Wydział: TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Kierunek: INŻYNIERIA CHEMICZNA I PROCESOWA

STALE WĘGLOWE

Michalak Natalia
Okoń Magdalena

2009/2010

SPIS TRESCI

Temat projektu ........................................................................................... 1

Spis treści ................................................................................................... 2

Rozdział I………………………………………..…………………………………………..… 4

1.1. co to jest stal? ............................................................................. 4

1.2. klasyfikacja stali ......................................................................... 4

Rozdział II ................................................................................................. 8

2.1. co to jest stal węglowa? Jaki jest jej skład? ............................... 8

2.2. wpływ węgla na własności stali …………….................................. 8

2.3. Składniki strukturalne stali węglowej…….................................. 9

2.4. podział stali węglowej .............................................................. 10

2.5. oznaczenie stali węglowej ........................................................ 14

Rozdział III ............................................................................................... 16

3.1. zastosowanie stali węglowej w przemyśle i aparaturze chemicznej …………………………………………………………………………... 16

Bibliografia ……………………………………………..…….……………………………..21

Wstep

Jednym z najważniejszych problemów związanym z projektowaniem aparatury procesowej jest dobór odpowiednich materiałów konstrukcyjnych.

Do materiałów konstrukcyjnych zaliczamy metale i ich stopy, polimery, ceramikę oraz kompozyty.
Wśród materiałów metalowych wyróżnia się przede wszystkim stale.

Stal stanowi podstawowy materiał przy wytwarzaniu aparatury procesowej ze względu na dobre właściwości mechaniczne i stosunkowo niską cenę.

Rozdział I

1. Co to jest stal?

Stal jest to stop żelaza z węglem plastycznie obrobiony i obrabialny cieplnie o zawartości węgla nie przekraczającej 2,11%.

2. Klasyfikacja stali:

Stale można klasyfikować na podstawie różnym kryteriów.

Najczęściej jest to

skład chemiczny (rys. 1.2.a)

zastosowanie stali - jakości (rys. 1.2.b):

1. stale niestopowe:

inaczej zwane stalami węglowymi są to obrobione plastycznie stopy żelaza z węglem o zawartości węgla teoretycznie poniżej ok. 2%, a praktycznie nie przekraczającej

ok. 1,5%. Stale węglowe zawierają także domieszki technologiczne i zanieczyszczenia.

• Stale niestopowe jakościowe:

uzyskują odpowiednie właściwości głównie w procesach stalowniczych przez walcowanie, ciągnienie i kłucie, rzadziej przez obróbkę cieplną. Maksymalne stężenie głównych zanieczyszczeń czyli fosforu i siarki - wynoszą 0,045% wag. Spośród zanieczyszczeń gazowych duży wpływ ma wodór i tlen.

• Stale niestopowe specjalne:

stale głównie przeznaczone są do ulepszenia cieplnego lub hartowania powierzchniowego. Dzięki dokładnemu doborowi składu chemicznego i ścisłej kontroli technologii wytwarzania, stale te gwarantują określony poziom właściwości mechanicznych i technologicznych.

To gatunki o większej czystości niż stale jakościowe - fosfor i siarka < 0,020% wag.

2. stale stopowe:

są to obrobione plastycznie stopy żelaza, które oprócz węgla (niektóre stale stopowe są prawie bezwęglowe) zawierają inne pierwiastki celowo wprowadzone niezależnie od ilości jeżeli przekraczają zawartości określone normą PN-EN.

• Stale stopowe jakościowe:

odpowiednik stali niestopowej jakościowej z jedną istotną różnicą dotyczącą stężenia pierwiastków stopowych. Wyróżnia się kilka grup stali:

- konstrukcyjne drobnoziarniste spawalne przeznaczone na zbiorniki i rurociągi pracujące pod ciśnieniem;

- elektrotechniczne ( zawierające krzem lub krzem i glin) o określonych właściwościach magnetycznych.

• Stale stopowe specjalne:

są uzyskiwane przez dokładną kontrolę składu chemicznego i technologii wytwarzania. Stale tej grupy mają bardzo zróżnicowany skład chemiczny i właściwości użytkowe. Wyróżnia się kilka grup tych stali:

- szybkotnące;

- narzędziowe stopowe;

- łożyskowe;

- maszynowe;

- konstrukcyjne.

3. stale nierdzewne:

zasadniczy podział w ramach tej grupy według kryterium właściwości użytkowych jest następujący :

- stale odporne na korozje (zawierające co najmniej 121% Cr i co najwyżej 0,4%C);

- stale żaroodporne;

- stale żarowytrzymałe.

Rozdział II

Tematem prezentacji jest stal węglowa i temu zagadnieniowi pragniemy poświęcić więcej uwagi.

1. Co to jest stal węglowa? I jaki jest jej skład?

Stal węglowa, jak już wspomniałyśmy wcześniej, jest stalą niestopową.

Ogólny wpływ na właściwości stali węglowej ma jej skład strukturalny.

Do zasadniczych domieszek zawsze występujących w stalach węglowych należą:

mangan 0,8%

krzem 0,4%

fosfor 0,05%

siarka 0,05%

mogą również zawierać małe ilości miedzi, chromu i niklu, pochodzące ze złomu stalowego oraz rozpuszczone gazy jak wodór, tlen i azot.

2. Wpływ węgla na własności stali.

Węgiel bardzo silnie wpływa na własności stali. Zwiększenie jego zawartości wpływa na zmianę struktury stali.

Jeśli stal zawiera mniej niż 0,8% węgla wtedy składa się z ferrytu i perlitu i jest nazywana stalą podeutektoidalną.

Jeśli zawiera 0,8% węgla wtedy składa się z perlitu i jest nazywana stalą eutektoidalną.

Jeśli zawiera powyżej 0,8% węgla wtedy to składa się z perlitu i cementu wtórnego i jest nazywana stalą nadeutektoidalną.

Zwiększenie zawartości węgla zwiększa wytrzymałość na rozciąganie, obniża własności plastyczne, a także pogarsza własności technologiczne stali węglowej (np. pogorszenie spawalności).

3. Składniki strukturalne stali węglowej:

• Mangan - wprowadzany jest do wszystkich stali w procesie stalowniczym w celu ich odtlenienia. Umacnia on roztwór stali , zmniejsza wielkość ziarna ferrytu w wyrobach walcowych na gorąco oraz zwiększa hartowność.

• Krzem - dodawany do stali w czasie jej wytapiania w celu odtlenienia. W zależności w jakich wartościach jest podawany, wtedy też przyjmuje inne cechy np. umacnia ferryt, zwiększa opór elektryczny, zwiększa żaroodporność stali.

• Fosfor - znajduje się w stali, gdyż zawarty jest w rudach żelaza w różnych ilościach. Dlatego też zostaje on usunięty podczas wytapiania stali. Fosfor zmniejsza plastyczność stali oraz podwyższa temperaturę, w której stal staje się krucha.

• Siarka - także dostaje się do stali poprzez rudy żelaza, a także z gazów piecowych. Siarka powoduje ruchliwość stali nagrzanych to temperatury 800 ° C i powyżej.

• Wodór - zmniejsza własności plastyczne i technologiczne stali, oraz powoduje wady materiałów np. płatki śnieżne (wewnętrzne pęknięcia o jasnej powierzchni), odwęglania itd.

• Azot - powoduje zwiększenie wytrzymałości i zmniejszenie plastyczności stali. Powoduje także zwiększeniem skłonności do starzenia się stali.

• Tlen - występuje w stali w postaci tlenków. Powoduje pogorszenie się wszystkich własności mechanicznych.

1. Podział stali węglowej:

• stale węglowe zwykłej jakości - stosowane bez dodatkowej obróbki.

• stale węglowe podwyższonej jakości - często poddawane dodatkowej obróbce cieplnej lub chemicznej.

a) W zależności od zawartości węgla dzielimy je na:

• stale niskowęglowe - o zawartości węgla do około 0,3%

• stale średniowęglowe - o zawartości od 0,3 do 0,6%

• stale wysokowęglowe - o zawartości powyżej 0,6%

b) W zależności od zawartości zanieczyszczeń fosforu (P) i siarki (S) dzielimy je na:

• stale zwykłej jakości - P + S = 0,10%

• stale wyższej jakości - P + S = 0,07%

• stale najwyższej jakości - P + S = 0,03%

c) W zależności od stopnia odtlenienia stale dzielimy na:

• stale uspokojone - najczęściej wyższej i najwyższej jakości; odmianą tej stali jest stal uspokojona nie starzejąca się

• stale półuspokojone

• stale nieuspokojone

d) W zależności od zastosowania stale dzielimy na:

• stale konstrukcyjne:

zawierające do około 0,7% węgla

Ponadto stale te dzielimy na:

1. Stale zwykłej jakości ogólnego przeznaczenia.

Do stali zwykłej jakości należy sześć gatunków podstawowych różniących się zawartością węgla i domieszek oraz własnościami mechanicznymi i sposobem odtleniania.

Znak tych stali składa się z liter St i liczb porządkowych 0-7 (bez 1 i 2), które oznaczają zakres wytrzymałości lub składu chemicznego.

Gatunki St0, St3 i St4 są przeznaczone na konstrukcje spawane oznaczone literą S.

Gatunki od St0 do St4 mogą być produkowane jako uspokojone X, półuspokojone Y, uspokojone lub specjalnie uspokojone. Gatunki St5 do St7 są dostarczone jako uspokojone.

Gatunki St3S i St4S mają odmiany:

• z ograniczoną zawartością węgla,

• z ograniczoną zawartością węgla, fosforu i siarki.

2. Stale niestopowe do utwardzania powierzchniowego i ulepszania cieplnego.

stale te są w zasadzie przeznaczone do obróbki cieplnej. Stale te cechuje niższa zawartość fosforu i siarki nie przekraczająca 0,04%. Oznacza się je liczba dwucyfrową, która określa średnia zawartość węgla w setnych procentu.

• stale narzędziowe:

Stale narzędziowe służą w głównej mierze do wyrobu wszelkiego rodzaju narzędzi w tym skrawających, na odpowiedzialne części przyrządów mierniczych, uchwytów itd. Zasadnicze cechy, których wymaga się od stali narzędziowych, to: twardość po zahartowaniu, odporność na ścieranie i zużycie, ciągliwość, niewrażliwość na przegrzanie, mała odkształcalność przy hartowaniu - przy czym nie zawsze wszystkie cechy są wymagane jednocześnie. Podstawowym wymaganiem stawianym narzędziom skrawającym jest trwałość ostrza, która stępia się i zużywa podczas skrawania. Im bardziej stal jest odporna na zużycie i ścieranie, tym lepiej nadaje się na narzędzia skrawające. Aby stal była odporna na ścieranie, powinna mieć dużą twardość, zazwyczaj powyżej 60 HRC.

Największą twardość po hartowaniu uzyskują stale o większej zawartości węgla

i z tego względu stale narzędziowe są z reguły stalami wysokowęglowymi. Zawartość węgla w stalach węglowych narzędziowych objętych

Polską Normą PN-84/H- 85020 wynosi 0,5 ÷ 1,24. Stale te w porównaniu ze stalami węglowymi konstrukcyjnymi charakteryzują się większą czystością (mniejszą zawartością fosforu i siarki), mniejszą zawartością manganu oraz drobnoziarnistością.

Charakterystyczną zaletą stali narzędziowych węglowych jest mała głębokość hartowania, tzn. że hartuje się tylko warstwa wierzchnia narzędzia, a rdzeń pozostaje bardziej miękki i ciągliwy. Daje to możliwość uzyskania narzędzia twardego

i odpornego na ścieranie, a jednocześnie mającego dostateczną odporność na uderzenia.

Według Polskich Norm PN-84/H-85020 stale węglowe narzędziowe dzielą się na dwie grupy:

1) stale hartujące się płytko:

są stalami o małej hartowności (głębokość zahartowania wynosi 2

÷ 5 mm w zależności od temperatury hartowania), wykazują małą wrażliwość na przegrzanie i ze względu na małą zawartość zanieczyszczeń należą do stali najwyższej jakości. Stale te stosowane są w zasadzie do wyrobu narzędzi, których grubość nie

przekracza 20 mm,

2) stale hartujące się głęboko:

są bardziej wrażliwe na przegrzanie, tzn. że hartowane z wyższej temperatury wykazują większą gruboziarnistość i większą skłonność do rys i pęknięć. Stale te

odznaczają się nieco większą hartownością (głębokość zahartowania wynosi

5 ÷12 mm, w zależności od temperatury hartowania) i mają nieco większą dopuszczalną zawartość zanieczyszczeń (fosforu i siarki) i innych domieszek,

co powoduje, że są stalami niższej klasy niż stale hartujące się płytko.

Stale te stosowane są do wyrobu narzędzi, których grubość lub średnica jest większa niż 20 mm.

• stale o szczególnych właściwościach fizycznych i chemicznych

Wzrost zawartości węgla w stali powodując zwiększenie jej twardości, pogarsza obrabialność stali; z kolei stale miękkie maja również złą obrabialność wskutek dużej ciągliwości i plastyczności.

Stale o szczególnej podatności do obróbki wiórowej przeznaczone do obróbki mechanicznej na obrabiarkach automatach noszą nazwę stali automatowych. Warunki obróbki mechanicznej na obrabiarkach automatach wymagają

aby powstający wiór był kruchy i nie tworzył długich zwojów. W celu przeciwdziałania kruchości na gorąco, konieczne jest podwyższenie w stalach automatowych zawartości manganu lub cyrkonu. Ołów występuje w postaci odosobnionych wydzieleń na granicach ziaren i polepsza skrawalność. Również selen, tellur i wapń polepszają obrabialność stali.

1. Oznaczenie stali węglowej:

Obowiązują dwa systemy oznaczania stali:

1) Znakowy (wg PN-EN 10027-1:1994)

znak składa się z symboli literowych i cyfr,

2)Cyfrowy (wg PN-EN 10027-2: 1994)

numer stali składa się tylko z cyfr.

Każdy gatunek stali ma nadany znak i numer, jednoznacznie identyfikujący tylko jeden materiał

1. symbole w znaku są tak dobrane, że wskazują na jej główne cechy

( np. zastosowanie, własności mechaniczne lub fizyczne, skład chemiczny) co ułatwia przybliżoną identyfikację gatunku stali

2. numer stali, który można podawać zamiast znaku, składa się z 5 cyfr

Pierwiastki stopowe w stali oznaczane są znakami literowymi:

Pierwiastek	Oznaczenie literowe
Mangan	G
Chrom	H
Glin	J
Kobalt	K
Molibden	M
Nikiel	N
Niob	Nb
Krzem	S
Tytan	T
Wanad	V
Wolfram	W

Stale węglowe konstrukcyjne wyższej jakości oznaczane są liczbą dwucyfrową, określająca średnią zawartość węgla w setnych częściach procenta. Dodatkowe oznaczenia z prawej strony wskazują na szczególną właściwość - podwyższoną zawartość metali, np. 55, 40 lub 50G, 60G

Znak stali ogólnego przeznaczenia składa się z liter ST i cyfry od 0 do 7, określającej kolejny numer w miarę wzrostu zawartości węgla i rosnącej w związku z tym wytrzymałości. Litery na końcu znaku po cyfrze oznaczają:

S- stale przeznaczone na konstrukcje spawane

V (zamiast S)- ograniczoną zawartość C

W (zamiast S) - ograniczoną zawartość C, P, S

X - stale nieuspokojone

Y- stale półuspokojone

U- stale o wymaganej udarność w temperaturze normalnej

I- stale o normalnej udarności po starzeniu

M - stale o wymaganej udarności w temp. 20 ˚C

Rozdział III

3.1 Stal węglowa i jej zastosowanie w przemyśle i aparaturze chemicznej.

1) Mieszadła pionowe

są przeznaczone szczególnie do uzdatniania wody dla oczyszczalni ścieków oraz przemysłu chemicznego i spożywczego. Stosuje się je do zapobiegania sedymentacji, w procesach uśredniania, mieszania, rozpuszczania ciał stałych itp.

Zalecane do zbiorników o małej i średniej objętości. W zależności od potrzeb można stosować w mieszadłach różne typy śmigieł, zgodnie z wykazem podanym w sposobie oznaczenia na następnej stronie.

Przykłady zastosowań mieszadła:

• Instalacje w oczyszczalniach ścieków.

• Mieszalniki do przemysłu chemicznego.

• Instalacje do uzdatniania wody pitnej.

• Urządzenia do uzdatniania wody przemysłowej (np. akcelatory).

2) Gospodarka wodono - ściekowa:

- taśmy filtracyjne do pras odwadniających
- pompy i części zamienne.

3) przemysł farmaceutyczny:

- zawory medyczne,
- filtry, węże,
- głowice myjące,
- membrany osmozowe,
- pompy i części zamienne.

4) przemysł drzewny i papierniczy:

- maszyny papiernicze Over Meccanica,
- garnitury do rozpłatowników Nürka, Riva,

5) przemysł ciężki:

- silniki i motoreduktory,
- pompy, statory, rotory, części zamienne,
- zawory i elektrozawory,

- części zamienne do wszystkich rodzajów maszyn i urządzeń
- przenośniki, wciągniki
- detektory metalu, (wykrywacze)

6) przemysł rolno - spożywczy:

- pompy i części zamienne,
- zamykarki do puszek,
- drylownice przemysłowe do owoców,
- urządzenia do magazynowania, transportu i załadunku mediów sypkich,
- taśmy filtracyjne do pras odwadniających,
- napędy i ich części,
- hydraulika siłowa i pneumatyka,
- aparatura kontrolno-pomiarowa,
- łańcuchy i taśmy transportowe,
- wkłady filtracyjne świecowe.

7) śruby i inne elementy złączne:

śruby,

wkręty,

nakrętki,

podkładki,

nity itp.

8) zbiorniki:

a) zbiorniki magazynowe:

b) zbiornik biogazu

3. silosy

9) reaktory,

10) patelnie sztućce,

11) czajniki,

12) rury kotłowe,

13) garnki,

14) ostrza chirurgiczne,

15) druty.

Bibliografia:

1. „Materiały w budowie maszyn - przewodnik do ćwiczeń laboratoryjnych”;
pod redakcją Andrzeja Barbackiego; Wyd. Politechnika Poznańska 2006.

2. Karol Przybyłowicz, Janusz Przybyłowicz „Materiałoznawstwo w pytaniach
i odpowiedziach”; Wyd. Naukowo-Techniczne; Warszawa 2004.

3. „Mały poradnik mechanik” tom 1 - materiałoznawstwo; Wyd. Naukowo - Techniczne.

4. Karol Przybyłowicz „Metaloznawstwo”; Wyd. Naukowo-Techniczne;
Warszawa 1992.

5. www.jaswal.ps.pl

6. Internet.

2

---