Dr inż. Grzegorz Pękalski Wrocław, 10.11.2008

Zakład Materiałoznawstwa

IMiMT- Politechniki Wrocławskiej

WYDZIAŁ MECHANICZNY (ZIP)

„Struktury i obróbka cieplna stali stopowych”

1. Wstęp

Stale stopowe zawierają celowo wprowadzone pierwiastki (dodatki stopowe), które powodują zmiany własności już istniejących, bądź zapewniają własności jakich stale niestopowe nie mają. Jest jednak zbyt daleko idącym uproszczeniem stwierdzenie, że „stale stopowe są lepsze od stali niestopowych”. Należy również pamiętać, że dopiero po prawidłowo przeprowadzonej obróbce cieplnej można w pełni wykorzystać pozytywny wpływ dodatków stopowych na własności stali stopowych.

Najczęściej charakteryzuje się stale stopowe według:

• struktury w stanie równowagowym (np. stale ferrytyczne, austenityczne, ferrytyczno-perlityczne),

• struktury po normalizowaniu - tj. po chłodzeniu na powietrzu (np. stale bainityczne),

• podstawowego zastosowania ( np. nierdzewne, żaroodporne, do pracy w obniżonych temperaturach),

• wg składników stopowych (np. stale chromowe, chromowo-niklowe, itp.).

2. Wpływ dodatków stopowych na struktury stali w stanie wyżarzonym

Dodatki stopowe wpływają w różnorodny sposób na położenie punktów i temperatur charakterystycznych na wykresie Fe-Fe₃C. Pięknie i dokładnie opisał to Pan Profesor R. Haimann w swoim skrypcie „Metaloznawstwo”. Można, jednak w uproszczeniu, scharakteryzować wpływ dodatków stopowych na struktury stali poprzez zamieszczone poniżej schematy.

Rys.1. Układ równowagi Fe - dodatek stopowy - stabilizujący do temperatury otoczenia strukturę ferrytu stopowego.

Rys. 2. Układ równowagi Fe - dodatek stopowy - stabilizujący do temperatury otoczenia strukturę austenitu stopowego.

Rys. 3. Wpływ dodatków stopowych na temperaturę przemiany eutektoidalnej (wykres Fe-Fe₃C)

Rys. 5.

.

Rys. 4. Wpływ dodatków stopowych na położenie punktów E i S (wykres Fe-Fe₃C)

V_kr - minimalna szybkość chłodzenia dla uzyskania

Rys. 6. Przypomnienie o energii swobodnej.

Rys. 5. Wykres CTPi (Czas - Temperatura - Przemiana w warunkach izotermicznych) dla stali eutektoidalnej (0,77% C)

Zawsze po zabiegu hartowania musi być stosowany jeden z zabiegów odpuszczania. Celem odpuszczania jest obniżenie poziomu naprężeń i przekształcenie struktury martenzytu dostosowane do zastosowań materiału.

Odpuszczanie niskie: (150 - 250ºC) -[przedział temperatur dla stali niestopowych] - po którym otrzymujemy martenzyt odpuszczania, ma na celu zmniejszenie naprężeń hartowniczych. Stosujemy wtedy gdy przedmioty mają być twarde i odporne na ścieranie tzn. materiały narzędziowe (58 - 63 HRC)

Odpuszczanie średnie: (350 - 450ºC) - zapewnia uzyskanie dużej wytrzymałości i sprężystości (40-50 HRC). Nie uzyskujemy jednak zwiększenia udarności i plastyczności (ciągliwości) [trostyt odp.] - sprężyny i resory. Odpuszczanie wysokie: [ (500 - 650 ºC) -do A1] - stosujemy wówczas, gdy wymagana jest duża wytrzymałość z jednoczesną odpornością na obciążenia udarowe (sorbit odp.). Odpuszczanie wysokie jest zabiegiem składowym ulepszania cieplnego (dwuzabiegowa obróbka cieplna składająca się z hartowania i odpuszczania wysokiego. Nazywamy ją ulepszeniem cieplnym). Po ulepszeniu cieplnym stale są mniej skłonne do pękania kruchego - materiały konstrukcyjne. C. Wpływ dodatków stopowych na strukturę stali po obróbce cieplnej.
Rys. 7. Przed omówieniem wykresu CTPi zamieszczonego na rys. 5 „wytłumaczę Państwu skąd się biorą na świecie te wykresy i po co są potrzebne”. Na razie podaję rzeczywisty przykład wykresu CTPc.
Rys. 8. Wpływ dodatków stopowych na położenie linii wykresu CTPi (linie początku rozpadu austenitu). Czy teraz wiesz dlaczego stal z Cr, Mo i B może mieć strukturę martenzytu po chłodzeniu na powietrzu?
Tu tez przed omówieniem wykresu pokazanego na rysunku 8 wyliczyłem Państwu osobliwość przemiany martenzytycznej.
Rys. 9. Wpływ węgla i niektórych dodatków stopowych na temperaturę początku i końca przemiany martenzytycznej

Rys. 9. Pseudopodwójny wykres równowagi Fe-C przy stałej zawartości Cr = 13. Pomyśl dlaczego stal 1H13 jest stalą ferrytyczną, a 2H13, 3H13 i 4H13 martenzytycznymi.

Proszę pamiętać także, że:

• pierwiastki stopowe w różnym stopniu rozpuszczają się w ferrycie i austenicie (np. w ferrycie do 3,5% Cr i do 1,5% W). Zatem osnową stali stopowych jest ferryt stopowy lub austenit stopowy. Ich własności są inne niż ferrytu i austenitu,

• dodatki stopowe (niektóre - węglikotwórcze - np. Nb, Ti, V, W, Mo, Cr, Fe a nawet Mn), mogą tworzyć węgliki. Aby mogły one powstać, potrzebna jest w stali obecność dodatku stopowego - węglikotwórczego oraz zawartość węgla dostateczna, by węglik ten mógł powstać. Słowem „do węglika trzeba dwojga” - np. Fe₃C, (Fe, Mn)₃C; Cr₇C₃; Cr₂₃C_6, VC, itd.

• w zastosowaniach technicznych występują stale zawierające jednocześnie Cr (rys.1 - stabilizujący strukturę ferrytu) i Ni (rys.2 - stabilizujący strukturę austenitu). Wtedy o tym jaka będzie struktura stali w stanie wyżarzonym w temperaturach otoczenia decyduje stosunek zawartości Cr : Ni. Minimalny stosunek wynoszący Cr : Ni = 18% : 8% zapewnia stabilną strukturę austenityczną.

Teraz proszę się sprawdzić, wykorzystując wiadomości z wykładu oraz te, które zawarłem tym materiale. Pytania brzmią następująco. Jaką strukturę będą miały w stanie równowagi następujące stale? Które z nich nie mogą być poddawane hartowaniu i odpuszczaniu: OH13, 3H13, WCMB, 1H18N9T, SW18, H20N12S2, NC10, 11G12.

Po wstąpieniu do Polski do Unii Europejskiej wiele grup stali otrzymało nowe oznaczenia. Poszukaj samodzielnie nowych oznaczeń dla podanych powyżej stali.

10.11.2008

Grzegorz Pękalski

4