Operator_maszyn_ i_urzadzen_plastycznych_812[01].O1.03

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

SPIS TREŚCI

1. Wprowadzenie

2. Wymagania wstępne

3. Cele kształcenia

4. Materiał nauczania

4.1. Tworzywa sztuczne i kompozyty

4.1.1. Materiał nauczania

4.1.2. Pytania sprawdzające

4.1.3. Ćwiczenia

4.1.4. Sprawdzian postępów

4.2. Materiały ceramiczne

4.2.1. Materiał nauczania

4.2.2. Pytania sprawdzające

4.2.3. Ćwiczenia

4.2.4. Sprawdzian postępów

4.3. Drewno. Materiały uszczelniające

4.3.1. Materiał nauczania

4.3.2. Pytania sprawdzające

4.3.3. Ćwiczenia

4.3.4. Sprawdzian postępów

4.4. Badanie właściwości metali i ich stopów

4.4.1. Materiał nauczania

4.4.2. Pytania sprawdzające

4.4.3. Ćwiczenia

4.4.4. Sprawdzian postępów

4.5. Stopy żelaza

4.5.1. Materiał nauczania

4.5.2. Pytania sprawdzające

4.5.3. Ćwiczenia

4.5.4. Sprawdzian postępów

4.6. Metale nieżelazne i ich stopy

4.6.1. Materiał nauczania

4.6.2. Pytania sprawdzające

4.6.3. Ćwiczenia

4.6.4. Sprawdzian postępów

4.7. Obróbka cieplna i cieplno-chemiczna

4.7.1. Materiał nauczania

4.7.2. Pytania sprawdzające

4.7.3. Ćwiczenia

4.7.4. Sprawdzian postępów

5. Sprawdzian osiągnięć

6. Literatura

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

1. WPROWADZENIE

Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy z zakresu stosowania materiałów

konstrukcyjnych i narzędziowych.

W poradniku zamieszczono:

−

wymagania wstępne – wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć już ukształtowane,
abyś bez problemów mógł korzystać z poradnika,

−

cele kształcenia – wykaz umiejętności, jakie ukształtujesz podczas pracy z poradnikiem,

−

materiał nauczania – podstawowe wiadomości teoretyczne niezbędne do opanowania
treści jednostki modułowej,

−

zestaw pytań przydatny do sprawdzenia, czy już opanowałeś treści zawarte
w podrozdziałach,

−

ćwiczenia, które pomogą Ci zweryfikować wiadomości teoretyczne oraz ukształtować
umiejętności praktyczne,

−

sprawdzian postępów,

−

sprawdzian osiągnięć – przykładowy zestaw zadań testowych,

−

literaturę uzupełniającą.
W materiale nauczania zostały omówione zagadnienia dotyczące: tworzyw sztucznych,

materiałów sztucznych, materiałów uszczelniających, stopów żelaza, metali nieżelaznych
i ich stopów, obróbki cieplnej i cieplno mechanicznej oraz z badań właściwości metali
i stopów.

Informacje zamieszczone w Poradniku mogą zostać rozszerzone w oparciu o literaturę

dodatkową zgodnie z zaleceniami nauczyciela.

Z podrozdziałem Pytania sprawdzające możesz zapoznać się:

−

przed przystąpieniem do podrozdziału Materiał nauczania – poznając w ten sposób
wymagania wynikające z zawodu, a po przyswojeniu wskazanych treści, odpowiadając
na te pytania sprawdzisz stan swojej gotowości do wykonywania ćwiczeń,

−

po opanowaniu podrozdziału Materiał nauczania, by sprawdzić stan swojej wiedzy, która
będzie Ci potrzebna do wykonywania ćwiczeń.
Z punktu widzenia przyszłej pracy zawodowej ważne jest nabycie przez Ciebie

umiejętności praktycznych w tym umiejętności manualnych. Aby ten cel osiągnąć poradnik
zawiera po każdym rozdziale propozycję ćwiczeń. Podczas wykonywania ćwiczeń zwróć
uwagę na zalecenia nauczyciela dotyczące bezpieczeństwa i higieny pracy.

Po wykonaniu zaplanowanych ćwiczeń, sprawdź poziom swoich postępów wykonując

Sprawdzian postępów. Odpowiedzi Nie wskazują luki w Twojej wiedzy, informują Cię
również, jakich zagadnień jeszcze dobrze nie poznałeś. Oznacza to także powrót do treści,
które nie są dostatecznie opanowane.

Poznanie przez Ciebie wszystkich lub określonej części wiadomości będzie stanowiło dla

nauczyciela podstawę przeprowadzenia sprawdzianu poziomu przyswojonych wiadomości
i ukształtowanych umiejętności. W tym celu nauczyciel może posłużyć się zadaniami testowymi.

W poradniku jest zamieszczony sprawdzian osiągnięć, który zawiera przykład takiego

testu oraz instrukcję, w której omówiono tok postępowania podczas przeprowadzania
sprawdzianu i przykładową kartę odpowiedzi, w której, w przeznaczonych miejscach wpisz
odpowiedzi na zadania lub zakreśl właściwe odpowiedzi spośród zaproponowanych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Schemat układu jednostek modułowych

812[01]01

Techniczne podstawy zawodu

812[01]01.01

Przestrzeganie przepisów

bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony

przeciwpożarowej i ochrony środowiska

812[01]02.02

Posługiwanie się dokumentacją

techniczną

812[01]01.03

Stosowanie materiałów

konstrukcyjnych i narzędziowych

812[01]02.04

Rozpoznawanie elementów maszyn

i mechanizmów

812[01]01.05

Analizowanie układów elektrycznych

i automatyki przemysłowej

812[01]01.06

Stosowanie mechanicznych technik

wytwarzania części maszyn

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

2. WYMAGANIA WSTĘPNE

Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

−

rozróżniać symbole chemiczne pierwiastków i związków,

−

opisywać budowę atomową gazów, cieczy, ciał stałych,

−

posługiwać się dokumentacją techniczną,

−

rozpoznawać materiały konstrukcyjne i narzędziowe,

−

selekcjonować, przechowywać i porządkować informacje,

−

korzystać z różnych źródeł informacji,

−

przestrzegać zasad bhp i ppoż,

−

przestrzegać form ochrony przyrody,

−

współpracować w grupie,

−

użytkować komputer.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku procesu kształcenia uczeń powinien umieć:

—

scharakteryzować rodzaje i zastosowanie materiałów niemetalowych,

—

określić właściwości materiałów niemetalowych,

—

sklasyfikować materiały ogniotrwałe,

—

określić właściwości i zastosowanie materiałów ogniotrwałych,

—

scharakteryzować procesy otrzymywania stopów żelaza z węglem,

—

scharakteryzować budowę krystaliczną metali,

—

wyjaśnić przebieg krzepnięcia czystego metalu,

—

rozróżnić składniki strukturalne stopu Fe – C na podstawie wykresu żelazo – cement,

—

określić właściwości metali i ich stopów,

—

wykonać badanie właściwości mechanicznych i technologicznych metali i stopów,

—

sklasyfikować stopy żelaza z węglem,

—

określić zastosowanie poszczególnych gatunków stali, żeliwa i staliwa,

—

sklasyfikować stopy metali nieżelaznych,

—

rozróżnić gatunki, właściwości i zastosowanie metali nieżelaznych i ich stopów,

—

rozpoznać na podstawie oznaczenia: stal, staliwo, żeliwo, metale nieżelazne i ich stopy,

—

skorzystać z wykresu żelazo – cement, PN, katalogów, poradników.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4. MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1. Tworzywa sztuczne i kompozyty

4.1.1. Materiał nauczania

Tworzywa sztuczne

Głównym składnikiem tworzyw sztucznych są naturalne bądź syntetycznie otrzymywane,

wielkocząsteczkowe związki tzw. polimery.

Otrzymuje się je w wyniku polireakcji z produktów chemicznej przeróbki węgla, ropy

naftowej,  gazu  ziemnego  lub  polimerów  naturalnych  modyfikowanych  chemicznie.
Właściwości  tworzyw  sztucznych  są  kształtowane  poprzez  wprowadzanie  składników
dodatkowych  do  danego  polimeru.  Składnikami  dodatkowymi  są:  barwniki,  zmiękczacze
(plastyfikatory),  napełniacze,  stabilizatory,  nośniki  itp.  Polimery  otrzymuje  się  ze  związków
małocząsteczkowych  w  wyniku  reakcji  chemicznych,  zwanych  polireakcjami.  Właściwości
polimerów  zależą  od  budowy  makrocząsteczek.  Polimery  składające  się  z  cząsteczek
o odpowiednio  długich  łańcuchach  są  ciałami  stałymi,  ich  wytrzymałość  i  twardość  są  tym
większe, im  większa  jest długość  łańcucha. Polimery składające  się z krótkich  łańcuchów są
ciałami ciekłymi.

Tworzywa sztuczne (syntetyczne) otrzymuje się w wyniku trzech rodzajów reakcji:

−

polimeryzacji i kopolimeryzacji,

−

polikondensacji,

−

poliaddycji.

Polimeryzacja jest reakcją, w wyniku której monomery, tj. proste związki

małocząsteczkowe,  łączą  się  w  związek  wielocząsteczkowy,  tzw.  polimer.  Cechą
charakterystyczną  polimeryzacji  jest  brak produktów  ubocznych. Jest  to  reakcja  łańcuchowa
i ma  bardzo  szybki  przebieg.  Budowa  makrocząsteczek  zależy  od  temperatury,  ciśnienia
i czasu  reakcji.  Kopolimeryzacja  to  jednoczesna  polimeryzacja  dwóch  lub  więcej  różnych
rodzajów  monomerów.  Metodą  polimeryzacji  otrzymuje  się:  polichlorek  i  polioctan  winylu,
polistyren, polietylen, polimetakrylan metylu itp.

Polikondensacja to proces chemiczny, w wyniku którego jest możliwa reakcja z wieloma

cząsteczkami w tym samym czasie z wydzielaniem produktu ubocznego, którym jest prosty
związek chemiczny, np. H

0, NH

, HCl. Metodą tą otrzymuje się żywice: fenolowe,

aminowe, poliestrowe oraz większość poliamidów.

Poliaddycja jest polireakcją przebiegającą stopniowo, o cechach polimeryzacji

i polikondensacji, bez wydzielania się produktu ubocznego. Często zachodzi przegrupowanie
atomów w monomerze, które umożliwia wzrost łańcucha polimeru. W wyniku poliaddycji
otrzymuje się żywice epoksydowe i poliuretany.

Podstawowymi zaletami tworzyw sztucznych są:

−

dobra odporność chemiczna,

−

łatwość formowania,

−

dobre właściwości mechaniczne,

−

możliwość barwienia,

−

dobre właściwości izolacyjne,

−

duży współczynnik rozszerzalności cieplnej,

−

mały współczynnik przewodzenia ciepła,

−

możliwość stosowania w różnych postaciach.

Pozostałe właściwości takie jak: właściwości mechaniczne, chemiczne, cieplne mogą

zmieniać się w znacznym zakresie, uwarunkowanym bardzo dużą różnorodnością tworzyw.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Do wad tworzyw sztucznych można zaliczyć: zazwyczaj niższą wytrzymałość niż metali

i ich stopów oraz małą odporność na działanie podwyższonej temperatury.

Tworzywa sztuczne dzielimy na:

−

elastomery (tworzywa, które pod wpływem rozciągania w temperaturze pokojowej
wykazują wydłużenie powyżej 100%).

−

plastomery (poddawane wzrastającemu obciążeniu zaczynają się odkształcać plastycznie
aż ulegają mechanicznemu zniszczeniu).
W grupie plastomerów rozróżniamy tworzywa termoplastyczne (termoplasty) oraz

duroplasty, do których zaliczamy tworzywa termoutwardzalne i chemoutwardzalne.

Termoplasty każdorazowo pod wpływem zwiększonej temperatury miękną a po jej

obniżeniu twardnieją ponownie (np. poliamidy). Ta cecha powoduje, iż można je wielokrotnie
przerabiać.

Tworzywa termoutwardzalne pod wpływem temperatury przechodzą w stan plastyczny

umożliwiający ich kształtowanie, lecz przetrzymywane w podwyższonej temperaturze
twardnieją nieodwracalnie (np. fenoplasty i aminoplasty).

Tworzywa chemoutwardzalne ulegają utwardzeniu już w temperaturze pokojowej pod

wpływem działania odpowiedniego utwardzacza (np. żywice poliestrowe i epoksydowe).

Tworzywa sztuczne mogą występować jako materiały konstrukcyjne, impregnacyjne,

powłokowe i jako kleje.

Do najczęściej stosowanych tworzyw termoplastycznych zaliczamy:

−

polistyren – odporny na działanie kwasów i zasad, przezroczysty można go barwić, jest
dobrym izolatorem; służy do wyrobu przedmiotów gospodarstwa domowego, galanterii,
zabawek, części samochodowych i jest również stosowany w elektrotechnice,

−

polichlorek  winylu  –  odporny  na  działanie  czynników  chemicznych,  ma  dobre
właściwości  mechaniczne  i  elektroizolacyjne;  stosuje  się  go  do  wyrobu  elementów
wyposażenia  elektrycznego,  do  produkcji  węży  elastycznych,  do  budowy  łodzi
w przemyśle samochodowym i lotniczym,

−

poliamidy – są stosowane do wyrobu przedmiotów gospodarstwa domowego, galanterii
samochodowej, elementów armatury sanitarnej,

−

polimetakrylan metylu zwany szkłem organicznym jest miedzy innymi stosowany do
wyrobu szyb lotniczych, szkieł do zegarków, soczewek,

−

polipropylen znajduje zastosowanie do produkcji artykułów technicznych, opakowań,
przedmiotów gospodarstwa domowego, włókien chemicznych,

−

policzterofluoroetylen  (teflon)  –  posiada  dużą odporność  chemiczną,  elastyczność,  mały
współczynnik  tarcia,  jest  niepalny.  Stosuje  się  go  do  pokrywania  naczyń  kuchennych,
żelazek,  na  powierzchnie  łożysk  ślizgowych  oraz  w  budowie  maszyn  i  urządzeń
chemicznych.
Do  najważniejszych  duroplastów  zaliczamy:  fenoplasty  (bakelity),  aminoplasty,  żywice

epoksydowe (miedzy innymi wytwarza się z nich kleje), niektóre żywice silikonowe. Żywice
silikonowe są m.in. stosowane jako: hydrożele pełniąc rolę implantów tkanek miękkich, gumy
silikonowe,

oleje

hydrauliczne,

dodatki

farb

oraz

środki

smarujące

i uszczelniające.

Tworzywa sztuczne w zależności od ich rodzaju mogą być przetwarzane przez:

odlewanie, prasowanie, wtryskiwanie, wytłaczanie i walcowanie.

Wtryskiwanie polega na przeciśnięciu stopionej masy do formy zimnej (tworzywo

termoplastyczne) lub podgrzanej (tworzywo termoutwardzalne). Stopiona w przedniej części
cylindra masa zostaje wciśnięta przez dyszę do formy (rys. 1).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 1.

Schemat urządzenia wtryskowego 1 – forma, 2 – komora, 3 – płaszcz grzejny,
4 – tłok, 5 – sproszkowane tworzywo sztuczne [4, s. 100]

Wytłaczanie – metodą tą wyrabia się rury, płyty o różnych kształtach i przekrojach.

Wytłaczanie dokonuje się w wytłaczarce ślimakowej (rys. 2).

Rys. 2.

Wytłaczarka ślimakowa 1 – zbiornik na tworzywo, 2 – sito, 3 – ślimak, 4 – cylinder
roboczy, 5 – dysza [4, s. 102]

Walcowanie stosowane jest do wyrobu folii i taśm. Zasadę produkcji taśmy przedstawia

rys. 3.

Rys. 3. Schemat produkcji taśmy z tworzywa sztucznego 1 – załadunek tworzywa,

2 – watce robocze, 3 – zwijarka taśmy, 4 – przekładka celofanowa [4, s. 102]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Szkło jest materiałem nieorganicznym, bezpostaciowym, składającym się przeważnie

z tlenków krzemu, boru, fosforu oraz innych. Stan fizyczny szkła jest pośredni między stanem
ciekłym i stałym.

Cechy użytkowe szkła to: zdolność przepuszczania światła, przezroczystość, gładkość,

połysk, niepalność, mała przewodność cieplna i elektryczna, nieprzepuszczalność cieczy
i gazów, odporność na działanie podwyższonych temperatur, czynników chemicznych
(z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego) i atmosferycznych. Podstawowymi wadami szkła są
kruchość i wrażliwość na zmiany temperatury.

Ze względu na przeznaczenie szkło dzieli się na: budowlane, techniczne, gospodarcze.
Ze względu na skład chemiczny wyróżnia się szkło: krzemowo-sodowo-wapniowe

(zwykłe), aparaturowe (o małej zawartości tlenków alkaicznych), borokrzemowe (o małej
rozszerzalności cieplnej), bezsodowe, kryształowe i inne.

Odmianami szkła technicznego są: szkło laboratoryjne, elektrotechniczne (o dużym

oporze  właściwym  np.  na  izolatory),  szkło  elektropróżniowe  (ze  względu  na  odpowiedni
współczynnik  rozszerzalności  cieplnej  można  je  łączyć  z  metalami  np.  na  lampy
kineskopowe,  rurki  neonowe),  szkło  optyczne  (jednorodne,  bezbarwne  o  określonym
w zależności od potrzeb współczynniku załamania światła np. na soczewki, pryzmaty, lustra),
szkło  kwarcowe  o  składzie  99,5%  SiO

(największa odporność na działanie kwasów

i  wysokich  temperatur  np.  na  lampy  kwarcowe,  elementy  aparatury  chemicznej  pracujące
w  wysokich  temperaturach),  szkło  krystaliczne  (o  dużej  wytrzymałości  i  odporności  na
ścieranie),  szkło  bezpieczne  (zbrojone  siatką  metalową,  sklejane  z  kilku  warstw  lub
hartowane np. na szyby samochodowe).

Guma jest elastycznym tworzywem powstającym w procesie wulkanizacji kauczuku

naturalnego lub syntetycznego w temperaturze 110–180

C w czasie od kilku minut do kilku

godzin. Oprócz mieszanek kauczukowych do produkcji gumy używa się środków
wulkanizujących (siarka), zmiękczających, porotwórczych, ochronnych oraz napełniaczy
(poprawiają właściwości np. mechaniczne, elektroizolacyjne, przeciwpożarowe) i barwników.

Guma ma bardzo dużą odporność na odkształcenia trwałe, wysoką elastyczność,

odporność na zerwanie, ścieranie ponadto jest wodoodporna i ma bardzo dobre właściwości
izolacyjne. Gumy specjalnego przeznaczenia są dodatkowo odporne na działanie paliw,
olejów, smarów, kwasów, zasad oraz wpływu niskich lub podwyższonych temperatur.
Materiały kompozytowe

Kompozyt to monolityczne materiały uzyskiwane w procesach łączenia składników

(kompozytów  –  dwóch  lub  więcej)  o  różnych  właściwościach.  W  wyniku  sposobu
odpowiedniego  łączenia  otrzymuje  się  kompozyty  o  właściwościach  lepszych  lub
dodatkowych w porównaniu z właściwościami kompozytów. Faza podstawowa kompozytu –
materiał bazowy, nazywa się osnową. Faza powodująca wzmocnienie kompozytu nazywa się
zbrojeniem.  Elementy  zbrojenia  mogą  mieć  postać: drobnych  cząstek,  płatków,  krótkich  lub
ciągłych  włókien  o  różnej  orientacji  przestrzennej.  Elementy  zbrojenia  są  rozmieszczone
w osnowie.  Osnowa  i  zbrojenie  może  być  metalem,  polimerem  lub  ceramiką  odmiennych
rodzajów.  Ze  względu  na  materiał  bazowy  jako  podstawowe  wyróżnia  się  kompozyty:
metalowe,  polimerowe  i  ceramiczne.  W  zależności  od  materiału  umacniającego  są  to
kompozyty:

metalowo-polimerowe,

polimerowo-metalowe,

polimerowo-ceraniiczne,

ceramiczno-ceramiczne itd. Biorąc pod uwagę budowę wewnętrzną, kompozyty ogólnie dzieli
się na: warstwowe, umacniane krótkimi lub ciągłymi włóknami, umacniane tkaniną lub siatką
oraz umacniane cząstkami (rys. 4). Podstawowymi materiałami włókien stosowanymi do
zbrojenia są: grafit, szkło, bor, tlenek aluminium, węglik krzemu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 4. Modele budowy kompozytów umacnianych a) cząstkami, b) włóknami krótkimi,

c) włóknami długimi, d) siatką, e) siatką o różnym kierunku w kolejnych
warstwach, f) warstwowo [12, s. 128]

Kompozyty metalowe mają osnowę metalową, którą najczęściej jest: aluminium,

magnez, tytan, nikiel i jego stopy, kobalt i chrom. Osnowę aluminiową stosuje się najczęściej
w kompozytach pracujących w temperaturze otoczenia. Zbrojenie stanowią włókna węglowe
Stosuje się  je w  budowie samolotów i rakiet. Kompozyty o osnowie  niklu,  stopów niklu lub
kobaltu  należą  do  grupy  materiałów  żaroodpornych  i  żarowytrzymałych.  Mogą  pracować
w wysokich  temperaturach  1100–1200°C.  Kompozyty  pracujące  w  wysokich  temperaturach
są najczęściej wytwarzane metodami metalurgii proszków.

Kompozyty polimerowe mają osnowę polimerową, którą stanowią tworzywa

termoplastyczne, termoutwardzalne, chemoutwardzalne, żywice epoksydowe lub poliestrowe.
Zbrojeniem  są  włókna  węglowe  lub  polimerowe  w  postaci  siatki  włókien  (rovingu)  albo
tkanin  szklanych.  Kompozyty  polimerowe  są  szeroko  stosowane  w  lotnictwie  do  budowy
szybowców  i  samolotów,  w  kosmonautyce,  transporcie,  budownictwie,  w  przemyśle
samochodowym  do  budowy  elementów  nadwozi,  podwozi  i  wyposażenia,  w  przemyśle
okrętowym do budowy kadłubów łodzi i jachtów, do produkcji zbiorników na chemikalia, do
wytwarzania sprzętu sportowego itp.

Kompozyty ceramiczne mają osnowę ceramiczną. Ze względu na budowę dzieli się je

na: zbrojone włóknami metalowymi lub ceramicznymi, warstwowe typu ceramika – metal (na
warstwy korundu są nanoszone chemicznie metale Ni, Ti, Cu, Al), cermetale uzyskiwane za
pomocą metalurgii proszków. Podstawowe materiały osnowy to: ceramika korundowa,
krzemian cyrkonu, węglik tytanu, azotek krzemu Si

, dwutlenek cyrkonu ZrO

, węglik

boru B

C. Najczęściej stosowane materiały na zbrojenie to siatka wolframowa lub

molibdenowa, włókna ceramiczne, a w cermetalach – proszki metali.

Kompozyty ceramiczne są w bardzo wysokim stopniu żaroodporne i żarowytrzymałe.

Wykorzystuje  się  je  na  części  rakiet,  samolotów  i  pojazdów  kosmicznych,  łopatki  turbin
i wnętrza  komór  spalania  silników  odrzutowych,  elementy  silników  wysokoprężnych, części
reaktorów jądrowych,  płyty  przeciwpancerne, elementy  aparatury  chemicznej  oraz narzędzia
do obróbki plastycznej i obróbki skrawaniem.

Wytwarzanie kompozytów włóknistych

Procesy wytwarzania kompozytów włóknistych polimerowych i metalowych zależą od

wymagań  i przeznaczenia  materiałów kompozytowych. Podstawowymi  materiałami osnowy,
są żywice termoutwardzalne i termoplastyczne. Zadaniem osnowy jest spojenie odpowiednio
rozmieszczonych  włókien  w  elementy  umożliwiające  wytworzenie  konstrukcji.  Osnowa
rozdziela obciążenia zewnętrzne między włókna, jest dla nich osłoną, natomiast w niewielkim
stopniu przenosi obciążenia. Obciążenia przenoszą włókna. Rodzaj włókien i ich przestrzenne
rozmieszczenie  w  osnowie  decyduje  o  wytrzymałości  kompozytu  w  różnych  kierunkach.
Właściwość ta jest wykorzystywana do tworzenia konstrukcji o stałej wytrzymałości.

W kompozytach umacnianych cząstkami dyspersyjnymi obciążenie konstrukcji przenosi

osnowa. Główną cechą kompozytów jest to, że przez połączenie dwóch różnych materiałów

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

uzyskuje się materiał o wyższych właściwościach użytkowych lub dodatkowych, nowych,
w porównaniu z właściwościami każdego materiału składowego, rozważanego oddzielnie.

Sposób wytwarzania kompozytów włóknistych zależy od składników tworzących te

kompozyty. Mogą one występować oddzielnie (żywice, włókna) lub być połączone, np.
w postaci taśm zbrojonych jednokierunkowo – tzw. prepreg.

Podstawowe metody wytwarzania kompozytów to:

−

kontaktowa laminowania ręcznego,

−

natryskowa,

−

ciągła,

−

nawijania włókien,

−

wytwarzanie z taśm prepreg.

Na rysunku 5 i 6 przedstawiono przekłady otrzymywania kompozytów

Rys. 5.

Metody otrzymywania kompozytów a) metoda otrzymywania kompozytu przez
zwijanie taśmy, b) metoda zwijania w spiralę kompozytu składającego się z dwóch taśm
– jednej z materiału wzmacniającego [10cz2, s.102]

Rys. 6.

Wyciskanie (na gorąco) zwijanego kompozytu oraz różnice włókna A i zwijanego z taśm B [10, s.102]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Metodą kontaktową wytwarza się kompozyty w formach (gipsowych, drewnianych,

laminatowych,  metalowych),  mających  kształt  wymaganych  produktów  (np.  elementy
karoserii  samochodowych,  kajaki,  spojlery,  kaski).  Odpowiednio  docięte  tkaniny  lub  maty
wykonane z włókien układa się na powierzchni formy pokrytej substancją (pastą lub płynem),
umożliwiającą  odprowadzenie  nadmiaru  żywicy  i  oddzielenie  od  formy  gotowego  elementu
po  utwardzeniu.  Po  nałożeniu  warstwy  tkaniny  i  jej  nasyceniu  żywicą  (poliestrową  lub
epoksydową) nadmiar żywicy oraz pęcherze gazowe usuwa się za pomocą gumowego walka.
Kolejne  warstwy  tkaniny  nakłada  się  aż  do  uzyskania  wymaganej  grubości  ścianek.  Od
rodzaju  żywicy  zależy  sposób  jej  przygotowania,  okres  użytkowania  oraz  czas,  po  którym
należy nałożyć kolejną warstwę tkaniny podczas laminowania. Niekiedy kompozyt musi  być
wygrzewany  w  odpowiedniej  temperaturze  w  celu  uzyskania  właściwości  użytkowych
produktu.

Metoda natryskowa to udoskonalona metoda kontaktowa, dzięki której wykorzystuje się

pocięte  na  krótkie  pasemka  włókna,  połączone  lepiszczem.  Udoskonalenie  polega  na
zmechanizowaniu dozowania i podawania żywicy oraz włókien (w określonych proporcjach)
do  formy  kształtującej  przedmiot.  Nadmiar  żywicy  i  pęcherze  gazowe usuwa się  za  pomocą
wałka  aż  do  uzyskania  wymaganej  grubości  ścianki  przedmiotu.  Metodę  tę  stosuje  się  do
wytwarzania  części,  od  których  nie  wymaga  się  wysokiej  wytrzymałości  i  powtarzalności
właściwości użytkowych.

Metoda ciągła jest stosowana do zautomatyzowanego wytwarzania elementów o stałym

przekroju  poprzecznym,  tj.  prętów,  rur,  kształtowników.  Na  szpulach  są  nawinięte  taśmy
zawierające  zespoły  równoległych  włókien,  połączonych  lepiszczem.  Taśmy  rozwijane  ze
szpul  zanurza  się  w  żywicy  termoutwardzalnej,  znajdującej  się  w  wannie.  Żywica  nasyca
włókna  i  stanowi  osnowę  (matrycę)  kompozytu.  Taśmy  nasycone  żywicą  przeciąga  się  (za
pomocą przeciągarek, zapewniających odpowiednią prędkość ruchu) przez otwór w stalowym
tłoczniku, nadając im wstępny kształt formowanego kompozytu.

magazynowane
W metodzie nawijania włókna są nawijane na obracający się rdzeń walcowy lub

stożkowy. Urządzenia sterujące umożliwiają nawijanie obwodowe lub śrubowe, o kącie
pochylenia linii śrubowej 5÷85°, z odpowiednim odstępem. Istnieje możliwość nawijania
kolejnych warstw o przeciwnym kierunku linii śrubowej.

Włókna nasycone żywicą termoplastyczną przed nawinięciem są podgrzewane, aby

żywica osiągnęła stan ciekły. Podgrzewa się również rdzeń, co sprzyja dokładnemu
połączeniu ze sobą kolejno nawijanych warstw. Sposób ten to nawijanie z nasycaniem
włókien na sucho.

Z taśm prepreg wytwarza się kompozyty przeznaczone na elementy konstrukcyjne

wysokiej  jakości.  Proces  wytwarzania  taśm  jest  ściśle  nadzorowany  przez  wytwórców,  co
zapewnia  powtarzalność  ich  właściwości  wytrzymałościowych.  Taśmy,  np.  o  szerokości
300  mm  i  długości  kilkudziesięciu  metrów,  mogą  być  dostarczane  jako  półfabrykaty
w postaci  rolek.  Taśmy  są  zabezpieczone  przed  sklejeniem  papierem  woskowanym
z oznaczeniem kierunku ułożenia włókien. Okres ich przydatności do produkcji kompozytów
zależy  od  temperatury  przechowywania  –  w  temperaturze  otoczenia  wynosi  30  dni,
w temperaturze 5°C – pół roku, a w temperaturze poniżej – 18°C – kilka lat.

Wytwarzanie kompozytu następuje w dwóch etapach. Pierwszy etap polega na ułożeniu

kolejnych taśm (warstw) jedna na drugiej, pod określonym kątem, tak by uzyskać wymagany
kod kompozytu. Drugi etap to laminacja, polegająca na trwałym łączeniu ułożonych warstw
w formie. Zewnętrzne warstwy kompozytu otula się specjalnymi warstwami okładzinami
zapobiegającymi łączeniu się warstw kompozytu z płytami grzewczymi.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.1.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Co to jest tworzywo sztuczne?
2.  Jakie są charakterystyczne cechy tworzyw sztucznych?
3.  Które  cechy  tworzyw  sztucznych  ograniczają  możliwości  zastosowania  tych  materiałów

w budowie maszyn?

4. Jakie jest zastosowanie tworzywa sztucznego w różnych dziedzinach gospodarki

narodowej a szczególności w przemyśle maszynowym?

5.  Jakie materiały nazywamy kompozytami?
6.  Jakie są rodzaje kompozytów?
7.  Gdzie stosowane są kompozyty ceramiczne?

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Otrzymany pasek lub pręcik z tworzywa sztucznego albo żywicy trzymaj przez co

najmniej 10 sekund na brzegu płomienia gazowego. Obserwacje porównaj z danymi
z katalogu tworzyw i określ jakie jest to tworzywo.

Sposób wykonania ćwiczenia:

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zorganizować stanowisko pracy,
2)  zastosować zasady bezpiecznej pracy na stanowisku,
3)  obserwować zachowanie się tworzywa sztucznego lub żywicy w płomieniu gazowym,
4)  obserwować barwę płomienia i wydzielający się zapach,
5)  przeprowadzić obserwacje i wyciągnąć wnioski,
6)  zidentyfikować tworzywo,
7)  przedstawić wynik ćwiczenia oraz uzasadnić identyfikację tworzywa.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

paski z tworzyw sztucznych, palnik, rękawiczki skórzane,

−

katalog wyrobów tworzyw sztucznych,

−

Poradnik dla ucznia,

−

literatura z rozdziału 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Określ nazwy tworzyw sztucznych oznaczonych symbolami: EP, PE, PA, PMM, PP,

PCV, PS, oraz ich zastosowanie. Które z tych tworzyw można poddać powtórnej przeróbce?

Sposób wykonania ćwiczenia:

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zorganizować stanowisko pracy,
2)  odszukać w katalogach podane oznaczenia,
3)  wskazać tworzywa które można poddać powtórnej przeróbce,
4)  podać przykłady zastosowania tych tworzyw,
5)  zapisać w zeszycie nazwy oraz przykłady zastosowań tych tworzyw.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

Poradnik dla ucznia,

−

katalogi tworzyw sztucznych,

−

literatura z rozdziału 6 Poradnika dla ucznia.

4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) scharakteryzować właściwości fizyko-chemiczne tworzywa?



2) dokonać podziału tworzyw sztucznych i wyjaśnić zachowanie się ich

podczas ogrzewania?



3) wyjaśnić przebieg prasowania tworzyw sztucznych?



4) określić zalety i wady kompozytów na osnowie polimerowej?



5) scharakteryzować zastosowanie kompozytów warstwowych?



6) scharakteryzować

technologię

wytwarzania

kompozytów

umocnionych włóknami?



7) wskazać zastosowanie tworzyw sztucznych w różnych dziedzinach

gospodarki narodowej w szczególności w przemyśla maszynowym?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2. Materiały ceramiczne

4.2.1. Materiał nauczania

Materiały ceramiczne są to nieorganiczne, niemetalowe tworzywa otrzymywane

z nieprzetworzonych lub przetworzonych surowców naturalnych w procesie wypalania
w podwyższonej temperaturze, niższej od temperatury topnienia składnika głównego.
Wyroby ceramiczne mogą występować w postaci krystalicznej lub szklistej.

Materiały ceramiczne charakteryzują się złą przewodnością elektryczną i cieplną,

znaczną odpornością na wysokie temperatury i odpornością na działanie czynników
chemicznych. Do charakterystycznych cech tej grupy materiałów należy duża twardość
i sztywność, brak plastyczności oraz znaczna wytrzymałość na ściskanie.

Podstawowym surowcem w produkcji ceramiki jest glina (kaolin) a ponadto skaleń oraz

kwarc. Skaleń odgrywa rolę topnika (ułatwia spieczenie masy), kwarc jest głównym
surowcem schudzającym (zmniejsza skurczliwość wyrobu podczas suszenia i wypalania).

Produkcja wyrobów ceramicznych obejmuje następujące etapy: przygotowanie masy,

formowanie wyrobu, suszenie, wypalanie obróbka wykańczająca.

Ze względu na zastosowanie materiały ceramiczne można podzielić na: ceramikę

tradycyjną  i  ceramikę  specjalną  (konstrukcyjną).  Do  wyrobów  ceramiki  tradycyjnej  można
zaliczyć  materiały  budowlane  (np.  cegły,  dachówki),  materiały  ogniotrwałe,  materiały
używane  w  technice  sanitarnej.  W  ceramice  konstrukcyjnej  spiekane  są  (bez  fazy  ciekłej)
związki o wysokiej czystości  np. tlenki glinu, tlenki berylu, tlenki cyrkonu, niektóre węgliki
i  azotki.  Do  tej  grupy  materiałów  należy  np.  porcelana  elektrotechniczna  oraz  cermetale
(kompozyty ceramiczne uzyskiwane za pomocą metalurgii proszków).

Inną, nowszą klasyfikacją ceramiki technicznej, jest podział na ceramikę funkcjonalną

i konstrukcyjną  (rys.  7)  z  funkcjami:  elektryczną,  magnetyczną,  optyczną,  nuklearną,
chemiczną,  biologiczną,  mechaniczną  i  termiczną.  Techniczne  materiały  ceramiczne  są
tworzywami  stosowanymi  w  wysoko  zawansowanych  wyrobach  technicznych  oraz
w medycynie.

Rys. 7. Podział ceramiki technicznej [12, s. 125]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Materiały ceramiczne mogą tworzyć proste i bardzo złożone konfiguracje strukturalne

(rys. 8).

Rys. 8.

Prosta: a) i złożona b) konfiguracja tetraedrycznych ogniw w silikatach c) oraz
przykłady połączeń strukturalnych w ceramice [10cz2, s. 86]

Jest zrozumiałe, że każdej z różnych struktur będą towarzyszyć różne właściwości

chemiczne,  cieplne  i  mechaniczne  ceramiki.  Ale  wszystkie  odznaczają  się  niskim
przewodnictwem cieplnym i elektrycznym, wysoką twardością i wytrzymałością na ściskanie
oraz  odpornością  chemiczną  i  niskim  ciężarem  właściwym.  Podobnie  jak  w  metalach,
materiały  ceramiczne  charakteryzują  się  tym,  że  w  zależności  od  temperatury  zachodzą
w nich  przemiany  fazowe.  Powodują  one  zmiany  typu  struktury  krystalicznej  materiałów
ceramicznych, a więc i właściwości (rys. 9).

Rys. 9. Model mikrostruktury ceramiki polikrystalicznej [12, s. 126]

Właściwości ceramiki zależą od właściwości i udziału tworzących ją faz. Faza

krystaliczna określa właściwości cieplne i mechaniczne, faza szklista zaś, której objętość
zawiera się w granicach 1–40%, spełnia rolę spoiwa. Ze wzrostem udziału fazy szklistej

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

maleje wytrzymałość ceramiki, ale jeszcze bardziej maleje wytrzymałość obniżana przez
porowatość gazową. Podstawową wadą ceramiki jest jej kruchość.

Podstawowe grupy materiałów ceramicznych

Ceramika z mas glinokrzemianowych, z porcelaną jako głównym przedstawicielem.

Podstawowymi surowcami dla tej grupy materiałów są glinka kaolinowa, krzemionka SiO

i związki pierwiastków alkalicznych, najczęściej skaleń, minerał o wzorze ogólnym KA1Si

(ortoklaz) lub NaAlSi

(albit). Krzemionka jest tu materiałem nieplastycznym,

zmniejszającym  skurcz,  skaleń  pełni  funkcję  topnika,  obniżając  temperaturę  wypalania.
W wyniku  reakcji  zachodzących  przy wypalaniu w  zakresie  1300–1400°C  powstaje  struktura
niejednorodna  złożona  z  kilku  faz  krystalicznych  oraz  pewnej  ilości  fazy  szklistej.  Fazę
szklistą  tworzą  krzemiany  sodu,  potasu  i  wapnia,  wprowadzane  z  topnikami.  Ze  względu  na
wpływ temperatury  nie  jest wskazane stosowanie porcelany elektrotechnicznej jako  materiału
izolacyjnego powyżej temperatury 100°C.

Właściwości elektryczne ceramiki można poprawić, jeżeli w surowej masie zamiast

substancji  zawierających  jony  alkaliczne  wprowadzi  się  związki  z  większymi  i  mniej
ruchliwymi  jonami.  Otrzymuje  się  w  ten  sposób  porcelanę  radiotechniczną,  o  mniejszej
stratności  i  większej  rezystywności  w podwyższonej  temperaturze.  Porcelana  jest  materiałem
porowatym,  co  czyni  ją  wrażliwą  na  wilgotność  otoczenia.  Woda,  wnikając  do  warstw
powierzchniowych  zmniejsza  przede  wszystkim  rezystywność,  powierzchniową  izolatorów.
Dlatego też stosuje się szk1iwienie porcelany.

Głównym zastosowaniem porcelany są izolatory i osłony izolacyjne w urządzeniach

niskonapięciowych. Na izolatory wysokiego napięcia stosowane są wyroby kamionkowe,
o ciemnym przełomie, wytwarzane z innego rodzaju glin. Nadają się one do wyrobów
o większych rozmiarach.

Ceramika z krzemianów magnezu. W grupie tej spotyka się materiały, których fazy

krystaliczne stanowią rozmaite powiązania tlenków: MgO, A1

i SiO

. Najczęściej

spotykanymi przedstawicielami są ceramika steatytowa i forsterytowa.

Ceramika steatytowa wytwarzana jest zazwyczaj z naturalnego talku, Mg

(OH)

z dodatkiem  plastycznej  glinki.  Po  kształtowaniu  wyrobów,  zwykle  przez  prasowanie,
następuje wypalanie. Zakres temperatur wypalenia jest przy tym wąski, ponieważ surowa masa
ceramiczna  łatwo  ulega  samorzutnemu  odkształceniu.  Po  wypaleniu  ceramika  steatytowa
składa  się  z  mieszaniny  drobnych  kryształów  faz  MgO

SiO

⋅

(klinoenstatyt) i 2MgO

SiO

⋅

(forsteryt) ze szklistą fazą wiążącą mieszanych krzemianów.

Ceramika steatytowa odznacza się, podobnie jak porcelana; dużą wytrzymałością

dielektryczną.  ale  przy  tym  znacznie  większą  rezystywnością,  oraz  mniejszą  stratnością.
Właściwości  mechaniczne  są  znacznie  lepsze  (wytrzymałość  około  2  razy  większa)  niż  dla
porcelany.  Ze  względu  na  te  właściwości  ceramika  steatytowa  znajduje  zastosowanie
w elementach  izolacyjnych  obwodów  małej  i  wielkiej  częstotliwości  oraz  w  izolatorach
wysokonapięciowych,  w  szczególności  wtedy,  gdy  poddawane  są  one  dużym  naprężeniom
mechanicznym.  Można  przy  tym  stosować  szkliwienie  lub  pozostawić  powierzchnię
nieszkliwioną.  Porowata  ceramika  steatytówa  (przy  objętości  porów  wynoszącej  ok.  25%
objętości  całkowitej)  odznacza  się  dużą  odpornością  na  zmiany  temperatury  (udary  cieplne).
Stosowana  jest  ona  na  elementy  izolacyjne  w  urządzeniach  próżniowych.  Przy  dostępie
wilgoci  materiał  ten  musi  być  zabezpieczany  po  wypaleniu  przez  nasycenie  substancjami
organicznymi. W przeciwnym razie właściwości izolacyjne bardzo się pogarszają.

Materiały forsterytowe wytwarza się z magnezytu MgCO

i kwarcu SiO

, a także innych

surowców naturalnych. Po wypaleniu w stosunkowo wysokiej temperaturze (1540–1650°C)
ceramika zawiera głównie drobne kryształy forsterytu 2MgO•SiO

. Brak jonów metali

alkalicznych nadaje materiałowi większą rezystywność i mniejszą stratność w podwyższonych

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

temperaturach,  w  porównaniu  z  ceramiką  steatytową.  Większa  wartość  współczynnika
rozszerzalności cieplnej zmniejsza  jednak odporność na  nagłe zmiany temperatury. Ceramika
forsterytowa  stosowana  jest  na  elementy  lamp  elektronowych,  a  poza  tym  znajduje
zastosowanie takie jak ceramika steatytowa.

Ceramika glinokrzemianowa porowata wykonywana jest z glin ogniotrwałych (szamot),

zawierających głównie SiO

i AL

. Wypalona glina szamotowa jest rozdrabniana do

rozmiaru  ziarn  mniejszych  niż  3–4  mm  i  wykorzystywana  do  przygotowania  mas
uzyskujących  po  wysuszeniu  i  wypaleniu  w  zakresie  temperatur  1250–1450°C  znaczną
porowatość.  Materiały  te  stosowane  są  często  do  wykonywania  kształtek  izolacyjnych
pracujących  w  podwyższonych  temperaturach,  np.  kształtek  nośnych  dla  uzwojeń
rezystancyjnych (oporowych) w urządzeniach grzewczych.

Ceramika kondensatorowa. Jako osobną grupę wyróżnić można materiały na osnowie

dwutlenku tytanu TiO

(rutyl). Rutyl jest jedną z odmian krystalograficznych dwutlenku

tytanu.  W  zależności  od  warunków  przeróbki  może  on  wykazywać  odstępstwa  od  proporcji
składników  wyrażonej  wzorem  chemicznym.  Dlatego  też  wartości  bezwzględne
przenikalności,  współczynnika  strat  dielektrycznych  oraz  zależności  tych  wielkości  od
temperatury i częstotliwości są bardzo silnie zależne nie tylko od czystości materiału, ale i od
warunków spiekania.

Ceramika tlenkowa. Do grupy tej wchodzą materiały na podstawie A1

(ceramika

alundowa i korundowa), w mniejszym stopniu wykorzystywane są materiały na osnowie BeO,
MgO i ZrO. Materiały alundowe (zawierające 90–98% AI

) i korundowe (powyżej 98%

) charakteryzują się bardzo korzystnymi właściwościami elektrycznymi, mechanicznymi

i  ciepłymi.  Wysoka  temperatura  topnienia  (ok.  2050°C)  i  wytrzymałość  mechaniczna
w podwyższonych  temperaturach,  przy  dużej  przewodności  cieplnej,  stwarzają  możliwości
wykorzystania  tych  materiałów  na  izolatory,  korpusy  bardzo  obciążonych  rezystorów  itp.
Ważnym  zastosowaniem  są  płytki  podłożowe  elektronicznych  mikroukładów,  dla  których
duże znaczenie mają rezystywność, zdolność odprowadzania ciepła i mechaniczna płytek.

Materiały tlenkowe wytwarzane są z czystych związków przez prasowanie pod bardzo

wysokim ciśnieniem z mas wilgotnych lub zawierających spalające się substancje wiążące.
Temperatura spiekania jest tym wyższa, im większy jest udział A1

w masie i dochodzi do

1900°C. Mikrostruktura po wypaleniu składa się z kryształów korundu (odmiany krystalicznej
A1

) i pewnej ilości wiążącej fazy szklistej. Ze wzrostem zawartości fazy szklistej

pogarszają się właściwości dielektryczne, a także przewodność cieplna. Materiały te są trwałe
chemicznie w powietrzu, próżni, w parze wodnej, wodorze, tlenku węgla i innym otoczeniu do
temperatury ok. 1700°C. Ułatwia to wykorzystanie ceramiki tlenkowej w wielu1 urządzeniach
technologicznych.

Ceramiczne materiały ogniotrwałe są to materiały i surowce ceramiczne, których

temperatura  mięknięcia  (topnienia)  jest zwykle wyższa od 1700°C  (1973  K).  Wykazują  one
odporność  na  długotrwałe  działanie  wysokich  temperatur,  na  ich  zmiany  oraz  na  działanie
czynników  mechanicznych  i chemicznych. Stosowane są do wykonywania wymurówek oraz
wykładzin  ogniotrwałych  i  izolacyjnych  w  piecach  do  topienia  metali  i  stopów,  w  piecach
grzewczych do obróbki cieplnej i innych piecach przemysłowych.

Najszersze zastosowania znalazły następujące materiały ogniotrwałe:

−

szamotowe, produkowane z glin ogniotrwałych, surowych i tzw. szamotu, czyli
wypalonej gliny, zawierające do 45% A1

−

krzemionkowe, które produkuje się z kwarcytów, a ich głównym składnikiem jest
krzemionka SiO

−

magnezytowe, zawierające około 80% MgO, produkowane z magnezytu, tj. skały
osadowej o wzorze MgCO

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

forsterytowe i magnezytowo-forsterytowe, w których głównym składnikiem jest
krzemian magnezu (forsteryt) lub mieszaniny forsterytu z magnezytem.
Stosuje się również materiały ogniotrwałe karborundowe z węglika krzemu (SiC),

szamotowo – grafitowe, chromitowe, wytwarzane z chromitu i inne o specjalnym
przeznaczeniu.

Materiały ceramiczne charakteryzuje wysoka twardość, sztywność, stosunkowo wysoka

wytrzymałość  na  ściskanie  i  niska  –  praktycznie  zerowa  –  plastyczność.  W  odróżnieniu  od
tworzyw sztucznych, w ceramice nie obserwuje się odkształceń pozostałych po długotrwałym
obciążeniu.  Ceramika  stosowana  w  budowie  maszyn  powinna  odznaczać  się  wysoką
wytrzymałością  i  udarnością,  przy  normalnej  i  podwyższonej  temperaturze,  wysoką
twardością  i  odpornością  na  ścieranie.  W  wielu  przypadkach  ceramika  ta  ma  większe
właściwości  użytkowe  od  stosowanych  stopów  metali,  a  granicą  jej  rozpowszechnienia  jest
wysoka cena

Odporność metali na utlenianie w wysokich temperaturach nazywa się żaroodpornością.

Miarą żaroodporności jest szybkość wzrostu warstewek tlenkowych w określonych
warunkach: metal, środowisko utleniające, temperatura. Zwiększenie żaroodporności
uzyskuje się przez, wytwarzanie stopów żaroodpornych,

Żaroodporność stali i żeliwa zwiększa się przez wprowadzenie dodatków stopowych, np.

chromu  i  aluminium.  Żaroodporność  rośnie  wraz  ze  wzrostem  procentowej  zawartości
chromu.  W  żaroodpornych  stopach  żelaza  pracujących  w  temperaturze  650°C  zawartość
chromu  (Cr)  powinna  być  nie  mniejsza  niż  5%,  a  pracujących  w  temperaturze  1100°C  nie
mniejsza niż 27%.

Stale żaroodporne i żarowytrzymałe charakteryzują się zdolnością do długotrwałej

pracy  w  podwyższonych  temperaturach  przy  zachowaniu  znacznie  wyższych  właściwości
wytrzymałościowych  niż  inne  stale.  Ich  charakterystyczną  cechą  jest  to,  że  zawierają
pierwiastki stopowe chrom  i aluminium, które z powodu większego powinowactwa do tlenu
niż  do  stali  tworzą  szczelne  warstewki  tlenków,  zapewniające  żaroodporność.  Norma  PN  –
75/H  –  84024  obejmowała  gatunki  stali  do  pracy  w  podwyższonej  temperaturze,  obecnie
nowa  norma  PN  –  EN  10222–2:2002.ujmująca ten typ  stali: 19G2, 16M  (16MO

), 20M ( –

16Mo3), 15HM (CrMo4–5), 2OHM ( – 25CrMo4), 1OH2M (lOCrMo9–l0), 12HMF, 13HMF
(–l4Mo6), 15HNF, 2OMF, 21HMF, 2OHMFTB, 15HCuMNb, 23H2MF, 24H2MF, 26H2MF,
3OH2MF,  22H2NM,  33H2NMJ,  2OH3MWF,  32HN3M,  34HN3JM, 15H11MF,  20H12M1F
(X20CrMoV11–1),  23H12MWF.  Temperatura  długotrwałej  pracy  wynosi  od  400  do  600°C
w zależności  od  gatunku  stali.  Norma  PN –  EN 10095:2002  zastępuje  normę  PN  –  71  JH  –
86022, która wyróżniała gatunki stali żaroodpornych i żarowytrzymałych: H5M, H6S2, 2H17,
H13JS,  H18JS,  (X2CrNiMo17–2–2),  H24JS  (X1OCrA1Si25),  H25T,  H26N4,  H18N9S,
H23N13,  H20N12S2  (X15CrNiSi2O–12),  H23N13,  H20N12S2,  H23N18,  H25N20S2,
H18N25S2,  H18N36S2,  H9S2  (X45CrSi8),  H10S2M  (X40CrSi  –  Mol0),  4H  14N  14W2M,
50H21  G9N4  (X53CrMnNiN21–9).  Żaroodporność  w  powietrzu  tych  stali  jest  zachowana
w zakresie  temperatury  od  650  do  1200°C,  w  zależności od gatunku stali  (np.  stal  H5M  jest
żaroodporna  do temperatury  650°C,  natomiast  H24JS  do  1200°C).  Zbiór  tych  stali  zawiera
cztery  gatunki  stali  zaworowych,  stosowanych  do  produkcji  zaworów  wylotowych  (do
900°C)  i  wlotowych  (500°C)  silników spalinowych przemysłowych  i  lotniczych.  Są to  stale
H9S2  i  H10S2M,  żarowytrzymałe  do  temperatury  ok.  700°C,  oraz  4H14N14W2M
i 50H21G9N4, żarowytrzymałe do temperatury 800–900°C.
Materiały i wyroby spiekane to produkty metalurgii proszków.

Wytwarzanie materiałów i wyrobów gotowych metodami metalurgii proszków polega na

przygotowaniu mieszaniny proszków (metali lub metali i niemetali), formowaniu przez
prasowanie i spiekaniu w temperaturze niższej od temperatury topnienia głównego składnika.
Do produktów wytwarzanych z proszków spiekanych należą:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

powszechnie  wytwarzane  wyroby  przemysłów  maszynowego  i  samochodowego,  jak:
koła  zębate,  dźwignie,  podkładki,  gniazda  zaworowe,  tulejki,  łożysk  itp.,  wytwarzane
z  proszków  żelaza,  stali  niestopowych  i  stopowych,  miedzi  i  jej  stopów  –  brązów
i mosiądzów;

−

łożyska ślizgowe samosmarujące i filtry o porowatej strukturze; łożyska lite – z proszków
żelazografitu, miedziografitu, brązu ołowiowego, proszków Cu, Ni, Co, Cr, Mo, Al oraz
grafitu i węglików lub borków metali; łożyska porowate do 50% porów – z proszków
stalowych i stopów miedzi z dodatkiem niemetali, np. grafitu; filtry – z proszków stali
chromowych, brązów cynowych, mosiądzów niklowych i innych;

−

materiały odporne na korozję, żaroodporne i żarowytrzymałe; spiekane z proszków Fe,
Cr, Ni stale odporne na korozję; czyste metale trudno topliwe, odporne na korozję,
spiekane z proszków W, Mo, Ta, Ti, Nb; kompozyty ceramiczno – metalowe;

−

materiały  narzędziowe;  spiekane  materiały  narzędziowe  można  podzielić  na:  spiekane
stale  szybkotnące,  węglikostale  spiekane,  spiekane  węgliki  metali,  węgliki  spiekane
pokryte  twardymi  powłokami  powierzchniowymi  (czystych  węglików  lub  azotków,
a  także  warstw  ceramicznych  o  grubości  kilku  µm,  metodą  CVD  lub  PVD),  materiały
narzędziowe  ceramiczne  i  ceamiczno  –  węglikowe  oraz  supertwarde  materiały
narzędziowe.

Metody CVD (z ang. Chemical Vapour Deposition) dotyczą osadzania cienkich warstw

z  fazy  gazowej  z  udziałem  reakcji  chemicznych.  Warstwy  te  są  odporne  na  ścieranie
i  działanie  korozyjne  środowiska.  Metody  te  umożliwiają  wytwarzanie  warstw
powierzchniowych  z  najtwardszych  materiałów  i  kompozycji  ceramicznych.  Warstwy
jednoskładnikowe  to:  węgliki,  azotki,  tlenki  i  borki,  a  wieloskładnikowe  to  najczęściej  typu
TiN  –  TiC,  Ti  (0,  C,  N)  oraz  kompozycje  ceramiczne  z  udziałem  azotku  krzemu  Si

z węglikoazotkiem

tytanu,

węglikiem

tytanu,

węglikiem

wanadu,

korundem

i karbokorundem.

Metody PVD (z ang. Phisical Vapour Deposition) polegają na fizycznym osadzaniu

cienkich  warstw  powierzchniowych  z  fazy  gazowej  przy  udziale  plazmy.  Proces  osadzania
polega  na  kondensacji  zjonizowanych  cząstek  plazmy,  kierowanych  na  pokrywaną
powierzchnię  za  pomocą  pola  elektrycznego.  Ogólnie  proces  ten  polega  na  odparowaniu
cząstek  stopu  łub  metalu  przy  obniżonym  ciśnieniu,  rzędu

−

MPa, a następnie ich

jonizacji z plazmotwórczym gazem reaktywnym i napyleniu na powierzchnię przedmiotu.

Węglikostale to materiały narzędziowe o składzie objętościowym ok.50% węglików,

głównie  TiC,  oraz  osnowie  ze  stali  stopowych  lub  stopów  utwardzanych  wydzieleniowo.
Węgliki  spiekane  to  materiały  narzędziowe  z  węglików  metali:  Ti,  W,  Ta,  Nb  o  udziale
objętościowym  ok.  65–95%  z  fazą  wiążącą  głównie  kobaltem,  a  także  nikłem,  molibdenem
i żelazem.

4.2.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Która z cech materiałów ceramicznych powoduje, że są one bardzo dobrymi materiałami

budowlanymi?

2. Z jakiego materiału ceramicznego wykonuje się rury kanalizacyjne, a z jakiego

wykładziny powierzchni narażonych na działanie chemikaliów?

3. Jakie są wspólne cechy ceramiki tradycyjnej i technicznej? Na czym polegają różnice

między ceramikami tradycyjnymi i technicznymi?

4.  Jakie są przykłady zastosowań technicznych materiałów ceramicznych?
5.  Co to są materiały ceramiczne?
6.  Jakie są metody wytwarzania materiałów ceramicznych?
7.  Jakie są różnice między spiekami ceramicznymi a spiekami ceramiczno metalowymi?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Dobierz materiał na wymurówkę pieca indukcyjnego (temperatura pracy do 1900°C,

czyli 2173 K.

Sposób wykonania ćwiczenia:

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować warunki pracy i parametry pieców indukcyjnych,
2)  przeanalizować wymagania stawiane materiałom ceramicznym,
3)  skorzystać  ze  stron  Internetu  i  przeanalizować  nowości  dotyczące  rozwiązań

konstrukcyjnych piców indukcyjnych,

4) dobrać materiał ogniotrwały,
5) przedstawić wynik ćwiczenia oraz uzasadnić wybór materiału ogniotrwałego.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

Poradnik dla ucznia,

−

komputer z dostępem do Internetu,

−

katalogi materiałów ceramicznych.

Ćwiczenie 2

Podaj przykłady zastosowania technicznych materiałów ceramicznych. Jakie cechy

budowy technicznych materiałów ceramicznych nadają im właściwości pozwalające na pracę
w wysokich temperaturach w agresywnym środowisku chemicznym?

Sposób wykonania ćwiczenia:

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zorganizować stanowisko pracy,
2)  podać przykłady zastosowania technicznych materiałów ceramicznych,
3)  rozpoznać  składniki  materiałów  ceramicznych  warunkujące  pracę  w  wysokich

temperaturach,

4) zakwalifikować materiały ceramiczne do odpowiedniej grupy,
5) przedstawić wynik ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

Poradnik dla ucznia,

−

katalogi tworzyw sztucznych,

−

literatura z rozdziału 6 Poradnika dla ucznia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

określić właściwości materiałów ceramicznych?



scharakteryzować ceramikę budowlaną i jej wyroby?



scharakteryzować ceramikę ogniotrwałą i jej wyroby?



scharakteryzować produkcję wyrobów ceramicznych?



wskazać wspólne cechy ceramiki tradycyjnej i technicznej?



uzasadnić przykłady zastosowań materiałów ogniotrwałych?



scharakteryzować

różnicę

między

spiekami

ceramicznymi

a spiekami ceramiczno-metalowymi?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3. Drewno. Materiały uszczelniające

4.3.1. Materiał nauczania

Drewno jest surowcem ze ściętych drzew. Należy do materiałów, które są naturalnymi

kompozytami.  Ma  budową  komórkową,  porowatą  i  włóknistą.  Ścianki  komórek  stanowią
substancję drzewną, a wnętrze komórek jest wypełnione wodą i powietrzem w zależności od
stopnia  wilgotności.  Porowatość  drewna  zależy  od  jego  gatunku  i  wynosi  10–90  %.  Pod
względem  chemicznym  drewno  składa  się  głównie  z  następujących  pierwiastków:  węgla,
wodoru,  tlenu  oraz  w  mniejszych  ilościach  z  azotu,  fosforu,  siarki,  żelaza,  sodu,  wapnia,
potasu,  magnezu.  Masę  drewna  stanowią  w  głównej  mierze  substancje:  celuloza,
hemiceluloza,  lignina,  woda  oraz  właściwe  dla  danego  gatunku  drewna  garbniki,  żywice,
cukry  i  inne  substancje  mineralne.  Jedną  z  głównych  cech  drzew  jest  współśrodkowy
pierścieniowy  przyrost  substancji  drzewnej  w  rocznych  okresach,  uwidaczniający  się
w przekroju poprzecznym  jako tzw. słoje roczne. W przekroju poprzecznym pnia drzewnego
wyróżnia się: rdzeń, twardziel, biel, miazgę, łyko i korę (rys. 10).

Rys. 10.

Przekrój poprzeczny pnia drzewnego [12, s. 120]

Ulepszanie drewna i jego konserwacja

Drewno z drzewa świeżo ściętego zawiera około 60–80% wody. Drewno na powietrzu

traci  wodę  wysycha).  Pozostaje  tylko  woda  niezbędna  do  nasycenia  włókien,  której  ilość
wynosi  około  30%.  Przy  dalszym  suszeniu  zawartość  wody  maleje.  Drewno  o  zawartości
l2–20%  wody  nazywa  się  powietrzno-suchym  i  jest  znacznie  trwalsze  niż  drewno  świeże.
Procent  wilgotności  drewna  powietrzno-suchego  zależy  od  wilgotności  i  temperatury
powietrza  Zwiększenie  ilości  wilgoci  w drewnie  prowadzi do  jego  butwienia  i  zmniejszenia
właściwości mechanicznych.

Zadaniem ulepszenia drewna jest podwyższenie jego trwałości lub uzyskanie z gorszych

gatunków tworzywa o wysokich właściwościach mechanicznych. Takimi tworzywami są, np.
lignofol  i  lignoston.  Lignofol  jest  rodzajem  sklejki,  produkuje  się  go  z  cienkich  warstw
drewna  klejonych  żywicą  fenolową  utwardzoną  pod  dużym  ciśnieniem;  lignoston  natomiast
jest  to  drewno  lite  o  zwiększonej  wytrzymałości  dzięki  poddaniu  go  zabiegom  cieplnym,
chemicznym i prasowaniu.

W celu ochrony drewna przed butwieniem, owadami i grzybami poddaje się go

impregnowaniu specjalnymi preparatami przeciwgnilnymi, grzybo i owadobójczymi oraz

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

pokrywa warstwą smoły, asfaltu lub betonu, a następnie opala się. Wyroby stolarskie nasyca
się pokostem lub pokrywa lakierami.

Najważniejsze gatunki drewna iglastego to: sosna, jodła, świerk, modrzew, cedr, cis.

Najważniejsze gatunki drewna liściastego to: dąb, grab, buk, wiąz, jesion, klon, orzech, jawor,
grusza,  akacja,  brzoza,  topola,  osika,  wierzba,  olcha,  lipa,  mahoń,  heban.  Właściwości
fizyczne i właściwości mechaniczne drewna zależą od jego gatunku, porowatości, wilgotności
i kierunku badania. Drewno jest  materiałem o dużej anizotropii. Jako materiał konstrukcyjny
jest poddawane badaniom na: rozciąganie, ściskanie, zginanie, ścinanie, łupliwość i trwałość.
Wyróżnia  się  pięć  grup  twardości  drew:  bardzo  miękkie,  miękkie,  średnio  twarde,  twarde
i bardzo twarde. Łupliwość jest to podatność drewna na rozdzielenie wzdłuż włókien(podatne
to:  jodła,  świerk,  sosna).  Trwałość  drewna  to  odporność  na  działanie  czynników
atmosferycznych,  czasu,  mikroorganizmów  i szkodników.  Ogólnie  drewno  dzieli  się  na
okrągłe nie obrobione, okrągłe obrobione i opałowe. Drewno obrabiane w postaci tarcicy jest
powszechnie  stosowanym  materiałem  w budownictwie,  do  wyrobu  mebli,  stolarki
budowlanej.  Jest  materiałem  ekologicznym  w pełni  przyjaznym  człowiekowi  i  jego
naturalnemu  środowisku.  Tarcica  to  materiały  otrzymane  przez  rozpiłowanie  okrąglaków,
takie jak: deski, bale, krawędziaki, belki, listwy, łaty itp. (rys. 11).

Rys. 11. Tarcica nie obrzynana: a) deska, b) bal, c) deska okorowana d) deska, e) listwy,

f) krawędziak, g) bal [12, s. 121]

Forniry i okleiny są to cienkie płyty drewniane z różnych gatunków drzew (mahoń,

heban,  palisander,  orzech  kaukaski,  dąb,  jesion,  wiśnia,  orzech,  brzoza,  buk,  grusza)
o grubości  od  0,4  do  kilku  mm,  otrzymywane  przez  płaskie  łub  obwodowe  skrawanie.  Są
używane  do  pokrywania  mebli  wykonanych  z  płyt  stolarskich  lub  mniej  szlachetnych
gatunków drzew.  Sklejki  to  płyty  sklejane  z nieparzystej  liczby  fornirów  (łuszczki), od  3  do
kilkunastu  warstw.  Warstwy  przylegające  do  siebie  mają  włókna  ułożone  pod  kątem  90°,
a niekiedy  45°.  Mogą  być  cienkowarstwowe  lub  grubowarstwowe.  Sklejka  ma  lepsze
właściwości fizyczne i właściwości wytrzymałościowe w porównaniu z drewnem.

Płyty pilśniowe są produkowane z włókien drzewnych z dodatkiem żywic krezolowych

i mocznikowych lub olejków schnących. Stosuje się je jako materiały dźwiękochłonne lub
dekoracyjne w budownictwie, meblarstwie itp.

Płyty wiórowe, trocinowe i paździerzowe są wytwarzane przez sklejanie trocin, wiórów

i paździerzy

pod

ciśnieniem

pomocą

kleju

mocznikowego

lub

mocznikowo-formaldehydowego. Istnieją różne odmiany płyt pod względem budowy
i wykończenia powierzchni. Zastosowanie jest podobne jak płyt pilśniowych, w transporcie
kolejowym, budownictwie, meblarstwie.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Płyty wiórowo-cementowe są wytwarzane z impregnowanych wiórów drzewnych

zmieszanych z cementem i stosuje się je jako wykładziny dźwiękochłonne i do budowy
ścianek działowych w budownictwie.

Drewno warstwowe (lignofol) otrzymuje się przez sklejanie wodoodpornym klejem

syntetycznym warstw drewna o grubości 0,25–3 mm pod ciśnieniem 20 MPa w płyty
o grubości do 120 mm.

Drewno prasowane (lignoston) jest otrzymywane przez prasowanie pod ciśnieniem do

40 MPa w zakresie temperatur od 70 do 160°C. Drewno tak utwardzone charakteryzuje się
dużą wytrzymałością i twardością oraz małą gęstością, ok. 1,45 g/cm

. Jest stosowane na

specyficzne  części  maszyn.  Wełna  drzewna  (wolina)  może  być  wytwarzana  z  drewna
jodłowego, sosnowego, świerkowego, lipowego, topolowego i osikowego w postaci drobnych
wkęrków o grubości 0,07–0,5 mm, szerokości od 1 do kilku mm i długości 200–500 mm. Jest
używana  do  zabezpieczania  przed  uszkodzeniem  w  czasie  transportu  delikatnych  wyrobów
ceramicznych, metalowych w tapicerstwie i do wyrobu płyt wiórowo-cementowych.
Materiały uszczelniające

Materiały uszczelniające, odpowiednio ukształtowane, wprowadzone między elementy

łączone i zamocowane uniemożliwiają przedostawanie się cieczy lub gazów na zewnątrz.

W zależności od rodzaju połączenia, temperatury i ciśnienia oraz rodzaju czynnika

roboczego  dobiera  się  materiał,  kształt,  sposób  i  siłę  docisku  uszczelnienia.  Uszczelnienia
mogą  być  między  elementami  będącymi  w  ruchu  lub  w  spoczynku.  Na  ogół  odpowiednie
tablice  spotykane  w  literaturze  zawierają  dane  dotyczące  połączeń  stałych.  Podstawowe
rodzaje  materiałów  uszczelniających  to:  masy  silikonowe  (120–400°C),  gumy  ogólnego
i specjalnego  przeznaczenia,  tektura  impregnowana  i  grafitowana,  fibra,  skóra,  korek,  filc
techniczny, ołów i miedź.

Skóra bydlęca – mocno natłuszczona służy do wyrobu uszczelek spoczynkowych,

pierścieni samouszczelniających, ma zastosowanie do wody zimnej o niskim i wysokim
ciśnieniu oraz olejów.

Rys. 12. Połączenie kielichowe rur: a) – żeliwnych, b) – kamionkowych, c) – staliwnych,

d) – połączenie podatne [4, s. 113]

Do uszczelnienia połączenia kielichowego rur zastosowano:

−

szczeliwo tj. sznur konopny smołowany zalany ołowiem, smołą lub cementem
(rys. 12 a ÷ c.)

−

uszczelkę – pierścieniową wykonaną z gumy (rys. 12d.)

Szczeliwo azbestowo – gumowe używane jest w postaci sznurów, włókien i płyt; w celu

zwiększenia e1astyności stosuje się go wraz z wkładką gumową. Używane jest
w sprężarkach, pompach próżniowych itp.

Szczelino bawełniano – gumowe w postaci sznurów, płyt i włókna, stosowane jest

w szybkobieżnych pompach tłokowych do wody zimnej, ciepłej itd.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Szczeliwa jutowe gumowane oraz konopne gumowe stosowane są do różnych

uszczelnień przewodów rurowych.

Szczeliwo typu metalloplasticum sporządzone jest z włókna azbestowego, grafitu,

smarów, pokostu i śrutu ołowiowo-antymonowego. Produkowane w postaci płytek stosowane
jest jako szczeliwo dławnicowe oraz do uszczelniania przewodów wypełnionych zasadami,
kwasami, produktami naftowymi, parą przegrzaną, solą żrącą itp.

Szczeliwo plastyczne (ogólne określenie plastycznych materiałów uszczelniających)

stosowane jest do uszczelnień spoczynkowych lub ruchowych. Są to kity naftowe, tiokolowe,
silikonowe itd. Mogą również być użyte do uszczelnienia różne tworzywa sztuczne, guma
i miękkie metale. Np. w urządzeniach wytwarzających bardzo wysoką próżnię używa się
uszczelek z czystego złota.

Materiały izolacyjne (termiczne) są przeznaczone do izolacji cieplnej. Izolacja cieplna

polega  na  zmniejszeniu  strumienia  cieplnego  przepływającego  przez  ścianę  dzięki  jej
wyłożeniu materiałem o możliwie małym współczynniku przewodzenia ciepła. Najważniejsze
cechy użytkowe  materiałów  izolacyjnych to:  mały współczynnik przewodzenia  ciepła,  niska
gęstość,  duża  wytrzymałość  i  łatwość  obróbki,  mała  higroskopijność  i  nasiąkliwość,
odporność  na  temperaturę  i  jej  zmiany,  niepalność  lub  odpowiednio  wysoka  temperatura
zapłonu,  obojętność  chemiczna  i  odporność  na  działanie  czynników  chemicznych.  Każda
dziedzina  gospodarki,  np.:  budownictwo,  energetyka  cieplna,  przemysł  maszynowy
(samochodowy,  lotniczy),  chemiczny,  wykorzystuje  specyficzne  grupy  materiałów
izolacyjnych.  Wiele  materiałów  o  właściwościach  izolacyjnych  ma  również  właściwości
dźwiękochłonne

elektroizolacyjne.

Nowoczesnym

materiałem

uszczelniającym

(ekologicznym) jest grafit ekspandowany, charakteryzujący się maksymalną temperaturą
pracy do 2500°C oraz dobrymi cechami użytkowymi.

4.3.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jakie materiały konstrukcyjne produkowane są na bazie drewna?
2.  Gdzie stosuje się materiały drewniane?
3.  Jakie są cechy charakterystyczne materiałów uszczelniających takich jak: guma, tworzywa

sztuczne, bawełna?

4.  Która część pnia drzewa odznacza się najlepszymi właściwościami użytkowymi?
5.  Dlaczego drewno ulega paczeniu?
6.  W jaki sposób można zwiększyć trwałość drewna?

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Uporządkuj gatunki drewna według wzrastającej twardości: jesion, wierzba, świerk,

heban, dąb, jodła, buk, topola.

Sposób wykonania ćwiczenia:

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować właściwości mechaniczne podanych gatunków drewna,
2)  sklasyfikować drewna według twardości i łatwości obróbki,
3)  uporządkować gatunki drewna według podanego kryterium,
4)  zaprezentować wykonane zadanie,
5)  dokonać oceny wykonanego zadania.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

Poradnik dla ucznia,

−

katalogi drewna,

−

komputer z dostępem do Internetu,

−

literatura z rozdziału 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Który, ze znanych Ci materiałów produkowanych z drewna zastosujesz jako materiał

dźwiękochłonny do wyłożenia ścian pomieszczenia.

Sposób wykonania ćwiczenia:

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zorganizować stanowisko pracy,
2)  odszukać w katalogach materiałów drewnianych,
3)  przeanalizować ich właściwości,
4)  dokonać wyboru materiału,
5)  omówić właściwości wybranego materiału.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

Poradnik dla ucznia,

−

katalogi drewna,

−

komputer z dostępem do Internetu,

−

literatura z rozdziału 6 Poradnika dla ucznia.

4.3.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) wyjaśnić, dlaczego drewno ulega paczeniu?



2) sklasyfikować materiały uszczelniające?



3) wskazać, w jaki sposób można zwiększyć trwałość drewna?



4) podać zastosowanie wyrobów z drewna?



5) scharakteryzować materiały uszczelniające takie jak: guma,

tworzywa sztuczne?



6) określić przeznaczenie materiałów uszczelniających?



7) określić budowę i właściwości drewna?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4. Badanie właściwości metali i stopów

4.4.1. Materiał nauczania

W czasie pracy materiał przeciwstawia się działaniu sił zewnętrznych, temperatury oraz

działaniu  korozyjnemu środowiska.  Dla  użytkowników  ważne  jest,  aby  lina  nie zerwała  się,
most  nie  uległ  zniszczeniu,  a  cylindry  nie  pękły.  Otóż  zachowanie  się  materiałów  pod
wpływem  różnych  form  obciążenia  zewnętrznego  można  ocenić  na  podstawie  ich
właściwości  mechanicznych.  Pozwalają  one  określić  zakres  obciążeń  dla  każdego
konkretnego  materiału,  porównać  właściwości  różnych  materiałów,  dokonywać  oceny
jakościowej  materiału  w  warunkach  przemysłowych  i  laboratoryjnych.  Uwzględniając
konieczność  porównywania  właściwości  różnych  badanych  materiałów,  metody  badawcze
muszą  być  ściśle  określone  odpowiednimi  normami.  W  miarę  możliwości  warunki  badań
powinny być zbliżone do warunków pracy realnych części i konstrukcji. W wielu wypadkach
jest to trudne, a nawet niemożliwe do realizacji. Dlatego badania właściwości mechanicznych
mają  zwykle  charakter  wskaźnikowy  pośrednio  wskazujący  przydatność  materiału
i prawdopodobne  jego  zachowanie  w  warunkach  rzeczywistej  eksploatacji.  Najczęściej
wykonuje się następujące rodzaje badań właściwości mechanicznych:

−

statyczna próba wytrzymałości na rozciąganie, ściskanie, zginanie, skręcanie oraz pomiar
twardości,

−

próby dynamiczne określające udarność,

−

badania przy zmiennym obciążeniu z określeniem wytrzymałości zmęczeniowej,

−

badania zmęczenia cieplnego i cieplno – mechanicznego,

−

badania wytrzymałości na pełzanie i długotrwałą wytrzymałość.

Próba statyczna rozciągania

Wykonuje się ją na znormalizowanych próbkach o przekroju kołowym i prostokątnym.

Poddaje się jej również wyroby gotowe, takie jak druty, liny, rury, kątowniki, łańcuchy lub
części konstrukcji łączone nitowaniem, spawaniem, zgrzewaniem.

Średnicę d

części pomiarowej próbki o przekroju kołowym (rys. 13) wynoszą: 3, 4, 5, 6,

8, 10, 15 i 25 mm, a długości pomiarowe L

są najczęściej pięciokrotnie lub dziesięciokrotnie

większe od średnicy d

. Dla próbek prostokątnych długość pomiarową oblicza się według

wzoru:

= k

⋅

w którym:
k = 5,65 dla próbek pięciokrotnych,
k = 11,3 dla próbek dziesięciokrotnych,
S

– pole powierzchni przekroju poprzecznego próbki przed obciążeniem, w mm

Rys. 13.

Znormalizowany kształt próbki do próby rozciągania [12, s. 25]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Próby rozciągania przeprowadza się na maszynach wytrzymałościowych zwanych

zrywarkami. Podczas próby automatycznie jest rejestrowana wartość siły rozciągającej F
i odpowiadające jej wydłużenie

∆

. Zależność F = f ( L

∆

) przedstawia się na wykresach,

których przebiegi dla materiałów z wyraźną granicą plastyczności oraz jej brakiem podano na
rys. 14. Na podstawie danych z próby rozciągania wyznacza się charakterystyczne wskaźniki
właściwości wytrzymałościowych materiału. Jednym z najważniejszych wskaźników jest
wytrzymałość na rozciąganie R

, która reprezentuje umowne naprężenie rozciągające,

odpowiadające maksymalnej wartości siły obciążającej F

, odniesione do pola powierzchni

przekroju początkowego przed obciążeniem.

Zaletą tej prostej próby jest możliwość wyznaczenia znacznej liczby wskaźników

wytrzymałościowych  i  plastycznych  przy  jej  dużej  prostocie.  Rozciąganie  materiału
przeprowadza się  na  maszynach  wytrzymałościowych, rejestrujących zależność obciążenie  –
odkształcenie.  Próbę  zaliczamy  do  statycznych,  gdyż  siła  działa  powoli  od  zera  do  swej
maksymalnej wartości zrywającej próbkę. Zmiany kształtu, aż do zniszczenia badanej próbki,
zachodzą również powoli.

Rys. 14. Wykresy rozciągania: a) dla metali o wyraźnej granicy plastyczności, b) dla

materiałów kruchych c) wskaźniki wytrzymałości[12, s. 26]

Wytrzymałością na rozciąganie nazywamy naprężenie rozciągające odpowiadające

największej sile rozciągającej F

uzyskanej w czasie przeprowadzania próby rozciągania

odniesionej do pierwotnego przekroju poprzecznego S

próbki.

W zależności od tego, jaki materiał będziemy poddawali próbie rozciągania, otrzymamy

różne krzywe o charakterystycznym dla danego rodzaju materiału przebiegu. Wytrzymałość
na rozciąganie R

może przybierać różne wartości dla tego samego materiału w różnych

warunkach pracy, np. w temperaturze podwyższonej lub obniżonej, według wzoru:

MPa

Wraz ze wzrostem temperatury obniżają się właściwości wytrzymałościowe materiału.

Trzeba o tym zjawisku pamiętać, dobierając stal do pracy w wysokich temperaturach.

Próby zginania są próbami uzupełniającymi próby rozciągania i ściskania, ponieważ

przy  zginaniu  w  materiale  powstają  strefy  naprężeń  rozciągających  i  ściskających.  Ma  to
szczególne  znaczenie  podczas  badania  materiałów  kruchych.  Do  próby  zginania  stosuje  się
próbki  o  przekroju  kołowym  i  średnicy  d

= 10 lub 20 mm. Odległość między podporami

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

przyjmuje się

10 d

⋅

lub

20 d

⋅

(rys. 15). Stosuje się też prostokątne przekroje próbek

o szerokości b i wysokości h.

Rys. 15. Schemat próby (a) i wykres zginania (b) [12, s. 29]

Podczas statycznej próby zginania rejestruje się wartość siły zginającej F w funkcji

strzałki ugięcia f. Charakter wykresu F = f(f) ma przebieg podobny do próby rozciągania.
W próbie tej wyznacza się:

−

wytrzymałość na zginanie R

MPa

gdzie:
M

– moment gnący, odpowiadający największej wartości siły obciążającej F

w N,

– wskaźnik wytrzymałości przekroju na zginanie w m

−

granicę plastyczności R

eg:

MPa

gdzie:
M

– moment zginający, odpowiadaj sile F

wywołującej rzeczywiste odkształcenie

plastyczne w badanej próbce, w Nm

−

granice proporcjonalności R

MPa

gdzie:

– moment gnający, odpowiadający maksymalnej wartości siły F

powodującej

proporcjonalne ugięcie próbce, w Nm.

Statyczne próby skręcania polegają na obciążeniu próbki momentem skręcającym

poprzez przyłożenie pary sił F o ramieniu d

, działających w płaszczyźnie prostopadłej do osi

próbki. Wartości tych sił zmieniają się od zera do wartości, która powoduje zniszczenie
próbki wskutek działania momentu skręcającego M = F•d

(rys. 16). Najczęściej stosuje się

próbki  o  przekroju  kołowym.  Moment  skręcający  powoduje  odkształcenie  próbki,  którego
miarą  jest  kąt  skręcenia  φ  czoła  próbki  oraz  odpowiadający  mu  kąt  odkształcenia
postaciowego γ.

Rys. 16.

Schemat próby skręcania (a) i wykres skręcania (b) [12, s. 30]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Zależność obu kątów jest następująca:

⋅

Na podstawie próby skręcania określa się wytrzymałość na skręcanie R

MPa

gdzie:
M

– maksymalny moment skręcający w próbie skręcania powodujący zniszczenie

próbki, w N m,

– wskaźnik wytrzymałości przekroju na skręcanie, w m

(dla próbki o przekroju

kołowym i średnicy d oblicza się go wg wzoru

⋅

Moduł sprężystości poprzecznej G wyznacza się z zależności:

MPa

w której:

– naprężenie styczne na zewnętrznej powierzchni próbki w MPa,

γ – kąt odkształcenia postaciowego w radianach.
Twardością H materiału nazywamy opór, jaki materiał stawia przy wciskaniu weń

innego  materiału  lub  zarysowaniu  materiału  ostrzarni.  Znając  twardość  można  określić
wytrzymałość  na  rozciąganie  oraz  właściwości  sprężyste  i  plastyczne  materiał.  Badania
twardości  stosuje  się  głównie  do  określenia  skutków  obróbki  cieplnej;  hartowania
odpuszczania  wyżarzania,  przesycenia  i  starzenia.  Należą  do  badań  nieniszczących,  nie
wymagają specjalnych próbek. Najszersze zastosowanie znalazły następujące próby twardości
(rys. 17):

−

statyczne, polegające na wgniataniu wgłębnika (penetratora) w dany materiał z siłą
zapewniającą uzyskanie trwałego odcisku. Są to metody: Brinella, Rockwella, Vickersa,

−

dynamiczne, podczas których opór materiału jest wywołany działaniem obciążenia
udarowego, np. metoda Shore’a lub Poldiego,

−

zarysowania, w których opór materiału przy zarysowaniu jest związany z jego
twardością.

Rys. 17. Zasady pomiaru twardości metodami statystycznymi [10 cz1, s. 55]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Metoda Brinella polega na wgniataniu z siłą F w badany materiał twardej kulki stalowej

o średnicy D za pomocą specjalnego aparatu. Twardość w stopniach Brinella oznaczamy
przez HB i wyznaczamy ze wzoru:

gdzie:
F – siła nacisku[N],
S – powierzchnia odcisku [mm

]

Stosowane są kulki o średnicach 10, 5, 2,5 i 1 mm, a obciążenia od 30 do 10 N. Warunki

pomiaru podaje się w zapisie wartości HB, np. HB 5/7500/15 oznacza twardość Brinella
wyznaczoną za pomocą kulki o średnicy D = 5 mm, obciążonej siłą F = 7500 N w czasie 15 s.

Symbol HB bez dodatkowego zapisu liczbowego oznacza, że pomiaru dokonano kulką

o średnicy D 10 mm, obciążonej siłą F = 30000 N w czasie 10–15 s.

Metoda Brinella jest dokładna i dlatego jest chętnie stosowana do pomiarów twardości

stopów  metali  i  tworzyw  sztucznych.  Zakres  jej  stosowania  jest  jednak  ograniczony  do
materiałów  o  twardości  poniżej  650  HB.  Ze  względu  na  spłaszczanie  się  hartowanej  kulki
stalowej przy większych naciskach, przy badaniu materiałów o twardości większej od 400 HB
musimy  zmienić  metodę  badania  lub  zastosować kulkę  z  węglików  spiekanych.  W praktyce
twardość HB odczytuje się z tabel na podstawie średnicy odcisku.
Metoda Rockwella (HRC, HRB, HRA)

Pomiar twardości metodą Rockwella polega na wciskaniu stożka diamentowego o kącie

wierzchołkowym  120°  przy  dwustopniowym  obciążeniu  0,1–1,4  kN  lub  kulki  stalowej
o średnicy 1/16” i obciążeniu 0,1–0,9 kN. Określenie twardości sprowadza się w zasadzie do
pomiaru  głębokości  odcisku,  a  jej  wartość  odczytuje  się  bezpośrednio  na  czujniku
twardościomierza. Przy zastosowaniu stożka do pomiaru, twardość odczytuje się na skali (C),
natomiast  przy  zastosowaniu  kulki  na  skali  czerwonej  (B),  oznaczając  twardość  Rockwella
odpowiednio  HRC  lub  HRB.  Jeżeli  pomiaru  dokonuje  się  stożkiem  diamentowym  o  kącie
120°  i  obciążeniu  0,60  kN,  to  tak  zmierzoną  twardość  określa  się  jako  HRA.  Metoda
Rockwella  znalazła  powszechne  zastosowanie  do  pomiaru  materiałów  twardych,  o  małych
rozmiarach, a nawet warstw utwardzonych. Jest ona jedną z najbardziej rozpowszechnionych
metod kontroli właściwości materiałów po obróbce cieplnej.
Metoda Vickersa (HV)

Twardość Vickersa polega na wciskaniu w materiał diamentowego ostrosłupa foremnego

o podstawie kwadratowej i kącie wierzchołkowym między przeciwległymi ścianami 136°.
Wgłębnik jest wciskany siły F równomiernie narastającej której wartość wynosi 2–1000 N
przez 15s, a następnie wartość tej siły jest utrzymywana przez 15s–30s.

Metoda Vickersa umożliwia badanie twardości metali i stopów, cienkich warstw

dyfuzyjnych i galwanicznych oraz przedmiotów o małej grubości. Nie należy jej stosować do
pomiaru twardości gruboziarnistych stopów wielofazowych, np. żeliw szarych lub stopów
łożyskowych. Wynik pomiaru nie zależy od zastosowanego obciążenia.
Badania udarności

Materiały przeznaczone na części maszyn pracujące pod zmieniającym się gwałtownie

obciążeniem są poddawane próbie udarności. Próba ta należy do badań dynamicznych
i polega na łamaniu (zginaniu udarowym) znormalizowanej próbki jednokrotnym uderzeniem
młota wahadłowego (rys. 18).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 18. Schemat młota wahadłowego typu Charpy’ego [10 cz1, s. 59]

Udarnością U nazywamy pracę przypadającą na jednostkę przekroju poprzecznego

próbki, którą wykona ciężar uderzający i łamiący lub zginający próbkę.

Wartości m, H, 1, g i α są stałe. Dlatego w oparciu o pomiar

(h) dokonuje się odczytu

udarności KC, będącej stosunkiem pracy łamania próbki K do pola powierzchni przekroju
próbki w miejscu karbu (S

Udarność oznacza się literami KCU, KCV, KCT w zależności od rodzaju karbu

znajdującego się w miejscu uderzenia próbki.
Badania zmęczeniowe materiału

Zmęczeniem materiału nazywa się stan, w którym następuje jego pęknięcie w skutek

działania  okresowo  zmiennych  obciążeń.  Wytrzymałością  zmęczeniową  nazywa  się
maksymalne  naprężenie  przy  którym  próbka  nie  ulegnie  zniszczeniu  po  ustalonej  liczbie
określonego  rodzaju  cykli  zmiennych  okresowo  obciążeń.  Wytrzymałość  zmęczeniową  dla
przeciętnej  stali  konstrukcyjnej  określamy  takim  naprężeniem,  które  przy  10  mln  zmian
obciążenia (od dodatnich do ujemnych) nie wywołuje jeszcze pęknięcia badanej próbki.

Wynikiem pojedynczego badania zmęczeniowego jest liczba cykli obciążeń do

wystąpienia zmęczenia (N) przy zadanej amplitudzie naprężeń (

). Wyniki uzyskane z wielu

próbek dla różnych wartości służą do sporządzania wykresu zależności N od

(wykres

zmęczeniowy Wóhlera (rys. 19). Próby zmęczeniowe specjalnego przeznaczenia o złożonym
obciążeniu wykonuje się na stanowiskach sterowanych komputerowo.

Rys. 19.

Wykres zmęczeniowy Wöhlera [10 cz1, s. 62] Krzywa: naprężenie – liczba cykli do
zmęczenia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Na wytrzymałość zmęczeniową mają wpływ takie czynniki, jak chropowatość

powierzchni, kształt przedmiotu, jednorodność i rodzaj struktury oraz korozja materiału.

Badania technologiczne mają na celu określenie cech materiału charakteryzujących jego

zachowanie w procesach wytwarzania lub eksploatacji produktu. Wykonywane próby
technologiczne są związane z:

−

kształtowaniem części maszyn różnymi sposobami, np.: skrawaniem, obróbką plastyczną,
odlewaniem;

−

łączeniem elementów za pomocą: nitowania, spawania, zgrzewania;

−

zużywaniem się współpracujących części podczas eksploatacji.

Do celów obróbki skrawaniem wykonuje się badania skrawalności materiałów

i skrawności  narzędzi.  Skrawalność  materiału  określa  stopień  podatności  materiału  na
obróbkę  wiórową  i  uzyskiwanie  pozytywnych  właściwości  obrobionej  powierzchni.
Skrawność narzędzia to stopień zdolności do zdejmowania naddatku skrawaniem i nadawania
korzystnych właściwości powierzchni obrobionej. Oceny skrawalności i skrawności dokonuje
się  za  pomocą  wskaźników,  które  porównuje  się  ze  wskaźnikami  wzorcowymi:  wskaźniki
skrawalności  –  ze  wskaźnikami  materiału  wzorcowego,  wskaźniki  skrawności  –  ze
wskaźnikami narzędzia wzorcowego. Główne wskaźniki skrawalności to: trwałość ostrza przy
określonych  warunkach  skrawania  i  kryterium  stępienia,  moc  skrawania,  opory  właściwe
skrawania,  temperatura  skrawania,  parametry  chropowatości  powierzchni  obrobionej,  rodzaj
wiórów. Wskaźniki skrawności to: twardość ostrza i jej zależność od temperatury, odporność
na zużycie, odporność na pękanie.

Badanie ścieralności dotyczy współpracy stykających się ze sobą części będących

w ruchu.  Jedną  z  ważnych  form  zużycia  jest  zużycie  ścierne.  Polega  ono  na  oddzielaniu
małych  cząstek  materiału  warstwy  wierzchniej  najczęściej  w  warunkach  tarcia  ślizgowego.
Mechanizm  tego  zużycia  polega  na:  ścinaniu  nierówności,  bruzdowaniu,  odkształceniach
sprężysto-plastycznych itp.

Jedną z prób ścieralności materiałów jest metoda Savina (rys. 20).

Polega  ona  na  wyznaczaniu  odporności  przeciwko  ścieraniu  materiału  przez  obracający  się
krążek  wykonany  z  węglików  spiekanych.  Krążek  o  średnicy  30  mm  i  szerokości  2,5  mm
obraca  się  z  prędkością  obrotową  n  =  675  obr/min  i  jest  dociskany  siłą  150  N  do  materiału
badanego  przez  4,5  minuty  oraz  poddany  działaniu  strumienia  1–2%  roztworu  chromianu
potasu  K

CrO

. Jako materiał wzorcowy zaleca się płytkę Johanssona. Objętość wytartego

rowka wyrażona w setnych częściach mm

jest miarą ścieralności. Im mniejsza objętość

wytartego materiału, tym większa odporność na ścieranie. Metoda może być stosowana do
powierzchni płaskich, wklęsłych i wypukłych o określonym promieniu krzywizny.

Rys. 20.

Schemat badania ścieralności metodą Sayina (metoda porównawcza)[12, s. 42]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Metody badań właściwości plastycznych polegają na wyznaczeniu podatności materiału

na  odkształcenia  plastyczne  w  określonych  warunkach.  Stosuje  się  różne  sposoby  badań
w zależności  od  postaci  materiału  i  celu  technologicznego  badań.  Do  podstawowych  prób
określających  właściwości  plastyczne  materiałów  należą  próby:  tłoczności  blach  metodą
Erichsena,  technologicznego  zginania,  przeginania  blach,  taśm  i  bednarki,  podwójnego
zginania,  zawijania  ze  zginaniem  cienkich  blach,  spęczania  metali,  przeginania  drutu
i walcówki,  skręcania  i  nawijania  drutu,  zginania,  spłaszczania  i  roztłaczania  rur,  wywijania
kołnierzy rur itp.

Jedną z ważniejszych prób jest próba tłoczności blach metodą Erichsena określona przez

PN – EN ISO 20482:2004. Polega ona na powolnym wciskaniu kulki lub stempla
zakończonego półkulą w próbkę zamocowaną między matrycą a dociskaczem (rys. 21).
Nacisk jest wywierany do chwili powstania pęknięcia na wskroś. Głębokość h wytłoczonego
wgłębienia określa podatność na tłoczenie blach, taśm i innych wyrobów w zakresie grubości
0,1–2 mm. Tłoczność oznacza się symbolem IE z indeksem oznaczającym średnicę kulki lub
stempla.

Rys. 21. Próba tłoczności blach metodą Erichsena [12, s. 43]

Drugą powszechnie stosowaną próbą jest technologiczna próba zginania metali.

Najczęściej poddaje się półfabrykaty walcowane na zimno i gorąco o przekroju okrągłym,
kwadratowym, prostokątnym oraz blachy i taśmy. Do badań wykorzystuje się próbki
znormalizowane.

Próba polega na zginaniu próbki umieszczonej na dwóch nastawnych podporach. Nacisk

jest wywierany przez symetrycznie umieszczony trzpień (rys. 22) aż do wystąpienia pęknięcia
lub  uzyskania  wymaganego  kąta  –  wówczas  kąt  jest  miarą  właściwości  plastycznych.
W innych  przypadkach  (rys.  22b,  c,  d)  próbki  poddaje  się  zginaniu  w  zależności  od  celu
badań:

−

do określonej wartości kąta α przy zadanym trzpieniu,

−

do równoległości ramion z użyciem: trzpienia lub wkładki dystansowej oraz przy
stykających się ramionach.

Rys. 22.

Technologiczne próby zginania na zimno: a) zginanie do określonego kąta, b) zginanie przy
określonym kącie, c) zginanie do równoległości blach, d) zginanie do styku blach
[12, s. 44]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Podatność

odkształcenia

plastyczne

drutu

określa

się

podczas

próby

jednokierunkowego lub dwukierunkowego skręcania. Badaniu poddaje się próbki z drutu
znormalizowanego.

Próbę spęczania materiałów wykonuje się pod obciążeniem statycznym oraz

dynamicznym (rys. 23) w celu określania podatności materiału na odkształcenia plastyczne
oraz wykrycia wad powierzchniowych i podpowierzchniowych. Względne odkształcenie
plastyczne X jest miarą poszukiwanej podatności:

100

−

gdzie:
h – wysokość próbki przed spęczeniem, w mm,
h

– wysokość próbki po spęczeniu, w mm.

Próba może być przeprowadzona na zimno lub na gorąco.

Rys. 23.

Schemat próby spęczania a) przed obciążeniem, b) po obciążeniu[12, s. 44]

Właściwości odlewnicze charakteryzują przydatność metalu lub stopu do wykonywania

odlewów. Podstawowymi właściwościami odlewniczymi są:

−

lejność,  czyli  właściwość  decydująca  o  dobrym  wypełnieniu  formy  ciekłym  metalem
i otrzymaniu  odlewu  o  korzystnych  właściwościach.  Lejność  zależy  od  temperatury
ciekłego  metalu,  jego  rzadkopłynności  po  roztopieniu,  rozpuszczalności  gazów  i  od
składu  chemicznego;  miarą  lejności  jest  odległość  na  jaką  popłynie  ciekły  metal
w znormalizowanej formie mającej kształt spirali,

−

skurcz  odlewniczy,  czyli  właściwość  decydująca  o  powstawaniu  w  odlewie  naprężeń
mogących  spowodować  jego  pęknięcia,  odkształcenia,  powstawanie  jam  skurczowych,
porowatości itp.
Spawalność  jest  miarą  przydatności  do  zastosowania  połączeń  spawanych  i  stopnia

trudności wykonania spoiny. Stale niskowęglowe o normalnej wytrzymałości mają dobrą
spawalność. Spawanie stali wysokowęglowych i stopowych jest trudniejsze i brak znajomości
tego faktu pociągnął za sobą w przeszłości wiele poważnych awarii konstrukcji spawanych.

Ocena spawalności odbywa się na podstawie wielu różnorodnych technologicznych prób

pękania oraz odkształceń materiału w miejscach spoin.
Badania makrostruktury metali i stopów

Badania makroskopowe polegają na obserwacji badanych elementów nieuzbrojonym

okiem lub przy niewielkim powiększeniu (do 30 razy). Przedmiotem badań są rzeczywiste
elementy konstrukcyjne, wykonane za pomocą różnych technik wytwarzania, określone
przełomy lub specjalnie przygotowane próbki. Urządzeniami wspomagającymi obserwację są
lupy, mikroskopy stereoskopowe lub metalograficzne. Badania umożliwiają wykrywanie wad
w elementach wytworzonych różnymi technikami i sposobami obróbki.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wadami tymi są:

−

w częściach odlewanych – pęknięcia, wtrącenia, pęcherze gazowe, jamy skurczowe,
rzadzizny;

−

w przedmiotach wykonanych metodami obróbki plastycznej – wtrącenia niemetalowe,
zawalcowania, pęknięcia, niejednorodność przebiegu włókien;

−

po obróbce cieplnej i cieplno-chemicznej – pęknięcia hartownicze, spaczenia, zmiany
strukturalne, niejednakowość grubości i brak jednorodności utwardzonych warstw;

−

po szlifowaniu – przypalenia szlifierskie, pęknięcia, niejednorodności struktury.
Na przełomach można zaobserwować strukturę przełomu, kierunek propagacji

przełomów zmęczeniowych itd.

Badania mikroskopowe polegają na obserwacji próbek przy powiększeniu od 50 do

2500  razy  za  pomocą  mikroskopów  metalograficznych.  Celem  badań  z  użyciem  próbek
trawionych jest identyfikacja struktury materiałów, Obserwacje próbek nietrawionych stosuje
się  do  określenia  rozmieszczenia  i  wielkości  wtrąceń  niemetalicznych,  mikropęknięć,
rzadzizn.  Podstawowe  zastosowanie  badań  mikroskopowych  to:  badania  granic  ziaren,
błędów ułożenia atomów, granic faz, zarodków ziaren. Mikroskopy skaningowe umożliwiają
powiększenie  rzędu  20

razy przy 300 – krotnie większej głębi ostrości w porównaniu

z mikroskopami  świetlnymi.  Zaletą  tego  typu  mikroskopu  jest  możliwość  badania
powierzchni  o  złożonej  topografii.  Układy  pomiarowe  mikroskopów  elektronowych  są  na
ogół  skomputeryzowane.  Jednym  z  głównych  zastosowań  mikroskopów  skaningowych  jest
badanie składu faz stopów zaawansowanej technologii.

Badaniom ultradźwiękowym poddaje się materiały zdolne do przenoszenia fal

ultradźwiękowych  o  częstotliwości  0,5–25  MHz.  Urządzeniami  do  badań  są  najczęściej
defektoskopy ultradźwiękowe, a źródłem fał ultradźwiękowych –generatory piezoelektryczne.
Główne  elementy  defektoskopu  to:  generator  drgań,  głowice  nadawcza  i  odbiorcza,
wzmacniacz  i  oscyloskop.  W  powszechnie  stosowanej  metodzie  echa  głowice  nadawcza
i odbiorcza są umieszczone po tej samej stronie przedmiotu. Jeżeli nie ma wad, to na ekranie
oscyloskopu obserwuje się impuls wejścia fali w materiał i impuls odbity od dna przedmiotu
(rys. 24). Jeżeli wewnątrz materiału jest wada, to pojawi się trzeci impuls między impulsami
wejścia i wyjścia. Położenie tego impulsu określa głębokość zalegania wady, a jego wysokość
reprezentuje jej wielkość.

Rys. 24. Przykład obrazu wady na ekranie defektoskopu z – głębokość zalegania wady,

I – grubość badanego materiału [12, s. 48]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Badania magnetyczne stosuje się do wykrywania wad w materiałach przewodzących

pole  magnetyczne  (ferromagnetycznych)  dzięki  wykorzystaniu  różnic  w  przenikalności
magnetycznej  materiału  badanego  i wad, np.: pęcherzy gazowych, wtrąceń, pęknięć. W celu
uwidocznienia przebiegu linii pola magnetycznego przedmiot pokrywa się zawiesiną proszku
ferromagnetycznego  Fe

w nafcie lub oleju, a następnie wprowadza go w pole

magnetyczne.

roszek ferromagnetyczny (opiłki stalowe) układa się wzdłuż Układ linii

charakteryzuje stopień jednorodności materiału przedmiotu (rys. 25).

Rys. 25.

Badanie magnetyczne przedmiotu: a) b) obraz linii poła magnetycznego z wadą
obraz linii pola magnetycznego

bez wad,[12, s. 49]

Wykrywanie wad w metalu przez oględziny
Metoda oględzin nie wymaga w zasadzie żadnych przedmiotów i ma szerokie

zastosowanie ze względu  na prostotę wykonania.  Nie daje wprawdzie dokładnych wyników,
mimo  to  jest  bardzo  pomocna  w  określaniu  wad,  szczególnie  przedmiotów  mało
odpowiedzialnych.  Zaobserwowane  wady  zewnętrzne  mogą  być  przyczyną  np.  późniejszych
pęknięć lub nieprzydatności przedmiotu w pracy. O jakości materiału można też wnioskować
na  podstawie  dźwięku,  jaki  wydaje  próbka  pod  wpływem  uderzenia  młotkiem.  Oględziny
można stosować do materiału wyjściowego lub półfabrykatów, do przedmiotów gotowych lub
po pewnych fazach obróbki.

4.4.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jakie czynniki mają wpływ na właściwości wytrzymałościowe materiału?
2.  W jaki sposób wzrost temperatury stali wpływa na jej wytrzymałość na rozciąganie?
3.  Omów podstawowe rodzaje i cele badań właściwości plastycznych?
4.  Na czym polegają podstawowe metody pomiaru twardości?
5.  Dlaczego pomiar twardości jest wykonywany kilkoma metodami?
6.  Podaj rodzaje i cechy badań wad materiałowych?
7.  Jakie materiały odznaczają się dobrą skrawalnością?
8.  Jaki jest cel badań technologicznych?
9.  Przedstaw metody badań ścieralności materiałów konstrukcyjnych?

4.4.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wykorzystując dane z poradników,(układ okresowy pierwiastków) wykonaj tabelę:

—

w kolumnach pionowych uporządkuj metale (żelazo, aluminium, miedź, ołów, chrom,

nikiel, tytan, cyna, cynk, magnez, srebro, molibden, wolfram) wg wzrostu ich masy
właściwej.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

—

w wierszach podaj nazwę, symbol chemiczny pierwiastka, masę właściwą, masę

atomową, temperaturę topnienia, wytrzymałość na rozciąganie, twardość w stopniach
Brinella, współczynnik rozszerzalności liniowej, oporność właściwą.
Na podstawie danych, które zgromadziłeś w tabeli spróbuj odpowiedzieć na pytanie, czy

istnieje zależność między temperaturą topnienia metali a ich twardością, a jeśli tak, to jaka
i dlaczego?

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zorganizować stanowisko do pracy,
2)  dobrać materiały i przybory rysunkowe,
3)  z układu okresowego pierwiastków odczytać symbole podanych w ćwiczeniu metali,
4)  odszukać w poradniku właściwości podanych w ćwiczeniu metali,
5)  wykonać tabelkę wypełniając kolumny i wiersze zgodnie z treścią ćwiczenia,
6)  pogrupować  dane  metale  w  tabelce  na  łatwotopliwe,  trudnotopliwe  i  bardzo

trudnotopliwe,

7) określić zależność między temperaturą topnienia metali a ich twardością,
8) przedstawić wyniki ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

układ okresowy pierwiastków,

−

Poradnik dla ucznia,

−

przybory rysunkowe,

−

komputer z dostępem do Internetu,

−

literatura z rozdziału 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Wykryj wady, metodą oględzin, w otrzymanych próbkach.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zorganizować stanowisko pracy,
2)  określić rodzaj materiału otrzymanej próbki,
3)  określić stan przeróbki i obróbki materiału,
4)  zastanowić  się  nad  typowymi  wadami występującymi  w  danej  fazie przeróbki  i  obróbki

materiału i wskazać je na przedmiocie,

5) określić rodzaj zaobserwowanych wad,
6) na podstawie wykrytych wad, określić przydatność materiału lub przedmiotu do

produkcji.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

Poradnik dla ucznia,

−

Próbki: odlew, półfabrykat, materiał walcowany, kuty, frezowany, toczony szlifowany.

−

literatura z rozdziału 6 Poradnika dla ucznia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 3

Oblicz masę płyty stalowej o wymiarach 500x200x50 mm, jeżeli gęstość stali

d = 7,7 g/cm

. Jaka musiałaby być grubość płyty o takiej samej powierzchni z aluminium

(d = 2,7 g/cm

), aby miała taką samą masę jak płyta stalowa?

Sposób wykonania ćwiczenia:

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zorganizować stanowisko pracy,
2)  przeanalizować dane podane w ćwiczeniu,
3)  określić zależność masy od gęstości danego materiału,
4)  wykonać potrzebne obliczenia,
5)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

Poradnik dla ucznia,

−

literatura z rozdziału 6 Poradnika dla ucznia.

4.4.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) rozróżnić badania właściwości plastycznych?



2) scharakteryzować metody pomiaru twardości?



3) wyjaśnić pojęcie plastyczność metalu?



4) wykazać wpływ temperatury na plastyczność metali?



5) wyjaśnić przebieg badań zmęczeniowych?



6) scharakteryzować badania do wykrywania wad materiałowych?



7) sklasyfikować badania metali i stopów?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.5. Stopy żelaza

4.5.1. Materiał nauczania

Stopami żelaza są to: stale, staliwa i żeliwo. Stal jest przerobionym plastycznie,

technicznym stopem żelaza z węglem i innymi pierwiastkami, o umownej zawartości węgla
do 2%. Stalą nazywamy stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami o zawartości węgla do
2%, który po odlaniu i skrzepnięciu jest poddany obróbce plastycznej.

W praktyce udział węgla rzadko przekracza 1,5%. Jeżeli stal krzepnąca w formie

odlewniczej  uzyskuje  właściwy  kształt  użytkowy  (bez  przeróbki  plastycznej),  to  nosi  ona
nazwę  staliwa.  Staliwo  jest  więc  stopem  żelaza  z  węglem  o  zawartości  do  2%  C  i  innymi
pierwiastkami,  w  stanie  lanym.  Staliwa  są  używane  na  odlewy  elementów  bardziej
obciążonych  oraz  w  zależności  od  zastosowanych  składników  stopowych  na  elementy
pracujące w podwyższonej temperaturze i w środowiskach korozyjnych.

Odlewnicze stopy żelaza z węglem i innymi dodatkami zawierające 2–6,7% węgla

nazywamy żeliwami. Ze względu na bardzo dobre właściwości odlewnicze, żeliwa stosuje się
do odlewania różnorodnych części maszyn i pojazdów samochodowych.

Ilość węgla w stopach ma zasadniczy wpływ na twardość materiału. Wraz

ze zwiększeniem zawartości procentowej węgla w stopie rośnie twardość materiału, a więc
również odporność na ścieranie, a maleje odporność na uderzenia (udarność).

W stopach żelaza z węglem ważną rolę odgrywają dodatkowe pierwiastki, z których

część jest dodawana do stopu celowo, a część stanowi zanieczyszczenia:

−

siarka i fosfor są domieszkami szkodliwymi, powodują one kruchość materiału
i pogarszają właściwości plastyczne oraz udarność,

−

chrom jako dodatek stopowy w stalach zwiększa wytrzymałość, twardość i odporność na

ścieranie oraz polepsza właściwości antykorozyjne, a ponadto uodparnia on materiał na
działanie czynników chemicznych i wysokiej temperatury,

−

dodatek niklu w stalach działa podobnie jak chrom oraz zwiększa ciągliwość stali,

−

krzem jest pierwiastkiem, który zwiększa sprężystość i wytrzymałość stal oraz zwiększa
oporność elektryczną, z udziałem krzemu (0.5–2.5%) produkowane są stale resorowe
i sprężynowe.

−

wolfram nadaje stali drobnoziarnistość, zwiększa hartowność, twardość i odporność na
zużycie.
Głównymi kryteriami podziału stali są:

−

skład chemiczny: stale niestopowe, nierdzewne, i stopowe,

−

zastosowanie:

stale

konstrukcyjne,

maszynowe,

narzędziowe,

specjalnych

właściwościach itp.,

−

sposób wytwarzania; stale martenowskie, elektryczne, konwertorowe i inne,

−

sposób odtleniania: stal uspokojona, półuspokojona, nieuspokojona,

−

rodzaj produktów: blachy, pręty, druty, rury, kształtowniki.
Stale niestopowe to gatunki stali, w których zawartość procentowa pierwiastków jest

mniejsza od pewnej określonej wartości granicznej. Jeżeli ta wartość graniczna jest
przekroczona mamy do czynienia ze stalami stopowymi. Osobną grupę stanowią stale
nierdzewne w których zawartość Cr jest większa od 10,5%, a węgla poniżej 1,2%.

Dla określenia granicy między stalami stopowymi a niestopowymi określono następujące

zawartości poszczególnych pierwiastków:

Al, Co, Cr, Ni, W – 0,3%;
Bi, Se, V – 0,1%;
Cu, Pb – 0,4%;
Si – 0,6%; Mo – 0,06%.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Skład chemiczny stali nie jest jedynym kryterium podziału. Inne kryteria podziału

zamieszczono w tabeli 1:

Tabela 1 Kryteria podziału stali [2, s. 169]

Kryterium podziału

Przykładowe rodzaje i grupy stali

Podstawowe zastosowanie

Konstrukcyjna, maszynowa, narzędziowa,
o szczególnych właściwościach

Jakość (m.in. stężenie S i P)

Jakościowa, specjalna

Sposoby wytwarzania

Martenowska, elektryczna, konwertorowa
i inne

Sposób odtleniania

Uspokojona, półuspokojona, nieuspokojona

Rodzaj produktów

Blachy, pręty, druty, rury, odkuwki itp.

Postać

Lana, kuta, walcowana na gorąco, walcowana
na zimno, ciągniona

Stan kwalifikacyjny

Surowy, wyżarzony normalizująco, ulepszony
cieplnie i inne

Stale stopowe odznaczają się większą głębokością hartowania. Do chłodzenia ich przy

hartowaniu wystarcza zazwyczaj olej, w wyniku  czego naprężenia, a więc  i odkształcenia są
znacznie  mniejsze  niż  w  przypadku  stali  węgłowych.  W  stalach  stopowych  obrabianych
cieplnie  można  więc  uzyskać  znacznie  lepsze  cechy  wytrzymałościowe  niż  w  stalach
węglowych,  przy  jednocześnie  łatwiejszej  obróbce  cieplnej.  Poważnym  ograniczeniem
stosowania  stali  stopowych  jest  ich  cena,  znacznie  wyższa  niż  stali  węglowych  oraz
deficytowość większości składników stopowych.

Zależnie od zastosowania czy też składu chemicznego rozróżnia się kilka

charakterystycznych grup stali konstrukcyjnych.

Stale węglowe konstrukcyjne zwykłej jakości ogólnego przeznaczenia. Stale te są

dostarczone zazwyczaj w postaci walcowanych na gorąco lub kutych kęsów, prętów,
kształtowników, bednarki, taśmy ciętej z blach gorąco walcowanych w kręgach oraz blach
grubych i uniwersalnych.

Stale węglowe konstrukcyjne wyższej jakości. Stale te w stosunku do stali zwykłej

jakości  ogólnego  znaczenia  odznaczają  się  wąskimi  granicami  zawartości  C  i  Mn  oraz
mniejszą  zawartością  S  i  P.  W  zasadzie  są  dostarczane  jako  stale  uspokojone,  w  stanie
normalizowanym.  Nadają  się  do  obróbki  cieplnej.  Stosuje  się  je  głównie  na  części  maszyn
i urządzeń  zarówno  pod  postacią  wyrobów  hutniczych  walcowanych,  jak  i  odkuwek
swobodnie kutych. Zależnie od stopnia dopuszczalnych wad powierzchniowych rozróżnia się
3 kategorie odkuwek i prętów:

A – podlegające obróbce skrawaniem na całej powierzchni,
B – podlegające obróbce skrawaniem tylko na niektórych powierzchniach,
C – nie podlegające obróbce skrawaniem.
Właściwości wytrzymałościowe odkuwek są na ogół niższe niż wyrobów walcowanych

i maleją wraz ze wzrostem przekroju odkuwki. Odkuwki są dostarczane w stanie
normalizowanym ulepszonym cieplnie.

Stale niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości. Są to stale zawierające niewielkie

datki  składników  stopowych  i  wykazujące  w  stanie  dostawy  podwyższone  właściwości
wytrzymałościowe. stale te w  sprzyjających warunkach atmosferycznych odznaczają się 3–5
razy  większą  odpornością  na  korozję  niż  stale  węglowe.  W  warunkach  krajowych  zakres
stosowania tych stali, jak dotychczas, jest ograniczony wysoką ich ceną.

Stale do nawęglania. Do nawęglania stosuje się stale zarówno węglowe, jak i stopowe,

o zawartości zazwyczaj 0,08–0,25% C i małej zawartości S i P. Przedmiot wykonany z takiej

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

stali po nawęglaniu i hartowaniu powinien mieć bardzo twardą powierzchnię (twardość > 60
HRC) i ciągliwy rdzeń dostatecznie wytrzymały na rozciąganie i odporny na uderzenie.

Obecnie w budowie maszyn stosuje się raczej stale o zawartości węgla zbliżonej do

górnej granicy, gdyż przedmioty wykonane z takich stali mają większą wytrzymałość rdzenia,
a przy tym można obniżyć grubość warstwy nawęglonej bez obawy wgniatania jej w czasie
pracy. Spośród stali węglowych konstrukcyjnych nadają się do nawęglania stale wyższej
jakości.

Stale zwykłej jakości o odpowiedniej zawartości węgla w zasadzie nie nadają się do

nawęglania z wyjątkiem stali uspokojonych i specjalnie uspokojonych. Stale nieuspokojone
i półuspokojone cechuje znaczna zawartość P i S, skłonnych do tworzenia segregacji, oraz
skłonnych do tworzenia po nawęglaniu struktury anormalnej.

Przedmioty odpowiedzialne, których rdzeń powinien mieć wyższe właściwości

mechaniczne, a zwłaszcza odporność na uderzenie, wykonuje się ze stali stopowych.
Składniki stopowe oddziałują również na właściwości warstwy nawęglonej i czynią ją mniej
skłonną do błędów powierzchniowych, jak pęknięcia, miękkie plamy itp.

Twardość warstwy nawęglonej w stalach stopowych jest niższa (58–62 HRC) niż

w stalach węglowych (60–64 HRC).

Dzięki większej hartowności stale stopowe są łatwiejsze w obróbce cieplnej – wystarcza

często jednokrotne hartowanie i olej jako środek chłodzący, dzięki czemu przedmioty
hartowane mniej się odkształcają.

Stale do ulepszania cieplnego. Są to stale o zawartości zazwyczaj 0,25–0,50% C,

węglowe lub stopowe, które poddaje się obróbce cieplnej, polegającej na hartowaniu
w wodzie albo w oleju i następnie odpuszczeniu w temp. 500–650°C. Stale ulepszone cieplnie
mają zależnie od gatunku podwyższone R

, w granicach od 600 do 1100 MPa, przy

wystarczających cechach plastycznych.

Stale te poddaje się obróbce skrawaniem już po obróbce cieplnej (w stanie ulepszonym

cieplnie) i dlatego twardość ich nie powinna przekraczać ok. 325 HB (czemu odpowiada
R

= 1100 MPa). Po obróbce skrawaniem przedmioty nie są już następnie obrabiane cieplnie;

wyjątek  stanowi  hartowanie  indukcyjne,  w  czasie  którego  nagrzewanie  warstwy
powierzchniowej  odbywa  się  tak  szybko,  że  środek  przedmiotu  nie  nagrzewa  się  i  nie  traci
właściwości  wytrzymałościowych,  danych  mu  przez  ulepszenie  cieplne  i  azotowanie,  które
przeprowadza  się  w  temperaturze  niższej  od  temperatury  odpuszczania  przy  ulepszaniu
cieplnym. Spośród stali węglowych do ulepszania cieplnego  nadają  się stale wyższej jakości
o zawartości  węgla  0,30–0,60%  (35,  45,  55).  Ze  względu  na  niewielką  głębokość
przehartowywania,  jeżeli  przedmiot  ma  mieć  jednakowe  cechy  wytrzymałościowe  w  całym
przekroju, to mogą być one stosowane tylko przy średnicy lub grubości ścianek do – 25 mm.

Zalety stali stopowych uwidaczniają się dopiero po obróbce cieplnej i dlatego należy je

stosować wyłącznie w stanie obrobionym cieplnie.

Stale sprężynowe. Resory samochodowe, duże sprężyny śrubowe, różne sprężyny

płaskie  itp.  wykonuje  się  z  tzw.  stali  sprężynowych.  Są  to  stale  węglowe  o  zawartości
0,65–0,85%  C  lub  stopowe  o  zawartości  0,45–0,70%  C;  jako  składniki  stopowe  występują:
krzem,  mangan,  chrom  i  wanad.  Resory  i  duże  sprężyny  są  formowane  z  materiału
miękkiego, po czym dopiero hartowane i odpuszczane.
Stale specjalne

Odporność na korozję polega zasadniczo na tworzeniu się na powierzchni stali cieniutkiej

warstewki  tlenków,  która  chroni  przed  dalszym  oddziaływaniem  ośrodka,  w którym
przedmiot  się  znajduje;  warstewka  taka  tworzy  się  na  stalach  zawierających  chrom,  krzem
i glin; mówi się, że stale te wykazują skłonność do pasywacji (tworzenie się na powierzchni
metalu  np.  chromu,  cieniutkiej  warstwy  tlenków,  często  niewidocznej,  która  chroni  metal
przed dalszą korozją).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Zależnie od stopnia i charakteru odporności na działanie korozyjne rozróżnia się stale

nierdzewne, kwasoodporne, żarowytrzymałe i żaroodporne.

Stale nierdzewne – to stale odporne na działanie wód naturalnych, czynników

atmosferycznych,  pary  wodnej,  roztworów  alkalicznych  i  rozcieńczonych  kwasów
organicznych;  natomiast  na  działanie  większości  kwasów  nieorganicznych,  stężonych
roztworów  niższych  kwasów  organicznych  (np.  octowego  lub  mrówkowego)  i  kwaśnych
roztworów solnych stale te nie są odporne. Stale nierdzewne są to zasadniczo stale chromowe
(zawartość do 12% C

). Nierdzewność zależy również od zawartości węgla – im mniej węgla,

tym większa odporność stali na korozję. Podstawowym warunkiem nierdzewności jest
metalicznie czysta polerowana powierzchnia. Stale nierdzewne stosuje się zasadniczo
w stanie hartowanym i odpuszczonym. Zabiegi te przeprowadza się głównie w celu uzyskania
korzystnych właściwości mechanicznych.

Stale kwasoodporne są to zasadniczo stale chromowo-niklowe o zawartości 17–20% Cr

i 8–14% Ni, o jak najmniejszej zawartości węgla. Mają one strukturę austenityczną niezbędną
dla zapewnienia kwasoodporności. Mała zawartość węgla ma na celu uniknięcie wydzielania
się

granicach

ziarn

austenitu

węglików

chromu,

które

sprzyjają

korozji

międzykrystalicznej. Dodatek Ti ma na celu związanie węgla i uniknięcie w ten sposób
tworzenia się węglików.

W celu uzyskania jednorodnego austenitu i zwiększenia w ten sposób odporności na

korozję  stosuje  się  przesycanie.  Przesycanie  obok  zwiększenia  jednorodności  austenitu
zwiększa  również  jego  plastyczność  i  obniża  twardość,  dzięki  czemu  stale  przesycone
poddają  się  dobrze  obróbce  plastycznej  na  zimno.  Stale  kwasoodporne  dają  się  również
dobrze polerować. Przy spawaniu niektórych stali kwasoodpornych w wyniku podgrzania do
temp.

500–700°C

mogą

się

wydzielać

węgliki

chromu

sprzyjające

korozji

międzykrystalicznej.

Stale żarowytrzymałe i żaroodporne to stale, które w wysokich temperaturach odznaczają

się dobrymi właściwościami mechanicznymi (żarowytrzymałość) i dużą odpornością na
korozyjne działanie gazów spalinowych (żaroodporność). Są to zasadniczo stale
chromowo-niklowe o dużej zawartości chromu (5–30%) i niklu (4–30%).

Żaroodporność zawdzięcza stal obecności chromu, który przeciwdziała utlenianiu – im

wyższa temperatura pracy, tym większa musi być zawartość chromu. Nikiel sprzyja tworzeniu
się struktury austenitycznej i podnosi wytrzymałość w wysokich temperaturach. Graniczna
temperatura robocza stali żaroodpornych wynosi zależnie od składu stali 800–l200°C, przy
czym górna granica dotyczy stali o zawartości ok. 25% Cr.

Ze stali żaroodpornych wykonuje się: tygle do pieców solnych, osłony pirometrów,

przenośniki pieców zmechanizowanych, wentylatory do gorących gazów, skrzynki do
nawęglania, części aparatury kotłowej itd. Przy projektowaniu urządzeń pracujących
w wysokich temperaturach (600–1100°C), wykonywanych ze stali żarowytrzymałych, należy
pamiętać, że ich wytrzymałość w tej temperaturze jest wielokrotnie niższa niż w temperaturze
otoczenia.
Oznaczenia stali

W ostatnich latach w związku z wstąpieniem Polski do Unii Europejskiej szereg norm

krajowych zostało zastąpionych przez normy europejskie co w przypadku oznaczeń stali
i innych materiałów skutkuje innym sposobem ich oznaczania niż dotychczas.

Zgodnie z normami europejskimi obowiązują dwa systemy oznaczania stali:

−

znakowy (według PN–EN 10027–1:2007); znak stali składa się z symboli literowych
i cyfr,

−

cyfrowy (według PN–EN 10027–2:1994); oznaczenie składa się z pięciu cyfr. Numer
gatunku stali nadaje Europejskie Biuro Rejestracyjne.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

W systemie znakowym znaki stali dzieli się na dwie grupy:

−

znaki z symbolami wskazującymi na zastosowanie oraz właściwości mechaniczne lub
fizyczne stali,

−

znaki z symbolami wskazującymi na skład chemiczny stali.
W pierwszej grupie znaków stali oznaczenie składa się z liter i cyfr. Litery oznaczają

zastosowanie stali zaś liczby odpowiednie właściwości wytrzymałościowe np.:
S235  S – stal konstrukcyjna o minimalnej granicy plastyczności 235 MPa,
E295   E – stal maszynowa o minimalnej granicy plastyczności 295 MPa,
L360  L – stal na rury przewodowe o minimalnej granicy plastyczności 360 MPa,
P460  P – stale na urządzenia ciśnieniowe o minimalnej granicy plastyczności 460 MPa.

W grupie znaków z symbolami wskazującymi na skład chemiczny wyróżniamy cztery

grupy:

−

stale niestopowe, o średnim stężeniu Mn poniżej 1%, oznaczane literą C oraz liczbą
oznaczającą średnie stężenie węgla w stali w setnych częściach % np. C45,

−

stale  niestopowe,  o  średnim  stężeniu  Mn  równym  i  wyższym  od  1%,  oznaczane  liczbą
informującą  o  średnim  stężeniu  węgla  w  setnych  częściach  %  symbolami  chemicznymi
pierwiastków  stopowych  oraz  liczbami  wskazującymi  na  ich  stężenie  procentowe  np.
33MnCrB5–2,

−

stale  stopowe  (bez  szybkotnących)  o  stężeniu  przynajmniej  jednego  pierwiastka
stopowego  powyżej  5%,  oznaczane  symbolem  X  oraz  liczbą  informującą  o  średnim
stężeniu  węgla  w  setnych  częściach  %,  symbolami  pierwiastków  stopowych  oraz
liczbami wskazującymi na ich stężenie procentowe np. X8CrNiMoAl15–7–2

−

stale szybkotnące, oznaczane symbolem HS oraz liczbami podającymi średnie stężenie
procentowe pierwiastków w kolejności W, Mo, V, Co np. HS2–9–8.
W związku z niedokończonym procesem dostosowania polskich norm do systemu

europejskiego  w  Polsce  obowiązują  równocześnie  różne  zasady  oznaczania  stali.
Np.  oznaczenie  St3S  (zgodne  z  polskimi  normami  PN)  odpowiada  oznaczeniu  S235JR
(według  norm  unijnych  EN),  oznaczenie  45  (zgodne  z  PN)  odpowiada  oznaczeniu  C45
(normy EN).

Oznaczanie postaci i stanu obróbki cieplnej. Postać stali uzyskana w wyniku przeróbki

technologicznej oznacza się następującymi literami (PN – 76 /H – O1001):
a)  lana (staliwo) – L,
b)  kuta – K,
c)  walcowana na gorąco – W,
d)  walcowana na zimno – Z,
e)  ciągniona na zimno – C.

Stan kwalifikacyjny, określony według ostatniej obróbki cieplnej jakiej podlegała stal po

nadaniu jej postaci, oznacza się również literami:
a)  wyżarzony rekrystalizująco – R,
b)  wyżarzony odprężająco – O,
c)  wyżarzony ujednorodniająco – J,
d)  sferoidyzowany – Sf,
e)  zmiękczony – M,
f)  normalizowany – N,
g)  hartowany – H,
h)  odpuszczony – O,
i)  ulepszony cieplnie – T,
j)  przesycony – P,
k)  starzony – S,
l)  utwardzony dyspersyjnie – D.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Żeliwo

Żeliwem nazywamy odlewnicze stopy żelaza z węglem i innymi pierwiastkami. Żeliwo

otrzymuje się przez przetopienie w żeliwiakach, piecach elektrycznych surówki (zazwyczaj
kilku gatunków) z dodatkiem złomu żeliwnego i stalowego, żelazostopów i topników oraz
odlanie do odpowiedniej formy. Skład chemiczny praktycznie stosowanego żeliwa mieści się
w granicach:

C – 2,5+3,6%,
Si – 0,4–3,0%,
Mn – 0,4+1,2%,
P – 0,05+1,2%,
S – 0,02+0,12%.
Węgiel jest podstawowym składnikiem kształtującym strukturę i właściwości żeliwa. Ze

wzrostem jego zawartości w żeliwie obniża się temperatura topnienia, maleje skurcz
odlewniczy, rośnie lejność, maleje wytrzymałość na rozciąganie i twardość. Węgiel w żeliwie
może występować w dwóch postaciach: wolnej jako grafit i związanej w cementycie (Fe

C).

Postać grafitu w żeliwie zależy od doboru materiału wsadowego zarówno do wielkiego pieca,
jak  i  do  żeliwiaka,  sposobu  prowadzenia  wytopu  i  warunków  chłodzenia  podczas
krystalizacji.  W  zależności  od  postaci  węgla  żeliwo  może  być  białe,  gdy  węgiel  występuje
tylko  w  postaci  związanej  w  Fe

C, lub szare, gdy węgiel w postaci związanej w Fe

występuje tylko w perlicie, a reszta jest w postaci grafitu. Żeliwo o strukturze pośredniej nosi
nazwę połowicznego lub pstrego.

Krzem odgrywa decydującą rolę w procesie krzepnięcia żeliwa, ułatwia i przyspiesza

wydzielanie  się  grafitu.  Obok  węgla  jest  on  pierwiastkiem  najczęściej  branym  pod  uwagę
przy  ustalaniu  składu  żeliwa.  Na  proces  krzepnięcia  żeliwa  silny  wpływ  wywiera  szybkość
chłodzenia  metalu  w  formie.  Powolne  chłodzenie  sprzyja  wydzielaniu  się  grafitu,  czyli
powstawaniu  struktury  żeliwa  szarego,  natomiast  szybkie  chłodzenie  sprzyja  tworzeniu  się
cementytu, czyli powstawania struktury żeliwa białego.
Żeliwo szare

Istotnym składnikiem strukturalnym żeliwa szarego jest grafit (rys. 26). W zwykłych

żeliwach  szarych  wydziela  się  on  w  postaci  płatków  o  różnej  wielkości  i  różnym
rozmieszczeniu.  To  zróżnicowanie  odzwierciedla  się  oczywiście  we  właściwościach  żeliwa
szarego.  Właściwości  żeliwa  szarego  powodują,  iż  są  one  często  i  szeroko  stosowanym
materiałem  konstrukcyjnym.  Możemy  je  spotkać  w  takich  wyrobach,  jak:  kaloryfery,  rury
kanalizacyjne  i  wodociągowe,  kadłuby  maszyn,  łoża obrabiarek,  odlewy  artystyczne  i  różne
części stosowane w budowie maszyn.

Rys. 26. Grafit płatkowy w żeliwie szarym: [9, s.112]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

W celu podwyższenia odporności żeliwa na działanie czynników atmosferycznych,

chemikaliów,  wysokich  temperatur  oraz  ścieranie  stosuje  się  dodatki  stopowe,  jak  krzem,
nikiel,  chrom,  aluminium  i  molibden,  dodawane  w  dużych  ilościach.  Dodatki  te  albo
zwiększają  odporność  na  korozję,  powodując  powstawanie  jednorodnej  struktury
austenitycznej  (nikiel  molibden),  albo sprzyjają  tworzeniu  się  danym  ośrodku  pasywnej,  nie
podlegającej korozji, warstewki (krzem, chrom, aluminium). Zależnie od składu  i warunków
pracy dane żeliwo może być odporne na te lub inne czynniki np. żeliwo

krzemowe jest bardzo

odporne na kwas azotowy, fosforowy, octowy, a zwłaszcza siarkowy, natomiast podlega
łatwo korozji w kwasie solnym.

W PN – 88/H – 83144 „Żeliwa stopowe” są przewidziane 3 typy żeliw:

—

żaroodporne (9 gatunków),

—

odporne na korozję (8 gatunków),

—

odporne na ścieranie (33 gatunki).

Dla wszystkich gatunków podano: skład chemiczny, właściwości wytrzymałościowe,

twardość HB oraz główne zastosowanie.
Żeliwo białe

Jak już wiemy w żeliwie białym węgiel występuje w postaci cementytu. Taka struktura

jest bardzo twarda, krucha i trudna do obróbki mechanicznej. Żeliwo to ma niską lejność
i duży skurcz odlewniczy (do 2%). Właściwości takie ograniczają znacznie jego bezpośrednie
stosowanie w budowie maszyn do: śrutu do czyszczenia, klocków hamulcowych i niektórych
typów ciągadeł. Praktycznie, żeliwa białego używa się głównie jako surowca do produkcji
żeliwa ciągliwego.

4.5.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jakie są kryteria podziału stali stopowych?
2.  Wymień i scharakteryzuj stale przeznaczone do obróbki cieplnej?
3.  Dlaczego  stal  w  porównaniu  ze  staliwem  o  takim  samym  składzie  chemicznym  będzie

miała wyższe właściwości wytrzymałościowe?

4. Jaki symbol stosuje się do oznaczania stali narzędziowych: niestopowych, stopowych do

pracy na zimno, stopowych do pracy na gorąco, szybkotnących?

5. Jaka jest różnica między stalą a żeliwem?
6. W jaki sposób z twardych i kruchych żeliw białych można otrzymać materiał

konstrukcyjny konkurujący niekiedy ze staliwem?

4.5.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Na podstawie norm zidentyfikuj stopy żelaza o oznaczeniach: C15: S235JR; E320;

P235S; C80U; 54SiCrV6; L30H. Podaj ich właściwości mechaniczne oraz maksymalne
stężenia pierwiastków.

Sposób wykonania ćwiczenia:

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zorganizować stanowisko pracy,
2)  odszukać w katalogach podane oznaczenia,
3)  zapisać  w  zeszycie  przedmiotowym  skład  chemiczny  oraz  właściwości  mechaniczne

odczytywanych materiałów

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

Poradnik dla ucznia,

−

normy wyrobów metalowych,

−

literatura z rozdziału 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Określ stal jakiej używa się do wykonania formy stosowanej w procesie prasowania

tworzyw sztucznych.

Sposób wykonania ćwiczenia:

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować warunki prasowania tworzyw sztucznych,
2)  dobrać stal na formę,
3)  przedstawić wynik ćwiczenia oraz uzasadnić wybór rodzaju stali.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

Poradnik dla ucznia,

−

normy wyrobów metalowych,

−

literatura z rozdziału 6 Poradnika dla ucznia.

4.5.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) określić właściwości stali narzędziowej?



2) scharakteryzować stale szybkotnące?



3) scharakteryzować żeliwa?



4) wskazać różnicę między żeliwem a stalą?



5) scharakteryzować stale żarowytrzymałe i żaroodporne?



6) scharakteryzować stale kwasoodporne?



7) scharakteryzować stale nierdzewne?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.6. Metale nieżelazne i ich stopy

4.6.1. Materiał nauczania

Poznane już przez nas stopy żelaza są podstawowym tworzywem stosowanym

w technice,  jednak  nie  można  już  wyobrazić  sobie  rozwoju  wielu  dziedzin  bez  metali
nieżelaznych  i  ich  stopów.  Spośród  stopów  metali  nieżelaznych  największe  znaczenie
przemysłowe mają stopy konstrukcyjne na bazie miedzi i metali lekkich – aluminium, tytanu
i magnezu,  a  w  następnej  grupie  –  stopy  cynku,  niklu,  kobaltu,  ołowiu  i  cyny  oraz  innych
metali i stopów do szczególnych (najczęściej) zastosowań.

Można dokonać podziału i klasyfikacji stopów metali nieżelaznych ze względu na:

−

metal bazowy: stopy miedzi, aluminium, niklu itd.,

−

gęstość: stopy lekkie i ciężkie,

−

temperaturę topnienia: stopy nisko – i wysokotopliwe,

−

technologię wytwarzania: stopy do przeróbki plastycznej i odlewnicze.

Miedź jest metalem (barwa czerwonozłota) plastycznym, dobrze przewodzącym ciepło

i  prąd  elektryczny,  odpornym  na  korozję.  Jest  ona  stosowana  na  przewody  elektryczne,
elementy chłodnic,  elementy  aparatury chemicznej  oraz  jako  składnik  stopów.  Wadą  czystej
miedzi  ograniczającą  jej  zastosowanie  na  przewody  elektryczne  jest  stosunkowo  mała
wytrzymałość mechaniczna. Może ona zostać zwiększona przez stopienie miedzi ze srebrem,
miedzi  z  kadmem,  miedzi  z  manganem.  Miedziane  druty,  taśmy  lub  rurki  stosuje  się  na
uzwojenia cewek.

Do najważniejszych stopów miedzi należą: mosiądze (stop miedzi z cynkiem oraz

innymi  pierwiastkami)  oraz  brązy.  W  zależności  od  głównego  składnika  stopowego  brązy
dzieli się na: cynowe, aluminiowe, berylowe, krzemowe i inne. Zarówno brązy jak i mosiądze
w  zależności  od  dodatków  stopowych  i  przeznaczenia  dzieli  się  na  odlewnicze  oraz  do
obróbki  plastycznej.  Na  wilgotnym  powietrzu  miedź,  brązy  i  mosiądze  pokrywają  się
ciemnobrązową  patyną,  przechodzącą  z  latami  w  zieloną  tzw.  patynę  szlachetną  (np.
miedziane pokrycia starych dachów, stare pomniki brązowe itp.)

Miedź można obrabiać plastycznie na zimno i na gorąco. W wyniku obróbki na zimno

występuje  zgniot,  objaw  się  utwardzeniem,  który  można  usunąć  przez  wyżarzanie
rekrystalizujące  w  400–600°C.  Właściwości  wytrzymałościowe  miedzi  niskie.  W  celu  ich
podwyższenia  lub  nadania  specjalnych  właściwości,  jak  np.  odporność  na  korozję,
żarowytrzymałość  itd.,  stosuje  się  dodatki  stopowe.  Miedź  można  lutować,  zależnie  od
przeznaczenia  przedmiotu  lutowanego, zarówno lutem twardym,  mosiężnym,  jak  i  miękkim,
ołowiowo – cynowym. Na odlewy miedź słabo się nadaje ze względu na gęstopłynność i duży
skurcz  odlewniczy.  Stosowana  jest  w  elektrotechnice,  dzięki  wysokiej  przewodności
elektrycznej,  na  przewody;  w  przemyśle  maszynowym  wyzyskuje  się  wysoką  przewodność
cieplną  i  odporność  na  korozję  przy  budowie  aparatury  chemicznej;  w  architekturze  na
pokrycia  dachów  zabytkowych  budowli.  Stosuje  się  przeważnie  pod  postacią  blach,  rur,
prętów i drutu, których wymiary i właściwości ujęte są w PN.

Duże ilości miedzi zużywa się w galwanotechnice na wytwarzanie na stali powłok

miedzianych. Nowoczesne metody umożliwiają otrzymanie bezpośrednio z kąpieli, bez
polerowania, powłok miedzianych z palnym połyskiem. Z miedzi metodą galwanoplastyczną
wykonuje się matryce (negatywy) do wytwarzania płyt gramofonowych.

Magnez jest bardzo lekkim metalem lecz o niskich właściwościach mechanicznych

i  dużej  aktywności  chemicznej.  Ze  względu  na  te  właściwości  ma  on  ograniczone
zastosowanie  w  technice.  Głównie  jest  on  stosowany  do  wyrobu  stopów  oraz  jako  dodatek
stopowy.  Z  uwagi  na  to,  że  stopy  magnezu  w  połączeniu  z  tlenem  tworzą  substancję

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

wybuchową,  nie  można  tych  stopów  podczas obróbki chłodzić  wodą,  a  przy  ich  szlifowaniu
należy  stosować  urządzenia  do  pochłaniania  pyłu.  Stopy  magnezu  dzielimy  na  odlewnicze
oraz  do  obróbki  plastycznej.  Głównym  składnikiem  stopów  magnezu  jest  aluminium,  cynk,
mangan. Stopy  magnezu  są  najlżejszymi  ze  znanych  i ta  cecha  wyznacza  zakres  stosowania
tych materiałów (głównie w konstrukcjach lotniczych i przemyśle motoryzacyjnym). Magnez
odznacza  się  wybitnie  małą  odpornością  na  korozję.  Powłoka  tlenkowa  tworząca  się
w wilgotnym  powietrzu  jest  mało  trwała  i  nie chroni przed  dalszą  korozją,  jak  w  przypadku
aluminium. Szczególnie szybko magnez utlenia się, a nawet zapala, w temperaturze topnienia,
i  dlatego  topi  się  go  pod  warstwą  topnika  lub  sproszkowanej  siarki.  Mała  odporność  na
korozję i niskie właściwości wytrzymałościowe są powodem, że magnez w stanie czystym ma
ograniczone  zastosowanie.  Stopy  magnezu  z  aluminium,  manganem  i  cynkiem,  tzw.
elektrony;  mają  one  dobre  właściwości  mechaniczne,  zarówno  w  stanie  lanym,  jak
i przerobionym  plastycznie,  powoduje  szerokie  ich  stosowanie  w  przemyśle  lotniczym,
samochodowym,  włókienniczym,  precyzyjnym  itd.  Magnez  jest  również  stosowany  jako
składnik  stopowy  stopów  aluminium.  Stopy  magnezu  z  aluminium  i  cynkiem  naszą  nazwę
elektronów.

Cynk jest metalem o dobrych właściwościach plastycznych i niskiej temperaturze

topnienia. Stosuje  się  go  głównie  na  powłoki przeciwkorozyjne  na  pokrycia  blach  i  drutów,
również  jest  wykorzystywany  do  produkcji  baterii  elektrycznych.  Stopy  cynku  nazywamy
znalami, zawierają one oprócz cynku aluminium i miedź. Jest metalem odpornym na wpływy
atmosferyczne  i  działanie  wody.  Z  tego  powodu  powszechne  zastosowanie  znalazły  na
cynkowe  powłoki  ochronne  na  stali  nakładane  na  gorąco.  Powłoki  galwaniczne,  nakładane
zazwyczaj  jako  półbłyszczące  lub  błyszczące,  są  przeważnie  zabezpieczane  dodatkowo  za
pomocą  pasywacji  w  kąpielach  chromianowych,  dającej  nalot  bezbarwny,  niebieskawy  lub
żółtawy (najgrubszy).

Ochronna powłoka cynku na stali ma charakter anodowy, tzn. że w przypadku tworzenia

się lokalnych ogniw (przetarcie lub inne uszkodzenie powłoki), rozpuszcza się cynk, chroniąc
w ten sposób stalowy podkład. Stopień odporności na korozję zależy w dużym stopniu od
czystości cynku.

Cynk jest metalem plastycznym – w temp. 100÷160°C daje się łatwo obrabiać na blachy,

druty, pręty, folie. Rekrystalizacja następuje już w temperaturze otoczenia. Cynk jest dobrym
metalem odlewniczym. W podwyższonej temperaturze cynk traci szybko twardość
i właściwości wytrzymałościowe. Największe ilości cynku zużywa się do cynkowania (na
gorąco i galwanicznie) wyrobów stalowych oraz jako składnik wielu stopów przemysłowych,
jak mosiądze, stopy typu znal itd.

Cyna ma właściwości mechaniczne tak niskie, że nie nadaje się jako materiał

konstrukcyjny.  W  czystej  postaci  cynę  stosuje  się  cynowania  blach  oraz  jako  dodatek
stopowy. Szeroko stosowanym  stopem cyny z ołowiem jest cyna  lutownicza stosowana jako
spoiwo  podczas  lutowania.  Cyna  jest  odporna  na  działanie  czynników  atmosferycznych
i wody,  rozpuszcza  się  natomiast  w  kwasach  nieorganicznych  i  ługach.  Kwasy  organiczne
i większość  produktów  spożywczych  na  cynę  nie  działają  i  stąd  zastosowanie  do  pobielania
naczyń kuchennych i do wytwarzania blachy cynowanej na puszki do konserw.

Cyna jest miękka i kowalna, przy zginaniu wydaje charakterystyczny chrzęst. Cyna daje

się łatwo walcować na zimno, można otrzymywać z niej folie (cynofolię) o grubości do 0,01
mm. Zanieczyszczenie żelazem lub glinem powoduje obniżenie zdolności do obróbki
plastycznej.
Aluminium i jego stopy

Glin, czyli aluminium, jest metalem bardzo łatwo reagującym z tlenem. W wyniku

utleniania tworzy się cienka, zwarta warstwa tlenku Al

. Warstwa ta chroni wyroby

z aluminium przed korozją atmosferyczną, działaniem wody, stężonego HNO

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Działają natomiast na aluminium, kwas solny, siarkowy oraz bardzo intensywnie – ług.
Aluminium daje się dobrze kuć, walcować i przeciągać aż do najcieńszych wymiarów

(np. folie aluminiowe). Aluminium lutuje się za pomocą specjalnych lutów, zarówno
miękkich (najczęściej stopy cynku, > 60%, z cyną, kadmem, aluminium), jak i twardych
(stopy aluminium z krzemem i cyną, czasem jeszcze z miedzią i niklem).

W stanie czystym stosowane jest w przemyśle chemicznym i spożywczym na zbiorniki,

przewody, armaturę, na naczynia kuchenne i sprzęt gospodarstwa domowego, do wyrobu folii
i opakowań, w przemyśle elektrotechnicznym, ze względu na dobrą przewodność elektryczną,
na  przewody.  Mikronowa  warstwa  aluminium,  naniesiona  na  tkaninę,  zatrzymuje  strumień
cieplny, przepuszczając  jedynie światło. Z takich tkanin szyje  się namioty, ubrania ochronne
i kombinezony. Aluminium używamy także na pokrycia tylnej części luster i do wytwarzania
antykorozyjnych farb miniowych. Według obowiązującej normy PN – EN 573–3–4:2005 oraz
–  EN  573–1:20056  wyróżnia  się  17  gatunków  aluminium,  które  oznacza  się  z  użyciem
symboli chemicznych, na przykład:

EN AW – A199,0Cu, gdzie:
EN – oznacza kodowanie tylko na podstawie symboli chemicznych,
A – aluminium,
W – wyroby oraz wlewki przeznaczone do obróbki plastycznej,
99,0 – liczba wyrażająca czystość aluminium w %
Cu – symbol pierwiastka stanowiącego niewielką domieszkę.
Gatunki aluminium do zastosowań elektrycznych są wyróżnione literą E, np. EN AW –

E99,5.

Stopy aluminium uzyskane w wyniku wprowadzenia pierwiastków stopowych wykazują

znaczny wzrost wytrzymałości przy zachowaniu dobrych właściwości plastycznych. Stopy
aluminium dzieli się na odlewnicze i do przeróbki plastycznej.

Norma PN – EN 573 – 1:2006 dotyczy aluminium i jego stopów w zakresie: składu

chemicznego,  rodzaju  wyrobów  przerabianych  plastycznie  oraz  czterocyfrowego  systemu
oznaczeń  numerycznych  XXXX.  Pierwsza  cyfra  w tym  systemie  może oznaczać  aluminium
niestopowe  lub  określoną  grupę  stopów  aluminium,  charakteryzowaną  przez  główny
pierwiastek  stopowy  o  największej  zawartości  procentowej.  Grupy stopów opisane  pierwszą
cyfrą są następujące:

−

lxxx – aluminium niestopowe, zawierające 99,0% Al i więcej – grupa 1000.
Pozostałe grupy stopów zawierają następujące główne składniki stopowe:

−

2xxx – miedź Cu – grupa stopów 2000,

−

3xxx – mangan Mn – grupa stopów 3000,

−

4xxx – krzem Si – grupa stopów 4000,

−

5xxx – magnez Mg – grupa stopów 5000,

−

6xxx – magnez i krzem Mg2Si – grupa stopów 6000,

−

7xxx – cynk Zn – grupa stopów 7000,

−

8xxx – inne pierwiastki – grupa stopów 8000,

−

xxx – przyszłe zastosowania grupa stopów 9000.
Druga cyfra w numerze oznaczenia xXxx wskazuje na modyfikację aluminium. Wartość

O  oznacza  brak  modyfikacji,  natomiast  cyfry  od  1  do  9  –  modyfikację  aluminium  według
ograniczeń  średniej  arytmetycznej  zawartości  składników  stopowych w  czystym aluminium.
Ostatnie  dwie  cyfry  xxXX  w  grupie  1000  oznaczają  zawartość  procentową  czystego
aluminium. W pozostałych grupach cyfry nie mają specjalnego znaczenia; tylko identyfikują
różne stopy aluminium w danych grupach.
Miedź i jej stopy

Miedź należy do droższych materiałów konstrukcyjnych i dlatego jej zastosowanie

wymaga racjonalnego uzasadnienia. Ze względu na dużą masę właściwą można wykluczyć te

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

rozwiązania,  gdzie  wymaga  się  od  materiałów  wysokiej  wytrzymałości  właściwej.  W  tym
lepsze  są  stopy  aluminium,  kompozyty,  a  nawet  stale.  Stopy  miedzi  znajdują  zastosowanie
w częściach  pracujących  na  powietrzu,  np.  w  urządzeniach  napinających  kolejową  lub
tramwajową  sieć  trakcyjną,  w  zasuwach  zaworów  parowych  i  wodnych.  Bardzo  ważna  jest
miedź  w  urządzeniach  pracujących  w kontakcie  z  roztworami  jonów chloru.  Konkurencyjne
stale chromowoniklowe są w tych środowiskach narażone na działanie korozji naprężeniowej.
Dużo  miedzi  zużywa  się  do  produkcji  różnego  typu  elektrod  do  zgrzewania.  Natomiast
przeciwwskazaniem  stosowania  miedzi  i  jej  stopów  są  wszelkie  środowiska  zawierające
amoniak.  Na  stopy  odlewnicze  stosuje  się  miedź  Cu99  i Cu99,5,  a  na  przewody  elektryczne
czystsze gatunki.

W zależności od sposobu wytwarzania wyróżnia się miedź:

−

katodową – M0KSA, M0KS, M0K;

−

katodową przetopioną – M1E, stosowaną na wyroby elektrotechniczne;

−

beztlenową – M00B, M01B, M0B, stosowaną do produkcji przewodów elektrycznych
i lamp elektronowych;

−

odtlenioną – M1R, M2R, M3R, stosowaną na wyroby ogólnego przeznaczenia;

−

rafinowaną ogniowo – M2G, M3G;

−

odlewniczą – M4, stosowaną na odlewy.
Jednym z bardzo ważnych zastosowań technologicznych miedzi jest wytwarzanie powłok

galwanicznych podkładowych na częściach stalowych, poprzedzające nakładanie powłok
chromowych lub niklowych, a także zabezpieczanie powierzchni stali przed nawęglaniem.
Mosiądze

Mosiądze są to stopy miedzi z cynkiem jako głównym składnikiem stopowym.

osiądz

o zawartości  6–20%  Zn  to  tzw.  tombak,  który  ze  względu  na  barwę  podobną  do  złota  jest
często  używany  do  wyrobu  przedmiotów  ozdobnych.  Mosiądze  są  odporne  na  korozję,
ścieranie,  podatne  na  obróbkę  plastyczną  i  dobrze  się  lutują.  Mosiądze  do  przeróbki
plastycznej,  zawierające  11–19%  niklu,  to  mosiądze  wysokoniklowe.  Norma  PN  –  93/H  –
87027  przedstawia  grupę  mosiądzów  wysokoniklowych,  zwanych  nowym  srebrem:  MZN18
(CuNil8Zn27),  MZ2ON18  (CuNil8Zn2O),  MZN15,  MZN12  (CuNil2Zn24),  MZN181,
MZN101.

Norma PN – EN 12420:2002 Miedź i stopy miedzi – odkuwki zawiera grupy i kategorie

materiałów przeznaczonych do obróbki plastycznej oraz zasady ich oznaczania symbolami
chemicznymi i cyframi, np. CuZn39Pb3 lub CW614N, CuA16Si2Fe lub CW301G, CuA17Si2
albo CW302G. Oznaczenia symbolami chemicznymi mogą być uzupełnione znakami
charakteryzującymi rodzaje procesów obróbki plastycznej.

Brązy, są to stopy miedzi z innymi metalami, z wyjątkiem cynku i niklu. Nazwa brązu

pochodzi od głównego pierwiastka stopowego; np. brązy cynowe, krzemowe, ołowiowe itd.

Brązy cynowe należą do najstarszych znanych stopów metali. Już w starożytności

stosowano je do wyrobu broni, ozdób i przedmiotów codziennego użytku. W dalszym ciągu –
mimo  wysokiej  ceny  –  cieszą  się  one  dużą  popularnością.  Obecnie  typowym  brązem
maszynowym  jest  brąz  CuSni0.  Dzięki  dobrym  właściwościom  mechanicznym
i trybologicznym często stosuje się go do produkcji przekładni  ślimakowych. Dawniej  był to
materiał  na  lufy  armatnie.  Oprócz  brązu  cynowych  najszersze  zastosowanie  znalazły  brązy
aluminiowe,  krzemowe,  ołowiowe  i  berylowe.

Dzieli się je na brązy odlewnicze i do

przeróbki  plastycznej.  Norma  PN  –  BN  1982:2002  wyszczególnia  skład  chemiczny
i właściwości  mechaniczne  brązów  odlewniczych:  Bl0,  B101,  B102,  B1010,  B815,  B555,
B476,  B520,  BA93,  BA1032,  BA1044,  BK331  Znak  stopu  odlewniczego  może  być
uzupełniony  symbolem  rodzaju  procesu  odlewniczego:  GS  –  odlewanie  w  formach
piaskowych, GM – w kokilach, GZ – w procesie ciągłym, GP – pod ciśnieniem. Na przykład

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

w symbolu CuA111Fe6Ni6 – C – GM litery oznaczają: C – odlew, GM – odlewanie
w kokilach.

Tytan należy do metali stosunkowo obficie występujących w skorupie ziemskiej

i zajmuje czwarte  miejsce  –  po  aluminium, żelazie  i  magnezie. Został odkryty w  1791  roku,
jednak  jego  produkcja  w  postaci  metalu  plastycznego  datuje  się  dopiero  od  połowy  XX
wieku. Wiąże się to z bardzo dużym powinowactwem tytanu do tlenu i azotu, czyniącym ten
metal  trudnym  metalurgicznie  i  technologicznie.  Ze  stopów  Ti  wykonuje  się  profile  lotek
samolotów naddźwiękowych,  silniki  strumieniowe, głowice obrotowe helikopterów, korpusy
rakiet, obudowy żyrokompasów. Tytanowe poszycia statków morskich nie obrastają glonami
i  muszelkami.  W  kontakcie  z  żywnością  stopy  tytanu  nie  zmieniają  jej  barwy,  smaku
i zapachu.  Są  więc  dopuszczone  do  stosowania  w  przemyśle  spożywczym.  Dzięki  trwałości
i łatwej  przyswajalności  przez  organizm  ludzki  używa  się  ich  w  medycynie.  Swoją
obojętnością biologiczną stopy te przewyższają wszystkie znane stale i stopy nierdzewne oraz
kwasoodporne.

4.6.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jakie są właściwości i zastosowanie miedzi?
2.  Jakie są zasady podziału i klasyfikacji stopów nieżelaznych?
3.  Jakie  właściwości  aluminium  zadecydowały  o  jego  zastosowaniu  w  stopach  metali

nieżelaznych?

4.  Jakie są definicje następujących stopów: brązy, mosiądze?
5.  Na czym polega zasada wytwarzania stopów niskotopliwych?
6.  Jakie są cechy charakterystyczne mosiądzów odlewniczych i do przeróbki plastycznej?
7.  Jakie są właściwości czystego aluminium?

4.6.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Na podstawie norm zidentyfikuj stopy metali nieżelaznych o oznaczeniach:

CuA111Fe6Ni6 – C – GM, EN AW – 5251: M4. Określ ich właściwości mechaniczne i podaj
stężenie pierwiastków.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zorganizować stanowisko pracy,
2)  odszukać w normach podane oznaczenia,
3)  zapisać  w  zeszycie  przedmiotowym  skład  chemiczny  oraz  właściwości  mechaniczne

odczytywanych materiałów

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

Poradnik dla ucznia,

−

katalogi wyrobów metalowych,

−

literatura z rozdziału 6 Poradnika dla ucznia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 2

Na podstawie otrzymanej dokumentacji technicznej urządzenia mechanicznego dobierz

materiał na jego obudowę. Przy doborze materiału należy uwzględnić warunki w jakich
pracuje urządzenie oraz sposób wykonania obudowy.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować dokumentację techniczną urządzenia,
2)  wybrać materiał na obudowę posługując się katalogami materiałowymi,
3)  uzasadnić pisemnie wybór materiału

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

Poradnik dla ucznia,

−

katalogi materiałów.

4.6.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) scharakteryzować mosiądze?



2) scharakteryzować brązy odlewnicze i do przeróbki plastycznej?



3) wyjaśnić oznaczenie brązów i mosiądzów wg PN?



4) scharakteryzować właściwości i zastosowanie aluminium?



5) dokonać podziału i klasyfikacji stopów metali nieżelaznych?



6) wyjaśnić oznaczenie stopu Al wg PN?



7) omówić zastosowanie tytanu?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.7. Obróbka cieplna i cieplno-chemicznea

4.7.1. Materiał nauczania

Żelazo występuje w przyrodzie pod postacią związków chemicznych, najczęściej

z tlenem.  W  technice,  poza  nielicznymi  wyjątkami,  stosuje  się  stopy  żelaza  z  różnymi
składnikami,  z  których  najważniejszym  jest  węgiel.  Oprócz  węgla,  techniczne  stopy  żelaza
zawierają zawsze pewne  ilości krzemu,  manganu, siarki  i  fosforu, przedostające się do stopu
w czasie procesów metalurgicznych.

W czasie nagrzewania (lub chłodzenia) stopów żelaza zachodzi w nich szereg przemian,

aż do topnienia włącznie; obrazuje je tzw. wykres żelazo – węgiel (rys. 27).

Rys. 27. Wykres żelazo – węgiel[12, s. 68]

Linie ciągłe dotyczą tzw. układu żelazo – cementyt, to znaczy stopów, w których węgiel

występuje pod postacią cementytu (węglika żelaza, Fe

C), linie przerywane – układu żelazo –

grafit, a więc stopów, w których węgiel występuje pod postacią grafitu.

Wykres można podzielić na dwie części:

a) część górna (linie ABCD i AHJECF) przedstawia przebieg topnienia przy nagrzewaniu

albo krzepnięcia przy stygnięciu,

b) część dolna (linie HNJ, GSE, GPSK, PQ) przedstawia przebieg tzw. przemian w stanie

stałym.
Jeżeli ciekły stop żelaza z węglem zacznie stygnąć, to początek krzepnięcia (w zależności

od zawartości węgla) będzie się znajdował na krzywej ABCD (tzw. linia likwidusu – od
łacińskiego słowa liquidus = płynny), a koniec krzepnięcia na linii AHJECF (tzw. linia

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

solidusu od łacińskiego słowa solidus = stały, mocny). W temperaturach powyżej linii
likwidusu występuje więc stop w stanie ciekłym,

w obszarze między liniami likwidusu

i solidusu – stop w stanie częściowo ciekłym (ciecz z wydzielonymi z niej kryształami),
poniżej linii solidusu – stop całkowicie zestalony.

Stopy żelaza stosowane w praktyce i określane jako surówki i żeliwa zawierają

zazwyczaj węgiel w granicach 2,0–4,3%, a więc jeżeli nie ma oddziaływania dodatków
stopowych, to wszystkie one zaczynają topić się w temp. 1130°C (1135°C), a kończą się topić
różnie, zależnie od zawartości węgla, zgodnie z linią BC wykresu żelazo – węgiel.

W stopach żelaza określanych jako stale, o zawartości do 2,0% C, temperatura początku

topnienia przy ogrzewaniu (lub końca krzepnięcia przy chłodzeniu) jest zmienna, zależnie od
zawartości węgla (krzywa AHJE).

Jeżeli skrzepnięty, gorący stop żelazo – węgiel będzie stygnął dalej poniżej temperatury.

1130°C lub zimny stop będziemy nagrzewać do tej temperatury, to będą w nich zachodzić
tzw. przemiany w stanie stałym.

Przemiany te są spowodowane występowaniem odmian alotropowych żelaza, różniących

się budową krystalograficzną, właściwościami fizycznymi, chemicznymi i mechanicznymi.

Rozróżnia się odmiany alotropowe żelaza: α, γ,

(α) przy czym odmiana α do 768°C jest

ferromagnetyczna  (ma  właściwości  magnetyczne),  zaś  powyżej  768°C  –  paramagnetyczna
(niemagnetyczna).  Poszczególne  odmiany  odznaczają  się  różną  rozpuszczalnością  węgla.
Żelazo  rozpuszcza  węgiel  tylko  w  bardzo  niewielkim  stopniu,  żelazo  γ  odznacza  się  dużą
rozpuszczalnością węgla.

W stopach żelaza z węglem przemiana alotropowa α

↔

γ i związane z tym rozpuszczanie

lub wydzielanie węgla nie zachodzi w stałej temperaturze, lecz w zakresie temperatur od
723°C do temperatury określonej linią GSE.

Temperaturę początku przemiany α

↔

γ oznacza się literą A

– jest to tzw. punkt A

stali.

Przy stygnięciu następuje pewne przechłodzenie i przemiana następuje poniżej 723°C, przy
nagrzewaniu – nieco powyżej 723°C. Dlatego też punkt A

oznacza się przy nagrzewaniu

przez A

Temperaturę końca przemiany α

↔

γ oznacza się literą A

– punkt A

stali. Rozróżnia

się: przy nagrzewaniu – Ac

, zaś przy stygnięciu – A

. Temperaturę tej przemiany, zależnie

od zawartości węgla, określa krzywa GSK. Dla stali o zawartości węgla większej niż 0,8%
punkty A

i A

pokrywają się.

Temperaturę końca rozpuszczania cementytu dla stali o zawartości powyżej 0,8% C

oznacza się literami A

(linia SE).

Dla stali o zawartości 0,8% C przemiana rozpoczyna się i kończy w tej samej temp.

723°C – stal taką nazywa się eutektoidalną (przez analogię do stopów eutektycznych, które
topią się i krzepną w stałej temperaturze).
Pojęcie obróbki cieplnej

Obróbka cieplna jest to proces technologiczny, którego celem jest zmiana właściwości

metali i stopów przez zmianę struktury wywołaną działaniem temperatury i czasu.

Obróbka cieplna jest to zabieg pod wpływem którego zmienia się w stanie stałym

strukturę  stopów,  a  tym  samym  ich  właściwości  chemiczne,  fizyczne  i  mechaniczne
w dostosowania  ich  do  wymaganych  warunków.  Terminologię  poszczególnych  zabiegów
obróbki  cieplnej  ujmuje  PN  –  76  /H  –  01200.  Rozróżnia  się  obróbkę  cieplną  i  obróbkę
cieplno-chemiczną.

W procesach obróbki cieplnej istnieją trzy główne grupy operacji cieplnych: wyżarzanie,

hartowanie i odpuszczanie, przesycanie i starzenie. Bardzo ważne znaczenie ma tzw.
ulepszanie cieplne oraz utwardzanie cieplne, które polega na hartowaniu martenzytycznym
i odpuszczaniu stali. Ulepszanie cieplne znacznie polepsza właściwości mechaniczne stali.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyżarzanie jest operacją obróbki cieplnej, która polega na nagrzaniu stali do określonej

temperatury,  wygrzaniu  w  tej  temperaturze  i  powolnym  chłodzeniu.  Celem  wyżarzania  jest
otrzymanie  określonej  struktury  zapewniającej  wymagane  właściwości  materiału.
W zależności  od  określonego  celu  wyróżnia  się  następujące  rodzaje  wyżarzania:
ujednorodniające,

normalizujące,

zupełne,

izotermiczne,

niezupełne,

sferoidyzujące,

zmiękczające, rekrystalizujące i odprężające.

Rys. 28.

Zakresy temperatury wyżarzania stali niestopowych (węglowych) [11, s.100]

Wyżarzanie zupełne polega na nagrzaniu przedmiotów o 30–50°C powyżej linii GSE),

wygrzaniu  w  tej  temperaturze  i  następnie powolnym  studzeniu,  najczęściej  razem  z  piecem.
Wyżarzanie  to  ma  na  celu  nadanie  stali  budowy  drobnoziarnistej  odznaczającej  się  znaczną
ciągliwością  i  małą  twardością,  usunięcie  naprężeń  własnych  oraz  czasem  polepszenie
obrabialności.

Przykłady zastosowania: wyżarzane odlewów staliwnych w celu rozdrobnienia ziarna,

regenerowanie struktury przegrzanej itd.

Wyżarzanie normalizujące (normalizowanie) polega na nagrzaniu przedmiotu

o  30–50°C  powyżej  linii  GSE,  wygrzaniu  w  tej  temperaturze  i  następnie  studzeniu
w spokojnym powietrzu. Wyżarzanie normalizujące ma na celu usunięcie naprężeń własnych,
polepszenie  właściwości  wytrzymałościowych  i  przygotowanie  struktury  przed  ostateczną
obróbką cieplną, a niekiedy i mechaniczną. Stal otrzymuje przy tym strukturę drobnoziarnistą,
typową  dla  danych  warunków  chłodzenia  i  jednolitą  dla  całej  partii  wyrobów.  Różnica
między wyżarzaniem zupełnym, a normalizującym polega na sposobie studzenia – powolnym
studzeniu  (z  piecem  lub  w  skrzynce)  przy  wyżarzanie  zupełnym  i  szybszym  w  spokojnym
powietrzu przy normalizowaniu.

Wyżarzanie zmiękczające – zmiękczanie (sferoidyzacja, wyżarzanie na cementyt

kulkowy) ma na celu otrzymanie struktury cementytu kulkowego na tle ferrytycznym. W ten
sposób uzyskuje się obniżenie twardości i polepszenie obrabialności stali narzędziowych,
powiększenie plastyczności stali przeznaczonych do przeciągania na zimno itd.

Wyżarzanie zmiękczające polega na nagrzaniu przedmiotu do temperatur zbliżonych do

(ok. 723°C), zazwyczaj nieco poniżej lub z wahaniami temperatury ok. A

, dłuższym

wygrzewaniu w tej temperaturze i następnie studzeniu.

Wyżarzanie rekrystalizujące (rekrystalizowanie) stosuje się do materiału poddanego

uprzednio  obróbce  plastycznej  na  zimno.  Ma  na  celu  usunięcie  objawów  zgniotu,  a  więc
zastąpienie  zdeformowanej  i  twardej  struktury  przez  foremną,  miękką  i  zazwyczaj
drobnoziarnistą.  Polega  na  nagrzewaniu  do  temperatury  wyższej  od  temperatury

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

rekrystalizacji, lecz niższej od A

(550–650°C), wygrzaniu w tej temperaturze i następnie

studzeniu.

Wyżarzanie odprężające ma na celu usunięcie naprężeń własnych bez wyraźnych zmian

strukturalnych. Polega ono na nagrzewaniu przedmiotu do temperatury z reguły niższej od
A

, natomiast wyższej od temperatury, w której metal traci znaczną część wytrzymałości

i staje  się  plastyczny,  co  umożliwia  usunięcie  naprężeń  przez  wewnętrzne  odkształcenia
plastyczne.  Przykłady  zastosowania:  wyżarzanie  odprężające  żeliwa  w  temp.  450–550°C,
staliwa  w  temp.  500–550°C,  wyżarzanie  przedmiotów  spawanych  w  temp.  500–600°C,
wyżarzanie przedmiotów kutych i prasowanych na zimno w temp. 400–450°C itd.

Oprócz opisanych sposobów wyżarzania w hutnictwie i odlewnictwie są stosowane

jeszcze,  wyżarzanie  ujednorodniające  (ujednorodnianie,  homogenizacja)  mające  na  celu
zmniejszenie  miejscowych  niejednorodności  składu  chemicznego,  wyżarzanie  izotermiczne
stosowane  głównie  do  stali  stopowych  i  mające  na  celu  skrócenie  czasu  potrzebnego  do
wyżarzania  zupełnego  oraz  wyżarzanie grafityzujące (grafityzacja)  stosowane zasadniczo  do
żeliwa (wyrób żeliwa ciągliwego) i mające na celu przemianę cementytu na grafit.

Hartowanie jest operacją obróbki cieplnej polegającą na nagrzaniu przedmiotu do

temperatury zapewniającej wytworzenie struktury austenitu (o 30–50°C powyżej linii A

c1,3

)

i następnie szybkim chłodzeniu. Celem hartowania jest uzyskanie struktury martenzytycznej
(rys. 29), charakteryzującej się między innymi odpowiednio dużą twardością.

Rys. 29.

Stal węglowa o zawartości 1,3% C hartowana z chłodzeniem w wodzie martenzyt
i ciemne plamy troostytu hartowania [12, s. 103]

Przemiana austenitu w martenzyt rozpoczyna się w określonej temperaturze, zależnej od

składu  chemicznego  stali.  Dla  stali  węglowych  ta  temperatura  przemiany  znajduje  się
w granicach  100–300°C  zależnie  od  zawartości  węgla.  Gwałtowne  chłodzenie  początkowe
ma  celu  przetrzymanie  (przechłodzenie)  austenitu,  aż  do  temperatury  przemiany
martenzytycznej. Jeżeli chłodzenie  jest zbyt wolne, to zanim zostanie osiągnięta temperatura
przemiany  martenzytycznej,  austenit  zacznie  rozkładać  się  na  inne  struktury  i  stal  uzyska
niższą twardość.

Zależnie od sposobu chłodzenia rozróżnia się hartowanie: zwykłe, stopniowe

i z przemianą izotermiczną.

Hartowanie zwykłe polega na nagrzaniu przedmiotu do odpowiedniej temperatury (do

stanu  austenitycznego  –  powyżej  linii  GS)  i  następnie  szybkim  ochłodzeniu  w  kąpieli
chłodzącej do temperatury poniżej temperatury przemiany martenzytycznej, zazwyczaj aż do
temperatury  równej  lub  zbliżonej  do  temperatury  otoczenia,  a  więc  15–60°C.  Hartowanie
takie,  najczęściej  stosowane  w  praktyce,  umożliwia  uzyskanie  największej  twardości  dzięki
zachodzącej przemianie martenzytycznej.

Hartowanie stopniowe polega na nagrzaniu (jak przy hartowaniu zwykłym), szybkim

chłodzeniu  w  kąpieli  nagrzanej  do  temperatury  pośredniej  powyżej  początku  przemiany
martenzytycznej  (np.  300–350°C),  przetrzymaniu  przez  krótki  czas  w  tej  temperaturze,  aby
nastąpiło  wyrównanie  temperatur  w  przekroju,  i  dalszym  chłodzeniu  w  oleju  lub  na
powietrzu.  Jako  kąpiel  stosuje  się  zazwyczaj  stopioną  saletrę  lub  kąpiel  chlorkową.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Naprężenia i odkształcenia zmniejszają się przy tym sposobie znacznie. Wadą metody jest
trudność ustalenia krótkiego czasu przetrzymywania (wymagana duża wprawa).

Hartowanie z przemianą izotermiczną polega na nagrzaniu jak przy hartowaniu zwykłym,

a  następnie  chłodzeniu  w  nagrzanej  kąpieli  saletrzanej  lub  ołowiowej.  Przemiana  austenitu,
jaka przy tym zachodzi, przebiega do końca w stałej temperaturze i stąd nazwa – z przemianą
izotermiczną,  tzn.  w  stałej  temperaturze.  Temperaturę  kąpieli  (300–500°C)  dobiera  się
w zależności od tego jakie są żądane właściwości, ale w każdym razie wyższą niż temperatura
początku  przemiany  martenzytycznej.  Podczas  stygnięcia  w  stałej  temperaturze  następuje
rozpad  austenitu  na  różne  struktury  (bainit  górny  i  dolny)  zależnie  od  temperatury  kąpieli,
o właściwościach zbliżonych do stali zahartowanej i odpuszczonej w sposób zwykły.

Zaletą hartowania izotermicznego jest to, że daje ono twardość, strukturę i inne

właściwości podobne do stali zahartowanej w sposób zwykły i odpuszczonej, jednak
z pominięciem przemiany martenzytycznej, która powoduje naprężenia, odkształcenia
i

pęknięcia. Ograniczeniem jest to, że daje się stosować tylko do stali o większej zawartości

węgla i tylko do małych przedmiotów. Dla dużych przedmiotów chłodzenie w saletrze jest
zbyt wolne, aby uzyskać zahartowanie.

Właściwości stali zahartowanej określają dwie cechy: hartowność i utwardzalność.

Utwardzalność  jest  to  zdolność  stali  do  utwardzania  się  przy  hartowaniu.  Miarą
utwardzalności  jest  maksymalna  twardość  mierzona  na  powierzchni.  Twardość  zależy  od
ilości  węgla  i  rośnie  do  zawartości  ok.  0,9%  C. Hartowność  określa  głębokość,  na  jaką  stal
daje  się  zahartować.  Miarą  hartowności  jest  głębokość  strefy  zahartowanej.  Głębokość
warstwy  zahartowanej  określa  się  od  powierzchni  zewnętrznej  do  początku  strefy,  której
struktura składa  się  z  50%  martenzytu. Po  hartowaniu  martenzytycznym  stale konstrukcyjne
wykazują duże naprężenia własne i strukturalne oraz małą plastyczność, co uniemożliwia ich
bezpośrednie  użycie.  W  celu  zmniejszenia  tych  niekorzystnych  skutków  stosuje  się
odpuszczanie.

Odpuszczanie jest zabiegiem cieplnym stosowanym zasadniczo do stali hartowanych,

ma ono na celu usunięcie naprężeń hartowniczych i zmianę właściwości mechanicznych,
a więc obniżenie twardości i wytrzymałości na rozciąganie. Odpuszczanie polega na tym, że
przedmiot zahartowany nagrzewa się (zależnie od tego, jaki efekt chce się uzyskać) do temp.
180–650°C, przetrzymuje pewien czas w tej temperaturze i następnie chłodzi.

W czasie odpuszczania następuje zmiana struktury. Zasadniczy składnik zahartowanej

stali węglowej – martenzyt rozpada się przez wydzielenie najdrobniejszych (dyspersyjnych)
ziarenek cementytu. Powstają struktury stali odpuszczonej – trostyt odpuszczania (rys. 30)
i sorbit odpuszczania.

Rys. 30. Stal węglowa o zawartości 0,5% C hartowana z chłodzeniem w wodzie i odpuszczona.

Troostyt odpuszczania [5,s 105]

W zależności od temperatury rozróżnia się odpuszczanie: niskie, średnie i wysokie.

Odpuszczanie niskie polega na nagrzaniu przedmiotu do temperatury 150–200°C i następnie
chłodzeniu. Głównym jego celem jest usunięcie naprężeń hartowniczych, z zachowaniem
wysokiej twardości i odporności na zużycie (ścieranie).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Przykłady zastosowania: narzędzia, sprawdziany, sprężyny śrubowe z drutu

patentowanego i niektóre taśmowe, przedmioty nawęglane itd.

Odpuszczanie średnie – w temp. 250–500°C ma na celu uzyskanie dużej wytrzymałości

i sprężystości  przy  dostatecznej  odporności  na  uderzenie,  twardość  obniża  się  przy  tym
znacznie.  Przykłady  zastosowania:  sprężyny,  matryce,  wszelkiego  rodzaju  resory,  części
mechanizmów  pracujących  na  uderzenie,  młotki  pneumatyczne,  części  broni  maszynowej,
samochodowe itd.

Od puszczanie wysokie – w temp. powyżej 500°C, a poniżej A

przeprowadza się w celu

uzyskania wysokich cech wytrzymałościowych, przy niewiele tylko obniżonych cechach
plastycznych. Stal odpuszczona w ten sposób ma twardość 250–350 HB i daje się już
obrabiać przez skrawanie.

W czasie odpuszczania następuje zmiana struktury. Zasadniczy składnik zahartowanej

stali węglowej – martenzyt – rozpada się przez wydzielanie najdrobniejszych (dyspersyjnych)
ziarenek cementytu. Powstają struktury stali odpuszczonej – troostyt odpuszczania i sorbit
odpuszczania.
Obróbka cieplno-chemiczna

Obróbka cieplno-chemiczna stali polega na wygrzewaniu stali w określonym środowisku

chemicznym w celu dyfuzyjnego wprowadzenia do warstwy przypowierzchniowej przedmiotu
obcego  pierwiastka  (a  nawet  dwóch  lub  trzech  pierwiastków).  Celem  dyfuzyjnego
wprowadzenia  pierwiastków  do  warstwy  przypowierzchniowej  jest  uzyskanie  określonych,
korzystnych  właściwości  użytkowych,  np.:  wysokiej  twardości  warstwy  wierzchniej  części
przy  zachowaniu  ciągliwości  rdzenia,  wysokiej  odporności  na  ścieranie,  zmniejszenie
współczynnika tarcia, podwyższenia odporności na korozję itp.

Obróbka cieplno-chemiczna dzieli się na dyfuzyjne nasycanie :

−

niemetalami: nawęglanie, azotowanie, siarkowanie, utlenianie, borowanie, krzemowanie,

−

metalami: aluminiowanie, chromowanie, cynkowanie, tytanowanie,

−

wieloskładnikowe:

węgloazotowanie,

tlenoazotowanie,

węglotytanowanie,

siarkowęgloazotowanie.
Obróbka cieplno-chemiczna w zależności od rodzaju pierwiastka nasycającego może

przebiegać w środowisku stałym, ciekłym lub gazowym, bogatym w pierwiastek dyfundujący
do stali. W wielu przypadkach jest to środowisko gazowe, w którym mogą zachodzić procesy:
dysocjacji, adsorpcji i dyfuzji. W wyniku tych procesów powstaje warstwa dyfuzyjna
wykazująca największe stężenie dyfundującego pierwiastka na powierzchni. Stężenie to
maleje w miarę zwiększenia głębokości warstwy przypowierzchniowej.

Zespół operacji polegający na nawęglaniu. hartowaniu i niskim odpuszczaniu nazywa się

węgloutwardzaniem cieplnym. Wynikiem tego procesu jest otrzymanie odpornej na ścieranie
warstwy powierzchniowej o twardości 60–64 HRC z zachowaniem ciągliwości rdzenia
o twardości 25–35 HRC. W produkcji jednostkowej i małoseryjnej stosuje się nawęglanie
w proszkach, w produkcji masowej – nasycanie gazowe.

Nawęglanie w proszkach przeprowadza się w temperaturze 900–950°C w szczelnie

zamkniętych

żaroodpornych

skrzynkach

wypełnionych

węglem

drzewnym

z intensyfikatorami (np. BaCO

, Na

). Proces jest długotrwały i nie można go w pełni

kontrolować.  Nawęglanie  gazowe  polega  na  wygrzewaniu  przedmiotów  w  komorach  pieca,
przez  które  przepływa  gaz  nawęglający  (np.  gaz:  ziemny,  świetlny,  generatorowy,
koksowniczy).  Najsilniej  działający  jest  gaz  ziemny,  który  stosuje  się  z  produktami
niezupełnego  spalania  gazu  ziemnego,  otrzymując  główne  składniki  mieszaniny  (nie
tworzącej sadzy): CH

, CO i N

. W temperaturze nawęglania 900 ÷ 950°C zachodzą reakcje:

= 2H

+ C

2CO = CO

+ C

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

w  wyniku  których  powstaje  węgiel  dyfundujący  do  stali.  Stężenie  węgla  C  w  warstwie
przypowierzchniowej  stali,  które  można  regulować  od  wart.  1,2–1,3%  na  powierzchni  do
stężenia  węgla  w  stali  nienawęglonej.  Powierzchnie  nienawęglane  zabezpiecza  się  przez
galwaniczne  pokrywanie  miedzią  lub  za  pomocą  specjalnych  past  złożonych  z  glinki,
boraksu,  szkła  wodnego  itp.  Głębokości  warstw  nawęglonych  wynoszą  0,6–2  mm.  Stale
niestopowe  do  nawęglania  zawierają  0,1–0,25%  C,  a  stale  niskostopowe  0,07–0,24%  C.  Po
nawęglaniu  należy  przeprowadzić  właściwy  proces  hartowania  z  niskim  odpuszczaniem.
Twardość po nawęglaniu zostaje zachowana przy odpuszczaniu do ok. 200°C.

Azotowanie jest dyfuzyjnym procesem nasycania stali w warstwie przypowierzchniowej.

Istnieją  dwa  rodzaje  azotowania:  utwardzające  i  przeciwkorozyjne.  Azotowaniu  poddaje  się
specjalne  stale  stopowe  po  ulepszaniu  cieplnym,  tj.  hartowaniu  i  wysokim  odpuszczaniu.
Stale  te  mają  temperaturę  odpuszczania wyższą od temperatury  azotowania utwardzającego.
Pierwiastki  stopowe  tych  sta]i  tworzą  trwałe  azotki  zapewniające  zachowanie  bardzo
wysokiej  twardości  (900–1200  HV)  podczas  długotrwałej  pracy  w  temperaturze  do  okołp
500°C  oraz  odporność  na  ścieranie.  Inne  stale  poddaje  się  azotowaniu  w  celu  wytworzenia
warstwy  antykorozyjnej  lub  zwiększeniu  wytrzymałości  zmęczeniowej.  Proces  azotowania
utwardzającego  przebiega  najczęściej  w  temperaturze  500–520°C  w  ciągu  10–100  godzin.
W praktyce  grubości  warstw  azotowanych  wynoszą  0,1+0,6  mm.  Maksymalna  twardość
występuje  na  głębokości  ok.  0,05  mm.  Azotowanie  przeciwkorozyjne  prowadzi  się
w temperaturze  600–700°C  w  ciągu  0,5  do kilku  godzin,  w celu  uzyskania  bardzo  szczelnej
umiarkowanie  twardej  warstwy  o  dobrej  odporności  na  korozję  i  grubości  do  0,02 mm,
a nawet do 0,04 mm.

Obróbka plastyczna jest to taka obróbka, podczas której ukształtowanie materiału

uzyskuje się w wyniku odkształcenia plastycznego. Umożliwia ona również zmianę
właściwości fizykochemicznych, mechanicznych, struktury, gładkości powierzchni albo
wytworzenie naprężeń własnych w materiale.

Odkształcenie plastyczne (trwałe) jest to trwała zmiana kształtu ciała pozostająca po

odciążeniu ciała ze stanu plastycznego. Odkształcenie plastyczne jest możliwe dzięki
plastyczności, stanowiącej zdolność materiału do odkształceń trwałych bez naruszenia jego
spójności (bez występowania pęknięć).

W praktyce przemysłowej spotyka się następujące rodzaje obróbki plastycznej:

walcowanie, ciągnienie, kucie i prasowanie, wyciskanie, tłoczenie, w wyniku których
otrzymuje się blachy, pręty o różnych przekrojach, rury, druty, szyny, kształtowniki, elementy
maszyn (rys. 31).

Rys. 31. Schematy obróbki plastycznej: a) walcowanie, b) kucie, c) ciągnienie, d) wyciskanie,

e) tłoczenie [s. 113]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Walcowanie polega na odkształceniu metalu między walcami obracającymi się

w przeciwnych kierunkach. W obróbce plastycznej jest to najbardziej wydajny i masowy
proces produkcyjny.

Kucie polega na nadaniu przedmiotowi żądanego kształtu przez ściskanie materiału

między kawałkami lub między odpowiednio przygotowanymi narzędziami, zwanymi
matrycami.

Ciągnienie polega na przeciąganiu (zazwyczaj na zimno), uprzednio walcowanego

materiału, przez ciągadła.

Wyciskanie polega na wywieraniu na metal nacisku, pod wpływem którego wypływa on

przez otwór matrycy, przyjmując kształt wyznaczony jego zarysem.

Tłoczenie jest to proces stosowany do wyrobu różnego rodzaju elementów z blach i taśm.
W zależności od wymaganych właściwości wyrobów oraz rodzaju obrabianego metalu

lub stopu obróbka plastyczna może odbywać się na zimno lub na gorąco. Obróbka plastyczna
na  zimno  jest  wykonywana  w  temperaturze  niższej  od  temperatury  rekrystalizacji.  Cechą
charakterystyczną obróbki plastycznej na zimno jest to, że metal zachowuje w sposób trwały
strukturę i właściwości nadane mu przez odkształcenie. Do niepożądanych zmian właściwości
należy  zmniejszenie  zdolności  do  odkształceń  plastycznych.  W  celu  przywrócenia
plastycznych  właściwości  metalu  i  umożliwienia  dalszej  jego  obróbki  plastycznej  należy
poddać go wyżarzaniu rekrystalizującemu, tj. nagrzać do odpowiednio wysokiej temperatury
(powyżej  temperatury  rekrystalizacji),  przetrzymać  w  tej  temperaturze,  a  następnie  wolno
schłodzić.

W wyniku obróbki plastycznej na zimno uzyskuje się zmianę struktury metalu,

polepszenie  jego  właściwości  wytrzymałościowych,  wysoką  gładkość  powierzchni  wyrobów
i dużą  dokładność  wymiarów.  Obróbkę  na  zimno  stosuje  się  wtedy,  gdy podczas  obróbki  na
gorąco  zachodzi  bardzo  szybkie  stygnięcie  wyrobów  o  małych  przekrojach  lub  o  dużym
stosunku  powierzchni  do  objętości  (np.  blachy  we  wstęgach  i  taśmy  o  grubościach
mniejszych  niż  1,  5  mm,  druty  o  średnicach  mniejszych  niż  5  mm),  co  uniemożliwia  lub
bardzo  utrudnia  obróbkę  na  gorąco.  Stosuje  się  ją  również  do  przetwórczej  obróbki
plastycznej,  np.  tłoczenie  wyrobów  z  blach  cienkich.  Możliwość  jej  stosowania  ograniczają
bardzo duże naciski potrzebne do odkształcenia metalu na zimno.

Podczas obróbki plastycznej na gorąco zachodzą równocześnie dwa przeciwne sobie

procesy,  tj.  umocnienie,  wywołane  odkształceniem  oraz  rekrystalizacja  eliminująca  skutki
umocnienia.  Praktycznie  obróbkę  plastyczną  stali  na  gorąco  prowadzi  się  w  temperaturach
850–1250°C.  Całkowita  wielkość  odkształcenia  jest  ograniczona  wyłącznie  szybkością
stygnięcia obrabianego metalu. Do zalet obróbki plastycznej na gorąco zalicza się:

−

znaczne zmniejszenie granicy plastyczności (dla stali około 10 razy), co powoduje
zmniejszenie nacisków potrzebnych do odkształceń,

−

brak umocnienia, w wyniku czego właściwości odkształcanego materiału nie ulegają
zmianie,

−

znaczną odkształcalność.
Podstawową operacją poprzedzającą obróbkę plastyczną na gorąco jest nagrzewanie

wsadu. Od wysokości temperatury, do której  nagrzewa  się  metal przed obróbką, zależy  jego
plastyczność,  tzn.  zdolność  do  odkształcenia  pod  działaniem  sił  zewnętrznych  (np.  stal
nagrzana do 1200°C jest cztery razy elastyczniejsza niż nagrzana do 1000°C). Stal do dróbki
plastycznej  na  gorąco  nagrzewa  się  do  temperatury  100–150°C  poniżej  inii  solidusu.
Temperatura  nagrzewania  stali  jest  uzależniona  od  procentowej  zawartości  węgla.  Stal
o mniejszej  zawartości  węgla  obrabia  się  plastycznie  w  znacznie  szerszym  zakresie
temperatur,  niż  stal  o  podwyższonej  zawartości  węgla.  Jeże  stal  nagrzeje  się  powyżej
temperatury  początku  obróbki  plastycznej  na  gorąco,  następuje  przegrzanie,  które
charakteryzuje  się  gwałtownym  rozrostem  ziarn.  Jest  to  zjawisko  niepożądane  i może

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

doprowadzić  do  powstania  pęknięć  materiału,  stal  staje  się  krucha  i  mało  odporna  na
uderzenia.  Skutki  przegrzania  można  usunąć  poddając  stal  obróbce  cieplnej.  Podczas
nagrzewania  w  bardzo  wysokiej  temperaturze  możliwe  jest  przepalenie  stali.  Przepalenie
polega  na  wytworzeniu  się  tlenków  żelaza  na  granicach  ziarn.  Stal  przepalona  nadaje  się
jedynie  na  złom,  do  przetopu.  Na  przegrzanie  i  przepalenie  ma  wpływ  temperatura  i  czas
przetrzymywania  metalu  w  wysokiej  temperaturze.  Parametry  nagrzewania  stali  przed
obróbką  plastyczną  na  gorąco  powinny  zapewniać  otrzymanie  żądanej  temperatury  wsadu
i równomierne nagrzanie w całym przekroju.

Urządzenia do nagrzewania

Wsad do obróbki plastycznej na gorąco nagrzewa się w piecach płomieniowych,

elektrycznych  i  elektrycznych  urządzeniach  grzewczych.  Piece  płomieniowe  mogą  być
ogrzewane  paliwem  stałym,  ciekłym  i  gazowym.  Ze  względu  na  konstrukcję  i  rozkład
temperatury  w  roboczej  części  pieca  dzieli  się  je  na  komorowe  i  tunelowe.  Schemat  pieca
komorowego gazowego przedstawiono na rys. 32.

Rys. 32. Piec komorowy gazowy [s.116]

Przedmioty w czasie obróbki cieplnej nagrzewane są w specjalnych piecach.

W zależności od sposobu ogrzewania rozróżnia się piece gazowe, elektryczne z kąpielą. Piece
gazowe buduje się jako piece komorowe lub muflowe. W piecach muflowych spaliny
nagrzewają zewnętrzne ściany ogniotrwałej komory zwanej muflą. Przedmioty umieszczone
w mufli nagrzewają się przez promieniowanie.

W piecach elektrycznych (rys. 33) ciepło wytwarza się podczas przepływu prądu

elektrycznego przez elementy grzewcze, które wykonane są z materiałów o dużej rezystancji.
Piece takie nie wytwarzają spalin i utrzymują stałą temperaturę.

Wadą ich jest znaczny koszt

wytworzenia i eksploatacji.

Rys. 33. Piec elektryczny komorowy do nagrzewania stali przy hartowaniu; 1 – obudowa,

2 – kształtownik szamotowy, 3 – komora grzejna, 4 – płyta żaroodporna, 5 – drzwi [4, s. 87]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Piec z kąpielą solną stanowi (rys. 34) tygiel, wypełniony solami, które pod wpływem

ciepła topią się tworząc kąpiele grzewcze. Przedmioty nagrzewa się zamaczając je w gorącej
kąpieli solnej.

Rys. 34. Schemat urządzenia do nagrzewania w kąpieli solnej. 1 – wanna, 2 – sól, 3 – elektrody,

4 – transformator, 5 – termoelement [4, s. 88]

W wannie (1) znajduje się kąpiel grzewcza (2), nagrzewana bezpośrednio prądem za

pomocą dwóch elektrod (3). Prąd jest doprowadzony z sieci (6) przez transformator (4).
Temperaturę kąpieli mierzy się za pomocą termoelementu (5). Piec powinien być
wyposażony w urządzenie usuwające niebezpieczne dla zdrowia pary soli.

Do wytapiania stopów metali nieżelaznych stosuje się piece: tyglowe, płomienne,

elektryczne  indukcyjne  i  oporowe.  Najpopularniejsze  są  piece  tyglowe,  które  zajmują  mało
miejsca, są tanie i przystosowane do topienia w nich różnych ilości metalu. Mogą być opalane
koksem,  ropą  lub  gazem.  Piece  płomienne  w  których  występuje  bezpośredni  kontakt
topionego  metalu  z  płomieniem  lub  gazami  spalinowymi  dzielą  się  na  trzonowe  (rys.  35)
i

bębnowe (obrotowe).

Rys. 35. Piec płomienny trzonowy [12, s. 91]

Piece elektryczne indukcyjne nie różnią się od pieców do wytapiania żeliwa czy staliwa.

Piece elektryczne oporowe (rys. 36) są budowane jako stałe lub przechylne.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 36. Piec elektryczny oporowy tyglowy [12, s. 91]

Stosowane są przede wszystkim do topienia i przegrzewania stopów aluminium,

magnezu,  miedzi  i  niklu.  Umożliwiają  topienie  w  dowolnej  atmosferze,  jak  również
zapewniają  dokładną  regulację  temperatury,  małe  straty  topienia,  czystość,  bezpieczeństwo
pracy  i dogodną  obsługę.  Wadą  ich  jest duża bezwładność cieplna, czyli długi  czas  topienia
i wynikający  stąd  duży  koszt  energii  elektrycznej,  tygli  oraz  elementów  grzejnych.  Ze
względu  na  konstrukcje  piece  oporowe  można  podzielić  na  bębnowe,  trzonowe  i  tyglowe.
W piecach  bębnowych  i  trzonowych  promieniowanie  ciepła  odbywa  się  bezpośrednio  na
wsad,  a w piecach  tyglowych  przez ściankę  tygla. Elementem grzejnym  są  spirale  lub  taśmy
metalowe oraz pręty grafitowe lub litowe.
Urządzenia do chłodzenia

Urządzenia do chłodzenia w kąpielach nazywają się wannami hartowniczymi (rys. 37).

Są  to  zbiorniki  z  blachy  stalowej,  wypełnione  cieczą.  Na  skutek  ciągłej  pracy  (chłodzenia)
temperatura  kąpieli  wzrasta,  co  przeszkadza  w  procesie  hartowania.  Przeciwdziała  się  temu
stosując  płaszcz  wodny.  Taki  sposób  utrzymywania  stałej  temperatury  kąpieli  wymaga
stosowania zbiornika o podwójnych ścianach. Lepsze konstrukcyjnie jest rozwiązanie wanny
chłodzącej z wężownicą umieszczoną w samym zbiorniku.

Rys. 37.

Wanny chłodzone: a) płaszczem wodnym, b) wężownicą.[4, s. 88]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Dopływ wody zimnej do obu typów chłodnic powinien być u dołu, a dopływ wody

ogrzanej u góry.

Poza sposobem chłodzenia w wannach stosuje się sposób chłodzenia natryskiem

(rys. 38). Jest on stosowany przy hartowaniu częściowym narzędzi lub dużych przedmiotów.
Najprostsze urządzenie natryskowe składa się z podstawy, na której kładzie się chłodzony
przedmiot i odpowiednio do jego kształtu dopasowanej dyszy chłodzącej. Cieczą chłodzącą
jest zwykle woda.

Rys. 38. Urządzenia do chłodzenia natryskiem cieczy: młota, b) otworu ciągadła, c) tulei.[4, s.88]

Bhp przy obróbce cieplnej

Ze względu na występowanie wielu zagrożeń podczas grzania produktów, przenoszenia,

manipulowania przedmiotami nagrzanymi i chłodzenia, dla wydziałów obróbki cieplnej są
stawiane specjalne wymagania:

−

wydziały obróbki cieplnej winny być usytuowane w oddzielnych pomieszczeniach bez
możliwości kontaktu osób postronnych,

−

podłogi hal w wydziałach obróbki cieplnej winny być wykonane z klinkieru lub
ryflowanych płyt żeliwnych,

−

drogi transportowe muszą być krótkie i proste,

−

przewody  dostarczające  i  odprowadzające  wodę,  oleje  itp.  należy  prowadzić
w wydzielonych  kanałach  pod  podłogą;  kanały  te  wykłada  się  cegłą  lub  elementami
betonowymi  i  pokrywa  lekkimi  płytami  żelbetowymi;  przykrycia  kanałów  winny
otwierać się bez trudu i umożliwiać przejazd środków transportowych,

−

między  urządzeniami  należy  zapewnić  właściwy  transport  technologiczny  –  jak
przenośniki rolkowe, szynowe, łańcuchowe, suwnice – uwzględniając fakt, że najczęściej
będzie  to  transport  materiałów  niebezpiecznych,  które  należy  przemieścić  w  krótkim
czasie.
Do  charakterystycznych  zagrożeń  należą  poparzenia  rozpryskującą  się  gorącą  solą  lub

metalem. Mogą one wystąpić w przypadkach dosypywania soli hartowniczej o dużej
wilgotności lub zanurzaniu w kąpieli mokrych przedmiotów, ponieważ istnieje możliwość
rozprysku, a nawet wyrzucenia całej zawartości kąpieli na zewnątrz. Bardzo często występują
przypadki poparzeń przy rozładowywaniu gorących skrzynek po nawęglaniu, utrzymujących
bardzo długo wysoką temperaturę. Zabezpieczenia pracowników i środki ochrony obowiązują
analogicznie, jak w omówionych poprzednio rozdziałach.

Przy obróbce cieplnej, ze względu na specyficzny charakter pracy, istnieje możliwość

nieszczęśliwych  wypadków,  a  przede  wszystkim  poparzenia,  zatrucia  oraz  urazów
mechanicznych (przez upadek ciężkiego przedmiotu). W związku z tym każdy nowo przyjęty
pracownik  musi  być  przeszkolony  z  zakresu  przepisów  bhp  ogólnych  i  szczegółowych.
Przepisy ogólne  bhp winny dotyczyć: norm oświetlenia, ogrzewania i wentylacji, wymiarów
powierzchni  dla  danych urządzeń, szerokości przejść  i przejazdów, wysokości pomieszczeń,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

stanu podłóg, ścian i sufitów, pomieszczeń sanitarnych, higieny osobistej (trujące substancje),
odżywiania, odzieży ochronnej, okresowych badań lekarskich itp.

Przepisy szczegółowe winny dotyczyć: bezpieczeństwa i higieny pracy przy obsłudze

poszczególnych urządzeń, a więc: pieców, palników (hartowanie płomieniowe), wanien,
piaskownic itp.

W oddziale obróbki cieplnej musi się znajdować apteczka zawierająca pełny zestaw

środków pierwszej pomocy oraz instrukcję postępowania w razie wypadków zatruć (np.
cyjankami), poparzeń itp.

Pracownicy mający do czynienia z cyjankami lub kąpielami solnymi i metalowymi

muszą być co pewien okres czasu szkoleni z zakresu szkodliwości tych substancji i sposobów
zapobiegania wypadkom oraz udzielania pierwszej pomocy zatrutym.

4.7.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jaki jest cel i zakres stosowania obróbki cieplnej?
2.  Jaki jest cel i zakres stosowania hartowania?
3.  Na czym polega hartowanie na wskroś i hartowanie powierzchniowe?
4.  Jakie struktury uzyskuje się po hartowaniu?
5.  Jakie są urządzenia do nagrzewania i urządzenia do chłodzenia?
6.  Na czym polega odpuszczanie?
7.  Na czym polega ulepszanie cieplne i kiedy się go stosuje?
8.  Jaki jest cel i zakres stosowania wyżarzania?
9.  Jaki jest istota nawęglania?
10.  Na czym polega nawęglanie w środowisku stałym?

4.7.3. Ćwiczenie

Ćwiczenie 1

Wyznacz, na podstawie uproszczonego wykresu Fe – Fe

C, temperaturę hartowania stali

niestopowej o zawartości 0,5% C.

Rysunek do ćwiczenia 1 [10 cz2, s. 21]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przygotować stanowisko pracy,
2) odszukać na wykresie Fe – Fe

C skład chemiczny stali 0,5% C i poprowadzić od niego,

linię prostopadłą do przecięcia z linią GS,

3) odczytać temperaturę przemiany A

– 760°C (1033 K),

4) do odczytanej temperatury należy dodać 30°C, jest to temperatura do której należy

nagrzać stal, aby uzyskać austenit,

5) wybrać ośrodek chłodzący, (zwrócić uwagę na szybkość chłodzenia) zapewniający

uzyskanie struktury martenzytycznej,

6) przedstawić wynik ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

uproszczonego wykresu Fe – Fe

−

Poradnik dla ucznia,

−

przybory do rysowania,

−

literatura z rozdziału 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Wyznacz, na podstawie uproszczonego wykresu Fe – Fe

C, temperaturę wyżarzania

normalizującego dla stali niestopowej o zawartości 0,4% C i 1,2% C.

Rysunek do ćwiczenia 2 [9, s. 18]

Sposób wykonania ćwiczenia:

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przygotować stanowisko do wykonania ćwiczenia,
2) odszukać na osi składników wykresu Fe – Fe

C zawartość 0,4% C i poprowadzić od

niego linię prostopadłą do przecięcia z linią GS,

3) odczytać temperaturę przemiany A

przez poprowadzenie z punktu przecięcia linii

prostopadłej do skali temperatur – 820° C (1093 K),

4) dodać 30°C (K) i otrzymujemy temperaturę 850°C (1123 K), do której należy nagrzać

stal 0,4%C, aby uzyskać austenit,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5) podobnie postępować przy odczytywaniu temperatury austenityzacji stali o zawartości

1,2% C,

6) podać temperaturę nagrzewania stali niestopowej o zawartości 0,4% C i 1,2% C
7) przedstawić wyniki ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

uproszczonego wykresu Fe – Fe

−

Poradnik dla ucznia,

−

przybory do rysowania,

−

literatura z rozdziału 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 3

Zademonstruj, jak powinien być ubrany pracownik z wydziału obróbki cieplnej

obsługujący urządzenia do hartowania.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  dobrać sprzęt i środki ochrony indywidualnej,
2)  włożyć fartuch, nagolenniki, rękawice, buty, okulary i osłonę głowy,
3)  wyjaśnić w jaki sposób są zabezpieczane poszczególne części ciała przed zagrożeniami.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

sprzęt i środki ochrony indywidualnej,

−

Poradnik dla ucznia.

4.7.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) scharakteryzować wykres Fe – Fe



2) wyjaśnić proces obróbki cieplnej?



3) dobrać do hartowania środek chłodzący?



4) scharakteryzować rodzaje struktur uzyskanych po hartowaniu



5) wyjaśnić proces obróbki cieplno-chemicznej?



6) wykonać nawęglanie w środowisku stałym?



7) opisać

zagrożenia

występujące

wydziale

obróbki

cieplno-chemicznej?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA

1.  Przeczytaj uważnie instrukcję.
2.  Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.
3.  Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.
4.  Test  zawiera  20  zadań  wielokrotnego  wyboru  o  różnym  stopniu  trudności.  Tylko  jedna

odpowiedź jest prawidłowa.

5. Udzielaj odpowiedzi tylko na załączonej karcie odpowiedzi. Prawidłową odpowiedź

zaznacz X (w przypadku pomyłki należy błędną odpowiedź zaznaczyć kółkiem,
a następnie ponownie zakreślić odpowiedź prawidłową),

6. Test składa się z dwóch części o różnym stopniu trudności: I część – poziom

podstawowy, II część – poziom ponadpodstawowy.

7. Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania.
8. Kiedy udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłóż jego

rozwiązanie na później i wróć do niego, gdy zostanie Ci czas wolny. Trudności mogą
przysporzyć Ci zadania: 16–20, gdyż są one na poziomie trudniejszym niż pozostałe.
Przeznacz na ich rozwiązanie więcej czasu.

9. Na rozwiązanie testu masz 60 minut.

Powodzenia!

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

1. Stalą nazywamy stop żelaza z węglem

a)  o zawartości węgla do 2% poddany obróbce plastycznej.
b)  o zawartości węgla powyżej 2% poddany obróbce plastycznej.
c)  o dowolnej zawartości węgla poddany obróbce plastycznej.
d)  o zawartości węgla 4,6 % nie poddany obróbce plastycznej.

2. Mosiądzem nazywamy stop

a)  cynku i aluminium.
b)  magnezu i cynku.
c)  miedzi i cynku.
d)  aluminium, miedzi i magnezu.

3. Tworzywami sztucznymi, które można wielokrotnie przerabiać są

a)  tworzywa chemoutwardzalne.
b)  tworzywa termoplastyczne.
c)  tworzywa termoutwardzalne.
d)  wszystkie tworzywa sztuczne.

4. Metalem odpornym na korozję jest

a)  platyna.
b)  aluminium.
c)  cynk.
d)  ołów.

5. Metale nieżelazne to

a)  żelazo i jego stopy.
b)  wszystkie metale oprócz żelaza i jego stopów.
c)  stop żelaza z węglem o zawartości węgla do 2%.
d)  stop żelaza z węglem o zawartości węgla do 4,5%.

6. Znak literowy BK331 oznacza

a)  mosiądz.
b)  miedź.
c)  brąz.
d)  miedzionikiel.

7. Metale dobrze przewodzące prąd elektryczny to

a)  ołów i platyna.
b)  cyna i bizmut.
c)  srebro i miedź.
d)  tantal iwolfram.

8. Stop CuPb30 to

a)  mosiądz.
b)  brąz ołowiowy.
c)  brąz krzemowy.
d)  brąz manganowy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

9. Metale łatwo topliwe to

a)  ołów platyna.
b)  srebro miedź.
c)  wolfram, tantal.
d)  cyna bizmut.

10. Łożysko ślizgowe należy wykonać ze stopu o nazwie

a)  brąz ołowiowy.
b)  duraluminium.
c)  brąz berylowy.
d)  brąz manganowy.

11. Stop metali nieżelaznych CuZn10 to

a)  magnez.
b)  silumin.
c)  mosiądz.
d)  brąz berylowy.

12. Na części maszyn nie mogą być stosowane tworzywa sztuczne z uwagi na ich

a)  dobre właściwości przeciwcierne.
b)  znaczną odporność na działanie czynników atmosferycznych.
c)  małą odporność na działanie podwyższonych temperatur.
d)  dobrą plastyczność.

13. Hartowanie zaliczane jest do

a)  obróbki cieplnej.
b)  obróbki cieplno-chemicznej.
c)  obróbki cieplno-magnetycznej.
d)  obróbki cieplno-plastycznej.

14. Miedź na dobrą przewodność

a)  elektryczną.
b)  cieplną.
c)  elektryczną i cieplną.
d)  elektrostatyczną.

15. Odpuszczanie jest zabiegiem cieplnym stosowanym do stali

a)  hartowanych.
b)  wyżarzanych.
c)  przesycanych.
d)  stabilizowanych.

16. Z wymienionych pierwiastków metalami są

a)  miedź.
b)  żelazo.
c)  krzem.
d)  węgiel.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

17. Doraźną granicę wytrzymałości na rozciąganie oznaczamy symbolem

a)  Fm.
b)  Fe.
c)  Rc.
d)  Rm.

18. Rysunek przedstawia próbę

a)  rozciągania.
b)  zginania.
c)  spęczania.
d)  udarności.

19. Polimeryzacja to proces podczas którego, małe jednorodne cząsteczki (monomery)

a) dzielą się na cząstki zwane polimerami, a dodatkowo wydzielają się substancje

uboczne np. chlorowodór.

b) tworzą nową substancję o zmienionym składzie chemicznym, a dodatkowo

wydzielają się substancje uboczne np. woda, amoniak.

c) łączą się ze sobą tworząc jedną wielką cząstkę, a powstające substancje mają taki

sam skład chemiczny, jaki miały przed procesem.

d) tworzą pary drobnych cząstek, a powstała substancja ma zmieniony skład

chemiczny.

20. W metodzie Brinella wgłębnikiem jest

a)  kulka o średnicy 1,5875 mm.
b)  kulka o średnicy 10–5–2,5–2–1 mm.
c)  stożek diamentowy o kącie wierzchołkowym 120°.
d)  kulka  o  średnicy  1,5875  mm  lub  stożka  diamentowego  o  kącie  wierzchołkowym

120°.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

KARTA ODPOWIEDZI

Imię i nazwisko……………………………………………………………………………….

Stosowanie materiałów konstrukcyjnych i narzędziowych

Zakreśl poprawną odpowiedź

zadania

Odpowiedź

Punkty

Razem:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

6. LITERATURA

1. Bożenko L.: Maszynoznawstwo. Wydawnictwo Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1990
2. Dobrzanski L.: Metalowe materiały inżynierskie. Wydawnictwo Naukowo – Techniczne,

Warszawa 2004

3. Domke W.: Vademecum materiałoznawstwa. Wydawnictwo Naukowo – Techniczne,

Warszawa 1982

4. Dretkiewicz – Więch J.: Materiałoznawstwo Ośrodek Badawczo Rozwojowy Pomocy

Naukowych, Warszawa 1993

5.  Drętkiewicz – Więch J.: Technologia mechaniczna WSiP, Warszawa 2000
6.  Kassube W.: Materiałoznawstwo. WSiP, Warszawa 1974
7.  Mac S.: Obróbka metali z materiałoznawstwem. WSiP, Warszawa 1973
8.  Swat K.: Bezpieczeństwo i higiena pracy dla mechaników. WSiP Warszawa 1992
9.  Wojtkun F, Bukała W.: Materiałoznawstwo część 1 i 2 WSiP, Warszawa 1999
10.  Zając B.: Materiałoznawstwo WSiP, Warszawa 1997
11.  Zawora J.: Podstawy technologii maszyn WSiP, Warszawa 2001