Hartowność jako kryterium doboru stali

Transkrypt

1 Hartowność jako kryterium doboru stali 1. Wstęp Od stali przeznaczonej do wyrobu części maszyn wymaga się przede wszystkim dobrych właściwości mechanicznych. Stali nie można jednak uznać za stal wysokiej jakości tylko ze względu na wysoki wskaźnik jednej właściwości, lecz powinna ona mieć odpowiedni zespół dobrych właściwości mechanicznych i tak np.: stal do wyrobu części podlegających dużym obciążeniom powinna charakteryzować się wysoką wytrzymałością, a jednocześnie dobrą plastycznością i ciągliwością wówczas będzie odporna na działania dynamiczne. Stal jest materiałem gwarantującym możliwość uzyskania najlepszego skojarzenia właściwości mechanicznych. Stal węglowa ma dostatecznie dobre właściwości w małych przekrojach, tj mm. Przy większych wymiarach stosuje się stale stopowe. Obecność pierwiastków stopowych umożliwia lepsze i pełniejsze wykorzystanie dodatniego wpływu obróbki cieplnej na właściwości mechaniczne. Wyroby ze stali stopowych uzyskują wytrzymałość dzięki temu, że pierwiastki stopowe zwiększają hartowność stali. Najlepsze właściwości mecha-niczne (najlepsze skojarzenie właściwości mechanicznych) otrzymuje się przez ulepszanie cieplne stali z zahartowaniem na wskroś. Jeżeli natomiast przedmiot nie zahartuje się na wskroś to w rdzeniu otrzymamy drobny perlit i właściwości na poprzecznym przekroju zahartowanego elementu np. twardość, nie będą jednakowe. Wprawdzie przez następne odpowiednio wysokie odpuszczanie można uzyskać wyrównanie twardości na przekroju poprzecznym, jednak nie oznacza to wyrównania innych właściwości. Rdzeń elementów niezahartowanych na wskroś ma wówczas niższą wytrzymałość na rozciąganie, a zwłaszcza niższą udarność i granicę plastyczności w porównaniu ze strefą zewnętrzną, gdyż tylko struktury otrzymane przez odpuszczanie martenzytu wykazują wysokie właściwości mechaniczne (rys.1a,b). Jeżeli ten sam wałek zostanie wykonany po wysokim odpuszczaniu wszystkie właściwości mechaniczne na całym przekroju będą praktycznie jednakowe. (rys.1c). Rys.1. Wpływ głębokości strefy zahartowanej (strefa zakreskowana) na właściwości stali po odpuszczaniu: a - pręt o małej grubości strefy zahartowanej, b - pręt o średniej grubości strefy zahartowanej, c - pręt zahartowany na wskroś (gdzie: HB twardość, R m granica wytrzymałości na rozciąganie, R e granica plastyczności, KCU2 udarność) Schemat zmian właściwości stali na przekroju podany na rys.1 wskazuje, że w stalach o małej hartowności granica plastyczności R e i udarność KCU2 zmniejszają się w większym stopniu niż granica wytrzymałości na rozciąganie R m. Pierwiastki stopowe zwiększają hartowność, polepszają właściwości mechaniczne szczególnie granicę plastyczności, wydłużenie i udarność. Ten ostatni wpływ pierwiastków stopowych jest tym silniejszy im większy jest - 1 -

2 przekrój przedmiotu. Nie należy jednak sądzić, że stal stopowa zapewni zawsze najlepsze wyniki. Niejednokrotnie prawidłowo dobrana stal niskostopowa może być znacznie korzystniejsza i łatwiejsza w obróbce cieplnej. O wartości elementu konstrukcyjnego decydują: rozwiązanie konstrukcyjne, obróbka cieplna, gatunek stali. Najczęstszymi przyczynami szybkiego niszczenia lub zużywania się części maszyn są wadliwa konstrukcja lub niewłaściwa obróbka cieplna. W wielu natomiast przypadkach problem sprowadza się niesłusznie do zmian gatunku stali na wyższy lub żądanie lepszej selekcji stali. O doborze stali decydują często łatwość obróbki cieplnej, a zwłaszcza hartowania. Wykorzystując popularność oznaczania hartowności metodą Jominy ego opracowano dla stali konstrukcyjnych pasma hartowności i wprowadzono stale o hartowności reglamentowanej, tj.. mieszczące się w granicach pasma hartowności danego gatunku. Własność ta jest głównym kryterium odbiorczym natomiast inne czynniki takie jak skład chemiczny, wielkość ziarna mają znaczenie drugorzędne. Pasma, a w mniejszym stopniu krzywe hartowności, umożliwiają konstruktorowi porównanie gatunków stali pod względem przydatności do obróbki cieplnej oraz dobranie dla danego celu stali o wystarczającej hartowności, a równocześnie najtańszej (ze względu na składniki stopowe). Dla porównania na rys.2 przedstawiono krzywe hartowności trzech stali różniących się istotnie pod względem zawartości Ni. Z krzywych hartowności wynika, że stal najdroższą, tj.. zawierającą 3% Ni, powinniśmy stosować wówczas, gdy zależy nam na uzyskaniu zahartowania na dużą głębokość. Natomiast przy żądaniu uzyskania wysokiej twardości tylko w strefie przypowierzchniowej powinno zastosować się stal zawierającą 0,4% C i 0,7% Mn, tj.. bez Ni. Rys.2. Krzywe hartowności stali konstrukcyjnych zawierającej 3%Ni, 1% Ni oraz bez Ni Rys.3. Przykład doboru stali oszczędnościowej Istotnym zagadnieniem przy doborze stali na elementy maszyn i urządzeń jest ograniczenie stosowania stali o większych zawartościach pierwiastków deficytowych. Przypuśćmy, że jakiś przedmiot jest wykonany ze stali o paśmie hartowności jak na rys.3, natomiast żąda się, aby wykonany był ze stali oszczędnościowej. W tej sytuacji porównujemy wykresy hartowności obu stali i jeśli krzywa minimalnej twardości stali oszczędnościowej leży w paśmie stali zastępowanej (linia przerywana) to znaczy, że stal może być zastosowana. Odwrotnie, jeżeli krzywa leży poniżej (linia punktowa) oznacza to, że hartowność stali oszczędnościowej jest zbyt niska i stal nie może być zastosowana

3 2. Wybrane zagadnienia z zasad doboru stali konstrukcyjnych Hartowność jako kryterium doboru stali Znany rozkład twardości w funkcji odległości od powierzchni czołowej pozwala na rozwiązanie wielu praktycznych rozwiązań. Natomiast możliwość wykorzystania krzywych lub pasm hartowności w doborze stali opiera się na dwóch przesłankach: zależność struktury i twardości od szybkości chłodzenia, korelacji między szybkościami chłodzenia wzdłuż próbki czołowej i na przekrojach prętów różnych średnic. Korelacje między szybkościami chłodzenia próbki czołowej i prętów o różnych średnicach i w różnych ośrodkach chłodzących zostały ustalone. Korelacje te ilustruje rys.4 i rys.5. Podobne wykresy korelacyjne zostały ustalone zarówno doświadczalnie ja i na drodze obliczeń. Na poziomych osiach tych rysunków podane są szybkości chłodzenia wzdłuż próbek jako funkcji odległości od ich czoła co ułatwia wykorzystanie wykresów hartowności. W tym celu dogodne jest, aby wykresy hartowności i wykresy korelacji miały tę samą skalę na osi poziomej. Nałożenie wykresu korelacyjnego (wykonać na przezroczystej folii) na wykres hartowności i odrzutowanie odpowiednich punktów przecięć umożliwia wyznaczenie rozkładów twardości na przekrojach prętów. Rys.4. Korelacja szybkości chłodzenia próbek hartowanych czołowo oraz prętów okrągłych, chłodzenie w wodzie Rys.5. Korelacja szybkości chłodzenia próbek hartowanych czołowo oraz prętów okrągłych, chłodzenie w oleju 2.1. Stale węglowe wyższej jakości stosuje się na elementy maszynowe średnioobciążone; podlegają one obróbce cieplnej (ulepszaniu, nawęglaniu lub hartowaniu powierzchniowemu). Przy dużych przekrojach należy je stosować w stanie normalizowanym, gdyż ich niewielka hartowność ogranicza skuteczne oddziaływanie obróbki cieplnej. Stale węglowe wyższej jakości stosuje się: 1) 0,1 0,20% C do nawęglania, gdy nie wymaga się dużej wytrzymałości rdzenia, 2) 0,25 0,55% C do ulepszania cieplnego wyrobów o małych przekrojach (do ok. Φ40 mm) lub wyrobów które powinny wykazywać większą twardość i wytrzymałość tylko w warstwach pow. 3) 0,60 0,85% C stosuje się w stanie normalizowanym do wyrobu niektórych narzędzi i części konstrukcyjnych o większej twardości i odporności na ścieranie

4 W odniesieniu do stali węglowych trzeba uwzględnić ich niewielką hartowność w porównaniu ze stalami stopowymi, co uniemożliwia uzyskanie na większych przekrojach struktury odpuszczonego martenzytu, a zatem i wyższej wytrzymałości, a także ciągliwości Stale konstrukcyjne stopowe stosowane są do wyrobu części maszyn pracujących w zwykłych warunkach, tj. przy temperaturze nie wywołującej zmiany właściwości wytrzymałościowych w czasie (max do 300 C) oraz w środowiskach nie wywołujących korozji. Najczęściej stosuje się je po obróbce cieplnej. Dzięki większej hartowności możliwe jest uzyskanie wysokiej wytrzymałości i granicy plastyczności, a także dobrej ciągliwości na wielokrotnie większych przekrojach niż w stalach węglowych. Pierwiastki stopowe na ogół pogarszają obrabialność stali, zwiększając twardość i odporność na ścieranie. Przy doborze stali należy uwzględnić specyficzne oddziaływanie niektórych pierwiastków stopowych na właściwości użytkowe i przebieg procesów technologicznych Stale konstrukcyjne stopowe do ulepszania cieplnego Stale te stwarzają możliwość uzyskania wysokiej granicy plastyczności w połączeniu z dużą ciągliwością i udarnością, przy czym tą korzystną kombinację właściwości mechanicznych można otrzymać nawet dla przedmiotów o dużych wymiarach. Osiągnięcie wysokiej granicy plastyczności i właściwości plastycznych zależne jest od uzyskania struktury po hartowaniu. Im cięższe są warunki pracy elementu maszynowego i im wyższe stawia się wymagania, tym udział martenzytu w strukturze hartowania powinien być wyższy. Na ogół przyjmuje się: 2. dla części średnio obciążonych ok.80% martenzytu, przy największych obciążeniach 90 95% martenzytu. Należy podkreślić, że optymalne właściwości, uwarunkowane osiągnięciem struktury martenzytycznej po hartowaniu, są konieczne na całym przekroju przedmiotu tylko w przypadku występowania naprężeń rozciągających. Gdy naprężenia koncentrują się w warstwach pow co ma miejsce w elementach pracujących na zginanie lub skręcanie wystarczające jest osiągnięcie struktury martenzytycznej i optymalnych właściwości tylko w obciążonej części przekroju a więc w warstwie powierzchniowej często o grubości wynoszącej 1/3 do 1/4 promienia. W tych przypadkach można zatem używać stali o mniejszej zawartości pierwiastków stopowych. Głównymi kryteriami stosowania stali stopowych do ulepszania są: 1. wartość granicy plastyczności (podstawa do obliczeń konstrukcyjnych) zależnej od zawartości węgla i temperatury odpuszczania; hartowność stali, warunkująca osiągnięcie po hartowaniu struktury martenzytycznej (w całym przekroju lub jego zewnętrznych częściach), a po następnym odpuszczaniu wysokiej granicy plastyczności i dobrej ciągliwości. Orientacyjna charakterystyka i wytyczne stosowania danego gatunku stali podane są w odpowiednich kartach materiałowych w postaci tablicy (tabl.1) wyrażającej zakres wartości granicy plastyczności, osiągalny dla kilku grup wymiarowych; dane te dotyczą wartości uzyskiwanych na całym przekroju pręta, a więc są miarodajne dla naprężeń rozciągających. Tabl.1. Właściwości mechaniczne stali 45H w stanie ulepszonym Norma Średnica [mm] R e [kg/mm 2 ] R m [kg/mm 2 ] A 5 [%] Z [%] DIN min min. 11 min min min. 12 min min min. 14 min

5 3.Wyznaczenie przekroju równoważnego Wszelkie informacje dotyczące przebiegu stygnięcia podaje się z reguły dla przekrojów okrągłych. W praktyce przemysłowej jednak hartowaniu poddaje się bardzo często przedmioty o przekrojach nieokrągłych. W tym przypadku należy dokonać odpowiednich przeliczeń, pozwalających na zastąpieniu rzeczywistego przekroju nieokrągłego, tzw. równoważnym przekrojem okrągłym umożliwiającym wykorzystanie charakterystyk hartowniczych poszczególnych gatunków stali. Pod tym określeniem rozumie się przekrój pręta okrągłego o tak dobranej średnicy, że jego środek stygnie według identycznego przebiegu co środek rozważanego przedmiotu przy chłodzeniu w takich samych warunkach. Przekrój równoważny dla najczęściej spotykanych przekrojów prostokątnych, kwadratowych, płaskich itp. możemy wyznaczyć z tablicy 2. Przy przekrojach kwadratowych należy przyjąć B/g = 1, zaś w płytach i grubych blachach B/g =. Tabl.2. Obliczanie przekroju równoważnego dla przedmiotów prostokątnych przy hartowaniu w oleju Średnica przekroju równoważnego [mm] g B/g ,4 12,6 14,1 15,2 15,8 17, ,4 25,5 28,5 30,5 31,6 33, ,2 38,2 42,6 46,3 46,9 48, ,0 51,0 56,8 60,0 61,8 63, ,0 63,7 70,7 74,0 76,2 78, ,8 76,5 84,6 88,5 71,2 92, ,8 89,2 98,3 102,0 105,0 106, ,4 102,0 112,0 116,8 119,2 121, ,6 114,7 126,0 130,5 133,2 135, ,5 127,5 139,5 144,5 147,5 149,5 B = szerokość, g = grubość B/g = dla płyty Przy wałach mających zgrubienie lub kołnierze należy wziąć pod uwagę stosunek długości takiego zgrubienia do jego średnicy, jeżeli stosunek ten jest duży wówczas średnicę zgrubienia należy przyjąć jako przekrój miarodajny, jeżeli mały wówczas część zgrubiona może być uważana jako krążek lub płyta, której grubość należy przyjąć do obliczenia przekroju równoważnego. Przekrojem miarodajnym będzie największy przekrój równoważny