Wojciech Calów

Dobór materiału na łańcuch do piły spalinowej

1. Analiza zagadnienia

Łańcuch do piły spalinowej to element tnący pracujący w temperaturze do około 140°C,
otoczeniu wilgotnym (las) i mocno zanieczyszczonym. Element musi charakteryzować
dużą odpornością na ścieranie. Aby zapobiec zerwaniu, wytrzymałość na rozciąganie
łańcucha musi być większa niż drewna. Łańcuch jest chroniony jest sprzęgłem, które po
przekroczeniu dopuszczalnego obciążenia odłącza napęd. Łańcuch składa się z co najmniej
4 różnych elementów : ostrzy tnących, oczek łączących, oczek prowadzących oraz nitów.

W pierwszej fazie produkcji oczka są wycinane przez stemple. Następnie przygotowywana
jest ich przygotowanie powierzchni oraz sortowanie względem wymiarów. Oczka łączone
są za pomocą nitów w długi łańcuch. W zależności od wymaganej długości łańcucha s

2. Specyfikacja wymagań

Łańcuchowi stawiane są następujące wymagania
•

duża wytrzymałość na rozciąganie, powyżej wytrzymałości drewna czyli powyżej
100MPa. Dla pewności przyjęto współczynnik bezpieczeństwa 5 i otrzymano 500 MPa.

•

temperatura pracy bez zmiany parametrów 140 °C. Rozszerzalność temperaturowa niska
aby zapobiec ewentualnemu wypadnięciu łańcucha z prowadnicy.

•

twardość powyżej 55 HRC (powinna być większa o 20-30 HRC w stosunku do
materiału obrabianego),

•

niski moduł Younga,

•

odporność na wilgoć,

•

słabe ścieranie.

3. Wstępny wybór grup materiałowych

Głównym parametrem podczas wyboru wstępnych grup materiałowych była wytrzymałość
na rozciąganie oraz odporność na korozje. Wybrano 4 grupy materiałowe:
•

brąz berylowy,

•

węgliki spiekane,

•

stale narzędziowe niestopowe płytko hartujące się,

•

stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno.

•

4. Wybór gatunków materiałów

Brąz berylowy CuBe2 (Ampcoloy 83) to stop miedzi z berylem z niewielkim dodatkiem

kobaltu oraz niklu. Brąz ten posiada bardzo dużą odporność na ścieranie i korozje. Posiada lepsze
od innych brązów właściwości mechaniczne. Posiada również dużą przewodność cieplną.

Cu

Be

Co+Ni

Inne max.

reszta

1,90%

0,50%

0,50%

Tab.1. Skład stopu brązu berylowego CuBe2

Stal narzędziowa niestopowa płytko hartująca się N7E (C70U), dzięki zmniejszonemu

udziałowi miedzi w stopie, zapewnia twardość powierzchni narzędzia skrawającego oraz
jednocześnie dużą wytrzymałość rdzenia na uderzenia.

Fe

C

Cr

Cu

Mn

Ni

P

S

Si

Reszta

0,65

<0,15

<0,2

0,15

<0,2

<0,025

<0,025

0,15

Tab.2. Skład stopu stali niestopowej N7E

Stal narzędziowa stopowa do pracy na zimno NC4 (102Cr6) to stale które zachowują swoje

właściwości do temperatury 200°C.

Fe

C

Si

Mn

P

S

Cr

Reszta

0,95

0,15

0,25

0,03

0,03

1,35

Tab.3. Skład stopu stali stopowej NC4

Węgliki H10 (K10) wytwarzane są z proszków węglików wolframu (metal trudnotopliwy).

Posiadają dużą twardość oraz wysoką dopuszczalną temperaturę pracy. Są kruche i wrażliwe na
uderzenia. Przeznaczona na ostrza skrawające do pracy ciągłej.

WC

Co

91

9

Tab.3. Skład stopu węglika spiekanego

Materiał

Wytrzymałość na

rozciąganie Rm

[MPa]

Moduł sprężystości,

E

[GPa]

Twardość

Wsp.

rozszerzal.

[K]e-1

Temperatura

pracy

[ºC]

Brąz

berylowy

CuBe2

1250

131

41 HRC

16,7×10e−6

do 200°C

Węglik

spiekany

H10

1600

641

91.9 HVA

3×10e−6

do 700°C

Stal

narzędziowa

niestopowa

płytko

hartująca się

N7E*

640

210

59 HRC*

10,8×10e-6

do 200°C

Stal stopowa

do pracy na

zimno

NC4

1310

210

64 HRC

12×10e-6

do 200°C

Tab5 Ważne parametry wybranych materiałów.

*hartowanie i odpuszczanie w 200[ºC]

5. Optymalizacja doboru

Aby uzyskać wynik należy zastosować metodę logicznego przybliżenia liczbowego

Wymaganie

Decyzje

pozytywne

Względny

współczynnik

wagi

1

2

3

4

5

6

Wytrzymałość na

rozciąganie

1

1

0

2

0,33

moduł Younga

0

0

1

1

0,17

Twardość

0

1

1

2

0,33

Współczynnik

rozszerzalności

1

0

0

1

0,17

Suma

6

1

6. Współczynnik doboru materiału

Materiał

Wytrzymałość na rozciąganie

Suma

alpa

beta

CuBe2

0

1

0

1

0,33

0,33

H10

1

1

1

3

0,99

N7E

0

0

0

0

0

NC4

1

0

1

1

0,66

Materiał

Moduł Younga

Suma

alpa

beta

CuBe2

1

1

1

3

0,17

0,51

H10

0

0

0

0

0

N7E

0

1

1

2

0,34

NC4

0

1

1

2

0,34

Materiał

Twardośc

Suma

alpa

beta

CuBe2

0

0

0

0

0,33

H10

1

1

1

3

0,99

N7E

1

0

1

2

0,66

NC4

1

0

0

1

0,33

Materiał

Wsp. rozszerzal.

Suma

alpa

beta

CuBe2

0

0

0

0

0,17

0

H10

1

1

1

3

0,99

N7E

1

0

1

2

0,66

NC4

1

0

0

1

0,33

Materiał

Kryteria

Suma

1

2

3

4

CuBe2

0,33

0,51

0

0

0,84

H10

0,99

0

0,99

0,99

2,97

N7E

0

0,34

0,66

0,66

1,66

NC4

0,66

0,34

0,33

0,33

1,66

7. Optymalizacja doboru materiału wg ceny

Wybrany wcześniej węglik spiekany okazał się najdroższym możliwym rozwiązaniem. Stale
N7E oraz NC4 otrzymały taki sam wynik w analizie materiałowej. Stal N7E jest dwukrotnie
tańsza niż NC4.

CuBe2

H10

N7E

NC4

84.79 zł/kg

182 zł /kg

3.03 zł /kg

6,06 zł/kg

8. Wnioski końcowe
•

Wszystkie wybrane materiały spełniały warunek wytrzymałości na rozciąganie. Wybrane
materiały znacząco przekraczały założone wymagania.

•

Po zastosowaniu metody logicznego przybliżenia liczbowego wybrano węglik spiekany jako
najlepiej odpowiadający wymaganiom.

•

Aby ograniczyć koszt materiału należy wybrać N7E.

•

Alternatywnym rozwiązaniem jest użycie różnych materiałów w różnych elementach
łańcucha np. Węglika spiekanego na ostrza, a stali N7E na inne oczka i nity.