Poradnik Narzędziowca - czyli krótki przewodnik po najczęściej występujących problemach

W sprawach opinii materiałowych i technologicznych, firma współpracuje z dr inż. Krzysztofem Kotkowskim, wieloletnim kierownikiem Laboratorium Metaloznawstwa w Centrum Badawczo-Rozwojowym zakładów Hipolita Cegielskiego i pracownikiem naukowym Politechniki Poznańskiej. W oparciu o wiedzę ekspercką przygotowaliśmy dla naszych Klientów autorskie kompendium wiedzy o stali. Poradnik pod tytułem „Co warto wiedzieć o stali” wydaliśmy drukiem w 2009 roku.

W serwisie internetowym publikujemy część, w której odpowiadamy na pytania zasłyszane w rozmowach z Klientami.

Przedmiot oceny
Profilarka. Wał dolny, mat. 53MnSi4. Wał dolny uległ pękaniu w procesie eksploatacji, fot.1. Zjawisko to jest powtarzalne. Ocenę przeprowadzono pod kątem prawidłowej naprawy maszyny i dorobienia zniszczonego detalu.

Ocena makroskopowa

  • To jest przełom wytrzymałościowy zmęczeniowy nisko lub średnio-cyklowy, szacunkowo < 10^6 cykli.
  • Część nadpęknięta zmęczeniowo, patrz linie przestankowe, obejmuje ok 50% przełomu. Przełom doraźny (dołom) widoczny jako biała plama, obejmuje ok 50%.przekroju. Obciążenie w miejscu pęknięcia miało więc duża wartość w stosunku do wytrzymałości materiału. Duże obciążenie przyspiesza pękanie zmęczeniowe, skraca ilość cykli.
  • Jak to wynika konstrukcji (fot.1) – dominujący typ obciążenia zmęczeniowego – to zginanie obrotowe. Może nakładać się na to moment skręcający o działaniu drugorzędnym.
  • Maksymalny moment gnący – występuje w podporze (tutaj w łożyskowym osadzeniu w ścianie korpusu), Zatem tutaj powinno wystąpić pękanie – i rzeczywiście tak było.
  • Pękanie zmęczeniowe zawsze inicjuje się na karbie. Czy tutaj występuje karb? Jest karb konstrukcyjny w postaci uskoku średnic wału Ø85/Ø70.

Dyskusja

    Czy był karb materiałowy?

  • Dotąd wymieniono czynniki obciążenia i czynniki konstrukcyjne – bez wskazania na czynnik materiałowy. Trudno jednak oskarżać materiał, że przypadkowo posiadał wadę hutniczą właśnie w tym miejscu i że ta wada hutnicza stała się karbem inicjującym pękanie zmęczeniowe.
  • Karb materiałowy można jednak wytworzyć w procesie ulepszania wału, szczególnie w procesie hartowania. Można wytworzyć pęknięcie hartownicze na uskoku średnic wału Ø85/Ø7. Pęknięcia hartownicze są bardzo ostre, przez to trudno wykrywalne nieuzbrojonym okiem. Jednocześnie ich ostrość sprzyja koncentracji naprężeń – a dalej – sprzyja pękaniu zmęczeniowemu. Na obserwowanym przełomie zmęczeniowy, nie można ani stwierdzić, że takiego nadpęknięcia pierwotnego nie było, ani odwrotnie – że było.

Wnioski

Zalecenia we wnioskach – są tym co można “zrobić od ręki” bez wchodzenia w zasadnicze zmiany konstrukcyjne maszyny. Znając przyczyny pękania należy, w miarę możliwości, im zapobiegać.

  1. Dobór materiału. Wybór stali stopowej w stanie ulepszonym, jest właściwy (mogą być zamienniki 34HNM, 36HNM, 50HF….). Struktura ulepszona jest drobnoziarnista, o wysokiej zdolności do odkształceń plastycznych, przy wysokiej wytrzymałości i przyzwoitej twardości. Struktury ulepszone są odporne na zmęczenie i udary.
  2. Przejście Ø85/Ø70. Jeśli można konstrukcyjnie złagodzić przejście Ø85/Ø70 – to poprawi to sytuację wytrzymałościową.
  3. Kontrola. W procesie ulepszania (hartowanie+odpuszczanie) istnieje zagrożenie wytworzenia pęknięcia hartowniczego – które jeśli powstanie – to właśnie na ostrym uskoku przekrojów wału. O tym trzeba pamiętać i kontrolować właśnie to miejsce. Trzeba mieć całkowitą pewność, że w tym podcięciu nie ma pęknięcia, zanim zamontujemy wał w maszynie. Przykładowo, można przywołać firmę badań nieniszczących i upewnić się jakąś metodą (MT, PT, UT)* .
  4. Proces ulepszania cieplnego można dostosować przez złagodzenia warunków hartowania
    • Np. w stanie po toczeniu przed hartowaniem, wykonać łagodne stożkowe przejście Ø85/Ø70. Natomiast dokładną „rzeźbę” na gotowo tego uskoku należy wykonać po ulepszaniu wału.
    • Łagodzić warunki hartowania – np. przez stosowanie hartowania w gorącym oleju.

Pytanie
Wczoraj pojawiły się u mnie dwa zapytania dotyczące blachy 10H. Czytałem, że to blacha trudno-rdzewiejąca, jednak nie bardzo znam ten gatunek. W Hucie zaproponowali walcowanie blach w gatunku S355J2G1W. Czy można zamiennie zaproponować ten gatunek?

Pozdrawiam, HG

Odpowiedź

  • 10H – wg PN-83/H-84017 – Stal konstrukcyjna trudno-rdzewiejąca – niskowęglowa z niewielkim dodatkiem Cr i Cu. Spawalna.
  • S355J2W (1.8965) – wg PN-EN 10025-5:2005. Stal konstrukcyjna trudno-rdzewiejąca – niskowęglowa z niewielkim dodatkiem Cr i Cu. Stal zbliżona do 18G2 – z nieco niższym węglem, max.0.16%C. Spawalna. Gwarantowane dobre własności Re>355, udarność J2 (-20oC = 27J).

Uwaga, trudnordzewiejąca (litera W – Weathering steel) oznacza tylko zwiększoną odporność na korozję atmosferyczną – nie mylić ze stalą nierdzewną, kwasoodporną czy żaroodporną. Rdzewienie tutaj polega na wytworzeniu na powierzchni stali dość szczelnej warstwy tlenków, zabezpieczającej przed dalszym postępem korozji. Można powiedzieć, że rdzewienie stali trudnordzewiejącej, w warunkach narażenia na czynniki atmosferyczne, jest samohamowne i dzięki temu nie dochodzi do korozyjnej perforacji.

Wniosek
Huta prawidłowo zaproponowała dobry zamiennik dla gat. 10H.

Fotografia dla sceptyków. Kuliste zwieńczenie balustrady podobno wykonane ze stali trudnordzewiejącej.

Oprac. K.Kotkowski
Wszelkie prawa zastrzeżone

Stan obróbki cieplnej (stan OC)
W tych wypisach z nazewnictwa pragnę zwrócić uwagę na bardzo ważny parametr jakim jest stan obróbki cieplnej zamawianego wyrobu hutniczego. Należy przypomnieć, że stal jest materiałem, który może występować w kilku stanach OC i w każdym ma inne własności. Ta odmienność stanów OC i towarzyszących im różnych własności – stanowi wyrafinowaną wiedzę materiałową decydującą często o powodzeniu/niepowodzeniu produkcji.

Przykład stali łożyskowej 100Cr6:

100Cr6 – w stanie surowym – nie nadaje się do skrawania
– nie nadaje się do eksploatacji jako element łożyska
– nadaje się do przeróbki plastycznej, np. kucie na gorąco
100Cr6 – w stanie zmiękczonym (>200HB) – nadaje się do skrawania
– nie nadaje się do eksploatacji
100Cr6 – hart+odpuszcz. >60HRC – nie nadaje się do skrawania
– nadaje się do eksploatacji

Katalogi i certyfikaty nazywają też stan OC (heat treatment condition) zamienną nazwą: stan dostawy (delivery condition).

Nazewnictwo wg EN przewiduje używanie następujących symboli ze znakiem plusa (+) które definiują stan OC (inaczej stan dostawy), np.

+ U lub bez znaku bez obróbki cieplnej (stan surowy)
+ A wyrób wyżarzony zmiękczająco
+ AC wyrób wyżarzony sferoidyzująco (czyli zmiękczająco)
+N wyrób po normalizowaniu lub walcowany normalizująco
+ NT wyrób po normalizowaniu z wysokim odpuszczaniem
+ QT wyrób ulepszony cieplnie; (quenching&tempering)
+ P wyrób utwardzony wydzieleniowo (precipitation hardening)

UWAGA. Stan surowy jest też jakimś stanem OC

Przykłady stanów obróbki cieplnej w nazewnictwie stali wg EN – proszę prześledzić wspólnie z autorem:

C35E+QT stal węglowa 0,35%C; wyrób po ulepszaniu cieplnym*
P355GH +N stal na urządzenia/rurociągi ciśnieniowe; wyrób po normalizowaniu
13CrMo4-5 +NT dawne 15HM; wyrób po normalizowaniu z wysokim odpuszczaniem
38MnVS6 +P stal niskostopowa Mn-V, wyrób utwardzony wydzieleniowo w hucie
GP240GH +QT staliwo na urządzenia/rurociągi ciśnieniowe; wyrób po ulepszaniu*
100Cr6 +AC stal na łożyska toczne po wyżarzaniu sferoidyzującym (zmiękczona)

* – ulepszanie cieplne to hartowanie z wysokim odpuszczaniem (Quenching & Tempering)

Sposób oznaczania stanu OC przez umieszczenie symboli literowych w nazwie gatunku

Stan obróbki cieplnej wyrobu hutniczego może być jeszcze inaczej zakodowany w nazewnictwie stali wg EN, tyczy to stali niestopowej konstrukcyjnej w jej zapisie wg własności. W tym zapisie obróbka cieplna wyrobu jest wpleciona w nazwę gatunku, np. S355N, S355ML, S355N; S355NL; P355NH; P355QH, gdzie litery M, N, Q oznaczają stan obróbki cieplnej wyrobu:

M wyrób po walcowaniu termomechanicznym
N wyrób po normalizowaniu lub walcowany normalizująco
Q wyrób ulepszony cieplnie

Poniżej podano przykłady gatunków stali z użyciem tych symboli oznaczających stan OC (M, N, Q). Proszę prześledzić kody gatunków wspólnie z autorem:

P355N stal konstr. niestopowa Re>355MPa;, spawalna, drobnoziarnista normalizowana, na urządzenia ciśnieniowe
S355NL stal konstrukcyjna niestopowa Re>355MPa; drobnoziarnista normalizowana, spawalna, do pracy w obniżonych temperaturach (L)
S355ML stal konstr. niestopowa Re>355MPa; spawalna, drobnoziarnista po walcowaniu termo-mechanicznym; do pracy w obniżonych temperaturach (L)
P355NH stal konstr. niestopowa Re>355MPa; spawalna, drobnoziarnista normalizowana na urządzenia ciśnieniowe, pracujące w podwyższonych temperaturach (H)
P355QH stal niestopowa Re>355MPa; spawalna drobnoziarnista, odkuwki w stanie ulepszonym Q, na urządzenia ciśnieniowe P, do pracy w podwyższ. temp. (H)

Inne użyte symbole literowe w nazwie gatunku oznaczają:

P na urządzenia ciśnieniowe
L wyrób przeznaczony do podzerowych temperatur, z odpowiednio usytuowanym progiem kruchości (np. praca łamania KV(-50oC)>27J)
H do pracy w podwyższonych temperaturach (<450oC)

Uwaga. Produkty hutnicze posiadające w nazwie gatunku litery odpowiedniej obróbki cieplnej (Q, N, M) są dostarczane w stanie obrobionym cieplnie i nie są poddawane obróbce cieplnej u użytkownika. Nazywa się je drobnoziarnistymi ponieważ przebyta obróbka cieplna (Q,N,M) czyni strukturę drobnoziarnistą. Z kolei drobnoziarnista struktura tych stali czyni je odpowiednimi do pracy w podzerowych temperaturach – litera L (kierunek: Syberia, Skandynawia).

Oprac. K.Kotkowski
Wszelkie prawa zastrzeżone

100Cr6 (ŁH15) oraz NC4 – stal przeznaczona na łożyska toczne i szerokie zastosowania narzędziowe do pracy na zimno, zwłaszcza tam gdzie potrzebna jest dobra udarność narzędzia.

Obróbka cieplna na twardość >=62 HRC; (stan dostawy-zmiękczony)
Hartowanie
  • Nagrzewać do zrównania koloru z piecem 840 oC
  • Wygrzewać 840 oC w czasie:
    (1minuta na 1mm max. przekroju) +20-30 min.
Chłodzenie* Olej 60-80oC/dochładzanie woda bieżąca
Odpuszczanie 160-180 oC x 2h – wyjazd na powietrze
*Chłodzenie w oleju takim jaki jest w hartowni również da dobre rezultaty

 


Uwaga na stan dostawy. Jeśli masz materiał w stanie surowym (przeznaczony do obróbki plastycznej) i nie wyżarzony zmiękczająco – wtedy koniecznie należy go najpierw zmiękczyć w procesie wyżarzania:
780-800oC/wolne studzenie z piecem
Otrzymasz wtedy twardość dobrą do obróbki skrawaniem rzędu 200-215HB.

Opracowanie: dr inż. Krzysztof Kotkowski

Wszelkie prawa zastrzeżone

Zakładając obecność kwasu siarkowego rozcieńczonego, (H2SO4<20% jest groźniejszy od stężonego) rozpatrzono dobór stali kwasoodpornej na obudowę zbiornika. Poniżej w tabeli 1 podano charakterystykę stali austenitycznych kwasoodpornych na elementy o wymaganej odporności na:

  • kwas siarkowy oraz
  • korozję wżerową i
  • korozję naprężeniową.

Wszystkie gatunki są spawalne

Polska norma (PN) norma europejska (EN) numer W. (DIN) norma AISI USA struktura materiału kwasoodporność
0H17N14M2T X5CrNiMo17-12-2 1.4401 316 austenit H2SO4: <20% ; <40 oC.
00H17N14M2 X2CrNiMo17-12-2 1.4404 316L austenit H2SO4: <20% ; <40 oC.
H18N10MT X6CrNiMoTi17-12-2 1.4571 316Ti austenit H2SO4: <20% ; <40 oC.
0H23N28M3TCu austenit H2SO4: <20% ; <100 oC.
0H22N24M4TCu X1NiCrMoCu25-20-5 1.4539 UNS8904 austenit H2SO4: <20% ; <100 oC.

Komentarz metaloznawczy. Stale austenityczne kwasoodporne oprócz chromu i niklu (wprowadzonych w większych ilościach niż dla stali nierdzewnych) zawierają również molibden Mo i miedź Cu. Pierwiastki te poprawiają odporność na działanie kwasu siarkowego.

Stan dostawy: Stal austenityczna powinna być w stanie przesyconym – co zapewnia jej pełną odporność korozyjną

Opracowanie: dr. inż. Krzysztof Kotkowski

Witam!

Słyszałem, że jest takie aluminium/stopy aluminium, które jest łatwe w formowaniu, nie pęka przy zginaniu, a dopiero po umiejętnym podgrzaniu (np. palnikiem) twardnieje zachowując kształt jaki stworzyliśmy. Prawdopodobne zastosowanie tego materiału to być może elementy nadwozia samochodów, motocykli…
Jeśli słyszał Pan o czymś takim to proszę o kontakt najlepiej mailem, bo nie poszukuję tego dla siebie tylko dla firmy/zespołu biorącego udział w rajdach terenowych.
Z góry dziękuję za pomoc.

Dzień dobry,
W Pańskim przypadku chodzi o stopy aluminium zdolne do utwardzania wydzieleniowego. Np. w naszym serwisie w dziale aluminium i stopy aluminium znajdzie Pan przykładowe stopy. Mogą to być pozycje:

 

dural cynkowy EN AW 7075 (PA9 – wg PN)
dural miedziowy EN AW 2017(A) (PA6 – wg PN)
dural miedziowy EN AW 2024 (PA7 – wg PN)
dural miedziowy EN AW 2007

 

Utwardzanie wydzieleniowe – definicja: Obróbka cieplna tych stopów zwana utwardzaniem wydzieleniowym – składa się z operacji przesycania i starzenia

  • przesycanie (wygrzanie około 500oC/woda)
    Otrzymuje się strukturę miękką, podatną do dużych odkształceń, do obróbki plastycznej.
  • teraz „nadajemy mu kształt”
  • starzenie (naturalne lub sztuczne)
    naturalne – 20oC/kilka dni
    sztuczne – np. 120oC/15 h – suszarka)

Uwaga. Starzenie nie może być procesem przypadkowym: „nad palnikiem”, lecz kontrolowanym.

Wynikiem (A + C) jest wzrost twardości i wytrzymałości Rm, np. o 100%

Oprac. K.Kotkowski,
10 grudnia 2009