Kontakt:
43-450 Ustroń, ul. 3 Maja 15
tel./kom.: 33 854 35 43, 785 916 048
tel./fax: 33 854 55 40
e-mail: zsp.ustron@interia.pl

Referaty mgr inż. Ewa Matuszyńska

1. Technologia wykonania i zastosowanie materiałów ciernych.
2. STAL - podział i oznaczanie
3. Struktura stali w stanie równowagi

Technologia wykonania i zastosowanie materiałów ciernych.

1. Technologia produkcji.
a. ) skład materiałów ciernych.

W produkowanych wcześniej materiałach ciernych powszechnie był stosowany azbest, stanowiący 40 - 70% wagowych okładziny. Był on tanim surowcem doskonale spełniającym swoje funkcje. Znalezienie jego odpowiednika nie było prostą sprawą. Niemiecka firma Bremskerl wytypował m.in. syntetyczne włókna aramidowe (aromatyczne poliamidy), produkowane przez koncern Du Pont pod nazwą "Kevlar". Do specjalnych zastosowań jako materiał "zbrojący" może być używana wełna stalowa.
W składzie materiałów ciernych wyróżniamy:

  1. materiały "zbrojące": włókna aramidowe, szklane, stalowe, itp. - 20 - 50%,
  2. materiały "wiążące": syntetyczna guma, syntetyczny kauczuk, różne żywice - 12 - 25%,
  3. stabilizatory (wypełniacze): mączka wapienna, tlenki metali, wolne metale, siarka, grafit i inne - reszta.

W sumie materiały cierne zawierają 8 - 25 składników dodawanych w różnych proporcjach w zależności od zastosowania, sposobu produkcji i wymaganych własności. Często stosowany jest niewielki dodatek oleju roślinnego w celu kontrolowanego spadku współczynnika tarcia ľ oraz wyciszenia pracy hamulca lub sprzęgła. Wśród surowców używanych do produkcji materiałów firmy Bremskerl nie ma ani jednego składnika, występującego na liście szkodliwych substancji obowiązującej w Unii Europejskiej. Na liście tej znajdują się np.: azbest, kadm, ołów.

b. ) proces produkcyjny:

Produkty firmy Bremskerl można podzielić na dwie grupy: plecione i prasowane (walcowane). Wyroby plecione produkowane są na bazie taśmy o szerokości ok. 650 mm o żądanej grubości. Surowa taśma nasączana jest próżniowo żywicą, a następnie wygrzewana jest przez około 6 godzin, co ma na celu utwardzenie żywicy. Po impregnacji taśma jest cięta na taśmy o żądanej szerokości (stosowane do hamulców bębnowych np. w suwnicach) lub wycinane są inne elementy. Wycięty elementy np. pierścienie lub segmenty są następnie prasowane na gorąco (co zmniejsza ich grubość o około połowę, znacznie zwiększa twardość i odporność na ścieranie) i poddawane końcowej obróbce me-chanicznej. Tak wykonane elementy przeznaczone są do specjalnych zastosowań. Pozostałe wyroby produkowane są z sypkich składników i w tym procesie produkcyjnym można wyróżnić następujące główne etapy:

  1. Mieszanie składników - na sucho lub na mokro z udziałem organicznych rozpuszczalników.
  2. Formowanie - na zimno + późniejsze wygrzewanie lub na gorąco.
  3. Obróbka mechaniczna.
  4. Kontrola jakości i pakowanie.

2. Rodzaje produktów.
a. ) okładziny kolejowe.

Dla kolei produkowane są okładziny cierne do hamulców tarczowych i bębnowych. W obu przypadkach stosuje się wprasowywanie masy ciernej w formie, w blaszaną nakładkę (uchwyt). Następuje ono zazwyczaj "na gorąco", zaś końcowa obróbka polega na zebraniu naddatków i ewentualnym szlifowaniu.

b. ) taśmy walcowane i tkane.

Taśmy są walcowane na gorących walcach obrotowych (tzw. Kalandry) bez siatki lub od razu ze stalową siatką, a następnie dodatkowo wygrzewane. Maksymalne wymiary taśmy:

  1. zbrojone 225 x 12 standard max gr. 15 mm
  2. niezbrojone 225 x 12(15) standard max gr. 25 mm.

W zależności od średnicy bębna hamulcowego zbrojone taśmy mogą być nacinane (im mniej-sza średnica tym węższe i gęściej rozmieszczane nacięcia). Standardowym zalecanym mate-riałem na bębny hamulcowe są: żeliwo szare, GG25, St 52, St 52.2. Standardowe materiały do standardowych zastosowań:

  1. lekkie suwnice 5396, HKL, 5504,
  2. windy, średnie suwnice 5300, 5504, HKL,
  3. ciężkie suwnice 6596 i 5387.

Taśmy tkane Znajdują zastosowanie w hamulcach dźwigów, wind, wciągarek dźwigowych itp. (podobnie jak w przypadku taśm walcowanych). Tego typu taśmy są materiałem o szcze-gólnie dużej trwałości. Wykonane są na bazie włókien aramidowych, zbrojonych drutem mie-dzianym i impregnowane specjalnym zestawem gumy i żywicy.

c. ) płyty cierne.

Płyty standardowo produkowane są w wymiarach 460 x 460 mm, lecz tego rodzaju płyty są stosunkowo drogie. Innym rozwiązaniem są płyty 225 x 830 mm, o maksymalnej grubości 15 mm (produkowane również ze standardowych materiałów np. 5773). Przy specjalnych zasto-sowaniach możliwe jest wykonanie płyty o grubości do 110 mm

d. ) pierścienie.

Pierścienie mogą być produkowane trzema sposobami:

  1. poprzez automatyczne wycinanie na prasie (tzw. sztancowanie). Jest to najtańszy sposób odpo-wiedni przy masowej produkcji. Ograniczeniem jest zewnętrzna średnica ? 140 oraz wymiary wy-krojników.
  2. poprzez wycinanie z płyty przy pomocy "latających noży". Ograniczeniem jest maksymalny wy-miar płyty (460 x 460) oraz jej grubość max 5 mm.
  3. poprzez prasowanie. Jest to metoda pozwalająca na uzyskiwanie pierścieni do maksymalnego wy-miaru ? 750/400 x 12 mm. W razie potrzeby taki pierścień można docinać do wymaganego wymia-ru.

Jeżeli konieczny jest jeszcze większy wymiar wycina się lub formuje segmenty (wycinki pier-ścienia) np. 1/4, 1/6, 1/8, 1/12 obwodu.

e. ) wkładki do ciężkich pras formujących, gilotyn i giętarek.

Do takich pras stosuje się specjalne wkładki o zróżnicowanych kształtach np. tzw.:

  1. "bałwanki",
  2. "nerki",
  3. ścięte koła i inne.

Wkładki wycina się z płyty lub wstępnie uformowanej kształtki na specjalnej obrabiarce ko-piującej kształt wzornika. W zasadzie nie ma ograniczeń jeśli chodzi o kształt i grubość. Oprócz standardowego wykonania możliwe jest wyprodukowanie wkładki z wklejoną prze-kładką z taśmy HKL, której zadaniem jest wytłumienie drgań. Wszystkie tego rodzaju kształtki mają wymiar zewnętrzny nieznacznie mniejszy od teoretycznego (np. -0,3 mm) - jest to tolerancja uwzględniająca rozszerzalność cieplną materiału.

3. Współczynnik tarcia ľ.

Do określenia własności ciernych danego materiału używa się bezwymiarowego współ-czynnika ľ wyrażającego jego aktualną zdolność do hamowania. ľ jest tylko liczbą, która zmienia się w zależności od panujących warunków. Im większe ľ tym materiał lepiej hamuje, tym wyższe jest tarcie.

ľ = f(T,v,p)
T - temperatura [°C],
v - prędkość ślizgowa [m/s],
p- nacisk [daN/cm2].

Wyznacza się dwa rodzaje współczynnika tarcia:

  1. ľ stat - statyczne określające zdolność do hamowania w bezruchu, tzn. wskazuje siłę jaka musi być użyta przy danym nacisku i danej temperaturze do wprowadzenia elementu w ruch.
  2. ľ dyn - dynamiczne określające zdolność do hamowania poruszającego się elementu.

Wyznaczenie ľ dyn metodą wirującego walca polega na ustaleniu tarcia jakie występuje między zamontowanym elementem ciernym o ściśle określonych wymiarach (powierzchnia styku zwykle wynosi 10 cm2°, a szybko wirującym walcem (zwykle wykonanym z żeliwa). W czasie pomiaru utrzymuje się stałe dwa czynniki (np. V i p) i zmienia się trzeci (w tym przypadku temperatura). Im bardziej stały jest przebieg wyznaczonej w ten sposób krzywej tym lepsze są własności badanego materiału. Idealny materiał powinien mieć stały współczynnik tarcia ľ niezależnie od występujących parametrów pracy.

Znacznie ważniejsze od wielkości ľ jest jego stabilność w zmiennych warunkach pracy. Jedną z metod służących do określania jakości materiału jest badanie w zmiennych temperatu-rach np. przez pół godziny w temperaturze 150°C, kolejne pół godziny w 200°C, następnie znów 150°C i powtórnie 200°C. W przypadku dobrego materiału nie powinno być dużych zmian w przebiegu charakterystyki przy kolejnych powtórzeniach. Dodatkowo przy okazji każdego badania sprawdza się zużycie (ścieralność) materiału ściernego jak i przeciwciernego poprzez jego ważenie przed i po próbie co pośrednio określa jego żywotność.

4. Cechy dobrego materiału ciernego:

  1. stałość współczynnika tarcia ľ,
  2. brak spadku ľ ze wzrostem temperatury T,
  3. brak spadku ľ ze wzrostem prędkości ślizgowej v i nacisku p,
  4. wystarczająca trwałość,
  5. wysoka żywotność,
  6. cicha praca (nie piszczy),
  7. praca w każdych warunkach atmosferycznych,
  8. nie niszczy materiału współpracującego

5. Parametry określające własności materiałów ciernych.

W karcie katalogowej każdego materiału podane są podstawowe teoretyczne parametry określające własności danego materiału:

ľ - średni współczynnik tarcia wyznaczony z całego zakresu badania. Zawsze należy uważać go za współczynnik orientacyjny i teoretyczny jedynie wskazujący jakiej wielkości ľ należy spodziewać się w danych warunkach pracy.
v - prędkość ślizgowa jaka jest dopuszczalna w danych warunkach bez istotnej utraty własności ciernych. Aby wiedzieć jaka praktyczna prędkość ślizgowa występuje w danym urządzeniu należy ją wyliczyć korzystając ze wzoru:

V=H*D*N/60000
W kartach katalogowych niektórych materiałów Bremskerla v podana jest w stopach na sekundę. Przelicznik wynosi:
1ft/s = 0,3048 m/s

D [mm] - średnica bębna lub tarczy hamulcowej.
n [1/min] - obroty bębna lub tarczy hamulcowej.
p [daN/cm2] - dopuszczalny nacisk nie powodujący istotnego zmniejszenia własności ciernych.
Nacisk jednostkowy oblicza się dzieląc siłę docisku szczęki przez jej powierzchnię. W praktyce rzadko można uzyskać wiarygodne dane o nacisku. Nacisk może być wyrażany przy pomocy wielu różnych jednostek np.:
1 daN/cm2
= 1 bar
= 0,1 N/mm2
= 0,981 atm.
W kartach katalogowych niektórych materiałów Bremskerla p podany jest a funtach na cal kwadratowy. Przelicznik wynosi:
1lb/in2 = 0,0689 daN/cm2

T [°C] - temperatura w której materiał zachowuje własności cierne.
Temperatura rośnie w wyniku tarcia pomiędzy materiałem ciernym, a przeciwciernym czyli powierzchnią bębna lub tarczy hamulcowej. Ilość wyzwolonego wówczas ciepła zależna jest od prędkości ślizgowej nacisku jednostkowego, współczynnika tarcia (im wyższy tym większa ilość ciepła), stanu powierzchni okładzin i materiału przeciwciernego, intensywności pracy (ilość hamowań/min) oraz tzw. "czynnika ludzkiego" czyli sposobu obsługi urządzenia. Temperatura jest parametrem praktycznie nie do oznaczenia , można ją jedynie zgrabnie oszacować. W karcie katalogowej podane są dwie wartości temperatury: ciągła i chwilowa.
"T ciągła" oznacza, że jeśli okładzina nie przekroczy tej wartości zachowane zostaną wszelkie jej własności i nie nastąpi jej nadmierne zużycie.
"T chwilowa" określa próg powyżej którego nastąpi trwałe zniszczenie struktury mate-riału i znaczny wzrost zużycia okładziny. Nie do określenia jest jak długo trwa taka "chwila", czasem kilka sekund, czasem kilka minut. Osiągnięcie tego progu zwykle jest wynikiem bardzo intensywnej pracy lub awaryjnego hamowania, gdy stosowane są nadzwyczajnie wysokie naciski w celu powstrzymania opadania ciężaru. Zazwyczaj po takim zdarzeniu okładziny nadają się do wymiany. Przekroczeniu "T chwilowej" może towarzyszyć spadek współczynnika tarcia na skutek "zeszklenia" powierzchni (najczęściej w przypadku okładzin plecionych) lub jego wzrost spowodowany przyklejeniem się resztek okładziny do bębna hamulcowego (w przypadku materiałów prasowanych i walcowanych). Wszystkie ww. parametry odnoszą się do dynamicznego hamowania i nigdy nie mogą jed-nocześnie występować w swych maksymalnych wartościach

6. Bezazbestowe okładziny cierne znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach, m.in.:

  1. prasy kuźnicze oraz prasy do blach karoseryjnych, sztance,
  2. hamulce żurawi, dźwignic, dźwigów, wciągarek, urządzenia wiertnicze,
  3. maszyny włókiennicze, maszyny papiernicze, maszyny budowlane, przemysł ogólny,
  4. elektromagnetyczne sprzęgła i hamulce,
  5. okładziny hamulców tarczowych oraz klocki hamulcowe dla pojazdów szynowych oraz ciężkich pojazdów drogowych.

POCZĄTEK


STAL - podział i oznaczanie.

1. Stal - jest to techniczny stop żelaza zawierający do ok. 2% węgla oraz inne pierwiastki pochodzące z surowców, materiałów ogniotrwałych, paliw, atmosfery albo dodawane celowo (składniki stopowe stali), otrzymywany w procesach stalowniczych w stanie ciekłym. Ponieważ stal może zawierać do 2% węgla, podczas gdy surówka zawiera 3,2 - 4,3% C, więc głównym celem procesu otrzymywania stali jest odwęglenie surówki. Podczas przerobu zarówno węgiel, jak i domieszki ulegają częściowemu wypaleniu. Otrzymana w ten sposób ciekła stal użyta na odlewy nazywa się staliwem, a odlana we wlewki i przewalcowana na walcarkach, zwanych zgniataczami, nosi nazwę stali. Stal jest materiałem obrabialnym plastycznie.

2. Klasyfikacja stali - jest to podział stali na grupy i gatunki. Gatunek stali określa jej skład chemiczny, a kiedy jest to niewystarczające, również własności (wytrzymałościowe, chemiczne lub fizyczne). Podział gatunków stali na grupy jest zależny od przyjętej podstawy klasyfikacji.

Ze względów naukowych, a także dla potrzeb praktyki metaloznawczej stosuje się następujące podziały :

Według struktury w stanie równowagi:

  1. stal podeutektoidalna o strukturze ferrytyczno - perlitycznej,
  2. stal eutektoidalna o strukturze perlitycznej,
  3. stal nadeutektoidalna o strukturze perlityczno - cementytowej,
  4. stal ledeburytyczna o strukturze, w której występuje ledeburyt i produkty rozkładu austenitu szczątkowego,

Według struktury po ochłodzeniu:

  1. stal ferrytyczna o strukturze ferrytu, najczęściej dużej zawartości chromu,
  2. stal perlityczna o strukturze perlitu, o małej zawartości składników stopowych,
  3. stal bainityczna o małej zawartości węgla i małych dodatkach chromu, molibdenu i bizmutu, mająca po chłodzeniu w powietrzu strukturę bainitu,
  4. stal austenityczna o strukturze austenitu, o dużej zawartości składników stopowych, której początek przemiany martenzytycznej znajduje się poniżej 0°C, dając przy temperaturze otoczenia trwałą strukturę austenitu,

Według składu chemicznego zależnie od:

a. ) zawartości składników:
  1. stal węglowa - są to stale, których głównym składnikiem wpływającym na własności jest węgiel. Pozostałe składniki występują w niewielkich ilościach pochodzących z procesów metalurgicznych związanych z otrzymywaniem stali. Należą do nich mangan, krzem oraz niewielkie ilości chromu i niklu pochodzące ze złomu, a także określane jako zanieczyszczenia, siarka i fosfor.
  2. stal stopowa - są to stale, które oprócz węgla zawierają inne składniki dodawane w celu otrzymania pewnych określonych własności, a mianowicie:
  3. zwiększenia hartowności,
  4. uzyskania wyższych własności wytrzymałościowych w stanie obrobionym cieplnie,
  5. nadania specjalnych własności fizycznych i chemicznych
b. ) zawartości węgla:
  1. stal niskowęglowa (do 0,25% C),
  2. stal średniowęglowa (od o,25% C do 0,6% C),
  3. stal wysokowęglowa (powyżej 0,6% C),
c. ) sumy zawartości składników stopowych
  1. stale niskostopowe (poniżej 6% składników stopowych),
  2. stale wysokostopowe (powyżej 6% składników stopowych),
d. ) składników stopowych
  1. stal chromowa, manganowa, chromowo - niklowa, itp.

Według metody wytwarzania:


a ) stal tyglowa,
b ) stal tomasowska,
c ) stal besemerowska,
d ) stal martenowska,
e ) stal konwertorowo - tlenowa,
f ) stal elektryczna,
g ) stal elektrożużlowa,
h ) stal próżniowa,

Według stopnia odtlenienia:

a. ) stal nieuspokojona - stal, której przy końcu procesu wytapiania stali nie odtlenia się (dodatkami Fe-Si lub Al) lub też odtlenia się ją tylko w bardzo nieznacznym stopniu. W czasie odlewania i krzepnięcia stali we wlewnicy przebiega proces wypalania się węgla kosztem nadmiaru tlenu. Wydzielający się w postaci pęcherzyków gazowych tlenek węgla powoduje zjawisko tzw. gotowania się stali we wlewnicy. Po zakrzepnięciu wlewek stali nieuspokojonej nie wykazuje jamy skurczowej w górnej części; występują natomiast w jego strefie przybrzeżnej, a także częściowo środkowej liczne pęcherze, które zgrzewają się w czasie obróbki plastycznej na gorąco. Stale te wykazują znaczną niejednorodność składu chemicznego. Jako stale nieuspokojone można wytapiać tylko stale węglowe o zawartości C nie większej niż około 0,22 % . Litera X na końcu oznaczenia,
b. ) stal półuspokojona - stal pośrednia między stalą uspokojoną i nieuspokojoną, którą uzyskuje się stosując w końcowym okresie procesu wytapiania i odlewania odtlenianie niewielkimi dodatkami krzemu (do ok. 0,15 %) lub aluminium. Wlewek ma lepszą jednorodność składu chemicznego niż wlewek stali nieuspokojonej. Wskutek niewystępowania jamy skurczowej lub tylko występowania jej śladów uzysk z wlewka jest zbliżony do uzysku z wlewka stali nieuspokojonej. Litera Y na końcu oznaczenia,
c. ) stal uspokojona - stal, którą przy końcu procesu wytapiania odtleniono dodatkami odtleniaczy, przede wszystkim Fe - Mn, Fe-Si lub Al. Znaczna część produktów odtleniania pozostaje w stali w postaci wtrąceń niemetalicznych. Odlewanie i krzepnięcie stali uspokojonej przebiega bez widocznego wydzielania się gazów. W czasie krzepnięcia tworzy się w górnej części wlewka jama skurczowa. Stal uspokojona wykazuje większą jednorodność składu chemicznego w porównaniu ze stalą nieuspokojoną i półuspokojoną. Wskutek konieczności odcięcia górnej części wlewka uzysk z wlewka jest mniejszy w porównaniu z w/w stalami.

Według charakteru procesu wytapiania: a. ) stal kwaśna - stal wytapiana w piecach o wyłożeniu krzemionkowym (kwaśnym). Wytop tej stali wymaga stosunkowo czystego wsadu, ponieważ w piecach o wyłożeniu kwaśnym odsiarczenie jest bardzo trudne, a zmniejszenie zawartości fosforu jest nieosiągalne.
b. ) stal zasadowa - stal wytapiana w piecach o wyłożeniu zasadowym, tj. dolomitowym (konwertory tlenowe) lub magnezjowym, przy którym stosuje się żużel zasadowy sprzyjający odsiarczeniu i odfosforanowaniu kąpieli stalowej.


Podział stali:

Węglowe konstrukcyjne

zwykłej jakości:
  1. ogólnego przeznaczenia,
  2. szczególnego przeznaczenia,
wyższej jakości
  1. ogólnego przeznaczenia,
  2. szczególnego przeznaczenia

Stopowe konstrukcyjne

  1. dla budownictwa i konstrukcji,
  2. sprężynowe,
  3. do nawęglania,
  4. do ulepszania cieplnego,
  5. do azotowania,
  6. na łożyska toczne

Stale węglowe narzędziowe

  1. płytko hartująca się
  2. głęboko hartująca się

Stale stopowe narzędziowe

  1. do pracy na zimno,
  2. do pracy na gorąco,
  3. szybkotnące

Stale węglowe o szczególnych właściwościach

  1. magnetycznie miękka
  2. łatwo skrawalna

Stale stopowe o szczególnych właściwościach

  1. do pracy w podwyższonych temp.,
  2. odporne na korozję,
  3. żaroodporne i zaworowe,
  4. o szczególnych własn. magnetycznych,
  5. o szczególnych własn. fizycznych

Stale węglowe narzędziowe. Zawartość węgla w stalach narzędziowych wynosi od 0,5 do1,3 %. Stale narzędziowe różnią się od konstrukcyjnych większą czystością, mniejszą zawartością manganu, drobnoziarnistością, małą głębokością przehartowywania i innymi własnościami, które w sumie czynią stal zdatną do wyrobu narzędzi. Charakterystyczną cechą stali narzędziowych węglowych jest mała głębokość hartowania, to znaczy, że hartuje się tylko warstwa wierzchnia narzędzia, a rdzeń pozostaje bardziej miękki i ciągliwy. Daje to możliwość uzyskania narzędzia twardego i odpornego na ścierani, a jednocześnie mającego dostateczną odporność na uderzenia. Rozróżnia się stale :

  1. głęboko hartujące - niższej klasy,
  2. płytko hartujące (litera E przy znaku stali) - wyższej klasy.

Stale głęboko hartujące się są jednocześnie bardziej wrażliwe na przegrzanie, to znaczy że hartowane z wyższej temperatury nie tylko hartują się głębiej, ale wykazują również większą gruboziarnistość, a w przypadkach skrajnych skłonność do pęknięć i rys. Główną wadą stali narzędziowych węglowych jest wrażliwość na podwyższoną temperaturę, przez co mogą być używane tylko na narzędzia nie nagrzewające się w czasie pracy powyżej 180 °C.

Stale węglowe o szczególnych właściwościach. Obejmują zarówno stale węglowe konstrukcyjne zwykłej jakości, wyższej jakości, jak i stale o małej zawartości węgla o szczególnych własnościach np. żelazo armco. Przykładem takiej stali są stale przeznaczone na:

  1. blachy okrętowe, kotłowe, elektrotechniczne i karoseryjne,
  2. na pręty do zbrojenia betonu,
  3. szyny,
  4. rury,
  5. druty do patentowania, spawania itp.

Ich wymagania ujmują szczegółowe normy

Stal stopowa

Stale stopowe konstrukcyjne stosowane w budownictwie i konstrukcji.
Są to m.in. stale ferrytyczno - perlityczne zawierające niewielkie dodatki składników stopowych i wykazujące w stanie dostawy podwyższone własności wytrzymałościowe. Stosowane są one na mosty drogowe, konstrukcje budowlane, wagony kolejowe i wagoniki kopalniane, pontony, okręty, zbiorniki, maszty, części maszyn itd. Szersze zastosowanie tych stali datuje się od 40 - 50 lat. Prototypem była znana stal Corten, opracowana około 1933 roku, o składzie orientacyjnie 0,12 % C, 0,2 - 0,5 % Mn, 0,7 - 1,0 % Si, 0,3 - 0,5 % Cu, 0,7 - 1,0 % Cr, 0,01 - 0,02 % P. Oprócz podwyższonych cech wytrzymałościowych, umożliwiających znaczne zmniejszenie ciężaru konstrukcji, stale te w sprzyjających warunkach atmosferycznych odznaczają się 3 - 5 razy większą odpornością na korozję niż stale węglowe. Stosowane bywają one chronione powłokami lakierowymi i w tym przypadku okres międzyremontowy (przemalowywania) wydłuża się ok. 2 razy. Jeżeli nie są chronione korozja rozwija się do ok. 3 lat, po czym, w sprzyjających warunkach atmosferycznych, następuje stopniowe uszczelnienie warstwy tlenkowej i korozja zostaje zahamowana. Takie zastosowanie jest możliwe wówczas, gdy wzgląd na estetykę (rdzawy kolor konstrukcji) nie odgrywa roli. W Ameryce w 1969 roku zbudowano ok. 900 mostów drogowych ze stali typu Corten nie malowanych. W warunkach krajowych zakres stosowania tych stali jest ograniczony ze względu na ich wysoką cenę.

Stale sprężynowe
Są to stale węglowe o zawartości 0,65-0,85 % C lub stopowe o zawartości 0,45-0,70 % C. Jako składniki stopowe występują : krzem, mangan, chrom i wanad. Stosowane do wyrobu spiralnych i płaskich (resorów). Stale sprężynowe mają wysoką granicę sprężystości i wytrzymałości na zmęczenie, zwłaszcza przy często zmiennych obciążeniach. Polskie normy obejmują 17 gatunków stali sprężynowych, w tym 3 gatunki stali węglowych (65, 75 i 85). Stale sprężynowe węglowe stosuje się na sprężyny grubości do 5 mm, na grubsze zaś sprężyny - stale manganowe, krzemowe, chromowo - krzemowe lub chromowo - wanadowe. Resory i duże sprężyny formowane są z materiału miękkiego, po czym dopiero hartowane i odpuszczane. Drobne sprężyny śrubowe i inne stosowane w budowie maszyn, broni, mechanizmów precyzyjnych wykonuje się z drutu stalowego sprężynowego tzw. patentowanego. Jest to drut stalowy o zawartości 0,45-0,90 % C chłodzony przy hartowaniu w kąpieli ołowianej nagrzanej do około 500 °C, a następnie przeciągany na zimno. Uformowane sprężyny odpuszcza się tylko w temperaturze 200-240 °C w celu usunięcia naprężeń i osiągnięcia maksymalnej sprężystości.



Stale do nawęglania
Grupa stali węglowych, jak i stopowych, przeznaczonych do utwardzania powierzchniowego metodą nawęglania (ewentualnie cyjanowania), zawierających 0,08 do 0,25 % C dla zapewnienia ciągliwości rdzenia w stanie zahartowanym i nisko odpuszczonym (150 - 180 °C). Obecnie w budowie maszyn stosuje się raczej stale o zawartości węgla zbliżonej do górnej granicy, gdyż przedmioty wykonane z takich stali mają większą wytrzymałość rdzenia, a przy tym można obniżyć grubość warstwy nawęglonej bez obawy wgniatania jej w czasie pracy. Spośród stali węglowych konstrukcyjnych nadają się do nawęglania stale wyższej jakości 10, 15, 20 i 25. Stale zwykłej jakości o odpowiedniej zawartości węgla nie nadają się w zasadzie do nawęglania z wyjątkiem stali uspokojonych i specjalnie uspokojonych. Stale nieuspokojone i półuspokojone cechuje znaczna zawartość siarki i fosforu, skłonnych do tworzenia segregacji oraz tzw. struktury anormalnej po nawęglaniu. Przedmioty odpowiedzialne, których rdzeń powinien mieć wyższe własności mechaniczne, a zwłaszcza odporność na uderzenia, wykonuje się ze stali stopowych. Składniki stopowe oddziałują również na własności warstwy nawęglonej i czynią ja mniej skłonną do błędów powierzchniowych, jak pęknięcia, miękkie plamy itp. Twardość warstwy nawęglonej wynosi w stalach węglowych - 60 - 64 HRC, a w stalach stopowych - 58 - 62 HRC. Dzięki większej hartowności stale stopowe są łatwiejsze w obróbce cieplnej - wystarcza często jednokrotne hartowanie i olej jako środek chłodzący, dzięki czemu przedmioty hartowane mniej się odkształcają. Jako pierwsze stosowane były stale chromowo - niklowe, odznaczające się największą hartownością. Są one jednak drogie i dlatego opracowano stale, w których nikiel zastąpiono całkowicie lub częściowo przez mangan, chrom, molibden i tytan.

Stale do ulepszania cieplnego
Są to stale o zawartości zazwyczaj 0,25 do 0,50 % C, węglowe lub stopowe, które poddaje się obróbce cieplnej , polegającej na hartowaniu w wodzie lub oleju i następnie odpuszczeniu w temperaturze 500 - 650 stopni Celsjusza. Stale ulepszone cieplnie mają zależnie od gatunku podwyższone Rm, w granicach od 600 do ok. 1100 MPa, przy wystarczających cechach plastycznych : A5 = 17 - 8 % i KM = 450 - 1100 kJ/m2. Stale te poddaje się obróbce skrawaniem już po obróbce cieplnej i dlatego twardość ich nie powinna przekraczać ok. 325 HB (czemu odpowiada Rm = ok. 1100 MPa). Przedmiotu nie są później obrabiane cieplnie z wyjątkiem hartowania indukcyjnego, w czasie którego nagrzewanie warstwy powierzchniowej odbywa się tak szybko, że środek przedmiotu nie nagrzewa się i nie traci własności wytrzymałościowych nadanych mu przez ulepszanie cieplne. Spośród stali węglowych nadają się stale wyższej jakości o zawartości węgla 0,30 - 0,60 % (35, 45, 55).ze względu na niewielką głębokość przehartowywania, jeżeli przedmiot ma mieć jednakowe własności wytrzymałościowe na całym przekroju, to mogą być one stosowane tylko przy średnicy lub grubości ścianek do 20 - 25 mm . Jeżeli przekroje przedmiotów są większe bądź też są wyższe cechy wytrzymałościowe, zwłaszcza odporność na uderzenia, to stosuje się stale stopowe. Ich zalety uwidaczniają się dopiero po obróbce cieplnej i dlatego należy je stosować wyłącznie w stanie obrobionym cieplnie. Najwcześniej stosowane były stale chromowo - niklowe, ale ze względu na wysoką cenę niklu zostały opracowane i wprowadzone tzw. stale oszczędnościowe, w których nikiel został częściowo lub całkowicie zastąpiony przez Mn, Cr, Si, Mo i V. Stale chromowo - niklowe należy stosować wówczas, gdy to jest konieczne ze względu na potrzebę przehartowania dużego przekroju lub wymagania dużej udarności. Stale te stosowane są do wyrobu części maszyn, pojazdów mechanicznych, urządzeń energetycznych i aparatów, przy czym temperatury ich pracy nie przekraczają 300 °C i nie są niższe od -40 °C, a środowisko w którym pracują nie jest agresywne pod względem chemicznym.

Stale do azotowania
Azotowanie stali węglowych tylko nieznacznie zwiększa twardość warstwy powierzchniowej. Zależnie od zawartości węgla oraz czasu i temperatury azotowania twardość warstwy nie przewyższa 300 do 350 HV. Wyższą twardość (powyżej 750 HV) ma warstwa azotowana niektórych stali stopowych (Cr, V, Cr - Mo - V, Cr - Mo - Mn, Cr - Al, Cr - Mo - Al), które określa się jako stale do azotowania. Najwyższą twardość 900 - 1100 HV można uzyskać przy azotowaniu stali zawierających ok. 1 % Al (Nitalloy). Azotuje się zazwyczaj stale ulepszane cieplnie. Ponieważ temperatura azotowania (500 - 540 °C) jest niższa od temperatury odpuszczania przy ulepszaniu (500 - 650 °C), wytrzymałość rdzenia nie obniża się i w wyniku uzyskuje się warstwę bardzo twardą, odporną na ścieranie i na zmęczenie przy jednocześnie dużej wytrzymałości rdzenia (Rm = 900 - 1000 MPa). Stale aluminiowe stosuje się głównie na części silników spalinowych, jak wały korbowe, korbowody, sworznie tłokowe, koła zębate, tuleje, cylindry, krzywki rozrządu, części pompy spalinowej silników Diesla, matryce do przeróbki mas plastycznych itp.

Stale na łożyska toczne
Są to stale chromowe przeznaczone specjalnie do wyrobu części łożysk tocznych. Ze względu na wysokie wymagania stawiane tym częściom stale te są wykonywane i odbierane ze szczególną starannością. Zwraca się uwagę na skład chemiczny, mikro- i makrostrukturę wg wzorców, zanieczyszczenia, przełom, odwęglenie, twardość i stan powierzchni. Stale łożyskowe dostarczane są w postaci kęsów, kęsisk, prętów, walcówki i drutu, po kuciu, walcowaniu, łuszczeniu, ciągnieniu na zimno lub ciągnieniu i szlifowaniu, wstanie surowym, wyżarzonym o ograniczonej twardości itp.

Stale stopowe narzędziowe
Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno.
Litera N na początku oznaczenia. Są to stale przeznaczone na narzędzia do obróbki materiału w stanie zimnym, zarówno przez skrawanie jak i przez obróbkę plastyczną, przy czym narzędzie może się rozgrzewać podczas pracy tylko nieznacznie. Ze stali tych wykonuje się też te części przyrządów i narzędzi pomiarowych, które powinny wykazywać dużą odporność na ścieranie i małe odkształcenie przy hartowaniu.

Biorąc pod uwagę obróbkę cieplną i zastosowanie poszczególnych gatunków, można rozróżnić :

  • Stale do hartowania w wodzie - o dużej zawartości węgla z dodatkiem wolframu, chromu lub wanadu, przeznaczone głównie na narzędzia tnące np. NW1 zwana popularnie srebrzanką (stosowana na wiertła) i stal tzw. diamentowa (wg dawnej normy NWVA), która daje praktycznie najwyższą twardość ze wszystkich znanych stali narzędziowych.
  • Stale do hartowania w oleju - o dużej zawartości węgla i chromu albo manganu np. NC10, NC11, NWC, NMV, NC6, NC4. Odznaczają się one małym odkształceniem przy hartowaniu i dużą odpornością na ścieranie i stosowane są na wykrojniki, sprawdziany, pierścienie do przeciągania i na narzędzia skrawające.
  • Stale na narzędzia pneumatyczne - NZ3, NZ2 - odznaczają się niską zawartością węgla, ponieważ po obróbce cieplnej powinny mieć znaczną odporność na uderzenia. Stale te muszą być odporne na zmęczenie, dostatecznie twarde i jednocześnie ciągliwe. Dodatek wolframu ma na celu zwiększenie odporności na odpuszczające działanie temperatury.
  • Stale na piły - NCV1.
  • Stale na matryce pracujące na zimno - NPW, NC4, NV.

Stale stopowe narzędziowe do pracy na gorąco.
Litera W na początku oznaczenia stali. Są to stale przeznaczone na narzędzia kształtujące materiał w stanie nagrzanym do temperatury, w którym staje się plastyczny (matryce, tłoczniki) albo nawet w stanie płynnym (formy do odlewów pod ciśnieniem). Powierzchnia narzędzia narażona jest okresowo na działanie wysokiej temperatury, co powoduje pęknięcia powierzchniowe. Stałość struktury (odporność na odpuszczające działanie temperatury) uzyskuje się przez dodatki stopowe, głównie wolframu i molibdenu, które jednak pogarszają przewodność cieplną. Stale te wymagają wyższej (ponad 1000 °C) temperatury grzania przy hartowaniu. Stale do pracy na gorąco odpuszcza się na ogół do temperatury takie, jaka jest przewidziana w pracy jako górna granica. Dla stali o dużej ilości dodatków stopowych wynosi ona 500 - 600 °C. Ponad to od stali tych wymaga się odporności na ścieranie i erozję przez odkształcany materiał. PN obejmuje 9 gatunków, które można podzielić na 2 grupy :
  • Stale niskostopowe - do wyrobu matryc kuźniczych - WNL, WNLV, WCMB,
  • Stale wysokostopowe - do wyrobu narzędzi bardziej narażonych na działanie wysokiej temperatury, jak części pras do wyciskania metali na gorąco, wkładki do matryc kuźniczych, przebijaki itd. - WWS1, WCL, WCLV, WLV, WLK, WWV
Stale szybkotnące
Litera S na początku oznaczenia stali. Są to stale, które zachowują twardość i zdolność skrawania przy szybkościach skrawania i grubościach wióra, wywołujących nagrzewanie się narzędzi aż do temperatury ok. 600 °C. Składniki stopowe stali wolfram, chrom, wanad i molibden tworzą łącznie z węglem złożone węgliki (karbidy), które w stali wyżarzonej występują pod postacią ziaren różnej wielkości w osnowie sorbitycznej. Aby uzyskać możliwie wysoką twardość i odporność na wysoką temperaturę, węgliki te muszą się w znacznej mierze rozpuścić w ferrycie. Są one jednak bardzo trudno rozpuszczalne i tym tłumaczy się wysoką temperaturę 1220 - 1300 °C stosowaną przy hartowaniu stali szybkotnących. Nagrzewanie przy hartowaniu odbywa się dwustopniowo - najpierw powoli podgrzewa się do temperatury ok. 800 °C, a następnie szybko do właściwej temperatury. Do chłodzenia przy hartowaniu używa się oleju, sprężonego powietrza lub stopionej soli w przypadku hartowania izotermicznego. Zależnie od zawartości podstawowych pierwiastków stopowych, tj. wolframu i molibdenu stale szybkotnące dzieli się na następujące grupy :
  • wolframowe do ok. 12 % W,
  • wolframowo - molibdenowe 6 - 10 % W i 3 - 5,5 % Mo,
  • molibdenowe 8 - 9 % Mo i 0 - 2 % W.

Wszystkie te stale zawierają ok. 4 % Cr oraz 1 - 5 % V. W każdej z w/w grup mogą również występować stale z dodatkiem 5 - 10 % Co, poprawiające własności na gorąco.

Stale specjalne
Do stali stopowych specjalnych zaliczamy :
1. Stale nierdzewne, kwasoodporne, żarowytrzymałe i żaroodporne - są to stale w różnym stopniu i charakterze odporne na korozję. Odporność ta polega zasadniczo na tworzeniu się na powierzchni stali cieniutkiej warstewki tlenków, która chroni przed dalszym oddziaływaniem ośrodka, w którym przedmiot się znajduje. Warstewka taka tworzy się na stalach zawierających chrom, krzem i glin. Mówi się, że stale te wykazują skłonność do pasywacji.

  • Stale nierdzewne - są to stale odporne na działanie wód naturalnych, czynników atmosferycznych, pary wodnej, roztworów alkalicznych i rozcieńczonych kwasów organicznych. Są to zasadniczo stale chromowe o min. 12 % Cr.
  • Stale kwasoodporne - są to stale odporne na działanie kwasów organicznych i większości nieorganicznych z wyjątkiem HCL i H2SO4. Są to zasadniczo stale chromowo - niklowe o zawartości 17 - 20 % Cr i 8 - 14 % Ni.
  • Stale żarowytrzymałe i żaroodporne - są to stale, które w wysokich temperaturach odznaczają się dobrymi własnościami mechanicznymi (żarowytrzymałość) i dużą odpornością na korozyjne działanie gazów spalinowych (żaroodporność). Są to zasadniczo stale chromowo - niklowe o dużej zawartości chromu (5 - 30 %) i niklu (4 - 30 %); zawartość węgla 0,1 - 0,4 %. W celu zwiększenia odporności na pełzanie dodaje się 0,5 - 1,0 % Mo lub ok. 2 % W.

2. Stale o specjalnych własnościach fizycznych :
  • stale o specjalnych własnościach magnetycznych,
  • stale specjalne odporne na zużycie.

3. Oznaczenia stali wg PN. Stal węglowa konstrukcyjna zwykłej jakości - oznaczane są literami St i cyfrą porządkową lub liczbą dwucyfrową oznaczającą wymaganą wytrzymałość np. St3 lub St41. Obejmują gatunki o określonej zawartości do ok. 0,35 % węgla (C), krzemu (Si), fosforu (P) i siarki (S). Oprócz 7 gatunków podstawowych - St0S, St2S, St3S, St4S, St5S, St6S i St7S znajdują się odmiany stali St3S i St4S :
  • o różnym stopniu uspokojenia (St3SX, St3SY),
  • z ograniczoną zawartością C, oznaczane literą V zamiast S (St3V),
  • z ograniczoną zawartością C, P, S, oznaczone literą W zamiast S (St3W),
  • z wymaganą udarnością , w normalnej temperaturze oznaczane literą U, po starzeniu litera I, w temperaturze 20 °C litera M.
Stale te są stosowane bardzo szeroko na konstrukcje budowlane, mosty, wagony, blachy grube i cienkie powszechnego zastosowania.
Stal węglowa konstrukcyjna wyższej jakości - oznacza się liczbą określającą maksymalne (dla stali o małej zawartości węgla) lub średnią zawartość węgla w setnych częściach procenta np. 08 lub 35. Litery G, X, Y, U, które mogą uzupełniać dwucyfrowy znak oznaczają :
  • G - stal o podwyższonej zawartości manganu,
  • X - stal uspokojona,
  • Y - stal półuspokojona,
  • U - stal z wymaganą udarnością.
Stale te w stosunku do stali zwykłej jakości ogólnego przeznaczenia odznaczają się wąskimi granicami zawartości węgla i manganu oraz mniejszą zawartością siarki i fosforu. W zasadzie są dostarczane jako stale uspokojone, w stanie normalizowanym. Stosuje się je głównie na części maszyn i urządzeń zarówno pod postacią wyrobów hutniczych walcowanych, jak i odkuwek swobodnie kutych. Zależnie od stopnia dopuszczalnych wad powierzchniowych rozróżnia się 3 kategorie odkuwek i prętów ;
  • A - podlegające obróbce skrawaniem na całej powierzchni,
  • B - podlegające obróbce skrawaniem tylko na niektórych powierzchniach,
  • C - nie podlegające obróbce skrawaniem.
Własności wytrzymałościowe odkuwek są na ogół mniejsze niż wyrobów walcowanych i maleją wraz ze wzrostem przekroju odkuwki.
Stale węglowe o szczególnym przeznaczeniu lub o dodatkowych wymaganiach - oznacza się dodatkowymi znakami literowymi na końcu znaku:
  • C - wymagana udarność na próbce z karbem V przy 0°C,
  • D - jak poprzednio przy 20°C,
  • E - do zgrzewania elektrycznego,
  • J - odporna na starzenie,
  • K - na kotły,
  • P - dla kolejnictwa,
  • S - do spawania,
  • U - wymagana udarność wg Mesnagera,
  • V - z obniżoną zawartością węgla,
  • W - ze znacznie obniżoną zawartością węgla.
Wyjątkowo oznacza się dodatkową literą przed znakiem podstawowym, np. A - stal automatowa, B - stal na blachy, D - stal na drut np. D85.
Stale stopowe - oznacza się liczbą dwucyfrową określającą średnią zawartość węgla w setnych procenta oraz literami umownymi oznaczającymi pierwiastki stopowe z dodaniem liczby określającej ich zawartość, jeżeli przekroczą średnio 1,5% np. 35HGS, 40H2MF. Umowne znaki składników stopowych:
  • A - azot,
  • B - bor,
  • F - wanad,
  • G - mangan,
  • H - chrom,
  • J - aluminium,
  • K - kobalt,
  • M - molibden,
  • N - nikiel,
  • S - krzem,
  • T - tytan,
  • W - wolfram,
  • Cu - miedź,
  • Nb - niob.
Stale o zawężonym zakresie zawartości składników oznacza się na końcu literą A. Stale łożyskowe oznacza się na początku literą Ł np. ŁH15. Stale wysokostopowe odporne na korozję zamiast zawartości węgla oznaczane są na początku znaku cyfrą porządkową; przy zmniejszonej zawartości węgla w stosunku do gatunku dodaje się na początku znaku cyfrę zero (dla zawartości węgla poniżej 0,08% - 0, a poniżej 0,03% - 00) np. 2H13, 1H18N9, 0H18N9, 00H18N10.
Stale narzędziowe - oznacza się wg tradycyjnego systemu oznaczeń hutniczych. Stale węglowe narzędziowe - znakiem N i liczbą oznaczającą zawartość węgla w dziesiętnych procenta oraz dla stali płytko hartującej się - dodatkowo literą E, np. N10, N10E. Stale stopowe narzędziowe - znakiem grupy stali:
  • N- do pracy na zimno,
  • W - do pracy na gorąco,
  • S - szybkotnące.
    • Za znakiem grupy umieszcza się znaki umowne składników stopowych (głównych):
    • C - chrom,
    • K- kobalt,
    • L - molibden,
    • M - mangan,
    • N - nikiel,
    • P - (Cr + Ni + V),
    • S - krzem,
    • W - wolfram,
    • V- wanad,
    • Z - (Si + Cr + W).
Na końcu znaku umieszcza się liczbę określającą kolejność w danej grupie albo zawartość podstawowego składnika stopowego np. NC10 - stal do pracy na zimno o zawartości ok. 10% Cr, SW18 - stal szybkotnąca zawierająca 18% W.

POCZĄTEK


Struktura stali w stanie równowagi


1. Stal podeutektoidalna - jest to stal o zawartości poniżej 0,8 % C. Poniżej ziaren perlitu (ciemne pola) występują ziarna ferrytu, i to tym więcej, im mniej jest węgla. Obok przedstawiona jest struktura stali o zawartości 0,7 % C, w której przeważa perlit.



2. Stal eutektoidalna - stal, która po wyżarzaniu zupełnym lub normalizującym ma strukturę perlityczną. Poniżej przedstawiono strukturę stali o zawartości 0,8 % C.



3. Stal nadeutektoidalna - stal, która po nagrzaniu powyżej A i powolnym ochłodzeniu zawiera oprócz perlitu cementyt wtórny w postaci siatki otaczającej ziarna perlitu lub rzadziej jako wydzielenia cementytu w postaci dużych igieł na tle perlitu. Poniżej przedstawiono strukturę stali o zawartości 1,17 % C.

Inne prace

  1. Programy i referaty mgr inż. Marek Sikora
  2. Galeria zdjęć mgr Alicji Krzywoń

POCZĄTEK


link do strony głównej

Nasza szkoła na Facebook'u Link do strony Uniwersytetu Śląskiego Opis otrzymanych pracowni Informacja o projekcie Informacje