Projekt okładki i stron tytułowych: Przemysław Spiechowski

Ilustracja na okładce: Carloscastilla/Dreamstime, Autorzy

Wydawca: Adam Filutowski

Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski

Redaktor: Maria Kasperska

Produkcja: Mariola Grzywacka

Dział reklamy: Magdalena Lewocka (magdalena.lewocka@pwn.pl)

Urszula Obrycka (urszula.obrycka@pwn.pl)

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN S.A.:
Michał Latusek

Recenzenci: prof. dr hab. inż. Józef Gawlik, Politechnika Krakowska

dr hab. inż. Czesław Łukianowicz, prof. Politechniki Koszalińskiej

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

ISBN 978-83-01-23395-2

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2023r. (Wydanie I)

Warszawa 2023

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321; faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Od Autora

Prezentowana książka ma formę poradnika z zakresu ręcznej obróbki metalu, w którym podane są wskazówki dotyczące praktycznych aspektów tej technologii. Wiele zawartych treści wynika z doświadczenia, które autor pozyskał w czasie swojej 40-letniej pracy w szkolnictwie zawodowym i prywatnej działalności. Autor dołożył wiele starań, aby informacje przedstawione w poradniku odzwierciedlały aktualny stan wiedzy.

Książka może służyć teoretykom i praktykom, którzy chcą poszerzyć wiedzę i umiejętności z zakresu ręcznej obróbki metali ze szczególnym uwzględnieniem nowoczesnych technologii. Z uwagi na zawartą treść książka może stanowić pomoc dydaktyczną dla uczniów szkół branżowych o profilu mechanicznym, a także wspierać kreatywnych ślusarzy.

Prezentowany poradnik swą formę, zwłaszcza w części ilustracyjnej dotyczącej nowoczesnych narzędzi i technologii, zawdzięcza pomocy kilku osób. Autor pragnie podziękować kierownictwu firm PFERD i STIHL za wyrażenie zgody na wykorzystanie katalogowych ilustracji. Dziękuje także p. Sławomirowi Pinkasowi – redaktorowi naczelnemu „Gazety Narzędziowej” za możliwość wykorzystania wielu ilustracji będących w zasobach bogatego archiwum redakcyjnego.

Wszelkie uwagi na temat książki oraz sugestie dotyczące jej zakresu, formy i treści można kierować na adres poczty elektronicznej: krzosjan@wp.pl.

Kołobrzeg, wrzesień 2022

Autor

Wprowadzenie

Na przestrzeni wieków, od starożytności poprzez średniowiecze aż do czasu pojawienia się pierwszej maszyny parowej (1765 r.) i pierwszych wydajnych obrabiarek (1775 r.) wytwarzanie mniejszych przedmiotów metalowych odbywało się metodami ręcznymi. Do kształtowania przedmiotów o większych gabarytach stosowano metody kucia kowalskiego, w których podgrzewano wstępnie obrabiany materiał. Pierwsze zrzeszenia i cechy kowali i ślusarzy zaczęły powstawać już w średniowieczu. Tradycyjnie działalnością rzemiosła ślusarskiego było wytwarzanie zamków, kluczy, okuć, ostrzenie noży, siekier, broni. Rozdzielenie rzemiosła ślusarskiego i kowalskiego nastąpiło w późnym średniowieczu (XV w.). Na początku XVI w. w Polsce było już około 150 warsztatów ślusarskich. Intensywny rozwój branży ślusarskiej nastąpił w końcu XVIII w. i związany był z rozwojem hutnictwa i powstaniem pierwszych fabryk.

Współczesne ślusarstwo jest zawodem, w zakres którego wchodzi przede wszystkim obróbka metali na zimno mająca na celu wykonywanie różnych przedmiotów metalowych za pomocą ręcznych narzędzi skrawających. Zadaniem ślusarza jest nadanie obrabianej części odpowiedniego kształtu i wymiarów przy wymaganej gładkości powierzchni. W zakres ślusarstwa wchodzi również demontaż, weryfikacja, regeneracja, naprawa i montaż różnych mechanizmów i urządzeń technicznych, które ślusarz powinien wyregulować i zakonserwować. W celu usprawnienia pracy i zwiększenia wydajności ślusarze wykorzystują proste narzędzia zasilane energią elektryczną lub sprężonym powietrzem jak na przykład przecinarki (szlifierki kątowe, nożyce), wiertarki, szlifierki, polerki, a do łączenia elementów metalowych stosują lutownice i spawarki. Z tego powodu w niniejszym opracowaniu dużo uwagi poświęcono mechanizacji operacji ślusarskich, m.in. takich jak przecinanie i obróbka powierzchni z wykorzystaniem narzędzi sciernych.

Czynności związane z ręczną obróbką metali można podzielić na wiele sposobów. Tradycyjnie dzieli się według wykonywanych operacji w następujący sposób:

• prostowanie, gięcie, walcowanie,

• trasowanie płaskie i przestrzenne,

• przecinanie, wycinanie, ścinanie,

• piłowanie, szlifowanie,

• wiercenie, pogłębianie, rozwiercanie, nawiercanie,

• wykonywanie gwintów,

• nitowanie, lutowanie, spawanie,

• docieranie, dogładzanie, polerowanie,

• skrobanie, szlifowanie.

Współczesny ślusarz powinien mieć opanowane czynności związane nie tylko z ręczną obróbką metalu, ale powinien również posiadać wiele innych umiejętności związanych z całym procesem technologicznym związanym z obróbką. Do głównych tych umiejętności należy zaliczyć:

• dobór narzędzi do wykonywanej operacji i znajomość obsługi podstawowych obrabiarek do mechanicznej obróbki metali,

• obsługę maszyn i urządzeń pomocniczych do wykonania prac ślusarskich,

• przygotowanie, ostrzenie i regeneracje narzędzi skrawających,

• rozpoznawanie podstawowych niedomagań w działaniu i usuwanie usterek maszyn i urządzeń technicznych,

• dokonywanie demontażu, naprawy i montażu przyrządów, urządzeń i maszyn,

• regeneracja, regulacja i konserwacja maszyn i urządzeń.

Szeroki zakres czynności ślusarskich i zróżnicowany charakter wykonywanych prac wymaga od współczesnego ślusarza posiadania uniwersalnych umiejętności i z tego powodu można wyróżnić szereg specjalności ślusarskich, wśród których do podstawowych można zaliczyć:

• ślusarz ogólny (ślusarz-mechanik) – wykonuje najczęściej spotykany rodzaj prac ślusarskich, zna podstawowe operacje ślusarskie, wykonuje prace konserwacyjno-naprawcze z zastosowaniem elektronarzędzi i spawarki, nadaje ostateczną postać kształtową i wymiarową obrabianym elementom;

• ślusarz narzędziowy (wzorcarz) – wykonuje przedmioty o dużej dokładności kształtowej i wymiarowej: płyty traserskie, prowadnice obrabiarek i wzorniki, regeneruje przyrządy kontrolno-pomiarowe z wykorzystaniem pilnikarek i skrobarek mechanicznych, docierarek i polerek, wykonuje i naprawia przyrządy i uchwyty obróbkowe, stemple i matryce do obróbki plastycznej;

• ślusarz remontowy – naprawia i regeneruje elementy prostych mechanizmów i urządzeń technicznych, zna zasady demontażu i montażu naprawianych maszyn i urządzeń w warunkach produkcji jednostkowej, wykorzystuje metody kompensowania wymiarów i stosuje zasady zamienności części; obecnie, w dobie dużego postępu i rozwoju techniki grupa ślusarzy remontowych dzieli się na szereg specjalizacji jak na przykład mechanik samochodowy, mechanik maszyn rolniczych, mechanik sprzętu AGD;

• ślusarz wyrobów artystycznych i zdobniczych – wykonuje i naprawia ozdobną galanterię metalową, nadaje wyrobom metalowym ostateczny estetyczny wygląd, zna i stosuje tradycyjne techniki i technologie wykonywania i ozdabiania wykonywanych przedmiotów.

Znajomość podstawowych operacji ślusarskich jest podstawą do wielu innych zawodów branży mechanicznej. Jak wspomniano, ze ślusarstwem ściśle związane jest kowalstwo, ale do tego duetu dodać należy także spawalnictwo. Spawanie jest metodą na nierozłączne połączenie dwóch metalowych przedmiotów, a polega na podgrzaniu i nadtopieniu ich brzegów oraz dodaniu dodatkowego stopionego metalu zwanego spoiwem. W efekcie w miejscu tym powstaje spoina i złącze. Brzegi łączonych przedmiotów metalowych przygotowanych do spawania oraz spoinę po spawaniu należy obrobić metodami ślusarskimi. Tak wiec kowalstwo, ślusarstwo i spawalnictwo są technologiami wzajemnie powiązanymi.

Trochę historii

Złota maska

Złota maska pośmiertna Tutanchamona (ur. ok. 1342–1339 p.n.e., zm. 1323 p.n.e.) – w latach 1333–1323 p.n.e. faraona XVIII dynastii. Dzieło starożytnych ślusarzy i metaloplastyków. Została wykonana z wielu polutowanych ze sobą części, ślady lutowania zostały zeszlifowane, a następnie całość została wypolerowana.

(Źródło: Wikimedia Commons)

W miarę rozwoju techniki na bazie ślusarstwa rozwijają się inne specjalności i zawody. Jako przykład można podać zawód hydraulika, który zajmuje się montażem i naprawą instalacji wodnych, gazowych i kanalizacyjnych. Hydraulik w ramach swojej praktyki wykonuje wiele operacji typowo ślusarskich (cięcie, piłowanie, gięcie, gwintowanie, montaż). Innym przykładem zawodu wyodrębnionego ze ślusarstwa jest blacharstwo, które można podzielić jeszcze na takie specjalizacje jak blacharstwo samochodowe czy dekarstwo. W blacharstwie także występują typowe operacje ślusarskie (trasowanie, cięcie, prostowanie, piłowanie, gięcie, lutowanie, spawanie).

Obecnie, w dobie szybkiego postępu technicznego, dynamicznego rozwoju mechanizacji i automatyzacji procesów wytwórczych rola i znaczenie zawodu ślusarskiego nie tylko nie maleje, ale wręcz rośnie. Jest to związane m.in. z dużym udziałem prac ręcznych w naprawie i regeneracji mechanizmów i urządzeń technicznych. Wynika to ze wzrostu kultury technicznej i zwiększenia się świadomości dotyczącej ochrony środowiska.

Część 1

Informacje wprowadzające

1. Właściwości metali i stopów technicznych

2. Podstawowe materiały konstrukcyjne

3. Elementy rysunku technicznego maszynowego

4. Tolerancje wymiarów części maszyn

5. Zasady pasowania części maszyn

6. Proste warsztatowe narzędzia pomiarowe i kontrolne

7. Organizacja i wyposażenie stanowiska obróbki ręcznej metali

1.

Właściwości metali i stopów technicznych

Występujące w przyrodzie pierwiastki można podzielić na metale i niemetale. Metale w czystej postaci są rzadko używane do wykonywania przedmiotów użytkowych. Stopy metali, czyli mieszanina dwu lub więcej składników, mają lepsze właściwości mechaniczne i technologiczne w porównaniu z czystymi metalami.

Podczas doboru materiału na wyroby techniczne i użytkowe należy uwzględnić kilka czynników, tak aby zostały spełnione względem nich wymagania eksploatacyjne. Nie bez znaczenia są też aspekty ekonomiczne, czyli koszt surowca oraz koszt potrzebnej energii do jego przetworzenia, a także koszt późniejszej eksploatacji. W czasie projektowania układów, w których występują co najmniej dwa rodzaje metali, należy pamiętać m.in. o tym, aby współpracujące materiały miały podobny współczynnik rozszerzalności cieplnej, zwłaszcza jeżeli pracują w podwyższonej temperaturze.

W procesie eksploatacji wszystkie wyroby metalowe, a zwłaszcza elementy maszyn i urządzeń, podlegają niszczącemu działaniu środowiska, co jest spowodowane zmiennością m.in. temperatury, wilgotności i zapylenia. Ponadto elementy te narażone są na zmienne obciążenia mechaniczne oraz zużycie powierzchniowe.

Mając powyższe na uwadze, materiały stosowane do wykonania elementów maszyn i urządzeń muszą wykazywać odpowiednie właściwości. Spośród wielu właściwości materiałów konstrukcyjnych można wyróżnić kilka o podstawowym znaczeniu. Są to właściwości mechaniczne, technologiczne, eksploatacyjne i fizykochemiczne.

Jako właściwości mechaniczne metali i stopów należy rozumieć takie cechy, które określają odporność na działanie różnego rodzaju obciążeń zewnętrznych. Do najważniejszych właściwości mechanicznych z punktu widzenia konstruktora, wykonawcy i użytkownika należy zaliczyć wytrzymałość mechaniczną, twardość, sprężystość, wytrzymałość zmęczeniową, ścieralność oraz udarność, czyli odporność na uderzenia.

Wytrzymałość mechaniczna jest właściwością decydującą o praktycznym zastosowaniu materiału i określa się ją jako odporność materiału na działanie sił odkształcających aż do momentu jego zniszczenia. W zależności od rodzaju sił wyróżniamy wytrzymałość na rozciąganie, ściskanie, zginanie, skręcanie, ścinanie i wyboczenie. Często spotyka się także wytrzymałość na złożony układ sił, na przykład jednoczesne skręcanie i zginanie. Wytrzymałość materiału można obliczyć jako stosunek największej wartości obciążenia (w momencie zniszczenia próbki) do pola powierzchni przekroju poprzecznego – w czasie próby wytrzymałościowej.

Twardością materiału nazywamy jego odporność na trwałe odkształcenie powodowane wciskaniem weń innego materiału z pewną siłą przez jakiś czas. Istnieje wiele metod laboratoryjnych i warsztatowych badania twardości materiałów.

Sprężystość jest to taka cecha materiału, która polega na powrocie do pierwotnego kształtu i wymiaru materiału po ustąpieniu działania sił, które spowodowały tę zmianę.

W wyniku długotrwałego działania siły o zmiennej wartości i kierunku następuje zniszczenie materiału na skutek tzw. zmęczenia. Im dłuższy jest czas działania sił na element maszyny do momentu jego zniszczenia, tym materiał jest bardziej wytrzymały zmęczeniowo.

Ścieralnością nazywamy podatność na powstawanie powierzchniowych ubytków w wyniku kontaktu z innymi materiałami przemieszczającymi się względem siebie. Zjawisko ścieralności występuje tym intensywniej, im większa jest różnica w twardości współpracujących materiałów, ich powierzchnie mniej gładkie (bardziej chropowate), występują pomiędzy nimi luźne cząstki lub inne zanieczyszczenia.

Udarność jest to odporność materiału na siły dynamiczne, czyli na silne uderzenia. Odpornością udarnościową powinny cechować się te części maszyn i urządzeń, które narażone są na uderzenia lub nagłe obciążenia. Udarność danego materiału jest zmienna i zależy od temperatury.

Właściwości technologiczne metali i stopów określają przydatność tych materiałów do określonej technologii wytwarzania. Do najważniejszych właściwości technologicznych materiałów konstrukcyjnych należy zaliczyć skrawalność, plastyczność i spawalność.

Dobrą skrawalnością odznaczają się materiały, które mają niskie opory skrawania, dają ciągliwy wiór, a po obróbce ich powierzchnia jest gładka. Zależy to głównie od składu chemicznego materiału oraz od jego wewnętrznej budowy.

Plastycznością nazywamy podatność materiału na trwałe zmiany jego kształtu spowodowane działaniem sił zewnętrznych bez naruszenia jego spójności. Główne obróbki plastyczne metalu to kucie, tłoczenie, walcowanie. Bardzo istotna jest także podatność materiałów na zginanie. Plastyczność materiału zależy od jego budowy wewnętrznej, twardości i temperatury. Jak wiadomo, w wyższej temperaturze metale są bardziej podatne na trwałe odkształcenia plastyczne.

Pojęcie spawalności trudno jest zdefiniować, mimo że spawalność jest jedną z najważniejszych właściwości metali i ich stopów. Ogólnie można ją określić jako podatność do tworzenia złącz spawalniczych o jakości spełniającej wymogi konstrukcyjne i technologiczne.

Właściwości eksploatacyjne określają sposób i efekty użytkowania maszyn, narzędzi i urządzeń w niekorzystnych warunkach środowiska. Elementy maszyn i urządzeń narażone są przede wszystkim na działanie czynników powodujących korozję oraz na zmiany temperatur.

Odporność na działanie wysokich temperatur określa się jako żaroodporność i żarowytrzymałość. Im bardziej elementy maszyn są odporne na działanie korozji oraz wysokich temperatur, tym ich właściwości eksploatacyjne są korzystniejsze.

Właściwości fizykochemiczne dla praktyka warsztatowca są mniej istotne w porównaniu z wyżej wymienionymi. Główne właściwości fizyczne to masa właściwa, rozszerzalność cieplna, temperatura topnienia, przewodność cieplna i elektryczna. Rozszerzalność cieplna ma duże znaczenie i musi być uwzględniana w takich konstrukcjach jak mosty, szyny, silniki cieplne. Właściwości chemiczne to przede wszystkim odporność na korozję, działanie czynników chemicznych i działanie temperatury. Stopy techniczne zawierające duże ilości niklu i chromu odznaczają się dużą odpornością na korozję i są to stale nierdzewne, kwasoodporne i żaroodporne.

Literatura pomocnicza: [FIG15], [GÓR84], [MAC99]

2.

Podstawowe materiały konstrukcyjne

2.1. Stal, żeliwo, staliwo

Metale są podstawowym tworzywem wykorzystywanym w budowie maszyn, urządzeń i narzędzi. Charakteryzują się dobrą wytrzymałością mechaniczną i skrawalnością, a przy tym są podatne na obróbkę plastyczną. W zależności od dodatków stopowych właściwości metali można modyfikować w szerokim zakresie.

Stalą nazywamy stop żelaza i węgla o zawartości węgla do 2,11%. Stal, obok żelaza i węgla, zawiera zwykle również inne składniki. Do pożądanych składników stopowych zalicza się głównie takie metale jak chrom, nikiel, mangan, wolfram, miedź, molibden, tytan. Z kolei takie pierwiastki jak tlen, azot, siarka oraz wtrącenia niemetaliczne, głównie tlenki siarki i fosforu, stanowią zanieczyszczenia i obniżają jakość stopu.

Stal, ponieważ jest ciągliwa, nadaje się do obróbki plastycznej na gorąco, a przy niższej zawartości węgla także na zimno. Wytrzymałość stali zależy od zawartości węgla, którego wzrost powoduje zwiększenie wytrzymałości mechanicznej. Największą wytrzymałość ma stal o zawartości węgla ok. 0,85%. Wytrzymałość stali można zwiększyć także poprzez obróbkę cieplną, tj. hartowanie i ulepszanie cieplne. Należy jednak pamiętać, że zwiększając wytrzymałość stali jednocześnie obniża się jej podatność na obróbkę plastyczną. Skrawalność stali również zależy w dużym stopniu od procentowej zawartości węgla w stopie. Dobrą skrawalnością charakteryzują się stale zawierające ok. 0,25% C.

Stal można klasyfikować z uwagi na różne kryteria. Ze względu na skład chemiczny, czyli zawartości składników stopowych, można wyróżnić stal niestopową, niskostopową i wysokostopową. W stalach niestopowych na jej jakość zasadniczy wpływ ma procentowa zawartość węgla, która decyduje o jej właściwościach mechanicznych. W stalach niskostopowych żaden składnik nie występuje w ilości większej niż 5%, w stalach wysokostopowych natomiast co najmniej jeden składnik stopowy powinien występować w ilości minimum 5%.

Z uwagi na podstawowe zastosowanie wyróżniamy stal konstrukcyjną, maszynową, narzędziową i o szczególnych właściwościach fizycznych. Stal konstrukcyjną można podzielić na stal ogólnego przeznaczenia, niskostopową, wyższej jakości, automatową, łożyskową, sprężynową, do ulepszania cieplnego. Z określenia stali można wnioskować o jej głównym zastosowaniu. Stale maszynowe po odpowiedniej obróbce cieplnej przeznaczone są na odpowiedzialne części maszyn, takie jak: wały okrętowe i samochodowe, wały korbowe, koła zębate, części sprzęgieł.

Stale narzędziowe węglowe są przeznaczone do wyrobu różnego rodzaju prostych narzędzi oraz elementów przyrządów pomiarowych. Ze stali narzędziowych stopowych wytwarza się bardziej odpowiedzialne narzędzia do obróbki materiału w stanie zimnym lub na gorąco oraz te części przyrządów i narzędzi pomiarowych, które podczas pracy mogą być narażone na ścieranie. Stale te zawierają w swoim składzie dodatki stopowe takich metali jak: wolfram, wanad, chrom, mangan i inne. Inną grupą stali narzędziowych są stale szybkotnące, z których wykonuje się narzędzia skrawające. Stale szybkotnące zawierają duże ilości szlachetnych dodatków, takich jak wolfram – do 19%, molibden – do 10%, kobalt – do 10,5%, chrom – do 4,5%. Składniki te powodują, że stale te zachowują twardość i zdolności skrawne w warunkach podwyższonej temperatury – nawet do 600°C.

Do stali o specjalnych właściwościach należy zaliczyć m.in. stale zaworowe – odporne na ścieranie i przeznaczone do pracy w wysokich temperaturach (do ok. 900°C), stale do pracy w obniżonej temperaturze – na elementy instalacji w przemyśle chemicznym, stale o szczególnych właściwościach magnetycznych – do wytwarzania magnesów trwałych.

Spośród dziesiątków gatunków stali warto wymienić jeszcze te, z którymi można często spotkać się w praktyce warsztatowej. Stale odporne na korozję zawierają co najmniej 10,5% chromu oraz nie więcej jak 1,2% węgla. Można je podzielić na stale nierdzewne, żaroodporne i żarowytrzymałe. Zawartość chromu w stali nierdzewnej powoduje wytwarzanie się na jej powierzchni warstwy tlenków, które chronią metal przed korozją. Często w skład tej stali wchodzi również nikiel i wtedy taką stal nazywamy chromo-niklową lub chromonikieliną. Stale żaroodporne są odporne na korozyjne działanie gazów w podwyższonej temperaturze (powyżej 560°C). Żaroodporność stali jest spowodowana dodatkiem m.in. chromu, aluminium i krzemu, których tlenki na powierzchni stali utrudniają wnikanie tlenu w głąb metalu. Im wyższa jest zawartość tych pierwiastków, tym żaroodporność jest większa. Stale żarowytrzymałe charakteryzują się odpornością na odkształcenia mechaniczne w temperaturze powyżej 560°C. Żarowytrzymałość powoduje dodanie do stopu takich składników jak molibden, wolfram, chrom, tytan i inne.

W tabeli 2.1 zestawiono wpływ ważniejszych dodatków stopowych na właściwości stali.

Żeliwo jest wysokowęglowym stopem żelaza, zanieczyszczonym takimi pierwiastkami jak krzem, mangan, fosfor, siarka i innymi składnikami, zawierającym od ok. 2% do 4,5% węgla. Żeliwo otrzymuje się przez przetapianie surówki z dodatkami złomu stalowego lub żeliwnego w piecach zwanych żeliwniakami. Tak powstały materiał stosuje się do wykonywania odlewów. Żeliwo charakteryzuje się niewielkim, 1–2%, skurczem odlewniczym, łatwością wypełniania form, a po zastygnięciu

Tabela 2.1. Najczęściej stosowane dodatki stopowe w stalach

Dodatek stopowy

Wpływ na właściwości stali stopowej

Chrom

zwiększa wytrzymałość mechaniczną, twardość, odporność na korozję, ścieranie, działanie czynników chemicznych, wysoką temperaturę i podwyższa hartowność stali

Wolfram

zwiększa wytrzymałość, twardość, hartowność i odporność na ścieranie

Nikiel

zwiększa odporność na korozję i działanie wysokiej temperatury, podnosi wytrzymałość na uderzenia, ułatwia proces hartowania, poprawia spawalność

Miedź

podnosi odporność na korozję

Wanad

zwiększa wytrzymałość, twardość i hartowność

Krzem

zwiększa sprężystość i wytrzymałość

Mangan

podwyższa wytrzymałość na rozciąganie, uderzenia i ścieranie, ułatwia obróbkę plastyczną na gorąco, sprzyja głębokiemu hartowaniu, zwiększa sprężystość

Kobalt

zwiększa wytrzymałość, twardość, odporność na wysoką temperaturę, zmniejsza hartowność

Molibden

zwiększa hartowność, wytrzymałość, odporność na działanie wysokich temperatur, poprawia spawalność, zmniejsza kruchość

dobrą skrawalnością. Żeliwo jest materiałem kruchym, nie nadaje się do obróbki plastycznej i wykazuje niewielką odporność na rozciąganie. Oprócz łatwości odlewania w formy żeliwo ma dużą zdolność tłumienia drgań i jest odporne na ścieranie. Zaletą jest też relatywnie niski koszt wytworzenia.

Odlewy żeliwne często poddaje się procesowi sezonowania w celu zmniejszenia wewnętrznych naprężeń, które mogłyby doprowadzić do odkształceń lub uszkodzenia wyrobu. Żeliwo dzięki wysokiej zawartości węgla charakteryzuje się dobrą odpornością na korozję.

W zależności od struktury wewnętrznej, dodatków stopowych, obróbki cieplnej można otrzymać różne rodzaje żeliw. Do najważniejszych należy zaliczyć żeliwo szare, białe, ciągliwe, stopowe. Nazwa żeliwa szarego pochodzi od faktu, iż jego przełom ma szary kolor, ponieważ zawarty w nim węgiel występuje w postaci grafitu. Uznawane za żeliwo wyższej jakości jest bardziej ciągliwe, łatwiej obrabialne, charakteryzuje się dobrą lejnością i ma mniejszy skurcz odlewniczy (rzędu 1,0%) – w porównaniu z żeliwem białym. Wytwarza się z niego odlewy korpusów obrabiarek, bloków pomp, sprężarek i silników. Żeliwo białe w przełomie ma jasnoszary kolor, gdyż zawarty węgiel występuje w postaci kruchego cementytu. Uznawane za żeliwo niższej jakości jest mniej ciągliwe, gorzej obrabialne, charakteryzuje się nie najlepszą lejnością i ma większy skurcz odlewniczy (do 2,0%) niż żeliwo szare. Jest to żeliwo kruche i bardzo trudno obrabialne, nie nadaje się na części konstrukcyjne. Jest materiałem wyjściowym do otrzymywania innych żeliw. W wyniku długotrwałego wyżarzania żeliwa białego zachodzą w nim zmiany strukturalne, a otrzymane żeliwo nazywamy ciągliwym. Ma ono bardzo dobre właściwości wytrzymałościowe, porównywalne ze stalą. Poprzez dodanie składników stopowych, takich jak krzem, nikiel, chrom, molibden, aluminium i inne, można modyfikować właściwości fizyczne i chemiczne żeliwa. Otrzymamy wtedy różne typy żeliw stopowych: odporne na korozję (zawiera nikiel, chrom, molibden), kwasoodporne (dodatek krzemu), żarowytrzymałe – zawierające mangan i krzem.

W praktyce warsztatowej mamy też często do czynienia ze staliwem. Jest to odlany w formy odlewnicze stop żelaza z węglem, który nie jest poddany obróbce plastycznej. Zawartość węgla w staliwie nie przekracza 2,0%, a ilość typowych domieszek i dodatków stopowych jest mniejsza niż 1,0%. Właściwości mechaniczne staliwa są nieco niższe niż właściwości stali o podobnym składzie chemicznym. W porównaniu z żeliwem właściwości mechaniczne są znacznie lepsze – można je obrabiać plastycznie, a jeżeli staliwo zawiera mniej niż 0,25% węgla, jest również dobrze spawalne. Czasami można się spotkać z dość uproszczoną definicją staliwa, że jest to pierwotna forma stali, która nie została jeszcze poddana obróbce plastycznej oraz termicznej.

Literatura pomocnicza: [FIG15], [MAC99], [GAR11]

2.2. Metale nieżelazne i ich stopy

Metale nieżelazne są szeroko stosowane zarówno w przemyśle, w rzemiosłach metalowych, jak i praktyce amatorskiej. Główną zaletą popularnych metali nieżelaznych i ich stopów jest odporność na korozję, duża plastyczność, dobra skrawalność, a także estetyczny wygląd.

Miedź i jej stopy

Najczęściej spotykanymi metalami nieżelaznymi są miedź i aluminium oraz ich stopy. Rzadziej mamy do czynienia z magnezem, cynkiem, cyną i ołowiem. Czyste metale nieżelazne mają ograniczone zastosowanie, dlatego częściej wykorzystuje się stopy techniczne. Ogólnie stopy metali nieżelaznych można podzielić na odlewnicze i do obróbki plastycznej.

Miedź jest metalem plastycznym o barwie czerwonozłotej. Łatwo daje się kuć i walcować. Ze względu na swoje właściwości znalazła szerokie zastosowanie w przemyśle elektrotechnicznym i chemicznym. Czysta miedź jest trudno skrawalna ze względu na dużą ciągliwość i plastyczność.

Spośród stopów technicznych najbardziej rozpowszechnione są mosiądze i brązy.

Mosiądz jest stopem miedzi z cynkiem, przy czym miedzi może być od 55% do 85%. Nie spotyka się mosiądzów, które zawierałyby więcej niż 45% cynku, ponieważ stop taki jest bardo kruchy i nie nadaje się do technicznego zastosowania. Z mosiądzu zawierającego 20% cynku wytwarza się wyroby przemysłu artystycznego oraz tanią biżuterię; dawniej stop taki nazywano tombakiem. Mosiądz jest odporny na korozję, jest plastyczny, daje się dobrze odlewać i jest łatwo skrawalny. W skład mosiądzu oprócz cyny może także wchodzić aluminium, nikiel, ołów, cyna oraz krzem i mangan. Mosiądze odlewnicze są stopami wieloskładnikowymi, natomiast stopy do obróbki plastycznej zawierają mniejszą ilość składników stopowych, gdyż większa ilość niektórych dodatków pogarsza właściwości plastyczne stopu. Dodatek ołowiu i krzemu wpływa na poprawę właściwości odlewniczych, a aluminium, mangan i żelazo zwiększają jego wytrzymałość. Wzrost zawartości cynku zwiększa wytrzymałość mechaniczną mosiądzu i jego plastyczność. Najbardziej plastyczny jest mosiądz zawierający 30% cynku, natomiast największą wytrzymałość ma stop z zawartością 45% tego składnika. Elementy mosiężne można łatwo łączyć zarówno lutami miękkimi, jak i twardymi, a także przez spawanie acetylenowe.

Z mosiężnych stopów odlewniczych wykonuje się części maszyn dla przemysłu komunikacyjnego i okrętowego oraz elementy maszyn, które powinny być odporne na ścieranie. Mosiądze do obróbki plastycznej są stosowane w postaci odkuwek, prętów, rur i kształtowników oraz wykonuje się z nich m.in. elementy armatury hydraulicznej i kotłowej.

Brąz, czyli stop miedzi z cyną, jest odporny na działanie czynników atmosferycznych i słabych kwasów, jest łatwo obrabialny i daje się dobrze odlewać. Brąz zawiera do 11% cyny oraz takie metale jak aluminium, żelazo, mangan, ołów. W zależności od nazwy głównego, dodatkowego składnika stopowego otrzymujemy brązy cynowe, aluminiowe, krzemowe, manganowe i inne. Rodzaj i ilość składnika stopowego ma decydujący wpływ na zastosowanie stopu. Podobnie jak w mosiądzu dodatek ołowiu poprawia lejność stopu, a aluminium, żelazo, mangan i nikiel polepszają właściwości mechaniczne. Z wieloskładnikowych brązów odlewniczych wykonuje się m.in. panewki i tuleje łożysk ślizgowych (brązy ołowiowe), armaturę dla przemysłu chemicznego i okrętowego oraz części maszyn i osprzęt pracujący w środowisku sprzyjającym korozji. Brązy aluminiowe są stosowane na sprężyny, gniazda zaworów i części narażone na ścieranie. Z brązów fosforowych wykonuje się tuleje wałów rozrządu i korbowodów. Brązy z dodatkiem cynku, krzemu i manganu służą do produkcji m.in. tulei kół przesuwnych skrzyni biegów.

Aluminium i jego stopy

Aluminium jest metalem o barwie srebrzystobiałej, odpornym na wpływy atmosferyczne i działanie słabych kwasów. Odznacza się dobrą przewodnością elektryczną i cieplną. Nadaje się do obróbki plastycznej jest ciągliwe i można je łatwo odlewać. Czyste aluminium ma ograniczone zastosowanie, głównie dlatego że jest mało wytrzymałe. Dla ścisłości należy wyjaśnić, że aluminium to stop glinu. Stosowane jest na przewody elektryczne, do wyrobu foli, jako składnik farb. Dużo większe znaczenie mają stopy aluminium, które z uwagi na ich małą gęstość zaliczamy do stopów lekkich. W stopach aluminiowych najczęściej stosowanym dodatkiem jest miedź, krzem, magnez, mangan, nikiel i cynk. Dodatki stopowe zwiększają wytrzymałość, odporność na korozję i polepszają obrabialność. Stopy aluminium dzieli się na stopy odlewnicze i stopy do przeróbki plastycznej.

Głównymi składnikami odlewniczych stopów aluminium są: krzem, miedź, magnez, czasami dodaje się również mangan, nikiel i tytan (rys. 2.1). Stop zawierający 20–23% krzemu oraz niewielkie ilości innych składników nazywamy Silusilem, który stosowany jest na wysoko obciążone tłoki silników spalinowych odlewane pod ciśnieniem. Jeżeli stop aluminium zawiera 10–13% krzemu, to nazywany jest Siluminem. Jest to stop najbardziej rozpowszechniony wśród wszystkich stopów aluminium. Z Siluminu wykonuje się odlewy części maszyn o skomplikowanych kształtach, średnio obciążone, pracujące w podwyższonych temperaturach i odporne na korozję nawet w morskiej wodzie. Charakteryzuje się dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi i dobrą spawalnością. Stopy aluminium z miedzią wykazują dobre właściwości odlewnicze i znaczną odporność na korozję; wadą tego stopu jest natomiast skłonność do pęknięć na gorąco. Stop aluminium z dodatkiem 4–5% miedzi jest wykorzystywany do wyrobu galanterii stołowej oraz na odlewy wymagające dobrej lejności i plastyczności. Odlewane części maszyn, które powinnywyróżniać się wysoką odpornością na korozję, wykonuje się ze stopu aluminium z magnezem.

Rys. 2.1. Stopy odlewnicze aluminium [GAR11]

Stopy aluminium przeznaczone do przeróbki plastycznej zawierają procentowo mniejsze ilości dodatków stopowych w porównaniu ze stopami odlewniczymi (rys. 2.2). Jest to podyktowane tym, że większa ilość dodatków stopowych pogarsza właściwości plastyczne stopu. Podstawowe składniki stopów do przeróbki plastycznej to: magnez, miedź, mangan i krzem. Stop aluminium zawierający do 1,2% Mg stosuje się do obróbki plastycznej na zimno i na gorąco i dobrze nadaje się do spawania. Jest odporny na korozję i na działanie wody morskiej. Ze stopu tego wykonuje się części kute w matrycach i tłoczone, elementy urządzeń stosowanych w przemyśle chemicznym i spożywczym. Stopy aluminium zawierające do 5% magnezu nazywane są Hydronalium. Duże zastosowanie przemysłowe znalazły wieloskładnikowe stopy zwane duralami. Wykonuje się z nich obciążone elementy konstrukcji w przemyśle lotniczym i samochodowym. Jest to stop lekki, dający się łatwo odlewać, kuć, walcować i wyciągać. Wykazuje dużą odporność na korozję, małą rozszerzalność cieplną i dobrą wytrzymałość po utwardzeniu w procesie obróbki cieplnej.

Rys. 2.2. Stopy aluminium do przeróbki plastycznej [GAR11]

Aluminium jest ogólnie uważane za łatwo skrawalne. Podczas obróbki występujące siły skrawania są około 3-krotnie mniejsze w porównaniu z obróbką stali o tej samej wytrzymałości. Ze względu na stosunkowo dużą objętość wiórów aluminium kształt tych wiórów ma duże znaczenie. Zależy on od rodzaju stopu Al, parametrów obróbki i od geometrii ostrza narzędzia. Trwałość narzędzia skrawającego zmienia się w dość szerokim zakresie, w zależności od składników stopu. O trwałości narzędzia decyduje zużycie ścierne powierzchni przyłożenia, które dominuje w ogólnym zużyciu narzędzia.

Stop aluminium do przeróbki plastycznej można obrabiać narzędziami ze stali szybkotnącej i narzędziami ze spiekanych stopów twardych (węgliki spiekane). Trwałość tych narzędzi podczas obróbki stopów Al jest wysoka (od kilkunastu do kilkudziesięciu godzin). Czyste aluminium i jego stopy w stanie miękkim tworzą narosty na ostrzach, zwłaszcza przy obróbce z małymi prędkościami skrawania. Narost na wierzchołku ostrza zmienia jego geometrię i przyczynia się do wzrostu temperatury wskutek tarcia. W związku z tym należy liczyć się uzyskaniem gorszej jakości powierzchni. Zjawiska tego można uniknąć przez zastosowanie większych prędkości skrawania, większego kąta natarcia (nawet do 45°) oraz przez zastosowanie odpowiedniej cieczy chłodząco-smarującej.

Stopy odlewnicze aluminium bez krzemu pod względem skrawalności zachowują się podobnie jak stopy Al do przeróbki plastycznej. Stopy odlewnicze zawierające do 12% krzemu wykazują, wraz ze wzrastającą zawartością Si, gorszą skrawalność. Twarde i kruche wtrącenia poprawiają łamliwość wióra, ale także zwiększają zużycie narzędzi. Wybór materiału narzędzia zależy od parametrów skrawania i od metody obróbki. Jeżeli zawartość krzemu w stopie Al przekracza 12%, to do jego obróbki należy wybrać narzędzie ze spiekanych stopów twardych lub narzędzie ze spieku diamentowego. Uzyskuje się wówczas podczas obróbki korzystny kształt wiórów i dobrą jakość obrobionej powierzchni.

Magnez i jego stopy

Magnez jest metalem bardzo lekkim, lżejszym od aluminium, jego ciężar właściwy wynosi 1,75 Mg/m³, a temperatura topnienia 650°C. Jest bardzo aktywny chemicznie, łatwo się utlenia, ale jego właściwości mechaniczne i plastyczne są niskie. Wytrzymałość na rozciąganie magnezu wynosi ok. 245 MPa, a twardość ok. 35 HB. Z tych względów jest stosowany w technice głównie w postaci stopów lub jako dodatek do stopów. Z uwagi na jego właściwości chemiczne jest używany w metalurgii jako modyfikator stopów lub środek redukujący i odtleniający (tab. 2.2). Ogólnie stopy magnezu można podzielić na stopy odlewnicze i do obróbki plastycznej.

Głównym składnikiem stopów z magnezem jest aluminium, którego zawartość w stopie waha się w granicach 3–11%, przy czym większe ilości odpowiadają stopom odlewniczym. Stopy te mogą zawierać również cynk, który poprawia lejność (do 5,5%), mangan powodujący wzrost wytrzymałości i zwiększający odporność na korozję oraz umożliwiający spawanie (do 2,5%) oraz cer i cyrkon. Dodatek do stopu ceru i cyrkonu poprawia wytrzymałość w podwyższonych temperaturach. Stopy magnezy z aluminium noszą nazwę elektronów. Są to stopy bardzo lekkie, odporne na działanie czynników atmosferycznych i niektórych czynników chemicznych. Ze stopami tymi należy obchodzić się bardzo ostrożnie podczas obróbki skrawaniem; nie można ich chłodzić wodą, ponieważ w połączeniu z tlenem tworzą substancję wybuchową. Przy skrawaniu magnezu lub jego stopów może nastąpić ich samozapłon. Do gaszenia należy używać suchego piasku, nigdy wody.

Odlewy wykonane ze stopów magnezu wykonuje się najczęściej w formach pod ciśnieniem i w atmosferze obojętnej. Atmosferę ochronną trzeba stosować również przy obróbce cieplnej powyżej 300°C. Ponieważ są to stopy lekkie, znajdują zastosowanie szczególnie w przemyśle lotniczym oraz w takich urządzeniach, które powinny mieć niewielki ciężar. Inną cenną właściwością stopów magnezu jest duża szczelność wykonanych z niego elementów takich jak korpusy, pokrywy, części silników i agregatów. Stopy odlewnicze magnezu utrzymują swoje cenne właściwości do temperatury 120°C.

Stopy magnezu przeznaczone do obróbki plastycznej wykazują lepszą podatność w obróbce plastycznej na gorąco niż na zimno. W zależności od składu stopu obróbka plastyczna na gorąco może odbywać się w temperaturze od 230°C do 450°C. Ze stopów tych wykonuje się elementy konstrukcji lotniczych i samochodowych, które wykazują się dobrą spawalnością, skrawalnością oraz odpornością na korozję. Obecnie obowiązujące normy nie przewidują już stopów magnezu do obróbki plastycznej.

Tabela 2.2. Orientacyjny udział różnych zastosowań magnezu [DOB06]

Zastosowanie

Udział, %

Konstrukcyjne

odlewy matrycowe

11

15

odlewy grawitacyjne

1

produkty walcowane

3

Niekonstrukcyjne

dodatek stopowy w stopach Al

54

85

odsiarczanie

12

modyfikacja żeliwa

6

redukcja metali

4

chemikalia

3

inne

6

Ołów i jego stopy

Cechą charakterystyczną ołowiu jest jego mała wytrzymałość i bardzo dobre właściwości plastyczne. Daje się łatwo obrabiać plastycznie na zimno, jest podatny na skrawanie, można go lutować i spawać. Jest odporny na działanie niektórych środowisk chemicznych. Najszersze zastosowanie stopy ołowiu znalazły w elektrotechnice, w przemyśle chemicznym i spożywczym. W technice stosuje się je jako spoiwa do lutowania, jako stopy drukarskie i stopy łożyskowe. Składnikami stopów z ołowiem są najczęściej antymon, cyna i miedź. Wykonuje się z niego powłoki izolacyjne kabli energetycznych, podkładki, uszczelki, rury, blachy, folie, części składowe akumulatorów.

Dużą rolę w technice odgrywają stopy łożyskowe, które są stosowane na panewki łożysk ślizgowych (tab. 2.3). Głównymi składnikami tych stopów są: ołów, cyna, antymon, miedź, arsen, kadm, nikiel, chrom. Stop łożyskowy ma strukturę dwuelementową. Podstawą jest podatna osnowa zbudowana z cyny lub ołowiu, której zadaniem jest przenoszenie obciążeń udarowych i dopasowanie się panewki do czopa wału. W tej osnowie rozłożone są równomiernie twarde wtrącenia kryształów antymonu lub miedzi, które są odporne na ścieranie. Stopy łożyskowe cechują się niskim współczynnikiem tarcia pomiędzy czopem wału a panewką, dużą odpornością na naciski powierzchniowe oraz małym zużyciem powierzchni współpracujących. Powinny także charakteryzować się zdolnością do odprowadzania ciepła. Warunki te mogą być spełnione tylko w przypadku sprawnie działającego smarowania.

Współcześnie łożyska ślizgowe wytwarza się często z taśm bimetalowych. Łożyska te mogą mieć postać półpanewek, tulei zwijanych, pierścieni oraz półpierścieni oporowych i różnego rodzaju segmentów ślizgowych. Na podłoże, najczęściej z taśmy stalowej, napieka się warstwę ślizgową. Warstwy ślizgowe wytwarza się zwykle z brązu ołowiowego. Taśmę stalową przed napiekaniem pokrywa się galwanicznie warstwą miedzi. Po spieczeniu obu warstw taśmę się walcuje, a następnie tnie na odpowiednie odcinki i wygina w kształt półpanewek.

Tabela 2.3. Główne zastosowanie stopów łożyskowych (wybrane przykłady) [GÓR84]

Znak

Cecha stopu

Przykład zastosowania

Warunki pracy łożyska

SnSb8Cu3

Ł89

wylewanie odśrodkowe taśm bimetalowych na panewki łożysk ślizgowych pracujących przy obciążeniach dynamicznych i statycznych i przy dużym natężeniu pracy, prędkość obwodowa czopu ponad 1000 m/min

obciążenia statyczne i dynamiczne,

nacisk do 10 MPa,

prędkość obwodowa powyżej 5 m/s

SnSbCu6

Ł83

wylewanie panewek łożysk ślizgowych pracujących przy obciążeniach dynamicznych i statycznych i przy dużym natężeniu pracy, średnie prędkości obwodowe

obciążenia statyczne i dynamiczne,

nacisk do 10 MPa,

prędkość obwodowa powyżej 3 m/s

PbSn16Sb16Cu2

Ł16

panewki łożysk pracujących przy średnim natężeniu pracy, średnie lub duże prędkości obwodowe

obciążenie statyczne,

nacisk do 10 MPa,

prędkość obwodowa powyżej 1,5 m/s

PbSn6Sb6

Ł6

wylewanie taśm bimetalowych na panewki łożysk samochodowych pracujących przy obciążeniach uderzeniowych o dużym natężeniu pracy tylko do grubości warstwy stopu poniżej 0,5 mm

obciążenia uderzeniowe jak w silnikach gaźnikowych samochodowych

* * *

Stopy metali nieżelaznych oznacza się w dość prosty sposób za pomocą symboli chemicznych składników stopu oraz ich procentowej zawartości w liczbach całkowitych. Na pierwszym miejscu znajduje się symbol podstawowego składnika, następnie pozostałe składniki w kolejności od największej zawartości do najmniejszej. Nie podaje się procentowej zawartości składnika podstawowego ani ilości tych składników, których jest mniej niż 1%. Na przykład symbol CuZn25Al16Mn3Fe oznacza mosiądz o zawartości 25% cynku, 16% aluminium, 3% manganu i nie więcej jak 1% żelaza, a pozostała część to miedź (ok. 55%).

Tabela 2.4. Ważniejsze stopy metali nieżelaznych [MAC99]

Nazwa

Stop

Zawartość podstawowych składników

Temperatura topnienia °C

Brąz cynowy

miedź z cyną

6–20% cyny

930–1050

Brąz ołowiowy

miedź z ołowiem

30% ołowiu

980

Brąz aluminiowy (brązal)

miedź z aluminium

do 11% aluminium

1050

Mosiądz

miedź z cynkiem

30–40% cynku

890–1000

Stopy z aluminium

aluminium z krzemem, miedzią

1–11% krzemu

0,5–6% miedzi

530–640

Stopy magnezu

magnez z aluminium, cynkiem, krzemem, manganem

3–10%aluminium

1–3% cynku

610–650

Stopy cynku

cynk z aluminium, miedzią

3–6% aluminium

1–3% miedzi

380–410

Stopy łożyskowe

na osnowie cynowej

11% antymonu

6% miedzi

232–350

na osnowie ołowiowej

12% antymonu

2% miedzi

180–450

Spoiwa

do lutowania

ołowiowo-cynowe (miękkie)

18–90% cyny

42–54% miedzi

50% cynku

183–243

mosiężne (twarde)

845–890

Tabela 2.5. Zastosowanie stopów metali nieżelaznych [MAC99]

Stopy

Zastosowanie

Brązy cynowe

druty, blachy, rury; części maszyn narażonych na ścieranie i pracujące przy zmiennych obciążeniach dynamicznych

Brązy ołowiowe

stopy na panewki łożysk; części maszyn dla przemysłu chemicznego

Brązale

części maszyn o dużej wytrzymałości i narażone na korozję

Mosiądze

odlewane części armatur, łożysk; pręty, blachy, rury; części elektrotechniczne

Stopy aluminium

części kadłubów, korpusy silników; odporne na korozję części samochodów; okucia

Stopy magnezu

części samolotów i okrętów odporne na korozję

Stopy cynku

armatura, okucia, części aparatów elektrycznych

Stopy łożyskowe

stopy do wylewania łożysk ślizgowych w pojazdach samochodowych i wagonowych

Spoiwa ołowiowo-cynowe

do lutowania cynkowych, mosiężnych, cynowanych, w przemyśle spożywczym, samochodowym, elektrycznym i budowy maszyn

Stopy mosiężne

do lutowania mosiądzu, brązów, stali; do robót precyzyjnych

Literatura pomocnicza: [FIG15], [GÓR84], [MAC99], [GAR11]

Trochę historii

Otrzymywanie stopów metali

Warsztaty metalurgiczne w XVI w. Przygotowanie rudy do wytopu i jej wytop. Wg Georgii Agricolae de re Metallica Libri XII, Basileae MDLVI [1556], k. 308

(Źródło: https://histmag.org/Od-sikawki-recznej-do-sikawki-parowej-czyli-jak-kiedys-gaszono-pozary-14413)

2.3. Materiały konstrukcyjne niemetalowe

W pracy ślusarskiej często ma się do czynienia z niemetalowymi materiałami konstrukcyjnymi. Do najczęściej spotykanych tworzyw należy zaliczyć drewno, tworzywa sztuczne, materiały kompozytowe, gumę, materiały ceramiczne, szkło i inne.

Ślusarz powinien znać podstawowe właściwości tych materiałów, podatność na obróbkę, zastosowanie.

Tworzywa sztuczne

Tworzywa sztuczne są to wielocząsteczkowe substancje organiczne, którym w procesie technologicznym można nadawać dowolne kształty. Są one produkowane na bazie polimerów z dodatkiem środków utwardzających, napełniaczy, stabilizatorów, barwników i innych, które nadają im określone właściwości użytkowe. Tworzywa sztuczne mają cenne właściwości mechaniczne i technologiczne, dzięki którym znajdują szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach techniki. Do najważniejszych zalet tworzyw sztucznych należy zaliczyć m.in.:

• małą gęstość,

• dobre właściwości wytrzymałościowe,

• odporność chemiczną

• odporność na ścieranie,

• plastyczność,

• odporność na działanie czynników atmosferycznych,

• właściwości elektroizolacyjne,

• łatwość formowania wyrobów nawet o skomplikowanych kształtach,

• estetyczny wygląd.

Do wad tworzyw sztucznych należy niższa wytrzymałość i twardość w porównaniu z metalami i ich stopami oraz mała odporność na działanie podwyższonej temperatury.

W zależności od właściwości chemicznych rozróżnia się tworzywa termoplastyczne, termoutwardzalne i chemoutwardzalne.

Tworzywa termoplastyczne każdorazowo pod wpływem działania podwyższonej temperatury stają się miękkie, a po jej obniżeniu na powrót stają się twarde i sztywne. Właściwość ta pozwala na wielokrotną przeróbkę tych tworzyw. Do najważniejszych tworzyw termoplastycznych należy zaliczyć: polietylen, polipropylen, polichlorek winylu, polistyren, polimetakrylan metylu, poliamidy.

Tworzywa termoutwardzalne podczas ogrzewania początkowo miękną, ale przetrzymane w tej temperaturze stają się nieodwracalnie twarde. Nie można ich powtórnie przerobić. Tworzywa termoutwardzalne można podzielić na dwie grupy. Pierwsza grupa to fenoplasty, do której należą m.in. bakelity i laminaty fenolowe. Drugą grupę tworzyw termoutwardzalnych tworzą aminoplasty, które występują pod takimi nazwami handlowymi jak: Melolak, Karbadur, Polamin oraz liczne laminaty techniczne.

Do tworzyw chemoutwardzalnych zaliczamy żywice poliestrowe i epoksydowe. Obie te żywice znajdują wszechstronne zastosowanie w wielu dziedzinach techniki.

W porównaniu z metalami tworzywa sztuczne są bardzo ławo skrawalne. Jednak właściwości materiałowe tworzyw sztucznych powodują, że podczas ich obróbki powinny być spełnione określone warunki. Ostrza narzędzi skrawających powinny być ostre oraz należy dbać o właściwe odprowadzenie wiórów, aby uniknąć spiętrzeń ciepła. Podczas wiercenia i gwintowania, gdy wytwarza się duża ilość ciepła, należy stosować zwykłe środki chłodzące lub emulsję wiertarską. Przy obróbce tworzyw mających skłonność do pękania naprężeniowego, jak na przykład poliwęglan, należy używać do chłodzenia wody albo sprężonego powietrza.

W tabeli 2.6 podano przykłady zastosowań niektórych tworzyw sztucznych.

Tabela 2.6. Przykłady zastosowań niektórych tworzyw sztucznych

Nazwa

Zakres zastosowań, zakres temperatur pracy

Fenoplasty

nisko obciążone części maszyn, korpusy przyrządów, części elektrotechniczne

Polimetakrylan metylu (szkło organiczne)

soczewki optyczne, oszklenie w transporcie i lotnictwie; (–60)–100°C

Polipropylen

rury, części motoryzacyjne, opakowania; (–20)–130°C

Polistyren

sprzęt radiotechniczny, elektroizolacje, styropian;

(–40)–65°C

Teflon

przemysł chemiczny, elektrotechniczny, maszynowy (łożyska); (–269)–260°C

Poliwęglany

precyzyjne części maszyn i aparatury, elektrotechnika;

(–100)–135°C

Szkłotekstolit

części obciążonych konstrukcji, korpusy, zbiorniki, elektroizolacja

Tekstolit

koła zębate, tulejki, łożyska ślizgowe, części maszyn i konstrukcji, elektrotechnika

Drewno

Drewno jest naturalnym surowcem pochodzącym ze ściętych drzew. Ma budowę komórkową, jest porowate i włókniste. W zależności od gatunku drewna jego porowatość wynosi od 10% do nawet 90%. Pod względem składu chemicznego drewno zbudowane jest głównie z następujących pierwiastków: węgla, wodoru, tlenu oraz w mniejszych ilościach z azotu fosforu, siarki, żelaza. W przekroju poprzecznym pnia drzewnego wyróżnia się: rdzeń, twardziel, biel, miazgę, łyko i korę (rys. 2.3). Rdzeń jest najbardziej miękką i porowatą częścią drzewa i nie ma zastosowania praktycznego.

Rys. 2.3. Przekrój poprzeczny pnia drzewa

(Źródło: http://www.ilovebonsai.pl)

Ze względu na pochodzenie drewno dzieli się na iglaste i liściaste. Spośród drewna iglastego techniczne znaczenie ma drewno sosny, jodły, świerku, modrzewia, cedru i cisu. Najważniejsze gatunki drewna liściastego to: dąb, grab, buk, wiąż, jesion, klon, brzoza, orzech, akacja. W praktyce wykorzystuje się także surowiec z drzew owocowych: gruszę, jabłoń, wiśnię. Właściwości fizyczne i mechaniczne drewna zależą od jego gatunku, porowatości, wilgotności oraz od kierunku położenia włókien podczas badań. Przy zastosowaniu drewna jako materiału konstrukcyjnego istotne znaczenie ma twardość, łupliwość i trwałość. Ze względu na twardość wyróżnia się pięć stopni: drewno bardzo miękkie, miękkie, średnio twarde, twarde, bardzo twarde i niewiarygodnie twarde. Do badania twardości drewna stosuje się metodę Janki, a twardość oznacza się symbolem HJ (tab. 2.7). Łupliwość to podatność drewna na rozdzielenie wzdłuż włókien. Najbardziej podatne są: jodła, sosna, świerk. Trwałość jest to odporność na działanie czynników atmosferycznych, czasu i mikroorganizmów. Trwałość przedmiotów użytecznych wykonanych z drewna można polepszyć poprzez impregnację różnymi preparatami.

Tablela 2.7. Klasy twardości drewna wg Janki

Klasa

Twardość drewna

Zakres kG/cm²

Zakres MPa

Przykładowe gatunki

I

bardzo miękkie

poniżej 350

poniżej 34,3

balsa, osika, topola, wierzba, świerk, jodła, limba

II

miękkie

350–500

34,3–49,0

lipa, sosna, modrzew, brzoza

III

średnio twarde

500–650

49,0–63,7

dąb szypułkowy, sosna czarna, wiąz, orzech

IV

twarde

650–1000

63,7–98,1

jesion, jotoba, teak, majau

V

bardzo twarde

1000–1500

98,1–147,1

grab, grochodrzew (robinia), palisander, cis

VI

niewiarygodnie twarde

powyżej 1500

powyżej 147,1

quebracho, heban, kokos, gwajak

Zanim świeżo ścięte drzewo będzie się nadawało do obróbki, powinno być suszone przez kilka miesięcy i powinno zawierać 15–20% wilgoci. Wilgotność drewna ma duże praktyczne znaczenie, ponieważ zbyt duże wysuszenie drewna powoduje spadek jego właściwości wytrzymałościowych, może ono pękać i się wypaczać. Gęstość krajowych gatunków drewna w stanie wilgotności powietrznosuchej (poziom wilgotności 15%) zawiera się w granicach od 400 do 800 kg/m³.

Drewno jest materiałem ekologicznym i przyjaznym dla środowiska człowieka. Jest powszechnie stosowane w budownictwie i w wielu innych gałęziach przemysłu. W praktycznym zastosowaniu najczęściej występuje jako:

• tarcica: deski, bale, krawędziaki, listwy, łaty,

• forniry i okleiny: to cienkie płyty drewniane z różnych gatunków drzew o grubości do kilku mm, służą do pokrywania płyt wykonanych z mniej szlachetnych gatunków drzew,

• sklejki: to płyty sklejane z nieparzystej liczby fornirów, od 3 do kilkunastu warstw i o grubości 4–20 mm,

• płyty pilśniowe: produkowane z włókien drzewnych z dodatkiem żywic,

• płyty wiórowe, trocinowe i paździerzowe: otrzymywane poprzez sklejanie pod ciśnieniem trocin, wiórów i paździerzy,

• drewno warstwowe: otrzymywane poprzez sklejenie wodoodpornym klejem syntetycznym cienkich warstw drewna pod ciśnieniem 20 MPa w płyty o grubości do 120 mm: z drewna takiego wykonuje się niektóre części maszyn,

• drewno prasowane: otrzymywane przez prasowanie pod ciśnieniem do 40 MPa w temperaturze od 70 do 160°C; tak utwardzone drewno ma dużą wytrzymałość i twardość i małą gęstość; z drewna prasowanego wykonuje się specyficzne części maszyn.

Podatność gatunków drewna na skrawanie jest zróżnicowana. Znaczne różnice występują podczas skrawania miękkich gatunków drewna (lipa, osika, świerk, sosna, olcha, modrzew) i gatunków twardych (brzoza, buk, dąb, jesion). Dla gatunków twardych wartość siły skrawania może być nawet dwukrotnie większa od niezbędnej siły skrawania do obróbki drewna miękkiego.

Wpływ wilgotności drewna na wartość siły skrawania nie jest znaczny i zależy od sposobu obróbki skrawaniem. Podczas piłowania i wiercenia otworów wraz ze wzrostem wilgotności drewna zwiększa się siła skrawania, a jednocześnie zmniejszająca się po obróbce wilgotność powoduje szorstkość obrabianej powierzchni. Różnice w budowie drewna wzdłuż i w poprzek włókien istotnie wpływają na obróbkę skrawaniem drewna litego. Ze względu na usytuowanie względem kierunku włókien w skrawanym elemencie przemieszczającego się ostrza narzędzia wyróżnia się: skrawanie wzdłuż włókien, skrawanie w poprzek włókien i skrawanie czołowe, które jest najbardziej uciążliwe.