Oznaczanie stali wg składu chemicznego

Transkrypt

1 1 1. OZNACZANIE STALI WEDŁUG NORM EUROPEJSKICH Zgodnie z Normami Europejskimi obowiązują dwa systemy oznaczania stali: znakowy (według PN-EN : 1994); znak stali składa się z symboli literowych i cyfr; cyfrowy (według PN-EN : 1994); numer stali składa się tylko z cyfr. Każdy gatunek stali - ma nadany znak i numer, jednoznacznie identyfikujące tylko jeden materiał. symbole w znaku są tak dobrane, że wskazują na jej główne cechy (np. na zastosowanie, własności mechaniczne lub fizyczne, albo skład chemiczny), co ułatwia przybliżoną identyfikację gatunku stali; numer stali, który można podawać zamiast znaku, jest łatwiejszy do elektronicznego przetwarzania danych, gdyż składa się tylko z pięciu cyfr. Podany system oznaczeń stali - wprowadzono w państwach UE od 1992 r Oznaczanie stali wg PN-EN W tej klasyfikacji oznaczeń stali wyróżnia 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. poniżej podano jedynie z jakich symboli głównych składa się znak stali; w przypadku staliwa - znak gatunku zawierający symbole wskazujące na skład chemiczny poprzedza litera G (np. G30MnSi 5-3) Oznaczanie stali wg składu chemicznego W znakach stali wg składu chemicznego wyróżnia się cztery podgrupy: stale niestopowe (bez stali automatowych) o średniej zawartości Mn < 1%.

2 2 znak tych stali składa się z następujących symboli głównych, umieszczonych kolejno po sobie: litery C i liczby będącej 100-krotną średnią wymaganą zawartością węgla (np. C35); stale niestopowe o średniej zawartości manganu > 1%, niestopowe stale automatowe i stale stopowe (bez stali szybkotnących) o zawartości każdego pierwiastka stopowego < 5%. 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; każda liczba oznacza odpowiednio średni procent zawartości pierwiastka pomnożony przez współczynnik wg tablicy 3 i zaokrąglony do najbliższej liczby całkowitej; liczby oznaczające zawartości poszczególnych pierwiastków stopowych należy oddzielić poziomą kreską; na przykład 55NiCrMoV6-2-2 jest znakiem stali o średnim składzie: 0,55% C, 1,5% Ni, 0,6% Cr, 0,2% Mo i poniżej 0,1% V Gest to stal narzędziowa do pracy na gorąco). Tablica 3. Współczynnik do ustalania symboli liczbowych pierwiastków stopowych przy oznaczaniu stali stopowych (bez stali szybkotnących) o zawartości każdego pierwiastka stopowego <5% (PN-EN ). Pierwiastek Współczynnik Cr, Co, Mn, Ni, Si, W 4 Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr 10 Ce, N, P, S 100 B 1000

3 3 stale stopowe (bez stali szybkotnących) zawierające przynajmniej jeden pierwiastek stopowy w ilości > 5%. znak tych stali składa się z: litery X, liczby będącej 100-krotną wymaganą średnią zawartością węgla, symboli chemicznych pierwiastków stopowych stali w kolejności malejącej zawartości oraz liczb (zaokrąglonych do najbliższej liczby całkowitej) oznaczających średni procent zawartości poszczególnych pierwiastków; na przykład X5CrNiMo jest znakiem stali o składzie: maks. 0,07% C, 17,5% Cr, 11,6% Ni, 2,25% Mo. stale szybkotnące. Znak tych stali składa się z następujących symboli literowych i liczbowych: liter HS oraz liczb oznaczających procentowe zawartości (zaokrąglone do najbliższych liczb całkowitych) pierwiastków stopowych w następującej kolejności: wolfram, molibden, wanad, kobalt; - na przykład HS jest znakiem stali szybkotnącej o średniej zawartości pierwiastków stopowych: 2% W, 9% Mo, 1% V i 8% Co. - zawartość chromu w stalach szybkotnących nie jest podawana, gdyż jest we wszystkich gatunkach tych stali taka sama i wynosi od 4,0 do 4,5% 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 (np. S235); P - stale pracujące pod ciśnieniem (np. P460); L - stal na rury przewodowe (np. L360); E - stale maszynowe (np. E295); za którymi umieszcza się liczbę będącą minimalną granicą plastyczności w MPa; b) B - stale do zbrojenia betonu (np. B500); za którym umieszcza się liczbę będącą charakterystyczną granicą plastyczności; c) Y - stale do betonu sprężonego (np. Y1770); R - stale na szyny lub w postaci szyn (np. R0900); za którymi umieszcza się liczbę będącą wymaganą minimalną wytrzymałością na rozciąganie; d) H - wyroby płaskie walcowane na zimno ze stali o podwyższonej wytrzymałości przeznaczone do kształtowania na zimno, za którym umieszcza się liczbę będącą wymaganą minimalną granicą plastyczności, albo jeżeli jest wymagana tylko wytrzymałość na rozciąganie, wtedy umieszcza się literę T, za którą podaje się wymaganą minimalną wytrzymałość na rozciąganie (np. H420); 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 (np. DC03). e) T - wyroby walcowni blachy ocynkowanej, za którym umieszcza się: 1) dla wyrobów o jednokrotnie redukowanej grubości - literę H, za którą

4 4 podaje się liczbę będącą wymaganą nominalną twardością wg HR 30Tm; 2) dla wyrobów o dwukrotnie redukowanej grubości - liczbę będącą wymaganą nominalną granicą piastyczności (np. TH52, T660); 1) f) M - stale elektrotechniczne, za którym umieszcza się: liczbę będącą 100-krotną wymaganą maksymalną stratnością w W kg -1 ; 2) liczbę będącą 100-krotną nominalną grubością wyrobu w mm; 3) literę oznaczającą rodzaj blachy lub taśmy elektrotechnicznej, tj.: A, D, E, N, S lub P (np. M430-50D) Oznaczanie stali wg PN-EN Zgodnie z normą PN-EN : każdy gatunek stali jest oznaczony także numerem, który można podać zamiast znaku stali. numer stali zawiera 5 cyfr: l.xxnn, gdzie: 1 - oznacza stal (ogólniej stop żelaza); xx dwie cyfry oznaczające grupę stali; nn - dwie cyfry wyróżniające konkretny gatunek w grupie. np oznacza gatunek stali austenitycznej X10CrNi Grupy stali - ustalono według składu chemicznego, własności mechanicznych, fizycznych i technologicznych oraz według zastosowania. na przykład: - stale niestopowe jakościowe: mają numery grup 01 do 07 i 91 do 97; - stale niestopowe specjalne: 10 do 18; - stale stopowe odporne na korozję i żaroodporne: 40 do 49; - stale stopowe konstrukcyjne, maszynowe i na zbiorniki ciśnieniowe: 50 do 89. Charakterystyka i oznaczenie stali stopowych odpornych na korozję Główna cechą charakteryzującą stale nierdzewne (odporne na korozję) jest ich odporność na działanie wielu mniej lub bardziej agresywnych środowisk korozyjnych. Zjawisko dużej odporności chemicznej stali, nazywane pasywnością jest wynikiem zjawisk zachodzących w układzie metal środowisko korozyjne, które przeciwdziałają przejściu metalu ze stanu elementarnego w stan jonowy. W wyniku wystąpienia tych zjawisk szybkość rozpuszczania metalu może ulec znacznemu zwolnieniu a nawet zostać całkowicie zahamowana, czyli metal przejdzie w stan pasywny. Istotę pasywności tłumaczy się istnieniem na powierzchni pasywnego metalu szczelnych i silnie przylegających ochronnych warstw antykorozyjnych. Mogą to być warstwy złożone z trwałych związków metali np. tlenków albo tzw. warstwy adsorpcyjne. Stale odporne na korozję można podzielić na następujące grupy: trudno rdzewiejące, nierdzewne, kwasoodporne, żaroodporne. Podział ten jest w pełni umowny i orientacyjny. Przyjęto bowiem powszechnie określać stale chromowe jako nierdzewne, tzn. odporne przede wszystkim na korozję atmosferyczną (elektrochemiczną), zaś stale chromowo-niklowe jako kwasoodporne. Jednakże wśród stali

5 5 chromowych jest wiele gatunków odpornych na działanie określonych kwasów, a każda stal kwasoodporna jest zarazem nierdzewną. Oddzielną grupę stanowią stale odporne na korozję gazową w wysokich temperaturach nazywane stalami żaroodpornymi, choć ze względu na skład chemiczny są one również stalami kwasoodpornymi. Niektóre elementy pracujące w wysokich temperaturach są dodatkowo narażone na duże obciążenia mechaniczne. Stale stosowane na te elementy nazywamy stalami żarowytrzymałymi. Stale odporne na korozję klasyfikuje się według trzech cech: własności użytkowych, stanowiących podstawę do opracowania norm materiałowych, mikrostruktury, stanowiące podstawę do opracowania tablic w normach, głównych pierwiastków stopowych, stanowiących podstawę do uszeregowania gatunków w tablicach. Klasyfikacja stali stopowych ze względu na własności użytkowe Stale nierdzewne Stale te obejmują wiele silnie zróżnicowanych stopów, których wyznacznikiem jest zawartość chromu, wynosząca co najmniej 10,5%. Jest to warunek utworzenia na powierzchni przedmiotu przy oddziaływaniu czynników utleniających niezwykle cienkiej, stabilnej warstwy tlenków i przejścia ze stanu aktywnego (rozpuszczalnego) do stanu pasywnego (nierozpuszczalnego). W stanie pasywnym stal posiada podwyższoną odporność na działanie utleniających mediów. Jednakże w przypadku zaistnienia warunków redukujących, to znaczy przy zmniejszonym dopływie tlenu, możliwe jest przejście stali ze stanu pasywnego w stan aktywny. Zawartość minimum 10,5% chromu w stalach nierdzewnych, zapewniającą określoną odporność chemiczną tych stali, nazywa się często granicą odporności. Zgodnie z PN-EN stale nierdzewne posiadają następujące numery materiałowe: 1.40xx dla gatunków zawierających Ni < 2,5%, bez Mo, bez dodatków specjalnych, 1.41xx dla gatunków zawierających Ni < 2,5%, z Mo, bez dodatków specjalnych, 1.43xx dla gatunków zawierających Ni 2,5%, bez Mo, bez dodatków specjalnych, 1.44xx dla gatunków zawierających Ni 2,5%, z Mo, bez dodatków specjalnych, 1.45xx i 1.46xx dla gatunków z takimi dodatkami specjalnymi jak Ti, Nb, Cu. Stale żaroodporne Żaroodpornością stali nazywamy odporność na działanie gazów utleniających w podwyższonych temperaturach. Gazy takie, stanowiące często spaliny, mogą zawierać oprócz tlenu, dwutlenek i tlenek węgla, parę wodną, azot, związki siarki oraz inne szkodliwe związki lub drobne cząstki np. popiół. Żaroodporność polega na tworzeniu się na powierzchni stali zwartej i dobrze przylegającej warstwy tlenków (zgorzeliny), chroniącej metal przed dalszym utlenianiem. Zachodzi tu więc pewna analogia z odpornością na korozję w roztworach, ale ochronna warstwa zgorzeliny jest znacznie grubsza a jej skład i struktura zależy nie tylko od składu chemicznego stali i środowiska ale również od temperatury. Stal niestopowa jest odporna na działanie gazów utleniających do około 500 o C. Pierwiastki o większym powinowactwie do tlenu niż żelazo, wchodzące w skład stopu, przechodzą do zgorzeliny w większej ilości, niżby to wynikało z ich stosunku do żelaza w stopie. Wchodząc w skład zgorzeliny jako tlenki, tworzą z FeO związki, stanowiące przeszkodę dla szybkiej dyfuzji jonów żelaza i polepszają jej własności ochronne. Pierwiastkiem, który spełnia te warunki jest przede wszystkim chrom, który utleniając się tworzy z tlenkiem żelaza spinel FeO Cr 2 O 3 i dzięki temu stanowi podstawowy składnik stali żaroodpornych. Składnikami stosowanymi w mniejszych ilościach, ale zawsze z chromem są krzem i aluminium. Poza aluminium i krzemem żaroodporność polepszają małe dodatki tytanu cyrkonu niobu i tantalu. Szczególnie

6 6 korzystny wpływ wywierają dodatki metali ziem rzadkich. Zawartość tych składników w ilości 0,05 0,2% polepsza żaroodporność 5 do 10 razy. Małe ilości niklu nie polepszają żaroodporności, natomiast duże zawartości tego składnika korzystnie wpływają na żaroodporność stali chromowych. Czynnikiem znacznie obniżającym trwałość zgorzeliny jest osiadanie popiołu lub substancji tworzących ze zgorzeliną łatwo topliwe związki, które powodują jej lokalne niszczenie i przyspieszają utlenianie. Poza tym szkodliwie działają gazy redukujące, para przegrzana i siarkowodór. Dwutlenek siarki (SO 2 ) jest również niepożądany, jednak z uwagi na działanie przeważnie utleniające jest mniej szkodliwy niż H 2 S. Ogólnie można powiedzieć, że stale żaroodporne zachowują się najlepiej w powietrzu (najwyższe temperatury odporności) oraz w gazach utleniających. Obecność związków siarki obniża odporność tym więcej, im charakter gazów jest bardziej redukujący. Szczególnie wrażliwe są pod tym względem stale zawierające nikiel. Stale żaroodporne zgodnie z PN-EN posiadają następujące numery materiałowe: 1.47xx dla gatunków zawierających Ni < 2,5%, 1.48xx dla gatunków zawierających Ni 2,5%. Stale żarowytrzymałe Żarowytrzymałość jest pojęciem złożonym i polega na zachowaniu przez długi okres własności mechanicznych w podwyższonych temperaturach. Zależy ona od wzajemnej kombinacji trzech czynników, tj.: temperatury, naprężenia i czasu. Podstawowym procesem determinującym mechaniczne zachowanie się stali w podwyższonej temperaturze jest pełzanie czyli powolne odkształcenie plastyczne nawet pod naprężeniem znacznie niższym od granicy plastyczności. Dlatego też granica plastyczności materiałów do zastosowań w wysokich temperaturach określona w temperaturze pokojowej (R e ) lub podwyższonej (R et ) nie jest miarodajna. Do obliczeń konstrukcyjnych należy więc przyjąć czasową granicę pełzania, czyli takie naprężenie, które powoduje trwałe wydłużenie np. 1% po godzin. Oznaczmy je symbolem R 1/ Drugą wielkością charakteryzującą własności stali w wysokich temperaturach jest czasowa wytrzymałość na pełzanie (R z/10000 ) czyli naprężenie pod wpływem którego, po upływie określonego czasu np godz. nastąpi pęknięcie próbki. Żarowytrzymałość stali zależy od wielu czynników. Podstawowym jest skład chemiczny stali. Wzrost żarowytrzymałości stali uzyskuje się przez wprowadzenie do niej pierwiastków stopowych np. Mo, W, V, Co oraz Ti, Cr i Si. Żarowytrzymałe stale stopowe mają strukturę martenzytyczną lub austenityczną i zgodnie z PN-EN posiadają numery 1.49xx. Klasyfikacja stali stopowych ze względu na strukturę Podstawowymi składnikami stali stopowych odpornych na korozję jest chrom i nikiel. Ich oddziaływanie na strukturę stali jest jednak bardzo różne. Chrom sprzyja tworzeniu ferrytu natomiast nikiel austenitu. Inne składniki stopowe, dodawane do stali dla polepszenia jej określonych właściwości, można porównać, jeśli chodzi o ich oddziaływanie na strukturę stali, z oddziaływaniem chromu lub oddziaływaniem niklu. Oznacza to, że można podzielić składniki stopowe stali jako: - składniki ferrytotwórcze: chrom, krzem, aluminium, molibden, niob, tytan, wolfram i wanad - składniki austenitotwórcze: nikiel, mangan, węgiel, kobalt, miedź i azot. Jeżeli do ferrytycznego stopu żelazo-chrom dodamy wystarczające ilości niklu, przechodzi on w strukturę austenityczną. Różne struktury stopu w zależności od zawartości chromu i niklu przedstawia rysunek 1.1

7 7 Rys Struktura stali chromowo-niklowych zawierających około 0,2% C (wg Maurera) Głównym zadaniem składników stopowych jest poprawienie odporności stali na korozję i/lub właściwości mechanicznych. W zależności od przewidywanych warunków pracy lub żądań odbiorcy, wybierany jest gatunek stali o specjalnym składzie chemicznym, odpowiednim z punktu widzenia warunków pracy. W zależności od składników stopowych stali (składu chemicznego) występują różne składniki strukturalne stali. Na rysunku 2 przedstawiono klasyfikację stali nierdzewnych ze względu na strukturę oraz wady występujące przy spawaniu stali spowodowane czynnikami metalurgicznymi i ich wpływ na własności złącza spawanego. Możemy zatem wyróżnić: - ferrytyczne stale chromowe, - martenzytyczne stale chromowe, - stale chromowo-niklowe z miękkim martenzytem, - austenityczne stale Cr-Ni (Mo) z ferrytem, - austenityczne stale Cr-Ni (Mo) bez ferrytu, - ferrytyczno-austenityczne stale Cr-Ni-Mo-N. Ponieważ wymienione grupy stali różnią się zarówno pod względem metalurgicznym jak i fizycznym, należy to wziąć pod uwagę podczas spawania, stosując odpowiednie zabiegi dodatkowe. Wymienione na rysunku 1.2 źródła wad w złączach spawanych wyraźnie wskazują, że każda grupa stali musi być rozpatrywana oddzielnie oraz że koniecznie stosowana musi być inna technologia spawania.

8 Rys Klasyfikacja stali nierdzewnych oraz wady spowodowane czynnikami metalurgicznymi przy spawaniu stali nierdzewnych i ich wpływ na własności złącza spawanego: A możliwe wady spawalnicze, B wpływ wad na własności złącza 8

9 9 2. Stopy żelaza z węglem Wśród tworzyw metalowych, stopy żelaza zajmują niewątpliwie pierwsze miejsce jeśli idzie o zastosowanie na elementy konstrukcyjne. Systematycznie poprawia się ich jakość, właściwości mechaniczne a to za sprawą stosowania coraz bardziej wyrafinowanych technologii wytapiania i przetwarzania. Swoją niezachwianą pozycję stopy Fe zawdzięczają przede wszystkim doskonałym właściwościom wytrzymałościowym i plastycznym, technologicznym, umiarkowanej cenie oraz możliwości wielokrotnego wykorzystania dzięki powtórnej obróbce metalurgicznej. Stale Stalą nazywamy przerobiony plastycznie stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami, w którym zawartość węgla nie przekracza 2% (wag.) 1. Pierwiastki występujące w stali dzielimy na trzy podstawowe grupy: zanieczyszczenia, których ilość jest optymalizowana ze względu na przeznaczenie i ekonomikę wytwarzania. Wśród nich znajdują się siarka, fosfor oraz gazy: tlen, wodór i azot, domieszki, których obecność wiąże się z procesem metalurgicznym. Należą do nich zwykle mangan, krzem, niekiedy aluminium, stosowane do odtleniania stali, dodatki stopowe wprowadzane do stali w określonej ilości celem spowodowania zamierzonych zmian struktury a przez to właściwości stali. Najszerzej stosowanymi pierwiastkami stopowymi są: mangan, krzem, chrom, nikiel, miedź, molibden, wolfram, wanad i bor. Wpływ składu chemicznego na właściwości stali Jaki będzie wpływ pierwiastków, bez względu na to czy są nimi zanieczyszczenia, domieszki czy składniki stopowe, w dużym stopniu zależy od tego czy tworzą one: 1. Roztwór ilość pierwiastka może być na tyle mała, że w całości pozostaje on w roztworze stałym w temperaturze pracy lub też wydziela się w wyniku samo starzenia. 2. Czy odrębne fazy wówczas istotne są właściwości tych faz (kruche czy plastyczne), morfologia (iglaste, sferoidalne) oraz ich rozkład (wewnątrz czy na granicach ziaren). Rola zanieczyszczeń Spośród zanieczyszczeń najgroźniejszymi są siarka i fosfor i choć ich ilość wydaje się niewielka, to jednak ze względu na brak rozpuszczalności oba pierwiastki, silnie segregując, tworzą niskotopliwe eutektyki, które są powodem kruchości na gorąco (FeS) oraz na zimno (fosfor). Podwyższona zawartość P, niekorzystna ze względu na kruchość stali, poprawia odporność na ścieranie oraz łamliwość wióra w stalach automatowych. Fosfor zwiększa ponadto lejność ciekłego metalu i odtwarzalność wnęki formy, które są istotne w przypadku technologii odlewniczych. W przypadku siarki, jej niekorzystny wpływ minimalizuje się przez wprowadzenie manganu, tworzącego fazę MnS o temperaturze topnienia ok C. Jeśli idzie o zanieczyszczenia gazowe (H, N, O), to wszystkie one niekorzystnie wpływają na właściwości stopów Fe-C, przede wszystkim na ich wiązkość. Szczególnie niebezpieczny jest wodór będący przyczyną tzw. płatków, dyskwalifikujących stal. Zmniejszenie zawartości gazów jest możliwe przy zastosowaniu odtleniania za pomocą Mn, 1 Zawartość węgla w stalach w praktyce nie przekracza 1,6%

10 10 Si i Al., topienia w próżni lub innych wyrafinowanych technik. Wpływ domieszek Mangan rozpuszcza się zarówno w austenicie jak i ferrycie a także wchodzi w sieć cementytu tworząc węglik złożony (Fe,Mn) 3 C bardziej stabilny niż Fe 3 C. Dzięki temu, z jednej strony przeciwdziała odwęglaniu stali, z drugiej jednak utrudnia zabieg ferrytyzacji żeliw. Wpływa na skłonność stali do gruboziarnistości. Krzem rozpuszcza się w austenicie i ferrycie powodując umocnienie tego ostatniego (ferryt krzemowy), a ponadto przeciwdziała segregacji siarki i fosforu. Wpływ węgla Największy wpływ na strukturę i właściwości stali wywiera węgiel. Jak wiemy, od jego zawartości zależy czy stop Fe-C będzie żeliwem czy stalą podeutektoidalną, eutektoidalną czy nadeutektoidalną. To z kolei w istotny sposób wpływa na ich właściwości mechaniczne (patrz rysunek). Z wykresu widać, że wraz ze wzrostem zawartości węgla gwałtownie maleje plastyczność przy równoczesnym wzroście twardości, wytrzymałości na rozciąganie (R m ) i granicy plastyczności (R e ). Dwie ostatnie wielkości osiągają maksimum przy zawartości ok. 1%C, po czym ulegają obniżeniu ze względu na wzrost kruchości. Zarówno granica plastyczności, jak i wytrzymałość na rozciąganie wzrastają liniowo ze wzrostem zawartości węgla, ponieważ Fe 3 C działa jako faza umacniająca, a udział Fe 3 C w stali wzrasta liniowo ze wzrostem stężenia węgla. Plastyczność natomiast zmniejsza się gwałtownie gdy zawartość węgla rośnie, ponieważ granice α - Fe 3 C w perlicie są dobrym miejscem do zarodkowanie pęknięć. Żeliwa Rys Wpływ węgla na właściwości mechaniczne stali Żeliwo jest stopem żelaza z węglem oraz innymi pierwiastkami stopowymi, w którym zawartość węgla przekracza 2% wag. Węgiel obniża temperaturę topnienia żelaza dlatego żeliwa (1160 C) mogą być łatwiej topione niż stal średniowęglowa (1500 C). Żeliwa stanowią podstawowe stopy żelaza szeroko stosowane w odlewnictwie.

11 11 Żeliwa dzielimy na: Białe węgiel występuje w postaci związanej tj. węglików, udział Fe 3 C powoduje, że żeliwa białe są materiałem kruchym. Szare węgiel występuje w postaci wolnej grafitu. Żeliwa szare ze względu na występowanie grafitu mają ogromną odporność na zużycie. Jest to jedyny materiał, z którego wykonane elementy nie zacierają się lub nie zakleszczają, gdy współpracują ze sobą. Nazwa żeliw jest odzwierciedleniem barwy przełomu, który jest jasny i metalicznie połyskujący w żeliwie białym i szary w żeliwie szarym. Szare zabarwienie w drugim przypadku wiąże się z obecnością grafitu na przełomie. Właściwości żeliwa szarego zależą znacznie od kształtu wydzieleń grafitu. Wyróżniamy żeliwa szare z wydzieleniami grafitu w postaci: Dużych płatków wytrzymałość tego żeliwa na obciążenia dynamiczne jest mała ponieważ płatki osłabiają materiał, natomiast posiada doskonałą zdolność tłumienia drgań oraz przewodność cieplną. Wydzieleń sferycznych wytrzymałość na obciążenia dynamiczne jest duża i żeliwo jest plastyczne. Wśród żeliw wyróżnia się jako odrębne grupy: żeliwo z grafitem kulkowym zwane potocznie żeliwem sferoidalnym, żeliwo z grafitem zwartym oraz żeliwo ciągliwe. Z wyjątkiem żeliwa ciągliwego białego, wszystkie pozostałe są zasadniczo żeliwami szarymi, które jednak wyodrębnia się jako oddzielne ze względu na istotne różnice właściwości w porównaniu do zwykłego żeliwa z grafitem płatkowym. Wpływ składu chemicznego na strukturę żeliw Mikrostrukturę żeliw a więc i ich właściwości charakteryzują dwa składniki strukturalne: grafit oraz rodzaj metalicznej osnowy. Dlatego też wpływ dodatków stopowych rozpatruje się pod kątem ich oddziaływania na: proces grafityzacji rodzaj osnowy metalicznej Grafityzacja Grafityzacja jest jednym z najważniejszych procesów, decydujących o rodzaju wytwarzanego żeliwa. Tworzenie grafitu jest możliwe w dwojaki sposób bezpośrednio z fazy ciekłej podczas reakcji eutektycznej i/lub podczas przemian fazowych w stanie stałym. Ze względu na kierunek oddziaływania na proces grafityzacji pierwiastki dzielimy na: sprzyjające grafityzacji, np. Al, C, Si, Ti, Ni, Cu i P przeciwdziałające grafityzacji (węglikotwórcze), wśród których znajdują się: W, Mn, Mo, S, Cr, V, Mg, Ce, N i H. Powstający grafit może posiadać różnorodną postać, która w zasadniczy sposób decyduje o właściwościach żeliwa. Zależnie od tego czy jest to grafit płatkowy, zwarty czy kulkowy, żeliwo jest albo całkowicie kruche albo plastyczne, przy czym plastyczność zależy dodatkowo od wielkości i rozkładu wydzieleń oraz rodzaju metalicznej osnowy. Wpływ składu chemicznego na rodzaj metalicznej osnowy Wpływ domieszek i zanieczyszczeń na strukturę osnowy metalicznej żeliw jest podobny jak

12 12 w stali (staliwie). Podstawowym pierwiastkiem wpływającym na rodzaj osnowy jest węgiel, którego ilość decyduje o tym czy będzie ona: ferrytyczna (faza miękka) ferrytyczno-perlityczna perlityczna Po wprowadzeniu odpowiedniej ilości dodatków stopowych i/lub obróbki cieplnej: austenityczna, martenzytyczna itp. Im większy jest udział fazy miękkiej (ferrytu) + sferyczne wydzielenia, tym większa będzie plastyczność żeliwa. Zwiększenie udziały perlitu i jego dyspersji zwiększa właściwości wytrzymałościowe a dodatkowa obróbka cieplna umożliwia uzyskanie R m do 1600 MPa. Warto podkreślić, że funkcjonowanie szerokiej gamy żeliw, od gatunków najmniej szlachetnych jak zwykłe żeliwa szare z grafitem płatkowym, aż po żeliwa z grafitem kulkowym jest uzasadnione szczególnymi cechami każdej grupy. Wpływ pierwiastków stopowych - stal Zmiany struktury wywołane przez pierwiastki stopowe znajdują swoje odzwierciedlenie w zmianie właściwości mechanicznych, przy czym wpływ ten polega na modyfikacji rodzaju osnowy metalicznej lub jej właściwości (umocnienia przez roztwór) i/lub zwiększeniu udziały twardych węglików, co dotyczy głównie pierwiastków węglikotwórczych. Rys Zawartość pierwiastka stopowego Wzrost właściwości wytrzymałościowych (R m, HB) odbywa się kosztem zmniejszenia przewężenia, wydłużenia i udarności. Wyjątek stanowią tutaj Cr oraz Ni, które w pewnym zakresie nawet je podwyższają. Na szczególną uwagę zasługuje nikiel, ponieważ jest jedynym pierwiastkiem zwiększającym właściwości mechaniczne, przy równoczesnym obniżeniu temperatury przejścia w stan kruchy. Jeśli idzie o właściwości fizyczne, to większość pierwiastków stopowych pogarsza przewodnictwo cieplne, zwiększając równocześnie współczynnik rozszerzalności cieplnej. Jest to poważna wada, ponieważ zmusza do wolniejszego ogrzewania i chłodzenia podczas zabiegów technologicznych, np. obróbki cieplnej. Zbyt szybka zmiana temperatury prowadzi do powstania gradientów cieplnych a te mogą spowodować zmiany kształtu a nawet zniszczenie wyrobu wskutek pęknięcia.

13 13 Pierwiastki stopowe dodaje się do stali z czterech głównych powodów: 1. aby poprawić hartowność, 2. aby wywołać umocnienie roztworowe i utwardzenie wydzieleniowe cząstkami twardych faz, 3. aby wywołać odporność na korozję, 4. aby uzyskać stabilizację austenitu stal austenityczną (γ sieć RSC) w temperaturze pokojowej. 3. Stale drobnoziarniste o podwyższonej i wysokiej wytrzymałości Przed stalami konstrukcyjnymi mającymi zastosowanie przede wszystkim w budownictwie lądowym, morskim, przy wytwarzaniu środków transportu oraz w budowie rurociągów, stawiane są ostre wymagania odnośnie: - wysokiej granicy plastyczności, - dobrej spawalności, - wysokiej odporności na kruche pękanie i niskiej temperatury przejścia w stan kruchy, - dobrej odkształcalności (formowalności) na zimno, - niskich kosztów wytwarzania. Stalami, które mogą sprostać tym wymaganiom i zapewnić optymalne własności w odniesieniu do jednostkowego kosztu produkcji są stale niskowęglowe drobnoziarniste o podwyższonej wytrzymałości i stale niskostopowe o wysokiej wytrzymałości. Spawalne stale konstrukcyjne, których granica plastyczności przekracza 355 MPa, nazywa się powszechnie stalami o podwyższonej wytrzymałości (grupa 2, tabela 3.1). Rozpiętość granicy plastyczności i wytrzymałości na rozciąganie produkowanych obecnie stali spawalnych jest bardzo duża i znane są już stale o granicy plastyczności l MPa i wytrzymałości na rozciąganie MPa. Te ostatnie należą oczywiście już do stali o nadzwyczaj wysokiej wytrzymałości. Jak wiadomo w stalach dobrze spawalnych zawartość węgla ograniczona jest do minimum i przeważnie nie przekracza 0,2%. Z drugiej strony węgiel jest podstawowym składnikiem zapewniającym odpowiednią wytrzymałość stali węglowych. Stąd stale spawalne węglowe mają ograniczone własności mechaniczne. Istnieją następujące możliwości podwyższenia wytrzymałości stali spawalnych: - umocnienie ferrytu przez dodatki stopowe tworzące z żelazem roztwór stały, - podwyższenie granicy plastyczności za pomocą rozdrobnienia ziarna ferrytu, - umocnienie ferrytu za pomocą dyspersyjnych wydzieleń związków chemicznych takich pierwiastków jak: Al, Nb, Ti, V itp., - umocnienie dyslokacyjne ferrytu, - podwyższenie wytrzymałości poprzez przemiany fazowe (bainityczną, martenzytyczną), - podwyższenie wytrzymałości w wyniku odpowiedniej obróbki cieplno-plastycznej, - ulepszanie cieplne. Możliwe są również inne sposoby podwyższania wytrzymałości, jak np. dyspersyjne utwardzanie martenzytu niskowęglowego (stale typu "maraging"), zgniot na zimno martenzytu niskowęglowego, itp. Tabela 3.1. Grupy stali Grupa 1 Gatunek stali Stale o minimalnej granicy plastyczności R e 355 MPa lub R m 520 MPa oraz o składzie chemicznym (%): C 0,24, Si 0,55, Mn 1,6, Mo 0,65, S 0,045, P 0,045,

14 14 inny pojedynczy składnik 0,3, suma innych składników 0,8 Stale normalizowane i drobnoziarniste poddane obróbce termomechanicznej o 2 R e > 355 MPa 3 Stale drobnoziarniste ulepszone cieplnie o R e > 500 MPa Stale o zawartości Cr 0,6%, Mo 0,5%, V 0,25% 4 (skład określony na podstawie analizy wytopowej) Stale o zawartości Cr 9%, Mo 1,2% 5 (skład określony na podstawie analizy wytopowej) Stale o zawartości Cr 12%, Mo 1%, V 0,5% 6 (skład określony na podstawie analizy wytopowej) Stale o zawartości Ni 9% 7 (skład określony na podstawie analizy wytopowej) Stale nierdzewne ferrytyczne lub martenzytyczne o zawartości Cr od 12 do 20%, 8 (skład określony na podstawie analizy wytopowej) 9 Stale nierdzewne austenityczne Jak wskazuje nazwa stale spawalne konstrukcyjne, podstawową ich właściwością powinna być dobra spawalność. Pojęcie dobrej spawalności jest przy tym traktowane w sposób bardzo ogólny. Chodzi tu nie tylko o technologiczną łatwość wykonania złącza spawanego, lecz o przydatność materiału na konstrukcję wykonaną za pomocą spawania. Jakość różnych gatunków stali spawalnych polega przede wszystkim na różnym stopniu odporności na kruche pękanie przy działaniu karbu i niskiej temperatury. Wszystkie stale spawalne ze względu na strukturę w stanie dostawy można podzielić na stale: - ferrytyczno-perlityczne, - bainityczne, - martenzytyczne, - austenityczne. Ponadto stale ferrytyczno-perlityczne można podzielić w zależności od stanu obróbki cieplnej na stale dostarczone w stanie: - surowym (po walcowaniu na gorąco), - normalizowanym, - ulepszonym cieplnie. Stale spawalne niestopowe należą do materiałów najbardziej rozpowszechnionych. Znajdują one zastosowanie zarówno przy budowie odpowiedzialnych konstrukcji jak: statki, mosty, kotły itp., jak również przy wytwarzaniu mniej odpowiedzialnych elementów np. w budownictwie i rolnictwie. Sposób oznaczania tych stali wg normy PN-EN 10025:2002 podano na rysunku 3.1

15 15 Rys Sposób oznaczania stali wg PN-EN 10025: Mechanizmy umocnienia stali ferrytyczno-perlitycznych Umocnienie roztworu stałego ferrytu Intensywność umocnienia roztworu stałego zależy od: 1) różnicy promieni atomowych pierwiastka rozpuszczanego i rozpuszczalnika. Generalnie umocnienie roztworu stałego ferrytu w zależności od koncentracji może być opisane zależnością: Rys Zmiana granicy plastyczności w zależności od zawartości pierwiastków stopowych w niskowęglowych stalach ferrytycznych

16 16 Rys Zmiana wytrzymałości na rozciąganie w zależności od zawartości dodatków stopowych oraz perlitu w niskostopowych stalach węglowo-manganowych Rys Zmiana przewężenia w zależności od zawartości dodatków stopowych oraz perlitu w niskostopowych stalach węglowo-manganowych

17 Umocnienie w wyniku rozdrobnienia ziaren Umocnienie stali związane z rozdrobnieniem ziaren może być opisane zależnością Halla-Petcha: σ y = σ i + k y d -1/2 gdzie: σ y granica plastyczności, d wielkość ziaren ferrytu, σ i opory ruchu dyslokacji, k y stała. Zależność granicy plastyczności i temperatury przejścia w stan kruchy od wielkości ziarna ferrytu ilustruje rysunek 6.4 Rys Wpływ wielkości ziarna ferrytu na granicę plastyczności i temperaturę przejścia w stan kruchy stali zawierającej 0,10%C, 0,50%Mn, 0,20%Si, 0,006%N Utwardzenie wydzieleniowe Utwardzenie wydzieleniowe polega na zwiększeniu oporu ruchu dyslokacji przez dyspersyjne cząstki drugiej fazy Umocnienie dyslokacyjne Wzrost szybkości chłodzenia stali obniża temperaturę przemiany γ α powodując wzrost gęstości dyslokacji i rozdrobnienie ziarna. Wzrost gęstości dyslokacji w ferrycie spowodowany obniżeniem temperatury przemiany podnosi granicę plastyczności o około 50 MPa. Znaczącą rolę we wzroście własności odgrywa umocnienie wydzieleniowe węglikami lub węglikoazotkami niobu, wanadu i tytanu. Z uwagi na małe ilości wprowadzanych dodatków (niobu i tytanu po ok. 0,05%, wanadu do 0,1%) stale te nazywamy stalami mikrostopowymi. Rysunek 3.6 ilustruje wpływ zawartości manganu i innych czynników na granicę plastyczności stali normalizowanej zawierającej 0,2%C, 0,2%Si, 0,15%V, 0,015%N. Z rysunku 3.6 i 3.7 widać, że umocnienie wywołane obecnością krzemu, manganu i wolnego

18 18 azotu jest niewielkie. Największy efekt umocnienia wywołuje rozdrobnienie ziarna ferrytu i utwardzenie wydzieleniowe. Przy analizie wpływu czynników na granicę plastyczności należy rozpatrywać równocześnie wpływ tych czynników na temperaturę przejścia w stan kruchy. Zależności te najlepiej ilustrują wykresy wektorowe (rys. 3.7). Widać na nich, że jedynie mangan, aluminium i rozdrobnienie ziarna powodują wyraźny wzrost granicy plastyczności i obniżenie temperatury przejścia w stan kruchy. Pozostałe czynniki jak utwardzenie wydzieleniowe i dyslokacyjne oraz składniki stopowe (Si, C, Sn, N, P) podnosząc granicę plastyczności podnoszą równocześnie temperaturę przejścia w stan kruchy. Obecność perlitu występująca w tych stalach (do 20%) nie wpływa na granicę plastyczności, natomiast podnosi temperaturę przejścia w stan kruchy. Rys Wpływ zawartości manganu i innych czynników na granicę plastyczności stali normalizowanej zawierającej 0,2% C, 0,2% Si, 0,15% V, 0,015% azotu

19 19 Rys Wpływ czynników strukturalnych (a) i składu chemicznego (b) na zmiany temperatury przejścia w stan kruchy. Liczby przy wektorach podają zmianę T kr przy wzroście granicy plastyczności o 15MPa [86] Umocnienie przez przemiany fazowe Produkty przemian fazowych w stalach zależą głównie od temperatury przemiany. Można powiedzieć ogólnie, że im niższa jest temperatura przemiany tym większy jest efekt umocnienia. Wpływ poszczególnych mechanizmów umocnienia jest następujący: 1) Im niższa jest temperatura przemiany tym drobniejsze są jej produkty. Efekt ten występuje zarówno w niskostopowych ferrytyczno-perlitycznych stalach o wysokiej wytrzymałości jak i w niskostopowych stalach bainitycznych czy martenzytycznych 2) Im niższa jest temperatura przemiany tym większa jest gęstość dyslokacji i większe umocnienie. Efekt ten występuje zarówno w stalach o strukturze ferrytyczno-perlitycznej jak i stalach niskowęglowych bainitycznych i martenzytycznych; 3) Im niższa jest temperatura przemiany tym większa jest dyspersja wydzielających się faz. Efekt rozpuszczenia w austenicie dodatków stopowych powoduje obniżenie temperatury M s, co przy danej zawartości węgla powoduje wzrost twardości; 4) Im niższa jest temperatura przemiany tym większe jest przesycenie roztworu stałego, co daje wzrost jego umocnienia. Efekt ten dotyczy również węgla i odgrywa znaczącą rolę w umocnieniu bainitu Obróbka cieplno-plastyczna Obróbka cieplno-plastyczna (w normie PN-EN wprowadzono nazwę walcowanie termomechaniczne) w ogólnym ujęciu polega na połączeniu procesów przeróbki plastycznej z obróbką cieplną. Jedną z jej odmian jest regulowane walcowanie (kontrolowane walcowanie, rys. 3.8). Standardowe regulowane walcowanie polega na nagrzewaniu stali w piecu grzewczym do wysokiej temperatury w celu uzyskania struktury austenitycznej. Następnie nagrzaną stal walcuje się wstępnie w wysokich temperaturach (zakres I na rys 3.8). Odkształcony austenit przed końcowym walcowaniem w pobliżu temperatury przemiany zdąży zrekrystalizować dając wstępnie rozdrobnione ziarno (rys. 3.8d). Walcowanie końcowe (zakres II) powyżej temperatury przemiany Ac 3 daje ziarno zrekrystalizowanego austenitu znacznie drobniejsze niż po wstępnym walcowaniu, gdyż rekrystalizacja odbywa się w niższej temperaturze (rys.3.8e). Walcowanie końcowe może odbywać się również poniżej temperatury przemiany (zakres III). Niska temperatura walcowania i szybkie chłodzenie hamują procesy rekrystalizacji, dlatego w stali może pozostać umocnienie zgniotowe wynikające z nie zakończenia procesu rekrystalizacji (rys. 3.8f).

20 20 Rys Porównanie klasycznego i regulowanego walcowania oraz zmian struktury po walcowaniu w różnych temperaturach (opis w tekście) Dążenie do podwyższania granicy plastyczności przy zachowaniu bardzo dobrych własności plastycznych doprowadziło do opracowania nowego procesu regulowanego walcowania pod nazwą SHT (Sumitomo High Toughness) (rys. 3.9). Rys Schemat zmian mikrostruktury wywołanych procesem SHT, zwykłym walcowaniem kontrolowanym i normalizowaniem

21 21 4. Klasyfikacja i terminologia pojęć obróbki cieplnej Szczegółową klasyfikację podaje norma PN-76/H Obróbka cieplna dzieli się na następujące rodzaje: Obróbka cieplna zwykła obejmuje rodzaje obróbek cieplnych, w których zmiany struktury i własności są głównie funkcją temperatury i czasu (ośrodek nie odgrywa istotnej roli). Obróbka cieplno chemiczna różni się od zwykłej tym, że ośrodek w którym się odbywa odgrywa istotną rolę w zmianie składu chemicznego warstw powierzchniowych. Obróbka cieplno plastyczna. Kształtowanie struktury i własności odbywa się w wyniku połączenia procesu przeróbki plastycznej i obróbki cieplnej. Obróbka cieplno magnetyczna. Z obróbką ta mamy do czynienie wówczas gdy przemiany fazowe w czasie obróbki cieplnej odbywają się w polu magnetycznym (np. podczas obróbki cieplnej magnesów. Operacja obróbki cieplnej jest to część procesu technologicznego wykonywanego w sposób ciągły w zasadzie na jednym stanowisku roboczym, np. hartowanie, wyżarzanie. Zabiegiem obróbki cieplnej jest część operacji (np. nagrzewanie, wygrzewanie, chłodzenie). Studzenie chłodzenie z małą szybkością. Oziębianie chłodzenie szybkie. Przykład cyklu cieplnego podczas obróbki cieplnej ilustruje rys. 39. Grzanie Rys Terminologia pojęć w obróbce cieplnej Zarówno w praktyce jak i w teorii procesu grzania, nagrzewane ciała dzieli się na: Ciała o dużej zdolności przenikania ciepła (ciała cienkie) Ciała o małej zdolności przenikania ciepła (ciała masywne) Wymieniony podział nagrzewanych ciał uwzględnia występowania różnic temperatur na przekroju nagrzewanego ciała zależnych nie tylko od grubości ciała i przewodności cieplnej lecz również od oporu cieplnego ciała charakteryzowanego wartością stosunku s/λ i szybkości nagrzewania, gdzie:

22 22 s grubość ciała, m λ współczynnik przewodności ciepła, kj/m h C] Przedmiot o dużych wymiarach lecz wolno nagrzewany jest więc ciałem o dużej zdolności przenikania ciepła (ciało cienkie), natomiast przedmiot o małych wymiarach nagrzewany z dużą szybkością stanowi ciało o małej zdolności przenikania ciepła (ciało masywne) Ośrodki grzejne ciekłe Ośrodkami grzejnymi stosowanymi w praktyce obróbki cieplnej są kąpiele solne i kąpiele metalowe (bizmut, ołów, antymon, cyna) Skład chemiczny i oznaczenia soli hartowniczych podano w tabeli 4.1 Tabela 4.1. Sole hartownicze Marka soli Zakres temp. Skład chemiczny, % pracy BaCl 2 NaCl CaCl 2 SiO 2 + Al 2 O 3 SH SH SH ,05 0,2 Chłodzenie Mechanizm oziębiania w cieczach Zdolność chłodząca danego ośrodka ciekłego zależy od szeregu czynników warunkujących rodzaj wrzenia. Największy wpływ wywiera współczynnik przejmowania ciepła, który oznacza ilość ciepła przejmowanego przez jednostkę powierzchni w ciągu jednostki czasu przy różnicy temperatur między powierzchnią ciała stałego a cieczą równej 1 C. Zmiany natężenia strumienia cieplnego q oraz współczynnika przejmowania ciepła α przy wrzeniu cieczy w zależności od stopnia przegrzania cieszy przedstawione są na rysunku 4.2. Chłodzenie nagrzanego przedmiotu przebiega w początkowym okresie w warunkach wrzenia powłokowego (warstewkowego) cieczy chłodzącej powodującego utworzenie szczelnej powłoki parowej dookoła powierzchni chłodzonego przedmiotu. Szczelna warstewka występuje przy przegrzaniu cieczy powyżej 27 C. Obecność szczelnej warstewki powoduje, że wymiana ciepła między powierzchnią a cieczą jest utrudniona, co charakteryzuje się zmniejszoną wartością współczynnika wymiany ciepła α. Maksymalna wartość współczynnika przejmowania ciepła α odpowiada zmianie rodzaje wrzenia z powłokowego na wrzenie pęcherzykowe, w wyniku czego strumień cieplny osiąga wartość W miarę obniżania stopnia przegrzania cieczy t, chłodzenie przedmiotu staje się wolniejsze. Gdy temperatura cieczy osiągnie 100 C i poniżej dalsze chłodzenie odbywa się w wyniku konwekcyjnej wymiany ciepła. Schemat zjawisk przy powierzchni hartowanego elementu zachodzących podczas oziębiania w cieczach pokazano na rysunku 4.2.

23 23 Rys Mechanizm chłodzenia w cieczach Mając na uwadze fakt, że przy temperaturach wyższych niż 650 C szybkość przemiany jest mała można stal podczas hartowania chłodzić wolniej lecz nie tak wolno aby nastąpiło wydzielenie się ferrytu względnie perlitu. W dalszym etapie chłodzenia w zakresie temperatur C odpowiadającej najmniejszej trwałości austenitu należy chłodzić szybko. Poniżej 400 C w stalach węglowych i około 200 C w stalach stopowych należy chłodzić wolno z uwagi na zachodzącą w tym zakresie przemianę martenzytyczną. Tak więc przebieg chłodzenia w cieczach jest nierównomierny. Rozróżnia się trzy etapy chłodzenia: I wrzenie warstewkowe, w którym powłoka parowa utrudnia wymianę ciepła, II w wyniku nagromadzenia się pary następuje przerywanie powłoki parowej i dopływająca zimna ciecz chłodząca znacznie przyspiesza chłodzenie w wyniku wrzenia pęcherzykowego, III poniżej 100 C następuje konwekcyjna wymiana ciepła. Oprócz wody używane są inne ośrodki chłodzące: wodne roztwory NaCl, oleje, emulsje wodno-olejowe, syntetyczne środki chłodzące. Zmianę szybkości chłodzenia różnych ośrodków chłodzących pokazano na rys. 4.3.

24 24 Rys Rodzaje obróbki cieplnej Klasyfikacje procesów obróbki cieplnej przedstawiono na rysunkach 4.4 i 4.5. Rys. 4.4

25 25 Rys. 4.5 Poszczególne rodzaje obróbki cieplnej na niesione wykres Fe-Fe 3 C przedstawiono na rysunku 4.6. Rys Rodzaje obróbki cieplnej na niesione wykres Fe-Fe 3 C Wyżarzanie ujednorodniając (homogenizujące) polega na długotrwałym (do kilkudziesięciu godzin) wygrzewaniu stali w wysokich temperaturach ( C) celem zmniejszenia niejednorodności chemicznej. Głównym celem homogenizowania w odniesieniu do stali konstrukcyjnych stopowych jest poprawa własności mechanicznych (wydłużenie przewężenie, udarność). W stalach łożyskowych zmniejszenie segregacji węglików i pasmowości. Skuteczność homogenizowania poprawia się gdy wyżarzamy elementy po wstępnej przeróbce plastycznej, która uaktywnia dyfuzję i skraca jej drogi. Wyżarzanie przegrzewające polega na wygrzewaniu w temperaturach C dla stali drobnoziarnistych ponad 1000 C w celu spowodowania rozrostu ziarna i poprawieniu skrawalności. Pozwala to na stosowanie większych szybkości skrawania. Przy obróbce stali gruboziarnistej wiór jest kruchy i łamliwy. Po wstępnej obróbce wiórowej elementy należy normalizować. Dlatego też stosowanie tego rodzaju obróbki cieplnej jest ograniczone. Normalizowanie polega na nagrzaniu C powyżej temperatur A c3 -A cm, wygrzaniu i chłodzeniu na powietrzu. Celem jest rozdrobnienie ziarna. Celem normalizowania stali

26 26 nadeutektoidalnej jest rozbicie siatki węglików oraz zmniejszenie grubości płytek cementytu celem przygotowania do późniejszego sferoidyzowania. Wyżarzanie zupełne przeprowadza się podobnie jak normalizowanie z tym, że chłodzenie odbywa się z piecem lub izotermicznie w zakresie poniżej A c1. Celem jest poprawa ciągliwości i doprowadzenie struktury do stanu bliskiego równowagi. Wyżarzanie zupełne stosuje się do odlewów celem zminimalizowania naprężeń. Wyżarzane zupełnie są również stale o wyższej hartowności, które przy chłodzeniu na powietrzu mogą się podhartować. Struktura po wyżarzaniu zupełnym w porównaniu z wyżarzaniem normalizującym jest bardziej grubopłytkowa a twardość mniejsza. Wyżarzanie niezupełne. Celem skrócenia cyklu wyżarzania zupełnego i zmniejszenia ujemnych skutków grzania w wysokich temperaturach (gruba zgorzelina, odwęglanie) prowadzi się niekiedy wygrzewanie w zakresie A 1 -A 3 lub A 1 -A cm zwane wyżarzaniem niezupełnym. Wskutek częściowego przekrystalizowania otrzymana struktura jest niejednorodna a uzyskane twardości są wyższe niż po wyżarzaniu zupełnym. Stosuje się je więc do elementów mniej odpowiedzialnych, np. przed cięciem na piłach, cięciem kęsów na prasie na kawałki przed kuciem itp. Wyżarzanie izotermiczne polega na szybkim ochłodzeniu do zakresu temp. poniżej A 1, wytrzymaniu w zakresie perlitycznym do zakończenia przemiany i potem i potem dowolnym chłodzeniu. Dzięki temu zabiegowi czas całego wyżarzania skraca się 2-3 krotnie a uzyskane twardości są niższe. Wyżarzanie sferoidyzujące celem wyżarzania jest nadanie węglikom postaci sferoidalnej i w wyniku tego uzyskania minimalnej twardości, dobrej obrabialności skrawaniem i dobrej podatności do przeróbki plastycznej. W stalach nadeutektoidalnych stopowych (narzędziowych, łożyskowych) jednym z głównych celów sferoidyzowania jest również optymalizacja własności użytkowych po hartowaniu i niskim odpuszczaniu. Strukturę sferoidytu osiąga się poprzez: przekształcenie węglików płytkowych w sferoidalne przez długotrwałe wygrzewanie w temperaturze nieznacznie poniżej A c1 wytworzenie niejednorodnego austenitu z pozostałością nierozpuszczonych węglików i znacznych fluktuacji stężeniowych, które są zarodkami sferoidyzacji podczas powolnego chłodzenia. Pierwszy sposób stosuje się głównie dla stali podeutektoidalnych a drugi nadeutektoidalnych. W praktyce stosowane są następujące cykle wyżarzania sferoidyzującego (rys. 4.7) Przy wygrzewaniu w temperaturze tuż poniżej A c1 (rys. 4.7a) uzyskuje się strukturę cementytu kulkowego przez koagulację. Przy prowadzeniu zabiegu w temperaturze powyżej A c1 (rys. 4.7b) na powierzchni rozdziału ferrytu i cementytu powstaje ziarno austenitu γ rozpuszczające węgiel powstały w wyniku częściowego rozpuszczenia się cementytu. Pozostała część cementytu, która w danej temperaturze nie rozpuściła się w austenicie stanowi zarodki do wydzielenia się na nich cementytu z austenitu.

27 27 Rys. 4.7 Proces tworzenia się sferoidalnego cementytu można znacznie przyspieszyć stosując wyżarzanie wahadłowe wokół A c1 (rys. 4.7c). Ogólny czas wyżarzania wahadłowego jest znacznie krótszy od wyżarzania w stałej temperaturze. Proces ten polega na wykorzystaniu niezupełnego rozpuszczania cementytu w austenicie w temperaturze Ac C. Pozostałe nie rozpuszczone cząstki cementytu staja się zarodkami wydzielania ziaren cementytu w temperaturze Ac 1-20 C podczas przemiany perlitycznej. W ten sposób cementyt może być szybciej przekształcony z formy płytkowej w ziarnistą. Wyżarzanie sferoidyzujące może być prowadzone również z przeminą izotermiczną (rys. 52d). Strukturę sferoidytu można również uzyskać w wyniku hartowania i wysokiego odpuszczania. Wyżarzanie rekrystalizujące polega na nagrzaniu odkształconego metalu do temperatury wyższej od temperatury rekrystalizacji lecz niższej od A c1, krótkotrwałym wygrzaniu i ochłodzeniu. Celem jest usunięcie skutków umocnienia powstałego w wyniku przeróbki plastycznej na zimno. Wyżarzanie odprężające jest stosowane w celu usunięcia naprężeń, np. w odlewach, elementach spawanych itp. Zakres temperatur jest bardzo różny i waha się od około 300 do 650 C. Zabiegiem zbliżonym do odprężania jest stabilizowanie które polega na kilku lub kilkudziesięciogodzinnym wygrzewaniu w temp. nie przekraczającej 150 C. Celem jest unikniecie zmian wymiarowych w czasie eksploatacji. Hartowność stali Hartowność jest to zdolność stali do tworzenia struktury martenzytycznej. Miarą hartowności jest głębokość warstwy zahartowanej. Za warstwę zahartowaną przyjmujemy strefę, w której występuje co najmniej 50% martenzytu. Głębokość zahartowania zależy od prędkości chłodzenia na przekroju hartowanego pręta. Krytyczna prędkość chłodzenia jest to prędkość, przy której uzyskuje się w strukturze co najmniej 50% martenzytu Stal charakteryzująca się mniejszą krytyczną prędkością chłodzenia hartuje się głębiej przy tej samej średnicy pręta i tym samym ośrodku chłodzącym (rys. 4.8).

28 28 Rys Hartowność stali zależy od: składu chemicznego stali wielkości ziarna austenitu jednorodności austenitu obecność wtrąceń niemetalicznych i węglików Skład stali wszystkie pierwiastki stopowe rozpuszczone w austenicie z wyjątkiem kobaltu zwiększają hartowność (rys. 4.9). zawartości węgla dodawanie węgla zmniejsza szybkość przemiany dyfuzyjnej o kilka rzędów (rys. 4.10), wielkości ziarna austenitu szybkość przemiany dyfuzyjnej jest proporcjonalna do liczby zarodków. Dlatego stal drobnoziarnista ulegnie szybszej przemianie perlitycznej niż stal gruboziarnista i będzie wymagała większej krytycznej szybkości chłodzenia niż stal gruboziarnista. Zatem im większe ziarno austenitu tym hartowność większa. Powierzchnia granic ziaren jest wówczas mniejsza i mniej jest miejsc ułatwiających zarodkowanie przemian dyfuzyjnych. Rys Dodatki stopowe zwiększające hartowność stali