Metalowe materiały konstrukcyjne: stal, żeliwo, staliwo

Metale są podstawowym tworzywem wykorzystywanym w budowie maszyn, urządzeń i narzędzi. Charakteryzują się dobrą wytrzymałością mechaniczną i skrawalnością, a przy tym są podatne na obróbkę plastyczną. W zależności od dodatków stopowych właściwości metali można modyfikować w szerokim zakresie.

Stop żelaza i węgla o zawartości węgla do 2,11% nazywamy stalą. Stal, obok żelaza i węgla, zawiera zwykle również inne składniki. Do pożądanych składników stopowych zalicza się głównie takie metale jak chrom, nikiel, mangan, wolfram, miedź, molibden, tytan. Z kolei takie pierwiastki, jak tlen, azot, siarka oraz wtrącenia niemetaliczne, głównie tlenki siarki

i fosforu, stanowią zanieczyszczenia i obniżają jakość stopu.

Stal, ponieważ jest ciągliwa, nadaje się do obróbki plastycznej na gorąco, a przy niższej zawartości węgla także na zimno. Wytrzymałość stali zależy od zawartości węgla, którego wzrost powoduje zwiększenie wytrzymałości mechanicznej. Największą wytrzymałość ma stal o zawartości węgla około 0,85%. Wytrzymałość stali można zwiększyć także poprzez obróbkę cieplną, tj. hartowanie i ulepszanie cieplne. Należy jednak pamiętać, że zwiększając wytrzymałość stali, jednocześnie obniża się jej podatność na obróbkę plastyczną. Skrawalność stali również zależy w dużym stopniu od procentowej zawartości węgla w stopie. Dobrą skrawalnością charakteryzują się stale zawierające około 0,25% C.

Stal można podzielić z uwagi na różne kryteria. Ze względu na skład chemiczny, czyli zawartości składników stopowych, dzieli się stal na niestopową, niskostopową i wysokostopową. W stalach niestopowych na jakość zasadniczy wpływ ma procentowa zawartość węgla, która decyduje o właściwościach mechanicznych. W stalach niskostopowych żaden składnik nie występuje w ilości większej niż 5%, natomiast w stalach wysokostopowych co najmniej jeden składnik stopowy powinien występować w ilości minimum 5%.
Z uwagi na podstawowe zastosowanie wyróżniamy stal konstrukcyjną, maszynową, narzędziową i o szczególnych właściwościach fizycznych. Stal konstrukcyjną można podzielić na stal ogólnego przeznaczenia, niskostopową, wyższej jakości, automatową, łożyskową, sprężynową, do ulepszania cieplnego. Z określenia stali można wnioskować o jej głównym zastosowaniu. Stale maszynowe, po odpowiedniej obróbce cieplnej, przeznaczone są na odpowiedzialne części maszyn, takie jak: wały okrętowe i samochodowe, wały korbowe, koła zębate, części sprzęgieł.

Stale narzędziowe węglowe są przeznaczone do wyrobu różnego rodzaju prostych narzędzi oraz elementów przyrządów pomiarowych. Ze stali narzędziowych stopowych wytwarza się bardziej odpowiedzialne narzędzia do obróbki materiału w stanie zimnym lub na gorąco oraz te części przyrządów i narzędzi pomiarowych, które podczas pracy mogą być narażone na ścieranie. Stale te zawierają w swoim składzie dodatki stopowe takich metali, jak: wolfram, wanad, chrom, mangan i inne. Inną grupą stali narzędziowych są stale szybkotnące, z których wykonuje się narzędzia skrawające. Stale te zawierają duże ilości szlachetnych dodatków, takich jak wolfram – do 19%, molibden – do 10%, kobalt – do 10,5%, chrom – do 4,5%. Składniki te powodują, że stale te zachowują twardość i zdolności skrawne w warunkach podwyższonej temperatury – nawet do 600°C.

Do stali o specjalnych właściwościach należy zaliczyć m.in. stale zaworowe – odporne na ścieranie i przeznaczone do pracy w wysokich temperaturach (do ok. 900°C), stale do pracy w obniżonej temperaturze – na elementy instalacji w przemyśle chemicznym, stale o szczególnych własnościach magnetycznych – do wytwarzania magnesów trwałych.

Spośród dziesiątków gatunków stali warto wymienić jeszcze te, z którymi można często spotkać się w praktyce warsztatowej. Stale odporne na korozję zawierają co najmniej 10,5% chromu oraz nie więcej niż 1,2% węgla. Można je podzielić na stale nierdzewne, żaroodporne i żarowytrzymałe. Zawartość chromu w stali nierdzewnej powoduje wytwarzanie się na jej powierzchni warstwy tlenków, które chronią metal przed korozją. Często w skład tej stali wchodzi również nikiel i wtedy taką stal nazywamy chromo-niklową lub

chromonikieliną. Stale żaroodporne są odporne na korozyjne działanie gazów w podwyższonej temperaturze (powyżej 560°C). Żaroodporność stali jest spowodowana dodatkiem m.in. chromu, aluminium i krzemu, których tlenki na powierzchni stali utrudniają wnikanie tlenu w głąb metalu. Im wyższa jest zawartość tych pierwiastków, tym żaroodporność jest większa. Stale żarowytrzymałe charakteryzują się odpornością na odkształcenia mechaniczne w temperaturze powyżej 560°C. Żarowytrzymałość jest skutkiem dodania do stopu takich składników jak molibden, wolfram, chrom, tytan i inne (w tabeli 1. zestawiono wpływ ważniejszych dodatków stopowych na właściwości stali).

Żeliwo jest wysokowęglowym stopem żelaza, zanieczyszczonym takimi pierwiastkami jak krzem, mangan, fosfor, siarka i innymi składnikami zawierającym od ok. 2% do 4,5% węgla. Żeliwo otrzymuje się przez przetapianie surówki z dodatkami złomu stalowego lub żeliwnego w piecach zwanych żeliwniakami. Tak powstały materiał stosuje się do wykonywania odlewów. Żeliwo charakteryzuje się niewielkim, 1–2% skurczem odlewniczym, łatwością wypełniania form, a po zastygnięciu dobrą skrawalnością. Żeliwo jest materiałem kruchym, nie nadaje się do obróbki plastycznej i posiada niewielką na odporność na rozciąganie. Oprócz łatwości odlewania w formy żeliwo ma dużą zdolność tłumienia drgań i jest odporne na ścieranie. Zaletą jest też relatywnie niski koszt wytworzenia.

Odlewy żeliwne często poddaje się procesowi sezonowania w celu zmniejszenia wewnętrznych naprężeń, które mogłyby doprowadzić do odkształceń lub uszkodzenia wyrobu. Żeliwo dzięki wysokiej zawartości węgla ma dobrą odporność na korozję.

W zależności od struktury wewnętrznej, dodatków stopowych i obróbki cieplnej można otrzymać różne rodzaje żeliwa. Do najważniejszych należy zaliczyć żeliwo szare, białe, ciągliwe, stopowe. Nazwa żeliwa szarego pochodzi od faktu, iż jego przełom ma szary kolor, ponieważ zawarty w nim węgiel występuje w postaci grafitu. Uznawane za żeliwo wyższej jakości jest bardziej ciągliwe, łatwiej obrabialne, charakteryzuje się dobrą lejnością i posiada mniejszy skurcz odlewniczy (rzędu 1,0%) w porównaniu do żeliwa białego. Wytwarza się z niego odlewy korpusów obrabiarek, bloków pomp, sprężarek i silników. Żeliwo białe w przełomie ma jasnoszary kolor gdyż zawarty węgiel występuje w postaci kruchego cementytu. Uznawane za żeliwo niższej jakości jest mniej ciągliwe, gorzej obrabialne, charakteryzuje się nie najlepszą lejnością i posiada większy skurcz odlewniczy (do 2,0%) niż żeliwo szare. Jest to żeliwo kruche i bardzo trudno obrabialne, nie nadaje się na części konstrukcyjne. Jest materiałem wyjściowym do otrzymywania innych żeliw. W wyniku długotrwałego wyżarzania żeliwa białego zachodzą w nim zmiany strukturalne, a otrzymane żeliwo nazywamy ciągliwym. Ma ono bardzo dobre własności wytrzymałościowe porównywalne do stali. Przez dodanie składników stopowych, takich jak krzem, nikiel, chrom, molibden, aluminium i inne, można modyfikować właściwości fizyczne i chemiczne żeliwa. Otrzymamy wtedy różne typy żeliw stopowych: odporne na korozję (zawiera nikiel, chrom, molibden), kwasoodporne (dodatek krzemu), żarowytrzymałe (zawierające mangan i krzem).

W praktyce warsztatowej mamy też często do czynienia ze staliwem. Jest to odlany w formy odlewnicze stop żelaza z węglem, niepoddany obróbce plastycznej. Zawartość węgla w staliwie nie przekracza 2,0%, a ilość typowych domieszek i dodatków stopowych jest mniejsza niż 1,0%. Właściwości mechaniczne staliwa są nieco niższe niż właściwości stali o podobnym składzie chemicznym. W porównaniu do żeliwa właściwości mechaniczne są

znacznie lepsze – można je obrabiać plastycznie, a jeżeli staliwo zawiera mniej niż 0,25% węgla, jest również dobrze spawalne. Czasami można się spotkać z dość uproszczoną definicją staliwa, która mówi że jest to pierwotna forma stali, która nie została jeszcze poddana obróbce plastycznej oraz termicznej.

Literatura pomocnicza
Figurski J., Popis S., Wykonywanie elementów maszyn, urządzeń i narzędzi, WSiP, Warszawa 2015.
Mac S., Obróbka metali z materiałoznawstwem, WSiP, Warszawa 1999.
Poradnik GARANT. Obróbka skrawaniem. Hoffman Group2011.

ZOBACZ TAKŻE
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments

Wiertła udarowe (część VI). Prawidłowe użycie wiertła udarowego

Od profesjonalnych wierteł udarowych wymaga się obecnie przede wszystkim dużej wydajności wiercenia i trwałości.

Stosując w pracy te narzędzia, użytkownik uzyskuje wiele korzyści: (1) krótszy czas wiercenia, czyli obniżenie kosztów robocizny, (2)  niskie zużycie energii, (3) małe koszty eksploatacyjne maszyny, (4) mniejsze zmęczenie operatora narażonego podczas wiercenia na wysiłek, hałas i wibracje.

 

Jednakże uzyskanie tych korzyści zależy w jakimś stopniu również od użytkownika, głównie od trafnego doboru typu wiertła i umiejętności prowadzenia wiercenia. Wiertła udarowe w młotach

elektropneumatycznych należy stosować zgodnie z następującą zasadą, a mianowicie energia i częstotliwość udarów muszą być dostosowane do średnicy wiertła oraz rodzaju materiału obrabianego. Im większa średnica wiertła, tym większa powinna być energia pojedynczego udaru maszyny, tzn. do wiercenia większych otworów należy używać młota o większej mocy. I tak niewielkie średnice otworów, np. 10 mm, najlepiej jest wiercić młotowiertarkami o energii udaru 2,2-3,2 J; natomiast otwory o średnicach zbliżonych do 30 mm należy wykonywać maszynami o energii powyżej 5,3 J.

Dla wykonania w betonie dużych otworów o średnicach powyżej 100 mm zalecane jest użycie wiertła koronkowego napędzanego młotem udarowo-obrotowym o mocy nominalnej 1000-1500 W. Takie narzędzia zapewniają energię pojedynczego udaru 15,5-18 J oraz mają duży moment obrotowy. Jednakże przy wierceniu młotem energia udaru bijaka uderzającego w wiertło jest dużo ważniejszym parametrem niż moment i prędkość obrotowa wrzeciona, które spełniają funkcję w dużym stopniu pomocniczą. Podane liczby pokazują, jak wysoka moc jest potrzebna do wykonania dużych otworów w betonie.

Przed przystąpieniem do wiercenia otworów w betonie należy wziąć pod uwagę jego rodzaj. Materiał ten posiada klasy wytrzymałości od Bn50 do Bn550, o odpowiednio nominalnej wytrzymałości 50-550 kp/cm2. Pracując udarowo młotem, nie należy na niego wywierać zbyt dużego nacisku, ponieważ blokuje to jego udary i zmniejsza prędkość obrotową. Zaleca się stosować lekki i równomierny docisk osiowy, bo daje najlepsze efekty. Siłę jego należy jednak dobierać doświadczalnie, sprawdzając, jaki ma ona wpływ na szybkość wiercenia. W przypadku pracy wiertarką udarową, należy stosować dużą siłę docisku, bo w ten sposób uzyskuje się większą energię udaru, a więc i lepsze efekty w pracy. Stąd jest oczywiste, że wiercenie taką wiertarką otworów w betonie jest cięższe i mniej wydajne niż młotkiem. Dlatego obecnie do seryjnego wykonywania dużej liczby otworów pod elewacje, ocieplenia itp. stosuje się wyłącznie 2- lub 3-kilgramowe młotki elektropneumatyczne.

 

 

W przypadku pracy maszynami z regulacją liczby obrotów i udarów zaleca się dobierać odpowiednie szybkości pracy. W przypadku elektronarzędzi nie można jednak sformułować dokładnie zaleceń dotyczących doboru prędkości, choćby z tego powodu, że producenci zazwyczaj nie podają dokładnych wielkości obrotów oraz częstotliwości udarów odpowiadających poszczególnym położeniom regulatora. Stąd należy ustalić je doświadczalnie dla każdego rodzaju obrabianego materiału, a nawet używanej maszyny czy wiertła.
Ponieważ parametry pracy maszyn są specjalnie dobrane do ich narzędzi roboczych i właściwości obrabianych materiałów, parametry elektronarzędzi profesjonalnych są w znacznym stopniu zoptymalizowane, co w efekcie daje bardzo wysoką wydajność pracy, o czym świadczy większość testów przeprowadzonych w naszej redakcji. Można jednak przyjąć ogólną zasadę, że wiertła o dużych średnicach powinny być napędzane ze średnimi prędkościami, szczególnie koronki udarowe, zaś pełnych maksymalnych prędkości elektronarzędzi używa się do pracy wiertłami o małychśrednicach.

ZOBACZ TAKŻE
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
copyright 2025 portalnarzedzi.pl | wykonanie monikawolinska.eu