Stopy żelaza z węglem — Stale i staliwa niestopowe

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

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

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

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

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

Wpływ węgla na właściwości mechaniczne stali niestopowych
% C
6

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

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

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 Sm/mm 2 .
9

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

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

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

Systemy oznaczania stali — PN-EN 10027-1:2005
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

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

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 10027-1:2005
ocynkowanej
M stale elektrotechniczne patrz: PN-EN 10027-1:2005
15

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

Przykłady symboli oznaczających specjalne wymagania
dla wyrobów stalowych
17

Przykłady symboli oznaczających stan obróbki cieplnej
wyrobów
18

Grupa 2. Znaki stali zawierające symbole wskazujące na
skład chemiczny stali
1. Stale niestopowe o średniej zawartości manganu

2. Stale niestopowe o średniej zawartości manganu > 1% oraz
niestopowe stale automatowe i stale stopowe o zawartości każdego
pierwiastka stopowego

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

4. Stale szybkotnące
HS — stal szybkotnąca
Znak: HS - - -
— liczby oznaczające procentowe zawartości pierwiastków
stopowych w następującym porządku:
W - Mo - V - Co
Przykład: symbol HS2-9-1-8 oznacza stal szybkotnącą o zawartości
pierwiastków stopowych: wolframu ok. 2,0%, molibdenu ok. 9,0%,
wanadu ok. 1,0%, kobaltu ok. 8,0%.
22

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

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

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

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

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

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

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

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
1 4 5
C60E +HH5 - - 44-62 HRC
+HH15 62-67 HRC - 44-62 HRC
C60R +HL5 - - 35-53 HRC
+HL15 60-65 HRC - 35-53 HRC
30

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
C35 380 600-750 19 45 -
C60 580 800-950 13 30 -
C22E 340 470-620 22 50 50
C22R 340 470-620 22 50 50
C60E 580 800-950 13 30 -
C60R 580 800-950 13 30 -
C35, C60 — stale jakościowe
C22E, C22R, C60E, C60R — stale specjalne
31

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
%
C35 270 520 19
C60 340 670 11
C22E 210 410 25
C22R 210 410 25
C60E 340 670 11
C60R 340 670 11
C35, C60 — stale jakościowe
C22E, C22R, C60E, C60R — stale specjalne
32

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

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

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

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

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 (400–650 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

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