Stal niestopowa, stal konstrukcyjna stopowa, żeliwo konstrukcyjne stopowe.

STAL NIESTOPOWA, STAL KONSTRUKCYJNA STOPOWA ŻELIWO KONSTRUKCYJNE STOPOWE.
Stal konstrukcyjna niestopowa.
Wyróżnia się w niej gatunki konstrukcyjne podzielone na następujące grupy:
- stal zwykłej jakości ogólnego stosowania,
- stal wyższej jakości,
- stal narzędziowa.
Stal konstrukcyjna zwykłej jakości jest produkowana standardowymi metodami hutniczymi, kształtowana na gorąco i bez jakiejkolwiek obróbki cieplnej dostarczona w celu wykorzystania w dalszym procesie technologicznym. Zauważa się w niej niejednokrotnie różne właściwości w obrębie jednej partii półwyrobu.
W grupie tego typu stali rozróżnia się sześć gatunków o różnej zawartości węgla i domieszeki o różnych własnościach mechanicznych i różnym sposobie Dotleniania .Są to:
- St0 - zaw. max 0,23 % C, Re = 165 -195 MPa,
- St3 - zaw. max 0,22 % C, Re = 195 - 235 MPa,
- St4 - zaw. max 0,24 % C, Re = 215 - 275 MPa,
- 8t5 - ok. 0,35 % C, Re = 255 - 295 MPa .
- St6 - ok. 0,45 % C, Re = 295 - 335 MPa ,
- St7 - ok. 0,55 % C. Re = 325 - 365 MPa.
Gatunki St0, St3 i St4 są przeznaczone na konstrukcje spawane (oznaczone literą S).
Gatunki St3 i St4 mogą być wytwarzane w różnych odmianach w zależności od składu chemicznego , np. ograniczona zawartość węgla siarki i fosforu oznaczone literą V lub W -zależnie od stopnia ograniczenia.Gatunki St0 - St4 produkowane są jako nieuspokojone (X), półuspokojone (Y), uspokojone lub specjalnie uspokojone (drobnoziarniste). Gatunki St5 - St7 dostarczane są Jako uspokojone , można je normalizować i sporadycznie ulepszać cieplnie .Stosuje się je na proste elementy maszyn i proste narzędzia o wymaganej nieco większej wytrzymałości i odporności na ścieranie .

Stal wyższej Jakości dzieli się na :
1. stale do utwardzania powierzchniowego,
2. stale do normalizowania i ulepszania cieplnego . Ad 1 Stosowane są na drobne elementy, utwardzone poprzez nawęglanie są twarde i odporne na ścieranie. Rdzeń wyrobów jest zawsze przegrzany i nie zahartowany . Bywa , że stosuje się je także na elementy o dużej ciągliwość (cięgna , złącza), (ozn. 10,15,20) Ad 2 Do normalizowania i ulepszania cieplnego (stale 25-65 oznaczane co 5). Posiadają małą hartowność, są zawsze stosowane w stanie normalizowanym , czasem utwardzane przez hartowanie powierzchniowe. Mniejsze wyroby można stosować w stanie ulepszonym cieplnie . Gatunki 50, 55,65 (najtwardsze) są stosowane na elementy sprężynujące i proste narzędzia . Stale 15G, 20G, 45G, 50G, 60G mają zwiększoną zawartość Mn co powoduje ich lepszą hartowność i mogą być stosowane na wyroby większe ulepszane cieplnie . W grupie tej zalicza się także stale stosowane na blachy płaskie (do 0,1 % C) i do głębokiego tłoczenia - posiadające obniżoną zawartość wtrąceń niemetalicznych (siarczków) i są tak walcowane i rekrystalizowane, by ziarna stali byty drobne i równomierne. Należy też wyróżnić w tej grupie stale do skrawania (tzw. stale automatowe), których wydajność zwiększona jest przez zmniejszenie zaw. C (perlitu), obecność P (ok. 15 %) zwiększa kruchość wióra . W stalach automatowych aby zwiększyć odporność na korozję zamiast siarki stosuje się selen .
Stale narzędziowe produkowane są w dwóch odmianach: płytkohartujące (N7E - N13E) i głębokohartujące ( N5 - N13). Znak stali składa się z litery N i liczby określającej średnią awartość węgla w dziesiętnych częściach procenta a stal płytkohartująca się ma na końcu literę E . Stale głębokohartujące się mają o 0,05 %więcej: Mn, Si. Cr, Ni, Cu a o 0,005 - 0,01 % - P i S . Stale te po hartowaniu mają HRC > 60 a mimo to po nieznacznym podgrzaniu (do 200 C) stają się miękkie nie nadając się do dalszego użytku. Stosuje się je na : narzędzia pomiarowe, gwintowniki, przebijaki, przecinaki. Bez względu na masę wszystkich gatunków mają matą hartowność, co wymusza by po hartowaniu byty energicznie chłodzone H20 - NaCI, co powoduje, że smukłe narzędzia krzywią się a o średnicy lub przekroju prostokątnym o boku powyżej 30 są wrażliwe na tzw. miękkie plamy, przez co są trudne do zahartowania. Gatunki te mają małą twardość w stanie zmiękczonym, co ułatwia kształtowanie narzędzi zaś ciągliwy rdzeń pod twardą warstwą zahartowaną zwiększa żywotność przy dynamicznych obciążeniach.
Stale konstrukcyjne stopowe są szeroko stosowane do wyrobu części maszyn i pojazdów oraz na wszelkiego rodzaju konstrukcje . Mają one odpowiednie parametry, które uzyskuje się przez wprowadzenie pierwiastków stopowych do stali np. zwiększenie hartowności. Polska Norma określa zasady znakowania stali za pomocą cyfr i liter. l tak dwie cyfry określają zawartość C w stali, w setnych częściach procenta , litery natomiast określają pierwiastek stopowy: H - chrom , G - mangan , S krzem , N - nikiel, F - wanad . T - tytan , W • wolfram , K - kobalt, B - bór, M- molibden , J - aluminium . Gdy zawartość pierwiastka przekracza 1%, wówczas przy literze podaje się cyfrę podającą zawartość tego pierwiastka w procentach.

Stale łożyskowe zamiast cyfr mówiących o zawartości węgla mają literę Ł, a po znaku H - chromu liczbę mówiącą o zawartości tego pierwiastka w dziesiętnych procenta . Obecnie wg norm PN • EN 10027-1:1994 stosuje się sposób znakowania stali stopowych przy pomocy trzech systemów:
1 - gdy żaden z pierwiastków stali nie przekracza 5 % ,
2 - gdy przynajmniej jeden z pierwiastków stali wyst. w zawartości przekraczającej 5 %,
3 • dla stali szybkotnących .
Ad 1. Znak stall rozpoczyna liczba określająca 100-krotną średnią zawartość węgla w stali następnie podaje się zn. chem. pierwiastków w kolejności od największej do najmniejszej zawartości a następnie podaje się liczbę określającą zawartość najważniejszego składnika stopowego pamiętając. że:
- dla Cr, Co, Mn, Ni, Si, W - stosuje się mnożnik 4,
- dla Al. Be, Cu, Mo, Nb, Pb. Ta. Ti, V, Zr - mnoży się przez 10,
- dla Ce, N, P. S razy 100,
-dla B razy 1000.
Dla porównania : dawniej - teraz
40 HM • 42 Cr Mo 4
Jest także różnica pomiędzy gatunkami o maksymalnej zawartości siadu a gatunkami o regulowanej zawartości siarki np.
42CrMo4 (max S)
42C(MoS4 (reg. S)
Ad 2 .Znak stali rozpoczyna się od litery X następnie zapisana jest liczba, która określa 100 - krotną zaw. C, następnie w malejącej kolejności symbole pierwiastków stopowych a następnie liczbę lub liczby określające zaw. pierw. stopowych (w %) bez jakichkolwiek mnożników np. stare - nowe
1H18N9 - X10CrNi18-8
1H13 - X12Cr13
Ad 3 . Znak stali składa się z liter HS oraz liczb określających zawartość pierwiastków stopowych w %. w kolejności - W, Mo, V, Co , gdy któryś z pierwiastków nie występuje to stawia się cyfrę O, gdy nie występuje Co to O pomija się np.:
SW7M - HS6-5-2

Pośród stali konstrukcyjnych stopowych należy rozróżnić następujące gatunki:
1- stale niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości i mikroskopowe,
2- stale konstrukcyjne do ulepszania cieplnego,
3- stale do nawęglania,
4- stale do azotowania,
5- stale do hartowania powierzchniowego,
6- stale sprężynowe,
7- stale na łożyska toczne
8- stale do pracy w obniżonych temperaturach,
9- stale do pracy w podwyższonych temperaturach.

Ad 1. Stale te w ostatnich latach znajdują coraz większe zastosowanie w przemyśle. Pierwowzorem była stal 18G2, w której wytworzyły się stabilne węgliki przez dodanie mikrododatków (wanadu , tytanu . niobu). Podniosło to Re i Rm stali średnio o 100MPa. Zmniejszając zawartość siarki i fosforu np. w stali zawierającej 0,01% C, 0,3% Si, 1,4% Mn plus mikrododatki 0,11% Nb i 0,12% V osiąga Re ok. 560 MPa, dodanie 0,25-0.5% Cu powoduje wzrost odporności stali na korozję atmosferyczną. W stalach z mikrododatkami o zawartości 0,35 - 0,5% C ,1,5% Mn i 0,1% V, które stosuje się na wały korbowe silników spalinowych bez ulepszania cieplnego, Re do 700MPa i Rm do 1160 uzyskuje się przez przyspieszenie chłodzenia po kuciu powierzchni utwardzonej węglikami, większa zawartość siarki powoduje lepszą skrawalność. Opracowując stal o podwyższonej wytrzymałości spawalnej i do głębokiego tłoczenia wytworzono stal ferrytyczno - martenzytyczną o zawartości ok. 20% martenzytu, którą otrzymano poprzez domieszki i odpowiednią obróbkę cieplną po walcowaniu na zimno lub regulowane chłodzenie po walcowaniu na gorąco Rm ok. 900MPa. Innym typem stali jest stal TRIP o zaw. C do 0,4%, Si ok. 1,5% i Mn ok. 1,5%. Wytrzymałość tych stali dochodzi do 1300MPa .

Ad 2. Są to stale o zawartości 0,3 - 0,5% C i zawierające niewielki dodatek pierwiastków stopowych jak: Mn, Cr, Ni, Mo , Si. Ze stali tych wykonuje się większość części maszyn, pojazdów i konstrukcji. Ulepszanie tych stall zapewnia duży stosunek Re/Rm zachowując dużą ciągliwość a im większa ilość dodatków stopowych tym lepsza hartowność. Stale używane w naszym przemyśle są skatalogowane i objęte PN . W stalach używanych na elementy pracujące w trudnych warunkach, gdy wymaga się dużej ciągliwość , stosuje się stale o zmniejszonej zawartości C (0,2 - 0,3%) ale o zwiększonej ilości dodatków stopowych .Wyróżnia się tu :stale manganowe np. 30G2, chromowe 40H, chromo-molibdenowe np. 40HM oraz złożone np. 34HNM .

Ad 3. Stale z tej grupy powinny mieć wysoką twardość powierzchni do 63 HRC z możliwie ciągliwym rdzeniem . Zawierają do 0,25% C oraz mangan i chrom , które zwiększają hartowność. Chrom ma także wpływ na węgliki zwiększając ich twardość a co za tym idzie i odporność na ścieranie. Najczęściej stosowane stale to: 15H, 20H, 16HG, 20HG, 15HGM, 18HGM, 17HGN, 15HN, 19H2N2. Stale zawierające nikiel mają bardziej plastyczny rdzeń, molibden zaś poprawia drobnoziarnistość. Stale te zawierają także Mn i Ni lecz NI tylko wtedy, gdy stal zawiera Cr. W stalach Cr-Ni o zaw (0,4 - 0,5 %) nawęgla się w kąpieli i bezpośrednio hartuje w oleju.

Ad 4. Proces azotowania stosuje się w celu zwiększenia odporności korozyjnej. Proces ten daje bardzo twarde cienkie warstwy, które nie mają wpływu na wytrzymałość całego elementu. Niektóre gatunki stali tworzą po azotowaniu twarde azotki (1000-1200 HV). Powstanie ich Jest związane z zawartością w tych stalach Al, Cr tworzących azotki oraz Mo zapobiegającego kruchości odpuszczania . Ogólnie stosowaną stalą do hartowania jest 38hMJ, oprócz, której stosuje się stale chromowe, stale Cr-Mo, Cr-V ale one osiągają mniejszą twardość.

Ad 5. W tym przypadku stosuje się stale do ulepszania o średnich zawartościach C np.: 35SG, 40HM, 37HGNM. Elementy o większych przekrojach poddaje się ulepszaniu na wskroś.

Ad 6. Stosuje się je do wyrobu sprężyn, resorów, drążków skrętnych. Charakteryzują się wysoką granicą sprężystości i dobrą wytrzymałością zmęczeniową. Hartowane w temp. 800 -850 C w oleju lub w wodzie i odpuszczane w 400 - 500 C tak aby ich twardość wynosiła 35 - 45 HRC . Niektóre gat stali: 65G, 45S, 40S2, 50S2, 50HSA, 50HFA .

Ad 7. Są to stale o zawartości 0,9 -1,1% C, do 1,5%Cr, do 1%Mn. Stalom tym stawia się bardzo wysokie wymagania odnośnie czystości i jednorodności strukturalnej. Zawartość siarki i fosforu do max.0,02 i 0,027%. Obróbka polega na hartowaniu od temp. 830-840 C w oleju i odpuszczaniu w temp 150 - 160C w ciągu 1 -2 h, niekiedy stosuje się wymrażanie. Po takiej obróbce twardość powinna być większa od 62 HRC , nie dopuszcza się żadnych wad w elementach łożysk.

Ad 8. Właściwości tego typu posiadają stale niskowęglowe, drobnoziarniste zawierające ok.1% Mn. Dla zwiększenia ciągliwości w niskich temperaturach stosuje się nikiel np. stale o zaw. 3-5% Ni wysoka udarność zachowuje się aż do -100 C, na zbiorniki na dekle gazy stos. się stal o zawartości ok. 10% Ni i bardzo malej zawartości C , dobra spawalność tego typu słali ułatwia proces produkcyjny. Można też stosować stale Cr-Ni lub Cr-Mn-Ni.

Ad 9. Tego typu stale muszą być odporne na odkształcenia plastyczne w wysokiej temp. ok. 600 C . Wyrabia się z nich rury kotłowe, są to niskowęglowe stale zwierające ewentualnie dodatek Cr i Mo. Stale te objęte są normą np.: K15,16M, 13HMF. W temp powyżej 600 C należy stosować stale o wyższych zawartościach węgla .

ŻELIWA KONSTRUKCYJNE STOPOWE.
Żeliwa są stopami odlewniczymi na osnowie żelaza o zawartości węgla w granicach 2,0 - 3,8% oprócz węgla żeliwa zawsze zawierają dodatki krzemu i manganu oraz przeważnie więcej niż stale siarki i fosforu. Żeliwa wytapia się w specjalnych piecach zwanych żeliwiakami, w których wsadem jest surówka wielkopiecowa, złom żelazny, koks i topniki. Używa się też piece elektryczne łukowe lub indukcyjne w przypadku, gdy chcemy uzyskać żeliwo o mniejszej zawartości węgla . Wytwarza się je jako żeliwa : szare, sferoidalne i ciągtiwe. Żeliwa szare nazwę swoją zawdzięczają ciemnemu przełomowi spowodowanemu zawartością grafitu .Ten typ żeliwa jest szeroko stosowany w budowie maszyn dzięki wielu zaletom takim jak: łatwość odlewania, dobra skrawalność, dobra wytrzymałość, duża zdolność tłumienia drgań, dobra odporność na ścieranie, niski koszt wytwarzania . Wadą tych żeliw jest ich mała ciągliwość i udarność, spowodowana płatkowym charakterem wydzieleń grafitu.

Wytrzymałość jego zależy od sposobu krystalizacji osnowy:
• osnowa ferrytyczna daje Rm = 120-300 MPa,
• osnowa perlityczna Rm = 250-320 MPa.

Jeżeli chce się zwiększyć wytrzymałość żeliwa to należy je modyfikować tzn. do ciekłego żeliwa tuż przed odlaniem dodaje się do kadzi lub rynny modyfikator (najczęściej jest to sproszkowany żelazokrzem), który powoduje dyspersję grafitu . To rozdrobnienie płatków grafitu wpływa w znacznym stopniu na wzrost wytrzymałości do Rm = 450 MPa. Żeliwa sferoidalne uzyskuje się przez podwójną modyfikację cieczy. Początkowo stosowało się do tego celu cer, a obecnie stosuje się stop magnezu z niklem, miedzią lub krzemem. Dodanie ceru lub magnezu powoduje odsiarczenie żeliwa co ma wpływ na zmniejszenie zużycia modyfikatora, następnie modyfikuje się dodatkowo żelazokrzemem , w wyniku czego otrzymuje się żeliwo o osnowie ferrytycznej lub perlitycznej z kulistymi wydzieleniami grafitu. Żeliwo sferoidalne klasyfikuje się przez podanie dwóch liczb: wytrzymałości na rozciąganie - Rm, i wydłużenia - A . Ola informacji należy dodać, że dla żeliwa sferoidalnego o osnowie ferrytycznej
Rm = 400-500 MPa, HB s 127-187, A 10-15 % a o osnowie perlitycznej Rm = 600-800 MPa.
HB 200-285 , A 1-5 %.
Żeliwo to stosowane jest na koła zębate, wały korbowe, walki rozrządu, korbowody, walce do walcowania metali, itp.
Że/rwa ciągliwe są gatunkiem żeliw o podobnych właściwościach jak żeliwa sferoidalne. Wytwarza się je w procesie obróbki cieplnej. Odlane elementy muszą mieć strukturę żeliwa białego (zawiera w strukturze ledeburyt przemieniony z cementytem pierwotnym lub perlitem, bardzo twarde lecz kruche, można je jednie szlifować - nie skrawać, przełom jego jest biały), wyżarza się w atmosferze obojętnej lub utleniającej w temp. ok. 1000 C . W atmosferze obojętnej metoda zwana amerykańską, cementyt ulega grafityzacji. W efekcie uzyskujemy żeliwo ciągliwe czarne. W drugiej metodzie, zwanej europejską, wyżarza się odlew w atmosferze utleniającej co powoduje rozkład cementytu i utlenienie węgla do atmosfery (nawet do 2 cm z powierzchni odlewu). Żeliwo tak otrzymane nazywamy ciągliwym białym. Osnowa żeliwa zależy od sposobu chłodzenia w zakresie przemiany perlitycznej. Bardzo wolne chłodzenie - kilka stopni/ godz. osnowa ferrytyczna . Im szybsze schładzanie tym mniej perlitu ulegnie rozkładowi i osnowa będzie ferrytyczno - perlityczna lub perlityczna .

Żeliwo ciągliwe oznacza się :
a - np. ż. c. białe GJMW - 350-4 - Rm powyżej 350 MPa, A., = 4%
b - np. ż. ć. czarne GJMB - 500-5 - Rm powyżej 500 MPa, A3 = 5%.
Żeliwa stopowe cechują specjalne własności jak odporność na korozję, żaroodporność, podwyższone własności mechaniczne . Uzyskuje się te parametry poprzez dodanie pierwiastków stopowych do kadzi przed odlewaniem do form . l tak np. żeliwa zaw. do 35% Ni o osnowie austenitycznej są odporne na korozję w roztworach soli, zasad, wodzie morskiej i rozcieńczonych kwasach nieorganicznych. Żeliwa zaw. (do 1,5%) Ni, Cr, Mo, Cu, mają podwyższone własności mechaniczne i odporność na korozję atmosferyczną – głównie stosowane jako żeliwa konstrukcyjne. Większe ilości Cr, Al, Si uodparniają żeliwa antykorozyjnie w ośrodkach agresywnych i nadają im właściwości żaroodporne np. 5-7% Si ok. 1,5% Cr powoduje, że żeliwo może być stosowane w temp 600-800 C, 24% Al powoduje odporność żeliwa na działanie gazów (nawet zaw. zw. siarki) do 1000 C. Ponadto należy dodać, że żeliwa można poddawać tak jak stale obróbce cieplnej wpływając na ich własności.