STOPY ŻELAZA. Cz. I. Stale niestopowe konstrukcyjne i o szczególnych właściwościach, staliwa i żeliwa niestopowe

Transkrypt

1 STOPY ŻELAZA Cz. I. Stale niestopowe konstrukcyjne i o szczególnych właściwościach, staliwa i żeliwa niestopowe

2

3 STALE Stal stop żelaza z węglem i innymi dodatkami stopowymi, zawierający do ok. 2 % węgla, otrzymany w procesach stalowniczych, przeznaczony na półwyroby i wyroby przerabiane plastycznie. Stal niestopowa (węglowa) stal, która nie zawiera specjalnie wprowadzonych pierwiastków, jedynie węgiel i ograniczoną ilość pierwiastków domieszek i zanieczyszczeń. domieszki: np. Mn (max.~0,8%) i Si (max.~0,3 %), pochodzące głównie z procesu metalurgicznego zanieczyszczenia: np. S (max.~0,05%), i P (max.~0,05%), pochodzące z rud Stal stopowa stal zawierająca dodatkowe pierwiastki, tzw. stopowe, wprowadzone w celu zmiany właściwości w określonym kierunku.

4 Przykładowe kryteria klasyfikacji stali 1. Skład chemiczny: stale niestopowe stale stopowe 2. Podstawowe zastosowanie: stale konstrukcyjne stale narzędziowe stale o szczególnych właściwościach 3. Jakość (stopień czystości metalurgicznej), określona maksymalną zawartością siarki i fosforu: stale zwykłej jakości (0,05 %) stale wyższej jakości (0,04 %) stale o określonym przeznaczeniu, w których dopuszczalne zawartości zanieczyszczeń określają odpowiednie normy

5 STALE NIESTOPOWE Zawartość węgla i związana z tym struktura wywierają zasadniczy wpływ na właściwości mechaniczne stali niestopowych (węglowych) Wpływ węgla na strukturę stali niestopowej

6 % C Wpływ węgla na właściwości mechaniczne stali niestopowej

7 Wpływ domieszek i zanieczyszczeń na właściwości stali Mangan rozpuszcza się w ferrycie oraz tworzy siarczek MnS o wyższej temperaturze topnienia niż FeS. Utworzenie MnS zmniejsza prawdopodobieństwo nadtopień stali podczas obróbki plastycznej na gorąco i obróbki cieplnej. Sprzyja jednak niekorzystnemu rozrostowi ziaren stali. Krzem rozpuszcza się w ferrycie oraz tworzy tlenki SiO 2, co jest korzystne, gdyż obniża stężenie tlenu we wlewkach Siarka i fosfor wpływają niekorzystnie na właściwości stali. Siarka jest powodem kruchości na gorąco w wyniku nadtopień wtrąceń siarczkowych. Fosfor rozpuszcza się w ferrycie i powoduje wzrost temperatury przejścia stali w stan kruchy (spadek udarności w niskich temperaturach).

8 Wtrącenia niemetaliczne W stali występuje szereg wtrąceń niemetalicznych, stanowiących nieciągłości w osnowie, wpływających niekorzystnie na właściwości mechaniczne stali. Szczególnie niekorzystne są duże, wydłużone wtrącenia, nierównomiernie rozmieszczone. Rodzaje wtrąceń niemetalicznych: endogeniczne siarczki, tlenki, krzemiany, które powstają w ciekłej stali podczas procesu stalowniczego egzogeniczne cząstki materiałów ogniotrwałych stanowiących wyłożenie pieca, rynien spustowych, kadzi

9 Stale niestopowe konstrukcyjne 1. Ogólnego przeznaczenia: dostarczane w postaci kęsów, prętów, kształtowników, odkuwek, blach, stosowane na mało odpowiedzialne konstrukcje, nie podlegają obróbce cieplnej. Mogą być produkowane jako np. spawalne, o wymaganej udarności, o zwiększonej odporności na korozję atmosferyczną (C=0,20-0,60%, S, P= 0,035-0,050 % max. Re= N/mm 2, Rm= N/m 2, A=10-20%). 2. Do normalizowania, ulepszania cieplnego, hartowania powierzchniowego: przeznaczone do produkcji elementów maszyn (C=0,25-0,65%, S, P= 0,020-0,040 % max., Re min N/mm 2, Rm= N/mm 2, A=10-20% po ulepszaniu cieplnym). 3. Do nawęglania: przeznaczone do produkcji elementów maszyn (C=0,1-0,2 %). 4. O określonym przeznaczeniu: druty patentowane, druty na sprężyny, łańcuchy techniczne i okrętowe, pręty do zbrojenia betonu, budowa mostów, dla górnictwa, kolejnictwa, do pracy w podwyższonej temperaturze.

10 Stale niestopowe o szczególnych właściwościach Stale przeznaczone na magnetycznie czynne elementy urządzeń elektrotechnicznych i elektronicznych magnetycznie miękkie. Są to stale niskowęglowe z ograniczoną zawartością S i P (0,01-0,02 %), odznaczające się małą koercją i dużą przenikalnością magnetyczną. Stale automatowe, z których wytwarza się mało obciążone drobne elementy (śruby, nakrętki, sworznie), stosując obróbkę skrawaniem na szybkobieżnych obrabiarkach i automatach (C=0,1-0,4%, P=0,04-0,8%, S=0,15-0,35 %). Wysoka zawartość P i S powoduje, że powstający w czasie skrawania wiór jest kruchy i łatwo usuwalny (dobra skrawalność).

11 STALIWA NIESTOPOWE Staliwo niestopowe cieplnie obrabialny stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami pochodzącymi z przerobu hutniczego, przeznaczonych do wykonywania elementów maszyn i urządzeń na drodze odlewania, o masie od kilku kg do kilkuset ton. Teoretycznie, może zawierać do 2% węgla, w praktyce zawiera ~ 0,1-0,6 % C. Staliwo niestopowe dzieli się na gatunki różniące się wytrzymałością na rozciąganie ( N/mm 2 ). Szybko chłodzone staliwo posiada strukturę Widmanstättena, co skutkuje niższą udarnością tego materiału w porównaniu do stali o tej samej zawartości węgla. Taką wadę można usunąć stosując odpowiednią obróbkę cieplną. Zalety w stosunku do innych materiałów odlewniczych: dobre właściwości mechaniczne, dobra spawalność i skrawalność, wady: większy skurcz, wyższa temperatura topnienia.

12 a) 50 µm Struktura Widmanstättena w staliwie (a), ziarnista struktura stali o podobnej zawartości węgla (b). Białe ziarna ferryt, ciemne ziarna perlit. Zgład trawiony 4% HNO 3, mikroskop świetlny b)

13 ŻELIWA NIESTOPOWE Żeliwo stop żelaza z węglem, zawierający 2,5-4,5% C i inne pierwiastki (Si, Mn, P, S), przeznaczony do wykonywania części maszyn, urządzeń przemysłowych i wyrobów codziennego użytku na drodze odlewania. Zależnie od postaci węgla wyróżnia się żeliwa: białe (jasny przełom), w których węgiel występuje w postaci cementytu; mają one ograniczone zastosowanie szare - z grafitem (szary przełom), w których węgiel występuje głównie jako grafit i częściowo związanej jako cementyt w perlicie; mają one szerokie zastosowanie. Ze względu na kształt wydzieleń grafitu wyróżnia się żeliwo z grafitem płatkowym, sferoidalne i ciągliwe Połowiczne (pstre) węgiel w postaci cementytu i grafitu

14 % C Układ Fe-C: układ żelazo-cementyt (linia ciągła), układ żelazografit (linia przerywana

15 Zmiana energii swobodnej ciekłego stopu (F L ) i mieszaniny austenit + cementyt (F A+C ) oraz mieszaniny austenit + grafit (F A+G ) ze zmianą temperatury

16

17

18

19

20 Żeliwo szare krzepnące bez regulowania procesu krystalizacji zawiera duże płatki grafitu, których obecność wpływa ujemnie na właściwości mechaniczne (Rm<250 N/mm 2 ). Żeliwo modyfikowane: W celu podwyższenia właściwości wytrzymałościowych, przeprowadza się proces modyfikacji żeliw. Modyfikacja polega na wprowadzeniu do ciekłego stopu modyfikatora (np. Fe-Si, Ca-Si) w ilości do 0,5% masy stopu. Modyfikator powoduje zwiększenie ilości zarodków krystalizacji, a tym samym rozdrobnienie płatków grafitu, oraz uzyskanie struktury perlitu w osnowie metalicznej. Te dwa czynniki są powodem wyższej wytrzymałości żeliw modyfikowanych (Rm>300 N/mm 2 ). Żeliwo sferoidalne: W celu podwyższenia właściwości wytrzymałościowych i plastycznych, do ciekłego stopu dodaje się modyfikator oraz niewielkie ilości substancji (Cr, Mg, Mg-Ni), które zmieniają napięcie powierzchniowe i powodują utworzenie wydzieleń grafitu w postaci sferoidalnej.

21 Żeliwo ciągliwe otrzymywane z żeliwa białego w wyniku wyżarzania grafityzującego. W czasie obróbki cieplnej cementyt ulega rozkładowi z wydzieleniem węgla żarzenia w postaci kłaczkowatych skupień. Proces wyżarzania żeliwa przebiega w zakresie temperatur ~ ºC w czasie ~ 100 godzin. Zależnie od przebiegu cyklu wyżarzania i atmosfery procesu, otrzymuje się żeliwo o osnowie ferrytycznej, ferrytyczno-perlitycznej, perlityczno-ferrytycznej lub perlitycznej, o strukturze jednolitej na przekroju elementu (atmosfera obojętna), lub o zmniejszonej zawartości węgla przy powierzchni odlewu (atmosfera utleniająca). Kłaczkowa postać grafitu wpływa korzystnie na właściwości mechaniczne żeliwa.

22 Właściwości mechaniczne żeliw z grafitem w zależności od osnowy metalicznej i postaci grafitu Z grafitem płatkowym

23 Korzystne właściwości technologiczne żeliw, wynikające z obecności grafitu: mała wrażliwość na karby zewnętrzne, np. zmianę przekroju elementu konstrukcji, z uwagi na liczne karby wewnętrzne mały skurcz odlewniczy dobra skrawalność dobre właściwości ślizgowe duża zdolność tłumienia drgań dobra wytrzymałość zmęczeniowa

24 Typowe zastosowania żeliw Rodzaj żeliwa Białe Szare z grafitem płatkowym Sferoidalne Ciągliwe Osnowa ferrytyczna Osnowa perlityczna Zastosowanie Odlewy odporne na ścieranie, nie wymagające większej obróbki skrawaniem: wykładziny i ślimaki mieszalników i przenośników materiałów sypkich,kule młynów kulowych, klocki hamulcowe Masowo produkowane odlewy nie przenoszące obciążeń (ruszty, płyty i drzwi pieców, grzejniki, wanny, zlewy), odlewy części maszyn, wlewnice, cylindry samochodowe, tłoki Części samochodowe (wałki rozrządu, korbowody, wały korbowe, części układu kierowniczego), koła zębate i wrzeciona obrabiarek, części armatury przemysłowej, walce hutnicze Odlewy nie wymagające większej wytrzymałości, a przy tym tanie: części maszyn rolniczych,maszyn do szycia, artykułów gospodarstwa domowego Odlewy silniej obciążone: wałki rozrządu, wały korbowe, krzywki, koła zębate, klucze maszynowe, podstawy dział