POLITECHNIKA RZESZOWSKA

im. Ignacego Łukasiewicza

WYDZIAŁ BUDOWY MASZYN I LOTNICTWA

Laboratorium

z

Metaloznawstwa i

Obróbki cieplnej.

Temat: Stal o określonych właściwościach fizycznych i chemicznych.

Dariusz Schabowski

II MDT gr.1209

Podstawowe grupy gatunków stali o szczególnych właściwościach chemicznych i fizycznych to:

• stal odporna na korozję,

• stal żaroodporna i zaworowa,

• stal o szczególnych właściwościach magnetycznych.

1. Stal odporna na korozję.

Stal chromowo-niklowa, nazywana stalą kwasoodporną, zawiera powyżej 8% niklu i dlatego ma w temperaturze pokojowej strukturę austenityczną. Cha­rakteryzuje się lepszą odpornością na korozję od stali chromowej, zwłaszcza w środowiskach kwaśnych. Stal chromowo-niklowa, nazywana stalą kwasoodporną, zawiera powyżej 8% niklu i dlatego ma w temperaturze pokojowej strukturę austenityczną. Cha­rakteryzuje się lepszą odpornością na korozję od stali chromowej, zwłaszcza w środowiskach kwaśnych. Wszystkie gatunki tej stali mają małą wytrzymałość i bardzo dużą plastyczność:

• R_m - ok. 500 MPa,

• R_e, - 200-250 MPa,

• A₅ - 45-35-40%,

• KCU- 120-150 J/cm².

Można je umacniać gniotem, kształtować plastycznie i obrabiać skrawa­niem. Spawanie tych stali jest technologicznie proste. Stal ta jednak zawiera do 0,1% węgla, wskutek czego w strefach wpływu ciepła (500-800°C) mogą się wydzielać wzdłuż granic ziam węgliki Cr₂₃C₆. Węgliki te zawierają 60-65% chromu, wskutek czego w stykających się z nimi zewnętrznych strefach ziam jego zawartość znacznie się zmniejsza i w sprzyjających warunkach ulegają one korozji (tzw. korozja międzykrystaliczna). Dlatego wyroby po spawaniu muszą być poddane przesycaniu (1050-1100°C/woda) w celu rozpuszczenia węglików chromu i wprowadzenia ich składników do roztworu stałego.

Stal chromowa zawierająca 13-14% chromu lub około 17% chromu przy zawartości <0,1% węgla (OH13, OH13J, H17, OH17T) jest ferrytyczna w całym zakresie temperatury. Można ją spawać, umacniać tylko zgniotem, nie podlega obróbce cieplnej z wyjątkiem wyżarzania rekrystalizującego i odprężającego. Stal zawierająca powyżej 0,2% węgla (2H13, 3H13, 4H13, 3H17M, 3H17M, H17N2, H18) w temperaturze około 1100 C uzyskuje strukturę austenityczną, a podczas chłodzenia w powietrzu się hartuje. Ze stali tej wykonuje się nierdzewne części maszyn i nierdzewne narzędzia.

2. Stal żaroodporna i zaworowa.

Żaroodporność stali zależy przede wszystkim od jej składu chemicznego, a nie od struktury i z tego powodu nie ma zasadnicze) różnicy między stalą ferrytyczną (chromową) a austenityczną (chromowo-niklową). Ważne jest, aby stal żaroodporna w zakresie temperatury pracy nie przechodziła przemian alotropowych, gdyż związane z tym zmiany objętości mogą naruszyć spójność warstwy tlenków wytworzonej na powierzchni wyrobu.

Stal żaroodporną można podzielić na (PN-71/H-86022):

- ferrytyczną stal chromowo-aluminiową,

- ferrytyczną stal chromowo-krzemową,

- austenityczną stal chromowo-niklową.

Dla każdej stall istnieje określona graniczna temperatura, powyżej której stal traci Żaroodporność. Jako miarę żaroodporności przyjmuje się temperaturę, w której próbka o ściśle oznaczonych wymiarach uzyskuje graniczną wartość przyrostu masy wynoszącą 0,025 g/cm² Jej powierzchni w czasie 250 h.

Oprócz odporności chemicznej od stali żaroodpornej wymaga się zdolności zachowania właściwości mechanicznych w wysokiej temperaturze, przy jedno­czesnym działaniu krótkotrwałego lub długotrwałego obciążenia. Właściwości mechaniczne stali w wysokiej temperaturze zwiększają: molibden, wolfram i wanad. Ponieważ dodatki te nie zwiększają żaroodporności stali, musi ona zawierać także pierwiastki zapewniające żaroodporność, przede wszystkim chrom, krzem i aluminium. Aby zapewnić strukturę austenityczną, do stali żaro­odpornej wprowadza się jeszcze nikiel i mangan. Wiele elementów pleców przemysłowych i aparatury chemicznej wykonuje się z żaroodpornego staliwa, którego skład chemiczny odpowiada żaroodpornej stali. Gatunki stali żarood­pornej przedstawiono w tab. 3.

Szczególną grupę stali żarowytrzymałej, używanej na zawory w silnikach spalinowych, stanowi stal zaworowa.

Temperatura pracy zaworów wlotowych nie przekracza 500°C, natomiast części zaworów wydechowych mogą osiągać do 900°C. Zawory, zwłaszcza wy­dechowe, pracują w bardzo agresywnym środowisku zawierającym tlenki wana­du i ołowiu oraz związki siarki i są obciążone dynamicznie siłami bezwładności, które zależą od masy zaworu, układu napędu zaworu i liczby obrotów silnika. Stali stosowanej na zawory stawia się szereg wymagań:

• dużej odporności na wysokotemperaturową korozję gazową,

• dużej odporności na ścieranie,

• małej rozszerzalności i dużej przewodności cieplnej,

• dużej wytrzymałości na pełzanie oraz obciążenia udarowe,

• dobrych właściwości technologicznych, zwłaszcza podatności na obrób­kę plastyczną.

3. Stal o szczególnych właściwościach magnetycznych.

Do stali o szczególnych właściwościach magnetycznych zalicza się:

• stal magnetycznie miękką,

• stal magnetycznie twardą,

• stal niemagnetyczną.

Stal magnetycznie twarda stosowana do wyrobu magnesów trwałych dzieli się na następujące grupy:

• stal węglowa o zawartości 1,0-1,5% węgla, stosowana w stanie zaharto­wanym; można z niej wykonać tylko niewielkie magnesy ze względu na małą hartowność tej stali,

• stal stopowa (PN-75/H-84038); zawiera ok. 1% węgla oraz dodatki: wol­fram, chrom i kobalt; stal tę hartuje się do uzyskania struktury martenzytycznej, która jest najkorzystniejszą strukturą stali do wyrobu magne­sów trwałych; po hartowaniu przeprowadza się obróbkę pod zerową w temperaturze -70°C (wymrażanie) w celu usunięcia austenitu szcząt­kowego oraz się odpuszcza.

Do materiałów magnetycznie miękkich zalicza się czyste żelazo, stal nisko-węglową, stal krzemową oraz stopy żelaza z niklem. Najprostszym materiałem magnetycznie miękkim jest technicznie czyste żelazo (E005Pr, E008Pr) stoso­wane do wyrobu rdzeni elektromagnesów i przekaźników. Stal krzemowa jest podstawowym materiałem stosowanym do wyrobu blach elektrotechnicznych, z których się wykonuje rdzenie transformatorów i części prądnic. Zgodnie z zastosowaniem, blachy elektrotechniczne można podzielić na dwie grupy:

• blachy prądnicowe o zawartości 0,4-3,4% krzemu,

• blachy transformatorowe o zawartości 3,7-4,2% krzemu. W przypadku dużych wymagań co do przenikalności magnetycznej ja­ko materiały magnetycznie miękkie stosuje się stopy żelaza z niklem. Najwięk­szą przenikalność ma stop z zawartością 78% niklu i 22% żelaza o nazwie permalloy; jego przenikalność magnetyczna jest ok. 10 razy większa od przeni­kalności czystego żelaza.

---