„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
MINISTERSTWO EDUKACJI
NARODOWEJ
Piotr Masłoń
Określanie właściwości materiałów konstrukcyjnych
311[15].O1.02
Poradnik dla ucznia
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2007
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
1
Recenzenci:
dr inŜ. Janusz Makówka
dr inŜ. Sylwester Rajwa
Opracowanie redakcyjne:
mgr inŜ. Danuta Pawełczyk
Konsultacja:
mgr inŜ. Gabriela Poloczek
Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 311[15]O1.02
„Określanie właściwości materiałów konstrukcyjnych”, zawartego w modułowym programie
nauczania dla zawodu technik górnictwa podziemnego.
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
2
SPIS TREŚCI
1.
Wprowadzenie
3
2.
Wymagania wstępne
5
3.
Cele kształcenia
6
4.
Materiał nauczania
7
4.1. Materiały stosowane w budowie maszyn. Właściwości metali i ich stopów
7
4.1.1.
Materiał nauczania
7
4.1.1.
Pytania sprawdzające
18
4.1.3.
Ćwiczenia
18
4.1.4.
Sprawdzian postępów
20
4.2. Metalurgia stali i metali nieŜelaznych oraz technologia proszków
21
4.2.1.
Materiał nauczania
21
4.2.2.
Pytania sprawdzające
33
4.2.3.
Ćwiczenia
33
4.2.4.
Sprawdzian postępów
34
4.3. Stopy techniczne
35
4.3.1.
Materiał nauczania
35
4.3.2.
Pytania sprawdzające
43
4.3.3.
Ćwiczenia
43
4.3.4.
Sprawdzian postępów
44
4.4. Materiały niemetalowe
45
4.4.1.
Materiał nauczania
45
4.4.2.
Pytania sprawdzające
56
4.4.3.
Ćwiczenia
56
4.4.4.
Sprawdzian postępów
57
4.5. Obróbka cieplna i cieplno-chemiczna
58
4.5.1.
Materiał nauczania
58
4.5.2.
Pytania sprawdzające
64
4.5.3.
Ćwiczenia
64
4.5.4.
Sprawdzian postępów
65
4.6. Korozja metali i ochrona przed korozją
66
4.6.1.
Materiał nauczania
66
4.6.2.
Pytania sprawdzające
69
4.6.3.
Ćwiczenia
70
4.6.4.
Sprawdzian postępów
71
5.
Sprawdzian osiągnięć
72
6.
Literatura
77
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
3
1.
WPROWADZENIE
Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy o podstawowych układach
sterowania i regulacji automatycznej i kształtowaniu umiejętności montowania i sprawdzania
układów automatyki.
W poradniku zamieszczono:
−
wymagania wstępne – wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć juŜ ukształtowane,
abyś bez problemów mógł korzystać z poradnika,
−
cele kształcenia – wykaz umiejętności, jakie ukształtujesz podczas pracy z poradnikiem,
−
materiał nauczania – wiadomości teoretyczne niezbędne do opanowania treści jednostki
modułowej,
−
zestaw pytań, abyś mógł sprawdzić, czy juŜ opanowałeś określone treści,
−
ćwiczenia, które pomogą Ci zweryfikować wiadomości teoretyczne oraz ukształtować
umiejętności praktyczne,
−
sprawdzian postępów,
−
sprawdzian osiągnięć, przykładowy zestaw zadań. Zaliczenie testu potwierdzi
opanowanie materiału całej jednostki modułowej,
−
literaturę uzupełniającą.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
4
Schemat układu jednostek modułowych
311[15].O1
Podstawy konstrukcji mechanicznych
311[15].O1.01
Stosowanie przepisów Kodeksu pracy,
Prawa geologicznego i górniczego
311[15].O1.02
Określanie właściwości
materiałów
konstrukcyjnych
311[15].O1.03
Wykonywanie rysunków
części maszyn
311[15].O1.04
Wykonywanie obliczeń w układach
statycznych, dynamicznych i kinetycznych
311[15].O1.05
Projektowanie części maszyn
i połączeń
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
5
2. WYMAGANIA WSTĘPNE
Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej, powinieneś umieć:
−
stosować jednostki układu SI,
−
przeliczać jednostki,
−
przekształcać wzory,
−
korzystać z róŜnych źródeł informacji,
−
posługiwać się podstawowymi pojęciami z zakresu mechaniki,
−
rozróŜniać podstawowe wielkości mechaniczne i ich jednostki,
−
odczytać dane z układu współrzędnych,
−
odczytać podstawowe równania reakcji chemicznych,
−
obsługiwać komputer,
−
współpracować w grupie.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
6
3. CELE KSZTAŁCENIA
W wyniku realizacji programu jednostki modułowej, powinieneś umieć:
−
wyjaśnić podstawowe pojęcia z zakresu technologii metali i materiałoznawstwa,
−
określić właściwości metali i ich stopów
−
rozróŜnić gatunki stali, staliwa, Ŝeliwa, metali nieŜelaznych i ich stopów,
−
określić gatunki materiałów konstrukcyjnych na podstawie oznaczenia,
−
scharakteryzować metody otrzymywania stali, staliwa, Ŝeliwa, metali nieŜelaznych i ich
stopów,
−
określić właściwości materiałów niemetalowych,
−
określić przeznaczenie materiałów niemetalowych,
−
zastosować materiały konstrukcyjne uwzględniając warunki eksploatacji i wpływ na
trwałość urządzenia,
−
dobrać materiał na wskazane części maszyn,
−
rozróŜnić rodzaje obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej,
−
zanalizować zmiany właściwości w zaleŜności od rodzaju obróbki cieplnej i cieplno-
-chemicznej,
−
dobrać rodzaj obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej do Ŝądanych właściwości,
−
rozpoznać zjawiska korozyjne i ich skutki,
−
ocenić stosowane sposoby ochrony przed korozją w procesach wytwarzania i eksploatacji,
−
dobrać sposoby ochrony przed korozją.
−
posłuŜyć się: tablicami, normami, poradnikami i inną literaturą techniczną.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
7
4. MATERIAŁ NAUCZANIA
4.1. Materiały stosowane w budowie maszyn. Właściwości metali
i ich stopów
4.1.1. Materiał nauczania
Materiałami w pojęciu technicznym nazywane są ciała stałe o własnościach
umoŜliwiających ich stosowanie przez człowieka do wytwarzania produktów. Materiałami
inŜynierskimi natomiast, nazywamy materiały konstrukcyjne, które są wykorzystywane do
budowy maszyn i urządzeń.
Najogólniej wśród materiałów o znaczeniu technicznym moŜna wyróŜnić: materiały
naturalne, wymagające jedynie nadania kształtu, do technicznego zastosowania Materiały
inŜynierskie, nie występujące w naturze, lecz wymagające zastosowania złoŜonych procesów
wytwórczych do ich przystosowania do potrzeb technicznych, po wykorzystaniu surowców
dostępnych w naturze.
Przykładami materiałów naturalnych są:
1)
drewno,
2)
niektóre kamienie,
3)
skały,
4)
minerały.
Do podstawowych grup materiałów inŜynierskich tradycyjnie zaliczamy: metale i ich stopy,
polimery i materiały ceramiczne. Istotną rolę odgrywają równieŜ materiały kompozytowe.
Właściwości metali i ich stopów
Metale to materiały, które w stanie stałym charakteryzują się następującym
właściwościami: są to przede wszystkim: połysk, zwany metalicznym, dobra plastyczność,
nieprzezroczystość oraz dobra przewodność cieplna i elektryczna (malejąca ze wzrostem
temperatury).
Metale w stanie stałym i ciekłym przewodzą prąd elektryczny za pośrednictwem
elektronów. W stanie ciekłym i stałym atomy substancji znajdują się w bliskim ze sobą
sąsiedztwie, a elektrony walencyjne (wartościowości) mogą przemieszczać się swobodnie
w obrębie fazy metalicznej tworząc gaz elektronowy. Atomy pozbawione pewnej liczby
swobodnych elektronów stają się jonami dodatnimi (rdzeniami atomowymi). Dodatnie jony
w stanie stałym są w określony sposób rozmieszczone względem siebie, tworząc sieć krystaliczną.
Wzajemne oddziaływanie elektrodynamiczne rdzeni atomowych i swobodnych elektronów
utrzymuje w stanie spójności fazę metaliczną. Podobnie utrzymywana jest w stanie spójności faza
ciekła. JednakŜe wówczas rdzenie atomowe nie mają określonych połoŜeń względem siebie
i z tego powodu nie tworzą sieci krystalicznej. W licznych przypadkach metale w stanie
stałym wykazują dobrą plastyczność, umoŜliwiając zmianę kształtu przedmiotu pod wpływem
działania na niego sił zewnętrznych. Zespół cech charakterystycznych metali określa się
mianem cech stanu metalicznego, a o pierwiastkach wykazujących cechy metaliczne mówi się,
Ŝe znajdują się one w stanie metalicznym. Za główną przy tym cechę stanu metalicznego uznaje się
przewodnictwo elektryczne o malejącym współczynniku temperaturowym. W stanie stałym
rozłoŜenie atomów jest ściśle określone. Tworzą one sieci przestrzenne wyznaczone przez środki
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
8
cięŜkości atomów, stanowiących ich węzły. W przypadkach struktur bardziej skomplikowanych
węzły sieci przestrzennej są utworzone przez środki cięŜkości większego ugrupowania atomów, np.
cząsteczki.
Najczęściej występujące komórki strukturalne metali: przedstawiono na rys. 1. Są to:
−
komórka strukturalna sieci regularnej płasko centrycznej – rys. 1a,
−
komórka strukturalna sieci regularnej przestrzennie centrycznej – rys. 1b,
−
komórka strukturalna sieci heksagonalnej zwarcie wypełnionej – rys. 1c.
Rys. 1 Komórki strukturalne metali [1, s. 195]
Niektóre substancje, zaleŜnie od warunków, mogą występować w róŜnych postaciach
krystalicznych róŜniących się budową i własnościami. Są to odmiany alotropowe tej samej
substancji. Z takimi odmianami ma się często do czynienia w praktyce. Na przykład Ŝelazo, które
do temperatury 9IO°C występuje w układzie regularnym przestrzennie centrycznym, powyŜej
tej temperatury zmienia swą sieć na regularną płasko centryczną. RównieŜ inne metale
przechodzą przemiany alotropowe, np. kobalt, cyna, mangan i tytan.
Własności mechaniczne metali i ich stopów
Własności mechaniczne stanowią zespół cech określających odporność metali na
działanie na nie sił zewnętrznych. Mają one podstawowe znaczenie dla trwałości wszelkich
konstrukcji oraz stanowią podstawę wyboru najwłaściwszych metod obróbki materiału w celu
uzyskania zaprojektowanego wyrobu. Poznanie cech metali, występujących w ustalonych
warunkach, nie jest wystarczające do oceny przydatności tych materiałów do określonego celu.
Niezbędne jest tu jeszcze poznanie wpływu róŜnych czynników, np. temperatury, sposobu
i wielkości obciąŜenia oraz kształtu i wymiarów przedmiotu na zmiany tych własności.
Dla celów technicznych wykonuje się róŜne próby, określone normami, które
umoŜliwiają sprawdzenie, czy badany materiał odpowiada ustalonym warunkom. Najczęściej
bada się: wytrzymałość na rozciąganie, wytrzymałość na ściskanie, wytrzymałość na pełzanie,
wytrzymałość zmęczeniową, twardość i udarność.
Wytrzymałość na rozciąganie
W próbie rozciągania badany materiał mający kształt pręta o stałym przekroju S, poddaje
się działaniu siły rozciągającej F, skierowanej wzdłuŜ osi pręta. Wówczas w dowolnym
przekroju prostopadłym do kierunku działania siły powstają napręŜenia rozciągające
σ (sigma), których wartość wyraŜa się wzorem
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
9
0
S
F
σ
=
σ – napręŜenie rozciągające, F – siła rozciągająca, S
0
– przekrój poprzeczny próbki
W początkowym okresie próby obserwuje się znaczny wzrost siły rozciągania przy
nieznacznym przyroście długości. Odkształcenia te mają charakter spręŜysty, to znaczy Ŝe po
usunięciu siły powodującej wydłuŜenie próbka wróci do poprzednich wymiarów. JeŜeli jednak
siła wzrośnie ponad pewną wartość, to odkształcenia będą trwale, czyli po usunięciu siły
działającej na próbkę pewne odkształcenia pozostaną. Mówi się wówczas, Ŝe została
przekroczona granica spręŜystości i Ŝe powstały w materiale odkształcenia trwałe, czyli
plastyczne. Poczynając od pewnej wartości siły, przyrostowi długości próbki ze stali miękkiej nie
towarzyszy dalszy wzrost siły. Przeciwnie, czasem obserwuje się nawet jej zmniejszenie. Tylko
niektóre materiały dają na wykresach rozciągania gwałtowne załamanie krzywej. Wiele
materiałów daje wykresy, na których zmiany pochylenia krzywej następują łagodnie, bez
ostrych załamań. Dalej więc wydłuŜenie próbki wzrasta szybko, mimo Ŝe przyrosty siły nie są
wielkie. W pewnej chwili siła osiąga największą wartość. Od tego momentu jej wartość maleje
do chwili, gdy nastąpi zerwanie próbki. Podczas rozciągania próbka wydłuŜa się kosztem
równomiernego zmniejszania się średnicy. Po osiągnięciu największego obciąŜenia w pewnym
miejscu próbki zaczyna się tworzyć przewęŜenie, zwane szyjką. Dalsze rozciąganie powoduje
szybkie wydłuŜenie się próbki w miejscu zwęŜenia i następnie jej rozerwanie.Zgodnie
z PN–91/H–04310 w celu scharakteryzowania zachowania się metalu pod wpływem
obciąŜenia rozciągającego wyznacza się m.in. następujące parametry: wydłuŜenie A
p
,
wydłuŜenie równomierne Ą
r
. przewęŜenie Z, górną granicę plastyczności R
eH
i dolną R
eL
,
umowną granicę plastyczności R
0.2
, umowną granicę spręŜystości R
0
,
05
wytrzymałość na
rozciąganie R
m
, napręŜenie rozrywające R
u
WydłuŜenie A
p
to stosunek trwałego wydłuŜenia ∆L, próbki po rozerwaniu do długości
pomiarowej L
0
, próbki, wyraŜony w procentach
100%
L
∆L
A
0
p
⋅
=
gdzie: L
0
– początkowa długość pomiarowa próbki. ∆L – przyrost długości próbki po
rozerwaniu
.
PrzewęŜenie Z to zmniejszenie pola powierzchni przekroju poprzecznego próbki, odniesione
do pola jej pierwotnego przekroju.
100%
d
d
d
100
S
S
S
Z
2
0
2
u
2
0
0
u
0
⋅
−
=
⋅
−
=
gdzie: S
0
– pole powierzchni przekroju poprzecznego próbki przed rozerwaniem,
S
u
– pole powierzchni przekroju poprzecznego próbki w miejscu rozerwania.
d
0
– początkowa średnica próbki (przed rozerwaniem),
d
u
– średnica najmniejszego przekroju poprzecznego próbki po rozerwaniu.
Górna granica plastyczności R
eH
to napręŜenie rozciągające w chwili nagłego wydłuŜenia, od
której następuje krótkotrwały spadek wartości siły rozciągającej
0
eH
eH
S
F
R
=
Dolna granica plastyczności R
eL
jest to najmniejsze napręŜenie rozciągające, występujące
po przekroczeniu górnej granicy plastyczności .
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
10
0
eL
eL
S
F
R
=
Rys. 2. Krzywe rozciągania metali a) z wyraźną granicą plastyczności
b) bez wyraźnej granicy plastyczności [1, s. 208]
Umowna granica plastyczności R
0.2
to napręŜenie rozciągające wywołujące w próbce umowne
wydłuŜenie trwałe 0,2%
0
0,2
0,2
S
F
R
=
Umowna granica spręŜystości R
0.05
to napręŜenie rozciągające wywołujące w próbce wydłuŜenie
trwałe 0,05%
0
0,05
0,05
S
F
R
=
Wytrzymałość na rozciąganie R
m
to napręŜenie rozciągające odpowiadające największej sile
obciąŜającej uzyskanej w czasie próby
0
m
m
S
F
R
=
NapręŜenie rozrywające R
u
to napręŜenie rzeczywiste występujące w przekroju poprzecznym
próbki S
u
w miejscu przewęŜenia w chwili rozerwania
u
u
u
S
F
R
=
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
11
Rys. 3. Próbka przed i po zerwaniu. [1, s. 209]
Próbę rozciągania wykonuje się na maszynach zwanych zrywarkami. Obecnie najczęściej
są uŜywane maszyny wytrzymałościowe, które mogą słuŜyć do wykonywania róŜnych prób
wytrzymałościowych , oprócz próby rozciągania, równieŜ prób ściskania, zginania i ścinania.
Wytrzymałość na ściskanie
Wytrzymałość na ściskanie wyznacza się głównie dla materiałów kruchych, np. Ŝeliwa.
Próbka w kształcie walca lub sześcianu jest poddawana działaniu siły w kierunku
prostopadłym do przekroju poprzecznego. Po przekroczeniu pewnego obciąŜenia próbka
ulega zniszczeniu. ObciąŜenie to R
0
, zwane wytrzymałością na ściskanie, wyraŜa się zaleŜnością
0
c
0
S
F
R
=
F
c
– najmniejsza siła powodująca zniszczenie próbki
S
0
– pole początkowego przekroju próbki
Kształt próbki wpływa na wartość wytrzymałości i z tego powodu próba ściskana jest
wykonywana na próbkach, których kształt i wymiary określają normy. Najczęściej stosuje się
próbki walcowe, których wysokość jest 2,5 raza większa od średnicy próbki.
Wytrzymałość na pełzanie
Wytrzymałość metali i stopów w podwyŜszonej temperaturze zaleŜy od szybkości narastania
obciąŜenia. Z doświadczeń wynika, Ŝe wytrzymałość jest tym mniejsza, im dłuŜsze jest
działanie siły. Zerwanie materiału w podwyŜszonej temperaturze moŜe nastąpić nawet wówczas,
gdy napręŜenia w materiale są mniejsze od napręŜeń określonych jako wytrzymałość na
rozciąganie w takiej samej temperaturze.
Podczas długotrwałego działania siły materiał pod jej wpływem bardzo wolno ulega
wydłuŜeniu. Jest
to pełzanie, prowadzące zazwyczaj do pęknięcia materiału po dłuŜszym czasie.
Wytrzymałość zmęczeniowa
JeŜeli na materiał działają siły zmieniające swą wartość okresowo w czasie, to
w materiale tym mogą powstać pęknięcia, chociaŜ napręŜenia nie osiągnęły nigdy wartości,
które przy stałym obciąŜeniu mogłyby spowodować zniszczenie materiału. NapręŜenia
powstające w takich warunkach nazywa się zmęczeniowymi. Pęknięcia są zazwyczaj
spowodowane w mniejszym lub większym stopniu działaniem karbu. Zjawisko karbu powstaje
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
12
w konstrukcjach, w których występują ostre podcięcia lub wycięcia. Pęknięcia zaczynają się
w pewnym punkcie przekroju zwykle przy powierzchni, i z wolna postępują w głąb materiału.
PoniewaŜ przekrój zostanie w ten sposób dostatecznie osłabiony, następuje nagle pękniecie
obciąŜonego
elementu.
Pęknięcia
wywołane
napręŜeniami
zmęczeniowymi
mają
charakterystyczny przełom. Jedna cześć przełomu ma wygląd muszlowy gładki – 1, a druga –
krystaliczny 2 (rys. 4).
Określenie wytrzymałości zmęczeniowej odbywa się na znormalizowanych próbkach
poddawanych obciąŜeniom okresowo zmiennym.
Rys. 4. Przełom zmęczeniowy [1, s. 212]
Twardość
Twardością nazywa się odporność materiału na odkształcenia trwałe powstające wskutek
wciskania weń wgłębnika. Do pomiaru stosuje się najczęściej metody: Brinella, Rockweila,
i Vickersa.
Pomiar twardości metodą Brinella (PN–9I/H–04350) polega na wgniataniu w badany materiał
pod obciąŜeniem F kulki hartowanej o średnicy D. Miarą twardości w tej metodzie jest
stosunek siły F do pola powierzchni S trwałego odcisku, który w postaci czaszy kulistej utworzy
się na powierzchni metalu.
S
F
HB
=
S – pole odcisku [mm
2
]; F – siła obciąŜająca [N]
Po podstawieniu wzoru na powierzchnię odcisku
)
d
D
πD(D
2F
0,102
HB
2
2
−
−
⋅
=
D – średnica wgniatanej kulki, [mm]; d – średnica odcisku, [mm]; F – siła obciąŜająca, [N]
Do pomiaru twardości metodą Brinella słuŜy twardościomierz. Jest to w zasadzie ręczna
prasa hydrauliczna, za pomocą której moŜna wywrzeć na próbkę nacisk o określonej wartości.
Następnie za pomocą lupy pomiarowej naleŜy zmierzyć średnicę odcisku i określić twardość,
posługując się wzorem lub tablicami dołączonymi do twardościomierza Brinella. Twardość
Brinella jest wielkością bezwymiarową.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
13
Rys. 5. Twardościomierz Brinella [1, s. 213]
Twardość metodą Rockwella (PN–91/H–043 55) określa się na podstawie głębokości
odcisku powstałego w materiale w wyniku wciskania diamentowego stoŜka o kącie rozwarcia
120° lub kulki stalowej hartowanej o średnicy 1,5875 mm. ObciąŜenie dwustopniowe wgłębnika
stosuje się w celu zmniejszenia błędów pomiaru i wyeliminowania wpływu stanu powierzchni
próbki. Zasadę pomiaru twardości metodą Rockwella wyjaśnia rys. 6. W połoŜeniu pierwszym
wgłębnik obciąŜony obciąŜeniem wstępnym F
0
= 98 N wgłębia się na głębokość h
0
(rys. 6a)
i ustawia się czujnik pomiarowy w połoŜenie zerowe. W połoŜeniu na rys. 6b, wgłębnik, obciąŜony
wstępnie siłą F
0
i siłą główną F
1
wgłębia się na głębokość h. W połoŜeniu trzecim (rys. 6c), po
usunięciu obciąŜenia głównego F
1
wgłębnik podnosi się (zostają usunięte spręŜyste odkształcenia
materiału) i w tym połoŜeniu odczytuje się wskazania czujnika, który określa odkształcenia trwałe
e' mm wywołane obciąŜeniem wstępnym F
0
(rys. 6c).
Rys. 6. Zasada pomiaru twardości metodą Rockwella [1, s. 214]
Bezpośrednie wskazania czujnika nie mogą być miarą twardości, gdyŜ twardszym materiałom
odpowiadałyby mniejsze twardości. Z tego powodu twardość wg RockweJla oznacza się jako róŜnicę
między stałą wartością K a wartością trwałego przyrostu głębokości odcisku e, wyraŜoną
w jednostkach równych 0,002 mm.
0,002
e
e
,
=
Do pomiaru za pomocą stoŜka uŜywa się skal C i A o 100 działkach, a twardość mierzoną wg tych
skal oznacza się symbolami HRC i HRA. Do pomiaru za pomocą kulki uŜywa się skal B i F o 130
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
14
działkach, a twardość mierzoną wg nich oznacza się symbolami HRB i HRF. Przy pomiarze
stoŜkiem twardość Rockwella w skalach C i A wynosi:
HRC = 100 – e
a przy pomiarze kulką w skalach B i F.
HRB = 130 – e
i jest wielkością bezwymiarową.
Pomiar twardości metodą Vickersa polega na wciskaniu w badany materiał diamentowego
ostrosłupa przy obciąŜeniu 9,8 N i większym (rys. 7). Miarą twardości Vickersa jest stosunek siły
F, wciskającej diament, do powierzchni S pobocznicy trwałego odcisku
S
F
HV
=
Dla siły
F w [N] wzór ten przybierze postać
2
2
d
F
189
,
0
d
2
sin
F
2
0,102
HV
≈
⋅
⋅
=
α
d – średnia wartość przekątnej [mm]
S
d
+
d
d
2
1
=
α – kąt wierzchołkowy między przeciwległymi powierzchniami pobocznicy odcisku
(α = 136°), odpowiadający kątowi między przeciwległymi ścianami diamentowego ostrosłupa.
Znając siłę i przekątną, twardość Vickersa moŜna bezpośrednio odczytać z tablic
stanowiących wyposaŜenie przyrządu.
Rys. 7. Pomiar twardości metodą Vickersa [1, s. 215]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
15
Udarność
Na podstawie badania wytrzymałości materiałów pod obciąŜeniem powoli wzrastającym nie
moŜemy określić, jak będą się one zachowywać wówczas, gdy obciąŜenie będzie wzrastać bardzo
szybko. Na to pytanie dają odpowiedź próby, w których obciąŜenie materiału wzrasta gwałtownie,
uderzeniowo.
Odporność na uderzenie, czyli udarność, zaleŜy od rodzaju materiału, temperatury oraz kształtu
próbki, którą poddano badaniu. Zwykle stosuje się próbki w postaci prętów o przekroju
kwadratowym. Na jednym z boków próbki jest nacięty karb, który ma za zadanie ułatwienie
i zlokalizowanie pęknięcia próbki w czasie badania. Przyrząd uŜywany do określania udarności
nazywa się młotem udarnościowym. Najczęściej stosuje się młot typu Charpy (czyt. Szarpi),
przedstawiony na rys. 8.
Rys. 8. Młot Charpy’ego: 1 – próbka, 2 – wahadło, 3 – podziałka kątowa, 4 – wskaźnik, [1, s. 216]
W celu wykonania pomiaru umieszcza się próbkę na podporach, a wahadło podnosi się na
wysokość H. Opuszczone z tej wysokości uderza ono w próbkę, a po jej zniszczeniu unosi się
jeszcze na wysokość h mniejszą od H. JeŜeli cięŜar wahadła wynosi G, to w połoŜeniu górnym
energia potencjalna młota L
1
wynosi
L
1
= G · H
Po złamaniu próbki wahadło ma jeszcze energię, dzięki której mogło się wznieść na wysokość h.
Energia ta L
2
wynosi
L
2
= G · h
Energia zuŜyta na zniszczenie (złamanie) próbki L wynosi
L = L
1
– L
2
= G · ( H – h )
JeŜeli pole powierzchni przekroju poprzecznego próbki mierzone przed próbą wynosi S
0
cm
2
,
to praca jednostkowa zuŜyta na złamanie wynosi
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
16
0
0
S
h)
G(H
S
L
KC
−
=
=
Wartość KC jest miarą udarności materiału.
Własności technologiczne metali i ich stopów
Pojęcie własności technologicznych zawiera w sobie zespół cech materiału
charakteryzujących jego zachowanie się w czasie procesów produkcyjnych. Z tego powodu przy
doborze materiału naleŜy uwzględnić nie tylko jego cechy eksploatacyjne, lecz równieŜ jego
podatność na wpływ określonych procesów technologicznych. Podstawą oceny własności
technologicznych są próby materiału wykonane w warunkach zbliŜonych do stosowanych
w procesach obróbkowych, mających na celu wytworzenie określonego produktu
z zastosowaniem najbardziej racjonalnych metod produkcji. Najczęściej bada się własności
odlewnicze, skrawalność, własności plastyczne oraz zgrzewalność i spawalność.
Własności odlewnicze
Podstawowymi własnościami charakteryzującymi przydatność metalu lub stopu do celów
odlewniczych są lejność, czyli zdolność do wypełniania form, oraz skurcz metalu podczas
stygnięcia. Lejność zaleŜy od płynności materiału w temperaturze zalewania formy i decyduje
nie tylko o łatwości wypełnienia formy, lecz ma równieŜ wpływ na makrostrukturę odlewu.
Miarą lejności jest odległość, na jaką popłynie ciekły metal w znormalizowanej formie,
mającej kształt pręta lub spirali i ustawionej poziomo. Skurcz metalu podczas odlewania ma
wpływ na powstawanie w przedmiocie napręŜeń mogących spowodować jego pęknięcie lub
odkształcenia. Ponadto jest on przyczyną powstawania jam skurczowych, porowatości itp.
Skrawalność
Podatność materiału do obróbki skrawaniem nazywa się skrawalnością. Określa się ją na
podstawie kilku wskaźników (zuŜycia narzędzia, sił i energii skrawania, jakości warstwy
wierzchniej, wydajności skrawania, rodzaju i łatwości usuwania wiórów). Dobrą skrawalnością
najczęściej charakteryzują się materiały, które nie odznaczają się dobrymi własnościami
mechanicznymi. Stal wykazująca dobrą skrawalność ma mniejszą od innych wytrzymałość na
rozciąganie oraz odznacza się kruchością, którą powoduje zawartość siarki i fosforu. Cechą
podobną do skrawalności jest ścieralność; określa ona skłonność materiału do zuŜywania się
wskutek tarcia. Miarą ścieralności jest zmniejszenie masy badanej próbki powodowane tarciem
twardej tarczy o badany materiał. Próbę ścieralności stosuje się do badania elementów, które
w czasie pracy są szczególnie naraŜone na ścieranie.
Własności plastyczne
Oceny technologicznych własności plastycznych dokonuje się na podstawie prób
mających wykazać podatność materiału na odkształcenia trwałe, niezbędne do nadania
właściwych kształtów produktom, przy czym jako najwaŜniejsze naleŜy wymienić: próbę
zginania, próbę nawijania drutu oraz próbę tłoczności.
Próbę zginania wykonuje się na prętach o przekrojach kołowym, kwadratowym lub
prostokątnym. Polega ona na powolnym zginaniu próbki wokół innego pręta, którego
wymiary określają przepisy (rys. 9a). W niektórych przypadkach stosuje się obostrzoną próbę
zginania. Poddaje się wówczas zginaniu płaskowniki z naciętym piłką karbem (rys. 9b) lub
płaskowniki z wywierconym w nich otworem o średnicy równej podwójnej grubości próbki
(rys. 9c). W próbie zginania miarą plastyczności jest wartość kąta, o jaki próbkę moŜna zgiąć
bez spowodowania pęknięcia.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
17
Rys. 9. Próba zginania [1, s. 219]
Materiały bardzo plastyczne poddaje się próbie wielokrotnego przeginania. Miarą
plastyczności jest liczba określonych przegięć, wykonanych do chwili pojawienia się pierwszych
pęknięć.
Próbę nawijania stosuje się do drutów o średnicach mniejszych od 6 mm. Określa się
własności plastyczne drutu oraz umoŜliwia wykrycie niejednorodności materiału. Próba polega
na nawinięciu drutu na trzpień o określonej średnicy (rys. 10). Sposób nawinięcia, liczbę
zwojów oraz średnice trzpienia określają właściwe przepisy odbiorcze.
Rys. 10. Próba nawijania drutu [1, s. 219]
Próbę tłoczności cienkich blach i taśm wykonuje się metodą Erichsena. Polega ona na
powolnym wtłaczaniu kulisto zakończonego stempla stalowego lub kulki w próbkę z blachy
umocowanej w odpowiednio ukształtowanej matrycy (rys. 11). Miarą tłoczności jest
głębokość wytłoczonego w blasze wgłębienia do chwili wystąpienia w niej pęknięcia.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
18
Rys. 11. Próba tłoczności [1, s. 219]
4.1.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1.
Jakie znasz własności mechaniczne metali i ich stopów?
2.
Jakie znasz własności technologiczne metali i ich stopów?
3.
Co nazywamy twardością materiałów konstrukcyjnych?
4.
Co nazywamy udarnością metali iich stopów?
5.
Na czym polega rozciąganie materiałów?
6.
Jakie znasz metody badania twardości?
7.
Jakie parametry moŜna wyznaczyć w metalu pod wpływem obciąŜenia rozciągającego?
8.
Na czym polega proces pełzania?
9.
Co nazywamy wytrzymałością na zmęczenie?
10.
Jakie są róŜnice między twardością HRB i HRC?
11.
Co to jest lejność?
12.
Co powoduje skurcz podczas odlewania metalu?
13.
Co to jest skrawalność?
14.
Jakim próbom poddaje się metale i stopy w celu określenia ich własności plastycznych?
15.
Na czym polega próba zginania?
16.
Na czym polega próba nawijania drutu?
17.
Na czym polega próba tłoczenia?
4.1.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Oblicz wydłuŜenie i przewęŜenie próbki.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1)
zmierzyć długość i średnicę początkową próbki w ustalonych jednostkach miary,
2)
zapisać wyniki pomiaru:
długość L
0
....................
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
19
średnica początkowa d
0
.................
3)
zmierzyć długość i średnicę próbki po zerwaniu,
4)
zapisać wyniki pomiaru:
długość próbki po zerwaniu L
u
....................
średnica próbki po zerwaniu d
u
.................
5)
obliczyć przyrost długości próbki ∆L,
6)
obliczyć wydłuŜenie próbki A
p
,
7)
obliczyć pole przekroju początkowego S
0
i po zerwaniu S
u
,
8)
obliczyć przewęŜenie Z,
9)
zapisać otrzymane wyniki i wnioski.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
próbki do rozciągania,
−
zrywarka,
−
suwmiarka uniwersalna.
Ćwiczenie 2
Określ twardość próbek metodą Brinella.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1)
wykonać badanie twardościomierzem,
2)
zmierzyć średnicę odcisku w dwóch prostopadłych do siebie kierunkach (d
1
i d
2
):
zapisać wyniki,
pierwszy pomiar d
1
,
drugi pomiar d
2
.
3)
obliczyć wartość średnią średnicy odcisku d = (d
1
+ d
2
)/2:
zapisać wynik,
średnica pomiarowa d,
4)
obliczyć twardość HB dla wszystkich próbek,
5)
porównać wyniki i zapisać wnioski.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
twardościomierz Brinella,
−
próbki do badania twardości,
−
suwmiarka uniwersalna.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
20
4.1.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1)
wymienić własności fizyczne metali?
2)
wymienić własności mechaniczne metali?
3)
wymienić własności technologiczne metali?
4)
wyjaśnić pojęcie wytrzymałość na rozciąganie?
5)
wyjaśnić pojęcie wytrzymałość na ściskanie?
6)
wyjaśnić pojęcie twardość?
7)
wyjaśnić pojęcie udarność?
8)
wyjaśnić pojęcie wytrzymałość zmęczeniowa?
9)
wyjaśnić pojęcie plastyczność?
10)
sklasyfikować metody badania własności technologicznych?
11)
określić własności metalu na podstawie przeprowadzonych badań?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
21
4.2. Metalurgia stali i metali nieŜelaznych
oraz technologia
proszków
4.2.1. Materiał nauczania
Metalurgia Ŝelaza
Produkcja stali to proces dwustopniowy. Pierwszy etap polega na redukcji rudy. W jej
wyniku otrzymuje się surówkę zawierającą znaczne ilości domieszek i zanieczyszczeń. W drugim
etapie otrzymuje się stal pozbawioną częściowo zanieczyszczeń. Proces redukcji rud Ŝelaza odbywa
się w wielkim piecu, do którego ładuje się rudę, koks i topniki oraz tłoczy powietrze niezbędne
do spalania paliwa. Materiały te nazywamy materiałami wsadowymi. Proces utleniania odbywa się
w konwertorach lub piecach martenowskich.
Rudy Ŝelaza
Wszystkie rudy są w mniejszym lub większym stopniu są zanieczyszczone. W procesie
wytwarzania surówki trzeba zredukować związki Ŝelaza i usunąć zanieczyszczenia. Skład
chemiczny skały płonnej ma duŜe znaczenie dla procesu metalurgicznego. JeŜeli w skale
płonnej przewaŜa krzemionka (SiO
2
), to ruda jest kwaśna. JeŜeli przewaŜają składniki
zasadowe (CaO, MgO), to ruda jest zasadowa. Do rud kwaśnych dodajemy topniki zasadowe,
a do zasadowych – topniki kwaśne. Większość rud występujących w przyrodzie jest kwaśna
i wymaga znacznych ilości topników zasadowych. Niektóre związki chemiczne znajdujące się
w rudzie mogą i przechodzić w czasie procesu wielkopiecowego do surówki. ZaleŜnie od ich
wpływu na własności surówki rozróŜniamy domieszki poŜyteczne, jak mangan, chrom, krzem,
oraz zanieczyszczenia szkodliwe, jak siarka, fosfor i arsen.
Rudami, które mają największe znaczenie przemysłowe, są:
−
magnetyt lub Ŝelaziak magnetyczny (Fe
3
O
4
– tlenek Ŝelaza II – Ŝelaza III), zawierający
zwykle ok. 70% Fe;
−
hematyt lub Ŝelaziak czerwony (Fe
2
O
3
– tlenek Ŝelaza III), zawierający 50÷60% Ŝelaza;
−
limonit lub Ŝelaziak brunatny (2Fe
2
O
3
· 3H
2
O – uwodniony tlenek Ŝelaza III), zawierający
średnio 30 ÷
52% Ŝelaza (bywa barwy Ŝółtej, brunatnej, a nawet czarnej),
−
syderyt lub Ŝelaziak szpatowy (FeCO
3
– węglan Ŝelaza II), zawierający średnio 30÷40% Ŝelaza
(bywa barwy Ŝółtawoszarej lub Ŝółtawobrunatnej).
Koks
W procesie wytapiania surówki zadaniem koksu jest dostarczenie ciepła oraz zredukowanie
tlenków Ŝelaza.
Topniki
Zadaniem topników jest stopienie skały płonnej i oddzielenie zanieczyszczeń metalowych od
Ŝelaza. Skład chemiczny topników zaleŜy od składu chemicznego skały płonnej towarzyszącej
rudzie. Do rud kwaśnych naleŜy stosować topniki zasadowe najczęściej węglan wapnia
(CaCO
3
). Do rud zasadowych stosuje się topniki kwaśne. Najczęściej są to ubogie rudy kwaśne,
lub ŜuŜel kwaśny pochodzący z procesów stalowniczych.
Wielki piec
Schemat wielkiego pieca przedstawia (rys. 12). Materiały wsadowe ładowane są do
wielkiego pieca górnym otworem. Dzięki rozszerzonemu szybowi mogą łatwo przesuwać się
w dół, mimo Ŝe objętość ich początkowo wzrasta. PoniŜej przestronu objętość wsadu maleje,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
22
poniewaŜ następuje tutaj topnienie skały płonnej oraz Ŝelaza. Z tego powodu spadki zwęŜają się
u dołu. Stopione produkty wielkiego pieca zbierają się w garze i stąd są okresowo pobierane.
Rys. 12. Schemat wielkiego pieca [1, s. 64]
Wnętrze wielkiego pieca jest wykonane z cegieł ogniotrwałych. Dolne części pieca, tzn.
trzon, gar i spadki, powinny być wykonane z cegieł, które oprócz odporności na działanie
wysokiej temperatury muszą być odporne na chemiczne działanie roztopionego Ŝelaza. Wielki
piec jest osłonięty płaszczem stalowym.. Wielki piec jest chłodzony wodą przepływającą
kanałami w ścianach pieca.
Gar i spadki tworzą całość i spoczywają na trzonie pieca. Pozostałe części są oddzielone od
poprzednich tzw. szczeliną dylatacyjną. UmoŜliwia to niezaleŜne rozszerzanie się części pieca
podczas ogrzewania ich do róŜnych temperatur.
W dolnej części garu znajduje się otwór słuŜący do spuszczania surówki. Podczas wytopu
otwór surówkowy jest zalepiony gliną ogniotrwałą. Odbija się ją co kilka godzin w celu
dokonania spustu surówki. Nieco wyŜej znajduje się drugi otwór – do spuszczania ŜuŜla.
W górnej części garu na jego obwodzie znajdują się dysze doprowadzające gorące
powietrze do pieca. z nagrzewnic. Od góry wielki piec jest zamknięty urządzeniem
umoŜliwiającym załadunek materiałów wsadowych. Wydajność wielkich pieców wynosi do
2000 ton surówki na dobę.
Proces wielkopiecowy
Głównym procesem chemicznym jest redukcja tlenków Ŝelaza za pomocą tlenku węgla lub
węgla. Procesom chemicznym towarzyszą procesy fizyczne, jak parowanie wilgoci, topienie
Ŝelaza, topienie skały płonnej.
Proces redukcji przebiega zgodnie z reakcjami
3Fe
2
O
3
+ CO = 2Fe
3
O
4
+ CO
2
Fe
3
O
4
+ CO = 3FeO + CO
2
FeO + CO = Fe + CO
2
Nazywamy je redukcją pośrednią.
W miarę przesuwania się w dół ruda dochodzi w pobliŜe dysz i tu redukuje się bezpośrednio węglem
wg reakcji
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
23
FeO + C = Fe + CO
Ten etap nazywamy redukcją bezpośrednią.
Z materiałów wsadowych w wyniku procesów wielkopiecowych otrzymuje się jako główny
produkt surówkę ,a ponadto ŜuŜel oraz gazy wielkopiecowe.
Wytopiona w wielkim piecu surówka zawiera do 4,5% węgla i pewne ilości krzemu, manganu,
siarki oraz fosforu. Znaczna zawartość domieszek, zwłaszcza węgla, powoduje kruchość surówki.
Podczas przerobu surówki na stal składniki domieszkowe ulegają częściowemu wypalaniu.
Proces wypalania domieszek nazywa się świeŜeniem. Otrzymany po wypaleniu domieszek produkt
uŜyty na odlewy to staliwo, a przerobiony plastycznie – stal. Zawartość węgla w staliwie i w stali
nie przekracza teoretycznie 2%. W praktyce jest zwykle znacznie mniejsza. Odlewnicze stopy
Ŝelaza z węglem i innymi dodatkami zawierające 2,06–6,67% węgla, najczęściej do 4,3%,
nazywamy Ŝeliwami. śeliwo otrzymuje się przez przetopienie surówki po raz wtórny ze
złomem Ŝeliwnym lub stalowym i dodatkami.
Współcześnie do wyrobu stali stosuje się metody: konwertorowe, Siemensa-Martina oraz do
oczyszczania, czyli rafinacji stali – metodę elektryczną.
Metody konwertorowe
Wytapianie stali metodami konwertorowymi polega na przedmuchiwaniu utleniającego
gazu (powietrza lub tlenu) przez roztopioną surówkę. Utleniają się wówczas krzem, mangan
i węgiel, zawarte w surówce, oraz niekiedy siarka i fosfor.
Reakcje utleniające mają charakter egzotermiczny – wydzielające się ciepło umoŜliwia
utrzymanie zawartości konwertora w stanie ciekłym.
Schematy konwertorów przedstawiono na rys. 13. W konwertorach pokazanych na
rys. 13a i b gazem utleniającym jest powietrze, a w konwertorze z rys. 13c – tlen.
Konwertory składają się ze stalowego płaszcza oraz wyłoŜenia ogniotrwałego kwaśnego
lub zasadowego.
Rys. 13. Doprowadzanie gazu do konwertora [1, s. 68]
Metoda Bessemera
Pierwszy opracowany przez Henryka Bessemera (l856 r.) proces był procesem kwaśnym.
Do przerobu w konwertorze Bessemera nadają się surówki zawierające do: 2% krzemu, 1,5%
manganu. 0,05% siarki i 0,1% fosforu. Zawartość węgla wynosi 3,5 + 4,5%.
Do rozgrzanego konwertora doprowadza się ciekłą surówkę, w której pod wpływem
dmuchu powietrza dostarczanego od spodu utleniają się domieszki Reakcje utleniania są
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
24
źródłem ciepła. W procesie Bessemera nie moŜna przerabiać surówek zawierających
znaczniejsze ilości fosforu, gdyŜ pozostaje on w stali po świeŜeniu i powoduje jej kruchość.
Metoda Thomasa
Zmiany, jakie w konwertorze Bessemera wprowadził w 1878 r. inny Anglik – S.G. Thomas,
usunęły tę wadę. Ulepszenie polegało na wprowadzeniu wyłoŜenia zasadowego. Zasadowe
wyłoŜenie umoŜliwia doprowadzenie do konwertora wapna, które w końcowej fazie świeŜenia
wiąŜe się z fosforem.
W konwertorze Thomasa przerabia się surówki zawierające 3–4% węgla. 0,4–1,5%
manganu, 0,2–0,6% krzemu, 1,7–2,5% fosforu i mniej niŜ 0,l % siarki. Surówka przeznaczona
do przeróbki w procesie Thomasa zawiera znacznie więcej fosforu i znacznie mniej krzemu niŜ
besemerowska.
Przebieg procesu świeŜenia w tej metodzie jest podobny do świeŜenia w metodzie Bessemera.
Metoda konwertorowo-tlenowa (LD)
Doprowadzenie dmuchu od góry umoŜliwia zastosowanie do świeŜenia czystego tlenu,
dzięki czemu nie wprowadza się do stali azotu i nie zwiększa zuŜycia wyłoŜenia konwertora.
Metoda ta. polega ona na wdmuchiwaniu do konwertora tlenu w celu wykonania
świeŜenia. Tlen doprowadza się do konwertora o wyłoŜeniu zasadowym przez gardziel rurą
intensywnie chłodzoną wodą. Dzięki spalaniu węgla zawartego w surówce w konwertorze
osiąga się temperaturę przekraczającą I700°C. UmoŜliwia to przerabianie tą metodą surówek
o dowolnym składzie chemicznym. Proces świeŜenia trwa 12–15 min.
Wydajność metody LD jest znacznie większa niŜ innych i wynosi do 400 ton na godzinę.
Wytwarzanie stali w piecach martenowskich
Piec martenowski (rys. 14) składa się z przestrzeni roboczej 1, głowic 2, kanałów 3,
komór ŜuŜlowych 4, regeneratorów 5 i zaworów rozrządczych 6. Przestrzeń robocza jest
ograniczona od spodu trzonem pieca – z boków – głowicami oraz ścianą przednią i ścianą tylną,
a od góry – sklepieniem. Materiały, z których jest zbudowany piec muszą mieć duŜą odporność
na działanie temperatury i na chemiczne działanie metalu. W połowie ściany tylnej znajduje
się otwór spustowy, zatykany materiałem ogniotrwałym na czas wytopu stali. W ścianie
przedniej znajdują się okna wsadowe. Przez te okna doprowadza się do pieca materiały do
wytopu stali.
Głowice pieców martenowskich słuŜą do doprowadzenia do przestrzeni roboczej paliwa
i powietrza oraz odprowadzania spalin. Regeneratory słuŜą do odzyskiwania części ciepła, które
zawierają uchodzące spaliny. Urządzenie rozrządcze ma za zadanie okresową zmianę kierunku
przepływu powietrza i gazu oraz spalin w regeneratorach.
W piecu martenowskim przerabia się surówkę i złom. Jako materiały pomocnicze są
jeszcze uŜywane topniki, ruda oraz Ŝelazostopy. Surówka uŜywana do przerobu w piecu
martenowskim zawiera 3,8–4,2% węgla, ponad 0,75–1,5% krzemu, l,5–2,5% manganu, do
0.5% fosforu oraz do 0,06% siarki. MoŜna ją dostarczać w stanie ciekłym lub w stanie
stałym.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
25
Rys. 14. Schemat pieca martenowskiego [1, s. 71]
Przebieg wytopu w piecu martenowskim
Zasadowy proces martenowski dzieli się na następujące okresy:
1)
naprawa pieca,
2)
ładowanie pieca,
3)
topienie wsadu,
4)
świeŜenie, odfosforzanie i odsiarczanie metalu,
5)
odtlenianie,
6)
spust stali.
Rafinacja stali w piecach elektrycznych
Wytopiona w piecu martenowskim stal zawiera jeszcze pewne ilości siarki i fosforu.
Dalsze oczyszczanie odbywa sic w piecach elektrycznych. Najczęściej stosuje się do tego celu
piece elektrodowe (łukowe). Oprócz pieców elektrodowych uŜywa się pieców indukcyjnych.
Schemat pieca elektrodowego typu Heroulta (czytaj Herulta) stosowanego w hutnictwie
przedstawiono na rys. 15. Są wyposaŜone w trzy elektrody grafitowe 1, wprowadzone do
przestrzeni roboczej przez sklepienie pieca 2. Płaszcz pieca 3 jest wykonany z grubej blachy
stalowej. WyłoŜenie pieca 4 moŜe być kwaśne lub zasadowe. Spust stali następuje przy
przechylaniu pieca. Najczęściej piece elektrodowe słuŜą do rafinacji stali wytopionej
uprzednio np. w piecu martenowskim.
Po rafinacji zawartość siarki i fosforu w stali jest mniejsza niŜ 0,03%. Po zakończeniu
odsiarczania stal odtlenia się za pomocą Ŝelazomanganu lub Ŝelazokrzemu i następnie zlewa
do kadzi odlewniczej.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
26
Rys. 15. Piec Heroulta [1, s. 73]
Metalurgia aluminium
Aluminium jest metalem mającym duŜe zastosowanie techniczne. Podstawowym
surowcem do produkcji aluminium jest minerał zwany boksytem. Zawiera on do 60%
wodorotlenku aluminium A1(OH)
3
oraz zanieczyszczenia takimi tlenkami, jak Fe
2
O
3
, CaO,
SiO
2
. Produkcja aluminium przebiega w dwu odrębnych procesach. Pierwszym z nich jest
otrzymywanie czystego tlenku aluminium, drugim – otrzymywanie aluminium metodą
elektrolityczną.
Wytwarzanie tlenku aluminium
Istnieje wiele sposobów otrzymywania tlenku aluminium. Najbardziej rozpowszechniony
jest sposób K.J. Bayera. Jest on szeroko stosowany w przemyśle światowym w przypadku
surowców nie zawierających większych ilości krzemionki. Metoda Bayera polega na
oddziaływaniu roztworem wodorotlenku sodu na rozdrobniony boksyt.
Proces rozpuszczania wodorotlenku aluminium w wodorotlenku sodu odbywa się
w zamkniętych naczyniach, zwanych autoklawami, pod ciśnieniem kilkuset kPa
w podwyŜszonej temperaturze. W celu oddzielenia osadu od roztworu przepuszcza się go
przez filtry pracujące pod ciśnieniem. Z oczyszczonego roztworu wydziela się przez
krystalizację, czysty wodorotlenek aluminium Otrzymany wodorotlenek aluminium jest
praŜony w temperaturze około I200°C.
Uzyskany czysty tlenek glinu jest materiałem wyjściowym do produkcji aluminium
metodą elektrolizy.
Elektroliza tlenku aluminium
Metaliczne aluminium otrzymuje się metodą elektrolizy stopionego tlenku aluminium
(A1
2
O
3
) z kriolitem (A1F
3
• 3 NaF) w elektrolizerze. Elektrolizer (rys. 16) to metalowa
wanna wyłoŜona materiałem ogniotrwałym.. Na warstwie szamotowej wspiera się warstwa
węglowa, która jest elektrodą ujemną, (katodą) 2. Prąd jest doprowadzany do tej elektrody
prętami metalowymi wprasowanymi w masę węglową. Nad elektrolizerem znajduje się
kilkanaście węglowych elektrod dodatnich zasilanych prądem przez metalowe pręty.
Elektrody węglowe nad wanną są anodą l elektrolizera.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
27
Wydzielające się na katodzie aluminium jest od czasu do czasu spuszczane z wanny.
Proces elektrolizy odbywa się w temperaturze 950°C pod napięciem około 4,5V.
W wyniku elektrolizy otrzymujemy aluminium hutnicze zawierające do 1%
zanieczyszczeń. Zanieczyszczenia wpływają niekorzystnie za własności aluminium i z tego
powodu aluminium hutnicze jest poddawane oczyszczaniu, czyli rafinacji.
Rafinacja aluminium polega na przepuszczaniu chloru przez stopiony metal. Powstające
chlorki zanieczyszczeń wypływają na powierzchnię metalu w postaci ŜuŜla. Drugi sposób to
elektroliza aluminium stopionego z miedzią.
Rafinacja aluminium metodą elektrolityczną zmniejsza ilość zanieczyszczeń do 0,1%,
niekiedy nawet do 0,01%.
Rys. 16. Elektrolizer; 1 – anoda, 2 – katoda, 3 – elektrolit [1, s. 77]
Metalurgia cynku
Cynk znalazł on zastosowanie w wielu stopach technicznych, takich jak mosiądz, stopy
cynku z aluminium i innych. Cynk jest takŜe stosowany do powlekania warstwą ochronną
przedmiotów stalowych naraŜonych na korozję.
Głównym surowcem do produkcji cynku jest blenda cynkowa (ZnS) zawierająca zwykle
liczne zanieczyszczenia siarczkami Ŝelaza, kadmu i ołowiu oraz niekiedy związkami arsenu,
antymonu i miedzi.
Wzbogacanie rud cynku
Zawartość cynku w rudach – w porównaniu z zanieczyszczeniami – jest niewielka
i dlatego są poddawane wzbogacaniu. Rudy siarczkowe wzbogaca się najczęściej metodą
flotacji a rudy węglanowe wzbogaca się przez praŜenie.
Redukcja cynku
Otrzymane w procesie wzbogacania rud koncentraty cynkowe są przerabiane na
metaliczny cynk metodą ogniową lub elektrolityczną.
W metodzie ogniowej koncentraty cynku, zawierające głównie tlenek cynku
zanieczyszczony niewielkimi ilościami róŜnych krzemianów, siarczków, ulegają redukcji.
Redukcja tlenku cynku jest wykonywana obecnie w piecach szybowych (podobnych do
wielkiego pieca).
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
28
Cynk surowy zawiera niekiedy do 2,5% zanieczyszczeń, takich jak ołów. kadm, Ŝelazo
oraz arsen, antymon i inne. Tak znaczna ilość zanieczyszczeń pogarsza własności cynku
i z tego powodu poddaje się go rafinacji. Pozostałe produkty procesu zawierają jeszcze
znaczne ilości cynku i inne cenne składniki. Dlatego przerabia się je metodą rektyfikacji lub
hydrometalurgiczną w celu odzyskania wchodzących w ich skład metali.
Rektyfikacja cynku
Rektyfikacja cynku przebiega w kolumnie rektyfikacyjnej. Kolumna taka (rys. 17) składa
się z szeregu skrzynek wykonanych z karborundu (węglika krzemu), ustawionych szczelnie jedna na
drugiej. W dnach skrzynek znajdują się otwory przelewowe zestawione niewspółosiowo ze sobą.
Dolna część kolumny jest ogrzewana.
Rys. 17. Kolumna rektyfikacyjna [1, s. 81]
JeŜeli zanieczyszczony cynk po stopieniu wprowadzimy przez odpowiedni otwór
kolumny, zacznie on wypełniać wgłębienia w skrzynkach. Po wypełnieniu jednej skrzynki
otworem przelewowym cynk zacznie ściekać na niŜsze piętra znajdujące się juŜ w ogrzewanej
części pieca. Tutaj najbardziej lotne składniki zaczną parować i otworami w dnach skrzynek
przedostawać się do wyŜszej części kolumny, gdzie ulegną skropleniu. Tam wypełnią
skrzynki górnych pięter oraz spowodują ściekanie w dół składników o wyŜszej temperaturze
parowania. W taki sposób następuje oddzielanie składników lotnych, zbierających się
w górnej części kolumny, od składników mniej lotnych, które będą spływać ku dołowi
kolumny. Na tej zasadzie następuje oddzielanie prawie wszystkich zanieczyszczeń cynku. Po
rektyfikacji cynk zawiera jeszcze zanieczyszczenia w ilości nie przekraczającej 0,01%.
Metalurgia miedzi
Miedź jest jednym z najstarszych metali znanych człowiekowi. Odegrała ona doniosłą
rolę w rozwoju kultury i cywilizacji ludzkości. W staroŜytności słuŜyła w stanie czystym lub
w stopach z cyną do wyrobu broni oraz wszelkiego rodzaju ozdób. Obecnie ma zupełnie inny
zakres zastosowań. Najczęściej wykorzystujemy jej doskonałą przewodność elektryczną
i cieplną w urządzeniach elektrycznych oraz do budowy aparatury w przemyśle chemicznym
i spoŜywczym.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
29
Miedź występuje w skorupie ziemskiej najczęściej w postaci związków z siarką lub tlenem.
Niekiedy jednak moŜna ją spotkać w postaci wolnej, jako tzw. miedź rodzimą. Zawartość
miedzi w rudach wynosi średnio około 3%. Często przerabia się równieŜ rudy uboŜsze,
w których zawartość miedzi nie przekracza 1%.
Miedź do celów przemysłowych wytwarza się metodą ogniową przez praŜenie i wytapianie
lub metodą elektrolityczną. W celu otrzymania lepszych gatunków miedzi poddaje się ją
dalszemu oczyszczaniu.
Rafinację miedzi wykonuje się metodą ogniową lub elektrolityczną. Bardzo czyste gatunki
miedzi otrzymuje się przez przetapianie jej w próŜni.
Wzbogacanie rud miedzi
Ubogie rudy siarczkowe miedzi wzbogaca się najczęściej, podobnie jak rudy cynku, przez
flotację. Uzyskuje się wówczas koncentraty, w których zawartość miedzi wynosi 15–30%.
Koncentraty miedzi zawierające oprócz siarczków miedzi równieŜ siarczki Ŝelaza są
poddawane praŜeniu.
Proces wytapiania kamienia miedziowego ma na celu dalsze wzbogacenie produktu
w miedź. Odbywa się on w piecu szybowym o konstrukcji podobnej do wielkiego pieca.
Paliwem jest w nim koks i siarka zawarta we wsadzie. Powietrze niezbędne do spalenia paliwa
jest doprowadzane, podobnie jak w wielkim piecu, za pomocą dysz.
Załadowane do pieca materiały wsadowe ulegają stopnieniu pod wpływem wysokiej
temperatury. Zachodzą wówczas między składnikami skomplikowane reakcje chemiczne,
w których wyniku powstają siarczki miedzi i tlenki Ŝelaza
Otrzymany w tych reakcjach siarczek miedzi i pozostały siarczek Ŝelaza zbierają się na
dnie pieca. Dolna warstwa po wypuszczeniu z pieca krzepnie, tworząc kamień miedziowy,
w którym zawartość miedzi wynosi około 40%. Kamień miedziowy jest przerabiany następnie
w konwertorach na miedź surową.
Wytwarzanie miedzi surowej
Wytwarzanie miedzi surowej polega na świeŜeniu. ŚwieŜenie odbywa się w konwertorze.
Do konwertora wlewa się roztopiony kamień miedziowy oraz doprowadza krzemionkę w celu
wytworzenia ŜuŜla. Wskutek usunięcia z kamienia siarczków Ŝelaza zmienia się jego
zabarwienie. Powstaje tzw. biały kamień miedziowy zawierający wyłącznie czysty siarczek
miedziawy Cu
2
S.
W drugim okresie, po usunięciu siarczków Ŝelaza, powstaje w trakcie dalszego świeŜenia
miedź surowa, zawiera średnio 99% Cu.
Rafinacja miedzi
Miedź rafinuje się metodą ogniową lub elektrolityczną. Rafinacja ogniowa odbywa się
w poziomych piecach płomieniowych. Polega ona na utlenianiu zanieczyszczeń i usuwaniu ich
wraz z ŜuŜlem. Po usunięciu zanieczyszczeń naleŜy zmienić charakter chemiczny procesu
i spowodować redukcję tlenku miedziawego. W tym celu wykonuje się tzw. Ŝerdziowanie,
tj. mieszanie miedzi drągami ze świeŜo ściętego drzewa. Po Ŝerdziowaniu posypuje się
powierzchnię metalu węglem drzewnym, który redukuje zawarte w metalu tlenki.
W wyniku tych zabiegów otrzymuje się miedź rafinowaną, którą odlewa się następnie we
wlewki. Rafinacja elektrolityczna odbywa się w elektrolizerach, w których elektrolitem jest
wodny roztwór siarczanu miedzi (CuSO
4
). Pod wpływem napięcia elektrycznego następuje
w elektrolicie dysocjacja siarczanu miedzi. Jony miedzi wędrują następnie do katody i tam się
osadzają, tworząc zwartą, pogrubiającą się powłokę. Tymczasem z anody w obecności SO
4
przechodzi do elektrolitu równowaŜna ilość miedzi.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
30
Domieszki wchodzące w skład zanieczyszczonej miedzi przechodzą do elektrolitu lub
w postaci szlamu opadają na dno wanny elektrolitycznej. Oczyszczona miedź wydzielona na
katodzie zawiera powyŜej 99,5% Cu. Po wyjęciu z elektrolizera poddaje się katody
przetopieniu i odlewa z nich wlewki róŜnych kształtów w zaleŜności od celu, któremu ma
słuŜyć.
Technologia proszków
Metodę wytwarzania metali z ich proszków, bez przechodzenia przez stan ciekły,
nazywamy metalurgią proszków. Połączenie ze sobą oddzielnych ziarn proszków w jednolitą
masę następuje podczas wygrzewania silnie sprasowanych kształtek w atmosferze redukującej
lub obojętnej.
Najczęściej spiekanie proszków stosuje się wtedy, gdy metody topnienia i odlewania
zawodzą. Z tego powodu metodami metalurgii proszków wytwarzamy:
−
metale trudno topliwe, jak wolfram, molibden, tantal, iryd, ponadto spiekane węgliki
wolframu, tytanu i inne,
−
spieki metali, czasem i niemetali, które wykazują znaczne róŜnice temperatury topnienia,
jak,
−
materiały na styki elektryczne z wolframu i srebra lub szczotki do maszyn elektrycznych
z grafitu i miedzi,
−
materiały porowate na łoŜyska samosmarujące,
−
materiały, które w stanie ciekłym są gęstopłynne i trudne do odlewania, jak materiały na
specjalne magnesy trwałe.
Dzięki zastosowaniu spiekania proszków moŜna otrzymywać materiały o ściśle określonym
składzie chemicznym i wysokim stopniu czystości. Produkcja spieków dzieli się na trzy etapy:
1)
wytwarzanie proszków metali,
2)
prasowanie,
3)
spiekanie.
Metody wytwarzania proszków metali
ZaleŜnie od przeznaczenia proszków i rodzaju surowców wyjściowych stosuje się róŜne
sposoby wytwarzania, które dzieli się zasadniczo na dwie grupy:
−
mechaniczne sposoby wytwarzania, polegające na rozdrobnieniu materiałów przez
mielenie, piłowanie, rozpylanie itp.;
−
procesy chemiczne i fizykochemiczne, jak kondensacja par metalu, redukcja chemiczna
tlenków, elektroliza itp.
Niejednokrotnie stosuje się metody mieszane, np. proszki uzyskane metodą chemiczną
mogą być jeszcze rozdrobnione mechanicznie lub proszki wykonane mechanicznie mogą
w dalszym ciągu podlegać oczyszczaniu chemicznemu .
Własności proszków metali
Proszki metali stosowane do wyrobu przedmiotów uŜytkowych powinny się odznaczać
znaczną czystością. Rodzaj i postać zanieczyszczeń są uzaleŜnione od czystości surowców
wyjściowych
oraz
metody
wytwarzania
proszków.
Najczęściej
spotykanymi
zanieczyszczeniami są: tlen. węgiel, Ŝelazo, mangan, krzem, czasem siarka i fosfor.
Bardzo drobne proszki ze względu na duŜą powierzchnię wykazują zwiększoną skłonność
do utleniania się, które czasem przebiega gwałtownie. Dla pojedynczych ziaren
charakterystyczne są kształt i wielkość. Masę ziaren określa się rozkładem wielkości ziaren,
objętością zasypu, objętością zasypu z usadem, gęstością zasypu z usadem, sypkością,
prasowalnością i stopniem zagęszczenia.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
31
W zaleŜności od rodzaju metalu i metody wytwarzania ziarna proszków metali mogą
mieć róŜne kształty. Metodami mechanicznymi w młynach, otrzymuje się ziarna płytkowe
o brzegach zaokrąglonych lub ostrych. Przy rozpylaniu uzyskuje się ziarna kuliste. Proszki
wytwarzane metodami chemicznymi mają zwykle ziarna o ostrych krawędziach. Metoda
kondensacji par metali i metoda karbonylkowa dają ziarna o kształcie kulistym. Metodą zaś
elektrolityczną wytwarza się proszki iglaste i dendrytyczne.
Wielkość ziarna wyznacza się przez bezpośredni pomiar za pomocą mikroskopu,
analizą sitową itp.
Objętość zasypu V określa się przez luźne nasypanie do cylindra pomiarowego
ustalonej ilości (100 g) proszku. Objętość zasypu odczytuje się bezpośrednio na podziałce
w cm
3
.
Objętość zasypu z usadem V
u
określa się w podobny sposób, z tą róŜnicą, Ŝe proszek
zostaje zagęszczony za pomocą wstrząsania ręcznego lub mechanicznego.
Gęstość zasypu
V
m
d
=
i gęstość zasypu z usadem
u
u
V
m
d
=
oblicza się w obu przypadkach jako stosunek masy proszku do jego objętości i wyraŜa się
w g/cm
3
.
Sypkość jest określana jako stosunek ilości proszku wysypanego przez znormalizowany
otwór z naczynia o pochylonych ścianach do czasu wysypywania. Pomiar ten ma znaczenie przy
obliczaniu automatycznych urządzeń do napełniania proszkiem matryc przed prasowaniem.
Prasowalność proszków to zdolność do zachowania trwałych krawędzi i kształtów nadanych
w czasie prasowania w matrycach pod ustalonym ciśnieniem.
Stopień zagęszczenia to stosunek gęstości kształtki do gęstości metalu litego, wyznaczany
w procentach. Rozkład wielkości ziaren ma duŜy wpływ na stopień zagęszczenia proszków.
Proszek o jednolitej ziarnistości – niezaleŜnie od wielkości ziaren – wykazuje większą
porowatość niŜ proszki o róŜnej ziarnistości. W tych ostatnich mniejsze ziarna wypełniają
przestrzenie utworzone między ziarnami większymi.
Prasowanie proszków metali
Czyste, pozbawione powłok tlenkowych i dostatecznie płaskie ziarna mogą łączyć się
w temperaturze pokojowej. W praktyce nie daje się zrealizować takich warunków, nawet przy
największych ciśnieniach, wskutek czego łączenia proszków dokonuje się w innych
warunkach.
Wytrzymałość wykonywanych w taki sposób kształtek jest jednak niewielka. Wyniki
procesu prasowania są uzaleŜnione od wielu właściwości proszku oraz od sposobu
prasowania i kształtu matryc. Ciśnienie wywierane na proszek – na skutek znacznego tarcia
ziarn o siebie i matryce – nie rozchodzi się równomiernie w całej masie proszku, co powoduje
równieŜ nierównomierny rozkład gęstości w kształtce i jest przyczyną nierównomiernego
skurczu w czasie spiekania. Skurcz liniowy, zaleŜnie od warunków technologicznych
przygotowania spieku, dochodzi do 30%, a objętościowy – do 50%.
W celu zmniejszenia róŜnic gęstości dodaje się do prasowanych mas składniki
zmniejszające tarcie w ilościach nie przekraczających 1% oraz stosuje się prasowanie
dwustronne.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
32
Z proszków formuje się kształtki – najczęściej za pomocą pras, pod znacznym ciśnieniem.
RozróŜniamy przy tym prasowanie jednostronne (rys. 18a) i dwustronne (rys. 18b).
Rys. 18. Prasowanie proszków metali; a – jednostronne, b – dwustronne [1, s. 93]
W celu określenia własności proszków w zaleŜności od warunków prasowania dokonuje się
pomiarów gęstości, twardości, przewodności elektrycznej itp.
Proszki metali podlegają bezpośrednio przed procesem zagęszczania zabiegom polepszającym
stan ich powierzchni, a nawet zmniejszającym stopień zanieczyszczeń, np. przemywa sieje wodą
destylowaną i następnie redukuje wodorem w podwyŜszonej temperaturze. Przygotowane
w taki sposób proszki przechodzą następnie operacje mechanicznego mieszania
w mieszalnikach lub młynach kulowych. Uzyskuje się wtedy, w przypadku kilku składników,
masy o jednorodnym składzie. Operacja taka jest długotrwała, a czas jej trwania moŜe
dochodzić do kilku dni.
Ciśnienie stosowane w procesach technologicznych wynosi zwykle 100 ÷ 1000 MPa,
czasem dochodzi do 1500 MPa, jednak wysokie ciśnienie prasowania jest przyczyną szybkiego
zuŜywania się matryc.
Spiekanie proszków metali
Uformowane w matrycach kształtki poddaje się obróbce cieplnej, mającej na celu trwałe
powiązanie poszczególnych ziarn proszku słabo dotychczas ze sobą zespolonych. Proces taki
nazywa się spiekaniem.
Układy jednoskładnikowe spiekają się w temperaturze wynoszącej 2/3 ÷ 4/5 bezwzględnej
temperatury topnienia. Łączenie ziarn następuje bez przechodzenia przez fazę ciekłą.
Układy wieloskładnikowe moŜna spiekać bez udziału fazy ciekłej lub z jej udziałem.
WaŜnym warunkiem dobrego spiekania jest dobór atmosfery ochronnej, w której
przeprowadza się proces.
W celu uproszczenia i przyspieszenia procesów technologicznych w pewnych
przypadkach łączy się prasowanie i spiekanie w jedną operację. Jest to prasowanie
w podwyŜszonej temperaturze lub spiekanie pod ciśnieniem. Uzyskany w taki sposób materiał
jest w małym stopniu porowaty, a jego własności fizyczne i wytrzymałościowe są znacznie
lepsze niŜ w przypadku stosowania rozdzielnych operacji prasowania i spiekania.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
33
4.2.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1.
W jakim celu stosuje się topniki do wsadu wielkopiecowego?
2.
Jaki jest główny proces chemiczny zachodzący w wielkim piecu?
3.
Jakie procesy fizyczne zachodzą w wielkim piecu?
4.
Jaki główny produkt otrzymuje się w wyniku procesu wielkopiecowego?
5.
Co nazywamy świeŜeniem?
6.
Na czym, polega metoda konwertorowo-tlenowa?
7.
Do czego słuŜą regeneratory w piecu martenowskim?
8.
Na czym polega rafinacja stali?
9.
W jakim procesie otrzymuje się aluminium hutnicze?
10.
Na czym polega rektyfikacja cynku?
11.
Co to jest miedź surowa?
12.
Dlaczego stosujemy metalurgię proszków?
13.
Jakie materiały uzyskujemy stosując metalurgię proszków?
14.
Jak przebiega spiekanie kształtek?
4.2.3.
Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Opisz proces otrzymywania surówki. Zastosuj wiadomości nabyte na temat procesu
wielkopiecowego.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1)
narysować i opisać schemat wielkiego pieca,
2)
wypisać materiały wsadowe,
3)
napisać reakcje redukcji pośredniej,
4)
napisać reakcje redukcji bezpośredniej,
5)
opisać produkty procesu wielkopiecowego,
6)
zapisać wnioski.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
schemat wielkiego pieca
−
poradnik dla ucznia,
Ćwiczenie 2
Przyporządkuj produkty do procesów, w wyniku których powstają. Zastosuj wiadomości
nabyte na temat metalurgii. Do dyspozycji masz następujące produkty: surówka, stal, stal
pozbawiona zanieczyszczeń, aluminium hutnicze, miedź surowa, staliwo, Ŝeliwo.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1)
wypisać wymienione produkty w punktach od 1 do 7,
2)
wyszukać w poradniku dla ucznia wiadomości na temat metalurgii,
3)
wypisać znane procesy metalurgii,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
34
4)
przyporządkować procesy do podanych produktów,
5)
sprawdzić poprawność wykonania ćwiczenia.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
poradnik dla ucznia.
4.2.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1)
opisać proces otrzymywania surówki?
2)
rozróŜnić metody konwertorowe?
3)
wyjaśnić róŜnice między surówką besemerowską i tomasowską?
4)
opisać proces martenowski?
5)
rozróŜnić metody wzbogacania rud?
6)
wyjaśnić pojęcie świeŜenia?
7)
wyjaśnić pojęcia: rafinacja i rektyfikacja?
8)
wyjaśnić pojęcia: rafinacja ogniowa i rafinacja elektrolityczna?
9)
opisać etapy metalurgii aluminium?
10)
opisać etapy metalurgii cynku?
11)
opisać etapy metalurgii miedzi?
12)
opisać proces prasowania proszków?
13)
opisać proces formowania kształtek?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
35
4.3. Stopy techniczne
4.3.1. Materiał nauczania
Stopy Ŝelaza z węglem
Stopy Ŝelaza z węglem są podstawowymi stopami od dawna stosowanymi w technice.
Dlatego są one przedmiotem licznych badań i to zarówno własności, jak i budowy.
Stopy Ŝelaza z węglem tworzą układ równowagi, który został opracowany dla stopów
zawierających do 6,67% węgla. śelazo, będące podstawą tych stopów, występuje w dwóch
odmianach alotropowych. Jedna z nich, trwała do 910°C, jest tzw. Ŝelazem α o sieci regularnej
przestrzennie centrycznej. śelazo α w temperaturze 910°C przechodzi przemianę alotropową. Jego
sieć regularna przestrzennie centryczna zmienia się na regularną płasko centryczną. Tę nową
odmianę nazywamy Ŝelazem γ. Odmiana Ŝelaza γ jest trwała do temperatury 1390°C. W tej
temperaturze Ŝelazo zmienia się ponownie w Ŝelazo α, trwałe do temperatury topnienia.
W praktyce ta odmiana, oznaczana takŜe symbolem δ, nie ma istotnego znaczenia
W Ŝelazie w stanie stałym rozpuszcza się węgiel. Roztwór stały węgla w Ŝelazie α nazywa się
ferrytem. Największa rozpuszczalność węgla w Ŝelazie α nie przekracza 0,02% C. Jest to prawie
czyste Ŝelazo, odznaczające się dobrą plastycznością. Roztwór węgla w Ŝelazie γ nazywa się
austenitem. W płasko centrycznej sieci Ŝelaza γ moŜe się zmieścić znacznie więcej węgla n i Ŝ
w sieci γ. Największa procentowa zawartość węgla w austenicie wynosi 2,06%.
Temperatura powstawania austenitu zaleŜy od zawartości węgla. Jej najniŜszą wartość
723°C osiąga się w stopie o zawartości 0,80% C .
Stopy Ŝelaza dzielimy na stale, staliwa i Ŝeliwa. Własności stali zaleŜą od jej składu
chemicznego i charakteru budowy. Stale zawierające mniejsze ilości węgla odznaczają się
większą plastycznością i mniejszą wytrzymałością. W miarę wzrostu zawartości węgla
plastyczność stali maleje, a wzrasta wytrzymałość.
Stal jest przerobionym plastycznie stopem Ŝelaza z węglem oraz innymi pierwiastkami,
zawierającym do 2% węgla i otrzymywanym w procesach stalowniczych w stanie ciekłym.
Takie stopy przed obróbką plastyczną, a więc tylko odlane, nazywamy staliwami. Staliwo
znajduje zastosowanie na odlewy niektórych części maszyn i urządzeń.
Gatunek stali określa się na podstawie składu chemicznego. W niektórych przypadkach nie
jest to wystarczające i wtedy do określenia gatunku podaje się, oprócz składu chemicznego,
równieŜ własności wytrzymałościowe, chemiczne oraz fizyczne.
Podstawa klasyfikacji stali
Przyjmując jako podstawę podziału skład chemiczny, wszystkie stale moŜna podzielić na
dwie zasadnicze grupy – stale niestopowe (węglowej) i stale stopowe.
Do stali węglowych zalicza się takie, w których zawartość poszczególnych pierwiastków
stopowych nie osiąga umownych ilości. Dla poszczególnych pierwiastków ustalono
następujące wartości, poniŜej których stale zalicza się do węglowych: Mn 0,8%, Si – 0,4%, Ni
– 0,3%, Cr – 0,3%, W – 0,2%, Co – 0,2%, Cu – 0,2%, A1 – 0,1%, Mo – 0,05%, V – 0,05%
i Ti – 0,05%. Stale niestopowe nie powinny ponadto zawierać innych celowo wprowadzonych
składników.
JeŜeli zawartość przynajmniej jednego składnika stopowego w stali osiągnie podaną wyŜej
umowną graniczną wartość lub ją przekroczy, taką stal nazywamy stopową JeŜeli w stali
oprócz węgla występują jeden lub więcej składników stopowych, znajduje to odpowiedni wyraz
w nazwie stali, np. stal chromowa, stal niklowa, stal niklowo-chromowa, stal manganowo-
-chromowa lub stal manganowo-chromowo-krzemowa.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
36
W zaleŜności od zastosowania rozróŜnia się stale:
−
konstrukcyjne (węglowe i stopowe);
−
narzędziowe (węglowe i stopowe);
−
szczególnych własnościach (stopowe).
Do stali konstrukcyjnych zaliczamy tylko te gatunki, które są przeznaczone do wyrobu
części maszyn i urządzeń pracujących w zwykłych warunkach, tj. w temperaturze nie
wywołującej zmiany własności wytrzymałościowych (zwykle około 200°C) oraz
w środowiskach nie działających szkodliwie na materiał ich części.
Stali konstrukcyjnych węglowych uŜywa się zwykle w stanie surowym lub obrobionym
cieplnie albo cieplnochemicznie. Natomiast do stali konstrukcyjnych stopowych stosuje się
zawsze obróbkę cieplną lub cieplnochemiczną.
Wpływ róŜnych zabiegów cieplnych umoŜliwia zmianę własności stali w bardzo
szerokich granicach. Ta cecha stali jest w praktyce szeroko wykorzystywana do uzyskania
najbardziej poŜądanych własności stali, zapewniających moŜliwość długotrwałej eksploatacji
urządzeń z nich wykonanych.
Rola składników chemicznych w stali
RóŜne składniki występujące w stali w róŜnym stopniu wpływają na jej własności. Jedne
z nich poprawiają własności wytrzymałościowe, inne polepszają plastyczność, inne znowu czynią
stal odporną na korozyjne działanie agresywnych czynników, wreszcie niektóre składniki nadają
stali określone własności elektryczne lub magnetyczne albo wpływają na warunki obróbki
cieplnej.
Określony składnik wprowadzony do stali moŜe wywierać równocześnie wpływ na róŜne
własności. Wpływ ten moŜe być dodatni we wszystkich przypadkach oddziaływania lub
dodatni na niektóre własności stali, a na inne – ujemny.
Główny składnik stali – węgiel – wpływa na polepszenie własności wytrzymałościowych, np.
wytrzymałości stali na rozciąganie, twardości i granicy plastyczności. Węgiel wpływa na
podwyŜszenie wytrzymałości na rozciąganie stali wyŜarzonej tak długo, dopóki jego zawartość
nie przekracza 1%. Zwiększenie ilości węgla ponad tę wartość powoduje wprawdzie dalszy
wzrost granicy plastyczności i twardości, lecz wytrzymałość na rozciąganie zaczyna maleć.
Niektóre składniki umoŜliwiają zmniejszenie szybkości hartowania, dzięki czemu uzyskuje się
warstwę zahartowaną o większej grubości.
Wprowadzenie niektórych składników stopowych w większych ilościach wpływa na
poprawę własności wytrzymałościowych oraz w pewnych przypadkach moŜe wpływać na
zwiększenie odporności stali na działanie podwyŜszonej temperatury. Ma to istotne znaczenie
w stalach nagrzewających się podczas pracy.
Składniki stopowe decydują równieŜ o twardości. Spośród wszystkich składników najczęściej
występujących w stali krzem i mangan mają największy wpływ.
Składniki stopowe, których wpływ objawiał się znacznym polepszeniem własności
wytrzymałościowych, powodują jednocześnie pogorszenie własności plastycznych, np. przewęŜenia.
Stale konstrukcyjne
Większość stali stanowią stale węglowe stosowane w przemyśle w stanie surowym. Niewielka
procentowo ilość stali niestopowych i stale stopowe konstrukcyjne są poddawane obróbce
cieplnej, zmierzającej do poprawy ich własności wytrzymałościowych. Stale konstrukcyjne –
zgodnie z wymaganiami polskich norm – dzieli się na:
−
stale węglowe konstrukcyjne zwykłej jakości,
−
stale węglowe konstrukcyjne wyŜszej jakości,
−
stale konstrukcyjne stopowe do nawęglania,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
37
−
stale konstrukcyjne do azotowania,
−
stale konstrukcyjne stopowe do ulepszania cieplnego,
−
stale spręŜynowe (resorowe),
−
stale na łoŜyska toczne.
Stale narzędziowe
Stale te dzieli się na węglowe i stopowe. Podziału stali węglowych dokonuje się
w zaleŜności od ich właściwości, a stali stopowych – od ich zastosowania. Materiały
przeznaczone na narzędzia powinny odznaczać się odpowiednią wysoką twardością. DuŜa
twardość uzyskiwana w wyniku obróbki cieplnej wiąŜe się jednak zwykle ze wzrostem
kruchości. Twardość stali zaleŜy głównie od zawartości węgla. Składniki stopowe
odgrywają tu drugorzędną rolę i wpływają głównie na podatność stali na obróbkę cieplną
oraz mogą wpływać na inne własności stali, jak np. odporność na odpuszczanie lub
odporność na ścieranie.
W niektórych przypadkach staramy się uzyskiwać grube warstwy zahartowane, np.
w matrycach do pras. Ma to równieŜ znaczenie w narzędziach, które w ciągu swej pracy
podlegają szlifowaniu. Istotną dla pracy wielu narzędzi własnością stali jest odporność na
działanie podwyŜszonej temperatury. Wysoka temperatura nie powinna wpływać na zmianę
własności uŜytkowych narzędzi. Odnosi się to szczególnie do stali narzędziowych
przeznaczonych do pracy na zimno, które wskutek tarcia mogą się znacznie nagrzewać
i mimo to muszą obrabiać materiał zimny o nie zmniejszonych własnościach
wytrzymałościowych.
Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno – oprócz róŜnych składników stopowych –
zawierają większe ilości węgla, zwykle około 1%.
Głównymi składnikami stali narzędziowych stopowych do pracy na zimno są chrom,
wolfram i wanad oraz – w pewnych przypadkach – krzem i mangan. Zawartość siarki i fosforu
nie powinna przekraczać 0,03% kaŜdego z tych szkodliwych zanieczyszczeń.
Ze względu na rodzaj pracy stali narzędziowych stopowych przeinaczonych do pracy na
zimno moŜna je podzielić na trzy grupy. Pierwszą, największą, grupę stanowią stale
przeznaczone na narzędzia skrawające, drugą – stale na narzędzia do obróbki plastycznej,
a trzecią – stale na przyrządy pomiarowe.
Stale stopowe narzędziowe do pracy na gorąco powinny się odznaczać duŜą twardością,
która nie zmniejszałaby się nadmiernie w miarę wzrostu temperatury, odpornością na
uderzenia, odpornością na częste zmiany temperatury, duŜą przewodnością cieplną i małą
rozszerzalnością podczas nagrzewania.
Za najwaŜniejsze uwaŜa się wymagania dotyczące twardości i plastyczności stali.
Większość stali do pracy na gorąco zawiera średnie ilości węgla (0,4÷0,6%) oraz chrom,
wolfram, molibden, wanad, nikiel, mangan i krzem.
Narzędzia, które pracują udarowo, naleŜy wykonywać ze stali o mniejszej hartowności,
gdyŜ plastyczny rdzeń lepiej znosi nagłe obciąŜenia. Z tego powodu na narzędzia tego typu
naleŜy stosować stale o mniejszej zawartości składników stopowych. Natomiast narzędzia
pracujące przy nacisku wzrastającym powoli naleŜy wykonywać ze stali, które przehartowują
się na wskroś, a więc stali o większej zawartości składników stopowych.
Stale szybkotnące są przeznaczone na narzędzia do obróbki skrawaniem o duŜej
wydajności. Ich własności są duŜo lepsze niŜ własności stali narzędziowych węglowych
i stopowych. Stale szybkotnące nie zmieniają zbytnio własności skrawających nawet
w temperaturze dochodzącej do 600°C. Stale szybkotnące zawierają znaczne ilości
składników stopowych.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
38
Stale o specjalnych własnościach fizycznych i chemicznych
Stale te zawierają zwykle duŜe ilości składników stopowych. W tej grupie stali wymienia
się stale odporne na korozję (nierdzewne i kwasoodporne), stale Ŝaroodporne
i Ŝarowytrzymałe i inne – o specjalnych własnościach.
Stale odporne na korozję zawierają znaczną ilość chromu – do 12%. Są odporne na
korozję atmosferyczną, na działanie wód naturalnych, pary wodnej, roztworów alkalicznych
i rozcieńczonych kwasów organicznych.
Stale nierdzewne poddaje się przesycaniu, zaleŜnie od składu chemicznego w zakresie
temperatury 950÷1100°C. W stalach kwasoodpornych głównymi składnikami stopowymi są
chrom i nikiel. Zawartość chromu jest większa niŜ w stalach nierdzewnych i wynosi 16÷20%,
a ilość niklu zawiera się w granicach 8÷12%. Większość stali kwasoodpornych naleŜy do stali
o międzynarodowym znaku 18/8. Pierwsza z liczb określa procentową zawartość chromu,
a druga – niklu.
Stale kwasoodporne poddaje się przechładzaniu od temperatury 1100"C w wodzie. Ich
główne zastosowanie to budowa aparatury chemicznej naraŜonej na działanie kwasów.
Większość tych stali daje się spawać.
Stale Ŝaroodporne. Przez Ŝaroodporność rozumie się odporność materiału na utlenianie w
wysokiej temperaturze. Materiały Ŝaroodporne nie odpowiadają specjalnym wymaganiom pod
względem wytrzymałości, mogą więc być stosowane jedynie na części nie pracujące pod
większym obciąŜeniem.
Stale o specjalnym składzie chemicznym stają się Ŝaroodporne w wyniku tworzenia się na
ich powierzchni warstwy tlenków, które następnie nie dopuszczają tlenu do głębszych warstw
stali. Najczęściej stosuje się Ŝaroodporne stale chromowe lub chromowe z dodatkiem niklu,
krzemu, aluminium tub tytanu. Stale tego typu są zazwyczaj poddawane obróbce cieplnej,
polegającej na przesycaniu od odpowiedniej dla kaŜdej stali temperatury (na ogół
800÷1000°C). Własności wytrzymałościowe tych stali w temperaturze przekraczającej 500°C
ulegają obniŜeniu, jednocześnie polepszają się własności plastyczne.
Stale Ŝaroodporne dzieli się na dwie grupy. Pierwszą stanowią stale odporne do 900°C,
a drugą – odporne do 1100°C. Stale pierwszej grupy zawierają chrom do około 14% i ponadto
– w mniejszych ilościach krzem, aluminium lub molibden. Zawartość węgla 0,37% nie
przekracza. Z wyjątkiem stali zaworowych, w których ilość węgla dochodzi do 0,57%.
Stale drugiej grupy zawierają większe ilości chromu, za/wyczaj 20÷28% i niklu
10÷20%, ponadto mangan, krzem, niekiedy wolfram oraz molibden.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
39
Tabela 1. - Stale konstrukcyjne wg EN 10027-1:2005
Symbole główne
Symbole
dodatkowe
gatunków stali
G
S
n
n
n
an
Symbole główne
Symbole dodatkowe
Dla stali
Litery
Własności
mechaniczne
Grupa 1
Grupa 2
G = staliwo (jeŜeli to
potrzebne)
S
=
stal
konstrukcyjna
nnn
=
minimalna
granica
plastyczności
Re
w
MPa
dla
najmniejszego zakresu
wymiarowego
A = utwardzone wydzieleniowo
M - walcowane termomechanicznie
N = normalizowane lub walcowane
normalizujące
Q = ulepszane cieplnie
G = inne cechy (jeŜeli potrzebne)
oznaczania dalej jedną cyfrą lub
dwiema cyframi
Udarność (praca
łamania) w dŜulach
[J]
Temperatura
a próby
[° C]
27 J
4OJ
60J
P
C
JR
KR
LR
20
JO
KO
L 0
0
J2
K2
L2
-20
J3
K3
L3
-30
J4
K4
L4
-40
J5
K5
L5
-50
J6
K6
L6
-60
C = do specjalnego kształtowania na
zimno
D = do powlekania zanurzeniowego na
gorąco
E = do emaliowania
F = do kucia
H = na kształtownik zamknięte
L
=
so
stosowania
w
niskich
temperaturach
M = walcowanie termomechaniczne
N = normalizowane lub walcowane
normalizująco
P = na kształtowniki grodziowe
S = do budowy statków
T = na rury
W = odporne na korozję atmosferyczną
an = symbole chemiczne wymaganych
dodatkowych pierwiastków np. Cu z
jedną,
jeŜeli
to
potrzebne
cyfrą
oznaczającą 10 x średnią wymaganą
zawartość pierwiastka (zaokrągloną do
0,1 %)
Staliwa
Stopy Ŝelaza z węglem o zawartości 0,02–2,06 % i innymi pierwiastkami poddane
obróbce plastycznej po odlaniu i skrzepnięciu nazywamy stalami. Natomiast takie same stopy
Ŝelaza z węglem otrzymane przez odlanie i krzepnięcie bez obróbki plastycznej nazywa się
staliwami. Ze względu na skład chemiczny staliwa równieŜ dzielimy na: węglowe i stopowe.
Staliwa węglowe
Podstawą klasyfikacji staliwa węglowego jest zawartość węgla oraz odpowiadająca danej
zawartości węgla minimalna wytrzymałość na rozciąganie (tabela 2).
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
40
Tabela 2. Staliwa węglowe konstrukcyjne. Klasyfikacja i własności mechaniczne (wg PN-85/H-83152)
Własności mechaniczne
Znak
gatunku
Zawartość
węgla
1)
%
R
m
Mpa
min
R
e
Mpa
min
As
%
min
KC
kJ/m
2
min
HB
L400
L450
L500
L600
L650
0,10–0,20
0,15–0,30
0,30–0,40
0,40–0,50
0,50–0,60
400
450
500
600
650
250
260
320
360
380
25
22
18
16
15
600
500
450
400
350
144–156
126–170
140–197
160–212
170–223
1)
Pozostałe składniki: Mn – 0,40–0,90%, Si – 0,20–0,50%, P max i S max po 0,04%. Suma zawartości Cr,
Ni, Mo i Cu nie powinna przekraczać 0,8%, przy czym zawartość Cr – max 0,40%, Ni – max 0,40%, Mo
– max 0,15%, Cu – max 0,30%. Dla wszystkich gatunków jakości I skład chemiczny nie obowiązuje.
Odlewy staliwa są poddawane zasadniczo obróbce cieplnej, zazwyczaj normalizowaniu
i odpręŜaniu, rzadziej ulepszaniu cieplnemu (tabela 3 ).
Tabela 3. Staliwo węglowe konstrukcyjne. Obróbka cieplna (wg PN-85/H-83152)
Znak
gatunku
Rodzaj obróbki cieplnej
Zakres temp.
0
C
Sposób chłodzenia
L400
L450
L500
L600
L650
normalizowanie
wyŜarzanie odpręŜające
normalizowanie
wyŜarzanie odpręŜające
wyŜarzanie zupełne
normalizowanie
wyŜarzanie zupełne
normalizowanie
wyŜarzanie zupełne
normalizowanie
930–950
400–600
930–950
400–600
870–890
910–930
860–880
890–910
850–870
890–910
w powietrzu
z piecem
w powietrzu
z piecem
z piecem
w powietrzu
z piecem
w powietrzu
z piecem
w powietrzu
śeliwa
Dobre własności odlewnicze i niektóre mechaniczne oraz niski koszt produkcji
spowodowały, Ŝe Ŝeliwo znalazło szerokie zastosowanie w przemyśle. Do własności, które
o tym zadecydowały, naleŜą ponadto: łatwa obrabialność, duŜa odporność na ścieranie, duŜa
stałość wymiarów, zdolność tłumienia drgań i inne.
Głównym składnikiem Ŝeliwa – oprócz Ŝelaza – jest węgiel. Ponadto w Ŝeliwie znajduje
się zawsze pewna ilość innych domieszek pochodzących z procesu hutniczego. Są to: krzem,
mangan, fosfor i siarka. Niekiedy do Ŝeliwa wprowadza się dodatkowo składniki stopowe, np.
chrom, nikiel, miedź, w celu uzyskania specjalnych własności.
Węgiel moŜe występować w postaci związanej z Ŝelazem lub w postaci nie związanej.
W połączeniu z Ŝelazem tworzy on cementyt nadający Ŝeliwu w przełomie barwę białą,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
41
błyszczącą. Z tego powodu Ŝeliwo zawierające węgiel w postaci związanej nazywamy
Ŝeliwem białym. Węgiel nie związany występuje w Ŝeliwie w postaci grafitu. Nadaje on
Ŝeliwu w przełomie barwę szarą. Dlatego Ŝeliwo zawierające węgiel w postaci nie związanej
nazywamy Ŝeliwem szarym.
Bardzo często tylko cześć węgla w Ŝeliwie jest związana z Ŝelazem. JeŜeli w Ŝeliwie
obok miejsc o budowie Ŝeliwa szarego występują miejsca o budowie Ŝeliwa białego,
nazywamy je Ŝeliwem połowicznym lub pstrym..
Struktura Ŝeliwa zaleŜy głównie od składu chemicznego oraz od szybkości chłodzenia.
śeliwa zawierające małe ilości krzemu oraz Ŝeliwa szybko chłodzone uzyskują strukturę
Ŝeliwa białego.
Stopy miedzi
Stosowana w technice miedź jest zanieczyszczona róŜnymi domieszkami. Głównymi jej
zanieczyszczeniami są: bizmut, antymon, arsen, Ŝelazo, nikiel, ołów, cyna, cynk, siarka, fosfor
i tlen. Wszystkie prawie domieszki wpływają ujemnie na przewodność elektryczną miedzi.
Arsen, znajdujący się w miedzi w niewielkich ilościach, do 0,1%, nie wpływa na
pogorszenie jej własności mechanicznych. Gdy zaleŜy nam na poprawieniu Ŝaroodporności
oraz zmniejszeniu wpływu tlenu na miedź, stosuje się pewien niewielki dodatek arsenu
(0,3÷0,5%).
Pozostałe domieszki, jak Ŝelazo, cyna, cynk i nikiel, poprawiają własności
wytrzymałościowe miedzi, lecz jednocześnie pogarszają jej własności plastyczne.
Stopy miedzi z cynkiem noszą nazwę mosiądzów. RozróŜnia się mosiądze odlewnicze
i mosiądze do przeróbki plastycznej.
Mosiądze odlewnicze zawierają 30 ÷ 40% cynku i niekiedy pewne ilości manganu,
krzemu, aluminium oraz ołowiu, który ułatwia obróbkę skrawaniem, czyniąc wiór kruchym.
Dzięki dobrej lejności mosiądze te dobrze wypełniają formę i moŜna je odlewać w kokilach
pod ciśnieniem lub w formach piaskowych. Mosiądze do przeróbki plastycznej zawierają
20 ÷ 40% cynku oraz niekiedy równieŜ inne składniki stopowe. Mosiądze produkuje się
w postaci prętów, rur, blach, taśm, kształtowników oraz odkuwek. Odpowiednio do ich
własności stosuje się je na części podlegające obróbce skrawaniem, części kute i wytłaczane
nie poddawane obróbce skrawaniem, śruby z wygniatanym gwintem, części odporne na
ścieranie, rury do skraplaczy, węŜownice itp.
Oprócz mosiądzów zwykłych w przemyśle stosuje się równieŜ tzw. mosiądze specjalne.
Otrzymuje się je przez wprowadzenie do mosiądzów zwykłych dodatkowo innych składników
stopowych, takich jak nikiel, krzem, cyna, aluminium, mangan i inne. W zaleŜności od
składnika stopowego nadaje się im nazwy, np. mosiądz niklowy, mosiądz krzemowy itd.
Składniki stopowe są dodawane do mosiądzów w celu poprawy niektórych ich własności.
Stopy miedzi z cyną noszą nazwę brązów. Do obróbki plastycznej nadają się tylko brązy
o zawartości cyny nie przekraczającej 7%. Obróbka plastyczna jest wykonywana zawsze na
zimno, gdyŜ na gorąco brązy nie dają się obrabiać plastycznie.
Brązy o zawartości do 6% cyny odznaczają się duŜą plastycznością i dobrymi
własnościami wytrzymałościowymi. Zgniot powoduje zwiększenie wytrzymałości i twardości.
Z takich brązów wykonuje się spręŜyny i oprawki stosowane w precyzyjnych urządzeniach
elektrycznych i mechanicznych.
Dodatek cyny podwyŜsza własności wytrzymałościowe i spręŜyste stopu. Z tego powodu
brązy zawierające do 10% cyny są stosowane na koła zębate.
Brązów o zawartości cyny przekraczającej 10% uŜywa się na odlewy. Aby poprawić
własności odlewnicze, do brązów dodaje się w niewielkiej ilości cynk, który poprawia
własności wytrzymałościowe.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
42
Oprócz cyny w skład brązów wchodzą niekiedy równieŜ cynk, ołów, nikiel i fosfor. Częściej
jednak miedź z innymi składnikami tworzy stopy bez cyny. Wszystkie te stopy nazywa się
brązami. Dla odróŜnienia ich jednak od brązów cynowych wymienia się zawsze nazwę
charakterystyczną składnika, np. brązy aluminiowe, brązy niklowe, brązy berylowe itd.
Tabela 4. Oznaczenia brązów odlewniczych. Skład chemiczny (wg PN-91/H-87026)
Stopy aluminium
Aluminium odznacza się małym cięŜarem właściwym, dobrą przewodnością elektryczną,
dobrym przewodnictwem cieplnym. Ponadto z niektórymi metalami tworzy stopy o dobrych
własnościach odlewniczych oraz stopy o dobrych własnościach plastycznych.
ZaleŜnie od stopnia czystości rozróŜnia się wiele rodzajów aluminium. Aluminium
hutnicze,
otrzymywane
zwykle
metodą
elektrometalurgiczną,
zawiera
zazwyczaj
zanieczyszczenia przekraczające w sumie 0,5%. Po rafinacji elektrolitycznej ilość
zanieczyszczeń w aluminium moŜna zmniejszyć do 0,1%, niekiedy nawet do 0,02%.
Głównymi zanieczyszczeniami aluminium są: Ŝelazo, krzem i miedź.
Miedź wprawdzie poprawia wytrzymałość aluminium na rozciąganie, lecz równocześnie
zmniejsza jego zdolność do wydłuŜania się. Podobnie na własności stopów aluminium
wpływa krzem.
Jako główne składniki stopów aluminiowych naleŜy wymienić miedź i krzem oraz
magnez, mangan i cynk. W stopach aluminium spotyka się równieŜ i inne domieszki. Do
rzadziej stosowanych w stopach aluminium domieszek zalicza się nikiel, Ŝelazo oraz chrom,
kobalt i tytan.
Stopy niklu
Nikiel wytwarza się sposobami hutniczymi, chemicznymi i elektrolitycznymi. Głównymi
zanieczyszczeniami niklu, wpływającymi na pogorszenie własności mechanicznych, są siarka,
węgiel i tlenki niklu.
W stanie czystym nikiel jest stosowany do powlekania powierzchni naraŜonych na korozję:
w przemyśle spoŜywczym i chemicznym – do wyrobu zbiorników, armatury i ponadto
urządzeń parowych, róŜnych przyrządów itd. Najczęściej nikiel jest uŜywany jako składnik
stopowy wielu stali oraz róŜnych innych stopów.
Liczne zastosowania znajdują stopy niklu z miedzią o róŜnej zawartości niklu. Z tej grupy
stopów naleŜy wymienić nikielinę o zawartości około 20% niklu, konstantan zawierający około
40% niklu i stop Monela o zawartości około 70% niklu.
Nikielina odznacza się dobrą plastycznością, odpornością na korozję i ładnym wyglądem
po wypolerowaniu.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
43
Konstantan odznacza się stałością oporu elektrycznego w duŜym zakresie temperatur.
Znajduje zastosowanie głównie na termoelementy z Ŝelazem lub miedzią.
Stop Monela jest bardzo odporny na działanie korozyjne czynników chemicznych.
Stosuje się go przede wszystkim do budowy łopatek niektórych turbin parowych, niekiedy
i wodnych.
Luty
Do łączenia metali uŜywa się stopów zwanych lutami lub lutowiami o niŜszej
temperaturze topnienia niŜ temperatura topnienia metali, które mają być połączone. Luty,
których temperatura topnienia nie przekracza 450°C, nazywa się lutami miękkimi, a luty
o temperaturze topnienia przekraczającej 450°C – lutami twardymi.
Luty miękkie
Luty miękkie stosuje się do łączenia stopów Ŝelaza, stopów miedzi oraz widu innych
stopów. Wytrzymałość mechaniczna połączeń wykonanych z uŜyciem lutów miękkich jest
niewielka. RównieŜ niewielki jest zakres temperatury ich pracy. Łatwość jednak wykonania
takich połączeń decyduje o szerokim ich stosowaniu.
Luty twarde
Luty twarde stosuje się w przypadkach, gdy połączenia powinny charakteryzować się
znaczną wytrzymałością. Niektóre luty odznaczają się znaczną wytrzymałością nie tylko
w temperaturze otoczenia, lecz równieŜ w temperaturach podwyŜszonych.
4.3.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1.
Jakie znasz stopy Ŝelaza?
2.
Co to jest stal?
3.
Jaka moŜe być zawartość węgla w stali?
4.
Co to jest Ŝeliwo?
5.
Jaka moŜe być zawartość węgla w Ŝeliwie?
6.
Od czego zaleŜy twardość stali?
7.
Jak odczytać oznaczenia stopów Ŝelaza?
8.
Co nazywamy mosiądzem?
9.
Jak nazywamy stop miedzi z cyną?
10.
Jakie są najwaŜniejsze stopy niklu?
11.
Co to jest konstantan?
12.
Jakie są rodzaje lutów?
4.3.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Na podstawie tablic z Polskiej Normy PN–EN 10027–1 odczytaj parametry
i przeznaczenie stali oznaczonej symbolami S 235 J0W, P355Q, S460Q, R320Cr.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1)
odszukać w Polskiej Normie PN – EN 10027 – 1 tablice dla odpowiednich stali,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
44
2)
na podstawie tablic odczytać parametry i przeznaczenie stali,
3)
zapisać odczytane parametry.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
Polska Norma PN – EN 10027 – 1.
Ćwiczenie 2
Na podstawie tablic zamieszczonych w Poradniku Mechanika odczytaj skład chemiczny
brązu odlewniczego o znaku CuSn10Pb10.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1)
odszukać w Poradniku Mechanika tablice dla brązu odlewniczego,
2)
na podstawie tablic odczytać skład chemiczny brązu odlewniczego o znaku CuSn10Pb10,
3)
zapisać odczytane wartości Cu, Sn, Pb.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
Poradnik Mechanika,
−
Polska Norma PN–91/H–87026.
4.3.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1)
wymienić najwaŜniejsze gatunki stali?
2)
określić zastosowanie gatunków stali?
3)
rozpoznać rodzaj stali po jej oznaczeniu?
4)
sklasyfikować Ŝeliwa?
5)
wyjaśnić róŜnicę między stalą i Ŝeliwem?
6)
sklasyfikować stopy miedzi?
7)
wymienić składniki stopowe mosiądzu?
8)
wymienić składniki stopowe brązu?
9)
określić zastosowanie stopów niklu?
10)
omówić przeznaczenie lutów?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
45
4.4. Materiały niemetalowe
4.4.1. Materiał nauczania
Drewno
Budowa drzewa
W drzewie rozróŜnia się zasadnicze trzy jego części składowe: korzenie, pień i koronę.
KaŜda z nich ma inną wartość techniczną. Pod tym względem największą wartość przedstawia
drewno pochodzące z pnia. Pień drzew iglastych wyróŜnia się zwykle wyraźnie od szyi
korzeniowej do wierzchołka. Gałęzie tych drzew są rozmieszczone wieńcem w pewnych od
siebie odstępach wzdłuŜ pnia. Tak ukształtowany pień nazywa się strzałą. Pień drzew
liściastych, poczynając od pewnej wysokości, najczęściej rozwidla się i tworzy konary oraz
gałęzie. Pień tego typu nazywamy kłodą.
W pniu rozróŜnia się: rdzeń, drewno, promienie rdzeniowe, przewody Ŝywiczne, miazgę
i korę. Wytrzymałość rdzenia jest mała. Z tego powodu tarcica często ulega pękaniu wzdłuŜ
rdzenia. Rdzeń jest otoczony drewnem, które zajmuje największą część objętości pnia.
Pod względem budowy i własności drewno jest materiałem niejednorodnym. ZaleŜnie od
szerokości słoja moŜna rozróŜnić drewno wąskosłoiste od szerokosłoistego.
Na przekroju poprzecznym i podłuŜnym moŜna niekiedy w starszych drzewach
zaobserwować w środkowej części przekroju obszar ciemniej zabarwiony. Jest to tzw.
twardziel, która nie zawiera juŜ Ŝywych komórek. Ta część pnia nie bierze udziału
w procesach przewodzenia wody i w gromadzeniu materiałów odŜywczych. Otaczający
twardziel obszar o zabarwieniu jaśniejszym nazywa się bielem.
Związki Ŝywiczne zawarte w twardzieli w znacznym stopniu wpływają na twardość
drewna. Powstawanie twardzieli jest zjawiskiem korzystnym z technicznego punktu widzenia,
poniewaŜ twardziel ulega naturalnej impregnacji, która czyni drewno trwalszym i bardziej
wytrzymałym. Dąb i sosna wykazują twardziel zabarwioną. Twardziel jodły i świerka nie
wykazuje róŜnic w zabarwieniu. Nieco inny odcień twardzieli, odróŜniający ją od bieli, jest
spowodowany róŜnicą wilgotności. Biel zawiera znacznie więcej wody niŜ twardziel.
W miarę wysychania ściętego drzewa róŜnice w zabarwieniu drewna maleją. Niektóre gatunki
drzew, np. brzoza, grab, jawor, osika, nie tworzą twardzieli. Są to tzw. drzewa
beztwardzielowe.
Własności drewna
Własnościami fizycznymi nazywamy te cechy drewna, które występują pod wpływem
czynników zewnętrznych nie zmieniających jego składu chemicznego ani nie naruszających
całości materiału. Jako główne cechy fizyczne naleŜy wymienić: wygląd drewna, zapach,
wilgotność, gęstość, własności cieplne, własności akustyczne, własności elektryczne.
Charakterystycznymi cechami wyglądu drewna są: barwa, połysk i rysunek. Drewno,
zaleŜnie od gatunku, moŜe mieć barwę zbliŜoną do białej, Ŝółtej, brunatnej, czerwonej,
zielonej, moŜe mieć nawet barwę zbliŜoną do czarnej.
Wilgotność drewna ma wpływ na wiele własności fizycznych i mechanicznych.
RozróŜnia się wilgotność bezwzględną i względną. Wilgotność bezwzględna drewna wyraŜa
się stosunkiem masy wody zawartej w drewnie do masy drewna całkowicie suchego.
Wilgotność względna drewna wyraŜa się stosunkiem masy wody zawartej w drewnie do masy
drewna wilgotnego.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
46
Pewna ilość wody w drzewie jest niezbędna do utrzymania go w stanie aktywności
Ŝyciowej. Jest to tzw. woda związana. Pewien nadmiar wody występujący w drzewie
nazywamy wodą wolną. ZaleŜnie od stopnia wilgotności rozróŜnia się drewno mokre,
drewno załadowczo-suche, drewno powietrzno-suche i drewno całkowicie suche.
Zarówno zbyt mokre, jak i nadmiernie suche drewno nie powinno być uŜywane do
celów konstrukcyjnych, gdyŜ łatwo ulega odkształceniom i pęka. Zarówno wydzielanie, jak
i pochłanianie wody przez drewno powoduje zawsze mniejsze lub większe odkształcenia
spowodowane nierównomiernością wysychania lub nawilgocenia oraz duŜą kurczliwością
drewna w róŜnych kierunkach. Skłonność do kurczenia się jest róŜna w róŜnych gatunkach
drewna. Najmniejszą skłonność do kurczenia się wykazują: świerk, lipa, olcha, średnią –
jodła, sosna, dąb, klon. duŜą – brzoza, grusza i grab. Im większą kurczliwość wykazuje
drewno, tym bardziej jest ono skłonne do pękania.
Gęstość drewna jest stosunkiem masy badanej próbki do jej objętości. Na masę drewna
składa się masa substancji drzewnej oraz woda zawarta w próbce w chwili pomiaru.
Objętość próbki obejmuje objętość substancji drzewnej i objętość porów nie wypełnionych
substancją drzewną.
Gęstość substancji drzewnej jest to gęstość drewna pozbawionego wody i po
wyeliminowaniu porowatości. Gęstość substancji drzewnej wszystkich gatunków drewna
wynosi około 1,50 g/cm
3
. Z tego wynika, Ŝe róŜnice gęstości róŜnych gatunków drewna są
wynikiem róŜnic w ich budowie wewnętrznej.
Własności cieplne drewna obejmują: ciepło właściwe drewna, przewodnictwo cieplne
oraz rozszerzalność temperaturową. Wymienione własności są scharakteryzowane przez
odpowiednie współczynniki, których wartość jest róŜna dla róŜnych gatunków drewna.
Ogólnie moŜna przyjąć przez porównanie z innymi materiałami, Ŝe ciepło właściwe
drewna jest trzykrotnie mniejsze niŜ wody, przewodnictwo cieplne w porównaniu
z metalami jest równieŜ wielokrotnie mniejsze, a współczynnik rozszerzalności
temperaturowej jest zaleŜny od kierunku pomiaru.
Własności chemiczne
Głównymi składnikami chemicznymi drewna są węgiel w ilości 48%, tlen i azot około
44%, wodór 6%. a ponadto składniki głównie o charakterze mineralnym. Wszystkie te
składniki występują w drewnie w postaci skomplikowanych związków organicznych, które
pod wpływem róŜnych czynników zewnętrznych mogą ulegać zmianom. Jako najwaŜniejsze
naleŜy wymienić celulozę, ligninę, hemocelulozę, Ŝywice, garbniki oraz gumę.
Drewno wykazuje duŜą odporność na wpływy atmosferyczne i działanie czynników
chemicznych pod warunkiem, Ŝe czynniki te nie będą ulegać zmianom. Głównymi
czynnikami, których zmiany mogą ujemnie wpływać na trwałość drewna, są wilgotność
i temperatura. Częste zmiany wilgotności powodują pękanie drewna. Nasłonecznienie sprzyja
procesom niszczenia drewna. Objawia się ono jako zmiana barwy drewna, ubytek masy oraz
kruszenie warstw zewnętrznych. W drewnie nasłonecznionym objawy zniszczenia występują
wcześniej niŜ w drewnie pozostającym stale w cieniu.
Własności mechaniczne
Wytrzymałość drewna na zginanie, ściskanie, skręcanie, ścinanie, twardość, oraz
udarność bada się tak jak wytrzymałość metali. Ponadto niekiedy określa się wytrzymałość
drewna na rozłupywanie.
Wielki wpływ na wytrzymałość ma wilgotność drewna. Drewno całkowicie suche
wykazuje największą wytrzymałość. W miarę wzrostu wilgotności do stanu nasycenia
wytrzymałość bardzo szybko maleje. Dalszy wzrost wilgotności ponad stan nasycenia nie
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
47
powoduje juŜ zmiany własności wytrzymałościowych. Dlatego ustalono dla celów
pomiarowych wilgotność normalną, przy której naleŜy wykonywać pomiary. Najczęściej jako
wilgotność bezwzględną normalną przyjmuje się 15%.
Drewno pochodzące z róŜnych gatunków drzew poddaje się zazwyczaj obróbce
mechanicznej mającej na celu nadanie mu kształtu najdogodniejszego do dalszego
zastosowania. Spośród zasadniczych gałęzi przemysłu drzewnego zajmujących się
wytwarzaniem półfabrykatów z surowców drzewnych na pierwszym miejscu naleŜy wymienić
tartacznictwo, które przerabia największe ilości drewna na deski, bale, listwy, belki i inne.
Zabezpieczanie drewna przed zniszczeniem
Zarówno drewno składowe, jak uŜytkowane w postaci gotowych konstrukcji lub urządzeń
ulega niszczącym wpływom otoczenia. Zdolność do przeciwdziałania szkodliwym wpływom
otoczenia nazywamy trwałością drewna. Określa się ją długością okresu, w którym własności
drewna nie ulegają zasadniczym zmianom.
Liczne czynniki wpływające na niszczenie drewna mogą mieć charakter fizyczny,
chemiczny lub biologiczny. Najczęściej przyczyną niszczenia drewna są wszystkie trzy
rodzaje czynników.
Trwałość drewna moŜna znacznie zwiększyć za pomocą róŜnych zabiegów, które czynią
je bardziej odpornym na szkodliwe działanie otoczenia. Sposób utrwalania drewna zaleŜy od
zastosowania drewna oraz warunków, w jakich drewno ma przebywać.
Najczęściej stosowaną metodą mającą na celu zwiększenie trwałości drewna jest
pokrywanie powłokami ochronnymi. Drewno budowlane maluje się zwykle róŜnego rodzaju
farbami olejnymi lub pokrywa się je lakierami celulozowymi, które w większym stopniu niŜ
farby zwiększają trwałość drewna.
Drewno moŜna chronić nie tylko przed wpływem warunków klimatycznych i czynników
biologicznych, lecz równieŜ przed niebezpieczeństwem poŜaru. W tym celu pokrywa się je
specjalnymi powłokami przeciwpoŜarowymi. Powłoki przeciwpoŜarowe nie mogą wpływać
ujemnie na trwałość drewna, nie mogą teŜ działać szkodliwie na organizm ludzki. Ich
trwałość na chronionym drewnie powinna być równieŜ znaczna. Jako warstwy
przeciwpoŜarowe stosuje się liczne substancje chemiczne, np. chlorki, węglany lub związki
amonowe, które w podwyŜszonej temperaturze wydzielają niepalne gazy lub pary (CO
2
, NH
3
i inne). Niekiedy drewno powleka się wapnem gaszonym lub szkłem wodnym, które
w wysokiej temperaturze tworzą na powierzchni drewna niepalną powłokę.
Przed wpływem czynników atmosferycznych i biologicznych chroni się niekiedy drewno
metodą nasycania, tj, impregnowania. Nasycanie drewna bywa stosowane głównie do
podkładów kolejowych oraz słupów telefonicznych i energetycznych, a niekiedy równieŜ do
kopalniaków.
Jako substancje przeciwgnilne stosuje się: wodne roztwory fluorku sodu, chlorku sodu,
chlorku cynku; substancje antyseptyczne organiczne, jak np. karbolineum. Olej kreozotowy,
smołę drzewną, pochodne fenolu; substancje antyseptyczne mieszane, w których skład
wchodzą zarówno antyseptyki organiczne, jak i nieorganiczne.
Tworzywa sztuczne
Budowa i rodzaje tworzyw sztucznych
Tworzywami sztucznymi nazywamy wielkocząsteczkowe organiczne substancje, które
mogą wykazywać właściwości plastyczne tylko przejściowo podczas ich wytwarzania lub
przechodzić w stan plastyczny w przypadku ich podgrzewania.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
48
Tworzywa sztuczne są materiałami pochodzenia organicznego o złoŜonej budowie
chemicznej, jak Ŝywice syntetyczne lub Ŝywice naturalne modyfikowane, celulozy oraz wiele
innych związków chemicznych.
Pojęcie Ŝywicy obejmuje róŜne związki chemiczne zbudowane pod względem
chemicznym w sposób jednolity z prostych cząstek, tzw. monomerów. Stanowią one
powtarzające się elementy strukturalne składające się na duŜe cząstki, tzw. polimery. Liczba
monomerów wchodzących w skład polimeru określa stopień polimeryzacji.
W praktyce na ogól uŜywa się czystych Ŝywic. Tworzywa sztuczne to przewaŜnie
kompozycje Ŝywic, wypełniaczy, plastyfikatorów, utwardzaczy, barwników i innych
substancji, które w określony sposób wpływają na własności tych materiałów.
ZaleŜnie od własności chemicznych Ŝywic wchodzących w skład tworzyw sztucznych
rozróŜniamy tworzywa termoplastyczne i termoutwardzalne oraz chemoutwardzalne
(tworzywa termo i chemoutwardzalne noszą wspólną nazwę duroplastów).
śywice termoplastyczne i materiały z nich zbudowane miękną pod wpływem
podwyŜszonej temperatury, po obniŜeniu której z powrotem stają się sztywne i twarde.
śywice termoutwardzalne. i materiały z nich utworzone przechodzą pod działaniem
podwyŜszonej temperatury przejściowo w stan plastyczny. W tym stanie zachodzą, w nich
reakcje powodujące utratę plastyczności. Stają się one substancją twardą, sztywną, nietopliwą
i przewaŜnie nierozpuszczalną w temperaturze otoczenia.
W przypadku Ŝywic chemoutwardzalnych proces utwardzania jest wynikiem działania
katalizatorów lub specjalnych dodatków zwanych utwardzaczami.
śywice dzielimy na naturalne i sztuczne. śywice naturalne występujące w przyrodzie to
bursztyn i szelak oraz Ŝywice otrzymywane z naturalnych surowców w wyniku
nieskomplikowanej przeróbki, jak asfalty, bituminy, kalafonia i inne produkty tego typu.
śywice sztuczne otrzymuje się w wyniku polimeryzacji lub polikondensacji substancji
prostych.
Polimeryzacją nazywamy proces, podczas którego wielka liczba małych jednorodnych
cząstek (monomerów) łączy się ze sobą, tworząc jedną wielką cząstkę zwaną polimerem.
Proces ten nie powoduje równoczesnego powstawania innych produktów reakcji, a powstające
substancje (Ŝywice) mają taki sam skład chemiczny, jaki miały przed polimeryzacją.
Polikondensacją nazywamy proces, podczas którego powstaje nowa substancja wyniku
oddziaływania na siebie dwóch lub więcej rodzajów małych cząstek róŜnych substancji.
Powstająca substancja ma większą masę cząsteczkową niŜ kaŜdy ze składników wchodzących
w jej skład oraz róŜni się składem chemicznym od składu reagentów. W procesie
polikondensacji powstają ponadto substancje uboczne, jak np. woda, amoniak lub alkohole.
Tworzywa sztuczne wykazują szereg cech fizykochemicznych, mechanicznych
i technologicznych, które decydują o coraz szerszym ich zastosowaniu w wielu dziedzinach
techniki. NajwaŜniejsze cechy to: mała gęstość – l÷2 g/cm
3
, znaczna wytrzymałość
mechaniczna, np. wytrzymałość na rozciąganie dochodzi niekiedy do 60 MPa, a w niektórych
przypadkach nawet tę wartość przekracza; dobre własności przeciwścierne (mała ścieralność),
duŜa odporność na działanie czynników atmosferycznych, dobre własności elektroizolacyjne,
dobre własności dielektryczne, dobra plastyczność, estetyczny wygląd.
Tworzywa sztuczne wytwarzane przez polikondensację mają w nowoczesnej technice
najszersze zastosowanie spośród materiałów tego typu. Prawie wszystkie materiały tej grupy
są termoutwardzalne. UmoŜliwia to wytwarzanie z nich przedmiotów odpornych na wpływ
temperatury.
NajwaŜniejsze Ŝywice otrzymywane przez polikondensację to:
śywice fenolowo-aldehydowe (fenoplasty. bakelity) otrzymuje się przez polikondensację
fenoli i aldehydów. ZaleŜnie od zawartości składników i warunków, w jakich przebiega
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
49
reakcja, oraz od rodzaju katalizatora moŜna otrzymywać Ŝywice fenolowo-aldehydowe
zarówno w postaci materiałów termoutwardzalnych, jak i termoplastycznych. Materiały te pod
wpływem wysokiej temperatury ulegają stopieniu. W tym stanie Ŝywica moŜe się rozpuszczać
w rozpuszczalnikach organicznych.
Dalsze ogrzewanie prowadzi do powstawania produktu trudno się rozpuszczającego
w rozpuszczalnikach i nie ulegającego topnieniu. Ogrzewanie Ŝywicy do temperatury około
250°C powoduje jej utwardzenie oraz wyraźnie zmienia własności substancji. Po
odpowiednich zabiegach staje się ona nieodwracalnie twarda, wytrzymała i ponadto odporna
na wpływ otoczenia.
śywice epoksydowe (np. epidian) odznaczają się doskonałą przyczepnością do metali
i szkła, odpornością chemiczną i własnościami elektroizolacyjnymi. Stosuje się je jako kleje
do metali, jako warstwy chroniące metale przed korozją oraz w postaci arkuszy laminatów
epoksydowo - szklanych w przemyśle aparatury elektronicznej.
śywice
mocznikowo-formaldehyduwe
(aminoplasty)
wykazują
własności
termoplastyczne. Są bezbarwne, lecz dają się zabarwiać na róŜne kolory. Ich techniczne
znaczenie jest mniejsze niŜ Ŝywic fenolowo - aldehydowych, gdyŜ nie są odporne na wpływy
atmosferyczne i łatwo ulegają pękaniu. Jedną z waŜniejszych cech Ŝywic mocznikowo-
-formaldehydowych są własności elektroizolacyjne i z tego powodu znajdują one
zastosowanie na powłoki przewodów elektrycznych wysokiego napięcia.
śywice
melaminowo-formaldehydowe
mają
własności
fizyczne
i
chemiczne
przewyŜszające nieco własności Ŝywic fenolowo-aldehydowych. Są one uŜywane głównie do
celów elektrotechnicznych jako powłoki izolacyjne w przewodach elektrycznych.
śywice
anilinowo-formaldehydowe
wykazują
w
pewnym
stopniu
własności
termoplastyczne. Podczas nagrzewania powstaje półprzeźroczysta substancja podobna do
masy rogowej. śywice tego typu mają bardzo dobre własności elektroizolacyjne oraz znaczną
odporność na działanie wilgoci. Wykorzystuje się je do wytwarzania części urządzeń
elektrotechnicznych.
śywice silikonowe wykazują doskonale własności elektroizolacyjne i duŜą odporność na
działanie podwyŜszonej temperatury. Niektóre Ŝywice silikonowe wytrzymują temperaturę do
300°C. Z Ŝywic silikonowych wytwarza się substancje ciekłe o bardzo dobrych własnościach
fizycznych. Są one uŜywane jako smary i oleje. Ponadto wytwarza się z nich lakiery
elektroizolacyjne i ogniotrwałe oraz materiały prasowane.
Jako waŜniejsze materiały otrzymywane przez polimeryzację moŜna wymienić
polichlorek winylu, polistyren i metakrylan metylu.
Polichlorek winylu (winidur) ma postać białego proszku. W czystym stanie z trudem
poddaje się prasowaniu, W celu otrzymania wyrobów metodą prasowania do sproszkowanego
polichlorku winylu dodaje się plastyfikatorów, niekiedy równieŜ wypełniaczy.
Polichlorek winylu odznacza się doskonałą odpornością chemiczną, zwłaszcza
w stosunku do wody i róŜnego rodzaju olejów. Wykazuje on równieŜ dobre własności
mechaniczne – przede wszystkim udarność.
Jedną z cech polichlorku winylu jest zdolność do spajania się w podwyŜszonej
temperaturze pod wpływem nacisku. Opisane własności polichlorku winylu decydują
o szerokim stosowaniu tego materiału w wielu dziedzinach techniki. Bywa uŜywany do
wyrobu kajaków, materiałów podłogowych, płyt gramofonowych, naczyń do przemysłu
chemicznego, płaszczy, teczek, itp.
Polistyren odznacza się dobrymi własnościami mechanicznymi, elektroizolacyjnymi oraz
optycznymi. Jako wadę naleŜy wymienić małą odporność na wpływ podwyŜszonej
temperatury. Wyroby z polistyrenu nie mogą być uŜywane w temperaturze powyŜej 80°C bez
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
50
obawy utraty własności mechanicznych. Polistyren stosuje się często w elektrotechnice,
radiotechnice i przemyśle samochodowym.
Metakrylan metylu znany jest pod nazwą pleksiglas. Jest to substancja bezbarwna
o doskonałej przezroczystości i dobrych własnościach mechanicznych w niŜszej temperaturze
(do 80° C). Stosuje się go w wielu dziedzinach zamiast szkła oraz do wyrobu róŜnych
drobnych części wielu urządzeń technicznych. MoŜna go przerabiać przez prasowanie,
odlewanie i skrawanie. Podobnie jak inne wymienione tworzywa otrzymywane metodą
polimeryzacji, wykazuje własności termoplastyczne.
Materiały ceramiczne
Ceramiką nazywa się obecnie zarówno klasyczne, znane od dawna, wypalane
z naturalnych glin wyroby, jak i wyroby nowoczesne, wypalane z materiałów ogniotrwałych
wytwarzanych np. z tlenków glinu lub z tlenków berylu, tlenków cyrkonu oraz niektórych
węglików, borków, azotków i innych.
Pomijając w rozwaŜaniach ceramikę artystyczną i specjalną (np. radiotechniczną),
pozostałe wyroby ceramiczne moŜna podzielić na ceramikę budowlaną oraz ceramikę
ogniotrwałą.
Ceramika budowlana
Termin ceramika budowlana obejmuje cegły, róŜnego rodzaju kafle, wyroby porcelanowe
oraz wyroby kamionkowe.
Podstawowym surowcem w produkcji ceramiki budowlanej jest glina. Daje się ona łatwo
modelować w stanie wilgotnym. Suche gliny nie mają właściwości plastycznych, gdyŜ
płytkowe cząstki, z których się one składają, są ze sobą luźno i przypadkowo powiązane,
wobec czego przy duŜym istniejącym wewnętrznym oporze tarcia trudno je względem siebie
przemieścić.
Doprowadzenie do gliny pewnej ilości wody jest niezbędnym warunkiem jej
uplastycznienia. Woda bowiem tworzy cienką warstewkę wokół płytkowych cząstek gliny,
przez co ułatwia ich równolegle względem siebie ustawienie pod naciskiem.
Niezbędna do utrzymania plastycznych własności minimalna ilość wody wyznacza
granicę plastyczności gliny. Zwiększenie ilości wody moŜe spowodować przejście gliny
w stan ciekły. Minimalna ilość wody wystarczająca do przejścia gliny w stan ciekły wyznacza
jej granicę płynności.
Procentowa róŜnica w zawartości wody między granicą płynności a granicą plastyczności
jest wskaźnikiem plastyczności, który określa zakres plastyczności gliny.
W zakresie plastyczności, zaleŜnie od zawartości wody, gliny są mniej lub bardziej
wytrzymałe. Przy małej zawartości wody otrzymuje się masę o stosunkowo wysokiej
wytrzymałości na rozciąganie. WiąŜe się to jednak z ograniczoną zdolnością do odkształceń.
Próbki z gliny o średnim wskaźniku plastyczności wykazują w stosunku do poprzednich
znacznie mniejsza wytrzymałość, lecz jednocześnie znacznie większą zdolność do
odkształceń.
Ten szeroki zakres zmian właściwości gliny w zaleŜności od ilości zawartej w niej wody
jest okolicznością korzystną ze względu na wymagania określonej metody formowania.
Przy formowaniu maszynowym najlepiej stosować glinę o bardzo małej zawartości wody,
wykazującą minimalne własności plastyczne lub nawet masy półsuche nie wykazujące
własności plastycznych. Formowanie ręczne wymaga stosowania mas o dobrej plastyczności,
które jednak nie odkształcają się pod własnym cięŜarem.
Do odlewania uŜywa się glin o konsystencji półpłynnej, umoŜliwiającej łatwe
wypełnianie formy.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
51
Podstawowymi surowcami ceramiki są: gliny, kaolin, skaleń oraz kwarc. Surowce te
dzieli się na surowce plastyczne, surowce schudzajace oraz topniki. Surowce plastyczne
ułatwiają formowanie wyrobów. Surowce schudzajace zmniejszają skurczliwość wyrobów
podczas suszenia i wypalania, a topniki ułatwiają spieczenie wyrobu.
Glina lub kaolin naleŜą do surowców plastycznych, kwarc jest głównym surowcem
schudzającym, a skaleń oraz związki sodu, potasu i litu odgrywają rolę topników.
Produkcję róŜnych wyrobów ceramicznych dzieli się na kilka następujących po sobie
czynności: przygotowanie masy, formowanie, suszenie, wypalanie oraz – ewentualnie –
szkliwienie.
Przygotowanie masy ma na celu wymieszanie składników masy oraz nadanie jej właściwości
umoŜliwiających formowanie. Osiąga się to przez długotrwałe rozdrabnianie składników,
oddzielenie zanieczyszczeń stałych nie rozdrobnionych (np. kamieni), suszenie oraz odpowiednie
nawilŜenie i następnie wymieszanie dobranych składników. Wszystkie te zabiegi zmierzają do
ujednorodnienia masy pod względem składu chemicznego oraz właściwości, głównie
plastycznych, niezbędnych przy formowaniu wyrobów z. mas ceramicznych.
Formowanie wyrobów z mas ceramicznych moŜe się odbywać ręcznie lub mechanicznie.
Formowanie ręczne stosuje się przy produkcji małoseryjnej, gdyŜ wydajność pracy ręcznej jest
w porównaniu z pracą mechaniczną bardzo mała. Formowanie mechaniczne moŜe polegać na
prasowaniu suchej masy, prasowaniu masy wilgotnej, toczeniu podsuszonej masy oraz
odlewaniu.
Ukształtowane przedmioty poddaje się suszeniu w celu usunięcia nadmiaru wody przed
wypaleniem wyrobu. Woda otaczająca cząsteczki masy ceramicznej podczas suszenia paruje,
wskutek czego zbliŜają się one do siebie, wywołując zmniejszenie objętości wyrobu.
Kurczenie spowodowane odparowaniem wilgoci moŜe wywołać pękanie wyrobu lub jego
deformację. Ma to miejsce, gdy szybkość parowania jest zbyt duŜa.
Stosowanie wilgotnej atmosfery chroni powierzchnie wyrobu przed szybkim
i nadmiernym wysychaniem, a podwyŜszona temperatura ułatwia wydostawanie się wody
z wnętrza przedmiotu. Temperaturę w komorze pieca oraz wilgotność atmosfery dobiera się
tak, aby szybkość parowania wody z powierzchni przedmiotu była równa szybkości dyfuzji
w jego wnętrzu. Dzięki temu, mimo stopniowego zmniejszania objętości wyrobu, nie powstają
w nim pęknięcia.
Wysuszone przedmioty poddaje się następnie wypalaniu. W pierwszym okresie wypalania
stosuje się temperatury niewiele przekraczające 100°C. Ma to na celu odparowanie wody, która
jest rozmieszczona w mikroszczelinach składników masy ceramicznej. Ta druga faza
odparowania wilgoci nie wywołuje skurczu, gdyŜ ubytek wody nie powoduje powstawania
obszarów wolnych miedzy cząsteczkami masy. które mogłyby być przez nie zajęte.
Po odparowaniu wody temperaturę naleŜy podnieść do wartości 430 ÷ 650°C. W tym
zakresie temperatury składniki mineralne masy ulegają rozpadowi, w wyniku czego uwalnia się
woda w nich związana.
W zakresie temperatury 800 ÷ 900°C, w atmosferze utleniającej, ulegają spaleniu wszelkie
substancje organiczne stanowiące zanieczyszczenia masy ceramicznej oraz zachodzą inne
reakcje podczas których wydzielają się gazy. Po przekroczeniu temperatury 900°C rozpoczyna
się spiekanie oraz częściowe stapianie składników masy. Nie naleŜy przekraczać temperatury
spiekania przed zakończeniem się reakcji gazotwórczych, gdyŜ wydzielające się gazy
przeciwdziałają procesowi spiekania i stapiania.
Proces stapiania kończy się w temperaturze około 1300 ÷ 1400°C. Po ochłodzeniu stopione
składniki tworzą szkliwo wiąŜące trwale pozostałe składniki masy.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
52
Ceramika ogniotrwała
Ceramika ogniotrwała stanowi specjalną grupę wyrobów odpornych na wpływy otoczenia
w wysokich temperaturach.
Stosowane powszechnie w technice materiały ogniotrwałe są substancjami złoŜonymi
z wysokotopliwych tlenków krzemu, glinu, wapnia, magnezu. Rzadziej są stosowane
materiały zbudowane z węglików, borków lub azotków.
Ogniotrwałość materiałów określa ich temperatura mięknięcia.
Ze względu na charakter oddziaływania chemicznego materiały ogniotrwałe dzieli się na
kwaśne, zasadowe i obojętne. Do materiałów kwaśnych naleŜą wyroby krzemionkowe,
szamotowe i pokrewne. Reagują one w wysokiej temperaturze z materiałami zasadowymi. Do
materiałów zasadowych zalicza się wyroby magnezytowe, dolomitowe itd. Do materiałów
obojętnych naleŜą substancje, które nie reagują w wysokiej temperaturze ani z materiałami
zasadowymi, ani z kwaśnymi, jak np. wyroby węglowe, chromitowe i inne.
Wyroby ogniotrwałe dzieli się ponadto według surowców, z których są wykonane.
W związku z tym rozróŜnia się wyroby krzemionkowe, szamotowe, magnezytowe,
dolomitowe, chromitowe, węglanowe, karborundowe i inne.
Wyroby krzemionkowe, są wykonywane z rozdrobnionych kwarcytów (SiO
2
),
z dodatkiem mleka wapiennego i melasy lub ługu posiarczynowego i następnie wypalane.
Wyroby szamotowe składają się z kaolinu (A1
2
O
3
• 2SiO
2
• 2H
2
O) lub gliny ogniotrwałej
plastycznej oraz szamotu, piasku itp. jako materiału schudzającego. Szamot jest wypaloną
i mieloną gliną ogniotrwałą. Wyroby kwarcowo-szamotowe odznaczają się małym skurczem.
Jest to spowodowane zwiększeniem całkowitej zawartości krzemionki w masie wyrobu.
Wyroby szamotowe kwasoodporne, jakkolwiek róŜnią się nieznacznie składem
chemicznym od zwykłych wyrobów szamotowych, to jednak ze względu na znaczny stopień
spieczenia i zwartą nieporowatą budowę odznaczającą się odpornością w wysokiej
temperaturze na chemiczne działanie kwasów, a nawet zasad. Ognioodporność tych
materiałów jest jednak mniejsza niŜ normalnych wyrobów szamotowych.
Wyroby magnezytowe wykonuje się z rozdrobnionego magnezytu (MgCO
3
) z dodatkiem
melasy. Nie są one odporne na nagłe zmiany temperatury, co objawia się pękaniem
i rozsypywaniem obmurza wykonanego z tego materiału.
Wyroby dolomitowe naleŜą równieŜ do grupy materiałów zasadowych. Wykonuje się je
z wypalonego i następnie rozdrobnionego dolomitu (CaCO
3
· MgCO
3
).
Wyroby węglowe zalicza się z punktu widzenia oddziaływania chemicznego do grupy
materiałów obojętnych. Podstawowym składnikiem wyrobów węglowych jest węgiel lub
grafit wiązany ceramicznie gliną ogniotrwałą, smołą itp. Zastosowanie wyrobów węglowych
ogranicza się jedynie do atmosfery redukującej lub obojętnej. Atmosfera utleniająca bowiem
powoduje utlenienie się węgla, a więc zniszczenie materiału.
Guma
Guma jest produktem wulkanizacji kauczuku naturalnego lub syntetycznego. Własności
gumy zaleŜą od ilości i rodzaju dodatków, głównie od zawartości siarki związanej
z kauczukiem. W skład gumy wchodzą:
−
kauczuk w postaci skoagulowanej lub lateksu,
−
zmiękczacze lotne oraz zmiękczacze nielotne, które ułatwiają przetwórstwo, ponadto
nadają, gumie trwałą elastyczność,
−
wypełniacze,
−
pigmenty,
−
antyutleniacze,
−
siarka i przyspieszacze wulkanizacji.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
53
Proces wulkanizacji ma na celu przekształcenie kauczuku w utwardzoną gumę lub ebonit.
RozróŜnia się wulkanizację siarkową i bezsiarkową.
Wulkanizacja siarkowa jest wykonywana w temperaturze podwyŜszonej (110 ÷ 160°C)
i wówczas kauczuk naturalny lub syntetyczny reaguje z siarką, bądź w temperaturze
pokojowej i wówczas na kauczuk działa dwuchlorek dwusiarki.
Wulkanizacja bezsiarkowa polega na ogrzewaniu kauczuku (syntetycznego) z tlenkiem
cynku.
W wyniku odpowiedniego doboru składników otrzymuje się gumy o róŜnych
własnościach, np. termiczne odporne (na wysokie temperatury, na niskie temperatury),
olejoodporne, półprzewodzące i inne.
Własności i rodzaje smarów
W wielu konstrukcjach technicznych niektóre części urządzenia przesuwają się względem
siebie lub toczą jedne po drugich. Między współpracującymi Ŝe sobą częściami występują
siły, które przeciwstawiają się tym ruchom. Siły takie nazywamy tarciem.
Stosowane w celu zmniejszenia tarcia substancje, określane niekiedy ogólną nazwą smarów,
dzieli się – zaleŜnie od konsystencji – na oleje oraz smary stałe.
Głównymi cechami charakteryzującymi smary są lepkość, czepność i trwałość.
Lepkością substancji nazywamy opór wewnętrzny powodowany tarciem o siebie substancji
podczas ich wzajemnego przesuwania się. Charakteryzuje on stopień płynności oleju.
RozróŜnia się lepkość bezwzględną oraz lepkość względną.
Lepkość bezwzględna dynamiczna, oznaczona symbolem η, jest wyznaczana
w niutonosekundach na metr kwadratowy – N • s/m
2
. Lepkość kinematyczna wyraŜa stosunek
lepkości dynamicznej do gęstości cieczy. Jednostką lepkości kinematycznej jest metr
kwadratowy na sekundę (m
2
/s).
Lepkością względną nazywamy stosunek czasu wypływu określonej ilości badanej cieczy
przez znormalizowany otwór przyrządu pomiarowego do czasu wypływu przez ten sam otwór
takiej samej ilości wody. Lepkość względną wyraŜa się w stopniach Englera (°E).
Lepkość względna wg Englera moŜna określić jedynie w odniesieniu do smarów
ciekłych, czyli olejów. W odniesieniu do smarów stałych określa się tzw. penetracje. Miarą
penetracji jest zdolność zagłębiania się stoŜka o znormalizowanych wymiarach w badany
smar w ciągu 5 sekund pod odpowiednim obciąŜeniem.
Czepność jest to zdolność cząstek smaru do przyczepiania do powierzchni smarowanej
części.
Im większa jest zdolności przylegania smaru do powierzchni, tym trwalsza jest
warstewka smaru rozdzielająca obie współpracujące ze sobą powierzchnie.
Oprócz dobrej czepności smary powinny wykazywać znaczną trwałość, tzn. nie powinny
ulegać zepsuciu pod wpływem działania czynników zewnętrznych. Czynnikami działającymi
na smary najbardziej szkodliwie są podwyŜszona temperatura, sprzyjająca utlenianiu się
smarów, oraz wilgoć, powodująca powstawanie róŜnego rodzaju kwasów, związków
Ŝywicznych i asfaltów. Substancje te obniŜają własności smarownicze smarów i ponadto
działają szkodliwie na powierzchnie metali.
W przemyśle stosuje się głównie oleje:
−
produkowane z ropy naftowej;
−
pochodzenia roślinnego i zwierzęcego.
Stosuje się równieŜ smary przerobione i złoŜone.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
54
Przez dobór warunków wytwarzania moŜna w duŜym zakresie wpływać na własności
olejów. Dzięki temu. zaleŜnie od potrzeby, dobiera się najodpowiedniejszy do kaŜdego celu
rodzaj smaru.
Większość olejów stosowanych w przemyśle krajowym otrzymuje się przez destylację
lub rafinację ropy naftowej. Odznaczają się w porównaniu z innymi olejami duŜa odpornością
chemiczną i – co za tym idzie – niezmiennością własności smarowniczych.
Spośród olejów pochodzenia roślinnego największe znaczenie ma olej rycynowy,
stosowany do smarowania maszyn pracujących pod znacznym obciąŜeniem w wysokiej
temperaturze i przy duŜych prędkościach przesuwania się powierzchni. Oleje rycynowe
najczęściej są stosowane do smarowania silników lotniczych, Kolejnym olejem tej grupy jest
olej rzepakowy, który ma dobre własności smarownicze i duŜą czepność. Nadaje się on do
smarowania łoŜysk. Inne oleje roślinne, jak olej słonecznikowy, kokosowy, sojowy i wiele
innych stosuje się głównie jako domieszki do innych rodzajów smarów.
Olej pochodzenia zwierzęcego, jak olej kostny oraz tłuszcze zwierzęce, są uŜywane jako
dodatki w produkcji smarów wysokogatunkowych.
Oleje mineralne otrzymuje się z destylacji ropy naftowej. Skład chemiczny olejów jest
zmienny i zaleŜy zarówno od surowca wyjściowego (ropy naftowej), jak i od sposobu
przeróbki (destylacji i rafinacji) oraz od zawartości dodatków. Udział dodatków uszlachetnia-
jących wykazuje stałą tendencje rosnącą i obecnie w niektórych przypadkach dochodzi nawet
do kilkudziesięciu procent. Stosowane dodatki uszlachetniające i się w zaleŜności od sposobu
działania na:
−
inhibitory utleniania,
−
inhibitory korozji,
−
detergenty,
−
dyspergatory,
−
dodatki podwyŜszające smarność i odporność na wysokie obciąŜenia,
−
deaktywatory metali,
−
środki polepszające przyczepność filmu olejowego,
−
wypieracze wody,
−
depresatory (środki przyczyniające się do obniŜenia temperatury krzepnięcia),
−
środki zagęszczające,
−
środki przeciwpienne itp.
Oleje syntetyczne znajdują coraz szersze zastosowanie w technice smarowniczej. Oleje
syntetyczne są oparte głównie na związkach typu:
−
węglowodorów,
−
połączeń zawierających węgiel, wodór i tlen,
−
połączeń krzemu, fosforu i chlorowców.
Oleje ze względu na przeznaczenie dzielimy na :
−
oleje silnikowe,
−
oleje przekładniowe,
−
oleje przemysłowe,
−
oleje hydrauliczne,
−
oleje elektroizolacyjne,
−
oleje do obróbki metali,
−
oleje do spręŜarek,
−
oleje konserwacyjne.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
55
Oddzielną grupę stanowią smary przerobione i złoŜone. Do tej grupy środków
smarujących zalicza się smary stałe otrzymywane z olejów pochodzenia naftowego
i substancji zagęszczających. Najczęściej do zagęszczania uŜywa się róŜnego rodzaju mydeł,
parafiny i cerezyny. ZaleŜnie od rodzaju domieszki dzieli się smary na wapniowe, sodowe,
potasowe, glinowe i ołowiowe.
Do produkcji smarów stałych uŜywa się olejów rafinowanych. Substancje zagęszczające
rozpuszcza się na gorąco w olejach. Po ostygnięciu smar staje się gęsty.
Najbardziej znany jest smar wapniowy Tovotte’a (Towota). Odznacza się on duŜą
odpornością na działanie wilgoci.
Dalszym produktem z grupy smarów złoŜonych są oleje grafitowe. Ilość grafitu zawarta
w tych smarach wynosi l–2%. Oleje tego rodzaju stosuje się do smarowania maszyn
pracujących pod duŜym obciąŜeniem lub np. podczas docierania silników spalinowych. Grafit
znajdujący się w smarze wypełnia nierówności i tworzy tzw. lustro grafitowe, ułatwiające
ślizganie się współpracujących części.
Do grupy smarów złoŜonych naleŜą tzw. emulsje wodno-olejowe, wytwarzane przez
mechaniczne wymieszanie tych dwóch składników. Stosowanie do smarowania emulsji, tam
gdzie to jest technicznie uzasadnione, zmniejsza znacznie zuŜycie olejów. Wykorzystuje się je
równieŜ do chłodzenia narzędzi podczas obróbki skrawaniem i do smarowania cylindrów
maszyn parowych.
Rola substancji smarujących nie ogranicza się tylko do zmniejszania tarcia. Mają one za
zadanie chłodzenie maszyn i narzędzi podczas pracy, konserwację maszyn, a ponadto
uszczelnienie i izolację. Zazwyczaj smar spełnia jednocześnie kilka zadań, np. zmniejsza
tarcie, chłodzi i konserwuje maszynę.
Do smarowania maszyn i mechanizmów naleŜy stosować smary polecone przez
producenta. Gdy sposób smarowania trzeba rozwiązać samodzielnie, naleŜy uwzględnić
warunki, w jakich urządzenie pracuje, i do nich dostosować własności smarów
z uwzględnieniem zaleceń mających na celu zapewnienie dobrej pracy urządzeń.
Oleje o duŜej lepkości naleŜy stosować, gdy:
−
ciśnienie między współpracującymi częściami jest duŜe,
−
temperatura pracy urządzenia jest stosunkowo wysoka,
−
smarowanie wykonuje się okresowo,
−
powierzchnie współpracujące są ustawione pionowo,
−
występuje ruch prostoliniowo-zwrotny.
Oleje o niskiej lepkości naleŜy stosować, gdy:
−
prędkość ślizgania się po sobie powierzchni współpracujących jest znaczna,
−
smarowaniu podlegają mechanizmy precyzyjne.
Smary stałe stosuje się, gdy:
−
ze względu na połoŜenie powierzchni współpracujących ze sobą, inny smar się nie
utrzyma,
−
trudno jest uszczelnić smarowane powierzchnie,
−
urządzenie pracuje pod znacznym obciąŜeniem,
−
urządzenie pracuje w podwyŜszonej temperaturze.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
56
4.4.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1.
Jakie znasz cechy fizyczne drewna?
2.
Podaj definicję wilgotności względnej i bezwzględnej drewna?
3.
Jakie znasz cechy własności mechaniczne drewna?
4.
Co nazywamy tarcicą?
5.
Przed jakiego rodzaju zniszczeniami zabezpiecza się drewno?
6.
Jaki jest podstawowy surowiec do produkcji ceramiki?
7.
Jak moŜna sklasyfikować ceramikę ze względu na zastosowanie?
8.
Jakie substancje stosuje się do smarowania części maszyn?
9.
Jakie cechy charakteryzują smary?
10.
Co to jest lepkość smaru?
11.
Co nazywamy czepnością smaru?
12.
Kiedy naleŜy stosować oleje o duŜej lepkości?
13.
Kiedy naleŜy stosować oleje o niskiej lepkości?
14.
Jakie surowce stosuje się do produkcji smarów stałych?
15.
Kiedy stosuje się smary stałe?
16.
Jaką postać mogą mieć materiały ścierne?
4.4.3.
Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Mając do dyspozycji materiały przyporządkuj je do wykonania wymienionych
przedmiotów. Do dyspozycji masz następujące materiały: drewno, cegła, polimer, glina,
guma. Wykonane produkty to: pustak ceramiczny, ściana murowana, uszczelka, rura PCV,
deska.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1)
wypisać wymienione produkty w punktach od 1 do 5,
2)
wyszukać w poradniku dla ucznia wiadomości na temat materiałów niemetalowych,
3)
przyporządkować materiały do podanych produktów,
4)
sprawdzić poprawność wykonania ćwiczenia.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
poradnik dla ucznia,
Ćwiczenie 2
Dobierz rodzaj środka smarującego do pracy następujących części maszyn: silnik,
łoŜyska, przekładnia, spręŜarka chłodnicza, turbina.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1)
wypisać wymienione części maszyn w punktach od 1 do 5,
2)
wyszukać w poradniku dla ucznia wiadomości na temat smarów i olejów,
3)
przyporządkować środki smarujące do części maszyn,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
57
4)
sprawdzić poprawność wykonania ćwiczenia.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
poradnik dla ucznia,
−
poradnik mechanika.
4.4.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1)
sklasyfikować materiały niemetalowe?
2)
zdefiniować pojęcia: drzewo, drewno?
3)
opisać właściwości fizyczne i mechaniczne drewna?
4)
wymienić sposoby przeróbki tworzyw sztucznych?
5)
sklasyfikować materiały ceramiczne?
6)
rozróŜnić ceramikę budowlaną i ogniotrwałą?
7)
zdefiniować pojęcie smaru?
8)
wymienić cechy charakteryzujące smary?
9)
rozróŜnić lepkość względną i lepkość bezwzględną ?
10)
zdefiniować pojęcia: trwałość smaru, czepność smaru?
11)
określić zadania materiałów ściernych?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
58
4.5. Obróbka cieplna i cieplno-chemiczna
4.5.1. Materiał nauczania
Obróbka cieplna jest zabiegiem lub połączeniem zabiegów cieplnych, pod wpływem
których zmienia się w stanie stałym struktura stopów, a tym samym ich własności
mechaniczne, fizyczne i chemiczne. Pozwala na zmianę własności stopów i nawet –
w pewnym zakresie – czystych metali.
Zabieg cieplny to cykl zmian temperatury rozpoczynający i kończący się w temperaturze
otoczenia. Składa się z trzech okresów: nagrzewania, wygrzewania i chłodzenia. Zabiegi
cieplne mogą się róŜnić miedzy sobą szybkością ogrzewania i chłodzenia oraz wysokością
temperatury wygrzewania.
WyŜarzanie
WyŜarzanie jest zabiegiem cieplnym polegającym na nagrzaniu stopu do odpowiedniej
temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu do temperatury otoczenia. Szybkość
chłodzenia po wyŜarzaniu w temperaturze wyŜszej od temperatury przemian powinna być
niewielka. Szybkie chłodzenie uniemoŜliwiałoby bowiem powstanie odpowiedniej struktury
stopu. Po wyŜarzeniu w zakresie temperatury poniŜej przemiany alotropowej szybkość
chłodzenia moŜe być dowolna.
W
praktyce
rozróŜniamy
następujące
rodzaje
wyŜarzania:
ujednorodniające,
normalizujące, odpręŜające, zmiękczające, rekrystalizujące i odpuszczające.
WyŜarzanie ujednorodniające (homogenizacja)
WyŜarzanie ujednorodniające najczęściej jest stosowane do wlewków stali stopowych,
które po odlaniu wykazują niejednorodność składu chemicznego powstałą podczas
krzepnięcia stali. Ujednorodnienie stali osiąga się poprzez wygrzewanie wlewków
w temperaturze 1000÷1250°C w ciągu 12÷15 godzin. Po wyŜarzaniu ujednorodniającym,
które jest wykonywane w hucie, wlewek jest poddawany obróbce plastycznej, np. kuciu lub
walcowaniu.
WyŜarzanie normalizujące
WyŜarzanie normalizujące ma na celu otrzymanie równomiernej budowy drobnoziarnistej
stopu zapewniającej lepsze własności mechaniczne niŜ struktura gruboziarnista.
Przebieg procesu normalizowania stali zaleŜy od jej składu chemicznego. Stal nagrzewa
się podczas wyŜarzania normalizującego do temperatury wyŜszej o około 50°C od
temperatury powstawania austenitu. Następnie wyjęte z pieca przedmioty chłodzi się na
powietrzu. Odmianą wyŜarzania normalizującego jest wyŜarzanie zupełne, które róŜni się od
poprzedniego sposobem chłodzenia. Podczas wyŜarzania zupełnego chłodzenie, do takiej
samej temperatury jak przy wyŜarzaniu normalizującym, odbywa się w piecu bardzo wolno
stygnącym. Dzięki temu przemiany fazowe przebiegają w stali zgodnie ze stanem równowagi.
W wyniku takiego wyŜarzania uzyskuje się dobrą plastyczność stali, małą twardość i dobrą
obrabialność.
WyŜarzanie zupełne jest stosowane głównie do stali stopowych, które przy większych
szybkościach chłodzenia wykazują skłonność do powstawania struktur twardych.
WyŜarzanie zmiękczające
WyŜarzanie zmiękczające stosuje się głównie do stali o twardej strukturze. Polega na
nagrzaniu stali do temperatury określonej w przybliŜeniu przemianą alotropową,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
59
długotrwałym (kilkunastogodzinnym) wygrzewaniu i następnie studzeniu. Czasem podczas
zmiękczania stosuje się tzw. wygrzewanie wahadłowe polegające na kilkukrotnym
ogrzewaniu stali do temperatury przekraczającej temperaturę przemiany alotropowej oraz na
studzeniu do temperatury niŜszej od temperatury tej przemiany.
WyŜarzanie odpręŜające
WyŜarzanie odpręŜające stosuje się w celu usunięcia lub zmniejszenia napręŜeń własnych
powstałych w materiale wskutek zgrubnej obróbki skrawaniem, odlewania, spawania lub
obróbki plastycznej odbywającej się na zimno. WyŜarzanie wykonywane w celu usunięcia
napręŜeń własnych stosowane najczęściej do stali, prowadzi się w temperaturach 550÷650°C.
Usunięcie napręŜeń zaleŜy od czasu i temperatury zabiegu. Im wyŜsza jest temperatura, tym
krótszy moŜe być czas trwania procesu wyŜarzania.
Hartowanie
Hartowanie jest zabiegiem cieplnym polegającym na nagrzaniu stali do temperatury
wyŜszej o około 30°C od temperatury przemiany alotropowej, wygrzaniu jej w tej
temperaturze i oziębieniu z duŜą szybkością. Otrzymujemy w ten sposób bardzo twardą
strukturę – martenzyt. W praktyce w celu uzyskania właściwych szybkości chłodzenia do
oziębiania stali podczas hartowania stosuje się głównie wodę, olej lub spręŜone powietrze.
Spośród wymienionych środków chłodzących najszybciej chłodzi woda, najwolniej –
strumień spręŜonego powietrza. Intensywnych środków chłodzących uŜywa się najczęściej do
stali węglowych. Stale stopowe z dodatkiem chromu, wolframu i innych, chłodzi się
zazwyczaj w oleju. Stale o bardzo duŜej zawartości chromu i wolframu moŜna chłodzić
w strumieniu spręŜonego powietrza. Szybkość chłodzenia w hartowanym przedmiocie jest
coraz mniejsza w kierunku jego wnętrza. Zdolność do hartowania się stali w głąb materiału
nazywamy hartownością. Niektóre stale hartują się na znaczną głębokość, inne nie wykazują
takiej własności. Stale dające po hartowaniu grubą warstwę zahartowaną nazywamy stalami
głęboko hartującymi się. Stale, w których po hartowaniu powstaje cienka warstwa
zahartowana, noszą nazwę płytko hartujących się. W praktyce przyjęto uwaŜać za
zahartowaną warstwę, w której martenzyt występuje przynajmniej w 50%.
Hartowanie powierzchniowe polega na nagrzewaniu materiału do właściwej temperatury
tylko na jego powierzchni. Rdzeń materiału nie jest nagrzewany, zatem podczas obróbki nie
zmieni swych własności. Celem takiego hartowania jest uzyskanie materiału o twardej
powierzchni i dość miękkim plastycznym rdzeniu.
Hartowaniu poddawane są głównie stale węglowe narzędziowe. Zasadnicze cechy,
których wymaga się od róŜnych stali narzędziowych, to: duŜa twardość po zahartowaniu,
odporność na ścieranie, ciągliwość, niewraŜliwość na przegrzanie, mała odkształcalność po
hartowaniu. Główne ich zastosowanie przedstawia tabela 5.
Tabela 5. Stale węglowe narzędziowe (wg PN-84/H-85020).
Znak stali
Główne zastosowanie
N 13E
N 13
N 12E
N 12
pilniki, narzędzia do obróbki metali przy małych szybkościach skrawania,
narzędzia do obróbki kamieni młyńskich i kamieni do ostrzy noŜy, pierścienie
do przeciągania rur, noŜe do papieru, narzędzia grawerskie, znaczniki,
skrobaki itp
N 11E
N 11
N 10E
N 10
na wiertła, frezy, rozwiertaki, gwintowniki, narzynki i narzynaki, narzynki do
pilników, wykrojniki, noŜe krąŜkowe, piłki do metali, matryce, szczęki i noŜe
do maszyn do wyrobu gwoździ, pióra do pisania, noŜe szewskie, kły do
tokarek itp.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
60
N 9 E
N 9
przebijaki, duŜe rozwiertaki i gwintowniki, przebijaki do ciągadeł, matryce do
pracy na zimno, narzędzia do obróbki twardego drewna itp.
N 8E
N 8
matryce do pracy na zimno, przebijaki, dłuta zwykłe i krzyŜowe, piły taśmowe
do drewna, noŜe do noŜyc pracujących na zimno, przecinaki, zagłowniki
i dłuta pracujące w młotkach pneumatycznych, stemple itp.
N 7E
N 7
młotki kowalskie, wykrojniki, ręczne zagłowniki, narzędzia do obróbki
drewna, narzędzia do obróbki miękkich kamieni itp.
N 6
siekiery, narzędzia kowalskie, narzędzia do obróbki drewna i skóry itp.
N 5
młoty kowalskie, młoty zagłowniki, siekiery, oskardy, narzędzia do obróbki
drewna itp.
Odpuszczanie
Zahartowane przedmioty ze stali, poddaje się jeszcze dalszej obróbce cieplnej –
odpuszczaniu. Polega ona na nagrzaniu hartowanej stali do temperatury niŜszej od
temperatury przemiany alotropowej, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu najczęściej na
powietrzu, czasem w oleju. Zasadniczym celem wyŜarzania odpuszczającego jest
zmniejszenie napręŜeń hartowniczych, kruchości i twardości, oraz poprawa własności
plastycznych. RozróŜniamy trzy rodzaje wyŜarzania odpuszczającego: niskie – do 300°C,
średnie – 300÷500°C i wysokie – od 500°C do temperatury przemiany alotropowej.
Następujące bezpośrednio po sobie hartowanie i wysokie odpuszczanie nazywamy
ulepszaniem
cieplnym.
Stale
ulepszone
cieplnie
mimo
lepszych
własności
wytrzymałościowych dają się obrabiać skrawaniem. Następujące bezpośrednio po sobie
hartowanie i niskie odpuszczanie to utwardzanie cieplne.
Przesycanie i starzenie
Przesycanie to obróbka stosowana do stopów wykazujących zmniejszający się wraz
z temperaturą zakres istnienia roztworów stałych. Polega ono na nagrzaniu stopu do
temperatury, w której rozpuszczalność w stanie stałym jest dostatecznie duŜa i umoŜliwia
otrzymanie stopu jednofazowego. Szybkie chłodzenie od tej temperatury umoŜliwia
zatrzymanie składnika stopowego w roztworze stałym. Roztwór stały, w którym znajduje się
więcej składnika rozpuszczonego niŜ to wynika z warunków równowagi, nazywa się
roztworem przesyconym. Przesycenie stali niskoweglowych w praktyce jest stosowane do
blach przeznaczonych do głębokiego tłoczenia. Powoduje ono poprawę własności
plastycznych. Przesycanie stosuje się równieŜ i do innych stopów, np. przesyca się stale
stopowe kwasoodporne w celu uzyskania struktury bardziej odpornej na korozję. Przesycony
stop po pewnym czasie ma tendencje do powrotu do stanu równowagi. Wówczas zmieniają
się jego własności fizyczne i chemiczne. Jest to spowodowane wydzielaniem się z roztworu
bardzo rozdrobnionej fazy przesycającej. Zjawisko to nazywa się starzeniem naturalnym.
MoŜna je przyspieszyć przez podwyŜszenie temperatury. Takie starzenie nazywa sic
sztucznym. Przesycanie i starzenie stosowane kolejno nazywa się utwardzaniem
dyspersyjnym, gdyŜ powoduje wzrost twardości i wytrzymałości stopu.
Obróbka cieplno-chemiczna
Obróbką cieplno-chemiczną nazywamy zabiegi cieplne powodujące zmianę składu
chemicznego zewnętrznych warstw metalu, osiągane wskutek oddziaływania aktywnego
środowiska chemicznego na jego powierzchnię. Podstawą procesów zachodzących podczas
obróbki cieplno-chemicznej jest zjawisko dyfuzji. Polega ono na ruchu atomów, jonów lub
cząsteczek spowodowanym róŜnicą stęŜenia i prowadzącym do wyrównania stęŜeń
wewnętrznych faz. Dyfuzja występująca w gazach i cieczach przebiega szybko, gdyŜ atomy,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
61
jony lub cząsteczki nie napotykają większych oporów na swej drodze. W ciałach stałych ruch
atomów, jonów lub cząstek jest utrudniony ze względu na krystaliczną budowę tych ciał.
Dyfuzja polega w nich na względnych przesunięciach atomów lub cząsteczek wewnątrz sieci
krystalicznej. Wędrówka atomów, jonów lub cząsteczek moŜe się odbywać przez
bezpośrednią zamianę miejsc w sieci krystalicznej, dyfuzję międzywęzłową lub dyfuzję za
pośrednictwem defektów sieci krystalicznej. Zjawisko dyfuzji jest wykorzystywane do zmiany
składu chemicznego zewnętrznych warstw stali w celu zmiany jej własności, głównie
poprawy twardości, wytrzymałości na ścieranie oraz odporności na korozyjne działanie
środowiska. W celach technicznych do stali są dodawane węgiel, azot, aluminium, krzem,
chrom, itd. Najczęściej stosowane rodzaje obróbki cieplno-chemicznej to: nawęglanie,
azotowanie i cyjanowanie.
Nawęglanie
Nawęglanie polega na wprowadzeniu węgla do warstw powierzchniowych stali. Atomy
węgla wprowadzone dyfuzyjnie do stali zajmują w strukturalnych sieciach miejsce między
węzłami utworzonymi z atomów Ŝelaza. Stal nawęglaną nagrzewa się do temperatury,
w której istnieje Ŝelazo γ, czyli powyŜej temperatury przemiany alotropowej. Zbytnie
podwyŜszenie temperatury podczas nawęglania nie jest wskazane, gdyŜ powoduje rozrost
ziarna stali i zwiększenie zawartości węgla w warstwie powierzchniowej powyŜej technicznie
uzasadnionej wartości. Nawęglaniu poddawane są stale o małej zawartości węgla, tj. nie
przekraczającej 0,25% C, czasem z niewielkim dodatkiem chromu, manganu lub molibdenu.
Środowisko słuŜące do nawęglania nazywa się karboryzatorem. Środowisko to moŜe być
stałe, ciekłe lub gazowe. Czas nawęglania stali zaleŜy od aktywności środowiska, temperatury
i załoŜonej grubości warstwy nawęglanej. Zwykle nawęgla się stale do grubości warstwy 0,5 ÷
2,5 mm. Nawęgloną powierzchniowo stal poddaje się następnie obróbce cieplnej.
Rys. 19 schemat nawęglania [1, s. 259]
DłuŜszy czas przebywania stali w podwyŜszonej temperaturze powoduje rozrost jej
ziarna. W celu zmniejszenia wielkości ziarna stal po nawęgleniu trzeba przeprowadzić
wyŜarzanie normalizujące. Po normalizowaniu przeprowadza się hartowanie, najczęściej
w temperaturze ok. 750°C. Po nagrzaniu stal nawęgloną chłodzi się w wodzie lub w oleju. Po
hartowaniu stosuje się odpuszczanie w temperaturze około 180°C, mające na celu odpręŜenie
stali.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
62
Nawęglanie w środowiskach stałych
Najstarszą metodą nawęglania jest nawęglanie w środowiskach stałych. Podstawowym
składnikiem karboryzatora stałego jest węgiel drzewny. Do niego dodaje się pewną ilość
węglanów, jak np. węglanu baru BaCO
3
lub węglan sodu Na
2
CO
3
. W podwyŜszonej
temperaturze procesu węglany ulegają rozpadowi. Część węgla drzewnego ulega spaleniu na
dwutlenek węgla, a następnie reaguje z węglem tworząc tlenek węgla. śelazo działa na tlenek
węgla, który ulega rozkładowi na węgiel i tlen. Powstający podczas tej reakcji węgiel
atomowy jest bardzo aktywny chemicznie i szybko dyfunduje do austenitu.
Nawęglanie w środowiskach ciekłych
Nawęglanie w środowiskach ciekłych odbywa się w piecach wannowych, w których
znajdują się roztopione sole nawęglające. Podczas nagrzewania zachodzą między składnikami
soli reakcje, w których wyniku powstaje węgiel atomowy. Dyfunduje on do austenitu, podob-
nie jak w środowisku stałym. Nawęglanie w środowisku ciekłym ma w porównaniu
z nawęglaniem w środowisku stałym wiele zalet takich jak:
−
uproszczenie czynności przygotowanych do procesu nawęglania,
−
szybkie i równomierne nagrzewanie stali,
−
łatwość regulowania temperatury,
−
zmniejszenie odkształceń powodowanych nierównomiernością ogrzewania,
−
uzyskiwanie czystych powierzchni po nawęgleniu,
−
mniejszy rozrost ziaren ze względu na krótszy czas trwania procesu.
Nawęglanie w środowiskach gazowych
Nawęglanie w gazach wymaga stosowania specjalnych, hermetycznych pieców z aktywną
atmosferą gazową. W skład gazów do nawęglania wchodzą tlenek węgla oraz węglowodory
nasycone i nienasycone. W praktyce stosuje się najczęściej gaz ziemny, gaz świetlny lub pary
pirobenzolu wtryskiwanego kroplami do gorącej komory pieca. W nagrzanej komorze pieca
następuje dysocjacja składników gazu i powstaje aktywny węgiel, który dyfunduje do
austenitu. Proces nawęglania w gazach przebiega, podobnie jak w środowisku ciekłym lub
stałym, ale musi on przebiegać w ściśle określonych warunkach, gdyŜ ich zmiana powoduje
zaburzenia w procesie nawęglania. Na przykład zbyt intensywna dysocjacja powoduje
osadzanie się węgla w postaci sadzy na przedmiotach poddawanych nawęglaniu. Zwolnienie
procesu dysocjacji poniŜej zdolności absorbowania węgla przez stal powoduje jej
niedostateczne nawęglanie.
Azotowanie
W procesie azotowania stal poddawana jest działaniu azotu aktywnego chemicznie. Azot
atmosferyczny (cząsteczkowy) nie działa na Ŝelazo. Dlatego stosuje się azot atomowy
wytwarzany w reakcji dysocjacji amoniaku.. Gdy w stali znajdują się jeszcze inne dodatki
stopowe wiąŜące się z azotem, jak np. aluminium, chrom, molibden lub tytan, w takiej stali
powstają jeszcze azotki tych składników. Azotki Ŝelaza i azotki wymienionych składników
stopowych są bardzo twarde. Ich twardość jest większa od twardości martenzytu. Proces
azotowania odbywa się w specjalnych piecach, przez które przepływa amoniak.
W temperaturze pracy pieca, zwykle w zakresie 520÷540°C, amoniak ulega dysocjacji wg
reakcji 2NH
3
→ 2N + 3H
2
Azotowanie jest procesem długotrwałym. Czas azotowania wynosi średnio około 30 h.
W niektórych przypadkach stale azotuje się nawet w ciągu około 100 h. Grubość warstwy
uzyskanej w tak długotrwałym procesie nie jest jednak zbyt duŜa i zaleŜy od wielu czynników
takich jak temperatura procesu, stopień dysocjacji amoniaku, skład chemiczny stali itp.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
63
Przedmioty przeznaczone do azotowania są uprzednio ulepszane cieplnie i szlifowane na
ostateczny wymiar. Azotowanie prawie zupełnie nie wpływa na zmianę wymiarów
przedmiotów, a ich powierzchnia nie ulega w tym procesie uszkodzeniu.
Rys. 20 schemat procesu azotowania [1, s. 263]
Po azotowaniu nie stosuje się juŜ innej obróbki cieplnej, gdyŜ wytworzone na
powierzchni przedmiotu warstwy azotków są twarde, a napręŜenia własne uległy likwidacji
podczas azotowania. Azotowanie ma na celu otrzymanie bardzo twardych powierzchni
odpornych na ścieranie. Niekiedy stosuje się azotowanie krótkotrwałe wykonywane
kilkakrotnie w róŜnej temperaturze. Celem takiego azotowania jest utworzenie cienkiej
warstwy azotków odpornych na korozję.
Cyjanowanie
Podczas cyjanowania zachodzą jednocześnie dwa znane nam juŜ procesy, nawęglanie
i azotowanie. W wyniku cyjanowania zewnętrzne warstwy stali wzbogacają się w węgiel
i azot. Czynnikiem decydującym o tym, który z tych dwóch procesów będzie przebiegał
intensywnie, jest temperatura. Cyjanowanie w temperaturze powyŜej 800°C powoduje niemal
wyłącznie nawęglanie stali. ObniŜenie temperatury procesu do około 500°C całkowicie
zatrzymuje proces nawęglania, a przyspiesza azotowanie. Do cyjanowania nadają się
w zasadzie wszystkie rodzaje stali, lecz najlepsze wyniki uzyskuje się w stali zawierającej
chrom. Cyjanowanie moŜe się odbywać w środowiskach: stałym, ciekłym i gazowym.
Najczęściej stosuje się jednak cyjanowanie w kąpielach zawierających związki cyjanowe.
Do cyjanowania w niŜszej temperaturze, tj. do około 600°C, stosuje się roztopiony cyjanek
sodu, natomiast w wyŜszej temperaturze, tj. do około 800°C, w skład kąpieli cyjanującej
oprócz cyjanku sodu wchodzą jeszcze sól kuchenna i soda. W wysokiej temperaturze procesu
zachodzą reakcje, w wyniku których wydziela się azot i węgiel. Dyfundują one w chwili
tworzenia do stali. Stale cyjanowane w wyŜszej temperaturze są poddawane hartowaniu,
zazwyczaj bezpośrednio po kąpieli cyjanującej. Cyjanowanie w wysokiej temperaturze stosuje
się do części przyrządów precyzyjnych i pomiarowych, które powinny odznaczać się wielką
odpornością na ścieranie. Czasem cyjanuje się koła zębate, sworznie tłokowe, niektóre części
sprzęgieł i inne. Czas przebywania przedmiotów w kąpieli cyjanującej wynosi 2÷3 h.
Uzyskuje się wówczas warstwy nawęglone grubości około 0,8 mm. Stale cyjanowane
w niŜszej temperaturze nie podlegają juŜ Ŝadnej obróbce cieplnej. W wyniku takiego
cyjanowania uzyskuje się warstwy bardzo cienkie o grubości nie przekraczającej 0,05 mm.
Cyjanowanie w niŜszej temperaturze stosuje się najczęściej do narzędzi wykonanych ze stali
szybkotnącej lub wysokochromowej. Czas cyjanowania narzędzi zaleŜy od ich wielkości.
Narzędzia małe cyjanuje się w ciągu około 10 minut, a duŜe – około 40 minut.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
64
Głównymi zaletami cyjanowania są:
−
skrócenie czasu procesu w stosunku do czasu nawęglania,
−
uzyskanie bardzo twardych powłok odpornych na ścieranie,
−
stosunkowo niska temperatura procesu.
Cyjanowanie ma równieŜ wiele wad, z których najwaŜniejsze to: niebezpieczeństwo zatrucia
parami soli cyjanowych i konieczność częstego kontrolowania składu kąpieli cyjanującej.
Aluminiowanie
Aluminiowanie polega na wprowadzeniu glinu ( aluminium ) do stali. Proces nasycania
glinem odbywa się w mieszaninie sproszkowanego aluminium, tlenku aluminium i chlorku
amonu w temperaturze około 900°C. Grubość warstwy wzbogaconej w glin zaleŜy od czasu
trwania procesu. Po 24 godzinach osiąga się warstwę grubości l mm. zawierającą około 50%
aluminium Aluminiowaniu poddaje się przedmioty przeznaczone do pracy w podwyŜszonej
temperaturze w atmosferze utleniającej. Utworzona na warstwie aluminium warstwa tlenków
chroni metal podłoŜa przed dalszym utlenianiem. Wadą tych warstw jest ich kruchość.
4.5.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1.
Czym charakteryzuje się wyŜarzanie?
2.
Czym charakteryzuje się hartowanie?
3.
Wymień znane ci rodzaje wyŜarzania?
4.
Kiedy stosujemy wyŜarzanie normalizujące?
5.
Co nazywamy hartownością?
6.
Na czym polega proces starzenia?
7.
Co to jest utwardzanie dyspersyjne?
8.
Jakie stale poddajemy nawęglaniu?
9.
Co ma na celu azotowanie?
10.
Jakie przedmioty poddaje się aluminiowaniu?
11.
Jakie przedmioty poddaje się cyjanowaniu?
4.5.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Na podstawie obserwacji pod mikroskopem określ rodzaj obróbki cieplnej jakiej zostały
poddane próbki stali.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1)
wypolerować powierzchnię próbki,
2)
obserwować poszczególne próbki stali pod mikroskopem,
3)
przerysować na kartkę zaobserwowaną strukturę poszczególnych próbek,
4)
porównać obraz pod mikroskopem z fotografiami struktur stali poddanej obróbce
cieplnej,
5)
nazwać rodzaj obróbki cieplnej jakim zostały poddane poszczególne próbki stali.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
65
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
mikroskop,
−
próbki stali poddane róŜnym obróbkom cieplnym,
−
fotografie struktur stali poddanej róŜnym obróbkom cieplnym,
−
papier ścierny drobnoziarnisty
Ćwiczenie 2
Dobierz rodzaj stali węglowej narzędziowej do wykonania następujących narzędzi:
pilnik, frezy, siekiera, przebijak, gwintowniki, narzynki, piłki do metali.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1)
wypisać wymienione narzędzia w punktach od 1 do 7,
2)
wyszukać w poradniku dla ucznia wiadomości na temat zastosowania stali węglowej
narzędziowej,
3)
przyporządkować rodzaj stali do narzędzia z jakiej powinno zostać wykonane,
4)
sprawdzić poprawność wykonania ćwiczenia.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
poradnik dla ucznia,
−
poradnik mechanika.
4.5.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1)
zdefiniować pojęcie obróbki cieplnej?
2)
wymienić rodzaje wyŜarzania?
3)
określić efekty poszczególnych rodzajów wyŜarzania?
4)
opisać proces hartowania?
5)
wyjaśnić co to jest martenzyt?
6)
wyjaśnić pojęcie ulepszania cieplnego?
7)
opisać proces utwardzania dyspersyjnego
8)
zdefiniować pojęcie obróbki cieplno-chemicznej?
9)
wyjaśnić pojęcie dyfuzji?
10)
opisać przebieg i cel procesu nawęglania?
11)
opisać przebieg i cel procesu azotowania?
12)
opisać przebieg i cel procesu cyjanowania?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
66
4.6. Korozja metali i ochrona przed korozją
4.6.1. Materiał nauczania
Rodzaje i skutki korozji
ZaleŜnie od rodzaju działających czynników procesy niszczenia materiałów
konstrukcyjnych dzieli się na mechaniczne, spowodowane przekroczeniem wytrzymałości
elementu, chemiczne i elektrochemiczne. Spośród wielu odmian niszczenia tworzyw
konstrukcyjnych korozja metali stanowi problem podstawowy, gdyŜ znaczna liczba
wyprodukowanych wyrobów metalowych jest wycofywana z uŜycia z
powodu zniszczenia ich
przez korozję. RozróŜnia się korozję chemiczną i elektrochemiczną. Korozja chemiczna
obejmuje reakcje miedzy metalami i cieczami nie będącymi elektrolitami i podlega
podstawowym prawom reakcji chemicznych. Korozja elektrochemiczna zachodzi w obecności
elektrolitu i podlega prawom kinetyki elektrochemicznej. Podział korozji na chemiczną
i elektrochemiczną ma w wielu przypadkach znaczenie formalne, gdyŜ reakcje chemiczne
zachodzące miedzy metalem i środowiskiem mogą ułatwiać lub utrudniać przebieg procesów
elektrochemicznych. Niszczące działanie moŜe objąć całą powierzchnię przedmiotu
równomiernie. W takim przypadku proces niszczenia jest powierzchniowy (korozja
powierzchniowa) i nie wpływa na zmianę wytrzymałości całej konstrukcji. Niekiedy spotyka
się korozje nierównomierną, która obejmuje jedynie niewielki obszar powierzchni metalu,
lecz rozprzestrzenia się w głąb materiałów (korozja wŜerowa). W wyniku takiego procesu
powstają wŜery sięgające w materiał na znaczną głębokość, co w znacznym stopniu zmniejsza
wytrzymałość konstrukcji i moŜe spowodować jej uszkodzenie. W pewnych przypadkach
proces korozji obejmuje jedynie granice ziarn. Korozję taką nazywa się korozją
międzykrystaliczną. Jej skutki są bardzo niebezpieczne, gdyŜ sięgając daleko w głąb materiału
są z zewnątrz praktycznie niewidoczne. Korozja międzykrystaliczna, rozwijając się wzdłuŜ
granic ziarn, moŜe znacznie zmniejszyć wytrzymałość konstrukcji i spowodować nawet
niespodziewane jej zniszczenie, gdy napręŜenia w obszarach objętych korozją przekroczą
granice wytrzymałości. Korozji międzykrystalicznej ulegają szczególnie łatwo niektóre stopy
aluminium.
Rys. 21. skutki korozji a) równomiernej, b) nierównomiernej, c) międzykrystalicznej [1, s. 352]
Korozja chemiczna najczęściej jest wywoływana przez suche gazy wykazujące
powinowactwo z metalem. Metal ulegający korozji chemicznej pokrywa się warstwą
związków chemicznych, będących produktami korozji. Dalszy postęp tego procesu zaleŜy od
szczelności warstwy powstałej na powierzchni. która utrudnia zetknięcie się agresywnego
środowiska z czystą powierzchnia metalu. Szczelność warstwy powstałej w wyniku korozji
zaleŜy od stosunku objętości powstałych związków do objętości korodującego metalu JeŜeli
stosunek ten jest mniejszy od jedności, to hamująca rola produktów korozji jest znikoma,
gdyŜ powstała na powierzchni metalu warstwa jest porowata. JeŜeli podany stosunek ma
wartość większą od jedności, to tworzą się warstwy szczelne, w znacznym stopniu hamujące
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
67
postęp korozji. Powstawanie na metalu warstw korozyjnych rozpoczyna się od
zaabsorbowania gazu, który następnie ulega dysocjacji dzięki powinowactwu do metalu lub
wskutek podwyŜszenia temperatury. Zdysocjowany gaz wchodzi w reakcję z metalem,
tworząc na jego powierzchni cienką warstwę związku chemicznego. Pogrubienie tej warstwy
moŜe nastąpić wskutek:
1)
dyfuzji jonów metalu i ruchu elektronów od metalu do zewnętrznej powierzchni związku,
2)
dyfuzji cząsteczek tlenu do granicy faz „metal – związek”,
3)
dyfuzji jonów gazu do granicy „metal – związek" i jednoczesnego ruchu elektronów
w przeciwnym kierunku.
MoŜliwe są równieŜ kombinacje przypadku pierwszego z drugimi drugiego z trzecim.
Narastanie więc warstw korozyjnych zaleŜy w znacznej mierze od dyfuzji atomów lub jonów
w warstwie skorodowanej . Wędrówka dyfuzyjna atomów lub jonów w ciele stałym moŜe
polegać, zaleŜnie od jego struktury i stanu energetycznego, na: wymianie miejsc miedzy
sąsiadującymi ze sobą atomami lub jonami w sieci krystalicznej; poruszaniu się atomów lub
jonów miedzy węzłami sieci krystalicznej; poruszaniu się atomów lub jonów po pustych
węzłach sieci. Szybkość narastania warstw utworzonych w wyniku utleniania powierzchni
metalu jest zaleŜna od rodzaju zjawisk zachodzących podczas korozji oraz od struktury
wytworzonej warstwy. Powstające z produktów korozji warstwy mogą szczelnie i trwale
przylegać do metalu lub łatwo od jego powierzchni odpryskiwać. W pierwszym przypadku
produkty korozji stanowią ochronę przed dalszym agresywnym działaniem środowiska.
W drugim przypadku metal szybko ulega zniszczeniu, poniewaŜ odpryskujące warstwy
produktów odsłaniają coraz to nowe powierzchnie metalu, które następnie ulegają korozji.
Korozja elektrochemiczna przebiega w zupełnie innych warunkach niŜ korozja chemiczna.
Powstaje wówczas, gdy w elektrolicie występuje róŜnica potencjałów miedzy róŜnymi
obszarami metalu lub stopu. Przyczyną powstawania róŜnicy potencjałów moŜe być
niejednorodność chemiczna lub fizyczna na powierzchni metalu lub stopu spowodowana
występowaniem w metalu obcych wtrąceń, niejednorodności składu chemicznego
w poszczególnych kryształach, odkształceń trwałych oraz napręŜeń. Zanurzenie dowolnego
metalu w wodnym roztworze powoduje natychmiastowe przechodzenie do roztworu
dodatnich jonów metali, czyli kationów. Przejście kationów do roztworu powoduje
naładowanie metalu ładunkami ujemnymi. Po pewnym czasie na granicy metalu i cieczy
ustala się w określonych warunkach potencjał elektrochemiczny, którego wartość jest dla
róŜnych metali róŜna. Uporządkowane według wzrastającej wartości potencjały
elektrochemiczne tworzą szereg napięciowy metali, przy czym metale szlachetne mają
względem elektrody wodorowej dodatni potencjał elektrochemiczny. Im mniej szlachetny jest
metal, tym większą wartość ujemną przybiera jego potencjał elektrochemiczny, tzn. więcej
jonów tego metalu moŜe przejść do roztworu. Dwa róŜne metale o róŜnym potencjale
elektrochemicznym zanurzone w elektrolicie tworzą ogniwo, w którym metal o mniejszym
potencjale jest anodą, a metal o większym potencjale katodą. Elektrodę anodową oznacza się
znakiem (–) a katodową (+). O odporności metali na korozję elektrochemiczną decyduje
połoŜenie metali tworzących ogniwo lokalne w szeregu napięciowym. Im bardziej róŜnią się
ich potencjały elektrochemiczne, tym silniej ulega korozji metal o niŜszym potencjale.
W stopach technicznych powstają równieŜ ogniwa galwaniczne. Elektrodami takiego ogniwa
mogą być połoŜone w sąsiedztwie kryształy róŜniące się składem chemicznym, granice ziaren,
miejsca o róŜnym stanie napręŜeń, miejsca połączenia części wykonanych z róŜnych
materiałów, rysy, pęknięcia i inne. Jako elektrolit działa najczęściej woda, w której rozpuściły
się gazy, np. dwutlenek węgla, dwutlenek siarki lub inne.
Siła elektromotoryczna ogniwa utworzonego przez połączenie dwóch elektrod jest równa
róŜnicy ich potencjałów. Siła ta jednak w miarę pracy ogniwa maleje, gdyŜ na powierzchniach
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
68
jego elektrod zachodzą procesy przeciwstawiające się przepływowi prądu, zwane polaryzacją
ogniwa. Przebieg polaryzacji zaleŜy od rodzaju materiału elektrody, składu elektrolitu,
stęŜenia jonów wodorowych w elektrolicie oraz gęstości prądu. Polaryzacja ogniw
korozyjnych jest więc zjawiskiem poŜytecznym, gdyŜ zmniejsza intensywność niszczącego
procesu korozji. Polaryzację ogniw zmniejsza usuwanie wodoru z katody, strącanie
produktów korozji oraz doprowadzanie tlenu do katody. Zmniejszanie skutków polaryzacji
nazywa się depolaryzacją, a czynniki, które ja powodują, noszą nazwę depolaryzatorów.
Depolaryzacja ogniw jest w procesach korozyjnych zjawiskiem szkodliwym, gdyŜ przyspiesza
niszczenie konstrukcji. Niektóre metale w pewnych przypadkach nie ulegają korozji, gdyŜ na
ich powierzchniach powstaje cienka warstwa tlenków. Metale takie nazywa się pasywnymi.
Do najłatwiej pasywujących się metali naleŜą chrom, nikiel i tytan. Wprowadzenie do stopu
metali łatwo się pasywujących w środowiskach utleniających powoduje pasywacje stopu pod
warunkiem, Ŝe dodatek stopowy nie utworzy odrębnej fazy, lecz wejdzie w skład roztworu
stałego.
Ochrona przed korozją
Konstrukcję metalową moŜna chronić przed korozją przez stosowanie metalu
pozbawionego zanieczyszczeń i nałoŜenie lub wytworzenie powłoki ochronnej,
Wprowadzenie do metalu nieodpornego na korozję składników stopowych odpornych na
korozję, zabezpiecza w znacznym stopniu stop przed niszczącym działaniem ośrodka
korozyjnego. Na przykład wprowadzenie do stali chromu i niklu w ilości 13–25% – przy
odpowiednio małej zawartości węgla – czyni ją odporną na korozję. Powłoki ochronne
nakładane utrzymują się na powierzchni metalu siłami adhezji. RozróŜnia się powłoki
nakładane metalowe i niemetalowe. Na powłoki metalowe o duŜej odporności na korozję
uŜywa się niklu, chromu, miedzi, srebra, cyny, cynku, ołowiu, kadmu, aluminium, czasem –
złota. Grubość powłoki ochronnej jest zwykle nieznaczna i wynosi 0,00÷0,025 mm. Powłoka
powinna dobrze przylegać do podłoŜa, nie łuszczyć się i być ścisła. Powłoki ochronne nakłada
się przez zanurzenie, natrysk, platerowanie oraz galwanicznie. Zanurzanie w stopionym
metalu stosuje się zazwyczaj do pokrywania cyną lub cynkiem blach Ŝelaznych oraz cyną
naczyń miedzianych lub mosięŜnych. Metalizacja natryskowa polega na natryskiwaniu
ciekłego metalu pistoletem rozpylającym. Metoda ta znajduje obecnie szerokie zastosowanie
nie tylko do wytwarzania powłok ochronnych, lecz równieŜ do regeneracji zuŜytych części
maszyn lub do pokrywania warstwą metalową przedmiotów niemetalowych.
Platerowanie (nawalcowywanie) polega na walcowaniu na gorąco grubszej blachy
z metalu mniej odpornego na korozje z nałoŜoną na nią cienką blachą metalu ochronnego.
W wyniku platerowania otrzymuje się blachę pokrytą cienką, dobrze przylegająca warstwa
ochronną. Platerowanie moŜna wykonać po obu stronach blachy.
Metody galwaniczne polegają na elektrolitycznym nałoŜeniu warstwy metalu ochronnego
na przedmiot zanurzony w elektrolicie zawierającym w odpowiednim stęŜeniu sole
nakładanego metalu. Metodą tą wykonuje się najczęściej niklowanie, chromowanie,
miedziowanie oraz kadmowanie, cynowanie, cynkowanie i mosiądzowanie.
Warstwy ochronne nakładane galwanicznie maja na celu nie tylko ochronę przed korozją,
lecz równieŜ nadanie przedmiotom estetycznego wyglądu.
Warstwy ochronne są niekiedy nakładane w celu zwiększenia odporności przedmiotów
na ścieranie. Na przykład pokrycie warstwą chromu powoduje utwardzenie naraŜonych
na ścieranie części maszyn, narzędzi i sprawdzianów. W takim przypadku warstwę
chromu nakłada się na powierzchnie przedmiotu uprzednio zahartowanego tzw.
chromowanie techniczne. Powłoki niemetalowe oddzielają metale od agresywnego
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
69
ośrodka. Stosuje się powłoki pochodzenia organicznego; nakładane materiały to farby, oleje,
lakiery szybko schnące i lakiery piecowe, ponadto smoły i asfalty oraz róŜnego rodzaju smary.
Ostatnio do tego celu są stosowane tworzywa sztuczne.
W
przypadku powłok wytwarzanych
połączenie ich z materiałem chronionym ma charakter chemiczny, tzn. na granicy warstw
powstają związki chemiczne lub roztwory. RozróŜnia się powłoki wytwarzane metalowe
i niemetalowe. Powłoki metalowe uzyskuje się w wysokiej temperaturze na zasadzie dyfuzji
metalu ochronnego w głąb metalu chronionego. Przebieg procesu jest podobny do nawęglania
lub azotowania. Najbardziej znane są procesy wprowadzania do stali aluminium, tj.
aluminowania, wprowadzanie cynku oraz nachromowywanie. Powłoki niemetalowe wytwarza
się metodami chemicznymi lub elektrochemicznymi. Najbardziej rozpowszechnione są
metody oksydowania i fosforanowania stali. Oksydowanie (czernienie) polega na wytwarzaniu
na powierzchni stali czarnych tlenków Ŝelaza. Proces ten odbywa się w temperaturze około
130°C w specjalnych kąpielach. Czerni się broń i niektóre przyrządy.
Fosforowanie polega na wytwarzaniu na powierzchni stali warstwy krystalicznych
fosforanów Ŝelaza, powstających w roztworze wodnym w temperaturze 100°C. Warstwa
otrzymanych fosforanów ma budowę porowatą i zabarwienie szare. Wymaga ona nasycenia
olejem lub odpowiednim lakierem – najlepiej piecowym – w celu zaimpregnowania warstwy
ochronnej. Warstwy fosforanowe są bardziej odporne na korozyjne działanie ośrodka niŜ
powłoki oksydowane.
Stopy magnezu zabezpiecza się przed korozją przez zanurzenie ich w roztworze
dwuchromianu sodu i kwasu solnego.
Na stopach aluminium wytwarza się warstwy tlenkowe przez zanurzenie przedmiotów
w roztworze kwasu chromowego. Powstająca na powierzchni szczelna warstwa tlenków
o zabarwieniu jasnoŜółtym dobrze chroni metal przed korozją.
Bardzo dobrą metodą stosowaną w celu wytworzenia powłok ochronnych na aluminium
i jego stopach jest tzw. eloksalacja. tj. anodowe utlenianie. W procesie eloksalacji przedmiot
podlegający utlenianiu stanowi anodę. Elektrolitem jest najczęściej kwas siarkowy.
Temperatura elektrolitu wynosi 10÷20°C, napięcie 8÷30 V, a gęstość prądu 0,5÷3 A/dm
2
.
Grubość wytworzonej galwanicznie warstwy tlenków aluminium zaleŜy od czasu i dochodzi
do 40 mikrometrów.
W zaleŜności od warunków procesu moŜna uzyskać nieporowate lub porowate warstwy
tlenków. Zazwyczaj warstwy porowate podlegają malowaniu lub lakierowaniu
.
4.6.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1.
Co to jest korozja?
2.
Jakie znasz rodzaje korozji?
3.
Jaki materiał najczęściej ulega korozji międzykrystalicznej?
4.
Od czego zaleŜy szczelność warstwy skorodowanej?
5.
W jaki sposób przebiega korozja chemiczna?
6.
W jaki sposób przebiega korozja elektrochemiczna?
7.
Co decyduje, o odporności metalu na korozję elektrochemiczną?
8.
Co znaczy określenie – metal pasywny?
9.
Jakie znasz metody ochrony przed korozją?
10.
Jakie powłoki zaliczamy do powłok ochronnych nakładanych?
11.
Na czym polega platerowanie?
12.
Jakie powłoki zaliczamy do powłok ochronnych wytwarzanych?
13.
Na czym polega oksydowanie?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
70
4.6.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Sprawdź wpływ środowiska na korozję próbek metali.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1)
ćwiczenie podziel na trzy zestawy próbek poddanych obserwacji:
a)
dwie próbki stali niezabezpieczonej przed korozją – jedną próbkę umieść w wodzie
drugą na powietrzu,
b)
jedna próbka stali niezabezpieczonej przed korozją, druga próbka zabezpieczona np.
lakierem – obie próbki umieść w wodzie,
c)
jedna próbka stali nie zabezpieczonej przed korozją, druga próbka aluminium – obie
umieść w wodzie,
2)
po upływie określonego czasu przez nauczyciela oceń stan próbek,
3)
zapisz wnioski z obserwacji.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
próbki stali niezabezpieczonej przed korozją,
−
próbki stali pomalowanej lakierem,
−
próbki aluminium.
Ćwiczenie 2
Dobierz sposób ochrony przed korozją do zabezpieczenia następujących części maszyn
i elementów konstrukcji: blachy stalowe, łoŜyska, cylindry układu hamulcowego,
kształtowniki walcowane, rury stalowe, liny maszyn wyciągowych.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1)
wypisać wymienione części maszyn w punktach od 1 do 6,
2)
wyszukać w poradniku dla ucznia wiadomości na temat ochrony metali przed korozją,
3)
przyporządkować sposoby ochrony do części maszyn i elementów konstrukcyjnych,
4)
sprawdzić poprawność wykonania ćwiczenia.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
poradnik dla ucznia.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
71
4.6.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1)
zdefiniować pojęcia korozji chemicznej i elektrochemicznej?
2)
rozróŜnić korozję równomierną, wŜerową i międzykrystaliczną?
3)
wyjaśnić mechanizm powstawania korozji?
4)
wyjaśnić określenie metal pasywny?
5)
określić zadania powłok ochronnych?
6)
rozróŜnić rodzaje powłok ochronnych?
7)
wyjaśnić pojęcia: platerowanie i oksydowanie?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
72
5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ
INSTRUKCJA DLA UCZNIA
1.
Przeczytaj uwaŜnie instrukcję.
2.
Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.
3.
Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.
4.
Test zawiera 20 zadań dotyczących określania właściwości materiałów konstrukcyjnych.
Wszystkie zadania są zadaniami wielokrotnego wyboru i tylko jedna odpowiedź jest
prawidłowa.
5.
Udzielaj odpowiedzi tylko na załączonej karcie odpowiedzi: zaznacz prawidłową
odpowiedź X (w przypadku pomyłki naleŜy błędną odpowiedź zaznaczyć kółkiem,
a następnie ponownie zakreślić odpowiedź prawidłową).
6.
Test składa się z zadań o róŜnym stopniu trudności: poziom podstawowy, poziom
ponadpodstawowy.
7.
Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania.
8.
Kiedy udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłóŜ jego rozwiązanie
na później i wróć do niego, gdy zostanie Ci czas wolny. Na rozwiązanie testu masz 45
min.
Powodzenia
!
ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH
1.
Jedną najczęściej badanych własności mechanicznych metali jest
a)
twardość.
b)
lejność.
c)
skrawalność.
d)
tłoczność.
2.
W badaniu twardości metali metodą Vickersa wgłębnik ma kształt
a)
kulki.
b)
ostrosłupa .
c)
stoŜka.
d)
czworościanu foremnego.
3.
Jedną z najczęściej badanych własności technologicznych metali jest
a)
wytrzymałość na rozciągania.
b)
plastyczność.
c)
wytrzymałość zmęczeniowa.
d)
hartowność.
4.
Własności plastycznych materiału nie określa próba
a)
zginania.
b)
tłoczności.
c)
udarności.
d)
nawijania drutu.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
73
5.
WyŜarzanie to proces polegający na nagrzaniu stopu
a)
i powolnym chłodzeniu.
b)
i szybkim chłodzeniu.
c)
do stanu ciekłego i chłodzeniu.
d)
do określonej temperatury, wygrzaniu przez określony czas w tej temperaturze
i powolnym chłodzeniu.
6.
Azotowanie ma na celu uzyskanie powierzchni metalu odpornej na
a)
uderzenia.
b)
wysoką temperaturę.
c)
ścieranie.
d)
działanie kwasów.
7.
Nawęglaniu poddawane są
a)
Ŝeliwa.
b)
stale o niskiej zawartości węgla.
c)
stale zahartowane.
d)
mosiądze do przeróbki plastycznej.
8.
W procesie nawęglania nie występuje etap
a)
wyŜarzanie normalizujące.
b)
hartowanie.
c)
wyŜarzanie ujednoradniające.
d)
odpręŜanie.
9.
Zamieszczony poniŜej rysunek przedstawia
a)
wykres rozciągania metali nie wykazujących granicy plastyczności.
b)
wykres pełzania.
c)
krzywa zmęczeniowa materiałów.
d)
wykres rozciągania metali wykazujących granicę plastyczności.
10.
Cechą charakteryzującą smary jest
a)
płynność.
b)
masa.
c)
lejność.
d)
czepność.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
74
11.
Oleje o duŜej lepkości naleŜy stosować gdy
a)
ciśnienie między współpracującymi częściami jest duŜe.
b)
smarowaniu podlegają mechanizmy precyzyjne.
c)
trudno jest uszczelnić smarowane powierzchnie.
d)
urządzenie pracuje pod znacznym obciąŜeniem.
12.
Wilgotność względna drewna jest wyraŜana stosunkiem masy
a)
drewna do objętości wody zawartej w drewnie.
b)
wody zawartej w drewnie do masy drewna wilgotnego.
c)
wody zawartej w drewnie do masy drewna całkowicie suchego.
d)
wody zawartej w drewnie do objętości drewna.
13.
Wytrzymałość elementów metalowych najbardziej osłabia korozja
a)
powierzchniowa.
b)
nierównomierna.
c)
międzykrystaliczna.
d)
równomierna.
14.
Platerowanie to metoda zapobiegania korozji polegająca na
a)
walcowaniu na gorąco grubszej blachy z metalu mniej odpornego na korozję
z nałoŜoną na nią cienką blachą metalu ochronnego.
b)
elektrolitycznym nałoŜeniu warstwy metalu ochronnego.
c)
natryskiwaniu ciekłego metalu na metal chroniony.
d)
zanurzeniu metalu chronionego w roztopionym metalu ochronnym.
15.
Stal oznaczona symbolem S355J0W jest przeznaczona do wykonania elementów
a)
odpornych na niskie temperatury.
b)
kształtowanych na zimno.
c)
odpornych na korozję atmosferyczną.
d)
kształtowania na gorąco.
16.
Mosiądz to stop dwóch podstawowych metali, miedzi z
a)
aluminium.
b)
cynkiem.
c)
niklem.
d)
cyną.
17.
Zawartość węgla w stali wynosi
a)
0–2%.
b)
2–4%.
c)
0,5–1,5%.
d)
0–3%.
18.
Główny proces chemiczny zachodzący w wielkim piecu to
a)
utlenianie zanieczyszczeń przy pomocy tlenu.
b)
redukcja tlenków węgla przez tlenki Ŝelaza.
c)
odsiarczanie Ŝelaza za pomocą manganu.
d)
redukcja tlenków Ŝelaza przez tlenek węgla.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
75
19.
Świerzenie to proces metalurgiczny polegający na
a)
redukcji tlenków metali przy pomocy tlenku węgla.
b)
przedmuchiwaniu ciekłego metalu powietrzem lub tlenem.
c)
chłodzenie ciekłej surówki do stanu stałego.
d)
przedmuchiwaniu ciekłego metalu azotem.
20.
Metodą spiekania proszków wytwarzamy
a)
brązy.
b)
konstantan.
c)
węgliki wolframu.
d)
nowe srebro.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
76
KARTA ODPOWIEDZI
Imię i nazwisko ................................................................................................
Określanie właściwości materiałów konstrukcyjnych
Zakreśl poprawną odpowiedź
Nr
zadania
Odpowiedź
Punkty
1.
a
b
c
d
2.
a
b
c
d
3.
a
b
c
d
4.
a
b
c
d
5.
a
b
c
d
6.
a
b
c
d
7.
a
b
c
d
8.
a
b
c
d
9.
a
b
c
d
10.
a
b
c
d
11.
a
b
c
d
12.
a
b
c
d
13.
a
b
c
d
14.
a
b
c
d
15.
a
b
c
d
16.
a
b
c
d
17.
a
b
c
d
18.
a
b
c
d
19.
a
b
c
d
20.
a
b
c
d
Razem:
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
77
6.
LITERATURA
1.
Okoniewski S.: Technologia maszyn. WSiP, Warszawa 1998
2.
Polska Norma: PN–EN 10027–1. Systemy oznaczeń stali. Część 1: Znaki stali. PKN 2007
3.
Praca zbiorowa: Mały poradnik mechanika. WNT, Warszawa 1994
4.
Zawora J.: Podstawy technologii maszyn. WSiP, Warszawa 1991