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

Prawidłowe wykorzystanie chłodziw

Nie wystarczy dysponować obrabiarką, skrawającym narzędziem i obrabianym detalem, by z powodzeniem wykonać jego obróbkę. Nieodzownym, niekiedy wręcz kluczowym elementem jest także chłodziwo – materiał eksploatacyjny, od którego często w sposób decydujący zależy zarówno jakość obróbki, jak i warunki jej przebiegu.

 

 

 

 

Do czego są potrzebne chłodziwa?
Głównym zadaniem chłodziwa w czasie obróbki skrawaniem jest (jak sama nazwa wskazuje) obniżenie temperatury zarówno narzędzi skrawających, obrabianych przedmiotów, jak i powstających podczas procesu wiórów. Dotyczy to zabiegów obróbki skrawaniem: wiercenia, toczenia, frezowania, gwintowania, piłowania, a także obróbki

plastycznej: wytłaczania, walcowania, ciągnienia. Jednak chłodzenie nie jest jedynym zadaniem, jakie mają do wypełnienia te specjalistyczne ciecze. Oprócz obniżenia temperatury dodatkowo powinny jeszcze smarować narzędzia. Ma to niebagatelny wpływ na ich trwałość i szybkość zużycia. Dodatkowo chłodziwo ma zapewnić w środowisku pracy ochronę przed korozją. Dotyczy to zarówno elementów obrabiarki, skrawających narzędzi, jak i obrabianych przedmiotów. Z uwagi na fakt, że obrabia się przeróżne gatunki metali, a ich wrażliwość na korozję nie jest jednakowa, należy to uwzględnić przy doborze odpowiedniego chłodziwa. W zależności od tego, czy będziemy obrabiać przedmiot z żeliwa, stali, aluminium i jego stopów lub miedzi, cynku itp., w każdym przypadku musimy ten fakt wziąć pod uwagę. Dobrze dobrane chłodziwo w sposób optymalny będzie chroniło przedmioty przed ich utlenianiem.
Oprócz wyżej wspomnianych trzech głównych cech chłodziwa (chłodzenie, smarowanie i ochrona przed korozją), powinno ono mieć także cały szereg innych właściwości, istotnych w procesie obróbki skrawaniem, m.in. dobre właściwości myjące, co ułatwia spłukiwanie powstających wiórów i drobnych opiłków. Tę właściwość chłodziwa docenia się szczególnie podczas obróbki na szlifierkach, gdzie powstają bardzo drobne wiórki i resztki materiału ściernego pochodzące z tarcz szlifierskich. Poza tym chłodziwo krążące w magistrali układu chłodzącego obrabiarki, podawane często w obszar skrawania pod dość wysokim ciśnieniem, mogłoby mieć skłonności do spieniania się. Odpowiednie dodatki w profesjonalnych chłodziwach zapobiegają temu niepożądanemu zjawisku. Jednocześnie składniki chemiczne, z jakich składa się chłodziwo, nie mogą być zbyt agresywne chemicznie i destrukcyjnie wpływać na te elementy obrabiarki. Dotyczy to również powłok lakierniczych oraz uszczelek zastosowanych w tych maszynach.
Nie mniej ważnym czynnikiem, często wręcz decydującym o zastosowaniu danego chłodziwa, jest jego oddziaływanie na skórę pracownika, jego drogi oddechowe i oczy. Niekiedy zdarzają się chłodziwa, których składniki wpływają na pracowników bardzo alergennie lub powodują długotrwałe ropienie ran itp. Pod tym względem szczególnie groźne są takie chłodziwa, które w czasie pracy dają się rozbić na bardzo drobne cząstki i w ten sposób mają skłonność do tworzenia mgły, w której musi przebywać pracownik. Ważnym aspektem jest również stabilność cieczy, czyli sposób, w jaki się ona starzeje i traci swoje właściwości, a także jaki wpływ ma ona na środowisko, czyli jak duży koszt wiąże się z utylizacją chłodziwa, które jest już przepracowane. Bywają również i takie chłodziwa, które wydzielają przykrą woń. Nie spotkamy się z takimi mankamentami w przypadku nowoczesnych, profesjonalnych chłodziw. Takie chłodziwa będą stosunkowo łatwo tworzyć emulsje, a nawet długotrwałe przechowanie nie będzie wpływać znacząco na pogorszenie ich właściwości.

Rodzaje chłodziw
Chłodziwa emulsyjne (emulsje obróbcze), to szeroko stosowane ciecze chłodzące, które powstają poprzez rozpuszczenie olejów emulgujących (mineralnych lub półsyntetycznych) w wodzie wraz z wieloma innymi składnikami. Olej emulgujący mineralny jest koncentratem chłodziwa emulsyjnego, w którym znajduje się ponad 50% oleju mineralnego. Oleje emulgujące mineralne tworzą emulsje, które swoim wyglądem przypominają mleko. Z kolei oleje emulgujące półsyntetyczne (semi-synthetic) mogą zawierać do 50% oleju mineralnego. Wygląd emulsji tworzonych przez te półsyntetyczne oleje emulgujące przypomina chude półprzejrzyste mleko. Jeszcze inne sposoby chłodzenia zapewniają oleje mineralne, roślinne lub syntetyczne. O ile chłodzenie olejem gwarantuje podczas obróbki najlepsze smarowanie, zmniejszenie zużycia narzędzi

i stosunkowo dużą gładkość obrabianych powierzchni, to chłodziwa emulsyjne umożliwiają za to osiąganie podczas obróbki wysokich prędkości skrawania, zachowując przy tym wysoką skuteczność chłodzenia. W niewielu sytuacjach można liczyć na chłodzenie samym powietrzem przy obróbce skrawaniem.

 

 

 

 

Przykłady chłodziw z Liquid Power

 

Wrocławska marka Liquid Power posiada szeroką ofertę chemii przemysłowej, smarów i olejów. Znajdziemy tam m.in.: oleje hydrauliczne, przekładniowe, maszynowe, do kompresorów i narzędzi pneumatycznych, różne smary do łożysk, smary grafitowane i miedziane, a także chemiczne zmywacze, odrdzewiacze, neutralizatory zapachów, rozpuszczalniki i benzyny ekstrakcyjne oraz płyny do spryskiwaczy i do chłodnic. Wśród tej licznej grupy materiałów eksploatacyjnych, znajdziemy również te, które w dzisiejszym tekście nas interesują szczególnie, czyli emulsje i oleje obróbcze.

 

Emulsje obróbcze

Emulsje obróbcze występują pod nazwą handlową PALLAS LP – 5400, i PALLAS LP – 7200. Są to bezchlorkowe produkty przeznaczone do prowadzenia obróbki w trudnych warunkach. Emulsje nie zawierają dodatków boru, ani innych substancji, które w czasie pracy uwalniałyby bardzo szkodliwy formaldehyd. Dwie wyżej wymienione emulsje różnią się między sobą stężeniem, a co za tym idzie, mogą być zastosowane w nieco odmiennych warunkach pracy. Emulsja obróbcza PALLAS LP – 5400 ma stężenie 4-9%. Przeznaczona jest do obróbki skrawaniem zarówno metali żelaznych, jak i nieżelaznych. Można jej również używać przy szlifowaniu powierzchni płaskich, cylindrycznych oraz przy szlifowaniu niecentrycznym. Jej skład chemiczny zapewnia szeroki zakres stosowania. Ma doskonałe właściwości chłodzące przy równoczesnej skutecznej ochronie przed korozją. Nie pozwala także na spienienie się chłodziwa podczas pracy. Emulsja PALLAS LP – 7200 ma nieco wyższe stężenie (6-12%). To chłodziwo przeznaczono do obróbki skrawaniem w bardzo trudnych warunkach. Można je również stosować w obróbce metali żelaznych, jak i nieżelaznych, m.in.: żeliwa, stali twardych, stali stopowych, oraz aluminium i jego stopów. Jego stosowanie poprawia wykończenie powierzchni.

 

Oleje obróbcze

Grupę olejów obróbczych firmy Liquid Power reprezentują oleje: ARGES LP – 1022, ARGES LP – 5020, ARGES LP – 7023 i ARGES LP – 3003. W ich przypadku symbol cyfrowy przy nazwie charakteryzuje lepkość oleju. I tak lepkość kinematyczna odpowiednio każdego z wyżej wymienionych olejów wynosi: 22, 20, 23 i 3 mm2/s w temp. 40°C. Wszystkie wymienione oleje nie mają w swoim składzie chloru. Olej obróbczy ARGES LP – 1022 jest przeznaczony do średnio zaawansowanych operacji skrawania metali żelaznych i nieżelaznych. Można go np. stosować w przypadkach gwintowania stopów miedzi, stali niskowęglowych i stali niestopowych. Dzięki odpowiedniemu doborowi dodatków uszlachetniających, właściwości oleju zapewniają działanie smarne, przeciwkorozyjne i antypienne. Dzięki temu przedłuża żywotność używanych w obróbce narzędzi skrawających.

Olej obróbczy ARGES LP – 5020 jest przeznaczony do trudnych operacji skrawania metali żelaznych i nieżelaznych. W szczególności jest polecany do precyzyjnego toczenia, wiercenia, rozwiercania, frezowania, gwintowania, gwintowania zewnętrznego oraz cięcia. Dobrze spisuje się przy operacjach obróbki stopów miedzi, precyzyjnego toczenia stali średniej i twardej, a także stopów aluminiowych i stali nierdzewnej. Ten olej podobnie jak poprzedni zapewnia działanie przeciwkorozyjne, smarne i antypienne. Zapewnia przy tym małe natężenie mgły olejowej.

Olej ARGES LP – 7023 jest przeznaczony do wyjątkowo trudnych operacji skrawania metali żelaznych i nieżelaznych. Wykorzystywany szczególnie do obróbki skrawaniem twardych i bardzo twardych stali (łożyskowych), żaroodpornych (NIMONIC i VASPALLOY), stopów tytanu (do zastosowań lotniczych i medycznych), a także stali niskowęglowych i stopów miedzi. Może być stosowany w przypadkach precyzyjnego toczenia, gwintowania, frezowania, cięcia, czy głębokiego wiercenia. Jego dodatki uszlachetniające również zapewniają działanie przeciwkorozyjne, smarne i antypienne.

Olej ARGES LP – 3003 jest w szczególności polecany do szlifowania pierścieni tłoków i dogładzania wykładzin tulei cylindrowych. Jest to olej na bazie hydrokrakowej, niemal przezroczysty, wykazujący bardzo niewielką lepkość (3 mm2/s). Działa kompatybilnie z ziemią okrzemkową stosowaną jako złoże filtracyjne. Neutralny chemicznie względem powłok ochronnych i elastomerów, nie plami i zapewnia stabilność oksydacyjną.

Ostatnim produktem ułatwiającym operacje obróbki skrawaniem jest SPRAY DO WIERCENIA i GWINTOWANIA. Produkt w postaci aerozolu, jak wskazuje jego nazwa, może być wykorzystany przy wierceniu i gwintowaniu, a także przy cięciu, szlifowaniu, przeciąganiu, wytłaczaniu itp. Wysokogatunkowy olej zapewnia chłodzenie i smarowanie nawet przy wysokich prędkościach skrawania, wydłużając trwałość narzędzi oraz poprawiając parametry obróbki. Dodatkowo działa antykorozyjnie i zapobiega przyklejaniu się wiórów.

ZOBACZ TAKŻE
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
copyright 2024 portalnarzedzi.pl | wykonanie monikawolinska.eu