1. Klasyfikacja wiórów
ze względu na budowę:
odłupywane lub odrywane, będące wynikiem przekroczenia wytrzymałości rozdzielczej materiału warstwy skrawanej. Powstają podczas obróbki materiałów twardych, a kruchych (żeliwa). Elementy wióra nie są ze sobą powiązane
ścinane, powstają w wyniku przekroczenia wytrzymałości na ścinanie. Wióry takie występują w różnych odmianach w praktycznie stosowanych warunkach obróbki
elementowe (odpryskowe) są to pojedyncze cząstki wióra lub grupy cząstek, słabo ze sobą połączone i rozsypujące się przy zderzeniu
wstęgowe, powierzchnia od strony ostrza jest gładka, zewnętrzna pomarszczona, nierówna
schodkowe, których cechą charakterystyczną jest dobra spójność wióra z wyraźnie zarysowanymi cząstkami wióra
ze względu na kształt
- wstęgowe (proste, faliste, skłębione)
- spiralne (płaskie, stożkowe)
- śrubowe
- łukowe
ze względu stopień ciągłości
ciągłe - powstają bez przerywania jak długo trwa proces skrawania w czasie jednego przejścia ostrza wzg. przedmiotu obrabianego
odcinkowe - powstają przy obróbce przerywanej i ciągłej, jeżeli przerwanie wióra następuje dzięki ukształtowanemu ostrzu, siłom masowym, odpowiedniemu doborowi warunków skrawania
2. Zjawisko narostu
Narost jest to klinowe przedłużenie ostrza, utworzone z materiału obrabianego. Narost częściowo przejmuje pracę ostrza, zmieniając przy tym nieco przebieg tworzenia się wióra, ale co ważniejsze zmienia także wymiary i charakter obrabianej powierzchni. Narost składa się z bardzo silnie odkształconych warstewek materiału obrabianego i ma charakterystyczną włóknistą budowę.
3. Mechanizm działania cieczy chłodząco - smarujących
Działanie chłodzące - polega na odbieraniu ciepła powstającego w procesie skrawania. Własności chłodzące płynu zależą od sposobu chłodzenia (bardzo pożądane jest chłodzenie ostrza, powierzchni obrabianej i wióra, mniej pożądane pobieranie ciepła ze strefy warstwy skrawanej). Efektywność chłodzenia zależy przede wszystkim od przewodności cieplnej płynu, jego lepkości oraz ciepła właściwego i ciepła parowania.
Działanie smarujące - polega na zmniejszeniu tarcia pomiędzy powierzchnią natarcia i wiórem oraz pomiędzy powierzchnią przyłożenia i powierzchnią obrabianą. Skuteczność zależy od tego w jakim stopniu płyn chłodzący zdoła wniknąć pomiędzy te powierzchnie.
Działanie zmywające - polega na usuwaniu produktów ścierania odłamków wiórów i cząstek zużywanego ostrza. Korzystnie wpływa na gładkość obrabianej powierzchni oraz na zmniejszenie zużycia ostrza.
Działanie rozluźniające - polega na tym że adsorbowane drobiny płynu obróbkowego, a w szczególności cieczy zawierających dodatki powierzchniowo aktywne, wnikają w mikro szczeliny powstałe w uszkodzonej warstwie wierzchniej. Wskutek rozklinowującego działania adsorbowanej cieczy warstwa powierzchniowa obrabianego materiału zostaje rozluźniona.
4. Mechanizmy zużycia ostrza skrawającego
Zużycie ścierne - występuje wówczas, gdy zachodzi zjawisko usuwania cząstek materiału ostrza na skutek zaczepiania się mikronierówności powierzchni współpracujących, w wyniku czego występuje mikroskrawanie, bruzdowanie i rysowanie powierzchni ostrza. W procesie ścierania biorą udział twarde cząstki w materiale obrabianym (cementyt, węgliki stopowe, fazy międzymetaliczne, twarde wtrącenia niemetaliczne), które zachowują dużą twardość w temperaturach kontaktowych.
Zużycie wytrzymałościowe - jest wynikiem przekroczenia wytrzymałości doraźnej lub zmęczeniowej i objawia się w postaci; wyszczerbień krawędzi ostrza, wykruszeń obejmujących nieco większe objętości materiału ostrza w strefie styku z materiałem obrabianym, wyłamań sięgających poza strefę pęknięć.
Zużycie adhezyjne - polega na zjawisku bardzo silnego łączenia się (sczepiania) cząstek materiałów współpracujących pod wpływem sił przyciągania międzycząsteczkowego. Nieustanne niszczenie tych połączeń prowadzi do oddzielenia cząstek materiału ostrza i tworzenia ubytków. Zużycie adhezyjne występuje praktycznie w całym zakresie stosowanych prędkości skrawania.
Zużycie dyfuzyjne - zmiany stanu ostrza wywołane dyfuzją atomów z materiału ostrza do materiału obrabianego (i odwrotnie), na skutek bezwładnego ruchu cieplnego atomów. W wyniku dyfuzji ulegają zmianie właściwości warstwy wierzchniej ostrza, co wywiera wpływ na właściwości skrawne ostrza.
Zużycie cieplne - ostrza polega na zmianach własności materiału wywołanych przekroczeniem dopuszczalnych temperatur skrawania. W wyniku działania zbyt wysokich temperatur i dużych nacisków kontaktowych zachodzą nieodwracalne zmiany strukturalne warstw wierzchnich ostrza, pogorszenie własności mechanicznych (twardości, wytrzymałości), oraz zniekształcenie plastyczne ostrza.
Zużycie chemiczne - wywołane jest chemicznym działaniem ośrodka, polegającym na nieustannym tworzeniu i usuwaniu warstewek tlenków i innych związków chemicznych na powierzchni styku ostrza z materiałem obrabianym. Utlenianie występuje szczególnie intensywnie przy podwyższonych temperaturach skrawania, a zatem w tym samym zakresie temperatur co zużycie dyfuzyjne.
6. Chropowatość powierzchni
Chropowatością (gładkością) powierzchni nazywamy zbiór mikro nierówności pozostawionych na powierzchni obrobionej po skrawaniu. Zależy od własności materiału obrabianego, geometrii ostrza, parametrów skrawania (prędkość skrawania, posuwu), warunków chłodzenia, zużycia ostrza, sztywności przedmiotu obrabianego i obrabiarki, drgań narzędzia i przedmiotu obrabianego.
Parametry chropowatości
Parametr Ra jest podstawowym wskaźnikiem chropowatości powierzchni. Jest to średnie arytmetyczne odchylenie profilu od linii średniej Ra odpowiadające średniej bezwzględnych wartości odległości punktów (y1, y2, y3…yn) profilu mierzonego od linii średniej, na długości le odcinka elementarnego.
Wysokość chropowatości Rz odpowiada średniej odległości 5 najwyżej położonych wierzchołków od 5 najniżej położonych punktów (wgłębień) na długości odcinka elementarnego le mierzonych od dowolnej linii równoległej względem linii średniej
7. Wskaźniki skrawalności
- trwałość ostrza lub odpowiadającą mu w tych samych warunkach skrawania okresowa szybkość skrawania,
- opór skrawania,
- gładkość powierzchni obrabianej,
- rodzaj powstających wiórów.
Bezwzględne wskaźniki skrawalności będą miały oprócz wartości również wymiary: trwałość w minutach czasu skrawania, wysokość nierówności powierzchni w mikrometrach, opór skrawania w N.
Względne wskaźniki skrawalności powstają przez określenie stosunku wskaźników bezwzględnych badanych materiałów do wskaźników bezwzględnych skrawalności jednego umownie przyjętego materiału wzorcowego.
8. Wpływ składu chemicznego na skrawalność stali
Węgiel ma dwojakie działanie : gdy %C wzrasta polepszają się własności wytrzymałościowe, co powoduje pogorszenie trwałości ostrza i skrawania, z drugiej strony wzrasta również kruchość i niweluje wpływ miękkiego i ciągliwego ferrytu, co powoduje polepszenie takich wskaźników jak gładkość powierzchni i nawet trwałość ostrza. Dalsze zwiększenie %C powoduje pogorszenie skrawalności ze względu na wzrost ilości perlitu (twardość stali wzrasta). Najlepszą skrawalność posiadają stale zawierające około 0,2 %C.
Mangan zwiększając %Mn zwiększamy własności wytrzymałościowe i kruchość stali. W stalach automatowych określa podstawowe reakcje metalurgiczne. Mn wiąże w stali siarkę do siarczku manganu i uniemożliwia powstawanie siarczku żelaza, powodującego kruchość na gorąco. Optymalna zawartość Mn w stali winna wynosić 0,7-1,2
Siarka polepsza skrawalność zmniejszając plastyczność, poprawia gładkość powierzchni. W stalach automatowych jest całkowicie związana z manganem i występuje w postaci wtrąceń niemetalicznych. Siarczki manganu zmniejszają wytrzymałość w strefie płynięcia i obniżają temperaturę skrawania, zwiększają łamliwość wióra, ograniczają tworzenie się narostu.
Krzem do 1% może wpływać dodatnio na skrawalność polepszając plastyczność, jest pierwiastkiem zdecydowanie niekorzystnym, bowiem tworzy w stali twarde wtrącenia krzemianowe, które znacznie obniżają trwałość ostrza.
Aluminium niekorzystnie wpływa ze względu na tlenki aluminium lub złożone krzemiany z tlenkami aluminium, które z uwagi na dużą twardość przyspieszają zużycie narzędzi
Fosfor i azot w połączeniu z obróbką na zimno zwiększają kruchość ferrytu, przy czym azot działa tu silniej. Fosfor zmniejsza nieznacznie trwałość narzędzia, poprawiając jednak jakość powierzchni obrabianego elementu. Ponieważ fosfor znacznie utwardza stal i zwiększa jej kruchość na zimno, ilość jego ogranicza się do zawartości 0,050-0,070 %. Zwiększona zawartość azotu powoduje wzrost trwałości narzędzi oraz polepsza jakość obrabianej powierzchni.
Ołów polepsza skrawalność poprzez przerwanie ciągłości ferrytu (równomierne rozmieszczenie w ferrycie) równocześnie tworzy czynnik smarujący, w stalach automatowych występuje w postaci miękkich końców na wtrąceniach siarczków manganu. W temperaturach skrawania ulegają one wydłużeniu przy względnie regularnym rdzeniu siarczkowym, co ułatwia proces tworzenia wióra i jego fragmentację w płaszczyznach ścinania. Wióry skręcają się ściślej i łatwiej łamią, zbliżając się do idealnej postaci wiórów.
Bizmut Jego działanie jest podobnie jak ołowiu i telluru, również obniża opory skrawania, przez co zwiększa trwałość ostrza. Poprawia jakość powierzchni.
Wapń poprawia zdecydowanie skrawalność stali. Oddziałuje na wtrącenia tlenku aluminium lub krzemiany, obniża ich twardość. W czasie skrawania z dużymi prędkościami wtrącenia modyfikowane. wapniem stopniowo miękną tworząc warstewkę opóźniającą ścieranie oraz współuczestniczą w procesie tworzenia wióra jako zarodki nieciągłości.
Tytan, niob, wanad tworzą w stalach drobnodyspersyjne węgliki lub węgliko - azotki znacznie podwyższające wytrzymałość stali a tym samym pogarszające skrawalność.
W, Mo, Ni, Cr, Co, wywołują znaczny wzrost własności mechanicznych materiału (wytrzymałości, twardości), wyraźnie i silnie pogarszają skrawalność.
9. Wpływ składników strukt. na skrawalność stali
Ferryt składnik bardzo miękki (HB = 70-90), dobrze skrawalnym z uwagi na okresową prędkość skrawania i źle skrawalnym ze względu na gładkość powierzchni, (tworzenie na ostrzu narostów silnie zwiększających chropowatość powierzchni).
Cementyt składnik twardy, (HB = 800), kruchy wpływa niekorzystnie na skrawalność. Wyjątek stale niskowęglowe do około 0,25%C w których niewielka ilość cementytu w postaci perlitu polepsza skrawalność utrudniając zgrzewanie wióra z narzędziem i zwiększając gładkość powierzchni.
Perlit drobnopłytkowy ma większą twardość, co decyduje o jego gorszej skrawalności, grubopłytkowy sprzyja powstawaniu mikrowykruszeń krawędzi skrawającej przez co w ocenie skrawalności według chropowatości powierzchni stal posiadająca strukturę drobnego perlitu ma lepszą skrawalność.
Martenzyt w stalach średnio i wysokowęglowych ma bardzo wysoką twardość (HB = 650- 700) i nie jest praktycznie skrawalny. Przy mniejszych zawartościach węgla i niższych twardościach jest skrawalny przy użyciu narzędzi z ceramiki tlenkowo - węglikowej i azotkowej.
Bainit źle skrawalny ze względu na wysoką twardość (HB = 330-400).
Sorbit - twardość HB = 240-620. Skrawalność stali o tych strukturach zależnie od twardości, zmienia się w szerokim przedziale.
Austenit zła skrawalność ze względu na niską przewodność cieplną i dużą podatność na umocnienie. W wyniku umocnienia wywołanego odkształceniami plastycznymi twardość austenitu wzrasta ponad dwukrotnie. Np. stale Hadfielda po przesycaniu mają twardość około 250 HB natomiast w miejscu styku narzędzia z obrabianą powierzchnią warstwa osiąga twardość 550-650 HB.
10. Stale o dobrej i podwyższonej skrawalności
Stale automatowe - są to stale nieuspokojone o wysokiej zawartości S (0,1 - 0,3%), podwyższonej zawartości Mn i bardzo niskiej zawartości Si. Wymaga się od nich dobrej skrawalności bez gwarantowania dobrych własności mechanicznych. Stale te są stosowane na części mniej odpowiedzialne, produkowane masowo i na ogół nie poddawane obróbce cieplnej.
Stale konstrukcyjne o podwyższonej skrawalności - do tej grupy zalicza się stale konstrukcyjne oraz stale do nawęglania lub do ulepszania cieplnego. Przeznaczone są do produkcji odpowiedzialnych części maszyn, od których wymaga się odpowiednich własności wytrzymałościowych.
Pod względem zawartości siarki stale o podwyższonej skrawalności można podzielić na:
- stale o kontrolowanej zawartości S 0,02 - 0,035%
2)stale o zawartości S 0,05%w postaci globularnej i posiadają dobre własności eksploatacyjne.
Stale o podwyższonej skrawalności można wytwarzać ze stali specjalnych oraz ze stali o strukturze ferrytycznej lub ferrytyczno - martenzytycznej.
11. Skrawalność żeliw i metali nieżelaznych
Żeliwa - pod względem skrawalności stanowią bardzo zróżnicowaną grupę uzależnioną od składu chemicznego i struktury np.: żeliwa białe są trudno skrawalne, podczas gdy ferrytyczne żeliwa szare są uważane za dobrze skrawalne. Wzrost twardości osnowy związany ze zwiększeniem zawartości perlitu i jego rozdrobnieniem, oraz wprowadzenie twardego cementytu powoduje wzrost intensywności zużycia ostrza. Żeliwa wysokostopowe i żeliwa utwardzone z bardzo drobnym grafitem oraz dużą zawartością cementytu są materiałami trudno skrawalnymi.
Stopy aluminium - dzieli się według skrawalności na:
-stopy o zawartości Si<10% obrobione cieplnie
-stopy o zawartości Si<10% nie obrobione cieplnie
-stopy o zawartości powyżej 10% Si
Gorszą skrawalność mają stopy o małej zawartości Si, wynika to z dużej skłonności do tworzenia sczepień adhezyjnych i rozmazywania się, oraz stopy odlewnicze o dużej zawartości Si.
Miedź - ze względu na dużą plastyczność i podatność do umacniania jest trudna do skrawania. Szczególny problem stanowi trudny do odprowadzania i łamania wiór. Poprawę skrawalności czystej miedzi można osiągnąć przez dodatek Si (0,3%). Stopy miedzi mają lepszą skrawalność.
Tytan -źle skrawalny, przyczyną tego jest bardzo mała przewodność cieplna. Trudności w skrawaniu stopów Ti są następstwem dużego powinowadztwa do tlenu, małego modułu sprężystości skłonności do adhezji ze stalą szybkotnącą i węglikami spiekanymi.
12. Wymagania dla mat. na narzędzia skrawające
duża twardość, odporność na niekorzystne działanie temperatury powodującej obniżenie się twardości i wytrzymałości ostrza, odporność na szybko zmieniającą się temp., odporność na ścieranie, dobra sprężystość, odporność na chemiczne działanie otoczenia, wytrzymałość na obciążenia mech., dobra przewodność i duże ciepło właściwe, współczynnik rozszerzalności cieplnej jak najbardziej zbliżony do współcz. rozszerz. ciepl. materiału części chwytowej, podatność na obróbkę cieplną, mała podatność na zmiany wymiarów i kształtu, mała wrażliwość na odpuszczanie powierzchniowe, tworzenie się dodatkowych naprężeń i siatki pęknięć
Wymagania stawiane materiałom stosowanym na części chwytowe to: wytrzymałość, duży współczynnik tłumienia drgań, współczynnik przewodności cieplnej i ciepło właściwe.
Podstawowymi materiałami stosowanymi na ostrza narzędzi są: stale narzędziowe węglowe i stopowe, stale szybkotnące, węgliki spiekane metali trudnotopliwych, węgliki spiekane powlekane twardymi warstwami wierzchnimi, spiekane materiały ceramiczne i ceramiczno - węglikowe, super twarde materiały narzędziowe diament.
13. Materiały na narzędzia do obróbki wiórowej i ich znakowanie
Podstawowymi materiałami na ostrza narzędzi są: stale narzędziowe węglowe oraz stopowe, stale szybkotnące, węgliki spiekane metali trudnotopliwych, węgliki spiekane powlekane twardymi warstwami wierzchnimi, spiekane mater. ceramiczne i ceramiczno - węglikowe, super twarde mater. narzędziowe
Stale narzędziowe węglowe
Zalety tych stali to: duża wytrzymałość na rozciąganie, skręcanie i zginanie, dobra podatność na szlifowanie. Wady to: w temp. skrawania powyżej 200°C szybko tracą twardość. Nie można z nich wykonywać narzędzi o zbyt małych średnicach, zbyt dużych wymiarach i złożonym kształcie. Zastosowanie: do wyrobu narzędzi przeznaczonych do obróbki ręcznej (pilniki, brzeszczoty, gwintowniki, rozwiertaki) oraz do obróbki materiałów o dobrej skrawalności z małymi prędkościami skrawania.
Stale narzędziowe stopowe
Cechuje je zwiększona plastyczność i odporność na obciążenia dynamiczne, natomiast wysoko węglowe większa odporność na skrawanie. Dodatnią cechą tych stali jest duża odporność na zmiany kształtu i wymiarów po hartowaniu oraz duża odporność na ścieranie. Zastosowanie: do wyrobu narzędzi do obróbki ręcznej i materiałów łatwo skrawalnych (gwintowniki, frezy, narzynki, rozwiertaki, piły tarczowe, piły ręczne i mech., wiertła).
Stale szybkotnące
Podstawowymi własnościami tych stali są: zdolność zachowania twardości i odporności na ścieranie przy temp. 570-630°C. Mają dużą wytrzymałość na rozciąganie, zginanie, ściskanie, dobrą przewodność cieplną. Zastosowanie: noże tokarskie i strugarskie, frezy, wiertła, narzędzia do obróbki gwintów, kół zębatych, przecinaki tokarskie.
14. Sposoby podwyższenia trwałości narzędzi skrawających
Obróbka cieplno- chem. narzędzi ze stali szybkotnących (zwiększa odporność na ścieranie i działanie wysokiej temp.) Obróbce tej są poddawane wieloostrzowe narzędzia skrawające ze stali szybkotnących. Narzędzia takie pracują w trudnych warunkach zmiennych obciążeń, dużego tarcia i działania wysokiej temp. Narzędzia skrawające ze stali szybkotnących poddawane są zwykle niskotemperaturowym procesom obróbki cieplno- chem. takim jak: azotowanie gazowe, jonowe, utlenianie w parze wodnej, tlenoazotowanie, węgloazotowanie niskotemperaturowe, siarkoazotowanie, siarkowęgloazotowanie. Obróbka ciepl.-chem. powodująca utwardzenie nadaje narzędziom skrawanym odporność na zatarcie. Największą odporność wykazują warstwy wierzchnie otrzymane w wyniku tlenoazotowania, siarkowęgloazotowania z następnym utlenianiem w parze wodnej lub w wyniku azotowania selektywnego.
Powierzchniowa obróbka cieplna narzędzi wiązką laserową i elektronową
Obróbce poddaje się powierzchnie natarcia narzędzia. Przy poprawnie dobranych parametrach obróbki i właściwym przygotowaniu materiału uzyskuje się bardzo dużą twardość, odporność na ścieranie i zmęczenie. W warstwie wierzchniej powstają naprężenia ściskające- korzystnie wpływają na własności eksploatacyjne narzędzia. Na powierzchni natarcia powstają nierówności, w które wnika ciecz chłodząco-smarująca przez co zwiększa się efektywność chłodzenia, zmniejsza się współcz. tarcia, zmniejsza się powierzchnia styku wiór- materiał ostrza co zapobiega przegrzewaniu powierzchni natarcia, zużyciu cieplnemu i tworzeniu narostu
Twarde pokrycia na narzędziach skrawających
Metody CVD - cechą charakt. tzw. chemicznego osadzania z fazy gazowej jest redukcja chem. składników atmosfery gazowej, prowadzącej do utworzenia fazy stałej na powierzchni obrabianego materiału.
Metody PVD - temperatury procesów w tej metodzie są niższe od temp. odpuszczania stali szybkotnących. Otrzymane warstwy mają grubość ok. 10mm i twardość ok.2000HV. Wysoka twardość warstw, niski współczynnik tarcia oraz działanie przeciwadhezyjne przyczyniają się do wzrostu wydajności i trwałości narzędzi ze stali szybkotnących.
15. Twarde pokrycia na narzędziach skrawających i sposoby nakładania
JEST WYŻEJ CVD i PVD
16. Spiekane materiały narzędziowe
Stale i cermetale zawierające węgliki metali przejściowych oraz cermetale zawierające azotki lub mieszaniny azotków i węglików metali przejściowych, spiekane stale szybkotnące, węglikostale spiekane, węgliki spiekane (klasyczne i pokrywane), spiekane mieszaniny węglików i azotków oraz azotki spiekane.
Materiały ceramiczne zawierające tlenek aluminium lub azotek krzemu, ewentualnie z dodatkiem tlenków, azotków, krzemków lub borków innych pierwiastków, tlenkowe materiały ceramiczne (zawierające czysty tlenek aluminium, zawierające tlenek aluminium i tlenki innych metali lub węglik krzemu), materiały ceramiczne zawierające azotek krzemu (czysty spiekany azotek krzemu, zawierające azotek krzemu i tlenki, sialony).
Materiały mieszane ceramiczno-węglikowe zawierające materiały tlenkowo węglikowe lub materiały zawierające azotek krzemu i węgliki.
Supertwarde materiały spiekane w tym polikrystaliczny diament syntetyczny i azotek boru. W zależności od składu fazowego oraz udziału cząstek twardych faz w spiekanych materiałach narzędziowych a także od obecności i składu chemicznego materiału wiążącego oraz możliwości poddania go obróbce cieplnej, różne są własności i zastosowanie gotowych wyrobów z tych materiałów.
17. Super twarde materiały narzędziowe i sposoby otrzymywania
Diament naturalny (D) to odmiana węgla o budowie regularnej, powstała w wyniku procesów naturalnych. Posiada najwyższą twardość ze wszystkich znanych materiałów (15 w rozszerzonej skali Mohsa). Diamenty techniczne zawierają niewielkie ilości zanieczyszczeń tlenkami różnych metali, wtrąceniami grafitu lub pęcherzami. Diament ma dobrą przewodność cieplną (6-krotnie większą niż Cu) i niski współczynnik rozszerzalności cieplnej. Diamenty techniczne w postaci większych ziaren stosuje się do produkcji obciągaczy do ściernic i ostrzy narzędzi, drobne ziarna — w postaci proszków - do docierania bardzo twardych materiałów oraz do wyrobu ściernic.
Diament syntetyczny (DS) to minerał syntetyczny otrzymywany w wyniku przemiany grafitu, sadzy lub węgla z trzciny cukrowej w warunkach bardzo wysokiego ciśnienia i temperatury. Twardość diamentów syntetycznych jest zbliżona do twardości diamentów naturalnych. Zawierają one około 99,7%C i 0,3% zanieczyszczeń. Stosowany jest do produkcji ściernic, past i zawiesin służących do obróbki materiałów trudno obrabialnych, wyrobu kompozytów diamentowo-metalowych (tarcze do cięcia) oraz spiekanych wkładek diamentowych na węglikach do obróbki wiórowej.
Borazon (B) - regularny azotek boru otrzymany z azotku boru o sieci heksagonalnej przy bardzo wysokich ciśnieniach i temperaturze około 1650°C. Ma mniejszą twardość niż diament (ok. 14 w rozszerzonej skali Mohsa), natomiast dwukrotnie większą odporność na działanie wysokich temperatur. Stosowany jest do wytwarzania narzędzi i past ściernych przeznaczonych do obróbki stali szybkotnących, a w szczególności stali zawierających podwyższoną zawartość V i Co, do wyrobu spiekanych wkładek na węglikach spiekanych, kształtek do obróbki wiórowej bardzo twardych materiałów lub do produkcji kompozytów metalowo-borazonowych na tarczach do cięcia. Obróbka materiałów trudno obrabialnych narzędziami wykonanymi z borazonu, jest bardziej wydajna i tańsza niż narzędziami diamentowymi.
18. Obróbka udarowo-ścierna
Obróbka luźnym ścierniwem, w którym pracę skrawania, kruszenia i ścierania wykonują ziarna ścierne naciskane lub uderzane okresowo przez narzędzie o kształcie, który ma być odwzorowany w materiale obrabianym. Wydajność tej obróbki zależy od częstotliwości uderzeń narzędzia w warstwę ziaren ściernych, które znajdują się między nim a materiałem obrabianym.
19. Materiały na narzędzia ścierne
Naturalne materiały ścierne.
Diament naturalny(D) - odmiana węgla o budowie regularnej, powstała w wyniku procesów naturalnych. Posiada najwyższą twardość ze wszystkich znanych materiałów. Ma dobrą przewodność cieplną, niski współczynnik rozszerzalności cieplnej. Diamenty techniczne w postaci większych ziaren stosuje się do produkcji obciągaczy do ściernic i ostrzy narzędzi, drobne ziarna-w postaci proszków- do docierania b. twardych materiałów oraz do wyrobu ściernic.
Korund(AN)- odznacza się wysoką twardością. Głównym składnikiem korundu jest tlenek glinowy. Korund stosowany jest do produkcji ściernic przeznaczonych do szlifowania łożysk tocznych lub szkła optycznego, wykonuje się również płótna i papiery ścierne oraz pasty ścierne.
Kwarc(K)- występuje w postaci piasku kwarcowego, piaskowca, kwarcu oraz kwarcu żyłowego. Używany jest jako ściernice kwarcowe i osełki do obróbki ręcznej, niekiedy też papiery i płótna ścierne.
Krzemień(KM) - jest skałą osadową składającą się z różnych rodzajów krzemionki. Stosowany jest do produkcji papierów i płócien ściernych.
Szmergiel(N) - jest skałą metamorficzna o strukturze drobnokrystalicznej. Stosowany do niektórych sposobów obróbki luźnym ścierniwem.
Sztuczne materiały ścierne
Diament syntetyczny(DS) - otrzymujemy w wyniku przemiany grafitu, sadzy lub węgla z trzciny cukrowej w warunkach bardzo wysokiego ciśnienia i temperatury. Stosowany do produkcji ściernic past i zawiesin służących do obróbki materiałów trudno obrabialnych, do wyrobu kompozytów diamentowo-metalowych.
Borazon(B)-regularny azotek boru otrzymywany z azotku boru o sieci heksagonalnej przy bardzo wysokich temp. i ciśnieniu. Stosowany do wytwarzania narzędzi i past ściernych przeznaczonych do obróbki stali szybkotnących, do wyrobu spiekanych wkładek na węglikach spiekanych, kształtek do obróbki wiórowej bardzo twardych materiałów.
Elektrokorund(A)- syntetyczny tlenek glinowy. Rozróżnia się: elektrokorund szlachetny, zwykły, półszlachetny, monokorund, elektrokorund spiekany, niskosodowy oraz stopowy.
Węglik krzemu(C) minerał syntetyczny otrzymany w wyniku syntezy węgla i krzemu przebiegającej w piecach elektrycznych .Używa się do docierania i polerowania, ścierniwo węglika krzemu stosuje się do wytwarzania różnych narzędzi ściernych do obróbki twardych materiałów.
Węglik boru(BC)-jest materiałem syntetycznym otrzymany na drodze elektrotermicznej z mieszaniny bezwodnika kwasu borowego i węgla. Stosowany do docierania bardzo twardych materiałów.
20. Rodzaje i sposoby otrzymywania narzędzi ściernych
Grupa pierwsza - narzędzia ścierne spójne: ściernice w postaci brył obrotowych; segmenty ścierne pracujące w komplecie zamocowanych w korpusie narzędzia przeznaczone do czołowego szlifowania płaszczyzn, osełki ścierne do maszynowej lub ręcznej obróbki wykańczającej. Charakteryzuje je: rodzaj materiału ściernego, wielkość ziarna, rodzaj materiału wiążącego, struktura, twardość, porowatość, kształt i wymiary.
Grupa druga - narzędzia ścierne nasypowe: są złożone z elastycznego podłoża (papieru, tkaniny) oraz związanej z nim za pomocą kleju warstwy materiału ściernego. Narzędzia tej grupy wykonywane są z arkuszy, taśm, krążków itp. Charakteryzuje je: rodzaj materiału ściernego, wielkość ziarna, rodzaj podłoża i kleju.
Grupa trzecia - pasty ścierne i polerskie w postaci zawiesiny ścierniwa w ośrodku o konsystencji ciekłej, półciekłej lub stałej. Charakteryzuje je: rodzaj ścierniwa, wielkość ziarna oraz skład ośrodka wiążącego.
21. Mechanizm zużycia narzędzi ściernych
Ścierne zużycie ostrza - spowodowane procesem tarcia i ścierania; ubytki masy w tym procesie następuje w objętościach niedostrzegalnych nieuzbrojonym okiem.
Zużycie wytrzymałościowe - polega na przekroczeniu miejscowej wytrzymałości doraźnej lub zmęczeniowej, objawiającej się wykruszeniem lub łupaniem się ziaren. W praktyce obydwa te mechanizmy występują równolegle, przy czym w zależności od warunków obróbki jeden z nich może być dominujący. Wraz z postępującym zużyciem ziaren ściernych następuje zmiana ich zdolności skrawalnych.
22. Obróbka elektroerozyjna
Polega na usuwaniu warstwy materiału obrabianego w wyniku działania serii wyładowań w szczelinie pomiędzy elektrodą roboczą (erodą) a przedmiotem obrabianym. Wyładowania są inicjowane przez napięcie rzędu kilkudziesięciu wolt i zawsze zachodzą w cieczy dielektrycznej. Do tej obróbki należą: obróbka elektroiskrowa i obróbka elektroimpulsowa. Zaletami tej obróbki są: możliwość wykonania jej już w materiale zahartowanym i możliwość uzyskania korzystniejszej struktury warstwy wierzchniej pod względem własności mechanicznych w porównaniu z metodami tradycyjnymi za pomocą szlifowania.
23. Platerowanie elektroiskrowe
Charakteryzuje się tym że czasy wyładowań w stosunku do całego cyklu są bardzo krótkie. Dla krótkich czasów wyładowań dominująca jest erozja anody, dlatego część obrabiana powinna być podłączona do anody, eroda zaś do bieguna roboczego. W obróbce tej część obrabiana będzie anodą, a elektroda czyli narzędzie - katodą. Podczas przebiegu tej obróbki następuje stopniowy ubytek materiału elektrody, powoduje to zwiększenie szczeliny i dlatego w celu kontynuacji procesu erozji niezbędne jest zbliżenie elektrody roboczej do powierzchni obrabianej części.
24. Obróbka elektrochemiczna
Jest to proces kształtowania materiałów, na skutek ubywania ich drogą odpowiedniej reakcji chemicznej w warunkach elektrolizy. Opiera się na zasadach reakcji chemicznych oraz na galwanotechnice. Jej celem jest usuwanie warstw wierzchnich anody, czyli trawienie jonowe. Podczas przepływu prądu w obwodzie elektrolitycznym na powierzchni obrabianej (anodzie) zachodzi proces utleniania anodowego nazywany również rozpuszczaniem anodowym. W czasie elektrolizy aniony roztworu kierują się do anody, gdzie ulegając zobojętnieniu wstępują w reakcje z metalem, w wyniku której powstają związki chemiczne tworzące cienką warstwę na powierzchni przedmiotu obrabianego. W zależności od warunków procesu warstewka ta może być łatwo i trudno rozpuszczalna.
25. Obróbka chemiczno-ścierna
W obróbce tej produkty utleniania anody są usuwane mechanicznie za pomocą narzędzia ściernego (tarczy) o spoiwie metalowym lub elektrycznie obojętnym, lub za pomocą dodatkowych narzędzi z twardych gatunków gumy, tworzyw sztucznych. Rozróżniamy: szlifowanie elektrochem. (eroda jest ściernicą), docieranie elektrochem. (eroda jest katodą a ścierniwo jest w postaci zawiesiny w elektrolicie)
26. Obróbka anodowo-mechaniczna
Obejmuje sposoby obróbki w których następuje łączne działanie procesów chemicznych, mechanicznych - ściernych oraz wyładowań iskrowych. Obróbka anodowo - mechaniczna odbywa się na skutek erozji chemicznej i elektrycznej oraz częściowo na skutek pracy tarcia.
27. Obróbka plazmowa
Wykorzystuje się wpływ energii cieplnej skoncentrowanego strumienia plazmy na niewielką powierzchnię przedmiotu w celu jego nagrzania do temp. topienia, stopienia i wydmuchania metalu ze szczeliny cięcia. Charakteryzuje ją bardzo wysoka temperatura strumienia plazmy; przede wszystkim stosuje się ją do cięcia materiałów.
28. Obróbka elektronowa
Polega na odparowaniu materiału obrabianego za pomocą strumienia elektronów emitowanych przez odpowiednio podgrzaną elektrodę - katodę w warunkach próżni. Obr. elektronowa jest sposobem mikroobróbki polegającym na technologicznym wykorzystaniu termicznych oddziaływań strumienia elektronów. Podczas termicznej obróbki elektronowej w miejscu działania wiązki elektronowej zostaje w wyniku topienia i wyparowania usunięty materiał albo osiągnięta, termicznie uwarunkowana, strukturalna lub chemiczna zmiana materiału. Zastosowanie - precyzyjna obróbka bardzo trudno obrabianych materiałów, drążenie i elektronowe frezowanie wycięć i profili.
29. Obróbka laserowa
Obróbka laserowa umożliwia wykonanie wielu precyzyjnych operacji technologicznych na różnych materiałach (ceramika, tworzywa sztuczne, drewno, diamenty). Charakteryzuje się bezkontaktowością, selektywnością i automatyzacją. Bezkontaktowość gwarantuje dużą czystość miejsca obróbki, umożliwia zdalne operowanie wiązką laserową w warunkach próżni, atmosfery gazowej i pod wodą. Dobierając odpowiednią wartość gęstości mocy promieniowania i czasu trwania impulsów laserowych realizujemy wiele różnych procesów technologicznych: -obr. cieplną, -zmiękczanie materiałów, -topienie (spawanie, lutowanie), -grawerowanie, -drążenie, -utwardzanie falami uderzeniowymi.
30. Zastosowanie obróbki laserowej
Za pomocą promieniowania laserowego możliwe jest cięcie materiałów takich jak: -tkaniny, -azbest, -ceramika, -guma, -metale, -szkła, oraz materiałów twardych jak korund i diament. Obr. las. umożliwia wycinanie w sposób bezdotykowy z dużą prędkością skomplikowanych kształtów o krawędziach dobrej jakości przy niewielkiej strefie oddziaływania cieplnego. Za pomocą lasera dzieli się nieobrobione diamenty i podłoża ceramiczne, tnie blachy, odcina nadlewy na odlewach, kroi tkaniny. Główne przemysłowe zastosowanie techniki laserowego drążenia otworów to wykonywanie diamentowych ciągadeł do produkcji cienkich drutów, rubinowych lub szafirowych łożysk, wykonywanie mikrootworów w trudnoobrabialnych stopach i spiekach.
31. Warunki cięcia tlenowego
Cięcie tlenem metali jest możliwe gdy: metal spala się w tlenie, temperatura zapłonu metalu w tlenie jest niższa od jego temperatury topnienia, temperatura topnienia tlenków powstających w czasie cięcia, jest niższa od temperatury topnienia przecinającego metalu, aby umożliwić ich usuwanie strumieniem tlenu, sumaryczna ilość ciepła wytworzona w procesie cięcia w płomieniu oraz ze spalania materiału w szczelinie utrzymuje temperaturę metalu w płaszczyźnie cięcia, powyżej temperatury zapłonu tego metalu w tlenie.
32. Metody cięcia żeliwa i stali stopowych
1. Zwykłym palnikiem z wprowadzeniem drutu stalowego do płomienia lub przez nałożenie na przedmiot żeliwny paska z blachy stalowej niskowęglowej;
2. Specjalnym palnikiem, w którym tlen do cięcia jest podgrzany;
3. Z podawaniem proszku metalicznego;
4. Z podawaniem topnika;
5. Przy użyciu lancy tlenowej;
Szczególną techniką cięcia tlenem jest cięcie lancą tlenową, rurka ze stali niskowęglowej o średnicy około 16 mm i długości 3 m wypełniona jest cienkimi drutami ze stali niskowęglowych. Przed rozpoczęciem cięcia końcówka palnika jest podgrzewana do temp 1200°C i następnie przez rurkę przepuszczany jest tlen który powoduje zapalenie się końcówki i rurka spala się samoistnie a wysoka temperatura końcówki lancy podtrzymywana jest reakcją egzotermiczną. Doprowadzenie jej do materiału powoduje jego stapianie ciepłem płomienia tlenowego. Przy cięciu żeliwa konieczne jest wprowadzenie do strefy płomienia drutu z nisko węglowej stali, drut stalowy topiąc się pod wpływem ciepła płomienia, spływa kroplami do szczeliny cięcia i miesza się z żeliwem, w ten sposób obniża się zawartość węgla w roztopionym metalu szczeliny.
33. Cięcie łukowe
Cięcie łukowe jest, procesem w którym ciepło łuku jarzącego się między elektrodą a ciętym metalem, stapia i wypala metal w szczelinie cięcia. Elektroda może być topliwa lub nietopliwa. Stopiony ciekły łuk o temperaturze 5000-6000°C, metal oraz żużel w reakcji spalania wyrzucane są ze szczeliny ciśnieniem łuku lub ciśnieniem gazu dodatkowo doprowadzonego do obszaru cięcia. Podstawowe procesy cięcia łukowego to: cięcie łukowo-powierzchniowe elektrodą grafitową, cięcie łukowo-tlenowe, cięcie elektrodą otuloną.
34. Cięcie strumieniem wody
Jest procesem cięcia na zimno konkurującym z termicznymi metodami cięcia. Jego zaletą jest brak jakiegokolwiek odkształcenia, wysoka jakość ciętych powierzchni oraz brak zwęglenia w przypadku materiałów palnych. Proces ten polega na zastosowaniu silnie sprężonego strumienia wody o dużej prędkości ponad 3-krotnie przekraczającej prędkość dźwięku. Podczas cięcia jest wykorzystywane zjawisko erozji i ścinania. Jako ścierniwa używa się proszku ściernego z granatu, oliwinu lub krzemionki.
35. Klasyfikacja procesów spajania
Spawanie: (gazowe, elektryczne, termitowe, laserowe)
Zgrzewanie: (indukcyjne, oporowe, łukiem wirującym, termitowe, tarciowe, zgniotowe, wybuchowe, ultra dźwiękowe, dyfuzyjne)
Lutowanie: (miękkie, twarde), Klejenie
36. Spawanie łukiem krytym
Elektrodą jest goły drut w postaci kręgu nawiniętego w kasecie lub na bębnie, skąd mechanicznie jest on wyciągany i podawany w kierunku spawanego materiału. Łuk elektryczny jarzy się między końcem elektrody a spawanym materiałem jest niewidoczny i zakryty warstwą sypkiego topnika, dostarczanego ze zbiornika zamontowanego na urządzeniu spawającym. Spawanie to zalicza się do automatycznych metod spawania, gdy zautomatyzowane jest tylko podawanie drutu, a przesuw głowicy spawalniczej ręcznie to mamy do czynienie ze spawaniem półautomatycznym. Spoina powstaje ze stopionego drutu elektrodowego i głęboko nadtopionego materiału rodzimego, nadmiar topnika zbierany jest do zbiornika. Odmianą tej metody jest spawanie wieloelektrodowe gdzie 2 lub 3 druty elektrodowe są stapiane każdy swoim łukiem we wspólnym jeziorku lub oddzielnych.
37. Spawanie łukowe elektrodą topliwą w osłonie gazów ochronnych
Spawanie to w osłonach gazowych (GMA, MIG/MAG) jest obecnie najpowszechniej stosowanym procesem wytwarzania konstrukcji spawanych. Elektrodą jest drut pełny lub drut proszkowy nawinięty na szpulę, z której elektroda jest odwijana mechanicznie i podawana do uchwytu elektrodowego, w którym jest zasilana energią elektryczną. Jarzący się łuk stapia wysuwaną elektrodę oraz nadtapia brzegi spawanego przedmiotu, przy czym jeziorko spawalnicze jest osłonięte strumieniem gazu ochronnego aż do momentu jego zakrzepnięcia. Jako gaz osłaniający stosuje się argon, hel, dwutlenek węgla oraz mieszaniny tych gazów z domieszką tlenu. Przy spawaniu w osłonie gazów w przestrzeni łuku nie występują substancje łatwo jonizujące się, a zatem łuk jarzy się mniej spokojnie a nierównomierny przepływ kropli metalu powoduje ich znaczny rozprysk.
38. Spawanie lukiem nieosłoniętym
Spawanie ciągłe elektrodą metalową bez zewnętrznej osłony metalurgicznej, a więc w warunkach bezpośredniego kontaktu płynnego metalu jeziorka spawalniczego z powietrzem, jest możliwe w warunkach gdy: sama elektroda wytwarza osłonę metalurgiczną gazową lub żużlową (stosowany musi być drut proszkowy zawierający w metalowej powłoce oprócz proszku metalowego również składniki wytwarzające osłonę metalurgiczną); metal stopiwa zawiera energicznie działające odtleniacze i dodatki wiążące azot i nieszkodliwe azotki (stosowany może być drut proszkowy i pełny).
39. Spawanie łukiem wirującym
Źródłem ciepła stapiającym brzegi łączonego metalu jest łuk elektryczny jarzący się między miedzianą elektrodą nietopliwą (chłodzoną wodą), a łączonymi brzegami spawanego elementu. Łuk ten o długości 2mm wiruje w szczelinie między łączonymi brzegami i elektrodą pod wpływem wypadkowego pola elektromagnetycznego wytworzonego przez cewkę nawiniętą wokół elektrody i przez sam łuk elektryczny. Elektrodę łączy się do bieguna dodatniego, a łuk zajarza się bezstykowo przy użyciu jonizatora. Łuk obiegając szybko styk łączonych brzegów stapia je, spawanie odbywa się bez dodatku spoiwa. Płynny metal w razie potrzeby może być chroniony strumieniem gazu obojętnego. Metoda ta nadaje się przede wszystkim do łączenia elementów cienkościennych o profilu zamkniętym, najkorzystniejszym kształtem złącza są spoiny brzeżne. W przypadku gdy w czasie łączenia stosowany jest docisk jednego elementu do drugiego, a łuk wykorzystuje się tylko do nagrzania krawędzi proces nazywamy zgrzewaniem łukiem wirującym.
40. Spawanie łukowe elektrodą nietopliwą
Spawanie łukowe elektrodą wolframową w osłonach gazowych TIG lub w USA - GTA jest jednym z procesów wytwarzania konstrukcji ze stali wysokostopowych, stali specjalnych, stopów niklu, aluminium, magnezu tytanu i innych metali reaktywnych. Spawanie TIG może być prowadzone prądem stałym lub przemiennym, ręcznie, półautomatycznie. Łuk elektryczny jarzy się między elektrodą wolframową, a spawanym materiałem. Spoina powstaje ze stopionego w łuku dodatkowego pręta spoiwa i nadtopionych brzegów spawanego materiału Jeziorko płynnego metalu chronione jest od dostępu powietrza strumieniem gazu ochronnego (argonu) wypływającego z dyszy.
41. Spawanie atomowe i elektrolitowe
Atomowe - źródłem ciepła jest łuk elektryczny jarzący się między dwiema elektrodami wolframowymi w osłonie wodoru wypływającego z dysz w których osadzone są elektrody. Wodór spełnia rolę osłony chroniącej płynny metal spoiny przed dostępem powietrza oraz osłony chroniącej elektrody wolframowe przed utlenianiem. W temperaturze łuku cząstki wodoru ulegają dysocjacji na pojedyncze atomy wodoru. Po spotkaniu się atomów wodoru z chłodniejszym materiałem spawanym następuje reakcja łączenia się tych atomów w cząsteczki z oddaniem ciepła pobranego w łuku elektrycznym.
Elektrolitowe - spawanie bez osobnej elektrody. Źródłem ciepła jest wyładowanie elektryczne baterii kondensatorów między elektrolitem połączonym z jednym biegunem obwodu elektrycznego a stykiem metalowych części połączonych z drugim biegunem tego obwodu. Zetknięcie spawanego styku z powierzchnią elektrolitu powoduje wytworzenie się łuku. Po przerwaniu przepływu prądu między elektrolitem a spawanym stykiem stopiony metal krzepnie tworząc spoinę.
42. Spawanie elektrożużlowe
Polega na tworzeniu złącza w jednym przejściu w pozycji pionowej przez stapianie materiału dodatkowego i brzegów przedmiotów spawanych ciepłem kąpieli żużlowej nagrzewanej oporowo. Proces rozpoczyna się jak spawanie łukiem krytym przez zajarzenie łuku elektrycznego pod warstwą topnika miedzy elektrodą metalową a płytką dobiegową. Nagrzewana oporowo kąpiel żużlowa osiąga temperaturę 1800-2000°C. Proces topienia materiału rodzimego oraz drutu elektrodowego odbywa się kosztem ciepła wydzielającego się z wanny żużlowej. Przy spawaniu elektrożużlowym proces topienia elektrody odbywa się na powierzchni czołowej i na powierzchniach bocznych. Skład chemiczny spoiny zależy od składu chemicznego drutu elektrodowego, materiału spawanego i charakteru reakcji metalurgicznych. Zaletą procesu spawania elektrożużlowego jest: duża wydajność, duża ekonomiczność, zużywa się ok. 15 - 20% energii mniej niż przy spawaniu łukowym pod topnikiem przy tej samej masie stopionego metalu, mała wrażliwość na przygotowanie krawędzi, niski koszt materiałów spawalniczych, bardzo duża czystość spoin i brak wad w postaci zażużlenia, możliwość spawania bez podgrzewania (nawet materiałów trudnospawalnych) Podstawową wadą spawania elektrożużlowego jest niska plastyczność złącza.
43. Spawanie aluminotermiczne (termitowe)
Przy spawaniu i zgrzewaniu termitowym źródłem ciepła jest reakcja chemiczna, która do złącza dostarcza nie tylko ciepło, ale i spoiwo. Termit jest to mieszanina tlenku żelaza (Fe3O4) i aluminium (Al) w stosunku wagowym 78:22. Termit wsypuje się do tygla wyłożonego materiałem ogniotrwałym i zapala. W ciągu kilkunastu sekund następuje egzotermiczna reakcja 3Fe3O4+8AL=4Al2O3+9Fe+Q, w której aluminium łączy się z tlenem. W efekcie otrzymuje się ciekłe żelazo nagrzane do temperatury około 2500°C pokryte warstwą tlenków aluminium (Al2O3). Spawanie termitowe stosuje się do łączenia szyn oraz elementów stalowych lanych lub kutych o dużych przekrojach, oraz do łączenia grubych prętów do zbrojenia betonu. Między płaszczyznami czołowymi należy pozostawić szczelinę, aby ciekłe żelazo mogło ją wypełnić. Strumień przegrzanego żelaza spływający z tygla do formy nadtapia ścianki łączonych części co daje dobre połączenie z metalem rodzimym.
44. Zgrzewanie oporowe iskrowe i zwarciowe- własności zgrzein
Zgrzewanie doczołowe polega na łączeniu elementów na całej powierzchni styku, czyli łączeniu przekrojów poprzecznych o dowolnym kształcie, jak: pręty, rury, kształtowniki, taśmy itp. Zgrzewanie doczołowe może odbywać się metodą zwarciową lub iskrową.
Zwarciowe - prąd zgrzewania przepływa przez przylegające, silnie dociśnięte do siebie końce łączonych części. Gdy metal w strefie zgrzewania osiągnie wymaganą temperaturę, wówczas pod działaniem siły docisku ulega charakterystycznemu spęczaniu, a stykające się powierzchnie łączą się. Metoda ta wymaga starannej obróbki powierzchni czołowych łączonych elementów. Niedokładne oczyszczenie spoiny zmniejsza jej wytrzymałość.
Iskrowe - zgrzewane części o chropowatych powierzchniach mocuje się w szczękach zgrzewarki, włącza prąd i powoli zbliża do siebie. Powierzchnie zetkną się w kilku punktach nierówności powierzchni. Poprzez te styki zaczyna płynąć prąd, a metal w tych miejscach stapia się, tworząc mostki płynnie parującego metalu. Ciśnienie par metalu oraz pole magnetyczne usuwają ze styku roztopione cząstki materiału, co uwidacznia się w postaci silnego iskrzenia. Ciągłe zbliżanie do siebie powierzchni czołowych powoduje nadtopienie metalu na całej powierzchni styku. W tej metodzie nadciśnienie gazów utrudnia utlenianie się roztopionych powierzchni - polepszają się własności mechaniczne spoiny.
45. Zgrzewanie oporowe energią akumulowaną
- zgrzewanie kondensatorowe,
- - || - akumulatorów,
- - || - pola elekromagnetycznego,
Powszechne zastosowanie znalazło jedynie zgrzewanie kondensatorowe.
Wspólną cechą tych wszystkich procesów jest to, że w materiałach wydziela się ciepło w czasie przepływu prądu zgrzewania, powstałego z uprzednio nagromadzonej energii. Zalety metody w porównaniu ze zgrzewaniem oporowym: na wykonanie jednej zgrzeiny zużywa się stałą ilość energii, co zapewnia stabilność procesu, bardzo krótki czas zgrzewania i skoncentrowane wydzielanie się ciepła w miejscu zgrzewania zapewnia minimalną strefę wpływu ciepła, możliwe jest zgrzewanie metali o zróżnicowanych własnościach cieplno-fizycznych, duża estetyka i dobra jakość złącza.
Proces polega na rozładowaniu kondensatorów w szczelinie między czołowymi powierzchniami łączonych elementów. Podczas przybliżania w sposób ciągły jednego elementu do drugiego, przy określonej odległości między ich czołami następuje przebicie i wybuchowe rozładowanie kondensatorów, podłączonych bezpośrednio do szczęk zgrzewarki. Równoczesne udarowe działanie docisku spęczającego powoduje powstanie zgrzeiny.
46. Zgrzewanie indukcyjne
Polega na zjawisku nagrzewania się przewodników elektrycznych umieszczonych w zmiennym polu elektromagnetycznym. Prąd płynie z maksymalną gęstością w warstwach powierzchniowych zgrzewanych krawędzi. W wyniku tego nagrzewana jest bardzo cienka warstwa metalu na powierzchniach przeznaczonych do zgrzewania. Docisk elementów łączonych za pomocą rolek powoduje powstanie zgrzeiny. Zgrzewanie to jest bardzo tanie i znalazło zastosowanie do produkcji rur i profili zamkniętych. Urządzenia te składają się z trzech zasadniczych części: generatora wielkiej częstotliwości, obwodów pośredniczących oraz wzbudnika. Rozróżnia się zgrzewanie doczołowe i liniowo-doczołowe. Złącza otrzymane tą metodą mają wysokie własności mechaniczne.
47. Zgrzewanie tarciowe
Proces ten przebiega dzięki wykorzystaniu przemiany energii mechanicznej w cieplną w wyniku tarcia dwóch czołowych powierzchni, przy równoczesnym oddziaływaniu poosiowej siły dociskającej P. W miarę wydzielania się ciepła następuje wzrost temp. w rejonie złącza, co powoduje zmianę warunków tarcia. W miarę wzrostu temp. wartość współczynnika tarcia początkowo rośnie a następnie maleje i zależy w znacznym stopniu od prędkości obrotowej i od siły docisku. Z podwyższeniem temperatury wzrastają odkształcenia plastyczne metalu. Po uzyskaniu wymaganej temp. zatrzymuje się współpracujące elementy i zwiększa się siłę dociskającą. W wyniku docisku następuje spęczenie materiału i utworzenie złącza zgrzewanego.
48. Zgrzewanie ultradźwiękowe
Zgrzeina ultradźwiękowa tworzy się w wyniku: zwiększenia energii pobudzonych do drgań atomów sieci krystalicznej na łączonych powierzchniach, lokalnego wzrostu temp. na powierzchni styku wskutek tarcia drgających elementów, intensyfikacji procesów dyfuzyjnych w polu drgań ultradźwiękowych, zastosowania docisku mechanicznego. Drgania ultradźwiękowe powodują ruch wahadłowy końcówki zwanej sonotrodą, w efekcie czego wskutek tarcia wydziela się ciepło, którego ilość jest uwarunkowana wielkością sił tarcia i szybkością względnych przemieszczeń. Ilość wydzielonego ciepła ułatwiającego proces zgrzewania zależy od częstości i amplitudy drgań oraz siły docisku. Można tą metodą łączyć materiały o bardzo różnych grubościach oraz materiały różniące się swoimi własnościami. Pozwala uniknąć powstania związków międzymetalicznych przez co zgrzeina charakteryzuje się bardzo wysokimi wł. mechanicznymi.
49. Zgrzewanie wybuchowe przykłady zastosowania
Połączenie części następuje w wyniku docisku dynamicznego łączonych powierzchni wywołanego energią wyzwalającą się przy detonacji materiału wybuchowego.
Sposoby zgrzewania wybuchowego:
- metody polegające na bezpośrednim działaniu ładunku wybuchowego na łączone elementy,
- metody polegające na działaniu pośrednim.
Źródłem energii jest paliwo chemiczne w stanie stałym w postaci odpowiedniego materiału wybuchowego. Paliwo w wyniku eksplozji przetwarza się w silnie sprężony gaz, o wysokiej temp., pojawia się gwałtowne oswobodzenie energii - detonacja, która wywołuje falę uderzeniową przyciskającą ku sobie łączone elementy. W wyniku gwałtownego zetknięcia łączonych elementów i ich wzajemnego przesunięcia powstaje połączenie z charakterystyczną falistą linią zgrzeiny. Warunkiem niezbędnym do uzyskania poprawnego połączenia jest: odpowiednia prędkość zderzenia VZ (zapewniająca przejście materiału w stan plastyczny w tzw. punkcie zderzenia), dokładne oczyszczenie łączonych elementów ze smarów, zgorzeliny, rdzy oraz innych zanieczyszczeń, zapewnienie ujścia sprężonych gazów z miejsca styku. Metoda zgrzewania wybuchowego znalazła zastosowanie do łączenia stali z aluminium, ołowiem, miedzią itp.
50. Zgrzewanie zgniotowe i przykłady wykorzystania
Polegającą na miejscowym i chwilowym działaniu na elementy łączone dużej siły docisku. Docisk może być wywierany statycznie lub dynamicznie. Zgrzewanie odbywa się w temperaturze otoczenia i nie wymaga stosowania źródła ciepła ani materiałów dodatkowych. Wymagane jest odpowiednie przygotowanie powierzchni styku łączonych elementów. O spajalności metali metodą zgrzewania zgniotowego decydują: czystość łączonych metali (czyste metale spajają się znacznie łatwiej niż stopy), obecność gazów w strefie złącza spoiny (najłatwiej powstają w warunkach próżniowych), obecność twardej powłoki tlenkowej (metale nie utlenione lub pokryte twardą kruchą warstwą tlenków są łatwiej spajalne niż metale pokryte miękkimi elastycznymi tlenkami), własności fizyczne i mechaniczne metali (zdolność trwałej deformacji bez zbytniego umocnienia, niewielka sprężystość, niska granica plastyczności i duża odporność na kruche pękanie), budowa krystaliczna metalu (najlepszą możliwość spajania zgniotowego mają metale o sieci sześciennej płasko centrowanej, gorzej spajają się Fe, W, Mo, V, Nb itp. Najtrudniej Mg, Zn, Cd, Zr itp.).
W wyniku silnego docisku i plastycznego płynięcia materiału na powierzchni łączenia w czasie części sekundy następuje w mikroobjętościach gwałtowny wzrost temperatury, co prowadzi do powstania trwałego połączenia. W zależności od rodzaju wykonywanych złączy rozróżnia się zgrzewanie zgniotowe punktowe, liniowe lub doczołowe. Zgrzewanie zgniotowe, stosuje się do łączenia materiałów o wysokich własnościach plastycznych. Można łączyć elementy o różnych grubościach. Metodę tą stosuje się przy procesach montażowych np.: łączenia przewodów elektrycznych aluminiowych, łączenia szyn prądowych miedzianych i aluminiowych z miedzianymi, w budownictwie do łączenia ram drzwiowych i okiennych itp.
51. Zgrzewanie dyfuzyjne
Zgrzewanie dyfuzyjne jest oparte na zjawisku wzajemnej dyfuzji materiałów łączonych (przy minimalnym plastycznym odkształceniu) nagrzanych do temperatury poniżej linii solidus i znajdujących się w stanie ścisłego przylegania. Przeprowadza się w temperaturze poniżej temperatury topnienia najniżej topliwego spoiwa łączonych metali, odbywa się ono w wysokiej próżni lub w atmosferze gazów ochronnych. Warstwa tlenkowa wraz z zanieczyszczeniami pokrywa obie łączone powierzchnie. Przyłożone obciążenie wywołuje proces pełzania. Po zakończeniu procesu zgrzewania dyfuzyjnego w pobliżu linii zgrzania obserwuje się nieliczne pustki i pozostałości tlenków. Zgrzewanie dyfuzyjne może odbywać się bez oraz z zastosowaniem warstwy materiału pośredniczącego. Materiał pośredniczący stosuje się do: zwiększenia prędkości dyfuzji i obniżenia temperatury procesu, zmniejszenia różnicy we współczynnikach rozszerzalności liniowej łączonych metali, niedopuszczenia do tworzenia się na styku metali kruchych związków międzymetalicznych, utworzenia w styku łączonych metali roztworu stałego o wymaganych własnościach technologicznych. Warstwę pośredniczącą mogą stanowić: folie, powłoka galwaniczna, proszki metaliczne, warstewki naniesione, chemicznie lub napylane w próżni. Podstawowymi parametrami zgrzewania dyfuzyjnego są: docisk (niezbędny do stałego przylegania powierzchni łączonych elementów), temperatura nagrzania, czas trwania procesu (konieczny do utworzenia złącza).
52. Spawanie skoncentrowanymi źródłami energii
Spawanie laserowe - polega na stapianiu obszaru styku łączonych przedmiotów ciepłem otrzymanym w wyniku działania skoncentrowanej wiązki światła koherentnego o bardzo dużej gęstości mocy. Do celów spawalniczych wykorzystuje się lasery o działaniu impulsowym. Wiązka laserowa przechodząc z lasera do przedmiotu spawanego jest ogniskowana w obszarze spawania. Padając na powierzchnię metalu ulega odbiciu w zależności od rodzaju metalu i stanu jego powierzchni. Istotnym problemem jest odpowiednie przygotowanie, zmatowienie powierzchni na którą pada wiązka lasera. Spawanie może odbywać się z dodatkiem lub bez spoiwa, w jednym przejściu lub wielościegowo. Pozwala łączyć wszystkie metale i stopy spawane elektronowo. Własności mechaniczne złączy stopów aluminium i spawanych laserowo są znacznie wyższe niż złączy spawanych łukowo.
Spawanie wiązką elektronów polega na stopieniu obszaru styku łączonych przedmiotów ciepłem uzyskanym przez skoncentrowaną wiązkę elektronów o dużej energii. Bombardowanie obszarów spawania wiązką elektronów emitowanych z katody o określonym natężeniu prądu powoduje zmianę energii kinetycznej elektronów na energię cieplną absorbowaną przez spawany obszar. Wiązkę elektronów o gęstości mocy kilku kV/mm2 jest stosowana do topienia metali i obróbki cieplnej powierzchni przedmiotów metalowych. Proces prowadzi się bez dodatku spoiwa. Wielkość elementów spawanych ograniczona jest wielkością komory roboczej.
Spawanie plazmoweW palniku plazmowym z łukiem wewnętrznym łuk jarzy się między elektrodą wolframową i miedzianą dyszą palnika. W palniku z łukiem zewnętrznym jarzenie występuje między elektrodą i materiałem. Palniki z łukiem wewnętrznym znajdują zastosowanie przy cięciu materiałów nieprzewodzących prądu, przy spawaniu, napawaniu i żłobieniu ręcznym. Palniki z łukiem zewnętrznym są stosowane do cięcia i spawania automatycznego. Dzięki wysokiej temp. strumienia plazmy i dużej koncentracji ciepła można zmienić stosunek szerokości spoiny do głębokości przetopu oraz łączyć trudnotopliwe metale i ich stopy.
53. Wymagania stawiane lutom
- temperatura topnienia lutu musi być niższa od temperatury topnienia lutowanych metali,
- powinowactwo chemiczne lutu z metalami łączonymi powinno zapewniać tworzenie się na granicy styku roztworów stałych lub faz międzymetalicznych,
- lut w stanie roztopionym powinien wskazywać dobrą lejność,
- zakres krystalizacji lutu nie powinien być zbyt duży,
- lut powinien mieć dostateczną wytrzymałość i plastyczność,
-współczynniki rozszerzalności cieplnej metali łączonych powinny być zbliżone do siebie,
-w stanie roztopionym lut nie powinien się utleniać.
54. Zjawiska fizyczne i chemiczne występujące w procesie lutowania
Zdolność zwilżania -zdolność pokrywania powierzchni lutowanych części cienką, równomierną i ciągłą powłoką lutu. Warunkiem zwilżania jest by siły przyciągania między cząsteczkami ciekłego lutu, a cząsteczkami lutowanych metali (siły adhezji) były większe od sił spójności między cząsteczkami ciekłego lutu (siły kohezji). Ciecz będzie zwilżać powierzchnię ciała stałego i płynąć po niej, jeżeli energia powierzchniowa ciała stałego jest duża w porównaniu z sumą energii powierzchniowych cieczy i granicy faz stałej i ciekłej.
Zjawisko włoskowatości - występuje w cienkich rurkach (kapilarach) oraz w szczelinach. Polega na tym, że ciecz dobrze zwilżająca materiał rurki podnosi się w niej na pewną wysokość i tworzy menisk wklęsły, ciecz nie zwilżająca opada poniżej poziomu i tworzy menisk wypukły.
Lejność (rzadkopłynność) lutów - zdolność lutu do wypełniania szczelin pod działaniem siły ciężkości. Lejność ciekłego metalu zależy od jego zakresu krystalizacji, czyli od różnicy między temperaturami likwidus i solidus (im ta różnica jest większa tym lejność jest gorsza).
Likwacja - wada lutów występująca w lutach w szerokich zakresach krzepnięcia. Przy powolnym nagrzewaniu składnik eutektyczny takiego stopu topi się i wycieka pozostawiając szkieletową strukturę składnika trudniej topliwego.
55. Luty i topniki do lutowania miękkiego
Ze względu na skład chemiczny luty miękkie można podzielić na:
Luty na osnowie Sn, Pb, Zn, Cd, bizmutu, indu i galu. Luty cynowo-ołowiowe są stosowane do lutowania prawie wszystkich metali z wyjątkiem aluminium. Cechą lutów miękkich jest niska temp. topienia, niska twardość i dobra plastyczność. Zaletą jest zdolność do zwilżania powierzchni większości metali.
Topniki chemiczne-czynne (korodujące) - chlorek cynku, lub mieszanina chlorku cynku z chlorkiem amonu. Chemiczne-bierne (nie korodujące) - kalafonia, zaletą jest brak powinowactwa chemicznego ze wszystkimi metalami. Topniki do lutowania miękkiego muszą rozpuszczać, usuwać tlenek, wpływać na zwilżalność i rozpływanie się lutu.
56. Luty i topniki do lutowania twardego
Luty twarde temp. powyżej 500°C, o dużej wytrzymałości 200-700MPa. Ze względu na skład chem. dzielimy na: miedź i luty na osnowie miedzi, srebro i luty na osnowie srebra, luty na osnowie złota, platyny, palladu, aluminium, magnezu, niklu, manganu kobaltu i żelaza.
Topniki: -zasadowe (tlenki Cu, Zn, Fe), -kwasowe (tlenki Si). Najbardziej rozpowszechnione są: boraks, kw. borowy oraz ich mieszaniny. Nie powodują korozji złącz, przy lutowaniu stopów zawierających związki kwaśne dodaje się do topnika wodorotlenek sodu lub węglan sodu. Do lutowania aluminium i magnezu stosuje się topniki usuwające warstewkę tlenków. Może to być chlorek litu, chlorek cynku. Najbardziej aktywnym topnikiem jest kriolit.
57. Lutowanie ultradźwiękowe
Jest to proces usuwania powierzchniowej warstewki tlenków ultradźwiękami. Istotą jest wykorzystanie zjawiska kawitacji, które wykorzystuje się w roztopionym lucie, powodując rozbicie i usuniecie warstwy tlenków, dzięki temu na całej powierzchni następuje metaliczne połączenie lutu z metalem. Źródłem kawitacji jest fala ultradźwiękowa. Zastosowanie - przy łączeniu aluminium i jego stopów. Lutowanie ultradźwiękami przeprowadza się za pomocą specjalnych lutownic ultradźwiękowych.
58. Warunki tworzenia złącza ceramiczno -metalowego
Uzyskanie wytrzymałego złącza między dwoma materiałami zależy od zdolności tych materiałów do tworzenia wspólnej struktury na granicy ich spojenia. Materiały o takiej samej sieci krystalograficznej różniącej się niewiele parametrami tworzą roztwory stałe. W miarę wzrostu różnic parametrów sieci (powyżej 15%) tworzą się roztwory ograniczone w stanie stałym.
59. Techniki spajania ceramiki z metalami
Próżnioszczelne złącza ceramika-metal wykonuje się stosując techniki: metalizacji proszkowej, lutów aktywnych, zgrzewania dyfuzyjnego, spajania szkliwami, równoczesnego spiekania warstwami metalicznymi i Al2O3 , inne metody, jak np. zgrzewanie tarciowe, napylanie warstw i spajanie w dodatkowym polu elektrycznym.
Metalizacja proszkowa-na powierzchnię łączonego elementu ceramicznego nakłada się sitodrukiem (lub pędzlem) warstwę pasty złożonej z proszku wolframu lub molibdenu z Mn i żelazokrzemem o grubości 10-35 μm.
Luty aktywne - do lutów konwencjonalnych dodaje się takie metale jak Zr, Ti, Mn, a lutowanie przeprowadza się w próżni lub w bardzo czystym H lub Ar.
Zgrzewanie dyfuzyjne-złącze otrzymuje się w wyniku współdziałania ciśnienia i temp. w czasie. Złącze pomiędzy spajanymi materiałami może tworzyć się na skutek dyfuzji lub reakcji w stanie stałym (dyfuzji reaktywnej).
60. Spoiwa do spajania ceramiki z metalami i ceramiki między sobą
Spoiwa metalowe amorficzne-możliwość uzyskania bardzo cienkich taśm o żądanej temp. topnienia, z nich wycina się gotowe kształtki i umieszcza między łączonymi elementami w procesie lutowania.
Luty szklane-mogą być stosowane do połączeń z niemetalami, dobrze zwilżają tlenki, możliwość stos. w temp. 726-2396°C.
Luty szklanokrystaliczne-mają cechy lutów szklanych, a jednocześnie dzięki strukturze krystalicznej zapewniają znacznie większą wytrzymałość złącza.