BUDOWA I WŁCIWOŚCI STALI.pdf

BUDOWA I WŁAŚCIWOŚCI STALI

Dawni kowale nie znali rzecz jasna teoretycznych podstaw właściwości stali i Ŝelaza, ale potrafili

zastosować w praktyce liczne doświadczenia swoje i swoich poprzedników. Nie wiedzieli, czemu naleŜy

kuć Ŝelazo tylko wtedy, kiedy świeci ono takim a nie innym kolorem Ŝaru. Nie wiedzieli, czemu naleŜy je

ostudzić po osiągnięciu jakiegoś konkretnego koloru w konkretnej cieczy, aby się utwardziło. Nie

wiedzieli, czemu dzieje się tak, a nie inaczej. Wiedzieli, Ŝe tak naleŜy uczynić, bo tak nauczyło ich

doświadczenie, tak robił ich ojciec i dziadek, bo tak robiono "od zawsze", bo tak "jest dobrze". Aby jednak

zrozumieć, dlaczego takie recepty mają sens lub go nie mają trzeba choć pobieŜnie zapoznać się z

chemiczną i fizyczną budową stali i podstawami obróbki termicznej. Właściwości stali są przede

wszystkim wynikiem zmiany rozpuszczalności węgla w Ŝelazie w róŜnych temperaturach, oraz

powstawania róŜnych związków Ŝelaza z węglem i zmiany ich sieci krystalicznej, w zaleŜności od

zawartości węgla, szybkości chłodzenia i wielu innych czynników. Szczegółowe omówienie całości tego

bardzo złoŜonego zagadnienia przerasta ramy niniejszego opracowania, dlatego odsyłam do licznej

literatury fachowej. Spróbuję jednak omówić tutaj przynajmniej te zaleŜności, które mają bezpośredni

związek z wiedzą praktyczną dawnych kowali.

Materiał, jakim dysponował staroŜytny kowal, był z chemicznego punktu widzenia nie Ŝelazem a stalą, a

więc stopem Ŝelaza z węglem, gdyŜ termin Ŝelazo odnosi się w zasadzie do pierwiastka chemicznego.

Jednak potocznie Ŝelazem określa się stop miękki, o małej zawartości węgla, a stalą stop twardy,

wysokowęglowy, dający się dodatkowo utwardzać na drodze hartowania. Termin Ŝelazo stosuje się

równieŜ wtedy, kiedy stop ten nie przeszedł w procesie otrzymywania przez fazę płynną, lecz co najwyŜej

osiągnął postać ciastowatą, a więc odnosi się to do Ŝelaza dymarskiego. Stal współczesna ma prawie

jednolitą strukturę i skład chemiczny, a jej właściwości zaleŜą głównie od zawartości składników

stopowych podobnie jak w przypadku brązu oraz od zastosowanej obróbki cieplnej. Stal historyczna, a

więc Ŝelazo, ma strukturę wybitnie pasmowatą, włóknistą, o niejednorodnym składzie chemicznym. Jest

to wynikiem zgrzewania ze sobą a następnie "mieszania" drobnych kawałków uzyskanego w stanie

ciastowatym Ŝelaza o róŜnym składzie chemicznym.

Bez względu na sposób uzyskania, stal jest stopem Ŝelaza i wielu innych pierwiastków, z których

najwaŜniejszym składnikiem (poza samym Ŝelazem, rzecz jasna) jest węgiel. To przede wszystkim od

jego procentowej zawartości zaleŜy kowalność, twardość, kruchość i udarność (odporność na uderzenia),

a więc cechy najistotniejsze dla materiału z którego ma być wykuta głownia. Stop miedzi z cynkiem czy z

cyną moŜe mieć dowolny skład, gdyŜ te dwa metale mieszają się w dowolnych proporcjach. Natomiast

ilość węgla w stali ograniczona jest jego niewielką rozpuszczalnością w Ŝelazie, w dodatku zmieniającą

się w zaleŜności od temperatury. Stopy miedzi moŜemy dodatkowo utwardzać w zasadzie tylko poprzez

kucie na zimno, stopy Ŝelaza utwardzać moŜna zarówno podczas kucia na zimno (w niewielkim stopniu),

jak i poprzez zastosowanie odpowiedniej obróbki cieplnej hartowanie.

W temperaturach czerwonego Ŝaru (800 900°C) i wyŜszych, węgiel stosunkowo łatwo rozpuszcza się

w Ŝelazie, dlatego w piecu hutniczym czy kowalskim moŜe nastąpić tzw. nawęglenie stali. W takich

temperaturach powstaje roztwór stały węgla w Ŝelazie, zwany AUSTENITEM. PoniŜej 727°C (wiśniowy

kolor Ŝaru) rozpuszczalność węgla gwałtownie spada (0,02% 0,008 %), AUSTENIT przestaje istnieć,

gdyŜ nadmiar węgla wytrąca się jako róŜne formy związku węgla z Ŝelazem (węglik Ŝelaza CEMENTYT)

zawieszonego w prawie czystym Ŝelazie (FERRYT). Istniejące w temperaturach niŜszych od 727°C

kryształy mieszaniny węglika Ŝelaza (CEMENTYTU) i czystego Ŝelaza (FERRYTU) mają większą

twardość od czystego Ŝelaza i od roztworu węgla w Ŝelazie (istniejącego w temperaturach wyŜszych od

727°C AUSTENITU), ale mniejszą plastyczność. Jeśli jednak stal wysokowęglową ogrzejemy do

temperatury czerwonego Ŝaru 750 800°C (aby rozpuścić węgiel w Ŝelazie ponownie powstanie

AUSTENIT) a następnie ostudzimy wystarczająco szybko, węgiel rozpuszczony w Ŝelazie nie zdąŜy się

wytrącić (nie powstanie węglik Ŝelaza CEMENTYT) i pozostanie w postaci roztworu przesyconego.

Kryształy takiego roztworu stałego, zwanego MARTENZYTEM mają znaczną twardość, tym większą, im

więcej węgla zawierają. Tak ogrzana i ostudzona stal nie jest juŜ mieszaniną czystego Ŝelaza i cementytu

(FERRYT + CEMENTYT), ale czystego Ŝelaza, niewielkiej ilości cementytu, oraz MARTENZYTU. Została

więc wzbogacona o igłokształtne, bardzo twarde kryształy (MARTENZYT). Martenzyt przerasta miękkie

kryształy Ŝelaza (FERRYT) zawierającego dodatkowo nieliczne wtrącenia węglika Ŝelaza (CEMENTYT)

Schematycznie moŜna ująć te przemiany następująco :

AUSTENIT

poniŜej 727 °C

miękki

FERRYT i

CEMENTYT

ogrzewanie

pomiędzy

727 ~

850 °C

szybkie chłodzenie

poniŜej 727 °C

miękki FERRYT

z nielicznym

CEMENTYTEM

b. twardy

MARTENZYT

HARTOWANIE

AUSTENIT

poniŜej 727 °C

miękki FERRYT

z nielicznym

CEMENTYTEM

ogrzewanie

b. wolne chłodzenie

poniŜej 727 °C

miękki

FERRYT i

CEMENTYT

b. twardy

MARTENZYT

powyŜej 727 °C

WYśARZANIE

spadek ilości i

miękki FERRYT

z nielicznym

CEMENTYTEM

b. twardy

MARTENZYT

ogrzewanie

pomiędzy 125

a 600 °C

chłodzenie

miękki FERRYT

CEMENTYTEM

twardy

MARTENZYT

ODPUSZCZANIE

Twardość zahartowanej w ten sposób stali uwarunkowana jest kilkoma czynnikami. NajwaŜniejszymi z

nich, są twardości samego MARTENZYTU i jego ilość. Twardość MARTENZYTU jest tym większa, im

więcej węgla on zawiera i moŜe ona osiągnąć wielkość rzędu 6568 HRC przy maksymalnej moŜliwej dla

stali zawartości węgla ~2%. Jednak ze wzrostem zawartości węgla w stali, maleje ilość MARTENZYTU

na korzyść innych, bardziej miękkich struktur. Maksymalną twardość stali (będącą wypadkową twardości

MARTENZYTU i pozostałych struktur) uzyskujemy przy całkowitej ilości węgla rzędu 0,71,0%, a dalszy

wzrost zawartości węgla nie przynosi juŜ wzrostu całkowitej twardości stali, a czasem nawet ją obniŜa.

Ilość otrzymanego w wyniku hartowania MARTENZYTU zaleŜy przede wszystkim od szybkości

chłodzenia hartowanej stali. W miarę zwiększania tej szybkości, rośnie ilość MARTENZYTU, maleje tym

samym ilość CEMENTYTU. Po przekroczeniu pewnej granicznej, charakterystycznej dla kaŜdego

gatunku stali szybkości chłodzenia, otrzymujemy praktycznie tylko MARTENZYT. Dalsze zwiększanie

szybkości chłodzenia nie przynosi juŜ wzrostu jego ilości, natomiast zwiększa ryzyko pęknięcia, na skutek

duŜych róŜnic temperatury warstw zewnętrznych i rdzenia hartowanego przedmiotu, oraz ryzyko jego

powichrowania. Graniczna prędkość hartowania jest tym większa, im mniejsza jest zawartość węgla w

stali. Wynika z tego reguła, Ŝe stale twarde, wysokowęglowe, powinno się studzić wolniej od stali

miękkich, niskowęglowych, a więc do ich hartowania stosować olej czy ciepłą wodę, w odróŜnieniu od

stali nisko i średniowęglowych, które do hartowania wymagają raczej zimnej wody, roztworu soli

kuchennej, a nawet wody z lodem.

Środek chłodzący

Szybkość chłodzenia w °C/s

10% NaOH w wodzie

(18°C)

1200

10% NaCl w wodzie (18°C)

1100

10% H2SO4 w wodzie

(18°C)

750

Woda (18 °C)

600

Szybkość chłodzenia w róŜnych ośrodkach

(dla temperatury ~ 600 °C)

Woda (25 °C)

500

Olej

130

Woda (50 °C)

100

Emulsja oleju w wodzie

Woda z mydłem

Woda (75 °C)

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: