Materiały konstrukcyjne stosowane w budowie maszyn

Znajomość właściwości materiałów konstrukcyjnych, metod ich modyfikacji, sposobów wykonania elementów maszyn z poszczególnych materiałów jest warunkiem koniecznym do powstania optymalnej konstrukcji.

Dobór materiałów w procesie projektowo-konstrukcyjnym jest uzależniony głównie od uwarunkowań eksploatacyjnych i ograniczeń ekonomicznych. Przy konstruowaniu maszyn mających już swoje odpowiedniki, można ułatwić sobie dobór wzorując się na istniejących rozwiązaniach. Również porównanie z takimi samymi elementami pracującymi w innych maszynach w identycznych lub podobnych warunkach może ułatwić taki dobór. Nie zwalnia to jednak konstruktora od przeprowadzenia rozważań nad zastosowaniem innych materiałów. Aplikacje badań naukowych powiększają pole wyboru o nowe materiały o korzystniejszych właściwościach. Zmieniające się relacje cenowe niekiedy pozwalają na wprowadzenie do powszechnego stosowani materiały wcześniej znajdujące tylko specjalistyczne zastosowanie.

Znacznie trudniejszy jest dobór materiałów na elementy maszyn nie mające istniejących odpowiedników. W takim przypadku dobór może być oparty na doświadczeniach przeprowadzonych w przewidywanych warunkach pracy projektowanego elementu.

Przydatność materiału na określoną konstrukcję charakteryzują właściwości: mechaniczne, fizyczne, chemiczne i technologiczne, a także jego dostępność na rynku i cena.

Właściwości mechaniczne to:

- wytrzymałość na ściskanie, rozciąganie, zginanie, ścinanie,

• granica plastyczności,

• twardość,

• wydłużenie,

• wytrzymałość zmęczeniowa.

Właściwości fizyczne to:

• ciężar właściwy,

• przewodność cieplna,

• przewodność elektryczna,

• właściwości magnetyczne.

Właściwości chemiczne to:

• odporność na korozję (działanie kwasów, ługów i innych czynników chemicznych,

• żaroodporność.

Właściwości technologiczne opisujące podatność na kształtowanie to m. in.:

• obrabialność,

• tłoczność,

• spawalność,

• hartowność,

• lejność.

Materiały powszechnie stosowane w budowie maszyn, można podzielić na:

• stopy żelaza ( stal, staliwo, żeliwo )

• metale nieżelazne (głównie są to: miedź i stopy miedzi, aluminium i stopy aluminium, magnez i stopy magnezu),

• tworzywa niemetalowe.

Dotychczas największe zastosowanie w budowie maszyn znajdują stopy żelaza w

różnych postaciach.

Z wielu powodów uzasadnione jest klasyfikowanie i grupowanie materiałów konstrukcyjnych. W Polsce realizowały to przepisy Polskiego Komitetu Normalizacji , Miar i Jakości,, który z czasem przekształcił się w Polski Komitet Normalizacyjny. Rosnąca współpraca i wymiana międzynarodowa wymusiły działania zmierzające do ujednolicenia norm w skali światowej przez federację krajowych jednostek normalizacyjnych zrzeszonych w Międzynarodowej Organizacji Normalizacyjnej ISO. Projekty norm zaakceptowane przez 75% organizacji członkowskich staja się normami międzynarodowymi. Te z kolei przetłumaczone przez Polski Komitet Normalizacyjny stają się polska wersją normy międzynarodowej.

W ostatnim czasie sytuacja dodatkowo skomplikowała się w związku z przystąpieniem Polski do Unii Europejskiej. Z chwilą przystąpienia do Europejskiego Komitetu Normalizacyjnego CEN, krajowa jednostka normalizacyjna jest zobowiązana do nadania normom europejskim statusu normy krajowej bez wprowadzania jakichkolwiek zmian. Konieczne jest przetłumaczenie przez Polski Komitet Normalizacyjny norm z oficjalnych wersji opracowanych w trzech językach; angielskim francuskim i niemieckim.

Zatem w chwili obecnej funkcjonują trzy rodzaje norm. Niemal cała literatura dostępna na rynku i w bibliotekach odwołuje się do norm PN, rzadziej PN-ISO i sporadycznie do PN-EN ISO. Również dokumentacja konstrukcyjna powstała w ostatnich latach opierała się o normy, które straciły lub niedługo stracą aktualność. Aby nie stracić kontaktu ze stanem aktualnym, autorzy w niniejszym wydaniu będą korzystali ze starych unormowań, ale podadzą również wymogi norm wchodzących do użytkowania.

Stopy żelaza

Stopy żelaza to materiały zawierający masowo więcej żelaza niż jakiegokolwiek innego pierwiastka. Takie stopy używane jako materiały konstrukcyjne można podzielić na dwie grupy:

1. stale,

2. żeliwa

O zaliczeniu do jednej z tych grup decyduje zawartość węgla. Zgodnie z normą PN-EN10020:2003 “Definicja i klasyfikacja gatunków stali” stalą jest stop żelaza o zawartości węgla w zasadzie mniejszej niż 2% i zawierający dodatkowo inne pierwiastki.

Stal dostarczana na rynek, produkowana jest w kilku postaciach :

• walcowana na gorąco,

• walcowana na zimno,

• postać kuta nadana przez kucie, prasowanie lub tłoczenie na gorąco,

• ciągniona na zimno,

Oddzielną grupę gatunków stali stanowią staliwa. Staliwo to stal która nadaje się do odlewania w formach odlewniczych.

Do wytwarzania odlewów używane jest również żeliwo. Jest to stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami zawierający nie mniej niż 2 % węgla.

System oznaczania stali i żeliw w Unii Europejskiej

Wg PN-EN10020 „Definicja i klasyfikacja gatunków stali” stale dzielą się na:

a)stale niestopowe - stale, w których zawartość pierwiastków stopowych jest mniejsza od wartości granicznych

b)stale stopowe - stale, w których zawartość przynajmniej jednego pierwiastka osiąga lub

przekracza wartość graniczną.

Oddzielną grupę stali stopowych stanowią stale odporne na korozje, do których zaliczane są: nierdzewne, żaroodporne i żarowytrzymałe. Stale odporne na korozję zawierają co najmniej 10,5% chromu i max 1,2% węgla.

System oznaczania stali za pomocą symboli

Wg PN-EN 10027-1:1994 „Systemy oznaczania stali. Znaki stali, symbole główne”, każda stal powinna mieć tylko jeden jednoznaczny znak. Należy go pisać bez spacji między symbolami. Pełne oznaczenie wyrobu hutniczego w zamówieniu lub innym dokumencie kontraktowym powinno zawierać oprócz znaku stali inne symbole związane z warunkami dostawy.

a) Początkowy symbol staliwa

Znak gatunku staliwa wg. grupy 1 i grupy 2 jest poprzedzony literą G i składa się z symboli wg. p. b i p. c.

b) Stale oznaczane wg ich zastosowania i właściwości

Przy oznaczenia wg zastosowania i właściwości, stosowany jest poniższy schemat:

Litery określające wybrane gatunki stali mają następujące znaczenie:

S - stal konstrukcyjna

P - stal do pracy pod ciśnieniem;

L - stal na rury przewodowe;

E - stal maszynowa;

Za symbolem literowym wymienionych gatunków stali umieszcza się liczbę będącą minimalną granicą plastyczności w N/mm² dla najmniejszego zakresu grubości wyrobu.

Dla inżynierów mechaników szczególnie ważne są stale konstrukcyjne i stale maszynowe. Stale konstrukcyjne wytwarzane są w postaci blach i kształtowników. Znajdują zastosowanie w realizacji konstrukcji nośnych platform wiertniczych i wydobywczych gazu i ropy, masztów radiowych a także budynków mieszkalnych i przemysłowych. Wykonuje się z nich mosty, kadłuby statków, rurociągi do transportu ropy i gazu oraz zbiorniki ciśnieniowe. Przy realizacji konstrukcji powszechnie stosuje się spawanie, które powinno zapewnić wysoką jakość połączenia.

Stale maszynowe to duża grupa stali, które zwykle obrabia się cieplnie dla uzyskania wytrzymałości na rozciąganie przekraczającej 700 MPa [Blicharski]. Wytwarza się z nich elementy o ściśle określonej sztywności, wytrzymałości, odporności na: pękanie, zmęczenie, pełzanie korozję i zużycie. Stale te charakteryzują się dobrą hartownością, skrawalnością i niekiedy również dobrą zdolnością do kształtowania procesami odkształcenia plastycznego na zimno. Ponad połowa stali maszynowych jest wykorzystywana w budowie urządzeń stosowanych w transporcie a zwłaszcza w przemyśle samochodowym.

Według podanego schematu tworzone są również znaki następujących gatunków stali i wyrobów ze stali:

B - stal do zbrojenia betonu,

Y - stal do betonu sprężonego,

R - stal na szyny lub w postaci szyn,

H - wyroby płaskie walcowane na zimno ze stali o podwyższonej wytrzymałości przeznaczonych do kształtowanie na zimno,

D - wyroby płaskie ze stali miękkich przeznaczonych do kształtowania na zimno,

T - wyroby walcowni blachy ocynowanej,

M - stale elektrotechniczne.

Przykład:

S185 - stal konstrukcyjna o wartości granicy plastyczności R_e=185 MPa

c) Stale oznaczane wg składu chemicznego

Przy oznaczenia wg składu chemicznego przyjmowany jest poniższy schemat:

W zależności od gatunku stali niektóre pozycji w podanym schemacie znaku stali są pomijane.

Stale niestopowe (bez stali automatowych) o średniej zawartości manganu <1%

Znak stali zawiera symbole główne oraz mogą być symbole dodatkowe dla gatunków stali i symbole dodatkowe dla wyrobów stalowych..

Symbol główny to litera C i następująca bezpośrednio po niej liczba będąca 100-krotną średnią wymaganą zawartością procentową węgla.

Stale niestopowe o średniej zawartości manganu > 1% i niestopowe stale automatowe,

stale stopowe (bez stali szybkotnących) o zawartość każdego pierwiastku stopowego < 5%)

W oznaczeniu takich stali na początku znaku brak członu literowego. Znak rozpoczyna się od liczby będącej 100-krotną wymaganą średnią zawartością węgla w procentach. Natomiast skład i zawartość pierwiastków stopowych podaję się w ten sposób, że najpierw wpisują się symbole pierwiastków w kolejności malejącej zawartości i dalej liczby oddzielone kreską poziomą oznaczające zawartość wymienionych pierwiastków. Każda liczba oznacza średnią procentową zawartości pierwiastka pomnożony przez współczynnik

Stale stopowe (bez stali szybkotnących) zawierające przynajmniej jeden pierwiastek stopowy ≥5%

Przypisanym symbolem literowym w oznaczeniu takich stali jest X. Bezpośrednio po nim następuje liczba będąca 100-krotną wymaganą średnią zawartością węgla.

Skład i zawartość pierwiastków stopowych podaję się w podobny sposób jak dla stali niestopowych, tylko że liczby określające zawartość każdego pierwiastka oznaczają rzeczywistą średnią procentową zawartość stosownego pierwiastka.

Przykłady oznaczeń stali wg składu chemicznego:

C45 - stal niestopowa która może zawierać 0,42 - 0,50 % węgla, 0,50 - 0,80 Mn,

C35E - stal niestopowa zawierająca ok. 0,35 % węgla i nie więcej niż 0,035 % siarki,

C35R - stal niestopowa zawierające ok. 0,35 % węgla i 0,020 - 0,040 % siarki,

28Mn6 - stal niestopowa zawierająca ok. 0.28 % węgla i ok. 1,48 % manganu,

10S20 - stal automatowa o średniej zawartości: 0,10 % węgla, 0,90 % manganu, 0,20 % siarki,

41Cr4 - stal stopowa o średniej zawartości: 0,41 % węgla, 1,05 % chromu,

20NiCrMo2-2 - stal stopowa o średniej zawartości: 0,20 % węgla, 0,80 manganu, 0,55 % niklu, 0,53 % chromu, 0,20 % molibdenu,

X10CrNi18-8 - stal stopowa która może zawierać 0,05 - 0,15 % węgla, 16,0 - 19,0 % chromu, 6,0 - 9,5 niklu,

HS2-9-1-8 - stal szybkotnąca o średniej zawartości: 1,10 % węgla, 1,6 % wolframu, 9,5 % molibdenu, 1,1 % wanadu, 8,0 % kobaltu.

System cyfrowy oznaczania stali za pomocą numerów

Numery stali ustala się dla gatunków stali wg ich charakterystyki obejmującej:

• skład chemiczny,

• dane określone znormalizowanymi metodami badań,

• podatność na przerób,

• przydatność do specjalnych zastosowań.

Oznaczenie stali na podstawie numerów dokonywane jest wg następującego schematu:

Cyfra 1 jest przypisana do oznaczenia wszystkich stali jako jednej z grup materiałowych.

Nr. grupy do której należy oznaczona stal przybiera wartości z przedziału: 0 - 79.

Np:

12 - stale konstrukcyjne , maszynowe i na zbiorniki ciśnieniowe o zawartości węgla C ≥ 0.5% 45- stale odporne na korozję.

Nr. gatunku - to numer stali w rozpatrywanej grupie.

Numery stali ustala się tylko dla tych gatunków, które mają znaczenie handlowe.

Przykład:

14502 - stal odporna na korozję, gatunek 02.

Oznaczanie żeliw za pomocą symboli.

a) Oznaczanie wg własności mechanicznych.

Każdemu gatunkowi żeliwa odpowiada tylko jedno oznaczenie na podstawie symboli. Powinno ono obejmować najwyżej sześć pozycji, przy czym niektóre z nich mogą zostać w ogóle nie wykorzystane. Między wykorzystanymi pozycjami nie zostawia się odstępów.

• Pozycja 1: EN-,

• Pozycja 2: Symbol dla żeliwa,

• Pozycja 3: Symbol dla postaci grafitu,

• Pozycja 4: Symbol dla mikrostruktury lub makrostruktury,

• Pozycja 5: Symbol dla klasyfikacji według własności mechanicznych lub według składu chemicznego,

• Pozycja 6: Symbol dla wymagań dodatkowych.

Zgodnie z PN-EN1560:2001 "System oznaczania żeliw" oznaczenie podstawowych żeliw

węglowych tworzone jest według poniższego schematu.

Przykłady:

• EN-GJL-300 - żeliwo szare o R_m = 300Mpa,

• EN-GJMW-350-4- żeliwo ciągliwe białe o R_m = 350MPa i wydłużeniu - min 4%.

b) Oznaczenie wg składu chemicznego.

W przypadku klasyfikacji żeliwa według jego składu chemicznego, pierwszym symbolem w pozycji 5 jest litera X. Pozostałe symbole w tej pozycji powinny zawierać symbole chemiczne istotnych pierwiastków stopowych po których podaje się ich zawartości zaokrąglone do liczb całkowitych oddzielonych od siebie łącznikiem.

Przykład: EN-GJL-XniMn13-7

Jeżeli wymagane jest podanie zawartości węgla, to powinna ona być wyrażona liczbą równą 100-krotnej procentowej zawartości węgla następującą po literze X.

Przykład: EN-GJN-X300CrNiSi9-5-2

Oznaczanie żeliw za pomocą numerów

Każdemu gatunkowi żeliwa odpowiada tylko jedno oznaczenie za pomocą numerów. Obejmuje ono dziewięć znaków. Pierwszy, drugi, czwarty i piąty znak są wielkimi literami, trzeci jest łącznikiem, znaki od szóstego do dziewiątego to cyfry arabskie, np.:

Przykład: EN-JL2171,

EN-JS1131.

Podsumowanie systemu oznaczeń symbolowych

schemat.doc lub schem433.doc

Własności wytrzymałościowe wybranych metalowych materiałów konstrukcyjnych.

Stale konstrukcyjne

Polska norma PN-EN 10277 -2 „Wyroby stalowe o powierzchni jasnej - Warunki techniczne dostawy - Część 2: Stale konstrukcyjne ogólnego stosowania” omawia 12 stali jakościowych niestopowych.

Wykonując niezbyt odpowiedzialne konstrukcje w budownictwie ogólnym i przemysłowym można zastosować niestopowe stale konstrukcyjne. Są dostarczane w postaci blach, taśm, prętów i kształtowników. Mogą być poddane kształtowaniu przez obróbkę plastyczną na zimno. Zespoły wykonywane z tych stali można łączyć przez nitowanie, spawanie oraz z użyciem śrub. Wybrane właściwości mechaniczne zaczerpnięte z normy PN-EN 10025:2002 podano w tablicy 4.4. Norma zawiera również trzy gatunki stali maszynowych. W tablicy podano dla porównania odpowiadające składem chemicznym gatunki stali zgodne z normą PN-88/H-84020

ZASTOSOWANIE

S185 - stosuje się na mało obciążone i mniej odpowiedzialne elementy maszyn i konstrukcji stalowych, które można wykonać przez prasowanie, tłoczenie i gięcie na zimno.

S235 - wykonuje się słabo obciążone elementy maszyn; śruby, cięgła, haki nakrętki osie.

S275, S355 - stosuje do wykonania średnio obciążonych elementów maszyn, takich jak: wały, osie, czopy, korbowody, dźwignie śruby, tłoki wały wykorbione, koła zębate.

Stale maszynowe

Dla uzyskania większej wytrzymałości stale maszynowe zwykle poddaje się obróbce cieplnej. Zatem zalicza się do nich m. in. stale:

• do ulepszania cieplnego,

• do hartowania powierzchniowego,

• do nawęglania,

• do azotowania,

• umocnione wydzielinowo z temperatury obróbki plastycznej na gorąco,

• do hartowania bezpośredniego,

• automatowe, sprężynowe,

• łożyskowe,

• do kształtowania na zimno.

Małe i średnie elementy maszyn, pojazdów i konstrukcji przed którymi stawia się wyższe wymagania dotyczące wytrzymałości, odporności na pękanie oraz ciągliwości, wykonuje się ze stali do ulepszania cieplnego. Ich skład chemiczny oraz własności mechaniczne podane są w normie PN-EN 10083-1 + Al: 1999 + Apl: 2003 „Stal do ulepszania cieplnego. Techniczne warunki dostawy wyrobów ze stali specjalnych”.

Elementy maszynowe, które powinny mieć twardą powierzchnię przy elastycznym rdzeniu mogą uzyskać wymagane własności przez hartowanie powierzchniowe, zwłaszcza indukcyjne. Jest to szybki, niezawodny i stosunkowo tani proces. Stosuje się go do wałów korbowych, wałów napędowych i kół zębatych. Temu zabiegowi mogą być poddawane elementy wykonane ze stali do ulepszania cieplnego o małej hartowności i zawartości węgla powyżej 0,4 %.

Aby uzyskać twardą warstwę wierzchnią elementu maszynowego, odporną na ścieranie oraz zmęczenie przy równoczesnej dużej udarności i ciągliwości rdzenia o małej zawartości węgla, można przeprowadzić proces nawęglania. Polega on na wprowadzeniu do warstwy wierzchniej dodatkowego węgla. Po nawęglaniu należy przeprowadzić a następnie odpuszczanie. Gatunki stali poddawanych nawęglaniu przedstawione są w normie PN-EN 10084:2002.

Stale stopowe przeznaczone do wykonania elementów współpracujących ślizgowo mogą być poddawane procesowi azotowania. Pozwala on na uzyskanie cienkiej lecz twardej i odpornej na ścieranie warstwy wierzchniej odpornej na korozję. Gatunki stali poddawanych azotowaniu przedstawione są w normie PN-EN 10085:2003.

ZASTOSOWANIE

E295 - stosuje do wykonania średnio obciążonych elementów maszyn, takich jak: wały, osie, czopy, korbowody, dźwignie śruby, tłoki wały wykorbione, koła zębate.

E355 - może być hartowana i ulepszana cieplnie. Charakteryzuje się dużą wytrzymałością lecz małą plastycznością. Jest przeznaczona na części znacznie obciążone dość odporne na ścieranie, np.: kołki ustalające kliny ślimaki, niezbyt obciążone koła zębate, części pras i obrabiarek

E360 - odznacza się dużą wytrzymałością lecz małą plastycznością, jest przeznaczona na części o dużej twardości i odporności na ścieranie, takie jak: walce matryce, młoty kowadła, elementy suwnic, koparek i dźwigów, koła jezdne, sprzęgła.

C10 - stosuje się głównie do wytwarzania wyrobów tłoczonych na zimno, podlegających niewielkim obciążeniom. Są to stale dobrze spawalne. Stal uspokojoną 10 ma podobne zastosowanie ale może być nawęglana i cjanowana.

C15, C16 - wytwarzane z nich są niezbyt obciążone śruby, koła zębate, osie wały, czopy, sworznie. Mogą być nawęglane i cjanowane.

C35 - stosowane są na wały, osie, śruby napędowe przy obciążeniach statycznych i zmiennych.

C40, C45, C50 - stosuje się jako ulepszane cieplnie przed obróbką skrawaniem. Później można je hartować powierzchniowo do twardości 45 HRC a nawet 62 HRC .

Wytwarzane są: koła zębate, wały rozrządu, wały korbowe dla pojazdów mechanicznych, wały silników elektrycznych, śruby napędowe, sworznie łańcuchów napędowych, sworznie tłokowe, wrzeciona obrabiarek, ślimaki, części pras i młotów, pryzmy do wag

4.4.3. Żeliwa

Charakterystycznym przedstawicielem żeliw niestopowych są żeliwa szare, które znalazły największe zastosowanie przemysłowe. Ze względu na istnienie w ich strukturze karbów naturalnych posiadają niewielką wytrzymałość zmęczeniową. Ich właściwości mechaniczne podaje norma PN-EN1561:2000 "Żeliwa szare".

Żeliwa szare mające R_m= 100 ÷150 MPa stosuje się na elementy mało lub nieobciążone; korpusy i podstawy maszyn, obudowy, osłony, pokrywy, koła pasowe, korby, armaturę,

Żeliwa szare mające R_m= 200 ÷250 MPa służą do wytwarzania średnio obciążonych elementów maszyn; korpusów silników, pomp, sprężarek, pras, silników, także kół zębatych, tulei cylindrowych,, tłoków, części sprzęgieł hamulców,

Z żeliw szarych o R_m= 300 ÷350 MPa wykonywane są koła zębate, koła łańcuchowe, ślimacznice, korpusy zaworów, bębny i tarcze hamulcowe.

Znaczącą poprawę własności mechanicznych żeliwa można uzyskać przez modyfikowanie go przed odlaniem dodatkami sferoidyzującymi. Żeliwo sferoidalne może z powodzeniem zastępować staliwo i w wybranych zastosowaniach stal. Niektóre z nich mogą być obrabiane plastycznie i umacniane powierzchniowo [2].

Z żeliw sferoidalnych wytwarzane są wały korbowe, wałki rozrządu, koła zębate, wrzeciona, cylindry i pierścienie tłokowe, znacznie obciążone korpusy.

Własności mechaniczne żeliw sferoidalnych podaje norma PN-EN1563:2000 "Żeliwa sferoidalne".

Żeliwa ciągliwe powstają przez długotrwałe wyżarzanie w wysokiej temperaturze a następnie wolne chłodzenie. Stosownie do przebiegu procesu otrzymuje się:

• żeliwo ciągliwe białe,

• żeliwo ciągliwe czarne,

• żeliwo ciągliwe perlityczne.

Stosuje się je do wytwarzania w produkcji wielkoseryjnej elementów o złożonych

kształtach, dużej wytrzymałości, dobrej plastyczności, które mogą podlegać obciążeniom udarowym.

Własności mechaniczne żeliw ciągliwych podaje norma PN-EN1562:2000 "Żeliwa ciągliwe". W tablicy 4.7 przytoczono własności dla próbek o nominalnej średnicy 12 mm

• EN-GJMW-360-12 - żeliwo najbardziej odpowiednie do procesu spawania;

• EN-GJMB-300-6 - żeliwo zalecane gdy potrzebna jest wysoka szczelność odlewu

6

Właściwości materiału (np. granica plastyczności, wytrzymałość doraźna, twardość)

Litera określająca gatunek stali lub wyrobu (wskazująca na zastosowanie)

Symbol literowo-cyfrowy opisujący skład i zawartość pierwiastków stopowych

100 x procentowa zawartość węgla

Symbol literowy przypisany danej podgrupie stali

Nr. grupy grupy

Nr. gatunku

1

Liczba określająca gwarantowane minimalne wydłużenie w procentach (tylko dla żeliw GJS i GJM)

Trzycyfrowa liczba , określająca R_m w MPa

Symbole:

EN-GJL -żeliwo szare;

EN-GJS- żeliwo sferoidalne

EN-GJMW- żeliwo ciągliwe białe;

EN-GJMB- żeliwo ciągliwe białe;

---