Własności metali

Wśród metali poddawanych obróbce w przemyśle produkcyjnym najczęściej występującym materiałem są stopy stali. Zgodnie z Polskimi Normami pierwszy składnik powinien stanowić znaczną większość mieszanki, a drugi nie więcej niż 2,11%. W przypadku większej zawartości węgla mówimy już o żeliwie. Ponadto w składzie stali pojawiają się też inne metale, pierwiastki czy wtrącenia niemetaliczne, które wpływają na uzyskanie w procesie obróbki cieplnej pożądanej struktury i własności mechanicznych. Więcej na ten temat dowiesz się w dalszej części artykułu. 

Czym jest Metal i jakie ma własności?

Metal – materiał, najczęściej krystaliczny, o wiązaniach metalicznych. Jego główne cechy to:

• plastyczność
• sprężystość
• dobre przewodnictwo elektryczne oraz cieplne
• dodatni temperaturowy współczynnik rezystancji
• stały stan skupienia w temperaturze pokojowej (wyjątkiem jest rtęć)
• brak przezroczystości
• metaliczny połysk
• bezwonność
• duża wytrzymałość mechaniczna
• łatwość obróbki.

Etapy wytwarzania stali w celu uzyskania odpowiednich własności

Wytwarzanie stali składa się z dwóch wyraźnie rozgraniczonych procesów produkcyjnych:
• wytapianie surówki w hucie, w procesie wielkopiecowym;
• wytapianie stali w procesie stalowniczym;

Wytworzona surówka poprzez proces wielkopiecowy nie nadaje się do obróbki z uwagi na wysoką zawartość węgla (ok 4%), siarki (0,5%) i fosforu (0,5%). Tak wytworzony materiał jest kruchy i niekowalny, jest surowcem do następnego procesu – przerobu na stal lub żeliwo.

Następnie surówka poddajemy redukcji niepożądanych składników, takich jak nadmiar węgla (C), krzemu (SI), manganu (Mn), fosforu (P) oraz siarki (S). Odbywa się to za pomocą procesu utleniania za pomocą tlenu i/lub powietrza. Proces ten nazywany świeżeniem po dodaniu odpowiednich składników stopowych pozwala nam na uzyskanie pożądanego gatunku stali.

Po procesie świeżenia stal odlewamy do wlewek, dostosowanych do wymogów dalszych procesów obróbki plastycznej. Skrzepniętą stal przesuwamy później za pomocą walców ciągnących, następnie prostujących, za którymi palnik gazowy tnie pasmo materiału na równe części. Pocięte pasma tzw. kęsy o przekroju okrągłym, kwadratowym, prostokątnym lub przekroju płyty (np 200x1500mm). Kęsy stanowią materiał wyjściowy do produkcji prętów, drutów, kształtowników, szyn lub blach.

Jak na własności metali wpływają pierwiastki stopowe

Wytwarzanie blach, kształtowników i rur stalowych

Typowa huta stali składa się zwykle z 3 podstawowych wydziałów:
• wielkopiecowego
• stalowniczego
• walcowniczego.

Wyprodukowaną w hucie stal poddajemy obróbce plastycznej, głównie przez walcowanie. Wyrób walcowany jest więc końcowym wyrobem procesu hutniczego. W procesie walcowania przedmiot uzyskuje zamierzony kształt w wyniku odkształcenia plastycznego metalu między obracającymi się twardymi walcami, tarczami lub rolkami. Walcowanie odbywa się na komplecie urządzeń, który nazywa się zespołem walcowniczym. Zespół ten przystosowany jest do gatunku i temperatury przerabianego materiału oraz do wymiarów i kształtów produkowanych wyrobów walcowniczych. Wytwarzane produkty walcowane można podzielić na pręty, walcówkę, kształtowniki, blachy, taśmy, rury, wyroby specjalne jak np. szyny czy obręcze kół wagonowych. Większość wyrobów walcowanych otrzymuje się metodą obróbki na gorąco (kształtowniki, pręty, rury, blachy grube i cienkie itd.). Walcowanie na zimno ogranicza się do wyrobu cienkich blach i taśm.
Proces dla wytwarzania aluminium jest bardzo podobny do stalowego, opisanego powyżej.

Własności mechaniczne metali

Własności mechaniczne charakteryzują użytkowość stali. Ich wartości uzależniamy od składu chemicznego stali i jej obróbki (obróbki cieplnej / plastycznej itp.).
Do podstawowych własności mechanicznych stali zalicza się:

• nośność – określana wytrzymałością na rozciąganie i granicą plastyczności
• odkształcalność – opisywana wydłużeniem i przewężeniem
• ciągliwość (zdolność do przenoszenia energii) – sprawdzana próbą udarności
• twardość – ustalana sposobami Brinella, Rockvella i Vickersa

Wybór stali ze względu na jej własności

Przed rozpoczęciem budowy czy produkcji  należy wybrać odpowiedni gatunek stali, który powinien odpowiadać warunkom, w jakich eksploatowana będzie dana konstrukcja czy maszyna. Warto zaznaczyć, że obecnie stosowanych jest wiele gatunków stali o różnych właściwościach, a odpowiednie rozpoznanie to klucz do sukcesu.

Gatunki stali – stal konstrukcyjna

Używana do budowy najczęściej spotykanych typowych konstrukcji, części maszyn, ale także do wzmacniania innych stopów. Wyróżnia się wiele rodzajów stali konstrukcyjnej:

• ogólnego przeznaczenia – stop niższego gatunku wykorzystywany do tworzenia konstrukcji i części maszyn; sprawdza się tam, gdzie nie są konieczne konkretnie określone parametry materiału,
• konstrukcyjna wyższej jakości – charakteryzuje się ściśle ustalonymi ilościami węgla i manganu, znajduje się w niej mniej zanieczyszczeń; tworzone są z niej blachy, rury oraz części do pojazdów i maszyn;
• konstrukcyjna niskostopowa – zawiera maksymalnie do 0,22% węgla, ceni się jej wytrzymałość i znaczną odporność na korozję; ze względu na odporność na trudne warunki atmosferyczne wykorzystywana do budowy mostów, wagonów kolejowych, masztów;
• stal do nawęglania – wykazuje dużą ciągliwość i twardość powierzchni, nadaje się do wytwarzania elementów o dużej wytrzymałości;
• stal do azotowania – polega ono na nasyceniu powierzchni metalu azotem, wyjątkowo dobrze sprawdza się jako materiał kół zębatych;
• do ulepszania cieplnego – nadaje się do produkcji mocno obciążanych części;
• sprężynowa – zawiera spory dodatek krzemu i jest używana do produkcji sprężyn, resorów oraz drążków skrętnych,
• automatowa – wykorzystywana jest do produkcji śrub, podkładek, nakrętek itp.
• na łożyska toczne – o bardzo precyzyjnie kontrolowanym składzie, produkowana w ścisłym reżimie technologicznym.

Rodzaje stali i ich zastosowanie – stal narzędziowa

Duża zawartość węgla i odpowiedni sposób obróbki cieplnej zapewniają jej niezwykle pożądane właściwości. Stal narzędziowa stosowana jest do wytwarzania różnego rodzaju narzędzi oraz odpowiedzialnych części przyrządów pomiarowych. Wyróżnia się dużą twardością i odpornością na ścieranie. Jest niepodatna na przegrzanie i, co więcej, nie odkształca się nawet po długim użytkowaniu.
Stal narzędziową również podzielić można na bardziej szczegółowe gatunki, są to między innymi:

• stale narzędziowe węglowe
• stale narzędziowe stopowe
• do pracy na zimno
• do pracy na gorąco
• szybkotnące

Jakie są rodzaje stali specjalnych?

Stal specjalna przeznaczona jest do specjalnych zastosowań. Jej gatunki zawierają dużą ilość dodatków stopowych, wyróżniają się bardzo specyficznymi parametrami i wymagają skomplikowanej obróbki cieplnej. Ze względu na wysoką cenę nie są stosowane powszechnie. Do grupy stali specjalnych należy między innymi:

• nierdzewna – o specjalnych właściwościach fizykochemicznych, odpornych na korozję oraz wysokie temperatury;
• kwasoodporna – o dużej zawartości chromu, odporna jest na niszczące działanie kwasów, które mają mniejszą moc niż kwas siarkowy;
• żarowytrzymała i żaroodporna – wykazuje się odpornością na niszczące działanie gazów utleniających w wysokich temperaturach;
• magnetyczna – o bardzo niskiej zawartości węgla, wykazuje się właściwościami ferromagnetycznymi;
• odporna na zużycie – stal o wysokiej zawartości węgla i manganu.

Podsumowanie

Mam nadzieję, że po przeczytaniu tego artykułu zostaliście zaopatrzeni w podstawy wiedzy o metalach i ich własnościach. Oczywiście można pokusić się o zagłębienie się w dział materiałoznawstwa, do czego w razie potrzeby zachęcamy. Pamiętajcie, że przy wyborze maszyn Otinus zapewniamy Wam wsparcie naszych doświadczonych techników, którzy pomogą dobrać rozwiązania idealne pod materiał, który zamierzacie obrabiać. Zapraszamy do kontaktu lub odwiedzin naszego salonu maszyn w Bydgoszczy, przy ul. Karola Szajnochy 14b.