Klasyfikacja stali, Stale stopowe.

 

 

Klasyfikacja stali

Klasyfikacji gatunków stali  dokonuje się zgodnie z PN-EN  10020:1996 według składu chemicznego oraz wg ich zastosowania i własności mechanicznych lub fizycznych.

Klasyfikacja stali według składu chemicznego

– stale niestopowe (węglowe), – stale stopowe.

Do stali niestopowych zalicza się te gatunki stali, w których zawartość pierwiastków jest mniejsza  od zawartości granicznych podanych w tabl. (wg PN-EN 10020:1996)

Stale niestopowe podstawowe

Stale podstawowe to gatunki stali o takich wymaganiach jakościowych, jakie można osiągnąć  w ogólnie stosowanym procesie stalowniczym

 

Stale niestopowe jakościowe

Stale niestopowe jakościowe to gatunki stali, wymagania są wyższe niż dla stali podstawowych, co wymusza większą staranność podczas produkcji.

Przykłady stali należących do tej klasy:

  • stale na wyroby płaskie do kształtowania na zimno;
  • stale konstrukcyjne o zawartości Pmax i Smax poniżej 0,045%, np.:

stale o podwyższonej wytrzymałości, stale do budowy statków, stale na wyroby ocynkowane ogniowo, stale na butle gazowe,

stale na kotły i zbiorniki ciśnieniowe;

  • stale z wymaganą podatnością na odkształcenie plastyczne;
  • stale konstrukcyjne z wymaganą minimalną zawartością Cu;
  • stale do zbrojenia betonu;
  • stale szynowe;
  • stale automatowe;
  • stale do ciągnienia drutu;
  • stale do spęczania na zimno;
  • stale sprężynowe;

 

  • stale z wymaganymi własnościami magnetycznymi lub elektrycznymi;
  • stale do produkcji blach cienkich, ocynowanych (na opakowania);
  • stale do produkcji elektrod otulonych lub drutu spawalniczego o zawartości Pmax, i Smax większej niż 0,02%.

Stale niestopowe specjalne

 

 

Stale niestopowe specjalne charakteryzują się wyższym niż stale jakościowe stopniem czystości metalurgicznej, szczególnie w zakresie zawartości wtrąceń niemetalicznych.

 

 

Stale stopowe

Stalą stopową nazywa się stal, do której celowo wprowadzono pierwiastki stopowe, aby nadać jej wymagane własności.

Według Polskich Norm do stali stopowych zalicza się gatunki stali, w których najmniejsza wymagana zawartość chociażby jednego z pierwiastków jest równa lub większa niż podano w tabl. Polskich norm 5.1.

Wprowadzenie do stali dodatków stopowych może mieć na celu:

  • uzyskanie określonych własności wytrzymałościowych,
  • wywołanie pożądanych zmian strukturalnych,
  • uzyskanie specjalnych własności chemicznych lub fizycznych,
  • podwyższenie hartowności,
  • ułatwienie technologii i polepszenie efektów obróbki cieplnej.

Najczęściej stosowanymi dodatkami stopowymi są: mangan, krzem, chrom, nikiel, molibden, wanad, wolfram. Nieco rzadziej stosuje się aluminium, kobalt, tytan i niob. Ponadto coraz częściej jako celowe dodatki stopowe zyskują na znaczeniu bor i azot.

7.4.1. Wpływ pierwiastków stopowych na strukturę i własności stali

Pierwiastki stopowe dodawane do stali w procesie metalurgicznym w przeważającej ilości przechodzą do roztworu ciekłego. Po skrzepnięciu stali pierwiastki stopowe mogą wystąpić  w następujących fazach:

  • w roztworach stałych: ferrycie i austenicie;
  • w związkach z węglem i azotem: węglikach, azotkach i węgliko-azotkach;
  • w związkach międzymetalicznych;
  • w postaci wolnej (czystego pierwiastka).

 

W wyniku oddziaływania pierwiastków stopowych na temperatury przemian alotropowych żelaza oraz punkty krytyczne układu Fe-Fe3C, struktura stali stopowych może różnić się zasadniczo od występującej w stalach węglowych przy tych równoważnych zawartościach węgla.

Najważniejszy dla praktyki wpływ pierwiastków stopowych polega na zmniejszeniu szybkości rozkładu austenitu w zakresie jego przemiany w struktury perlityczne. Zapewnia to większą hartowność stali, a przechłodzenie austenitu do zakresu przemiany martenzytycznej można osiągnąć stosując powolniejsze chłodzenie, np. podczas chłodzenia w oleju lub w powietrzu.

Zwiększenie hartowności jest szczególnie duże, gdy stal zawiera jednocześnie kilka pierwiastków stopowych, np. nikiel, chrom i molibden itp.

Stwierdzono również, że bardzo małe dodatki niektórych pierwiastków zwiększają bardzo wyraźnie hartowność stali, natomiast większa ich zawartość nie wywołuje tak skutecznego działania. Do takich pierwiastków należy przede wszystkim bor (B). Optymalna zawartość boru w stali, zapewniająca największą hartowność wynosi zaledwie 0,001%.

Stale stopowe konstrukcyjne oznaczane są za pomocą znaku składającego się z: cyfr i liter. Pierwsze dwie cyfry określają średnią zawartość węgla w setnych procenta. Litery oznaczają pierwiastki stopowe:

 

 

G — mangan,

S — krzem,

H — chrom,

N — nikiel,

M — molibden,

T — tytan,

F — wanad (także V), J

 

Stale niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości

W wyniku dążenia do obniżania ciężaru konstrukcji, zwłaszcza budowlanych. i poprawy wskaźników użytkowych opracowanych zostało szereg gatunków stali niskostopowych, które bez dodatkowej obróbki cieplnej odznaczają się lepszymi własnościami mechanicznymi niż stale węglowe.

 

Stale stopowe konstrukcyjne i maszynowe do ulepszania cieplnego

W przypadkach nie pozwalających na użycie stali węglowych ze względu na małą hartowność  lub też zbyt niskie własności wytrzymałościowe, stosuje się stale stopowe konstrukcyjne i maszynowe do ulepszania cieplnego. Wykonuje się z nich głównie wysoko obciążone i ważne elementy konstrukcyjne maszyn, silników, pojazdów mechanicznych itp., zwłaszcza o dużych przekrojach.

Stale stopowe konstrukcyjne do nawęglania

 

Nawęglanie ma na celu uzyskanie twardej i odpornej na ścieranie warstwy wierzchniej elementu konstrukcyjnego, przy zachowaniu wysokiej udarności i ciągliwości rdzenia. Własności te uzyskuje się przez odpowiednią obróbkę cieplną. Dużą twardość osiąga się przez wzbogacenie warstwy powierzchniowej w węgiel i następnie zahartowanie.

 

Stale do azotowania

Dzięki zawartości niektórych pierwiastków stopowych, a w szczególności aluminium, chromu  i molibdenu stale stopowe do azotowania pozwalają na uzyskanie po azotowaniu największej twardości  i odporności na ścieranie warstwy wierzchniej, bez potrzeby stosowania dodatkowej obróbki cieplnej. Twardość warstwy naazotowanej nie tylko nie zmniejsza się po nagrzaniu do temperatury dochodzącej do 500°C, lecz także pozostaje nie zmieniona podczas dłuższego wygrzewania w tym zakresie temperatury.

W związku z tym stale do azotowania znajdują duże zastosowanie na cylindry, wały, sworznie tłokowe  i inne części silników spalinowych, na części turbin, armaturę do pary przegrzanej, wrzeciona zaworów, sprawdziany itp.

 

Stale sprężynowe

Stale konstrukcyjne przeznaczone do wyrobu sprężyn i resorów powinny się charakteryzować wysoką granicą sprężystości i plastyczności oraz dużą wytrzymałością na zmęczenie.

 

. Stal na łożyska toczne

Stal do wyrobu łożysk tocznych (pierścieni łożyskowych, kulek, wałeczków itp.) powinna się odznaczać wysoką twardością i odpornością na ścieranie, a także dużą wytrzymałość na ściskanie  i zginanie.

 

Stale narzędziowe stopowe

Zależnie od warunków pracy, od stali narzędziowych wymaga się wysokie twardości i hartowności, odporności na ścieranie, odpowiedniej wytrzymałość i ciągliwości (zwłaszcza w przypadku obciążeń udarowych), odporności na odpuszczające działanie ciepła oraz twardości i wytrzymałości  w podwyższonych temperaturach

 

Stale narzędziowe stopowe do pracy na gorąco

Ze stali narzędziowych do pracy na gorąco wytwarza się narzędzia służące do przeróbki plastycznej materiałów uprzednio nagrzanych do wysokich temperatur oraz formy do odlewania metali pod ciśnieniem.

 

Stale szybkotnące

 

Nazwa „stale szybkotnące” pochodzi stąd, że służą one do wyrobu narzędzi skrawających, pracujących przy dużych prędkościach skrawania lub przy dużych przekrojach wióra. Podstawowymi składnikami stopowymi stali szybkotnących są pierwiastki węglikotwórcze: wolfram, wanad, chrom i molibden.

 

Stale stopowe odporne na korozję, żaroodporne, żarowytrzymałe         i o specjalnych własnościach fizycznych

 

 

 

 

Stale stopowe jakościowe

 

Stale stopowe jakościowe mają podobne zastosowanie jak stale niestopowe jakościowe, lecz wymagane własności powodują konieczność zwiększenia w nich zawartości pierwiastków stopowych powyżej wartości granicznych.

Do grupy stali stopowych jakościowych należą:

  • stale konstrukcyjne drobnoziarniste spawalne, w tym stale przeznaczone do produkcji zbiorników i rurociągów pracujących pod ciśnieniem
  • stale elektrotechniczne zawierające jako pierwiastki stopowe tylko krzem lub krzem i aluminium w celu uzyskania wymaganych własności w zakresie stratności magnetycznej, minimalnej wartości indukcji magnetycznej, polaryzacji lub przenikalności magnetycznej;
  • 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 trudniejszej przeróbki plastycznej na zimno (wyłączając stale przeznaczone do produkcji zbiorników ciśnieniowych lub rur), zawierające pierwiastki rozdrabniające ziarno, takie jak B, Ti, Nb, V i/lub Zr, -albo „stale dwufazowe” (struktura wyrobów płaskich ze stali dwufazowych składa się z ferrytu i 10 = 35% martenzytu wysepkowego);

stale, w których miedź jest jedynym wymaganym pierwiastkiem stopowym.

 

Stale stopowe specjalne

Stale stopowe specjalne dzięki precyzyjnie określonemu składowi chemicznemu odpowiednim warunkom wytwarzania i kontroli procesów produkcyjnych maję różnorodne własności przetwórcze i użytkowe często uzupełniające się i utrzymywane w zawężonych granicach.

 

 

Ta klasa obejmuje następujące grupy stali:

  • stale odporne na korozję,
  • stale żaroodporne i żarowytrzymałe,
  • stale przeznaczone do produkcji łożysk tocznych,
  • stale narzędziowe,
  • stale maszynowe,
  • stale do nawęglania,
  • specjalne stale konstrukcyjne (spawalne drobnoziarniste stale konstrukcyjne, stale odporne na korozję atmosferyczną),
  • stale o specjalnych własnościach fizycznych (niemagnetyczne, magnetyczne lub o wymaganym współczynniku rozszerzalności cieplnej).

Tablica 5.1

Granica między stalami niestopowymi i stopowymi (wg PN-EN 10020:1996)

 

Nazwa i symbol chemiczny pierwiastka Zawartość graniczna (% wagowy)
Aluminium, Al 0,17
Bor, B 0,0008
Rizmnt Ri 0 10
Chrom, Cr* 0,30
Cyrkon, Zr* 0,05
Kobalt, Co 0,10
Krzem, Si 0,50
Lantanowce, każdy 0,05
Mangan, Mn 1.65**
Miedź, Cu* 0,40
Molibden, Mo* 0,08
Nikiel, Ni* 0,30
Niob, Nb* 0,06
Ołów.Pb 0,40
Selen, Se 0,10
Tellur, Te 0,10
Tytan, Ti* 0,05
Wanad, V* 0,10
Wolfram, W 0,10
Inne (każdy oprócz fosforu, siarki i azotu) 0,05