Stale staliwa i zeliwa - Notatki - Materiałoznastwo - Część 3, Notatki z Materiały inżynieryjne

Pobierz Stale staliwa i zeliwa - Notatki - Materiałoznastwo - Część 3 i więcej Notatki w PDF z Materiały inżynieryjne tylko na Docsity! 116 JW Rys. 7.7. Pasmo hartowno ci dla próby hartowania od czo!a stali 40H Rys. 7.6. Wp!yw temperatury odpuszczania oraz grubo ci wyrobu na w!asno ci mechaniczne: a) stali w"glowej 40, b) stali stopowej 40HNMA Rys. 7.8. Pasmo hartowno ci dla próby hartowania od czo!a stali 40HNMA docsity.com 117 JW 7.4.6. Stale stopowe konstrukcyjne do naw glania Naw"glanie ma na celu uzyskanie twardej i odpornej na cieranie warstwy wierzchniej elementu konstrukcyjnego, przy zachowaniu wysokiej udarno ci i ci#gliwo ci rdzenia. W!asno ci te uzyskuje si" przez odpowiedni# obróbk" ciepln#. Du$# twardo % osi#ga si" przez wzbogacenie warstwy powierzchniowej w w"giel i nast"pnie zahartowanie. Drugim zagadnieniem jest sprawa wytrzyma!o ci rdzenia naw"glonego przedmiotu. Na ogó! wymaga si" od rdzenia du$ej udarno ci i ci#gliwo ci, aby skompensowa% niebezpiecze&stwo, które przedstawia warstwa powierzchniowa o du$ej twardo ci i krucho ci. Z tego wzgl"du zawarto % w"gla w stalach do naw"glania jest niska i wynosi zazwyczaj 0,10 0,25%, natomiast wy$sz# wytrzyma!o % rdzenia uzyskuje si" dzi"ki obecno ci pierwiastków stopowych. W porównaniu ze stalami w"glowymi stale stopowe do naw"glania maj# wy$sz# wytrzyma!o % na rozci#ganie zarówno w stanie zmi"kczonym, jak i zahartowanym, a dzi"ki wi"kszej hartowno ci wysok# wytrzyma!o % mo$na uzyska% w elementach o wi"kszych przekrojach przy jednocze nie du$ej udarno ci, du$ym przew"$eniu i wyd!u$eniu. Przedmioty wykonane ze stali stopowej charakteryzuje wi"c po naw"gleniu i zahartowaniu du$a wytrzyma!o % rdzenia, której nie mo$na uzyska% przy u$yciu stali w"glowych. Z tego wzgl"du stal stopow# do naw"glania stosuje si" wy!#cznie na wysoko obci#$one, wa$ne elementy konstrukcyjne silników, pojazdów mechanicznych i samolotów oraz na inne odpowiedzialne cz" ci maszyn. Aby spe!ni% zasadniczy postulat uzyskania najwy$szej twardo ci powierzchniowej, nale$y warunki hartowania dostosowa% do sk!adu chemicznego warstwy naw"glonej, dla której w!a ciwa temperatura hartowania jest znacznie ni$sza ni$ temperatura hartowania w!a ciwa dla rdzenia. Poza tym temperatura odpuszczania po hartowaniu musi by% niska, gdy$ ju$ przy 150°C twardo % warstwy naw"glanej zaczyna si" zmniejsza%. Wobec tego, $e w!asno ci stali do naw"glania nie mo$na zmienia% przez odpuszczanie, sk!ad chemiczny stali jest zasadniczym czynnikiem rozstrzygaj#cym o w!asno ciach wytrzyma!o ciowych rdzenia. Wynika st#d, $e dobrawszy odpowiednio zawarto % pierwiastków stopowych mo$na uzyska% jednocze nie potrzebn# wytrzyma!o % rdzenia w wymaganym przekroju i po$#dan# twardo % powierzchniow# po naw"gleniu. Poniewa$ jednak ka$dy gatunek stali pozwala na osi#gni"cie tylko w#skiego zakresu wytrzyma!o ci rdzenia, aby uzyska% szeroki zakres wytrzyma!o ci Rm 700 1500 MPa i spe!ni% ró$norodne wymagania dotycz#ce twardo ci powierzchniowej, nale$y mie% do dyspozycji do % du$o gatunków stali do naw"glania. Polskie Normy obejmuj# !#cznie 20 gatunków stali stopowych do naw"glania. W grupie stali stopowych konstrukcyjnych (PN-89/H-84030/02) Polskie Normy wyszczególniaj# 16 gatunków stali do naw"glania: 15H, 20H, 16HG, 20HG, 18HGT, 15HGM, 15HGMA, 18HGM, 17HGN, 15HGN, 15HN, 15HNA, 20HNM, 22HNM, 17HNM, 18H2N2 a w grupie stali stopowych konstrukcyjnych przeznaczonych do wyrobu sprz"tu szczególnie obci#$onego (PN-72/H-84035) - 4 gatunki stali do naw"glania: 12HN3A, 12H2N4A, 20H2N4A, 18H2N4WA. Stale te odznaczaj# si" nisk# zawarto ci# w"gla ( rednio 0,12-0,22%), zawieraj# prawie zawsze 0,5 2% Cr oraz zale$nie od gatunku równie$ Mn, Ni, Mo oraz rzadziej Ti i W. Najni$sze w!asno ci mechaniczne rdzenia uzyskuje si" w przypadku stali chromowych i chromowo-manganowych (15H, 20H, 16HG, 20HG). Mangan w omawianych stalach sprzyja niekorzystnemu rozrostowi ziarn. Przeciwdzia!a si" temu przez dodatek Ti, np. w stali 18HGT. Wobec mniejszej sk!onno ci do rozrostu ziarn, stal mo$e by% naw"glana w szerokim zakresie temperatury. Wytrzyma!o % rdzenia na rozci#ganie w tych stalach mo$e dochodzi% do ponad 1200 MPa. Stale chromowo-niklowe (15HN, 17HNM, 18H2N2) uzyskuj# znacznie lepsze w!asno ci, ze wzgl"du jednak na drogi dodatek niklu zast"powane s# coraz cz" ciej stalami chromowo- manganowo-molibdenowymi (15HGM, 18HGM, 19HM) równie$ wykazuj#cymi wysokie w!asno ci mechaniczne i du$# hartowno %. Elementy maszyn wymagaj#ce wysokich w!asno ci plastycznych rdzenia i jednocze nie bardzo wysokiej wytrzyma!o ci (Rm = 1200 1400 MPa), jak np. cz" ci silników lotniczych, wykonuje si" ze stali chromowo-niklowych wy$szej jako ci: wi"kszej zawarto ci chromu (ok. docsity.com 120 JW Obróbka cieplna stali !o$yskowych polega na hartowaniu w oleju od temperatur 815 860°C (zale$nie od grubo ci wyrobu) i niskim odpuszczaniu w temperaturze ok. 160°C. Po obróbce cieplnej stal powinna mie% twardo % co najmniej 61HRC. Struktura stali !o$yskowych w stanie obrobionym cieplnie sk!ada si" z drobnoziarnistego odpuszczonego martenzytu i drobnych wtr#ce& równomiernie roz!o$onych w"glików chromu (rys. 7.9). Rys. 7.9. Mikrostruktura stali !o$yskowej (H15 po hartowaniu i niskim odpuszczaniu. Traw. 3% nitalem Powi"ksz. 630x Na !o$yska toczne pracuj#ce w rodowiskach powoduj#cych korozj" stosuje si" najcz" ciej stal H 18 zawieraj#c# ok. 1% C i 18% Cr. Du$a zawarto % chromu w tej stali jest niezb"dna, by nada% jej znaczn# odporno % na korozj". Obróbka cieplna tej stali polega na hartowaniu w oleju od temperatury 1050°C, obróbce podzerowej w 70°C i odpuszczaniu w temp. ok. 160°C. Twardo % stali po takiej obróbce wynosi 60 61 HRC. 7.5. Stale narz dziowe stopowe Zale$nie od warunków pracy, od stali narz"dziowych wymaga si" wysokie twardo ci i hartowno ci, odporno ci na cieranie, odpowiedniej wytrzyma!o % i ci#gliwo ci (zw!aszcza w przypadku obci#$e& udarowych), odporno ci na odpuszczaj#ce dzia!anie ciep!a oraz twardo ci i wytrzyma!o ci w podwy$szonych temperaturach. W!asno ci te w decyduj#cej mierze zale$# od sk!adu chemicznego tych stali rodzaju i ilo ci dodatków stopowych), a tak$e od przeróbki plastycznej i obróbki cieplnej, które w istotny sposób wp!ywaj# na struktur" i w!asno ci stali. Twardo % stali zahartowanej zale$y przede wszystkim od zawarto ci w"gla, przy czym maksymaln# twardo % ok. 66 HRC osi#ga martenzyt przy zawarto ci w"gla ok. 0,8%. Pierwiastki stopowe nie powi"kszaj# twardo ci w sposób istotny, ale g!ównie zwi"kszaj# hartowno % i tworz# twarde w"gliki odporne na cieranie. Wi"ksza hartowno % jest wymagana w odniesieniu do stali narz"dziowych, szczególnie w tych przypadkach, gdy podczas pracy narz"dzia wyst"puj# znaczne naciski. Wówczas warstwa zahartowana na martenzyt musi by% odpowiednio grubsza i potrzebna jest wi"ksza wytrzyma!o % rdzenia. Osi#ga si" to przez stosowanie stali narz"dziowych stopowych. Przy bardzo du$ych naciskach konieczne jest stosowanie stali hartuj#cych si" na wskro . Narz"dzia wykonane ze stali stopowych hartuje si" w oleju. (agodniejsze ch!odzenie (w porównaniu ze stalami narz"dziowymi w"glowymi, które hartuje si" w wodzie) zmniejsza niebezpiecze&stwo p"kni"% i odkszta!ce&, co jest bardzo istotne w przypadku narz"dzi o z!o$onych kszta!tach. Wysoka odporno % na cieranie narz"dzi, zw!aszcza stosowanych do obróbki w produkcji seryjnej lub jako narz"dzia pomiarowe, staje si" parametrem decyduj#cym. Odporno % na cieranie stali narz"dziowych osi#ga si" przez zwi"kszenie ilo ci twardych w"glików stopowych w strukturze zahartowanej stali, a zw!aszcza w"glików chromu (typu M23C6) i wolframu (M6C). Klasyfikacja stali narz"dziowych stopowych opiera si" g!ównie na ich zastosowaniu. W szczególno ci mo$na wyró$ni% nast"puj#ce grupy obj"te normami: - stale narz"dziowe stopowe do pracy na zimno (PN-86/H-85023), - stale narz"dziowe stopowe do pracy na gor#co (PN-86/H-85021), - stale szybkotn#ce (PN-86/H-85022). docsity.com 121 JW Przyj"ty przez polskie normy sposób oznaczania stali narz"dziowych stopowych ró$ni si" od oznacze& stali stopowych konstrukcyjnych. Znak stali sk!ada si" z liter liczb, przy czym pierwsza litera oznacza zawsze grup" stali narz"dziowych: N — stale narz"dziowe stopowe do pracy na zimno, W — stale narz"dziowe stopowe do pracy na gor#co, S — stale szybkotn#ce. Nast"pna litera lub kilka liter okre laj# sk!adniki stopowe lub grup" sk!adników, przy czym symbolika jest tu nieco inna ni$ w przypadku stali konstrukcyjnych specjalnych, a mianowicie: M - mangan, W - wolfram, S - krzem, K - kobalt, C - chrom, B - bor, N - nikiel, P - chrom + nikiel + wanad, L - molibden, Z - krzem + chrom + wolfram. V - wanad, Liczba znajduj#ca si" na ko&cu lub w rodku znaku s!u$y do odró$nienia poszczególnych gatunków stali zawieraj#cych te same sk!adniki stopowe. W stalach szybkotn#cych liczby te oznaczaj# redni# zawarto % g!ównego sk!adnika stopowego w procentach. 7.5.1. Stale narz dziowe stopowe do pracy na zimno Ze stali narz"dziowych stopowych do pracy na zimno wykonuje si" narz"dzia s!u$#ce do obróbki materia!ów w temperaturze otoczenia. Stale te w porównaniu ze stalami narz"dziowymi w"glowymi maj# wi"ksz# hartowno %, wy$sz# wytrzyma!o % i ci#gliwo % oraz lepsz# odporno % na cieranie. Polska Norma PN-86/H-85023 obejmuje 18 gatunków stali narz"dziowych stopowych do pracy na zimno: NV (V 0,22) NW1 (W 1,25) NWV (Mn 1,9, V 0,15) NZ2 (Si 0,95, Cr 1,05, W 1,85, V 0,22) NCV1 (Cr 0.55, V 0,22) NZ3 (Si 0,95, Cr 1,05, W 1,85, V 0,22) NCMS (Cr 1,45, Mn 1,1) NW1 (W 1,25) NC5 (Cr 0,55) NWC (W 1,4, Cr 1,05) NC6 (Cr 1,45, V 0,20) NPW (Cr 1,35, Ni 3, V 0,5) NC4 (Cr 1,45) NMWV (Mn 1,2, W 0,6, V 0,2) NC10 (Cr 12, C 1,65) NCLV (CR 5, V 0,4, Mo 1,0) NC11 (Cr 12, C 1,95) NW9 (Cr 4,3, W 9, V 2). NC11LV (Cr 11, Mo 0,85, V 0,75) Obok znaku stali w nawiasie podano redni# zawarto % pierwiastków stopowych w procentach (liczby za symbolami pierwiastków). Gatunki NZ2, NZ3 i NPW s# stalami redniow"glowymi o zawarto ci 0,40 0,55% C. Pozosta!e gatunki s# stalami wysokow"glowymi zawieraj#cymi 0,75 2,10% C. Stale redniow"glowe znalaz!y zastosowanie na narz"dzia, od których wymagana jest wi"ksza plastyczno % i odporno % na obci#$enia dynamiczne, jak np. matryce, stemple, t!oczniki, rolki do prasowania, wybijaki itp. Stale wysoko-w"glowe stosowane s# g!ównie do wyrobu narz"dzi skrawaj#cych. Podstawowymi dodatkami stopowymi w stalach narz"dziowych do pracy na zimno s#: Cr, W, V oraz w stali NPW - Ni. Dodatki te nadaj# stali du$# hartowno % i drobnoziarnist# struktur", zapewniaj# wysokie w!asno ci wytrzyma!o ciowe, a w szczególno ci wysok# odporno % na cieranie wskutek tworzenia si" w"glików stopowych o du$ej twardo ci i dyspersji. W"gliki te nie ulegaj# ca!kowitemu rozpuszczeniu w czasie nagrzewania do hartowania, dzi"ki czemu przeciwdzia!aj# rozrostowi ziarn austenitu, zapewniaj#c tym samym drobnoziarnisto % stali. Zale$nie od gatunku stale hartuje si" w wodzie lub oleju z temperatur) 780 1020°C, a stale wysokochromowe (NC10, NC11 i NC11LV) z temperatur) 970 1020°C. Po hartowaniu stosuje docsity.com 122 JW si" w zasadzie niskie odpuszczanie w temperaturze 150 350°C. Stale wysokochromowe odpuszcza si" w nieco wy$szych temperaturach w zakresie 220 450°C. Stal NW9 hartuje si" z temperatury 1200°C i odpuszcza w temperaturze 500 560°C. Twardo % stali wysokow"glowych w stanie zahartowanym wynosi 60 68 HRC, natomiast stale redniow"glowe maj# po hartowaniu twardo % 50 57 HRC. Nale$y podkre li%, $e w!asno ci stali narz"dziowych stopowych po hartowaniu i odpuszczaniu zale$# w du$ej mierze od temperatury austenityzowania, z któr# ci le wi#$e si" stopie& nasycenia roztworu sta!ego (austenitu) dodatkami stopowymi i pó)niejsze wydzielanie si" w"glików wtórnych podczas odpuszczania. 7.5.2. Stale narz dziowe stopowe do pracy na gor$co Ze stali narz"dziowych do pracy na gor#co wytwarza si" narz"dzia s!u$#ce do przeróbki plastycznej materia!ów uprzednio nagrzanych do wysokich temperatur oraz formy do odlewania metali pod ci nieniem. W stanie nagrzanym przerabiane metale s# plastyczne, wi"c stale narz"dziowe do pracy na gor#co nie musz# mie% tak du$ej twardo ci w temperaturze otoczenia jak stale do pracy na zimno. Wymagania stawiane stalom do pracy na gor#co to przede wszystkim wysoka wytrzyma!o % i twardo % przy wy$szych temperaturach, wysoka udarno %, stabilno % struktury, odpowiednio wysoka hartowno % oraz mo$liwie ma!a sk!onno % do zm"czenia cieplnego i p"kni"% ogniowych. Odporno % na cieranie i erozj", któr# powoduje odkszta!cony plastycznie metal, jest równie$ wa$n# cech#, ale g!ówn# przyczyn# zu$ywania si" narz"dzi s# p"kni"cia ogniowe. Odpowiednie w!asno ci osi#ga si" przez stosowanie stali o stosunkowo niskiej zawarto ci w"gla 0,25 0,60%, zawieraj#cych jako podstawowe dodatki stopowe wolfram, molibden, wanad i chrom, a tak$e czasem krzem i nikiel. Wolfram, molibden i wanad s# pierwiastkami silnie w"glikotwórczymi, które po rozpuszczeniu podczas austenityzacji i po zahartowaniu daj# podczas odpuszczania twardo % wtórn# lub znacznie hamuj# spadek twardo ci stali. Chrom silnie zwi"ksza hartowno %, a przy wy$szych zawarto ciach równie$ odporno % na utlenianie. Polska Norma PN-86/H-85021 obejmuje 12 gatunków stali narz"dziowych stopowych do pracy na gor#co, a mianowicie: WNLV (Cr 1,2, Ni 1,75, Mo 0,6, V 0,1), WLV (Cr 3,0, Mo 2,75, V 0,55), WLK (Cr 2,75, Mo 2,75, V 0,5, Co 3,0), WCLV (Cr 5,25, Mo 1,35, V 1,0), WCL (Cr 5,0, Mo 1,35, V 0,4), WLB (Cr 2,4, Mo 0,4, B 0,003), WNLB (Cr 1,1, Mo 0,3, B 0,003, Ti 0,03, A1 0,03), WNL (Cr 0,7, Ni 1,6, Mo 0,22), WNL1 (jak WNL + V 0,1), WWS1 (Cr 2,5, V 0,5, W 4,5, Si 1,0), WWV (Cr 2,7, W 9,0, V 0,3), WWN1 (jak WWV + Ni 1,4). Obok znaku stali w nawiasach podano redni# zawarto % dodatków stopowych liczby za symbolami pierwiastków). Zawarto % w"gla w tych stalach wynosi rednio 0,3 0,6%. Obróbka cieplna stali do pracy na gor#co polega na hartowaniu w oleju lub na powietrzu z temperatury w zakresie 840 1160°C (zale$nie od gatunku stali) i nast"pnym odpuszczaniu w zakresie 400 600°C, tj. w temperaturach wy$szych ni$ stali do pracy na zimno. Zapewnia to dobr# udarno %, niezb"dn# ze wzgl"du na charakter pracy oraz twardo % min 43 50 HRC. Temperatura odpuszczania stali powinna by% wy$sza od temperatury pracy, aby zapewni% stabilno % struktury i w!asno ci. Ze wzgl"du na zastosowanie, stale do pracy na gor#co mo$na podzieli% na trzy grupy. Do pierwszej nale$# stale, z których wykonuje si" matryce do pras i formy dla odlewów pod ci nieniem. Wspóln# cech# tych zastosowa& jest stosunkowo d!ugi kontakt gor#cego materia!u z narz"dziem i zwi#zane z tym silniejsze nagrzewanie si" powierzchni pracuj#cej. S# to stale docsity.com