Czym jest stal?
Stal to szerokie określenie na stopy żelaza i węgla.Zawartość węgla (0,05% - 2% wag.) oraz dodatek innych pierwiastków określają konkretny stop stali i jej właściwości materiałowe.Inne pierwiastki stopowe to mangan, krzem, fosfor, siarka i tlen.Węgiel zwiększa twardość i wytrzymałość stali, podczas gdy inne pierwiastki mogą być dodawane w celu poprawy odporności na korozję lub skrawalności.Zawartość manganu jest również ogólnie wysoka (co najmniej 0,30% do 1,5%), aby zmniejszyć kruchość stali i poprawić jej wytrzymałość.
Wytrzymałość i twardość stali to jedna z jej najpopularniejszych właściwości.To one sprawiają, że stal nadaje się do zastosowań budowlanych i transportowych, ponieważ materiał ten może być używany przez długi czas pod dużymi i powtarzającymi się obciążeniami.Niektóre stopy stali, np. odmiany stali nierdzewnej, są odporne na korozję, co czyni je najlepszym wyborem na części pracujące w ekstremalnych warunkach.
Jednak ta wytrzymałość i twardość wydłuży również czas obróbki i zwiększy zużycie narzędzia.Stal jest materiałem o dużej gęstości, przez co w niektórych zastosowaniach jest zbyt ciężka.Stal ma jednak wysoki stosunek wytrzymałości do masy, dlatego jest jednym z najczęściej stosowanych metali w produkcji.
Rodzaj stali
Porozmawiajmy o wielu rodzajach stali.Jako stal, węgiel musi być dodany do żelaza.Jednak zawartość węgla będzie inna, co spowoduje duże zmiany w jego wydajności.Stal węglowa ogólnie odnosi się do stali innej niż stal nierdzewna i jest identyfikowana za pomocą 4-cyfrowego gatunku stali.Szerzej jest to stal niskowęglowa, średniowęglowa lub wysokowęglowa.
Stal niskowęglowa: zawartość węgla poniżej 0,30% (wagowo)
Stal średniowęglowa: 0,3 – 0,5% zawartości węgla
Stal wysokowęglowa: 0,6% i więcej
Główne pierwiastki stopowe stali są reprezentowane przez pierwszą cyfrę czterocyfrowego gatunku.Na przykład każda stal 1xxx, taka jak 1018, będzie wykorzystywać węgiel jako główny pierwiastek stopowy.Stal 1018 zawiera 0,14 – 0,20% węgla oraz niewielką ilość fosforu, siarki i manganu.Ten uniwersalny stop jest powszechnie używany do obróbki uszczelek, wałów, kół zębatych i sworzni.
Łatwa w obróbce stal węglowa jest ponownie fosforanowana i ponownie fosforanowana w celu łamania wiórów na mniejsze kawałki.Zapobiega to zaplątaniu się długich lub dużych wiórów w narzędzie podczas cięcia.Łatwa w obróbce stal może przyspieszyć czas obróbki, ale może zmniejszyć ciągliwość i odporność na uderzenia.
Stal nierdzewna
Stal nierdzewna zawiera węgiel, ale zawiera również około 11% chromu, co zwiększa odporność materiału na korozję.Więcej chromu oznacza mniej rdzy!Dodatek niklu może również poprawić odporność na rdzę i wytrzymałość na rozciąganie.Ponadto stal nierdzewna ma dobrą odporność na ciepło i nadaje się do zastosowań w lotnictwie i innych zastosowaniach w ekstremalnych środowiskach.
Zgodnie z krystaliczną strukturą metalu stal nierdzewną można podzielić na pięć typów.Te pięć typów to utwardzanie austenitu, ferrytu, martenzytu, duplex i wydzieleń.Gatunki stali nierdzewnej są identyfikowane za pomocą trzech cyfr zamiast czterech.Pierwsza liczba reprezentuje strukturę krystaliczną i główne pierwiastki stopowe.
Na przykład stal nierdzewna serii 300 to austenityczny stop chromowo-niklowy.Najpopularniejszym gatunkiem jest stal nierdzewna 304, znana również jako 18/8, ponieważ zawiera 18% chromu i 8% niklu.Stal nierdzewna 303 to bezpłatna wersja obróbki stali nierdzewnej 304.Dodatek siarki zmniejsza jej odporność na korozję, więc stal nierdzewna typu 303 jest bardziej podatna na korozję niż stal nierdzewna typu 304.
Stal nierdzewna może być stosowana w wielu gałęziach przemysłu.Stal nierdzewna typu 316 może być stosowana do elementów zaworów w sprzęcie medycznym, takich jak maszyny i rurociągi, po odpowiednim przetworzeniu.Stal nierdzewna 316 jest również wykorzystywana do obróbki nakrętek i śrub, z których wiele jest stosowanych w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym.Stal nierdzewna 303 jest stosowana do kół zębatych, wałów i innych części niezbędnych do samolotów i samochodów.
stal narzędziowa dłuta
Stal narzędziowa jest wykorzystywana do produkcji narzędzi do różnych procesów produkcyjnych, w tym odlewania ciśnieniowego, formowania wtryskowego, tłoczenia i cięcia.Dostępnych jest wiele różnych stopów stali narzędziowych do różnych zastosowań, ale wszystkie są znane ze swojej twardości.Każdy z nich może wytrzymać wielokrotne użytkowanie (forma stalowa używana do formowania wtryskowego może wytrzymać milion razy lub więcej materiałów) i ma wysoką odporność na temperaturę.
Powszechnym zastosowaniem stali narzędziowej jest formowanie wtryskowe, które jest przetwarzane przez utwardzoną stal CNC w celu wytworzenia najwyższej jakości części produkcyjnych.Stal H13 jest zwykle wybierana ze względu na dobrą odporność na zmęczenie cieplne - jej wytrzymałość i twardość może wytrzymać długotrwałe narażenie na ekstremalne temperatury.Forma H13 jest bardzo odpowiednia dla zaawansowanych materiałów do formowania wtryskowego o wysokiej temperaturze topnienia, ponieważ zapewnia dłuższą żywotność formy niż inne stale – od 500000 do 1 miliona razy.Jednocześnie S136 jest stalą nierdzewną, a żywotność matrycy przekracza milion razy.Materiał ten może być polerowany na najwyższym poziomie i wykorzystywany do specjalnych zastosowań części wymagających wysokiej przejrzystości optycznej.
Obróbka stali
Niektóre z najbardziej użytecznych właściwości stali pochodzą z dodatkowych etapów obróbki i obróbki.Metody te można przeprowadzić przed obróbką, aby zmienić właściwości stali i ułatwić jej obróbkę.Należy pamiętać, że hartowanie materiałów przed obróbką wydłuży czas obróbki i zwiększy zużycie narzędzia, ale stal można obrabiać po obróbce w celu zwiększenia wytrzymałości lub twardości gotowego produktu.Oznacza to, że ważne jest, aby przewidzieć wszelkie planowane zabiegi, które należy zastosować, aby uzyskać niezbędne właściwości części.
obróbka cieplna
Obróbka cieplna odnosi się do kilku różnych procesów obejmujących manipulowanie temperaturą stali w celu zmiany jej właściwości materiałowych.Przykładem jest wyżarzanie, które służy do zmniejszenia twardości i zwiększenia ciągliwości, dzięki czemu stal jest łatwiejsza w obróbce.Proces wyżarzania powoli podgrzewa stal do pożądanej temperatury i utrzymuje ją przez pewien czas.Wymagany czas i temperatura zależą od konkretnego stopu i maleją wraz ze wzrostem zawartości węgla.Wreszcie metal jest powoli chłodzony w piecu lub otoczony materiałem izolacyjnym.
Normalizująca obróbka cieplna może wyeliminować naprężenia wewnętrzne w stali przy zachowaniu wyższej wytrzymałości i twardości niż stal wyżarzona.Podczas normalizacji stal jest podgrzewana do wysokiej temperatury, a następnie chłodzona powietrzem w celu uzyskania większej twardości.
Stal hartowana to kolejny proces obróbki cieplnej.Zgadłeś, hartuje stal.Zwiększa również wytrzymałość, ale także sprawia, że materiał jest bardziej kruchy.Proces hartowania polega na powolnym nagrzewaniu stali, moczeniu jej w wysokiej temperaturze, a następnie szybkim schłodzeniu stali w roztworze wody, oleju lub solanki.
Na koniec przyjęto proces odpuszczania w celu zmniejszenia kruchości stali hartowanej.Stal hartowana jest prawie identyczna jak normalizująca: powoli podgrzej ją do wybranej temperatury, a następnie schładzaj powietrzem stal.Różnica polega na tym, że temperatura odpuszczania jest niższa niż innych procesów, co zmniejsza kruchość i twardość stali hartowanej.
Utwardzanie wydzieleniowe
Hartowanie wydzieleniowe poprawia granicę plastyczności stali.Niektóre gatunki stali nierdzewnej mogą zawierać w swoich nazwach wartości pH, co oznacza, że mają one właściwości utwardzania wydzieleniowego.Główna różnica między stalami utwardzanymi wydzieleniowo polega na tym, że zawierają dodatkowe pierwiastki: miedź, aluminium, fosfor lub tytan.Istnieje wiele różnych stopów.W celu uaktywnienia właściwości utwardzania wydzieleniowego stal formowana jest do ostatecznego kształtu, a następnie poddawana obróbce polegającej na hartowaniu starzeniowym.Proces twardnienia starzeniowego nagrzewa materiał przez długi czas, aby wytrącić dodane elementy i utworzyć cząstki stałe o różnej wielkości, poprawiając w ten sposób wytrzymałość materiału.
17-4PH (znany również jako stal 630) jest powszechnym przykładem gatunków stali nierdzewnej utwardzanych wydzieleniowo.Stop zawiera 17% chromu i 4% niklu oraz 4% miedzi, która przyczynia się do utwardzania wydzieleniowego.Ze względu na zwiększoną twardość, wytrzymałość i wysoką odporność na korozję, 17-4PH jest stosowany do platform HELIDECK, łopatek turbin i beczek na odpady radioaktywne.
Chłodne pracowanie
Właściwości stali można również zmienić bez stosowania dużej ilości ciepła.Na przykład stal obrabiana na zimno jest wzmacniana przez proces utwardzania przez zgniot.Utwardzanie przez zgniot występuje, gdy metal jest odkształcony plastycznie.Można to osiągnąć poprzez młotkowanie, walcowanie lub ciągnienie metalu.Podczas obróbki, jeśli narzędzie lub przedmiot obrabiany ulegnie przegrzaniu, może również przypadkowo wystąpić utwardzenie przez zgniot.Obróbka na zimno może również poprawić skrawalność stali.Stal niskowęglowa jest bardzo odpowiednia do obróbki na zimno.
Środki ostrożności przy projektowaniu konstrukcji stalowych
Projektując elementy stalowe należy pamiętać o unikalnych właściwościach materiału.Dopasowanie go do charakterystyki aplikacji może wymagać dodatkowego rozważenia projektu produkcyjnego (DFM).
Ze względu na twardość materiału obróbka stali trwa dłużej niż innych bardziej miękkich materiałów, takich jak aluminium czy mosiądz.Aby zoptymalizować jakość obróbki i zminimalizować zużycie narzędzia, należy użyć prawidłowych ustawień maszyny.W rzeczywistości oznacza to mniejszą prędkość wrzeciona i prędkość posuwu, aby chronić Twoje części i formy.
Nawet jeśli nie zajmujesz się samą obróbką, powinieneś ocenić rodzaj stali odpowiedni dla twojego projektu, nie tylko twardość i wytrzymałość, ale także różnicę w obrabialności.Na przykład czas przetwarzania stali nierdzewnej jest około dwa razy dłuższy niż stali węglowej.Decydując się na różne gatunki, należy również wziąć pod uwagę, które właściwości mają najwyższy priorytet i które stopy stali są łatwe do uzyskania.Powszechnie używane gatunki, takie jak stal nierdzewna 304 lub 316, mają szerszy zakres rozmiarów zapasów do wyboru i wymagają mniej czasu na znalezienie i zakup.