Dobieranie materiałów konstrukcyjnych, narz ędziowych i …zsmi.pl/wp-content/uploads/2012/10/Dobieranie... · 2013-12-10 · „Dobieranie materiałów konstrukcyjnych, narzędziowych

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MINISTERSTWO EDUKACJI NARODOWEJ Marceli Konfederak Dobieranie materiałów konstrukcyjnych, narzędziowych i eksploatacyjnych 722[02].O1.05 Poradnik dla ucznia Wydawca Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy Radom 2007

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 1

Recenzenci:

mgr inŜ. Łucja Zielińska

mgr inŜ. Marian Cymerys

Opracowanie redakcyjne: mgr inŜ. Paweł Krawczak Konsultacja: mgr Małgorzata Sienna

Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 722[02].O1.05 „Dobieranie materiałów konstrukcyjnych, narzędziowych i eksploatacyjnych”, zawartego w modułowym programie nauczania dla zawodu operator obrabiarek skrawających.

Wydawca Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007


SPIS TREŚCI

1. Wprowadzenie 4 2. Wymagania wstępne 6 3. Cele kształcenia 7 4. Materiał nauczania 8

4.1. Właściwości fizyczne, chemiczne, mechaniczne i technologiczne metali i stopów

8

4.1.1. Materiał nauczania 4.1.2. Pytania sprawdzające 4.1.3. Ćwiczenia 4.1.4. Sprawdzian postępów

8 11 12 12

4.2. Stale niestopowe (węglowe), wpływ węgla na właściwości stali, klasyfikacja stali, znakowanie stali

13


13 24 24 25

4.3. Stale stopowe: wpływ dodatków stopowych na właściwości stali, klasyfikacja stali, znakowanie stali

26


26 32 32 33

4.4. Staliwo. śeliwo 34 4.4.1. Materiał nauczania 4.4.2. Pytania sprawdzające 4.4.3. Ćwiczenia 4.4.4. Sprawdzian postępów

34 42 43 43

4.5. Metale nieŜelazne i ich stopy: właściwości, znakowanie, zastosowanie 44 4.5.1. Materiał nauczania 4.5.2. Pytania sprawdzające 4.5.3. Ćwiczenia 4.5.4. Sprawdzian postępów

44 49 49 50

4.6. Wyroby hutnicze 51 4.6.1. Materiał nauczania 4.6.2. Pytania sprawdzające 4.6.3. Ćwiczenia 4.6.4. Sprawdzian postępów

51 55 56 56

4.7. Rodzaje i zastosowanie tworzyw sztucznych 57 4.7.1. Materiał nauczania 4.7.2. Pytania sprawdzające 4.7.3. Ćwiczenia 4.7.4. Sprawdzian postępów

57 63 63 64

4.8. Materiały z proszków spiekanych. Materiały ceramiczne. Materiały uszczelniające. Materiały lakiernicze. Drewno, szkło, guma 65 4.8.1. Materiał nauczania 4.8.2. Pytania sprawdzające 4.8.3. Ćwiczenia 4.8.4. Sprawdzian postępów

65 70 70 71


5. Sprawdzian osiągnięć 72 6. Literatura 77


1. WPROWADZENIE

Poradnik ten będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy o materiałach konstrukcyjnych, ich właściwościach, oznaczeniu i doborze.

W poradniku zamieszczono: – wymagania wstępne określające umiejętności, jakie powinieneś posiadać, abyś mógł bez

problemów rozpocząć pracę z poradnikiem, – cele kształcenia, czyli wykaz umiejętności, jakie opanujesz w wyniku realizacji

kształcenia jednostki modułowej, – materiał nauczania, czyli wiadomości teoretyczne konieczne do opanowania treści

jednostki modułowej, – zestaw pytań sprawdzających, aby sprawdzić, czy opanowałeś juŜ podane treści, – ćwiczenia zawierające polecenia, sposób wykonania oraz wyposaŜenie stanowiska pracy,

które pozwolą Ci ukształtować określone umiejętności praktyczne, – sprawdzian postępów pozwalający sprawdzić Twój poziom wiedzy po wykonaniu

ćwiczeń, – sprawdzian osiągnięć opracowany w postaci testu, który umoŜliwi Ci sprawdzenie

Twoich wiadomości i umiejętności opanowanych podczas realizacji programu danej jednostki modułowej,

– literaturę związaną z programem jednostki modułowej umoŜliwiającą pogłębienie Twej wiedzy z zakresu programu jednostki. Materiał nauczania został podzielony na kilka części części. Znajdziesz w nich informacje

na temat właściwości metali, rodzajach i oznaczeniach stali, staliwa i Ŝeliwa. W kolejnych informacje o metalach kolorowych i ich stopach. Dalsze dotyczą materiałów niemetalowych takich jak tworzywa sztuczna, materiały uszczelniające, lakiery, drewno, szkło i guma.


Schemat układu jednostek modułowych

722[02].O1.01 Przestrzeganie przepisów bezpieczeństwa

i higieny pracy, ochrony przeciwpoŜarowej i ochrony środowiska

722[02].O1.04 Wykonywanie pomiarów

warsztatowych

722[02].O1.03 Wykonywanie rysunków części maszyn

z wykorzystaniem programu CAD

722[02].O1.07 Rozpoznawanie części maszyn,

mechanizmów i urządzeń transportu

wewnątrzzakładowego

722[02].O1 Techniczne podstawy zawodu

722[02].O1.02 Posługiwanie się

dokumentacją techniczną

722[02].O1.06 RozróŜnianie cech

charakterystycznych obróbki cieplnej, cieplno- -chemicznej, plastycznej

i odlewnictwa

722[02].O1.05 Dobieranie materiałów

konstrukcyjnych, narzędziowych

i eksploatacyjnych


2. WYMAGANIA WST ĘPNE

Przystepując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć: − korzystać z róŜnych źródeł informacji, poradników i norm, − odczytywać informacje dotyczące materiałów podane na rysunkach, − analizować treść zadania, dobierać metody i plan rozwiązania, − komunikować się i pracować w zespole, − samodzielnie podejmować decyzje.


3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku procesu realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć: – sklasyfikować stopy Ŝelaza z węglem oraz stopy metali nieŜelaznych, – określić właściwości fizyczne, chemiczne, mechaniczne i technologiczne materiałów

metalowych i niemetalowych, – rozpoznać na podstawie oznaczenia: stal, staliwo, Ŝeliwo, metale nieŜelazne i ich stopy, – określić zastosowanie materiałów niemetalowych, – rozpoznać materiały niemetalowe, – dobrać na podstawie norm technicznych materiały na elementy konstrukcyjne, – posłuŜyć się PN, dokumentacją techniczną.


4. MATERIAŁ NAUCZANIA 4.1. Właściwości fizyczne, chemiczne, mechaniczne i technologiczne

metali i stopów 4.1.1. Materiał nauczania Materiały stosowane w budowie maszyn, dzieli się na metale i niemetale (tzw. metaloidy). RóŜnorodność grup, rodzajów, klas i gatunków materiałów niemetalowych jest znaczna i trudna do sklasyfikowania. Faza metaliczna, stan metaliczny to postać występowania materii w skondensowanych stanach skupienia tj. stałym i ciekłym, wyróŜnianą spośród innych ciał stałych i ciekłych ze względu na swoje specyficzne własności zanikające dopiero po przejściu w stan gazowy reprezentowana jest przez przewaŜającą większość (ponad 80) pierwiastków chemicznych, które ze względu na ich elektrododatni charakter zalicza się do pierwiastków metalicznych, a takŜe przez niezmiernie rozpowszechnione stopy i fazy międzymetaliczne tych pierwiastków. Faza metaliczna materii właściwa zarówno dla stopów metali, a takŜe związków międzymetalicznych uwarunkowana jest specyficznym charakterem wiązań metalicznych. Charakter ten wynika z budowy zewnętrznych powłok elektronowych pierwiastków elektrododatnich, charakteryzujących się łatwością uwolnienia i uwspólnienia (kolektywizacji) swych elektronów walencyjnych, nazywanych dlatego elektronami swobodnymi. Przejawem osłabionego związania elektronów walencyjnych z jądrem atomu są: niski potencjał jonizacyjny oraz występujący efekt fotoelektryczny i zjawisko emisji elektronów swobodnych w wyŜszych temperaturach. Odzwierciedleniem tych stosunków jest równieŜ specyficzna struktura krystaliczna metali występujących w warunkach normalnych w stanie stałym (z wyjątkiem rtęci). Charakteryzują się one wśród kryształów gęsto upakowaną strukturą sieci, w której węzły obsadzają wyłącznie dodatnie jony metali, natomiast wspólne dla całej sieci elektrony swobodne znajdują się w pobliŜu tych jonów i pozostają w ustawicznym chaotycznym ruchu (tzw. gaz elektronowy). Ze względu na taką budowę metale odznaczają się połyskiem i brakiem przezroczystości, maja duŜy cięŜar właściwy, są bardzo dobrymi przewodnikami ciepła i elektryczności, odznaczają się zarówno duŜą spręŜystością jak i zdolnością do plastycznych odkształceń wzdłuŜ płaszczyzn lub kierunków najgęstszego upakowania atomów, a więc do łatwych poślizgów. W odróŜnieniu od struktury wewnętrznej większość niemetali, zbudowanych co najmniej z dwóch rodzajów jonów lub jonoidów o przeciwnych znakach, w sieci metalicznej występuje tylko jeden lub kilka rodzajów jonów dodatnich metali. W metalach o własnościach półprzewodnikowych (np. Ge, Si) występują wiązania o charakterze częściowo metalicznym, a częściowo jonowym, wskutek czego przewodzą prąd elektryczny wyłącznie jednokierunkowo. W tym przypadku ich elektrony walencyjne noszą nazwę elektronów prawie swobodnych. Niektóre metale (np. Fe, Co) wykazują specyficzne właściwości magnetyczne. Klasyfikacja materiałów metalowych obejmuje: − metale, czyli czyste pierwiastki metaliczne, do których zalicza się m. in. aluminium,

chrom, cynę, cynk, kobalt, magnez, miedź, molibden, nikiel, ołów, platynę, srebro, sód, tytan, uran, wanad, wolfram, złoto, Ŝelazo i inne,


− stopy metali, czyli substancje metaliczne otrzymywane przez stopienie dwu lub więcej metali, do których często dodaje się pierwiastki niemetaliczne jak węgiel, krzem, siarkę, fosfor, azot itp.,

− spieki, czyli półwyroby lub wyroby gotowe otrzymywane metodami metalurgii proszków przez spiekanie składników metalowych i ceramicznych, metalowo-grafitowych, metalowo-diamentowych itp. Klasyfikacja stopów metali obejmuje:

− stopy Ŝelaza (z węglem), do których zalicza się głownie Ŝeliwo, staliwo i stal (najbardziej rozpowszechnione),

− stopy metali nieŜelaznych, do których zalicza się m. in. brąz, mosiądz itp. Większość metali nie jest uŜywana przez nas w postaci czystej, lecz jako stopy, których

co najmniej jednym składnikiem jest metal. Dzieje się tak, poniewaŜ czyste metale rzadko mają właściwości dostosowane do potrzeb, a moŜna je łatwo poprawić, stosując róŜnorakie dodatki.

Do właściwości chemicznych metali i stopów zalicza się odporność na korozje i działanie czynników chemicznych oraz na działanie temperatury. DuŜą odpornością na korozje odznaczają się niektóre metale takie jak: srebro, złoto, platyna i w mniejszym stopniu nikiel i chrom.

Do właściwości fizycznych zaliczamy: gęstość, temperaturę topnienia, temperaturę wrzenia, ciepło właściwe, przewodność cieplną i elektryczna, właściwości magnetyczne, rozszerzalność cieplną i wygląd zewnętrzny. Gęstość jest to stosunek masy ciała jednorodnego do objętości, wyraŜany w kg/m3 lub g/cm3. Stopy i metale lekkie, jak np.: lit, sód, magnez, aluminium i ich stopy, odznaczają się małą gęstością. DuŜą gęstość mają metale cięŜkie, jak np.: Ŝelazo, nikiel, miedź, wolfram, platyna i ich stopy.

Temperatura topnienia metali i ich stopów jest wyraŜana w stopniach Celsjuusza (°C). Wszystkie metale są topliwe, a poniewaŜ ich temperatura topnienia waha się w bardzo szerokich granicach, więc dzieli się je na łatwo topliwe, trudno topliiwe i bardzo trudno topliwe. Do metali łatwo topliwych, których temperatura topnienia wynosi do 650°C, zalicza się między innymi takie metale, jak: cynę, cynk, bizmut, kadm, magnez i ołów. Metale trudno topliwe mają temperaturę topnienia do 2000°C. Są to np.: chrom, kobalt, miedź, nikiel, platyna , Ŝelazo, molibden, tantal i wolfram. Metale mają stałą temperatura topnienia, natomiast temperatura topnienia większości stopów mieści się w pewnych zaakresach temperatury. Temperatura topnienia stopów metali jest zwykle niŜsza od temperatury topnienia składnika o najwyŜszej temperaturze topnienia.

Temperatura wrzenia dla większości metali jest dość wysoka. Do łatwo wrzących metali zalicza się kadm i cynk. Temperatura wrzenia kadmu wynosi 767°C, a cynku 907°C. Tę własność cynku wykorzystuje się w hutnictwie otrzymując czysty cynk przez odparowanie z rudy.

Ciepło właściwe jest to ilość ciepła pobierana (lub oddawana) przez 1 g danej substancji przy zmianie temperatury o 1°C. Ciepło właściwe zaleŜy od rodzaju substancji, temperatury i sposobu ogrzewania. Na ogół ciepło właściwe cieczy jest większe niŜ ciała stałego. Ciepło właściwe jest zawsze podawane wraz z zakresem temperatury, dla jakiej je określono.

Przewodnictwo cieplne jest jedną z charakterystycznych cech metali i stopów. Najlepszym przewodnikiem ciepła jest srebro, a następnie miedź, złoto i aluminium. Najgorzej natomiast przewodzi kadm, bizmut, antymon, ołów, tantal i nikiel. Miarą przewodnictwa cieplnego jest ilość ciepła, jaka przepływa przez przewodnik o długości 1 m o przekroju 1 m2 w ciągu 1 godziny przy róŜnicy temperatury 1°C.

Przewodnością elektryczną metali i stopów nazywamy zdolność przewodzenia prądu elektrycznego. Najlepszym przewodnikiem prądu jest srebro, a następnie miedź, złoto


i aluminium. Dlatego na przewody elektryczne uŜywa się miedzi lub aluminium, gdyŜ stawiają one najmniejszy opór przepływającemu prądowi elektrycznemu. Przewodność elektryczna maleje ze wzrostem temperatury przewodnika.

Właściwości magnetyczne metali i stopów polegają na zdolności magnesowania się. Najlepsze właściwości magnetyczne mają Ŝelazo, nikiel i kobalt, a ze stopów – stal. Z materiałów tych buduje się najlepsze magnesy trwałe.

Rozszerzalność cieplna metali i stopów przejawia się we wzroście wymiarów liniowych i objętości pod wpływem wzrostu temperatury i kurczeniu się podczas chłodzenia. Największą rozszerzalność cieplną wykazuje kadm, a najmniejszą wolfram. Zjawisko rozszerzalności cieplnej ma duŜe znaczenie praktyczne i musi być uwzględniane w konstrukcjach mostów, urządzeń pracujących w zmiennych temperaturach i silnikach cieplnych. Właściwości mechaniczne, najprościej rzecz ujmując określają odporność metalu na działanie róŜnych sił zewnętrznych.

Wytrzymałość jest określona jako stosunek największej wartości obciąŜenia uzyskanego w czasie próby wytrzymałościowej do pola powierzchni przekroju poprzecznego badanego elementu. W zaleŜności od rodzaju obciąŜeń rozróŜnia się wytrzymałość na rozciąganie, ściskanie, zginanie, skręcanie, ścinanie i wyboczenie.

Twardość określa odporność materiału na odkształcenia trwałe, powstające wskutek wciskania weń wgłębnika. Próby twardości dokonuje się sposobem: Brinella, Rockwella i Vickersa.

Udarność, czyli odporność materiałów na uderzenia, sprawdza się za pomocą próby udarności polegającej na złamaniu jednym uderzeniem młota wahadłowego próbki o określonym kształcie i wymiarach. Miarą udarności jest stosunek pracy zuŜytej na złamanie próbki do pola przekroju poprzecznego próbki. Próbie udarności poddaje się materiał przeznaczony na części, które są naraŜone na uderzenia lub nagłe obciąŜenia, a niekiedy nawet gotowe juŜ części. Właściwości technologiczne matali określa się jako ich przydatność do przetwarzana. Zaliczamy do nich lejność, plastyczność, skrawalność.

Lejność, czyli zdolność ciekłego metalu lub stopu do wypełniania formy odlewniczej, zaleŜy od składu chemicznego, struktury i temperatury ciekłego metalu. Dla określenia lejności stosuje się próbę odlewania spirali o znormalizowanych wymiarach. Im większa jest lejność metalu, tym dłuŜszy odcinek spirali zostanie w czasie odlewania wypełniony metalem. Z przetwarzaniem przez odlewanie, związane jest takŜe pojecie skurczu, który jest róznicą między wymiarem formy i odlewu mierzonym po upływie pewnego czasu, najczęściej 24h.

Plastyczność określa zdolność ciał stałych do osiągania znacznych odkształceń trwałych pod działaniem sił zewnętrznych bez naruszania spójności. Pojęciami z wiązanymi z plastycznościa są wydłuŜenie i przewęzenie czyli zmiany wymiarów jakim podlega element poddany działaniu sił. Inaczej – jest to przydatność metalu do obróbki plastycznej, czyli kucia, tłoczenia, walcowania itp.

Skrawalność to podatność materiału do obróbki skrawaniem, bada sie stosujac próby podczas których okresla się powierzchnie skrawana oraz rodzaj wiórów [1].

Właściowści fizyczne metalu, takie na przykład jak wytrzymałość, twardość, temperatura topnienia czy przewodność elektryczna i cieplna, zaleŜą od jego struktury krystalicznej. Ta zmienia się zaś, gdy dodajemy doń domieszki. Powstały w procesie mieszania stop ma strukturę róŜną od struktur swoich składników, róŜne są takŜe jego właściowści fizyczne. Niektóre stopy zawierają substancje niemetaliczne, jak węgiel, krzem czy fosfor, lecz większość składa się wyłącznie z metali. Jednym z najbardziej popularnych stopów jest stal – stop Ŝelaza i węgla. Stale stopowe natomiast są stopami stali z innymi pierwiastkami, przykładowo chromem, niklem, krzemem czy manganem. Zmieniają one strukturę stali tak, Ŝe


moŜliwe jest poddawanie jej róŜnym procesom pozwalającym nadać jej poŜądaną twardość, spręŜystość i wytrzymałość.

Właściwości wytworzonych wyrobów i elementów w znacznej mierze zaleŜą od materiałów, z których zostały wykonane. Optymalny dobór materiału, jak równieŜ prawidłowe określenie wymaganych właściwości, uzyskanych w procesach produkcji, stanowią istotne składniki procesu konstruowania. Dobór materiału powinien uwzględniać kryteria konstrukcyjne, technologiczne i ekonomiczne.

Kryterium konstrukcyjne wymaga zapewnienia odpowiednich właściowości gotowemu elementowi, gwarantujących jego funkcjonowanie, trwałość i niezawodność w określonych warunkach pracy.

Kryterium technologiczne polega na umoŜliwieniu wykonania części w jak najprostszy sposób, unikając procesów pracochłonnych, materiałochłonnych i energochłonnych.

Kryterium ekonomiczne sprowadza się do zasady stosowania materiału najtańszego i najbardziej dostępnego spośród materiałów spełniających pozostałe wymagania.

Materiały konstrukcyjne są produkowane i dostarczane w określonej postaci (odlewy, odkuwki, pręty, blachy, rury itp.). Postać materiału decydująco wpływa na technologiczność i ekonomiczność wykonywanej z niego części; często wpływa równieŜ na jej jakość. Przy doborze materiału jest konieczne określenie nie tylko jego rodzaju i gatunku, lecz takŜe postaci, stanu oraz innych wymagań. W normach dopuszcza się wybór rodzaju obróbki cieplnej, obróbki plastycznej, stanu powierzchni, tolerancji wymiarowych i wielu własności półwyrobów metalowych, których ustalenie podczas konstruowania części i umieszczenie w postaci wymagań na rysunku konstrukcyjnym w znacznym stopniu ułatwia uzyskiwanie załoŜonych własności gotowych elementów.

Szczegółowe wymagania oraz sposób ich podawania na rysunkach i w zamówieniach są określone w normach przedmiotowych dotyczących półwyrobów metalowych.

Charakterystyki materiałów konstrukcyjnych są ujęte nie tylko w normach (państwowe, branŜowe, zakładowe), lecz takŜe w warunkach technicznych, kartach materiałowych, poradnikach i broszurach wydawanych przez hutnictwo, wydawnictwach opracowywanych w ramach tzw. Banków informacji o materiałach oraz wydawnictwach instytutów i wyŜszych uczelni. Korzystanie z tej obszernej dokumentacji wymaga duŜego doświadczenia oraz wiedzy metaloznawczej. Dlatego dobór materiału oraz procesów technologicznych mających na celu nadanie częściom określonych własności powinien być konsultowany ze specjalistami z dziedziny metaloznawstwa, obróbki cieplnej, przeróbki plastycznej itp.

Konstrukcyjne materiały metalowe z wyjątkiem odlewów i proszków spiekanych są produkowane w postaci półwyrobów przerobionych plastycznie na gorąco lub na zimno (kutych, walcowanych, ciągnionych, wyciskanych). Materiały takie wykazują anizotropię, róŜnicę właściwości mechanicznych w zaleŜności od kierunku przeróbki plastycznej, co powinno być uwzględnione przy ich wykorzystaniu na określone elementy. 4.1.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Jakie są najwaŜniejsze cechy metali? 2. Jak klasyfikujemy materiały metalowe? 3. Jakie metale mają największą odporność na korozję? 4. Jakie są metody badania twardości? 5. Jakie są najwaŜniejsze kryteria doboru materiału?


4.1.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1

Elementy, które otrzymałeś, wykonane są z róŜnych materiałów, podziel je na dwie grupy metale i niemetale, scharakteryzuj krótko własności metali.

Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zastanowić się, czym charakteryzują się metale, 2) wypisać wszystkie cechy na kartce (burza mózgów – nie krytykując Ŝadnego z pomysłów

Twoich koleŜanek/kolegów), 3) uporządkować zapisane pomysły – odrzucić budzące wątpliwości członków grupy, 4) podzielić elementy według spisanych cech na metale i niemetale, 5) zaprezentować efekty pracy grupy na forum klasy.

Środki dydaktyczne: − arkusze papieru, − mazaki, − elementy wykonane z metali i niemetali np. tworzywa sztucznego czy drewna. Ćwiczenie 2 Wykonaj pomiar twardości metodą Brinella.


1) zapoznać się z metodą i przebiegiem próby, 2) przygotować próbki do wykonania ćwiczenia, 3) wykonać próby pomiaru twardości i zapisać ich wyniki oraz wnioski.

Środki dydaktyczne: − twardościomierz Brinella, − norma PN-91/H-04350 zawierająca opis przebiegu pomiaru, tabele doboru i odczyt

wyników, − próbki metali, − arkusze papieru i pisaki. 4.1.4. Sprawdzian postępów Czy potrafisz: Tak Nie 1) zdefiniować pojęcie metale? � � 2) określić kryteria doboru materiałów? � � 3) zdefiniować pojęcie stop? � � 4) opisać próbę twardości metoda Brinella? � � 5) podać chemiczne, fizyczne technologiczne, mechaniczne własności metali? � �


4.2. Stale niestopowe (węglowe), wpływ węgla na właściwości stali, klasyfikacja stali, znakowanie stali

4.2.1. Materiał nauczania

śelazo występuje w przyrodzie pod postacią związków chemicznych, najczęściej z tlenem. W technice, poza nielicznymi wyjątkami, stosuje się stopy Ŝelaza z róŜnymi składnikami, z których najwaŜniejszym jest węgiel: oprócz węgla, techniczne stopy Ŝelaza zawierają zawsze pewne ilości krzemu, manganu, siarki i fosforu, przedostające się do stopu w czasie procesów metalurgicznych. Stal to stop Ŝelaza z węglem o zawartości węgla do 2%. W zaleŜności od składu chemicznego dzieli się stale na: węglowe (niestopowe) i stopowe.

Stale niestopowe zawierają, oprócz Ŝelaza, gł. węgiel (do 2%) oraz niewielkie ilości pierwiastków pochodzących z przerobu hutniczego (zwykle poniŜej 1%); są to zanieczyszczenia (gł. siarka i fosfor) oraz domieszki, których zawartość nie moŜe przekraczać określonych umownych ilości: 0,8% manganu, 0,4% krzemu, 0,3% chromu, 0,3% niklu, 0,2% wolframu, 0,2% miedzi, 0,2% kobaltu, 0,1% aluminium, 0,05% molibdenu, 0,05% wanadu, 0,05% tytanu; pod względem zawartości węgla stale węglowe dzieli się na: − niskowęglowe (do 0,25% C), − średniowęglowe (0,35–0,6% C), − wysokowęglowe (powyŜej 0,6% C).

ZaleŜnie od stopnia czystości, określonego zawartością fosforu i siarki, rozróŜnia się stale węglowe: − zwykłej jakości (0,045–0,07% P i 0,045–0,06% S), − wyŜszej jakości (do 0,04% P i 0,04% S), − najwyŜszej jakości (0,025–0,035% P i 0,025–0,035% S).

W czasie nagrzewania (lub chłodzenia) stopów Ŝelaza zachodzi w nich szereg przemian, aŜ do topnienia włącznie; obrazuje je tzw. wykres Ŝelazo-węgiel (rys.1).

Rys. 1.Wykres Ŝelazo-węgiel [4].


Mikrostruktura stali. Stopy Ŝelaza zawierające mniej niŜ 2,0% węgla są kowalne i noszą nazwę stali. Nazwa „Ŝelazo” odnosi się tylko do Ŝelaza chemicznie czystego lub niektórych produktów zbliŜonych, jak np.: Ŝelazo karbonylkowe, Ŝelazo Armco. Budowa stali jest krystaliczna. W stalach węglowych niestopowych w stanie wyŜarzonym, kryształy, a ściślej mówiąc ziarna (krystality), składają się z dwóch składników: ferrytu i cementytu. Ferryt (od łacińskiego słowa ferrum = Ŝelazo) jest to prawie czyste Ŝelazo, o twardości 50–70 HB, a więc zbliŜonej do twardości miedzi. Cementyt (Fe3C – węglik Ŝelaza, zwany teŜ karbidkiem Ŝelaza, o zawartości 6,67% C) jest bardzo twardy; jego twardość leŜy między twardością korundu i diamentu. Stal jest tym twardsza, im więcej zawiera składnika twardego, cementytu – czyli im większy jest procent węgla (rys. 2).

Rys. 2. Wytrzymałość i wydłuŜenie podczas rozciągania stali w zaleŜności od zawartości węgla [4].

Wykres Ŝelazo-węgiel odnosi się do przemian w stanie zbliŜonym do równowagi, tj. zachodzących bardzo wolno. Szybkości grzania czy chłodzenia nie są uwzględnione na wykresie i dlatego, jeŜeli chodzi o hartowanie, to wykres daje tylko wskazówkę, do jakiej temperatury naleŜy ogrzać stal, aby uzyskać zahartowanie [2].

Węgiel bardzo silnie wpływa na własności stali nawet przy nieznacznej zmianie jego zawartości i z tego względu jest bardzo waŜnym składnikiem stali. Zwiększenie zawartości węgla powoduje, jak juŜ poprzednio wspomniano, zmianę struktury stali. JeŜeli stal zawiera mniej niŜ 0,8% C, to jej struktura składa się ferrytu i perlitu. Struktura stali zawierającej 0,8% C składa się tylko z perlitu, natomiast w stali o zawartości powyŜej 0,8% C oprócz perlitu występuje równieŜ cementyt wtórny. Zmiana struktury stali spowodowana róŜną zawartością węgla wiąŜe się ściśle ze zmianą właściwości mechanicznych. Zwiększenie zawartości węgla zwiększa wytrzymałość na rozciąganie Rm i zmniejsza plastyczność stali. Maksymalną wytrzymałość osiąga stal przy zawartości ok. 0,85% węgla.

Przy większej zawartości węgla wytrzymałość zmniejsza się na skutek pojawiania się coraz większej ilości cementu wtórnego, który wydziela się na granicach ziarn. Zwiększenie zawartości węgla obniŜa właściwości plastyczne, pogarsza równieŜ własności technologiczne stali węglowej; szczególne znaczenie ma pogorszenie spawalności.


Za domieszki zwykłe stali uwaŜa się mangan, krzem, fosfor, siarkę oraz wodór, azot i tlen, poniewaŜ te pierwiastki występują zawsze w mniejszej lub większej ilości w przemysłowych gatunkach stali. Zawartość tych pierwiastków w stalach węglowych nie przekracza zwykle następujących granic: Mn do 0,8% (w niektórych gatunkach stali granica ta jest rozszerzona do 1,5%), Si do 0,5%, P do 0,05% (z wyjątkiem stali automatowych), S do 0,05% (z wyjątkiem stali automatowych).

Mangan wprowadza się do wszystkich stali w procesie stalowniczym w celu ich odtlenienia, tj. usunięcia szkodliwego tlenku Ŝelazawego lub związania siarki w MnS, przez co zapobiega się powstaniu FeS, powodującemu powstanie kruchości stali na gorąco. W ilościach (1,0–1,5)% Mn rozpuszczając się zarówno w ferrycie, jak i w cementycie umacnia roztworowo stal, zmniejsza wielkość ziarna ferrytu w wyrobach walcowanych na gorąco oraz zwiększa hartowność. PoniewaŜ jednak wszystkie stale węglowe mają zazwyczaj mniej więcej taką samą zawartość manganu, to jego wpływ na własności róŜnych gatunków tych stali jest jednakowy.

Krzem w ilościach do 0,5% jest dodawany do stali podczas jej wytapiania w celu odtlenienia.W ilościach (0,5–1,0)% jest dodawany w celu umocnienia ferrytu. W większych ilościach (0,5–4,5)% powoduje zwiększenie oporu elektrycznego oraz zmniejszenie stratności stali magnetycznie miękkich. Zwiększa równieŜ Ŝaroodporność stali. Krzem stabilizuje bardzo mocno ferryt, dlatego stale zawierające więcej niŜ 3% Si zachowują strukturę ferrytyczną od temperatury otoczenia do temperatury solidusu. Wpływ krzemu, który rozpuszcza się w ferrycie, jest podobny do wpływu manganu.

Fosfor dostaje się do stali z rud Ŝelaza, które zawierają róŜne jego ilości. Podczas wytapiania stali fosfor zostaje z niej usunięty w mniejszym lub większym stopniu, zaleŜnie od rodzaju procesu stalowniczego. Fosfor rozpuszczony w ferrycie (graniczna rozpuszczalność w temperaturze pokojowej wynosi ok. 1,2%) zmniejsza bardzo znacznie jego plastyczność i podwyŜsza temperaturę, w której stal staje się krucha, wywołując tzw. kruchość na zimno. Ten wpływ fosforu jest bardzo wyraźny wówczas, gdy jego zawartość w stali jest większa niŜ 0,1%. Jednak w stalach przeznaczonych na odpowiedzialne wyroby zawartość nawet 0,05% P jest niebezpieczna i naleŜy jej unikać, poniewaŜ w czasie krystalizacji stali zachodzi silna segregacja fosforu, wskutek czego w pewnych miejscach zawartość fosforu będzie dość znaczna i będzie powodować kruchość.W zaleŜności od przeznaczenia stali ustala się ostrzejsze wymagania dotyczące zawartości fosforu (np. max 0,025%). NaleŜy zaznaczyć, Ŝe w niektórych wyjątkowych przypadkach zawartość fosforu w stali moŜe być poŜyteczna. Na przykład w stalach automatowych dodatek ok. 0,1% P polepsza skrawalność, zaś do ok. 0,35% – zwiększa odporność na ścieranie. Przy jednoczesnej zawartości miedzi, fosfor zwiększa odporność stali na korozję atmosferyczną.

Siarka podobnie jak fosfor dostaje się do stali z rud Ŝelaza, a ponadto z gazów piecowych, tzn. z produktów spalania paliwa zawierających dwutlenek siarki (SO2). Siarkę moŜna w znacznej mierze usunąć ze stali, jeŜeli stosuje się podczas wytapiana zasadowy proces martenowski lub zasadowy proces elektryczny. W stalach wysokojakościowych zawartość siarki ogranicza się zazwyczaj do 0,02–0,03%. W stali zwykłej jakości dopuszcza się większą zawartość siarki (do 0,05%). Siarka nie rozpuszcza się w Ŝelazie, lecz tworzy siarczek Ŝelazawy FeS, który jest składnikiem eutektyki Fe + FeS o temperaturze topnienia 985°C. Występowanie w stalach tej łatwo topliwej i kruchej eutektyki, rozmieszczonej przewaŜnie na granicach ziarn, powoduje kruchość stali nagrzanych do temperatury 800°C i powyŜej. Zjawisko to nosi nazwę kruchości na gorąco. Wskutek tej wady, stal zawierająca większy procent siarki nie nadaje się do przeróbki plastycznej na gorąco. W stali pojawiają się naderwania i pęknięcia, m.in. dlatego, Ŝe podczas nagrzewania poczynając od temperatury 985°C, zachodzi nadtapianie otoczek z siarczku Ŝelazawego wokół ziarn. Z tego powodu naleŜy uwaŜać siarkę za szkodliwą domieszkę stali.


Dodatek manganu do stali zmniejsza szkodliwe działanie siarki, gdyŜ wówczas w ciekłej stali następuje reakcja, w wyniku której tworzy się siarczek manganawy MnS. Siarczek ten topi się w 1620°C, a więc w temperaturze o wiele wyŜszej niŜ temperatura przeróbki plastycznej na gorąco (800–1200°C). Siarczki w temperaturze przeróbki plastycznej na gorąco są plastyczne i ulegają odkształceniu, tworząc wydłuŜone wtrącenia. Pogarszają one wytrzymałość na zmęczenie i obciąŜenia dynamiczne stali. Siarka pogarsza równieŜ spawalność stali. Natomiast siarka, podobnie jak fosfor, polepsza skrawalność stali i w ilości 0,15–0,30% jest wprowadzana celowo do stali automatowych.

Wodór, azot i tlen występują w stali w nieduŜych ilościach, a ich zawartość zaleŜy w duŜym stopniu od sposobu wytapiania.

W stali będącej w stanie stałym, gazy mogą występować w kilku postaciach: − w stanie wolnym, skupiając się w róŜnych nieciągłościach wewnątrz metalu najczęściej

tworząc tzw. pęcherze, − mogą być rozpuszczone w Ŝelazie, − mogą tworzyć związki (azotki, tlenki) występujące w stali jako tzw. wtrącenia

niemetaliczne. Wpływ wodoru na własności stali jest zdecydowanie ujemny. Rozpuszcza się on

stosunkowo łatwo w Ŝelazie i to w całym zakresie temperatury, szczególnie zaś przy przejściu fazy Feα w Feγ (patrz układ Ŝelazo-wegiel) oraz w stanie ciekłym. Zmniejsza on w znacznym stopniu właściwości plastyczne i technologiczne stali oraz powoduje występowanie wielu wad materiałowych, jak np. tzw. płatków śnieŜnych (tj. wewnętrznych pęknięć o jasnej powierzchni), odwęglania, skłonności do tworzenia pęcherzy przy trawieniu itp.

Azot powoduje zwiększenie wytrzymałości i zmniejszenie plastyczności stali, co objawiać się moŜe jako tzw. kruchość na niebiesko. Niekorzystne działanie azotu przejawia się takŜe zwiększeniem skłonności stali do starzenia, powodowanym wydzielaniem się azotków z przesyconego roztworu. Zjawisko to jest szczególnie niekorzystne w stalach w stanie zgniecionym, gdyŜ wówczas występuje juŜ w temperaturze otoczenia. W niektórych stalach stopowych azot jest stosowany jako korzystny dodatek stopowy stabilizujący austenit, zastępując drogi nikiel.

Tlen występuje w stali głównie w postaci związanej, najczęściej tlenków FeO, SiO2, Al 2O3 i in. Tlen powoduje pogorszenie prawie wszystkich właściowości mechanicznych i dlatego dąŜy się przez odpowiednie prowadzenie procesu metalurgicznego do obniŜenia jego zawartości w stali. Odtlenianie stali przeprowadza się za pomocą stopów krzemu, manganu i aluminium. Sposób odtleniania wywiera takŜe duŜy wpływ na wielkość ziarna stali węglowej. Bardzo skutecznym sposobem zmniejszania ilości wodoru, azotui tlenu oraz wtrąceń niemetalicznych w stali jest wytapianie lub odlewanie jej w próŜni. MoŜna w ten sposób otrzymać stal o lepszych właściwościach dzięki większej czystości i prawie zupełnemu brakowi rozpuszczonych w metalu gazów.

Klasyfikacji gatunków stali dokonuje się zgodnie z PN-EN 10020:1996 według składu chemicznego oraz wg ich zastosowania i własności mechanicznych lub fizycznych. Klasyfikacja stali według składu chemicznego: − stale niestopowe (węglowe), − stale stopowe.

Do stali niestopowych zalicza się te gatunki stali, w których zawartość pierwiastków jest mniejsza od zawartości granicznych podanych w tabeli 1.

Do stali stopowych zalicza się gatunki stali, w których zawartość przynajmniej jednego pierwiastka jest równa lub większa od zawartości granicznej podanej w tabeli 1.


Tabela 1. Granica między stalami niestopowymi i stopowymi [PN-EN 10020:1996].

Nazwa i symbol chemiczny pierwiastka

Zawartość graniczna (% wagowy)

Aluminium, Bor, Bizmut, Chrom, Cyrkon, Kobalt, Krzem, Lantanowce, Mangan, Miedź, Molibden, Nikiel, Niob, Ołów. Selen, Tellur, Tytan, Wanad, Wolfram, Inne (kaŜdy oprócz fosforu, siarki i azotu),

Al 0,10

B 0,0008 Bi 0,10 Cr* 0,30 Zr* 0,05 Co 0,10 Si 0,50

kaŜdy 0,05 Mn 1.65** Cu* 0,40 Mo* 0,08 Ni* 0,30 Nb* 0,06 Pb 0,40 Se 0,10 Te 0,10 Ti* 0,05 V* 0,10 W 0,10

0,05

* JeŜeli te pierwiastki określa się dla stali w kombinacji dwu, trzech lub czterech, a ich zawartości są mniejsze niŜ podane w tablicy, to przy kwalifikacji stali naleŜy dodatkowo uwzględnić zawartość graniczną wynoszącą 70% sumy poszczególnych zawartości granicznych tych dwu, trzech lub czterech pierwiastków. ** JeŜeli jest określona tylko maksymalna zawartość manganu, jego graniczna zawartość wynosi 1,80% i nie stosuje się zasady 70%. Klasyfikacja stali według zastosowania i własności mechanicznych lub fizycznych

Klasy jakości stali niestopowych: − stale niestopowe podstawowe, − stale niestopowe jakościowe, − stale niestopowe specjalne.

Stale podstawowe to gatunki stali o takich wymaganiach jakościowych, jakie moŜna osiągnąć w ogólnie stosowanym procesie stalowniczym, bez dodatkowych zabiegów technologicznych. * Oznaczanie stali wg PN-EN 10027-1.

Wyroby z tych stali nie są przeznaczone do obróbki cieplnej (z wyjątkiem wyŜarzania odpręŜającego, zmiękczającego i normalizowania). Z wyjątkiem manganu i krzemu (oraz granicznych zawartości C, P, S), zawartość innych pierwiastków stopowych nie jest wymagana. Nie określa się dodatkowych wymagań jakościowych dotyczących np. głębokiego tłoczenia, ciągnienia, kształtowania na zimno itp.

Właściwości w stanie walcowanym na gorąco lub wyŜarzonym odpręŜające, zmiękczająco albo normalizowanym powinny odpowiadać następującym wartościom granicznym dla wyrobów o grubości do 16 mm: − minimalna wytrzymałość na rozciąganie (Rm) < 690 MPa, − minimalna granica plastyczności (Re) < 360 MPa, − minimalne wydłuŜenie (A) . < 26%, − minimalna praca łamania w temp. 20°C na próbkach wzdłuŜnych ISO < 27 J,


− minimalna średnica trzpienia w próbie zginania (e oznacza grubość próbki) >1 e, − maksymalna zawartość węgla > 0,10%, − maksymalna zawartość fosforu > 0,045%, − maksymalna zawartość siarki > 0,045%. Przykłady stali naleŜących do tej klasy: − stale miękkie niskowęglowe na taśmy i blachy walcowane na gorąco lub na zimno

ogólnego zastosowania, − stale konstrukcyjne walcowane na gorąco ogólnego zastosowania, − stale do wyrobu walcówki do ciągnienia (drutu).

Stale niestopowe jakościowe to gatunki stali, których własności w stanie obrobionym cieplnie w zasadzie się nie określa, nie określa się równieŜ czystości metalurgicznej wyraŜonej stopniem zanieczyszczenia wtrąceniami niemetalicznymi. Ze względu na warunki stosowania wyrobów ze stali jakościowych, wymagania dotyczące np. wraŜliwości na kruche pękanie, regulowanej wielkości ziarna czy podatności na kształtowanie, są wyŜsze niŜ dla stali podstawowych, co wymusza większą staranność podczas produkcji. Przykłady stali naleŜących do tej klasy: – stale na wyroby płaskie do kształtowania na zimno, – stale konstrukcyjne o zawartości Pmax i Smax poniŜej 0,045%, np.:

• stale o podwyŜszonej wytrzymałości, • stale do budowy statków, • stale na wyroby ocynkowane ogniowo, • stale na butle gazowe, • stale na kotły i zbiorniki ciśnieniowe,

– stale z wymaganą podatnością na odkształcenie plastyczne, – stale konstrukcyjne z wymaganą minimalną zawartością Cu, – stale do zbrojenia betonu, – stale szynowe, – stale automatowe, – stale do ciągnienia drutu, – stale do spęczania na zimno, – stale spręŜynowe, – stale z wymaganymi własnościami magnetycznymi lub elektrycznymi, – stale do produkcji blach cienkich, ocynowanych (na opakowania), – stale do produkcji elektrod otulonych lub drutu spawalniczego o zawartości Pmax, i Smax

większej niŜ 0,02%. Stale niestopowe specjalne charakteryzują się wyŜszym niŜ stale jakościowe stopniem

czystości metalurgicznej, szczególnie w zakresie zawartości wtrąceń niemetalicznych. Są one przewaŜnie przeznaczone do ulepszania cieplnego lub hartowania powierzchniowego. Dzięki dokładnemu doborowi składu chemicznego oraz przestrzeganiu specjalnych warunków produkcji stali i kontroli przebiegu procesów technologicznych uzyskuje się róŜnorodne własności przetwórcze i uŜytkowe stali. Często otrzymuje się równocześnie i w zawęŜonych granicach np. wysoką wytrzymałość lub hartowność z równocześnie dobrą ciągliwością, podatnością na kształtowanie, spawanie itp.

Stale niestopowe specjalne spełniają jeden lub więcej z niŜej wymienionych warunków: − określona udarność w stanie ulepszonym cieplnie; − określona hartowność lub twardość powierzchniowa w stanie hartowanym

i odpuszczonym lub utwardzonym powierzchniowo; − określona mała zawartość wtrąceń niemetalicznych; − określona maksymalna zawartość fosforu i siarki (kaŜdy z nich):


• < 0,020% według analizy wytopowej, • < 0,025% według analizy chemicznej wyrobu (np. walcówka przeznaczona do

produkcji mocno obciąŜonych spręŜyn, elektrod, drutu do zbrojenia opon). Przykłady stali naleŜących do tej klasy: − stale konstrukcyjne o określonej minimalnej pracy łamania próbek wzdłuŜnych ISO

z karbem V, większej niŜ 27 J(dŜuli) w temperaturze -50°C, − stale konstrukcyjne przeznaczone do produkcji reaktorów jądrowych, o ograniczonej

zawartości następujących pierwiastków: miedź < 0,10%, kobalt < 0,05%, wanad < 0,05%, − stale do ulepszania cieplnego, − stale do nawęglania, − stale utwardzalne wydzieleniowo o wymaganej zawartości węgla minimum 0,25% lub

większej (w analizie wytopowej) i strukturze ferrytyczno-perlitycznej: zawierające jeden lub więcej mikrododatków stopowych, takich jak niob albo wanad, jednak ich zawartość powinna być niŜsza niŜ wartość graniczna dla stali stopowych; utwardzanie wydzieleniowe uzyskuje się zwykle przez kontrolowane chłodzenie z temperatury przeróbki plastycznej na gorąco,

− stale do spręŜania betonu, − stale do ciągnienia (drutu), − stale do spęczania na zimno, − stale spręŜynowe, − stale narzędziowe, − stale o określonej przewodności elektrycznej (konduktywności) większej niŜ 9 S/m, − stale do produkcji elektrod otulonych lub na drut spawalniczy o zawartości Pmax i Smax, − mniejszej niŜ 0,02%.

Oznaczanie stali wg: PN-EN 10027-1 Systemy oznaczania stali. Znaki stali, symbole

główne EN 10027-1:1992 jest zalecana przez CEN (Europejski Komitet Normalizacyjny) do

stosowania przez krajowe komitety normalizacyjne bez jakichkolwiek zmian. PN-EN 10027-1 jest identyczna z EN 10027-1:1992 i została ustanowiona przez Polski Komitet Normalizacyjny 15.12.1994 r. W tej klasyfikacji oznaczeń stali wyróŜnia się dwie główne grupy znaków: − znaki zawierające symbole wskazujące na skład chemiczny stali, − znaki zawierające symbole wskazujące na zastosowanie oraz mechaniczne lub fizyczne

własności stali. W obu grupach znaków po symbolach głównych mogą być podawane symbole dodatkowe. PoniŜej podano jedynie, z jakich symboli głównych składa się znak stali. W przypadku staliwa znak gatunku zawierający symbole wskazujące na skład chemiczny poprzedza litera G. Oznaczanie stali wg składu chemicznego

W znakach stali wg składu chemicznego wyróŜnia się cztery podgrupy: − stale niestopowe (bez stali automatowych) o średniej zawartości manganu <1%. Znak

tych stali składa się z następujących symboli głównych, umieszczonych kolejno po sobie: litery C i liczby będącej 100-krotną średnią wymaganą zawartością węgla,

− stale niestopowe o średniej zawartości manganu ≥ 1 %, − niestopowe stale automatowe, − stale stopowe (bez stali szybkotnących) o zawartości kaŜdego pierwiastka

stopowego <5%.


Znak tych stali składa się z: liczby będącej 100-krotną wymaganą średnią zawartością węgla, symboli pierwiastków chemicznych składników stopowych stali w kolejności malejącej zawartości pierwiastków oraz liczb oznaczających zawartości poszczególnych pierwiastków stopowych w stali. KaŜda liczba oznacza odpowiednio, średni procent zawartości pierwiastka pomnoŜony przez współczynnik wg tableli 2 i zaokrąglony do najbliŜszej liczby całkowitej. Liczby oznaczające zawartości poszczególnych pierwiastków stopowych naleŜy oddzielić poziomą kreską. Tabela 2. Współczynnik do ustalania symboli liczbowych pierwiastków stopowych przy oznaczaniu stali

stopowych (bez stali szybkotnących) o zawartości kaŜdego pierwiastka stopowego <5% [PN-EN100271].

Pierwiastek

Współczynnik

Cr, Co, Mn, Ni, Si, W 4 Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, 10

Ce, N, P, S 100 B 1000

Na przykład 55NiCrMoV6-2-2 jest znakiem stali o średnim składzie: 0,55% C, l,5%Ni,

0,6% Cr, 0,2% Mo i poniŜej 0,1 % V (jest to stal narzędziowa do pracy na gorąco). Stale niestopowe podstawowe konstrukcyjne są stosowane zazwyczaj w stanie

surowym lub rzadziej w stanie normalizowanym. Według PN-88/H-84020 rozróŜnia się 6 podstawowych gatunków stali w tej grupie. W zaleŜności od składu chemicznego i wymaganych własności mechanicznych. Znak gatunku stali składa się z liter St oraz liczby porządkowej 0, 3, 4, 5, 6 lub 7. Gatunki stali przeznaczone na konstrukcje spawane o liczbie porządkowej 0, 3 i 4 oznacza się dodatkowo literą S (np. St0S, St3S, St4S) oraz w przypadku określonej zawartości miedzi (z wyjątkiem St0S) dodatkowo literami Cu (np. St3SCu. St4SCu). Gatunki o liczbie porządkowej 3 i 4 o podwyŜszonych wymaganiach jakościowych (o obniŜonej zawartości C oraz P i S) oznacza się dodatkowo literą V lub W (np. St3V, St4W). Znak gatunku stali St5, St6 i St7 w przypadku określonej dodatkowo zawartości węgla, manganu i krzemu uzupełnia się na początku literą M (np. MSt5). Gatunki stali o liczbie porządkowej 3 i 4 z literą S lub V mogą być dodatkowo oznaczane literą X w przypadku stali nieuspokojonej (np. St3SX, St3VX, St3ScuXC) lub literą Y w przypadku stali półuspokojonej (np. StSCuY, St4SY, St4W). Skład chemiczny i własności mechaniczne tych stali podane są w tabeli 3.


Tabela 3. Skład chemiczny i własności stali węglowych konstrukcyjnych ogólnego zastosowania [PN-88/H-84020],

* dla wyrobów o średnicy lub grubości 16–40 mm, ** dla wyrobów o średnicy lub grubości 3–100 mm, *** dla wyrobów o średnicy lub grubości 3–40 mm.

Kierunek osi próbki: W – wzdłuŜny, P – poprzeczny (w stosunku do kierunku

walcowania).Gatunki stali o liczbie porządkowej 3 i 4 mogą mieć dodatkowo określoną wymaganą udarność w temperaturze +20°C, 0°C i -20°C. Szczegółowe wymagania odnośnie do tych odmian stali i ich oznaczenia podane są w PN-88/H-84020. Znaki gatunków tych stali uzupełnia się na końcu znakiem odmiany plastyczności B, C, D lub U, M, J (np. St3SYU, St4WD).

Stale niestopowe do ulepszania cieplnego i utwardzania powierzchniowego naleŜą do grupy stali o wyŜszych wymaganiach w porównaniu do stali jakościowych i charakteryzują się wyŜszym stopniem czystości. Zawartość fosforu i siarki nie moŜe w nich przekraczać po 0,040%. Są przeznaczone do wyrobu maszyn i urządzeń i stosuje się je w stanie ulepszonym cieplnie, normalizowanym, hartowanym powierzchniowo lub po nawęglaniu. Dzięki dokładnemu doborowi składu chemicznego oraz przez zastosowanie specjalnych warunków wytwarzania uzyskuje się wymagane właściwości technologiczne i uŜytkowe często w kombinacji z wysoką lub wąsko ograniczoną wytrzymałością lub hartownością. Znak tych stali wg PN-93/H-84019 składa się z liczb dwucyfrowych, które mogą być uzupełnione literami. Liczby te określają przybliŜone średnie zawartości węgla w setnych częściach procentu (np. 10, 15, 20, 25, 30 itd). Litery po liczbach oznaczają: G – stal o podwyŜszonej zawartości manganu, A – stal o podwyŜszonej czystości w zakresie fosforu i siarki, AA – stal o zaostrzonych wymaganiach w zakresie składu chemicznego (np. dotyczących

zawartości węgla, obniŜonej zawartości fosforu i siarki ,ograniczonej sumie zawartości Cr+Mo+Ni, itp.),

rs – stal o regulowanej zawartości siarki, h – stal o wymaganej hartowności, H – stal o podwyŜszonej dolnej granicy twardości w stosunku do wymaganego pasma

hartowności,


L – stal o obniŜonej granicy twardości w stosunku do wymaganego pasma hartowności, przy czym cyfry (np. 4, 5, 15) po literach hH i hL oznaczają odległości od czoła próbki w milimetrach (4 mm, 5 mm, 15 mm). Skład chemiczny niektórych stali niestopowych do nawęglania oraz normalizowania,

ulepszania cieplnego i hartowania powierzchniowego podano w tabeli 4.

Tabela 4. Skład chemiczny niektórych gatunków stali niestopowej specjalnej do nawęglania oraz normalizowania, ulepszania cieplnego i hartowania powierzchniowego [PN-93/H-840191].

Własności mechaniczne w stanie normalizowanym i dla porównania w stanie ulepszonym cieplnie (po hartowaniu i odpuszczaniu w temperaturze 550–660°C) niektórych stali podano w tabeli 5. NaleŜy zwrócić uwagę, Ŝe wytrzymałość na rozciąganie RM, granica plastyczności Re i udarność KCU2 są znacznie wyŜsze w stanie ulepszonym cieplnie, w porównaniu ze stanem normalizowanym, a dla stali o większej zawartości węgla (gatunku 55, 60) większe jest równieŜ wydłuŜenie.

Stale niestopowe jakościowe i specjalne o określonym zastosowaniu

W przemyśle, oprócz omówionych wyŜej stali węglowych konstrukcyjnych ogólnego zastosowania, stosuje się równieŜ wiele gatunków stali węglowych o określonym z góry zastosowaniu. Stale te z uwagi na konieczność zapewnienia szczególnych własności uŜytkowych lub technologicznych mają skład chemiczny róŜniący się od składu stali węglowych ogólnego zastosowania i to zarówno w odniesieniu do składników zasadniczych, jak i przypadkowych lub zanieczyszczeń. Poza tym, w niektórych przypadkach stale te wykazują wyŜsze lub niŜsze własności mechaniczne, w porównaniu do odpowiednich stali ogólnego zastosowania o zbliŜonym składzie chemicznym, jednakŜe zapewniają Ŝądane własności technologiczne i uŜytkowe.


Tabela 5. Własności mechaniczne niektórych gatunków stali niestopowej specjalnej w stanie normalizowanym oraz ulepszonym cieplnie wg (dla wyrobów o średnicy lub grubości mniejszej od 16 mm) [PN-93/H84019].

* Dla większych wartości grubości wyrobów własności wytrzymałościowe są niŜsze. ** N – normalizowanie. *** T – ulepszanie cieplne (hartowanie i odpuszczanie wysokie).

Wśród stali węglowych konstrukcyjnych o określonym zastosowaniu moŜna wyodrębnić następujące waŜniejsze grupy gatunków: − stale do wyrobu drutu do patentowania, na liny, na spręŜyny, do konstrukcji spręŜanych, − drutu ogólnego przeznaczenia i dla przemysłu włókienniczego (PN 91/H-84028); − stale dla kolejnictwa (PN-84/H-84027, PN-91/H-84027/03, PN-88/H-84027/04-05); − stale do wyrobu rur (PN-89/H-84023/07); − stale do wyrobu nitów (PN-89/H-84023/04-05); − stale na blachy kotłowe (PN-81/H-92123); − stale do budowy mostów (PN-89/H-84023/04); − stale na blachy grube i uniwersalne do budowy statków (PN-85/H-92147); − stale na blachy karoseryjne (PN-89/H-84023/03); − stale do wyrobu ogniw łańcuchów technicznych i okrętowych (PN-89/H-84023/08); − stale automatowe (łatwo obrabialne mechanicznie) (PN-73/H-84026); – stale magnetycznie miękkie (PN-89/H-84023/02).

Stale niestopowe przeznaczone na walcówkę do produkcji drutu są wysokiej czystości. Zawartość węgla w tych stalach zawiera się w granicach 0,33–0,98%. W stalach o najwyŜszej czystości do wyrobu drutu na liny zawartość fosforu i siarki nie moŜe przekroczyć po 0,020%, ale łącznie zawartość P+S nie moŜe być wyŜsza niŜ 0,035%.

Oznaczanie stali wg zastosowania i własności

Znak stali oznaczanych wg ich zastosowania i własności mechanicznych lub fizycznych zawiera następujące główne symbole: a) S – stale konstrukcyjne, P – stale pracujące pod ciśnieniem, L – stale na rury

przewodowe, E – stale maszynowe, za którymi umieszcza się liczbę będącą minimalną granicą plastyczności w MPa;


b) B – stale do zbrojenia betonu, za którym umieszcza się liczbę będącą charakterystyczną granicą plastyczności,

c) Y – stale do betonu spręŜonego, R – stale na szyny lub w postaci szyn, za którymi umieszcza się liczbę będącą wymaganą minimalną wytrzymałością na rozciąganie,

d) H – wyroby płaskie walcowane na zimno ze stali o podwyŜszonej wytrzymałości przeznaczone do kształtowania na zimno, za którym umieszcza się liczbę będącą wymaganą minimalną granicą plastyczności albo, jeŜeli jest wymagana tylko wytrzymałość na rozciąganie, wtedy umieszcza się literę T, za którą podaje się wymaganą minimalną wytrzymałość na rozciąganie,

e) D – wyroby płaskie ze stali miękkich przeznaczonych do kształtowania na zimno, za którym umieszcza się jedną z następujących liter: 1) C – dla wyrobów walcowanych na zimno, 2) D – dla wyrobów walcowanych na gorąco przeznaczonych do kształtowania na zimno, 3) X – dla wyrobów bez charakterystyki walcowania (na zimno lub na gorąco); oraz dwa

symbole cyfrowe lub literowe charakteryzujące stal, f) T – wyroby walcowni blachy ocynowanej, za którym umieszcza się:

1) dla wyrobów o jednokrotnie redukowanej grubości – literę H, za którą podaje się liczbę będącą wymaganą nominalną twardością wg HR 30Tm;

2) dla wyrobów o dwukrotnie redukowanej grubości – liczbę będącą wymaganą nominalną granicą plastyczności,

g) M – stale elektrotechniczne, za którym umieszcza się: 1) liczbę, będącą 100-krotną wymaganą maksymalną stratnością w W·kg-1, 2) liczbę, będącą 100-krotną nominalną grubością wyrobu w mm, 3) liczbę, oznaczającą rodzaj blachy lub taśmy elektrotechnicznej, tj.:

A – o niezorientowanym ziarnie, D – ze stali niestopowych, nie wyŜarzonych końcowo (odpręŜająco), E – ze stali stopowych, nie wyŜarzonych końcowo, N – o normalnie zorientowanym ziarnie, S – o zorientowanym ziarnie i zmniejszonej stratności, P – o zorientowanym ziarnie i duŜej przenikalności magnetycznej.

4.2.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Co to jest stal? 2. Co to jest stal węglowa (niestopowa)? 3. Jakie znasz rodzaje stali węglowych (niestopowych)? 4. Co to są przemiany fazowe? 5. Jak oznaczamy stale węglowe?

4.2.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1

Odczytaj z PN i katalogów właściwości i zastosowanie następujących stali: − St0SX, − St3W, − 10, − 45G.



1) zapoznać się z otrzymanymi normami i katalogami, 2) odszukać podane gatunki stali, 3) zapisać właściwości i zastosowania wymienionych gatunków stali, 4) zaprezentować efekt swojej pracy.

Środki dydaktyczne: − PN i katalogi zawierające informacje o stalach węglowych, − arkusze papieru i pisaki. Ćwiczenie 2

Odszukaj w PN i katalogach stale do nawęglania i do ulepszania cieplnego, wypisz ich skład chemiczny oraz właściwości i zastosowanie.


1) zapoznać się z otrzymanymi normami i katalogami, 2) odszukać odpowiednie gatunki stali, 3) zapisać właściwości i zastosowania wymienionych gatunków stali, 4) uporządkować w grupie odnalezione informacje, 5) zaprezentować efekty pracy.

WyposaŜenie stanowiska pracy: − PN i katalogi zawierające informacje o stalach węglowych, − arkusze papieru i pisaki. 4.2.4. Sprawdzian postępów Czy potrafisz: Tak Nie 1) wyjaśnić pojęcie stal węglowa? � � 2) wyjaśnić, jaki wpływ na właściwości stali ma zawartość węgla? � � 3) określić domieszki zwykłe w stali? � � 4) wyjaśnić, jaki wpływ na właściwości stali ma siarka? � �


4.3. Stale stopowe: wpływ dodatków stopowych na właściwości stali, klasyfikacja stali, znakowanie stali


Stalą stopową nazywa się stal, do której celowo wprowadzono pierwiastki stopowe, aby nadać jej wymagane właściwości. Według Polskich Norm do stali stopowych zalicza się gatunki stali, w których najmniejsza wymagana zawartość chociaŜby jednego z pierwiastków jest równa lub większa niŜ podano w tabeli 1.

Wprowadzenie do stali dodatków stopowych moŜe mieć na celu: − uzyskanie określonych właściwości wytrzymałościowych, − wywołanie poŜądanych zmian strukturalnych, − uzyskanie specjalnych właściwości chemicznych lub fizycznych, − podwyŜszenie hartowności, − ułatwienie technologii i polepszenie efektów obróbki cieplnej.

Najczęściej stosowanymi dodatkami stopowymi są: mangan, krzem, chrom, nikiel, molibden, wanad, wolfram. Nieco rzadziej stosuje się aluminium, kobalt, tytan i niob. Ponadto coraz częściej jako celowe dodatki stopowe zyskują na znaczeniu bor i azot. Wpływ pierwiastków stopowych na strukturę i właściwości stali

Pierwiastki stopowe dodawane do stali w procesie metalurgicznym w przewaŜającej ilości przechodzą do roztworu ciekłego. Po skrzepnięciu stali pierwiastki stopowe mogą wystąpić w następujących fazach: − w roztworach stałych: ferrycie i austenicie, − w związkach z węglem i azotem: węglikach, azotkach i węgliko-azotkach, − w związkach międzymetalicznych, − w postaci wolnej (czystego pierwiastka). Ze względu na róŜnice potencjału chemicznego pierwiastków w poszczególnych fazach, składniki stopowe nie są równomiernie rozłoŜone we wszystkich składnikach strukturalnych stopu, ale wykazują tendencję do skupiania się w poszczególnych fazach. Węgliki są w stalach tworzone przez metale połoŜone w układzie okresowym na lewo od Ŝelaza (Mn, Cr, V, Ti, Mo, Nb, Zr, W, Ta, Hf). Pierwiastki te naleŜą podobnie jak Ŝelazo, do metali przejściowych. Im dalej na lewo od Ŝelaza znajduje się w układzie okresowym pierwiastek węglikotwórczy, tym aktywniej łączy się z węglem i trwałość utworzonych węglików jest większa. Według wzrastającej skłonności do tworzenia w stali węglików, pierwiastki węglikotwórcze moŜna uszeregować w następującej kolejności: Fe, Mn, Cr, W, Mo, V, Ti, Zr, Nb.

W stalach powstają najczęściej następujące węgliki: − węgliki grupy I – Fe3C, Mn3C, Cr23C6, Cr7C3, Fe3Mo3C, Fe3W3C, − węgliki grupy II – VC, TiC, NbC, ZrC, WC, W2C, Mo2C, TaC, Ta2C.

NajwaŜniejszy dla praktyki, wpływ pierwiastków stopowych polega na zmniejszeniu szybkości rozkładu austenitu w zakresie jego przemiany w struktury perlityczne. Zapewnia to większą hartowność stali, a przechłodzenie austenitu do zakresu przemiany martenzytycznej moŜna osiągnąć stosując powolniejsze chłodzenie, np. podczas chłodzenia w oleju lub w powietrzu. Zwiększenie hartowności jest szczególnie duŜe, gdy stal zawiera jednocześnie kilka pierwiastków stopowych, np. nikiel, chrom i molibden itp. Stwierdzono równieŜ, Ŝe bardzo małe dodatki niektórych pierwiastków zwiększają bardzo wyraźnie hartowność stali, natomiast większa ich zawartość nie wywołuje tak skutecznego działania. Do takich pierwiastków naleŜy przede wszystkim bor (B). Optymalna zawartość boru w stali,


zapewniająca największą hartowność wynosi zaledwie 0,001–0,003%. W razie większej ilości boru jego stęŜenie na granicach ziarn austenitu przekracza maksymalną rozpuszczalność, wskutek czego powstają odrębne fazy zawierające bor (borki), które jako ośrodki krystalizacji ułatwiają wykrystalizowanie struktur perlitycznych i hartowność zmniejsza się. Klasyfikacja stali wg struktury po wy Ŝarzaniu i po chłodzeniu na powietrzu

Przyjmując zasadę podziału wg struktury w stanie wyŜarzonym, moŜna wyróŜnić następujące grupy stali stopowych: − podeutektoidalne, w których strukturze obok perlitu występuje wolny ferryt, − eutektoidalne, o strukturze perlitycznej, − nadeutektoidalne, zawierające w strukturze wydzielone z austenitu węgliki wtórne, − ledeburytyczne, w których strukturze występuje eutektyka – ledeburyt, zawierająca, − węgliki pierwotne wydzielone z ciekłej stali, − ferrytyczne, ewentualnie z wydzieleniami węglików, − austenityczne, mogące równieŜ zawierać wydzielone węgliki.

Zgodnie z wykresem Fe-Fe3C stale węglowe podeutektoidalne zawierają mniej niŜ 0,8% C, eutektoidalne ok. 0,8% C, nadeutektoidalne 0,8–2,0% C, ledeburytyt natomiast pojawia się powyŜej ok. 2% C. PoniewaŜ jednak większość pierwiastków stopowych przesuwa punkty S i E wykresu Fe-Fe3C w lewo, tj. w kierunku mniejszych zawartości węgla, więc granica między stalami podeutektoidalnymi i nadeutektoidalnymi oraz nadeutektoidalnymi i ledeburytycznymi odpowiada w stalach stopowych mniejszym zawartościom węgla niŜ w stalach węglowych. Stale ferrytyczna i austenityczna są to najczęściej stale o duŜej zawartości dodatków stopowych i niskiej zawartości węgla.

Podział stali stopowych ze względu na strukturę przeprowadza się równieŜ w zaleŜności od tego, jaką strukturę otrzymuje się po ochłodzeniu w spokojnym powietrzu próbek o nieduŜym przekroju. Struktura ta moŜe się zasadniczo róŜnić od struktury uzyskanej po wyŜarzaniu. W tym przypadku moŜna rozróŜnić trzy podstawowe klasy stali: – perlityczną, – martenzytyczną, – austenityczną.

Klasę perlityczną cechuje dość mała zawartość pierwiastków stopowych, stale klasy martenzytycznej zawierają więcej, a klasy austenitycznej najwięcej tych pierwiastków. Wytworzenie się jednej z tych trzech struktur stali następuje wskutek tego, Ŝe w miarę zwiększania się zawartości pierwiastków stopowych wzrasta trwałość przechłodzonego austenitu, zaś początek przemiany martenzytycznej obniŜa się w kierunku niŜszych temperatur. NaleŜy podkreślić, Ŝe podana klasyfikacja jest umowna i ma znaczenie w przypadku chłodzenia w powietrzu próbek o dość małych wymiarach. Zmieniając warunki chłodzenia, moŜna oczywiście otrzymać w tej samej stali róŜne struktury. Oznaczanie stali stopowych konstrukcyjnych i maszynowych

Sposób oznaczania róŜnych gatunków stali stopowych konstrukcyjnych został opracowany i ujęty przez Polską Normę PN-89/H-84030/01. Stale stopowe konstrukcyjne oznaczane są za pomocą znaku składającego się z: cyfr i liter. Pierwsze dwie cyfry określają średnią zawartość węgla w setnych procenta. Litery oznaczają pierwiastki stopowe: – G – mangan, – S – krzem, – H – chrom, – N – nikiel, – M – molibden, – T – tytan,


– F – wanad (takŜe V), – J – aluminium.

Liczby występujące za literami oznaczają zaokrąglone do liczby całkowitej średnie zawartości składnika w stali w przypadku, gdy jego średnia zawartość przekracza 1,5% (w przypadku stali niskostopowych, gdy średnia zawartość składnika przekracza 1%). Stale o wyŜszych wymaganiach co do składu chemicznego (np. co do zawartości fosforu i siarki) oznacza się na końcu znaku literą A. Stale przetapiane elektroŜuŜlowo oznacza się przez dodanie na końcu znaku stali ś. Stale modyfikowane związkami chemicznymi litu, sodu lub wapnia i innymi oznacza się literą D. Według takich samych zasad, jak stale stopowe konstrukcyjne, oznacza się stale odporne na korozję i stale Ŝaroodporne. Natomiast stale stopowe narzędziowe oznacza się w odrębny sposób wg dawnych cech hutniczych.

Stale niskostopowe o podwyŜszonej wytrzymałości

W wyniku dąŜenia do obniŜania cięŜaru konstrukcji, zwłaszcza budowlanych. i poprawy wskaźników uŜytkowych opracowanych zostało szereg gatunków stali niskostopowych, które bez dodatkowej obróbki cieplnej odznaczają się lepszymi własnościami mechanicznymi niŜ stale węglowe. Są to stale zawierające niewielkie dodatki składników stopowych i wykazujące w stanie dostawy podwyŜszone własności wytrzymałościowe i strukturę ferrytyczno-perlityczną. Stale te są stosowane głównie na konstrukcje budowlane, mosty, siatki i pręty do zbrojenia betonu, na zbiorniki i rury ciśnieniowe. Od materiałów tych, oprócz odpowiednio duŜych wartości Re i Rm, wymaga się odpowiedniej plastyczności, niskiej wartości temperatury progu kruchości, dobrej spawalności oraz niskiej ceny.

Jedną z grup stali spawalnych o podwyŜszonej wytrzymałości stanowią stale niskostopowe ostrukturze ferrytyczno-perlitycznej zawierające maksymalnie 0,20%C dodatek manganu max do ok. 1,8% oraz mikrododatki Al, V, Ti, Nb i N, tworzące dyspersyjne wydzielenia węglików i azotków. Zawartości tych pierwiastków na ogół nie przekraczają 0,02% Al, 0,15% V, 0,05% Nb oraz do ok. 0,025% N. Stale te stosowane po regulowanym walcowaniu lub normalizowaniu zapewniają uzyskanie granicy plastyczności Re 305–460 MPa (dla wyrobów o grubości 3–16 mm). Polska Norma PN-86/H-84018 obejmuje 11 gatunków stali niskostopowych podwyŜszonej wytrzymałości oznaczonych znakami: 09G2, 18G2A, 09G2Cu, 18G2ACu,15GA 18G2ANb, 15G2Anb, 18G2AV,15G2ANNb, 18G2AVCu, 18G2.

Stale te, w zaleŜności od wymaganych własności wytrzymałościowych na rozciąganie i technologicznych na zginanie, dzielą się na 7 kategorii oznaczonych symbolami E305, E325, E355, E390, E420, E440, E460. Trzycyfrowa liczba po literze E oznacza w przybliŜeniu granicę plastyczności Re w MPa. Granica ta wykazuje pewne niewielkie róŜnice w zaleŜności od grubości wyrobu (3–70 mm). NaleŜy określić, Ŝe stale te mają znacznie wyŜszą (o 50–80%) granicę plastyczności w porównaniu ze stalami węglowymi zwykłej jakości przeznaczonymi do spawania, co stwarza moŜliwość uzyskania znacznych oszczędności materiałowych. W zaleŜności od wymaganej udarności w temperaturze od +20 do -60°C stale te dzielą się na odmiany. Jak wspomniano juŜ na wstępie, omawiana grupa stali musi charakteryzować się dobrą spawalnością. Stale niskostopowe o podwyŜszonej wytrzymałości ujęte w PN-86/H-84018 mają ekwiwalent węgla CE nie przekraczający 0,44–0,52. Stale stopowe konstrukcyjne i maszynowe do ulepszania cieplnego

W przypadkach nie pozwalających na uŜycie stali węglowych ze względu na małą hartowność lub teŜ zbyt niskie własności wytrzymałościowe, stosuje się stale stopowe konstrukcyjne i maszynowe do ulepszania cieplnego. Wykonuje się z nich głównie wysoko


obciąŜone i waŜne elementy konstrukcyjne maszyn, silników, pojazdów mechanicznych itp., zwłaszcza o duŜych przekrojach.

Grupa stali konstrukcyjnych stopowych do ulepszania cieplnego obejmuje znaczną ilość gatunków o bardzo zróŜnicowanym składzie chemicznym. Polskie Normy wyszczególniają 35 gatunków stali stopowych konstrukcyjnych do ulepszania cieplnego (PN-89/H-84030/04) oraz ponadto 9 gatunków stali o większej zawartości pierwiastków stopowych, przeznaczonych do wyrobu sprzętu szczególnie obciąŜonego PN-72/H-84035), np. sprzętu lotniczego, części silników spalinowych itp. Skład chemiczny tych dwóch grup stali oraz ich własności mechaniczne podano w tabeli 6. Tabela 6. Skład chemiczny niektórych stali stopowych konstrukcyjnych do ulepszania cieplnego

[PN-89/H-84030/04]. Zawartość w % Temperatura w °C

Znak stali

węgla

głównych składników stopowych

hartowania

odpuszczania

Rm MPa min

A5% min

Stale do nawęglania

15H 20H 16HG 18HGT 15HGM 17HGN 15HN

0,12–0,18

0,17–0,23

0,14–0,19 0,17–0,23

0,12–0,19

0,15–0,21

0,12–0,18

Cr 0,70–1,00

Cr 0,70–1,00

Cr 0,80–1,10 Cr 1,00–1,30 Mn 0,80–1,10 Cr 0,80–1,10 Mn 0,80–1,10 Mo 0,15–0,25 Cr 0,80–1,10 Mn 1,00–1,30 Ni 0,60–0,90 Cr 1,40–1,70 Ni 1,40–1,70

880 woda lub olej

880 woda lub olej 860 olej 870 olej

840 olej lub woda

860 olej

860 olej lub woda

180 powietrze lub olej


180 powietrze 200 powietrze

lub olej 180 powietrze


190 powietrze

690

780

830 980

930

1030

980

12

11

12 9

11

11

12

Stale do ulepszania cieplnego

30G2 45G2 35SG 30H 40H 45H 35HGS 35HM 45HN 37HGNM

0,27–0,35

0,41–0,49

0,31–0,39

0,27–0,35

0,36–0,44

0,41–0,49

0,28–0,35

0,34–0,40

0,41–0,49

0,35–0,43

Mn 1,40–1,80

Mn 1,40–1,80

Mn 1,10–1,40 Si 1,10–1,40 Cr 0,80–1,10

Cr 0,80–1,10

Cr 0,80–1,10

Cr 0,80–1,10 Mn 0,80–1,10 Si 0,90–1,10 Cr 0,90–1,20 Mo 0,15–0,25 Cr 0,45–0,75 Ni 1,00–1,40 Cr 0,40–0,70 Mn 0,80–1,10 Ni 0,40–0,70 Mo 0,15–0,25

850 woda lub olej 830 olej

900 woda

860 olej

850 olej

840 olej

880 olej

850 olej

820 olej lub woda 850 woda lub olej



590 woda

500 woda lub olej

500 woda lub olej

540 woda lub olej

540 woda lub olej

540 woda lub olej

530 woda lub olej

525 powietrze

780

880

880

880

980

1030

1080

980

1030

930

14

10

15

12

10 9

10

12

10

13


Stal do azotowania

38HMJ 0,35–0,42 Cr 1,35–1,65 Mo 0,15–0,25 Al, 0,70–1,10

940 olej lub ciepła

woda

640 woda lub olej

980 14

Obróbka cieplna stali stopowych konstrukcyjnych polega na hartowaniu w oleju z temperatury 820–950°C oraz odpuszczaniu najczęściej w zakresie 500–650°C.

Własności mechaniczne zaleŜą od zawartości węgla i pierwiastków stopowych oraz od temperatury odpuszczania. NiŜsza temperatura odpuszczania pozwala uzyskiwać wysokie własności wytrzymałościowe przy gorszych plastycznych i odwrotnie, zaleŜnie od stawianych wymagań. Stale stopowe konstrukcyjne do nawęglania

Nawęglanie ma na celu uzyskanie twardej i odpornej na ścieranie warstwy wierzchniej elementu konstrukcyjnego, przy zachowaniu wysokiej udarności i ciągliwości rdzenia. Własności te uzyskuje się przez odpowiednią obróbkę cieplną. DuŜą twardość osiąga się przez wzbogacenie warstwy powierzchniowej w węgiel i następnie zahartowanie. Drugim zagadnieniem jest sprawa wytrzymałości rdzenia nawęglonego przedmiotu. Na ogół wymaga się od rdzenia duŜej udarności i ciągliwości, aby skompensować niebezpieczeństwo, które przedstawia warstwa powierzchniowa o duŜej twardości i kruchości. Z tego względu zawartość węgla w stalach do nawęglania jest niska i wynosi zazwyczaj 0,10–0,25%, natomiast wyŜszą wytrzymałość rdzenia uzyskuje się dzięki obecności pierwiastków stopowych. W porównaniu ze stalami węglowymi stale stopowe do nawęglania mają wyŜszą wytrzymałość na rozciąganie zarówno w stanie zmiękczonym, jak i zahartowanym, a dzięki większej hartowności wysoką wytrzymałość moŜna uzyskać w elementach o większych przekrojach przy jednocześnie duŜej udarności, duŜym przewęŜeniu i wydłuŜeniu. Przedmioty wykonane ze stali stopowej charakteryzuje więc po nawęgleniu i zahartowaniu duŜa wytrzymałość rdzenia, której nie moŜna uzyskać przy uŜyciu stali węglowych. Z tego względu stal stopową do nawęglania stosuje się wyłącznie na wysoko obciąŜone, waŜne elementy konstrukcyjne silników, pojazdów mechanicznych i samolotów oraz na inne odpowiedzialne części maszyn. Aby spełnić zasadniczy postulat uzyskania najwyŜszej twardości powierzchniowej, naleŜy warunki hartowania dostosować do składu chemicznego warstwy nawęglonej, dla której właściwa temperatura hartowania jest znacznie niŜsza niŜ temperatura hartowania właściwa dla rdzenia. Poza tym temperatura odpuszczania po hartowaniu musi być niska, gdyŜ juŜ przy 150°C twardość warstwy nawęglanej zaczyna się zmniejszać. Wobec tego, Ŝe własności stali do nawęglania nie moŜna zmieniać przez odpuszczanie, skład chemiczny stali jest zasadniczym czynnikiem rozstrzygającym o własnościach wytrzymałościowych rdzenia.

Wynika stąd, Ŝe dobrawszy odpowiednio zawartość pierwiastków stopowych moŜna uzyskać jednocześnie potrzebną wytrzymałość rdzenia w wymaganym przekroju i poŜądaną twardość powierzchniową po nawęgleniu. PoniewaŜ jednak kaŜdy gatunek stali pozwala na osiągnięcie tylko wąskiego zakresu wytrzymałości rdzenia, aby uzyskać szeroki zakres wytrzymałości Rm 700–1500 MPa i spełnić róŜnorodne wymagania dotyczące twardości powierzchniowej, naleŜy mieć do dyspozycji dość duŜo gatunków stali do nawęglania. Polskie Normy obejmują łącznie 20 gatunków stali stopowych do nawęglania. W grupie stali stopowych konstrukcyjnych (PN-89/H-84030/02) Polskie Normy wyszczególniają 16 gatunków stali do nawęglania: 15H, 20H, 16HG, 20HG, 18HGT, 15HGM, 15HGMA, 18HGM, 17HGN, 15HGN, 15HN, 15HNA, 20HNM, 22HNM, 17HNM, 18H2N2 a w grupie stali stopowych konstrukcyjnych przeznaczonych do wyrobu sprzętu szczególnie obciąŜonego


(PN-72/H-84035) – 4 gatunki stali do nawęglania: 12HN3A, 12H2N4A, 20H2N4A, 18H2N4WA. Stale te odznaczają się niską zawartością węgla (średnio 0,12–0,22%), zawierają prawie zawsze 0,5–2% Cr oraz zaleŜnie od gatunku równieŜ Mn, Ni, Mo oraz rzadziej Ti i W. NajniŜsze własności mechaniczne rdzenia uzyskuje się w przypadku stali chromowych i chromowo-manganowych (15H, 20H, 16HG, 20HG). Mangan w omawianych stalach sprzyja niekorzystnemu rozrostowi ziarn. Przeciwdziała się temu przez dodatek Ti, np. w stali 18HGT. Wobec mniejszej skłonności do rozrostu ziarn, stal moŜe być nawęglana w szerokim zakresie temperatury. Wytrzymałość rdzenia na rozciąganie w tych stalach moŜe dochodzić do ponad 1200 MPa. Stale chromowo-niklowe (15HN, 17HNM, 18H2N2) uzyskują znacznie lepsze własności, ze względu jednak na drogi dodatek niklu zastępowane są coraz częściej stalami chromowo-manganowo-molibdenowymi (15HGM, 18HGM, 19HM) równieŜ wykazującymi wysokie własności mechaniczne i duŜą hartowność. Elementy maszyn wymagające wysokich własności plastycznych rdzenia i jednocześnie bardzo wysokiej wytrzymałości (Rm = 1200–1400 MPa), jak np. części silników lotniczych, wykonuje się ze stali chromowo-niklowych wyŜszej jakości: większej zawartości chromu (ok. 1,5%) i niklu (3–4,5%) z dodatkiem Mo (0,2–0,3) lub W (ok. 1%) (np. stali 12HN3A, 12H2N4A, 20H2N4A, 18H2N4WA). Stale do azotowania

Dzięki zawartości niektórych pierwiastków stopowych, a w szczególności aluminium, chromu i molibdenu stale stopowe do azotowania pozwalają na uzyskanie po azotowaniu największej twardości i odporności na ścieranie warstwy wierzchniej, bez potrzeby stosowania dodatkowej obróbki cieplnej. Twardość warstwy naazotowanej nie tylko nie zmniejsza się po nagrzaniu do temperatury dochodzącej do 500°C, lecz takŜe pozostaje nie zmieniona podczas dłuŜszego wygrzewania w tym zakresie temperatury.

W związku z tym stale do azotowania znajdują duŜe zastosowanie na cylindry, wały, sworznie tłokowe i inne części silników spalinowych, na części turbin, armaturę do pary przegrzanej, wrzeciona zaworów, sprawdziany itp. Czynnikiem rozstrzygającym o wysokiej twardości naazotowanej warstwy powierzchniowej jest niemal wyłącznie skład chemiczny stali, a mianowicie zawartość pierwiastków tworzących trwałe azotki (Al, Cr, Mo i V). Polska Norma PN-89/H-84030/03 przewiduje 3 gatunki konstrukcyjnych stali stopowych do azotowania: 38HMJ, 33H3MF i 25H3M.

Oprócz specjalnych gatunków do azotowania, równieŜ niektóre stale chromowo-molibdenowe i zawierające wanad (40HMF, 40HGM, 35HM) mogą być stosowane do tego celu, nie pozwalając jednak na uzyskanie maksymalnej twardości powierzchniowej. Przed azotowaniem stale ulepsza się cieplnie, stosując hartowanie w wodzie lub oleju i wysokie odpuszczanie, aby uzyskać moŜliwie wysokie własności wytrzymałościowe rdzenia. Stale te dzięki większej zawartości węgla i pierwiastków stopowych odznaczają się duŜą hartownością.

Stale narzędziowe zaliczane sa do stali specjalnych i są stosowane do wyrobu róŜnego rodzaju narzędzi oraz bardziej odpowiedzialnych części przyrządów pomiarowych. Stale narzędziowe dzieli się na węglowe, stopowe do pracy na zimno, stopowe do pracy na gorąco i szybkotnące.

Stale węglowe narzędziowe (PN-84/H-85020) dzieli się na stale płytko hartujące się i głęboko hartujące się. Stale płytko hartujące się są stosowane do wyrobu :narzędzi, których średnica lub grubość nie przekracza 20 mm, a głęboko hartujące się do wyrobu narzędzi o średnicy lub grubości ponad 20 mm. Znak stali węglowej narzędziowej składa się z litery N oznaczającej stal narzędziową oraz z liczby określającej przybliŜoną zawartość węgla wyraŜoną w dziesiętnych częściach procentu (np. N8). Stale płytko hartujące się mają dodatkowo na końcu znaku literę E (np. N9E). Stale narzędziowe węglowe nadają się na


narzędzia, które nie nagrzewają się w czasie pracy do temperatury powyŜej 180°C, gdyŜ po przekroczeniu tej temperatury stal ulega odpuszczeniu, co powoduje obniŜenie twardości narzędzia i jego szybkie zuŜycie.

Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno (PN-86/H-85023) są przeznaczone na narzędzia do obróbki materiału w stanie zimnym oraz na części przyrządów i narzędzi pomiarowych, które powinny być odporne na ścieranie i nie odkształcać się podczas hartowania. Znak tych stali składa się z litery N oznaczającej stal narzędziową do pracy na zimno i liter określających zawarte w stali dodatki stopowe. Cyfry występujące w niektórych znakach stali słuŜą do odróŜnienia poszczególnych gatunków zawierających te same dodatki stopowe. Stale narzędziowe stopowe do pracy na gorąco, są to stale przeznaczone na narzędzia kształtujące materiał w stanie nagrzanym do temperatury, w której staje się plastyczny (matryce, tłoczniki) albo nawet w stanie płynnym (np. formy do odlewów pod ciśnieniem) np. WCMB, WNL, WCL, WCLV. Stalami szybkotnącymi nazywa się stale, które zachowują twardość i zdolność skrawania przy szybkościach skrawania i przekrojach warstwy skrawanej wywołujących nagrzewanie się narzędzi aŜ do ok. 600°C. Składniki stopowe stali: wolfram (W), chrom (Cr), wanad (V) i molibden (Mo) tworzą z węglem twarde węgliki. Najczęściej uŜywane stale szybkotnące to: SW7M, SW12C, SKC, SK5M, SK8M, SK10V.


Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Jakie stale nazywamy stopowymi? 2. Co to są składniki stopowe i w jakim celu je wprowadzamy do stali? 3. Jakimi literami oznaczamy poszczególne składniki stopowe? 4. Jak dzielimy stale narzędziowe? 4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Odczytaj z PN i katalogów właściwości i zastosowanie następujących stali: – 15H, – 18HGT, – 35HM, – 38HMJ, – N9E.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) zapoznać się z otrzymanymi normami i katalogami, 2) odszukać podane gatunki stali, 3) zapisać właściwości i zastosowanie wymienionych gatunków stali, 4) zaprezentować efekt swojej pracy.

Środki dydaktyczne: − PN i katalogi zawierające informacje o stalach węglowych, − arkusze papieru i pisaki.


Ćwiczenie 2 Odszukaj w PN i katalogach stale do azotowania i do ulepszania cieplnego, określ ich

skład chemiczny oraz właściwości i zastosowanie. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zapoznać się z otrzymanymi normami i katalogami, 2) odszukać odpowiednie gatunki stali, 3) zapisać właściwości i zastosowania wymienionych gatunków stali, 4) uporządkować odnalezione informacje, 5) zaprezentować efekty pracy.

Środki dydaktyczne:

− PN i katalogi zawierające informacje o stalach stopowych, − arkusze papieru i pisaki. 4.3.4. Sprawdzian postępów Czy potrafisz: Tak Nie 1) wskazać ile moŜe wynosić największa zawartość węgla w stali? � � 2) odczytać z oznaczenia stali stopowej jej składniki? � � 3) ustalić właściwości stali na podstawie jej oznaczenia ? � � 4) wskazać, jaka moŜe być największa zawartość węgla w stalach

do nawęglania? �

�

5) wyjaśnić, jaki wpływ na własciwości stali ma chrom? � �


4.4. Staliwo. śeliwo 4.4.1. Materiał nauczania

Staliwo jest to stop Ŝelaza z węglem i innymi pierwiastkami, zawierający do około 2,0% węgla, otrzymywany w procesach stalowniczych, w stanie ciekłym odlewany do form odlewniczych. Odlewy takie mogą być uŜywane bezpośrednio po zakrzepnięciu bez obróbki cieplnej lub mogą być obrabiane cieplnie, względnie poddawane obróbce cieplno-chemicznej. Jako materiał konstrukcyjny staliwo wykazuje wiele zalet, ma lepsze właściwości wytrzymałościowe i plastyczne w porównaniu z Ŝeliwem, a takŜe dobrą spawalność (zwłaszcza niskowęglowe i niskostopowe). Wykazuje jednak gorsze właściwości odlewnicze ze względu na skurcz dochodzący do 2% i wysoką temperaturę topnienia dochodzącą do 1600°C. Staliwa niestopowe (węglowe) konstrukcyjne ogólnego przeznaczenia

Polska norma PN-ISO 3755:1994 wymienia 8 gatunków staliw węglowych konstrukcyjnych ogólnego przeznaczenia. Gatunki te oznacza się dwiema liczbami trzycyfrowymi lub dwiema liczbami trzycyfrowymi i literą W: 200-400, 200-400W, 230-450, 230-450W, 270-480, 270–480W, 340–550, 340-550W. Pierwsza liczba oznacza wymaganą minimalną wartość Re lub Rg,w MPa, a druga – minimalną wytrzymałość na rozciąganie Rm równieŜ w MPa. Gatunki zawierające na końcu literę W mają dodatkowo określoną maksymalną zawartość poszczególnych pierwiastków (czyli tzw. ograniczony skład chemiczny), w celu zapewnienia dobrej (jednolitej) spawalności. Staliwa, których oznaczenie nie zawiera litery W, nie mają obowiązującego składu chemicznego poza fosforem (max 0,035%) i siarką (max 0,035%). Natomiast gatunki z literą W mają max 0,25% C i zróŜnicowaną w zaleŜności od gatunku zawartość Mn od max 1,00% do max 1,50%, oraz określoną maksymalną zawartość pozostałych pierwiastków (jednakowa dla tych gatunków): ≤ 0,60% Si, ≤ 0,035% P, ≤ 0,035% S, ≤ 0,40% Ni, ≤ 0,35% Cr, ≤ 0,40% Cu, ^ ≤ 0,15% Mo i ≤ 0,05% V. Wytrzymałość na rozciąganie Rm zaleŜy od gatunku staliwa i zawiera się w granicach od 400–550 MPa do 550–700 MPa, a wydłuŜenie Amin odpowiednio – od 25% do 15%. Staliwa węglowe konstrukcyjne ogólnego przeznaczenia mogą być obrabiane cieplnie. Zwykle poddaje się je normalizowaniu, wyŜarzaniu zupełnemu lub wyŜarzaniu odpręŜającemu.

Staliwa stopowe, podobnie jak stale, zawierają specjalnie wprowadzone dodatki stopowe, które nadają im określone własności. Sposób znakowania gatunków staliw stopowych jest analogiczny, jak stali stopowych konstrukcyjnych, z tą róŜnicą, Ŝe w przypadku staliw na początku znaku znajduje się litera L. Za literą L znajdują się cyfry określające średnią zawartość węgla w setnych procentu, następnie litery (symbole) analogiczne jak w przypadku stali stopowych konstrukcyjnych (rozdz. 4.3), które określają pierwiastki stopowe, i cyfry, które podają średnią zawartość danego pierwiastka w procentach. JeŜeli zawartość pierwiastka stopowego nie przekracza średnio 2%, to podaje się tylko litery stanowiące symbole tego pierwiastka. Staliwa stopowe ze względu na zastosowanie dzielą się na: Staliwa stopowe konstrukcyjne – Polska Norma PN-H/83156:1997 obejmuje 23 gatunki staliw tej grupy o następujących oznaczeniach: L20G, L35G, L15GM, L30GS, L35GM, L35GN, L30H, L40H, L17HM, L25HM, L25HN, L35HM, L40HF, L30HMF, L30HGNM, L35HGS, L35HNM, L20HN3M, L30H2N2M, 35H2MF, L12H13, L12H13N4M, L0H13N4M. W normie podany jest skład chemiczny poszczególnych gatunków i ich własności mechaniczne.


Wytrzymałość na rozciąganie Rm powyŜszych staliw w stanie normalizowanym zawiera się w graniach od 450 do 800 MPa, a w stanie ulepszonym cieplnie po normalizowaniu – od 450 do 1200 MPa.

Staliwa do pracy w podwyŜszonych temperaturach – PN-89/H-83157 (9 gatunków: L20, L16M, L20M, L20HM, L18H2M, L15HMF, L18HM, L21HMF, L17HMF). Staliwa te charakteryzują się określonymi własnościami mechanicznymi, określoną granicą pełzania w zakresie temperatury do 600°C.

Staliwa stopowe odporne na korozję (nierdzewne i kwasoodporne) charakteryzujące się zwiększoną odpornością na działanie korozyjne atmosfery, kwasów oraz niektórych ośrodków korozyjnych – PN-86/H-83158 (14 gatunków). Ze względu na zawartość pierwiastków stopowych i struktury osnowy rozróŜnia się następujące staliwa odporne na korozję: − chromowe martenzytyczne (LOH13, LH14, LH14N), − chromowo-niklowe austenityczne (LH18N9, LH18N9T, LH16N5G6), − chromowo-niklowo-molibdenowe austenityczne (LH18N10M2, L0H18N10M2,

L0H18N9M, LH18N10M2T), − chromowo-niklowe austenityczno-ferrytyczne (L0H12N4M, LH21N5, LH12N5M,

LH21N5T). Wszystkie gatunki staliwa odpornego na korozję mogą być spawane. Zastosowanie tych

staliw jest podobne jak stali nierdzewnych i kwasoodpromych o podobnym składzie chemicznym.

Staliwa Ŝaroodporne i Ŝarowytrzymałe – PN-90/H-83159 (9 gatunków). Staliwo Ŝaroodporne charakteryzuje się odpornością na bezpośrednie działanie płomienia lub spalin w wysokich temperaturach. Staliwo Ŝarowytrzymałe wykazuje w wysokich temperaturach wyŜsze własności wytrzymałościowe niŜ inne staliwa pracujące w tych temperaturach. Gatunki LH18S2, LH26, LH29S2G, LH26N4S2 są wysokochromowymi staliwami Ŝaroodpornymi przeznaczonymi do pracy przy małych obciąŜeniach. Zawartość węgla jest wysoka (1,3–1,5% C, z wyjątkiem LH26 – 0,5% C). Struktura tych staliw składa się z perlitu i węglików lub ferrytu i węglików. Staliwo LH29S2G jest ponadto bardzo odporne na ścieranie w wysokich temperaturach. Gatunki LH17N8G, LH19N14G, LH23N18G, LH25H19S2, LH17N37S2G są chromowoniklowymi staliwami Ŝarowytrzymałymi i Ŝaroodpornymi, o strukturze austenitycznej. Obróbka cieplna i zastosowanie tych staliw są analogiczne jak austenitycznych stali Ŝarowytrzymałych. Stosowane są one równieŜ jako kwasoodporne w podwyŜszonych temperaturach.

Staliwa odporne na ścieranie – PN-88/H-83160 (12 gatunków: L20HGSNM, L25SHNM, L30HGN2M, L35GSM, L40GM, L40H3T, L100AGM, L40HM, [20G13, L120G13H, L120G13T oraz L30GS wg PN-87/H-83156). Stosowane są (z wyjątkiem L120G13, L120G13T i L120G13H) w stanie normalizowanym i ulepszonym na korpusy sprzęgieł, elementy czerpaków, koparek, koła zębate, części maszyn budowlanych, ogniwa gąsienicowe, płyty pancerne, szczęki do kruszarek, koła jezdne do suwnic itp. Staliwa L120G13, L120G13H i L120G13T (wysokowęglowe i wysokomanganowe) mają strukturę austenityczną i są szczególnie odporne na zuŜycie. Stosowane są w stanie przesyconym najczęściej na rozjazdy kolejowe, gąsienice traktorowe i części łamaczy i kruszarek.

Staliwa narzędziowe – PN-90/H-83161. Norma obejmuje 18 gatunków staliw do pracy na zimno i gorąco: L150HSM, L155HNM, L180HNM, L200HNM. L200HSNM, L70H2GNM, L90HMF, L120H21NM, L180H20F, L35H17N2M. L40H5MF, L45HN2MF, L65HNM, L75HMF, L100H2M, L120HWMF. L120HNMF, L210H21S. Staliwa te stosuje się w stanie obrobionym cieplnie, aby zapewnić odpowiednią twardość.

śeliwami węglowymi nazywa się odlewnicze stopy Ŝelaza z węglem, zawierające teoretycznie powyŜej 2,06% C, a praktycznie 2,5–3,6% C. Poza tym Ŝeliwa te podobnie jak stale, zawsze zawierają pewne ilości krzemu, manganu, fosforu i siarki pochodzenia


metalurgicznego. W przeciwieństwie do stali, większość Ŝeliw odznacza się niską plastycznością. Węgiel w Ŝeliwach moŜe występować w dwóch postaciach: bądź w stanie wolnym jako grafit, bądź w postaci związanej w cementycie. W zaleŜności od tego rozróŜnia się Ŝeliwa szare, które niezaleŜnie od struktury osnowy (ferrytycznej, perlitycznej lub ferrytyczno-perlitycznej) zawierają wydzielenia grafitu, oraz Ŝeliwa białe, w których węgiel występuje prawie wyłącznie w postaci cementytu. Nazwy te związane są z kolorem ich przełomów. Niekiedy spotyka się Ŝeliwa połowiczne, które miejscami mają budowę Ŝeliw szarych, a miejscami – białych. Struktura Ŝeliw zaleŜy zarówno od ich składu chemicznego (rys. 7), jak szybkości krystalizacji metalu, co jest związane z grubością ścianek odlewu.

Rys. 7. Wpływ zawartości węgla i krzemu na strukturę Ŝeliw (wykres Laplancha) [4].

Krzem, którego zawartość w Ŝeliwach waha się od 0,3 do 5%, sprzyja tworzeniu grafitu.

Zmieniając zawartość krzemu moŜna otrzymać róŜne rodzaje Ŝeliw, całkowicie odmienne zarówno pod względem struktury, jak i własności, od Ŝeliwa białego do ferrytycznego szarego. Proces grafityzacji ułatwiają równieŜ takie pierwiastki, jak miedź i nikiel. Mangan utrudnia proces grafityzacji, sprzyjając tworzeniu się cementytu. Podobnie działa siarka, której zawartość w Ŝeliwach nie moŜe przekraczać 0,08–0,12% (w zaleŜności od wielkości odlewów), poniewaŜ pogarsza ona własności odlewnicze i zwiększa kruchość. Poza tym do pierwiastków przeciwdziałających grafityzacji naleŜą między innymi chrom, wolfram, molibden i wanad. WaŜnym składnikiem Ŝeliw jest fosfor, który zwiększa ich rzadkopłynność dzięki tworzeniu eutektyki fosforowej, nie oddziałując w wyraźnym stopniu na proces grafityzacji.

Największe zastosowanie przemysłowe mają jak dotąd Ŝeliwa szare. W Ŝeliwach tych grafit występuje w postaci nieregularnych płatków róŜnej wielkości, tworząc nieciągłości w osnowie metalicznej (rys. 8). Wytrzymałość grafitu w porównaniu z wytrzymałością tej osnowy moŜna przyjąć za równą zeru, stąd teŜ Ŝeliwa szare odznaczają się niską wytrzymałością na rozciąganie i zginanie, przy dość dobrej wytrzymałości na ściskanie. RównieŜ wytrzymałość zmęczeniowa Ŝeliw jest niewielka, ze względu na istnienie wspomnianych karbów naturalnych. Z tego samego powodu Ŝeliwa szare są mało wraŜliwe na działanie wad powierzchniowych, wszelkiego rodzaju karbów konstrukcyjnych itp.


Rys. 8. Struktura Ŝeliwa szarego nie trawionego. Widoczne płatki grafitu. Powiększenie 100x [4].

Rys. 9. Struktura Ŝeliwa szarego ferrytyczno-perlitycznego z wyraźnie widoczną eutektyką fosforową (jasny,

kropkowany obszar). Powiększenie 500x [4].

Główną zaletą Ŝeliwa szarego są przede wszystkim dobre własności odlewnicze przejawiające się wysoką rzadkopłynnością, dobrym wypełnianiem form, małym skurczem odlewniczym (1%) itd. Inne zalety związane z obecnością wydzielę-grafitu to: dobre własności przeciwcierne i zdolność tłumienia drgań. Dodatkową zaletą tych Ŝeliw jest niska cena. Grafit, będący jednym z głównych składników strukturalnych Ŝeliw szarych, jest rozmieszczony w osnowie ferrytycznej, ferrytyczno-perlitycznej lub perlityczne, przy czym ferryt jest tu nie tylko roztworem stałym węgla w Ŝelazie a, lecz takŜe roztworem krzemu oraz ewentualnie innych pierwiastków w Ŝelazie a i dlatego nosi nazwę krzemoferrytu. Oczywiście perlit jest w przypadku Ŝeliw mieszaniną krzemoferrytu i cementytu.

Przy większej zawartości siarki w strukturze Ŝeliw szarych uwidaczniają się równieŜ siarczki manganu w postaci lekko niebieskawych wieloboków. Strukturę Ŝeliwa szarego o osnowie ferrytyczno-perlitycznej pokazano na rysunku 9.

śeliwa szare zgodnie z PN-92/H-83101 dzielą się na gatunki, przy czym podstawą podziału jest wytrzymałość na rozciąganie, określana na próbkach o średnicy pomiarowej 20 mm, wytoczonych z oddzielnie odlewanych wlewków próbnych. Polska Norma podaje 6 gatunków Ŝeliwa szarego z określoną minimalną wytrzymałością na rozciąganie, a mianowicie: 100, 150, 200, 250, 300 i 350 (trzycyfrowa liczba oznacza min. Rm w MPa). NiŜsze wartości odnoszą się do Ŝeliw o strukturze ferrytycznej, wyŜsze – do Ŝeliw o strukturze perlitycznej. Wytrzymałość i twardość stwierdzona na próbkach wykonanych z wlewków próbnych róŜnią się od wytrzymałości i twardości odlewów, gdyŜ własności te w istotny sposób zaleŜą od grubości ścianek odlewów, zmniejszając się z jej wzrostem. Na przykład Ŝeliwo szare gatunek 100, ze zwiększaniem grubości ścianek odlewu, wykazuje wytrzymałość na rozciąganie 120–90 MPa, a Ŝeliwo gatunku 350–315–270 MPa. W przypadku wymaganej


dobrej obrabialności i odporności odlewów na ścieranie Ŝeliwa szare klasyfikuje się na podstawie twardości, przy czym ustala się 6 klas twardości oznaczających przewidywaną średnią twardość HB w określonym miejscu odlewu. Przewidywane zakresy twardości HB dla róŜnych grubości ścianki odlewu podano w tablicy 7. Tabela 7. Klasy twardości Ŝeliw szarych (wg PN-92/H-83101) [opracowanie własne].

Klasa twardości Zakres twardości HB H 145 Max 170 H 175 150-200 H 195 170-200 H 215 190-240 H 235 210-260 H 255 230-280

Dla Ŝeliw szarych istnieją ustalone empirycznie zaleŜności między twardością

i wytrzymałością na rozciąganie w przypadkach, gdy: Rm ≥ 196 MPa, wówczas HB = RH (100 + 0,438) Rm Rm < 196 MPa, wówczas HB = RH (100 + 0,724) Rm

Czynnik RH, czyli tzw. twardość względna, zmienia się w granicach 0,8–1,2 w zaleŜności od materiału wyjściowego, procesu topienia i rzeczywistego procesu metalurgicznego. W poszczególnych odlewniach moŜna ustalić wartość czynnika RH na prawie stałym poziomie i w takich przypadkach, mierząc twardość HB na powierzchni odlewu, moŜna określić jego wytrzymałość na rozciąganie wykorzystując podane zaleŜności. Tabela 8. Orientacyjne zakresy twardości Ŝeliw szarych dla róŜnych grubości ścianki odlewu

(wg PN-92/H-83101) [opracowanie własne].

Dzięki swym zaletom, Ŝeliwa szare są materiałem konstrukcyjnym powszechnie stosowanym w przemyśle maszynowym, kolejowym, samochodowym i in. (np. na korpusy maszyn, płyty fundamentowe, pierścienie tłokowe, bębny hamulcowe, tuleje cylindrowe, armaturę). Odmianą Ŝeliw szarych są Ŝeliwa modyfikowane, zawierające bardzo drobny grafit płatkowy. To rozdrobnienie grafitu uzyskuje się przez dodanie do Ŝeliwa przed odlaniem tzw. modyfikatora, najczęściej w postaci sproszkowanego Ŝelazokrzemu. śeliwa modyfikowane mają wyŜszą wytrzymałość niŜ Ŝeliwa zwykłe.

śeliwami sferoidalnymi nazywa się Ŝeliwa, w których grafit wydziela się podczas krzepnięcia w postaci kulek. Otrzymuje się je w wyniku procesu modyfikacji, który polega na wprowadzeniu do metalu bezpośrednio przed jego odlewaniem – niewielkiego dodatku magnezu (w stopie z niklem lub miedzią). Struktura osnowy Ŝeliw sferoidalnych, podobnie jak struktura osnowy zwykłych Ŝeliw szarych, moŜe być ferrytyczna (rys. 10), ferrytyczno-perlityczna, perlityczno-ferrytyczna lub perlityczna (rys. 11). śeliwa sferoidalne są w Polsce


znormalizowane (PN-92/H-83123), przy czym podstawą klasyfikacji są ich własności mechaniczne. Polska Norma podaje dwie odrębne klasyfikacje Ŝeliw sferoidalnych. Pierwsza opiera się na własnościach mechanicznych określanych na próbkach wyciętych z wlewków próbnych oddzielnie odlewanych. Według tej klasyfikacji rozróŜnia się 9 gatunków Ŝeliw (tabl. 9). Oznaczenie poszczególnych gatunków składa się z liczby określające minimalną wytrzymałość na rozciąganie w MPa oraz liczby określającej minimalne wydłuŜenie w procentach. Na przykład oznaczenie 400–15 oznacza Ŝeliwo sferoidalne o Rm min. 400 MPa i wydłuŜeniu A5 min. 15%.

Rys. 10. Struktura Ŝeliwa sferoidalnego ferrytycznego. Widoczne kuliste wydzielenia grafitu na tle ferrytycznej

osnowy. Traw. 5% roztworem alkoholowym HNO3. Powiększenie 200x [4].

Rys. 11. Struktura Ŝeliwa sferoidalnego perlitycznego. Widoczne kuliste wydzielenia grafitu w otoczce

ferrytycznej na tle perlitycznej osnowy. Powiększenie 200x [4].

Druga klasyfikacja opiera się na własnościach mechanicznych określanych na próbkach wykonanych z wlewków próbnych tzw. przylanych (odlewanych razem z odlewem). W tym przypadku, w oznaczeniu gatunku za liczbą określającą minimalne wydłuŜenie podaje się literę A, np. 400–15A. Ta klasyfikacja zawiera 6 garnków Ŝeliw o wytrzymałości na rozciąganie 320–700 MPa, granicy plastyczności 210–400 MPa, wydłuŜeniu 15–2% i twardości HB 130–320.

Dodatkowa klasyfikacja (równieŜ zawarta w PN) oparta na twardości mierzonej na samych odlewach rozróŜnia 9 gatunków oznaczanych literą H i podaje średnią twardość HB danego gatunku, np. H330, H150 itd. NiezaleŜnie od przyjętej klasyfikacji, wyŜsza wytrzymałość i twardość odpowiada perlitycznej strukturze osnowy, wyŜsza plastyczność – strukturze ferrytycznej.


Tabela 9. Gatunki i własności mechaniczne Ŝeliw sferoidalnych (wg PN-92/H-83123) [opracowanie własne].

śeliwo sferoidalne zastępuje z powodzeniem nie tylko staliwo, lecz równieŜ niektóre odkuwki stalowe. Wytwarza się z niego takie części silników samochodowych, jak wały wykorbione, wałki rozrządcze, cylindry i pierścienie tłokowe. W budowie obrabiarek Ŝeliwo sferoidalne wykorzystuje się na koła zębate, wrzeciona, korpusy itd.

śeliwa białe ze względu na zawartość węgla dzielą się na: podeutektyczne, eutektyczne i nadeutektyczne. śeliwa białe, jako materiał konstrukcyjny, prawie nie mają bezpośredniego zastosowania technicznego, natomiast powierzchniowa warstwa Ŝeliwa białego na Ŝeliwie szarym, powstająca przez tzw. zabielenie (tj. szybkie lokalne ochłodzenie odlewu), jest często stosowana w celu zwiększenia odporności materiału na ścieranie. Taką twardą warstwę w Ŝeliwie otrzymuje się umieszczając w formie tzw. ochładzalniki, czyli odpowiednie wkładki metaliczne szybko odprowadzające ciepło. Zabielenie Ŝeliwa szarego stosuje się czasem w przypadku mniej odpowiedzialnych prowadnic korpusów maszyn, bieŜni kół wagoników roboczych itp. śeliwo białe jest materiałem wyjściowym przy wytwarzaniu przedmiotów z Ŝeliwa ciągłego.

śeliwami ciągliwymi nazywa się Ŝeliwa białe, które wskutek długotrwałego (rzędu kilkudziesięciu godz.) wyŜarzania w wysokiej temperaturze (ok. 1000°C) ulegają określonemu uplastycznieniu, dzięki odwęgleniu lub grafityzacji lub obu tym procesom łącznie. W zaleŜności od sposobu przeprowadzania tej obróbki otrzymuje się:

śeliwa ciągliwe białe, przez wyŜarzanie Ŝeliw białych w środowisku utleniającym, np. w rudzie Ŝelaza. Podczas wyŜarzania znaczna część węgla zawartego w Ŝeliwie utlenia się, a w warstwie powierzchniowej grubości 1,5–2 mm zachodzi zupełne odwęglenie. Przy ochładzaniu zazwyczaj nie wygrzewa się Ŝeliwa w temperaturze poniŜej temperatury przemiany, w wyniku czego w metalicznej osnowie rdzenia zachowuje się znaczna ilość perlitu. Przy powierzchni odlewu Ŝeliwo to wykazuje matowobiałą barwę przełomu (ferryt) przechodzącą łagodnie w srebrzystą bliŜej środka ścianki odlewu (perlit).

śeliwa ciągliwe czarne, przez wyŜarzanie Ŝeliw białych w środowisku obojętnym. W czasie tego wyŜarzania cementyt zawarty w Ŝeliwie rozpada się, a wydzielający się z niego węgiel w postaci grafitu tworzy skupienia zwane węglem Ŝarzenia. Struktura Ŝeliwa w temperaturze wyŜarzania składa się więc z austenitu i węgla Ŝarzenia. Kolejnym zabiegiem jest bardzo wolne chłodzenie, warunkujące zachodzenie przemian fazowych zgodnie ze stabilnym układem równowagi Ŝelazo-grafit (z austenitu zamiast cementytu wydziela się grafit). W efekcie, w temperaturze pokojowej otrzymuje się Ŝeliwo, którego struktura składa się ze skupień grafitu (węgla Ŝarzenia) rozmieszczonych w ferrytycznej osnowie. DuŜa ilość wydzieleń grafitu wywołuje ciemną barwę przełomu.


śeliwa ciągliwe perlityczne, przez wyŜarzanie Ŝeliw białych w środowisku obojętnym, lecz bez doprowadzania do końca procesu grafityzacji (szybsze chłodzenie poniŜej temperatury przemiany, dzięki czemu w strukturze zachowuje się część cementytu). W wyniku uzyskuje się Ŝeliwo o osnowie perlitycznej lub perlityczno-ferrytycznej i srebrzystej barwie przełomu. W procesie produkcji Ŝeliwa ciągliwego bardzo waŜnym czynnikiem jest uzyskanie w odlewie Ŝeliwa całkowicie białego, poniewaŜ częściowa grafityzacja podczas krzepnięcia i utworzenie się w Ŝeliwie płatków grafitu zakłócają zachodzące w czasie wyŜarzania grafityzującego powstawanie zwartych skupień grafitu. W związku z tym zawartość pierwiastków wchodzących w skład Ŝeliwa ciągliwego musi mieścić się w stosunkowo wąskich granicach.

Zazwyczaj skład chemiczny Ŝeliwa ciągliwego jest następujący: 2,4–2,8% węgla, 0,8–1,4% krzemu, do 1% manganu, do 0,1% siarki i do 0,2% fosforu. śeliwa ciągliwe są w Polsce znormalizowane (PN-92/H-83221), przy czym norma rozróŜnia 4 gatunki Ŝeliwa ciągliwego białego, 3 – Ŝeliwa ciągliwego czarnego i 7 – Ŝeliwa ciągliwego perlitycznego. Oznaczenie poszczególnych gatunków składa się z liter i cyfr. Litery oznaczają: W – Ŝeliwo ciągliwe białe, B – Ŝeliwo ciągliwe czarne, P – Ŝeliwo ciągliwe perlityczne. Po literze oddzielonej odstępem podawane są dwie cyfry oznaczające minimalną wytrzymałość na rozciąganie w MPa próbki o średnicy 12 mm podzieloną przez 10, a następnie, oddzielone znakiem pauzy, dwie cyfry oznaczające minimalne wydłuŜenie A3 wyraŜone w %. Jeśli wartość wydłuŜenia jest mniejsza niŜ 10%, pierwszą cyfrą jest 0. Przykładowe oznaczenia Ŝeliw ciągliwych: W 35-04, B 32-10, P 65-02.

śeliwo ciągliwe odznacza się dobrą skrawalnością, duŜą odpornością na działanie dymu i kwaśnej wody kopalnianej. Wykonuje się z niego odlewy o duŜej wytrzymałości, dobrej plastyczności, obrabialności i odporności na uderzenia, gdyŜ łączy w sobie dobre własności odlewnicze Ŝeliwa z dobrymi własnościami mechanicznymi staliwa

śeliwami stopowymi nazywa się Ŝeliwa zawierające dodatkowo pierwiastki takie jak nikiel, chrom, molibden, aluminium, tytan, wanad, miedź, wolfram, bor lub zwiększone ilości krzemu i manganu. Dobór ww. składników oraz ich wzajemne stosunki ilościowe decydują o własnościach wytrzymałościowych Ŝeliw stopowych, ich odporności na ścieranie i działanie środowisk korozyjnych oraz na oddziaływane utleniających atmosfer w wysokich temperaturach. Polska Norma PN-88/H-83144 podaje 48 gatunków Ŝeliw stopowych dzielących się, w zaleŜności od własności i zastosowania, na 3 grupy: Ŝaroodporne, odporne na korozję i odporne na ścieranie.

śeliwo stopowe oznacza się znakiem gatunku, który zawiera: litery Zl dla Ŝeliwa stopowego szarego i połowicznego, litery Zb dla Ŝeliwa stopowego białego, litery Zs dla Ŝeliwa stopowego sferoidalnego, symbole chemiczne pierwiastków stopowych wg malejącej procentowej zawartości składnika, oraz liczby określające średnią procentową zawartość pierwiastka stopowego, jeŜeli jest ona równa lub większa od 0,8%.

śeliwa stopowe Ŝaroodporne. Jest to grupa Ŝeliw wykazujących odporność na korozyjne działanie gazów utleniających w wysokich temperaturach dzięki zawartości takich dodatków stopowych, jak krzem (do 6%), chrom (do 34%) i aluminium (do 8%). Graniczna temperatura pracy tych Ŝeliw zaleŜy od zawartości i wzajemnego stosunku ilościowego ww. dodatków stopowych i w zaleŜności od gatunku Ŝeliwa wynosi 550–1100°C. Oprócz Ŝaroodporności, ta grupa Ŝeliw charakteryzuje się równieŜ dobrą odpornością na ścieranie i twardością, a takŜe odpornością na korozyjne oddziaływanie róŜnych środowisk chemicznych. Polska Norma podaje 10 ganków Ŝeliw stopowych Ŝaroodpornych.

śeliwa stopowe odporne na korozję. śeliwa węglowe zwykłe są stosunkowo mało odporne na działanie czynników chemicznych. Wprowadzenie do tych Ŝeliw dodatków stopowych, takich jak krzem, nikiel, chrom i miedź znakomicie podwyŜsza ich odporność na korozyjne i erozyjne oddziaływanie róŜnorodnych środowisk chemicznych. Polska Norma


podaje 8 gatunków Ŝeliw stopowych odpornych na korozję, w tym: l gatunek Ŝeliwa wysokokrzemowego (14–16% Si), 5 gatunków Ŝeliw wysokoniklowych (13,5–32% Ni) o podwyŜszonej zawartości krzemu, chromu i miedzi oraz 2 gatunki Ŝeliw wysokochromowych (25–34% Cr), wykazujących równieŜ bardzo dobrą odporność na ścieranie i doskonałą Ŝaroodporność.

śeliwa stopowe odporne na ścieranie. Jest to najliczniejsza grupa Ŝeliw stopowych, obejmująca zgodnie z Polską Normą 33 gatunki. W większości są to Ŝeliwa wysokostopowe zawierające: 0,5–3,1% Si, 0,5–1,2% Mn (tylko l gatunek zawiera do 12% Mn), 0,15–2,4% Cr (tylko 2 gatunki Ŝeliw mają wysoką zawartość chromu: jeden do 19%, drugi – do 30% Cr), 0,13–5% Ni, 0,5–2,0% Cu. Ponadto w 7 gatunkach występują niewielkie zawartości molibdenu, tytanu, wanadu bądź boru. Skład chemiczny tych Ŝeliw jest tak dobrany, Ŝe wykazują dobre własności przeciwcierne oraz wytrzymałościowe przy zadowalającej odporności korozyjnej w określonych ośrodkach chemicznych; niektóre gatunki zachowują te własności równieŜ w podwyŜszonych temperaturach.


Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Co to jest staliwo? 2. Co to jest Ŝeliwo? 3. Jakie znasz rodzaje staliw? 4. Jakie znasz rodzaje Ŝeliw? 5. Czym charakteryzuje się Ŝeliwo stopowe? 4.4.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Odczytaj z PN i katalogów właściwości i zastosowanie następujących staliw i Ŝeliw: – L35GN, – L16M, – L100AGM, – 100, – 400-18, – 350.


1) zapoznać się z otrzymanymi normami i katalogami, 2) odszukać podane gatunki staliw i Ŝeliw, 3) zapisać właściwości i zastosowania wymienionych gatunków, 4) zaprezentować efekt swojej pracy.


− PN i katalogi zawierające informacje o staliwach i Ŝeliwach, − arkusze papieru i pisaki.


Ćwiczenie 2 Odszukaj w PN i katalogach po 2 gatunki staliwa Ŝaroodpornego i Ŝeliwa sferoidalnego,

określ ich skład chemiczny oraz właściwości i zastosowanie. Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zapoznać się z otrzymanymi normami i katalogami, 2) odszukać odpowiednie gatunki staliw i Ŝeliw, 3) zapisać właściwości i zastosowania tych gatunków, 4) uporządkować w grupie odnalezione informacje, 5) zaprezentować efekty pracy.

WyposaŜenie stanowiska pracy: − PN i katalogi zawierające informacje o staliwach i Ŝeliwach, − arkusze papieru i pisaki. 4.4.4. Sprawdzian postępów Czy potrafisz: Tak Nie 1) zdefiniować pojęcie staliwo? � � 2) zdefiniować pojęcie Ŝeliwo? � � 3) określić rodzaj, skład i właściwości staliwa na podstawie oznaczenia? � � 4) określić rodzaj, skład i właściwości Ŝeliwa na podstawie oznaczenia? � � 5) wymienić gatunki Ŝeliwa odporne na ścieranie? � �


4.5. Metale nieŜelazne i ich stopy: właściwości, znakowanie, zastosowanie

4.5.1. Materiał nauczania Miedź i jej stopy Miedź jest metalem o barwie czerwonozłotej. Jest odporna na korozję, plastyczna, dobrze przewodzi ciepło i prąd elektryczny. Miedź moŜna obrabiać plastycznie na zimno lub na gorąco w temperaturze ok. 700°C. Miedź stosuje się na przewody elektryczne, elementy chłodnic i innych urządzeń w przemyśle spoŜywczym i chemicznym oraz przede wszystkim jako składnik stopów. Niskie własności wytrzymałościowe czystej miedzi ograniczały jej zastosowanie i dlatego rozpoczęto wprowadzanie do miedzi róŜnych składników stopowych. Miedź stopowa zawiera niewielkie ilości składników stopowych w ilości nie przekraczającej 3%. Miedź arsenowa zawiera 0,3–0,5% As; jest stosowana na części aparatury chemicznej i innych urządzeń. Jest ona odporna na utlenianie w podwyŜszonej temperaturze. Miedź chromowa zawierająca 0,4–1,2% Cr i do 0,5 Zn jest uŜywana na elektrody do zgrzewarek. Miedź kadmowa zawiera 0,9–1,2% Cd i jest uŜywana na przewody trakcji elektrycznej. Oprócz wyŜej wymienionych gatunków miedzi stopowej stosuje się teŜ miedź srebrową, manganową, cynową, cynkową i telurową.

Znak miedzi stopowej jest określony symbolem miedzi, następnie symbolem składnika stopowego i liczbą określającą zawartość procentową składnika stopowego, np. symbol gatunku CuAg2 oznacza miedź srebrową o zawartości 1,85–2,15% Ag.

Stopy miedzi znajdują bardzo duŜe zastosowanie. Do najwaŜniejszych stopów miedzi naleŜy zaliczyć mosiądze i brązy. Znakowanie stopów miedzi i wszystkich innych stopów metali nieŜelaznych jest następujące. Na początku znaku stawia się symbol metalu zasadniczego, po nim umieszcza się symbol głównego dodatku stopowego z liczbą całkowitą wskazującą jego procentową zawartość w stopie, wyraŜoną w liczbach całkowitych. Dalej w kolejności zmniejszających się zawartości procentowych podaje się pozostałe dodatki stopowe z liczbami ich procentowych zawartości. Gdy zawartość składnika dodatkowego nie przekracza l %, to cyfrę się opuszcza. Na przykład CuZn40Mn3Fe, jest znakiem mosiądzu manganowo-Ŝelazowego, w którym zawartość cynku wynosi ok. 40%, manganu ok. 3% i Ŝelaza ok. l %, a resztę stanowi miedź. Mosiądz jest to stop miedzi z cynkiem zawierającym 46,5–97% miedzi. Mosiądze specjalne zawierają (oprócz miedzi i cynku) mangan, ołów, Ŝelazo, aluminium, krzem, nikiel i cynę. Mosiądz jest odporny na korozję, ma dobre własności plastyczne i odlewnicze oraz odznacza się dobrą skrawalnością. Właściwości mechaniczne mosiądzów zaleŜą od zawartości cynku. Ze wzrostem zawartości cynku zwiększa się wytrzymałość i plastyczność. Największą plastyczność ma mosiądz zawierający ok. 30% cynku, natomiast zawartość powyŜej 39% cynku gwałtownie pogarsza plastyczność stopu. Największą wytrzymałość (ok. 420 MPa) osiąga mosiądz o zawartości 45% cynku. Dalszy wzrost zawartości cynku powoduje kruchość stopu. Mosiądze dają się łączyć przez lutowanie miękkie i twarde oraz przez spawanie acetylenowe. Mosiądze dzieli się na odlewnicze i do obróbki plastycznej. Mosiądze odlewnicze są stopami wieloskładnikowymi i zawierają: ołów do 4%, mangan do 4%, aluminium do 3%, Ŝelazo do 1,5% i krzem do 4,5%. Ołów i krzem poprawiają lejność, a aluminium, mangan i Ŝelazo podwyŜszają własności wytrzymałościowe. Aluminium i krzem podwyŜszają odporność na korozję i dlatego mosiądze aluminiowe i krzemowe są stosowane na odlewy części, które powinny być odporne na korozję i ścieranie.


Mosiądze do obróbki plastycznej mają mniejszą zawartość składników stopowych niŜ mosiądze odlewnicze, poniewaŜ zwiększona zawartość niektórych dodatków stopowych pogarsza własności plastyczne stopu. Mosiądze do obróbki plastycznej są stosowane w postaci odkuwek, prętów, kształtowników, drutów, blach, rur i taśm. Mosiądze dwuskładnikowe, czyli bez dodatków stopowych, mają duŜą podatność do obróbki plastycznej, szczególnie na zimno. Mosiądze wieloskładnikowe, czyli specjalne z dodatkiem aluminium, niklu, manganu, Ŝelaza i ołowiu, znalazły duŜe zastosowanie w przemyśle okrętowym i elektromaszynowym. Nadają się do obróbki plastycznej na gorąco, są odporne na korozję i mają podwyŜszone własności mechaniczne. Największe zastosowanie w przemyśle samochodowym ma mosiądz CuZn1OSn, zawierający ok. 10% cynku i 0,25–0.75% cyny. Brązy dzieli się na odlewnicze i do obróbki plastycznej. W zaleŜności od nazwy głównego składnika stopowego rozróŜnia się brązy: cynowe, aluminiowe, berylowe, krzemowe, manganowe i inne, lecz zazwyczaj, gdy brązy są stopami wieloskładnikowymi to i nazwy ich są bardziej złoŜone (np. brąz krzemowo-manganowy). Brązy odlewnicze są przewaŜnie wieloskładnikowe i zawierają: cynę do 11 %, ołów do 33%, aluminium do 11 %, krzem do 4,5%, cynk do 7%, mangan do 2%, Ŝelazo do 5,5%, nikiel do 5,5% i fosfor do 1,5%. Ołów polepsza lejność stopu, a aluminium, Ŝelazo, mangan i nikiel podwyŜszają własności mechaniczne. Cynk stosuje się głównie w celu zastąpienia drogiej cyny. Zastosowanie brązów odlewniczych jest bardzo wszechstronne. Stosuje się je m.in. na części maszyn, osprzęt parowy i wodny, łoŜyska ślizgowe, aparaturę chemiczną w przemyśle chemicznym, okrętowym, lotniczym, papierniczym, górniczym i wielu innych. Brązy do obróbki plastycznej zawierają: mangan do 5,5%, aluminium do 11 %, cynę do 7%, krzem do 3,5%, nikiel do 6,5%, beryl do 8,6%, fosfor do 0,3%, cynk do 5%, ołów do 3,5% i Ŝelazo do 5,5%. W brązach do obróbki plastycznej stosuje się mniejsze ilości dodatków stopowych niŜ w brązach odlewniczych w celu uzyskania lepszych własności plastycznych stopów. Brązy cynowe o zawartości cyny ok. 11 % znajdują największe zastosowanie. Ze wzrostem cyny do 13% wzrasta równieŜ wytrzymałość brązów (do 470 MPa), ale dalszy wzrost zawartości cyny powoduje obniŜenie wytrzymałości. Brązy cynowe do obróbki plastycznej na zimno zawierają najczęściej 3,5–9% cyny i ok. 0,2% fosforu, a do obróbki plastycznej na gorąco zawartość fosforu musi być mniejsza i wynosi do 0,15%. Obróbkę plastyczną na gorąco wykonuje się w temperaturze do 700°C. Z brązów cynowych z dodatkiem fosforu wykonuje się spręŜyny, elementy przyrządów kontrolno-pomiarowych, rurki manometryczne, sita papiernicze, elementy przeciwcierne i druty do spawania. Jako stopy odlewnicze stosuje się brązy o zawartości ok. 10% cyny, niekiedy z dodatkiem ok. 1 % fosforu poprawiającego lejność. Brąz ten jest stosowany na łoŜyska ślizgowe i osprzęt parowy i wodny. Często stosuje się brązy cynowe z dodatkiem cynku i ołowiu. Na przykład brązy CuSn4ZnPb4 i CuSn4ZnPb3 (zawierające 3–5% Sn, 3–5% Zn i 1,5–4,5% Pb) stosuje się z powodzeniem jako stopy łoŜyskowe na łoŜyska ślizgowe. Brąz ten słuŜy do obróbki plastycznej na zimno i na gorąco. Brązy krzemowe zawierają 2,5–4,5% Si oraz dodatkowo mangan, cynk lub Ŝelazo. Krzem i cynk polepszają znacznie własności odlewnicze, a mangan i Ŝelazo własności mechaniczne. Charakteryzują się dobrą lejnością i są odporne na korozję. Są stosowane na łoŜyska ślizgowe i części pracujące przy duŜych zmiennych obciąŜeniach. Brąz CuSi3Mn1 o zawartości 2,7–3,5% Si i 1,0–1,5% Mn nadaje się do obróbki na zimno i gorąco. Jest stosowany na części naraŜone na ścieranie oraz na siatki, spręŜyny i armaturę w przemyśle chemicznym i maszynowym. Brązy aluminiowe odlewnicze zawierają 8–1 % Al oraz 2–5,5% Fe, a niektóre dodatek do 2% Mn lub 3,5–5,5% Ni. Odznaczają się dobrymi własnościami mechanicznymi, lecz słabymi własnościami odlewniczymi. Do obróbki plastycznej są przewidziane brązy aluminiowe


zawierające 4–11 % Al, a niektóre z nich zawierają dodatkowo 2,0–5,5% Fe, 1,0–2,5% Mn i 3,5–5,5% Ni. Są one stosowane na części pracujące w wodzie morskiej, monety, części dla przemysłu chemicznego, spręŜyny, styki ślizgowe, sita rurowe wymienników ciepła, gniazda zaworów, koła zębate i części naraŜone na ścieranie. Brązy berylowe zawierają 1,9–2,10% berylu oraz 0,2–0,5% niklu i kobaltu, a niektóre dodatkowo 0,10–0,25% tytanu. Są to brązy do obróbki plastycznej na zimno i na gorąco. Mają bardzo dobrą wytrzymałość (Rm = 1275 MPa) i twardość (370 HB), duŜą odporność na korozję oraz dobrą przewodność elektryczną i przewodnictwo cieplne. Przy uderzeniach brązy te nie iskrzą i dlatego znalazły zastosowanie na urządzenia pracujące w ośrodkach groŜących wybuchem, np. na narzędzia górnicze. Ponadto są uŜywane na spręŜyny, membrany i części naraŜone na ścieranie.

Brązy manganowe są stosowane jako odlewnicze i do obróbki plastycznej. Brąz odlewniczy krzemowo-manganowy zawiera 0,5–1,5% Mn, 3,0–5,5% Zn, 0,5–1,2% Fe i 3–4% Si. Jest stosowany jako Ŝaroodporny w armaturze pary wodnej. Brąz manganowy CuMn12Ni3 do obróbki plastycznej zawiera 11,5–13% Mn i 2,5–3,5% Ni. Jest to brąz do obróbki plastycznej na zimno i na gorąco. Jest stosowany na oporniki najwyŜszej jakości do precyzyjnych aparatów. Brązy ołowiowe są stosowane jako odlewnicze. Aluminium jest pierwiastkiem o barwie srebrzystobiałej. Jest metalem odpornym na korozję oraz dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego i ciepła. Zastosowanie aluminium w stanie czystym jest ograniczone, głównie ze względu na niską wytrzymałość. Czyste aluminium jest stosowane na przewody elektryczne, do wyrobu folii, proszków do platerowania naczyń, do wyrobu farb i jako składnik stopów. DuŜo większe zastosowanie mają stopy aluminium, które ze względu na małą gęstość są nazywane stopami lekkimi. Najczęściej stosowanymi dodatkami stopowymi są: miedź, krzem, magnez, mangan, nikiel i cynk. Dodatki stopowe zwiększają przede wszystkim wytrzymałość, odporność na korozję i polepszają obrabialność. Stopy aluminium dzieli się na odlewnicze i do obróbki plastycznej. Odlewnicze stopy aluminium. Głównymi składnikami odlewniczych stopów aluminium są: krzem, miedź, magnez, a ponadto w niektórych stopach występują jeszcze mangan, nikiel i tytan. Największe zastosowanie mają stopy aluminiowe o duŜej zawartości krzemu. Zawartość krzemu w odlewniczych stopach aluminium wynosi 0,8–23 % Si. Stop AlSi21 CuNi, znany równieŜ pod nazwą Silusil, zawiera 20–23 % krzemu, 1,1–1,5% miedzi, 0,5–0,9% magnezu, 0,1–0,3% manganu, 0,8–1,1% niklu i jest stosowany na odlewy wysoko obciąŜonych tłoków silników spalinowych. Odlewany jest w zasadzie pod ciśnieniem. Stopy aluminium zawierające 10-7-13% krzemu noszą nazwę siluminów. Typowymi siluminami są stopy AlSi11 i AlSi3Mg1CuNi. Pierwszy z nich zawiera 10–13% Si i stosuje się go na odlewy części o skomplikowanych kształtach, średnio obciąŜone pracujące w podwyŜszonych temperaturach i odporne na korozję nawet w wodzie morskiej. Ma dobre własności wytrzymałościowe i dobrą spawalność. Stop AlSi13MglCuNi zawiera 11,5–13% Si, 0,8–1,5% Cu, 0,8–1,5% Mg i 0,8–1,3% Ni i jest stosowany na odlewy tłoków silników spalinowych. Stopy aluminium z miedzią mają dobre własności odlewnicze i odporność na korozję, ale skłonności do pęknięć na gorąco. Stop A1Cu4 zawiera 4–5% Cu i jest stosowany na galanterię stołową i odlewy wymagające dobrej lejności i plastyczności. Stop AlCu4TiMg zawiera 4,2–5% Cu, 0,15–0,4 Mg, 0,15–0,30 Ti i jest stosowany na odlewy części samochodowych i na średnio i wysoko obciąŜone odlewy do przemysłu maszynowego. Stopy aluminium z magnezem jak AlMg1O i AlMgSil są stosowane na odlewy o wysokiej odporności na korozję. Stopy aluminium do obróbki plastycznej zawierają procentowo mniejsze zawartości dodatków stopowych niŜ stopy odlewnicze aluminium. Jest to podyktowane tym, Ŝe duŜe


ilości dodatków stopowych pogarszają własności plastyczne stopu. Głównymi składnikami stopów aluminium do obróbki plastycznej są: magnez, miedź, mangan, krzem, i w mniejszym stopniu takŜe nikiel, Ŝelazo, cynk, chrom i tytan. Stopy aluminium z magnezem odznaczają się dobrą odpornością na korozję i działanie wody morskiej. Stop AlMgl zawierający 0,7–1,2% Mg nadaje się do obróbki plastycznej na zimno i na gorąco; jest szczególnie podatny do głębokiego tłoczenia i spawania. Jest stosowany na części kute w matrycach i tłoczone, na części urządzeń w przemyśle chemicznym i spoŜywczym. Stop AlMg4Mn zawiera 4–4,9% Mg i 0,4–1% Mn; jest stosowany do obróbki plastycznej na zimno i gorąco. Jako stop odporny na korozję jest stosowany na obciąŜone konstrukcje okrętowe i przemysłu chemicznego. Stop ten oraz stopy AlMg2 i AlMg5 są nazywane hydronalium. Do wyrobu średnio obciąŜonych elementów konstrukcji lotniczych, pojazdów samochodowych, części głęboko tłoczonych i części o złoŜonych kształtach kutych w matrycach stosuje się stopy zwane avial AlMg1Si1Cu i AlMgSi. Stopy aluminium z miedzią i magnezem oraz częściowo równieŜ z manganem i krzemem charakteryzują się duŜym oporem plastycznym przy obróbce na zimno i na gorąco. Stopy te są przede wszystkim uŜywane na konstrukcje lotnicze. DuŜe zastosowanie przemysłowe znalazły wieloskładnikowe stopy zwane duralami. Zaliczamy do nich stopy AlCu4Mg, AlCu4Mg1A, AlCu4Mg i AlCu4Mgl stosowane na nity do konstrukcji lotniczych, obciąŜone elementy konstrukcji lotniczych i pojazdów samochodowych oraz konstrukcyjne elementy budowlane. Duraluminium ma duŜą odporność na korozję i po utwardzeniu drogą obróbki cieplnej uzyskuje znaczną wytrzymałość (290–440 MPa). Magnez jest metalem bardzo lekkim o niskich właściwościach mechanicznych i duŜej aktywności chemicznej. Wytrzymałość na rozciąganie magnezu wynosi ok. 245 MPa, a twardość ok. 35 RB. Ze względu na te własności jest stosowany w technice przede wszystkim w postaci stopów. Czysty magnez jest uŜywany w pirotechnice do wyrobu rakiet świetlnych oraz w metalurgii jako modyfikator lub środek redukujący. Jednak główne zastosowanie magnez znajduje do wyrobu stopów lub jako dodatek do stopów. Stopy magnezu dzieli się na odlewnicze i do obróbki plastycznej. Głównym składnikiem stopów magnezu jest aluminium, którego zawartość w stopach odlewniczych moŜe dochodzić do 10%, a w stopach do obróbki plastycznej do 9%. Stopy magnezu zawierają jeszcze cynk do 5,5%, mangan do 2,5%, a takŜe cer i cyrkon. Stopy magnezu z aluminium i cynkiem noszą nazwę elektronów. Stopy magnezu są najlŜejsze ze znanych stopów. Odznaczają się one odpornością na działanie wpływów atmosferycznych i niektórych czynników chemicznych. Z uwagi na to, Ŝe stopy magnezu w połączeniu z tlenem tworzą substancję wybuchową, nie moŜna tych stopów podczas obróbki chłodzić wodą, a przy ich szlifowaniu naleŜy stosować urządzenia do pochłaniania pyłu. Stopy magnezu moŜna obrabiać skrawaniem, stosując specjalne narzędzia i duŜe prędkości skrawania. Stopy odlewnicze magnezu są stosowane na odlewy wykonywane przewaŜnie pod ciśnieniem, szczególnie dla przemysłu lotniczego. Stop MgA13ZnMn jest stosowany na odlewy o duŜej szczelności, jak korpusy pomp i armatura. Stopy MgAl6Zn3Mn i MgAl8ZnMn są stosowane na odlewy części lotniczych silnie obciąŜone, części silników, agregatów oraz aparatów fotograficznych i maszyn do pisania. Utrzymują dobre własności do temperatury 120°C. Stopy do obróbki plastycznej wykazują większą przydatność do obróbki plastycznej na gorąco niŜ na zimno. Obróbka plastyczna na gorąco zaleŜnie od stopu odbywa się w temperaturze 230–450°C. Stop MgMn2 jest stosowany na mało obciąŜone elementy konstrukcji lotniczych i samochodowych, od których jest wymagana wysoka plastyczność i dobra spawalność. Na bardziej obciąŜone elementy konstrukcji lotniczych i samochodowych są stosowane stopy


Tabela 10. Wykaz stopów aluminium wg norm międzynarodowych [opracowanie własne].

Polska PN

Niemcy DIN

Materiał nr.

ISO / EN

USA Anglia (BS )

Francja (NF)

Hiszpania (UNE)

Włochy (UNI)

Szwecja (SIS)

A1 AI 99.5 3.0255 1050A 1050A 1B A5 L3051 4507 4007

A0 Al 99.7 3.0275 1070A 1070A – A7 – – 4005

A00 Al 99.8 3.0285 1080A 1080A 1A A8 – – 4004

A2 Al 99.0 3.0205 1200 1200 1C A4 – – 4010

A1E E–AI99.5 3.0257 1350A 1350A 1E A5L L3052 – 4008

– AICuMgPb 3.1645 2007 2007 – A–U4PB L3121 – 4335

– AICuBiPb 3.1655 2011 2011 FC1 A–U 4Pb L3192 6362 4355

PA33 AlCuSiMn 3.1255 2014 2014 – – – – 4338

PA6 AICuMg 1 3.1325 2017A 2017A H14 A–U4G L3120 3576 –

PA7 AlCuMg2 3.1355 2024 2024 H16 A–U4G1 – – –

– AlMn 3.0515 3003 3003 N3 – – – 4054

PA43 AlMg1 3.3315 5005 5005 – – – – 4106

– AlMg2.5 3.3523 5052 5052 N4 – – – 4120

– AlMg5 3.3555 5056 5056 N6 A–G5 – – –

PA13 AIMg4.5Mn 3.3547 5083 5083 N8 5083 L3321 7790 4140

PA11 AIMg3 3.3535 5754 5754 N5 A–G3M L3390 3575 4125

– AlMgSi0.7 3.3210 6005 6005 – – – – 4107

– AlMgSiPb 3.0615 6012 6012 – – – – 4212Pb

PA38 AIMgSi0.5 3.3206 6060/63 6060/63 H9 A–GS L3441 3569 4104

PA45 AlMg1SiCu 3.3211 6061 6061 H20 – – – –

PA4 AIMgSi1 3.2315 6082 6082 H30 A–SGM 0.7 L3451 3571 4212

PA47 AIZn4.5Mg1 3.4335 7020 7020 H17 A–Z5G L3741 7791 4425

– AIZnMgCu0.5 3.4345 7022 7022 – A–Zn5 GU 0.6 – – –

PA9 AIZnMgCu1.5 3.4365 7075 7075 2L95 A–Zn 5 GU L3710 3735 –

Cynk jest metalem o dobrych właściwościach plastycznych, małej wytrzymałości na rozciąganie i niskiej temperaturze topnienia, wynoszącej 418°C. Cynk stosuje się głównie na przeciwkorozyjne powłoki ochronne głównie blach i drutów. Cynk stosuje się równieŜ w budownictwie w postaci blach płaskich i falistych na pokrycia dachów. Jest stosowany równieŜ do wyrobu baterii elektrycznych oraz w postaci folii do opakowań, a takŜe jako składnik róŜnych stopów. Głównymi składnikami stopów cynku są: aluminium, miedź i niekiedy mangan. Większość stopów cynku moŜe być stosowana do odlewania i do obróbki plastycznej. Stopy zawierające powyŜej 5,4% aluminium są stopami wyłącznie odlewniczymi. Stopy cynku znane są pod nazwą znal. MoŜna je łatwo spawać i hartować oraz obrabiać. Znale po obróbce plastycznej mają dobrą wytrzymałość i plastyczność. DuŜe znaczenie techniczne mają stopy odlewnicze ZnAl1 i ZnAl28Cu4. Są stosowane jako stopy łoŜyskowe oraz na ślimacznice i prowadnice. Odlewy ciśnieniowe ze stopów cynku znalazły zastosowanie w przemyśle maszynowym na: korpusy, armaturę, gaźniki samochodowe, części maszyn drukarskich, klamki, obudowy itp.


Cyna i jej stopy Własności mechaniczne czystej cyny są tak niskie, Ŝe nie nadaje się jako materiał konstrukcyjny. Folia cynowa ma duŜe zastosowanie do pakowania produktów Ŝywnościowych. Cynę stosuje się do cynowania puszek do konserw, a największe zastosowanie znalazła jako dodatek stopowy. Stopy cyny dzieli się na odlewnicze i do obróbki plastycznej. Stopy do obróbki plastycznej są stosowane głównie na folie. Stop SnSb2,5 (zawierający 1,9–3,1% Sb) jest stosowany do wyrobu folii na otuliny i do platerowania folii ołowiowej, a stop SnPbl3Sb na folie kondensatorowe. 4.5.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Co to jest mosiądz? 2. Co to jest brąz? 3. Co to są siluminy? 4. Jakie rodzaje stopów aluminium potrafisz wymienić? 5. Wymień rodzaje stopów magnezu ? 4.5.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1

Odczytaj z PN i katalogów właściwości i zastosowanie następujących stopów: B555, B1010, M90, BM123, PA6.



1) zapoznać się z otrzymanymi normami i katalogami, 2) odszukać podane gatunki stopów, 3) zapisać właściwości i zastosowania tych stopów, 4) zaprezentować efekt swojej pracy.

Środki dydaktyczne: − PN i katalogi zawierające informacje o stopach metali nieŜelaznych, − arkusze papieru i pisaki. Ćwiczenie 2

Odszukaj w PN i katalogach stopy CuAl9Fe3, CuMn12Ni3, SnSb8Cu3, określ ich skład chemiczny oraz właściwości i zastosowanie.



1) zapoznać się z otrzymanymi normami i katalogami, 2) odszukać odpowiednie gatunki stali, 3) zapisać właściwości i zastosowania tych stopów, 4) uporządkować uzyskane informacje, 5) zaprezentować efekty pracy.


WyposaŜenie stanowiska pracy:

− PN i katalogi zawierające informacje o stopach metali nieŜelaznych, − arkusze papieru i pisaki. 4.5.4. Sprawdzian postępów Czy potrafisz: Tak Nie 1) zdefiniować pojęcia: mosiądz i brąz? � � 2) zdefiniować pojęcie siluminy? � � 3) wyjaśnić, jakie stopy nazywamy elektronami? � � 4) dokonać klasyfikacji stopów aluminium? � � 5) określić właściwości cynku? � �


4.6. Wyroby hutnicze 4.6.1. Materiał nauczania Półwyroby stalowe

Stal jest produkowana w postaci półwyrobów, tj. kęsów, prętów (walcowanych, ciągnionych), kształtowników, blach, rur itd. Oznaczenie materiału na rysunku konstrukcyjnym powinno zawierać rodzaj półwyrobu, z którego dana część ma być wykonana. Dla pełnego określenia wymagań materiałowych jest konieczne podanie odpowiednich oznaczeń i numerów norm dotyczących rodzaju półwyrobu, wymiaru, klasy dokładności wykonania, materiału, stanu obróbki cieplnej itp. Przy doborze i zamawianiu określonych półwyrobów naleŜy kaŜdorazowo sprawdzać, czy potrzebne wymiary, gatunki lub odmiany są aktualnie produkowane, tj. czy znajdują się w aktualnych programach produkcji.

Kęsy są to wyroby hutnicze walcowane na gorąco, o przekroju kwadratowym lub proostokątnym, z zaokrąglonymi krawędziami, stosowane przede wszystkim do wyrobu odkuwek. Kęsy kwadratowe produkuje się o grubości 40–140 mm i długości 1,2–6 m, kęsy prostokątne – o grubości 80x60–200xl00 mm i długości 1,S–14m. Kęsy są dostarczane w stanie surowym po walcowaniu lub zmiękczonym.

Pręty walcowane na gorąco produkuje się o przekroju okrągłym, kwadratowym, prostokątnym (płaskim) i sześciokątnym, a ponadto do specjalnych zastosowań – o przekroju półokrągłym, owalnym, owalnym płaskim, półpierścieniowym, trapezowym i in. Produkuje się pręty okrągłe o średnicy 8–250 mm, kwadratowe o grubości 8–180 mm, sześciookątne o grubości 8 do 100 mm.

Wymagania. Na rysunkach konstrukcyjnych części wykonywanych z prętów naleŜy podawać w oznaczeniach materiałowych następujące dane: − rodzaj pręta i przeznaczenie (do obróbki plastycznej, do obróbki skrawaniem), − wymiary i dokładność (klasa) wykonania, − gatunek stali, − stan dostawy (surowy, normalizowany, ulepszony itd.).

Ponadto dla części odpowiedzialnych, wykonywanych ze stali węglowych wyŜszej jakości lub stopowych, jest wskazane określenie innych wymagań, które mogą być niezbędne do uzyskania odpowiednich własności gotowych części lub do ułatwienia procesów technologicznych, jak: − dopuszczalna głębokość odwęglenia, dopuszczalna pasmowość, − dopuszczalna głębokość wad powierzchniowych, − wielkość ziarna, hartowność, dopuszczalny stopień zanieczyszczenia wtrąceniami

niemetalicznymi. Walcówka jest wyrobem hutniczym walcowanym na gorąco dostarczanym w kręgach, co

ogranicza jej grubość. Walcówkę okrągłą produkuje się o średnicy φ5,5–28 mm, zaś sześciokątną – o grubości 8–13 mm. Walcówki o innych przekrojach oraz pręty o profilach specjalnych są walcowane tylko w pojedynczych wymiarach, z przeznaczeniem na określone elementy.

Kształtowniki walcowane na gorąco ogólnego zastosowania są dostarczane w stanie surowym. Kształtowniki gi ęte na zimno otwarte i zamknięte (zgrzewane)

Kształtowniki gięte na zimno otwarte wykonuje się z bednarki, taśmy lub pasów wyciętych z blach walcowanych na gorąco lub na zimno. Kształtowniki ogólnego


przeznaczeenia wykonuje się ze stali węglowych zwykłej jakości i niskostopowych o podwyŜszonej wytrzymałości. są dostarczane bez obróbki cieplnej po gięciu. Wymagania i wymiary dla kształtowników ogólnego przeznaczenia zawarto w Polskich normach. Najbardziej populrne typy kształtowników to: katowniki, ceowniki, teowniki, dwuteowniki i zetowniki.

Przykład oznaczenia kątownika 50 x 40 x 5 mm o długości L = 5000 mm, giętego z bednarki walcowanej na gorąco (KGg), Pręty ciągnione, łuszczone, szlifowane i polerowane

Pręty te są stosowane wtedy, gdy wymaga się: − duŜej dokładności wymiarów (mocowaanie w automatach, pozostawianie znacznej części

powierzchni pręta na gotowo bez obróbki), − braku odwęglenia i wad powierzchniowych (na elementy spręŜyste i pracujące

w warunkach zmiennych obciąŜeń oraz hartowane powierzchniowo na powierzchniach nieobrabianych).

− duŜej gładkości powierzchni (zwiększenia wytrzymałości zmęczeniowej). Gatunki . Program produkcji obejmuje pręty ciągnione na zimno o przekrojach okrągłych,

kwadratowych, prostokątnych i sześciokąttnych, wykonywane w klasach dokładności od hl1 do h13, w czterech klasach jakości powierzchni (CI-C4), w stanie surowym, zmiękczonym (M), normalizowanym (N), normalizowanym i utwardzonym przez ciągnienie (Nc), ulepszonym (T) oraz ulepszonym i utwardzonym przez ciągnienie (Te). Pręty ciągnione wykazują większą anizotropię właściwości niŜ walcowane, częściej występują w nich wady wewnętrzne (pęknięcia, naderwania).

Pręty ciągnione okrągłe są produkowane w zakresie grubości 1–0 mm, kwadratowe 2–50 mm, sześciokątne -3–50 mm, prostokątne w zakresie grubości 5–16 mm i szerokości 8–50 mm. Pręty ciągnione i szlifowane mają powierzchnię matową bez wad, ze śladami obróbki mechanicznej, bez odwęglenia. Wymiary i tolerancje są takie same jak dla prętów ciągnionych. Pręty ciągnione, szlifowane i polerowane (przez dogniatanie) mają powierzchnię błyszczącą bez śladów obróbki i bez odwęglenia. Wymiary i tolerancje są takie same jak dla prętów ciągnionych.

Pręty łuszczone produkuje się wyłącznie jako okrągłe. Wykonuje się je przez obróbkę skrawaniem na łuszczarkach z prętów walcowanych na gorąco. W wyniku tej obróbki uzyskuje się usunięcie warstwy odwęglonej i wad powierzchniowych (zawalcowań, wŜerów itp.) oraz duŜą dokładność wymiarów (h12, h14 i h16). Pręty łuszczone produkuje się o średnicy 25–100 mm, w stanie surowym, utwardzonym, wyŜarzonym, normalizoowanym, a z niektórych gatunków stali rówwnieŜ w stanie ulepszonym. PoniŜej przykłady tablic zawierających dane charakterystyczne podstawowych półwyrobów ze stali węglowych i stopowych.


Tabela 11. Taśmy stalowe walcowane na zimno ze stali narzędziowej do pracy na zimno, ze stali konstrukcyjnej oraz ze stali spręŜynowej [3].


Tabela 12. Walcówka i pręty stalowe okrągłe walcowane na gorąco [3].

Tabela 13. Pręty stalowe o przekroju kwadratowym [3].


Tabela 14. Pręty stalowe walcowane i ciągnione o przekroju sześciokątnym [3].

Tabela 15. Niektóre kątowniki stalowe równoramienne [3].


Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Co to są kęsy? 2. Co to jest walcówka? 3. Jakie znasz kształtowniki? 4. Jakie znasz rodzaje kątowników? 5. Czym róŜnią się pręty ciągnione od łuszczonych?


4.6.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Odczytaj z PN i katalogów, jakie największe i najmniejsze kątowniki równoramienne, ceowniki i zetowniki są produkowane.


1) zapoznać się z otrzymanymi normami i katalogami, 2) odszukać kątowniki, ceowniki i zetowniki, 3) wypisać je, 4) zaprezentować efekt swojej pracy.

Środki dydaktyczne: − PN i katalogi zawierające informacje o wyrobach hutniczych, − arkusze papieru i pisaki. Ćwiczenie 2

Odszukaj w PN i katalogach, jaki zakres grubości i jakie wymiary blach stalowych walcowanych na zimno jest produkowany, wypisz wielkości graniczne.



1) zapoznać się z otrzymanymi normami i katalogami, 2) podzielić pracę na poszczególnych członków grupy, 3) odszukać odpowiednie tablice, 4) zapisać potrzebne informacje, 5) uporządkować uzyskane informacje, 6) zaprezentować efekty pracy.

Środki dydaktyczne: − PN i katalogi zawierające informacje o wyrobach hutniczych, − arkusze papieru i pisaki. 4.6.4. Sprawdzian postępów Czy potrafisz: Tak Nie 1) zdefiniować pojęcie kęsy? � � 2) zdefiniować pojęcie kształtowniki? � � 3) określić rodzaj i zastosowanie wyrobów hutniczych? � � 4) odróŜnić rury stalowe ze szwem od rur stalowych bez szwu? � � 5) obliczyć cięŜar dowolnego wyrobu hutniczego stalowego? � �


4.7. Rodzaje i zastosowanie tworzyw sztucznych 4.7.1. Materiał nauczania Geneza nazw tworzyw

Tworzywa sztuczne to ogólnie i powszechnie przyjęta nazwa materiałów, których podstawowym (a nieraz wyłącznym) składnikiem są substancje wielkocząsteczkowe. Ich dawną nazwą jest masa plastyczna, ale i obecnie stosowany plastik jest nieprawidłowy, nie budzi natomiast zastrzeŜeń zestawienie konkretnej grupy tworzyw sztucznych z końcówką -plast np. fenoplasty, aminoplasty, fluoroplasty czy duroplasty. Obserwuje się tendencję do zmiany określenia tworzywa sztuczne tworzywa na chemiczne, tak jak w przypadku włókien chemicznych. Historia tworzyw sztucznych

Pierwsze w skali przemysłowej próby chemiczne modyfikowania związków wielkocząsteczkowych rozpoczęto 1850 roku. W 1872 r. w USA otrzymano celuloid, w Niemczech w roku 1897 uruchomiono produkcję galalitu, a w 1904 r. acetylocelulozy. Pierwszymi syntetycznymi tworzywami sztucznymi były Ŝywice fenolowo-formaldehydowe otrzymane w roku 1872 (A. Baeyer), jednak produkcję ich podjęto dopiero 1909 r. na podstawie patentu belgijskiego chemika H. Baekelanda. W latach 1928–31 rozpoczęto produkcję większości tworzyw poliwinylowych. Pierwsze tworzywa poliamidowe wyprodukowano 1937 r. w USA, polietylen wysokociśnieniowy w 1939 r. w Wielkiej Brytanii, w USA rozpoczęto produkcję tworzyw poliestrowych w 1942 r., polichlorku winylidenu w 1942 r., silikonów w 1943 r. W Polsce początek przetwórstwa tworzyw sztucznych nastąpił w latach 20. XX w. W 1931 r. rozpoczęto produkcję folii na opakowania – tomofanu z regenerowanej celulozy. Szybki rozwój produkcji tworzyw sztucznych w Polsce nastąpił po II wojnie światowej. Obecnie są produkowane m.in. tworzywa fenolowo-formaldehydowe, tłoczywa mocznikowe i melaminowe, polimetakrylan metylu, polichlorek winylu, polistyren, polikaprolaktam, poliakrylonitryl, poliuretany, Ŝywice poliestrowe, epoksydowe, silikonowe, polietylen i polipropylen. Definicja tworzywa sztucznego

Materiały, których podstawowym składnikiem są naturalne lub syntetyczne polimery; tworzywa sztuczne mogą być otrzymywane z czystego polimeru (np. polimetakrylan metylu, polistyren, polietylen), z kopolimerów lub z mieszanek polimerów. Często otrzymuje się je z polimerów modyfikowanych metodami chemicznymi (np. przez hydrolizę), fizykochemicznymi (np. przez degradację) lub przez dodatek takich substancji, jak: plastyfikatory, wypełniacze, stabilizatory oraz barwniki i pigmenty. Tworzywa sztuczne są potocznie zwane plastikami (plastykami) lub masami plastycznymi. Cechy tworzyw sztucznych

Tworzywa sztuczne są na ogół bardzo lekkie (gęstość najczęściej ok. 1 g/cm3), mają małą przewodność cieplną, większość z nich jest dielektrykami, jednak po dodaniu znacznej ilości (ok. 50%) materiałów przewodzących, np. sadzy lub pyłu metalicznego, przewodzą prąd elektryczny, mogą być przezroczyste lub całkowicie nieprzezroczyste; tworzywa niemodyfikowane, w porównaniu z metalami mają małą wytrzymałość na rozciąganie oraz mały moduł elastyczności; bardzo dobrą wytrzymałość na rozciąganie, duŜy moduł elastyczności mają tworzywa zbrojone np. włóknem szklanym (kompozyt, laminaty); tworzywa sztuczne są najczęściej odporne na czynniki chemiczne, wilgoć, lecz nieodporne na


działanie czynników silnie utleniających. Wadą większości tworzywa sztuczne jest ich wraŜliwość na podwyŜszoną temp. (powyŜej 100°C). W czasie II wojny światowej uzyskano silikony, odporne najczęściej na temp. do 250°C, a następnie inne tworzywa, polisulfony, odporne na temp. do 200°C, w 1969 polisiarczek fenylu, odporny na temp. do 170°C. W wyniku dalszych prac otrzymano polimery aromatyczne i metaloorganiczne, odporne na temp. powyŜej 400°C. Zmniejszenie palności tworzyw sztucznych uzyskuje się w wyniku wprowadzenia do tworzyw tzw. Antypirenów (substancji zmniejszających palność). Większość tworzyw sztucznych jest łatwa do formowania i barwienia. Najczęściej stosowanymi metodami formowania tworzyw sztucznych są: wtrysk (formowanie wtryskowe), wytłaczanie, prasowanie tworzyw sztucznych, odlewanie tworzyw sztucznych oraz kalandrowanie. Ponadto w przetwórstwie tworzyw sztucznych stosuje się np. spiekanie, obróbkę plastyczną, laminowanie, zgrzewanie. Jest kilka podziałow tworzyw sztucznych.

Tworzywa sztuczne według sposobu powstawania dzieli się na: – Polimeryzacyjne – polimeryzacja, to reakcja łańcuchowa, zachodzaca dzieki obecności

wiązań nienasyconych bez wydzielania prodiktów ubocznych i bez przegrupowania atomów,

– Polikondensacyjne – polikondensacja polega na stopniowej kondensacji monomerów i zachodzi z wydzieleniem produktów ubocznych (np. wody, amoniaku, dwutlenku węgla) w związku z tym skład chemiczny polikondensatu róŜni sie od składu chemicznego monomeru,

– Poliaddycyjne – poliaddycja jest polireakcja stopniową podobnie jak polikondensacja, ale bez wydzielania produktów ubocznych. Tworzywa sztuczne – zwane takŜe plastomerami, są tworzywami zbudowanymi na

podstawie polimerów syntetycznych, otrzymywanych w wyniku polireakcji z produktów chemicznej przeróbki węgla ropy naftowej i gazu ziemnego lub polimerów naturalnych, uzyskiwanych przez chemiczną modyfikację produktów pochodzenia naturalnego (celuloza, kauczuk, białko). Zwykle zawierają określone dodatki barwników lub pigmentów, katalizatorów, napełniaczy,zmiękczaczy (plastyfikatorów), antyutleniaczy.

Podział tworzyw sztucznych

Tworzywa z surowców naturalnych – (drewno, bawełna, mleczko kauczukowe, mleko). Substancje te zawierają związki chemiczne potrzebne do wyrobu tworzyw sztucznych. Mleko zawiera duŜo kazeiny, którą wykorzystuje się do produkcji klejów białkowych i niebiałkowych. Kauczuk jest wykorzystywany do wyrobu gum. Coraz częściej kauczuk zastępuje się kauczukiem syntetycznym, który zachowuje cechy fizyczne kauczuku, róŜniąc się pod względem chemicznym. Ebonit jest materiałem otrzymywanym z kauczuku naturalnego lub niektórych kauczuków syntetycznych, zawierających 20–33%siarki. Stosuje się go na antykorozyjne wykładziny, naczynia akumulatorowe, części aparatury chemicznej, wyroby elektrotechniczne. Głównym składnikiem przemysłowym drewna jest celuloza. Zamieniamy ją na polimery (spęczanie w solach nieorganicznych, a następnie prasowanie w celu uzyskania arkuszy). Dodatkowo moŜemy otrzymać celafon, włókna wiskozowe itp. Estryfikacja odpowiednim kwasem (bezwodnikiem) da nam np. nitrocelulozę która z kamforą tworzy folię fotograficzną .

Klasyczne tworzywa kondensacyjne – inaczej zwane duroplastami (Ŝywice utwardzalne). Duroplasty stosuje się w postaci mieszanek do tłoczenia (Ŝywica + napełniacz), laminatów, tworzyw piankowych, tworzyw wzmacnianych (np. włóknem szklanym), Ŝywic technicznych, klejów, lakierów. Nieodwracalne przejście ze stanu plastycznego w utwardzony zachodzi podczas formowania wyrobów, bądź podczas stosowania w postaci klejów, lakierów itd. Do najwaŜniejszych duroplastów naleŜą: fenoplasty, aminoplasty, polimery nienasycone, Ŝywice epoksydowe i niektóre Ŝywice silikonowe. Cechuje je sztywność, stabilność wymiarowa,


nie rozpuszczalność i nietopliwość oraz doskonałe własności elektroizolacyjne. WyróŜniamy takŜe takie surowce jak ropa naftowa, gaz ziemny, gaz koksowniczy i węgiel. JeŜeli ropą czy węglem podziałamy na te gazy to otrzymamy izobutan, propan. Z nich otrzymujemy alkohol: izobutylen, propylen, etylen, acetylen.

Tworzywa z produktów wielofunkcyjnych: najbardziej popularnymi tworzywami tego typu są poliamidy. Są odporne na działanie wielu rozpuszczalników organicznych, olejów i tłuszczów, nie są odporne na działanie kwasów i zasad. Poliamidy są wytwarzane w postaci róŜnie barwionych tłoczyw do wtrysku, folii, włókien, Ŝyłek, bloków do obróbki mechanicznej oraz proszku do pokrywania metali przez natrysk płomieniowy. Innym bardzo popularnym polimerem jest poliuretan. Jego podstawową zaletą jest moŜliwość występowania w róŜnych postaciach (twardej, miękkiej, spręŜystej itp.). Najczęściej spotykany w postaci pianki. Do polimerów zalicza się takŜe silikon. Jest on bazą dla smarów, które dobrze przewodzą ciepło. Substraty (składniki) tych produktów to olej rycynowy, smoła z węgla kamiennego, nienasycone węglowodory, krzemionka.

Polimery: – elastomery (w temp. pokojowej dobrze się odkształcają, moŜna je wydłuŜyć o 300%), – plastomery (w temp. pokojowej są twarde, nieplastyczne).

Elastomery: – wulkanizujące (duŜo siarki od której zaleŜy twardość), – niewulkanizujące (występują bez siarki).

Plastomery: – termoplasty (podgrzane do wysokiej temp. są rozciągliwe), – duroplasty termoutwardzalne (twardnieją w zaleŜności od temperatury), – duroplasty chemoutwardzalne (twardnieją przez utwardzacz). Przyporządkowanie polimerów do okreslonych grup tworzyw

Elastomery wulkanizujące – kauczuk butadienowo – sterynowy (GRS ), kauczuk naturalny (IR), polizobutylen (PIB), kauczuk butylowy (GRI), kauczuk nitrylowy (GRN), polichloroprent (CR), poliuretany niesieciowane (PU), silikony (SL). Elastomery niewulkanizujące – poliuretany liniowe (PUR), PVC zmiękczony, elastomery polietroamidowe. Elastomery termoplastyczne – politlenek fenylenu (PPO), tworzywa celulozowe (azotan celulozy AC ). Termoplasty – poliolefiny, polietylen (PE), polichlorek winylu (PVC), styreny (BP), polisulfony (PSF), poliamidy (PA), polimetakrylan metylu, poliacetale (PF), poliwęglany celulozy (OC), tworzywa fluorowe, politetrafluoroetylen (PTFE), politrifluoroatylen (PCTFE), kopolimery. Duroplasty chemoutwardzalne – Ŝywice epoksydowe (EP), poliestry nienasycone (PN), Ŝywice poliuretanowe (PV). Duroplasty termoutwardzalne – Ŝywice fenolowoformaldehydowe, Ŝywice aminowe, mocznikowoformahydowe, melaminowoformaldehydowe, Ŝywice alkilowe, poliamidy.

Wytwarzanie wyrobów z tworzyw sztucznych

Technika wytwarzania wyrobów z tworzyw sztucznych; odlewanie tworzyw sztucznych prowadzi się w formach nieruchomych lub obracających się; odlewanie odśrodkowe (obrotowe) – tworzywo sztuczne (ciekłe lub proszek) wprowadza się do podgrzanej formy obracającej się szybko wokół 1 osi obrotu; stosuje się teŜ odlewanie ciśnieniowe (tworzywo wtłacza się pod ciśn. 0,5–2 MPa) i odlewanie podciśnieniowe (tworzywo jest zasysane do formy); odlewanie kształtek z monomeru lub substancji częściowo spolimeryzowanej (z dodatkiem katalizatorów, przyśpieszaczy), której polimeryzacja następuje w formie


odlewniczej nosi nazwę odlewania polimeryzacyjnego; odlewanie tworzyw sztucznych w formach zamkniętych jest stosowane do wytwarzania wyrobów pustych, np. piłek, lalek, głównie z plastycznych poli(chlorku winylu); w celu otrzymania folii stosuje się odlewanie roztworów tworzyw sztucznych (np. pochodnych celulozy), najczęściej wylewając roztwór przez wąską szczelinę ogrzewanego zasobnika na przenośnik taśmowy lub obracający się bęben, gdzie następuje odparowanie rozpuszczalnika; do metod odlewniczych zalicza się teŜ maczanie w upłynnionym tworzywie izolacyjnym, stosowane m.in. do zalewania elementów i zespołów elektronowych i elektrotechnicznych.

Zastosowanie

Tradycyjne materiały opakowaniowe (drewno, szkło i metale) wypierane są przez tworzywa sztuczne, z których wytwarza się 20–25% opakowań. Są to róŜne folie, np. worki samonośne, róŜne torby i torebki, folia do pakowania mleka. Butelki wytwarzane są równieŜ metodą wytłaczania rury, z której rozdmuchem w formie uzyskuje się opakowanie wewnątrz puste. Szerokie zastosowanie maja opakowania sztywne ze styropianu. Tworzywa sztuczne nie są dotychczas podstawowym materiałem konstrukcyjnym. Domeną tworzyw sztucznych w budownictwie jest wyposaŜenie wnętrz (wykładziny podłogowe, ramy okienne i drzwiowe) oraz pokrycia dachowe (płyty z laminatów poliestrowych, płyty PCW i PMM jako świetliki). Z PCW metodą wytłaczania wytwarza się poręcze i listwy podłogowe. Nowością są tapety samoprzylepne z warstwą pianki (izolator cieplny i akustyczny). Nowością w budownictwie są profilowane blachy z warstwą ochronno-ozdobną tworzywa, nałoŜoną w procesie hutniczym; słuŜą one jako wykładzina zewnętrzna budynków i w budowie statków. Przyszłościowym materiałem budowlanym są polimerobetony, złoŜone z wypełniacza mineralnego i Ŝywicy syntetycznej, np. epoksydowej. Rozrzut granulometryczny ziaren winien zapewniać maksymalny udział taniego wypełniacza w stosunku do drogiego lepiszcza (środka wiąŜącego). Gwarantuje to uzyskanie duŜej wytrzymałości polimerobetonów (ich wysoka ocena na razie uniemoŜliwia szersze stosowanie). Zastępowanie tradycyjnej armatury i rurociągów wyrobami z tworzyw sztucznych jest ograniczone małą odpornością na gorącą wodę, szczególnie pod ciśnieniem panującym w wysokich budynkach. Tworzywa sztuczne słuŜące w gospodarstwie podlegają podobnie jak w medycynie ścisłej kontroli władz sanitarnych. Dotyczy to nie tylko sprzętu kuchennego, ale i wyrobów toaletowych oraz materiałów będących jedynie wyposaŜeniem mieszkaniowym (por. tworzywa sztuczne w budownictwie). Muszą być jednak wykonane z odpowiednich tworzyw sztucznych, a ich kształt i barwa powinny korzystnie wpływać na samopoczucie uŜytkownika. Pierwotnie stosowane były tworzywa termoreaktywne (bakelit czy aminoplasty); obecnie stosuje się termoplasty, jak polistyren (gatunki uszlachetnione), polietylen, zwłaszcza odporny na wrzącą wodę polipropylen. Najbardziej uŜyteczne do wyrobu robotów kuchennych, a nawet maszynek do parzenia kawy są poliwęglany. Dzięki fizjologicznej objętości prawie wszystkich polimerów i moŜliwości ich stosowania w styczności z organizmem Ŝywym, i to nie tylko w krótkotrwałych kontaktach, ale i na stałe (wszczepy – endoprotezy) zastosowanie tworzyw sztucznych w medycynie jest szerokie. Specjalną pozycję zajmują włókna sztuczne z medycynie. Zagadnienie odczynów tkankowych na wszczepione tworzywa, a zwłaszcza ich biodegradacja i moŜliwość pobudzenia procesu nowotworowego jest przedmiotem wszechstronnych badań, które musza być długotrwałe. Tworzywa sztuczne w rolnictwie spełniają róŜnorodne funkcje np. folia z polietylenu (PE) wydatnie zwiększyła moŜliwości upraw cieplarnianych, zarówno przez budowę pneumatycznych obiektów, jak i pokrywanie konstrukcji nośnej. Dobra izolację termiczną spełnia równieŜ cienka folia (np. 0,03 mm) rozpięta nad tradycyjną szklarnią. Do wykładania silosów z kiszonkami, zabezpieczania przed wilgocią stoków i kopców z produktami rolnymi stosuje się folię z polichlorku winylu (PCW). Rury, zwłaszcza z PE, słuŜą do doprowadzania wody, a cienkościenne do bezpośredniego


nawadniania poprzez mikrozaworki. Jest to tzw. kropelkowe nawadnianie pozwalające na racjonalne doprowadzenie wody do układu korzeniowego upraw zielonych (drzew, krzewów, pomidorów, truskawek). W melioracji stosowane są coraz częściej perforowane rury z PCW, np. zwijane z taśmy otrzymanej metodą wytłaczania. Z folii PCW metodą termoformowania otrzymuje się doniczki i cienkościenne kaptury słuŜące jako indywidualna osłona roślin przed przymrozkami. Pewne znaczenie praktyczne mają pianki spulchniające glebę gliniastą, a w piaszczystej magazynujące wilgoć. Naczynia z tworzyw sztucznych oraz wyposaŜenie stanowisk hodowlanych zwierząt (koryta, kanały ściekowe, aŜurowe podłogi) ułatwiają obsługę i umoŜliwiają utrzymanie czystości oraz dezynfekcję pomieszczeń.

Budowa maszyn w róŜnych branŜach nie obeszłaby się dzisiaj bez technicznych tworzyw sztucznych. To one umoŜliwiają sprostanie rosnącym wymaganiom perfekcyjnych technologii, bezpieczeństwa, ekologii i ekonomii. Dobre właściwości ślizgowe, wysoka odporność na ścieranie, wysokie temperatury uŜytkowe, duŜa wytrzymałość mechaniczna i odporność chemiczna, długa Ŝywotność i minimalna intensywność konserwacji, zwiększona cichobieŜność dzięki własnościom tłumienia drgań i szumów oraz stabilność wymiarowa przyczyniły się do tego, Ŝe techniczne tworzywa sztuczne stały się niezbędnym tworzywem dla konstruktorów i budowniczych maszyn oraz spełniają warunki by skutecznie i ekonomicznie zastąpić materiały konwencjonalne. Tabela 16. Tworzywa sztuczne. Własności fizyczne [3].

Rodzaj

tworzywa

Gęstość

(masa właściwa) Mg/m3

Wytrzymałość na rozciąganie

MPa

Wytrzymałość na ściskanie

MPa

Twardość

HB

Odporność

cieplna w czasie 200h do temp.°C

Bakelit, fenolit, tekstolit

1,26–1,35 50–70 70–250 25–35 130

Celuloid, trolit, cellit

1,3–1,4 30–50 130–170 5–11 50–80

Aminoplast, pollopas

ok. 1,5 ok.50 200–300 48–55 80

Stylon, nylon, parlon, supramid

1,08–1,15 50–73 50–125 8–10,5 55–150

Igelit 1,34–1,48 63–90 80–90 (15°Sh) 50 Winidur, winiplast

1,38–1,4 60–90 80–90 10–18 50

Plexiglas, plexigum

1,16–1,20 42–80 85–140 9–20 –

Polistyrol, trolitul, styroflex

1,05–1,1 30–60 95–106 14 –

Polietylen, politen, alkatan

0,82–0,93 10–20 – (25–35HRF) 50

Teflon, fluon 2,2–2,3 14–31,5 ok.12 – 200

Obróbka technicznych tworzyw sztucznych Cięcie piłą

Tworzywo „PE” moŜe być cięte zarówno maszynowo piłami taśmowymi lub tarczowymi do drewna, jak i ręcznie ostrymi piłami do drewna lub metalu z szeroko rozgiętymi zębami. Szczególnie uŜyteczne są tutaj piły taśmowe, gdyŜ dobrze odprowadzają ciepło i umoŜliwiają cięcie z duŜą prędkością. Piły taśmowe mogą mieć szerokość od 10 do 30 mm, a ich grubość 1–2 mm z podziałką zębów 3–10 mm. Dla uniknięcia klinowania się pił taśmowych, ich zęby powinny być rozsunięte o około 0,5 mm. Przy stosowaniu pił tarczowych zalecane są tarcze z zębami rozsuniętymi o minimum 0,5 mm, lecz mogą być równieŜ stosowane tarcze dośrodkowo zbieŜne. Im wyŜsza częstotliwość, tym czystsza jest powierzchnia cięcia.


Normalne prędkości cięcia dla pił taśmowych to 1000–2000 m/min., a dla pił tarczowych 3000–4000 m/min. Toczenie

Półfabrykaty mogą być bez trudności obrabiane na tokarkach. Detale wykonywane masowo mogą być produkowane ekonomicznie, w szczególności gdy stosuje się maszyny do obróbki metali lekkich (o duŜych szybkościach obróbki). Chłodzenie nie zawsze jest konieczne, gdyŜ ciepło jest odprowadzane wraz z wiórami. Tylko przy grubym wiórze (głębokim cięciu) potrzebne jest chłodzenie spręŜonym powietrzem lub chłodziwem. MoŜna stosować prędkości obróbki do 600 m/min.

Struganie

Tworzywo „PE” moŜe być strugane na grubościówkach i wygładzarkach stosowanych w obróbce drewna przy duŜych prędkościach cięcia. Dla ostrych ostrzy tnących z twardego metalu, moŜna stosować posuw do 2 mm na ostrze. Frezowanie

Do obróbki tworzywa „PE” nadają się frezarki szybkoobrotowe i normalne. Zastosowanie frezarek specjalnych z głowicami poziomymi, pionowymi i frezem jednoostrzowym umoŜliwia ekonomiczną produkcję skomplikowanych elementów na duŜą skalę. Dla zapewnienia najlepszego usuwania wiórów zaleca się stosowanie frezów o duŜej podziałce. Wiercenie

Tworzywo „PE” moŜe być nawiercane na wiertarkach, tokarkach i frezarkach. Zasadniczo uŜywa się wierteł krętych lecz dla większych średnic wiercenia moŜe być stosowany równieŜ frez okrągły. Przegrzewania miejscowego moŜna uniknąć poprzez dobre usuwanie wiórów. W wypadku występowania nadmiernego przegrzewania naleŜy zastosować chłodzenie spręŜonym powietrzem lub chłodziwem. Gwintowanie

Gwintowanie detali moŜe być wykonywane normalnymi urządzeniami do metalu, zarówno na tokarce (20–30 obr./min.) lub ręcznie. Zasadniczo preferowane są okrągłe gwinty, zgodne z DIN 405 lecz gwinty V teŜ zachowują dobre własności, ze względu na duŜą wytrzymałość tworzywa na udar. Łączenie / zgrzewanie

Z powodu duŜej lepkości w stanie stopionym, tworzywo „PE” moŜe być łączone tylko przez zgrzewanie czołowe. Oczyszczone powierzchnie styku są lekko dociskane do narzędzia ogrzewającego o temp. 200–220°C, aŜ do chwili gdy na obu powierzchniach warstwa o grubości około 4 mm stanie się plastyczna. Następnie obie podgrzane powierzchnie dociska się do siebie (ciśnienie 10–20 kg/cm2) w zaleŜności od grubości elementów, aŜ do ostygnięcia. Jeśli mają one kształt bloków o grubości powyŜej 30 mm, to jest wymagane ciśnienie 50 kg/cm2 i większe. W tych wypadkach często uŜywane są prasy i specjalne urządzenia zgrzewające. Szlifowanie i polerowanie

Po obróbce skrawaniem dalsze szlifowanie i polerowanie jest wyjątkowo rzadko potrzebne, gdyŜ w większości wypadków obróbki, przy zastosowaniu do powyŜszych uwag, otrzymuje się powierzchnie wystarczająco gładkie. Do masowej produkcji bardzo dobry jest


bęben polerski. Odpadki tworzywa „PE”, otoczaki lub inne środki ścierne wymieszane z wodą mogą być stosowane do polerowania.

Tworzywa sztuczne z powodu swoich zalet zrobiły zawrotną karierę i jednocześnie spędzają sen z oczu ekologom. Największym problemem są opakowania jednorazowe. Butelki, torebki śniadaniowe bądź torby na zakupy bardzo szybko trafiają na śmietniki. Stanowią ok. 7% masy wszystkich śmieci, ale zajmują duŜo miejsca, niemal 30% wszystkich odpadów. Anglicy wyliczyli, Ŝe wyrzucane w ciągu roku butelki z politereftalanu etylu (PET), ustawione jedna na drugiej utworzyłyby wieŜę o wysokości 28 mln km, co stanowi 73-krotną odległość Ziemi od KsięŜyca.

Rys. 12. Udział odpadów z tworzyw sztucznych [opracowanie własne].


Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Co to jest termoplast? 2. Co to są duroplasty? 3. Jakie znasz reakcje chemiczne, w wyniku których powstają tworzywa sztuczne? 4. Jakie znasz zastosowania tworzyw sztucznych? 5. Jakie znasz metody przetwarzania tworzyw sztucznych? 4.7.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1

Odczytaj w PN i katalogach po 2 rodzaje termo- i duroplastów, zapisz ich dane charakterystyczne.


1) zapoznać się z otrzymanymi normami i katalogami, 2) odszukać tworzywa sztuczne termo i duroplasty,


3) wypisać po 2 z nich, 4) zaprezentować efekt swojej pracy.

Środki dydaktyczne: − PN i katalogi zawierające informacje o tworzywach sztucznych, − arkusze papieru i pisaki. Ćwiczenie 2

Odszukaj w PN i katalogach temperatury przetwarzania, cięŜar właściwy (gęstość), skurcz przetwórczy następujących tworzyw sztucznych: PP, ABS, PE, PS.



1) zapoznać się z otrzymanymi normami i katalogami, 2) odszukać odpowiednie tablice, 3) zapisać potrzebne informacje, 4) uporządkować uzyskane informacje, 5) zaprezentować efekty pracy.

Środki dydaktyczne: − PN i katalogi zawierające informacje o tworzywach sztucznych, − arkusze papieru i pisaki. 4.7.4. Sprawdzian postępów Czy potrafisz: Tak Nie 1) zdefiniować pojecie tworzywa sztuczne? � � 2) zdefiniować pojecie termoplasty? � � 3) wyjaśnić znaczenie skurczu przetwórczego? � � 4) określić sposoby obróbki mechanicznej tworzyw sztucznych? � � 5) określić zastosowania tworzyw sztucznych? � �


4.8. Materiały z proszków spiekanych. Materiały ceramiczne. Materiały uszczelniające. Materiały lakiernicze. Drewno, szkło, guma


Tworzywami ceramicznymi nazywa się elementy konstrukcyjne uformowane w temperaturze otoczenia z materiałów mineralnych proszkowych lub plastycznych, a następnie utrwalane za pomocą wypalania lub spiekania. Podstawowymi materiałami do wytwarzania tworzyw ceramicznych są: glina i jej odmiany, jak: szamot i kaolin, krzemionka, magnezyt, kwarc, skaleń, talk, związki wapnia, związki metali. Tworzywa ceramiczne odznaczają się wieloma zaletami, z których do najwaŜniejszych naleŜy zaliczyć: duŜą odporność chemiczną i cierną, bardzo małą przewodność elektryczną, odporność na ścieranie i duŜą twardość. Największe zastosowanie w przemyśle znalazły: porcelana, kamionka, steatyt, klinkier.

Technologia metalurgii proszków w dzisiejszym rozumieniu ma stosunkowo krótka historie. W XIX wieku miały miejsce udane próby stosowania tej technologii, głównie w zastosowaniu do metali trudno topliwych. W roku 1809 T. Cock wykonał z proszku trzynastokilogramowa retortę platynowa słuŜącą do otrzymywania stęŜonego kwasu siarkowego. W 1865 r. wykonano w Rosji monety platynowe, metodami metalurgii proszków. Rozwój omawianej technologii przyspieszył na początku bieŜącego stulecia rozwój elektrotechniki. W 1909 r. zastosowano do Ŝarówek włókno z proszku wolframu, tantalu i molibdenu. Rozwój metalurgii proszków stymulowany był i jest rozwojem szeregu technologii. WaŜnym momentem było opracowanie i uruchomienie w 1924 r. produkcji węglików spiekanych. W Niemczech pierwsze narzędzia z nakładkami z węglików spiekanych noszą popularną, nazwę "Widia". W Polsce, w okresie międzywojennym, produkcje węglików spiekanych podjęła Huta Baildon oraz Starachowickie Zakłady Górniczo-Hutnicze. W okresie powojennym nastąpił dalszy ilościowy i asortymentowy rozwój omawianej technologii. W Polsce wytwarza się obecnie miedzy innymi: części maszyn z proszków Ŝelaza, węgliki spiekane, szczotki kolektorowe, materiały magnetyczne metale trudno topliwe, styki elektryczne, łoŜyska porowate.

Ramowy schemat omawianej technologii składa się z następujących procesów: − przygotowanie proszków, − formowanie, − spiekanie, − kalibrowanie, − obróbka cieplna, − wykańczanie, − kontrola produkcji.

Przygotowanie proszków obejmuje redukcje oraz mieszanie proszku podstawowego ze środkami poślizgowymi (grafit, stearynian cynku, kwas stearynowy, stearyna) oraz składnikami stopowymi. Jako dodatków stopowych do proszku Ŝelaza uŜywa się proszków Cu, Ni i innych. Najczęściej stosowana metoda formowania proszków jest prasowanie w formach. Prasowanie proszku zasypanego do formy odbywa sie najczęściej na zimno. Naciski jednostkowe uzaleŜnione są od szeregu czynników i wynoszą 200–600 MPa. Spiekanie wyprasek odbywa sie w piecach z atmosfera redukująca, najczęściej wodorowa lub składająca sie z mieszaniny wodoru i azotu lub gazu endotermicznego. W procesie spiekania moŜna wyodrębnić następujące cztery fazy spiekania:


– odparowanie środków poślizgowych, – redukcja tlenków, – spiekanie właściwe, – chłodzenie wsadu.

Odparowanie środków poślizgowych odbywa, sie przy temperaturze 300–600°C, zaś właściwe spiekanie w zakresie temperatur (2/3–4/5)T, gdzie T oznacza temperaturę topnienia.

Cermetale, czyli materiały metaloceramiczne, są otrzymywane z mieszaniny proszków metalowych z niemetalami. Odznaczają się duŜą odpornością na działanie wysokich temperatur oraz korozji. Elementy z cermetali wykonuje się przez prasowanie pod bardzo wysokim ciśnieniem, a następnie spiekanie w wysookiej temperaturze. Cermetale w postaci płytek są stosowane na robocze części narzędzi skrawających. Najczęściej stosuje się do tego celu cermetal wykonany z trójtlenku glinu (Al2O3) z niewielką domieszką tlenku magnezu i korundu. Ostrze z tego cermetalu nie traci własności skrawających nawet w temperaturze 1200°C, a ponadto odznacza się małym współczynnikiem tarcia. Podobne własności ma cermetal wykonany z azotku baru i wiele innych o róŜnych nazwach handlowych.

Wadą płytek na narzędzia skrawające z cermetali jest niska wytrzymałość i kruchość. Cermetale znalazły zastosowanie takŜe do wyrobu materiałów Ŝaroodpornych, półprzewodników oraz na łopatki turbin gazowych samolotów oddrzutowych.

Materiały uszczelniające słuŜą do wyrobu elementów zapewniających szczellność połączeń między poszczególnymi częściami maszyn i urządzeń. Uszczelnienia dzieli się na spoczynkowe i ruchowe, zaleŜnie od tego, czy uszczelniają one części znajdujące się w spoczynku, czy w ruchu. Typowym uszczelnieniem spoczynkoowym jest uszczelka pod głowicę silnika spalinowego, a uszczelnieniem ruchowym – pierścienie tłokowe silnika spalinowego lub spręŜarki.

Istnieje bardzo duŜo materiałów stosowanych do uszczelniania. Najczęściej znajdują zastosowania materiały metalowe, a przede wszystkim Ŝeliwo, miedź, ołów i aluminium.

śeliwo jest stosowane przede wszystkim na rozpręŜne pierścienie tłokowe silników spalinowych i spręŜarek. Miedź – dzięki duŜej plastyczności i odporności na korozję – jest uŜywana na uszczelki przewodów hydraulicznych, wysokociśśnieniowych przewodów parowych oraz do przewodów niektórych chemikaliów. Ołów jest uŜywany na uszczelki przewodów kwasu siarkowego i kwasów organicznych. Aluminium i jego stopy są uŜywane do przewodów kwasu azotowego, amoniaku i niektórych kwasów organicznych.

Azbest jest minerałem o budowie włóknistej. Był uŜywany na uszczelnienia w postaci sznurów, płyt i tkanin. Znajduje zastosowanie w postaci uszczelek w urządzeniach naraŜonych na działanie wysokich temperatur oraz kwasów i ługów. Najczęściej są stosowane uszczelki wykonane z płyt azbestowowych o nazwach handlowych Klingerit, Nomax, Wolbromit, Ursus. Uszczelki te wytrzymują wysokie temperatury i ciśnienie. Obecnie na rakotwórczośc jest wycofywany z wszelkich zastosowań.

Guma jest stosowana bardzo szeroko na róŜnego rodzaju uszczelnienia. ZaleŜnie od roodzaju gumy uszczelki gumowe są odporne na oleje, benzyny, niektóre rozpuszczalniki organiczne i płyny hamulcowe. Uszczelki gumowe są uŜywane powszechnie w instalacjach wodnych, wszelkiego rodzaju maszynach, pojazdach samochodowych, kolejnictwie i wielu innnych urządzeniach oraz w budownictwie. Do uszczelniania wałków pracujących w oleju są stosowane samo uszczelniacze typu Siemmera. Samouszczelniacz jest wykonany z gumy usztywnionej obudową metalową. Guma jest równieŜ uŜywana do uszczelniania szyb, zwłaszcza w pojazdach samochodowych .

Tworzywa sztuczne znalazły bardzo szerokie zastosowanie jako materiały uszczelniające ze względu na duŜą odporność na działanie czynników chemicznych. Najczęściej są stosowane: polichlorek winylu (winidur, igelit), bakelit, polietylen, poliamid (nylon, perlon), polipropylen, teflon i wiele innych. Z wyŜej wymienionych tworzyw na szczególną uwagę


zasługuje teflon, który jest odporny na działanie czynników chemicznych oraz wytrzymuje temperaturę od -190°C do +250°C, czyli odznacza się najwyŜszą odpornością na niską i wysoką temperaturę.

RóŜne wyroby warstwowe nasycone Ŝywicami syntetycznymi, jak tekstolit i novotex, znalazły takŜe duŜe zastosowanie jako materiały uszczelniające.

Bawełna i konopie są uŜywane jako materiały uszczelniające przede wszystkim w postaci sznurów, niekiedy nasyconych grafitem lub minią. Sznury te są uŜywane do uszczelniania połączeń gwintowych rur wodociągowych i innych oraz dławnic zaworów róŜnych instalacji rurowych. Z materiałów stosowanych na uszczelki wymienić moŜna ponadto korek, papier, tekturę, filc, skórę i wiele innych. Materiały lakiernicze, farby

Farba – powłokotwórczy materiał kryjący w postaci zawiesiny pigmentów (wraz z wypełniaczami) w spoiwie.

Najczęściej klasyfikację farb dokonuje się ze względu na wykorzystane w nich spoiwo: − farby olejno-Ŝywiczne, − farby bitumiczne, − farby alkidowe (ftalowe), − farby chlorokauczukowe, − farby winylowe (poliwinylowe) , − farby epoksydowe, − farby epoksydowo-bitumiczne, − farby poliuretanowe, − farby krzemianowo-cynkowe, − farby akrylowe.

Farby moŜemy podzielić równieŜ ze względu na: sposób schnięcia na 2 grupy: − schnące fizycznie – proces schnięcia tych farb polega wyłącznie na odparowaniu

rozpuszczalników/rozcięczalników; proces ten następuje szybko, ale wyschnięta powłoka moŜe być rozpuszczona w tych rozpuszczalnikach nawet po długim czasie. Farby te gdy zawierają lotne rozpuszczalniki mogą być nakładane w bardzo niskich temperaturach, jednak ich nakładanie przy pomocy pędzla moŜe być utrudnione,

− schnące chemicznie – schnięcie tych farb nazywamy utwardzaniem, które dokonuje się w wyniku reakcji chmicznych zachodzących w spoiwie farby, czynnikiem utwardzającym moŜe być np. tlen i wówczas mówimy o schnęciu oksydacyjnym (farby alkidowe (ftalowe) i olejne), utwardzacz dla farb dwuskładnikowych (są to np. farby epoksydowe i poliuretanowe) – drugi składnik dodaje się bezpośrednio przed malowanie, takie farby posiadają określony czas Ŝycia w trakcie, którego trzeba farbę wymalować (wraz ze wzrostem temperatury czas Ŝycia farby skraca się). Oddzielną grupę farb schnących chemicznie stanowią farby krzemianowo-cynkowe.

Pył cynkowy i roztwór krzemianu reagują ze sobą co przyspieszone jest przez pochłanianie wilgoci z powietrza. Schnięcie chemiczne farb jest wolniejsze niŜ schnięcie fizyczne, a w niskich temperaturach przebiega bardzo wolno lub zanika. Powłoka po wyschnięciu jest nierozpuszczalna w rozpuszczalnikach, które były stosowane do produkcji tych farb. Starsze powłoki ze względu na małą przyczepność mogą stwarzać problemy przy pracach remontowych (powłokę naleŜy wówczas zszorstkować). Szkło

Szkło powstaje przez stopienie głównie tlenków: krzemu, wapnia, sodu i potasu i ochłodzenie poniŜej temperatury rekrystalizacji. Szkło jest nieprzenikliwe dla cieczy i gazów, odporne na działanie czynników chemicznych, niepalne i wytrzymałe na


podwyŜszoną temperaturę. W wysokiej temperaturze w stanie plastycznym daje się łatwo kształtować. Szkło mimo swej przezroczystości nie przepuszcza promieni nadfioletowych. Obecnie produkuje się specjalne szkło kwarcowe, stosowane w autobusach turystycznych, które częściowo przepuszcza promienie nadfioletowe. Istnieje wiele odmian szkła, dlatego omówione zostaną tylko te, które w przemyśle mają największe zastosowanie. Szyby samochodowe, lotnicze oraz stanowiące ściany niektórych pomieszczeń są wykonywane ze szkła bezpiecznego.

Szyby budowlane dzieli się na pięć grup: − zwykłe, − bezpieczne, − o zwiększonej odporności na włamanie, − odporne na ostrzał broni palnej, − o zwiększonej odporności na działanie fali detonacyjnej.

Szyby bezpieczne wykonuje się jako jednowarstwowe termicznie napręŜone (tzw. hartowane), które rozpadają się w czasie pękania na drobne kawałki poozbawione ostrych krawędzi lub jako jednowarstwowe zabezpieczane folią antywłamaniową, które pękają promieniowo od miejsca uderzenia.

Pozostałe szyby są klejonymi strukturami wielowarstwowymi, które składają się z kilku połączonych ze sobą części składowych (szkło, powłoki z tworzyw sztucznych) [1]. Drewno

W technice mianem drewna, określa sie surowiec otrzymany ze ścietych drzew i ukształtowany przez obróbkę na odpowiednie asortymenty. Drewno jest tworzywem o budowie komórkowej. ZaleŜnie od gatunku porowatość drewna waha sie w granicach 10–90%. Porowatość ta ma istotny wpływ na własnosci fizyczne drewna. W przekroju poprzecznym kaŜdego pnia drzewa mozna wyróznić: − korę spełniająca rolę tkanki okrywającej, − łyko, − miazgę, − właściwe drewno składające się z bieli i twardzieli lub tylko z bieli, − rdzeń.

Biel i twardziel stanowia właściwe drewno najbardziej wartościowa część pnia, zawierajaca Ŝywicę, garbniki i olejki eteryczne decydujace o trwałości drewna. Pod względem chemicznym drewno składa sie z celulozy, ligniny (drzewnika), chemicelulozy, wody oraz charakterystycznych dla danego gatunku Ŝywic, cukrów, garbników i substancji mineralnych. W suchym drewnie iglastym zawartośc celulozy wynosi 53–54%, w suchym drewnie liściastym 43–48%. Drewno jest doskonałym materiałem konstrukcyjnym, zarówno w stanie naturalnym, jak i w postaci sklejek, płyt pilsniowych, wiórowych itd. Wspólna ujemną cecha wszystkich gatunków drewna jest higroskopijność tj. skłonnośc do pochłaniania wilgoci i wyparowywaniu jej po nagrzaniu co wywołuje powstawanie peknieć. Przed butwieniem i gniciem zabezpiecza sie drewno róznymi srodkami takimi jak smoła, sfalt, pokost, farby i lakiery. W tabeli przedstawiono orientacyjne wlasciwości fizyczne róznych rodzajów drewna.


Tabela 17. Orientacyjne własności fizyczne drewna powietrzno-suchego [2].

Guma

Guma jest elastycznym produktem wulkanizacji (tj. sieciowania, porzadkowania makrocząsteczek) kauczuku naturalnego lub syntetycznego. Otrzymuje się ja przez przeróbkę mieszanek zawierających oprócz kauczuku inne substancje ułatwiające procesy przetwórcze oraz nadające gumie odpowiednie własności. Do najwaŜniejszych składników mieszanek kauczukowych naleŜą: − kauczuk naturalny lub syntetyczny, − środki wulkanizujące, najczęściej siarka oraz przyspieszacze np.triazole, sulfonamidy itd. − zmiękczacze, składniki ułatwiające przetwórstwo oraz obniŜające twardość gumy w stanie

zwulkanizowanym, − napełniacze, tj. organiczne lub nieorganiczne, ciała stałe o róŜnym stopniu dyspersji, np.

róŜne typy sadzy, krzemionki i krzemiany, kaolin, kreda itd. − pigmenty i barwniki, − środki ochronne, tj. substancje zabezpieczające gumę przed niszczącym działaniem

światła, ciepła, tlenu, ozonu, agresywnych środowisk i innych czynników, − środki porotwórcze, tj. składniki mieszanek wydzielające podczas ogrzewania gaz, np.

azot, dwutlenek węgla lub parę wodną, a stosowane do produkcji gumy porowatej. Własności gumy zmieniają się w szerokich granicach, w zaleŜności od rodzaju kauczuku,

ilości i rodzaju pozostałych składników mieszanki kauczukowej, sposobu jej przygotowania oraz warunków wulkanizacji. Wytrzymałość na rozciąganie gumy waha się od 2 do 40 MPa a nawet wyŜej. Twardość zawiera się w granicach 25–95 wg Shore’a. Guma ma bardzo dobre własności amortyzacyjne i charakteryzuje się na ogół duŜym współczynnikiem tarcia. Wyroby gumowe ulęgają w warunkach pracy lub przechowywania tzw. starzeniu. Terminem tym określa się pogorszenie własności fizycznych gumy, przejawiające się zwiększoną kleistością jej powierzchni jej mięknieniem lub twardnieniem i pojawieniem się powierzchniowych pęknięć. Odporność gumy na starzenie podwyŜsza się przez wprowadzenie do mieszanki odpowiednich substancji przeciwstarzeniowych [2].



Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Co nazywamy cermetalami? 2. Jak przebiega proces wytwarzania elementow z proszków metali? 3. Do czego stosuje sie farby i lakiery i z czego się one składają? 4. Jakie są główne składniki gumy? 5. Z jakich elementów składa się drewno i który z nich ma dla techniki największą wartość? 4.8.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Odczytaj z PN i katalogów, na jakie grupy ze względu na właściwości i zastosowanie dzielimy węgliki spiekane.


1) zapoznać się z otrzymanymi normami i katalogami, 2) odszukać węgliki spiekane, 3) wypisać oznaczenia, ich przeznaczenie i oznakowanie kilku węglików spiekanych

z róŜnych grup, 4) zaprezentować efekt swojej pracy.

Środki dydaktyczne: − PN i katalogi zawierające informacje o węglikach spiekanych, − arkusze papieru i pisaki. Ćwiczenie 2

Odszukaj w PN i katalogach właściwości kauczuku naturalnego i syntetycznego a następnie porównaj je.



1) zapoznać się z otrzymanymi normami i katalogami, 2) odszukać odpowiednie tablice, 3) zapisać potrzebne informacje, 4) uporządkować uzyskane informacje, 5) zaprezentować efekty pracy.


− PN i katalogi zawierające informacje o tworzywach niemetalowych takich jak guma, − arkusze papieru i pisaki.


4.8.4. Sprawdzian postępów Czy potrafisz: Tak Nie 1) zdefiniować pojęcie tworzywa ceramiczne? � � 2) zdefiniować pojęcie węgliki spiekane? � � 3) sklasyfikować szkła i wskazać ich zastosowanie? � � 4) określić najwaŜniejsze własności i zastosowanie drewna? � � 5) określić główne składniki gumy i jej zastosowanie? � �


5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ INSTRUKCJA DLA UCZNIA 1. Przeczytaj dokładnie instrukcję. 2. Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi. 3. Odpowiedzi udzielaj wyłącznie na karcie odpowiedzi. 4. Zapoznaj się z zestawem zadań testowych. 5. Test zawiera 20 zadań. 6. Do kaŜdego zadania podane są cztery odpowiedzi, z których tylko jedna jest prawidłowa. 7. Zaznacz prawidłową według Ciebie odpowiedź wstawiając literę X w odpowiednim

miejscu na karcie odpowiedzi. 8. W przypadku pomyłki zaznacz błędną odpowiedź kółkiem, a następnie literą X zaznacz

odpowiedź prawidłową. 9. Za kaŜde poprawne rozwiązanie zadania otrzymujesz jeden punkt. 10. Za udzielenie błędnej odpowiedzi, jej brak lub zakreślenie więcej niŜ jednej odpowiedzi –

otrzymujesz zero punktów. 11. UwaŜnie czytaj treść zadań i proponowane warianty odpowiedzi. 12. Nie odpowiadaj bez zastanowienia; jeśli któreś z pytań sprawi Ci trudność – przejdź do

następnego. Do pytań, na które nie udzieliłeś odpowiedzi moŜesz wrócić później. 13. Pamiętaj, Ŝe odpowiedzi masz udzielać samodzielnie. 14. Na rozwiązanie testu masz 45 minut.

Powodzenia ! ZESTAW ZADA Ń TESTOWYCH 1. Stal to

a) stop Ŝelaza z węglem o zawartości węgla do 2%C. b) stop Ŝelaza z węglem o zawartości węgla do 12%C. c) stop Ŝelaza z węglem o zawartości węgla do 6,5%C. d) stop Ŝelaza z węglem o zawartości węgla powyŜej 2%C.

2. Surówka to

a) stop Ŝelaza z węglem o zawartości węgla ponad 2% przeznaczony do dalszej przeróbki

b) stop Ŝelaza z węglem o zawartości węgla ponad 2%w stanie płynnym c) stop Ŝelaza z węglem o zawartości węgla do 12% przeznaczony do dalszej przeróbki d) stop Ŝelaza z węglem o zawartości węgla do 3,2% przeznaczony do dalszej przeróbki

3. śeliwo to

a) techniczny stop Ŝelaza o zawartości węgla powyŜej 2%. b) stop Ŝelaza z węglem i innymi pierwiastkami o zawartości węgla ponad 2%

stosowany w postaci odlewów. c) mieszanina eutektyczna. d) stop Ŝelaza o zawartości węgla 3,2% i temperaturze topnienia 1243°C.


4. Metoda Brinella słuŜy do pomiaru a) wytrzymałości na rozciąganie. b) twardości. c) udarności. d) spręŜystości.

5. Stale ze względu na skład dzielimy na

a) węglowe i stopowe. b) walcowane i odlewane. c) ciągnione i łuszczone. d) odlewane i kute.

6. Fosfor w stali powoduje

a) kruchość na gorąco. b) kruchość na zimno. c) kruchość na niebiesko. d) kruchość na powierzchniową.

7. Oznaczenie stali węglowych to

a) St3, St0, 10, MSt6. b) 45HN, 38HMJ, 20HGS, 18HGT. c) AK9, Zl200, B1010. d) PP, PA, PET, ABS.

8. O spawalności stali decyduje

a) równowaŜnik elektrochemiczny. b) twardość. c) ekwiwalent węgla. d) temperatura spawania.

9. śeliwa sferoidalne nazywane są tak dlatego, Ŝe

a) węgiel wiąŜe się z Ŝelazem tworząc kulki. b) wydzielający się grafit ma postać kul pustych w środku. c) grafit wydziela się w postaci kulek. d) są przeznaczone do wytwarzania elementów sferycznych.

10. Stale do nawęglania oznaczamy symbolami

a) 15H, 16HG, 15HN. b) 30G2, 45H, 35HM. c) 38HMJ. d) St6, 45, 1.2343.

11. Mosiądz to

a) stop miedzi z aluminium. b) stop miedzi z cynkiem. c) stop miedzi z cyną. d) stop miedzi z Ŝelazem.


12. Zapis 50x45x5 mm oznacza a) ceownik. b) teownik. c) kątownik nierównoramienny. d) bednarkę.

13. Stop aluminium oznaczamy symbolem a) PA6. b) B1010. c) 37HGNM. d) St6.

14. Termoplasty to tworzywa sztuczne, które a) miękną podgrzane do wysokiej temperatury. b) są plastyczne w temperaturze pokojowej. c) miękną ochłodzone do niskich temperatur. d) są plastyczne w całym zakresie temperatur.

15. Tworzywa sztuczne najczęściej przetwarza się przez a) obróbkę wiórową. b) wtryskiwanie. c) walcowanie. d) kucie matrycowe.

16. Elementy z proszków metali kształtuje się przez a) spiekanie w wysokiej temperaturze pod wysokim ciśnieniem. b) odlewanie do form. c) klejenie Ŝywicami. d) walcowanie na gorąco.

17. Cermetale to

a) materiały metalowo-ceramiczne. b) metale powlekane ceramiką. c) materiały metalowe odporne na wysoka temperaturę. d) metale pokryte korozją.

18. Głównym składnikiem gumy jest a) kauczuk. b) sadza. c) sulfonamidy. d) silikon.

19. Proces tracenia własności spręŜystych przez gumę to a) wulkanizacja. b) starzenie. c) rozwarstwienie. d) rozpad.


20. Element drewna mający zastosowanie w technice to a) łyko. b) rdzeń. c) biel i twardziel. d) kora.


KARTA ODPOWIEDZI Imię i nazwisko .................................................................................................. Dobieranie materiałów konstrukcyjnych, narzędziowych i eksploatacyjnych Zakreśl poprawną odpowiedź.

Nr zadania Odpowiedzi Punkty

1 a b c d 2 a b c d 3 a b c d 4 a b c d 5 a b c d 6 a b c d 7 a b c d 8 a b c d 9 a b c d 10 a b c d 11 a b c d 12 a b c d 13 a b c d 14 a b c d 15 a b c d 16 a b c d 17 a b c d 18 a b c d 19 a b c d 20 a b c d

Razem:


6. LITERATURA 1. Górecki A.: Technologia ogólna. Podstawy technologii mechanicznych. WSiP, Warszawa

2005 2. Poradnik mechanika. WNT Warszawa 1985 3. Poradnik: Rysowanie i projektowanie części maszyn. WSiP, Warszawa1989 4. Poradnik inŜyniera samochodowego. Elementy i materiały. WKŁ Warszawa 1990 5. Poradnik inŜyniera. Obróbka skrawaniem tom 1. WNT Warszawa 1991 6. Sidun J., Gradzka-Dahlke M.: Badanie mikroskopowe struktur materiałów spiekanych.

Politechnika Białostocka 2000

Documents

Dobieranie materiałów konstrukcyjnych, narz ędziowych i …zsmi.pl/wp-content/uploads/2012/10/Dobieranie... · 2013-12-10 · „Dobieranie materiałów konstrukcyjnych, narzędziowych