Stale stopowe i narzędziowe

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze stalami posiadającymi dodatki innych metali.

Stale stopowe są to stale, których skład chemiczny został celowo zmodyfikowany, w celu uzyskania pożądanych cech materiałowych. Modyfikacja polega na dodaniu do żelaza innych niż węgiel pierwiastków, z których najczęściej występujące to: chrom (Cr), mangan (Mn), nikiel (Ni), molibden (Mo), tytan (Ti) oraz inne. Zawartość tych pierwiastków wpływa na zmianę właściwości fizycznych, chemicznych oraz mechanicznych takich jak wytrzymałość, plastyczność, udarność, odporność na korozję oraz inne. Odpowiednio obierając pierwiastki i ich ilości możemy dowolnie modyfikować właściwości stali dostosowując ją do naszych potrzeb.

Stale stopowe wyróżniamy wtedy, gdy zawartość dodatków przekracza wartości podane w tablicy nr 1. Wartości te przyjmuje się umownie i są one granicami, powyżej których wpływ danego pierwiastka na właściwości staje się zauważalny.

Stale stopowe głownie stosuje się po obróbce cieplnej, w celu uzyskania jak najlepszych właściwości, jakie powinna posiadać stal w warunkach jej pracy. Ze względu na znacznie wyższy koszt stali stopowych od węglowych, stosuje się je tam gdzie obróbka cieplna stali węglowych jest niewystarczająca do uzyskania odpowiednich cech charakterystycznych.

Składniki stopowe dodawane są do stali w stanie ciekłym. Większość z nich ulega rozpuszczeniu, natomiast niewielka ilość przechodzi do żużlu tworząc nierozpuszczalne związki. W procesie krzepnięcia stali, dodatki stopowe pojawiają się w następujących postaciach:
- w roztworze stałym z żelazem,
- w fazach międzywęzłowych – węglikach,
- w fazach międzymetalicznych z żelazem,
- we wtrąceniach niemetalicznych, jak: siarczki, tlenki, azotki,
- w postaci wolnej czystego pierwiastka.

Ćwiczenie polegało na obserwacji przygotowanych próbek przy użyciu mikroskopu laboratoryjnego. Wszystkie próbki zostały poddane procesowi wyżarzania, szlifowania, polerowania a następnie wytrawiania 4% roztworem kwasu azotowego w alkoholu zwanym Nitalem.

W roztworze tym ferryt trawi się na biało, cementyt praktycznie nie ulega trawieniu (pozostaje biały jaśniejszy niż ferryt – świecący), natomiast perlit ukazuje się w postaci swojej struktury płytek na przemian ułożonych warstw perlitu i ferrytu. Pozostałe dodatki stopowe są wyraźnie widoczne jako wtrącenia w ziarnach lub na ich pograniczu.

Obserwowane próbki.

Stal OOH17N14M2

Jest to stal kwasoodporna, której skład dodatków stopowych to: chrom 17%, nikiel 14% i molibden 2%. Zawartość węgla poniżej 0,1%, co stanowi, że stal ta nadaje się do spawania. Zaleca się, aby zawartość węgla w stalach chromowo-niklowych była jak najniższa, jednak proces hutniczy nie pozwala na obniżenie ilości węgla poniżej 0,05%. Odporność na korozję spowodowana jest głównie wysoką zawartością chromu. O ile stale posiadające do 12% chromu niewiele różnią się od zwykłych stali węglowych pod względem odporności na korozje, to przy 12-14% następuje nagły skok tej własności. Dodatek niklu powoduje występowanie fazy γ, czyli austenitu. Skutkuje to większą wytrzymałością i udarnością stopu.

Stal tę stosuje się do budowy urządzeń o ściance grubszej niż 20 mm w środowiskach o dużym zagrożeniu korozją międzykrystaliczną oraz w obecności niektórych bardzo agresywnych chlorków (stali tych nie należy stosować w obecności kwasu azotowego). Zaleca się stosowanie w niektórych węzłach ciągu produkcji mocznika

Stal 15HM

Stal 15HM zalicza się do stali żarowytrzymałych. Jest to specjalna odmiana stali żaroodpornych, która charakteryzuje się odpornością na pełzanie w warunkach podwyższonej temperatury i działania czynników chemicznych. Zawartość węgla 0,15% z dodatkami chromu i molibdenu. Stal posiada strukturę ferrytyczno-perlityczną. Oba pierwiastki występują w postaci węglików wydzielonych w ziarnach ferrytu. Ich obecność jest odpowiedzialna za jej właściwości żarowytrzymałe. Aby taka struktura uległa stabilizacji, stal poddaje się starzeniu lub odpuszczaniu. Dodatek chromu powoduje odpornośc na korozję, natomiast molibden podwyższa maksymalną temperaturę pracy taj stali.

Stal ta znajduje zastosowanie w budowie kotłów aparatury chemicznej, stosuje się ją na elementy instalacji grzewczych, aparaturę do krakingu ropy naftowej, do syntezy amoniaku oraz inne urządzenia pracujące w warunkach podwyższonej temperatury.

Stal H9S2

Stal żarowytrzymała stosowana na zawory silników spalinowych pracujące w temperaturze do 9000C. Jest to stal chromowo-krzemowa o strukturze perlitycznej, którą poddaje się hartowaniu w temperaturze 1010 – 10600C, chłodzeniu w wodzie a następnie odpuszczaniu wysokiemu w temperaturze 700-7900C w celu uzyskaniu struktury martenzytycznej. Dzięki temu stal jest odporna na ścieranie. Zawarty w niej chrom odpowiedzialny jest za odporność na korozję.

Stal SW7M

Stal szybkotnąca HSS (high speed steel) o dobrej ciągliwości, udarności i odporności na ścieranie. Stosowana na narzędzia narażone na skręcanie, do obróbki materiałów o ciągliwości i wytrzymałości powyżej 830 MPa takich jak rozwiertaki, narzędzia do nacinania gwintów, wiertła spiralne. Dodatkowo stale szybkotnące muszą być odporne na wysoką temperaturę, gdyż w miejscu skrawania może ona dochodzić do 6500C. W strukturze tej stali znajduje się wolfram, który nadaje jej żarowytrzymałość przez to, że hamuje procesy odpuszczania. Ponadto wolfram nadaje strukturze drobnoziarnistość. Obróbka cieplna stali szybkotnących polega na hartowaniu z temperatury ponad 12500C. Tak wysoka temperatura jest uzasadniona tym, że austenit powinien być jak najbardziej nasycony węglem i składnikami stopowymi, jest to bowiem warunek konieczny do uzyskania dostatecznej żarowytrzymałości. Dostateczne rozpuszczenie składników stopowych ma skutek dobrego nasycenia otrzymanej po hartowaniu struktury martenzytycznej.

Stal 18HGM

Stal stopowa konstrukcyjna o zawartości węgla około 1,18%, chromu 0,8-1,1%, manganu
0,8-1,1% oraz 0,08-0,15% molibdenu. Stal ta przeznaczona jest do nawęglania powierzchniowego. Posiada wysoką twardość i odporność na ścieranie. Zawartość węgla poniżej 0,35% pozwala na uzyskanie wysokiej udarności. Dodatek manganu jest odpowiedzialny za dobrą spawalność. Stal po obróbce cieplnej posiada strukturę martenzytyczną.

Stal ŁH15

Stal chromowa przeznaczona na łożyska toczne. Zawartość węgla 0,95-1,1%, chromu 1,5%, manganu 0,9-1,2%, krzemu 0,4-0,65%. Od stali tej wymaga się bardzo dużej odporności na ścieranie, twardości, odporności na zginanie i ściskanie a także utrzymywania stałych wymiarów w różnych warunkach pracy. Kolejnym warunkiem koniecznym jest duża czystość stopu, gdzie zawartość siarki i fosforu nie powinna przekraczać 0,02%. Stal łożyskowa powinna mieć bardzo równomierną strukturę z węglikami rozłożonymi wewnątrz ziaren z uniknięciem ich wytrąceń na granicach. Obróbka cieplna polega na hartowaniu z 8400C, chłodzeniu w oleju i wysokim odpuszczaniu w celu uzyskania struktury martenzytycznej. Zbyt wysoka temperatura hartowania (około 10000C) powoduje zbyt duże rozpuszczenie składników stopowych w austenicie, co skutkuje pojawieniem się austenitu szczątkowego. Stal o takiej strukturze ma za małą twardość i odporność na ścieranie.

1,2-E4-0,4 – blacha transformatorowa

Blacha transformatorowa stosowana jest głownie na rdzenie transformatorów mocy i rozdzielczych. Do stali tej dodaje się zaledwie kilka procent krzemu, a ich właściwości magnetyczne ulegają znacznemu polepszeniu, a mianowicie:
- zwiększa się rezystywność materiału (zmniejszenie strat na prądy wirowe),
- zwężenie pętli histerezy i zmniejszenie strat na histerezę,
- zwiększenie przenikalności początkowej i maksymalnej,
- zwiększenie stabilności charakterystyk magnetycznych,

Jednocześnie występują zjawiska niepożądane, takie jak:
- zmniejszenie indukcji nasycenia (czyli zmniejszenie górnej granicy magnetyzacji materiału),
- zwiększenie twardości blachy (mniej podatna na obróbkę, zbyt krucha).

Optymalna zawartość krzemu ze względu na właściwości magnetyczne to 6,5% co skutkuje niemal zerową magnetostrykcją takiej blachy, czyli podatnością na odkształcenia wskutek przepływu prądu o wysokim natężeniu.

Wnioski

Stale stopowe i narzędziowe znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach przemysłu. Ich wyższość nad stalami węglowymi jest oczywista. Niestety nie zawsze istnieje możliwość ich zastosowania ze względu na znaczny koszt. Dodatki stopowe pozwalają na konkretne ukierunkowanie właściwości stali na interesujące nas zastosowanie. Często istnieje możliwość obróbki cieplnej stali stopowych, co dodatkowo zwiększa możliwości wykorzystania praktycznego stali w bardziej obciążonych konstrukcjach i instalacjach. Pojawienie się stali stopowych pozwoliło na zaprojektowanie znacznie trwalszych, bardziej wytrzymałych na różne warunki pracy konstrukcji, a niejednokrotnie na zaprojektowanie maszyn, których istnienie nie byłoby możliwe przy wykorzystaniu zwykłych stali węglowych. Postęp technologiczny chociażby w motoryzacji byłby praktycznie niemożliwy. Instalacje chemiczne, naftowe, spożywcze czy farmaceutyczne nadal borykałyby się z ciągłą korozją zbiorników, przewodów oraz innych elementów narażonych na oddziaływanie związków agresywnych. Bez stali żarowytrzymałych nie powstałyby pierwsze projekty silników odrzutowych.

Podsumowując powyższe sprawozdanie można powiedzieć o ogromnym postępie technologicznym związanym z pojawieniem się stali stopowych, o ich znaczeniu w dzisiejszym przemyśle a także nowym możliwościom konstrukcyjnym.