Wydział Technologii Chemicznej

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

STALE STOPOWE

Wykonanie:

Bartosz Bilon

Marta Dębska

Agnieszka Kamińska

Stale stopowe są stalami używanymi przeważnie w przemyśle maszynowym i są przeznaczone na budowę elementów o wysokich obciążeniach. Stale te dzieli się na stale do nawęglania, do ulepszania cieplnego, do azotowania, stale sprężynowe( resorowe), stale specjalne nierdzewne i kwasoodporne oraz żarowytrzymałe. Dodatki stopowe oraz obróbka cieplna wpływają na osiągnięcie odpowiednich własności fizycznych i chemicznych.

Stale stopowe, zwykle bardzo drogie, używane są w zastosowaniach specjalnych, tam gdzie jest to uzasadnione ekonomicznie.

Jest to stal, w której oprócz węgla występują inne dodatki stopowe o zawartości od kilku do nawet kilkudziesięciu procent, zmieniające w znaczny sposób charakterystyki stali. Dodatki stopowe dodaje się by:

• podnieść hartowność stali

• uzyskać większą wytrzymałość stali

• zmienić pewne właściwości fizyczne i chemiczne stali

Stal ze względu na zastosowanie dzieli się na:

• Stal konstrukcyjna - stal używana do budowy konstrukcji stalowych i części urządzeń i maszyn o typowym przeznaczeniu. Gdy konstrukcja lub element urządzenia pracuje w trudnych lub ekstremalnych warunkach atmosferycznych, wytężeniowych lub cieplnych, stosuje się stale specjalne.

• Stal konstrukcyjna niskostopowa - stal o niskiej zawartości węgla maksymalnie do 0.22% posiadająca dodatki stopowe w ograniczonych ilościach. Stale niskostopowe używane są do budowy konstrukcji narażonych na działanie warunków atmosferycznych takich jak mosty, maszty, wagony kolejowe itp. - wszędzie tam, gdzie zastosowanie jej jest uzasadnione ekonomicznie. Charakteryzują się większą wytrzymałością od stali konstrukcyjnych wyższej jakości oraz większą odpornością na korozję.

• Stal automatowa - stal wykorzystywana do produkcji drobnych części np.: śrub, nakrętek, podkładek itp. Używana na części nie podlegające silnym obciążeniom. Stal taka, dostarczana w postaci prętów, jest używana w automatach, które pracując przy minimalnym nadzorze ludzkim, wymagają stali tworzącej krótkie i łamliwe wióry. Zapewnia się to przez zwiększony dodatek siarki do 0,35% i fosforu do 0,15%. Siarka, tworząca z metalami kruche siarczki, najbardziej wpływa na łamliwość wiórów

• Stal do azotowania - stal używana do obróbki chemicznej azotowania. Do azotowania stosuje się stale konstrukcyjne niskostopowe oraz stale stopowe o zawartości aluminium powyżej 1.0%. Wyroby wykonane z takiej stali po azotowaniu uzyskują dużą odporność na ścieranie.

• do ulepszania cieplnego

• stal narzędziowa:

• stopowa:

• do pracy na zimno

• do pracy na gorąco

• szybkotnąca

Stal specjalna - stal przeznaczona do specjalnych zastosowań. Stale specjalne zawierają dużą ilość dodatków stopowych, wymagają bardzo skomplikowanej obróbki cieplnej oraz wysokiego reżimu obróbki i montażu. Ze względu na wysoką cenę nie są stosowane powszechnie. W przemyśle chemicznym najczęściej są używane stale stopowe specjalne tj.: stale nierdzewne, kwasoodporne, żaroodporne, żarowytrzymałe.

• Stal nierdzewna - stal odporna na działanie czynników atmosferycznych, rozcieńczonych kwasów, roztworów alkalicznych i podobnych. Nierdzewność stali uzyskuje się poprzez zwiększoną zawartość chromu. Im większa zawartość chromu, tym większa odporność stali na korozję. Zwykle stosuje się od 12% do 25% chromu. Zwiększona zawartość węgla także wpływa na wzrost nierdzewności stali, lecz zawartość tego dodatku stopowego ogranicza się ze względu na jego wpływ na kruchość stali.

• Stal kwasoodporna - stal odporna na działanie wszystkich kwasów organicznych i większości nieorganicznych, z wyjątkiem kwasu solnego i siarkowego. Kwasoodporność uzyskuje się dzięki stabilizacji austenitu w normalnych warunkach, co można uzyskać dzięki wysokim zawartościom chromu (17% - 20%) I niklu (8% - 14%), oraz innych dodatków stopowych, takich jak mangan, tytan, molibden i miedź. Stale kwasoodporne stosowane są po polerowaniu. Jako że w wysokich temperaturach dodatki stopowe mają tendencję do łączenia się z węglem tworząc twarde węgliki, po spawaniu elementów wykonanych ze stali kwasoodpornych wymagana jest ich obróbka cieplna. Stąd stale typu 18-8, zyskały ogromne znaczenie praktyczne i większość stosowanych dziś gatunków stanowi modyfikacje, tego podstawowego składu. Struktura stali kwasoodpornych może być austenityczna lub austenityczno-ferrytyczna.

• Odporna na zużycie najbardziej jest znana stal Hadfielda zawierająca od 1-1,3% C i 11-14% Mn. Jest to stal w stanie przesyconym austenityczna, praktycznie nieobrabialna przez skrawanie. Wyroby otrzymuje się nadając im ostateczną postać przez odlewanie. Odznacza się wybitną odpornością na ścieranie i jednocześnie ma dużą odporność na uderzenie. Odporność na zużycie i zła obrabialność tłumaczy się strukturą austenityczną, która przy próbach obróbki, pod wpływem dużych miejscowych naprężeń zmienia się na martenzytyczną. Ze stali tej wykonuje się części gąsienic do traktorów i czołgów, kosze i chwytaki do koparek, rozjazdy tramwajowe i kolejowe.

• Stal zaworowa - należy do grupy stali żarowytrzymałych z przeznaczeniem na zawory wylotowe silników spalinowych. Są to stale chromowo-krzemowo-molibdenowe, oraz stale chromowo-niklowo-wolfra-mowo-molibdenowe z dodatkiem do 0,5% azotu przeznaczone na najsil­niej obciążone zawory wylotowe i wlotowe silników lotniczych i samochodowych. W zależności od składu chemicznego struktura tych stali może być ferrytyczna lub austenityczna z wydzieleniami wąglików.

• Żaroodporna, przez żaroodporność stali rozumie się jej odporność na korozyjne działanie gorących gazów o temperaturze powyżej 550°C (tzn. powyżej temperatury czerwonego żaru). Głównymi składnikami stopowymi stali żaroodpornych są chrom, krzem i glin. Czasami ze względów technologicznych (spawalność) do stali tych dodaje się, nikiel w ilości nie przekraczającej 4%. Stąd stale te posiadają najczęściej strukturę, ferrytyczną, a w przypadku występowania niklu mogą wykazywać strukturą ferrytyczno-austenityczną

• Żarowytrzymałe są to stale żaroodporne, które dodatkowo w wysokiej temperaturze pod wpływem stałego obciążenia w ciągu długiego czasu nie wykazują odkształceń lub tylko w stopniu  minimalnym, czyli są odporne na pełzanie. W porównaniu do stali ferrytycznych wyższą wytrzymałość na pełzanie wykazują stale austenityczne. Dlatego oprócz dodatków stopowych podwyższających żaroodporność Cr, Si. Al wprowadza się Ni. Mn, Cu w celu uzyskania struktury austenitycznej. Dalszy wzrost wytrzymałości na pełzanie stali austenitycznych zapewniają pierwiastki Mo, W, V, które w austenitycznej osnowie tworzą wągliki stopowe o dużym stopniu dyspersji. Najczęściej stosowane stale żarowytrzymałe to: chromowo-niklowe z dodatkiem krzemu przy zwiększonej zawartości manganu. zawartość węgla w tych stalach nie przekracza 0.2%.

Ze względu na zawartość stopów w stali, możemy wyróżnić stale:

• Niskostopowe - stężenie jednego pierwiastka (oprócz węgla) nie przekracza 2%, a suma pierwiastków łącznie nie przekracza 3,5%

• Średniostopowe - stężenie jednego pierwiastka (oprócz węgla) przekracza 2%, lecz nie przekracza 8% lub suma pierwiastków łącznie nie przekracza 12%

• Wysokostopowe - stężenie jednego pierwiastka przekracza 8% a suma pierwiastków łącznie nie przekracza 55%.

Do najczęściej stosowanych dodatków w stalach zalicza się:

• Nikiel- wpływa na obniżenie temperatury przemiany A, oraz obniża krytyczną szybkość chłodzenia przy hartowaniu. W praktyce oznacza to, że stal niklowa przehartowuje się głębiej niż węglowa. Spośród wszystkich składników nikiel jest jedynym, który umacnia ferryt i jednocześnie zwiększa jego odporność na uderzanie.. Dodatek niklu w ilości 0,5-4,5% stosuje się w stalach do nawęglania i do ulepszania cieplnego; duży dodatek w ilości 8-10%- w stalach kwasoodpornych. Oznaczany jako N.

• Chrom- zwiększa twardość stali, wpływa na rozdrobnienie ziarna oraz zwiększa zdolność przehartowania stali, jednak w większym stopniu niż nikiel. W stalach konstrukcyjnych z wyjątkiem łozysk owych chrom stosuje się zazwyczaj z innymi składnikami, jak np. nikiel molibden, mangan- są to przede wszystkim stale do nawęglania i ulepszania cieplnego. Dużą rolę odgrywa chrom przy wyrobie stali narzędziowych( stale narzędziowe, do pracy na zimno, do pracy na ciepło i szybkotnące). Dodatek chromu w dużych ilościach (12-30%) zwiększa wybitnie odporność stali na działanie czynników utleniających( stale nierdzewne, kwasoodporne, żaroodporne). W symbolach stali jego dodatek oznacza się literą H

• Mangan- działa na strukturę podobnie jak nikiel, ale w stopniu znacznie silniejszym. Stale manganowe konstrukcyjne(0,8-1,4%Mn) odznaczają się dużą wytrzymałością na rozciąganie i odpornością na uderzenie: stosuje się je na konstrukcje mostowe, szyny kolejowe, osie samochodowe. Stale manganowe narzędziowe, stosowane do wyrobu narzędzi tnących, wykrojników itp., odznaczają się małą zmianą wymiarów i niekrzywieniem się przy hartowaniu. Stale austenityczne o zawartości 10-15% Mn stosuje się do celów specjalnych. W symbolach stali jego dodatek oznacza się literą G.

• Wolfram- nadaje stali drobnoziarnistość, zwiększa hartowność, twardość i odporność na zużycie Dodatek wolframu w dużej ilości(8-20%)powoduje odporność stali na odpuszczenie temperaturach aż do 600 C(stale szybkotnące). Jego dodatek oznacza się jako W.

• Molibden- zwiększa głębokość hartowania, zmniejsza kruchość odpuszczania, zwiększa odporność na pełzanie oraz podobnie jak wolfram wywołuje odporność na odpuszczanie w 600C. Stosowany bywa w ilościach 3,5-9,0% w stalach szybkotnących zamiast wolframu. W stalach do nawęglania i ulepszania cieplnego jest dodawany zazwyczaj w ilości 0,15-0,25%, a w stalach, które mają być odporne na pełzanie- 0,25-0,60%. Oznaczany jako M.

• Wanad- przeciwdziała rozrostowi ziarna stali w wysokich temperaturach( sprzyja drobnoziarnistości), zwiększa głębokość hartowania a w stalach szybkotnących zwiększa twardość ostrza. W symbolach stali jego dodatek oznacza się literą V (F).

• Krzem- w ilościach 0,5-2,6%( najczęściej łącznie z manganem) stosuje się do wyrobu stali resorowych i sprężynowych. Krzem zmniejsza straty energetyczne "w żelazie" wywołane prądem zmiennym i dlatego stosuje się w ilościach do 4% do wyrobu blach prądnicowych i transformatorowych. W symbolach stali jego dodatek oznacza się literą S.

• Kobalt- - stosowany w stalach szybkotnących najwyższej jakości(w ilości od 5-10%), podnosi znacznie trwałość ostrza. Jego dodatek oznacza się jako K.

• Miedź- Posiada podobne właściwości fizyczne jak czyste żelazo, lecz jest znacznie bardziej odporne na korozję. Miedź jest pożądanym dodatkiem i jej zawartość systematycznie wzrasta wraz z użyciem stali złomowej przy wytapianiu nowej stali. W symbolach stali jej dodatek oznacza się literami Cu.

Zastosowanie stali stopowej w inżynierii i aparaturze chemicznej:

Stale żaroodporne i żarowytrzymałe

• Pręty, blachy i rury do aparatury krakingu ropy naftowej, aparatura do uwodornienia węgla, synteza NH₃, stosowana też na części do rekuperatorów, sprężyny manometrów ponadto zasuwy, łopatki turbin, części pomp i pokrywy(H5N)

• Części aparatury kotłów i innych urządzeń pracujących w wysokich temperaturach i przy małych obciążeniach mechanicznych( H6S2)

• Garnki żarzalne, skrzynki do nawęglania, rury do pieców przemysłowych, części żaroodporne kotłów parowych i aparatur, części suszarek do mas plastycznych, komór próżniowych, podpory do podgrzewaczy pary, części zdmuchiwaczy sadzy ( 2H17)

• Cześci aparatury do destylacji siarki, części palników zdmuchiwaczy sadzy, osłony termopar ( np. H13JS)

• Części obciążone mechanicznie, pracujące w wysokich temperaturach (H25T)

• Silnie obciążone mechanicznie części do urządzeń konwersji metanu, pirolizy gazów, hydrogenizacji, urządzenia do przemysłu szklarskiego, kosze do wypalania porcelany( H25N20S2)

W zależności od rodzaju stali wytrzymują one w temperaturach od 650- 1200^oC .

Stale zaworowe

• Zawory wylotowe oraz silnie obciążone, zawory wylotowe silników spalinowych, samochodowych, motocyklowych(H9S2, 850-900^oC)

Stale kwasoodporne

• W przemyśle naftowym na spawane wykładziny zbiorników zwykłych i ciśnieniowych, na kolumny rektyfikacyjne, wymienniki ciepła i rury krakingowe, niektóre urządzenia w przemyśle koksowniczym( OH13)

• Na łopatki turbin parowych, zawory pras hydraulicznych, sworznie nakrętki i przedmioty gospodarstwa domowego(1H13)

• Wały, śruby, dławice, sprężyny, części maszyn i formy do odlewów pod ciśnieniem( gdy wymaga się większej twardości i wytrzymałości- 1H13

• Narzędzia skrawające, pomiarowe, igły do gaźników, łożyska kulkowe (4H13)

• Urządzenie do wytwarzania kwasu azotowego, urządzenia i części maszyn przemysłu żywnościowego np. : mleczarskiego, browarniczego, cukrowniczego, owocowo-warzywniczego, wytwórni konserw i przemysłu gospodarstwa domowego (H17)

Oznaczanie stali.

Obowiązują dwa systemy oznaczania stali:

• Znakowy (wg PN-EN 10027-1:1994); znak składa się z symboli literowych i cyfr,

• Cyfrowy (wg PN-EN 10027-2: 1994), numer stali składa się tylko z cyfr.

Oznaczanie postaci i stanu obróbki cieplnej

Postać stali uzyskana w wyniku przeróbki technologicznej oznacza się następującymi literami(PN-56/H-01101):

Lana(staliwo) -L

Kuta -K

Walcowana na gorąco -W

Walcowana na zimno -Z

Ciągniona na zimno -C

Stan stali określony wg ostatniej obróbki cieplnej jakiej podlegała stal po nadaniu jej postaci oznacza się również literami:

Surowy - -

Ujednorodniony -J

Normalizowany -N

Zmiękczony -M

Odprężony -O

Hartowany lub przesycony -H

Ulepszony(hartow. i wysoko odpuszczony) -T

Stopień utwardzenia stali w stanie zgniecionym:

Podwójnie twarda( sprężysta) -Z2/1

Twarda -Z1/1

Półtwarda -Z1/2

Ćwierćtwarda -Z1/4

Stale stopowe ( bez stali szybkotnących) o stężeniu przynajmniej jednego pierwiastka stopowego >5%

X liczba oznaczająca średnie stężenie węgla w stali w setnych częściach %, symbole chemiczne pierwiastków stopowych i na końcu liczby (rozdzielone kreskami), podające średnie stężenie głównych pierwiastków stopowych w % (np. X8CrNiMoAl 15-7-2)

Bibliografia:

Pikoń J: Podstawy konstrukcji aparatury chemicznej cz.І, Państwowe Wydawnictwo Naukowe Warszawa 1979

Praca zbiorowa pod red. Mgr inż. Barbary Reymer: poradnik mechanika, nauki matematyczno-fozyczne i ogólnotechniczne, wydawnictwo naukowo-techniczne, Warszawa 1976

http://pl.wikipedia.org/wiki/Stal_stopowa

http://pl.wikipedia.org/wiki/Stal_niskostopowa

6

---