Technik_ortopeda_322[13].Z1.04

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

SPIS TREŚCI

1. Wprowadzenie

2. Wymagania wstępne

3. Cele kształcenia

4. Materiał nauczania

4.1. Właściwości metali i ich stopów

4.1.1. Materiał nauczania

4.1.2. Pytania sprawdzające

4.1.3. Ćwiczenia

4.1.4. Sprawdzian postępów

4.2. Stopy żelaza, proces otrzymywania stali, klasyfikacja stali. Znakowanie

stali według PN

4.2.1. Materiał nauczania

4.2.2. Pytania sprawdzające

4.2.3. Ćwiczenia

4.2.4. Sprawdzian postępów

4.3. Metale i stopy nieżelazne. Znakowanie metali i stopów według PN

4.3.1. Materiał nauczania

4.3.2. Pytania sprawdzające

4.3.3. Ćwiczenia

4.3.4. Sprawdzian postępów

4.4. Materiały i wyroby spiekane

4.4.1. Materiał nauczania

4.4.2. Pytania sprawdzające

4.4.3. Ćwiczenia

4.4.4. Sprawdzian postępów

4.5. Korozja metali i jej rodzaje. Ochrona metali przed korozją

4.5.1. Materiał nauczania

4.5.2. Pytania sprawdzające

4.5.3. Ćwiczenia

4.5.4. Sprawdzian postępów

4.6. Obróbka cieplna, cieplno-chemiczna, chemiczna i galwaniczna metali

4.6.1. Materiał nauczania

4.6.2. Pytania sprawdzające

4.6.3. Ćwiczenia

4.6.4. Sprawdzian postępów

5. Sprawdzian osiągnięć

6. Literatura

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

1. WPROWADZENIE

Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy o wykonywaniu elementów

przedmiotów ortopedycznych z materiałów metalowych, wymaganiach stawianych
materiałom stosowanym w ortopedii, ich właściwościach mechanicznych, chemicznych
i fizycznych.

W poradniku zamieszczono:

−

wymagania wstępne – wykaz umiejętności, które powinieneś posiadać, aby bez problemu
korzystać z wiedzy zawartej w poradniku,

−

cele kształcenia – wykaz umiejętności, jakie opanujesz w czasie pracy z poradnikiem,

−

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

−

zestaw pytań, abyś mógł sprawdzić czy już opanowałeś określone treści,

−

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

−

sprawdzian postępów,

−

sprawdzian osiągnięć, przykładowy zestaw zadań; uzyskanie pozytywnej oceny
potwierdzi opanowanie wiadomości i umiejętności określonych w programie jednostki
modulowej,

−

literaturę uzupełniającą.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Schemat układu jednostek modułowych

322[13].Z1

Podstawy wytwarzania przedmiotów

ortopedycznych

322[13].Z1.03

Użytkowanie urządzeń

elektrycznych
i sterowanych

automatycznie

322[13].Z1.01

Poslugiwanie się

dokumentacją techniczną

322[13].Z1.02

Wykonywanie obróbki
ręcznej i mechanicznej

materiałów

322[13].Z1.04

Wykonywanie elementów

przedmiotów ortopedycznych

z materiałów metalowych

322[13].Z1.07

Wykonywanie elementów

przedmiotów ortopedycznych

z materiałów włókienniczych

322[13].Z1.05

Wykonywanie elementów

przedmiotów ortopedycznych

z drewna

322[13].Z1.08

Wykonywanie elementów

przedmiotów ortopedycznych

ze skóry

322[13].Z1.06

Wykonywanie elementów

przedmiotów ortopedycznych

z tworzyw sztucznych

322[13].Z1.09

Wykonywanie odlewów

gipsowych w technice

ortopedycznej

322[13].Z1.10

Dobieranie konstrukcji

mieszanych w protetyce

ortopedycznej

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

2. WYMAGANIA WSTĘPNE

Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

−

korzystać z różnych źródeł informacji,

−

posługiwać się jednostkami układu SI,

−

korzystać z informacji zawartych w katalogach, informatorach i PN,

−

posługiwać się symbolami metali z układu okresowego pierwiastków,

−

posługiwać się dokumentacją techniczną,

−

wykonywać obróbkę ręczną i maszynową materiałów,

−

użytkować urządzenia elektryczne i sterowane automatycznie,

−

przestrzegać podstawowe zasady bezpieczeństwa i higieny pracy,

−

obsługiwać komputer,

−

współpracować w grupie.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

−

scharakteryzować właściwości fizyczne, chemiczne, mechaniczne i technologiczne
metali,

−

rozróżnić stopy żelaza,

−

wyjaśnić proces otrzymywania stali i klasyfikację stali,

−

określić postacie użytkowe, rodzaje i gatunki stali używane w przemyśle ortopedycznym,

−

scharakteryzować metale i stopy nieżelazne oraz proces ich otrzymywania,

−

określić postacie użytkowe i możliwości wykorzystania stopów metali nieżelaznych
w przemyśle ortopedycznym,

−

scharakteryzować materiały i wyroby spiekane oraz produkcję spieków,

−

skorzystać przy doborze materiałów metalowych z informacji zawartych w PN,
katalogach, informatorach,

−

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

−

wykonać czynności związane z obróbką cieplną, cieplno-chemiczną, chemiczną
i galwaniczną metali,

−

wykonać części przedmiotów ortopedycznych i sprzętu rehabilitacyjnego z materiałów
metalowych,

−

dobrać rodzaj obróbki metalu i wykonać obróbkę,

−

rozróżnić rodzaje korozji,

−

wykonać zabiegi antykorozyjne,

−

zmagazynować materiały metalowe,

−

wykonać pracę zgodnie z przepisami bezpieczeństwa i higieny pracy oraz ochrony
przeciwpożarowej.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4. MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1. Właściwości metali i ich stopów

4.1.1. Materiał nauczania

Wszystkie pierwiastki występujące w przyrodzie można podzielić na metale i niemetale.

Metale  stanowią  znaczną  większość  pierwiastków  chemicznych.  Technicznie  czyste  metale,
to  znaczy  takie,  które  zawierają  niewielką  ilość  zanieczyszczeń  pochodzących  z  procesów
metalurgicznych, są bardzo rzadko stosowane do wyrobu przedmiotów użytkowych.
Do  tego  celu  wykorzystuje  się  powstałe  z  metali  tworzywa  metaliczne  czyli  stopy.  Stopy
metali  to  takie  połączenia  przynajmniej  dwóch  metali  lub  metali  z  niemetalami,  które  mają
cechy odpowiadające stanowi metalicznemu. Większość stopów otrzymuje się przez stapianie
ze  sobą  czystych  składników,  chociaż  można  je  otrzymać  również  bezpośrednio  przez
redukcję rud zawierających składniki stopu, przez dyfuzję składników w stanie stałym, przez
sprasowanie  składników  w  stanie  sproszkowanym  i  następnie  spiekanie  i  wreszcie  przez
elektrolizę wodnych roztworów odpowiednich soli przy jednoczesnym osadzaniu na katodzie
obydwu składników.

Zgodnie z normą, PN-90/H-01010/01, metale i stopy dzieli się na dwie podstawowe grupy:
1)  Żelazo i jego stopy:

−

żelazo (wysokiej czystości, technicznej czystości),

−

stopy żelaza (surówki, stale, żeliwa, staliwa, żelazostopy).

2) Metale nieżelazne i ich stopy:

−

metale nieżelazne (wysokiej czystości, technicznej czystości),

−

stopy metali nieżelaznych - stopy miedzi, aluminium, niklu, srebra, cynku, ołowiu, cyny.

Właściwości metali i ich stopów można podzielić na: fizyczne, chemiczne, mechaniczne

i technologiczne.

Do właściwości fizycznych zalicza się: gęstość, temperaturę topnienia, ciepło właściwe,

rozszerzalność cieplną, przewodnictwo cieplne, przewodność elektryczną, właściwości
magnetyczne oraz wygląd zewnętrzny.

Gęstość czyli masa właściwa jest to masa jednostkowej objętości metalu lub stopu.

Wyrażana  jest  w  kg/m³  lub  g/cm³.  Masy  właściwe  metali  zawierają  się  w  bardzo  szerokich
granicach:  od  1740  kg/m³  dla  magnezu  do  21450  kg/m³  dla  platyny.  Metale  i  stopy  metali
o masie  właściwej  do  ok.  4600  kg/m³  –  są  metalami  lekkimi  (są  to  min.  lit,  sód,  magnez,
aluminium i  jego stopy, tytan), a  mające  masę właściwą większą niż 4600 kg/m³ –  metalami
ciężkimi ( cyna, żelazo, miedź, nikiel, wolfram i ich stopy).

Wysokość temperatury topnienia określa z kolei podział na łatwo topliwe (temperatura

topnienia  wynosi  do  680°C:  cyna,  cynk,  kadm,  aluminium,  magnez,  ołów  i  inne),  trudno
topliwe  o  temperaturze  topnienia  do  2000°C  (  chrom,  kobalt  miedź,  nikiel,  żelazo,  platyna
i inne),  bardzo  trudno  topliwe  o  temperaturze  topnienia  powyżej  2000°C  (  molibden,
wolfram, tantal i inne).

Ciepło właściwe to ilość ciepła pobierana lub oddawana przez 1 g danej substancji przy

zmianie temperatury o 1°C.

Rozszerzalność cieplna – wzrost wymiarów liniowych i objętości pod wpływem wzrostu

temperatury oraz kurczenia się podczas ochładzania. Zjawisko to ma bardzo duże znaczenie
praktyczne – należy brać je pod uwagę konstruując różnego rodzaju przedmioty, które są
narażone na zmiany temperatury.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Przewodnictwo cieplne – wzrost wymiarów liniowych i objętości pod wpływem wzrostu

temperatury i kurczeniu się podczas chłodzenia.

Przewodność elektryczna – zdolność przewodzenia prądu elektrycznego. Przewodność

elektryczna maleje wraz ze wzrostem temperatury przewodnika. Wszystkie metale są
przewodnikami prądu elektrycznego, a najlepsze to srebro, miedź, złoto i aluminium.

Właściwości chemiczne metali i stopów to przede wszystkim odporność na korozję,

działanie czynników chemicznych oraz temperatury.

Właściwości mechaniczne metali i ich stopów obejmują zespół cech określających

zdolność do przeciwstawiania się działaniu sił zewnętrznych. Są to wytrzymałość, twardość
i udarność.

−

wytrzymałość  jest  to  granica  oporu  stawianego  przez  siły  wewnętrzne  materiału  siłom
i obciążeniom  zewnętrznym,  które  usiłują  go  odkształcić.  W  zależności  od  rodzaju
obciążeń  rozróżnia  się  wytrzymałość  na  rozciąganie,  ściskanie,  skręcanie,  ścinanie,
zginanie, wyboczenie oraz wytrzymałość zmęczeniową określaną podczas zmieniających
się cyklicznie obciążeń, czyli obciążenia dynamiczne.

−

twardość jest to odporność materiału na odkształcenia trwałe, powstające pod wpływem
obciążeń skupionych (umiejscowionych) na małej powierzchni materiału.

−

udarność to odporność materiałów na uderzenia, czyli na działanie sił krótkotrwałych ale
o dużej wartości.

Właściwości technologiczne charakteryzują przydatność materiału do wytwarzania

przedmiotów użytkowych. Są to: lejność, skrawalność i plastyczność.

−

Lejność to zdolność ciekłego metalu lub stopu do wypełniania formy odlewniczej –
zależy ona od składu chemicznego, struktury oraz od temperatury ciekłego materiału.

−

Skrawalność określa podatność materiału na obróbkę za pomocą narzędzi skrawających.

−

Plastyczność to zdolność materiału do odkształceń trwałych pod działaniem sił
zewnętrznych bez naruszania ich spójności.

Metale otrzymuje się z rud, będących najczęściej tlenkami. Procesy metalurgiczne

polegają  zwykle  na  redukcji  prowadzącej  do  ekstrakcji  metalu  z  rudy  oraz  na  rafinacji,
usuwającej z metalu pozostałe zanieczyszczenia. Elementy metalowe zwykle wykonywane są
metodami  odlewniczymi,  przeróbki  plastycznej  lub  obróbki  skrawaniem,  a  często  także
metalurgii  proszków.  Właściwości  metali  i  stopów  są  kształtowane  metodami  obróbki
cieplnej,  a  powierzchnia  elementów  metalowych  często  jest  uszlachetniana  metodami
inżynierii powierzchni, zwiększającymi m.in. odporność na korozję lub odporność na zużycie.

Najczęściej używanymi spośród materiałów metalowych są stale, czyli stopy żelaza

z węglem i innymi pierwiastkami, a także stopy odlewnicze żelaza, tzn. staliwa i żeliwa.
Liczną grupę stosowanych materiałów metalowych stanowią również metale.

4.1.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania sprawdzisz czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń

1.  Jak dzielą się pierwiastki występujące w przyrodzie?
2.  Co to są metale?
3.  Co to są stopy i w jaki sposób się je otrzymuje?
4.  Jakie właściwości charakteryzują metale i ich stopy?
5.  Czym charakteryzują się właściwości fizyczne metali i ich stopów?
6.  Co składa się na określenie właściwości mechanicznych materiałów?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Dokonaj podziału metali i ich stopów

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  odszukać w poradniku i literaturze informacje na temat metali i stopów metali,
2)  dokonać podziału metali i ich stopów,
3)  określić sposób otrzymywania stopów metali.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4, długopis,

−

poradnik dla ucznia,

−

literatura zgodna z punktem 6 poradnika.

Ćwiczenie 2

Określ właściwości metali i ich stopów

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) odszukać w poradniku i literaturze informacje na temat metali i stopów metali,
2) opisać właściwości fizyczne, chemiczne, mechaniczne i technologiczne metali i ich

stopów.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4, długopis,

−

poradnik dla ucznia,

−

literatura zgodna z punktem 6 poradnika.

4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1. dokonać podziału pierwiastków występujących w przyrodzie?



2. scharakteryzować metale?



3. scharakteryzować stopy metali?



4. opisać właściwości fizyczne metali i ich stopów?



5. opisać właściwości mechaniczne metali i ich stopów?



6. opisać właściwości technologiczne metali i ich stopów?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Otrzymywanie stopów żelaza z węglem

Proces wielkopiecowy – otrzymywania surówki

Proces wielkopiecowy jest to zespół zjawisk fizycznych i reakcji chemicznych

zachodzących  w  wielkim  piecu  w  wyniku  którego  powstaje  surówka.  Wielki  piec  wypełnia
się,  ułożonymi  warstwami,  materiałami  wsadowymi:  koksem,  rudą  żelaza  i  topnikami.
Nagrzewanie  wsadu  powoduje  odparowanie  wody,  redukcję  tlenków  zawartych  w  rudzie,
zachodzenie reakcji  chemicznych prowadzących do wyodrębnienia żelaza z rudy  i  nasycenie
go węglem. Produktem wielkopiecowym jest i żużel surówka. Żużel jest wykorzystywany do
produkcji  materiałów  budowlanych.  Surówka  jest  to  stop  żelaza  z  węglem  i  innymi
pierwiastkami, gdzie zawartość węgla wynosi od 2 do 6%. Surówka jest bardzo krucha i silnie
zanieczyszczona  szkodliwymi  domieszkami  takimi  jak  krzem,  fosfor  i  siarka  oraz  mangan.
Surówka może być szara i biała.

Proces metalurgiczny, przerobu surówki

Surówka szara po dodaniu złomu i topników jest przerabiana w żeliwiakach na żeliwo.

Żeliwo  jest  technicznym  stopem  żelaza  z  węglem  i  innymi  pierwiastkami  zawierającym
praktycznie  od  2,5–4,5%  węgla  oraz  krzem,  mangan,  fosfor  i  siarkę.  Żeliwa  stopowe
zawierają  ponadto  inne  składniki  stopowe,  wprowadzone  celowo  podczas  procesu
metalurgicznego,  które  mają  decydujący  wpływ  na  właściwości  użytkowe  tego  żeliwa.  Jest
ono stopem kruchym i nie daje się obrabiać plastycznie ani na zimno, ani na gorąco. Z uwagi
na  dobre  właściwości  odlewnicze,  takie  jak  dobra  lejność  i  stosunkowo  niskie  temperatura
topnienia, nadaje się ono dobrze do wyrobu odlewów. Odlewy z żeliwa stosuje się w budowie
maszyn rolniczych, wagonów kolejowych, samochodów i ciągników, w budownictwie – gdy
od  drobnych  elementów  o  skomplikowanych  kształtach  wymaga  się  dobrej  udarności,
skrawalności  i  przeciętnych  właściwości  wytrzymałościowych.  Żeliwa  stopowe  zawierają
dodatki  stopowe  takie  jak  krzem,  chrom,  nikiel,  mangan,  aluminium,  miedź  i  molibden,
niekiedy dodawane w dużych ilościach. Dodatki zwiększają odporność żeliwa na korozję, na
działanie wysokich temperatur i ścieralność.

Surówka biała stanowi materiał wyjściowy do produkcji stali. Stal otrzymuje się

w wyniku przeróbki  surówki,  a  ponieważ stal  może  zawierać  do  2,06% węgla, podczas  gdy
surówka  zawiera  3,3–4,3%  węgla,  więc  głównym  celem  procesu  otrzymywania  stali  jest
odwęglenie  surówki.  Surówka  zawiera  również  inne  domieszki:  krzem,  mangan,  siarkę,
fosfor,  które  ulegają  częściowemu  wypaleniu.  Otrzymana  w  ten  sposób  ciekła  stal  użyta  na
odlewy  nazywa  się  staliwem,  a  odlana  we  wlewki  i  przewalcowana  na  walcarkach,
przerobiona  plastycznie,  nosi  nazwę  stali.  Staliwa  nadają  się  do  wytwarzania  elementów
o bardziej skomplikowanych kształtach, które są trudne do przeróbki plastycznej lub obróbki
skrawaniem. Są to lejne stopy żelaza o zawartości węgla od 0,1 do 0,6 %.

Procesy otrzymywania stali

Stal może być otrzymywana:

−

w procesie konwertorowym, polegającym na otrzymywaniu stali z płynnej surówki przez
utlenianie zawartych w niej domieszek procesy konwertorowe mogą przebiegać trzema
sposobami:

−

Bessemera, w którym ściany pieca wyłożone są materiałem kwaśnym
(krzemionkowym) – metoda tą nie przerabia się surówek zawierających fosfor,

−

Thomasa w konwerterach ze ścianami o wyłożeniu zasadowym (dolomitowym), co
pozwala na przeróbkę surówek zawierających fosfor,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

LD, metoda ta wyróżnia się tym że nie powoduje naazotowywania stali i umożliwia
przeróbkę stali o dowolnym składzie chemicznym

−

w piecach martenowskich z surówki i złomu żelaznego, jest to najbardziej powszechna
metoda wytopu stali,

−

w  piecach  elektrycznych,  które  służą  do  otrzymywania  stali  wysokogatunkowych
i oczyszczania  stali  otrzymanej  w  procesie  martenowskim.  Metodą  tą  otrzymuje  się
najlepsze  gatunki  stali  o  najmniejszej  zawartości  szkodliwych  dodatków  oraz  stale
stopowe.

Rodzaje i znakowanie stali

Stal jest najpopularniejszym stopem żelaza z węglem. Stal jest to stop żelaza z węglem

i innymi  pierwiastkami,  odlany  i  przerobiony  plastycznie,  w  którym  zawartość  węgla  nie
przekracza  2  %.  W  zależności  od  składu  chemicznego  stale  dzieli  się  na  stale  węglowe
i stopowe.  W  stalach  węglowych  składnikiem  decydującym  o  właściwościach  stali  jest
węgiel,  natomiast  pozostałe  składniki,  krzem,  mangan,  miedź,  nikiel  chrom,  fosfor,  siarka
i inne,  występują  w  niewielkich  ilościach.  Maksymalna  zawartość  pierwiastków  nie
traktowana  jako  dodatek  stopowy  jest  następująca:  Mn  –  0,8%;  Si  –  0,4%;  Ni  –  0,3%;
Cr  –  0,3%;  W  –  0,2%;  Co  –  0,2%;  Cu  –  0,2%;  Al  –  0,1%  ;  Mo  –  0,05%;  V  –  0,05%;
Ti – 0,05%. Podstawą klasyfikacji stali jest jej skład chemiczny, jakość i zastosowanie.

Klasyfikacja stali według PN-91/H-011010/03 ze względu na skład chemiczny

Stale niestopowe (węglowe)

−

podstawowe - stale o takich wymaganiach jakościowych, które można osiągnąć
w ogólnie

stosowanym

procesie

stalowniczym,

bez

dodatkowych

zabiegów

technologicznych.

−

jakościowe – stale, których wymagania jakościowe są wyższe od podstawowych i są
stosowane na wyroby bardziej odpowiedzialne,

−

specjalne – stale o wyższej czystości metalurgicznej, przeważnie przeznaczone do
ulepszania cieplnego, hartowania i nawęglania.

Stale niestopowe (węglowe), ze względu na zastosowanie dzielimy na:
− konstrukcyjne: zwykłej jakości, wyższej jakości i najwyższej jakości. Stosowane są do

budowy różnych części maszyn.

− narzędziowe: płytko hartujące się, głęboko hartujące się i zgrzewalne. Stosowane są do

wyrobu różnych narzędzi.

− o szczególnych właściwościach: magnetycznie miękkie i łatwo obrabialne mechanicznie.

Do podstawowych problemów związanych ze stosowaniem stali węglowych należy mała

hartowność, duża skłonność do zmiany właściwości w czasie odpuszczania, brak możliwości
pracy w podwyższonych temperaturach, łatwe utlenianie i mała odporność na korozję
w podwyższonych temperaturach.

Oznaczanie stali

Jest szczegółowo podane w odpowiednich normach dostosowanych do poszczególnych

grup. Poniżej podane zostaną przykładowe systemy oznaczeń.

Stale niestopowe podstawowe, konstrukcyjne ogólnego stosowania są stosowane

zazwyczaj w stanie surowym lub rzadziej w stanie normalizowanym. Według PN-88/H-84020
rozróżnia się 6 podstawowych gatunków stali w tej grupie, w zależności od składu
chemicznego i wymaganych własciwości mechanicznych. Znak gatunku stali składa się z liter

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

St  oraz  liczby  porządkowej  0.  3.  4.  5.  6  lub  7.  Gatunki  stali  przeznaczone  na  konstrukcje
spawane o liczbie porządkowej O, 3 i 4 oznacza się dodatkowo litera S (np. StOS. St3S. St4S)
oraz  w przypadku  określonej  zawartości  miedzi  (z wyjątkiem  StOS)  dodatkowo  literami  Cu
(np. StSSCu. St4SCu). Gatunki o  liczbie porządkowej 3  i 4 o podwyższonych wymaganiach
jakościowych  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 litera M (np. MSt5).
Do  stali  niestopowych  należą  również  stale specjalne  do ulepszania  cieplnego  i  utwardzania
powierzchniowego,  jakościowe  i  specjalne  o  określonym  zastosowaniu,  Stale  automatowe,
magnetycznie miękkie, narzędziowe.

Stale stopowe
1.  Jakościowe – stale konstrukcyjne i inne;
2.  Specjalne  –  konstrukcyjne,  maszynowe,  odporne  na  korozję,  żarowytrzymałe,

narzędziowe, na łożyska toczne, o specjalnych właściwościach

Stale stopowe zawierają oprócz węgla i żelaza celowo wprowadzone inne pierwiastki

zwane  dodatkami  stopowymi.  Wprowadza  się  je  w  celu  podwyższenia  właściwości
mechanicznych  materiału,  zwiększenia  hartowności oraz  uzyskania  specjalnych właściwości
fizycznych  i  chemicznych.  Najczęściej  są  stosowane  następujące dodatki  stopowe to  chrom,
nikiel, krzem, mangan, molibden, wolfram i wanad.

−

Chrom (Cr) zwiększa wytrzymałość, twardość i zdolność przehartowywania stali.
Zwiększa również odporność stali na ścieranie, korozję, działanie czynników
chemicznych i wysokiej temperatury.

−

Nikiel (Ni) zwiększa ciągliwość i wytrzymałość stali oraz sprzyja głębokiemu
hartowaniu, a także uodparnia na korozję i działanie wysokiej temperatury.

−

Krzem (Si) zwiększa sprężystość i wytrzymałość stali.

−

Mangan (Mn) zwiększa wytrzymałość i sprzyja głębokiemu hartowaniu. Stale
manganowe są odporne na uderzenia i ścieranie. Stosuje się je między innymi na osie
samochodów.

−

Molibden (Mo) zwiększa hartowność stali oraz wytrzymałość w podwyższonej
temperaturze.

−

Wolfram (W) nadaje stali drobnoziarnistość, zwiększa hartowność, twardość i odporność
na zużycie. Stale narzędziowe szybkotnące zawierają do 18% wolframu i utrzymują
twardość w temperaturze do 600°C.

−

Wanad (V) zwiększa drobnoziarnistość i hartowność stali. Dodaje się go w niewielkich
ilościach do stali sprężynowych i narzędziowych.

Oznaczenia stali stopowych konstrukcyjnych dokonuje się za pomocą znaku składającego

się z cyfr  i  liter. Pierwsze dwie cyfry określają średnią zawartość węgla w setnych procenta.
Litery oznaczają  pierwiastki  stopowe,  G  –  mangan, S –  krzem, H  –  chrom,  N  –  nikiel,  M  –
molibden,  T  –  tytan,  F  -  wanad  (także  V),  J  –  aluminium.  Liczby  występujące  za  literami
oznaczają zaokrąglone do liczby całkowitej średnie zawartości składnika w stali w przypadku,
gdy jego średnia zawartość przekracza 1.5% (w przypadku stali niskostopowych, gdy średnia
zawartość składnika przekracza 1%). Np.: 18G3T2, 15G2MN4.

Najczęściej stosowane stale konstrukcyjne to stale niskostopowe o podwyższonej

wytrzymałości, konstrukcyjne i maszynowe do ulepszania cieplnego, konstrukcyjne do
nawęglania, do azotowania, sprężynowe, na łożyska toczne.

Stale narzędziowe stopowe.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Na szczególną uwagę zasługują stale stopowe narzędziowe. Materiały wykorzystywane

na te narzędzia są bardzo często oznakowane według PN. W związku z koniecznością
stosowania różnych narzędzi poniżej zostaną podane przykładowe sposoby oznaczania stali
stopowych narzędziowych.
Zgodnie z polskimi normami wyróżnia się następujące grupy stali narzędziowych:

−

stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno (PN-86/H-85023),

−

stale narzędziowe stopowe do pracy na gorąco (PN-S6.H-85021),

−

stale szybkotnące (PN-86/H-85022).
Znak stali składa się z liter i liczb. Pierwsza litera oznacza zawsze grupę stali

narzędziowych:

−

N – stale narzędziowe stopów e do pracy na zimno.

−

W – stale narzędziowe stopowe do pracy na gorąco.

−

S – stale szybkotnące.

Następna litera lub kilka liter określają składniki stopowe lub grupę składników:
M – mangan, W – wolfram, S -krzem, K – kobalt, C – chrom, B – bor, N – nikiel, P - chrom +
nikiel + wanad, L – molibden, Z - krzem + chrom + wolfram, V - wanad.
Liczba znajdująca się na końcu lub w środku znaku służy do odróżnienia poszczególnych
gatunków stali zawierających te same składniki stopowe. W stalach szybkotnących liczby te
oznaczają średnią zawartość głównego składnika stopowego w procentach.

Stale stopowe narzędziowe do pracy na zimno służą do wykonywania się narzędzi

służących do obróbki materiałów w temperaturze otoczenia. Przykładowe oznaczenia stali
narzędziowych stopowych do pracy na zimno NWV, NZ2, NCV1, NZ3.

Stale narzędziowe stopowe do pracy na gorąco stosowane są na narzędzia służące do

przeróbki  plastycznej  materiałów  uprzednio  nagrzanych  do  wysokich  temperatur oraz formy
do odlewania  metali  pod  ciśnieniem.  W stanie  nagrzanym  przerabiane  metale  są  plastyczne,
wiec  stale  narzędziowe  do  pracy  na  gorąco  nie  muszą  mieć  tak  dużej  twardości.  Polska
Norma  PN-86.H-85021  obejmuje  12  gatunków  stali  narzędziowych  stopowych  do  pracy  na
gorąco. Przykładowe z nich to: WNLV, WLV, WLK.

Stale szybkotnące służą do wyrobu narzędzi skrawających, pracujących przy dużych

prędkościach  skrawania  lub  przy  dużych  przekrojach  wióra.  Praca  w  takich  warunkach  jest
przyczyną  bardzo  silnego  rozgrzewania  się  narzędzia.  nawet  do  temperatury  czerwonego
żaru,  wskutek  tarcia  o  skrawany  materiał.  Podstawowymi  składnikami  stopowymi  stali
szybkotnących  są  pierwiastki  węglikotwórcze:  wolfram,  wanad,  chrom  i  molibden.  Stale
o najlepszych właściwościach zawierają również znaczne dodatki kobaltu.
Główne zastosowanie poszczególnych gatunków stali szybkotnących jest następujące:

−

SW12 – na narzędzia do obróbki zgrubnej i wykańczającej ogólnego przeznaczenia, do
obróbki materiałów średniej wytrzymałości, np. frezy, wiertła, narzędzia do gwintowania,
segmenty, brzeszczoty pił,

−

SW18 – stosuje się jak stal SWl2 oraz na noże tokarskie i strugarskie,

−

SW2M5 – na narzędzia do obróbki materiałów średniej wytrzymałości przy średnich
wdajnościach, np. wiertła kręte, nawiertaki, gwintowniki, piłki do metali, frazy do
gwintowania, narzędzia do obróbki plastycznej na zimno,

−

SW7M – na narzędzia o dużej ciągliwości i wydajności, narażone na skręcanie, np.
wiertła spiralne, narzędzia do nacinania gwintów, segmenty do pił tarczowych,
przeciągane frezy do gwintowania, frezy zataczane, rozwiertaki, narzędzia do obróbki kół
zębatych,

−

SK5 – na narzędzia do obróbki zgrubnej i wykańczającej materiałów o dużej
wytrzymałości, do obróbki na automatach, np. noże oprawkowe do gwintowania,
przecinaki, narzędzia do obróbki kół zębatych,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

SK5M  –  na  narzędzia  do  obróbki  materiałów  trudno  skrawalnych,  twardych  i  ze  stali
austenitycznych,  do  obróbki  w  ciężkich  warunkach  zestawów  kołowych,  obręczy,
walców,  wyrobów  z  żeliwa,  np.  noże  tokarskie,  frezy,  wiertła  specjalne,  narzędzia  do
obróbki kół zębatych, noże kształtowe,

−

SK5MC – na narzędzia do obróbki stali konstrukcyjnych ulepszonych cieplnie oraz stali
kwaso- i żaroodpornych, np. narzędzia trzpieniowe i nasadowe, frezy ślimakowe
pracujące w szczególnie ciężkich warunkach,

−

SK8M – na narzędzia do obróbki zgrubnej i wykańczającej, także na automatach przy
dużych prędkościach skrawania, do obróbki stali twardych i austenitycznych, np. frezy,
noże kształtowe,

−

SK5V – na narzędzia do obróbki wykańczającej materiałów o dużej wytrzymałości
i austenitycznych, na narzędzia do pracy na automatach, do obróbki materiałów
nieżelaznych, np. noże tokarskie i przecinaki, noże kształtowe, rozwiertaki, frezy, koła do
ciecia, także do prac przy niedostatecznym chłodzeniu, narzędzia do automatów,

−

SK10V – na narzędzia do obróbki zgrubnej i wykańczającej, a także na automatach
i łuszczarkach, materiałów o dużej wytrzymałości przy dużej prędkości skrawania, do
obróbki stali nierdzewnych, wysokowydajne frezy, noże tokarskie i strugarskie.

Do stali stopowych zalicza się również stale nierdzewne, stale kwasoodporne, stale
żarowytrzymałe i żaroodporne, stale o specjalnych właściwościach fizycznych.

Dostosowanie Polskich Norm do systemu europejskiego PN-EN związane jest z innymi

podziałami stali. Główne kryteria według których dokonuje się podziału stali to skład
chemiczny, podstawowe zastosowanie, jakość, sposób wytwarzania. Poniżej podany zostanie
podział ze względu na skład chemiczny.
Według nowych norm PN-EN 10020-2003, stale ze względu na skład chemiczny dzieli się na:
1. Niestopowe:

−

jakościowe - podatne na obróbkę plastyczną, ciągliwe,

−

specjalne  -  stale  konstrukcyjne,  o  określonej  zawartości  węgla,  o  wymaganych
właściwościach  magnetycznych  lub  elektrycznych.,  do  określonego  zastosowania,
np.: do produkcji elektrod.

2. Odporne na korozję:

−

charakterystyczne pod względem zawartości niklu - zawierające mniej niż 2,5%
niklu zawierające 2,5% lub więcej niklu,

−

charakterystyczne ze względu na posiadane właściwości - stale nierdzewiejące, stale
żaroodporne, stale żarowytrzymałe.

3. Inne stale stopowe:

−

jakościowe – podatne na obróbkę plastyczną i ciągliwe. Są to, miedzy  innymi, stale
stopowe konstrukcyjne, drobnoziarniste, spawalne, przeznaczone do produkcji szyn,
wyrobów  płaskich  walcowanych  na  gorąco  lub  na  zimno,  do  dalszej  obróbki
plastycznej  na  zimno.  Stale  stopowe  z  miedzią,  jako  głównym  składnikiem
stopowym.  Stale  stopowe  elektrotechniczne,  w  których  głównymi  składnikami
stopowymi  jest krzem  lub krzem i aluminium posiadają określone wartości  indukcji
magnetycznej, polaryzacji, przenikalności magnetycznej specjalne,

−

specjalne - mają podwyższone właściwości użytkowe dzięki precyzyjnie dobranemu
składowi  chemicznemu,  określonym  warunkom  wytwarzania  i  kontroli  procesów
produkcyjnych.  Ze  względu  na  zastosowania  wyróżnia  się  na  stale  stopowe
konstrukcyjne,  drobnoziarniste  i  spawalne,  odporne  na  korozję  atmosferyczną,  do
budowy  maszyn  (manganowe,  chromowe,  chromowo-molibdenowe,  chromowo-
niklowo  -  molibdenowe,  niklowe,  molibdenowe,  krzemowe,  stale  zawierające  bor),

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

narzędziowe,  do  pracy  na  zimno,  do  pracy  na  gorąco  i  szybkotnące,  na  łożyska
toczne,  o  szczególnych  właściwościach  fizycznych,  niemagnetyczne,  magnetyczne,
z wymaganym  współczynnikiem  rozszerzalności  cieplnej,  oporowe,  kwasoodporne
i niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości.

Na  uwagę  zasługują  stale  stopowe  martenzytowe,  maraning,  których  głównym  składnikiem
stopowym  jest  nikiel  oraz  kobalt,  molibden  i  aluminium.  Stale  te  posiadają  bardzo  wysokie
właściwości  wytrzymałościowe  i  bardzo  dobrymi  właściwościami  plastycznymi.  Stosowane
są głównie w lotnictwie, przemyśle samochodowym i zbrojeniowym.

Systemy oznaczania stali są podane w Normie Europejskiej:

−

PN -EN 10027-1: 1994 jest pierwszą częścią normy europejskiej "Systemy oznaczania
stali. Znaki stali, symbole główne".

−

PN-EN 10027-2:1994 – druga część, obejmuje system cyfrowy oznaczania stali.
Wymienione normy są polską wersją normy europejskiej EN 10027-1 i -2 z lipca 1992 r.
Zostały przetłumaczone przez Polski Komitet Normalizacyjny i mają ten sam status co
wersje oficjalne.

Według normy PN-EN 10027 istnieją dwa systemy oznaczania stali - symbolowy i cyfrowy.

System symbolowy zawiera zasady oznaczania stali za pomocą symboli głównych

i dodatkowych. Symbole główne wskazują na zastosowanie, właściwości mechaniczne lub
właściwości fizyczne stali oraz jej skład chemiczny. Symbole dodatkowe wskazują na gatunki
stali i cechy wyrobów stalowych, przy czym występują dwie grupy symboli dodatkowych,
np.: X4°CrMoV5. W tej klasyfikacji oznaczeń stali wyróżnia się dwie główne grupy znaków:

−

znaki zawierające symbole wskazujące na skład chemiczny stali,

−

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

Oznaczanie stali wg składu chemicznego
W znakach stali wg składu chemicznego wyróżnia się cztery podgrupy;

−

stale niestopowe 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  -  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.  Każda  liczba  oznacza  odpowiednio,
średni procent zawartości pierwiastka pomnożony przez współczynnik zgodnie z tabelą 1,
zaokrąglony  do  najbliższej  liczby  całkowitej.  Liczby  oznaczające  zawartości
poszczególnych pierwiastków stopowych należy oddzielić poziomą kreską.

Tabela 1.

Pierwiastek

Współczynnik

Cr, Co, Mn, Ni, Si, W

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

100

Ce, N, P, S

100

1000

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Przykładowe oznaczenie stali: 55NiCrMoV6-2-2

−

stale stopowe zawierające przynajmniej jeden pierwiastek stopowy w ilości > 5 %. Znak
tych stali składa się z: litery X, liczby będącej 100-krotną wymaganą średnią zawartością
węgla, symboli chemicznych składników stopowych stali w kolejności malejącej
zawartości oraz liczb (zaokrąglonych do najbliższej liczby całkowitej) oznaczających
średni procent zawartości poszczególnych pierwiastków. Na przykład X5CrNiMol7-12-2
jest znakiem stali o składzie: maks. 0,07% C, 17,5% Cr, 11,6% Ni, 2,25% Mo. Stal ta wg
polskiej normy (PN) miałaby oznaczenie 0H17N12M2;

−

stale  szybkotnące.  Znak  tych  stali  składa  się  z  następujących  symboli  literowych
i liczbowych:  liter  HS  oraz  liczb  oznaczających  procentowe  zawartości  (zaokrąglone  do
najbliższych  liczb  całkowitych)  pierwiastków  stopowych  w  następującej  kolejności;
wolfram,  molibden,  wanad,  kobalt;  np.  HS18-0-1  jest  znakiem  stali  oznaczanej  wg  PN
SW18; średnia zawartość pierwiastków w tej stali wynosi: 0,80% C, 18,0% W, 1,25% V.
Zawartość  Cr  w  stalach  szybkotnących  nie  jest  podawana,  gdyż  jest  we  wszystkich
gatunkach tych stali taka sama i wynosi od 3,5 do 4,5 %.

System cyfrowy oznaczania stali jest użyteczny do przetwarzania danych i uzupełnia

systemu  symbolowego.  Każdą  stal  można  jednoznacznie  określić  za  pomocą  pięciu  cyfr,
kropką  po  pierwszej  cyfrze.  Pierwsza  cyfra  oznacza  numer  grupy  materiału  np.:  l  oznacza
stal,  pozostałe  cyfry  2–7  mogą  być  zarezerwowane  dla  innych  materiał6w.  Dwie  następne
cyfry  oznaczają  numer  grupy  stali,  czwarta  i  piąta  cyfra  oznaczają  kolejny  numer  w  danej
grupie stali (np.: 1.3555 to wg PN stal szybkotnąca SWI8).

Rodzaje i gatunki stali stosowane w przemyśle ortopedycznym

Materiały stosowane do wykonywania przyrządów ortopedycznych powinny spełniać szereg
wymagań. Powinny być:

−

trwałe, zachowujące stałość nadanego kształtu,

−

odporne na działanie zwiększonej temperatury, słońca i tłuszczów,

−

odporne na działania wody i flory bakteryjnej,

−

łatwe do obróbki ręcznej i mechanicznej,

−

lekkie, mieć niewielki ciężar właściwy,

−

łatwo zmywalne,

−

złymi przewodnikami ciepła.

Nie powinny być:

−

toksyczne ani oddziaływać drażniąco na tkanki,

−

łatwopalne,

−

kosztowne.

Niektóre stale spełniają powyższe wymagania. Poniżej podane zostaną przykłady zastosowań
wybranych gatunków stali.
Stale  zwykłej  jakości  charakteryzują  się  tym,  że  łatwo  można  nadawać  im  żądany  kształt,
a także  łączyć  za  pomocą  spawania,  nitowania  i  zgrzewania.  Na  powierzchniach  stalowych
łatwo  wykonać  trwałe  powłoki  lakiernicze.  Nie  są  materiałem  zbyt  kosztownym  ale
wytrzymałym. W związku z tym stosowane na:

−

rurki do wózków składakowych, ramy do tych wózków,

−

blachy i płaskowniki na podłokietniki i oparcia,

−

obręcze kół wózków składakowych,

−

adaptery, wsporniki, zatrzaski,

−

szyny protezowe i ortezowe,

−

strzemiona,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

opaski,

−

ramy kolanowe,

−

szyny stawu kolanowego.

Stale stopowe, głównie specjalne, chromowo-molibdenowe, kwasoodporne, chromowo-
krzemowe, krzemowe sprężynowe, stosowane są na:

−

ramy wózków aktywnych,

−

przeguby do protez,

−

sprężyny do pasów przepuklinowych,

−

ortezy druciane,

−

wsporniki,

−

sprężyny.

4.2.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania sprawdzisz czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń

1.  Co to jest surówka i jakie są jej rodzaje?
2.  Co to jest żeliwo?
3.  Co to jest staliwo?
4.  Co to jest stal?
5.  Jakie są rodzaje stali?
6.  Jakie znasz sposoby otrzymywania stali?
7.  Jaka jest różnica w znakowaniu stali według PN a PN-EN?

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Przeanalizuj możliwość zastosowania stopów Fe-C i metali nieżelaznych do wyrobu

przedmiotów ortopedycznych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  odnaleźć w poradniku i literaturze informacje o stopach Fe-C i metali nieżelaznych,
2)  wypisać rodzaje i gatunki stali stosowane w przemyśle ortopedycznym,
3)  wskazać  do  wyrobu  jakich  elementów  przedmiotów  ortopedycznych  mogą  być

zastosowane.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4, długopis,

−

poradnik dla ucznia,

−

literatura zgodna z punktem 6 poradnika.

Ćwiczenie 2

Mając do dyspozycji próbki na podstawie wyglądu zewnętrznego rozpoznaj metale i ich

stopy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  powtórzyć wiadomości dotyczące cech metali i ich stopów,
2)  obejrzeć otrzymane próbki,
3)  ocenić pod względem wagi, koloru, gładkości powierzchni,
4)  nazwać nazwami ogólnymi poszczególne próbki.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4, długopis,

−

próbki metali i ich stopów,

−

poradnik dla ucznia,

−

literatura zgodna z punktem 6 poradnika.

4.2.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) określić co to jest surówka i jakie są jej rodzaje?



2) określić co to jest żeliwo?



3) określić co to jest staliwo?



4) podać określenie stali?



5) wymienić i opisać rodzaje stali?



6) opisać sposoby otrzymywania stali?



7) wyjaśnić na czym polega różnica w znakowaniu stali według PN

a PN-EN



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3. Metale i stopy nieżelazne. Znakowanie metali i stopów

według PN

4.3.1. Materiał nauczania

Najważniejszymi metalami nieżelaznymi w technice są: miedź, aluminium, magnez,

cynk, cyna i ołów. Podobnie jak w przypadku żelaza, największe znaczenie praktyczne mają
stopy tychże metali.

Miedź

Jest metalem stosowanym przez człowieka od bardzo dawna. Badania archeologiczne

wykazały, że  była znana  już 3000  lat przed  naszą erą. Jest  metalem plastycznym, odpornym
na  korozję  dobrze  przewodzi  ciepło  i  prąd  elektryczny.  Może  być  obrabiana  plastycznie  na
zimno  lub  na  gorąco  w  temperaturze  około  700°C.  Ma  szerokie  zastosowanie  w  przemyśle
spożywczym,  chemicznym  i  elektrotechnice  oraz  jako  główny  składnik  różnych  stopów.
Jeżeli  składniki  stopowe  nie  przekraczają  2%,  to  nazwę  tego  stopu  określa  się  jako  miedź
stopową  o nazwie  połączonej  z  nazwą  składnika  stopowego,  np.:  (PN-63/H-87053)  miedź
arsenowa,  miedzią  kadmowa,  chromowa,  srebrowa,  manganowa,  cynowa,  cynkowa
i telurowa.  Znak  takiego  stopu  jest  określany  symbolem  miedzi,  następnie  symbolem
składnika  stopowego  oraz  liczbą  określająca  zawartość  procentową  tego  składnika  np.:
CuAg2 określa miedź srebrową o zawartości około 2% srebra a dokładnie (1,85–2,1%).

Stopy miedzi zawierają zwykle od 2% do 50% składników stopowych i dzielą się na trzy

zasadnicze grupy: mosiądze, brązy i miedzionikle.

Mosiądze są to stopy miedzi, w których głównym składnikiem stopowym jest cynk.

Praktyczne znaczenie mają stopy zawierające od 2% do 45% Zn. Większa bowiem zawartość
cynku powoduje tworzenie się twardych faz międzymetalicznych i zwiększa kruchość stopów
tak, że stają się one praktycznie mało przydatne. Mosiądze oprócz miedzi i cynku zawierają
mangan, ołów, żelazo, aluminium, krzem, nikiel i cynę. Mosiądze specjalne, wysokoniklowe,
nazywają się nowym srebrem.

Mosiądze charakteryzują się dobrymi właściwości mechanicznymi, dobrą odpornością na

korozję  atmosferyczną.  W  zależności  od  zawartości  Zn  wykonuje  się  z  nich  takie  elementy
jak  rurki  chłodnicze,  łuski  do  amunicji,  blachy  do  głębokiego  tłoczenia,  blachy  do
platerowania,  elementy  sprężyste,  elementy  maszyn,  kute  i  prasowane  na  gorąco  i  wiele
innych.  Na  podstawie  właściwości  mechanicznych  uwarunkowanych  zawartością  cynku,
rozróżniamy  mosiądze  do  obróbki  plastycznej  na  zimno  (poniżej  36%  Zn)  i  mosiądze  do
obróbki  plastycznej  tylko  na  gorąco.  Te  ostatnie  stanowią  również  grupę  mosiądzów
odlewniczych.  Ze  względu  na  znaczną  odporność  korozyjną  największe  zastosowanie
mosiądzów  odlewniczych  znajduje  w  produkcji  armatury  sanitarnej,  gazowej,  hydraulicznej
nisko i wysokociśnieniowej

Brązy to stopy miedzi ze wszystkimi pierwiastkami poza cynkiem i niklem jako

głównymi składnikami. Techniczne zastosowanie mają następujące stopy rodzaje brązów:

−

brązy cynowe do ok. 15% Sn, są dwu i wieloskładnikowe. Głównym składnikiem
stopowym jest cyna. Z uwagi na jej koszt i uzyskanie określonych właściwości do
brązów cynowych wprowadza się jeszcze cynk, ołów, fosfor i inne pierwiastki,

−

brązy aluminiowe do 11% Al, wykazują dobre właściwości mechaniczne w normalnych
i podwyższonych temperaturach, są odporne na ścieranie. Wykazują dobrą odporność na
korozję  atmosferyczną  i  w  wodzie  morskiej,  którą  zawdzięczają  tworzącej  się  na
powierzchni  szczelnej  warstewce  Al2O3.  Wieloskładnikowe  brązy  aluminiowe
zawierające  od  9%  do  11%  Al,  <5%Fe,  <6%  Ni,  <4%Mn  stosowane  są  jako  stopy

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

odlewnicze  i  do  obróbki  plastycznej  na  gorąco.  Do  grupy  tej  należą  często  stosowane
brązy  CuAl10Fe3Mn2  i  CuA110Ni4Fe4,  które  poddaje  się  również  hartowaniu
i odpuszczaniu.  Brązy  aluminiowe  stosuje  się  do  wyrobu  elementów  narażonych  na
ścieranie, tulejki łożysk, koła zębate, wirniki pomp, śruby napędowe do statków, części
przyrządów pomiarowych itp. Są one stopami konkurencyjnymi do brązów cynowych,

−

brązy  ołowiowe  do  35%  Pb,  wskutek  praktycznie  braku  wzajemnej  rozpuszczalności
w stanie  stałym  mikrostruktura  ich  złożona  jest  z  mieszaniny  ziaren  miedzi  i  ołowiu.
Stopy te są stosunkowo miękkie dlatego w celu ich umocnienia do niektórych gatunków
wprowadza  się  cynę  (do  10%).  Charakteryzują  się  one  dobrymi  właściwościami
ślizgowymi stąd głównie stosuje się je do wyrobu łożysk ślizgowych współpracujących
z utwardzonymi  czopami  wałów  przy  dużych  prędkościach  obwodowych  i  naciskach.
Praktycznie stosowanymi stopami są CuPb30, CuPb35 i CuPb10Su10,

−

brązy manganowe do 5% Mn, nadają się do obróbki plastycznej na zimno i na gorąco.
Stosowane są do precyzyjnych aparatów,

−

brązy  krzemowe  do  4%  Si,  znaczenie  praktyczne  mają  stopy  do  zawartości  3-4%  Si.
Składnikami stopowymi tych brązów są: Mn, Fe, Zn i Ni. Do roztworu a wchodzi Mn, Ni
i  Zn  silnie  zmniejszając  rozpuszczalność  krzemu.  Dzięki  czemu  wzrastają  właściwości
wytrzymałościowe, odporność na korozję oraz lejność. Stosowane są na sprężyny, części
aparatury chemicznej, części  maszyn pracujących na ścieranie, do wyrobu kół zębatych,
panewek  łożysk  ślizgowych,  części  pomp,  do  wytwarzania  elementów  aparatury  dla
przemysłu petrochemicznego i gazowniczego,

−

brązy  berylowe  do  2,5%  Be.  Innymi  składnikami  wprowadzanymi  w  niewielkich
ilościach  są:  Ni,  Ti  i  czasami  Co.  Składniki  te  powodują  podwyższenie  właściwości
mechanicznych.  Brązy  berylowe  stosuje  się  głównie  do  wyrobu  sprężyn,  membran,
elementów  sprężystych,  aparatury  precyzyjnej,  elektrycznej  itp.  Cechuje  ten  rodzaj
brązów  dobra  przewodność  elektryczna  i  brak  iskrzenia  przy  uderzeniach  stąd
zastosowanie w przemysłach produkujących  łatwopalne  i wybuchowe substancje. Są też
one odporne  na  korozję.  Beryl  jest drogim  składnikiem  tych stopów.  Istotną  rzeczą  jest
jego silna toksyczność.
Oprócz  wymienionych  brązów  dwuskładnikowych  istnieje,  duża  grupa  brązów

wieloskładnikowych  o  zróżnicowanych  właściwościach  mechanicznych,  fizycznych
i chemicznych.
Znakowanie stopów miedzi i wszystkich innych stopów metali nieżelaznych:
1.  Symbol metalu zasadniczego.
2.  Symbol głównego dodatku stopowego.
3.  Liczba całkowita wskazująca zawartość procentową pierwiastka stopowego.
4.  Następne  litery  i  cyfry  to  oznaczenia  w  kolejności  zmniejszających  się  zawartości

procentowych składników stopu.

5. Gdy zawartość składnika stopowego jest nie przekracza 1%, to cyfrę opuszcza się

w oznaczeniu.

Przykład:
CuZn40Mn3Fe – mosiądz manganowo- żelazowy o zawartości cynku 40%, manganu 3%
i żelaza około 1%, resztę stanowi miedź.

Aluminium

Charakteryzuje się dużą plastycznością, dobrą zgrzewalnością, dobrą przewodnością

elektryczną stanowiącą, małą gęstością. Jest odporne na działanie wody, korozji
atmosferycznej (pokrywa się szczelną, pasywującą warstewką Al

)

dwutlenku siarki, wielu

kwasów organicznych i związków azotowych. Wrażliwe jest natomiast na działanie zasad,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

a więc  wody  morskiej,  wodorotlenków  sodu  i  wapnia  oraz  związków  rtęci.  Metal  ten
wyodrębniony  został  w  1825  roku.  Na  skalę  przemysłową  aluminium  i  jego  stopy  zaczęto
stosować  dopiero  w  pierwszym  dziesięcioleciu  XX  wieku.  Stosowane  jest  na  przewody
elektryczne,  do  wyrobu  folii,  proszków  do  platerowania  naczyń,  do  wyrobu  farb  i  jako
składnik wielu stopów.

Aluminium można zgrzewać z miedzią, jej stopami, stalą i stopami aluminiowymi.

Zgrzewanie podczas obróbki na zimno nosi nazwę platerowania.

Bardzo szerokie zastosowanie mają stopy aluminium. Wszystkie mają właściwości

wyższe od aluminium technicznego a stosowane są na odlewy i do obróbki plastycznej. Są
odporne na ścieranie. Cechuje ich dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne, dobra lejność,
odporność na korozję.

Stopy aluminium o największym technicznym znaczeniu zawierają Cu, Si, Mg i Mn.

Obok wymienionych  głównych  składników  wprowadza się  do nich  jeszcze  niewielkie  ilości
takich pierwiastków jak: Fe, Ni, Ti, Zn i Cr.
Skład  chemiczny  stopu  określa  jego  techniczne  zastosowanie  tj.  zdolność  do  obróbki
plastycznej lub odlewania.
Typowymi  przedstawicielami  stopów  Al  przeznaczonych  do  obróbki  plastycznej
i utwardzania są stopy, których głównym składnikiem stopowym  jest Cu, jest duraluminium,
potocznie zwane duralem.
Szerokie zastosowanie mają stopy z krzemem zwane siluminami. Wykonuje się z nich głowice,
tłoki,  obudowy  silników  spalinowych  i  elektrycznych,  korpusy  pomp  i  wiele  jeszcze  innych
elementów.  Wraz  ze  wzrostem  zawartości  Si  w  stopie  rośnie  wytrzymałość  na  rozciąganie.
Najważniejsze  to  stopy  dwuskładnikowe:  Al-Si,  Al-Mg,  Al-Cu  a z wieloskładnikowych
np. Al-Zn-Mg.
Technicznie  siluminy  zawierają od 9% do 13% Si, gdyż przy tych stężeniach odznaczają się
najlepszym  i  właściwościami  wytrzymałościowymi,  odlewniczymi,  małym  skurczem,  małą
skłonnością  do  pęknięć,  małym  współczynnikiem  rozszerzalności  cieplnej  i  są  dużą
odpornością na korozję.

Inne metale nieżelazne i ich stopy

Magnez

Jest metalem o niskich właściwościach mechanicznej i dużej aktywności chemicznej.

Stopy magnezu z aluminium dzieli się na odlewnicze i do obróbki plastycznej. Odznaczają się
dużą odpornością na korozję. Stosowane są w przemyśle lotniczym, części silników,
agregatów, aparatów fotograficznych.

Cynk

Jest metalem o dobrych właściwościach plastycznych, małej wytrzymałości na

rozciąganie  i  niskiej  temperaturze  topnienia.  Stosowany  jest  na  przeciwkorozyjne  powłoki
ochronne blach i drutów, do budowy baterii elektrycznych oraz w postaci folii do opakowań.
Jest  też  składnikiem  wielu  stopów.  Cynk  może  być  hutniczy,  rafinowany,  elektrolityczny
i rektyfikowany, zgodnie z normą PN-EN 1179;2005.
Stopy cynku, to głównie stopy z aluminium, miedzią i manganem. Stopy cynku z aluminium
i ewentualnie innymi pierwiastkami to ZNALE. Można je łatwo spawać, obrabiać i hartować.

Cyna

Ze względu na niskie właściwości mechaniczne nadaje się wyłącznie na dodatek

stopowy. Stopy cyny stosowane są na folie na otuliny, do platerowania folii ołowiowej i na
folie kondensatorowe.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ołów

Ma bardzo małą wytrzymałość i bardzo dobre właściwości plastyczne. Jest odporny na

działanie kwasu  siarkowego. Stopy ołowiu z antymonem,  cyną,  miedzią, arsenem  stosowane
są  między  innymi  na  powłoki  kabli,  podkładki,  uszczelki,  blachy,  elementy  aparatury
chemicznej.  Stopy  ołowiu  z  cyną,  antymonem,  dodatkiem  miedzi,  arsenu,  kadmu,  niklu,
chromu stosowane są na łożyska ślizgowe.

Nikiel

Posiada zdolność do zgrzewania z blachą stalową co umożliwia platerowanie, elektrolityczne

powlekanie stali. Stosowany jest w elektronice, w przemyśle elektrochemicznym, chemicznym
oraz na armaturę do pomp.
Stopy niklu dzielimy na:

−

stopy stosowane w elektrotechnice i elektronice,

−

odporne chemicznie, niklowo – miedziowe,

−

żaroodporne, niklowo – chromowe z ewentualnym dodatkiem żelaza.

Oprócz wymienionych metali i stopów w technice stosowane są tzw. nowe stopy.
Należą do nich:
1. Stopy tytanu i tytan stosowany jest w postaci blach, taśm, rur. Jest odporny na korozję, na

kwasy, na zasady i na słoną wodę. Jest nierdzewny i bardzo lekki. Stopy tytanu posiadają
pamięć kształtu;

2. Stopy żarowytrzymałe na bazie metali wysokotopliwych, o temperaturze topnienia

wyższej od temperatury topnienia stali;

3.  Stopy na osnowie chromu;
4.  Stopy na osnowie niobu;
5.  Stopy na osnowie molibdenu;
6.  Stopy na osnowie wolframu;
7.  Stopy  z  pamięcią  kształtu.  Przedmioty  z  nich  wykonane  odkształcone  plastycznie  po

ogrzaniu do określonej temperatury powracają do swojego pierwotnego kształtu.

Zastosowanie metali nieżelaznych i ich stopów w przemyśle ortopedycznym

Odpowiedni dobór właściwych materiałów na poszczególne element przedmiotów

ortopedycznych ma duże znaczenia dla ich funkcjonalności i trwałości.
Materiały stosowane do wykonywania przyrządów ortopedycznych powinny spełniać szereg
wymagań Powinny być:

−

trwałe, zachowujące stałość nadanego kształtu,

−

odporne na działanie zwiększonej temperatury, słońca i tłuszczów;

−

odporne na działania wody i flory bakteryjnej;

−

łatwe do obróbki ręcznej i mechanicznej;

−

lekkie, mieć niewielki ciężar właściwy;

−

łatwo zmywalne;

−

złymi przewodnikami ciepła;

Nie powinny być:

−

toksyczne ani oddziaływać drażniąco na tkanki,

−

łatwopalne,

−

kosztowne.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Największe znaczenie wśród metali nieżelaznych i ich stopów ma aluminium i jego stopy

ze szczególnym wskazaniem na duraluminium. Stosowane jest na szynowe i rurowe elementy
nośne np.: ramy wózka aktywnego, elementy pomocnicze wózków aktywnych
i składakowych, widelce w wózkach składakowych i aktywnych, wsporniki, opaski metalowe,
całe stopy protezowe, leje niektórych typów protez metalowych, kule pachowe i łokciowe,
elementy metalowe gorsetów, podpórki dwukołowe, czterokołowe i trzykołowe.

Stopy miedzi, głównie mosiądze i brązy używane są do budowy podeszwowych wkładek

metalowych do butów i protez sandałowych, drobnych wyrobów z blachy lub ich elementów,
miseczek podkikutowych i do stożków gumowych oraz różnej galanterii, sprzączki, klamerki.

Tytan i jego stopy posiadają bardzo dobry współczynnik wytrzymałości i są bardzo

lekkie. Stosowane są na ramy wózków aktywnych, jako elementy pomocnicze wózków
aktywnych, widelce ażurowe wózków aktywnych.
Stopy ołowiu i cyny stosuje się powszechnie do wyrobu łożysk ślizgowych
wykorzystywanych w wózkach i podpórkach.

Metale kolorowe używa się także do produkcji wkrętów, śrub, nakrętek i podkładek oraz

na nity do nitowania elementów przedmiotów ortopedycznych.
Wykonywanie  przedmiotów ortopedycznych  z wykorzystaniem  różnych  metali  i  ich  stopów
jest dostosowywane do potrzeb różnych odbiorców zarówno pod względem  ich przydatności
jak  też  ceny.  Stopy  aluminium  i  tytanu  podwyższają  jakość  przedmiotów poprzez  obniżenie
ciężaru ale koszt ich wytwarzania jest wielokrotnie wyższy.

4.3.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając pytania sprawdzisz czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jakie charakterystyczne właściwości ma miedź?
2.  Jakie są główne zastosowania miedzi?
3.  Jakie są najważniejsze stopy miedzi?
4.  Co to mosiądze?
5.  Co są brązy?
6.  Czym charakteryzuje się aluminium?
7.  Jakie są najważniejsze stopy aluminium?
8.  Czym charakteryzuje się magnez i jego stopy?
9.  Czym charakteryzuje się cynk i jego stopy?
10.  Jakie właściwości ma cyna i jej stopy?
11.  Czym charakteryzuje się ołów i jego stopy?
12.  Czym charakteryzuje się nikiel i jego stopy?
13.  Czym charakteryzuje się tytan i jego stopy?
14.  Co to jest pamięć kształtu?
15.  Jakie są zasady oznaczania metali kolorowych i ich stopów według PN?
16.  Jakie są zasady oznaczania metali kolorowych i ich stopów według PN-EN?
17.  Jakie stopy są najczęściej stosowane w przemyśle ortopedycznym?

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Określ zastosowanie asortymentu wyrobów ze stopów aluminium w przedmiotach

ortopedycznych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) odszukać w poradniku i literaturze informacje na temat stopów aluminium stosowanych

do produkcji różnych wyrobów,

2) obejrzeć dokładnie eksponaty przedmiotów wykonanych z aluminium,
3) przedstawić propozycje zastosowania poszczególnych asortymentów w przedmiotach

ortopedycznych, uwzględniając właściwości materiału.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4, długopis,

−

próbki materiałów aluminiowych (rurki, płaskowniki, kształtniki),

−

katalog produkcyjny asortymentów ze stopów aluminiowych,

−

poradnik dla ucznia,

−

literatura zgodna z punktem 6 poradnika.

Ćwiczenie 2

Wykonaj zgodnie z dokumentacją technologiczną obróbkę elementów kuli łokciowej

wykonanych z aluminium.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) odszukać w poradniku i literaturze informacje na temat stopów aluminium stosowanych

do wyrobu przedmiotów ortopedycznych,

2)   powtórzyć wiadomości dotyczące obróbki mechanicznej,
3)  dobrać i zastosować narzędzia do obróbki aluminium,
4)  dociąć rurki na wymiary wg dokumentacji technologicznej,
5)  obrobić końcówki rurek,
6)  przewiercić i obrobić otwory do regulacji wysokości kuli,
7)  pomalować rurki.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

przecinarka do metalu tarczowa,

−

przyrządy traserskie,

−

przyrządy miernicze – suwmiarka, wysokościomierz,

−

wiertarka, wierta,

−

rurki aluminiowe,

−

gratownik do otworów,

−

falownik,

−

poradnik dla ucznia,

−

literatura zgodna z punktem 6 poradnika.

Ćwiczenie 3

Wykonaj zgodnie z dokumentacją technologiczną elementy z rurek aluminiowych do

laski typu czwórnóg.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) odszukać w poradniku i literaturze informacje na temat stopów aluminium stosowanych

do wyrobu przedmiotów ortopedycznych,

2)  powtórzyć wiadomości dotyczące obróbki mechanicznej,
3)  dobrać i zastosować narzędzia do obróbki aluminium,
4)  dobrać rurki aluminiowe,
5)  dociąć  5  elementów  składowych  laski  zgodnie  z  wymiarami  w  dokumentacji

technologicznej,

6)  wygiąć elementy stykające się z podłożem,
7)  wyfrezować końcówki rurek,
8)  obrobić końcówki rurek,

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

przecinarka do metalu tarczowa,

−

przyrządy traserskie,

−

przyrządy miernicze – suwmiarka, wysokościomierz,

−

giętarka do rur,

−

rurki aluminiowe,

−

poradnik dla ucznia,

−

literatura zgodna z punktem 6 poradnika.

4.3.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) opisać właściwości miedzi?



2) określić możliwe zastosowania miedzi?



3) wymienić podstawowe stopy miedzi?



4) wymienić i scharakteryzować rodzaje mosiądzów?



5) wymienić i scharakteryzować rodzaje brązów?



6) opisać właściwości aluminium?



7) wymienić i scharakteryzować stopy aluminium?



8) scharakteryzować magnez i jego stopy?



9) scharakteryzować cynk i jego stopy?



10) opisać właściwości cyny i jej stopów?



11) opisać właściwości ołowiu i jego stopów?



12) scharakteryzować nikiel i jego stopy?



13) scharakteryzować tytan i jego stopy?



14) wyjaśnić co to jest pamięć kształtu?



15) wyjaśnić zasady oznaczania metali kolorowych i ich stopów według

PN?



16) wyjaśnić zasady oznaczania metali kolorowych i ich stopów według

PN-EN?



17) wskazać przykładowe zastosowania stopów metali nieżelaznych

w przemyśle ortopedycznym?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4. Materiały i wyroby spiekane

4.4.1. Materiał nauczania

Materiały spiekanie są otrzymywane drogą metalurgii proszków. Technologia ta pozwala

zastąpić tradycyjne technologie, odlewanie, obróbkę plastyczną i obróbkę skrawaniem.
Najważniejsze zalety tej technologii to:

−

możliwość formowania gotowych elementów bez konieczności stosowania kosztownej
obróbki mechanicznej,

−

możliwość wytwarzania elementów czy materiałów o składzie i budowie nie do
osiągnięcia innymi metodami,

−

małe zużycie materiałów i energii,

−

niższe temperatury niż w metalurgii klasycznej.

Początki rozwoju  metalurgii proszków sięgają bardzo odległych czasów. Metodę zgrzewania
ogniowego znaną od wieków można uznać za poprzedniczkę spiekania. Źródła amerykańskie
podają,  że  Indianie  wyrabiali  ozdoby  z  pyłu  i  drobnych  ziarn  złota  metodą  zgrzewania
ogniowego, podobną metodą otrzymywano dobre gatunki stali używane na broń.
W roku 1865 w Rosji bito monety z platyny, do których materiałem wyjściowym był proszek
uzyskiwany  metodą  chemiczną.  Z  proszku  tego  prasowano  pręty,  które  cięto  na  krążki
o grubości monet.
Proces otrzymywania materiałów spiekanych obejmuje kilka etapów:
1.  wytwarzanie  proszków  lub  mieszaniny  proszków  metodami  mechanicznymi  lub

fizykochemicznymi,

2. przygotowanie proszków – sortowanie, mieszanie w odpowiednich proporcjach,

dodawanie środków poślizgowych (gliceryna, grafit, stearynian cynku),

3. formowanie proszków na zimno, prasowanie, które ma na celu połączenie luźnych

cząstek proszku w trwałą kształtkę w zamkniętej przestrzeni,

4. spiekanie, połączenie w wyniku ogrzewania, w temperaturze niższej od temperatury

topnienia najtrudniej topliwego i przeważającego składnika, w materiał o określonych
właściwościach mechanicznych i fizykochemicznych,

5. obróbka wykańczająca.

Proszki wytwarza się z metali, związków międzymetalicznych, niektórych związków

chemicznych  metali  lub  niemetali,  stanowiących  właściwe  surowce  tej  technologii.
Metalurgia  proszków  stwarza  możliwość  otrzymania  wyrobów  najwyższej  jakości,  o  ściśle
określonym  składzie  chemicznym  bez  zanieczyszczeń  i  wad  związanych  z  procesami
wytapiania  oraz  bez  strat  na  utlenianie.  Szczególne  znaczenie  posiada  metalurgia  proszków
w przypadku gdy składniki stopu nie rozpuszczają się w sobie w stanie płynnym, lub mają tak
wysokie  temperatury  topnienia,  ze  doprowadzenie  ich  stopnienia  byłoby  technicznie  bardzo
trudne.  Temperatura  procesów  spiekania  nie  przekracza  na  ogół  temperatury  topnienia
najtrudniej  topliwego  składnika,  proces  łączenia  się,  proszku  w  ciało  zwarte  przebiega  bez
roztapiania się tego proszku, a jeśli nawet składnik łatwiej topliwy chwilowo przejdzie w stan
ciekły, to jest to najczęściej proces przejściowy, gdyż dyfunduje on w składnik stały, tworząc
odpowiedni  roztwór.  Niekiedy  metalurgię proszków  nazywa się  ceramiką  metali z  uwagi  na
podobieństwo  z  procesami  zachodzącymi  w  ceramice,  gdzie  przeprowadza  się  wypalanie
(spiekanie)  sproszkowanych  materiałów  ceramicznych,  jednak  z  powodu  niewątpliwej
przynależności  tej  technologii  do  metalurgii  nazwę  metalurgii  proszków  należy  uważać  za
słuszniejszą.  Określenie  "ceramika  metali"  stosuje  się  obecnie  dla  wytwarzania  spieków
ceramiczno-metalowych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Otrzymywanie proszków

Najczęściej stosowanymi surowcami w produkcji wyrobów spiekanych są proszki żelaza,

miedzi, cyny, ołowiu, niklu oraz proszki mosiądzów i brązów. Proszki innych metali, stopów,
niemetali  posiadają  mniejsze  znaczenie  w  produkcji,  chociaż  w  zależności  od  potrzeb  są
otrzymywane tymi  samymi  metodami co proszki najczęściej stosowane. Proszki wytwarzane
są metodami mechanicznymi i fizykochemicznymi.
Metody  mechaniczne  wytwarzania  proszków  metali  w  stanie  ciekłym  to  metoda  granulacji
płynnego metalu, metoda rozpylania płynnego metalu. Proszki miedzi, niklu, żelaza, kobaltu,
chromu, ołowiu, cyny otrzymywane są metodą elektrolizy roztworów wodnych. Elektrolitem
jest  roztwór  wodny  soli  danego  metalu,  najczęściej  siarczanu  lub  chlorku.  Prąd  stały
przepływający między elektrodami powoduje osadzanie się metalu na katodzie.

Mieszanie proszków

Dokładne wymieszanie proszków metalu podstawowego, dodatków stopowych oraz

środków poślizgowych ma decydujący wpływ na właściwości fizyczne i technologiczne oraz
chemiczne  wsadów  i  właściwości  mechaniczne  spieków.  Ocenę  stopnia  wymieszania
przeprowadza  się  najczęściej  przez  badanie:  właściwości  fizycznych,  chemicznych
i technologicznych. Wyniki w formie atestu dołącza się do przygotowanej partii wsadu.

Prasowanie proszków

Formowanie proszków na przedmioty o określonym kształcie może odbywać się różnymi

sposobami:  prasowaniem,  wyciskaniem  past  proszkowych,  odlewaniem  gęstwy  proszkowej,
walcowaniem  ciągłym  proszku.  Najszersze  zastosowanie  znalazła  metoda  prasowania.
Prasowanie proszków na kształtki przeprowadza się w odpowiednich matrycach.

Spiekanie

Procesowi spiekania poddaje się kształtki uformowane jednym z uprzednio podanych

sposobów celem uzyskania pożądanych właściwości fizycznych, głównie mechanicznych.
Spiekanie przeprowadza się w piecach z atmosferą ochronną lub w próżni, polega ono na
nagrzaniu kształtek i wytrzymaniu w odpowiedniej temperaturze.

Otrzymywanie i właściwości „cermetali”

Są to materiały uzyskane przez połączenie proszków metali lub ich stopów z proszkami

ceramicznymi  metodami  stosowanymi  w  metalurgii  i  ceramice.  Połączenie  metalu
z materiałem  ceramicznym  można  uzyskać  stosując  następujące  procesy  bezpośredniego
spiekania  metalu  i  materiału  ceramicznego,  spiekanie  składnika  ceramicznego  z  tlenkiem,
który  następnie  łatwo  redukuje  się  do  metalu,  spiekanie  laminatów  proszków  ceramicznych
i metalowych,  prasowanie  na  gorąco  w  atmosferze  ochronnej  przy  ciśnieniu  powyżej
25 MN/m2 i w temperaturze ponad 1273°K (1000°C).

Cermetale na osnowie tlenków.

Najbardziej rozpowszechnione są spieki oparte na tlenku glinowym, który jest spiekany

jest z żelazem, chromem, molibdenem, kobaltem, niklem.

Cermetale Al2O3 - Cr można podzielić na trzy zasadnicze grupy:

Grupa 1. Tlenek glinowy tworzy szkielet, a chrom wypełnia puste miejsca szkieletu.

Struktura taka występuje u cermetali ubogich w metal. Cermetale tej grupy są izolatorami
elektrycznymi.

Grupa 2. W szkielecie metalowym umieszczony jest tlenek glinowy, struktura jest

typowa dla cermetali bogatych w metal. Cermetale tej grupy przewodzą prąd elektryczny.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Grupa 3 Metal i tlenek mają własne wzajemnie przenikające się szkielety. Cermetale tej

grupy są zdolne do przewodzenia prądu elektrycznego, jeżeli ziarna metalu nie są oddzielone
materiałem ceramicznym.

Cermetale Al2O3 – Fe, stosowane na łopatki turbinowe.

Cermetale

Al2O3–

(SAP)

posiada

dobre

właściwości

wytrzymałościowe

w podwyższonych  temperaturach.  Wytwarza  się  z  niego  części  samochodowe,  samolotowe,
łopatki sprężarek, blachy zewnętrzne samolotów odrzutowych, tłoki  silników osłony paliwa
jądrowego.

Cermetale Al2O3 – Mo, produkowane są w postaci kształtek na ostrza narzędzi skrawających.

Cermetale  ThO2  -  Mh,  UO2  -  Fe,  PuO2  -  Fe  w  postaci  prętów  znalazły  zastosowanie  jako
paliwo  jądrowe  w  reaktorach,  atomowych  przewyższając  spieki  ceramiczne  ze  względu  na
możliwość  dowolnej  regulacji  intensywności  promieniowania,  oraz  łatwiejszą  obsługę
wskutek większej wytrzymałości.

Cermetale na osnowie azotków. Odznaczają się wysoką twardością i wysokimi temperaturami
topnienia. Zaliczane są do materiałów ceramicznych.

Cermetale  na  osnowie  borków.  Borki  są  niejonowymi  połączeniami  boru  z  metalami.
Odznaczają  się  wysoką  twardością  i  odpornością  chemiczną  oraz  złożoną  budową
krystaliczną,  Materiały  te  należą  do  mało  dotychczas  zbadanych,  ponieważ  stosunkowo
niedawno  zainteresowano  się  ich  techniczną  przydatnością.  Stosowane  w  budowie  rakiet
i pocisków zdalnie kierowanych.

Cermetale  oparte  na  węglikach.  Węgliki  są  to  jonowe  połączenia  węgla  z  metalami
i niemetalami. Występują w 4 typach połączeń: Me4C, Me2C, MeC, MeC2 Pierwszoplanowe
ich przeznaczenie to materiały narzędziowe.

Węgliki spiekane na narzędzia skrawające. Najważniejsze zastosowanie węglików spiekanych
to  nakładki  narzędzi  używanych  do  obróbki  wiórowej,  ostrza  świdrów  górniczych,  oczka  do
ciągadeł, dysze do piaskownic, zawory, frezy, wiertła, sprawdziany.

Cermetale  konstrukcyjne  oparte  na  węglikach  tytanu.  Cermetale  tego  typu  mogą  być
sporządzane przez swobodne spiekanie mieszaniny proszków w atmosferze zabezpieczającej
przed utlenianiem  lub przez nasycanie metalem luźno spieczonej kształtki ceramicznej. Mają
one  dobre  właściwości  wytrzymałościowe  w  wysokich  temperaturach,  z  tego  też  względu
stosowane są na łopatki turbin gazowych.

Cermetale  konstrukcyjne  oparte  na  węglikach  niemetali.  Głównym  surowcem  do  wyrobu
cermetali  opartych  na  węglikach  niemetalowych  jest  węglik  czteroboru.  Do  wiązania  tego
węglika stosowano żelazo, kobalt, stop Co-Ni, chrom, aluminium.

Cermetale  oparte  na  mieszanych  składnikach  ceramicznych.  W  tworzeniu  tych  cermetali
istnieje  praktycznie  nieograniczone  możliwość  ich  otrzymywania,  w  których  składnikami
ceramicznymi są mieszaniny tlenków i węglików borków.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Typowymi wytworami metalurgii proszków są:
− materiały o specjalnych właściwościach fizycznych, wykonywane z proszków żelaznych,

stalowych, mosiężnych, brązowych. Są to materiały na magnesy trwałe na rdzenie do
transformatorów, prasowane spieki stopów magnezu o wyższej wytrzymałości, materiały
żaroodporne,

− elementy maszyn, wykonywane z proszków metali, np.: koła zębate, pierścienie do

specjalnych łożysk tocznych,

− metale i stopy wysokotopliwe, jak wolfram, molibden, tantal, tytan, których nie można

otrzymać zwykłymi metodami metalurgicznymi,

− spieki porowate stosowane na porowate łożyska samosmarujące, na filtry meta liczne, do

budowy chłodnic silników odrzutowych oraz jako materiał do nasycani; ciekłym metalem
lub stopem w celu uzyskania wysokich właściwości wytrzymałościowych,

− cermetale, tj. połączenia metali z tlenkami, azotkami lub borkami metalicznymi

stosowane jako materiały żaroodporne,

− materiały kombinowane kontaktowe i cierne, stopy metaliczno-grafitowe, np.: stopy Cu-C,

Fe-Pb-C, stosowane na szczotki korektorów, styki elektryczne, panewki łożyskowe,

− materiały cierne zawierające dodatki składników zwiększających tarcie, jak tlenek glinu,

krzemionka i karborund, stosowane na okładziny do hamulców,

− pseudostopy, ciężkie stopy wolframowe, spieki Fe-Cu, a także spiek W-Cu, Mo-Ag,

stosowane na styki elektryczne,

− węgliki spiekane stosowane jako narzędzia do szybkościowego skrawania metali.

Badania w poszczególnych krajach nad nowymi materiałami konstrukcyjnymi i na narzędzia
z cermetali są prowadzone nadal.

4.4.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Jak są zalety metalurgii proszków?
2.  Jak przebiega proces otrzymywania materiałów spiekanych?
3.  Co to są cermetale?
4.  Jakie są rodzaje cermetali?
5.  Jakie są typowe wytwory metalurgii proszków?

4.4.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wypisz zalety materiałów spiekanych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) odszukać w poradniku informacje na temat materiałów i wyrobów spiekanych,
2) wypisać zalety materiałów spiekanych.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4, długopis,

−

poradnik dla ucznia,

−

literatura zgodna z punktem 6 poradnika.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 2

Przedstaw w formie algorytmu proces otrzymywania materiałów spiekanych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) odszukać w poradniku informacje na temat materiałów i wyrobów spiekanych,
2) opracować algorytm otrzymywania materiałów spiekanych.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4, długopis,

−

poradnik dla ucznia,

−

literatura zgodna z punktem 6 poradnika.

4.4.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) wskazać zalety metalurgii proszków?



2) opisać proces otrzymywania materiałów spiekanych?



3) wyjaśnić co to są cermetale?



4) scharakteryzować różne cermetale?



5) opisać typowe wytwory metalurgii proszków?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.5. Korozja metali i jej rodzaje. Ochrona przed korozją

4.5.1. Materiał nauczania

Korozja.

Korozja jest to proces stopniowego niszczenia metali lub stopów przez chemiczne lub

elektrochemiczne  reakcje  z  otaczającym  je  środowiskiem.  Niszczenie  metalu  przez  korozję
rozpoczyna się zawsze na jego powierzchni, to jest na granicy metal – środowisko i postępuje
w  głąb.  Wszystkie  metale  oprócz  złota,  srebra,  platyny,  rtęci  i  częściowo  miedzi  ulegają
korozji  pod  działaniem  wilgoci.  Rozpoczęta  na  powierzchni  metalu  korozja,  jeżeli  nie
zostanie  zahamowana  może  doprowadzić  do  całkowitego  zniszczenia  przedmiotu.  Zależy  to
przede  wszystkim  od  natury  metalu  ulegającego  korozji,  właściwości  powstających
produktów  korozyjnych  oraz  warunków, w  jakich korozja zachodzi.  Zależnie  od  czynników
wpływających  na  proces  niszczenia  metali  rozróżnia  się  korozję  chemiczną  i  korozję
elektrochemiczną.

Korozja chemiczna jest to proces niszczenia metali lub stopów zachodzący wskutek

bezpośredniego  działania  na  nie  suchych  gazów,  zwłaszcza  w  wysokiej  temperaturze  lub
cieczy  nie  przewodzących  prądu  elektrycznego.  W  wyniku  działania  tych  czynników  na
powierzchnię  metalu,  powstaje  na  niej  cienka  warstwa  produktów  korozji,  którymi  są
najczęściej tlenki, rzadziej siarczki, azotki  lub węgliki. Powstająca warstewka staje  się coraz
grubsza  i  może  być  przyczyną  ustania  dalszej  korozji.  Zahamowanie  korozji  może  nastąpić
jednak dopiero wtedy, gdy uzyskana warstewka:

−

pokrywa całą powierzchnię metalu,

−

nie rozpuszcza się w działającym środowisku,

−

ściśle przylega do powierzchni metalu,

−

ma zbliżoną do metalu rozszerzalność cieplną.

W miarę postępującej korozji, zwłaszcza w podwyższonej temperaturze, gdy warstewka
korozji łatwo odpada metal jest stale narażony na działanie środowiska i szybko niszczeje.

Korozja elektrochemiczna jest wywoływana działaniem krótkozwartych lokalnych ogniw

korozyjnych  powstających  w  zetknięciu  powierzchni  różnych  faz  metalicznych
o  różnych  potencjałach  elektrochemicznych  z  elektrolitem.  Elektrolit  powstaje  wskutek
rozpuszczenia  się w wilgoci, znajdujących się  na powierzchni metalu, takich zanieczyszczeń
jak CO

, SO

, HCL, NH

i innych. Powstawanie potencjału elektrochemicznego przedstawia

rysunek 2.

Rys. 1. Schemat przedstawiający a) powstawanie potencjału elektrochemicznego b)

ustalenia się równowagi

elektrochemicznej

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Przyczyną powstawania ogniw korozyjnych może być niejednorodność fizyczna lub
chemiczna, styk dwu różnych stopów albo metali a także różnica stężeń elektrolitu w dwu
miejscach tego samego stopu.

Niejednorodność chemiczna występuje w stopach wskutek obcych wtrąceń, w metalach

zanieczyszczonych i niejednorodności poszczególnych kryształów.

Niejednorodność fizyczna występuje wskutek miejscowych różnic w odkształceniach

i naprężeniach w stanie powierzchni metalu np.: gładkości.

Najważniejszym czynnikiem wpływającym na intensywność korozji jest niewątpliwie

środowisko korozyjne, od którego agresywności  zależy przede wszystkim szybkość korozji.
Środowiskiem  agresywnym  powodującym  korozję  elektrochemiczną  może  być  atmosfera,
woda  rzeczna  lub  morska,  wilgotna  ziemia.  Rozróżnia  się  korozję  atmosferyczną,  wodną,
ziemną.

Korozja atmosferyczna jest najbardziej rozpowszechnionym rodzajem korozji metali,

powoduje  największe  straty  w  szynach  i  taborze  kolejowym,  w  konstrukcjach  stalowych,
mostach,  dźwigach.  Warstewka  wilgoci  na  powierzchni  metalu  lub  stopu  z  rozpuszczonymi
gazami: tlenem, azotem, dwutlenkiem węgla, a w okolicach morza - chlorkami i siarczanami,
w  dzielnicach  zaś  przemysłowych  i  miastach  także:  dwutlenkiem  siarki,  kwasem  solnym,
amoniakiem  itp.  powoduje,  że  korozja  atmosferyczna  w różnych  miejscowościach  ma  różne
natężenie.

Korozją wodną nazywa się przede wszystkim niszczące działanie wody w urządzeniach

metalowych,  w  których  woda  dłużej  przebywa.  Będzie  to  przede  wszystkim  korozja
zbiorników,  rur,  pomp  itp.  Do  korozji  wodnej  zalicza  się  również  korozję  spowodowaną
działaniem  wody  morskiej  lub  mineralnej.  Zimna  chemicznie  czysta  woda,  praktycznie
biorąc,  stali  nie  atakuje.  W  instalacjach  grzewczych  najbardziej  narażone  są  zazwyczaj
wężownice, w których  korozja  występuje  najczęściej  w  postaci wżerów  i  spowodowana  jest
przez  rozpuszczony  w  wodzie  tlen,  który  łatwo  jest  usunąć  przez  uprzednie  zagotowanie
wody.

Korozja ziemna. Każda gleba zawiera mniejsze lub większe ilości soli, kwasów i gazów,

które  łącznie  z  wilgocią  wywierają  korozyjne  działanie  na  znajdujące  się  w  niej  metale.
Piasek  i  grunty  piaszczysto-gliniaste  działają  na  metal  stosunkowo  słabo.  Natomiast  grunty
gliniaste  są  już  bardziej  niebezpieczne,  gdyż  mało  są  przepuszczalne  oraz  zawierają  często
gniazda  soli,  które  z  przenikającą  wodą  tworzą  mniej  lub  bardziej  stężone  roztwory
elektrolitów.  Dzięki  tym  roztworom  powstają  stężeniowe  ogniwa  galwaniczne  wywołujące
silną korozję.

Ze względu na zmiany wywołane w metalach rozróżnia się:

−

korozję powierzchniową, gdy zmiany uwidaczniają się na powierzchni, przy czym może
ona być równomierna rysunek 3 i nierównomierna rysunek 4.

Rys. 2. Korozja powierzchniowa równomierna

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 3. Korozja nierównomierna

−

korozję ukrytą, gdy nie widać, zmian na powierzchni metalu, przy czym może ona być
podpowierzchniowa i międzykrystaliczna, rysunek 4.

Rys. 4. Korozja międzykrystaliczna

Korozja

międzykrystaliczna,

występująca

granicach

ziarn

krystalicznych

w roztworach stałych. Wskutek tej korozji materiał traci szybko dobre właściwości
wytrzymałościowe, nie zmieniając prawie wyglądu zewnętrznego.

Korozja naprężeniowa zachodzi w materiale, w którym występują naprężenia powstałe

podczas  odlewania,  przeróbki  plastycznej, obróbki cieplnej,  spawania  itp.  W tym  przypadku
istnieje ścisłe współdziałanie czynników mechanicznych z czynnikami elektrochemicznymi.
Szczególną odmianą tej korozji  jest tzw. sezonowe pękanie  mosiądzu, polegające na  nagłym
i bez  widocznego  powodu  pękaniu  przedmiotów  przerobionych  plastycznie  na  zimno.  Tego
rodzaju  pękanie  zachodzi  szczególnie  łatwo  w  powietrzu  zawierającym  ślady  amoniaku.
Innym  bardzo  znanym  przykładem  korozji  naprężeniowej  jest  kruchość  ługowa.  Jest  to
szczególny rodzaj korozji występującej w zbiornikach stalowych  narażonych  na jednoczesne
działanie  ługów  i  obciążeń.  Pod  wpływem  tych  czynników  stal  staje  się  krucha,  nie
zmieniając  przy  tym  wyglądu  zewnętrznego.  Powstające  przy  tym  pęknięcia  występują
najczęściej przy otworach (np. na nity) i mają charakter międzykrystaliczny.

Ochrona metali i stopów przed korozją

Straty, jakie powoduje korozja w ogólnej gospodarce krajowej są bardzo wielkie, dlatego

prowadzenie  walki  z  nią  jest  dla  każdego  państwa  zagadnieniem  podstawowym  i  w  miarę
rozwoju  przemysłu  nabiera  coraz  większego  znaczenia.  Świadczy  o  tym  chociażby  duża
liczba  placówek  badawczych  zajmujących  się  tym  zagadnieniem  oraz  olbrzymia  literatura
naukowa dotycząca korozji i walki z korozją.
Skuteczna  walka  z  korozją,  która  jest  obowiązkiem  każdego  technika,  wymaga  znajomości
przebiegu  procesów  korozyjnych,  ich  przyczyn  i  skutków  w  różnych  środowiskach

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

korozyjnych. Zmniejszenie strat wywołanych korozją można osiągnąć następującymi
metodami:

−

ochroną  elektrochemiczną,  np.:  polaryzacja  katodowa  polega  ona  na  podłączeniu
chronionej  konstrukcji  do  ujemnego  bieguna  prądu  stałego,  katody.  Biegun  dodatni  jest
podłączony  do  anody,  która  ma  przez  to  wyższy  potencjał  od  obiektu  chronionego.
Tworzy  się ogniwo a płynący w  nim prąd i zachodzące reakcje powoduje, ze katoda nie
będzie  korodować.  Metoda  ta  jest  stosowana  z  powodzeniem  do  zabezpieczania
rurociągów,  szczególnie  ciepłowniczych,  dużych  zbiorników  wodnych,  kadłubów
statków,

−

poprzez nakładanie i wytwarzanie powłok ochronnych,

−

poprzez właściwy dobór materiałów i prawidłową konstrukcję elementów narażonych na
korozję.

Powłoki ochronne mogą być nakładane i wytwarzane. Powłoki ochronne nakładane dzieli się
na metalowe i niemetalowe.

Na powłoki metalowe o dużej odporności na korozję używa się niklu, chromu, miedzi,

srebra, cyny, cynku, ołowiu, kadmu, aluminium. Powłoki ochronne nakłada się galwanicznie
oraz przez zanurzanie, natryski i platerowanie.

Powłoki niemetalowe oddzielają mechanicznie metal od agresywnego środowiska. Są

one pochodzenia organicznego, jak np.: farby, oleje, lakiery szybko schnące i lakiery
piecowe, a ponadto smoły asfalty oraz różnego rodzaju smary. Ostatnio stosuje się do tego
celu tworzywa sztuczne.

Czasowe zabezpieczenie metali przed korozją można uzyskać przez pokrycie powierzchni

specjalnymi smarami lub wazeliną techniczną. Przed przystąpieniem do zabezpieczenia
powierzchni metalowych wyżej wymienionymi środkami należy powierzchnie te dobrze
oczyścić z brudu i innych zanieczyszczeń. Przechowywanie materiałów metalowych powinno
się odbywać w pomieszczeniach suchych.

Nakładanie powłok ochronnych wytwarzanych polega na łączeniu warstwy nakładanej

z materiałem chronionym chemicznie, tzn. utworzeniu na granicy warstw związków
chemicznych lub roztworów. Rozróżnia się wytwarzane powłoki metalowe i niemetalowe.

Powłoki metalowe uzyskuje się w wysokiej temperaturze na zasadzie dyfuzji metalu

ochronnego w głąb metalu chronionego. Najbardziej znane są procesy wprowadzania do stali
aluminium (kaloryzowanie), wprowadzanie cynku (scherardyzowanie) oraz wprowadzanie
chromu (nachromowywanie).

Powłoki niemetalowe są wytwarzane metodami chemicznymi lub elektrochemicznymi.

Najczęściej stosuje się oksydowanie i fosforanowanie stali. Oksydowanie (czernienie) polega
na wytwarzaniu na powierzchni stali warstwy tlenków żelaza. Oksydować można na kolor
czarny, brunatny i ich odcienie. Fosforanowanie polega na wytwarzaniu na powierzchni stali
warstwy krystalicznej fosforanów żelaza.

Dobór właściwych materiałów i prawidłowa konstrukcja elementów narażonych na korozję.

Najmniej odporne na korozję są metale i stopy zawierające zanieczyszczenia. Im mniej

zanieczyszczeń tym odporność na korozję jest większa np.: stal o specjalnych właściwościach
fizycznych, tzw. żelazo Armco zawierające tylko 0,1 % wszystkich domieszek, jest znacznie
odporniejsze na korozję od zwykłych stali. Bardzo odporne na korozję są niektóre gatunki
cynku i aluminium o dużej czystości.

Wprowadzenie do metalu lub stopu nieodpornego na korozję składnika nie korodującego

zabezpiecza w znacznym stopniu stop przed korozją. Na przykład wprowadzenie do stali

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

niskowęglowej chromu w ilości 12-:-14% uodparnia ją na korozję atmosferyczną, wpływ
wody naturalnej i pary wodnej.

Zastępowanie elementów metalowych częściami wykonanymi z tworzyw sztucznych

w zasadniczy sposób eliminuje korozję. Oczywiście jest to możliwe tylko wtedy, gdy
względy wytrzymałościowe i technologiczne na to pozwalają.

Właściwa konstrukcja elementów i dobór materiałów łączących części ma bardzo duże

znaczenie w ochronie przed korozją. Korozja bardzo często występuje w miejscach połączeń
poszczególnych  części.  Należy  więc  odpowiednio  dobierać  materiały  łączników,  czyli  śrub,
nitów, lutów, i materiał spoin, a także rodzaje materiałów łączonych części. Skłonność złącza
do  ulegania  korozji  zależy  od  tego,  jakie  miejsce  w  szeregu  napięciowym  metali  zajmują
stykające  się  ze  sobą  metale.  Jeżeli  odległe  od  siebie  -  to  przy  sprzyjających  warunkach
tworzy  się  korozja  elektrochemiczna,  gdyż  tworzą  się  wtedy  ogniwa  galwaniczne.  Na
przykład sprzyjać będzie korozji połączenie stali węglowej oraz żelaza ze stopami aluminium,
zwłaszcza z magnezem, albo połączenie ołowiu, cyny i stopów miedzi ze stopami aluminium.
Rozmiary  korozji  w  tych  przypadkach  zależą  od  wielkości  powierzchni  przylegania  tych
metali lub  stopów do siebie.  Wszelkie  miejsca połączeń  muszą  być dokładnie zabezpieczone
kitem chemoutwardzalnym i pomalowane farbą podkładową.

Duży wpływ na występowanie korozji ma właściwa konstrukcja poszczególnych części

maszyn  i  urządzeń,  w  tym  zwłaszcza  samochodów.  Dotyczy  to  szczególnie  cienkich  blach
narażonych  na  korozję.  Zła  konstrukcja  kształtu  części  blach  nadwozi  samochodów  bardzo
sprzyja  korozji,  zwłaszcza  wtedy,  gdy  nieprawidłowe  wygięcia  blach  tworzą  zagłębienia,
w których zatrzymuje się woda.

4.5.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Co to jest korozja metali?
2.  Co to jest korozja chemiczna?
3.  W jakich warunkach może nastąpić hamowanie korozji chemicznej?
4.  Co to jest korozja elektrochemiczna?
5.  Jakie są przyczyny powstawania ogniw korozyjnych?
6.  Jakie czynniki mają wpływ na korodowanie metali?
7.  Co to jest korozja atmosferyczna?
8.  Co to jest korozja wodna?
9.  Co to jest korozja ziemna?
10.  Co to jest korozja naprężeniowa?
11.  Co to jest korozja międzykrystaliczna?
12.  W jaki sposób można zmniejszyć straty powodowane przez korozję?
13.  Na czym polega ochrona metodą elektrochemiczną?
14.  Jakie są rodzaje powłok ochronnych przed korozją?
15.  Na czym polega właściwy dobór materiałów w celu ochrony przed korozją?

4.5.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Przeanalizuj sposoby zabezpieczania metali przed korozją. Dokonaj podziału powłok

ochronnych nakładanych. Wyjaśnij na czym polega sposób wykonania poszczególnych
powłok.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  odszukać w poradniku informacje na temat rodzajów zabezpieczeń antykorozyjnych,
2)  wypisać podział powłok antykorozyjnych,
3)  scharakteryzować powłoki ochronne nakładane,
4)  opracować schemat blokowy wykonania wybranej powłoki nakładanej.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4, długopis,

−

eksponaty elementów z zabezpieczeniem antykorozyjnym,

−

poradnik dla ucznia,

−

literatura zgodna z punktem 6 poradnika.

Ćwiczenie 2

Wykonaj fosforanowanie elementów metalowych przedmiotów ortopedycznych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  odszukać w poradniku informacje na temat rodzajów zabezpieczeń antykorozyjnych,
2)  podgrzać roztwór do fosforanowania do 50°C,
3)  umieścić metalowe elementy w koszu, umieścić w kąpieli na 4 minuty,
4)  wyjąć i wypłukać w roztworze do płukania,
5)  poddać obrabiane elementy suszeniu,
6)  pomalować farbą proszkową na wybrany kolor,
7)  umieścić  przedmioty  malowane  w  piecu  nagrzanym  do  temperatury  około  200°C.

w czasie 15 minut.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

elementy metalowe do fosforanowania,

−

urządzenie do wykonania fosforanowania,

−

poradnik dla ucznia,

−

literatura zgodna z punktem 6 poradnika.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.5.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) określić co to jest korozja metali?



2) określić na czym polega korozja chemiczna?



3) podać co może wpływać na hamowanie korozji chemicznej?



4) opisać na czym polega korozja elektrochemiczna?



5) określić warunki powstawania korozji elektrochemicznej?



6) określić co to jest korozja atmosferyczna?



7) określić co to jest korozja wodna?



8) określić co to jest korozja ziemna?



9) określić na czym polega powstawanie korozji naprężeniowej?



10) wyjaśnić na czym polega powstawanie korozji międzykrystalicznej?



11) wymienić sposoby zmniejszania strat powodowanych przez korozję?



12) wyjaśnić na czym polega metodą elektrochemiczna?



13) wymienić i opisać rodzaje powłok ochronnych przed korozją?



14) wyjaśnić na czym polega dobór materiałów w celu ochrony przed

korozją?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.6. Obróbka cieplna i cieplno-chemiczna

4.6.1. Materiał nauczania

Obróbka cieplna.

Obróbka cieplna jest to zestaw zabiegów cieplnych, w wyniku których zmieniają się

właściwości mechaniczne, fizyczne lub chemiczne metali i stopów będących w stanie stałym.
Przez  zabieg  cieplny  rozumie  się  pewien  cykl  zmian  temperatury,  zaczynający  się  od
temperatury otoczenia i kończący się również w temperaturze otoczenia. Każdy cykl zabiegu
cieplnego składa się z trzech okresów:

1)  nagrzewania, wygrzewania i chłodzenia, rysunek 6

Rys.6 Przebieg obróbki cieplnej

2) chłodzenia, wymrażania i nagrzewania, rysunek 7

Rys.7 Przebieg obróbki cieplnej uwzględniający obróbkę podzerową.

Obróbka cieplna jest możliwa tylko wtedy, gdy stworzy się takie warunki, aby

w obrabianym  materiale  mogły  zajść konieczne przemiany, które najczęściej  jako dyfuzyjne
wymagają  pewnego  czasu.  W  tym  celu  materiał  nagrzany  do  temperatury  maksymalnej
przetrzymuje się  w  niej przez pewien  czas  i ta czynność  nosi  nazwę wygrzewania. Ta sama
czynność, lecz w temperaturze poniżej 0°C nosi nazwę wymrażania.
Nagrzewanie

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Jest to ciągłe, stopniowe podnoszenie temperatury obrabianego przedmiotu do wysokości

przewidzianej dla danej obróbki.

Wygrzewanie

Jest to utrzymanie stałej, wyższej od otoczenia temperatury w określonym czasie

potrzebnym dla dokonania się zamierzonych zmian wewnątrz materiału.

Wymrażanie

Jest to utrzymanie stałej temperatury niższej od otoczenia w określonym czasie

potrzebnym dla dokonania się zamierzonych zmian wewnątrz materiału.

Chłodzenie

Jest to ciągłe lub stopniowe obniżanie temperatury przedmiotu obrabianego do

temperatury otoczenia lub innej, określonej warunkami zabiegu.

Obróbkę cieplną stosuje się zazwyczaj do stopów, przy czym stopem, który najczęściej

poddaje  się obróbce cieplnej  jest stal. Obróbkę cieplną  można stosować również  i do  innych
stopów, jak: żeliwo, stopy miedzi, stopy aluminium itp. Istnieją pewne rodzaje obróbki, które
stosuje  się  również  do  czystych  metali  po  przeróbce  plastycznej  na  zimno  –  należą  do  nich
wyżarzanie  rekrystalizujące  i  wyżarzanie  odprężające.  Obróbka  cieplna  stosowana  jest
najczęściej  po  obróbce  skrawaniem.  Czasem  jednak  stosuje  się  ją  dla  ułatwienia  dalszej
przeróbki  plastycznej  przedmiotów  lub  nawet  obróbki  mechanicznej  przez  skrawanie.
Obróbkę  cieplną  przed  skrawaniem  stosuje  się  z  reguły  do  odlewów.  Najważniejszymi
wyznacznikami  rodzaju  obróbki  cieplnej  są  temperatura  i  czas  wygrzewania  oraz  szybkość
chłodzenia.

W praktyce stosuje się następujące rodzaje obróbki cieplnej:

Wyżarzanie

Polega na nagrzaniu materiału do żądanej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze

i następnie powolnym chłodzeniu do temperatury otoczenia. Zależnie od temperatury
wyżarzania, sposobu studzenia oraz celu zabiegu rozróżnia się:

−

wyżarzanie ujednoradniające - na celu zmniejszenie miejscowych niejednorodności
składu chemicznego, co osiąga się przez wygrzewanie 1000÷1250°C w ciągu 12÷15
godzin,

−

wyżarzanie

normalizujące

celu

otrzymanie

równomiernej

budowy

drobnoziarnistej,

usunięcie

naprężeń

własnych

polepszenia

właściwości

wytrzymałościowych polega ono na wygrzaniu w odpowiedniej temperaturze a po
wyjęciu z pieca, chłodzeniu na wolnym powietrzu,

−

wyżarzanie  zupełne,  którego  celem  jest  przekrystalizowanie  zupełne  stali,  nadanie  jej
jednorodnej  drobnoziarnistej  struktury  o  małej  twardości  i  dużej  ciągliwości,  usunięcie
naprężeń  własnych  oraz  polepszenie  obrabialności,  chłodzenie  wygrzanego  metalu  jest
bardzo wolne - materiał stygnie razem z piecem,

−

wyżarzanie niezupełne, podobne do zupełnego, stosowane do zmniejszenia twardości,
usunięcia naprężeń własnych, zwiększenia plastyczności, stosuje się je do stali
o zawartości węgla powyżej 0,8%C,

−

wyżarzanie zmiękczające - stosowane w celu uzyskania zmniejszania twardości stali
i polepszenie obrabialności,

−

wyżarzanie rekrystalizujące - stosowane w celu usunięcia zgniotu i przywrócenia stali
początkowej plastyczności, uprzednio zgniecionego stopu, przykładem zastosowania jest

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

wyżarzanie międzyoperacyjne drutu ciągnionego na zimno, czy też wyrobów blaszanych
po tłoczeniu,

−

wyżarzanie odprężające stosuje się w celu zmniejszenia naprężeń własnych w materiale,
powstałych wskutek zgrubnej obróbki skrawaniem, spawania, obróbki plastycznej na
zimno. Stosuje się do stali, stopów aluminium i miedzi a także żeliwa.

Hartowanie

Jest zabiegiem obróbki cieplnej polegającym na nagrzewaniu stali do odpowiedniej

temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze w celu uzyskanie jednakowej temperatury w całej
masie hartowanego materiału i szybkim wystudzeniu. Ma ono na celu uzyskanie struktury
materiału o większej twardości. W zależności od sposobu nagrzewania hartowanie dzieli się na:

− hartowanie z ogrzewaniem na wskroś - hartowanie zwykłe, hartowanie stopniowe

i hartowanie z przemianą izotermiczną,

− hartowanie powierzchniowe – polega na szybkim ogrzaniu warstwy powierzchniowej

przedmiotu do temperatury wyższej od temperatury krytycznej i oziębieniu. Jej celem jest
uzyskanie  twardej  powierzchni  odpornej  na  ścieranie  z  zachowaniem  plastycznego
rdzenia,  który  przy  zmiennych  obciążeniach  nie  ulega  pęknięciu.  W  zależności  od
sposobu  nagrzewania  rozróżnia  się  hartowanie  powierzchniowe:  płomieniowe,
indukcyjne i kąpielowe.

Odpuszczanie

Jest to obróbka cieplna, którą stosuje się do przedmiotów uprzednio zahartowanych

w celu usunięcia naprężeń hartowniczych i polepszenia właściwości plastycznych. Zmniejsza
ono nieco twardość i wytrzymałość na rozciąganie, natomiast wzrasta odporność na uderzenia
i  wydłużenie. Polega ono na nagrzaniu uprzednio zahartowanego przedmiotu do temperatury
180÷650°C  (w  zależności  od  żądanego  efektu),  wygrzaniu  przedmiotu  w  tej  temperaturze,
a następnie  powolnym  chłodzeniu  na  powietrzu  lub  w  wodzie.  Zależnie  od  temperatury
nagrzewnia rozróżnia się:

−

odpuszczanie niskie - odbywa się w temperaturze 150÷240°C, ma na celu usunięcie
naprężeń hartowniczych, przy zachowaniu jednak dużej twardości i wytrzymałości.
Stosowane do narzędzi, sprężyn i przedmiotów nawęglanych,

−

odpuszczanie  średnie  -  odbywa  się  w  temperaturze  240÷500°C,  ma  na  celu  utrzymanie
dużej  wytrzymałości  oraz  uzyskanie  dużej  sprężystości  przy  dostatecznej  odporności  na
uderzenia,  obniża  się  znacznie  twardość.  Stosowane  do  sprężyn,  matryc,  wszelkiego
rodzaju  resorów,  części  mechanizmów  pracujących  na  uderzenie,  części  broni
maszynowej, części samochodowe,

−

odpuszczanie wysokie - zachodzi w temperaturze od 500°C do 723°C, ma na celu
utrzymanie możliwie dobrej wytrzymałości przy niewiele tylko obniżonych cechach
plastycznych oraz utrzymanie bardzo dużej udarności,

−

ulepszanie  cieplne  –  to  połączenie  dwóch  zabiegów,  hartowania  i  odpuszczania
w odpowiednio  wysokiej  temperaturze  celem  otrzymania  optymalnych  właściwości
mechanicznych przy zachowaniu możliwości obróbki skrawaniem. Zabieg ten stosuje się
często  do  części  maszyn  okrętowych,  do  części  samochodów,  do  części  broni  (lufy
i komory karabinów maszynowych),

−

przesycanie  –  polega  na  nagrzaniu  stopu  do  temperatury,  w  której  jeden  lub  więcej
składników  przechodzi  do  roztworu  stałego,  wygrzaniu  w  tej  temperaturze  i  następnym
szybkim  chłodzeniu  zwykle  w  wodzie,  co  powoduje  powstanie  struktury  przesyconego
roztworu stałego,

−

starzenie – zabieg polegający na nagrzaniu uprzednio przesyconej stali do temperatury,
w której zachodzi szybkie wydzielanie się, w odpowiednim stopniu rozproszenia

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

składnika znajdującego się w roztworze stałym przesyconym, wygrzaniu w tej
temperaturze a następnie chłodzeniu. Ten sam proces zachodzący w temperaturze
otoczenia, w ciągu dłuższego czasu nazywa się starzeniem samorzutnym,

−

utwardzanie dyspersyjne – połączenie zabiegów przesycania i starzenia,

−

stabilizowanie  –  dłuższe  wygrzewanie  przedmiotów  stalowych  w  temperaturze  nie
przekraczającej  150°C,  zapewniające  niezmienność  wymiarów,  zmniejszenie  naprężeń
własnych  i  przyśpieszenie  starzenia.  Proces  ten  może  zachodzić  w  temperaturze
otoczenia, lecz w ciągu dłuższego czasu, jest to stabilizowanie naturalne,

−

obróbka podzerowa – ochłodzenie poprzednio zahartowanych stali do dostatecznie niskich

temperatur poniżej 0°C. Stosuje się ją przeważnie przy obróbce cieplnej narzędzi
wykonanych z wysokostopowych stali.

Obróbka cieplno-chemiczna

Obróbka cieplno-chemiczna ma na celu wprowadzenie do obrabianego przedmiotu,

dzięki  dyfuzji  w  stanie  stałym,  obcego  pierwiastka  lub  już  znajdującego  się  w  przedmiocie,
lecz w małej  ilości, co prowadzi do zmiany składu chemicznego, najczęściej  na powierzchni
przedmiotu.
Obróbka cieplno-chemiczna stali polega na wzbogaceniu w węgiel lub azot powierzchniowej
warstwy przedmiotu z miękkiej stali. Zabieg ten odbywa się w środowisku chemicznym przez
dyfuzję  węgla  lub  azotu  w  głąb  stali  w  wysokiej  temperaturze.  W  wyniku  tego  procesu
otrzymuje się twardą powierzchnię zewnętrzną i ciągliwy rdzeń.
Do  najważniejszych  rodzajów  obróbki  cieplno-chemicznej  należą:  nawęglanie,  azotowanie
i cyjanowanie.

Nawęglanie zwane również cementowaniem, polega na wzbogaceniu powierzchniowej

warstwy  przedmiotu  w  węgiel  zwykle  na  głębokość  0,5÷2  mm  przez  dłuższe  wygrzewanie
w temperaturze  890÷930°C  w  ośrodku  wydzielającym  węgiel.  Celem  nawęglania  jest
uzyskiwanie twardej i odpornej na ścieranie powierzchni, z zachowaniem ciągliwości rdzenia.
Właściwości  te  uzyskuje  się  przez  następujące  po  nawęglaniu,  hartowanie  i odpuszczanie.
Nawęglanie  stosuje  się  do  przedmiotów  wykonanych ze  stali  o  zawartości  węgla  do  0,25%.
Rozróżnia się:

−

nawęglanie  w  proszkach,  odbywające  się  w  szczelnie  zamkniętych  skrzynkach  –
przedmioty  są  przesypane  proszkiem  nawęglającym,  składającym  się  z  ziarenek  węgla
drzewnego  z  dodatkiem środków  przyspieszających  nawęglanie,  tj.  węglanu  baru,  sodu,
potasu  i  wapnia.  Średnia  szybkość  nawęglania  wynosi ok.  0,1  mm grubości  warstwy  na
godzinę,

−

nawęglanie  z  użyciem  past,  również  wykonywane  jest  w  skrzyniach,  w  których
umieszcza  się  przedmioty  powleczone  warstwą  3÷4  mm  pasty  nawęglającej,  proces
przebiega  znacznie  szybciej  niż  w  proszku  bo  ok.  1  mm  grubości  warstwy  na  godzinę,
pasta  składa  się  z  sadzy  (  50%),  węglanu  sodu  (40%),  żelazochromu  (10%)
wymieszanych w melasie lub gumie arabskiej,

−

nawęglanie kąpielowe następuje przez zanurzenie przedmiotu w kąpieli ze stopionych
soli np. w chlorku baru i sodu oraz cyjanku sodu, a jego szybkość wynosi 0,3÷0,4 mm
grubości warstwy nawęglanej na godzinę,

−

nawęglanie  gazowe  odbywa  się  w  szczelnie  zamkniętej  komorze  pieca,  do  której
doprowadza  się  gaz,  np.  mieszaninę  metanu,  tlenku  węgla  i  wodoru,  lub  wkrapla  się
węglowodór  ciekły,  który  rozkładając  się  w  wysokiej  temperaturze  tworzy  gaz
nawęglający; szybkość nawęglania gazowego wynosi 0,2 mm grubości warstwy na godz.

Azotowanie polega na nasyceniu azotem warstwy powierzchniowej przedmiotu.

Azotowane przedmioty umieszcza się w szczelnie zamkniętej komorze pieca, do której

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

doprowadza się suchy amoniak (NH3), rozkładający się pod wpływem wysokiej temperatury
na azot i wodór. Azot w stanie atomowym jest adsorbowany na powierzchni stali, a następnie
dyfunduje w głąb materiału, tworząc twarde azotki żelaza, glinu i innych składników
stopowych. Wzrost temperatury przyśpiesza proces dyfuzji, natomiast zawartość węgla działa
hamująco na przenikanie azotu. Azotowania dokonuje się w temperaturze 500÷850°C.
W zależności od celu w jakim wykonywane jest azotowanie rozróżnia się:

−

azotowanie utwardzające, trwa do 90 godzin, powoduje wytworzenie cienkiej (do
0,7mm) bardzo twardej i odpornej na ścieranie warstwy powierzchniowej bez stosowania
dodatkowych zabiegów cieplnych, jest to często stosowane w przemyśle samochodowym
(tuleje cylindrowe),

−

azotowanie antykorozyjne, jest zabiegiem krótkotrwałym ( do 2 godzin), wykonywanym
w temperaturze 600÷850°C w celu uzyskania bardzo cienkiej 0,02÷0,04mm warstwy
powierzchniowej o zwiększonej odporności na korozję, stosowane jest głównie do stali
węglowych, może zastępować oksydowanie lub pokrycia galwaniczne.

Węgloazotowanie (dawniej cyjanowanie) polega na nasyceniu powierzchni przedmiotów

stalowych jednocześnie węglem i azotem przez wygrzewanie w temperaturze 500÷950°C
w ośrodku wydzielającym węgiel i azot. Po zahartowaniu i odpuszczeniu uzyskuje się twardą
i odporną na ścieranie warstwę powierzchniową. Rodzaj ośrodka wydzielającego węgiel
i azot do procesu cyjanowania determinuje podział na:

−

węgloazotowanie kąpielowe, które jest dokonywane w kąpieli o temperaturze 820°C

w ciągu 30 minut, zawierającej mieszaniny soli cyjanowych z innymi solami obojętnymi
w stosunku do stali (kąpiele cyjanowe składają się zwykle z mieszaniny cyjanku sodu,
chlorku sodu, chlorku baru i chlorku wapnia; stosuje się też żelazocyjanek potasu)

−

węgloazotowanie gazowe, dokonywane w atmosferze amoniaku i gazu nawęglającego

(gazu ziemnego, gazu świetlnego, propanu, butanu, gazów z rozkładu benzolu, produktów
naftowych  itp.),  poddaje  się  mu  przedmioty  ze  stali  konstrukcyjnej  i  narzędzia  ze  stali
szybkotnącej.
Zaletą  węgloazotowania  jest  skrócenie  czasu  procesu  w  stosunku  do  nawęglania
i uzyskanie  bardzo  twardych  powłok  odpornych  na  ścieranie  w  stosunkowo  niskich
temperaturach  procesu.  Wadą  jest  ryzyko  zatrucia pracowników  parami  soli  cyjanowych
oraz konieczność częstego kontrolowania składu kąpieli.

Poza tymi podstawowymi rodzajami obróbki cieplnej stosowane są też:

−

nasiarczanie (cyjanonasiarczanie) - nasycanie powierzchni wyrobów stalowych oraz

żeliwnych siarką i azotem w celu zwiększenia odporności na ścieranie i zmniejszenia
współczynnika tarcia,

−

kaloryzowanie (aliterowanie, aluminiowanie) - nasycanie powierzchniowej wyrobów ze

stali lub z żeliwa, aluminium, w celu zwiększenia żaroodporności,

−

nachromowywanie; nasycanie chromem warstwy powierzchniowej wyrobów ze stali

lub z żeliwa w celu zwiększenia twardości, odporności na ścieranie, kwasoodporności
i żaroodporności,

−

nakrzemowywanie - nasycanie krzemem warstwy powierzchniowej wyrobów ze stali

konstrukcyjnej lub z żeliwa w celu zwiększenia odporności na ścieranie i działanie
kwasów azotowego, siarkowego i solnego oraz zwiększenie żaroodporności,

−

naborowywanie (boryzacja); nasycanie borem warstwy powierzchniowej wyrobów ze

stali konstrukcyjnych węglowych w celu zwiększenia twardości i odporności na ścieranie
i korozję,

−

nasycanie chromem i krzemem warstwy powierzchniowej wyrobów ze stali

konstrukcyjnych lub z żeliwa w celu zwiększenia odporności na ścieranie i korozję oraz
zwiększenie żaroodporności.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Obróbka chemiczna polega na wytworzeniu warstwy związku chemicznego na

powierzchni pokrywanego materiału. Najczęściej stosowanymi związkami są tlenki
i fosforany. Powłoki tlenkowe można wytwarzać na większości materiałów konstrukcyjnych.

Obróbka galwaniczna polega na elektrolitycznym nakładaniu warstw innych metali.

Obróbka cieplna połączona z odkształceniem plastycznym stopu stanowi obróbkę cieplno-
mechaniczną.
Pewne stopy poddaje się obróbce cieplnej przy jednoczesnym działaniu pola magnetycznego.
Głównym celem tej obróbki jest nadanie specjalnych właściwości fizycznych. Obróbka
łącznie zdziałaniem pola magnetycznego stanowi obróbkę cieplno-magnetyczną.

4.6.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Co to jest obróbka cieplna?
2.  Jakie okresy składają się na każdy zabieg obróbki cieplnej?
3.  Czym charakteryzują się poszczególne etapy zabiegu obróbki cieplnej?
4.  Jakie są podstawowe rodzaje obróbki cieplnej?
5.  Na czym polega wyżarzanie?
6.  Jakie są rodzaje wyżarzania?
7.  Na czym polega hartowanie?
8.  Jakie są rodzaje hartowania?
9.  Na czym polega odpuszczanie?
10.  Jakie są rodzaje odpuszczania?
11.  Na czym polega ulepszanie cieplne?
12.  Co to jest przesycanie?
13.  Na czym polega starzenie?
14.  Co to jest utwardzanie dyspersyjne?
15.  Na czym polega stabilizowanie?
16.  Co to jest obróbka podzerowa?
17.  Na czym polega obróbka cieplno-chemiczna?
18.  Jakie są rodzaje obróbki cieplno-chemicznej?
19.  Na czym polega nawęglanie?
20.  Na czym polega azotowanie?
21.  Na czym polega cyjanowanie?
22.  Jakie są rodzaje nawęglania?
23.  Jakie są rodzaje azotowania?
24.  Jakie są rodzaje cyjanowania?
25.  Na czym polega obróbka chemiczna?
26.  Na czym polega obróbka galwaniczna?

4.6.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Przeanalizuj sposoby obróbki cieplnej materiałów metalowych. Dokonaj podziału

obróbki cieplnej. Wyjaśnij na czym polegają poszczególne rodzaje obróbki cieplnej metali.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  odszukać w poradniku informacje na temat obróbki cieplnej,
2)  wypisać rodzaje obróbki cieplnej,
3)  scharakteryzować poszczególne rodzaje obróbki cieplnej metali,
4)  opracować schemat blokowy wykonania wybranej obróbki cieplnej.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4, długopis,

−

poradnik dla ucznia,

−

literatura zgodna z punktem 6 poradnika.

Ćwiczenie 2

Przeanalizuj sposoby obróbki cieplno-chemicznej materiałów metalowych. Dokonaj

podziału obróbki cieplno -chemicznej. Wyjaśnij na czym polega ten rodzaj obróbki.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  odszukać w poradniku informacje na temat obróbki cieplno-chemicznej,
2)  wypisać rodzaje obróbki cieplno-chemicznej,
3)  scharakteryzować poszczególne rodzaje obróbki cieplno-chemicznej.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4, długopis,

−

poradnik dla ucznia,

−

literatura zgodna z punktem 6 poradnika.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.6.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) określić na czym polega obróbka cieplna?



2) scharakteryzować zabieg obróbki cieplnej?



3) wymienić rodzaje obróbki cieplnej?



4) określić na czym polega wyżarzanie?



5) wymienić rodzaje wyżarzania?



6) scharakteryzować poszczególne rodzaje wyżarzania?



7) określić na czym polega hartowanie?



8) wymienić rodzaje hartowania?



9) opisać poszczególne rodzaje hartowania?



10) określić na czym polega odpuszczanie?



11) scharakteryzować rodzaje odpuszczania?



12) określić co to jest przesycanie?



13) wyjaśnić na czym polega starzenie?



14) wyjaśnić co to jest utwardzanie dyspersyjne?



15) określić na czym polega stabilizowanie?



16) określić co to jest obróbka podzerowa?



17) wyjaśnić na czym polega obróbka cieplno-chemiczna?



18) scharakteryzować rodzaje obróbki cieplno-chemicznej?



19) określić na czym polega nawęglanie?



20) wyjaśnić na czym polega azotowanie?



21) wyjaśnić na czym polega cyjanowanie?



22) wyjaśnić na czym polega obróbka chemiczna?



23) wyjaśnić na czym polega obróbka galwaniczna?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA

1.  Przeczytaj uważnie instrukcję.
2.  Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.
3.  Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.
4.  Test  zawiera  20  zadań.  Do  każdego  zadania  dołączone  są  4  możliwości  odpowiedzi.

Tylko jedna jest prawidłowa.

5. Udzielaj odpowiedzi na załączonej karcie odpowiedzi, stawiając w odpowiedniej rubryce

znak X. W przypadku pomyłki należy błędną odpowiedź zaznaczyć kółkiem, a następnie
ponownie zakreślić odpowiedź prawidłową.

6. Zadania wymagają stosunkowo prostych obliczeń, które powinieneś wykonać przed

wskazaniem poprawnego wyniku.

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

na później i wróć do niego, gdy zostanie Ci wolny czas.

9. Na rozwiązanie testu masz 45 minut.

Powodzenia!

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

1. Właściwości fizyczne metali i ich stopów określane są przez

a) gęstość, temperaturę topnienia, ciepło właściwe, rozszerzalność cieplną,

przewodnictwo cieplne, przewodność elektryczną, własności magnetyczne oraz
wygląd zewnętrzny.

b)  odporność na korozję, działanie czynników chemicznych oraz temperatury.
c)  wytrzymałość, twardość i udarność.
d)  lejność, skrawalność i plastyczność.

2. Wytrzymałością nazywamy

a) odporność materiałów na uderzenia, czyli na działanie sił krótkotrwałych ale o dużej

wartości.

b) odporność materiału na odkształcenia trwałe, powstające pod wpływem obciążeń

skupionych (umiejscowionych) na małej powierzchni materiału.

c) granica oporu stawianego przez siły wewnętrzne materiału siłom i obciążeniom

zewnętrznym, które usiłują go odkształcić.

d) zdolność materiału do odkształceń trwałych pod działaniem sił zewnętrznych bez

naruszania ich spójności.

3. Właściwości chemiczne materiałów to

a) zdolność materiału do odkształceń trwałych pod działaniem sił zewnętrznych bez

naruszania ich spójności.

b) zdolność ciekłego metalu lub stopu do wypełniania formy odlewniczej.
c) gęstość, temperatura topnienia, ciepło właściwe, rozszerzalność cieplną,

przewodnictwo cieplne, przewodność elektryczną, własności magnetyczne oraz
wygląd zewnętrzny.

d) odporność na korozję, działanie czynników chemicznych oraz temperatury.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4. Materiałem wyjściowym do produkcji stali jest

a)  surówka szara.
b)  żeliwo.
c)  ruda żelaza.
d)  surówka biała.

5. Proces wielkopiecowy jest to

zespół zjawisk fizycznych i reakcji chemicznych zachodzących w wielkim piecu
w wyniku którego powstaje surówka.

utlenianie zawartych w płynnej surówce domieszek w celu otrzymywania stali.

przerabianie surówki szarej.

to inaczej proces Bessemera.

6. Dodatkiem stopowym, który zwiększa ciągliwość i wytrzymałość stali oraz sprzyja

głębokiemu  hartowaniu,  a  także  uodparnia  na  korozję  i  działanie  wysokiej  temperatury
jest
a)  chrom.
b)  nikiel.
c)  molibden.
d)  krzem.

7. Na rurki do wózków aktywnych stosowana jest

a)  stal węglowa.
b)  stal chromowo-molibdenowa.
c)  staliwo.
d)  stal węglowa narzędziowa o szczególnych właściwościach.

8. Mosiądzem jest

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

9. Ile % żelaza zawiera stop oznaczony symbolem CuZn30Mn4Fe

a)  4%.
b)  33%.
c)  1%.
d)  30%.

10. Duralem jest

a)  stop aluminium z cynkiem.
b)  stop aluminium z cyną.
c)  stop aluminium z krzemem.
d)  stop aluminium z miedzią.

11. Pamięć kształtu posiadają

a)  stopy żelaza.
b)  stopy niklu.
c)  stopy tytanu.
d)  stopy węgla.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

12. Do budowy podeszwowych wkładek metalowych do butów i protez sandałowych

wykorzystywane są
a)  staliwa.
b)  durale.
c)  mosiądze.
d)  stale węglowe.

13. Pełny proces otrzymywania materiałów spiekanych obejmuje

a) prasowanie, które ma na celu połączenie luźnych cząstek proszku w trwałą kształtkę

w zamkniętej przestrzeni.

b) wytwarzanie proszków, przygotowanie proszków, formowanie proszków na zimno,

spiekanie, obróbka wykańczająca.

c) sortowanie i mieszanie w odpowiednich proporcjach, prasowanie, połączenie

w wyniku ogrzewania.

d) formowanie proszków na zimno, spiekanie, obróbka wykańczająca.

14. Cermetale są to

a) materiały uzyskane przez połączenie proszków metali lub ich stopów z proszkami

ceramicznymi.

b)  stopy metali z glinką ceramiczną.
c)  materiały ceramiczne pokryte warstwą metalu.
d)  materiały metalowe pokryte warstwą polewy ceramicznej.

15. Korozja chemiczna jest to

a) proces zachodzący w materiałach, w których występują naprężenia powstałe podczas

odlewania, przeróbki plastycznej, obróbki cieplnej, spawania.

b) proces niszczenia metali lub stopów zachodzący wskutek bezpośredniego działania

na nie suchych gazów, zwłaszcza w wysokiej temperaturze lub cieczy nie
przewodzących prądu elektrycznego.

c) działanie krótkozwartych lokalnych ogniw korozyjnych powstających w zetknięciu

powierzchni różnych faz metalicznych o różnych potencjałach elektrochemicznych
z elektrolitem.

d) niszczące działanie wody w urządzeniach metalowych.

16. Jeżeli wskutek korozji materiał traci szybko dobre właściwości wytrzymałościowe, nie

zmieniając prawie wyglądu zewnętrznego to mamy do czynienia z korozją
a)  powierzchniową.
b)  wżerową.
c)  międzykrystaliczną.
d)  naprężeniową.

17. Ochrona metali i stopów przed korozją polega między innymi na

a)  nakładaniu i wytwarzaniu powłok ochronnych.
b)  zakopywaniu materiałów do ziemi.
c)  zanurzanie chronionych przedmiotów w zbiornikach z zakwaszoną wodą.
d)  pokrywaniu materiałów patyną.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

18. Obróbką cieplną metali i ich stopów nazywamy

a) zestaw zabiegów cieplnych, w wyniku których zmieniają się własności mechaniczne,

fizyczne lub chemiczne metali i stopów będących w stanie stałym.

b) cykl zmian temperatury, zaczynający się od temperatury otoczenia i kończący się

również w temperaturze otoczenia.

c) ciągłe lub stopniowe podnoszenie temperatury obrabianego przedmiotu do

wysokości przewidzianej dla danej obróbki.

d) ciągłe lub stopniowe obniżanie temperatury przedmiotu obrabianego do temperatury

otoczenia.

19. Która z podanych definicji określa wyżarzanie

a) polega na nagrzaniu stopu do temperatury, w której jeden lub więcej składników

przechodzi do roztworu stałego, wygrzaniu w tej temperaturze i następnym szybkim
chłodzeniu zwykle w wodzie.

b) polega na nagrzaniu materiału do żądanej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze

i następnie powolnym chłodzeniu do temperatury otoczenia.

c) polega na nagrzewaniu materiału do odpowiedniej temperatury, wygrzaniu w tej

temperaturze w celu uzyskanie jednakowej temperatury w całej masie poddawanego
obróbce materiału i szybkim wystudzeniu.

d) polega ono na nagrzaniu uprzednio zahartowanego przedmiotu do temperatury

180÷650°C , wygrzaniu przedmiotu w tej temperaturze, a następnie powolnym
chłodzeniu na powietrzu lub w wodzie.

20. Poniżej przedstawione są definicje odmian obróbki cieplno – chemicznej. Wskaż, która

z definicji określa nawęglanie
a) wzbogacenie powierzchniowej warstwy przedmiotu w węgiel w celu uzyskania

twardej i odpornej na ścieranie powierzchni, z zachowaniem ciągliwości rdzenia,

b) nasycenie azotem warstwy powierzchniowej w celu wytworzenia bardzo twardej

i odpornej na ścieranie warstwy powierzchniowej,

c) nasycenie powierzchni przedmiotów stalowych jednocześnie węglem i azotem przez

wygrzewanie w określonej temperaturze,

d) nasycanie powierzchni wyrobów stalowych oraz żeliwnych siarką i azotem w celu

zwiększenia odporności na ścieranie i zmniejszenia współczynnika tarcia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

KARTA ODPOWIEDZI

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

Wykonywanie elementów przedmiotów ortopedycznych z materiałów
metalowych

Zakreśl poprawną odpowiedź

zadania

Odpowiedź

Punkty

Razem: