Stale konstrukcyjne

Sa stosowane do wyrobu czesci maszyn i pojazdow oraz na wszelkiego rodzaju konstrukcje. Stale te maja male lub srednie zawartości wegla, sa niskostopowe. Glownie sa to stale srednioweglowe przeznaczone do ulepszania cieplnego. Wymaga się od nich możliwe duzej wytrzymałości przy malej plastyczności. Takie własności otrzymuje się po hartowaniu i wysokiemu odpuszczaniu. Pierwiastki stopowe wlacza się glownie w celu zwiekszenia hartowności. Zawieraja takie pierwiastki jak chrom, mangan, nikiel, molibden. Ten ostatni glownie przeciwdziała kruchości odpuszczania. Wiele stali z tej grupy pracuje w warunkach zmiennych naprężeń. Powinny się wiec cechowac także duza odpornością na zmeczenie i kruche pekanie. Inne powinny mieć dobra udarność w obniżonych temperaturach. Jedynym pierwiastkiem który zapewnia te własność jest nikiel. W tej grupie znajduja się stale do nawęglania, azotowania, ulepszania, łożyskowe i sprężynowe oraz stale dla budownictwa:

- stale do nawęglania – zastosowanie: czesci maszyn o wysokiej twardości powierzchni i ciągliwym rdzeniu, stezenie wegla w tych stalach nie przekracza 0,25%, a ponadto zawieraja mangan, chrom, nikiel, molibden. Po naweglaniu stosujemy hartowanie i niskie odpuszczanie.

- stale do azotowania – zastosowanie: czesci maszyn o wysokiej twardości powierzchni i zwiekszonej odporności korozyjnej powierzchni oraz duzej wytrzymałości rdzenia. Azotowanie prowadzimy przy temperaturze około 550˚, dlatego przed tym zabiegiem stale poddaje się hartowaniu i wysokiemu odpuszczaniu, gdyz podczas azotowania rdzen azotowanej stali nie ulega już dalszemu mięknięciu.

- stale do ulepszania – zastosowanie: czesci maszyn, pojazdow, konstrukcji. Obrobka cieplna polega na hartowaniu i odpuszczaniu przy 500-550˚C.

- stale łożyskowe (stale na lozyska toczne) – zastosowanie: pierscienie, kulki, waleczki łożysk tocznych. Stale te zawieraja 0,9-1,1%C. obrobka cieplna łożysk polega na zahartowaniu w oleju i niskim odpuszczaniu przy temperaturze 150-160˚C.

- stale sprężynowe – zastosowanie: sprężyny, resory, drazki skretne. Powinny mieć wysoka granice sprężystości i wysoka wytrzymałość zmeczeniowa. Sa to stale o wysokich zawartościach wegla z pierwiastkiem silnie utwardzającym ferryt, np. siarka, a w gatunkach o większej hartowności – chrom.

Stale narzędziowe

Sa przeznaczone do wyrobu wszelkiego rodzaju narzedzi służących do obrobki roznych materiałów droga skrawania lub obrobki plastycznej oraz narzedzi pomiarowych. Od stali konstrukcyjnych roznia się wieksza zawartością wegla i pierwiastkow stopowych – zwłaszcza weglikotworczych. Stale te powinny mieć duza twardosc, wieksza od obrabianego materialu, powinny cechować się znaczną odpornością na przenoszenie obciążeń bez odkształceń plastycznych oraz duza odpornościa na scieranie. Stale narzędziowe pracujące w warunkach obciążeń dynamicznych musza być ciągliwe, co wiaze się z obniżeniem ich twardości. Osiagamy to przez zmniejszenie zawartości wegla i stosowanie wysokiego odpuszczania. Stale przeznaczone na narzędzia skrawające powinny być odporne na scieranie i jednoczesnie zachowywac wysoka twardosc także w podwyższonych temperaturach ze względu na wydzielanie się duzych ilości ciepla na skutek tarcia podczas skrawania. Do stali takich wprowadza się pierwiastki które hamuja skłonność martenzytu do odpuszczania i wywołują twardosc wtorna – wolfram, molibden, wanad. W przypadku stali narzędziowych możemy wyroznic stale szybkotnące, do obrobki plastycznej na zimno i na goraco.

- do pracy na zimno – stale te nie powinny się nagrzewac powyżej temperatury 250˚C. Stale o małej zawartości %C z dodatkami Cr, W i Si wykazują zwiększoną ciągliwość, stąd zastosowanie na narzędzia narażone na udarowe działanie obciążeń. Głównymi dodatkami stopowymi tych stali sa: chrom, wolfram, wanad, nieliczne z nich maja zwiekszona zawartość manganu, krzemu, niklu, molibdenu. Sa to glownie stale średniostopowe. Ogolna ilość dodatkow stopowych nie przekracza w nich bowiem na ogol 3-5%. Obrobka cieplna polega na zmiękczaniu stali do ok. 250 HB droga wyzarzania. Po obrobce mechanicznej poddaje się hartowaniu w wodzie lub oleju. Temperatura hartowania na ogol jest zawarta w granicach 800-900˚C. Stale zawierające wiecej dodatkow stopowych węglikotwórczych hartuje się w temperaturach wyższych. Twardosc po hartowaniu stali o większej zawartości węglików zalezy od temperatury i czasu austenityzowania. W przypadku stali do pracy na zimno stosuje się niskie odpuszczanie. Stale te mozemy podzielic na 3 grupy:

+ stale nisko i sredniostopowe o zawartosci wegla około 1%, o malej lub sredniej hartowności. Maja one po zahartowaniu wysoka twardosc, ale stosunkowo mala odporność na odpuszczanie. Sa hartowane w wodzie lub oleju. Wykonuje się z nich narzędzia skrawające z małymi prędkościami do wszelkiej obrobki oraz przyrządy pomiarowe.

+ stale średniostopowe o zawartości wegla około 0,5% o znacznej hartowności, cechujące się niezbyt duza twardością, ale znaczna ciągliwością. Sa stosowane na narzędzia udarowe. Po zahartowaniu maja strukture martenzytyczna. Dodatki chromu, krzemu lub niklu zwiększają hartowność, a wolfram hamuje proces odpuszczania. Stale te mogą pracowac w podwyższonej temperaturze

+ stale wysokostopowe o duzej zawartości wegla dochodzącej do 2%. Maja strukture ledeburytyczna, cechuje je duza hartowność. Sa hartowane w oleju i mogą być odpuszczane w wyzszych temperaturach. Maja znaczna odporność na scieranie, mogą również pracowac w podwyższonych temperaturach. Sa glownie stosowane na narzędzia pracujące w trudnych warunkach jak wykrojniki, ciągadła, przeciągacze, rozwiertaki, noze do nożyc.

- do pracy na goraco – stosuje się do wyrobu narzedzi do obrobki plastycznej na goraco, które sa narazone na scieranie i odpuszczające dzialanie ciepla. Stosowane na narzędzia pracujące w temperaturach od 250-700˚C. Powinny mieć możliwie duza twardosc, utrzymujaca się w temperaturze pracy narzędzia, a przy pracy w warunkach obciążeń dynamicznych musza wykazywac dostatecznie duza ciągliwość. Inne wymagania to dobre przewodnictwo cieplne, odporność na zmeczenie termiczne, odporność na pekanie. Sa to glownie stale srednioweglowe zawierające glownie takie dodatki jak chrom i molibden , rzadziej wolfram, krzem, nikiel, mangan, kobalt. Obrobka cieplna tych stali powinna być przeprowadzona w taki sposób, aby w czasie pracy narzędzia był wykorzystywany efekt twardości wtornej. Stale wyzej stopowe należy hartowac od wysokich temperatur. Temperatura odpuszczania miesci się na ogol w zakresie 500-600˚C (wysokie odpuszczanie). Po ulepszaniu cieplnym stale narzędziowe do pracy na goraco maja mniejsza twardosc niż do pracy na zimno, ale przy odpuszczaniu utrzymuje się ona na stalym poziomie w temperaturze pracy narzędzia. Stale te odpuszcza się w wyzszych temperaturach niż stale do pracy na zimno. Możemy je podzielic na stale wyzej stopowe i nizej stopowe.

+ wyzej stopowe – ponad 7% dodatkow stopowych i mniejsza zawartość wegla – 0,3-0,4%, sa bardziej odporne na odpuszczające dzialanie ciepla, sa stosowane na narzędzia pracujące w szczególnie niekorzystnych warunkach

- szybkotnące – stosuje się je glownie do skrawania materiałów z duzymi prędkościami. Mogę one pracowac bez utraty twardości w temperaturach 550-600˚C. Stale te maja wysoka odporność na odpuszczanie, zawieraja znaczna ilość pierwiastkow stopowych dochodzaca nawet do 30%. Zadaniem chromu jest zapewnienie odpowiednio duzej hartowności stali. Wolfram i molibden tworza wegliki pierwotne bardzo odporne na scieranie. Kobalt zmniejsza ilość austenitu szczatkowego oraz skłonność do odpuszczania i wykruszania węglików, poprawiając tym samym skrawalność narzedzi. Wanad tworzy trudno rozpuszczalne i bardzo twarde wegliki. Struktura stali szybkotnących po odlaniu jest ledeburytyczna. Obrobka cieplna polega na hartowaniu stali od temperatur bliskich solidusu (1200-1270˚C) i nastepnym wysokim odpuszczaniu. Stale szybkotnące są dostarczane w stanie zmiękczonym, co zapewnia dobrą obrabialność mechaniczna stali. Nagrzewanie przeprowadza się zwykle w piecach solnych. Hartowanie można przeprowadzac w niezbyt intensywnych osrodkach chłodzących. Austenit szczatkowy można rozłożyć przez odpuszczanie, które przeprowadza się w temperaturze ok. 560˚C. Stwierdzono ze kilkakrotne odpuszczanie daje lepsze efekty niż jednokrotne. Po trójkrotnym odpuszczaniu pozostaje jeszcze ok. 1/3% austenitu, a uzyskana twardosc wynosi

64-65 HRC. Bardzo wazna operacja obrobki cieplnej stali szybkotnącej jest wyzarzanie zmiękczające przeprowadzone w zakresie 800-840˚C. Operacja ta ma na celu przygotowanie prawidłowej struktury do hartowania. Wlasnosci narzedzi ze stali szybkotnących zaleza od technologi ich wytwarzania. Można je otrzymac metodami:

- przez odlewanie metoda traconego wosku

- ze stali odlanej i przerobionej plastycznie

- ze stali otrzymanej metoda metalurgi proszkow

Kobalt lub molibden zwieksza w tych stalach odporność narzedzi na odpuszczające dzialanie ciepla, a tym samym polepsza skrawalność. Stale ze zwiekszona zawartością wegla i wanadu sa bardziej odporne na scieranie.

aluminium

Jest to pierwiastek ktorego udzial w skorupie ziemskiej jest bardzo znaczący i wynosi 8%. Krystalizuje w ukladzie regularnym o sieci sciennie centrowanej i nie ma odmian alotropowych. Należy do metali lekkich. Do właściwości aluminium decydujących o jego zastosowaniu naleza dobre przewodnictwo elektryczne, odporność korozyjna oraz maly ciezar właściwy. Aluminium jest stosowane na przewody elektryczne. Aluminium na powietrzu szybko pokrywa się cienka warstwa Al2O3, warstwa ta przylega scisle do materialu i chroni go przed dalsza korozja (zjawisko pasywacji). Aluminium nie jest odporne na dzialanei zasad, kwasow beztlenowych, wody morskiej oraz związków siarki. Najwazniejsza własnością stopow aluminium jest mala gęstość przy stosunkowo duzej wytrzymałości. Cechy te znajduja zastosowanie w konstrukcjach lotniczych. Stopy aluminium można podzielic na stopy do przerobki plastycznej i stopy odlewnicze.

Stopy odlewnicze: największe znaczenie odgrywaja siluminy. Cechuja się bardzo dobrymi własnościami odlewniczymi, maja dobra lejność, maly skurcz i mala skłonność do pekania. Cechy te sprawiaja ze można z nich uzyskiwac na drodze odlewania elementy o skomplikowanych kształtach i cienkich sciankach. Sa stosowane na odlewy czesci maszyn, również w przemysle okretowym, motoryzacyjnym, do wyrobow galanteryjnych oraz aparatury chemicznej.

Stopy do przerobki plastycznej: stopy wieloskładnikowe zawierające najczęściej magnez i mangan, lub magnez, mangan i miedz. Istotna cecha większości tych stopow jest możliwość utwardzania wydzieleniowego w procesie obrobki cieplnej.

Stopy jakie tutaj możemy wyroznic to:

- aldrey – bardzo dobre przewodnictwo elektryczne, w procesie utwardzania wydzieleniowego polaczonego z odkształceniem plastycznym, osiaga wysoka wytrzymałość na rozciaganie.

- aluman – mangan silnie umacnia ten stop i podnosi odporność na korozje.

- hydronalium – odporność na dzialanie korozyjne wody morskiej, jest plastyczne, spawalne, odporne na zmeczenie i daje się latwo polerowac

- anticorodal – duza odporność korozyjna osiagana w stanie po utwardzaniu wydzieleniowym, stop ten jest bardzo plastyczny i spawalny

- duraluminium – ma najlepsze własności wytrzymałościowe, sklada się z miedzi, magnezu i manganu, natomiast krzem i żelazo występują tutaj jako domieszki. W stopie tym powstaja rozne fazy miedzymetaliczne, w stanie przesyconym sklada się z roztworu stalego, z wydzieleniami nierozpuszczonych związków manganu i żelaza. Obrobka cieplna polega na starzeniu i przesycaniu.

miedz

Krystalizuje w układzie regularnym o sieci sciennie centrowanej i nie ma odmian alotropowych. Do własności miedzi decydujących o jej zastosowaniu naleza: wysoka przewodność elektryczna, przewodnictwo cieplne, duza plastyczność. Na powietrzu miedz pokrywa się warstwa zasadowego weglanu miedzi zwana patyna, która chroni ja przed dalsza korozja. Jednym z głównych zanieczyszczen miedzi jest tlen powodujacy „chorobe wodorowa”, która może powodowac powstanie mikropęknięć. Inne zanieczyszczenia miedzi to bizmut i olow które tworza niskotopliwe eutektyki na granicach ziarn. Do stopow miedzi zaliczamy: mosiądze, miedzionikle, brazy.

- Mosiadze – głównym składnikiem stopowym jest cynk, wzrost zawartości cynku powoduje wzrost wartości wytrzymałościowych a także zmiane zabarwienia od czerwonego az do prawie zoltego, maja bardzo duza plastyczność, duza odporność korozyjna, dzielimy je na grupy ze względu na zastosowanie, sklad chemiczny, strukture. W zależności od zawartości cynku mosiądze dzielimy na jednofazowe, przejściowe, dwufazowe – mosiądze dwuskladnikowe. Oprocz mosiądzów dwuskładnikowych zwanych zwykłymi istnieja także mosiądze wieloskładnikowe zwane stopowymi. Mosiądze jednofazowe zawieraja do 32% cynku, a dwufazowe od 39%. Mosiądze jednofazowe przerabiamy plastycznie na zimno, a dwufazowe plastycznie na goraco. Zastosowanie jednofazowych: przemysl okretowy, motoryzacyjny, maszynowy. Zastosowanie dwufazowych: odlewy czesci maszyn, armatura. W przypadku mosiądzów wieloskladnikowych poszczególne dodatki stopowe wpływają na własności i tak np: olow poprawia lejność oraz skrawalność, aluminium zwieksza odporność na korozje, żelazo powoduje zwiekszenie własności wytrzymałościowych, cyna zwieksza twardosc, nikiel zwieksza własności wytrzymałościowe i plastyczne. Kruchosc powoduja takie pierwiastki jak: bizmut, tellur, antymon, kadm, siarka, sellen. Mosiądze można poddawac obrobce plastycznej: wyzarzaniu ujednoradniajacemu oraz rekrystalizującemu.

- Miedzionikle – stopy miedzi z niklem, najszersze zastosowanie znalazly stopy takie jak: nikielina oraz konstantant. Nikielina ma dobre własności plastyczne a konstantant jest stosowany w elektrotechnice oraz na termoelementy.

- Brazy – stopy miedzi gdzie dodatkami stopowymi nie sa nikiel ani cynk, bywaja nazywane spizami, w porównaniu z mosiądzami maja wieksza odporność korozyjna, wieksza wytrzymałość, odporność na scieranie oraz lepsze własności ślizgowe, maja bardzo dobre własności odlewnicze, w przeszłości stosowano je do wyrobu rzezb, dzwonow i armat. Powaznym ograniczeniem brazow jest ich wysoka cena. Wyróżniamy brazy cynowe, aluminiowe, berylowe, cynowo-cynkowo-olowiowe. Ze względu na przeznaczenie brazy dzielimy na brazy odlewnicze oraz do przerobki plastycznej.

+ Brazy cynowe – cyna powoduje wzrost wytrzymałości i plastyczności. Brazy cynowe dzieli się na brazy odlewnicze i do przerobki plastycznej. Brazy odlewnicze cechuje maly skurcz, maja one często fosfor jako dodatek. Ze względu na wpływ fosforu brazy te sa twardsze i maja mniejsza plastyczność. Stosuje się je na odlewy od których oczekuje się dobrej odporności na scieranie. Brazy cynowe stosuje się w przemysle okretowym, papierniczym, chemicznym i maszynowym.

+ brazy aluminiowe – w porównaniu do brazow cynowych maja lepsze własności wytrzymałościowe i plastyczne, wieksza odporność chemiczna i żaroodporność, lepsza rzadkopłynność i mniejsza skłonność do segregacji. do wad możemy zaliczyc duzy skurcz oraz skłonność do tworzenia duzych krzyształów w odlewach. Wzrost aluminium powoduje wzrost własności wytrzymałościowych. Brazy aluminium stosuje się jako brazy odlewnicze i brazy do obrobki plastycznej. Brazy te poddaje się ulepszaniu cieplnemu-hartowaniu i odpuszczaniu.

+ brazy berylowe – oprocz berylu zawieraja tez nikiel i kobalt, a także tytan. Posiadaja one najwyższe własności mechaniczne pośród brazow oraz odporność na scieranie i odporność korozyjna. Można je poddawac obrobce plastycznej na zimno i na goraco. Posiadaja duza przewodność elektryczna i cieplna, a dodatkowo ich wazna cecha jest brak skłonności do iskrzenia. Zastosowanie: szczotki silnikow elektrycznych, czesci maszyn w wytworniach materiałów wybuchowych, sprężyny, elementy pomp, narzędzia chirurgiczne.