowanie następujących stali:

−

St0SX,

−

St3W,

−

10,

−

45G.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z otrzymanymi normami i katalogami,
2)  odszukać podane gatunki stali,
3)  zapisać właściwości i zastosowania wymienionych gatunków stali,
4)  zaprezentować efekt swojej pracy.

rodki dydaktyczne:

−

PN i katalogi zawierające informacje o stalach węglowych,

−

arkusze papieru i pisaki.

Ćwiczenie 2

Odszukaj w PN i katalogach stale do nawęglania i do ulepszania cieplnego, wypisz ich

skład chemiczny oraz właściwości i zastosowanie.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z otrzymanymi normami i katalogami,
2)  odszukać odpowiednie gatunki stali,
3)  zapisać właściwości i zastosowania wymienionych gatunków stali,
4)  uporządkować w grupie odnalezione informacje,
5)  zaprezentować efekty pracy.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

PN i katalogi zawierające informacje o stalach węglowych,

−

arkusze papieru i pisaki.

4.2.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) wyjaśnić pojęcie stal węglowa?

2) wyjaśnić, jaki wpływ na właściwości stali ma zawartość węgla?

3) określić domieszki zwykłe w stali?

4) wyjaśnić, jaki wpływ na właściwości stali ma siarka?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3. Stale stopowe: wpływ dodatków stopowych na

właściwości stali, klasyfikacja stali, znakowanie stali

4.3.1. Materiał nauczania

Stalą stopową nazywa się stal, do której celowo wprowadzono pierwiastki stopowe, aby

nadać jej wymagane właściwości. Według Polskich Norm do stali stopowych zalicza się
gatunki stali, w których najmniejsza wymagana zawartość chociaŜby jednego z pierwiastków
jest równa lub większa niŜ podano w tabeli 1.

Wprowadzenie do stali dodatków stopowych moŜe mieć na celu:

−

uzyskanie określonych właściwości wytrzymałościowych,

−

wywołanie poŜądanych zmian strukturalnych,

−

uzyskanie specjalnych właściwości chemicznych lub fizycznych,

−

podwyŜszenie hartowności,

−

ułatwienie technologii i polepszenie efektów obróbki cieplnej.
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.

Wpływ pierwiastków stopowych na strukturę i właściwości stali

Pierwiastki stopowe dodawane do stali w procesie metalurgicznym w przewaŜającej 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  róŜnice  potencjału  chemicznego  pierwiastków  w  poszczególnych  fazach,
składniki  stopowe  nie  są  równomiernie  rozłoŜone  we  wszystkich  składnikach  strukturalnych
stopu, ale wykazują tendencję do skupiania się w poszczególnych fazach. Węgliki są w stalach
tworzone  przez  metale  połoŜone  w  układzie  okresowym  na  lewo  od  Ŝelaza  (Mn,  Cr,  V,  Ti,
Mo, Nb, Zr, W, Ta, Hf). Pierwiastki te naleŜą podobnie jak Ŝelazo, do metali przejściowych.
Im  dalej  na  lewo  od  Ŝelaza  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  moŜna
uszeregować w następującej kolejności: Fe, Mn, Cr, W, Mo, V, Ti, Zr, Nb.

W stalach powstają najczęściej następujące węgliki:

−

węgliki grupy I – Fe

C, Mn

C, Cr

, Cr

, Fe

C, Fe

−

węgliki grupy II – VC, TiC, NbC, ZrC, WC, W

C, Mo

C, TaC, Ta

NajwaŜniejszy 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
moŜna  osiągnąć  stosując  powolniejsze  chłodzenie,  np.  podczas  chłodzenia  w  oleju  lub
w powietrzu.  Zwiększenie  hartowności  jest  szczególnie  duŜe,  gdy  stal  zawiera  jednocześnie
kilka  pierwiastków  stopowych,  np.  nikiel,  chrom  i  molibden  itp.  Stwierdzono  równieŜ,  Ŝe
bardzo  małe  dodatki  niektórych  pierwiastków  zwiększają  bardzo  wyraźnie  hartowność  stali,
natomiast  większa  ich  zawartość  nie  wywołuje  tak  skutecznego  działania.  Do  takich
pierwiastków  naleŜy  przede  wszystkim  bor  (B).  Optymalna  zawartość  boru  w  stali,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

zapewniająca największą hartowność wynosi zaledwie 0,001–0,003%. W razie większej ilości
boru jego stęŜenie 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.

Klasyfikacja stali wg struktury po wyŜarzaniu i po chłodzeniu na powietrzu

Przyjmując zasadę podziału wg struktury w stanie wyŜarzonym, moŜna wyróŜnić

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 równieŜ zawierać wydzielone węgliki.
Zgodnie z wykresem Fe-Fe

C stale węglowe podeutektoidalne zawierają mniej niŜ 0,8%

C, eutektoidalne ok. 0,8% C, nadeutektoidalne 0,8–2,0% C, ledeburytyt natomiast pojawia się
powyŜej  ok.  2%  C.  PoniewaŜ  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  niŜ
w stalach  węglowych.  Stale  ferrytyczna  i  austenityczna  są  to  najczęściej  stale  o  duŜej
zawartości dodatków stopowych i niskiej zawartości węgla.

Podział stali stopowych ze względu na strukturę przeprowadza się równieŜ w zaleŜności

od  tego,  jaką  strukturę  otrzymuje  się  po  ochłodzeniu  w  spokojnym  powietrzu  próbek
o  nieduŜym  przekroju.  Struktura  ta  moŜe  się  zasadniczo  róŜnić  od  struktury  uzyskanej  po
wyŜarzaniu. W tym przypadku moŜna rozróŜnić trzy podstawowe klasy stali:
–  perlityczną,
–  martenzytyczną,
–  austenityczną.

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,  Ŝe  w  miarę
zwiększania  się  zawartości  pierwiastków  stopowych  wzrasta  trwałość  przechłodzonego
austenitu,  zaś  początek  przemiany  martenzytycznej  obniŜa  się  w  kierunku  niŜszych
temperatur.  NaleŜy  podkreślić,  Ŝe  podana  klasyfikacja  jest  umowna  i  ma  znaczenie
w przypadku  chłodzenia  w  powietrzu  próbek  o  dość małych wymiarach. Zmieniając warunki
chłodzenia, moŜna oczywiście otrzymać w tej samej stali róŜne struktury.

Oznaczanie stali stopowych konstrukcyjnych i maszynowych

Sposób oznaczania róŜnych 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
ś

rednią zawartość węgla w setnych procenta. Litery oznaczają pierwiastki stopowe:

–

G – mangan,

–

S – krzem,

–

H – chrom,

–

N – nikiel,

–

M – molibden,

–

T – tytan,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

–

F – wanad (takŜe 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  wyŜszych  wymaganiach  co  do  składu  chemicznego  (np.  co  do  zawartości  fosforu
i  siarki)  oznacza  się  na  końcu  znaku  literą  A.  Stale  przetapiane  elektroŜuŜlowo  oznacza  się
przez dodanie na końcu znaku stali ś. 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  Ŝaroodporne.  Natomiast  stale
stopowe narzędziowe oznacza się w odrębny sposób wg dawnych cech hutniczych.

Stale niskostopowe o podwyŜszonej wytrzymałości

W wyniku dąŜenia do obniŜania cięŜaru konstrukcji, zwłaszcza budowlanych. i poprawy

wskaźników uŜytkowych opracowanych zostało szereg gatunków stali niskostopowych, które
bez  dodatkowej  obróbki  cieplnej  odznaczają  się  lepszymi  własnościami  mechanicznymi  niŜ
stale węglowe. Są to stale zawierające niewielkie dodatki składników stopowych i wykazujące
w  stanie  dostawy  podwyŜszone  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
duŜych  wartości  Re  i  Rm,  wymaga  się  odpowiedniej  plastyczności,  niskiej  wartości
temperatury progu kruchości, dobrej spawalności oraz niskiej ceny.

Jedną z grup stali spawalnych o podwyŜszonej wytrzymałości stanowią stale

niskostopowe  ostrukturze  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 podwyŜszonej
wytrzymałości oznaczonych znakami:
09G2, 18G2A, 09G2Cu, 18G2ACu,15GA 18G2ANb, 15G2Anb, 18G2AV,15G2ANNb,
18G2AVCu, 18G2.

Stale te, w zaleŜności od wymaganych własności wytrzymałościowych na rozciąganie

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 przybliŜeniu granicę
plastyczności R

w MPa. Granica ta wykazuje pewne niewielkie róŜnice w zaleŜności od

grubości  wyrobu  (3–70  mm).  NaleŜy  określić,  Ŝe  stale  te  mają  znacznie  wyŜszą  (o 50–80%)
granicę plastyczności w porównaniu ze stalami węglowymi zwykłej jakości przeznaczonymi do
spawania,  co  stwarza  moŜliwość  uzyskania  znacznych  oszczędności  materiałowych.
W zaleŜności  od  wymaganej  udarności  w  temperaturze  od  +20  do  -60°C  stale  te  dzielą  się  na
odmiany.  Jak  wspomniano  juŜ  na  wstępie,  omawiana  grupa  stali  musi  charakteryzować  się
dobrą spawalnością.
Stale niskostopowe o podwyŜszonej wytrzymałości ujęte w PN-86/H-84018 mają ekwiwalent
węgla C

nie przekraczający 0,44–0,52.

Stale stopowe konstrukcyjne i maszynowe do ulepszania cieplnego

W przypadkach nie pozwalających na uŜycie stali węglowych ze względu na małą

hartowność lub teŜ zbyt niskie własności wytrzymałościowe, stosuje się stale stopowe
konstrukcyjne i maszynowe do ulepszania cieplnego. Wykonuje się z nich głównie wysoko

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

obciąŜone i waŜne elementy konstrukcyjne maszyn, silników, pojazdów mechanicznych itp.,
zwłaszcza o duŜych przekrojach.

Grupa stali konstrukcyjnych stopowych do ulepszania cieplnego obejmuje znaczną ilość

gatunków o bardzo zróŜnicowanym 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 obciąŜonego PN-72/H-84035), np. sprzętu lotniczego, części
silników spalinowych itp. Skład chemiczny tych dwóch grup stali oraz ich własności
mechaniczne podano w tabeli 6.

Tabela 6. Skład chemiczny niektórych stali stopowych konstrukcyjnych do ulepszania cieplnego

[PN-89/H-84030/04].

Zawartość w %

Temperatura w

Znak stali

węgla

głównych

składników

stopowych

hartowania

odpuszczania

MPa

min

Stale do nawęglania

15H

20H

16HG
18HGT

15HGM

17HGN

15HN

0,12–0,18

0,17–0,23

0,14–0,19
0,17–0,23

0,12–0,19

0,15–0,21

0,12–0,18

Cr 0,70–1,00

Cr 0,80–1,10
Cr 1,00–1,30

Mn 0,80–1,10

Cr 0,80–1,10

Mn 0,80–1,10
Mo 0,15–0,25

Cr 0,80–1,10

Mn 1,00–1,30

Ni 0,60–0,90
Cr 1,40–1,70
Ni 1,40–1,70

880 woda

lub olej

880 woda

lub olej

860 olej
870 olej

840 olej

lub woda

860 olej

lub woda

180 powietrze

lub olej

180 powietrze

lub olej

180 powietrze
200 powietrze

lub olej

180 powietrze

160 powietrze

lub olej

190 powietrze

690

780

830
980

930

1030

980

Stale do ulepszania cieplnego

30G2

45G2

35SG

30H

40H

45H

35HGS

35HM

45HN

37HGNM

0,27–0,35

0,41–0,49

0,31–0,39

0,27–0,35

0,36–0,44

0,41–0,49

0,28–0,35

0,34–0,40

0,41–0,49

0,35–0,43

Mn 1,40–1,80

Mn 1,10–1,40

Si 1,10–1,40

Cr 0,80–1,10

Mn 0,80–1,10

Si 0,90–1,10

Cr 0,90–1,20

Mo 0,15–0,25

Cr 0,45–0,75
Ni 1,00–1,40
Cr 0,40–0,70

Mn 0,80–1,10

Ni 0,40–0,70

Mo 0,15–0,25

850 woda

lub olej

830 olej

900 woda

860 olej

850 olej

840 olej

880 olej

850 olej

820 olej

lub woda

850 woda

lub olej

530 powietrze

lub olej

580 powietrze

lub olej

590 woda

500 woda

lub olej

500 woda

lub olej

540 woda

lub olej

540 woda

lub olej

540 woda

lub olej

530 woda

lub olej

525 powietrze

780

880

980

1030

1080

980

1030

930

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Stal do azotowania

38HMJ

0,35–0,42

Cr 1,35–1,65

Mo 0,15–0,25

Al, 0,70–1,10

940 olej

lub ciepła

woda

640 woda lub

olej

980

Obróbka cieplna stali stopowych konstrukcyjnych polega na hartowaniu w oleju

z temperatury 820–950°C oraz odpuszczaniu najczęściej w zakresie 500–650°C.

Własności mechaniczne zaleŜą od zawartości węgla i pierwiastków stopowych oraz od

temperatury odpuszczania. NiŜsza temperatura odpuszczania pozwala uzyskiwać wysokie
własności wytrzymałościowe przy gorszych plastycznych i odwrotnie, zaleŜnie od stawianych
wymagań.

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. DuŜą 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  duŜej  udarności  i  ciągliwości,  aby  skompensować  niebezpieczeństwo,  które
przedstawia  warstwa  powierzchniowa  o  duŜej  twardości  i  kruchości.  Z  tego  względu
zawartość  węgla  w  stalach  do  nawęglania  jest  niska  i  wynosi  zazwyczaj  0,10–0,25%,
natomiast  wyŜszą  wytrzymałość  rdzenia  uzyskuje  się  dzięki  obecności  pierwiastków
stopowych.  W  porównaniu  ze  stalami  węglowymi  stale  stopowe do nawęglania mają wyŜszą
wytrzymałość  na  rozciąganie  zarówno  w  stanie  zmiękczonym,  jak  i  zahartowanym,  a  dzięki
większej  hartowności  wysoką  wytrzymałość  moŜna  uzyskać  w  elementach  o  większych
przekrojach przy jednocześnie duŜej udarności, duŜym przewęŜeniu i wydłuŜeniu. Przedmioty
wykonane  ze  stali  stopowej  charakteryzuje  więc  po  nawęgleniu  i  zahartowaniu  duŜa
wytrzymałość rdzenia, której nie moŜna uzyskać przy uŜyciu stali węglowych. Z tego względu
stal  stopową  do  nawęglania  stosuje  się  wyłącznie  na  wysoko  obciąŜone,  waŜne  elementy
konstrukcyjne  silników,  pojazdów  mechanicznych  i  samolotów  oraz  na  inne  odpowiedzialne
części  maszyn.  Aby  spełnić  zasadniczy  postulat  uzyskania  najwyŜszej  twardości
powierzchniowej,  naleŜy  warunki  hartowania  dostosować  do  składu  chemicznego  warstwy
nawęglonej, dla której właściwa temperatura hartowania jest znacznie niŜsza niŜ temperatura
hartowania właściwa dla rdzenia. Poza tym temperatura odpuszczania po hartowaniu musi być
niska,  gdyŜ  juŜ  przy  150°C  twardość  warstwy  nawęglanej  zaczyna  się  zmniejszać.  Wobec
tego,  Ŝe  własności  stali  do  nawęglania  nie  moŜna  zmieniać  przez  odpuszczanie,  skład
chemiczny

stali

jest

zasadniczym

czynnikiem

rozstrzygającym

własnościach

wytrzymałościowych rdzenia.

Wynika stąd, Ŝe dobrawszy odpowiednio zawartość pierwiastków stopowych moŜna

uzyskać  jednocześnie  potrzebną  wytrzymałość  rdzenia  w  wymaganym  przekroju  i  poŜądaną
twardość  powierzchniową  po  nawęgleniu.  PoniewaŜ  jednak  kaŜdy  gatunek  stali  pozwala  na
osiągnięcie  tylko  wąskiego  zakresu  wytrzymałości  rdzenia,  aby  uzyskać  szeroki  zakres
wytrzymałości  R

700

–

1500 MPa i spełnić róŜnorodne wymagania dotyczące twardości

powierzchniowej, naleŜy mieć do dyspozycji dość duŜo 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 obciąŜonego

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

(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 zaleŜnie od gatunku równieŜ Mn, Ni, Mo oraz rzadziej Ti i W.
NajniŜsze  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 moŜe być nawęglana w szerokim
zakresie temperatury. Wytrzymałość rdzenia na rozciąganie w tych stalach moŜe 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  chromowo-manganowo-molibdenowymi  (15HGM,  18HGM,  19HM)  równieŜ
wykazującymi  wysokie  własności  mechaniczne  i  duŜą  hartowność.  Elementy  maszyn
wymagające  wysokich  własności  plastycznych  rdzenia  i  jednocześnie  bardzo  wysokiej
wytrzymałości  (R

= 1200–1400 MPa), jak np. części silników lotniczych, wykonuje się ze

stali chromowo-niklowych wyŜszej jakości: większej zawartości chromu (ok. 1,5%) i niklu
(3–4,5%) z dodatkiem Mo (0,2–0,3) lub W (ok. 1%) (np. stali 12HN3A, 12H2N4A,
20H2N4A, 18H2N4WA).

Stale do azotowania

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 takŜe pozostaje nie zmieniona podczas
dłuŜszego wygrzewania w tym zakresie temperatury.

W związku z tym stale do azotowania znajdują duŜe 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, równieŜ 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  moŜliwie  wysokie  własności  wytrzymałościowe  rdzenia.  Stale  te
dzięki  większej  zawartości  węgla  i  pierwiastków  stopowych  odznaczają  się  duŜą
hartownością.

Stale narzędziowe zaliczane sa do stali specjalnych i są stosowane do wyrobu róŜnego

rodzaju narzędzi oraz bardziej odpowiedzialnych części przyrządów pomiarowych. Stale
narzędziowe dzieli się na węglowe, stopowe do pracy na zimno, stopowe do pracy na gorąco
i szybkotnące.

Stale węglowe narzędziowe (PN-84/H-85020) dzieli się na stale płytko hartujące się

i głęboko hartujące się. Stale płytko hartujące się są stosowane do wyrobu :narzędzi, których
ś

rednica lub grubość nie przekracza 20 mm, a głęboko hartujące się do wyrobu narzędzi

o średnicy lub grubości ponad 20 mm. Znak stali węglowej narzędziowej składa się z litery N
oznaczającej  stal  narzędziową  oraz  z  liczby  określającej  przybliŜoną  zawartość  węgla
wyraŜoną  w  dziesiętnych  częściach  procentu  (np.  N8).  Stale  płytko  hartujące  się  mają
dodatkowo  na  końcu  znaku  literę  E  (np.  N9E).  Stale  narzędziowe  węglowe  nadają  się  na

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

narzędzia,  które  nie  nagrzewają  się  w  czasie  pracy  do  temperatury  powyŜej  180°C,  gdyŜ  po
przekroczeniu  tej  temperatury  stal  ulega  odpuszczeniu,  co  powoduje  obniŜenie  twardości
narzędzia i jego szybkie zuŜycie.

Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno (PN-86/H-85023) są przeznaczone na

narzędzia  do  obróbki  materiału  w  stanie  zimnym  oraz  na  części  przyrządów  i  narzędzi
pomiarowych,  które  powinny  być  odporne  na  ścieranie  i  nie  odkształcać  się  podczas
hartowania.  Znak  tych  stali  składa  się  z  litery  N  oznaczającej  stal  narzędziową  do  pracy  na
zimno i liter określających zawarte w stali dodatki stopowe. Cyfry występujące w niektórych
znakach  stali  słuŜą  do  odróŜnienia  poszczególnych  gatunków  zawierających  te  same  dodatki
stopowe.

Stale narzędziowe stopowe do pracy na gorąco, są to stale przeznaczone na narzędzia

kształtujące materiał w stanie nagrzanym do temperatury, w której staje się plastyczny
(matryce, tłoczniki) albo nawet w stanie płynnym (np. formy do odlewów pod ciśnieniem)
np. WCMB, WNL, WCL, WCLV.

Stalami szybkotnącymi nazywa się stale, które zachowują twardość i zdolność skrawania

przy szybkościach skrawania i przekrojach warstwy skrawanej wywołujących nagrzewanie się
narzędzi aŜ do ok. 600

C. Składniki stopowe stali: wolfram (W), chrom (Cr), wanad (V)

i molibden (Mo) tworzą z węglem twarde węgliki. Najczęściej uŜywane stale szybkotnące to:
SW7M, SW12C, SKC, SK5M, SK8M, SK10V.

4.3.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jakie stale nazywamy stopowymi?
2.  Co to są składniki stopowe i w jakim celu je wprowadzamy do stali?
3.  Jakimi literami oznaczamy poszczególne składniki stopowe?
4.  Jak dzielimy stale narzędziowe?

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Odczytaj z PN i katalogów właściwości i zastosowanie następujących stali:

–

15H,

–

18HGT,

–

35HM,

–

38HMJ,

–

N9E.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z otrzymanymi normami i katalogami,
2)  odszukać podane gatunki stali,
3)  zapisać właściwości i zastosowanie wymienionych gatunków stali,
4)  zaprezentować efekt swojej pracy.

rodki dydaktyczne:

−

PN i katalogi zawierające informacje o stalach węglowych,

−

arkusze papieru i pisaki.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4. Staliwo. śeliwo

4.4.1. Materiał nauczania

Staliwo jest to stop Ŝelaza 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  uŜywane  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  właściwości
wytrzymałościowe  i  plastyczne  w  porównaniu  z  Ŝeliwem,  a  takŜe  dobrą  spawalność
(zwłaszcza  niskowęglowe  i  niskostopowe).  Wykazuje  jednak  gorsze  właściwości  odlewnicze
ze  względu  na  skurcz  dochodzący  do  2%  i  wysoką  temperaturę  topnienia  dochodzącą  do
1600°C.

Staliwa niestopowe (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,  270–480W,  340–550,  340-550W.  Pierwsza  liczba  oznacza  wymaganą
minimalną  wartość R

lub R

,w MPa, a druga – minimalną wytrzymałość na rozciąganie Rm

równieŜ  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 mają max 0,25% C i zróŜnicowaną w zaleŜności 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  R

zaleŜy od gatunku staliwa i zawiera się w granicach od

400–550 MPa do 550–700 MPa, a wydłuŜenie A

min

odpowiednio – od 25% do 15%. Staliwa

węglowe konstrukcyjne ogólnego przeznaczenia mogą być obrabiane cieplnie. Zwykle
poddaje się je normalizowaniu, wyŜarzaniu zupełnemu lub wyŜarzaniu odpręŜającemu.

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  róŜnicą,  Ŝe  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.  4.3),  które  określają  pierwiastki  stopowe,  i  cyfry,
które podają średnią zawartość danego pierwiastka w procentach. JeŜeli 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.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wytrzymałość na rozciąganie Rm powyŜszych 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 podwyŜszonych 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 rozróŜnia 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 kwasoodpromych o podobnym składzie
chemicznym.

Staliwa Ŝaroodporne i Ŝarowytrzymałe – PN-90/H-83159 (9 gatunków). Staliwo

aroodporne charakteryzuje się odpornością na bezpośrednie działanie płomienia lub spalin

w wysokich temperaturach. Staliwo Ŝarowytrzymałe wykazuje w wysokich temperaturach
wyŜsze własności wytrzymałościowe niŜ inne staliwa pracujące w tych temperaturach.
Gatunki LH18S2, LH26, LH29S2G, LH26N4S2 są wysokochromowymi staliwami
Ŝ

aroodpornymi przeznaczonymi do pracy przy małych obciąŜeniach. Zawartość węgla jest

wysoka (1,3–1,5% C, z wyjątkiem LH26 – 0,5% C). Struktura tych staliw składa się z perlitu
i węglików lub ferrytu i węglików. Staliwo LH29S2G jest ponadto bardzo odporne na
ś

cieranie w wysokich temperaturach. Gatunki LH17N8G, LH19N14G, LH23N18G,

LH25H19S2,

LH17N37S2G

są

chromowoniklowymi

staliwami

arowytrzymałymi

i Ŝaroodpornymi, o strukturze austenitycznej. Obróbka cieplna i zastosowanie tych staliw są
analogiczne jak austenitycznych stali Ŝarowytrzymałych.
Stosowane są one równieŜ jako kwasoodporne w podwyŜszonych 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  (z  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  zuŜycie.  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.

eliwami węglowymi nazywa się odlewnicze stopy Ŝelaza z węglem, zawierające

teoretycznie powyŜej 2,06% C, a praktycznie 2,5–3,6% C. Poza tym Ŝeliwa te podobnie jak
stale, zawsze zawierają pewne ilości krzemu, manganu, fosforu i siarki pochodzenia

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

metalurgicznego.  W  przeciwieństwie  do  stali,  większość  Ŝeliw  odznacza  się  niską
plastycznością.  Węgiel  w  Ŝeliwach  moŜe  występować  w  dwóch  postaciach:  bądź  w  stanie
wolnym jako grafit, bądź w postaci związanej w cementycie. W zaleŜności od tego rozróŜnia
się  Ŝeliwa  szare,  które  niezaleŜnie  od  struktury  osnowy  (ferrytycznej,  perlitycznej  lub
ferrytyczno-perlitycznej)  zawierają  wydzielenia  grafitu,  oraz  Ŝeliwa  białe,  w  których  węgiel
występuje  prawie  wyłącznie  w  postaci  cementytu.  Nazwy  te  związane  są  z  kolorem  ich
przełomów.  Niekiedy  spotyka  się  Ŝeliwa  połowiczne,  które  miejscami  mają  budowę  Ŝeliw
szarych,  a  miejscami  –  białych.  Struktura  Ŝeliw  zaleŜy  zarówno  od  ich  składu  chemicznego
(rys. 7), jak szybkości krystalizacji metalu, co jest związane z grubością ścianek odlewu.

Rys. 7. Wpływ zawartości węgla i krzemu na strukturę Ŝeliw (wykres Laplancha) [4].

Krzem, którego zawartość w Ŝeliwach waha się od 0,3 do 5%, sprzyja tworzeniu grafitu.

Zmieniając  zawartość  krzemu  moŜna  otrzymać  róŜne  rodzaje  Ŝeliw,  całkowicie  odmienne
zarówno  pod  względem  struktury,  jak  i  własności,  od  Ŝeliwa  białego  do  ferrytycznego
szarego. Proces grafityzacji ułatwiają równieŜ takie pierwiastki, jak miedź i nikiel. Mangan
utrudnia  proces  grafityzacji,  sprzyjając  tworzeniu  się  cementytu.  Podobnie  działa  siarka,
której zawartość w Ŝeliwach nie moŜe przekraczać 0,08–0,12% (w zaleŜności od wielkości
odlewów), poniewaŜ pogarsza ona własności odlewnicze i zwiększa kruchość. Poza tym do
pierwiastków  przeciwdziałających  grafityzacji  naleŜą  między  innymi  chrom,  wolfram,
molibden  i  wanad.  WaŜnym  składnikiem  Ŝeliw  jest  fosfor,  który  zwiększa  ich
rzadkopłynność dzięki tworzeniu eutektyki fosforowej, nie oddziałując w wyraźnym stopniu
na proces grafityzacji.

Największe zastosowanie przemysłowe mają jak dotąd Ŝeliwa szare. W Ŝeliwach tych

grafit  występuje  w  postaci  nieregularnych  płatków  róŜnej  wielkości,  tworząc  nieciągłości
w  osnowie  metalicznej  (rys.  8).  Wytrzymałość  grafitu  w  porównaniu  z  wytrzymałością  tej
osnowy  moŜna  przyjąć  za  równą  zeru,  stąd  teŜ  Ŝeliwa  szare  odznaczają  się  niską
wytrzymałością  na  rozciąganie  i  zginanie,  przy  dość  dobrej  wytrzymałości  na  ściskanie.
RównieŜ  wytrzymałość  zmęczeniowa  Ŝeliw  jest  niewielka,  ze  względu  na  istnienie
wspomnianych karbów naturalnych. Z tego samego powodu Ŝeliwa szare są mało wraŜliwe na
działanie wad powierzchniowych, wszelkiego rodzaju karbów konstrukcyjnych itp.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 8. Struktura Ŝeliwa szarego nie trawionego. Widoczne płatki grafitu. Powiększenie 100x [4].

Rys. 9. Struktura Ŝeliwa szarego ferrytyczno-perlitycznego z wyraźnie widoczną eutektyką fosforową (jasny,

kropkowany obszar). Powiększenie 500x [4].

Główną zaletą Ŝeliwa szarego są przede wszystkim dobre własności odlewnicze

przejawiające  się  wysoką  rzadkopłynnością,  dobrym  wypełnianiem  form,  małym  skurczem
odlewniczym  (1%)  itd.  Inne  zalety  związane  z  obecnością  wydzielę-grafitu  to:  dobre
własności  przeciwcierne  i  zdolność  tłumienia  drgań.  Dodatkową  zaletą  tych  Ŝeliw  jest  niska
cena.  Grafit,  będący  jednym  z  głównych  składników  strukturalnych  Ŝeliw  szarych,  jest
rozmieszczony  w  osnowie  ferrytycznej,  ferrytyczno-perlitycznej  lub  perlityczne,  przy  czym
ferryt jest tu nie tylko roztworem stałym węgla w Ŝelazie a, lecz takŜe roztworem krzemu oraz
ewentualnie innych pierwiastków w Ŝelazie a i dlatego nosi nazwę krzemoferrytu. Oczywiście
perlit jest w przypadku Ŝeliw mieszaniną krzemoferrytu i cementytu.

Przy większej zawartości siarki w strukturze Ŝeliw szarych uwidaczniają się równieŜ

siarczki manganu w postaci lekko niebieskawych wieloboków. Strukturę Ŝeliwa szarego
o osnowie ferrytyczno-perlitycznej pokazano na rysunku 9.

eliwa 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  Ŝeliwa  szarego  z  określoną  minimalną  wytrzymałością  na  rozciąganie,
a  mianowicie:  100,  150,  200,  250,  300  i  350  (trzycyfrowa  liczba  oznacza  min.  R

w MPa).

NiŜsze wartości odnoszą się do Ŝeliw o strukturze ferrytycznej, wyŜsze – do Ŝeliw o strukturze
perlitycznej.  Wytrzymałość  i  twardość  stwierdzona  na  próbkach  wykonanych  z  wlewków
próbnych  róŜnią  się  od  wytrzymałości  i  twardości  odlewów,  gdyŜ  własności  te  w  istotny
sposób  zaleŜą  od  grubości  ścianek  odlewów,  zmniejszając  się  z  jej  wzrostem.  Na  przykład
Ŝ

eliwo szare gatunek 100, ze zwiększaniem grubości ścianek odlewu, wykazuje wytrzymałość

na rozciąganie 120–90 MPa, a Ŝeliwo gatunku 350–315–270 MPa. W przypadku wymaganej

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

dobrej obrabialności i odporności odlewów na ścieranie Ŝeliwa szare klasyfikuje się na
podstawie twardości, przy czym ustala się 6 klas twardości oznaczających przewidywaną
ś

rednią twardość HB w określonym miejscu odlewu. Przewidywane zakresy twardości HB dla

róŜnych grubości ścianki odlewu podano w tablicy 7.

Tabela 7. Klasy twardości Ŝeliw szarych (wg PN-92/H-83101) [opracowanie własne].

Klasa twardości

Zakres twardości HB

H 145

Max 170

H 175

150-200

H 195

170-200

H 215

190-240

H 235

210-260

H 255

230-280

Dla Ŝeliw szarych istnieją ustalone empirycznie zaleŜności 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 zaleŜności od
materiału  wyjściowego,  procesu  topienia  i  rzeczywistego  procesu  metalurgicznego.
W  poszczególnych  odlewniach  moŜna  ustalić  wartość  czynnika  RH  na  prawie  stałym
poziomie  i  w  takich  przypadkach,  mierząc  twardość  HB  na  powierzchni  odlewu,  moŜna
określić jego wytrzymałość na rozciąganie wykorzystując podane zaleŜności.

Tabela 8. Orientacyjne zakresy twardości Ŝeliw szarych dla róŜnych grubości ścianki odlewu

(wg PN-92/H-83101) [opracowanie własne].

Dzięki swym zaletom, Ŝeliwa 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 Ŝeliw szarych są Ŝeliwa modyfikowane, zawierające bardzo drobny grafit
płatkowy. To rozdrobnienie grafitu uzyskuje się przez dodanie do Ŝeliwa przed odlaniem tzw.
modyfikatora,  najczęściej  w  postaci  sproszkowanego  Ŝelazokrzemu.  śeliwa  modyfikowane
mają wyŜszą wytrzymałość niŜ Ŝeliwa zwykłe.

śeliwami sferoidalnymi nazywa się Ŝeliwa, 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 Ŝeliw sferoidalnych, podobnie jak
struktura  osnowy  zwykłych  Ŝeliw  szarych,  moŜe  być  ferrytyczna  (rys.  10),  ferrytyczno-
perlityczna,  perlityczno-ferrytyczna  lub  perlityczna  (rys.  11).  śeliwa  sferoidalne  są  w  Polsce

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tabela 9. Gatunki i własności mechaniczne Ŝeliw sferoidalnych (wg PN-92/H-83123) [opracowanie własne].

eliwo sferoidalne zastępuje z powodzeniem nie tylko staliwo, lecz równieŜ niektóre

odkuwki stalowe. Wytwarza się z niego takie części silników samochodowych, jak wały
wykorbione, wałki rozrządcze, cylindry i pierścienie tłokowe. W budowie obrabiarek Ŝeliwo
sferoidalne wykorzystuje się na koła zębate, wrzeciona, korpusy itd.

śeliwa białe ze względu na zawartość węgla dzielą się na: podeutektyczne, eutektyczne

i nadeutektyczne. śeliwa białe, jako materiał konstrukcyjny, prawie nie mają bezpośredniego
zastosowania  technicznego,  natomiast  powierzchniowa  warstwa  Ŝeliwa  białego  na  Ŝeliwie
szarym, powstająca przez tzw. zabielenie (tj. szybkie lokalne ochłodzenie odlewu), jest często
stosowana  w  celu  zwiększenia  odporności  materiału  na  ścieranie.  Taką  twardą  warstwę
w Ŝeliwie otrzymuje się umieszczając w formie tzw. ochładzalniki, czyli odpowiednie wkładki
metaliczne  szybko  odprowadzające  ciepło.  Zabielenie  Ŝeliwa  szarego  stosuje  się  czasem
w  przypadku  mniej  odpowiedzialnych  prowadnic  korpusów  maszyn,  bieŜni  kół  wagoników
roboczych  itp.  śeliwo  białe  jest  materiałem  wyjściowym  przy  wytwarzaniu  przedmiotów
z Ŝeliwa ciągłego.

śeliwami ciągliwymi nazywa się Ŝeliwa białe, które wskutek długotrwałego (rzędu

kilkudziesięciu godz.) wyŜarzania w wysokiej temperaturze (ok. 1000°C) ulegają określonemu
uplastycznieniu, dzięki odwęgleniu lub grafityzacji lub obu tym procesom łącznie.
W zaleŜności od sposobu przeprowadzania tej obróbki otrzymuje się:

śeliwa ciągliwe białe, przez wyŜarzanie Ŝeliw białych w środowisku utleniającym, np.

w  rudzie  Ŝelaza.  Podczas  wyŜarzania  znaczna  część  węgla  zawartego  w  Ŝeliwie  utlenia  się,
a  w  warstwie  powierzchniowej  grubości  1,5–2  mm  zachodzi  zupełne  odwęglenie.  Przy
ochładzaniu    zazwyczaj  nie  wygrzewa  się  Ŝeliwa  w  temperaturze  poniŜej  temperatury
przemiany,  w  wyniku  czego  w  metalicznej  osnowie  rdzenia  zachowuje  się  znaczna  ilość
perlitu.  Przy  powierzchni  odlewu  Ŝeliwo  to  wykazuje  matowobiałą  barwę  przełomu  (ferryt)
przechodzącą łagodnie w  srebrzystą bliŜej środka ścianki odlewu (perlit).

śeliwa ciągliwe czarne, przez wyŜarzanie Ŝeliw białych w środowisku obojętnym.

W czasie tego wyŜarzania cementyt zawarty w Ŝeliwie rozpada się, a wydzielający się z niego
węgiel  w  postaci  grafitu  tworzy  skupienia  zwane  węglem  Ŝarzenia.  Struktura  Ŝeliwa
w temperaturze wyŜarzania składa się więc z austenitu i węgla Ŝarzenia. Kolejnym zabiegiem
jest  bardzo  wolne  chłodzenie,  warunkujące  zachodzenie  przemian  fazowych  zgodnie  ze
stabilnym  układem  równowagi  Ŝelazo-grafit  (z  austenitu  zamiast  cementytu  wydziela  się
grafit).  W  efekcie,  w  temperaturze  pokojowej  otrzymuje  się  Ŝeliwo,  którego  struktura  składa
się  ze  skupień  grafitu  (węgla  Ŝarzenia)  rozmieszczonych  w  ferrytycznej  osnowie.  DuŜa  ilość
wydzieleń grafitu wywołuje ciemną barwę przełomu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

śeliwa ciągliwe perlityczne, przez wyŜarzanie Ŝeliw białych w środowisku obojętnym,

lecz  bez  doprowadzania  do  końca  procesu  grafityzacji  (szybsze  chłodzenie  poniŜej
temperatury  przemiany,  dzięki  czemu  w  strukturze  zachowuje  się  część  cementytu).
W  wyniku  uzyskuje  się  Ŝeliwo  o  osnowie  perlitycznej  lub  perlityczno-ferrytycznej
i  srebrzystej  barwie  przełomu.  W  procesie  produkcji  Ŝeliwa  ciągliwego  bardzo  waŜnym
czynnikiem  jest  uzyskanie  w  odlewie  Ŝeliwa  całkowicie  białego,  poniewaŜ  częściowa
grafityzacja  podczas  krzepnięcia  i  utworzenie  się  w  Ŝeliwie  płatków  grafitu  zakłócają
zachodzące  w  czasie  wyŜarzania  grafityzującego  powstawanie  zwartych  skupień  grafitu.
W  związku  z  tym  zawartość  pierwiastków  wchodzących  w  skład  Ŝeliwa  ciągliwego  musi
mieścić się w stosunkowo wąskich granicach.

Zazwyczaj skład chemiczny Ŝeliwa 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.  śeliwa  ciągliwe  są
w  Polsce  znormalizowane  (PN-92/H-83221),  przy  czym  norma  rozróŜnia  4  gatunki  Ŝeliwa
ciągliwego  białego,  3  –  Ŝeliwa  ciągliwego  czarnego  i  7  –  Ŝeliwa  ciągliwego  perlitycznego.
Oznaczenie  poszczególnych  gatunków  składa  się  z  liter  i  cyfr.  Litery  oznaczają:  W  –  Ŝeliwo
ciągliwe  białe,  B  –  Ŝeliwo  ciągliwe  czarne,  P  –  Ŝeliwo  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  wydłuŜenie  A3  wyraŜone  w  %.  Jeśli
wartość  wydłuŜenia  jest  mniejsza  niŜ  10%,  pierwszą  cyfrą  jest  0.  Przykładowe  oznaczenia
Ŝ

eliw ciągliwych: W 35-04, B 32-10, P 65-02.

eliwo ciągliwe odznacza się dobrą skrawalnością, duŜą odpornością na działanie dymu

i kwaśnej wody kopalnianej. Wykonuje się z niego odlewy o duŜej wytrzymałości, dobrej
plastyczności, obrabialności i odporności na uderzenia, gdyŜ łączy w sobie dobre własności
odlewnicze Ŝeliwa z dobrymi własnościami mechanicznymi staliwa

śeliwami stopowymi nazywa się Ŝeliwa 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 Ŝeliw stopowych, ich odporności na ścieranie i działanie
ś

rodowisk korozyjnych oraz na oddziaływane utleniających atmosfer w wysokich

temperaturach. Polska Norma PN-88/H-83144 podaje 48 gatunków Ŝeliw stopowych
dzielących się, w zaleŜności od własności i zastosowania, na 3 grupy: Ŝaroodporne, odporne
na korozję i odporne na ścieranie.

eliwo stopowe oznacza się znakiem gatunku, który zawiera: litery Zl dla Ŝeliwa

stopowego szarego i połowicznego, litery Zb dla Ŝeliwa stopowego białego, litery Zs dla
Ŝ

eliwa stopowego sferoidalnego, symbole chemiczne pierwiastków stopowych wg malejącej

procentowej zawartości składnika, oraz liczby określające średnią procentową zawartość
pierwiastka stopowego, jeŜeli jest ona równa lub większa od 0,8%.

śeliwa stopowe Ŝaroodporne. Jest to grupa Ŝeliw 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 Ŝeliw zaleŜy od zawartości i wzajemnego stosunku ilościowego ww. dodatków
stopowych i w zaleŜności od gatunku Ŝeliwa wynosi 550

–

1100°C. Oprócz Ŝaroodporności, ta

grupa Ŝeliw charakteryzuje się równieŜ dobrą odpornością na ścieranie i twardością, a takŜe
odpornością na korozyjne oddziaływanie róŜnych środowisk chemicznych. Polska Norma
podaje 10 ganków Ŝeliw stopowych Ŝaroodpornych.

śeliwa stopowe odporne na korozję. śeliwa węglowe zwykłe są stosunkowo mało

odporne na działanie czynników chemicznych. Wprowadzenie do tych Ŝeliw dodatków
stopowych, takich jak krzem, nikiel, chrom i miedź znakomicie podwyŜsza ich odporność na
korozyjne i erozyjne oddziaływanie róŜnorodnych środowisk chemicznych. Polska Norma

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

podaje 8 gatunków Ŝeliw stopowych odpornych na korozję, w tym: l gatunek Ŝeliwa
wysokokrzemowego (14

–

16% Si), 5 gatunków Ŝeliw wysokoniklowych (13,5

–

32% Ni)

o podwyŜszonej zawartości krzemu, chromu i miedzi oraz 2 gatunki Ŝeliw
wysokochromowych (25

–

34% Cr), wykazujących równieŜ bardzo dobrą odporność na

cieranie i doskonałą Ŝaroodporność.

śeliwa stopowe odporne na ścieranie. Jest to najliczniejsza grupa Ŝeliw stopowych,

obejmująca zgodnie z Polską Normą 33 gatunki. W większości są to Ŝeliwa 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 Ŝeliw 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 Ŝeliw jest tak dobrany, Ŝe
wykazują dobre własności przeciwcierne oraz wytrzymałościowe przy zadowalającej
odporności korozyjnej w określonych ośrodkach chemicznych; niektóre gatunki zachowują te
własności równieŜ w podwyŜszonych temperaturach.

4.4.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Co to jest staliwo?
2.  Co to jest Ŝeliwo?
3.  Jakie znasz rodzaje staliw?
4.  Jakie znasz rodzaje Ŝeliw?
5.  Czym charakteryzuje się Ŝeliwo stopowe?

4.4.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Odczytaj z PN i katalogów właściwości i zastosowanie następujących staliw i Ŝeliw:

–

L35GN,

–

L16M,

–

L100AGM,

–

100,

–

400-18,

–

350.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z otrzymanymi normami i katalogami,
2)  odszukać podane gatunki staliw i Ŝeliw,
3)  zapisać właściwości i zastosowania wymienionych gatunków,
4)  zaprezentować efekt swojej pracy.

rodki dydaktyczne:

−

PN i katalogi zawierające informacje o staliwach i Ŝeliwach,

−

arkusze papieru i pisaki.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.5. Metale nieŜelazne i ich stopy: właściwości, znakowanie,

zastosowanie

4.5.1. Materiał nauczania

Miedź i jej stopy

Miedź jest metalem o barwie czerwonozłotej. Jest odporna na korozję, plastyczna,

dobrze przewodzi ciepło i prąd elektryczny. Miedź moŜna obrabiać plastycznie na zimno lub
na  gorąco  w  temperaturze  ok.  700°C.  Miedź  stosuje  się  na  przewody  elektryczne,  elementy
chłodnic  i  innych  urządzeń  w  przemyśle  spoŜywczym  i  chemicznym  oraz  przede  wszystkim
jako  składnik  stopów.  Niskie  własności  wytrzymałościowe  czystej  miedzi  ograniczały  jej
zastosowanie  i  dlatego  rozpoczęto  wprowadzanie  do  miedzi  róŜnych  składników  stopowych.
Miedź  stopowa  zawiera  niewielkie  ilości  składników  stopowych  w  ilości  nie  przekraczającej
3%.  Miedź  arsenowa  zawiera  0,3–0,5%  As;  jest  stosowana  na  części  aparatury  chemicznej
i  innych  urządzeń.  Jest  ona  odporna  na  utlenianie  w  podwyŜszonej  temperaturze.  Miedź
chromowa  zawierająca  0,4–1,2%  Cr  i  do  0,5  Zn  jest  uŜywana  na  elektrody  do  zgrzewarek.
Miedź  kadmowa  zawiera  0,9–1,2%  Cd  i  jest  uŜywana  na  przewody  trakcji  elektrycznej.
Oprócz  wyŜej  wymienionych  gatunków  miedzi  stopowej  stosuje  się  teŜ  miedź  srebrową,
manganową, cynową, cynkową i telurową.

Znak miedzi stopowej jest określony symbolem miedzi, następnie symbolem składnika

stopowego i liczbą określającą zawartość procentową składnika stopowego, np. symbol
gatunku CuAg2 oznacza miedź srebrową o zawartości 1,85–2,15% Ag.

Stopy miedzi znajdują bardzo duŜe zastosowanie. Do najwaŜniejszych stopów miedzi

naleŜy  zaliczyć  mosiądze  i  brązy.  Znakowanie  stopów  miedzi  i  wszystkich  innych  stopów
metali  nieŜelaznych  jest  następujące.  Na  początku  znaku  stawia  się  symbol  metalu
zasadniczego, po nim umieszcza się symbol głównego dodatku stopowego z liczbą całkowitą
wskazującą  jego  procentową  zawartość  w  stopie,  wyraŜoną  w  liczbach  całkowitych.  Dalej
w  kolejności  zmniejszających  się  zawartości  procentowych  podaje  się  pozostałe  dodatki
stopowe z liczbami ich procentowych zawartości. Gdy zawartość składnika dodatkowego nie
przekracza  l  %,  to  cyfrę  się  opuszcza.  Na  przykład  CuZn40Mn3Fe,  jest  znakiem  mosiądzu
manganowo-Ŝelazowego,  w  którym  zawartość  cynku  wynosi  ok.  40%,  manganu  ok.  3%
i Ŝelaza ok. l %, a resztę stanowi miedź.

Mosiądz jest to stop miedzi z cynkiem zawierającym 46,5–97% miedzi. Mosiądze

specjalne zawierają (oprócz miedzi i cynku) mangan, ołów, Ŝelazo, aluminium, krzem, nikiel
i  cynę.  Mosiądz  jest  odporny  na  korozję,  ma  dobre  własności  plastyczne  i  odlewnicze  oraz
odznacza się dobrą skrawalnością. Właściwości mechaniczne mosiądzów zaleŜą od zawartości
cynku. Ze wzrostem zawartości cynku zwiększa się wytrzymałość i plastyczność. Największą
plastyczność  ma  mosiądz  zawierający  ok.  30%  cynku,  natomiast  zawartość  powyŜej  39%
cynku  gwałtownie  pogarsza  plastyczność  stopu.  Największą  wytrzymałość  (ok.  420  MPa)
osiąga mosiądz o zawartości 45% cynku. Dalszy wzrost zawartości cynku powoduje kruchość
stopu.  Mosiądze  dają  się  łączyć  przez  lutowanie  miękkie  i  twarde  oraz  przez  spawanie
acetylenowe.

Mosiądze dzieli się na odlewnicze i do obróbki plastycznej. Mosiądze odlewnicze są

stopami wieloskładnikowymi i zawierają: ołów do 4%, mangan do 4%, aluminium do 3%,
Ŝ

elazo do 1,5% i krzem do 4,5%. Ołów i krzem poprawiają lejność, a aluminium, mangan

i  Ŝelazo  podwyŜszają  własności  wytrzymałościowe.  Aluminium  i  krzem  podwyŜszają
odporność  na  korozję  i  dlatego  mosiądze  aluminiowe  i  krzemowe  są  stosowane  na  odlewy
części, które powinny być odporne na korozję i ścieranie.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Mosiądze do obróbki plastycznej mają mniejszą zawartość składników stopowych niŜ

mosiądze  odlewnicze,  poniewaŜ  zwiększona  zawartość  niektórych  dodatków  stopowych
pogarsza  własności  plastyczne  stopu.  Mosiądze  do  obróbki  plastycznej  są  stosowane
w  postaci  odkuwek,  prętów,  kształtowników,  drutów,  blach,  rur  i  taśm.  Mosiądze
dwuskładnikowe,  czyli  bez  dodatków  stopowych,  mają  duŜą  podatność  do  obróbki
plastycznej,  szczególnie  na  zimno.  Mosiądze  wieloskładnikowe,  czyli  specjalne  z  dodatkiem
aluminium,  niklu,  manganu,  Ŝelaza  i  ołowiu,  znalazły  duŜe  zastosowanie  w  przemyśle
okrętowym i elektromaszynowym. Nadają się do obróbki plastycznej na gorąco, są odporne na
korozję  i  mają  podwyŜszone  własności  mechaniczne.  Największe  zastosowanie
w  przemyśle  samochodowym  ma  mosiądz  CuZn1OSn,  zawierający  ok.  10%  cynku
i 0,25–0.75% cyny.

Brązy dzieli się na odlewnicze i do obróbki plastycznej. W zaleŜności od nazwy

głównego  składnika  stopowego  rozróŜnia  się  brązy:  cynowe,  aluminiowe,  berylowe,
krzemowe,  manganowe  i  inne,  lecz  zazwyczaj,  gdy  brązy  są  stopami wieloskładnikowymi to
i nazwy ich są bardziej złoŜone (np. brąz krzemowo-manganowy).
Brązy odlewnicze są przewaŜnie wieloskładnikowe i zawierają: cynę do 11 %, ołów do 33%,
aluminium do 11 %, krzem do 4,5%, cynk do 7%, mangan do 2%, Ŝelazo do 5,5%, nikiel do
5,5%  i  fosfor  do  1,5%.  Ołów  polepsza  lejność  stopu,  a  aluminium,  Ŝelazo,  mangan  i  nikiel
podwyŜszają  własności  mechaniczne.  Cynk  stosuje  się  głównie  w  celu  zastąpienia  drogiej
cyny.  Zastosowanie  brązów  odlewniczych  jest  bardzo  wszechstronne.  Stosuje  się  je  m.in.  na
części maszyn, osprzęt parowy i wodny, łoŜyska ślizgowe, aparaturę chemiczną w przemyśle
chemicznym, okrętowym, lotniczym, papierniczym, górniczym i wielu innych.

Brązy do obróbki plastycznej zawierają: mangan do 5,5%, aluminium do 11 %, cynę do

7%,  krzem  do  3,5%,  nikiel  do  6,5%,  beryl  do  8,6%,  fosfor  do  0,3%,  cynk  do  5%,  ołów  do
3,5% i Ŝelazo do 5,5%. W brązach do obróbki plastycznej stosuje się mniejsze ilości dodatków
stopowych  niŜ  w  brązach  odlewniczych  w  celu  uzyskania  lepszych  własności  plastycznych
stopów.  Brązy  cynowe  o  zawartości  cyny  ok.  11  %  znajdują  największe  zastosowanie.  Ze
wzrostem  cyny  do  13%  wzrasta  równieŜ  wytrzymałość  brązów  (do  470  MPa),  ale  dalszy
wzrost zawartości cyny powoduje obniŜenie wytrzymałości.

Brązy cynowe do obróbki plastycznej na zimno zawierają najczęściej 3,5–9% cyny i ok.

0,2%  fosforu,  a  do  obróbki  plastycznej  na  gorąco  zawartość  fosforu  musi  być  mniejsza
i  wynosi  do  0,15%.  Obróbkę  plastyczną  na  gorąco  wykonuje  się  w  temperaturze  do  700°C.
Z  brązów  cynowych  z  dodatkiem  fosforu  wykonuje  się  spręŜyny,  elementy  przyrządów
kontrolno-pomiarowych,  rurki  manometryczne,  sita  papiernicze,  elementy  przeciwcierne
i  druty  do  spawania.  Jako  stopy  odlewnicze  stosuje  się  brązy  o  zawartości  ok.  10%  cyny,
niekiedy  z  dodatkiem  ok.  1  %  fosforu  poprawiającego  lejność.  Brąz  ten  jest  stosowany  na
łoŜyska  ślizgowe  i  osprzęt  parowy  i  wodny.  Często  stosuje  się  brązy  cynowe  z  dodatkiem
cynku i ołowiu. Na przykład brązy CuSn4ZnPb4 i CuSn4ZnPb3 (zawierające 3–5% Sn, 3–5%
Zn i 1,5–4,5% Pb) stosuje się z powodzeniem jako stopy łoŜyskowe na łoŜyska ślizgowe. Brąz
ten słuŜy do obróbki plastycznej na zimno i na gorąco.

Brązy krzemowe zawierają 2,5–4,5% Si oraz dodatkowo mangan, cynk lub Ŝelazo. Krzem

i cynk polepszają znacznie własności odlewnicze, a mangan i Ŝelazo własności mechaniczne.
Charakteryzują się dobrą lejnością i są odporne na korozję. Są stosowane na łoŜyska ślizgowe
i

części

pracujące

przy

duŜych

zmiennych

obciąŜeniach.

Brąz

CuSi3Mn1

o  zawartości  2,7–3,5%  Si  i  1,0–1,5%  Mn  nadaje  się  do  obróbki  na  zimno  i  gorąco.  Jest
stosowany  na  części  naraŜone  na  ścieranie  oraz  na  siatki,  spręŜyny  i  armaturę  w  przemyśle
chemicznym i maszynowym.

Brązy aluminiowe odlewnicze zawierają 8–1 % Al oraz 2–5,5% Fe, a niektóre dodatek do

2% Mn lub 3,5–5,5% Ni. Odznaczają się dobrymi własnościami mechanicznymi, lecz słabymi
własnościami odlewniczymi. Do obróbki plastycznej są przewidziane brązy aluminiowe

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

zawierające  4–11  %  Al,  a  niektóre  z  nich  zawierają  dodatkowo  2,0–5,5%  Fe,  1,0–2,5%  Mn
i 3,5–5,5% Ni. Są one stosowane na części pracujące w wodzie morskiej, monety, części dla
przemysłu  chemicznego,  spręŜyny,  styki  ślizgowe,  sita  rurowe  wymienników  ciepła,  gniazda
zaworów, koła zębate i części naraŜone na ścieranie.
Brązy  berylowe  zawierają  1,9–2,10%  berylu  oraz  0,2–0,5%  niklu  i  kobaltu,  a  niektóre
dodatkowo 0,10–0,25% tytanu. Są to brązy do obróbki plastycznej na zimno i na gorąco. Mają
bardzo  dobrą  wytrzymałość  (R

= 1275 MPa) i twardość (370 HB), duŜą odporność na

korozję oraz dobrą przewodność elektryczną i przewodnictwo cieplne. Przy uderzeniach brązy
te nie iskrzą i dlatego znalazły zastosowanie na urządzenia pracujące w ośrodkach groŜących
wybuchem, np. na narzędzia górnicze. Ponadto są uŜywane na spręŜyny, membrany i części
naraŜone na ścieranie.

Brązy manganowe są stosowane jako odlewnicze i do obróbki plastycznej.

Brąz  odlewniczy  krzemowo-manganowy  zawiera  0,5–1,5%  Mn,  3,0–5,5%  Zn,  0,5–1,2%  Fe
i  3–4%  Si.  Jest  stosowany  jako  Ŝaroodporny  w  armaturze  pary  wodnej.  Brąz  manganowy
CuMn12Ni3  do  obróbki  plastycznej  zawiera  11,5–13%  Mn  i  2,5–3,5%  Ni.  Jest  to  brąz  do
obróbki  plastycznej  na  zimno  i  na  gorąco.  Jest  stosowany  na  oporniki  najwyŜszej  jakości  do
precyzyjnych aparatów.
Brązy ołowiowe są stosowane jako odlewnicze.

Aluminium jest pierwiastkiem o barwie srebrzystobiałej. Jest metalem odpornym na

korozję  oraz  dobrym  przewodnikiem  prądu  elektrycznego  i  ciepła.  Zastosowanie  aluminium
w  stanie  czystym  jest  ograniczone,  głównie  ze  względu  na  niską  wytrzymałość.  Czyste
aluminium  jest  stosowane  na  przewody  elektryczne,  do  wyrobu  folii,  proszków  do
platerowania  naczyń,  do  wyrobu  farb  i  jako  składnik  stopów.  DuŜo  większe  zastosowanie
mają  stopy  aluminium,  które  ze  względu  na  małą  gęstość  są  nazywane  stopami  lekkimi.
Najczęściej  stosowanymi  dodatkami  stopowymi  są:  miedź,  krzem,  magnez,  mangan,  nikiel
i  cynk.  Dodatki  stopowe  zwiększają  przede  wszystkim  wytrzymałość,  odporność  na  korozję
i polepszają obrabialność. Stopy aluminium dzieli się na odlewnicze i do obróbki plastycznej.

Odlewnicze stopy aluminium. Głównymi składnikami odlewniczych stopów aluminium

są: krzem, miedź, magnez, a ponadto w niektórych stopach występują jeszcze mangan, nikiel
i  tytan.  Największe  zastosowanie  mają  stopy  aluminiowe  o  duŜej  zawartości  krzemu.
Zawartość  krzemu  w  odlewniczych  stopach  aluminium  wynosi  0,8–23  %  Si.  Stop  AlSi21
CuNi,  znany  równieŜ  pod  nazwą  Silusil,  zawiera  20–23  %  krzemu,  1,1–1,5%  miedzi,
0,5–0,9%  magnezu,  0,1–0,3%  manganu,  0,8–1,1%  niklu  i  jest  stosowany  na  odlewy  wysoko
obciąŜonych tłoków silników spalinowych. Odlewany jest w zasadzie pod ciśnieniem.
Stopy aluminium zawierające 10-7-13% krzemu noszą nazwę siluminów.
Typowymi siluminami są stopy AlSi11 i AlSi3Mg1CuNi. Pierwszy z nich zawiera 10–13% Si
i stosuje się go na odlewy części o skomplikowanych kształtach, średnio obciąŜone pracujące
w  podwyŜszonych  temperaturach  i  odporne  na  korozję  nawet  w  wodzie  morskiej.  Ma  dobre
własności wytrzymałościowe i dobrą spawalność. Stop AlSi13MglCuNi zawiera 11,5–13% Si,
0,8–1,5%  Cu,  0,8–1,5%  Mg  i  0,8–1,3%  Ni  i  jest  stosowany  na  odlewy  tłoków  silników
spalinowych.
Stopy  aluminium  z  miedzią  mają  dobre  własności  odlewnicze  i  odporność  na  korozję,  ale
skłonności do pęknięć na gorąco. Stop A1Cu4 zawiera 4–5% Cu i jest stosowany na galanterię
stołową  i  odlewy  wymagające  dobrej  lejności  i  plastyczności.  Stop  AlCu4TiMg  zawiera
4,2–5%  Cu,  0,15–0,4  Mg,  0,15–0,30  Ti  i  jest  stosowany  na  odlewy  części  samochodowych
i na średnio i wysoko obciąŜone odlewy do przemysłu maszynowego.

Stopy aluminium z magnezem jak AlMg1O i AlMgSil są stosowane na odlewy

o wysokiej odporności na korozję.

Stopy aluminium do obróbki plastycznej zawierają procentowo mniejsze zawartości

dodatków stopowych niŜ stopy odlewnicze aluminium. Jest to podyktowane tym, Ŝe duŜe

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

ilości  dodatków  stopowych  pogarszają  własności  plastyczne  stopu.  Głównymi  składnikami
stopów aluminium do obróbki plastycznej są: magnez, miedź, mangan, krzem, i w mniejszym
stopniu takŜe nikiel, Ŝelazo, cynk, chrom i tytan. Stopy aluminium z magnezem odznaczają się
dobrą  odpornością  na  korozję  i  działanie  wody  morskiej.  Stop  AlMgl  zawierający  0,7–1,2%
Mg  nadaje  się  do  obróbki  plastycznej  na  zimno  i  na  gorąco;  jest  szczególnie  podatny  do
głębokiego  tłoczenia  i  spawania.  Jest  stosowany  na  części  kute  w  matrycach  i  tłoczone,  na
części  urządzeń  w  przemyśle  chemicznym  i  spoŜywczym.  Stop  AlMg4Mn  zawiera  4–4,9%
Mg i 0,4–1% Mn; jest stosowany do obróbki plastycznej na zimno i gorąco. Jako stop odporny
na korozję jest stosowany na obciąŜone konstrukcje okrętowe i przemysłu chemicznego.
Stop  ten  oraz  stopy  AlMg2  i  AlMg5  są  nazywane  hydronalium.  Do  wyrobu  średnio
obciąŜonych  elementów  konstrukcji  lotniczych,  pojazdów  samochodowych,  części  głęboko
tłoczonych i części o złoŜonych kształtach kutych w matrycach stosuje się stopy zwane avial
AlMg1Si1Cu i AlMgSi.
Stopy  aluminium  z  miedzią  i  magnezem  oraz  częściowo  równieŜ  z  manganem  i  krzemem
charakteryzują się duŜym oporem plastycznym przy obróbce na zimno i na gorąco. Stopy te są
przede wszystkim uŜywane na konstrukcje lotnicze. DuŜe zastosowanie przemysłowe znalazły
wieloskładnikowe  stopy  zwane  duralami.  Zaliczamy  do  nich  stopy  AlCu4Mg,  AlCu4Mg1A,
AlCu4Mg  i  AlCu4Mgl  stosowane  na  nity  do  konstrukcji  lotniczych,  obciąŜone  elementy
konstrukcji  lotniczych  i  pojazdów  samochodowych  oraz  konstrukcyjne  elementy  budowlane.
Duraluminium  ma  duŜą  odporność  na  korozję  i  po  utwardzeniu  drogą  obróbki  cieplnej
uzyskuje znaczną wytrzymałość (290–440 MPa).

Magnez jest metalem bardzo lekkim o niskich właściwościach mechanicznych i duŜej

aktywności  chemicznej.  Wytrzymałość  na  rozciąganie  magnezu  wynosi  ok.  245  MPa,
a  twardość  ok.  35  RB.  Ze  względu  na  te  własności  jest  stosowany  w  technice  przede
wszystkim  w  postaci  stopów.  Czysty  magnez  jest  uŜywany  w  pirotechnice  do  wyrobu  rakiet
ś

wietlnych oraz w metalurgii jako modyfikator lub środek redukujący. Jednak główne

zastosowanie magnez znajduje do wyrobu stopów lub jako dodatek do stopów.

Stopy magnezu dzieli się na odlewnicze i do obróbki plastycznej. Głównym składnikiem

stopów magnezu jest aluminium, którego zawartość w stopach odlewniczych moŜe dochodzić
do 10%, a w stopach do obróbki plastycznej do 9%. Stopy magnezu zawierają jeszcze cynk do
5,5%,  mangan  do  2,5%,  a  takŜe  cer  i  cyrkon.  Stopy  magnezu  z  aluminium  i  cynkiem  noszą
nazwę  elektronów.  Stopy  magnezu  są  najlŜejsze  ze  znanych  stopów.  Odznaczają  się  one
odpornością  na  działanie  wpływów  atmosferycznych  i  niektórych  czynników  chemicznych.
Z  uwagi  na  to,  Ŝe  stopy  magnezu  w  połączeniu  z  tlenem  tworzą  substancję  wybuchową,  nie
moŜna  tych  stopów  podczas  obróbki  chłodzić  wodą,  a  przy  ich  szlifowaniu  naleŜy  stosować
urządzenia  do  pochłaniania  pyłu.  Stopy  magnezu  moŜna  obrabiać  skrawaniem,  stosując
specjalne narzędzia i duŜe prędkości skrawania.

Stopy odlewnicze magnezu są stosowane na odlewy wykonywane przewaŜnie pod

ciśnieniem,  szczególnie  dla  przemysłu  lotniczego.  Stop  MgA13ZnMn  jest  stosowany  na
odlewy  o  duŜej  szczelności,  jak  korpusy  pomp  i  armatura.  Stopy  MgAl6Zn3Mn
i  MgAl8ZnMn  są  stosowane  na  odlewy  części  lotniczych  silnie  obciąŜone,  części  silników,
agregatów oraz aparatów fotograficznych i maszyn do pisania. Utrzymują dobre własności do
temperatury 120°C.

Stopy do obróbki plastycznej wykazują większą przydatność do obróbki plastycznej na

gorąco  niŜ  na  zimno.  Obróbka  plastyczna  na  gorąco  zaleŜnie  od  stopu  odbywa  się
w  temperaturze  230–450°C.  Stop  MgMn2  jest  stosowany  na  mało  obciąŜone  elementy
konstrukcji  lotniczych  i  samochodowych,  od  których  jest  wymagana  wysoka  plastyczność
i dobra spawalność. Na bardziej obciąŜone elementy konstrukcji lotniczych i samochodowych
są stosowane stopy

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tabela 10. Wykaz stopów aluminium wg norm międzynarodowych [opracowanie własne].

Polska

Niemcy

DIN

Materiał

nr.

ISO /

USA

Anglia

(BS )

Francja

(NF)

Hiszpania

(UNE)

Włochy

(UNI)

Szwecja

(SIS)

AI 99.5

3.0255

1050A

L3051

4507

4007

Al 99.7

3.0275

1070A

–

4005

A00

Al 99.8

3.0285

1080A

–

4004

Al 99.0

3.0205

1200

–

4010

A1E

E–AI99.5

3.0257

1350A

A5L

L3052

–

4008

–

AICuMgPb

3.1645

2007

–

A–U4PB

L3121

–

4335

–

AICuBiPb

3.1655

2011

FC1

A–U 4Pb

L3192

6362

4355

PA33

AlCuSiMn

3.1255

2014

–

4338

PA6

AICuMg 1

3.1325

2017A

H14

A–U4G

L3120

3576

–

PA7

AlCuMg2

3.1355

2024

H16

A–U4G1

–

AlMn

3.0515

3003

–

4054

PA43

AlMg1

3.3315

5005

–

4106

–

AlMg2.5

3.3523

5052

–

4120

–

AlMg5

3.3555

5056

A–G5

–

PA13

AIMg4.5Mn

3.3547

5083

L3321

7790

4140

PA11

AIMg3

3.3535

5754

A–G3M

L3390

3575

4125

–

AlMgSi0.7

3.3210

6005

–

4107

–

AlMgSiPb

3.0615

6012

–

4212Pb

PA38

AIMgSi0.5

3.3206 6060/63 6060/63

A–GS

L3441

3569

4104

PA45

AlMg1SiCu

3.3211

6061

H20

–

PA4

AIMgSi1

3.2315

6082

H30

A–SGM 0.7

L3451

3571

4212

PA47

AIZn4.5Mg1

3.4335

7020

H17

A–Z5G

L3741

7791

4425

–

AIZnMgCu0.5

3.4345

7022

–

A–Zn5 GU 0.6

–

PA9

AIZnMgCu1.5

3.4365

7075

2L95

A–Zn 5 GU

L3710

3735

–

Cynk jest metalem o dobrych właściwościach plastycznych, małej wytrzymałości na

rozciąganie i niskiej temperaturze topnienia, wynoszącej 418°C. Cynk stosuje się głównie na
przeciwkorozyjne  powłoki  ochronne  głównie  blach  i  drutów.  Cynk  stosuje  się  równieŜ
w  budownictwie  w  postaci  blach  płaskich  i  falistych  na  pokrycia  dachów.  Jest  stosowany
równieŜ  do  wyrobu  baterii  elektrycznych  oraz  w  postaci  folii  do  opakowań,  a  takŜe  jako
składnik róŜnych stopów.

Głównymi składnikami stopów cynku są: aluminium, miedź i niekiedy mangan.

Większość  stopów  cynku  moŜe  być  stosowana  do  odlewania  i  do  obróbki  plastycznej.  Stopy
zawierające powyŜej 5,4% aluminium są stopami wyłącznie odlewniczymi.
Stopy cynku znane są pod nazwą znal. MoŜna je łatwo spawać i hartować oraz obrabiać. Znale
po  obróbce  plastycznej  mają  dobrą  wytrzymałość  i  plastyczność.  DuŜe  znaczenie  techniczne
mają  stopy  odlewnicze  ZnAl1  i  ZnAl28Cu4.  Są  stosowane  jako  stopy  łoŜyskowe  oraz  na
ś

limacznice i prowadnice. Odlewy ciśnieniowe ze stopów cynku znalazły zastosowanie

w przemyśle maszynowym na: korpusy, armaturę, gaźniki samochodowe, części maszyn
drukarskich, klamki, obudowy itp.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Cyna i jej stopy

Własności mechaniczne czystej cyny są tak niskie, Ŝe nie nadaje się jako materiał

konstrukcyjny. Folia cynowa ma duŜe zastosowanie do pakowania produktów
Ŝ

ywnościowych. Cynę stosuje się do cynowania puszek do konserw, a największe

zastosowanie znalazła jako dodatek stopowy.
Stopy cyny dzieli się na odlewnicze i do obróbki plastycznej. Stopy do obróbki plastycznej są
stosowane  głównie  na  folie.  Stop  SnSb2,5  (zawierający  1,9–3,1%  Sb)  jest  stosowany  do
wyrobu  folii  na  otuliny  i  do  platerowania  folii  ołowiowej,  a  stop  SnPbl3Sb  na  folie
kondensatorowe.

4.5.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Co to jest mosiądz?
2.  Co to jest brąz?
3.  Co to są siluminy?
4.  Jakie rodzaje stopów aluminium potrafisz wymienić?
5.  Wymień rodzaje stopów magnezu ?

4.5.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Odczytaj z PN i katalogów właściwości i zastosowanie następujących stopów: B555,

B1010, M90, BM123, PA6.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z otrzymanymi normami i katalogami,
2)  odszukać podane gatunki stopów,
3)  zapisać właściwości i zastosowania tych stopów,
4)  zaprezentować efekt swojej pracy.

rodki dydaktyczne:

−

PN i katalogi zawierające informacje o stopach metali nieŜelaznych,

−

arkusze papieru i pisaki.

Ćwiczenie 2

Odszukaj w PN i katalogach stopy CuAl9Fe3, CuMn12Ni3, SnSb8Cu3, określ ich skład

chemiczny oraz właściwości i zastosowanie.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z otrzymanymi normami i katalogami,
2)  odszukać odpowiednie gatunki stali,
3)  zapisać właściwości i zastosowania tych stopów,
4)  uporządkować uzyskane informacje,
5)  zaprezentować efekty pracy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.6. Wyroby hutnicze

4.6.1. Materiał nauczania

Półwyroby stalowe

Stal jest produkowana w postaci półwyrobów, tj. kęsów, prętów (walcowanych,

ciągnionych),  kształtowników,  blach,  rur  itd.  Oznaczenie  materiału  na  rysunku
konstrukcyjnym powinno zawierać rodzaj półwyrobu, z którego dana część ma być wykonana.
Dla  pełnego  określenia  wymagań  materiałowych  jest  konieczne  podanie  odpowiednich
oznaczeń  i  numerów  norm  dotyczących  rodzaju  półwyrobu,  wymiaru,  klasy  dokładności
wykonania,  materiału,  stanu  obróbki  cieplnej  itp.  Przy  doborze  i  zamawianiu  określonych
półwyrobów naleŜy kaŜdorazowo sprawdzać, czy potrzebne wymiary, gatunki lub odmiany są
aktualnie produkowane, tj. czy znajdują się w aktualnych programach produkcji.

Kęsy są to wyroby hutnicze walcowane na gorąco, o przekroju kwadratowym lub

proostokątnym,  z  zaokrąglonymi  krawędziami,  stosowane  przede  wszystkim  do  wyrobu
odkuwek.  Kęsy  kwadratowe  produkuje  się  o  grubości  40–140  mm  i  długości  1,2–6  m,  kęsy
prostokątne  –  o  grubości  80x60–200xl00  mm  i  długości  1,S–14m.  Kęsy  są  dostarczane
w stanie surowym po walcowaniu lub zmiękczonym.

Pręty walcowane na gorąco produkuje się o przekroju okrągłym, kwadratowym,

prostokątnym (płaskim) i sześciokątnym, a ponadto do specjalnych zastosowań – o przekroju
półokrągłym,  owalnym,  owalnym  płaskim,  półpierścieniowym,  trapezowym  i  in.  Produkuje
się  pręty  okrągłe  o  średnicy  8–250  mm,  kwadratowe  o  grubości  8–180  mm,  sześciookątne
o grubości 8 do 100 mm.

Wymagania. Na rysunkach konstrukcyjnych części wykonywanych z prętów naleŜy

podawać w oznaczeniach materiałowych następujące dane:

−

rodzaj pręta i przeznaczenie (do obróbki plastycznej, do obróbki skrawaniem),

−

wymiary i dokładność (klasa) wykonania,

−

gatunek stali,

−

stan dostawy (surowy, normalizowany, ulepszony itd.).
Ponadto dla części odpowiedzialnych, wykonywanych ze stali węglowych wyŜszej

jakości lub stopowych, jest wskazane określenie innych wymagań, które mogą być niezbędne
do uzyskania odpowiednich własności gotowych części lub do ułatwienia procesów
technologicznych, jak:

−

dopuszczalna głębokość odwęglenia, dopuszczalna pasmowość,

−

dopuszczalna głębokość wad powierzchniowych,

−

wielkość ziarna, hartowność, dopuszczalny stopień zanieczyszczenia wtrąceniami
niemetalicznymi.
Walcówka jest wyrobem hutniczym walcowanym na gorąco dostarczanym w kręgach, co

ogranicza jej grubość. Walcówkę okrągłą produkuje się o średnicy

5,5–28 mm, zaś

sześciokątną  –  o  grubości  8–13  mm.  Walcówki  o  innych  przekrojach  oraz  pręty  o  profilach
specjalnych  są  walcowane  tylko  w  pojedynczych  wymiarach,  z  przeznaczeniem  na określone
elementy.

Kształtowniki walcowane na gorąco ogólnego zastosowania są dostarczane w stanie

surowym.

Kształtowniki gięte na zimno otwarte i zamknięte (zgrzewane)

Kształtowniki gięte na zimno otwarte wykonuje się z bednarki, taśmy lub pasów

wyciętych z blach walcowanych na gorąco lub na zimno. Kształtowniki ogólnego

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

przeznaczeenia  wykonuje  się  ze  stali  węglowych  zwykłej  jakości  i  niskostopowych
o podwyŜszonej wytrzymałości. są dostarczane bez obróbki cieplnej po gięciu.
Wymagania  i  wymiary  dla  kształtowników  ogólnego  przeznaczenia  zawarto  w  Polskich
normach.  Najbardziej  populrne  typy  kształtowników  to:  katowniki,  ceowniki,  teowniki,
dwuteowniki i zetowniki.

Przykład oznaczenia kątownika 50 x 40 x 5 mm o długości L = 5000 mm, giętego

z bednarki walcowanej na gorąco (KGg),

Pręty ciągnione, łuszczone, szlifowane i polerowane

Pręty te są stosowane wtedy, gdy wymaga się:

−

duŜej dokładności wymiarów (mocowaanie w automatach, pozostawianie znacznej części
powierzchni pręta na gotowo bez obróbki),

−

braku  odwęglenia  i  wad  powierzchniowych  (na  elementy  spręŜyste  i  pracujące
w  warunkach  zmiennych  obciąŜeń  oraz  hartowane  powierzchniowo  na  powierzchniach
nieobrabianych).

−

duŜej gładkości powierzchni (zwiększenia wytrzymałości zmęczeniowej).

Gatunki. Program produkcji obejmuje pręty ciągnione na zimno o przekrojach okrągłych,

kwadratowych,  prostokątnych  i  sześciokąttnych,  wykonywane  w  klasach  dokładności
od  hl1  do  h13,  w  czterech  klasach  jakości  powierzchni  (CI-C4),  w  stanie  surowym,
zmiękczonym  (M),  normalizowanym  (N),  normalizowanym  i  utwardzonym  przez  ciągnienie
(Nc), ulepszonym (T) oraz ulepszonym i utwardzonym przez ciągnienie (Te). Pręty ciągnione
wykazują  większą  anizotropię  właściwości  niŜ  walcowane,  częściej  występują  w  nich  wady
wewnętrzne (pęknięcia, naderwania).

Pręty ciągnione okrągłe są produkowane w zakresie grubości 1–0 mm, kwadratowe

2–50  mm,  sześciokątne  -3–50  mm,  prostokątne    w  zakresie  grubości  5–16  mm  i  szerokości
8–50  mm.  Pręty  ciągnione  i  szlifowane  mają  powierzchnię  matową  bez  wad,  ze  śladami
obróbki  mechanicznej,  bez  odwęglenia.  Wymiary  i  tolerancje  są  takie  same  jak  dla  prętów
ciągnionych. Pręty ciągnione, szlifowane i polerowane (przez dogniatanie) mają powierzchnię
błyszczącą  bez  śladów  obróbki i bez odwęglenia. Wymiary i tolerancje są takie same jak dla
prętów ciągnionych.

Pręty łuszczone produkuje się wyłącznie jako okrągłe. Wykonuje się je przez obróbkę

skrawaniem  na  łuszczarkach  z  prętów  walcowanych  na  gorąco.  W  wyniku  tej  obróbki
uzyskuje  się  usunięcie  warstwy  odwęglonej  i  wad  powierzchniowych  (zawalcowań,  wŜerów
itp.)  oraz  duŜą  dokładność  wymiarów  (h12,  h14  i  h16).  Pręty  łuszczone  produkuje  się
o  średnicy  25–100  mm,  w  stanie  surowym,  utwardzonym,  wyŜarzonym,  normalizoowanym,
a z niektórych gatunków stali rówwnieŜ w stanie ulepszonym.
PoniŜej  przykłady    tablic  zawierających  dane  charakterystyczne  podstawowych  półwyrobów
ze stali węglowych i stopowych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.6.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Odczytaj z PN i katalogów, jakie największe i najmniejsze kątowniki równoramienne,

ceowniki i zetowniki są produkowane.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z otrzymanymi normami i katalogami,
2)  odszukać kątowniki, ceowniki i zetowniki,
3)  wypisać je,
4)  zaprezentować efekt swojej pracy.

rodki dydaktyczne:

−

PN i katalogi zawierające informacje o wyrobach hutniczych,

−

arkusze papieru i pisaki.

Ćwiczenie 2

Odszukaj w PN i katalogach, jaki zakres grubości i jakie wymiary blach stalowych

walcowanych na zimno jest produkowany, wypisz wielkości graniczne.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z otrzymanymi normami i katalogami,
2)  podzielić pracę na poszczególnych członków grupy,
3)  odszukać odpowiednie tablice,
4)  zapisać potrzebne informacje,
5)  uporządkować uzyskane informacje,
6)  zaprezentować efekty pracy.

rodki dydaktyczne:

−

PN i katalogi zawierające informacje o wyrobach hutniczych,

−

arkusze papieru i pisaki.

4.6.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) zdefiniować pojęcie kęsy?

2) zdefiniować pojęcie kształtowniki?

3) określić rodzaj i zastosowanie wyrobów hutniczych?

4) odróŜnić rury stalowe ze szwem od rur stalowych bez szwu?

5) obliczyć cięŜar dowolnego wyrobu hutniczego stalowego?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.7. Rodzaje i zastosowanie tworzyw sztucznych

4.7.1. Materiał nauczania

Geneza nazw tworzyw

Tworzywa sztuczne to ogólnie i powszechnie przyjęta nazwa materiałów, których

podstawowym  (a  nieraz  wyłącznym)  składnikiem  są  substancje  wielkocząsteczkowe.
Ich  dawną  nazwą  jest  masa  plastyczna,  ale  i  obecnie  stosowany  plastik  jest  nieprawidłowy,
nie budzi natomiast zastrzeŜeń zestawienie konkretnej grupy tworzyw sztucznych z końcówką
-plast  np.  fenoplasty,  aminoplasty,  fluoroplasty  czy  duroplasty.  Obserwuje  się  tendencję  do
zmiany  określenia  tworzywa  sztuczne tworzywa na chemiczne, tak jak w przypadku włókien
chemicznych.

Historia tworzyw sztucznych

Pierwsze w skali przemysłowej próby chemiczne modyfikowania związków

wielkocząsteczkowych  rozpoczęto  1850  roku.  W  1872  r.  w  USA  otrzymano  celuloid,
w  Niemczech  w  roku  1897  uruchomiono  produkcję  galalitu,  a  w  1904  r.  acetylocelulozy.
Pierwszymi  syntetycznymi  tworzywami  sztucznymi  były  Ŝywice  fenolowo-formaldehydowe
otrzymane  w  roku  1872  (A.  Baeyer),  jednak  produkcję  ich  podjęto  dopiero  1909  r.  na
podstawie  patentu  belgijskiego  chemika  H.  Baekelanda.  W  latach  1928–31  rozpoczęto
produkcję  większości  tworzyw  poliwinylowych.  Pierwsze  tworzywa  poliamidowe
wyprodukowano  1937  r.  w  USA,  polietylen  wysokociśnieniowy  w  1939  r.  w  Wielkiej
Brytanii,  w  USA  rozpoczęto  produkcję  tworzyw  poliestrowych  w  1942  r.,  polichlorku
winylidenu  w  1942  r.,  silikonów  w  1943  r.  W  Polsce  początek  przetwórstwa  tworzyw
sztucznych nastąpił w latach 20. XX w. W 1931 r. rozpoczęto produkcję folii na opakowania –
tomofanu  z  regenerowanej  celulozy.  Szybki  rozwój  produkcji  tworzyw  sztucznych  w  Polsce
nastąpił  po  II  wojnie  światowej.  Obecnie  są  produkowane  m.in.  tworzywa  fenolowo-
formaldehydowe,  tłoczywa  mocznikowe  i  melaminowe,  polimetakrylan  metylu,  polichlorek
winylu,  polistyren,  polikaprolaktam,  poliakrylonitryl,  poliuretany,  Ŝywice  poliestrowe,
epoksydowe, silikonowe, polietylen i polipropylen.

Definicja tworzywa sztucznego

Materiały, których podstawowym składnikiem są naturalne lub syntetyczne polimery;

tworzywa sztuczne mogą być otrzymywane z czystego polimeru (np. polimetakrylan metylu,
polistyren, polietylen), z kopolimerów lub z mieszanek polimerów. Często otrzymuje się je
z

polimerów

modyfikowanych

metodami

chemicznymi

(np.

przez

hydrolizę),

fizykochemicznymi (np. przez degradację) lub przez dodatek takich substancji, jak:
plastyfikatory, wypełniacze, stabilizatory oraz barwniki i pigmenty. Tworzywa sztuczne są
potocznie zwane plastikami (plastykami) lub masami plastycznymi.

Cechy tworzyw sztucznych

Tworzywa sztuczne są na ogół bardzo lekkie (gęstość najczęściej ok. 1 g/cm

), mają małą

przewodność cieplną, większość z nich jest dielektrykami, jednak po dodaniu znacznej ilości
(ok.  50%)  materiałów  przewodzących,  np.  sadzy  lub  pyłu  metalicznego,  przewodzą  prąd
elektryczny,  mogą  być  przezroczyste  lub  całkowicie  nieprzezroczyste;  tworzywa
niemodyfikowane,  w  porównaniu  z  metalami  mają  małą  wytrzymałość  na  rozciąganie  oraz
mały  moduł  elastyczności;  bardzo  dobrą  wytrzymałość  na  rozciąganie,  duŜy  moduł
elastyczności  mają  tworzywa  zbrojone  np.  włóknem  szklanym  (kompozyt,  laminaty);
tworzywa sztuczne są najczęściej odporne na czynniki chemiczne, wilgoć, lecz nieodporne na

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

działanie  czynników  silnie  utleniających.  Wadą  większości  tworzywa  sztuczne  jest  ich
wraŜliwość  na  podwyŜszoną  temp.  (powyŜej  100°C).  W  czasie II wojny światowej uzyskano
silikony,  odporne  najczęściej  na  temp.  do  250°C,  a  następnie  inne  tworzywa,  polisulfony,
odporne  na  temp.  do  200°C,  w  1969  polisiarczek  fenylu,  odporny  na  temp.  do  170°C.
W  wyniku  dalszych  prac  otrzymano  polimery  aromatyczne  i  metaloorganiczne,  odporne  na
temp.  powyŜej  400°C.  Zmniejszenie  palności  tworzyw  sztucznych  uzyskuje  się  w  wyniku
wprowadzenia  do  tworzyw  tzw.  Antypirenów  (substancji  zmniejszających  palność).
Większość  tworzyw  sztucznych  jest  łatwa  do  formowania  i  barwienia.  Najczęściej
stosowanymi  metodami  formowania  tworzyw  sztucznych  są:  wtrysk  (formowanie
wtryskowe),  wytłaczanie,  prasowanie  tworzyw  sztucznych,  odlewanie  tworzyw  sztucznych
oraz  kalandrowanie.  Ponadto  w  przetwórstwie  tworzyw  sztucznych  stosuje  się  np.  spiekanie,
obróbkę plastyczną, laminowanie, zgrzewanie. Jest kilka podziałow tworzyw sztucznych.

Tworzywa sztuczne według sposobu powstawania dzieli się na:

–

Polimeryzacyjne – polimeryzacja, to reakcja łańcuchowa, zachodzaca dzieki obecności
wiązań nienasyconych bez wydzielania prodiktów ubocznych i bez przegrupowania
atomów,

–

Polikondensacyjne  –  polikondensacja  polega  na  stopniowej  kondensacji  monomerów
i  zachodzi  z  wydzieleniem  produktów  ubocznych  (np.  wody,  amoniaku,  dwutlenku
węgla)  w  związku  z  tym  skład  chemiczny  polikondensatu  róŜni  sie  od  składu
chemicznego monomeru,

–

Poliaddycyjne – poliaddycja jest polireakcja stopniową podobnie jak polikondensacja, ale
bez wydzielania produktów ubocznych.
Tworzywa sztuczne – zwane takŜe plastomerami, są tworzywami zbudowanymi na

podstawie  polimerów  syntetycznych,  otrzymywanych  w  wyniku  polireakcji  z  produktów
chemicznej  przeróbki  węgla  ropy  naftowej  i  gazu  ziemnego  lub  polimerów  naturalnych,
uzyskiwanych  przez  chemiczną  modyfikację  produktów  pochodzenia  naturalnego  (celuloza,
kauczuk,  białko).  Zwykle  zawierają  określone  dodatki  barwników  lub  pigmentów,
katalizatorów, napełniaczy,zmiękczaczy (plastyfikatorów), antyutleniaczy.

Podział tworzyw sztucznych

Tworzywa z surowców naturalnych – (drewno, bawełna, mleczko kauczukowe, mleko).

Substancje  te  zawierają  związki  chemiczne  potrzebne  do  wyrobu  tworzyw  sztucznych.
Mleko  zawiera  duŜo  kazeiny,  którą  wykorzystuje  się  do  produkcji  klejów  białkowych
i  niebiałkowych.  Kauczuk  jest  wykorzystywany  do  wyrobu  gum.  Coraz  częściej  kauczuk
zastępuje  się  kauczukiem  syntetycznym,  który  zachowuje  cechy  fizyczne  kauczuku,  róŜniąc
się  pod  względem  chemicznym.  Ebonit  jest  materiałem  otrzymywanym  z  kauczuku
naturalnego  lub  niektórych  kauczuków  syntetycznych,  zawierających  20–33%siarki.  Stosuje
się  go  na  antykorozyjne  wykładziny,  naczynia  akumulatorowe,  części  aparatury  chemicznej,
wyroby  elektrotechniczne.  Głównym  składnikiem  przemysłowym  drewna  jest  celuloza.
Zamieniamy  ją  na  polimery  (spęczanie  w  solach  nieorganicznych,  a  następnie  prasowanie
w  celu  uzyskania  arkuszy).  Dodatkowo  moŜemy  otrzymać  celafon,  włókna  wiskozowe  itp.
Estryfikacja odpowiednim kwasem (bezwodnikiem) da nam np. nitrocelulozę która z kamforą
tworzy folię fotograficzną .

Klasyczne tworzywa kondensacyjne – inaczej zwane duroplastami (Ŝywice utwardzalne).

Duroplasty  stosuje  się  w  postaci  mieszanek  do  tłoczenia  (Ŝywica  +  napełniacz),  laminatów,
tworzyw piankowych, tworzyw wzmacnianych (np. włóknem szklanym), Ŝywic technicznych,
klejów,  lakierów.  Nieodwracalne  przejście  ze  stanu  plastycznego  w  utwardzony  zachodzi
podczas  formowania  wyrobów,  bądź  podczas  stosowania  w  postaci  klejów,  lakierów  itd.  Do
najwaŜniejszych  duroplastów  naleŜą:  fenoplasty,  aminoplasty,  polimery  nienasycone,  Ŝywice
epoksydowe i niektóre Ŝywice silikonowe. Cechuje je sztywność, stabilność wymiarowa,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

nie rozpuszczalność i nietopliwość oraz doskonałe własności elektroizolacyjne. WyróŜniamy
takŜe takie surowce jak ropa naftowa, gaz ziemny, gaz koksowniczy i węgiel. JeŜeli ropą czy
węglem podziałamy na te gazy to otrzymamy izobutan, propan. Z nich otrzymujemy alkohol:
izobutylen, propylen, etylen, acetylen.

Tworzywa z produktów wielofunkcyjnych: najbardziej popularnymi tworzywami tego

typu  są  poliamidy.  Są  odporne  na  działanie  wielu  rozpuszczalników  organicznych,  olejów
i tłuszczów, nie są odporne na działanie kwasów i zasad. Poliamidy są wytwarzane w postaci
róŜnie  barwionych  tłoczyw  do  wtrysku,  folii,  włókien,  Ŝyłek,  bloków  do  obróbki
mechanicznej  oraz  proszku  do  pokrywania  metali  przez  natrysk  płomieniowy.  Innym  bardzo
popularnym polimerem jest poliuretan. Jego podstawową zaletą jest moŜliwość występowania
w  róŜnych  postaciach  (twardej,  miękkiej,  spręŜystej  itp.).  Najczęściej  spotykany  w  postaci
pianki.  Do  polimerów  zalicza  się  takŜe  silikon.  Jest  on  bazą  dla  smarów,  które  dobrze
przewodzą  ciepło.  Substraty  (składniki)  tych  produktów  to  olej  rycynowy,  smoła  z  węgla
kamiennego, nienasycone węglowodory, krzemionka.

Polimery:

–

elastomery (w temp. pokojowej dobrze się odkształcają, moŜna je wydłuŜyć o 300%),

–

plastomery (w temp. pokojowej są twarde, nieplastyczne).
Elastomery:

–

wulkanizujące (duŜo siarki od której zaleŜy twardość),

–

niewulkanizujące (występują bez siarki).
Plastomery:

–

termoplasty (podgrzane do wysokiej temp. są rozciągliwe),

–

duroplasty termoutwardzalne (twardnieją w zaleŜności od temperatury),

–

duroplasty chemoutwardzalne (twardnieją przez utwardzacz).

Przyporządkowanie polimerów do okreslonych grup tworzyw

Elastomery wulkanizujące – kauczuk butadienowo – sterynowy (GRS ), kauczuk

naturalny  (IR),  polizobutylen  (PIB),  kauczuk  butylowy  (GRI),  kauczuk  nitrylowy  (GRN),
polichloroprent (CR), poliuretany niesieciowane (PU), silikony (SL).
Elastomery  niewulkanizujące  –  poliuretany  liniowe  (PUR),  PVC  zmiękczony,  elastomery
polietroamidowe.
Elastomery  termoplastyczne  –  politlenek  fenylenu  (PPO),  tworzywa  celulozowe  (azotan
celulozy AC ).
Termoplasty  –  poliolefiny,  polietylen  (PE),  polichlorek  winylu  (PVC),  styreny  (BP),
polisulfony  (PSF),  poliamidy  (PA),  polimetakrylan  metylu,  poliacetale  (PF),  poliwęglany
celulozy (OC), tworzywa fluorowe, politetrafluoroetylen (PTFE), politrifluoroatylen (PCTFE),
kopolimery.
Duroplasty  chemoutwardzalne  –  Ŝywice  epoksydowe  (EP),  poliestry  nienasycone  (PN),
Ŝ

ywice poliuretanowe (PV).

Duroplasty termoutwardzalne – Ŝywice fenolowoformaldehydowe, Ŝywice aminowe,
mocznikowoformahydowe, melaminowoformaldehydowe, Ŝywice alkilowe, poliamidy.

Wytwarzanie wyrobów z tworzyw sztucznych

Technika wytwarzania wyrobów z tworzyw sztucznych; odlewanie tworzyw sztucznych

prowadzi  się  w  formach  nieruchomych  lub  obracających  się;  odlewanie  odśrodkowe
(obrotowe)  –  tworzywo  sztuczne  (ciekłe  lub  proszek)  wprowadza  się  do  podgrzanej  formy
obracającej  się  szybko  wokół  1  osi  obrotu;  stosuje  się  teŜ  odlewanie  ciśnieniowe  (tworzywo
wtłacza  się  pod  ciśn.  0,5–2  MPa)  i  odlewanie  podciśnieniowe  (tworzywo  jest  zasysane  do
formy);  odlewanie  kształtek  z  monomeru  lub  substancji  częściowo  spolimeryzowanej
(z dodatkiem  katalizatorów,  przyśpieszaczy),  której  polimeryzacja  następuje  w  formie

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

odlewniczej  nosi  nazwę  odlewania  polimeryzacyjnego;  odlewanie  tworzyw  sztucznych
w formach  zamkniętych  jest  stosowane  do  wytwarzania  wyrobów  pustych,  np.  piłek,  lalek,
głównie  z  plastycznych  poli(chlorku  winylu);  w  celu  otrzymania  folii  stosuje  się  odlewanie
roztworów  tworzyw  sztucznych  (np.  pochodnych  celulozy),  najczęściej  wylewając  roztwór
przez  wąską  szczelinę  ogrzewanego  zasobnika  na  przenośnik  taśmowy  lub  obracający  się
bęben,  gdzie  następuje  odparowanie  rozpuszczalnika;  do  metod  odlewniczych  zalicza  się  teŜ
maczanie  w  upłynnionym  tworzywie  izolacyjnym,  stosowane  m.in.  do  zalewania  elementów
i zespołów elektronowych i elektrotechnicznych.

Zastosowanie

Tradycyjne materiały opakowaniowe (drewno, szkło i metale) wypierane są przez

tworzywa  sztuczne,  z  których  wytwarza  się  20–25%  opakowań.  Są  to  róŜne  folie,  np.  worki
samonośne,  róŜne  torby  i  torebki,  folia do pakowania mleka. Butelki wytwarzane są równieŜ
metodą  wytłaczania  rury,  z  której  rozdmuchem  w  formie uzyskuje się opakowanie wewnątrz
puste.  Szerokie  zastosowanie  maja  opakowania  sztywne  ze  styropianu.  Tworzywa  sztuczne
nie  są  dotychczas  podstawowym  materiałem  konstrukcyjnym.  Domeną  tworzyw  sztucznych
w budownictwie jest wyposaŜenie wnętrz (wykładziny podłogowe, ramy okienne i drzwiowe)
oraz pokrycia dachowe (płyty z laminatów poliestrowych, płyty PCW i PMM jako świetliki).
Z  PCW  metodą  wytłaczania  wytwarza  się  poręcze  i  listwy  podłogowe.  Nowością  są  tapety
samoprzylepne  z  warstwą  pianki  (izolator  cieplny  i  akustyczny).  Nowością  w  budownictwie
są  profilowane  blachy  z  warstwą  ochronno-ozdobną  tworzywa,  nałoŜoną  w  procesie
hutniczym;  słuŜą  one  jako  wykładzina  zewnętrzna  budynków  i  w  budowie  statków.
Przyszłościowym  materiałem  budowlanym  są  polimerobetony,  złoŜone  z  wypełniacza
mineralnego  i  Ŝywicy  syntetycznej,  np.  epoksydowej.  Rozrzut  granulometryczny  ziaren
winien zapewniać maksymalny udział taniego wypełniacza w stosunku do drogiego lepiszcza
(środka  wiąŜącego).  Gwarantuje  to  uzyskanie  duŜej  wytrzymałości  polimerobetonów  (ich
wysoka ocena na razie uniemoŜliwia szersze stosowanie). Zastępowanie tradycyjnej armatury
i  rurociągów  wyrobami  z  tworzyw  sztucznych  jest  ograniczone  małą  odpornością  na  gorącą
wodę,  szczególnie  pod  ciśnieniem  panującym  w  wysokich  budynkach.  Tworzywa  sztuczne
słuŜące  w  gospodarstwie  podlegają  podobnie  jak  w  medycynie  ścisłej  kontroli  władz
sanitarnych.  Dotyczy  to  nie  tylko  sprzętu  kuchennego,  ale  i  wyrobów  toaletowych  oraz
materiałów  będących  jedynie  wyposaŜeniem  mieszkaniowym  (por.  tworzywa  sztuczne
w budownictwie).  Muszą  być  jednak  wykonane  z  odpowiednich  tworzyw  sztucznych,  a  ich
kształt  i  barwa  powinny  korzystnie  wpływać  na  samopoczucie  uŜytkownika.  Pierwotnie
stosowane  były  tworzywa  termoreaktywne  (bakelit  czy  aminoplasty);  obecnie  stosuje  się
termoplasty, jak polistyren (gatunki uszlachetnione), polietylen, zwłaszcza odporny na wrzącą
wodę  polipropylen.  Najbardziej  uŜyteczne  do  wyrobu  robotów  kuchennych,  a  nawet
maszynek  do  parzenia  kawy  są  poliwęglany.  Dzięki  fizjologicznej  objętości  prawie
wszystkich  polimerów  i  moŜliwości  ich  stosowania  w  styczności  z  organizmem  Ŝywym,  i  to
nie tylko w krótkotrwałych kontaktach, ale i na stałe (wszczepy – endoprotezy) zastosowanie
tworzyw  sztucznych  w  medycynie  jest  szerokie.  Specjalną  pozycję  zajmują  włókna  sztuczne
z medycynie. Zagadnienie odczynów tkankowych na wszczepione tworzywa, a zwłaszcza ich
biodegradacja  i  moŜliwość  pobudzenia  procesu  nowotworowego  jest  przedmiotem
wszechstronnych  badań,  które  musza  być  długotrwałe.  Tworzywa  sztuczne  w  rolnictwie
spełniają  róŜnorodne  funkcje  np.  folia  z  polietylenu  (PE)  wydatnie  zwiększyła  moŜliwości
upraw  cieplarnianych,  zarówno  przez  budowę  pneumatycznych  obiektów,  jak  i  pokrywanie
konstrukcji  nośnej.  Dobra  izolację  termiczną  spełnia  równieŜ  cienka  folia  (np.  0,03  mm)
rozpięta nad tradycyjną szklarnią. Do wykładania silosów z kiszonkami, zabezpieczania przed
wilgocią stoków i kopców z produktami rolnymi stosuje się folię z polichlorku winylu (PCW).
Rury,  zwłaszcza  z  PE,  słuŜą  do  doprowadzania  wody,  a  cienkościenne  do  bezpośredniego

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

nawadniania  poprzez  mikrozaworki.  Jest  to  tzw.  kropelkowe  nawadnianie  pozwalające  na
racjonalne doprowadzenie wody do układu korzeniowego upraw zielonych (drzew, krzewów,
pomidorów, truskawek). W melioracji stosowane są coraz częściej perforowane rury z PCW,
np.  zwijane  z  taśmy  otrzymanej  metodą  wytłaczania.  Z  folii  PCW  metodą  termoformowania
otrzymuje się doniczki i cienkościenne kaptury słuŜące jako indywidualna osłona roślin przed
przymrozkami.  Pewne  znaczenie  praktyczne  mają  pianki  spulchniające  glebę  gliniastą,
a w piaszczystej  magazynujące  wilgoć.  Naczynia  z  tworzyw  sztucznych  oraz  wyposaŜenie
stanowisk  hodowlanych  zwierząt  (koryta,  kanały  ściekowe,  aŜurowe  podłogi)  ułatwiają
obsługę i umoŜliwiają utrzymanie czystości oraz dezynfekcję pomieszczeń.

Budowa maszyn w róŜnych branŜach nie obeszłaby się dzisiaj bez technicznych tworzyw

sztucznych.  To  one  umoŜliwiają  sprostanie  rosnącym  wymaganiom  perfekcyjnych
technologii,  bezpieczeństwa,  ekologii  i  ekonomii.  Dobre  właściwości  ślizgowe,  wysoka
odporność  na  ścieranie,  wysokie  temperatury  uŜytkowe,  duŜa  wytrzymałość  mechaniczna
i odporność chemiczna, długa Ŝywotność i minimalna intensywność konserwacji, zwiększona
cichobieŜność  dzięki  własnościom  tłumienia  drgań  i  szumów  oraz  stabilność  wymiarowa
przyczyniły  się  do  tego,  Ŝe  techniczne  tworzywa  sztuczne  stały  się  niezbędnym  tworzywem
dla  konstruktorów  i  budowniczych  maszyn  oraz  spełniają  warunki  by  skutecznie
i ekonomicznie zastąpić materiały konwencjonalne.

Tabela 16. Tworzywa sztuczne. Własności fizyczne [3].

Rodzaj

tworzywa

Gęstość

(masa właściwa)

Mg/m3

Wytrzymałość
na rozciąganie

MPa

Wytrzymałość

na ściskanie

MPa

Twardość

Odporność

cieplna w czasie

200h do
temp.

Bakelit, fenolit,
tekstolit

1,26–1,35

50–70

70–250

25–35

130

Celuloid, trolit,
cellit

1,3–1,4

30–50

130–170

5–11

50–80

Aminoplast,
pollopas

ok. 1,5

ok.50

200–300

48–55

Stylon, nylon,
parlon, supramid

1,08–1,15

50–73

50–125

8–10,5

55–150

Igelit

1,34–1,48

63–90

80–90

(15

Sh)

Winidur,
winiplast

1,38–1,4

60–90

80–90

10–18

Plexiglas,
plexigum

1,16–1,20

42–80

85–140

9–20

–

Polistyrol,
trolitul, styroflex

1,05–1,1

30–60

95–106

–

Polietylen,
politen, alkatan

0,82–0,93

10–20

–

(25–35HRF)

Teflon, fluon

2,2–2,3

14–31,5

ok.12

–

200

Obróbka technicznych tworzyw sztucznych
Cięcie piłą

Tworzywo

„

PE” moŜe być cięte zarówno maszynowo piłami taśmowymi lub tarczowymi

do  drewna,  jak  i  ręcznie  ostrymi  piłami  do  drewna  lub  metalu  z  szeroko  rozgiętymi  zębami.
Szczególnie uŜyteczne są tutaj piły taśmowe, gdyŜ dobrze odprowadzają ciepło i umoŜliwiają
cięcie z duŜą prędkością. Piły taśmowe mogą mieć szerokość od 10 do 30 mm, a ich grubość
1–2 mm z podziałką zębów 3–10 mm. Dla uniknięcia klinowania się pił taśmowych, ich zęby
powinny  być  rozsunięte  o  około  0,5  mm.  Przy  stosowaniu  pił  tarczowych  zalecane  są  tarcze
z  zębami  rozsuniętymi  o  minimum  0,5  mm,  lecz  mogą  być  równieŜ  stosowane  tarcze
dośrodkowo  zbieŜne.  Im  wyŜsza  częstotliwość,  tym  czystsza  jest  powierzchnia  cięcia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Normalne prędkości cięcia dla pił taśmowych to 1000–2000 m/min., a dla pił tarczowych
3000–4000 m/min.

Toczenie

Półfabrykaty mogą być bez trudności obrabiane na tokarkach. Detale wykonywane

masowo mogą być produkowane ekonomicznie, w szczególności gdy stosuje się maszyny do
obróbki  metali  lekkich  (o  duŜych  szybkościach  obróbki).  Chłodzenie  nie  zawsze  jest
konieczne,  gdyŜ  ciepło  jest  odprowadzane  wraz  z  wiórami.  Tylko  przy  grubym  wiórze
(głębokim  cięciu)  potrzebne  jest  chłodzenie  spręŜonym  powietrzem  lub  chłodziwem.  MoŜna
stosować prędkości obróbki do 600 m/min.

Struganie

Tworzywo

„

PE” moŜe być strugane na grubościówkach i wygładzarkach stosowanych

w obróbce drewna przy duŜych prędkościach cięcia. Dla ostrych ostrzy tnących z twardego
metalu, moŜna stosować posuw do 2 mm na ostrze.

Frezowanie

Do obróbki tworzywa

„

PE” nadają się frezarki szybkoobrotowe i normalne. Zastosowanie

frezarek specjalnych z głowicami poziomymi, pionowymi i frezem jednoostrzowym
umoŜliwia ekonomiczną produkcję skomplikowanych elementów na duŜą skalę. Dla
zapewnienia najlepszego usuwania wiórów zaleca się stosowanie frezów o duŜej podziałce.

Wiercenie

Tworzywo

„

PE” moŜe być nawiercane na wiertarkach, tokarkach i frezarkach. Zasadniczo

uŜywa się wierteł krętych lecz dla większych średnic wiercenia moŜe być stosowany równieŜ
frez okrągły. Przegrzewania miejscowego moŜna uniknąć poprzez dobre usuwanie wiórów.
W wypadku występowania nadmiernego przegrzewania naleŜy zastosować chłodzenie
spręŜonym powietrzem lub chłodziwem.

Gwintowanie

Gwintowanie detali moŜe być wykonywane normalnymi urządzeniami do metalu,

zarówno na tokarce (20–30 obr./min.) lub ręcznie. Zasadniczo preferowane są okrągłe gwinty,
zgodne z DIN 405 lecz gwinty V teŜ zachowują dobre własności, ze względu na duŜą
wytrzymałość tworzywa na udar.

Łączenie / zgrzewanie

Z powodu duŜej lepkości w stanie stopionym, tworzywo

„

PE” moŜe być łączone tylko

przez zgrzewanie czołowe. Oczyszczone powierzchnie styku są lekko dociskane do narzędzia
ogrzewającego o temp. 200–220°C, aŜ do chwili gdy na obu powierzchniach warstwa
o grubości około 4 mm stanie się plastyczna. Następnie obie podgrzane powierzchnie dociska
się do siebie (ciśnienie 10–20 kg/cm

) w zaleŜności od grubości elementów, aŜ do ostygnięcia.

Jeśli mają one kształt bloków o grubości powyŜej 30 mm, to jest wymagane ciśnienie
50 kg/cm

i większe. W tych wypadkach często uŜywane są prasy i specjalne urządzenia

zgrzewające.

Szlifowanie i polerowanie

Po obróbce skrawaniem dalsze szlifowanie i polerowanie jest wyjątkowo rzadko

potrzebne, gdyŜ w większości wypadków obróbki, przy zastosowaniu do powyŜszych uwag,
otrzymuje się powierzchnie wystarczająco gładkie. Do masowej produkcji bardzo dobry jest

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3) wypisać po 2 z nich,
4) zaprezentować efekt swojej pracy.

rodki dydaktyczne:

−

PN i katalogi zawierające informacje o tworzywach sztucznych,

−

arkusze papieru i pisaki.

Ćwiczenie 2

Odszukaj w PN i katalogach temperatury przetwarzania, cięŜar właściwy (gęstość), skurcz

przetwórczy następujących tworzyw sztucznych: PP, ABS, PE, PS.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z otrzymanymi normami i katalogami,
2)  odszukać odpowiednie tablice,
3)  zapisać potrzebne informacje,
4)  uporządkować uzyskane informacje,
5)  zaprezentować efekty pracy.

rodki dydaktyczne:

−

PN i katalogi zawierające informacje o tworzywach sztucznych,

−

arkusze papieru i pisaki.

4.7.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) zdefiniować pojecie tworzywa sztuczne?

2) zdefiniować pojecie termoplasty?

3) wyjaśnić znaczenie skurczu przetwórczego?

4) określić sposoby obróbki mechanicznej tworzyw sztucznych?

5) określić zastosowania tworzyw sztucznych?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.8. Materiały z proszków spiekanych. Materiały ceramiczne.

Materiały uszczelniające. Materiały lakiernicze. Drewno,
szkło, guma

4.8.1. Materiał nauczania

Tworzywami

ceramicznymi nazywa się elementy konstrukcyjne uformowane

w  temperaturze  otoczenia  z  materiałów  mineralnych  proszkowych  lub  plastycznych,
a następnie utrwalane za pomocą wypalania lub spiekania.
Podstawowymi  materiałami  do  wytwarzania  tworzyw  ceramicznych  są:  glina  i  jej  odmiany,
jak:  szamot  i  kaolin,  krzemionka,  magnezyt,  kwarc,  skaleń,  talk,  związki  wapnia,  związki
metali. Tworzywa ceramiczne odznaczają się wieloma zaletami, z których do najwaŜniejszych
naleŜy  zaliczyć:  duŜą  odporność  chemiczną  i  cierną,  bardzo  małą  przewodność  elektryczną,
odporność  na  ścieranie  i  duŜą  twardość.  Największe  zastosowanie  w  przemyśle  znalazły:
porcelana, kamionka, steatyt, klinkier.

Technologia metalurgii proszków w dzisiejszym rozumieniu ma stosunkowo krótka

historie.  W  XIX  wieku  miały  miejsce  udane  próby  stosowania  tej  technologii,  głównie
w  zastosowaniu  do  metali  trudno  topliwych.  W  roku  1809  T.  Cock  wykonał  z  proszku
trzynastokilogramowa  retortę  platynowa  słuŜącą  do  otrzymywania  stęŜonego  kwasu
siarkowego. W 1865 r. wykonano w Rosji monety platynowe, metodami metalurgii proszków.
Rozwój  omawianej  technologii  przyspieszył  na  początku  bieŜącego  stulecia  rozwój
elektrotechniki.  W  1909  r.  zastosowano  do  Ŝarówek  włókno  z  proszku  wolframu,  tantalu
i  molibdenu.  Rozwój  metalurgii  proszków  stymulowany  był  i  jest  rozwojem  szeregu
technologii.  WaŜnym  momentem  było  opracowanie  i  uruchomienie  w  1924  r.  produkcji
węglików  spiekanych.  W  Niemczech  pierwsze  narzędzia  z  nakładkami  z  węglików
spiekanych  noszą  popularną,  nazwę  "Widia".  W  Polsce,  w  okresie  międzywojennym,
produkcje węglików spiekanych podjęła Huta Baildon oraz Starachowickie Zakłady Górniczo-
Hutnicze.  W  okresie  powojennym  nastąpił  dalszy  ilościowy  i  asortymentowy  rozwój
omawianej  technologii.  W  Polsce  wytwarza  się  obecnie  miedzy  innymi:  części  maszyn
z  proszków  Ŝelaza,  węgliki  spiekane,  szczotki  kolektorowe,  materiały  magnetyczne  metale
trudno topliwe, styki elektryczne, łoŜyska porowate.

Ramowy schemat omawianej technologii składa się z następujących procesów:

−

przygotowanie proszków,

−

formowanie,

−

spiekanie,

−

kalibrowanie,

−

obróbka cieplna,

−

wykańczanie,

−

kontrola produkcji.
Przygotowanie proszków obejmuje redukcje oraz mieszanie proszku podstawowego ze

rodkami poślizgowymi (grafit, stearynian cynku, kwas stearynowy, stearyna) oraz

składnikami  stopowymi.  Jako  dodatków  stopowych  do  proszku  Ŝelaza  uŜywa  się  proszków
Cu,  Ni  i  innych.  Najczęściej  stosowana  metoda  formowania  proszków  jest  prasowanie
w  formach.  Prasowanie  proszku  zasypanego  do  formy  odbywa  sie  najczęściej  na  zimno.
Naciski  jednostkowe  uzaleŜnione  są  od  szeregu  czynników  i  wynoszą  200–600  MPa.
Spiekanie wyprasek odbywa sie w piecach z atmosfera redukująca, najczęściej wodorowa lub
składająca sie z mieszaniny wodoru i azotu lub gazu endotermicznego. W procesie spiekania
moŜna wyodrębnić następujące cztery fazy spiekania:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

–

odparowanie środków poślizgowych,

–

redukcja tlenków,

–

spiekanie właściwe,

–

chłodzenie wsadu.
Odparowanie środków poślizgowych odbywa, sie przy temperaturze 300–600

C, zaś

właściwe spiekanie w zakresie temperatur (2/3–4/5)T, gdzie T oznacza temperaturę topnienia.

Cermetale, czyli materiały metaloceramiczne, są otrzymywane z mieszaniny proszków

metalowych  z  niemetalami.  Odznaczają  się  duŜą  odpornością  na  działanie  wysokich
temperatur  oraz  korozji.  Elementy  z  cermetali  wykonuje  się  przez  prasowanie  pod  bardzo
wysokim  ciśnieniem,  a  następnie  spiekanie  w  wysookiej  temperaturze.  Cermetale  w  postaci
płytek są stosowane na robocze części narzędzi skrawających. Najczęściej stosuje się do tego
celu  cermetal  wykonany  z  trójtlenku  glinu  (Al

) z niewielką domieszką tlenku magnezu

i  korundu.  Ostrze  z  tego  cermetalu  nie  traci  własności  skrawających  nawet  w  temperaturze
1200°C,  a  ponadto  odznacza  się  małym  współczynnikiem  tarcia.  Podobne  własności  ma
cermetal wykonany z azotku baru i wiele innych o róŜnych nazwach handlowych.

Wadą płytek na narzędzia skrawające z cermetali jest niska wytrzymałość i kruchość.

Cermetale

znalazły

zastosowanie

takŜe

wyrobu

materiałów

aroodpornych,

półprzewodników oraz na łopatki turbin gazowych samolotów oddrzutowych.

Materiały uszczelniające słuŜą do wyrobu elementów zapewniających szczellność

połączeń  między  poszczególnymi  częściami  maszyn  i  urządzeń.  Uszczelnienia  dzieli  się  na
spoczynkowe  i  ruchowe,  zaleŜnie  od  tego,  czy  uszczelniają  one  części  znajdujące  się
w  spoczynku,  czy  w  ruchu.  Typowym  uszczelnieniem  spoczynkoowym  jest  uszczelka  pod
głowicę  silnika  spalinowego,  a  uszczelnieniem  ruchowym  –  pierścienie  tłokowe  silnika
spalinowego lub spręŜarki.

Istnieje bardzo duŜo materiałów stosowanych do uszczelniania. Najczęściej znajdują

zastosowania materiały metalowe, a przede wszystkim Ŝeliwo, miedź, ołów i aluminium.

eliwo jest stosowane przede wszystkim na rozpręŜne pierścienie tłokowe silników

spalinowych  i  spręŜarek.  Miedź  –  dzięki  duŜej  plastyczności  i  odporności  na  korozję  –  jest
uŜywana  na  uszczelki  przewodów  hydraulicznych,  wysokociśśnieniowych  przewodów
parowych  oraz  do  przewodów  niektórych  chemikaliów.  Ołów  jest  uŜywany  na  uszczelki
przewodów  kwasu  siarkowego  i  kwasów  organicznych.  Aluminium  i  jego  stopy  są  uŜywane
do przewodów kwasu azotowego, amoniaku i niektórych kwasów organicznych.

Azbest jest minerałem o budowie włóknistej. Był uŜywany na uszczelnienia w postaci

sznurów, płyt i tkanin. Znajduje zastosowanie w postaci uszczelek w urządzeniach naraŜonych
na  działanie  wysokich  temperatur  oraz  kwasów  i  ługów.  Najczęściej  są  stosowane  uszczelki
wykonane  z  płyt  azbestowowych  o  nazwach  handlowych  Klingerit,  Nomax,  Wolbromit,
Ursus.  Uszczelki  te  wytrzymują  wysokie  temperatury  i  ciśnienie.  Obecnie  na  rakotwórczośc
jest wycofywany z wszelkich zastosowań.

Guma jest stosowana bardzo szeroko na róŜnego rodzaju uszczelnienia. ZaleŜnie od

roodzaju  gumy  uszczelki  gumowe  są  odporne  na  oleje,  benzyny,  niektóre  rozpuszczalniki
organiczne  i  płyny  hamulcowe.  Uszczelki  gumowe  są  uŜywane  powszechnie  w  instalacjach
wodnych,  wszelkiego  rodzaju  maszynach,  pojazdach  samochodowych,  kolejnictwie  i  wielu
innnych urządzeniach oraz w budownictwie. Do uszczelniania wałków pracujących w oleju są
stosowane  samo  uszczelniacze  typu  Siemmera.  Samouszczelniacz  jest  wykonany  z  gumy
usztywnionej  obudową  metalową.  Guma  jest  równieŜ  uŜywana  do  uszczelniania  szyb,
zwłaszcza w pojazdach samochodowych .

Tworzywa sztuczne znalazły bardzo szerokie zastosowanie jako materiały uszczelniające

ze  względu  na  duŜą  odporność  na  działanie  czynników  chemicznych.  Najczęściej  są
stosowane:  polichlorek  winylu  (winidur,  igelit),  bakelit,  polietylen,  poliamid  (nylon,  perlon),
polipropylen,  teflon  i  wiele  innych.  Z  wyŜej  wymienionych  tworzyw  na  szczególną  uwagę

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

zasługuje  teflon,  który  jest  odporny  na  działanie  czynników  chemicznych  oraz  wytrzymuje
temperaturę  od  -190°C  do  +250°C,  czyli  odznacza  się  najwyŜszą  odpornością  na  niską
i wysoką temperaturę.

RóŜne wyroby warstwowe nasycone Ŝywicami syntetycznymi, jak tekstolit i novotex,

znalazły takŜe duŜe zastosowanie jako materiały uszczelniające.

Bawełna i konopie są uŜywane jako materiały uszczelniające przede wszystkim w postaci

sznurów,  niekiedy  nasyconych  grafitem  lub  minią.  Sznury  te  są  uŜywane  do  uszczelniania
połączeń  gwintowych  rur  wodociągowych  i  innych  oraz  dławnic  zaworów  róŜnych  instalacji
rurowych.  Z  materiałów  stosowanych  na  uszczelki  wymienić  moŜna  ponadto  korek,  papier,
tekturę, filc, skórę i wiele innych.

Materiały lakiernicze, farby

Farba – powłokotwórczy materiał kryjący w postaci zawiesiny pigmentów (wraz

z wypełniaczami) w spoiwie.

Najczęściej klasyfikację farb dokonuje się ze względu na wykorzystane w nich spoiwo:

−

farby olejno-Ŝywiczne,

−

farby bitumiczne,

−

farby alkidowe (ftalowe),

−

farby chlorokauczukowe,

−

farby winylowe (poliwinylowe) ,

−

farby epoksydowe,

−

farby epoksydowo-bitumiczne,

−

farby poliuretanowe,

−

farby krzemianowo-cynkowe,

−

farby akrylowe.
Farby moŜemy podzielić równieŜ ze względu na: sposób schnięcia na 2 grupy:

−

schnące  fizycznie  –  proces  schnięcia  tych  farb  polega  wyłącznie  na  odparowaniu
rozpuszczalników/rozcięczalników; proces ten następuje szybko, ale wyschnięta powłoka
moŜe  być  rozpuszczona  w  tych  rozpuszczalnikach nawet po długim czasie. Farby te gdy
zawierają  lotne  rozpuszczalniki  mogą  być  nakładane  w  bardzo  niskich  temperaturach,
jednak ich nakładanie przy pomocy pędzla moŜe być utrudnione,

−

schnące  chemicznie  –  schnięcie  tych  farb  nazywamy  utwardzaniem,  które  dokonuje  się
w wyniku reakcji chmicznych zachodzących w spoiwie farby, czynnikiem utwardzającym
moŜe  być  np.  tlen  i  wówczas   mówimy  o  schnęciu  oksydacyjnym  (farby  alkidowe
(ftalowe)  i  olejne),  utwardzacz  dla  farb  dwuskładnikowych  (są  to  np.  farby  epoksydowe
i  poliuretanowe)  –  drugi  składnik  dodaje  się  bezpośrednio  przed  malowanie,  takie  farby
posiadają  określony  czas  Ŝycia  w  trakcie,  którego  trzeba  farbę  wymalować  (wraz  ze
wzrostem temperatury czas Ŝycia farby skraca się).
Oddzielną  grupę  farb  schnących  chemicznie  stanowią  farby  krzemianowo-cynkowe.

Pył  cynkowy  i  roztwór  krzemianu  reagują  ze  sobą  co  przyspieszone  jest  przez  pochłanianie
wilgoci  z  powietrza.  Schnięcie  chemiczne  farb  jest  wolniejsze  niŜ  schnięcie  fizyczne,
a  w  niskich  temperaturach  przebiega  bardzo  wolno  lub  zanika.  Powłoka  po  wyschnięciu  jest
nierozpuszczalna  w  rozpuszczalnikach,  które  były  stosowane  do  produkcji  tych  farb.  Starsze
powłoki  ze  względu  na  małą  przyczepność  mogą  stwarzać  problemy  przy  pracach
remontowych (powłokę naleŜy wówczas zszorstkować).

Szkło

Szkło powstaje przez stopienie głównie tlenków: krzemu, wapnia, sodu i potasu

i ochłodzenie poniŜej temperatury rekrystalizacji. Szkło jest nieprzenikliwe dla cieczy
i gazów, odporne na działanie czynników chemicznych, niepalne i wytrzymałe na

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

podwyŜszoną  temperaturę.  W  wysokiej  temperaturze  w  stanie  plastycznym  daje  się  łatwo
kształtować.  Szkło  mimo  swej  przezroczystości    nie  przepuszcza  promieni  nadfioletowych.
Obecnie  produkuje  się  specjalne  szkło  kwarcowe,  stosowane  w  autobusach  turystycznych,
które  częściowo  przepuszcza  promienie  nadfioletowe.  Istnieje  wiele  odmian  szkła,  dlatego
omówione zostaną tylko te, które w przemyśle mają największe zastosowanie.
Szyby  samochodowe,  lotnicze  oraz  stanowiące  ściany  niektórych  pomieszczeń  są
wykonywane ze szkła bezpiecznego.

Szyby budowlane dzieli się na pięć grup:

−

zwykłe,

−

bezpieczne,

−

o zwiększonej odporności na włamanie,

−

odporne na ostrzał broni palnej,

−

o zwiększonej odporności na działanie fali detonacyjnej.
Szyby bezpieczne wykonuje się jako jednowarstwowe termicznie napręŜone (tzw.

hartowane),  które  rozpadają  się  w  czasie  pękania  na  drobne  kawałki  poozbawione  ostrych
krawędzi  lub  jako  jednowarstwowe  zabezpieczane  folią  antywłamaniową,  które  pękają
promieniowo od miejsca uderzenia.

Pozostałe szyby są klejonymi strukturami wielowarstwowymi, które składają się z kilku

połączonych ze sobą części składowych (szkło, powłoki z tworzyw sztucznych) [1].

Drewno

W technice mianem drewna, określa sie surowiec otrzymany ze ścietych drzew

i  ukształtowany  przez  obróbkę  na  odpowiednie  asortymenty.  Drewno  jest  tworzywem
o budowie  komórkowej.  ZaleŜnie  od  gatunku  porowatość  drewna  waha  sie  w  granicach
10–90%.  Porowatość  ta  ma  istotny  wpływ  na  własnosci  fizyczne  drewna.  W  przekroju
poprzecznym kaŜdego pnia drzewa mozna wyróznić:

−

korę spełniająca rolę tkanki okrywającej,

−

łyko,

−

miazgę,

−

właściwe drewno składające się z bieli i twardzieli lub tylko z bieli,

−

rdzeń.
Biel i twardziel stanowia właściwe drewno najbardziej wartościowa część pnia,

zawierajaca Ŝywicę, garbniki i olejki eteryczne decydujace o trwałości drewna. Pod względem
chemicznym  drewno  składa  sie  z  celulozy,  ligniny  (drzewnika),  chemicelulozy,  wody  oraz
charakterystycznych dla danego gatunku Ŝywic, cukrów, garbników i substancji mineralnych.
W  suchym  drewnie  iglastym  zawartośc  celulozy  wynosi  53–54%,  w  suchym  drewnie
liściastym  43–48%.  Drewno  jest  doskonałym  materiałem  konstrukcyjnym,  zarówno  w  stanie
naturalnym, jak i w postaci sklejek, płyt pilsniowych, wiórowych itd. Wspólna ujemną cecha
wszystkich  gatunków  drewna  jest  higroskopijność  tj.  skłonnośc  do  pochłaniania  wilgoci
i  wyparowywaniu  jej  po  nagrzaniu  co  wywołuje  powstawanie  peknieć.  Przed  butwieniem
i  gniciem  zabezpiecza  sie  drewno  róznymi  srodkami  takimi  jak  smoła,  sfalt,  pokost,  farby
i  lakiery.  W  tabeli  przedstawiono  orientacyjne  wlasciwości  fizyczne  róznych  rodzajów
drewna.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tabela 17. Orientacyjne własności fizyczne drewna powietrzno-suchego [2].

Guma

Guma jest elastycznym produktem wulkanizacji (tj. sieciowania, porzadkowania

makrocząsteczek) kauczuku naturalnego lub syntetycznego. Otrzymuje się ja przez przeróbkę
mieszanek zawierających oprócz kauczuku inne substancje ułatwiające procesy przetwórcze
oraz nadające gumie odpowiednie własności. Do najwaŜniejszych składników mieszanek
kauczukowych naleŜą:

−

kauczuk naturalny lub syntetyczny,

−

rodki wulkanizujące, najczęściej siarka oraz przyspieszacze np.triazole, sulfonamidy itd.

−

zmiękczacze, składniki ułatwiające przetwórstwo oraz obniŜające twardość gumy w stanie
zwulkanizowanym,

−

napełniacze, tj. organiczne lub nieorganiczne, ciała stałe o róŜnym stopniu dyspersji, np.
róŜne typy sadzy, krzemionki i krzemiany, kaolin, kreda itd.

−

pigmenty i barwniki,

−

rodki ochronne, tj. substancje zabezpieczające gumę przed niszczącym działaniem

wiatła, ciepła, tlenu, ozonu, agresywnych środowisk i innych czynników,

−

rodki porotwórcze, tj. składniki mieszanek wydzielające podczas ogrzewania gaz, np.

azot, dwutlenek węgla lub parę wodną, a stosowane do produkcji gumy porowatej.
Własności gumy zmieniają się w szerokich granicach, w zaleŜności od rodzaju kauczuku,

ilości  i  rodzaju  pozostałych  składników  mieszanki  kauczukowej,  sposobu  jej  przygotowania
oraz  warunków  wulkanizacji.  Wytrzymałość  na  rozciąganie  gumy  waha  się  od  2  do  40  MPa
a nawet wyŜej. Twardość zawiera się w granicach 25–95 wg Shore’a. Guma ma bardzo dobre
własności amortyzacyjne i charakteryzuje się na ogół duŜym współczynnikiem tarcia. Wyroby
gumowe  ulęgają  w  warunkach  pracy  lub  przechowywania  tzw.  starzeniu.  Terminem  tym
określa się pogorszenie własności fizycznych gumy, przejawiające się zwiększoną kleistością
jej  powierzchni  jej  mięknieniem  lub  twardnieniem  i  pojawieniem  się  powierzchniowych
pęknięć.  Odporność  gumy  na  starzenie  podwyŜsza  się  przez  wprowadzenie  do  mieszanki
odpowiednich substancji przeciwstarzeniowych [2].

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.8.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Co nazywamy cermetalami?
2.  Jak przebiega proces wytwarzania elementow z proszków metali?
3.  Do czego stosuje sie farby i lakiery i z czego się one składają?
4.  Jakie są główne składniki gumy?
5.  Z jakich elementów składa się drewno i który z nich ma dla techniki największą wartość?

4.8.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Odczytaj z PN i katalogów, na jakie grupy ze względu na właściwości i zastosowanie

dzielimy węgliki spiekane.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z otrzymanymi normami i katalogami,
2)  odszukać węgliki spiekane,
3)  wypisać  oznaczenia,  ich  przeznaczenie  i  oznakowanie  kilku  węglików  spiekanych

z róŜnych grup,

4) zaprezentować efekt swojej pracy.

rodki dydaktyczne:

−

PN i katalogi zawierające informacje o węglikach spiekanych,

−

arkusze papieru i pisaki.

Ćwiczenie 2

Odszukaj w PN i katalogach właściwości kauczuku naturalnego i syntetycznego

a następnie porównaj je.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z otrzymanymi normami i katalogami,
2)  odszukać odpowiednie tablice,
3)  zapisać potrzebne informacje,
4)  uporządkować uzyskane informacje,
5)  zaprezentować efekty pracy.

rodki dydaktyczne:

−

PN i katalogi zawierające informacje o tworzywach niemetalowych takich jak guma,

−

arkusze papieru i pisaki.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA

1.  Przeczytaj dokładnie instrukcję.
2.  Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.
3.  Odpowiedzi udzielaj wyłącznie na karcie odpowiedzi.
4.  Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.
5.  Test zawiera 20 zadań.
6.  Do kaŜdego zadania podane są cztery odpowiedzi, z których tylko jedna jest prawidłowa.
7.  Zaznacz  prawidłową  według  Ciebie  odpowiedź  wstawiając  literę  X  w  odpowiednim

miejscu na karcie odpowiedzi.

8. W przypadku pomyłki zaznacz błędną odpowiedź kółkiem, a następnie literą X zaznacz

odpowiedź prawidłową.

9. Za kaŜde poprawne rozwiązanie zadania otrzymujesz jeden punkt.
10. Za udzielenie błędnej odpowiedzi, jej brak lub zakreślenie więcej niŜ jednej odpowiedzi –

otrzymujesz zero punktów.

11. UwaŜnie czytaj treść zadań i proponowane warianty odpowiedzi.
12. Nie odpowiadaj bez zastanowienia; jeśli któreś z pytań sprawi Ci trudność – przejdź do

następnego. Do pytań, na które nie udzieliłeś odpowiedzi moŜesz wrócić później.

13. Pamiętaj, Ŝe odpowiedzi masz udzielać samodzielnie.
14. Na rozwiązanie testu masz 45 minut.

Powodzenia !

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

1. Stal to

a)  stop Ŝelaza z węglem o zawartości węgla do 2%C.
b)  stop Ŝelaza z węglem o zawartości węgla do 12%C.
c)  stop Ŝelaza z węglem o zawartości węgla do 6,5%C.
d)  stop Ŝelaza z węglem o zawartości węgla powyŜej 2%C.

2. Surówka to

a) stop Ŝelaza z węglem o zawartości węgla ponad 2% przeznaczony do dalszej

przeróbki

b)  stop Ŝelaza z węglem o zawartości węgla ponad 2%w stanie płynnym
c)  stop Ŝelaza z węglem o zawartości węgla do 12% przeznaczony do dalszej przeróbki
d)  stop Ŝelaza z węglem o zawartości węgla do 3,2% przeznaczony do dalszej przeróbki

3. śeliwo to

a) techniczny stop Ŝelaza o zawartości węgla powyŜej 2%.
b) stop Ŝelaza z węglem i innymi pierwiastkami o zawartości węgla ponad 2%

stosowany w postaci odlewów.

c) mieszanina eutektyczna.
d) stop Ŝelaza o zawartości węgla 3,2% i temperaturze topnienia 1243°C.