RozróŜnianie cech charakterystycznych obróbki cieplnej, cieplno-chemicznej, plastycznej i odlewnictwa 722[02].O1.06

Transkrypt

1

2

3 MINISTERSTWO EDUKACJI NARODOWEJ Leon Zujko RozróŜnianie cech charakterystycznych obróbki cieplnej, cieplno-chemicznej, plastycznej i odlewnictwa 722[02].O1.06 Poradnik dla ucznia Wydawca Instytut Technologii Eksploatacji Państwowy Instytut Badawczy Radom 2007

4 Recenzenci: mgr inŝ. GraŜyna Uhman mgr inŝ. Regina Mroczek Opracowanie redakcyjne: mgr inŝ. Paweł Krawczak Konsultacja: mgr Małgorzata Sienna Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 722[02].O1.06 RozróŜnianie cech charakterystycznych obróbki cieplnej, cieplno-chemicznej, plastycznej i odlewnictwa, zawartego w modułowym programie nauczania dla zawodu operator obrabiarek skrawających Wydawca Instytut Technologii Eksploatacji Państwowy Instytut Badawczy, Radom

5 SPIS TREŚCI 1. Wprowadzenie 3 2. Wymagania wstępne 5 3. Cele kształcenia 6 4. Materiał nauczania Podstawy obróbki cieplnej Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów Wykonywanie obróbki cieplnej Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów Wiadomości podstawowe o obróbce cieplno-chemicznej Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów Podstawy obróbki plastycznej Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów Podstawy odlewnictwa Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów Sprawdzian osiągnięć Literatura 50 2

6 1. WPROWADZENIE Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy dotyczącej obróbki cieplnej i ciepln-ochemicznej, plastycznej i odlewnictwa. W poradniku zamieszczono: wymagania wstępne wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć juŝ ukształtowane, abyś bez problemów mógł korzystać z poradnika, cele kształcenia wykaz umiejętności, jakie ukształtujesz podczas pracy z poradnikiem, materiał nauczania wiadomości teoretyczne niezbędne do osiągnięcia załoŝonych celów kształcenia, zestaw pytań sprawdzających, czy opanowałeś juŝ podane treści, ćwiczenia, które pomogą Ci zweryfikować wiadomości teoretyczne oraz ukształtować umiejętności praktyczne, sprawdzian postępów, sprawdzian osiągnięć, przykładowy zestaw zadań. Zaliczenie testu potwierdzi opanowanie materiału całej jednostki modułowej, literaturę uzupełniającą. Gwiazdka oznaczono pytania i ćwiczenia, których rozwiązanie moŝe Ci sprawiać trudności. W razie wątpliwości zwróć się o pomoc do nauczyciela. 3

7 722[02].O1 Techniczne podstawy zawodu 722[02].O1.01 Przestrzeganie przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony przeciwpoŝarowej i ochrony środowiska 722[02].O1.02 Posługiwanie się dokumentacją techniczną 722[02].O1.03 Wykonywanie rysunków części maszyn z wykorzystaniem programu CAD 722[02].O1.04 Wykonywanie pomiarów warsztatowych 722[02].O1.05 Dobieranie materiałów konstrukcyjnych, narzędziowych i eksploatacyjnych 722[02].O1.06 RozróŜnianie cech charakterystycznych obróbki cieplnej, cieplnochemicznej, plastycznej i odlewnictwa 722[02].O1.07 Rozpoznawanie części maszyn, mechanizmów i urządzeń transportu wewnątrzzakładowego Schemat układu jednostek modułowych 4

8 2. WYMAGANIA WSTĘPNE Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć: stosować układy SI, przeliczać jednostki, posługiwać się pojęciami z zakresu fizyki, chemii, materiałoznawstwa oraz metalurgii procesów, korzystać z róŝnych źródeł informacji, uŝytkować komputer, współpracować w grupie. 5

9 3. CELE KSZTAŁCENIA W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć: zinterpretować podstawowe prawa i zjawiska fizyczne wykorzystywane w procesach obróbki cieplnochemicznej, odlewania i obróbki plastycznej, wyjaśnić procesy obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej, scharakteryzować hartowanie, scharakteryzować odpuszczanie, scharakteryzować wyŝarzanie, scharakteryzować obróbkę cieplno-chemiczną, sklasyfikować metody odlewania, scharakteryzować proces wykonywania części maszyn metodami odlewania, sklasyfikować obróbkę plastyczną metali, scharakteryzować proces wykonywania części maszyn za pomocą obróbki plastycznej, określić wady i zalety wykonywania części maszyn metodami odlewania i za pomocą obróbki plastycznej, posłuŝyć się Polskimi Normami, dokumentacją technologiczną oraz katalogami, zastosować zasady bezpieczeństwa pracy oraz ochrony przeciwpoŝarowej. 6

10 4. MATERIAŁ NAUCZANIA 4.1. Podstawy obróbki cieplnej Materiał nauczania We współczesnej technice istnieje wymóg zmniejszania cięŝaru i objętości (materiałochłonności) wyrobów przemysłowych przy zachowaniu lub zwiększaniu ich efektów technicznych. Powstały przesłanki do poszukiwania nowych tworzyw konstrukcyjnych o wymaganych właściwościach, a takŝe nadawania im takich właściwości w procesach produkcyjnych. Jednym z takich procesów produkcyjnych jest obróbka cieplna, która jest zabiegiem lub połączeniem zabiegów cieplnych, pod wpływem, których zmienia się w stanie stałym struktura stopów, a tym samym ich właściwości mechaniczne, fizyczne i chemiczne. Obrabiać cieplnie moŝna przedmioty wykonane ze stopów Ŝelaza, ze stopów metali nieŝelaznych, a takŝe z czystych metali. Obróbka cieplna jest najczęściej jedną z końcowych operacji procesu technologicznego gotowego wyrobu. Niekiedy obróbkę cieplną stosuje się w celu ułatwienia obróbki plastycznej lub skrawaniem i wtedy występuje ona odpowiednio wcześniej. Istotę obróbki cieplnej stali stanowią zmiany struktury zachodzące podczas zabiegów cieplnych, a które zaleŝne są od temperatury i czasu trwania zabiegów. W ich wyniku następuje zmiana budowy wewnętrznej materiału (bez celowej zmiany jego składu chemicznego), następstwem, której jest zmiana właściwości mechanicznych. Przez zabieg cieplny rozumiemy cykl zmian temperatury rozpoczynający się i kończący w temperaturze otoczenia. Składa się on z trzech etapów: nagrzewania, wygrzewania i chłodzenia. Zabiegi cieplne mogą się róŝnić między sobą szybkością nagrzewania i chłodzenia oraz wysokością temperatury i czasem wygrzewania. Obróbka cieplna polega na nagrzewaniu materiału do odpowiedniej temperatury, wygrzewaniu go w tej temperaturze przez określony czas a następnie jego chłodzeniu z odpowiednią szybkością. Taki obraz procesu obróbki cieplnej moŝna przedstawić na wykresie we współrzędnych temperatura czas (rys. 1). Rys. 1. Wykres zmian temperatury w procesie obróbki cieplnej [8]. Zabiegi, podczas których niezaleŝnie od wysokości temperatury wygrzewania kończą się powolnym chłodzeniem, nazywa się wyŝarzaniem. Zabiegi, które kończą się szybkim chłodzeniem (oziębianiem) nazywa się hartowaniem, jeŝeli uprzednio wskutek nagrzewania występował w stali austenit. W czasie wygrzewania wyrównuje się temperatura w objętości całego przedmiotu i zachodzą określone przemiany fazowe lub strukturalne. Często proces nagrzewania i wygrzewania określa się jednym pojęciem grzanie. 7

11 Grzanie moŝe być przeprowadzane w sposób ciągły lub stopniowy. Nie zawsze jest wymagane grzanie całego przedmiotu, często obrabiamy cieplnie tylko jakiś fragment przedmiotu lub nawet tylko określoną powierzchnię. Będziemy więc wyróŝniać grzanie całkowite, częściowe i powierzchniowe. Poprawny proces grzania powinien być szybki, ale równocześnie powinien zapewniać równomierność grzania by nie spowodować uszkodzenia grzanego przedmiotu. Do grzania przedmiotów stosuje się róŝnego typu piece ogrzewane prądem elektrycznym, gazem, rzadziej ropą. Niektóre piece, np. muflowe, mają tzw. atmosferę ochronną zabezpieczającą powierzchnię grzanego przedmiotu przed niekorzystnymi zmianami (utlenianie, odwęglanie). Na rys. 2 podano przykłady pieców do nagrzewania. Od rodzaju i typu pieca zaleŝy szybkość i równomierność nagrzewania. Największą szybkość nagrzewania i jednocześnie największą równomierność grzania moŝna zapewnić stosując piece kąpielowe z kąpielą solną lub metalową. Do najnowszych rozwiązań naleŝą piece próŝniowe. Najczęściej stosuje się je do hartowania i wyŝarzania. Przedmioty obrabiane w piecach próŝniowych mniej się odkształcają w porównaniu z tradycyjnymi sposobami obróbki. Powierzchnia przedmiotu jest całkowicie zabezpieczona przed utlenianiem, odwęglaniem i innymi niepoŝądanymi zjawiskami. Unika się kłopotliwego czyszczenia przedmiotu. Rys. 2. Schematy pieców do nagrzewania: a) z wysuwanym trzonem, b) kąpielowego [8]. Chłodzenie polega na obniŝaniu temperatury obrabianych cieplnie przedmiotów od temperatury wygrzewania do temperatury otoczenia (najczęściej). Chłodzenie do temperatury niŝszej, więc poniŝej 0 C, nazywa się wymraŝaniem. Przy szybkim obniŝaniu temperatury mówimy, Ŝe przedmiot jest oziębiany, przy powolnym, naturalnym studzony. Chłodzenie moŝe być przeprowadzane jako ciągłe, przerywane i stopniowe. Chłodzenie ciągłe przeprowadza się w jednym ośrodku chłodzącym, np. w powietrzu lub w kąpieli, i jest najprostszym i najczęściej stosowanym sposobem chodzenia. Chłodzenie przerywane polega na obniŝaniu temperatury do pewnej wartości pośredniej; po jej osiągnięciu przedmiot przenosi się do innego ośrodka o innej prędkości chłodzenia. Chłodzenie stopniowe polega na obniŝaniu temperatury do wartości pośredniej i przetrzymywaniu w tej temperaturze przez pewien czas wystarczający do wyrównania temperatury w przedmiocie lub zajścia określonych przemian. Ośrodkami chłodzącymi mogą być gazy (powietrze atmosferyczne), ciecze tzw. kąpiele hartownicze (woda, oleje, kąpiele solne, ołowiowe) i ciała stałe (płyty miedziane, stalowe). Przy chłodzeniu ( równieŝ nagrzewaniu) jest poŝądana równomierna zmiana temperatury w całej chłodzonej masie materiału, poniewaŝ zbyt duŝa róŝnica temperatur moŝe wywołać napręŝenia osłabiające a w skrajnym przypadku mogą spowodować nawet jego zniszczenie. Wartość temperatury, czas wygrzewania i szybkość chłodzenia zaleŝą od rodzaju obróbki cieplnej i od materiału. JeŜeli dla danego materiału będziemy zmieniać te parametry (temperaturę, czas, szybkość), to skutki obróbki będą róŝne. RozróŜnia się trzy podstawowe rodzaje obróbki cieplnej: wyŝarzanie, hartowanie i przesycanie. Aby zrozumieć ich istotę, zapoznamy się z przemianami, jakie zachodzą w stali w czasie ogrzewania i chłodzenia. 8

12 Przemiany w stali podczas grzania Właściwości stali zaleŝą od jej składu chemicznego i charakteru budowy. W celu zrozumienia przemian, jakie następują w stalach podczas obróbki cieplnej, naleŝy przeanalizować wykres równowagi faz stopów Ŝelazo-węgiel. Na rys. 3 pokazano część wykresu Ŝelazo-cementyt; obejmuje on stale w zakresie przemian w stanie stałym. Na podstawie tego wykresu moŝna określić zmiany, jakie zachodzą w stalach w stanie stałym podczas powolnego nagrzewania oraz ich strukturę. śelazo będące podstawowym składnikiem stopu moŝe występować w dwóch odmianach alotropowych: Ŝelazo α (Fe α ), jest trwała do temperatury 910 o C (punkt G), Ŝelazo γ(fe γ ) występujące powyŝej tej temperatury trwałe do temperatury 1401 o C. Zarówno w Ŝelazie α, jak i γ rozpuszcza się w stanie stałym węgiel. Roztwór stały węgla w Ŝelazie α nazywa się ferrytem, a roztwór stały węgla w Ŝelazie γ austenitem. Temperatura powstawania austenitu zaleŝy od zawartości węgla i jest określona na wykresie linią GSE(A 3, A cm ), a jej najniŝsza wartość 723 o C występuje przy zawartości węgla 0,80 % C. Węgiel, który nie wchodzi do roztworu tworzy cementyt ( węglik Ŝelaza Fe 3 C), który jest bardzo twardy, ale kruchy. Punkt S zwany eutektoidalnym, dzieli stale pod względem budowy na stale o zawartości węgla poniŝej 0,80% (podeutektoidalne) i stale o zawartości węgla powyŝej 0,80% (nadetektoidalne). Stale o małej zawartości węgla mają strukturę, w skład, której wchodzi ferryt i perlit (mieszanina eutektoidalna ferrytu i cementytu), natomiast stale nadetektoidalne wykazują w strukturze obecność duŝej ilości perlitu oraz cementytu. Rys. 3. Cześć układu równowagi Ŝelazo-cementyt [9]. W uproszczeniu moŝna przyjąć, Ŝe ogrzewanie do temperatury 723 C (linia A 1 ) nie powoduje zmian w budowie wewnętrznej stali. Po przekroczeniu temperatury 723 C. następuje powolna przemiana perlitu w austenit. Przy dalszym podwyŝszeniu temperatury w stalach podeutektoidalnych ( zawiera < 0,8% węgla) w austenicie rozpuszcza się ferryt, a w stalach nadeutektoidalnych (zawierających >0,8% węgla) cementyt. PowyŜej linii A 3, dla stali podeutektoidalnych i powyŝej linii A cm dla stali nadeutektoidalnych istnieje tylko 9

13 austenit. Opisane przemiany zachodzą dość wolno. Właśnie w celu zapewnienia czasu wystarczającego dla pełnego zajścia odpowiedniej przemiany stosuje się wygrzewanie Poza przemianami fazowymi i strukturalnymi obróbka cieplna moŝe spowodować zmianę wielkości ziarn. Z zasady poŝądana jest budowa drobnoziarnista, gdyŝ zapewnia ona wyŝszą udarność stali. Podczas przemiany perlitu w austenit zawsze, niezaleŝnie od wielkości ziaren perlitu, powstają drobne ziarna austenitu. Dalsze podwyŝszanie temperatury sprzyja zanikaniu granic pomiędzy niektórymi ziarnami, następuje rozrost ziaren. Skłonność do rozrostu ziaren zaleŝy od składu chemicznego stali. W stalach zwanych gruboziarnistymi rozrost ziaren następuje prawie zaraz po przekroczeniu temperatury A 1, w stalach zwanych drobnoziarnistymi drobne ziarna utrzymują się do pewnej temperatury często znacznie wyŝszej od temperatury przemiany A 1 dopiero po jej osiągnięciu następuje gwałtowny rozrost ziaren. Rys. 4. Schemat zmiany wielkości ziarna podczas nagrzewania i chłodzenia stali eutektoidalnej [6]. Przemiana odwrotna austenitu w perlit, a więc zachodząca podczas chłodzenia, nie powoduje zmiany wielkości ziarna. Z drobnoziarnistego austenitu otrzymujemy po przemianie drobnoziarnisty perlit, z gruboziarnistego austenitu gruboziarnisty perlit (rys. 4). Przemiany w stali podczas chłodzenia Jak pamiętamy podczas chłodzenia, po wydzieleniu się z austenitu ferrytu (poczynając od przemiany A 3, dla stali podeutektoidalnych) lub cementytu (poczynając od przemiany A cm dla stali nadeutektoidalnych) z pozostałego austenitu zawierającego 0,8% C w stałej temperaturze przemiany A 1 następuje wykrystalizowanie mieszaniny płytek cementytu i ferrytu powstaje perlit. Wykrystalizowanie płytek cementytu wymaga znacznych przesunięć atomów, a więc konieczny jest odpowiedni czas dla ich uformowania. Związek pomiędzy czasem, temperaturą i charakterem przemiany przedstawia się na wykresach zwanych wykresami CTP lub teŝ ze względu na kształt krzywych wykresami C (rys. 5). Na tych wykresach krzywa oznaczana symbolem p określa początek przemiany austenitu w perlit, krzywa oznaczana symbolem k określa koniec tej przemiany. Naniesione na ten wykres linie oznaczone symbolem u określają róŝne szybkości chłodzenia Opisana poprzednio przemiana austenitu na perlit płytkowy zachodzi przy powolnym chłodzeniu, oznaczonym na wykresie symbolem u 1 Przy większych szybkościach chłodzenia (v 2 ) cementyt nie zdąŝy uformować się w postaci wyraźnych płytek i krystalizuje się w postaci drobnych ziarn powstaje struktura zwana perlitem drobnym. Chłodząc z szybkością u 3 otrzymujemy bardzo drobny cementyt, wykrywalny dopiero przy obserwacji zgładu pod mikroskopem elektronowym. Taką strukturę, złoŝoną z bardzo drobnego cementytu i ferrytu, nazywa się bainitem górnym. Przy sposobie chłodzenia określonym linią v 4, otrzymuje się charakterystyczne igły widoczne pod mikroskopem metalograficznym. Igły 10

14 te składają się z bardzo drobnych płytek cementytu i ferrytu. Strukturę taką nazywa się bainitem dolnym. Wszystkie struktury otrzymane po tych przemianach, a wiec struktura perlitu i struktura bainitu, składają się z dwóch faz: cementytu i ferrytu. Przemiana austenitu na perlit jest przemianą dyfuzyjną. (dyfuzja proces rozprzestrzeniania się cząsteczek w gazie, cieczy lub ciałach stałych pod wpływem róŝnicy ciśnień parcjalnych). Im większe przechłodzenie, tym wolniej przebiega dyfuzja. Przy szybkości chłodzenia większej od szybkości krytycznej (v 5 = v kr ) przemiana dyfuzyjna nie zdąŝy zajść. Natomiast w pewnej bardzo niskiej temperaturze zachodzi zupełnie inna, bezdyfuzyjna przemiana austenitu na strukturę jednofazową, zwaną martenzytem. Początek tej przemiany określa na wykresie linia M s. Martenzyt jest silnie przesyconym roztworem węgla w Ŝelazie α (Fe α ). Objętość martenzytu jest większa niŝ objętość austenitu. Powoduje to powstanie w materiale napręŝeń ściskających i przyczynia się do zahamowania przemiany austenitu na martenzyt. Pozostały austenit nazywa się austenitem szczątkowym; moŝna zmniejszyć jego ilość przez dalsze obniŝenie temperatury. Rys. 5. Wykres przemian przechłodzonego austenitu [1]. Na połoŝenie krzywych C i linii M s i M f zasadniczy wpływ ma zawartość węgla i udział pierwiastków stopowych. Przy małej zawartości węgla trwałość austenitu jest bardzo mała, początek przemiany austenitu na perlit zachodzi po bardzo krótkim czasie. Krytyczna szybkość chłodzenia (najmniejsza szybkość chłodzenia, przy której z austenitu o danej zawartości węgla powstaje martenzyt) jest bardzo duŝa. W stalach o zawartości poniŝej 0,2% C praktycznie stosowane sposoby chłodzenia nie zapewniają osiągnięcia prędkości krytycznej koniecznej dla uzyskania struktury martenzytycznej. Dlatego stali tych nie hartuje się. Wzrost zawartości węgla, a takŝe dodanie do stali takich pierwiastków, jak nikiel, chrom, wolfram i molibden powodują opóźnienie początku przemiany austenitu na perlit i zmniejszenie krytycznej szybkości chłodzenia Pytania sprawdzające Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Co stanowi istotę obróbki cieplnej? 2. Jakie przemiany zachodzą w stali podczas nagrzewania i wygrzewania? 3. Jak się zmienia wielkość ziarna podczas nagrzewania stali eutektoidalnej? 4. Jakie zmiany struktury zachodzą w stali podczas chłodzenia? 5. Jaki wpływ na strukturę stali ma szybkość chłodzenia podczas obróbki cieplnej? 11

15 Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Wyznacz temperaturę przemiany austenitycznej dla stali niestopowej 15(C15), 25 (C25), 45 (C45), na podstawie wykresu Fe-C. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) zidentyfikować stal niestopową 15(C15), 25 (C25), 45 (C45), 2) zidentyfikować zachodzące przemiany podczas nagrzewania stali i jej wygrzewania, 3) wyznaczyć temperaturę przemiany austenitycznej na podstawie wykresu Fe-C, 4) zaprezentować wykonane ćwiczenie, 5) dokonać oceny, 6) zapisać wyniki przeprowadzonego ćwiczenia. WyposaŜenie stanowiska pracy: wykres Fe-C, PN, literatura, filmy dydaktyczne, foliogramy. Ćwiczenie 2 Wyznacz przemiany strukturalne zachodzące podczas nagrzewania, wygrzewania i chłodzenia dla stali podeutektoidalnej, etektoidalnej i nadetektoidalnej. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) zidentyfikować stal podeutektoidalną, etektoidalną i nadetektoidalną na wykresie Fe-C, 2) określić przemiany zachodzące podczas nagrzewania stali i jej wygrzewania oraz podczas chłodzenia, 3) wyznaczyć temperaturę przemiany na podstawie wykresu Fe-C, 4) zaprezentować wykonane ćwiczenie, 5) dokonać oceny, 6) zapisać wyniki przeprowadzonego ćwiczenia. WyposaŜenie stanowiska pracy: wykre Fe-C, PN, literatura, foliogramy. 12

16 Sprawdzian postępów Czy potrafisz: 1) wyjaśnić istotę obróbki cieplnej? 2) rozróŝnić przemiany strukturalne zachodzące w stali podczas nagrzewania i wygrzewania? 3) wyjaśnić, jakie zmiany strukturalne zachodzą w stali podczas chłodzenia? 4) scharakteryzować zabiegi stosowane w obróbce cieplnej? 5) rozróŝnić materiały, które moŝna poddawać obróbce cieplnej? Tak Nie 13

17 4.2. Wykonywanie obróbki cieplnej Materiał nauczania WyŜarzanie WyŜarzanie polega na nagrzaniu stopu do określonej temperatury (rys. 6), wygrzewaniu w tej temperaturze i powolnym chłodzeniu (studzeniu). Fazy otrzymane po tej obróbce są zgodne ze stanem równowagi stopu. RozróŜnia się następujące rodzaje wyŝarzania: ujednorodniające, normalizujące, zupełne, zmiękczające, odpręŝające, rekrystalizujące i odpuszczające (wyŝarzanie odpuszczające, zwane odpuszczaniem, stosuje się po hartowaniu). Rys. 6. Zakresy temperatur wyŝarzania i hartowania stali [5]. WyŜarzanie ujednorodniające (homogenizowanie) powoduje usunięcie niejednorodności chemicznej ziaren roztworu stałego i częściowo faz wydzielonych na granicach ziarn. Stosowane jest do wyŝarzania wlewków i odlewów staliwnych. WyŜarzanie normalizujące (normalizowanie) stosuje się w celu uzyskania równomiernej i rozdrobnionej struktury. Polega na nagrzaniu stali do temperatury o C powyŝej A 1 lub A cm (w zaleŝności od tego, czy stal jest podeutektoidalna, czy nadeutektoidalna), wygrzewaniu w tej temperaturze przez czas niezbędny do stworzenia struktury austenitycznej i następnie chłodzeniu w spokojnym powietrzu. Normalizowanie polepsza właściwości mechaniczne stali, bywa teŝ stosowane jako obróbka przygotowująca do hartowania czy do ratowania stali przegrzanych. WyŜarzanie zupełne jest właściwie odmianą wyŝarzania normalizującego, róŝni się od niego tylko powolniejszym chłodzeniem, początkowo razem z piecem, a następnie w spokojnym powietrzu. Po wyŝarzaniu zupełnym stal odznacza się dobrą ciągliwością, małą twardością i dobrą obrabialnością. WyŜarzanie zmiękczające (sferoidyzujące) polega na wygrzewaniu stali w temperaturze C. PowyŜej A 1 i chłodzeniu z przetrzymaniem w stałej temperaturze nieco poniŝej A 1 lub (częściej) na wahadłowym podgrzewaniu do temperatury powyŝej A 1 i studzeniu do temperatury poniŝej A 1 (od 680 C do 740 C). Następuje przerywanie siatki cementytu i formowanie tzw. cementytu kulkowego występującego na tle ferrytu. Taki proces nazywa się sferoidyzacją. Powoduje ona obniŝenie twardości, zwiększenie elastyczności i poprawę obrabialności stali. 14

18 WyŜarzanie odpręŝające ma na celu zmniejszenie napręŝeń własnych powstających w czasie odlewania, kucia, spawania, obróbki plastycznej na zimno czy nawet podczas zgrubnego skrawania. W czasie tej obróbki temperatura wygrzewania stali powinna być niŝsza od temperatury rekrystalizacji, w której mogłyby zachodzić przemiany fazowe lub strukturalne. Chłodzenie powinno być powolne, przewaŝnie wraz z piecem. WyŜarzanie rekrystalizujące stosuje się w celu usunięcia skutków zgniotu wywołanego obróbką plastyczną na zimno. Wymaga nagrzania do temperatury wyŝszej od temperatury rekrystalizacji. Hartowanie Hartowanie polega na nagrzaniu stali o o CpowyŜej temperatury przemiany A 1 lub A 1,3 (rys. 6), wygrzaniu w tej temperaturze aŝ do otrzymania struktury austenitycznej (w stalach podeutektoidalnych) lub austenityczno-cementytowej (w stalach nadeutektoidalnych), a następnie na oziębianiu z szybkością najczęściej większą od szybkości krytycznej. Celem tej obróbki cieplnej jest uzyskanie bardzo twardej struktury martenzytycznej. Twardość martenzytu w zaleŝności od zawartości węgla wynosi HRC. Stosowane są równieŝ odmiany hartowania dające struktury bainityczne, na przykład hartowanie z przemianą izotermiczną. W zaleŝności od sposobu chłodzenia rozróŝnia się hartowanie zwykłe, przerywane, stopniowe i z przemianą izotermtczną (izotermiczne). Dla oziębiania stali niestopowych o zawartości 0,45 65% C odznaczających się bardzo duŝą szybkością krytyczną, stosuje się wodę. Stale o większej zawartości węgla z dodatkiem na przykład chromu, niklu, wolframu moŝna chłodzić w oleju lub nawet w strumieniu spręŝonego powietrza. Szybkość chłodzenia w hartowanym przedmiocie jest największa na powierzchni i maleje w kierunku rdzenia. Przy odpowiednio duŝych przekrojach materiał jest zahartowany tylko do pewnej głębokości, dalej w głąb tworzą się w kolejności struktury bainityczne i perlityczne. Zdolność do hartowania w głąb nazywa się hartownością. W zaleŝności od moŝliwej do uzyskania grubości warstwy zahartowanej rozróŝnia się stale głęboko i płytko hartujące się. Hartowność stali znacznie podwyŝszają chrom i nikiel. W wielu przypadkach celem obróbki cieplnej jest uzyskanie tylko twardej odpornej na ścieranie powierzchni przy zachowaniu w miarę ciągliwego rdzenia. Stosuje się wtedy hartowanie powierzchniowe. Polega ono na bardzo szybkim nagrzaniu warstwy powierzchniowej i szybkim chłodzeniu jej w wodzie lub powietrzu tak, Ŝe hartuje się tylko ta warstwa materiału, która osiągnęła temperaturę hartowania. W zaleŝności od sposobu nagrzewania warstwy wierzchniej rozróŝnia się hartowanie powierzchniowe: płomieniowe z nagrzewaniem warstwy wierzchniej od płomienia gazu (rys. 7a), indukcyjne z nagrzewaniem warstwy wierzchniej za pomocą szybkozmiennych prądów indukcyjnych (rys. 7b), kąpielowe z nagrzewaniem warstwy wierzchniej przez zanurzenie w nagrzanej do odpowiedniej temperatury kąpieli solnej lub metalowej. Głębokość warstwy zahartowanej po hartowaniu powierzchniowym zwykle wynosi 0,4 2 mm. 15

19 Rys. 7. Hartowanie: a) płomieniowe, b) indukcyjne, 1) przedmiot hartowany, 2) warstwa nagrzewana. 3) warstwa zahartowana, 4) palnik, 5) wzbudnik, 6) urządzenie do chłodzenia [8]. Odpuszczanie Odpuszczanie stosuje się do przedmiotów uprzednio zahartowanych. Polega ono na nagrzaniu (rys. 7) zahartowanej stali do temperatury poniŝej przemiany A 1, wygrzaniu w tej temperaturze i schłodzeniu (najczęściej z dowolną szybkością). Stal o strukturze martenzytycznej jest bardzo twarda, ale teŝ krucha i mało plastyczna. Ponadto hartowanie powoduje powstanie często bardzo znacznych napręŝeń wewnętrznych. Celem odpuszczania jest właśnie złagodzenie tych negatywnych skutków hartowania kosztem niezbyt duŝego obniŝenia twardości. RozróŜnia się odpuszczanie: niskie, przeprowadza się je w zakresie temperatur o C w celu usunięcia napręŝeń hartowniczych, przy zachowaniu wysokiej twardości i wytrzymałości. Wskutek podgrzania stali następuje zamiana austenitu szczątkowego na martenzyt, który równocześnie zamienia się na martenzyt regularny, zwany teŝ martenzytem odpuszczania, średnie, prowadzi się je w zakresie temperatur C co pozwala na utrzymanie dość wysokiej granicy spręŝystości i twardości materiału przy dostatecznej plastyczności. Następuje zamiana struktury martenzytycznej na bardzo drobną strukturę perlityczną, wysokie, przeprowadza się je w temperaturze wyŝszej od 500 C, ale niŝszej od temperatury przemiany A 1. Wytworzony w tym zakresie temperatur perlit składa się z bardzo drobnego cementytu kulkowego i ferrytu. Odpuszczanie wysokie powoduje wzrost ciągliwości i udarności materiału przy dostatecznie duŝej wytrzymałości. Odpuszczanie wysokie prowadzi do znacznego zmniejszenia twardości warstwy wierzchniej i nieznacznego w głębi materiału, w efekcie występuje wyrównanie twardości w całym przekroju. Stale po wysokim odpuszczaniu odznaczają się korzystnym zestawieniem właściwości wytrzymałościowych i plastycznych. Hartowanie w połączeniu z odpuszczaniem wysokim lub średnim nazywa się często ulepszaniem cieplnym. Przesycanie stali Często roztwory stałe występujące w stopach metali przy obniŝaniu ich temperatury wykazują zmniejszenie zdolności do rozpuszczania jednego składnika w drugim. Na przykład Ŝelazo α maksymalną ilość atomów węgla moŝe przyjąć do swojej sieci w temperaturze 723 C. Ta graniczna rozpuszczalność wynosi 0,02%. Z wykresu równowagi Ŝelazo-cementyt wynika, Ŝe przy chłodzeniu (powolnym) ferryt będzie uboŝał w węgiel, będzie się wydzielać nowa faza kryształy cementytu trzeciorzędowego. JeŜeli zastosujemy chłodzenie o duŝej szybkości, to węgiel nie zdąŝy wykrystalizować się w postaci cementytu i pozostanie w sieci Ŝelaza α. Powiemy, Ŝe powstał roztwór przesycony. Fazowo jest on niezgodny z fazami istniejącymi w stanie równowagi w temperaturze otoczenia, zgodny jest natomiast z fazami istniejącymi w temperaturze wygrzewania. Istotą przesycania jest więc uzyskanie w temperaturze otoczenia struktury odpowiadającej fazowo temperaturze odpowiednio wyŝszej. W tym celu stop nagrzewa się powyŝej temperatury określonej krzywą granicznej 16

20 rozpuszczalności, wygrzewa w tej temperaturze i następnie szybko schładza. Przesycanie stali niskowęglowych zabezpiecza przed wydzieleniem na granicach ziarn ferrytu siatki kruchego cementytu. Dzięki temu obróbka ta znacznie podwyŝsza właściwości plastyczne stali i znajduje zastosowanie do blach przeznaczonych do głębokiego tłoczenia. Przesycanie stosuje się równieŝ do stali kwasoodpornych (stale o strukturze austenitycznej), a takŝe do stopów aluminium i niektórych stopów miedzi. Wady obróbki cieplnej Do najczęściej spotykanych wad przedmiotów obrobionych cieplnie moŝna zaliczyć: miękkie plamy, stanowiące na powierzchni przedmiotu miejsca o znacznie obniŝonej twardości, odwęglanie, polegające na zmniejszeniu zawartości węgla w przypowierzchniowej warstwie przedmiotu, powodowanym chemicznym działaniem ośrodka, przegrzanie, którego skutkiem jest nadmierny rozrost ziarn materiału przedmiotu, powodowany zbyt wysoką temperaturą lub zbyt długim czasem grzania, przepalanie, przejawiające się znacznym przegrzaniem oraz nieodwracalnymi zmianami na granicach ziarn, przewęglenie, polegające na nadmiernym nasyceniu węglem warstwy przypowierzchniowej przedmiotu, utlenianie wewnętrzne, polegające na utlenianiu się warstwy przypowierzchniowej przedmiotu wzdłuŝ granic ziarn Pytania sprawdzające Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Na czym polega wyŝarzanie? 2. Jakie rozróŝniamy odmiany wyŝarzania? 3. Na czym polega hartowanie stali? 4. Na czym polega odpuszczanie? 5. Na czym polega przesycanie stali? 6. Jakie mogą wystąpić wady obróbki cieplnej? Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Ustal temperaturę wyŝarzania normalizującego dla stali 45 (C45), 40H(41Cr4), 18G2A (P460N). Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) ustalić temperaturę wyŝarzania dla określonej stali i rodzaju zabiegu na podstawie dostępnej literatury, 2) dokonać oceny, 3) zaprezentować wykonane ćwiczenie, 4) zapisać wyniki. 17

21 WyposaŜenie stanowiska pracy: wykres Fe-C, literatura. Ćwiczenie 2 Dobierz temperaturę hartowania i odpuszczania niskiego, środowisko chłodzące i sposób chłodzenia dla przedmiotu wykonanego ze stali 45 (C45). Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) dobrać temperaturę hartowania, 2) dobrać temperaturę odpuszczania niskiego, 3) określić sposoby chłodzenia przy hartowaniu w zaleŝności od kształtu i wielkości przedmiotu, 4) określić jak sprawdzić jakość wykonanego hartowania, 5) rozpoznać strukturę stali po hartowaniu i odpuszczaniu, 6) zaprezentować wykonane ćwiczenie, 7) zapisać wyniki przeprowadzonego ćwiczenia. WyposaŜenie stanowiska pracy: PN, filmy dydaktyczne, foliogramy, literatura Sprawdzian postępów Czy potrafisz: 1) wyjaśnić, na czym polega wyŝarzanie? 2) wyjaśnić, na czym polega hartowanie? 3) wyjaśnić, na czym polega odpuszczanie? 4) dobrać rodzaj wyŝarzanie? 5) dobrać temperaturę nagrzania do hartowania? 6) dobrać rodzaj odpuszczanie? 7) zastosować przepisy bhp, ppoŝ. i ochrony środowiska podczas obróbki cieplnej? Tak Nie 18

22 4.3. Wiadomości podstawowe o obróbce cieplno-chemicznej Materiał nauczania Obróbka cieplno-chemiczna polega na zmianie składu chemicznego warstwy wierzchniej materiału wskutek aktywnego oddziaływania środowiska na jego powierzchnie. Obok temperatury występuje tu nowy czynnik obróbki środowisko aktywne chemicznie. Podstawą obróbki cieplno-chemicznej jest zjawisko dyfuzji, której intensywność rośnie wraz ze wzrostem temperatury i czasu wygrzewania. Zjawisko dyfuzji polega na przenikaniu atomów ze środowiska, na przykład węgla, azotu lub innych pierwiastków w głąb obrabianego materiału. Do najwaŝniejszych rodzajów obróbki cieplno-chemicznej naleŝą: nawęglanie, azotowanie, cyjanowanie (łączne nasycanie powierzchni węglem i azotem). Stosuje się równieŝ nasycanie warstwy wierzchniej takimi pierwiastkami, jak: aluminium, krzem, chrom, bor i inne. Nawęglanie stosuje się do elementów maszyn, od których wymaga się twardej, odpornej na ścieranie powierzchni i ciągliwego rdzenia. Nawęglanie jest procesem polegającym na dyfuzyjnym nasycaniu warstwy wierzchniej stali węglem w celu nadania jej zdolności do hartowania. Nawęgla się stale o zawartości węgla nie przekraczającej 0,30% C. Sieć przestrzenna Ŝelaza α moŝe pomieścić tylko niewielkie ilości węgla. Znacznie więcej węgla moŝe przyjąć sieć Ŝelaza γ. Dlatego przy nawęglaniu stal podgrzewa się powyŝej przemiany A 3. Praktycznie, w zaleŝności od zawartości węgla w stali, przyjmuje się temperaturę nawęglania od 880 C do 940 C. Środowisko słuŝące do nawęglania nazywa się karboryzatorem i moŝe być stałe, ciekłe lub gazowe. Czas nagrzewania zaleŝy od temperatury wygrzewania, aktywności środowiska nawęglającego i wymaganej grubości warstwy nawęglania, którą przyjmuje się najczęściej od 0,5 do 2,5 mm. PodwyŜszanie temperatury, a takŝe wydłuŝanie czasu wygrzewania prowadzi do zwiększenia grubości warstwy nawęglanej, ale powoduje teŝ znaczny rozrost ziarn w całej objętości materiału. W celu stworzenia struktury drobnoziarnistej po nawęglaniu naleŝy stal normalizować. Po normalizowaniu przeprowadza się hartowanie. Temperatura hartowania powinna być większa od przemiany A 1,3 tj. około 750 o C. W celu odpręŝenia stali po hartowaniu stosuje się niskie odpuszczanie w temperaturze około 180 C. Zespół kolejno po sobie następujących operacji nawęglania, hartowania i odpuszczania jest nazywany węgloutwardzaniem cieplnym. Dla mało odpowiedzialnych elementów maszyn po nawęglaniu moŝna ograniczyć obróbkę cieplną do hartowania. NaleŜy zaznaczyć, Ŝe nawęglanie bez hartowania warstwy nawęglanej nie miałoby znaczenia praktycznego. Azotowanie polega na nasyceniu wierzchniej warstwy stali azotem. W podwyŝszonej temperaturze azot łatwo wiąŝe się z Ŝelazem tworząc roztwory stałe i związki chemiczne. W obecności takich dodatków stopowych jak aluminium, chrom i molibden tworzy z nimi odpowiednie azotki. Azotki te odznaczają się bardzo duŝą twardością, większą od twardości martenzytu. Proces azotowania znacznie utrudnia węgiel. Dlatego do azotowania nie nadają się stale wysokowęglowe. Praktycznie azotowanie stosuje się do stali stopowych, szczególnie do stali zawierających aluminium, gdyŝ aluminium tworzy z azotem najtwardsze azotki. Azotowanie przeprowadza się zazwyczaj po ulepszaniu cieplnym (po hartowaniu i odpuszczaniu) i po obrobieniu powierzchni na ostateczny wymiar. Przedmioty do azotowania umieszcza się w specjalnych piecach, przez które przepływa amoniak, i wygrzewa przez około 30 godzin w temperaturze C. Grubość warstewki nasyconej azotem przewaŝnie nie przekracza 0,8 mm. Azotowanie prawie nie wpływa na zmianę wymiarów. Powierzchnie azotowane odznaczają się duŝą odpornością na ścieranie i na korozję. 19

23 Cyjanowanie (węgloazotowanie kąpielowe) jest to proces nasycania warstwy wierzchniej węglem i azotem. W zaleŝności od temperatury obróbki intensywniejsze jest nawęglanie lub azotowanie. W temperaturze C zachodzi głównie nawęglanie i wobec tego warstwa nasycona wymaga hartowania. W temperaturze niŝszej ok. 500 C, dominuje azotowanie i warstwa cyjanowana nie wymaga hartowania. Po cyjanowaniu w wysokich temperaturach grubość warstwy dochodzi do 0,3 mm, w niskich temperaturach tylko do 0,04 mm. Cyjanowanie wymaga krótkiego czasu wygrzewania, przewaŝnie minut. Powierzchnie cyjanowane odznaczają się przewaŝnie bardzo duŝą twardością i odpornością na ścieranie. Obróbkę tę stosuje się głównie do narzędzi skrawających i części przyrządów pomiarowych. Najczęściej cyjanowanie przeprowadza się w ciekłych kąpielach stopionego cyjanku sodu NaCN lub cyjanku wapna Ca(CN) 2. Obecnie, stosuje się równieŝ węgloazotowanie w gazach zawierających węgiel i azot. Obróbka cieplna stopów metali nieŝelaznych Znaczne zmiany właściwości mechanicznych i innych uzyskuje się równieŝ po zastosowaniu obróbki cieplnej do stopów metali nieŝelaznych. Stopy aluminium z miedzią, a takŝe z manganem i krzemem, uzyskują wysokie właściwości wytrzymałościowe dopiero po obróbce cieplnej zwanej przesycaniem. Obróbka ta polega na podgrzewaniu stopu do temperatury, w której składnik stopowy w odpowiednio większym stopniu rozpuszcza się w aluminium, wygrzaniu w tej temperaturze, a następnie na szybkim oziębianiu w celu zatrzymania tego składnika w roztworze. Taki roztwór jest roztworem przesyconym. Przez pewien czas, rzędu kilku godzin, stop po przesycaniu wykazuje bardzo dobre właściwości plastyczne, przy nie zmienionych właściwościach wytrzymałościowych. Czas ten wykorzystuje się do prowadzenia obróbki plastycznej. W stopie przesyconym, a więc niezgodnym z warunkiem równowagi, występują tendencje do powrotu do stanu równowagi. Stop przygotowuje się do wydzielenia fazy przesycającej, koncentrując w pewnych miejscach sieci aluminium atomy składnika przesycającego. Częściowo moŝe nastąpić teŝ wydzielenie fazy przesycającej, ale o strukturze innej niŝ w stanie równowagi. Przemianom tym towarzyszy wzrost napręŝeń wewnętrznych, co w efekcie powoduje znaczny wzrost właściwości wytrzymałościowych. Procesy takie nazywa się starzeniem. Starzenie w temperaturze otoczenia przebiega samorzutnie i nazywa się starzeniem naturalnym. Proces starzenia przebiegający w podwyŝszonej temperaturze nazywa się starzeniem sztucznym. Po starzeniu stopy aluminium tracą dobre właściwości plastyczne, a zyskują znacznie lepsze właściwości wytrzymałościowe. Obróbkę cieplną polegającą na przesycaniu, a następnie starzeniu nazywa się utwardzaniem dyspersyjnym. Podgrzanie stopu w ciągu 2 3 minut do temperatury 200 C powoduje ponowne odzyskanie dobrych właściwości plastycznych i pogorszenie właściwości wytrzymałościowych. Zjawisko to nazywa się nawrotem. W 2 3 godziny po podgrzaniu stop znowu traci dobre właściwości plastyczne i zyskuje dobre właściwości wytrzymałościowe. Do stopów aluminium stosuje się równieŝ wyŝarzanie zmiękczające i rekrystalizujące. Stopy magnezu z aluminium, cynkiem i innymi pierwiastkami równieŝ obrabia się cieplnie. Najczęściej stosuje się wyŝarzanie zmiękczające, ujednorodniające oraz utwardzanie dyspersyjne. Zabiegi obróbki cieplnej stosuje się równieŝ do stopów miedzi. W celu zmniejszenia wytrzymałości i poprawienia właściwości plastycznych stopów stosuje się wyŝarzanie zmiękczające lub rekrystalizujące. Dla podwyŝszenia właściwości wytrzymałościowych niektóre stopy, np. brązy, berylowe, poddaje się utwardzaniu dyspersyjnemu, Do brązów aluminiowych (brązale) stosuje się hartowanie i odpuszczanie. 20

24 Aluminiowanie, zwane inaczej aliterowaniem lub kaloryzowaniem, polega na wprowadzeniu glinu do stali. Proces nasycania glinem odbywa się w mieszaninie sproszkowanego aluminium, tlenku aluminium i chlorku amonu w temperaturze około 900 C. Grubość warstwy wzbogaconej w glin zaleŝy od czasu trwania procesu. Po 24 godzinach osiąga się warstwę grubości 1 mm, zawierającą około 50% Al. Aluminiowaniu poddaje się przedmioty przeznaczone do pracy w podwyŝszonej temperaturze w atmosferze utleniającej. Utworzona na warstwie aluminium warstwa tlenków chroni metal podłoŝa przed dalszym utlenianiem. Wadą tych warstw jest ich kruchość. Bezpieczeństwo pracy przy obróbce cieplnej i cieplno-chemicznej W oddziałach obróbki cieplnej pracownikowi zagraŝa cały szereg szkodliwych dla zdrowia czynników fizycznych i chemicznych. PodwyŜszona temperatura w pomieszczeniach jest przyczyną zakłócenia w ustroju człowieka równowagi wodnej i solnej. RóŜnica tej temperatury z temperaturą zewnętrzną powoduje przyspieszoną wymianę powietrza i moŝe stać się przyczyną schorzeń dróg oddechowych i narządów ruchu. Promieniowanie świetlne i podczerwone stwarza zagroŝenie dla oczu. Cały szereg substancji chemicznych stosowanych lub powstających w procesie obróbki cieplnej moŝe stać się przyczyną powaŝnych zatruć. Zatruciem groŝą; tlenek węgla (czad), powstający jako niepełny produkt spalania, arkoleina (produkt rozkładu olejów organicznych), związki cyjanowe, kwas solny, ołów i wiele innych. Do organizmu człowieka substancje te przenikają właściwymi sobie drogami, a mianowicie przez układ oddechowy, pokarmowy, błonę śluzową, a takŝe przez skórę. Ze względu na niewielkie, ale systematycznie odbierane dawki substancji trujących objawy zatrucia mogą być przez długi okres niezauwaŝalne lub lekcewaŝone. Wysoka temperatura i cały szereg materiałów palnych stwarzają zagroŝenie poŝarowe, często teŝ istnieje niebezpieczeństwo wybuchu. Szczególnie silne zagroŝenie występuje przy piecach próŝniowych. Przedostanie się do komory pieca nawet niewielkich ilości oleju, wody lub powietrza moŝe spowodować wybuch. W celu zmniejszenia istniejącego zagroŝenia pracownicy oddziałów obróbki cieplnej muszą znać ogólne i szczegółowe przepisy bhp dotyczące obsługiwanych urządzeń oraz bezwzględnie ich przestrzegać, stosować środki ochrony osobistej Pytania sprawdzające Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Na czym polega nawęglanie? 2. W jakich środowiskach przeprowadza się nawęglanie? 3. W jakim celu stosujemy azotowanie? 4. Na czym polega cyjanowanie? 5. Na czym polega aluminiowanie? 6. Jakie zagroŝenia bhp występują przy obróbce cieplnej? 21

25 Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Zaplanuj procesu nawęglania wałka wykonanego ze stali stopowej 20 HG (20MnCr5) w środowisku stałym. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) zapoznać się z istotą procesu nawęglania, 2) ustalić temperaturę nawęglania, 3) określić kolejność zabiegów nawęglania, 4) dobrać skład środowiska nawęglającego, 5) ustalić obróbkę cieplną po nawęglaniu, 6) określić sposób sprawdzenia jakość wykonanego nawęglania, 7) stosować przepisy bhp podczas procesu obróbki cieplnej, 8) zaprezentować wykonane ćwiczenie, 9) zapisać wyniki. WyposaŜenie stanowiska pracy: PN, poradniki, foliogramy, filmy dydaktyczne, literatura. Ćwiczenie 2 Zaplanuj proces azotowania uzębienia koła zębatego. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) zapoznać się z zasadami wykonania azotowania, 2) dobrać stal nadającą się do azotowania, 3) przewidzieć zabiegi procesu azotowania określonego przedmiotu, 4) dobrać warunki wykonania azotowania, 5) zaprezentować wykonane ćwiczenie, 6) zapisać wyniki. WyposaŜenie stanowiska pracy: poradniki, filmy dydaktyczne, foliogramy Sprawdzian postępów Czy potrafisz: 1) wyjaśnić istotę nawęglania? 2) określić, w jakich środowiskach chemicznych następuje nawęglanie? 3) zaplanować proces nawęglania określonego przedmiotu? 4) wyjaśnić, na czym polega azotowanie? 5) wyjaśnić, na czym polega aluminiowanie? Tak Nie 22

26 4.4 Podstawy obróbki plastycznej Materiał nauczania Odkształcenia spręŝyste i plastyczne Wszystkie metale i stopy mają budowę krystaliczną. Rysunek 8 przedstawia schematycznie typową strukturę polikryształu złoŝoną z wielu monokryształów, to jest pojedynczych ziarn o róŝnych orientacjach osi i płaszczyzn sieci krystalicznych. Ziarna są oddzielone warstewkami zanieczyszczeń i wtrąceń niemetalicznych. Monokryształy mają róŝne defekty, przede wszystkim dyslokacje, których istnienie umoŝliwia obróbkę plastyczną (odkształcenie monokryształu o idealnie regularnej siatce wymaga ogromnych sił). Rys. 8. Schemat polikryształu [8]. Wywierając siłę na monokryształ, przy wzrastających napręŝeniach, powodujemy zmiany odległości atomów w siatce krystalicznej wiąŝe się z tym pewna zmiana (przyrost lub ubytek) objętości. Stan ten jest jednak nietrwały po usunięciu obciąŝenia odkształcenie to zwane odkształceniem spręŝystym, znika i monokryształ wraca do stanu początkowego. Jeśli napręŝenie w monokrysztale stanie się odpowiednio duŝe. wystąpi niezaleŝnie od odkształcenia spręŝystego odkształcenie plastyczne (to znaczy odkształcenie trwałe). Mechanizm tego odkształcenia moŝe być róŝny, ale zawsze polega ono na wzajemnym przemieszczaniu się całych warstw atomów. Najczęściej odkształcenie plastyczne jest wywołane poślizgiem. Odkształcenie plastyczne jest trwałe nie znika po usunięciu napręŝeń zewnętrznych. MoŜe być teŝ znacznie większe niŝ odkształcenie spręŝyste. Podczas odkształcenia plastycznego objętość materiału nie ulega zmianie fakt ten ma podstawowe znaczenie dla projektowania procesów obróbki plastycznej i ich oprzyrządowania. Jak juŝ stwierdziliśmy, defekty struktury krystalicznej umoŝliwiają praktyczną realizację obróbki plastycznej, czyli wystąpienie poślizgu przy stosunkowo niewielkim napręŝeniu Jednak w miarę wzrostu odkształcenia liczba dyslokacji rośnie, co powoduje z kolei utrudnienie dalszych przemieszczeń warstw atomów. Zjawisko to, ograniczające powaŝnie obróbkę plastyczną, nazywamy umocnieniem. Umocnienie powoduje wzrost twardości i polepszenie właściwości mechanicznych jednak przy znacznym zmniejszeniu plastyczności. Przechodząc do polikryształu stwierdzimy, Ŝe jego odkształcenie spręŝyste polega na niezaleŝnym, jednoczesnym odkształceniu spręŝystym wszystkich ziarn (monokryształów). Natomiast odkształcenie plastyczne polikryształu jest bardziej złoŝone, gdyŝ występują tu jednocześnie dwa zjawiska: odkształcenia plastyczne poszczególnych ziarn, przemieszczenie wzajemne ziarn. W rezultacie powstaje struktura ukierunkowana, z ziarnami wydłuŝonymi (rys. 9). Zjawisko to nazywamy zgniotem. Metal ze zgniotem charakteryzuje się duŝymi napręŝeniami wewnętrznymi. 23

27 Metal z duŝym zgniotem i silnie umocniony jest mało podatny na dalszą obróbkę plastyczną. MoŜna mu przywrócić pierwotne właściwości plastyczne przez ogrzanie do odpowiednio wysokiej temperatury; zajdą wówczas kolejno następujące zjawiska: nawrót (zdrowienie), polegający na częściowej odbudowie struktury i zmniejszeniu napręŝeń wewnętrznych, jednak bez istotnych zmian kształtu i wymiarów ziarn, rekrystalizacja, czyli całkowita odbudowa struktury, z likwidacją umocnienia i zgniotu (ziarna przybierają pierwotne wymiary). Rys. 9. Zgniot kolejne fazy [8]. Po rekrystalizacji i ostudzeniu metalu moŝna go powtórnie odkształcać plastycznie. Dla róŝnych gatunków stali temperatura rekrystalizacji wynosi orientacyjnie C; zaleŝy ona takŝe od zgniotu (im zgniot większy, tym temperatura rekrystalizacji niŝsza). Uwzględniając zjawisko rekrystalizacji moŝna odróŝnić dwa podstawowe sposoby obróbki plastycznej: obróbka na zimno, prowadzona poniŝej temperatury rekrystalizacji. Występuje umocnienie i zgniot, obróbka wymaga duŝych napręŝeń, a moŝliwości znacznych odkształceń są ograniczone. obróbka na gorąco, prowadzona powyŝej temperatury rekrystalizacji. Nie występuje zgniot ani umocnienie, do wywołania odkształceń nie są potrzebne duŝe napręŝenia. Odkształcenia mogą być dowolnie duŝe. Wybór właściwej temperatury obróbki plastycznej na gorąco jest bardzo waŝny. NaleŜy bowiem pamiętać, Ŝe metal stygnie szczególnie, gdy w trakcie obróbki występują dłuŝsze przerwy (na przykład przy kuciu). Aby więc w końcowej fazie obróbki zachodziła jeszcze rekrystalizacja, temperatura początkowa, w której prowadzimy przeróbkę plastyczną nie moŝe być niska. Nie moŝe ona równieŝ być zbyt wysoka, gdyŝ grozi wystąpieniem szkodliwego zjawiska powodującego nadmierny rozrost ziarn (skutek przegrzanie materiału). Przy jeszcze wyŝszej temperaturze (bliskiej topnienia) następuje przepalenie, czyli utlenienie ziarn na ich granicach. Materiał przepalony nadaje się jedynie do przetopu jako złom. RozróŜnia się podstawowe sposoby obróbki plastycznej: kucie, walcowanie, ciągnienie, tłoczenie. Kucie jest najstarszym sposobem obróbki plastycznej polega na plastycznym odkształceniu metalu przez zgniatanie naciskiem wywieranym uderzeniowo (kucie na młotach) lub statycznie (kucie na prasach lub walcach kuźniczych prasowanie, kucie walcami). W wyniku kucia otrzymujemy surówkę określonej części maszynowej zwaną odkuwką. Kucie najczęściej jest obróbką plastyczną na gorąco: znane są jednak liczne przykłady stosowania w przemyśle kucia na zimno. RozróŜniamy następujące odmiany kucia (rys. 10): kucie swobodne za pomocą kowadeł płaskich (rys.10 a), kucie swobodne za pomocą kowadeł kształtowych (rys. 10 b), kucie w matrycy otwartej (rys. 10 c), 24

28 kucie w matrycy zamkniętej (rys. 10 d), wyciskanie (rys. 10 e). Rys. 10. Odmiany kucia [8]. Kucie swobodne i matrycowe (a d) moŝe być wykonane na młocie lub na prasie, wyciskanie tylko na prasie. Wyciskanie jest nowoczesnym sposobem kucia, stosowanym w wielu branŝach do wydajnej produkcji dokładnych wyrobów. Przykład z rys. 10e przedstawia wyciskanie współbieŝne, podczas którego metal pod wpływem nacisku stempla uplastycznia się (na zimno) i wypływa przez kształtowy otwór. Kucie swobodne stosuje się w produkcji małoseryjnej oraz podczas napraw; jest to typowa obróbka na gorąco. Kucie swobodne niewielkich przedmiotów moŝna wykonywać ręcznie (za pomocą róŝnych młotów ręcznych i innych narzędzi kowalskich, na kowadle), co jest cięŝką pracą i występuje przewaŝnie w rzemiośle (takŝe artystycznym), a stosunkowo rzadko w przemysłowych pracach remontowych. W przemyśle kucie swobodne wykonuje się na młotach mechanicznych (części małe i średniej wielkości) lub na prasach hydraulicznych (przedmioty duŝe masy rzędu setek ton). Do kucia swobodnego oprócz młota przy kuciu ręcznym uŝywa się licznych narzędzi, jak: narzędzia umieszczane na kowadle (czasem z nim połączone), słuŝące do podparcia części kutej. Mogą to być podstawki półokrągłe do kucia wałków, trzpienie do kucia pierścieni, podstawki pierścieniowe do dziurawienia i wiele innych. Narzędzia przejmujące uderzenia młota i przekazujące je kutej części; są to na przykład siekiery kowalskie do odcinania, odsadzki róŝnych kształtów, trzpienie do dziurawienia. Narzędzia do manipulowania kutym przedmiotem przede wszystkim róŝne kleszcze kowalskie; do kucia lekkich części (do kilkunastu kilogramów) uŝywa się kleszczy ręcznych, a do przedmiotów cięŝkich kleszczy połączonych z róŝnymi urządzeniami dźwigowymi Ŝurawiami, suwnicami itp. Do kucia swobodnego cięŝkich przedmiotów stosuje się teŝ specjalne maszyny manipulatory, sterowane przez operatora zdalnie. Narzędzia do pomiaru odkuwki w czasie procesu kucia. Charakterystycznym sposobem ich uŝycia jest pomiar gorącej części. Podstawowym narzędziem są macki kowalskie, stosowane łącznie i przymiarem kreskowym, wystarczające dla dokładności osiąganych przy kuciu swobodnym, Macki ustawione na konkretny wymiar mogą być równieŝ uŝywane jako sprawdziany; co kilka lub kilkanaście uderzeń młota kontroluje się, czy kuty przedmiot juŝ ten wymiar osiągnął. Aby przyspieszyć sprawdzanie (co jest bardzo waŝne, bo kuty przedmiot stygnie), stosuje się macki wielokrotne, do kontroli wielu wymiarów. Rysunek 11 przedstawia narzędzia do kucia swobodnego. Kucie swobodne moŝe obejmować róŝne zabiegi: spęczanie (powiększanie przekroju poprzecznego), wydłuŝanie (zmniejszanie przekroju), dziurowanie, gięcie, skręcanie, cięcie i inne. ZaleŜnie od stopnia złoŝoności kutej części cały proces moŝe być wykonany po jednym nagrzaniu materiału lub z grzaniem miedzyoperacyjnym. Kwalifikowany kowal moŝe odkuć swobodnie nawet bardzo skomplikowane części. Przykład zabiegów kucia widełek przedstawiony jest na rys. 12, warto zwrócić uwagę na gięcie (d) i wydłuŝanie (c, d). 25

29 Kucie matrycowe stanowi podstawowy sposób kucia w przemyśle maszynowym, ogólnie wykonywany na gorąco, chociaŝ niektóre operacje mogą obejmować takŝe kucie na zimno (odcinanie wypływki, kalibrowanie). Matryce kuźnicze są zamocowane do poduszki bijaka młota bądź do stołu i suwaka prasy. Do mocowania matryc (rys. 13) wykorzystuje się ich zakończenia w postaci jaskółczych ogonów i komplet klinów. Najczęściej stosuje się matryce otwarte, z rowkiem na wypływkę. Rys. 11. Narzędzia do kucia swobodnego [3]. Przed kuciem w matrycy otwartej nie potrzeba dokładnie dobierać masy kutego materiału, gdyŝ jego nadmiar znajdzie się w wypływce. NaleŜy ją jednak na końcu procesu obciąć, co wymaga dodatkowego zabiegu lub nawet oddzielnej operacji. Kucie matrycowe skomplikowanej części wymaga wielu zabiegów, które moŝna wykonać dwoma sposobami: przez kucie w kilku operacjach, przez kucie w jednej, złoŝonej operacji z uŝyciem matrycy wielowykrojowej. Kucie matrycowe przeprowadza się na młotach albo prasach mechanicznych (śrubowych lub korbowych). Przy kuciu na młocie konieczna jest większa liczba uderzeń; oznaką zakończenia operacji jest wzajemne uderzenie o siebie płaszczyzn czołowych matryc z charakterystycznym metalicznym dźwiękiem. Kucie na prasie śrubowej ogranicza się do paru skoków prasy, a kucie na prasie korbowej odbywa się przy jednym ruchu suwaka. Kucie matrycowe na prasie korbowej jest więc najbardziej wydajne, lecz prasa taka jest bardzo kosztowna. Ponadto ten sposób kucia wymaga umiejętnego grzania materiału, aby powstawała minimalna zgorzelina, która przy tym rodzaju kucia nie odpryskuje od odkuwki, jak to się dzieje przy kuciu na młocie. 26

30 Rys. 12. Kolejne zabiegi kucia swobodnego widełek [8]. Rys. 13. Matryce kuźnicze zamocowane na młocie [8]. Rys. 14. Kucie matrycowe: a) jednowykrojowe z wypływką w matrycy otwartej, b) wielowykrojowe z wypływką w matrycy otwartej, e) w matrycy zamkniętej bez wypływki [3]. Młoty do kucia moŝemy podzielić na szabotowe i bezszabotowe, Do kucia swobodnego są uŝywane tylko młoty szabotowe: rys. 15 przedstawia młot szabotowy parowo-powietrzny do kucia swobodnego. Szabota l jest cięŝkim odlewem staliwnym lub Ŝeliwnym (czasem oddzielnie zafundamentowanym), na którym jest osadzona poduszka 2 z kowadłem dolnym 3. W prowadnicach korpusu 4 porusza się pionowo bijak 5 z górnym kowadłem 6. Do poruszania bijaka słuŝy cylinder 7 dwustronnego działania, który moŝe być zasilany parą lub spręŝonym powietrzem zaleŝnie od lokalnych moŝliwości. Tłok tego cylindra zarówno wznosi do góry bijak w czasie jego ruchu jałowego, jak i przyspiesza go w czasie ruchu roboczego. Operator młota do kucia swobodnego moŝe regulować w szerokim zakresie skok bijaka. częstość jego ruchów i siłę uderzeń. 27

31 Rys. 15. Młot szabotowy parowo-powietrzny: 1) szabota, 2) poduszka, 3) kowadło dolne, 6) kowadło górne, 7) cylinder [8]. Do kucia matrycowego mogą być równieŝ stosowane młoty parowo-powietrzne z tym, Ŝe w porównaniu z podobnymi młotami do kucia swobodnego mają one inaczej rozwiązaną szabotę oraz dokładniejsze prowadzenie bijaka. Do poduszki i bijaka są zamocowane zamiast kowadeł matryce, dolna i górna. Rys. 16. Maszyny do obróbki plastycznej: a) młot spręŝarkowy, b) prasa hydrauliczna (obcinanie wypływki):1) szabota, 2) bijak, 3) zawór, 4) tłok spręŝarki, 5) silnik, 6) korbowód, 7) stempel, 8) okrojnik, 9) suwak, 10) układ sterowania maszyny do obróbki plastycznej: a) młot spręŝarkowy, b) prasa hydrauliczna (obcinanie w y pływki) [9]. Do kucia matrycowego słuŝą równieŝ młoty bezszabotowe przeciwbieŝne, parowopowietrzne (rys. 17). Młot taki ma dwa bijaki o ruchach sprzęŝonych przez połączenie cięgnami. Brak tu szaboty, przez co młot jest łatwiejszy do zainstalowania niŝ młot szabotowy; nie jest teŝ źródłem silnych drgań przenoszących się na otoczenie. Mioty przeciwbieŝne są przeznaczone do kucia matrycowego duŝych części. Wielkość młota charakteryzują dwa parametry: masa bijaka (ściślej masa części ruchomych) w kilogramach lub energia uderzenia w kilodŝulach. Masa bijaka miotów spręŝarkowych wynosi od około 50 do 1000 kg; młotów parowo-powietrznych od ok. 500 kg do kg. KaŜdy młot moŝna scharakteryzować przez podanie energii jego uderzenia zaleŝnej nie tylko od masy bijaka, lecz równieŝ od jego prędkości. Energia ta wynosi od około J dla małych młotów spręŝarkowych do 500 KJ dla duŝych młotów przeciwbieŝnych. 28

32 Rys 17. Schemat młota przeciwbieŝnego [8]. Walcowanie Zasadą walcowania jest plastyczne kształtowanie metalu między obracającymi się napędzanymi walcami (rys. 18); zmienia się wówczas zarówno przekrój, jak i długość walcowanego materiału. Walcowanie jest głównie procesem hutniczym, mającym na celu otrzymanie kształtowników o róŝnym przekroju (rys. 18), drutu, blachy i taśmy oraz rur. Walcowanie jest zasadniczo obróbką na gorąco, ale w niektórych przypadkach (blachy karoseryjne) walcuje się takŝe na zimno (wykańczające). Współcześnie coraz częściej stosuje się walcowanie Rys. 18. Zasada walcowania i przykłady walcowanych kształtów [8]. Walcarka (rys. 19) zawiera korpus, zwany klatką walcowniczą, z odpowiednią liczbą narzędzi walców napędzanych przez silnik elektryczny za pośrednictwem przekładni z kołem zamachowym. Walce mogą być gładkie na przykład do walcownia blachy lub profilowe, tworzące kolejne kalibry (kształty przestrzeni pomiędzy walcami). Na rys. 20 widzimy przykład walców z trzema kalibrami utworzonymi przez współpracujące bruzdy (wytoczenia walca); słuŝą one do kolejnego w trzech przejściach walcowania dwuteownika. Walce są napędzane za pośrednictwem końcówki- rozety specjalnego kształtu Rys. 19. Schemat walcarki [8]. 29

33 Rys. 20. Przykład kalibrów walców [8]. Walcarki mogą mieć róŝne liczby i układy walców od najprostszego przypadku, gdy w klatce są tylko dwa walce (układ duo ), aŝ do bardzo złoŝonych układów z wieloma roboczymi i pomocniczymi walcami (rys. 21) Walcarka moŝe zawierać walce oporowe (o większej średnicy niŝ robocze), a takŝe dodatkowe walce pionowe do obróbki krawędzi walcowanej płyty. Walcarki mogą być jednokierunkowe, o pracy ciągłej, lub rewersyjne (ze zmianą kierunku ruchu obrotowego). Walcarka trio (rys. 26 b) słuŝy do walcowania ze zmianą kierunku przejścia materiału, jednak bez zmiany kierunku ruchu obrotowego walców. Rys. 21. Układy walców [8]. Największe walcarki przeznaczone do obróbki wlewków otrzymanych w stalowni, to walcarki -zgniatacze. Dopiero po tym wstępnym przeformowaniu wlewka na duŝe półwyroby (kęsiska, blachówki) moŝna przystąpić do właściwego walcowania róŝnych wyrobów hutniczych. Specjalnymi sposobami walcuje się rury. W pierwszym etapie, stosując specjalną walcarkę o skośnych walcach, otrzymuje się stosunkowo krótką, grubościenną tuleję, która następnie jest obrabiana na innych walcarkach. Tłoczenie Materiałem wyjściowym do tłoczenia jest blacha lub taśma (czasem drut lub rura). W czasie tłoczenia które najczęściej odbywa się na zimno odkształcenia plastyczne zachodzą praktycznie tylko w dwóch kierunkach, to znaczy. grubość materiału prawie nie zmienia się (poza pewnymi specjalnymi przypadkami tłoczenia z pocienianiem ścianek). Jeśli więc za pomocą tłoczenia otrzymamy z płaskiej blachy naczynie walcowe, to grubość jego ścianki lub denka będzie bardzo zbliŝona do grubości wyjściowego materiału. Znamy dwa zasadnicze sposoby tłoczenia, z których kaŝdy ma wiele odmian (rys. 22): cięcie (wykrawanie) (rys. 22 a), w czasie którego następuje oddzielenie materiału. Jeśli ciecie wykonuje się na prasie, za pomocą odpowiedniego przyrządu, nazywamy je wykrawaniem, kształtowanie w czasie którego następuje zmiana kształtu i wymiarów. Kształtowanie dzieli się na: 30

34 gięcie (rys. 22 b), polegające na odkształcaniu blachy wzdłuŝ linii prostych (cześć giętą moŝna dokładnie rozwinąć na płaszczyźnie), ciągnienie (rys. 22 c), którego istotą jest przeciąganie blachy za pomocą stempla przez otwór matrycy; powstaje w ten sposób przestrzenne naczynie, którego nie moŝna rozwinąć na płaszczyźnie (uwaga: ciągnienie w tym znaczeniu nie ma Ŝadnego związku z procesem ciągnienia opisanym w następnym punkcie). Rys. 22. Sposoby tłoczenia [8]. Do tłoczenia słuŝą róŝne prasy najczęściej mechaniczne, rzadziej hydrauliczne. Są to prasy mimośrodowe (do mniejszych wytłoczek) lub większe prasy korbowe (mają one inną budowę niŝ korbowe prasy kuźnicze). Czasem, w produkcji małoseryjnej, stosuje się prasy śrubowe. Prasy do tłoczenia są maszynami uniwersalnymi; do wykonania określonych operacji uŝywamy specjalnych przyrządów ustawianych na prasach tłoczników. Prasy są tak konstruowane, aby wymiana tłoczników była moŝliwie szybka (nie przekraczająca kilkunastu minut). Z powodu ogromnej wydajności tłoczenia przezbrajanie pras jest bardzo częste łatwo moŝna bowiem przez parę dni wyprodukować taką ilość wytłoczek, która wystarczy na produkcję kwartalną. Tłoczniki, zaleŝnie od przeznaczenia, mogą być wykrojnikami, wyginakami, ciągownikami lub tłocznikami złoŝonymi (na przykład słuŝącymi jednocześnie do wykrawania i ciągnienia). Przykładowo opiszemy prosty tłocznik (rys. 24) ciągownik do naczynia walcowego z kołnierzem: półwyrobem jest tu krąŝek blachy. Ciągownik ma układ odwrócony, to znaczy stempel l jest zamocowany do płyty podstawowej 6, a matryca 2 do płyty głowicowej 7. Rys 23. Kształtowanie wytłoczek: a) wytłaczanie, b) przetłaczanie, c) dotłaczanie. 1) stempel, 2) dociskacz, 3) matryca, 4) krąŝek blachy, 5) wytłoczka (miseczka) [9]. WaŜnymi elementami tłocznika są: dociskacz 3, na który działa za pomocą popychaczy 4 tak zwana poduszka prasy (duŝa spręŝyna umieszczona pod stołem prasy lub siłownik 31

35 pneumatyczny) oraz wyrzutnik 5, uruchamiany specjalnym zderzakiem podczas powrotnego ruchu suwaka. Dociskacz jest konieczny przy ciągnieniu z cienkiej blachy, gdyŝ zapobiega tworzeniu się fałd na kołnierzu podczas wciągania blachy do matrycy. Płyta głowicowa jest mocowana w suwaku prasy za pomocą czopa 8. Rys. 24. Przykład ciągownika: 1) stempel, 2) matryca, 3) dociskacz, 4) popychacze, 5) wyrzutnik, 6) płyta podstawowa, 7) płyta głowicowa, 8) czop [8]. Tłocznictwo ma wiele zastosowań, szczególnie w przemyśle samochodowym. Produkcja nadwozi wymaga uŝycia wielu pras i tysięcy specjalnych tłoczników od zupełnie małych aŝ do ogromnych (o masie ponad 20 t), bardzo skomplikowanych i kosztownych urządzeń. Ciągnienie Polega na odkształceniu plastycznym metalu podczas przeciągania przez otwór w ciągadle lub między nienapędzanymi rolkami. Za pomocą ciągnienia zmniejsza się przekrój materiału wyjściowego, nadając mu zamierzony kształt. Ciągnienie ma podobne zastosowania jak walcowanie. Jest to proces hutniczy słuŝący do wytwarzania dokładnych prętów, drutu i rur. W stosunku do walcowania jest to proces wykańczający. Rysunek 25 przedstawia zasadę niektórych odmiany ciągnienia. Narzędzia do ciągnienia wykonuje się głównie z węglików spiekanych. Z uwagi na duŝe tarcie materiału o ciągadło konieczne jest obfite smarowanie. Maszyny do ciągnienia ciągarki mogą być dwóch typów: łańcuchowe o ruchu prostoliniowym do krótkich prętów oraz bębnowe, do drutu i cienkich rurek nawijanych na bęben. Ciągnienie zasadniczo jest obróbką na zimno, lecz często konieczne jest wyŝarzenie pośrednie dla usunięcia zgniotu. Zmniejszenie powierzchni przekroju po przejściu przez ciągadło nie jest duŝe (najwyŝej 30%, a dla ciągów kalibrujących około 10%), dlatego do wykonania na przykład cienkiego drutu z pręta walcowanego trzeba wykonać nawet kilkadziesiąt ciągów przez coraz mniejsze ciągadła. Rys. 25 Ciągnienie (przykłady): a) ciągnienie w stałym ciągadle, b) ciągnienie rury na krótkim trzpieniu, c) ciągnienie rury bez trzpienia, d) ciągnienie miedzy rolkami [8]. 32

36 Bezpieczeństwo i higiena pracy podczas obróbki plastycznej Obróbka plastyczna na gorąco jest bardziej niebezpieczna niŝ obróbka na zimno, gdyŝ wysoka temperatura, odpryski zgorzeliny (czasem na odległość kilku metrów), moŝliwość upuszczenia gorącego przedmiotu podczas przenoszenia zagraŝają wszystkim częściom ciała pracownika (w obróbce plastycznej na zimno zagroŝone są głównie ręce). Niebezpieczna jest teŝ i wymagająca odpowiednich kwalifikacji obsługa pieców do grzania metalu. Obsługując mioty lub prasy naleŝy szczególnie dbać o prawidłowe zamocowanie narzędzi i przyrządów. Matryce na młocie muszą być na przykład starannie zaklinowane, gdyŝ ich spadnięcie spowodowałoby bardzo, powaŝny wypadek. Statystyki przemysłowe notują duŝą liczbę wypadków przy pracy na prasach do tłoczenia, spowodowanych głównie lekcewaŝeniem niebezpieczeństwa i niestaranną obsługą. Znane są tu liczne urządzenia zabezpieczające takie jak: wyłączniki wielokrotne; przy obsłudze jednoosobowej operator musi nacisnąć jednocześnie dwa wyłączniki, a przy obsłudze brygadowej duŝych pras jest tyle wyłączników (oddalonych od siebie i od strefy roboczej), ilu ludzi liczy brygada. Jeśli więc wyłączniki te są we właściwym stanie, wypadek jest niemoŝliwy, siatki i kraty ochronne; jeśli są one odsunięte (na przykład przy zakładaniu materiału do tłoczenia) prasy nie moŝna uruchomić, fotokomórki reagujące na pojawienie się obcego ciała (np. ręki) w strefie roboczej i zatrzymujące natychmiast prasę. Szczególnie niebezpieczne i wymagające wysokich kwalifikacji są prace przy przezbrajaniu pras i młotów, gdyŝ zagraŝa tu nagłe opuszczenie bijaka lub suwaka. Wiele maszyn ma specjalne urządzenia do zawieszania elementu ruchomego w górnym skrajnym połoŝeniu. W razie ich braku naleŝy zastosować na przykład drewniane słupy podpierające suwak prasy Pytania sprawdzające Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Na czym polega obróbka plastyczna? 2. Jakie znasz metody obróbki plastycznej? 3. Jakie są zalety obróbki plastycznej? 4. Na czym polega walcowanie? 5. Jakie wyroby powstają w procesie walcowania? 6. Jak dzielimy kucie swobodne? 7. Na czym polega kucie matrycowe? 8. Jakie rozróŝniamy operacje tłoczenia? 9. Jakie są podstawowe zasady bhp podczas obróbki plastycznej? Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Dokonaj identyfikacji procesów obróbki plastycznej na podstawie wykonanych części maszyn i półwyrobów. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) zidentyfikować proces obróbki plastycznej na podstawie oględzin części maszyn, 2) opisać zidentyfikowany proces obróbki plastycznej, 33

37 3) dokonać oceny, 4) zaprezentować wykonane ćwiczenie. WyposaŜenie stanowiska pracy: foliogramy, filmy dydaktyczne, literatura. Ćwiczenie 2 Porównaj kształtowanie wytłoczek określ etapy ich kształtowania oraz niezbędne wyposaŝenie. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 2) zapoznać się z metodami kształtowania, 3) zdefiniować odmiany kształtowania, 4) określić zakres ich zastosowania, 5) określić jakie wady mogą wystąpić przy kształtowaniu i jakie są ich przyczyny, 6) zaprezentować wyniki. WyposaŜenie stanowiska pracy: foliogramy, filmy dydaktyczne, literatura Sprawdzian postępów Czy potrafisz: 1) określić, na czym polega obróbka plastyczna? 2) rozrónić sposoby obróbki plastycznej? 3) scharakteryzować proces walcowania? 4) scharakteryzować proces kucia swobodnego? 5) wskazać elementy składkowe procesu kucia matrycowego? 6) określić zagroŝenia wystękujące podczas obróbki plastycznej? Tak Nie 34

38 4.5. Podstawy odlewnictwa Materiał nauczania Modele odlewnicze Odlewy z Ŝeliwa wykonuje się najczęściej w formach z masy formierskiej, zwanych formami piaskowymi. Aby przygotować taką formę, naleŝy uŝyć modelu odlewniczego. SłuŜy on do utworzenia w masie formierskiej odpowiedniego zagłębienia (wnęki), wypełnianego następnie ciekłym metalem. Model odlewniczy odtwarza więc w pewien sposób kształt przyszłego odlewu. RóŜnice wymiarów i kształtu modelu, gotowego odlewu oraz obrobionej części są jednak dość znaczne (rys. 26). Rys. 26. Porównanie części odlewu i modelu [8]. Wymiary modelu muszą uwzględniać skurcz odlewniczy metalu (od 0,7% do -2%); model musi więc mieć nieco większe wymiary niŝ odlew. Naddatków na skurcz nie podaje się bezpośrednio na rysunku modelu, lecz model wymiaruje się tak samo jak odlew (jak gdyby skurczu nie było), a wartość skurczu w procentach podaje się na rysunku. Modelarz nie potrzebuje obliczać wymiarów modelu, gdyŝ posługuje się specjalnym przymiarem o odpowiednio dłuŝszych działkach ( skurczówką ). Jeśli na przykład na rysunku modelu podano skurcz l,5%, to skurczówka o nominalnej długości l m będzie miała w rzeczywistości długość 1015 mm (działki milimetrowe będą więc odpowiednio dłuŝsze). Model musi dać się wyjąć z formy bez jej uszkodzenia, a więc jego ścianki powinny być odpowiednio pochylone. Pochylenia te wynoszą 0,5 3 zaleŝnie od sposobu formowania (większe przy formowaniu ręcznym) i od wysokości modelu (im model wyŝszy, tym pochylenie mniejsze). Model odtwarza jedynie zewnętrzne kształty odlewu. Jeśli gotowy odlew ma wewnątrz otwór, forma musi zawierać odpowiedni rdzeń, a model ma słuŝyć równieŝ do zaformowania gniazd, w które ten rdzeń zostanie włoŝony. Części modelu odtwarzające gniazda rdzeni noszą nazwę znaków rdzeniowych. Poza tym musimy pamiętać, Ŝe odlew (a więc i model) ma inne wymiary niŝ gotowa obrobiona część, gdyŝ zawiera naddatki obróbkowe. Naddatki te zaleŝą od wymiarów odlewu jako całości, wymiaru zawartego między powierzchniami, na których przewidujemy naddatki oraz od klasy odlewu. Naddatki dla róŝnych rodzajów odlewów są ujęte Polskimi Normami. Odlewy Ŝeliwne średnich rozmiarów (poniŝej 1000 mm) i średnich klas mają naddatki od około 3 do 7 mm. Modele moŝna wykonywać z drewna, metalu (na przykład stopów aluminium) i z tworzyw sztucznych. Modele drewniane nadają się do formowania ręcznego w produkcji 35

39 małoseryjnej za pomocą takiego modelu moŝna wykonać kilkaset form. Przy formowaniu maszynowym są niezbędne modele metalowe (muszą wytrzymać wykonanie do kilkudziesięciu tysięcy form) lub z tworzyw sztucznych (nieco mniej trwale niŝ metalowe, lecz tańsze). Model moŝe być jednolity, gdy zostaje zaformowany w jednej połówce formy, lub dzielony zwykle na dwie części, odpowiadające wnękom odlewniczym w obu połówkach formy. Wybór płaszczyzny podziału modelu i formy ma duŝe znaczenie dla przebiegu formowania. Płaszczyzna ta powinna przechodzić przez największy przekrój odlewu, a jeśli jest to moŝliwe model powinien być niedzielony. Rys. 27. Płyta modelowa [8]. Modele do formowania maszynowego są na stałe przymocowane do płyty podmodelowej (rys. 27), tworząc razem płytę modelową. Jeśli model jest dzielony, mamy łącznie dwie płyty modelowe; będzie tak równieŝ wówczas, gdy jedna płyta zawiera tylko znak rdzeniowy i model układu wlewowego. Masa formierska i rdzeniowa Masę formierską do odlewów Ŝeliwnych sporządza się głównie z czystego piasku kwarcowego (do 90% zawartości) oraz z niewielkich ilości spoiwa (róŝne glinki), pyłu węglowego i wody. Pył węglowy dodany do masy chroni ją przed przypaleniem i przywieraniem do odlewu. Do formowania ręcznego stosuje się dwa rodzaje masy: przymodelową o lepszych właściwościach, z niewielką ilością zanieczyszczeń, oraz gorszą masę wypełniającą. Do formowania maszynowego stosowana jest masa jednolita. Masa formierska jest wytwarzana w odlewni w specjalnych urządzeniach; odpowiednio dozowane składniki masy są mieszane, spulchniane i przesiewane. Większość tworzywa stanowi masa uŝywana (z wybitych form), jedynie kilkanaście procent stanowią składniki świeŝe w tym oczywiście woda. Masa formierska musi odznaczać się ogniotrwałością, wytrzymałością mechaniczną (konieczną dla zabezpieczenia formy przed zniszczeniem podczas zalewania), przepuszczalnością (aby powstające gazy nie rozsadziły formy), ponadto plastycznością i spoistością. Rdzenie są wytwarzane z innego rodzaju masy, zwanej masą rdzeniową. Powinna ona mieć znacznie lepsze właściwości i być bardziej zróŝnicowana zaleŝnie od rodzaju formy i jej wielkości, a takŝe od sposobu wytwarzania rdzeni. Spoiwem w masach rdzeniowych są róŝne składniki, pochodzenia zarówno organicznego (oleje roślinne, róŝne Ŝywice), jak i nieorganicznego (szkło wodne, glinki, cement). Formy piaskowe i ich przygotowanie. Formy wykonuje się w skrzynkach formierskich, czyli odpowiednio sztywnych, metalowych ramach bez dna. zaopatrzonych w uchwyty i otwory do ustalania wzajemnego połoŝenia za pomocą sworzni. 36

40 Kompletna forma mieści się co najmniej w dwóch skrzynkach (rys. 28) z odpowiednią liczbą rdzeni. WaŜną częścią formy jest układ wlewowy, formowany za pomocą oddzielnych modeli, zawierający zbiornik wlewowy, układ kanałów doprowadzających ciekły metal do wnęki formierskiej i układ kanałów przelewowych ( nadlewów ). Kanały doprowadzające odgrywają teŝ rolę osadników róŝnych zanieczyszczeń, które zbierają się w poziomym odcinku kanału belce ŜuŜlowej. Cały układ wlewowy po wybiciu formy musi być, oczywiście, odcięty od właściwego odlewu. Rys. 28. Forma piaskowa [8]. Formę moŝna wykonać ręcznie lub maszynowo. Przy formowaniu ręcznym uŝywamy na ogół drewnianego modelu dzielonego (lub w prostszych przypadkach jednolitego). Przebieg formowania ręcznego jest następujący: połówkę modelu 1 kładzie się na płycie podmodelowej 2 wewnątrz skrzynki i obsypuje pudrem formierskim. W tej skrzynce będzie dolna połowa formy (rys. 29 a), skrzynkę wypełnia się masą formierską najpierw przesiewając przez sito masę przymodelową, potem sypiąc szuflą masę wypełniającą, masę ubija się, zgarnia jej nadmiar do wyrównania z brzegiem skrzynki i nakłuwa dla lepszego odprowadzania gazów (rys. 29 b), skrzynkę odwraca się, oczyszcza i wygładza płaską powierzchnię formy. Na połówkę modelu tkwiącą w masie nakłada się drugą połówkę, ustalając je wzajemnie kołeczkami. Ustawia się modele układu wlewowego. Stawia się drugą skrzynkę i ustalają sworzniami. Obsypuje się pudrem model i płaszczyznę dolnej połowy formy (rys. 29 c), wypełnia się masą górną skrzynkę, postępując jak w przypadku dolnej skrzynki, po czym wyjmuje się modele układu wlewowego i wykonuje zbiornik wlewowy za pomocą narzędzia formierskiego podobnego do łyŝeczki, ostroŝnie zdejmuje się górną skrzynkę, obraca i stawia obok dolnej (na rys. 29 e jest pokazana tylko ta dolna skrzynka). Po ostukaniu modeli drewnianym młotkiem wyjmuje się je z obu skrzynek, do dolnej skrzynki wkłada się rdzenie i montuje obie skrzynki, ustalając je wzajemnie sworzniami i otrzymując kompletną formę (rys. 29). Formę wykonaną wg opisanego sposobu zalewa się bezpośrednio po jej wykończeniu, w stanie wilgotnym. W niektórych przypadkach połówki form suszy się przed ich zmontowaniem i zalaniem, co zapewnia większą wytrzymałość form z tym, Ŝe masy formierskie do form na sucho róŝnią się nieco składem od mas do form na mokro. 37

41 Rys. 29. Przebieg formowania ręcznego [8]. Rys. 30. Przebieg formowania maszynowego [8]. W produkcji wielkoseryjnej i masowej stosuje się formowanie maszynowe ze zmechanizowanymi czynnościami narzucania masy formierskiej, jej zagęszczania (ubijania) i wyjmowania modeli. RównieŜ odwracanie skrzynek jest zmechanizowane i nie wymaga wysiłku fizycznego. Formowanie mechaniczne zapewnia znaczny wzrost wydajności pracy, polepsza warunki pracy i jakość form. NaleŜy jednak pamiętać, Ŝe ręcznie moŝna wykonać bardziej skomplikowane formy niŝ sposobem maszynowym. W czasie formowania maszynowego wykonuje się, na oddzielnych maszynach formierskich, obie połówki formy. Zamiast jednego dzielonego modelu (drewnianego) mamy tu dwie metalowe płyty modelowe. Jest wiele typów maszyn formierskich; cykl pracy maszyny formierskiej poznamy na przykładzie jednej z nich (rys. 30): umieszczenie na płycie podmodelowej l z modelem 2 skrzynki formierskiej 3 (rys. 30 a), nasypanie masy formierskiej ze specjalnego urządzenia zasilającego (rys. 35 b), zagęszczenie masy przez wstrząsanie i prasowanie (rys. 30 c), obrócenie stołu z formą (rys. 30 d), podniesienie płyty i wyjęcie modelu (rys. 30 e). Rdzenie wykonuje się za pomocą specjalnych form, zwanych rdzennicami; mogą one być drewniane (w produkcji małoseryjnej) lub metalowe. Rdzeń formuje się przez nasypanie masy (z odpowiednim zagęszczeniem) do rdzennicy po jej zamkniecie stosuje się teŝ róŝne czynności dodatkowe, jak np. zbrojenie drutem. Po otworzeniu rdzennicy rdzeń moŝna wyjąć, do czego jednak niezbędne są pochylenia ścianek rdzennicy analogiczne do pochyleń ścianek modeli. Rdzenie moŝna wytwarzać ręcznie lub maszynowo. Stosowane są róŝne maszyny do wytwarzania rdzeń naprzykład strzelarki. W czasie pracy strzelarki masa 38

42 rdzeniowa jest wrzucana (z jednoczesnym zagęszczaniem) do rdzennicy uderzeniem spręŝonego powietrza. Rdzenie w przeciwieństwie do form muszą być zawsze utwardzone, gdyŝ bez tego mogłyby rozsypać się nawet przed zalaniem formy. Rdzenie utwardza się dwoma sposobami: przez suszenie w podwyŝszonej temperaturze, w czasie kilku godzin, sposobem chemicznym, co wymaga odpowiedniego spoiwa w masie rdzeniowej; często stosuje się w tym celu szkło wodne rdzeń zostaje wówczas utwardzony w czasie kilku sekund pod działaniem dwutlenku węgla. Topienie metali Przez topienie (lub wytapianie) metali rozumiemy proces, w którym otrzymuje się ciekły metal o określonych właściwościach (na przykład składzie chemicznym). NaleŜy więc odróŝnić topienie proces odlewniczy od topnienia, rozumianego jako zjawisko fizyczne przejścia w stan ciekły. Do topienia metali są stosowane róŝne piece odlewnicze o budowie uzaleŝnionej głównie od rodzaju metalu; omówimy najwaŝniejsze z nich. śeliwiak jest piecem do topienia Ŝeliwa (rys. 31). Ma on kształt walca średnicy do około 1,5 m i wysokości ponad 6 m. Zewnętrzny płaszcz pieca jest wykonany z blachy stalowej, a wewnętrzna wykładzina z cegły szamotowej (gatunek tej cegły ma duŝy wpływ na proces topienia Ŝeliwa). Wsad ładowany do Ŝeliwiaka przez okno wsadowe za pomocą róŝnego rodzaju urządzeń zawiera surówkę ą złom Ŝeliwny (czasem i stalowy), koks i topniki (na przykład wapno hutnicze). Koks pali się w Ŝeliwiaku (powietrze, często uprzednio podgrzane, jest wdmuchiwane dyszami ze skrzyni powietrznej otaczającej piec) i temperatura wsadu w miarę jak opada on w dół jest coraz wyŝsza. Na poziomie dysz temperatura sięga 1800 C, surówka i złom topią się; część koksu nie ulega spaleniu, lecz rozpuszcza się w wytworzonym Ŝeliwie, wpływając na jego skład chemiczny i strukturę. Stopione Ŝeliwo gromadzi się w trzonie pieca. Na powierzchni cieczy zbierają się róŝne zanieczyszczenia, tworząc ŜuŜel, spuszczany górnym otworem. Po spuszczeniu ŜuŜla zostaje otwarty dolny otwór i Ŝeliwo spływa do kadzi, z której następnie są zalewane formy. Większe Ŝeliwiaki są wyposaŝone w zbiorniki pośrednie na ciekłe Ŝeliwo, podgrzewane np. gazem. śeliwiak nie jest zasadniczo piecem o pracy ciągłej (jak naprzykład wielki piec), a cykl jego pracy trwa kilkanaście godzin. śeliwiak moŝna wygasić i powtórnie rozpalić w miarę potrzeby. Rys. 31. śeliwiak [8]. Rys. 32. Piec tyglowy stały [8]. 39

43 Metale nieŝelazne stopy aluminium, cynku, miedzi, magnezu topi się najczęściej w piecach tyglowych stałych (rys. 32) lub przechylnych. Piece te są opalane paliwem ciekłym (ropa, mazut) lub gazowym (gaz ziemny). Stosowane są równieŝ piece elektryczne. Zalewanie form i wykańczanie odlewów Formy piaskowe naleŝy zalewać w niezbyt długim czasie po ich wykonaniu, aby nie dopuścić np. do zbytniego wysuszenia form. WaŜna jest teŝ temperatura ciekłego metalu, niŝsza zazwyczaj o kilkadziesiąt stopni od temperatury spustu z pieca. ZaleŜnie od masy odlewu zalewanie formy odbywa się za pomocą róŝnych kadzi odlewniczych. Małe formy moŝna zalewać łyŝką ręczną (rys. 33 a) lub kadzią widłową (rys. 33 b). Rys. 33. Małe kadzie odlewnicze: a)łyŝka ręczna, b) kadź widłowa [8]. Zalewanie duŝych form wymaga uŝycia róznorodnej budowy kadzi suwnicowych na przykład. kadzie syfonowe (rys. 34 a) oraz kadzie dolnospustowe (rys. 34 b) z zatyczką w dnie. Rys. 34. DuŜe kadzie odlewnicze a) kadź syfonowa, b) kadź z zatyczką [8]. Stygnięcie odlewów wykonanych w formach piaskowych moŝna podzielić na dwa etapy: stygniecie w formach (od kilku do ponad 100 godzin, zaleŝnie od masy odlewu) oraz stygnięcie po wybiciu z formy (zazwyczaj nieco krótsze). Wybijanie form w rzadszych przypadkach odbywa się ręcznie łomami, oskardami i tym podobnie i dotyczy duŝych odlewów. Najczęściej formy wybija się za pomocą róŝnych urządzeń pneumatycznych lub elektrycznych, jak na przykład kraty wibracyjne (o duŝej częstości drgań) lub wstrząsowe (o większej amplitudzie, a mniejszej częstości). Masa z rozbitych form przelatuje przez kratę i zostaje przetransportowana do formierni w celu przeróbki i powtórnego uŝycia. Większe trudności występują przy wybijaniu rdzeni, co czasem wymaga pracy ręcznej. Wybijanie form i oczyszczanie odlewów są najcięŝszymi pracami w odlewni. Ostudzone formy wykańcza się, co polega przede wszystkim na usunięciu układów wlewowych przez odtrącenie, np. w kruchych odlewach Ŝeliwnych, lub obcięcie. Następnie naleŝy starannie oczyścić odlew z resztek przywartej masy formierskiej i rdzeniowej, co jest waŝne ze względu na trwałość narzędzi w późniejszej obróbce wiórowej odlewu. Małe odlewy oczyszcza się w obrotowych bębnach, większe przez piaskowanie lub innymi podobnymi sposobami. Po kontroli jakości odlewy często poddajemy malowaniu. 40

44 Wady odlewnicze i ich naprawa Wady odlewnicze moŝna podzielić na następujące główne grupy: wady kształtu i wymiarów, wady powierzchni, nieciągłość materiału, wady wewnętrzne, wady materiału. Wady te dla uŝytku kontroli jakości w odlewni są szczegółowo poklasyfikowane i oznaczane umownymi symbolami. Podstawowe znaczenie dla dokładności wymiarowej odlewu ma stan modeli i rdzennic. Jeśli są one np. nadmiernie zuŝyte, powoduje to nieuniknione wady wymiarów lub kształtu odlewu. DuŜy wpływ na jakość odlewu ma proces formowania, który moŝe powodować powstanie wad kształtu i powierzchni odlewu. Stan masy formierskiej niewłaściwy rodzaj masy lub za niski jej stopień zagęszczenia w formie prowadzi do wad powierzchni, jak guzy, strupy, rakowatość, zapiaszczenie itp. Odlewy z takimi wadami mają bardzo grubą warstwę zanieczyszczonego materiału, niemoŝliwą do usunięcia podczas obróbki wiórowej. Niewłaściwe zagęszczenie masy moŝe takŝe powodować powaŝne wady kształtu, gdy np. przy montaŝu formy pewne jej fragmenty odpadną. Przyczyną wielu wad odlewniczych moŝe być niewłaściwy montaŝ formy. Jeśli wzajemne ustalenie skrzynek formierskich jest nieprawidłowe, powstaje przestawienie odlewu. Za małe obciąŝenie górnej skrzynki w czasie zalewania formy moŝe spowodować zalewki. Niewłaściwa konstrukcja układu wlewowego moŝe powodować wady wewnętrznejak jamy i rzadzizny skurczowe. Widzimy więc, Ŝe o jakości odlewu decyduje zarówno jego konstrukcja, jak i wszystkie elementy procesu technologicznego: jakość modeli i rdzeni, konstrukcja formy, proces formowania, montaŝ formy, przygotowanie wsadu i topienia metalu, wreszcie zalewanie formy. Wiele wad odlewniczych moŝna usunąć naprawiając odlew. Stosuje się róŝne sposoby naprawy wad odlewniczych, przede wszystkim spawanie gazowe i elektryczne (takŝe odlewów Ŝeliwnych). Przed spawaniem cały odlew naleŝy podgrzać do temperatury kilkuset stopni w celu uniknięcia napręŝeń wewnętrznych. Inne sposoby naprawy wadliwych odlewów to lutowanie mosiądzem, metalizacja lub miejscowe zalewanie ciekłym metalem. W pewnych przypadkach odlewy moŝna prostować (np. wykonane z Ŝeliwa ciągliwego). Naprawa niektórych wad odlewniczych jest jednak niemoŝliwa lub nieopłacalna i wówczas odlew musi być złomowany. Nowoczesne metody wytwarzania odlewów W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat powstało wiele nowych metod odlewania, umoŝliwiając zwiększenie wydajności procesu technologicznego i polepszenie jakości odlewów. Nowszym rozwiązaniem form piaskowych są formy skorupowe; wykonywane w nich odlewy (najczęściej z wyŝszych gatunków Ŝeliwa) odznaczają się wysoką dokładnością, a proces formowania moŝe być łatwo zmechanizowany. 41

45 Rys. 35. Schemat formy skorupowej [8]. Forma składa się z dwóch części o stosunkowo cienkich ściankach. Wykonuje się ją z mieszaniny piasku kwarcowego, Ŝywicy syntetycznej i innych składników. Masa ta zostaje rozprowadzona na gorącej płycie modelowej lub rdzennicy. Na skutek złoŝonych reakcji chemicznych masa utwardza się i otrzymuje się połówkę formy skorupowej. Dwie takie połówki skleja się (wstawiając ewentualnie rdzenie) i umieszcza w skrzynce, obsypując piaskiem wypełniającym. Odlewy skorupowe są szeroko stosowane w przemyśle samochodowym. Na oryginalnym pomyśle jest oparta metoda wytapianych modeli rys. 36. Model jest tu wykonany z łatwo topliwego materiału (wosk, stearyna, czasem odpowiednie tworzywo sztuczne) i słuŝy do wykonania tylko jednej formy. Potrzeba więc znacznej liczby modeli, które otrzymuje się w specjalnych metalowych matrycach. Model lub najczęściej zespół modeli ze wspólnym układem wlewowym (metoda ta najlepiej nadaje się do odlewania niewielkich części) zanurza się parokrotnie w ciekłej mazie ceramicznej, szybko utwardzającej się. Następnie zespół modelowy otoczony skorupą ceramiczną umieszcza się w skrzynce formierskiej, obsypując masą wypełniającą. Modele usuwa się przez wytopienie, po czym form wypala się celem utwardzenia formy. Metodą wytapianych opłaca się stosować do otrzymywania skomplikowanych części, na ogół o niewielkiej masie. Rys. 36. Przygotowanie i odlewanie metodą wytapianych modeli: a) wykonanie modelu. b) wykonanie formy, c) wytapianie i zalewanie formy. 1) wzorzec, 2) półmatryca, 3) wykonywanie połówek matrycy ze stopu ZnAl, 4) gotowa matryca, 5) wypełnienie matrycy masą, 6) model wytapiany, 7) zestaw modeli z układem wlewowym, 8) zanurzenie zestawu w zawiesinie pyłu w krzemianie etylu, 9) obsypanie pyłem lub drobnym piaskiem i suszenie, 10) wytopienie modeli, 11) wypalanie formy, 12) topienie metalu, 13) zalewanie formy [9]. Do wytwarzania odlewów z metali nieŝelaznych głównie stopów aluminium i cynku stosuje się formy metalowe nazywane kokilami (rys. 37). Kokile są formami wielokrotnego uŝytku w odróŝnieniu od innych form (uŝytek jednorazowy); mogą być zalewane grawitacyjnie lub pod ciśnieniem. 42