Gornik_odkrywkowej_ekspolatacji_zloz_711[03]_O1.03

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

SPIS TREŚCI

1. Wprowadzenie

2. Wymagania wstępne

3. Cele kształcenia

4. Materiał nauczania

4.1. Stale, staliwa i Ŝeliwa jako materiały konstrukcyjne

4.1.1. Materiał nauczania

4.1.2. Pytania sprawdzające

4.1.3. Ćwiczenia

4.1.4. Sprawdzian postępów

4.2. Metale nieŜelazne ich stopy

4.2.1. Materiał nauczania

4.2.2. Pytania sprawdzające

4.2.3. Ćwiczenia

4.2.4. Sprawdzian postępów

4.3. Materiały niemetalowe

4.3.1. Materiał nauczania

4.3.2. Pytania sprawdzające

4.3.3. Ćwiczenia

4.3.4. Sprawdzian postępów

4.4. Materiały eksploatacyjne

4.4.1. Materiał nauczania

4.4.2. Pytania sprawdzające

4.4.3. Ćwiczenia

4.4.4. Sprawdzian postępów

4.5. Podstawowe rodzaje obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej

4.5.1. Materiał nauczania

4.5.2. Pytania sprawdzające

4.5.3. Ćwiczenia

4.5.4. Sprawdzian postępów

5. Sprawdzian osiągnięć

6. Literatura

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1. Stale, staliwa i Ŝeliwa jako materiały konstrukcyjne

4.1.1. Materiał nauczania

Materiały stosowane w budowie maszyn, dzieli się na metale i niemetale

(tzw. metaloidy). RóŜnorodność grup, rodzajów, klas i gatunków materiałów niemetalowych
jest znaczna i trudna do sklasyfikowania.

Faza metaliczna, stan metaliczny to postać występowania materii w skondensowanych

stanach  skupienia  tj.  stałym  i  ciekłym,  wyróŜnianą  spośród  innych  ciał  stałych  i  ciekłych  ze
względu  na  swoje  specyficzne  własności  zanikające  dopiero  po  przejściu  w  stan  gazowy.
reprezentowana  jest  przez  przewaŜającą  większość  (ponad  80)  pierwiastków  chemicznych,
które  ze  względu  na  ich  elektrododatni  charakter  zalicza  się  do  pierwiastków  metalicznych,
a takŜe  przez  niezmiernie  rozpowszechnione  stopy  i  fazy  międzymetaliczne  tych
pierwiastków.  Faza  metaliczna  materii  właściwa  zarówno  dla  stopów  metali,  a  takŜe
związków  międzymetalicznych  uwarunkowana  jest  specyficznym  charakterem  wiązań
metalicznych.  Charakter  ten  wynika  z  budowy  zewnętrznych  powłok  elektronowych
pierwiastków  elektrododatnich,  charakteryzujących  się  łatwością  uwolnienia  i  uwspólnienia
(kolektywizacji)  swych  elektronów  walencyjnych,  nazywanych  dlatego  elektronami
swobodnymi.  Przejawem  osłabionego  związania  elektronów  walencyjnych  z jądrem  atomu
są:  niski  potencjał  jonizacyjny  oraz  występujący  efekt  fotoelektryczny  i  zjawisko  emisji
elektronów swobodnych w wyŜszych temperaturach.

Odzwierciedleniem tych stosunków jest równieŜ specyficzna struktura krystaliczna

metali  występujących  w  warunkach  normalnych  w  stanie  stałym  (z  wyjątkiem  rtęci).
Charakteryzują  się  one  wśród  kryształów  gęsto  upakowaną  strukturą  sieci,  w  której  węzły
obsadzają  wyłącznie  dodatnie  jony  metali,  natomiast  wspólne  dla  całej  sieci  elektrony
swobodne znajdują się w pobliŜu tych jonów i pozostają w ustawicznym chaotycznym ruchu
(tzw.  gaz  elektronowy).  Ze względu  na  taka  budowę  metale  odznaczają  się  połyskiem
i brakiem  przezroczystości,  maja  duŜy  cięŜar  właściwy,  są  bardzo  dobrymi  przewodnikami
ciepła  i  elektryczności,  odznaczają  się  zarówno  duŜą  spręŜystością  jak  i  zdolnością  do
plastycznych  odkształceń  wzdłuŜ  płaszczyzn  lub kierunków  najgęstszego  upakowania
atomów,  a  więc  do  łatwych  poślizgów.  W  odróŜnieniu  od  struktury  wewnętrznej  większość
niemetali,  zbudowanych  co  najmniej  z  dwóch  rodzajów  jonów  lub  jonoidów  o  przeciwnych
znakach,  w  sieci  metalicznej  występuje  tylko  jeden  lub  kilka  rodzajów  jonów  dodatnich
metali.

W materiałach o własnościach półprzewodnikowych (np. Ge, Si) występują wiązania

o charakterze częściowo metalicznym, a częściowo jonowym, wskutek czego przewodzą prąd
elektryczny wyłącznie jednokierunkowo. W tym przypadku ich elektrony walencyjne noszą
nazwę elektronów prawie swobodnych. Niektóre metale (np. Fe, Co) wykazują specyficzne
właściwości magnetyczne.

Klasyfikacja materiałów metalowych obejmuje:

−

metale, czyli czyste pierwiastki metaliczne, do których zalicza się m. in. Aluminium,
chrom, cynę, cynk, kobalt, magnez, miedź, molibden, nikiel, ołów, platynę, srebro, sód,
tytan, uran, wanad, wolfram, złoto, Ŝelazo i in.;

−

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

spieki, czyli półwyroby lub wyroby gotowe otrzymywane metodami metalurgii proszków
przez spiekanie składników metalowych i ceramicznych, metalowo-grafitowych,
metalowo-diamentowych, itp.

Klasyfikacja stopów metali obejmuje:

−

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

rozpowszechnione),

−

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

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

Do właściwości chemicznych metali i stopów zalicza się odporność na korozje i działanie

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

Do właściwości fizycznych zaliczamy: gęstość, temperaturę topnienia, temperaturę

wrzenia, ciepło właściwe, przewodność cieplną i elektryczna, właściwości magnetyczne,
rozszerzalność cieplną i wygląd zewnętrzny.

Gęstość jest to stosunek masy ciała jednorodnego do objętości, wyraŜany w kg/m

lub

g/cm

. Stopy i metale lekkie, jak np.: lit, sód, magnez, aluminium i ich stopy, odznaczają się

małą gęstością. DuŜą gęstość mają metale cięŜkie, jak np.: Ŝelazo, nikiel, miedź, wolfram,
platyna i ich stopy.

Temperatura topnienia metali i ich stopów jest wyraŜana w stopniach Celsjusza (

C).

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

Temperatura wrzenia dla większości metali jest dość wysoka. Do łatwo wrzących metali

zalicza  się  kadm  i  cynk.  Temperatura  wrzenia  kadmu  wynosi  767°C,  a  cynku  907°C.
Tę własność cynku wykorzystuje się w hutnictwie otrzymując czysty cynk przez odparowanie
z rudy.

Ciepło właściwe jest to ilość ciepła pobierana (lub oddawana) przez 1 g danej substancji

przy  zmianie  temperatury  o  1°C.  Ciepło  właściwe  zaleŜy  od  rodzaju  substancji,  temperatury
i  sposobu  ogrzewania.  Na  ogół ciepło właściwe cieczy jest większe niŜ ciała stałego. Ciepło
właściwe jest zawsze podawane wraz z zakresem temperatury, dla jakiej je określono.

Przewodnictwo cieplne jest jedną z charakterystycznych cech metali i stopów.

Najlepszym  przewodnikiem  ciepła  jest  srebro,  a  następnie  miedź,  złoto  i  aluminium.
Najgorzej  natomiast  przewodzi  kadm,  bizmut,  antymon,  ołów,  tantal  i  nikiel.  Miarą
przewodnictwa  cieplnego  jest  ilość  ciepła,  jaka  przepływa  przez  przewodnik  o  długości  1 m
o przekroju 1 m

w ciągu 1 godziny przy róŜnicy temperatury 1°C.

Przewodnością elektryczną metali i stopów nazywamy zdolność przewodzenia prądu

elektrycznego. Najlepszym przewodnikiem prądu jest srebro, a następnie miedź, złoto
i aluminium. Dlatego na przewody elektryczne uŜywa się miedzi lub aluminium, gdyŜ

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

stawiają one najmniejszy opór przepływającemu prądowi elektrycznemu. Przewodność
elektryczna maleje ze wzrostem temperatury przewodnika.

Własności magnetyczne metali i stopów polegają na zdolności magnesowania się.

Najlepsze własności magnetyczne mają Ŝelazo, nikiel i kobalt, a ze stopów – stal.
Z materiałów tych buduje się najlepsze magnesy trwałe.

Rozszerzalność cieplna metali i stopów przejawia się we wzroście wymiarów liniowych

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

Wytrzymałość jest określona jako stosunek największej wartości obciąŜenia uzyskanego

w czasie próby wytrzymałościowej do pola powierzchni przekroju poprzecznego badanego
elementu. W zaleŜności od rodzaju obciąŜeń rozróŜnia się wytrzymałość na rozciąganie,
ś

ciskanie, zginanie, skręcanie, ścinanie i wyboczenie.

Twardość określa odporność materiału na odkształcenia trwałe, powstające wskutek

wciskania weń wgłębnika. Próby twardości dokonuje się sposobem: Brinella, Rockwella
i Vickersa.

Udarność, czyli odporność materiałów na uderzenia, sprawdza się za pomocą próby

udarności  polegającej  na  złamaniu  jednym  uderzeniem  młota  wahadłowego  próbki
o określonym kształcie i wymiarach. Miarą udarności jest stosunek pracy zuŜytej na złamanie
próbki  do  pola  przekroju  poprzecznego  próbki.  Próbie  udarności  poddaje  się  materiał
przeznaczony  na  części,  które  są  naraŜone  na  uderzenia  lub  nagłe  obciąŜenia,  a  niekiedy
nawet gotowe juŜ części.

Własności technologiczne metali

Własności technologiczne określają przydatność materiału w procesach wytwarzania

przedmiotów. Do własności technologicznych zalicza się lejność (własności odlewnicze),
plastyczność i skrawalność.

Lejność, czyli zdolność ciekłego metalu lub stopu do wypełniania formy odlewniczej,

zaleŜy od składu chemicznego, struktury i temperatury ciekłego metalu.

Plastyczność określa zdolność ciał stałych do osiągania znacznych odkształceń trwałych

pod działaniem sił zewnętrznych bez naruszania spójności. Inaczej – jest to przydatność
materiału do obróbki plastycznej, czyli do kucia, tłoczenia, walcowania, itp.

Skrawalność, czyli podatność materiału do obróbki skrawaniem, bada się stosując próby,

podczas których określa się powierzchnię skrawaną oraz rodzaj wiórów.

Ocenę technologicznych własności plastycznych przeprowadza się na podstawie prób

mających wykazać podatność materiału do odkształceń trwałych, niezbędnych do nadania
właściwych kształtów produktom, przy czym głównie wymienić naleŜy: próbę zginania,
próbę nawijania drutu, próbę kucia oraz próbę tłoczności.

Rys. 1. Próba zginania: a) zwykła, b) obostrzona z karbem, c) obostrzona z otworem [8]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Próbę zginania przeprowadza się na prętach o przekrojach kołowym, kwadratowym

lub  prostokątnym.  Polega  ona  na  powolnym  zginaniu  próbki  wokół  pręta.  W  niektórych
przypadkach  przeprowadza  się  obostrzoną  próbę  zginania.  W  próbie  zginania  miarą
plastyczności  jest  wartość  kąta,  o  jaki  próbkę  moŜna  zgiąć  bez  spowodowania  pęknięcia.
Materiały bardzo

plastyczne poddaje się próbie wielokrotnego zginania. Miarą plastyczności

jest liczba określonych przegięć wykonanych do chwili pojawienia się pierwszych pęknięć.

Rys. 2. Próba nawijania drutu [8]

Próbę nawijania stosuje się do drutów o średnicach mniejszych od 6 mm. Określa ona

własności  plastyczne  drutu  oraz  pozwala  na  wykrycie  niejednorodności  materiału.  Ponadto
umoŜliwia  w  przypadku  drutów  emaliowanych  określenie  w  warunkach  próby  trwałości
nałoŜonej  powłoki.  Próba  polega  na  nawinięciu  drutu  na  trzpień  o  określonej  średnicy.
Sposób nawinięcia, liczbę zwojów oraz średnicę trzpienia określa norma.

Próba kucia. Próbę kucia moŜna wykonać zaleŜnie od potrzeby jako próbę spęczania,

próbę rozklepywania lub próbę rozbijania. Sposób przeprowadzania tych prób przedstawiają
rysunki 3, 4, 5. Miarą plastyczności w próbie kucia jest stopień odkształcenia uzyskany do
chwili pojawienia się pęknięć materiału.

Rys. 3. Próba rozbijania: 1 – trzpień,

2 – próbka z otworem [8]

Rys. 4. Próba spęczania [8]

Rys. 5. Próba rozklepywania [8]

Do pomiaru twardości stosuje się metody: Brinella, Rockwella, Vickersa, Poldi

i Shore`a. Pomiar twardości metodą Shore`a polega na pomiarze wysokości odbicia się od
powierzchni badanej niewielkiego cięŜarka zakończonego twardym wgłębnikiem, który spada
na powierzchnię badaną z odpowiedniej wysokości. Im bardziej materiał jest twardy, tym
wyŜej odskoczy cięŜarek twardościomierza.

Pomiar twardości sposobem Brinella sprowadza się do pomiaru średnicy odcisku kulki

o wybranej  średnicy  przy  wybranym  obciąŜeniu,  a  odpowiadającą  jej  twardość  badanego
metalu  odczytuje  się  z  tablic  zamieszczonych  w  PN-91/H-04350.  Odcisk  wykonuje  się  przy
uŜyciu  twardościomierza,  natomiast  średnicę  odcisku  mierzy  się  za  pomocą  mikroskopu
pomiarowego lub specjalnej lupy z dokładnością do ±0,25% średnicy kulki.

Stosuje się kulki o średnicy 10; 5; 2,5; i 1 mm, przy czym średnicę kulki i jej obciąŜenie

przy pomiarze dobiera się zaleŜnie od badanego metalu, tak aby głębokość odcisku h była
co najmniej 8 razy mniejsza od grubości próbki.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

ZaleŜnie od spodziewanej twardości badanej próbki i średnicy kulki siłę obciąŜającą

wgłębnik  dobiera  się  w  granicach  9,8–29420  N,  tak  aby  uzyskać  odcisk  o  średnicy  zawartej
w przedziale  od  0,24  do  0,6  średnicy  kulki  Czas  działania  całkowitej  siły  obciąŜającej
powinien  wynosić:  10–15  s  dla  stali  i  Ŝeliwa  oraz  30–60  s  dla  stopów  metali  nieŜelaznych
i powinien być tym większy, im mniejsza twardość badanej próbki.

Zaleca się stosować kulkę o średnicy 10 mm lub moŜliwie największej dopuszczalnej

według  wyŜej  wymienionego  warunku.  Przy  twardości  badanego  metalu  do  450  jednostek
Brinella  stosuje  się  kulki  stalowe,  a  przy  twardości  powyŜej  450  HB  —  kulki  z  węglików
spiekanych. Te ostatnie kulki pozwalają badać metale o twardości do 600 jednostek Brinella.

Powierzchnia badanego przedmiotu w miejscu pomiaru twardości powinna być płaska

i równa oraz oczyszczona ze zgorzeliny i smaru. Na kaŜdej próbce powinny być wykonane co
najmniej  trzy  pomiary.  Przy  twardości  powyŜej  35  HB  odstęp  środków  sąsiednich  odcisków
powinien  być  większy  od  4-krotnej  średnicy  odcisku,  a  odstęp  środka  odcisku  od  krawędzi
badanej próbki powinien być większy od 2,5-krotnej średnicy odcisku.

Przy twardości poniŜej 35 HB minimalne odstępy odcisków naleŜy zwiększyć

odpowiednio  do  6  i  3-krotnej  średnicy  odcisku.  Symbol  jednostki  twardości  Brinella  HB
uzupełnia  się  literą  S,  gdy  pomiar  był  wykonywany  kulką  stalową  lub  literą  W,  gdy  pomiar
był  wykonywany  kulką  z węglików  spiekanych  oraz  liczbami  oznaczającymi  średnicę  kulki,
wartość  stosowanego  obciąŜenia  i  czas  działania  obciąŜenia,  gdy  średnica  jest  inna  niŜ
10 mm,  obciąŜenie  inne  niŜ  29420  N  (3000  kG)  i  czas  działania  inny  niŜ  10–15  s.  Dla
przykładu zapis 185 HBS5/750/20 oznacza twardość 185 jednostek Brinella zmierzoną kulką
stalową o średnicy 5 mm, przy obciąŜeniu F = 7355 N (750 kG) w ciągu 20 s.

Kryterium konstrukcyjne wymaga zapewnienia odpowiednich własności gotowemu

elementowi, gwarantujących jego funkcjonowanie, trwałość i niezawodność w określonych
warunkach pracy.

Kryterium technologiczne polega na umoŜliwieniu wykonania części w jak najprostszy

sposób, unikając procesów pracochłonnych, materiałochłonnych i energochłonnych.

Kryterium ekonomiczne sprowadza się do zasady stosowania materiału najtańszego

i najbardziej dostępnego spośród materiałów spełniających pozostałe wymagania.

Materiały konstrukcyjne są produkowane i dostarczane w określonej postaci (odlewy,

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

Szczegółowe wymagania oraz sposób ich podawania na rysunkach i w zamówieniach są

określone w normach przedmiotowych dotyczących półwyrobów metalowych.

Charakterystyki materiałów konstrukcyjnych są ujęte nie tylko w normach (państwowe,

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

Konstrukcyjne materiały metalowe z wyjątkiem odlewów i proszków spiekanych są

produkowane w postaci półwyrobów przerobionych plastycznie na gorąco lub na zimno

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Za domieszki zwykłe stali uwaŜa się mangan, krzem, fosfor, siarkę oraz wodór, azot

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

Klasyfikacji gatunków stali dokonuje się zgodnie z PN-EN 10020:1996 według składu

chemicznego oraz wg ich zastosowania i własności mechanicznych lub fizycznych.

Klasyfikacja stali według składu chemicznego:

–

stale niestopowe (węglowe),

–

stale stopowe.
Do stali niestopowych zalicza się te gatunki stali, w których zawartość pierwiastków jest

mniejsza od zawartości granicznych podanych w tabeli 1.

Do stali stopowych zalicza się gatunki stali, w których zawartość przynajmniej jednego

pierwiastka jest równa lub większa od zawartości granicznej podanej w tabeli 2

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

Nazwa i symbol

chemiczny pierwiastka

Zawartość graniczna

(% wagowy)

Aluminium

Al 0,10

Bor

B 0,0008

Bizmut

Bi 0,10

Chrom

Cr* 0,30

Cyrkon

Zr* 0,05

Kobalt

Co 0,10

Krzem

Si 0,50

Lantanowce

kaŜdy 0,05

Mangan

Mn 1.65**

Miedź

Cu* 0,40

Molibden

Mo* 0,08

Nikiel

Ni* 0,30

Niob

Nb* 0,06

Ołów

Pb 0,40

Selen

Se 0,10

Tellur

Te 0,10

Tytan

Ti* 0,05

Wanad

V* 0,10

Wolfram

W 0,10

Inne (kaŜdy oprócz fosforu, siarki i azotu)

0,05

JeŜeli te pierwiastki określa się dla stali w kombinacji dwu, trzech lub czterech, a ich zawartości są mniejsze
niŜ podane w tablicy, to przy kwalifikacji stali naleŜy dodatkowo uwzględnić zawartość graniczną
wynoszącą 70% sumy poszczególnych zawartości granicznych tych dwu, trzech lub czterech pierwiastków.

** JeŜeli jest określona tylko maksymalna zawartość manganu, jego graniczna zawartość wynosi 1,80% i nie

stosuje się zasady 70%.

Klasyfikacja stali według zastosowania i własności mechanicznych lub fizycznych

Klasy jakości stali niestopowych:

–

stale niestopowe podstawowe,

–

stale niestopowe jakościowe,

–

stale niestopowe specjalne.
Stale podstawowe to gatunki stali o takich wymaganiach jakościowych, jakie moŜna

osiągnąć w ogólnie stosowanym procesie stalowniczym, bez dodatkowych zabiegów

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

technologicznych. Wyroby z tych stali nie są przeznaczone do obróbki cieplnej (z wyjątkiem
wyŜarzania odpręŜającego, zmiękczającego i normalizowania).

Stale niestopowe jakościowe to gatunki stali, których własności w stanie obrobionym

cieplnie  w  zasadzie  się  nie  określa,  nie  określa  się  równieŜ  czystości  metalurgicznej
wyraŜonej  stopniem  zanieczyszczenia  wtrąceniami  niemetalicznymi. Ze względu na warunki
stosowania  wyrobów  ze  stali  jakościowych,  wymagania  dotyczące,  np.:  wraŜliwości  na
kruche pękanie, regulowanej wielkości ziarna czy podatności na kształtowanie, są wyŜsze niŜ
dla stali podstawowych, co wymusza większą staranność podczas produkcji.

Stale niestopowe specjalne charakteryzują się wyŜszym niŜ stale jakościowe stopniem

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

Systemy oznaczania stali. Znaki stali, symbole główne

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

do stosowania  przez  krajowe  komitety  normalizacyjne  bez  jakichkolwiek  zmian.
PN-EN  10027-1  jest  identyczna  z  EN  10027-1:1992  i  została  ustanowiona  przez  Polski
Komitet  Normalizacyjny  15.12.1994  r.  W  tej  klasyfikacji  oznaczeń  stali  wyróŜnia  się  dwie
główne grupy znaków:
–

znaki zawierające symbole wskazujące na skład chemiczny stali,

–

znaki zawierające symbole wskazujące na zastosowanie oraz mechaniczne lub fizyczne
własności stali.
W obu grupach znaków po symbolach głównych mogą być podawane symbole

dodatkowe. PoniŜej podano jedynie, z jakich symboli głównych składa się znak stali.
W przypadku staliwa znak gatunku zawierający symbole wskazujące na skład chemiczny
poprzedza litera G.

Oznaczanie stali wg składu chemicznego

W znakach stali wg składu chemicznego wyróŜnia się cztery podgrupy:

−

stale niestopowe (bez stali automatowych) o średniej zawartości manganu < 1%. Znak
tych stali składa się z następujących symboli głównych, umieszczonych kolejno po sobie:
litery C i liczby będącej 100-krotną średnią wymaganą zawartością węgla,

−

stale niestopowe o średniej zawartości manganu ≥ 1 %,

−

niestopowe stale automatowe,

−

stale stopowe (bez stali szybkotnących) o zawartości kaŜdego pierwiastka
stopowego < 5%.
Znak tych stali składa się z: liczby będącej 100-krotną wymaganą średnią zawartością

węgla,  symboli  pierwiastków  chemicznych  składników  stopowych  stali  w  kolejności
malejącej  zawartości  pierwiastków  oraz  liczb  oznaczających  zawartości  poszczególnych
pierwiastków  stopowych  w  stali.  KaŜda  liczba  oznacza  odpowiednio,  średni  procent
zawartości  pierwiastka  pomnoŜony  przez  współczynnik  według  tabeli  2  i  zaokrąglony  do
najbliŜszej  liczby  całkowitej.  Liczby  oznaczające  zawartości  poszczególnych  pierwiastków
stopowych naleŜy oddzielić poziomą kreską.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tabela 2. Współczynnik do ustalania symboli liczbowych pierwiastków stopowych przy oznaczaniu stali

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

Pierwiastek

Współczynnik

Cr, Co, Mn, Ni, Si, W

Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V,

Ce, N, P, S

100

1000

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

0,6% Cr, 0,2% Mo i poniŜej 0,1 % V (jest to stal narzędziowa do pracy na gorąco).

Stale niestopowe podstawowe konstrukcyjne są stosowane zazwyczaj w stanie surowym

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

Stale niestopowe specjalne do ulepszania cieplnego i utwardzania powierzchniowego

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

G – stal o podwyŜszonej zawartości manganu,

–

A – stal o podwyŜszonej czystości w zakresie fosforu i siarki,

–

AA – stal o zaostrzonych wymaganiach w zakresie składu chemicznego (np.: dotyczących
zawartości węgla, obniŜonej zawartości fosforu i siarki, ograniczonej sumie zawartości
Cr+Mo+Ni, itp.),

–

rs – stal o regulowanej zawartości siarki,

–

h – stal o wymaganej hartowności,

–

H – stal o podwyŜszonej dolnej granicy twardości w stosunku do wymaganego pasma
hartowności,

–

L  –  stal  o  obniŜonej  granicy  twardości  w stosunku do wymaganego pasma hartowności,
przy  czym  cyfry  (np.  4,  5,  15) po literach hH i hL oznaczają odległości od czoła próbki
w milimetrach (4 mm, 5 mm, 15 mm).
Wśród stali węglowych konstrukcyjnych o określonym zastosowaniu moŜna wyodrębnić

następujące waŜniejsze grupy gatunków:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

–

stale do wyrobu drutu do patentowania, na liny, na spręŜyny, do konstrukcji spręŜanych,
drutu ogólnego przeznaczenia i dla przemysłu włókienniczego (PN 91/H-84028),

–

stale dla kolejnictwa (PN-84/H-84027, PN-91/H-84027/03, PN-88/H-84027/04-05),

–

stale do wyrobu rur (PN-89/H-84023/07),

–

stale do wyrobu nitów (PN-89/H-84023/04-05),

–

stale na blachy kotłowe (PN-81/H-92123),

–

stale do budowy mostów (PN-89/H-84023/04),

–

stale na blachy grube i uniwersalne do budowy statków (PN-85/H-92147),

–

stale na blachy karoseryjne (PN-89/H-84023/03),

–

stale do wyrobu ogniw łańcuchów technicznych i okrętowych (PN-89/H-84023/08),

–

stale automatowe (łatwo obrabialne mechanicznie) (PN-73/H-84026),

–

stale magnetycznie miękkie (PN-89/H-84023/02).

Oznaczanie stali wg zastosowania i własności

Znak stali oznaczanych wg ich zastosowania i własności mechanicznych lub fizycznych

zawiera następujące główne symbole:
a) S – stale konstrukcyjne,

P – stale pracujące pod ciśnieniem,
L – stale na rury przewodowe,
E – stale maszynowe, za którymi umieszcza się liczbę będącą minimalną granicą

plastyczności w MPa,

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

granicą plastyczności,

c) Y – stale do betonu spręŜonego,

R – stale na szyny lub w postaci szyn, za którymi umieszcza się liczbę będącą wymaganą
minimalną wytrzymałością na rozciąganie,

d) H – wyroby płaskie walcowane na zimno ze stali o podwyŜszonej wytrzymałości

przeznaczone  do  kształtowania  na  zimno,  za  którym  umieszcza  się  liczbę  będącą
wymaganą  minimalną  granicą  plastyczności  albo  jeŜeli  jest  wymagana  tylko
wytrzymałość  na  rozciąganie,  wtedy  umieszcza  się  literę  T,  za  którą  podaje  się
wymaganą minimalną wytrzymałość na rozciąganie,

e) D – wyroby płaskie ze stali miękkich przeznaczonych do kształtowania na zimno, za

którym umieszcza się jedną z następujących liter:
–

C – dla wyrobów walcowanych na zimno,

–

D – dla wyrobów walcowanych na gorąco przeznaczonych do kształtowania na
zimno,

–

X – dla wyrobów bez charakterystyki walcowania (na zimno lub na gorąco) oraz dwa
symbole cyfrowe lub literowe charakteryzujące stal,

f) T – wyroby walcowni blachy ocynowanej, za którym umieszcza się:

–

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

–

dla wyrobów o dwukrotnie redukowanej grubości – liczbę będącą wymaganą
nominalną,

–

granicą plastyczności,

g) M – stale elektrotechniczne, za którym umieszcza się:

–

liczbę, będącą 100-krotną wymaganą maksymalną stratnością w W·kg-1,

–

liczbę, będącą 100-krotną nominalną grubością wyrobu w mm,

–

liczbę, oznaczającą rodzaj blachy lub taśmy elektrotechnicznej, tj.:
A – o niezorientowanym ziarnie,
D – ze stali niestopowych, nie wyŜarzonych końcowo(odpręŜająco),

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

  E – ze stali stopowych, nie wyŜarzonych końcowo,
  N – o normalnie zorientowanym ziarnie,
  S – o zorientowanym ziarnie i zmniejszonej stratności,
  P – o zorientowanym ziarnie i duŜej przenikalności magnetycznej.

Staliwo jest to stop Ŝelaza z węglem i innymi pierwiastkami, zawierający do około 2,0%

węgla, otrzymywany w procesach stalowniczych, w stanie ciekłym odlewany do form
odlewniczych. Odlewy takie mogą być uŜywane bezpośrednio po zakrzepnięciu bez obróbki
cieplnej lub mogą być obrabiane cieplnie, względnie poddawane obróbce cieplno-chemicznej.

Jako materiał konstrukcyjny staliwo wykazuje wiele zalet, ma lepsze własności

wytrzymałościowe i plastyczne w porównaniu z Ŝeliwem, a takŜe dobrą spawalność (zwłaszcza
niskowęglowe i niskostopowe). Wykazuje jednak gorsze własności odlewnicze ze względu na
skurcz dochodzący do 2% i wysoką temperaturę topnienia dochodzącą do 1600°C.

Staliwa węglowe konstrukcyjne ogólnego przeznaczenia

Polska norma PN-ISO 3755:1994 wymienia 8 gatunków staliw węglowych

konstrukcyjnych  ogólnego  przeznaczenia.  Gatunki  te  oznacza  się  dwiema  liczbami
trzycyfrowymi lub dwiema liczbami trzycyfrowymi i literą W: 200-400, 200-400W, 230-450,
230-450W,  270-480,  70-480W,  340-550,  340-550W.  Pierwsza  liczba  oznacza  wymaganą
minimalną  wartość  Re  (granicę  plastyczności  ),  w  MPa,  a  druga  –  minimalną  wytrzymałość
na rozciąganie Rm równieŜ w MPa. Gatunki zawierające na końcu literę W, mają dodatkowo
określoną maksymalną zawartość poszczególnych pierwiastków (czyli tzw. ograniczony skład
chemiczny), w celu zapewnienia dobrej (jednolitej) spawalności.

Staliwa, których oznaczenie nie zawiera litery W, nie mają obowiązującego składu

chemicznego poza fosforem (max 0,035%) i siarką (max 0,035%). Natomiast gatunki z literą
W mają max 0,25% C i zróŜnicowaną w zaleŜności od gatunku zawartość Mn od max 1,00%
do max. 1,50% oraz określoną maksymalną zawartość pozostałych pierwiastków (jednakowa
dla tych gatunków): ≤ 0,60% Si, ≤ 0,035% P, ≤ 0,035% S, ≤ 0,40% Ni, ≤ 0,35% Cr, ≤ 0,40%
Cu, ≤ 0,15% Mo i ≤ 0,05% V.

Wytrzymałość na rozciąganie zaleŜy od gatunku staliwa i zawiera się w granicach

od 400–550 MPa do 550–700 MPa, a wydłuŜenie odpowiednio – od 25% do 15%. Staliwa
węglowe konstrukcyjne ogólnego przeznaczenia mogą być obrabiane cieplnie. Zwykle
poddaje się je normalizowaniu, wyŜarzaniu zupełnemu lub wyŜarzaniu odpręŜającemu.

Staliwa stopowe, podobnie jak stale, zawierają specjalnie wprowadzone dodatki stopowe,

które  nadają  im  określone  własności.  Sposób  znakowania  gatunków  staliw  stopowych  jest
analogiczny,  jak  stali  stopowych  konstrukcyjnych,  z  tą  róŜnicą,  Ŝe  w  przypadku  staliw  na
początku  znaku  znajduje  się  litera  L.  Za  literą  L  znajdują  się  cyfry  określające  średnią
zawartość węgla w setnych procentu, następnie litery (symbole) analogiczne jak w przypadku
stali  stopowych  konstrukcyjnych,  które  określają  pierwiastki  stopowe,  i  cyfry,  które  podają
ś

rednią zawartość danego pierwiastka w procentach. JeŜeli zawartość pierwiastka stopowego

nie przekracza średnio 2%, to podaje się tylko litery stanowiące symbole tego pierwiastka.

Staliwa stopowe ze względu na zastosowanie dzielą się na:

–

Staliwa  stopowe  konstrukcyjne  –  Polska  Norma PN-H/83156:1997 obejmuje 23 gatunki
staliw  tej  grupy  o  następujących  oznaczeniach:  L20G,  L35G,  L15GM,  L30GS,  L35GM,
L35GN,  L30H,  L40H,  L17HM,  L25HM,  L25HN,  L35HM,  L40HF,  L30HMF,
L30HGNM,  L35HGS,  L35HNM,  L20HN3M,  L30H2N2M,  35H2MF,  L12H13,
L12H13N4M,  L0H13N4M.  W  normie  podany  jest  skład  chemiczny  poszczególnych
gatunków i ich własności mechaniczne.

Wytrzymałość na rozciąganie Rm powyŜszych staliw w stanie normalizowanym

zawiera się w graniach od 450 do 800 MPa, a w stanie ulepszonym cieplnie po
normalizowaniu – od 450 do 1200 MPa.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

–

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

Staliwa stopowe odporne na korozję (nierdzewne i kwasoodporne) charakteryzujące

się zwiększoną odpornością na działanie korozyjne atmosfery, kwasów oraz niektórych
ośrodków korozyjnych – PN-86/H-83158 (14 gatunków). Ze względu na zawartość
pierwiastków stopowych i struktury osnowy rozróŜnia się następujące staliwa odporne na
korozję:
–

chromowe martenzytyczne (LOH13, LH14, LH14N),

–

chromowo-niklowe austenityczne (LH18N9, LH18N9T, LH16N5G6),

–

chromowo-niklowo-molibdenowe austenityczne (LH18N10M2, L0H18N10M2,
L0H18N9M, LH18N10M2T),

–

chromowo-niklowe austenityczno-ferrytyczne (L0H12N4M, LH21N5, LH12N5M,
LH21N5T).
Wszystkie gatunki staliwa odpornego na korozję mogą być spawane. Zastosowanie

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

–

Staliwa Ŝaroodporne i Ŝarowytrzymałe – PN-90/H-83159 (9 gatunków). Staliwo
Ŝ

aroodporne charakteryzuje się odpornością na bezpośrednie działanie płomienia lub spalin

w wysokich temperaturach. Staliwo Ŝarowytrzymałe wykazuje w wysokich temperaturach
wyŜsze własności wytrzymałościowe niŜ inne staliwa pracujące w tych temperaturach.

Gatunki LH18S2, LH26, LH29S2G, LH26N4S2 są wysokochromowymi staliwami

aroodpornymi przeznaczonymi do pracy przy małych obciąŜeniach. Zawartość węgla

jest wysoka (1,3–1,5% C, z wyjątkiem LH26 – 0,5% C). Struktura tych staliw składa się
z perlitu i węglików lub ferrytu i węglików. Staliwo LH29S2G jest ponadto bardzo
odporne na ścieranie w wysokich temperaturach. Gatunki LH17N8G, LH19N14G,
LH23N18G,

LH25H19S2,

LH17N37S2G

są

chromowoniklowymi

staliwami

arowytrzymałymi i Ŝaroodpornymi, o strukturze austenitycznej. Obróbka cieplna

i zastosowanie tych staliw są analogiczne jak austenitycznych stali Ŝarowytrzymałych.

Stosowane są one równieŜ jako kwasoodporne w podwyŜszonych temperaturach.

–

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

–

Staliwa narzędziowe – PN-90/H-83161. Norma obejmuje 18 gatunków staliw do pracy na
zimno i gorąco: L150HSM, L155HNM, L180HNM, L200HNM. L200HSNM,
L70H2GNM,

L90HMF,

L120H21NM,

L180H20F,

L35H17N2M.

L40H5MF,

L45HN2MF, L65HNM, L75HMF, L100H2M, L120HWMF. L120HNMF, L210H21S.
Staliwa te stosuje się w stanie obrobionym cieplnie, aby zapewnić odpowiednią twardość.
ś

eliwami węglowymi nazywa się odlewnicze stopy Ŝelaza z węglem, zawierające

teoretycznie  powyŜej  2,06%  C,  a  praktycznie  2,5–4,5%  C.  Poza  tym  Ŝeliwa  te  podobnie  jak
stale,  zawsze  zawierają  pewne  ilości  krzemu,  manganu,  fosforu  i  siarki  pochodzenia
metalurgicznego.  W  przeciwieństwie  do  stali,  większość  Ŝeliw  odznacza  się  niską
plastycznością.  Węgiel  w  Ŝeliwach  moŜe  występować  w  dwóch  postaciach:  bądź  w  stanie

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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

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

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

Największe zastosowanie przemysłowe mają jak dotąd Ŝeliwa szare. W Ŝeliwach tych

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

Rys.7. Struktura Ŝeliwa szarego nie trawionego. Widoczne płatki grafitu. Powiększenie 100x [2, s. 5]

Rys. 8.

Struktura Ŝeliwa szarego ferrytyczno-perlitycznego z wyraźnie widoczną eutektyką fosforową (jasny,
kropkowany obszar). Powiększenie 500x [2, s. 25]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Główną zaletą Ŝeliwa szarego są przede wszystkim dobre własności odlewnicze

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

Przy większej zawartości siarki w strukturze Ŝeliw szarych uwidaczniają się równieŜ

siarczki manganu w postaci lekko niebieskawych wieloboków. Strukturę Ŝeliwa szarego
o osnowie ferrytyczno-perlitycznej pokazano na rysunku 8.

eliwa szare zgodnie z PN-92/H-83101 dzielą się na gatunki, przy czym podstawą

podziału  jest  wytrzymałość  na  rozciąganie,  określana  na  próbkach  o  średnicy  pomiarowej
20  mm,  wytoczonych  z  oddzielnie  odlewanych  wlewków  próbnych.  Polska  Norma  podaje
6  gatunków  Ŝeliwa  szarego  z  określoną  minimalną  wytrzymałością  na  rozciąganie,
a  mianowicie:  100,  150, 200, 250, 300 i 350 (trzycyfrowa liczba oznacza min. Rm w MPa).
NiŜsze  wartości  odnoszą  się  do  Ŝeliw  o  strukturze  ferrytycznej,  wyŜsze  –  do  Ŝeliw
o strukturze  perlitycznej.  Wytrzymałość  i  twardość  stwierdzona  na  próbkach  wykonanych
z wlewków  próbnych  róŜnią  się  od  wytrzymałości  i  twardości  odlewów,  gdyŜ  własności  te
w istotny  sposób  zaleŜą  od  grubości  ścianek  odlewów,  zmniejszając  się  z  jej  wzrostem.  Na
przykład  Ŝeliwo  szare  gatunek  100,  ze  zwiększaniem  grubości  ścianek  odlewu,  wykazuje
wytrzymałość  na  rozciąganie  120–90  MPa,  a  Ŝeliwo  gatunku  350  –  315–270  MPa.
W przypadku  wymaganej  dobrej  obrabialności  i  odporności  odlewów  na  ścieranie  Ŝeliwa
szare  klasyfikuje  się  na  podstawie  twardości,  przy  czym  ustala  się  6  klas  twardości
oznaczających przewidywaną średnią twardość HB w określonym miejscu odlewu.

Tabela 3. Klasy twardości Ŝeliw szarych (wg PN-92/H-83101)

Klasa twardości

Zakres twardości HB

H 145

Max 170

H 175

150-200

H 195

170-200

H 215

190-240

H 235

210-260

H 255

230-280

Dla Ŝeliw szarych istnieją ustalone empirycznie zaleŜności między twardością

i wytrzymałością na rozciąganie w przypadkach, gdy:

Rm ≥ 196 MPa, wówczas HB = RH (100 + 0,438) Rm
Rm < 196 MPa, wówczas HB = RH (100 + 0,724) Rm

Czynnik RH, czyli tzw. twardość względna, zmienia się w granicach 0,8–1,2

w zaleŜności  od  materiału  wyjściowego,  procesu  topienia  i  rzeczywistego  procesu
metalurgicznego.  W  poszczególnych  odlewniach  moŜna  ustalić  wartość  czynnika  RH  na
prawie  stałym  poziomie  i w  takich  przypadkach,  mierząc  twardość  HB  na  powierzchni
odlewu, moŜna określić jego wytrzymałość na rozciąganie wykorzystując podane zaleŜności.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

wkładki  metaliczne  szybko  odprowadzające  ciepło.  Zabielenie  Ŝeliwa  szarego  stosuje  się
czasem  w  przypadku  mniej  odpowiedzialnych  prowadnic  korpusów  maszyn,  bieŜni  kół
wagoników  roboczych,itp.  śeliwo  białe  jest  materiałem  wyjściowym  przy  wytwarzaniu
przedmiotów z Ŝeliwa ciągłego.

eliwami ciągliwymi nazywa się Ŝeliwa białe, które wskutek długotrwałego (rzędu

kilkudziesięciu  godzin)  wyŜarzania  w  wysokiej  temperaturze  (ok.  1000°C)  ulegają
określonemu  uplastycznieniu,  dzięki  odwęgleniu  lub  grafityzacji  lub  obu  tym  procesom
łącznie.

W zaleŜności od sposobu przeprowadzania tej obróbki otrzymuje się:

–

eliwa ciągliwe białe, przez wyŜarzanie Ŝeliw białych w środowisku utleniającym,

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

–

eliwa ciągliwe czarne, przez wyŜarzanie Ŝeliw białych w środowisku obojętnym.

W czasie tego wyŜarzania cementyt zawarty w Ŝeliwie rozpada się, a wydzielający się
z niego węgiel w postaci grafitu tworzy skupienia zwane węglem Ŝarzenia. Struktura
Ŝ

eliwa w temperaturze wyŜarzania składa się więc z austenitu i węgla Ŝarzenia. Kolejnym

zabiegiem  jest  bardzo  wolne  chłodzenie,  warunkujące  zachodzenie  przemian  fazowych
zgodnie  ze  stabilnym  układem  równowagi  Ŝelazo-grafit  (z  austenitu  zamiast  cementytu
wydziela się grafit). W efekcie, w temperaturze pokojowej otrzymuje się Ŝeliwo, którego
struktura  składa  się  ze  skupień  grafitu  (węgla  Ŝarzenia)  rozmieszczonych  w  ferrytycznej
osnowie. DuŜa ilość wydzieleń grafitu wywołuje ciemną barwę przełomu.

–

eliwa ciągliwe perlityczne, przez wyŜarzanie Ŝeliw białych w środowisku obojętnym,

lecz  bez  doprowadzania  do  końca  procesu  grafityzacji  (szybsze  chłodzenie  poniŜej
temperatury  przemiany,  dzięki  czemu  w  strukturze  zachowuje  się  część  cementytu).
W  wyniku  uzyskuje  się  Ŝeliwo  o  osnowie  perlitycznej  lub  perlityczno-ferrytycznej
i  srebrzystej  barwie  przełomu.  W  procesie  produkcji  Ŝeliwa  ciągliwego  bardzo  waŜnym
czynnikiem  jest  uzyskanie  w  odlewie  Ŝeliwa  całkowicie  białego,  poniewaŜ  częściowa
grafityzacja  podczas  krzepnięcia  i  utworzenie  się  w  Ŝeliwie  płatków  grafitu  zakłócają
zachodzące  w  czasie  wyŜarzania  grafityzującego  powstawanie  zwartych  skupień  grafitu.
W związku z tym zawartość pierwiastków wchodzących w skład Ŝeliwa ciągliwego musi
mieścić się w stosunkowo wąskich granicach.
Zazwyczaj  skład  chemiczny  Ŝeliwa  ciągliwego  jest  następujący:  2,4–2,8  %  węgla,

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

eliw ciągliwych: W 35-04, B 32-10, P 65-02.

eliwo ciągliwe odznacza się dobrą skrawalnością, duŜą odpornością na działanie dymu

i kwaśnej wody kopalnianej. Wykonuje się z niego odlewy o duŜej wytrzymałości, dobrej

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

plastyczności, obrabialności i odporności na uderzenia, gdyŜ łączy w sobie dobre własności
odlewnicze Ŝeliwa z dobrymi własnościami mechanicznymi staliwa

eliwami stopowymi nazywa się Ŝeliwa zawierające dodatkowo pierwiastki takie jak

nikiel, chrom, molibden, aluminium, tytan, wanad, miedź, wolfram, bor lub zwiększone ilości
krzemu i manganu. Dobór ww. składników oraz ich wzajemne stosunki ilościowe decydują
o własnościach wytrzymałościowych Ŝeliw stopowych, ich odporności na ścieranie i działanie
ś

rodowisk korozyjnych oraz na oddziaływane utleniających atmosfer w wysokich

temperaturach. Polska Norma PN-88/H-83144 podaje 48 gatunków Ŝeliw stopowych
dzielących się, w zaleŜności od własności i zastosowania, na 3 grupy: Ŝaroodporne, odporne
na korozję i odporne na ścieranie.

eliwo stopowe oznacza się znakiem gatunku, który zawiera: litery Zl dla Ŝeliwa

stopowego szarego i połowicznego, litery Zb dla Ŝeliwa stopowego białego, litery Zs dla
Ŝ

eliwa stopowego sferoidalnego, symbole chemiczne pierwiastków stopowych według

malejącej procentowej zawartości składnika oraz liczby określające średnią procentową
zawartość pierwiastka stopowego, jeŜeli jest ona równa lub większa od 0,8%.

eliwa stopowe Ŝaroodporne. Jest to grupa Ŝeliw wykazujących odporność na korozyjne

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

śeliwa stopowe odporne na korozję

eliwa węglowe zwykłe są stosunkowo mało odporne na działanie czynników

chemicznych.  Wprowadzenie  do  tych  Ŝeliw  dodatków  stopowych,  takich  jak  krzem,  nikiel,
chrom  i  miedź  znakomicie  podwyŜsza  ich  odporność  na korozyjne  i  erozyjne  oddziaływanie
róŜnorodnych  środowisk  chemicznych.  Polska  Norma  podaje  8  gatunków  Ŝeliw  stopowych
odpornych  na  korozję,  w  tym:  l  gatunek  Ŝeliwa  wysokokrzemowego  (14–16%  Si),
5 gatunków  Ŝeliw  wysokoniklowych  (13,5–32%  Ni)  o podwyŜszonej  zawartości  krzemu,
chromu  i  miedzi  oraz  2  gatunki  Ŝeliw  wysokochromowych  (25–34%  Cr),  wykazujących
równieŜ bardzo dobrą odporność na ścieranie i doskonałą Ŝaroodporność.

śeliwa stopowe odporne na ścieranie

Jest to najliczniejsza grupa Ŝeliw stopowych, obejmująca zgodnie z Polską Normą 33

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.1.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Jakie są właściwości chemiczne metali?
2.  Jaka jest róŜnica pomiędzy metalem czystym a stopem?
3.  Jakie są własności fizyczne metali?
4.  Co określają własności technologiczne materiałów?
5.  Jakie stale nazywamy stopowymi?
6.  Co to są składniki stopowe i w jakim celu je wprowadzamy do stali?
7.  Jakimi literami oznaczamy poszczególne składniki stopowe?
8.  Co to jest ulepszanie cieplne?
9.  Na jakie stale dzielimy stale narzędziowe?
10.  Co to jest staliwo?
11.  Co to jest Ŝeliwo?
12.  Jakie znasz rodzaje staliw?
13.  Jakie znasz rodzaje Ŝeliw?
14.  Czym charakteryzuje się Ŝeliwo stopowe?

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Na podstawie badań organoleptycznych (za pomocą zmysłów) rozpoznaj materiały

z których wykonane są przedmioty otrzymane od nauczyciela.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  dokładnie przyjrzeć się strukturze materiałów z których wykonane są przedmioty,
2)  ocenić szacunkowo ich wagę,
3)  ocenić barwę,
4)  określić  przypuszczalne  zastosowanie  przedmiotów,  a  tym  samym  warunki  w  jakich  są

uŜytkowane,

5)  ocenić czy widać na nich ślady korozji lub innych efektów oddziaływania środowiska,
6)  określić szacunkowo twardość, elastyczność,
7)  opisać zgodnie z powyŜszymi punktami cechy materiałów badanych,
8)  zakwalifikować materiały do odpowiedniej grupy,
9)  zaprezentować wykonane ćwiczenie,
10)  dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

katalogi materiałów,

–

przedmioty wykonane z róŜnych materiałów.

Ćwiczenie 2

Na podstawie katalogów zidentyfikuj stopy Ŝelaza o oznaczeniach: S235JR; P235S;

C80U; 54SiCrV6. Podaj ich właściwości mechaniczne oraz maksymalną zawartość
pierwiastków stopowych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,
2)  odszukać w katalogach podane oznaczenia,
3)  zapisać  w  notatniku  skład  chemiczny  oraz  właściwości  mechaniczne  odczytywanych

materiałów.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

katalogi wyrobów metalowych,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 3

Do magazynu dostarczono elementy stalowe z materiału R35 oraz K10. Posługując się

katalogiem zapisz w notatniku skład chemiczny i właściwości mechaniczne tych materiałów.
Do jakiego gatunku stali moŜna zaliczyć wymienione materiały?

Tabela 1 do ćwiczenie 3 [14]

Norma

Gatunek

C [%]

Mn [%]

P max

[%]

S max

[%]

Si [%]

Cr [%]

Ni [%]

Cu max

[%]

Mo [%]

PN-80/H-
74219

R35

0,07–0,16 0,40–0,75

0,040

0,040 0,12–0,35

0,25

PN-80/H-
74219

R45

0,16–0,22 0,60–1,20

0,040

0,040 0,12–0,35

0,30

PN-80/H-
74219

R55

0,32–0,40 0,60–0,85

0,045

0,045 0,20–0,35

PN-80/H-
74219

R65

0,45–0,62 0,60–0,85

0,045

0,045 0,20–0,35

PN-80/H-
74219

18G2A

max 0,20

1,00–1,50

0,040

0,040 0,20–0,55

max 0,30

0,30

PN-H-
74252

K10

max 0,17

min 0,40

0,045

0,045 0,10–0,35 max 0,20 max 0,35

PN-H-
74252

K18

0,16–0,22

min 0,60

0,045

0,045 0,10–0,35 max 0,20 max 0,35

PN-H-
74252

16M

0,12–0,20 0,50–0,80

0,040

0,040 0,15–0,35 max 0,30 max 0,35

0,25–0,35

PN-H-
74252

15HM

0,10–0,18 0,40–0,70

0,040

0,040 0,15–0,35

0,7–1,00 max 0,35

0,40–0,55

PN-H-
74252

10H2M

0,08–0,15 0,40–0,60

0,030

0,030 0,15–0,50 2,00–2,50 max 0,30

0,90–1,10

PN-H-
74252

13HMF

0,10–0,18 0,40–0,70

0,040

0,040 0,15–0,35 0,30–0,60 max 0,30

0,50–0,65

PN-H-
74252

20H12M
1F

0,17–0,23 0,40–0,80

0,035

0,035 0,10–0,50 11,0–12,5 0,30–0,80

0,80–1,20

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tabela 2 do ćwiczenie 3 [9]

Norma

Gatunek

Min. granica

plastyczności Re

[MPa] min

Wytrzymałość na

rozciąganie Rm

[MPa]

WydłuŜenie przy

zerwaniu A

min

[%]

PN-80/H-74219

R35

235

345

PN-80/H-74219

R45

255

440

PN-80/H-74219

R55

295

540

PN-80/H-74219

R65

380

640

PN-80/H-74219

18G2A

350

510

PN-H-74252

K10

235

360-480

25/23

PN-H-74252

K18

255

440-540

21/19

PN-H-74252

16M

285

450-600

22/20

PN-H-74252

15HM

295

440-590

22/20

PN-H-74252

10H2M

265

450-600

20/18

PN-H-74252

13HMF

365

490-690

20/28

PN-H-74252

20H12M1F

490

690-840

17/14

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,
2)  zapisać w notatniku skład chemiczny oraz właściwości mechaniczne stali,
3)  przyporządkować gatunki stali,
4)  zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−−−−

katalog wyrobów metalowych,

−−−−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 4

Odczytaj z PN i katalogów właściwości i zastosowanie następujących staliw i Ŝeliw:

–

L35GN,

–

L16M,

–

L100AGM,

–

100,

–

400-18,

–

350.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

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

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

PN i katalogi zawierające informacje o staliwach i Ŝeliwach,

−

arkusze papieru i pisaki,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 5

Wykonaj przy pomocy twardościomierza Brinella pomiar twardości stali o małej

zawartości węgla.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z instrukcją obsługi twardościomierza Brinella,
2)  nałoŜyć na talerzyk jarzma cięŜarki odpowiadające wymaganemu obciąŜeniu,
3)  zamocować odpowiednią kulkę,
4)  połoŜyć badaną próbkę na stoliku,
5)  podnieść stolik z próbką do zetknięcia się z kulką,
6)  napompować  olej  zwiększając  nacisk  do  momentu  uzyskania  właściwego  nacisku  na

manometrze,

7) utrzymać ciśnienie przez wymagany dla próby czas,
8) zmierzyć średnicę odcisku w dwóch prostopadłych do siebie kierunkach z dokładnością

do 0,01 mm,

9) odczytaj twardość.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

twardościomierz Brinella,

−

instrukcja obsługi urządzenia,

−

mikroskop lub lupa odczytowa,

−

kalkulator.

4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) wskazać, ile moŜe wynosić największa zawartość węgla w stali?

2) odczytać z oznaczenia stali stopowej jej składniki?

3) ustalić właściwości stali na podstawie jej oznaczenia i składu?

4) wskazać, jaka moŜe być największa zawartość węgla w stalach

do nawęglania?

5) wyjaśnić, jaki wpływ na własności stali ma chrom?

6) zdefiniować pojęcie staliwo?

7) zdefiniować pojęcie Ŝeliwo?

8) określić rodzaj, skład i właściwości staliwa na podstawie

oznaczenia?

9) określić rodzaj, skład i właściwości Ŝeliwa na podstawie oznaczenia?

10) wymienić Ŝeliwa odporne na ścieranie?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2. Metale nieŜelazne ich stopy

4.2.1. Materiał nauczania

Miedź i jej stopy

Miedź jest metalem o barwie czerwonozłotej. Jest odporna na korozję, plastyczna,

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

Znak miedzi stopowej jest określony symbolem miedzi, następnie symbolem składnika

stopowego i liczbą określającą zawartość procentową składnika stopowego, np. symbol
gatunku CuAg2 oznacza miedź srebrową o zawartości 1,85–2,15% Ag.

Stopy miedzi znajdują bardzo duŜe zastosowanie. Do najwaŜniejszych stopów miedzi

naleŜy  zaliczyć  mosiądze  i  brązy.  Znakowanie  stopów  miedzi  i  wszystkich  innych  stopów
metali  nieŜelaznych  jest  następujące.  Na  początku  znaku  stawia  się  symbol  metalu
zasadniczego, po nim umieszcza się symbol głównego dodatku stopowego z liczbą całkowitą
wskazującą  jego  procentową  zawartość  w  stopie,  wyraŜoną  w  liczbach  całkowitych.  Dalej
w kolejności  zmniejszających  się  zawartości  procentowych  podaje  się  pozostałe  dodatki
stopowe z liczbami ich procentowych zawartości. Gdy zawartość składnika dodatkowego nie
przekracza  l%,  to cyfrę  się  opuszcza.  Na  przykład  CuZn40Mn3Fe,  jest  znakiem  mosiądzu
manganowo-Ŝelazowego,  w  którym  zawartość  cynku  wynosi  ok.  40%,  manganu  ok.  3%
i Ŝelaza ok. l %, a resztę stanowi miedź.

Mosiądz jest to stop miedzi z cynkiem zawierającym 46,5–97% miedzi. Mosiądze

specjalne zawierają (oprócz miedzi i cynku) mangan, ołów, Ŝelazo, aluminium, krzem, nikiel
i  cynę.  Mosiądz  jest  odporny  na  korozję,  ma  dobre  własności  plastyczne  i  odlewnicze  oraz
odznacza  się  dobrą  skrawalnością.  Własności  mechaniczne  mosiądzów  zaleŜą  od  zawartości
cynku. Ze wzrostem zawartości cynku zwiększa się wytrzymałość i plastyczność. Największą
plastyczność  ma  mosiądz  zawierający  ok.  30%  cynku,  natomiast  zawartość  powyŜej  39%
cynku  gwałtownie  pogarsza  plastyczność  stopu.  Największą  wytrzymałość  (ok.  420  MPa)
osiąga mosiądz o zawartości 45% cynku. Dalszy wzrost zawartości cynku powoduje kruchość
stopu.  Mosiądze  dają  się  łączyć  przez  lutowanie  miękkie  i  twarde  oraz  przez  spawanie
acetylenowe.

Mosiądze dzieli się na odlewnicze i do obróbki plastycznej. Mosiądze odlewnicze są

stopami wieloskładnikowymi i zawierają: ołów do 4%, mangan do 4%, aluminium do 3%,
Ŝ

elazo do 1,5% i krzem do 4,5%. Ołów i krzem poprawiają lejność, a aluminium, mangan

i  Ŝelazo  podwyŜszają  własności  wytrzymałościowe.  Aluminium  i  krzem  podwyŜszają
odporność  na  korozję  i  dlatego  mosiądze  aluminiowe  i  krzemowe  są  stosowane  na  odlewy
części, które powinny być odporne na korozję i ścieranie.

Mosiądze do obróbki plastycznej mają mniejszą zawartość składników stopowych niŜ

mosiądze odlewnicze, poniewaŜ zwiększona zawartość niektórych dodatków stopowych
pogarsza własności plastyczne stopu. Mosiądze do obróbki plastycznej są stosowane

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

w  postaci  odkuwek,  prętów,  kształtowników,  drutów,  blach,  rur  i  taśm.  Mosiądze
dwuskładnikowe, czyli bez dodatków stopowych, mają duŜą podatność do obróbki plastycznej,
szczególnie  na  zimno.  Mosiądze  wieloskładnikowe,  czyli  specjalne  z  dodatkiem  aluminium,
niklu,  manganu,  Ŝelaza  i  ołowiu,  znalazły  duŜe  zastosowanie  w  przemyśle  okrętowym
i elektromaszynowym.  Nadają  się  do  obróbki  plastycznej  na  gorąco,  są  odporne  na  korozję
i mają  podwyŜszone  własności  mechaniczne.  Największe  zastosowanie  w przemyśle
samochodowym ma mosiądz CuZn1OSn, zawierający ok. 10% cynku i 0,25–0,75% cyny.

Brązy dzieli się na odlewnicze i do obróbki plastycznej. W zaleŜności od nazwy

głównego składnika stopowego rozróŜnia się brązy: cynowe, aluminiowe, berylowe,
krzemowe, manganowe i inne, lecz zazwyczaj, gdy brązy są stopami wieloskładnikowymi to
i nazwy ich są bardziej złoŜone (np. brąz krzemowo-manganowy).

Brązy odlewnicze są przewaŜnie wieloskładnikowe i zawierają: cynę do 11%, ołów

do 33%, aluminium do 11 %, krzem do 4,5%, cynk do 7%, mangan do 2%, Ŝelazo do 5,5%,
nikiel do 5,5% i fosfor do 1,5%. Ołów polepsza lejność stopu, a aluminium, Ŝelazo, mangan
i nikiel  podwyŜszają  własności  mechaniczne.  Cynk  stosuje  się  głównie  w  celu  zastąpienia
drogiej  cyny.  Zastosowanie  brązów  odlewniczych  jest  bardzo  wszechstronne.  Stosuje  się  je
m.in.  na  części  maszyn,  osprzęt  parowy  i  wodny,  łoŜyska  ślizgowe,  aparaturę  chemiczną
w przemyśle chemicznym, okrętowym, lotniczym, papierniczym, górniczym i wielu innych.

Brązy do obróbki plastycznej zawierają: mangan do 5,5%, aluminium do 11%, cynę do

7%,  krzem  do  3,5%,  nikiel  do  6,5%,  beryl  do  8,6%,  fosfor  do  0,3%,  cynk  do  5%,  ołów  do
3,5%  i Ŝelazo  do  5,5%.  W  brązach  do  obróbki  plastycznej  stosuje  się  mniejsze  ilości
dodatków  stopowych  niŜ  w  brązach  odlewniczych  w  celu  uzyskania  lepszych  własności
plastycznych  stopów.  Brązy  cynowe  o  zawartości  cyny  ok.  11%  znajdują  największe
zastosowanie.  Ze wzrostem  cyny  do  13%  wzrasta  równieŜ  wytrzymałość  brązów
(do 470 MPa), ale dalszy wzrost zawartości cyny powoduje obniŜenie wytrzymałości.

Brązy cynowe do obróbki plastycznej na zimno zawierają najczęściej 3,5–9% cyny i ok.

0,2%  fosforu,  a  do  obróbki  plastycznej  na  gorąco  zawartość  fosforu  musi  być  mniejsza
i  wynosi  do  0,15%.  Obróbkę  plastyczną  na  gorąco  wykonuje  się  w  temperaturze  do  700°C.
Z  brązów  cynowych  z  dodatkiem  fosforu  wykonuje  się  spręŜyny,  elementy  przyrządów
kontrolno-pomiarowych,  rurki  manometryczne,  sita  papiernicze,  elementy  przeciwcierne
i  druty  do  spawania.  Jako  stopy  odlewnicze  stosuje  się  brązy  o  zawartości  ok.  10%  cyny,
niekiedy  z  dodatkiem  ok.  1  %  fosforu  poprawiającego  lejność.  Brąz  ten  jest  stosowany
na łoŜyska ślizgowe i osprzęt parowy i wodny. Często stosuje się brązy cynowe z dodatkiem
cynku i ołowiu. Na przykład brązy CuSn4ZnPb4 i CuSn4ZnPb3 (zawierające 3–5% Sn, 3–5%
Zn  i 1,5–4,5%  Pb)  stosuje  się  z  powodzeniem  jako  stopy  łoŜyskowe  na  łoŜyska  ślizgowe.
Brąz ten słuŜy do obróbki plastycznej na zimno i na gorąco.

Brązy krzemowe zawierają 2,5–4,5% Si oraz dodatkowo mangan, cynk lub Ŝelazo.

Krzem  i cynk  polepszają  znacznie  własności  odlewnicze,  a  mangan  i  Ŝelazo  własności
mechaniczne.  Charakteryzują  się  dobrą  lejnością  i  są  odporne  na  korozję.  Są  stosowane  na
łoŜyska  ślizgowe  i części  pracujące  przy  duŜych  zmiennych  obciąŜeniach.  Brąz  CuSi3Mn1
o zawartości  2,7–3,5%  Si  i  1,0–1,5%  Mn  nadaje  się  do  obróbki  na  zimno  i  gorąco.  Jest
stosowany  na  części  naraŜone  na  ścieranie  oraz  na  siatki,  spręŜyny  i  armaturę  w  przemyśle
chemicznym i maszynowym.

Brązy aluminiowe odlewnicze zawierają 8–1 % Al oraz 2–5,5% Fe, a niektóre dodatek

do 2%  Mn  lub  3,5–5,5%  Ni.  Odznaczają  się  dobrymi  własnościami  mechanicznymi,
lecz słabymi  własnościami  odlewniczymi.  Do  obróbki  plastycznej  są  przewidziane  brązy
aluminiowe  zawierające  4–11  %  Al,  a  niektóre  z  nich  zawierają  dodatkowo  2,0–5,5%  Fe,
1,0–2,5%  Mn   i  3,5–5,5%  Ni.  Są  one  stosowane  na  części  pracujące  w  wodzie  morskiej,
monety,  części  dla  przemysłu  chemicznego,  spręŜyny,  styki  ślizgowe,  sita  rurowe
wymienników ciepła, gniazda zaworów, koła zębate i części naraŜone na ścieranie.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Brązy berylowe zawierają 1,9–2,10% berylu oraz 0,2–0,5% niklu i kobaltu, a niektóre

dodatkowo  0,10–0,25%  tytanu.  Są  to  brązy  do  obróbki  plastycznej  na  zimno  i  na  gorąco.
Mają bardzo dobrą wytrzymałość (Rm = 1275 MPa) i twardość (370 HB), duŜą odporność na
korozję  oraz  dobrą  przewodność  elektryczną  i  przewodnictwo  cieplne.  Przy  uderzeniach
brązy  te  nie  iskrzą  i  dlatego  znalazły  zastosowanie  na  urządzenia  pracujące  w  ośrodkach
groŜących  wybuchem,  np.  na  narzędzia  górnicze.  Ponadto  są  uŜywane  na  spręŜyny,
membrany i części naraŜone na ścieranie.

Brązy manganowe są stosowane jako odlewnicze i do obróbki plastycznej.
Brąz krzemowo-manganowy odlewniczy zawiera 0,5–1,5% Mn, 3,0–5,5% Zn, 0,5–1,2%

Fe  i 3–4% Si. Jest stosowany jako Ŝaroodporny w armaturze pary wodnej. Brąz manganowy
CuMn12Ni3  do  obróbki  plastycznej  zawiera  11,5%–13%  Mn  i  2,5–3,5%  Ni.  Jest  to  brąz
do obróbki  plastycznej  na  zimno  i  na  gorąco.  Jest  stosowany  na  oporniki najwyŜszej jakości
do precyzyjnych aparatów.

Brązy ołowiowe są stosowane jako odlewnicze.
Aluminium jest pierwiastkiem o barwie srebrzystobiałej. Jest metalem odpornym

na korozję  oraz  dobrym  przewodnikiem  prądu  elektrycznego  i  ciepła.  Zastosowanie
aluminium  w  stanie  czystym  jest  ograniczone,  głównie  ze  względu  na  niską  wytrzymałość.
Czyste  aluminium  jest  stosowane  na  przewody  elektryczne,  do  wyrobu  folii,  proszków  do
platerowania  naczyń,  do  wyrobu  farb  i  jako  składnik  stopów.  DuŜo  większe  zastosowanie
mają  stopy  aluminium,  które  ze  względu  na  małą  gęstość  są  nazywane  stopami  lekkimi.
Najczęściej  stosowanymi  dodatkami  stopowymi  są:  miedź,  krzem,  magnez,  mangan,  nikiel
i  cynk.  Dodatki  stopowe  zwiększają  przede  wszystkim  wytrzymałość,  odporność  na  korozję
i polepszają obrabialność. Stopy aluminium dzieli się na odlewnicze i do obróbki plastycznej.

Odlewnicze stopy aluminium

Głównymi składnikami odlewniczych stopów aluminium są: krzem, miedź, magnez,

a ponadto  w  niektórych  stopach  występują  jeszcze  mangan,  nikiel  i  tytan.  Największe
zastosowanie  mają  stopy  aluminiowe  o  duŜej  zawartości  krzemu.  Zawartość  krzemu
w odlewniczych  stopach  aluminium  wynosi  0,8–23%  Si.  Stop  AlSi21  CuNi,  znany  równieŜ
pod nazwą Silusil, zawiera 20–23% krzemu, 1,1–1,5% miedzi, 0,5–0,9% magnezu, 0,1–0,3%
manganu,  0,8–1,1%  niklu  i  jest  stosowany  na  odlewy  wysoko  obciąŜonych  tłoków  silników
spalinowych. Odlewany jest w zasadzie pod ciśnieniem.

Stopy aluminium zawierające 10–7–13% krzemu noszą nazwę siluminów.
Typowymi siluminami są stopy AlSi11 i AlSi3Mg1CuNi. Pierwszy z nich zawiera

10–13%  Si  i  stosuje  się  go  na  odlewy  części  o  skomplikowanych  kształtach,  średnio
obciąŜone  pracujące w podwyŜszonych temperaturach i odporne na korozję nawet w wodzie
morskiej.  Ma  dobre  własności  wytrzymałościowe  i  dobrą  spawalność.  Stop  AlSi13MglCuNi
zawiera 11,5–13% Si, 0,8–1,5% Cu, 0,8–1,5% Mg i 0,8–1,3% Ni i jest stosowany na odlewy
tłoków silników spalinowych.

Stopy aluminium z miedzią mają dobre własności odlewnicze i odporność na korozję, ale

skłonności  do  pęknięć  na  gorąco.  Stop  A1Cu4  zawiera  4–5%  Cu  i  jest  stosowany  na
galanterię  stołową  i  odlewy  wymagające  dobrej  lejności  i  plastyczności.  Stop  AlCu4TiMg
zawiera  4,2–5%  Cu,  0,15–0,4  Mg,  0,15–0,30  Ti  i  jest  stosowany  na  odlewy  części
samochodowych i na średnio i wysoko obciąŜone odlewy do przemysłu maszynowego.

Stopy aluminium z magnezem jak AlMg1O i AlMgSil są stosowane na odlewy

o wysokiej odporności na korozję.

Stopy aluminium do obróbki plastycznej zawierają procentowo mniejsze zawartości

dodatków stopowych niŜ stopy odlewnicze aluminium. Jest to podyktowane tym, Ŝe duŜe ilości
dodatków stopowych pogarszają własności plastyczne stopu. Głównymi składnikami stopów
aluminium do obróbki plastycznej są: magnez, miedź, mangan, krzem, i w mniejszym stopniu

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

takŜe  nikiel,  Ŝelazo,  cynk,  chrom  i  tytan.  Stopy  aluminium  z  magnezem  odznaczają  się  dobrą
odpornością  na  korozję  i  działanie  wody  morskiej.  Stop  AlMgl  zawierający  0,7–1,2%  Mg
nadaje się do obróbki plastycznej na zimno i na gorąco; jest szczególnie podatny do głębokiego
tłoczenia i spawania. Jest stosowany na części kute w matrycach i tłoczone, na części urządzeń
w przemyśle  chemicznym  i  spoŜywczym.  Stop  AlMg4Mn  zawiera  4–4,9%  Mg  i  0,4–1%  Mn;
jest  stosowany  do  obróbki  plastycznej  na  zimno  i  gorąco.  Jako  stop  odporny  na  korozję  jest
stosowany na obciąŜone konstrukcje okrętowe i przemysłu chemicznego.

Stop ten oraz stopy AlMg2 i AlMg5 są nazywane hydronalium. Do wyrobu średnio

obciąŜonych elementów konstrukcji lotniczych, pojazdów samochodowych, części głęboko
tłoczonych i części o złoŜonych kształtach kutych w matrycach stosuje się stopy zwane avial
AlMg1Si1Cu i AlMgSi.

Stopy aluminium z miedzią i magnezem oraz częściowo równieŜ z manganem i krzemem

charakteryzują  się  duŜym  oporem  plastycznym  przy  obróbce  na  zimno  i  na  gorąco.  Stopy  te
są  przede  wszystkim  uŜywane  na  konstrukcje  lotnicze.  DuŜe  zastosowanie  przemysłowe
znalazły  wieloskładnikowe  stopy  zwane  duralami.  Zaliczamy  do  nich  stopy  AlCu4Mg,
AlCu4Mg1A, AlCu4Mg i AlCu4Mgl stosowane na nity do konstrukcji lotniczych, obciąŜone
elementy  konstrukcji  lotniczych  i  pojazdów  samochodowych  oraz  konstrukcyjne  elementy
budowlane.  Duraluminium  ma  duŜą  odporność  na  korozję  i  po  utwardzeniu  drogą  obróbki
cieplnej uzyskuje znaczną wytrzymałość (290–440 MPa).

Tabela 6. Wykaz stopów aluminium wg norm międzynarodowych

Polska

Niemcy

DIN

Materiał

nr.

ISO /

USA

Anglia

(BS )

Francja

(NF)

Hiszpania

(UNE)

Włochy

(UNI)

Szwecja

(SIS)

AI 99.5

3.0255

1050A

L3051

4507

4007

Al 99.7

3.0275

1070A

–

4005

A00

Al 99.8

3.0285

1080A

–

4004

Al 99.0

3.0205

1200

–

4010

A1E

E-AI99.5

3.0257

1350A

A5L

L3052

–

4008

–

AICuMgPb

3.1645

2007

–

A-U4PB

L3121

–

4335

–

AICuBiPb

3.1655

2011

FC1

A-U4Pb

L3192

6362

4355

PA33

AlCuSiMn

3.1255

2014

–

4338

PA6

AICuMg1

3.1325

2017A

H14

A-U4G

L3120

3576

–

PA7

AlCuMg2

3.1355

2024

H16

A-U4G1

–

AlMn

3.0515

3003

–

4054

PA43

AlMg1

3.3315

5005

–

4106

–

AlMg2.5

3.3523

5052

–

4120

–

AlMg5

3.3555

5056

A-G5

–

PA13

AIMg4.5Mn

3.3547

5083

L3321

7790

4140

PA11

AIMg3

3.3535

5754

A-G3M

L3390

3575

4125

–

AlMgSi0.7

3.3210

6005

–

4107

–

AlMgSiPb

3.0615

6012

–

4212Pb

PA38

AIMgSi0.5

3.3206 6060/63 6060/63

A-GS

L3441

3569

4104

PA45

AlMg1SiCu

3.3211

6061

H20

–

PA4

AIMgSi1

3.2315

6082

H30

A-SGM 0,7

L3451

3571

4212

PA47

AIZn4.5Mg1

3.4335

7020

H17

A-Z5G

L3741

7791

4425

–

AIZnMgCu0.5 3.4345

7022

–

A-Zn5 GU

0,6

–

PA9

AIZnMgCu1.5 3.4365

7075

2L95

A-Zn 5 GU

L3710

3735

–

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Magnez jest metalem bardzo lekkim o niskich własnościach mechanicznych i duŜej

aktywności  chemicznej.  Wytrzymałość  na  rozciąganie  magnezu  wynosi  ok.  245  MPa,
a  twardość  ok.  35  RB.  Ze  względu  na  te  własności  jest  stosowany  w  technice  przede
wszystkim  w  postaci  stopów.  Czysty  magnez  jest  uŜywany  w  pirotechnice  do  wyrobu  rakiet
ś

wietlnych oraz w metalurgii jako modyfikator lub środek redukujący. Jednak główne

zastosowanie magnez znajduje do wyrobu stopów lub jako dodatek do stopów.

Stopy magnezu dzieli się na odlewnicze i do obróbki plastycznej. Głównym składnikiem

stopów magnezu jest aluminium, którego zawartość w stopach odlewniczych moŜe dochodzić
do 10%,  a  w  stopach  do  obróbki  plastycznej  do  9%.  Stopy  magnezu  zawierają  jeszcze  cynk
do 5,5%, mangan do 2,5%, a takŜe cer i cyrkon. Stopy magnezu z aluminium i cynkiem noszą
nazwę  elektronów.  Stopy  magnezu  są  najlŜejsze  ze  znanych  stopów.  Odznaczają  się  one
odpornością  na  działanie  wpływów  atmosferycznych  i  niektórych  czynników  chemicznych.
Z  uwagi  na  to,  Ŝe  stopy  magnezu  w  połączeniu  z  tlenem  tworzą  substancję  wybuchową,  nie
moŜna  tych  stopów  podczas  obróbki  chłodzić  wodą,  a  przy  ich  szlifowaniu  naleŜy  stosować
urządzenia  do  pochłaniania  pyłu.  Stopy  magnezu  moŜna  obrabiać  skrawaniem,  stosując
specjalne narzędzia i duŜe prędkości skrawania.

Stopy odlewnicze magnezu są stosowane na odlewy wykonywane przewaŜnie pod

ciśnieniem,  szczególnie  dla  przemysłu  lotniczego.  Stop  MgA13ZnMn  jest  stosowany  na  odlewy
o duŜej  szczelności,  jak  korpusy  pomp  i  armatura.  Stopy  MgAl6Zn3Mn  i  MgAl8ZnMn  są
stosowane  na  odlewy  części  lotniczych  silnie  obciąŜone,  części  silników,  agregatów  oraz
aparatów fotograficznych i maszyn do pisania. Utrzymują dobre własności do temperatury 120°C.

Stopy do obróbki plastycznej wykazują większą przydatność do obróbki plastycznej na

gorąco niŜ na zimno. Obróbka plastyczna na gorąco zaleŜnie od stopu odbywa się w temperaturze
230–450°C. Stop MgMn2 jest stosowany na mało obciąŜone elementy konstrukcji lotniczych
i samochodowych, od których jest wymagana wysoka plastyczność i dobra spawalność.

Cynk jest metalem o dobrych własnościach plastycznych, małej wytrzymałości na

rozciąganie i niskiej temperaturze topnienia, wynoszącej 418°C. Cynk stosuje się głównie na
przeciwkorozyjne  powłoki  ochronne  głównie  blach  i  drutów.  Cynk  stosuje  się  równieŜ
w  budownictwie  w  postaci  blach  płaskich  i  falistych  na  pokrycia  dachów.  Jest  stosowany
równieŜ  do  wyrobu  baterii  elektrycznych  oraz  w  postaci  folii  do  opakowań,  a  takŜe  jako
składnik róŜnych stopów.

Głównymi składnikami stopów cynku są: aluminium, miedź i niekiedy mangan.

Większość stopów cynku moŜe być stosowana do odlewania i do obróbki plastycznej. Stopy
zawierające powyŜej 5,4% aluminium są stopami wyłącznie odlewniczymi.

Stopy cynku znane są pod nazwą znal. MoŜna je łatwo spawać i hartować oraz obrabiać.

Znale  po  obróbce  plastycznej  mają  dobrą  wytrzymałość  i  plastyczność.  DuŜe  znaczenie
techniczne  mają  stopy  odlewnicze  ZnAl1  i  ZnAl28Cu4.  Są  stosowane  jako stopy łoŜyskowe
oraz  na  ślimacznice  i  prowadnice.  Odlewy  ciśnieniowe  ze  stopów  cynku  znalazły
zastosowanie  w  przemyśle  maszynowym  na:  korpusy,  armaturę,  gaźniki  samochodowe,
części maszyn drukarskich, klamki, obudowy, itp.

Cyna i jej stopy

Własności mechaniczne czystej cyny są tak niskie, Ŝe nie nadaje się na materiał

konstrukcyjny. Folia cynowa ma duŜe zastosowanie do pakowania produktów
Ŝ

ywnościowych. Cynę stosuje się do cynowania puszek do konserw, a największe

zastosowanie znalazła jako dodatek stopowy.

Stopy cyny dzieli się na odlewnicze i do obróbki plastycznej. Stopy do obróbki plastycznej

są stosowane głównie na folie. Stop SnSb2,5 (zawierający 1,9–3,1% Sb) jest stosowany
do wyrobu folii na otuliny i do platerowania folii ołowiowej, a stop SnPbl3Sb na folie
kondensatorowe.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Co to jest mosiądz?
2.  Co to jest brąz?
3.  Co to są siluminy?
4.  Jakie znasz rodzaje stopów aluminium ?
5.  Jakie znasz rodzaje stopów magnezu?
6.  Jak oznaczamy stopy metali nieŜelaznych?
7.  Jaki jest podział stopów aluminium?
8.  Jakie jest zastosowanie metali i ich stopów?

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Odczytaj z PN i katalogów właściwości i zastosowanie następujących stopów: B555,

B1010, M90, BM123, PA6.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

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

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

PN i katalogi zawierające informacje o stopach metali nieŜelaznych,

−

arkusze papieru i pisaki,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Odszukaj w PN i katalogach stopy CuAl9Fe3, CuMn12Ni3, SnSb8Cu3, wypisz ich skład

chemiczny oraz właściwości i zastosowanie.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  dobrać partnerów do pracy w grupie,
2)  zapoznać się treścią ćwiczenia,
3)  zapoznać się z otrzymanymi normami i katalogami,
4)  podzielić pracę na poszczególnych członków grupy,
5)  odszukać odpowiednie gatunki stopów metali kolorowych
6)  zapisać właściwości i zastosowania tych stopów,
7)  uporządkować w grupie odnalezione informacje,
8)  zaprezentować efekty pracy grupy na forum grupy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

PN i katalogi zawierające informacje o stopach metali nieŜelaznych,

−

arkusze papieru i pisaki,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 3

Na podstawie katalogów zidentyfikuj stopy metali nieŜelaznych o oznaczeniach:

EN AC–AlSi9; EN–MCMgAl8Zn1; ZP16. Określ ich właściwości mechaniczne i podaj
zawartość poszczególnych pierwiastków.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

materiałów,

4) zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−−−−

katalogi wyrobów metalowych,

−−−−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.2.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) zdefiniować pojęcia: mosiądz i brąz?

2) zdefiniować pojęcie siluminy?

3) wyjaśnić, jakie stopy nazywamy elektronami?

4) dokonać klasyfikacji stopów aluminium?

5) wymienić właściwości cynku?

6) rozpoznać metale nieŜelazne i ich stopy na podstawie oznaczeń?

7) dobrać materiały z katalogu?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3. Materiały niemetalowe

4.3.1. Materiał nauczania

Tworzywa sztuczne

Tworzywa sztuczne konkurują z powodzeniem ze stosowanymi powszechnie

materiałami,  takimi  jak  stal  i  aluminium.  Są  coraz  częściej  wykorzystywane  do  budowy
nadwozi  samochodów,  gdyŜ  zapewniają  konstruktorowi  róŜnorodne  moŜliwości  ich
ukształtowania,  łatwość  formowania  wyrobów  o  skomplikowanych  kształtach  dobre
właściwości mechaniczne, moŜliwość stosowania w róŜnorodnej postaci, czyli jako tworzywa
konstrukcyjne, materiały powłokowe, spoiwa, kleje, kity, włókna syntetyczne.

Podział tworzyw sztucznych

Tworzywa z surowców naturalnych – (drewno, bawełna, mleczko kauczukowe, mleko).

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

Klasyczne tworzywa kondensacyjne – inaczej zwane duroplastami (Ŝywice utwardzalne).

Duroplasty  stosuje  się  w  postaci  mieszanek  do  tłoczenia  (Ŝywica  +  napełniacz),  laminatów,
tworzyw piankowych, tworzyw wzmacnianych (np. włóknem szklanym), Ŝywic technicznych,
klejów,  lakierów.  Nieodwracalne  przejście  ze  stanu  plastycznego  w  utwardzony  zachodzi
podczas  formowania  wyrobów,  bądź  podczas  stosowania  w  postaci  klejów,  lakierów  itd.
Do najwaŜniejszych  duroplastów  naleŜą:  fenoplasty,  aminoplasty,  polimery  nienasycone,
Ŝ

ywice epoksydowe i niektóre Ŝywice silikonowe. Cechuje je sztywność, stabilność

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

Tworzywa z produktów wielofunkcyjnych: najbardziej popularnymi tworzywami tego

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

Polimery:

–

elastomery (w temp. pokojowej dobrze się odkształcają, moŜna je wydłuŜyć o 300%,

–

plastomery (w temp. pokojowej są twarde, nieplastyczne).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Elastomery:

–

wulkanizujące (duŜo siarki od której zaleŜy twardość),

–

niewulkanizujące (występują bez siarki).
Plastomery:

–

termoplasty (podgrzane do wysokiej temp. są rozciągliwe),

–

duroplasty termoutwardzalne (twardnieją w zaleŜności od temperatury),

–

duroplasty chemoutwardzalne (twardnieją przez utwardzacz).

Cechy tworzyw sztucznych

Tworzywa sztuczne są na ogół bardzo lekkie (gęstość najczęściej ok. 1 g/cm

) i mają

małą przewodność cieplną. Większość z nich jest dielektrykami, jednak po dodaniu znacznej
ilości  (ok.  50%)  materiałów  przewodzących,  np.  sadzy  lub  pyłu  metalicznego,  przewodzą
prąd  elektryczny.  Mogą  być  przezroczyste  lub  całkowicie  nieprzezroczyste.  Tworzywa
niemodyfikowane, w porównaniu z metalami, mają małą wytrzymałość na rozciąganie, mały
moduł  elastyczności  oraz  bardzo  dobrą  wytrzymałość  na  rozciąganie.  DuŜy  moduł
elastyczności  mają  tworzywa  zbrojone  np.  włóknem  szklanym  (kompozyt,  laminaty).
Tworzywa sztuczne są najczęściej odporne na czynniki chemiczne, wilgoć ale nie są odporne
na  działanie  czynników  silnie  utleniających.  Wadą  większości  tworzyw  sztucznych  jest  ich
wraŜliwość na podwyŜszoną temperaturę (powyŜej 100°C).

Tworzywa termoplastyczne (termoplasty) pod wpływem działania podwyŜszonej

temperatury stają się miękkie, a po obniŜeniu temperatury z powrotem stają się twarde
i sztywne. UmoŜliwia to wielokrotną przeróbkę tych tworzyw.

Przykłady tworzyw sztucznych:

–

polietylen stosuje się do wytwarzania powłok ochronnych, do powlekania przewodów
i kabli elektrycznych, do produkcji skrzynek akumulatorowych, zbiorników i róŜnych
drobnych części do instalacji elektrycznej,

–

polichlorek winylu (PCV) jest odporny na działanie ługów, rozcieńczanych kwasów,
spirytusu, benzyny, smarów i wody. Miękki polichlorek winylu jest uŜywany do wyrobu
tworzywa piankowego w postaci bloków, płyt i gotowych kształtek,

–

poliamidy  znalazły  zastosowanie  w  przemyśle  włókienniczym  i  maszynowym.  Włókna
poliamidowe  są  uŜywane  do  wyrobu  obić,  pokryć  tapicerskich,  pasów  bezpieczeństwa
w samochodach.  Ze  względu  na  twardość,  mały  współczynnik  tarcia,  niski  koszt
produkcji, tłumienie drgań i cichą pracę oraz odporność na środki chemiczne stosuje się
je do wyrobu łoŜysk ślizgowych tulejek,

–

polimetakrylen  metylu  (szkło  organiczne)  –  z  zabarwionych  płyt  szkła  organicznego
produkuje  się  szyby  przeciwodblaskowe.  Wytłaczając  cienkie  szyby  ze  szkła
organicznego  otrzymuje  się  płytki  do  produkcji  szkieł  odblaskowych.  Ze  szkła
organicznego  wykonuje  się  równieŜ  klosze  lamp  oświetlenia  wewnętrznego,  szyby
przyrządów kontrolnych, klosze świateł sygnalizacyjnych, gałki, uchwyty,

–

folie poliestrowe stosuje się na wewnętrzne okładziny drzwi w samochodach oraz obicia
tapicerskie.  Poliestry  z  wypełniaczem  w  postaci  włókna  lub  tkaniny  słuŜą  do  budowy
nadwozi  samochodów. Laminaty poliestrowe mają małą gęstość w porównaniu z blachą
stalową,  duŜą  spręŜystość,  odporność  na  działanie  czynników  atmosferycznych,  dobrą
izolację  cieplną  i  zdolność  tłumienia  drgań.  Odporność  poliestrów  na  działanie  paliw
wykorzystano w produkcji zbiorników paliwa,

–

poliwęglany wykorzystuje się do produkcji nowoczesnych reflektorów o nietypowych
kształtach, często z gładką lub słabo uryflowaną szybą.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tworzywa ceramiczne

Tworzywami ceramicznymi nazywa się elementy konstrukcyjne uformowane

w temperaturze otoczenia z materiałów mineralnych proszkowych lub plastycznych,
a następnie utrwalane za pomocą wypalania lub spiekania.

Podstawowymi materiałami do wytwarzania tworzyw ceramicznych są: glina i jej

odmiany,  jak:  szamot  i  kaolin,  krzemionka,  magnezyt,  kwarc,  skaleń,  talk,  związki  wapnia,
związki  metali.  Tworzywa  ceramiczne  odznaczają  się  wieloma  zaletami,  z  których  do
najwaŜniejszych  naleŜy  zaliczyć:  duŜą  odporność  chemiczną  i  cierną,  bardzo  małą
przewodność  elektryczną,  odporność  na  ścieranie  i  duŜą  twardość.  Największe zastosowanie
w przemyśle znalazły: porcelana, kamionka, steatyt, klinkier.

W Polsce wytwarza się obecnie miedzy innymi: części maszyn z proszków Ŝelaza,

węgliki spiekane, szczotki kolektorowe, materiały magnetyczne metale trudno topliwe, styki
elektryczne, łoŜyska porowate.

Ramowy schemat omawianej technologii składa się z następujących procesów:

–

przygotowanie proszków,

–

formowanie,

–

spiekanie,

–

kalibrowanie,

–

obróbka cieplna,

–

wykańczanie,

–

kontrola produkcji.
Przygotowanie proszków obejmuje redukcję oraz mieszanie proszku podstawowego

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

odparowanie środków poślizgowych,

–

redukcja tlenków,

–

spiekanie właściwe,

–

chłodzenie wsadu.
Odparowanie środków poślizgowych odbywa, sie przy temperaturze 300–600

C, zaś

właściwe spiekanie w zakresie temperatur (2/3–4/5)T, gdzie T oznacza temperaturę topnienia.

Cermetale, czyli materiały metaloceramiczne, są otrzymywane z mieszaniny proszków

metalowych  z  niemetalami.  Odznaczają  się  duŜą  odpornością  na  działanie  wysokich
temperatur  oraz  korozji.  Elementy  z  cermetali  wykonuje  się  przez  prasowanie  pod  bardzo
wysokim  ciśnieniem,  a  następnie  spiekanie  w  wysokiej  temperaturze.  Cermetale  w  postaci
płytek są stosowane na robocze części narzędzi skrawających. Najczęściej stosuje się do tego
celu  cermetal  wykonany  z  trójtlenku  glinu  (Al

) z niewielką domieszką tlenku magnezu

i  korundu.  Ostrze  z  tego  cermetalu  nie  traci  własności  skrawających  nawet  w  temperaturze
1200°C,  a  ponadto  odznacza  się  małym  współczynnikiem  tarcia.  Podobne  własności  ma
cermetal wykonany z azotku baru i wiele innych o róŜnych nazwach handlowych.

Wadą płytek na narzędzia skrawające z cermetali jest niska wytrzymałość i kruchość.

Cermetale

znalazły

zastosowanie

takŜe

wyrobu

materiałów

aroodpornych,

półprzewodników oraz na łopatki turbin gazowych samolotów odrzutowych.

Bawełna i konopie są uŜywane jako materiały uszczelniające przede wszystkim w postaci

sznurów, niekiedy nasyconych grafitem lub minią. Sznury te są uŜywane do uszczelniania

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

połączeń gwintowych rur wodociągowych i innych oraz dławnic zaworów róŜnych instalacji
rurowych. Z materiałów stosowanych na uszczelki wymienić moŜna ponadto korek, papier,
tekturę, filc, skórę i wiele innych.

Szkło powstaje przez stopienie głównie tlenków: krzemu, wapnia, sodu i potasu

i ochłodzenie  poniŜej  temperatury  rekrystalizacji.  Szkło  jest  nieprzenikliwe  dla  cieczy
i gazów,  odporne  na  działanie  czynników  chemicznych,  niepalne  i  wytrzymałe  na
podwyŜszoną  temperaturę.  W  wysokiej  temperaturze  w  stanie  plastycznym  daje  się  łatwo
kształtować.  Szkło  mimo  swej  przezroczystości  nie  przepuszcza  promieni  nadfioletowych.
Obecnie  produkuje  się  specjalne  szkło  kwarcowe,  stosowane  w  autobusach  turystycznych,
które  częściowo  przepuszcza  promienie  nadfioletowe.  Istnieje  wiele  odmian  szkła,  dlatego
omówione zostaną tylko te, które w przemyśle mają największe zastosowanie.

Szyby samochodowe, lotnicze oraz stanowiące ściany niektórych pomieszczeń są

wykonywane ze szkła bezpiecznego.

Szyby budowlane dzieli się na pięć grup:

–

zwykłe,

–

bezpieczne,

–

o zwiększonej odporności na włamanie,

–

odporne na ostrzał broni palnej,

–

o zwiększonej odporności na działanie fali detonacyjnej.
Szyby bezpieczne wykonuje się jako jednowarstwowe termicznie napręŜone (tzw.

hartowane),  które  rozpadają  się  w  czasie  pękania  na  drobne  kawałki  pozbawione  ostrych
krawędzi  lub  jako  jednowarstwowe  zabezpieczane  folią  antywłamaniową,  które  pękają
promieniowo od miejsca uderzenia.

Pozostałe szyby są klejonymi strukturami wielowarstwowymi, które składają się z kilku

połączonych ze sobą części składowych (szkło, powłoki z tworzyw sztucznych).

Drewno

W technice mianem drewna określa się surowiec otrzymany ze ściętych drzew

i  ukształtowany  przez  obróbkę  na  odpowiednie  asortymenty.  Drewno  jest  tworzywem
o  budowie  komórkowej.  ZaleŜnie  od  gatunku  porowatość  drewna  waha  sie  w  granicach
10–90%.  Porowatość  ta  ma  istotny  wpływ  na  własności  fizyczne  drewna.  W  przekroju
poprzecznym kaŜdego pnia drzewa moŜna wyróŜnić:
–

korę spełniająca rolę tkanki okrywającej,

–

łyko,

–

miazgę,

–

właściwe drewno składające się z bieli i twardzieli lub tylko z bieli,

–

rdzeń.
Biel i twardziel stanowią właściwe drewno najwartościowszą część pnia, zawierająca

ywicę, garbniki i olejki eteryczne decydujące o trwałości drewna. Pod względem

chemicznym  drewno  składa  sie  z  celulozy,  ligniny  (drzewnika),  chemicelulozy,  wody  oraz
charakterystycznych dla danego gatunku Ŝywic, cukrów, garbników i substancji mineralnych.
W  suchym  drewnie  iglastym  zawartość  celulozy  wynosi  53–54%,  w  suchym  drewnie
liściastym  43–48%.  Drewno  jest  doskonałym  materiałem  konstrukcyjnym,  zarówno  w stanie
naturalnym, jak i w postaci sklejek, płyt pilśniowych, wiórowych itd. Wspólna ujemną cecha
wszystkich  gatunków  drewna  jest  higroskopijność  tj.  skłonność  do  pochłaniania  wilgoci
i wyparowywania  jej  po  nagrzaniu  co wywołuje  powstawanie  pęknięć.  Przed  butwieniem
i gniciem  zabezpiecza  się  drewno  róŜnymi  środkami  takimi  jak  smoła,  asfalt,  pokost,  farby
i lakiery. W tabeli przedstawiono orientacyjne własności fizyczne róŜnych rodzajów drewna.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tabela 7. Orientacyjne własności fizyczne drewna powietrzno-suchego [7]

Guma jest elastycznym produktem wulkanizacji (tj. sieciowania makrocząsteczek)

kauczuku  naturalnego  lub  syntetycznego.  Otrzymuje  się  ja  przez  przeróbkę  mieszanek
zawierających  oprócz  kauczuku  inne  substancje  ułatwiające  procesy  przetwórcze  oraz
nadające  gumie  odpowiednie  własności.  Do  najwaŜniejszych  składników  mieszanek
kauczukowych naleŜą:
–

kauczuk naturalny lub syntetyczny,

–

rodki wulkanizujące, najczęściej siarka oraz przyspieszacze np. triazole, sulfonamidy, itd.,

–

zmiękczacze, składniki ułatwiające przetwórstwo oraz obniŜające twardość gumy
w stanie zwulkanizowanym,

–

napełniacze, tj. organiczne lub nieorganiczne, ciała stałe o róŜnym stopniu dyspersji,
np. róŜne typy sadzy, krzemionki i krzemiany, kaolin, kreda, itd.

–

pigmenty i barwniki,

–

rodki ochronne, tj. substancje zabezpieczające gumę przed niszczącym działaniem

wiatła, ciepła, tlenu, ozonu, agresywnych środowisk i innych czynników,

–

rodki porotwórcze, tj. składniki mieszanek wydzielające podczas ogrzewania gaz,

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

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

Materiał kompozytowy (lub kompozyt) – materiał o strukturze niejednorodnej, złoŜony

z dwóch lub więcej komponentów. Właściwości kompozytów nigdy nie są sumą, czy średnią
właściwości  jego  składników.  Najczęściej  jeden  z  komponentów  stanowi  lepiszcze,  które
gwarantuje  jego  spójność,  twardość,  elastyczność  i  odporność  na  ściskanie,  a  drugi,  tzw.
komponent  konstrukcyjny  zapewnia  większość  pozostałych  własności  mechanicznych

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

kompozytu. Wiele kompozytów wykazuje anizotropię róŜnych właściwości fizycznych.
Nie muszą to być wyłącznie własności mechaniczne.

Jednymi z najczęściej stosowanych komponentów konstrukcyjnych są silne włókna takie

jak  włókno  szklane,  kwarc,  azbest,  kevlar  czy  włókna  węglowe  dające  materiałom  duŜą
odporność  na  rozciąganie.  Do  najczęściej  stosowanych  lepiszczy  zaliczają  się  Ŝywice
syntetyczne  oparte  poliesterach,  polieterach  (epoksydach),  poliuretanach  i  Ŝywicach
silikonowych.

Rodzaje kompozytów:

–

kompozyty  strukturalne  –  w  których  występują  ciągłe  struktury  komponentów
konstrukcyjnych  –  warstwy  (np.  sklejka),  pręty  (np.  Ŝelbet)  lub  regularne  struktury
trójwymiarowe np. przypominające plaster miodu,

–

laminaty  –  które  składają  się  z  włókien  zatopionych  w  lepiszczach  –  w  zaleŜności
od sposobu  uporządkowania  włókien  rozróŜnia  się  taśmy  kompozytowe  –  włókna
ułoŜone w jednym kierunku – maty kompozytowe – w dwóch prostopadłych kierunkach
– lub nieuporządkowane,

–

mikrokompozyty  i  nanokompozyty  –  w  których  regularna  struktura  dwóch  lub  więcej
składników  jest  zorganizowana  juŜ  na  poziomie  nadcząsteczkowym  –  tego  rodzaju
kompozyty  występują  w  organizmach  naturalnych  –  np.  drewno  –  jest  rodzajem
mikrokompozytu,  w  skład  którego  wchodzą  zorganizowane  w  skręcone  pęczki  włókna
celulozowe, „sklejone” ligniną,

–

stopy strukturalne – które są rodzajem stopów metali, metali z niemetalami, polimerów
między sobą i polimerów z metalami i niemetalami o bardzo regularnej mikrostrukturze –
przykładem tego rodzaju kompozytu jest stal damasceńska i duraluminium.

4.3.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Jaki jest podział i zastosowanie tworzyw sztucznych?
2.  Co to jest termoplast?
3.  Co to są duroplasty?
4.  Jakie znasz zastosowania tworzyw sztucznych?
5.  Jakie znasz metody przetwarzania tworzyw sztucznych?
6.  Co nazywamy cermetalami?
7.  W jaki sposób przebiega proces wytwarzania elementów z proszków metali?
8.  Jakie znasz główne składniki gumy?
9.  Z jakich elementów składa się drewno i która część ma dla techniki największą wartość?
10.  Jakie są właściwości szkła?
11.  Co to są kompozyty?

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

WskaŜ zastosowanie Ŝywicy epoksydowej.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) wymienić zalety i wady Ŝywicy epoksydowej,
2) wskazać zastosowanie Ŝywicy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4. Materiały eksploatacyjne

4.4.1. Materiał nauczania

UŜytkowane urządzenia mogą osiągnąć właściwą wydajność tylko wówczas, gdy ich

mechanizmy  będą  miały  zapewnione  warunki  pracy  zgodne  z  ich  załoŜeniami
i  właściwościami  konstrukcyjnymi.  Zmiana  tych  warunków  odbija  się  na  pracy  całego
urządzenia,  powodując  przyspieszone  zuŜycie  mechanizmów  i  części,  a  nawet  ich
uszkodzenie.

Dokładne spełnianie warunków określonych w instrukcji producenta jest najwaŜniejszym

czynnikiem prawidłowej eksploatacji. W czasie eksploatacji urządzenie zuŜywa się, czyli
następuje pogorszenie jego stanu technicznego. Urządzenie zuŜywa się naturalnie, nawet przy
bardzo prawidłowej jego eksploatacji.

Naturalne zuŜycie urządzeń zaleŜy od ich konstrukcji, a w szczególności od rodzaju

połączeń.  Naturalne  zuŜycie  rośnie  proporcjonalnie  do  czasu  pracy  urządzenia.  Tylko  do
określonej  granicy  zuŜycie  nie  powoduje  zmian  w  jakości  pracy  mechanizmu  i  wtedy  jest
uwaŜane  za  zuŜycie  naturalne  i  dopuszczalne.  Później  następuje  zuŜycie  niszczące.  NaleŜy
więc  dokładnie  uchwycić  moment,  w  którym  mechanizm  osiągnął  zuŜycie  dopuszczalne
i dokonać naprawy zapobiegającej zuŜyciu niszczącemu.

ZuŜycie naturalne dzieli się na mechaniczne i chemiczne. ZuŜycie mechaniczne następuje

przede wszystkim na skutek tarcia powstającego między współpracującymi ze sobą
powierzchniami. Powoduje ono zmianę wymiarów i kształtów współpracujących części,
a zatem powstawanie nadmiernych luzów.

ZuŜycie chemiczne polega na zmianach w strukturze powierzchni współpracujących

części,  powstających  w  wyniku  korodującego  oddziaływania  kwasów  zawartych  w  olejach
i  smarach  oraz  oddziaływania  środowiska,  w  którym  jest  uŜytkowane  urządzenie.  RozróŜnia
się  równieŜ  pojęcie  niszczenia  korozyjnego,  które  moŜe  być  niezaleŜne  od  uŜytkowania
urządzenia,  a  wynikać  z  oddziaływania  korodującego  środowiska  (np.  pary  kwasów
w akumulatorni).

Rys. 11. Przyleganie dwóch powierzchni płaskich przy tarciu czystym [5, s. 336]

Przez tarcie, w jego najbardziej ogólnym pojęciu, są rozumiane zjawiska występujące

w obszarze styku dwóch przemieszczających się względem siebie ciał, w wyniku których
powstają opory ruchu.

W zaleŜności od sposobu smarowania rozróŜnia się następujące rodzaje tarcia:

−

czyste, gdy z wierzchołków mikronierówności powierzchni współpracujących części
ocierają się cząsteczki złoŜone z tlenków metali, obnaŜając czyste powierzchnie
i powodując ich bezpośrednie zuŜycie,

−

suche, czyli tarcie powierzchni, na których nie ma smaru,

−

graniczne, w którym między współpracującymi powierzchniami znajduje się minimalna

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

warstwa smaru; na styku tych powierzchni powstaje powierzchnia nośna specjalnych
własnościach (związek chemiczny smaru z cząsteczkami metalu),

−

półsuche, które łączy w sobie cechy tarcia suchego i tarcia granicznego,

−

płynne, w którym współpracujące powierzchnie są w pełni rozdzielone warstwą smaru
tworzącą błonkę olejową, przy czym zewnętrzne ciśnienie przejmuje warstwa ruchomego
smaru; w czasie ruchu tarcie powstaje tylko między cząsteczkami smaru,

−

półpłynne, które łączy w sobie cechy tarcia płynnego i granicznego.
We współczesnych konstrukcjach urządzeń dąŜy się do tego, aby wszelkie połączenia

ruchowe pracowały w warunkach tarcia płynnego, co ma decydujący wpływ na trwałość
urządzeń.

Ponadto rozróŜnia się jeszcze tarcie:

−

kinetyczne – występuje wtedy, gdy występuje ruch między współpracującymi częściami,

−

statyczne – występuje podczas wprawiania w ruch współpracujących części.
W zaleŜności od sposobu przemieszczania się dwóch przyległych do siebie płaszczyzn

rozróŜnia się tarcie:
–

lizgowe, jeŜeli powierzchnia jednego ciała przesuwa się (ślizga) po powierzchni

drugiego ciała,

–

toczne, jeŜeli powierzchnia jednego ciała toczy się po powierzchni drugiego ciała.
Wymienione dotychczas podziały i rodzaje tarcia są zaliczane do tarcia zewnętrznego,

poniewaŜ występuje ono na zewnętrznych powierzchniach ciał. Istnieje równieŜ tarcie
wewnętrzne (np. w cieczach), gdy cząsteczki ciała przemieszczają się względem siebie.

Od prawidłowych warunków smarowania zaleŜy zmniejszenie sił tarcia, a więc zaleŜy

trwałość połączeń ruchomych i zmniejszenie zuŜycia części. Dla maksymalnego zmniejszenia
tarcia  ślizgowego  między  powierzchnie  dwóch  ciał  wtłacza  się  warstwę  smaru,  która  je
rozdziela.  Takiemu  tarciu  ślizgowemu  nie  towarzyszy  ścinanie  wierzchołków  nierówności
powierzchni  ani  Ŝłobienie  rys,  gdyŜ  obie  powierzchnie  nie  stykają  się  ze  sobą,  a  opór  tarcia
jest znacznie mniejszy.

Smarowanie

W zaleŜności od metody powstawania warstwy smarującej, rozróŜnia się smarowanie:

−

hydrostatyczne,

−

hydrodynamiczne.
Smarowanie hydrostatyczne występuje wtedy, gdy dla uzyskania tarcia płynnego warstwa

cieczy smarnej jest dostarczana pod ciśnieniem do obszaru między współpracującymi
powierzchniami. Smarowanie hydrostatyczne jest stosowane w róŜnego rodzaju łoŜyskach
promieniowych i osiowych oraz w przesuwnych prowadnicach cięŜkich obrabiarek.

Smarowanie hydrodynamiczne występuje wówczas, gdy dla uzyskania tarcia płynnego

niezbędna warstwa cieczy smarnej powstaje w wyniku ruchu względnego obu
współpracujących elementów.

Technika smarowania

Smarowanie jest dokonywane przez wprowadzenie między współpracujące powierzchnie

ciała trzeciego (cieczy smarnej) o bardzo małym tarciu wewnętrznym, w celu zmniejszenia
współczynnika tarcia. Smarowanie zmniejsza więc straty energii na pokonanie tarcia
i zapobiega wczesnemu zuŜyciu części. Smarowanie spełnia równieŜ inne zadania, do których
naleŜą:

−

częściowe zabezpieczenie przed korozją powierzchni metalowych,

−

chłodzenie części oraz odprowadzanie ciepła spomiędzy współpracujących powierzchni,

−

przyspieszenie procesu docierania,

−

odprowadzenie z obszaru współpracy części zuŜytych cząstek materiałów.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Do smarowania maszyn i urządzeń uŜywa się róŜnych gatunków olejów maszynowych

i smarów stałych. Są one następujące:

−

olej maszynowy 4 – do smarowania lekko obciąŜonych łoŜysk ślizgowych, pracujących
przy duŜych prędkościach obrotowych,

−

olej maszynowy 8 – do smarowania lekko obciąŜonych łoŜysk ślizgowych i tocznych,
pracujących przy duŜych prędkościach obrotowych,

−

olej maszynowy 10 – ma podobne zastosowanie jak olej maszynowy 8 oraz słuŜy do
smarowania wrzecion o prędkości obrotowej 4000 do 7000 obr/min,

−

olej maszynowy 16 – do smarowania łoŜysk ślizgowych,

−

olej maszynowy 26 – do smarowania lekko obciąŜonych łoŜysk ślizgowych i przekładni
zębatych,

−

olej maszynowy 40 – do smarowania średnio obciąŜonych łoŜysk ślizgowych i tocznych
oraz przekładni zębatych i prowadnic,

−

olej maszynowy 65 – ma podobne zastosowanie jak olej maszynowy 40, lecz przy
większych obciąŜeniach i w podwyŜszonej temperaturze,

−

olej maszynowy nisko krzepnący 4Z (temperatura krzepnięcia – 25°C) – do smarowania
łoŜysk ślizgowych i tocznych przy prędkości obrotowej ponad 800 obr/min,

−

olej maszynowy nisko krzepnący 10Z (temperatura krzepnięcia – 45°C) – do smarowania
lekko obciąŜonych szybkoobrotowych łoŜysk tocznych i ślizgowych oraz wrzecion
o prędkości obrotowej 4000–7000 obr/min,

−

olej maszynowy nisko krzepnący 16 Z (temperatura krzepnięcia – 30°C) – do smarowania
łoŜysk ślizgowych,

−

olej maszynowy nisko krzepnący 26 Z (temperatura krzepnięcia – 25°C) – do smarowania
lekko obciąŜonych łoŜysk ślizgowych i przekładni zębatych,

−

olej maszynowy nisko krzepnący 40 Z (temperatura krzepnięcia – 20°C) – do smarowania
ś

rednio obciąŜonych łoŜysk ślizgowych oraz przekładni zębatych,

−

smar maszynowy 1 – do smarowania lekko obciąŜonych powierzchni ślizgowych
o temperaturze pracy do 50°C,

−

smar maszynowy 2 – do smarowania średnio obciąŜonych powierzchni ślizgowych
o temperaturze pracy do 60°C,

−

smar maszynowy SŁG-3 – do smarowania silnie obciąŜonych łoŜysk ślizgowych
o temperaturze pracy do 140°C,

−

smar maszynowy ŁT–1, ŁT–2, ŁT–3, ŁT–4S, ŁT–5, ŁT–1–13 – do smarowania łoŜysk
tocznych w zaleŜności od obciąŜenia łoŜyska, temperatury i warunków jego pracy.

Oleje nisko krzepnące stosuje się do smarowania maszyn i urządzeń pracujących

w niskich temperaturach otoczenia. Pozostałe oleje mają temperaturę krzepnięcia +5°C
i mogą być stosowane w maszynach pracujących w temperaturze pokojowej.

Właściwe smarowanie wszystkich urządzeń technicznych jest podstawowym elementem

konserwacji i racjonalnej eksploatacji maszyn i urządzeń. Przy ocenie zastosowania
i przydatności olejów i smarów bierze się pod uwagę lepkość, smarność, temperaturę
krzepnięcia, temperaturę zapłonu oraz zawartość zanieczyszczeń mechanicznych i kwasowych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tabela 8. Zastosowanie smarów

Rodzaj smaru

Zastosowanie

oliwa

do smarowania warsztatów tkackich: jako płyn jadalny do
potraw; w lecznictwie

olej rycynowy

do smarowania maszyn pracujących pod duŜym
obciąŜeniem, przy duŜych prędkościach, w wysokiej
temperaturze, w lecznictwie; do silników lotniczych

śl

olej rzepakowy i lniany

do smarowania łoŜysk, do gwintowania śrub i nakrętek; jako
tłuszcz jadalny

sadło

olej kostny
tran wielorybi
tran delfinowy
łój

do smarowania mechanizmów precyzyjnych z dodatkiem
mydła, grafitu, oleju mineralnego – do smarowania
przekładni zębatych

(oleje czyste z ropy naftowej,
rafinowane z węgla brunatnego
i z węgla kamiennego, rafinowane
elektrycznie)
oleje:

−

izolacyjne,

−

turbinowe,

−

wrzecionowe,

−

maszynowe.

−

do transformatorów

−

do smarowania turbin parowych

−

do szybkobieŜnych i lekko obciąŜonych łoŜysk
maszynowych, jako płyn do napędów hydraulicznych

−

do smarowania łoŜysk silników elektrycznych, obrabiarek,
pomp odśrodkowych.

oleje:

−

silnikowe

−

cylindrowe

−

osiowe wagonowe

Smary stale:*

−

Tovotta

−

wazelina techniczna

−

Kalipsol

−

do smarowania silników samochodowych i ciągnikowych

−

do cylindrów i dławików maszyn parowych

−

do smarowania łoŜysk parowozów, wagonów, zwrotnic

−

do łańcuchów pędnych, sworzni przegubowych
i trudnodostępnych miejsc w maszynach

−

do mechanizmów precyzyjnych, łoŜysk do konserwacji
przedmiotów obrabianych, płytek wzorcowych

−

do smarowania łoŜysk ślizgowych

* Smary stałe otrzymuje się z olejów pochodzenia naftowego i substancji zagęszczających (mydła, parafiny

i cerezyny). ZaleŜnie od rodzaju domieszki smary dzieli się na wapniowe, sodowe, potasowe, glinowe
ołowiowe.

Materiały ścierne

Materiały ścierne są uŜywane do szlifowania, docierania, polerowania i wygładzania

powierzchni przedmiotów. SłuŜą równieŜ do ostrzenia narzędzi oraz czyszczenia
przedmiotów skorodowanych, utlenionych, pokrytych lakierem, itp.

Twardość materiałów ściernych określa się w skali Mohsa. Skala ta ma 10 stopni

twardości, przy czym stopień najwyŜszy, czyli największa twardość, wynosi 10 i odpowiada
twardości diamentu, a stopień 1 – twardości talku. WyróŜnia się dwa podstawowe rodzaje
materiałów ściernych:
–

materiały ścierne wytwarzane przemysłowo, do których naleŜą: węgliki krzemu, tlenki
aluminium, tlenki aluminium modyfikowane tlenkiem cyrkonu oraz specjalne ziarna
ceramiczne,

–

naturalne materiały ścierne takie jak: kwarc, korund i diament.
Diament jest najtwardszym minerałem i stanowi regularną odmianę węgla. Jest

stosowany w przemyśle w postaci kamienia i proszku diamentowego. Znajduje równieŜ

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

zastosowanie  jako  ostrze  skrawające  do  specjalnych  noŜy  i  do  równania  ściernic  oraz  do
pomiarów  twardości  metali.  Proszek  diamentowy  jest  uŜywany  do  specjalnych  ściernic
i szlifowania drogich kamieni.

Korund jest minerałem o twardości 9 według skali Mohsa. Składa się głównie z tlenku

aluminium A1

oraz drobnych domieszek innych minerałów. Jest bardzo dobrym

materiałem ściernym, stosowanym głównie do wyrobu ściernic. Ziarna korundu ulegają
jednak odkształceniom i w związku z tym nie nadaje się on jako materiał ścierny do obróbki
zgrubnej.

Kwarc jest minerałem o twardości 7–8 według skali Mohsa. Jest to dwutlenek krzemu

SiO

. Jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych minerałów i znajduje zastosowanie do

wyrobu papierów ściernych oraz w postaci luźnego piasku do bębnów szlifierskich
i piaskownic. Jest bardzo tanim materiałem ściernym.

Szmergiel jest ciemną drobnoziarnistą skałą metamorficzną o twardości 6–8 według skali

Mohsa, zawierającą ok. 65% korundu oraz inne składniki stanowiące związki Ŝelaza i kwarcu.
W postaci luźnego ziarna jest uŜywany do polerowania i docierania; poza tym słuŜy jako
nasyp na papiery i płótna ścierne.

Najbardziej rozpowszechnionymi materiałami ściernymi wytwarzanymi sztucznie są:

sztuczne diamenty, karborund, ekektrokorund. Sztuczne diamenty mają podobne własności do
naturalnych diamentów, lecz są bardziej kruche. Karborund ma twardość 9–9,5 według skali
Mohsa.  Jest  związkiem  chemicznym  węgla  z  krzemem,  czyli  węglikiem  krzemu.  Jest
stosowany  jako  materiał  ścierny,  materiał  ognioodporny,  materiał  do  wyrobu  elementów
oporowych  w  piecach  elektrycznych  i  in.  Jest  to  krystaliczny  tlenek  glinowy  A1

otrzymywany z boksytu w piecach łukowych. Odznacza się duŜą twardością i jest stosowany
jako ścierniwo.

Materiały uszczelniające

Materiały uszczelniające słuŜą do wyrobu elementów zapewniających szczelność

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

Istnieje bardzo duŜo materiałów stosowanych do uszczelniania. Najczęściej znajdują

zastosowanie:

−

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

−

Azbest  jest  minerałem  o  budowie  włóknistej.  Jest  uŜywany  na  uszczelnienia  w  postaci
sznurów,  płyt  i  tkanin.  Znajduje  zastosowanie  w  postaci  uszczelek  w  urządzeniach
naraŜonych  na  działanie  wysokich  temperatur  oraz  kwasów  i  ługów.  Najczęściej  są
stosowane  uszczelki  wykonane  z  płyt  azbestowo-kauczukowych.  Uszczelki  te
wytrzymują wysokie temperatury i ciśnienie.

−

Guma jest stosowana bardzo szeroko na róŜnego rodzaju uszczelnienia. ZaleŜnie od
rodzaju gumy uszczelki gumowe są odporne na oleje, benzyny, niektóre rozpuszczalniki
organiczne i płyny hamulcowe. Uszczelki gumowe są uŜywane powszechnie

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Jakie rozróŜniamy rodzaje tarcia?
2.  Na czym polega smarowanie?
3.  Jakie są rodzaje smarowania?
4.  Jakie rodzaje olejów maszynowych stosujemy do smarowania?
5.  Jakie stosujemy smary stałe?
6.  Jakie materiały są stosowane do uszczelniania?
7.  Jak działa samo uszczelniacz?
8.  Jak moŜna sklasyfikować podstawowe materiały ścierne?

4.4.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Na podstawie DTR maszyny zaznacz, które materiały smarne naleŜy zastosować.

Rodzaj smaru

zastosowanie

oliwa

olej rycynowy

smary roślinne

olej rzepakowy i lniany

sadło

olej kostny

tran wielorybi

tran delfinowy

smary zwierzęce

łój

oleje izolacyjne

oleje turbinowe

oleje wrzecionowe

oleje maszynowe

smary mineralne (oleje czyste

z ropy naftowej, rafinowane

z węgla brunatnego i z węgla

kamiennego, rafinowane

elektrycznie)

oleje silnikowe

smary cylindrowe

smary osiowe wagonowe

smary stale Tovotta

wazelina techniczna

smary mineralne

kalipsol

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować DTR maszyny,
2)  wyselekcjonować zalecane środki smarne,
3)  zaznaczyć w tabeli typy zalecanych środków smarnych,
4)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−−−−

DTR maszyny lub urządzenia,

−−−−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Korzystając z katalogu dobierz materiał uszczelniający do wykonania uszczelki pompy

hydraulicznej.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,
2)  odszukać w katalogu materiały uszczelniające do pompy hydraulicznej,
3)  zanotować wyniki w notatniku,
4)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−−−−

katalog materiałów uszczelniających,

−−−−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.4.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) wymienić podstawowe rodzaje materiałów ściernych?

2) wymienić podstawowe materiały uszczelniające?

3) scharakteryzować podstawowe materiały uszczelniające?

4) dobrać środki smarne?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Hartowanie jest operacją obróbki cieplnej polegającą na nagrzaniu przedmiotu

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

c1,3

) i następnie szybkim chłodzeniu. Celem hartowania jest uzyskanie struktury

martenzytycznej  lub bainitycznej,  charakteryzującej  się  między  innymi  odpowiednio  duŜą
twardością.  Stale  niestopowe  (węgłowe)  hartuje  się  w  wodzie,  stopowe  w  oleju,
wysokostopowe,  tzw. samohartujące  się  –  w  powietrzu.  Hartowanie  zwykłe  to  hartowanie
z ciągłym  chłodzeniem  w  środowisku  o  temperaturze  niŜszej  od  temperatury  M

początku

przemiany martenzytycznej z szybkością większą od krytycznej. Istnieją przy tym warunki do
powstawania napręŜeń cieplnych i strukturalnych. Hartowanie stopniowe polega na
chłodzeniu przedmiotu w kąpieli solnej o temperaturze nieco wyŜszej od M

, ochłodzeniu

jego  objętości  do  temperatury  kąpieli  i następnie  chłodzeniu  w  powietrzu.  Hartowanie
bainityczne  z  przemianą  izotermiczną  polega  na chłodzeniu  w  kąpieli  solnej  do  temperatury
bliskiej,  Lech  nieco  wyŜszej  od  M

, wytrzymaniu w tej temperaturze do zakończenia

przemiany bainitycznej, a następnie chłodzeniu w powietrz.

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  zaleŜy  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 duŜe napręŜenia własne i strukturalne oraz małą plastyczność, co uniemoŜliwia ich
bezpośrednie  uŜycie.  W  celu  zmniejszenia  tych  niekorzystnych  skutków  stosuje  się
odpuszczanie.

Odpuszczanie jest operacją obróbki cieplnej stosowanej po hartowaniu, polegającą na

nagrzaniu przedmiotu poniŜej temperatury A

, wygrzaniu i następnie chłodzeniu.

Temperatura  nagrzewania  i  czas  wygrzewania  zaleŜą  od  rodzaju  stali  i  celu  odpuszczania.
Odpuszczanie moŜe być: niskie, średnie i wysokie. Odpuszczanie niskie polega na nagrzaniu
przedmiotu  do temperatury 150–200°C i następnie chłodzeniu. Celem procesu jest usunięcie
napręŜeń  hartowniczych  przy  zachowaniu  duŜej  twardości  i  odporności  na  ścieranie.
Odpuszczanie  średnie  przeprowadza  się  w  zakresie  temperatur  200–500°C.  Celem  jest
uzyskania  duŜej  wytrzymałości i spręŜystości stali przy dość znacznym obniŜeniu twardości.
Odpuszczanie  wysokie  prze  biega  powyŜej  temperatury  500°C  lecz  poniŜej  A

. Celem jego

jest uzyska nie moŜliwie największej udarności, zwiększenie stosunku granicy plastyczności
do granicy wytrzymałości oraz prawie całkowite usunięcie napręŜeń hartowniczych.
Temperatura i czas odpuszczania zaleŜą od wymaganych właściwości.

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  uŜytkowych,  np.:  wysokiej  twardości  warstwy  wierzchniej  części
przy  zachowaniu  ciągliwości  rdzenia,  wysokiej  odporności  na  ścieranie,  zmniejszenie
współczynnika tarcia, podwyŜszenia odporności na korozję, itp.

Obróbka cieplno-chemiczna dzieli się na:

−

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

−

dyfuzyjne nasycanie metalami: aluminiowanie, chromowanie, cynkowanie, tytanowanie,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

dyfuzyjne

nasycanie

wieloskładnikowe:

węgloazotowanie,

tlenoazotowanie,

węglotytanowanie, siarkowęgloazotowanie.
Obróbka cieplno-chemiczna w zaleŜności od rodzaju pierwiastka nasycającego moŜe

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 stęŜenie dyfundującego pierwiastka na powierzchni. StęŜenie 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

aroodpornych

skrzynkach

wypełnionych

węglem

drzewnym

z intensyfikatorami (np. BaCO

, Na

). Proces jest długotrwały i nie moŜna 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

w  wyniku  których  powstaje  węgiel  dyfundujący  do  stali.  Powierzchnie  nie  nawęglane
zabezpiecza  się  przez  galwaniczne  pokrywanie  miedzią  lub  za  pomocą  specjalnych  past
złoŜonych  z  glinki,  boraksu,  szkła  wodnego  itp.  Głębokości  warstw  nawęglonych  wynoszą
0,6–2mm.  Stale  niestopowe  do  nawęglania  zawierają  0,1–0,25%  C,  a  stale  niskostopowe
0,07–0,24%  C.  Po  nawęglaniu  naleŜy  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  wyŜszą  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 ok. 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.

Urządzenia do nagrzewania i chłodzenia

Przedmioty w czasie obróbki cieplnej nagrzewane są w specjalnych piecach.

W zaleŜności od sposobu ogrzewania rozróŜnia się piece gazowe, elektryczne z kąpielą. Piece
gazowe buduje się jako piece komorowe lub muflowe. W piecach muflowych spaliny

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rysunek do ćwiczenia 2 [6, 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 naleŜy nagrzać stal

0,4%, aby uzyskać austenit,

5) wybrać ośrodek chłodzący, zapewniający otrzymanie struktury perlityczno-ferrytyczną,
6) postępować podobnie przy odczytywaniu temperatury austenityzacji stali o zawartości

1,2% C,

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

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

uproszczonego wykresu Fe–Fe

−

przybory do rysowania,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.5.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) wyjaśnić cel i zakres stosowania hartowania?

2) scharakteryzować rodzaj odpuszczania?

3) określić cel nawęglania?

4) określić cel i zakres stosowania wyŜarzania?

5) przedstawić, na czym polega ulepszanie cieplne i kiedy się go

stosuje?

6) opisać rodzaje struktur uzyskanych po hartowaniu?

7) określić cel i zakres stosowania obróbki cieplnej?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA

1.  Przeczytaj uwaŜnie instrukcję.
2.  Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.
3.  Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.
4.  Test  zawiera  20  zadań  o  róŜnym  stopniu  trudności.  Wszystkie  zadania  są  zadaniami

wielokrotnego wyboru i tylko jedna odpowiedź jest prawidłowa.

5. Udzielaj odpowiedzi tylko na załączonej karcie odpowiedzi – zaznacz prawidłową

odpowiedź znakiem X (w przypadku pomyłki naleŜy błędną odpowiedź zaznaczyć
kółkiem, a następnie ponownie zakreślić odpowiedź prawidłową).

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

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

8. Czas trwania testu – 30 minut.
9. Maksymalna liczba punktów, jaką moŜna osiągnąć za poprawne rozwiązanie testu

wynosi 20.

Powodzenia!

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

1. Przewodność elektryczną zaliczamy do własności

a)  chemicznych.
b)  technologicznych.
c)  fizycznych.
d)  mechanicznych.

2. Stalą nazywamy stop Ŝelaza z węglem o

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

3. Odkształceniem plastycznym nazywamy

a) zmianę kształtu ciała pod wpływem działającego obciąŜenia bez powrotu tego ciała

do poprzedniej postaci po ustąpieniu tego obciąŜenia.

b) zmianę kształtu i wymiarów ciała z powrotem do poprzedniej postaci po ustąpieniu

obciąŜenia.

c) odkształcenie, przy którym następuje destrukcja ciała.
d) odkształcenie przy którym występuje tylko napręŜenie normalne.

4. Stop CuZn10Sn zawiera 10%

a)  miedzi.
b)  cynku.
c)  cynku i miedzi.
d)  cyny.