Omówienie stali konstrukcyjnej niestopowej

Charakterystycznymi gatunkami konstrukcyjnymi w tej stali są poniższe grupy:

-stal zwykła, która posiada jakość ogólnej używalności;

-stal, która posiada wyższą jakość

-stal narzędziowa.

Pierwsza z wymienionych jakości, o zwykłej jakości, otrzymywana jest poprzez tradycyjne metody hutnicze, postać jej nadawana jest na gorąco oraz bez obróbki cieplnej jest przekazywana dalej, do kolejnego etapu technologicznego. Odnotowano ,że w półproduktach jednej partii dostarcza się nierównomiernych własności. Tego rodzaju stale sklasyfikowano na 6 gatunków różniące się między sobą ilością zawartego węgla oraz dodatków mających nadać pożądane własności mechaniczne oraz inny sposób dotleniania;

- St0 - których zawartość wynosi . max 0,23 % C, a Re zawiera się w zakresie 165 -195 MPa,

- St3 - których zawartość wynosi max 0,22 % C, Re zawiera się w zakresie 195 - 235 MPa,

- St4 - których zawartość wynosi max 0,24 % C, Re zawiera się w zakresie 215 - 275 MPa,

- 8t5 - których zawartość wynosi ok. 0,35 % C, Re zawiera się w zakresie 255 - 295 MPa,
 

- St6 - których zawartość wynosi ok. 0,45 % C, Re zawiera się w zakresie 295 - 335 MPa,

- St7 - których zawartość wynosi ok. 0,55 % C, Re zawiera się w zakresie 325 - 365 MPa.

Z wymienionej grupy gatunki St0, St3 i St4 nadają się do konstrukcji spawalnych, wobec czego otrzymały oznaczenie S. Natomiast same gatunki St3 oraz St4 znajdują zastosowanie w różnorakich odmianach zależnie od tego, jaki będzie ich skład chemiczny, przykładowo dla ograniczona ilość C, S oraz P są znakowane literą V lub w zależności od ich stopnia ograniczenia. Dla gatunków St0 - St4 produkty produkcji można podzielić na grupy: nie uspokojone (oznaczane X), półuspokojone (oznaczane Y) oraz uspokojone i specjalnie uspokojone(o drobnych ziarnach)

W przypadku gatunków St5-St7 produkuje się je jako uspokojone i można je znormalizować oraz w wyjątkowej konieczności ulepszać cieplnie. Odnajdują swoje zastosowanie przy prostych elementach maszyn oraz narzędziach ,posiadają nieco wyższej odporności na ścieranie oraz wytrzymałości.

Drugą z wymienionych stali, o wyższej jakości można sklasyfikować następująco:

1.Stale mające powierzchniowo utwardzać,

2.Stale dla znormalizowania oraz ulepszania cieplnego.

Ad1. Zastosowanie odnajduje przy niewielkich elementach, dzięki procesowi nawęglania są twarde oraz wytrzymałe na ścieranie. Trzon wyrobów charakteryzuje się tym, że nie jest ani przegrzany, ani zahartowany. Czasem stosuje się bardzo ciągliwe elementy (cięgna, złącza), (stale oznaczane jako 10, 15, 20) 

Ad2. W celu znormalizowania ora nadania lepszych właściwości cieplnych (stale co 5 zawierające się w zakresie 25-65) .Stale te o niewielkiej hartowności odnajdują zastosowanie jedynie w normalizowanej postaci, rzadziej poddaje się je hartowaniu powierzchniowemu. Wyroby o niewielkich rozmiarach stosuje się już ulepszone cieplnie. Najtwardsze gatunki stali (50, 55 65) używane są w prostych narzędziach oraz elementach sprężynujących. Stale 15G, 20G, 45G, 50G, 60G posiadają większy udział manganu, który nadaje im dobrą hartowność i umożliwia stosowanie na wyroby ulepszone cieplnie o większych rozmiarach. Do takiej grupy zalicza się stale używane do płaskich blach (zawierające maksymalnie 0,1% węgla ) oraz głębokich tłoczeń -te zaś charakteryzują się mniejszą liczbą wtrąceń niemetalicznych, (takich jak siarczki) przez co mogą być walcowane i rekrystalizowane w taki sposób, by ziarna w stali były bardzo drobne i rozmieszczone równomiernie. Do tej grupy należą także stale do skrawania (czyli automatowe), charakteryzują się zwiększoną wydajnością oraz niższą zawartością perlitu, ok. 15% udział fosforu zwiększa kruchość wióra. Aby zwiększyć odporność tych stali na korozję siarkę zastępuje się selenem.

Stale narzędziowe produkuje się w dwóch rodzajach : 

-płytkohartujące (N7E - N13E)

-głębokohartujące ( N5 - N13)

Na oznakowanie stali składają się litery N oraz liczby, które mówią o średnim udziale węgla nie (rzędu 0,1%).

Stal płytkohartująca na końcu ma oznaczenie litery E. W stalach głębokohartujących posiadają więcej manganu , krzemu, chromu, niklu, miedzi o ok. 0,05%, a fosforu i siarki o ok. 0,01%. Stale po procesie hartowania posiadają HRC powyżej 60 a mimo tego podniesienie ich temperatury do 200 °C sprawia że miękną i nie nadają się do użytkowania. Wobec tego wykorzystuje się je na przecinaki, gwintowniki, narzędzia pomiarowe, przebijaki. Wszystkie te stale mają niewielką hartowność, na co masa nie ma w ogóle wpływu. Nadaje to konieczność energicznego chłodzenia NaCl (H20), zaraz po zakończeniu procesu hartowania. Proces ten sprawia, że cienkie narzędzia zaczynają się krzywić, a te których przekrój bądź średnicy prostokątnej, gdzie bok przekracza 30 są niezwykle wrażliwe na tzw. "miękkie plamy" co utrudnia poddawanie ich procesowi hartowania. Takie rodzaje stali posiadają niską twardość będąc w stanie zmiękczonym, bardzo poprawia to możliwość kształtowania narzędzi ,natomiast ciągliwy trzon pod zahartowaną stalą poprawia żywotność przy występowaniu dynamicznych obciążeń.

Stopowe stale konstrukcyjne dość szeroko używane przy produkcji części nie tylko maszyn, ale i pojazdów wraz z wszelkimi konstrukcjami. Posiadają one zadowalające parametry, uzyskiwane dzięki dodatkom stopowym zwiększającym hartowność. Według Polskiej Normy są dokładnie ustalone zasady znakowania stali używając liter oraz cyfr, dwie cyfry mówią jaka jest zawartość węgla w stali , wartość jest podawana w setnych częściach procenta, następnie litery określają kolejno pierwiastki stopowe dodane do stali wg oznaczeń: H - chrom , G - mangan , S krzem , N - nikiel, F - wanad . T - tytan , W wolfram , K - kobalt, B - bór, M- molibden , J - aluminium. Jeśli zdarzy się, że zawartość pierwiastka będzie wyższa niż 1%, to przy tej literze podaje się dodatkowo procentowy wkład danego pierwiastka w stali.

Stale łożyskowe nie posiadają cyfr informujących ile znajduje się w nich węgla, ale używają litery Ł, natomiast po znaku H(chromu) posiadają liczbę oznaczającą zawartość pierwiastka w 0,1%. Obecnie norma PN EN 10027-1:1994 określa, w jaki sposób można znakować stale stopowe używając trzech rodzajów systemów:

1- jeśli żaden z pierwiastków w stali nie posiada wyższego udziału niż 5%

2- jeśli minimalnie jeden z pierwiastków stopowych przekracza udział 5% 

3- w przypadku stali szybkotnących

Ad 1. Znak, który rozpoczyna oznakowanie stali zaczyna się od określenia 100-krotnego średniego udziału węgla w stali, kolejno podaje się oznaczenie chemiczne pierwiastków które kolejno mają największy udział w opisywanej stali, po czym jest podawana liczba określająca zawartość najbardziej istotnego pierwiastka stopowego stosując się do określonych mnożników:

- dla Co, Mn, Cr, Si, Ni, W - mnożnik 4, 

- dla Be, Al. Cu, Pb. Mo, Nb, V, Ta. Ti, Zr - mnożnik 10, 

- dla Ce, P. N, S mnożnik 100,

-dla B mnożnik 1000.

Porównanie dawniejszego i obecnego oznakowania: 40 HM 42 Cr Mo 4

Różnica jest wyraźna również pomiędzy największą wartością siadu a rodzajami, w których regulowana jest wartość siarki, przykładowo

42CrMo4 (max S) 

42C(MoS4 (reg. S) 

Ad 2. Oznakowanie stali rozpoczyna się zawsze od litery X, po niej zapisuje się liczbę określającą 100 -krotną zawartość węgla po czym w malejącym szeregu symbole dodatków stopowych z liczbami określającymi ich procentowy udział w stali, nie używając już mnożników, przykładowo : 

1H18N9 - X10CrNi18-8

1H13 - X12Cr13

Ad 3. Na oznakowanie składają się litery HS oraz liczby, których udział dodatków stopowych w procentach wymienia się w kolejności W, Mo, V, Co, a gdy jakiegoś z nich brak wpisuje się cyfrę 0. Jeśli brak w stopie kobaltu to Co na końcu może być pominięte, przykładowo:

SW7M - HS6-5-2

Stopowe stale konstrukcyjne dzielą się na następujące gatunki:

1- stale niskostopowe mikroskopowe oraz mające podwyższoną wytrzymałość,

2- stale konstrukcyjne stworzone do ulepszania cieplnego,

3- stale przeznaczone do nawęglania,

4- stale przeznaczone do azotowania,

5- stale przeznaczone do hartowania na powierzchni,

6- stale sprężynowe,

7- stale przeznaczone na łożyska toczne

8- stale przeznaczone do pracy w niższych temperaturach,

9- stale przeznaczone do pracy w wyższych temperaturach.

Ad 1. 

Takie stale w ostatnich latach mają coraz większe zastosowanie w przemyśle. Prototypem stali była stal oznaczana jako 18G2 i w niej poprzez dodanie mikrododatków takich jak W, Ti, Nb powstały stabilne węgliki. Podniosło to takie parametry jak Re oraz RM stali o około 100 MPa. Minimalizując zawartość S i P ;. 0,01% węgla, 0,3% krzemu, 1,4% manganu plus mikrododatki 0,11% niobu i 0,12% V osiąga Re ok. 560 MPa, dodatek 0,25-0.5% Cu sprawia że odporność stali korozyjna na atmosferę rośnie.

Mikrododatki o zawartościach 0,35 - 0,5% C ,1,5% Mn i 0,1% V są stosowane jako wały karbowe silników spalinowych nie uwzględniając polepszania cieplnego, np. Re do 700MPa i Rm do 1160 uzyskuje się poprzez zwiększenie szybkości procesu chłodzenia po czynności kucia powierzchni będącej utwardzoną węglikami, większa obecność S poprawia skrawalność. Opracowując stal, która posiada wyższą wytrzymałość spawalniczą oraz nadająca się do głębokiego tłoczenia udało się stworzyć stal ferrytyczno- martenzytyczną, mającą w sobie 20% martenzytu, otrzymuje się ją dzięki domieszkowaniu oraz odpowiedniej obróbce bezpośrednio po procesie walcowania na zimno albo kontrolowanym chłodzeniem na gorąco przy Rm ok.900MPa. Inny rodzaj stali to stal TRIP, która zawiera do 0,4% C, ok. 1,5% Si oraz ok. 1,5% Mn. Wytrzymałość dla tego rodzaju stali dochodzi do 1300 MPa.

Ad 2. Te stale zawierają blisko 0,3 - 0,5% C oraz nieznaczny dodatek pierwiastków stopowych, a mianowicie Mn, Cr, Ni, Mo , Si. Stale te służą do produkcji większości maszyn, konstrukcji oraz pojazdów Polepszenie owych stali nadaje duży stosunek Re/Rm zachowując przy tym dobrą ciągłość, zaznaczając że przy wyższej ilości dodatków stopowych polepsza się hartowność. Stale w polskim przemyśle są skatalogowane oraz podlegają Polskiej Normie. Używanie tych stali na elementy pracujące podczas gdy warunki są utrudnione, konieczna jest duża ciągłość, stosowane są stale o mniejszej zawartości C (0,2-0,3%), ale przy zwiększonej ilości pierwiastków stopowych. Można do nich zaliczyć : stale manganowe 30G2, chromo-molibdenowe np. 40HM chromowe 40H, oraz złożone np. 34HNM . 

Ad 3. Stale należące do tej grupy odznaczają się dużą twardością powierzchni przy ok. 63HRC, i mają możliwość ciągnienia rdzenia. Posiadają ok. do 0,25% C oraz Mn i Cr zwiększające hartowność. Chrom ma duży wpływ na węgliki, zwiększa ich twardość oraz odporność na ścierane. Do najczęściej stosowanych stali należą: 15H, 20H, 16HG, 20HG, 15HN, 19H2N2.15HGM, 18HGM, 17HGN, Stale które w swojej budowie zawierają Ni charakteryzują się plastycznym rdzeniem, Mo jest natomiast odpowiedzialny za drobnoziarnistość. Stale zawierające takie pierwiastki jak Mn, Ni (łącznie z Cr) Stale Cr-Ni o zawartości 0,4-0,5% można poddać nawęgleniu w kąpieli i od razu poddać hartowaniu w oleju.

Ad4. Proces azotowania stosowany jest dla zwiększenia odporności korozyjnej. Podczas tego procesu powstają cienkie warstwy nie mające wpływu na wytrzymałość całości detalu. Część gatunków stali dzięki obecności Al., chromu oraz molibdenu zapobiegających kruchości opuszczania ma tendencję do tworzenia po procesie azotowania twardych azotków (1000-1200 HV). W ogólnym użyciu jest stal 38hMJ nadająca się do hartowania, a oprócz niej stosuje się również stale zawierające Cr, Cr-Mo, Cr-V, ale mają one niższą twardość.

Ad 5. W celu polepszenia tych stali stosuje się średnią zawartość węgla , przykładowo 40HM, 35SG, 37HGNM. Większe przekroje można poddać ulepszeniu na wskroś.

Ad 6. Owe stale mają zastosowanie przy resorach, drążkach skrętnych , a przede wszystkim sprężynach. Charakterystyczną ich cecha jest wysoka granica sprężystości oraz wytrzymałość zmęczeniowa. Dla tych stali hartowanie odbywa się przy temperaturze 800 -850 °C w oleju bądź w wodzie, a odpuszczanie przy temperaturze 400-500 °C w ten sposób, aby twardość zawierała się w przedziale 35 - 45 HRC .Cześć gatunków stali: 45S, 40S2, 50S2, 65G, 50HSA, 50HFA . 

Ad 7. Stale o zawartości 0,9-1,1% węgla lub do 1% manganu czy też.do1,5%Cr.Przed tymi stalami postawiono niezmiernie wysokie wymagania dotyczące czystości oraz homogeniczności budowy. Zawartość S i P może być maksymalnie 0,02 i 0,027%. Obróbka polegająca na hartowaniu odbywa się przy temperaturze 830-840 °C przy użyciu oleju i odpuszczaniu dla temperatury z zakresu 150 - 160°C w ciągu 1 -2 h, w niektórych przypadkach stosuje się wymrażanie. Po zakończeniu takiej obróbki twardość stali powinna przekraczać wartość 62 HRC, nie poddaje się odpuszczaniu wad w częściach łożysk.

Ad 8. Własności tych stali są charakterystyczne dla stali niskowęglowych, drobnoziarnistych ,które zawierają ok. 1% Mn. Dla wzrostu ciągliwości można zastosować niskie temperatury stosując Ni, przykładowo stale zawierające 3-5% Ni odznaczają się wysoką udarnością zachowując do -100°C,używana do zbiorników na dekle gazy, zazwyczaj używana jest stal o zawartości Ni ok. 10% i niezwykle małej ilości C, co nadaje dobrą spawalność takiemu rodzajowi stali oraz poprawia łatwość procesu produkcyjnego. Stosowane są stale takiego typu jak Cr-Ni lub Cr-Mn-Ni.

Ad 9.Stale te powinny posiadać odporność na odkształcenia plastyczne, przy dość wysokiej temperaturze 600 °C. Swoje zastosowanie znajdują w rurach kotłowych, stalach niskowęglowych z dodatkiem chromu lub molibdenu. Takie stale są objęte normą (16M, K15, 13HMF). Dla temperatury 600 °C należy stosować stale, które posiadają większy udział węgla.

ŻELIWA STOPOWE KONSTRUKCYJNE

Do żeliw odlewniczych zalicz się stopy na osnowie żelaza o udziale procentowym węgla zawartym w przedziale 2,0 - 3,8%,poza węglem zawsze istnieją dodatki krzemu oraz manganu, zdarza się też siarka lub fosfor. Żeliwa, które wytapia się w odpowiednich (żeliwniakach)a jako wsad jest stosowana surówka wielkopiecowa, koks, złom żelazny czy topniki .Stosowane są również piece, zarówno elektryczne łukowe, jak i indukcyjne, dla uzyskania żeliwa o niższym składzie procentowym węgla. Sporządza się z nich żeliwa: sferoidalne, szare oraz ciągliwe.

Żeliwa szare posiadają takiego koloru ciemny przełam, w którym znajduje się grafit, i tego rodzaju żeliwo jest bardzo często stosowane w budownictwie maszyn, gdyż posiada szereg zalet, tj. dobra skrawalność, wysoka zdolność tłumienia drgań, wytrzymałość oraz odporność na ścieranie przy łatwym oderwaniu oraz niewielkim koszcie wytwarzania. Do wad tego rodzaju żeliw zalicza się udarność oraz niską ciągliwość ,które spowodowane są wydzieleniami grafitu.

To w jaki sposób krystalizuje się osnowę ,a duży wpływ na wytrzymałość, dla osnowy ferrytycznej Rm zawiera się w przedziale 120-300 MPa,, a dla perlitycznej 250-320 MPa.

Wadą tych żeliw jest ich mała ciągliwość i udarność, spowodowana płatkowym charakterem wydzieleń grafitu.

Gdy dąży się do zwiększenia wytrzymałości żeliwa należy wprowadzić zmianę ,czyli żeliwo tuż przed odlaniem w stanie ciekłym dodać do kadzi bądź do rynny modyfikator powodując rozproszenie grafitu. To rozdrobnienie płatków grafitowych nadało żeliwu wyższą wytrzymałość do wartości Rm=450 MPa.

Żeliwa sferoidalne otrzymuje się dzięki podwójnej przemianie cieczy, wpierw stosowano ku temu cer, obecnie używa się tylko stopów Mg-Ni , Mg-Cu lub Mg-Si. Dodatkowe wprowadzenie pierwiastka ceru lub magnezu powoduje odsiarczanie żeliwa co zmniejsza konieczność używania modyfikatora, kolejną zmianę dokonuje się żelazokrzemem, co daje żeliwo z osnową ferrytyczną albo perlityczną posiadającą koliste wydzielenia grafitu. Klasyfikacja żeliw sferoidalnych następuje dzięki podaniom dwóch liczb: Rm oraz A (wytrzymałości na rozciągani i wydłużenia. Parametry żeliwa sferoidalne

- na osnowie ferrytycznej wynoszą: Rm = 400-500 MPa, HB s 127-187, A 10-15 % 

-na osnowie perlitycznej wynoszą: Rm = 600-800 MPa, HB 200-285 , A 1-5 %.

Zastosowanie tego żeliwa nadaje się do wałów karbowych, walców do walcowania materiałów metalicznych, kół zębatych, wałków rozrządu oraz korbowodów.

Żeliwa ciągliwe należą do typu żeliw o niezwykle podobnych właściwościach do żeliwa sferoidalnego. Również powstają w procesie obróbki cieplnej. Elementy, które odlano powinny mieć budowę strukturalną żeliwa białego (w swojej strukturze posiada ledeburyt przemieniony wraz z cementytem bądź perlitem, odznaczają się wysoką twardość, choć są kruche, nadają się do szlifowania , ale już nie należy poddawać je skrawaniu. Przełom jest biały), poddaje się je wyżarzaniu w obojętnej bądź utleniającej atmosferze przy temperaturze wynoszącej blisko 1000 °C .Podczas zastosowanie obojętnej atmosfery cementyt ulega grafityzacji, a metoda ta zwana jest amerykańską. Efektem uzyskanym jest czarne żeliwo ciągliwe. W drugiej z metod, europejskiej, odlew jest wyżarzany w atmosferze utleniającej, co sprzyja rozkładowi cementytu oraz utlenieniu węgla do atmosfery (maksymalnie do 2 cm powierzchni odlewu).Tak otrzymane żeliwo nazywane jest ciągłym żeliwem białym. Jego osnowa zależna jest od przeprowadzonego procesu chłodzenia podczas przemiany perlitycznej. Niezmiernie wolne chłodzenie (kilka stopni na godzinę) daje osnowę ferrytyczną. Szybsze chłodzenie powoduje mniejszą ilość rozkładu perlitu co da osnowę ferrytyczno- perlityczna albo perlityczną.

Żeliwa ciągliwe oznacza się następująco:

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 odznaczają się specyficznymi cechami, czyli odpornością korozyjną, mają podwyższone właściwości mechaniczne oraz są żaroodporne. Takie właściwości są otrzymywane i modyfikowane poprzez dodatek pierwiastków stopowych do kadzi przed przystąpienia do odlewania w formach.

Żeliwa stopowe odznaczają się specjalnymi własności takimi jak odporność korozyjna, podwyższone własności mechaniczne oraz żaroodporność. Dzięki dodatku pierwiastków stopowych do kadzi uzyskuje się takie wartości, jak przed odlewaniem do form .Żeliwa zawierające 35% Niklu w austenitycznej osnowie mają dużą odporność na korozję zarówno w roztworach soli jak i zasad, rozcieńczonych kwasów pochodzenia nieorganicznego czy wody morskiej. Żeliwa posiadające wartość pierwiastków takich jak nikiel, chrom, molibden, miedz do 1,5 % posiadają wyższe właściwości mechaniczne oraz odporność na działanie korozji atmosferycznej- główna używalność jest postawiona na żeliwa konstrukcyjne. Znacznie wyższy udział pierwiastków takich jak chrom, aluminium czy krzem poprawiają znacząco odporność antykorozyjną żeliw na działanie środowisk agresywnych oraz nadają im żaroodporność , przykładowo zawartość krzemu w zakresie 5-7% oraz chromu blisko 1,5% sprawia, że żeliwo można bez obaw używać pod temperaturami 600-800 °C, zaś 24% udziału glinu nadaje stali odporność przeciw niepożądanym szkodliwym gazom (także zawartość związków S) do temperatury 1000 °C. Należy tutaj zauważyć, że żeliwa można poddawać obróbce cieplnej, na tej samej zasadzie jak stale co znacznie oddziałuje na ich cechy i właściwości użytkowe.