Stale stopowe, konstrukcyjne, narzÄdziowe i specjalne - Instytut ...
Stale stopowe, konstrukcyjne, narzÄdziowe i specjalne - Instytut ...
Stale stopowe, konstrukcyjne, narzÄdziowe i specjalne - Instytut ...
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Politechnika Łódzka<br />
Wydział Mechaniczny<br />
<strong>Instytut</strong> Inżynierii Materiałowej<br />
LABORATORIUM<br />
NAUKI O MATERIAŁACH<br />
Ćwiczenie nr 5<br />
Temat: <strong>Stale</strong> <strong>stopowe</strong>, <strong>konstrukcyjne</strong>, narzędziowe i <strong>specjalne</strong>.<br />
Łódź 2010<br />
1 | S t r o n a
Cel ćwiczenia<br />
Celem poniższego ćwiczenia laboratoryjnego jest zapoznanie się z charakterystycznymi<br />
strukturami stali stopowych.<br />
Wstęp teoretyczny<br />
Stalami stopowymi nazywa się stopy żelaza z węglem oraz specjalnie wprowadzone<br />
pierwiastki <strong>stopowe</strong>, czyli dodatki <strong>stopowe</strong> w celu nadania odpowiednich własności fizycznych,<br />
chemicznych, wytrzymałościowych oraz technologicznych.<br />
Dodatki <strong>stopowe</strong> wprowadzone do stali stopowych oddziałują równocześnie na węgiel i<br />
żelazo, a także jednocześnie na siebie, w skutek czego właściwości oraz struktura ulegają zmianie.<br />
Najczęściej wprowadzanymi dodatkami stopowymi są: molibden, wanad, aluminium, wolfram, nikiel,<br />
chrom, mangan, krzem, tytan, niob oraz kobalt. W zależności od potrzeby zawartość procentowa<br />
pierwiastka w stali może wahać się od 0,01% do kilku dziesięciu procent. Wprowadzenie dodatków<br />
stopowych do stali ma między innymi na celu:<br />
Zwiększenie hartowności;<br />
Wyższą twardość oraz odporność na ścieranie;<br />
Wyższe własności mechaniczne oraz technologiczne;<br />
Otrzymanie odpowiednich własności fizycznych oraz chemicznych.<br />
Ze względu na kumulacyjny udział dodatków stopowych stale <strong>stopowe</strong> można podzielić na:<br />
‣ Nisko<strong>stopowe</strong> (zawartość jednego pierwiastka (nie dotyczy węgla) nie jest wyższa niż 2,0%, a<br />
suma łączna pierwiastków nie przekracza 3,5%);<br />
‣ Średnio<strong>stopowe</strong> (zawartość jednego pierwiastka (nie dotyczy węgla) jest wyższa, niż 2,0%,<br />
ale nie przekracza 8%, a suma łączna pierwiastków nie przekracza 12%);<br />
‣ Wysoko<strong>stopowe</strong> (zawartość jednego pierwiastka (nie dotyczy węgla) jest wyższa, niż 8,0%,<br />
ale nie przekracza 8%, a suma łączna pierwiastków nie przekracza 55%).<br />
Zależnie od udziału procentowego głównego dodatku <strong>stopowe</strong>go lub kilku dodatków stale<br />
<strong>stopowe</strong> można scalać w pod grupy, np.: stale chromowo-niklowe, stale manganowe lub stale<br />
chromowe.<br />
na:<br />
Jeśli chodzi jednak o główny podział ze względu na zastosowanie to stale <strong>stopowe</strong> dzielimy<br />
<strong>Stale</strong> <strong>stopowe</strong> <strong>konstrukcyjne</strong>;<br />
<strong>Stale</strong> <strong>stopowe</strong> narzędziowe;<br />
2 | S t r o n a
<strong>Stale</strong> <strong>stopowe</strong> o specjalnych właściwościach.<br />
Można, więc stwierdzić, że stale <strong>stopowe</strong> <strong>konstrukcyjne</strong> są stalami nisko- lub<br />
średniowęglowym, niskostopowymi.<br />
<strong>Stale</strong> narzędziowe to stale wysokowęglowe, nisko-, średni-, lub wysoko<strong>stopowe</strong>.<br />
Natomiast stale o specjalnych właściwościach posiadają bardzo szerokie granice zawartości<br />
węgla oraz dodatków stopowych.<br />
<strong>Stale</strong> <strong>stopowe</strong> <strong>konstrukcyjne</strong><br />
<strong>Stale</strong> <strong>stopowe</strong> <strong>konstrukcyjne</strong> głównie stosuje się do produkcji części maszyn i wszelakich<br />
konstrukcji oraz pojazdów. Własności stali konstrukcyjnych stopowych dobiera się w oparciu o<br />
warunki pracy. W większości przypadkach stale <strong>konstrukcyjne</strong> to stale średniowęglowe, gdzie<br />
minimalna zawartość węgla wynosi 0,25%, przeznaczone do ulepszania cieplnego. Główne własności,<br />
jakie powinny spełniać to możliwie duża wytrzymałość przy dość dobrej plastyczności. Wymienione<br />
właściwości można otrzymać po hartowaniu u wysokim odpuszczaniu. Aby zwiększyć hartowność<br />
wprowadza się dodatkowe pierwiastki <strong>stopowe</strong> i mogą to być: molibden, nikiel, mangan, chrom.<br />
Duża ilość stali stopowych konstrukcyjnych jest zmuszona pracować w środowisku<br />
zmiennych naprężeń, a więc powinny charakteryzować się dobrą odpornością na zmęczenie oraz<br />
kruche pękanie. Z kolei inne grupy powinny charakteryzować się dobrą udarnością w niskich<br />
temperaturach. Pierwiastkiem, którym zapewnia właściwości wcześniej wymienione to nikiel.<br />
<strong>Stale</strong> resorowe musi cechować wysoka granica sprężystości i taką własność zapewnia<br />
wprowadzenie manganu i krzemu jako pierwiastków stopowych przy jednoczesnym zastosowaniu<br />
średniej temperatury odpuszczania.<br />
Natomiast stale łożyskowe powinny posiadać duża twardość oraz odporność na ścieranie,<br />
dlatego posiadają większą zawartość chromu i węgla, a odpuszczenie przeprowadza się w niskich<br />
temperaturach.<br />
Kolejną grupą stali są stale do utwardzania powierzchniowego: hartowania<br />
powierzchniowego, azotowania, nawęglania. <strong>Stale</strong> przeznaczone do nawęglania charakteryzują się<br />
zawartością węgla w okolicach 0,25 %, natomiast temperatura odpuszczania jest niska. Jeśli chodzi o<br />
stale do azotowania, poddawane są one obróbce cieplno-chemicznej po ulepszaniu, dodatkowo<br />
zawierają pierwiastki takie jak molibden, chrom oraz aluminium.<br />
<strong>Stale</strong> <strong>konstrukcyjne</strong> <strong>stopowe</strong> dzielimy na:<br />
<strong>Stale</strong> nisko<strong>stopowe</strong> o podwyższonych właściwościach;<br />
<strong>Stale</strong> do nawęglania;<br />
<strong>Stale</strong> do azotowania;<br />
<strong>Stale</strong> sprężynowe<br />
3 | S t r o n a
<strong>Stale</strong> na łożyska toczne.<br />
Jeśli chodzi o stare oznakowanie to „stare” Polskie Normy przedstawiają oznaczenia w postaci<br />
cyfr i liter. Pierwsze dwie cyfry oznaczają zawartość węgla w setnych częściach procentu. Natomiast<br />
litery oznaczają pierwiastek stopowy:<br />
‣ F - wanad<br />
‣ H - chrom;<br />
‣ G - mangan;<br />
‣ J - aluminium;<br />
‣ K - kobalt;<br />
‣ M - molibden;<br />
‣ N - nikiel;<br />
‣ S - krzem;<br />
‣ T - tytan;<br />
‣ W - wolfram.<br />
W przypadku, gdy zawartość pierwiastka <strong>stopowe</strong>go wynosi więcej niż 1 %, to zaraz po<br />
literze umieszcza się cyfrę opisującą zawartość w procentach. Jeśli chodzi o oznaczenie węgla w<br />
stalach łożyskowych zamiast cyfr posiadają symbol Ł, a po oznaczeniu literą pierwiastka występuje<br />
liczba mówiąca o zawartości tego pierwiastka w dziesiętnych częściach procentu.<br />
Jeśli chodzi o normy europejskie PN-EN 10027-1:1994 to oznaczanie wygląda nieco inaczej.<br />
<strong>Stale</strong> nie<strong>stopowe</strong> o zawartości Mn ≥ 1%, stopowych (pomijając szybkotnące) i niestopowych<br />
automatowych o zawartości każdego pierwiastka < 5% posiadają w swoim oznaczeniu liczbę, która<br />
mówi o zawartości węgla w setnych częściach procentu, symbol stopowy wg porządków malejących<br />
ich zawartości oraz liczb mówiących o zawartości pierwiastków wymnożonych przez współczynniki,<br />
które wynoszą:<br />
4 dla Cr, Co, Mn, Ni, Si, W;<br />
10 dla Al, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr;<br />
100 dla C, N, P, S;<br />
1000 dla B.<br />
i przykład - 30CrNIMo8-8-3, polskie oznaczenie wg PN to 30H2N2M.<br />
W przypadku, gdy przynajmniej jeden z pierwiastków stopowych występuje w ilości ≥ 5%<br />
(pomijając stale szybkotnące) zapisuje się literą X, następnie liczbą mówiącą o zawartości węgla w<br />
setnych częściach procentu, symboli chemicznych składników stopowych oraz liczb wyrażających<br />
średnią zawartość pierwiastków w procentach mas.<br />
przykład - X17CrNiSi26-20-3, polskie oznaczenie wg PN to H25N20S2.<br />
Oznaczenie stali szybkotnących zaczyna się od znaków HS, kolejno liczby opisujące<br />
zawartość pierwiastków stopowych w procentach mas.<br />
przykład - HS18-0-1, polskie oznaczenie wg PN to SW18.<br />
4 | S t r o n a
<strong>Stale</strong> <strong>stopowe</strong> narzędziowe<br />
<strong>Stale</strong> <strong>stopowe</strong> narzędziowe jak sama nazwa wskazuje wykorzystuje się do produkcji<br />
wszelkiego rodzaju narzędzi wykorzystywanych do obróbki materiałów poddawanych skrawaniu lub<br />
obróbce plastycznej, a także do wyrobu narzędzi pomiarowych oraz sprawdzianów. W porównaniu ze<br />
stalami konstrukcyjnymi, posiadają większą zawartość węgla oraz pierwiastków stopowych.<br />
<strong>Stale</strong> narzędziowe winne charakteryzować się dużą twardością oraz odpornością na ścieranie.<br />
Takie właściwości zapewniają dodatki, tworzące węgliki złożone np. M 23 C 6 ora M 6 C, czyli chrom,<br />
molibden i wolfram.<br />
<strong>Stale</strong> przeznaczone do wyrobu narzędzi skrawających powinny charakteryzować się<br />
odpornością na ścieranie oraz jednocześnie posiadać dostateczną twardość w podwyższonych<br />
temperaturach. W takim celu do stali wprowadza się do stali pierwiastki <strong>stopowe</strong> np. wanad, molibden<br />
oraz wolfram, które hamują skłonność martenzytu do odpuszczania oraz wywołują twardość wtórną.<br />
<strong>Stale</strong> narzędziowe ze względu na warunki pracy jakim są poddane dzielimy:<br />
<strong>Stale</strong> do pracy na zimno (temperatura narzędzia nie wzrasta powyżej 250°C);<br />
<strong>Stale</strong> do pracy na gorąco (temperatura narzędzia utrzymuje się w okolicach 600°C) ;<br />
<strong>Stale</strong> szybkotnące.<br />
Oznakowanie stali narzędziowych odbiega od oznaczeń stali konstrukcyjnych. <strong>Stale</strong> do pracy<br />
na zimno również jak stale narzędziowe węglowe, zgodnie ze starymi oznaczeniami „starych” PN<br />
oznacza się - literą N. <strong>Stale</strong> do pracy na gorąco - literą W, natomiast stale szybkotnące - literą S.<br />
Jeśli chodzi o oznaczenia pierwiastków wyglądają one następująco:<br />
‣ C - chrom;<br />
‣ K - kobalt;<br />
‣ L - molibden (w stalach typu N i W);<br />
‣ M - mangan (w stalach typu N i W);<br />
‣ M - molibden (w stalach typu S);<br />
‣ S - krzem;<br />
‣ W - wolfram;<br />
‣ V - wanad;<br />
‣ P - grupa: chrom, nikiel, wanad;<br />
‣ Z - grupa: krzem, chrom, wolfram.<br />
Cyfry w stalach do pracy na gorąco oraz szybkotnących umieszcza się po symbolu pierwiastka<br />
<strong>stopowe</strong>go przedstawiają średnią zawartość tego dodatku w procentach.<br />
5 | S t r o n a
<strong>Stale</strong> <strong>stopowe</strong> <strong>specjalne</strong><br />
Rozwój techniki oraz przemysłu powoduje, iż materiałom stawia się coraz wyższe<br />
wymagania. <strong>Stale</strong> nie tylko muszą spełniać odpowiednie wymagania mechaniczne, ale także<br />
charakteryzować się specjalnymi własnościami takimi jak: żaroodporność, odporność na korozję lub<br />
ogromną wytrzymałością na ścieranie. W niektórych stalach o specjalnych własnościach zawartość<br />
pierwiastków stopowych to jest dodatków może przekraczać nawet 50%, w takim przypadku raczej<br />
już powinno się mówić o stalach, a nie stopach.<br />
Klasyfikacja stali stopowych specjalnych (3)<br />
6 | S t r o n a
Zadania do wykonania<br />
1. Obserwacja próbek mikroskopowych;<br />
Stal kwasoodporna.<br />
Stal łożyskowa.<br />
Stal szybkotnąca.<br />
Stal kotłowa.<br />
Stal do nawęglania.<br />
Stal sprężynowa.<br />
Stal zaworowa.<br />
Stal do pracy w podwyższonych temperaturach.<br />
Stal konstrukcyjna niskostopowa.<br />
Stal żaroodporna.<br />
Stal Hadfielda.<br />
2. Sporządzić rysunki struktur.<br />
Stanowisko pomiarowe<br />
1. Mikroskop metalograficzny MET 3.<br />
Sprawozdanie<br />
1. Cel ćwiczenia;<br />
2. Wstęp teoretyczny;<br />
3. Schematy struktur wraz z opisem:<br />
- Materiał;<br />
- Stan materiału;<br />
7 | S t r o n a
- Struktura;<br />
- Powiększenie;<br />
- Trawienie.<br />
4. Wnioski oraz przemyślenia.<br />
Literatura<br />
1. Wykład "Nauka o Materiałach"<br />
2. Dobrzański L.A. "Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwie" Wydawnictwo Naukowo -<br />
Techniczne 2002.<br />
3. Dobrzański L.A. "Metaloznawstwo i obróbka cieplna stopów metali" Wydawnictwo Politechniki<br />
Śląskiej 1953.<br />
4. Przybyłowicz K. "Metaloznawstwo" Wydawnictwo Naukowo - Techniczne 2003.<br />
5. Rudnik S. "Metaloznawstwo" Wydawnictwo Naukowe PWN 1998.<br />
6. Głowacka M. "Metaloznawstwo" Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej 1996.<br />
7. Gulajew A.P. "Metaloznawstwo" Wydawnictwo Śląsk 1967.<br />
UWAGA:<br />
Przed przystąpieniem do wykonania ćwiczenia student zobowiązany jest<br />
zapoznać się z przepisami BHP<br />
8 | S t r o n a