STOPY ŻELAZA Z WĘGLEM STALE I STALIWA NIESTOPOWE

Transkrypt

1 STOPY ŻELAZA Z WĘGLEM STALE I STALIWA NIESTOPOWE Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

2 1. DEFINICJE, SKŁAD CHEMICZNY 2. PODZIAŁ I ZASADY ZNAKOWANIA STALI 3. STALE NIESTOPOWE KONSTRUKCYJNE 4. STALIWA NIESTOPOWE 2

3 1. DEFINICJE, SKŁAD CHEMICZNY Schemat klasyfikacji żelaza i jego stopów podstawowej grupy materiałów konstrukcyjnych 3

4 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 zwykłe: np. Mn (max.~0,8%) i Si (max.~0,3%), pochodzące głównie z procesu metalurgicznego domieszki ukryte (śladowe): 0, N, H domieszki przypadkowe: np. Cu, Cr ze złomu zanieczyszczenia: np. S (max.~0,05%), i P (max.~0,05%), pochodzące z rud Stal stopowa stal zawierająca dodatkowe pierwiastki, tzw. składniki stopowe, wprowadzone w celu zmiany właściwości w określonym kierunku. Staliwo stop żelaza z węglem i innymi dodatkami stopowymi, zawierający do ok. 2% węgla, otrzymany w procesach stalowniczych i przeznaczony na odlewy. 4

5 Zawartość węgla i związana z tym struktura wywierają zasadniczy wpływ na właściwości mechaniczne stali niestopowych (węglowych) Struktura stali niestopowych w stanie równowagi w zależności od zawartości węgla 5

6 Wpływ węgla na właściwości mechaniczne stali niestopowych % C 6

7 2. PODZIAŁ I ZASADY ZNAKOWANIA STALI Klasyfikacja gatunków stali w oparciu o PN-EN 10020:2003 Podstawowym kryterium podziału jest skład chemiczny. Wyróżnia się: stale niestopowe stale odporne na korozję inne stale stopowe. Stale niestopowe stale, w których zawartość pierwiastków jest mniejsza od wartości granicznych podanych w dalszej tabeli. Stale odporne na korozję stale zawierające co najmniej 10,5% chromu i max 1,2% węgla. Inne stale stopowe stale, które nie odpowiadają definicji stali odpornych na korozję i dla których zawartość przynajmniej jednego pierwiastka osiąga lub przekracza wartość graniczną podaną w dalszej tabeli. 7

8 Granica udziału masowego pierwiastków w składzie między stalami niestopowymi a stopowymi Pierwiastek Wartość graniczna % masowy Al Aluminium 0,30 B Bor 0,0008 Bi Bizmut 0,10 Co Kobalt 0,30 Cr Chrom 0,30 Cu Miedź 0,40 La Lantanowce (każdy) 0,10 Mn Mangan 1,65 Mo Molibden 0,08 Nb Niob 0,06 Ni Nikiel 0,30 Pb Olów 0,40 Se Selen 0,10 Si Krzem 0,60 Te Tellur 0,10 Ti Tytan 0,05 V Wanad 0,10 W Wolfram 0,30 Zr Cyrkon 0,05 Inne (z wyjątkiem węgla, fosforu, siarki, 0,10 azotu) (każdy) 8

9 Stale niestopowe podział stale niestopowe jakościowe stale niestopowe specjalne Stale niestopowe jakościowe gatunki stali, które mają określone wymagania co do cech takich jak: ciągliwość, regulowana wielkość ziarna, podatność na obróbkę plastyczną. Stale niestopowe specjalne mają wyższy stopień czystości metalurgicznej niż stale jakościowe, są przeznaczone do ulepszania cieplnego lub hartowania powierzchniowego. Spełniają jedno lub więcej z wymienionych wymagań: określona udarność w stanie ulepszonym cieplnie określona hartowność lub twardość w stanie hartowanym określona mała zawartość wtrąceń niemetalicznych określona maksymalna zawartość P i S do max. 0,020% określona praca łamania próbek wzdłużnych ISO z karbem V, większa niż 27 J w temperaturze -50 C określona przewodność elektryczna >9 S m/mm 2. 9

10 Stale odporne na korozję stale zawierające co najmniej 10,5% chromu i max. 1,20% węgla. Podział wg kryterium zawartości niklu: stale o zawartości poniżej 2,5% Ni stale o zawartości 2,5% Ni lub większej Podział wg głównej właściwości: stale nierdzewne stale żaroodporne stale żarowytrzymałe 10

11 Stale stopowe podział stale stopowe jakościowe stale stopowe specjalne Do stali stopowych jakościowych zalicza się: stale konstrukcyjne drobnoziarniste spawalne przeznaczone do produkcji zbiorników i rurociągów pracujących pod ciśnieniem stale elektrotechniczne zawierające jako pierwiastki stopowe tylko Si lub Si + Al stale stopowe przeznaczone do produkcji szyn i grodzic oraz kształtowników na obudowy górnicze stale stopowe przeznaczone do produkcji wyrobów płaskich walcowanych na gorąco lub na zimno do dalszej przeróbki plastycznej na zimno stale stopowe, w których jedynym pierwiastkiem stopowym jest miedź. 11

12 Stale stopowe specjalne stale którym poprzez odpowiednio dobrany skład chemiczny nadano różnorodne właściwości przetwórcze i użytkowe. Do stali stopowych specjalnych zalicza się: stale narzędziowe stale szybkotnące stale stopowe na zbiorniki ciśnieniowe stale stopowe maszynowe stale na łożyska toczne stale o specjalnych właściwościach fizycznych. 12

13 Systemy oznaczania stali PN-EN :2005 Stale oznacza się za pomocą symboli literowych i cyfrowych. Symbole te są tak dobrane, aby wskazywać na główne cechy stali, np. na zastosowanie stali, na własności mechaniczne lub fizyczne, względnie na skład chemiczny stali, co pozwala w uproszczony sposób identyfikować poszczególne gatunki stali. Symbole główne stali często są uzupełniane symbolami dodatkowymi charakteryzującymi dodatkowe cechy stali lub wyrobów hutniczych. Są to symbole oznaczające np. przydatność do pracy w wysokich lub niskich temperaturach, jakość powierzchni wyrobu, warunki obróbki cieplnej, stopień odtlenienia stali. 13

14 Sposoby podawania znaków Grupa 1. Znaki stali zawierające symbole wskazujące na zastosowanie oraz właściwości mechaniczne lub fizyczne. Grupa 2. Znaki stali zawierające symbole wskazujące na skład chemiczny stali. * * * Poszczególne gatunki stali mogą być oznaczane symbolami albo z grupy 1 albo z grupy 2 (nie można oznaczać stali na dwa sposoby). 14

15 Grupa 1. Znaki stali oznaczonych wg zastosowania oraz mechanicznych lub fizycznych właściwości Zasady oznaczania stali główne symbole Symbol Grupa stali Dalsze symbole cyfrowe lub literowe Przykład główny G staliwo (postać lana) S stale konstrukcyjne za symbolem głównym umieszcza się S235 P stale pracujące pod ciśnieniem liczbę będącą minimalna granicą plastyczności (Re) w MPa L stale na rury przewodowe E stale maszynowe E355 B stale do zbrojenia betonu Y stale do betonu sprężonego za symbolem głównym umieszcza się R stale na szyny lub w postaci szyn liczbę będącą min. wytrzymałością na rozciąganie (Rm) w MPa H wyroby płaskie walcowane na zimno ze stali PW przeznaczone do kształtowania na zimno za symbolem głównym umieszcza się liczbę będącą minimalna granicą plastyczności (Re) w MPa D wyroby płaskie ze stali miękkich przeznaczone do kształtowania na zimno za symbolem głównym umieszcza się jedną z następujących liter: C - dla wyrobów płaskich walcowanych na zimno, D - dla wyrobów płaskich walcowanych na gorąco przeznaczonych do kształtowania na zimno, X - dla wyrobów bez charakterystyki walcowania. T wyroby walcowni blachy patrz: PN-EN :2005 ocynkowanej M stale elektrotechniczne patrz: PN-EN :

16 System oznaczania stali wg zastosowania i właściwości mechanicznych dla stali konstrukcyjnych 16

17 Przykłady symboli oznaczających specjalne wymagania dla wyrobów stalowych 17

18 Przykłady symboli oznaczających stan obróbki cieplnej wyrobów 18

19 Grupa 2. Znaki stali zawierające symbole wskazujące na skład chemiczny stali 1. Stale niestopowe o średniej zawartości manganu <1%: Znak: C## ## = liczba będąca 100-krotną średnią procentową zawartością węgla Przykład: C35, C55 19

20 2. Stale niestopowe o średniej zawartości manganu > 1% oraz niestopowe stale automatowe i stale stopowe o zawartości każdego pierwiastka stopowego <5%: Znak: ## ## liczba będąca 100-krotną średnią procentową zawartością węgla symbole pierwiastków chemicznych oznaczające składniki stopowe stali w kolejności malejącej zawartości liczby oznaczające zawartość poszczególnych pierwiastków stopowych w stali. Każda liczba oznacza średni procent zawartości pierwiastka pomnożony przez współczynnik z tabeli. Przykład: symbol 32CrMo12-28 oznacza stal stopową konstrukcyjną o zawartości węgla ok. 0,32%, zawartości chromu ok. 3,0% i molibdenu 2,8%. 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

21 3. Stale stopowe (bez stali szybkotnących) zawierające przynajmniej jeden pierwiastek stopowy w ilości >5%: X tal wysokostopowa Znak: X## ## liczba będąca 100-krotną średnią procentową zawartością węgla symbole pierwiastków chemicznych oznaczające składniki stopowe stali w kolejności malejącej zawartości liczby oznaczające zawartość poszczególnych pierwiastków stopowych w stali, podawane w % (bez mnożenia przez współczynniki). Przykład: symbol X5CrNi18-10 stal wysokostopowa (odporna na korozję) o zawartości węgla ok. 0,05%, chromu ok. 18% i niklu ok. 10%. 21

22 4. Stale szybkotnące HS stal szybkotnąca Znak: HS liczby oznaczające procentowe zawartości pierwiastków stopowych w następującym porządku: W - Mo - V - Co Przykład: symbol HS oznacza stal szybkotnącą o zawartości pierwiastków stopowych: wolframu ok. 2,0%, molibdenu ok. 9,0%, wanadu ok. 1,0%, kobaltu ok. 8,0%. 22

23 3. STALE NIESTOPOWE KONSTRUKCYJNE Stale niestopowe konstrukcyjne stale stosowane w budownictwie lub budowie urządzeń i maszyn pracujących w środowiskach nieagresywnych i w temperaturach od ok. minus 20ºC do ok. plus 300ºC. Przydatność stali konstrukcyjnych do określonych zastosowań ocenia się głównie właściwościami mechanicznymi; w przypadku obciążeń statycznych granicą plastyczności, a jeżeli odkształcenie plastyczne jest niedopuszczalne granica sprężystości. Stale niestopowe konstrukcyjne poza węglem zawierają ograniczone ilości domieszek krzemu, manganu oraz zanieczyszczenia siarki i fosforu. 23

24 Mangan rozpuszcza się w ferrycie, zwiększając właściwości wytrzymałościowe stali. Stabilizuje austenit, przez co zwiększa hartowność stali. Sprzyja jednak niekorzystnemu rozrostowi ziaren stali. Dodawany w celu odtlenienia stali. Mangan ma większe powinowactwo do siarki niż żelazo, co sprzyja obecności w stali siarczku MnS o wyższej temperaturze topnienia niż FeS. Zmniejsza się w ten sposób prawdopodobieństwo nadtopień stali podczas obróbki plastycznej na gorąco i obróbki cieplnej. Krzem rozpuszcza się w ferrycie, zwiększając właściwości wytrzymałościowe stali. Dodawany w celu odtlenienia stali. Ze względu na stopień odtlenienia i zawartości Si wyróżnia się: stale nieuspokojone zawartość Si do 0,07 %, stale półuspokojone zawartość Si około 0,15 %, stale uspokojone zawartość Si powyżej 0,30% (do 0,60). Stale uspokojone charakteryzują się jednorodną strukturą oraz mniejszym stopniem segregacji składu chemicznego i zanieczyszczeń w porównaniu do stali nieuspokojonych i półuspokojonych. 24

25 Siarka nie rozpuszcza się w ferrycie. Tworzy wtrącenia siarczkowe. Jeśli występuje w postaci wtrąceń FeS o niskiej temperaturze topnienia sprzyja kruchości na gorąco. Kruchość na gorąco tworzenie się kruchych pęknięć na granicy siarczek osnowa metaliczna w czasie obróbki cieplnej lub obróbki plastycznej w temperaturach powyżej 990ºC w wyniku nadtapiania wtrąceń na granicy międzyfazowej i ze względu na niższą plastyczność siarczków niż osnowy. Zjawisku temu zapobiega dodatek manganu. Fosfor rozpuszcza się w ferrycie i powoduje wzrost temperatury przejścia stali w stan kruchy (spadek udarności w niskich temperaturach). 25

26 W stali występują wtrącenia niemetaliczne, stanowiące nieciągłości w osnowie, wpływające 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. 26

27 Stale niestopowe do ulepszania cieplnego (PN-EN 10083) przeznaczone do wytwarzania części maszyn ulepszanych cieplnie, hartowanych płomieniowo lub indukcyjnie; mogą być też stosowane w stanie normalizowanym Stale do ulepszania cieplnego stale maszynowe, które dzięki swojemu składowi chemicznemu nadają się do hartowania i w w stanie ulepszonym cieplnie wykazują dobra ciągliwość przy danej wytrzymałości na rozciąganie. Stale do hartowania płomieniowego lub indukcyjnego w stanie ulepszonym cieplnie mają zdolność do utwardzania powierzchniowego za pomocą miejscowego nagrzania bez znacznego pogorszenia właściwości wytrzymałościowych i ciągliwości rdzenia. Stosowanie ulepszania cieplnego stali konstrukcyjnych jest uzasadnione faktem, że struktura martenzytu odpuszczonego wysoko (sorbitu) zapewnia optymalne właściwości mechaniczne, tj. największy stosunek R e /R m. 27

28 Stale niestopowe do ulepszania cieplnego Stale jakościowe: C35, C40, C45, C55 i C60 Stale specjalne: C22E, C22R, C35E, C35R, C40E, C40R, C45E, C45R, C50E, C50R, C55E, C55R, C60E, C60R Różnice między stalami jakościowymi i specjalnymi określają następujące wymagania, dotyczące stali specjalnych: minimalna wartość pracy łamania w stanie ulepszonym cieplnie (tylko gdy średnia zawartość węgla < 0,50 % masy) graniczne wartości w próbie Jominy ego (tylko gdy średnia zawartość węgla > 0,30% masy) ograniczona zawartość wtrąceń tlenkowych niższe maksymalne zawartości fosforu i siarki 28

29 Przykłady oznaczeń i uproszczone dane o składzie chemicznym niektórych gatunków stali niestopowych do ulepszania cieplnego Znak stali C Skład chemiczny, % masy Si max Mn P max S C35 0,32 0,39 0,40 0,50 0,80 0,045 0,045 max C60 0,57 0,65 0,40 0,60 0,90 0,045 0,045 max C22E 0,17 0,24 0,40 0,40 0,70 0,030 0,035 max C22R 0,17 0,24 0,40 0,40 0,70 0,030 0,020-0,040 C60E 0,57 0,65 0,40 0,60 0,90 0,030 0,035 max C60R 0,57 0,65 0,40 0,60 0,90 0,030 0,020 0,040 C35, C60 stale jakościowe C22E, C22R, C60E, C60R stale specjalne 29

30 Stale niestopowe do ulepszania cieplnego mogą być zamawiane z użyciem symboli wymaganej normalnej (+H) lub ograniczonej (+HL, +HH) hartowności. Przykład wartości hartowności (twardości) Znak stali Symbol Odległość od hartowanego czoła, mm C60E +HH HRC +HH HRC HRC C60R +HL HRC +HL HRC HRC 30

31 Przykłady orientacyjnych właściwości mechanicznych stali w stanie ulepszonym cieplnie, temperatura otoczenia Znak stali R e min. N/mm 2 R m N/mm 2 Właściwości A min. % Z min. % KV min. J C C C22E C22R C60E C60R C35, C60 stale jakościowe C22E, C22R, C60E, C60R stale specjalne 31

32 Przykłady orientacyjnych właściwości mechanicznych stali w stanie normalizowanym, temperatura otoczenia Znak stali R e min. Właściwości R m min. A min. N/mm 2 N/mm 2 % C C C22E C22R C60E C60R C35, C60 stale jakościowe C22E, C22R, C60E, C60R stale specjalne 32

33 Stale automatowe (PN-EN 10087) Za stale automatowe uważa się zazwyczaj stale o minimalnej zawartości siarki 0,1%. Są to stale niestopowe jakościowe. Rodzaje stali: nie przeznaczone do obróbki cieplnej do nawęglania do hartowania bezpośredniego. Stale automatowe przeznaczone są na mało obciążone drobne elementy (śruby, nakrętki, sworznie), wytwarzane przy zastosowaniu obróbki skrawaniem na szybkobieżnych obrabiarkach i automatach. Wysoka zawartość fosforu, siarki i ołowiu powoduje, że powstający w czasie skrawania wiór jest kruchy i łatwo usuwalny (dobra skrawalność). 33

34 Przykłady oznaczeń i skład chemiczny niektórych gatunków stali automatowych Znak stali Skład chemiczny, % masy C Si max Mn P max S Pb 11SMn30 0,14 0,05 0,90-1,30 0,11 0,27-0,33-11SMnPb30 0,14 0,05 0,90-1,30 0,11 0,27-0,33 0,20-0,35 10S20 0,07-0,13 0,40 0,40-0,70 0,11 0,15-0,25-10SPb20 0,07-0,13 0,40 0,40-0,70 0,11 0,15-0,25 0,20-0,35 35S20 0,32-0,39 0,40 0,60-0,90 0,11 0,15-0,25-46SPb20 0,42-0,50 0,40 0,60-0,90 0,11 0,15-0,25 0,15-0,35 11SMn30, 11SMnPb30 nie przeznaczone do obróbki cieplnej 10S20, 10SPb20 do nawęglania 35S20, 46SPb20 do hartowania bezpośredniego 34

35 Przykłady właściwości mechanicznych w stanie nieobrobionym stali automatowych nie przeznaczonych do obróbki cieplnej Znak stali Średnica d, mm HB R m, N/mm 2 11SMn30 11SMnPb30 16 <d <d

36 Przykłady właściwości mechanicznych stali automatowych do hartowania bezpośredniego Znak stali Średnica d mm Stan nieobrobiony HB R m N/mm 2 Stan ulepszony cieplnie R e N/mm 2 R m N/mm 2 A % 35S20 35SPb20 16 <d min min. 40 <d min min. 36

37 4. STALIWA NIESTOPOWE Staliwo niestopowe cieplnie obrabialny stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami pochodzącymi z przerobu hutniczego, przeznaczony 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 około 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 w stosunku do innych materiałów odlewniczych: większy skurcz, wyższa temperatura topnienia. 37

38 a) 50 μm b) 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 38