Stale stopowe, konstrukcyjne, narzędziowe i specjalne

Politechnika Łódzka
Wydział Mechaniczny
Instytut Inżynierii Materiałowej
LABORATORIUM
NAUKI O MATERIAŁACH
Ćwiczenie nr 5
Temat: Stale stopowe, konstrukcyjne, narzędziowe i specjalne.
Łódź 2010
1|Strona
Cel ćwiczenia
Celem poniższego ćwiczenia laboratoryjnego jest zapoznanie się z charakterystycznymi
strukturami stali stopowych.
Wstęp teoretyczny
Stalami stopowymi nazywa się stopy żelaza z węglem oraz specjalnie wprowadzone
pierwiastki stopowe, czyli dodatki stopowe w celu nadania odpowiednich własności fizycznych,
chemicznych, wytrzymałościowych oraz technologicznych.
Dodatki stopowe wprowadzone do stali stopowych oddziałują równocześnie na węgiel i
żelazo, a także jednocześnie na siebie, w skutek czego właściwości oraz struktura ulegają zmianie.
Najczęściej wprowadzanymi dodatkami stopowymi są: molibden, wanad, aluminium, wolfram, nikiel,
chrom, mangan, krzem, tytan, niob oraz kobalt. W zależności od potrzeby zawartość procentowa
pierwiastka w stali może wahać się od 0,01% do kilku dziesięciu procent. Wprowadzenie dodatków
stopowych do stali ma między innymi na celu:
Zwiększenie hartowności;
Wyższą twardość oraz odporność na ścieranie;
Wyższe własności mechaniczne oraz technologiczne;
Otrzymanie odpowiednich własności fizycznych oraz chemicznych.
Ze względu na kumulacyjny udział dodatków stopowych stale stopowe można podzielić na:
 Niskostopowe (zawartość jednego pierwiastka (nie dotyczy węgla) nie jest wyższa niż 2,0%, a
suma łączna pierwiastków nie przekracza 3,5%);
 Średniostopowe (zawartość jednego pierwiastka (nie dotyczy węgla) jest wyższa, niż 2,0%,
ale nie przekracza 8%, a suma łączna pierwiastków nie przekracza 12%);
 Wysokostopowe (zawartość jednego pierwiastka (nie dotyczy węgla) jest wyższa, niż 8,0%,
ale nie przekracza 8%, a suma łączna pierwiastków nie przekracza 55%).
Zależnie od udziału procentowego głównego dodatku stopowego lub kilku dodatków stale
stopowe można scalać w pod grupy, np.: stale chromowo-niklowe, stale manganowe lub stale
chromowe.
Jeśli chodzi jednak o główny podział ze względu na zastosowanie to stale stopowe dzielimy
na:
Stale stopowe konstrukcyjne;
Stale stopowe narzędziowe;
2|Strona
Stale stopowe o specjalnych właściwościach.
Można, więc stwierdzić, że stale stopowe konstrukcyjne są stalami nisko- lub
średniowęglowym, niskostopowymi.
Stale narzędziowe to stale wysokowęglowe, nisko-, średni-, lub wysokostopowe.
Natomiast stale o specjalnych właściwościach posiadają bardzo szerokie granice zawartości
węgla oraz dodatków stopowych.
Stale stopowe konstrukcyjne
Stale stopowe konstrukcyjne głównie stosuje się do produkcji części maszyn i wszelakich
konstrukcji oraz pojazdów. Własności stali konstrukcyjnych stopowych dobiera się w oparciu o
warunki pracy. W większości przypadkach stale konstrukcyjne to stale średniowęglowe, gdzie
minimalna zawartość węgla wynosi 0,25%, przeznaczone do ulepszania cieplnego. Główne własności,
jakie powinny spełniać to możliwie duża wytrzymałość przy dość dobrej plastyczności. Wymienione
właściwości można otrzymać po hartowaniu u wysokim odpuszczaniu. Aby zwiększyć hartowność
wprowadza się dodatkowe pierwiastki stopowe i mogą to być: molibden, nikiel, mangan, chrom.
Duża ilość stali stopowych konstrukcyjnych jest zmuszona pracować w środowisku
zmiennych naprężeń, a więc powinny charakteryzować się dobrą odpornością na zmęczenie oraz
kruche pękanie. Z kolei inne grupy powinny charakteryzować się dobrą udarnością w niskich
temperaturach. Pierwiastkiem, którym zapewnia właściwości wcześniej wymienione to nikiel.
Stale resorowe musi cechować wysoka granica sprężystości i taką własność zapewnia
wprowadzenie manganu i krzemu jako pierwiastków stopowych przy jednoczesnym zastosowaniu
średniej temperatury odpuszczania.
Natomiast stale łożyskowe powinny posiadać duża twardość oraz odporność na ścieranie,
dlatego posiadają większą zawartość chromu i węgla, a odpuszczenie przeprowadza się w niskich
temperaturach.
Kolejną grupą stali są stale do utwardzania powierzchniowego: hartowania
powierzchniowego, azotowania, nawęglania. Stale przeznaczone do nawęglania charakteryzują się
zawartością węgla w okolicach 0,25 %, natomiast temperatura odpuszczania jest niska. Jeśli chodzi o
stale do azotowania, poddawane są one obróbce cieplno-chemicznej po ulepszaniu, dodatkowo
zawierają pierwiastki takie jak molibden, chrom oraz aluminium.
Stale konstrukcyjne stopowe dzielimy na:
Stale niskostopowe o podwyższonych właściwościach;
Stale do nawęglania;
Stale do azotowania;
Stale sprężynowe
3|Strona
Stale na łożyska toczne.
Jeśli chodzi o stare oznakowanie to „stare” Polskie Normy przedstawiają oznaczenia w postaci
cyfr i liter. Pierwsze dwie cyfry oznaczają zawartość węgla w setnych częściach procentu. Natomiast
litery oznaczają pierwiastek stopowy:
 F - wanad
 M - molibden;
 H - chrom;
 N - nikiel;
 G - mangan;
 S - krzem;
 J - aluminium;
 T - tytan;
 K - kobalt;
 W - wolfram.
W przypadku, gdy zawartość pierwiastka stopowego wynosi więcej niż 1 %, to zaraz po
literze umieszcza się cyfrę opisującą zawartość w procentach. Jeśli chodzi o oznaczenie węgla w
stalach łożyskowych zamiast cyfr posiadają symbol Ł, a po oznaczeniu literą pierwiastka występuje
liczba mówiąca o zawartości tego pierwiastka w dziesiętnych częściach procentu.
Jeśli chodzi o normy europejskie PN-EN 10027-1:1994 to oznaczanie wygląda nieco inaczej.
Stale niestopowe o zawartości Mn ≥ 1%, stopowych (pomijając szybkotnące) i niestopowych
automatowych o zawartości każdego pierwiastka < 5% posiadają w swoim oznaczeniu liczbę, która
mówi o zawartości węgla w setnych częściach procentu, symbol stopowy wg porządków malejących
ich zawartości oraz liczb mówiących o zawartości pierwiastków wymnożonych przez współczynniki,
które wynoszą:
4 dla Cr, Co, Mn, Ni, Si, W;
10 dla Al, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr;
100 dla C, N, P, S;
1000 dla B.
i przykład - 30CrNIMo8-8-3, polskie oznaczenie wg PN to 30H2N2M.
W przypadku, gdy przynajmniej jeden z pierwiastków stopowych występuje w ilości ≥ 5%
(pomijając stale szybkotnące) zapisuje się literą X, następnie liczbą mówiącą o zawartości węgla w
setnych częściach procentu, symboli chemicznych składników stopowych oraz liczb wyrażających
średnią zawartość pierwiastków w procentach mas.
przykład - X17CrNiSi26-20-3, polskie oznaczenie wg PN to H25N20S2.
Oznaczenie stali szybkotnących zaczyna się od znaków HS, kolejno liczby opisujące
zawartość pierwiastków stopowych w procentach mas.
przykład - HS18-0-1, polskie oznaczenie wg PN to SW18.
4|Strona
Stale stopowe narzędziowe
Stale stopowe narzędziowe jak sama nazwa wskazuje wykorzystuje się do produkcji
wszelkiego rodzaju narzędzi wykorzystywanych do obróbki materiałów poddawanych skrawaniu lub
obróbce plastycznej, a także do wyrobu narzędzi pomiarowych oraz sprawdzianów. W porównaniu ze
stalami konstrukcyjnymi, posiadają większą zawartość węgla oraz pierwiastków stopowych.
Stale narzędziowe winne charakteryzować się dużą twardością oraz odpornością na ścieranie.
Takie właściwości zapewniają dodatki, tworzące węgliki złożone np. M23C6 ora M6C, czyli chrom,
molibden i wolfram.
Stale przeznaczone do wyrobu narzędzi skrawających powinny charakteryzować się
odpornością na ścieranie oraz jednocześnie posiadać dostateczną twardość w podwyższonych
temperaturach. W takim celu do stali wprowadza się do stali pierwiastki stopowe np. wanad, molibden
oraz wolfram, które hamują skłonność martenzytu do odpuszczania oraz wywołują twardość wtórną.
Stale narzędziowe ze względu na warunki pracy jakim są poddane dzielimy:
Stale do pracy na zimno (temperatura narzędzia nie wzrasta powyżej 250°C);
Stale do pracy na gorąco (temperatura narzędzia utrzymuje się w okolicach 600°C) ;
Stale szybkotnące.
Oznakowanie stali narzędziowych odbiega od oznaczeń stali konstrukcyjnych. Stale do pracy
na zimno również jak stale narzędziowe węglowe, zgodnie ze starymi oznaczeniami „starych” PN
oznacza się - literą N. Stale do pracy na gorąco - literą W, natomiast stale szybkotnące - literą S.
Jeśli chodzi o oznaczenia pierwiastków wyglądają one następująco:
 C - chrom;
 S - krzem;
 K - kobalt;
 W - wolfram;
 L - molibden (w stalach typu N i W);
 V - wanad;
 M - mangan (w stalach typu N i W);
 P - grupa: chrom, nikiel, wanad;
 M - molibden (w stalach typu S);
 Z - grupa: krzem, chrom, wolfram.
Cyfry w stalach do pracy na gorąco oraz szybkotnących umieszcza się po symbolu pierwiastka
stopowego przedstawiają średnią zawartość tego dodatku w procentach.
5|Strona
Stale stopowe specjalne
Rozwój techniki oraz przemysłu powoduje, iż materiałom stawia się coraz wyższe
wymagania. Stale nie tylko muszą spełniać odpowiednie wymagania mechaniczne, ale także
charakteryzować się specjalnymi własnościami takimi jak: żaroodporność, odporność na korozję lub
ogromną wytrzymałością na ścieranie. W niektórych stalach o specjalnych własnościach zawartość
pierwiastków stopowych to jest dodatków może przekraczać nawet 50%, w takim przypadku raczej
już powinno się mówić o stalach, a nie stopach.
Klasyfikacja stali stopowych specjalnych (3)
6|Strona
Zadania do wykonania
1. Obserwacja próbek mikroskopowych;
Stal kwasoodporna.
Stal łożyskowa.
Stal szybkotnąca.
Stal kotłowa.
Stal do nawęglania.
Stal sprężynowa.
Stal zaworowa.
Stal do pracy w podwyższonych temperaturach.
Stal konstrukcyjna niskostopowa.
Stal żaroodporna.
Stal Hadfielda.
2. Sporządzić rysunki struktur.
Stanowisko pomiarowe
1. Mikroskop metalograficzny MET 3.
Sprawozdanie
1. Cel ćwiczenia;
2. Wstęp teoretyczny;
3. Schematy struktur wraz z opisem:
- Materiał;
- Stan materiału;
7|Strona
- Struktura;
- Powiększenie;
- Trawienie.
4. Wnioski oraz przemyślenia.
Literatura
1. Wykład "Nauka o Materiałach"
2. Dobrzański L.A. "Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwie" Wydawnictwo Naukowo Techniczne 2002.
3. Dobrzański L.A. "Metaloznawstwo i obróbka cieplna stopów metali" Wydawnictwo Politechniki
Śląskiej 1953.
4. Przybyłowicz K. "Metaloznawstwo" Wydawnictwo Naukowo - Techniczne 2003.
5. Rudnik S. "Metaloznawstwo" Wydawnictwo Naukowe PWN 1998.
6. Głowacka M. "Metaloznawstwo" Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej 1996.
7. Gulajew A.P. "Metaloznawstwo" Wydawnictwo Śląsk 1967.
UWAGA:
Przed przystąpieniem do wykonania ćwiczenia student zobowiązany jest
zapoznać się z przepisami BHP
8|Strona