Data publikacji: 25 luty 2004r. Centrum Kształcenia Praktycznego w Siedlcach REFERAT - PUBLIKACJA Aktywizujące metody nauczania Metoda sytuacyjna Zastosowanie metody sytuacyjnej w nauczaniu specjalizacji zawodowej technikum mechanicznego Zawód: technik mechanik Temat: Znaczenie warstwy wierzchniej materiału w procesach eksploatacji maszyn i urządzeń WSTĘP W szkołach zawodowych coraz częściej stosowane są aktywizujące metody nauczania. Aktywizujące metody nauczania uczą zachowań przedsiębiorczych oraz kształtują umiejętności integrowania wiedzy, a także uczą analizowania i oceniania rozwiązań technicznych i organizacyjnych. Zajęcia prowadzone tymi metodami pozwalają lepiej zrozumieć niekiedy trudne problemy technologiczne, materiałoznawcze szczególnie przy budowie maszyn, przyrządów i narzędzi. Znaczenie doboru materiału czy kształtowania i modyfikowania warstwy powierzchniowej elementów maszyn występujące na podłożu szkolnym jak i produkcyjnym w zakładach pracy jest bardzo ważnym elementem w budowie i eksploatacji maszyn. W kształceniu zawodowym zarówno w nauczaniu teoretycznym jak i praktycznym wyróżnić możemy aktywizujące metody nauczania: - metodę zdarzeń - metodę sytuacyjną
- metodę inscenizacji - metodę gier dydaktycznych Jedną z metod polegających na przedstawieniu uczącym się sytuacji problemowej zmierzającej do rozwiązania (tematu) problemu: Znaczenie warstwy wierzchniej materiału w procesach użytkowania maszyn i urządzeń jest: - metoda sytuacyjna Metoda sytuacyjna jest metodą zmierzająca do rozwiązania danego problemu. Metoda ta uczy zagadnień zawodowych, wyzwala samodzielność myślenia przedstawia uczniom sytuację problemową znaczenia warstw wierzchnich materiału występującą w życiu praktycznym w taki sposób, aby zdobytą wiedzę potrafili uczniowie wykorzystać we właściwych warunkach zawodowych. 1. Pojęcie powierzchni materiału Pojęcie powierzchni materiału jest, wieloznaczne, dlatego też zrozumiałe jest zajmowanie się warstwami wierzchnimi materiałów przez konstruktorów, technologów czy materiałoznawców. Ponieważ to warstwa powierzchniowa wywiera zasadniczy wpływ na właściwości użytkowe części maszyn i urządzeń, przedmiotów i wyrobów. Wystarczy wymienić zużycie przez tarcie, korozję, erozję, kawitację, ablację, aby dostrzec istotę problemu. Powierzchnię ciał stałych cechują zwykle struktura i właściwości różne od tych, jakie posiada rdzeń materiału. Krótko mówiąc najistotniejszą rolę odgrywa warstwa wierzchnia w trących się elementach maszyn. Każdy rodzaj zastosowanej jakiejkolwiek obróbki mechanicznej, cieplnej, chemicznej czy elektrochemicznej daje określony stan warstwy wierzchniej. I te pojęcia są podstawowymi do rozważenia nad procesami zużywania maszyn i urządzeń. 2. Zużywanie maszyn i urządzeń
Procesy niszczenia maszyn i urządzeń rozpoczynają się w wierzchniej warstwie materiału. A więc zużywaniem nazywamy procesy zmian zachodzących w obszarze warstwy wierzchniej ciała stałego wskutek współpracy z innymi częściami bądź oddziaływaniem środowiska. Zużycie jest wynikiem normalnej pracy elementów a przede wszystkim długotrwałego wzajemnego oddziaływania współpracujących ze sobą części, wysokiej temperatury, oraz korozji. Zużywanie się części, elementów czy mechanizmów jest nieodłącznym zjawiskiem towarzyszącym pracy mechanizmów. Zużywanie pogarsza stan techniczny maszyn a w krańcowym przypadku uniemożliwia jego prawidłową eksploatację. Zużycie może być normalne lub przyśpieszone. Przyczyną przyśpieszonego zużycia są niewłaściwe warunki eksploatacji maszyn, nieprawidłowa obsługa techniczna, wadliwe wykonywane naprawy, błędy w konstrukcji lub w wykonaniu. Łożyska, prowadnice, przekładnie, sprzęgła to podstawowe elementy zespołów czy podzespołów maszyn, którymi bezwzględnie należy się zająć, aby polepszyć technikę i eksploatację maszyn. W procesach tarcia, które zachodzi w obrębie układów towarzyszą straty energii oraz zużycie materiałowe. Zużywanie wywołane tarciem ma charakter mechaniczno fizyczno chemiczny i występuje zawsze przy tarciu suchym i mieszanym. Zużycie mechaniczne jest zasadniczym czynnikiem wpływającym na trwałość zespołów maszyn, chociaż występuje ono w połączeniu z innymi rodzajami procesów zużycia. Zużycie występujące wskutek tarcia ślizgowego, polega na ścieraniu się współpracujących powierzchni w chwilach, gdy smarowanie jest półpłynne, graniczne lub suche. Zużywanie wskutek tarcia tocznego, występujące podczas toczenia się po sobie powierzchni współpracujących przybiera postać łuszczenia, tj. pęknięć powierzchniowych oraz oddzielania się niewielkich łusek materiału. Podczas idealnego toczenia się bez (poślizgu) łuszczenie się materiału na powierzchni następuje dopiero po pewnym czasie w drugiej fazie zużycia. W pierwszej fazie
pojawiają się mikropęknięcia. Podczas idealnego toczenia współpracujące powierzchnie mogłyby pozostać nie smarowane. W praktyce jednak toczeniu towarzyszy niewielkie tarcie ślizgowe, dlatego też smarowanie współpracujących powierzchni jest niezbędne. Nauką i wiedzą o procesach zachodzących w ruchomym styku ciał stałych nazywamy tribologią. Termin tribologia pochodzi z języka greckiego: tribe tarcie, logos nauka. Zadaniem tej nauki jest badanie wszelkich zjawisk zachodzących w obszarach tarcia w celu poznania prawd rządzących wytrzymałością powierzchniową. Jedynie w warunkach laboratoryjnych poprzez modelowanie procesów zużycia opracować można metody i technologie kształtowania własności użytkowych warstwy wierzchniej elementów par trących. Techniczne procesy zużycia występujące w warunkach rzeczywistych są bardziej złożone, ponieważ elementy maszyn pracują w różnych atmosferach. W technice procesy tarcia należą do najczęściej spotykanych. Tutaj wyróżnić można: - negatywne (opory ruchu ślizgania lub toczenia w łożyskach, prowadnicach czy przekładniach zębatych ). - pozytywne ( wykorzystanie sprzężenia ciernego w sprzęgłach, w styku kół jezdnych z podłożem, wykorzystanie tarcia w hamulcach). Procesom tarcia zachodzącym w określonych układach trybologicznych towarzyszą straty energii oraz straty zużyciem materiałowym. Skutkiem procesu jest zużycie, które można mierzyć objętościowo, liniowo lub wagowo. Mechaniczne procesy zużywania polegają na oddzielaniu cząstek ze współpracujących powierzchni przez mikroskrawanie. Wielokrotne bruzdowanie prowadzi również do zużycia. Fizyczne procesy zużywania związane są adhezją trących się ciał ( szczepianie, zrastanie, dyfuzja ), wywołują zużycie przez oddzielenie cząsteczek z jednego ciała i nanoszenie ich na współpracujące ciało.
Chemiczne zużycie, zużycie utleniające lub wodorowe ( proces charakteryzuje się stopniowym niszczeniem warstewek tlenkowych na powierzchniach metali lub wskutek adsorbcji wodoru i jego dyfuzji w głąb metali ( stali i żeliw ). Zadaniem tribologii jest badanie wszelkich zjawisk zachodzących w obszarach tarcia, w celu poznania praw rządzących tzw. wytrzymałością powierzchniową i wypracowania metod i technologii optymalnego kształtowania własności użytkowych warstwy wierzchniej elementów par trących przy jednoczesnym traktowaniu środka smarującego jako równorzędnego elementu systemu tribologicznego. Występujące w trakcie eksploatacji maszyn tarcie powoduje zużywanie się elementów pary trącej. Zużycie jest to ciągły proces niszczących zmian stanu pierwotnego powierzchni oraz zmian: masy, składu chemicznego i struktury materiału, powodowane oddziaływaniem ciał współdziałających i środowiska. Proces zużycia ciał stałych należy do zjawisk bardzo złożonych W związku z tą złożonością zjawisk rozróżnia się tzw. elementarne procesy zużycia, które w sumie składają się na technicznie dostrzegalny rodzaj zużycia występujący w częściach maszyn. Wśród elementarnych procesów zużycia rozróżnia się: mikroskrawanie, odrywanie cząstek metalu w wyniku wielokrotnych odkształceń plastycznych, głębokie wyrwanie spowodowane powstaniem połączeń tarciowych, przy czym może tu nastąpić niszczenie warstw sczepianych. 3. Rodzaje zużywania Rodzaje procesów zużywania tribologicznego: zużywanie utleniające Proces charakteryzuje się stopniowym usuwaniem ( niszczeniem) i odtwarzaniem warstewek na powierzchni metali. Należy do normalnego rodzaju zużywania. Łagodne zużywanie utleniające występuje w układach: cylinder tłok pierścienie tłokowe. Gdy szybkość niszczenia tlenków jest większa od ich powstawania następuje bardzo intensywne zużycie.
zużywanie wodorowe Istota procesu polega na stopniowym niszczeniu warstwy wierzchniej wskutek dyfuzji wodoru w głąb materiału. Dyfuzja wodoru powoduje kruche pękanie warstwy wierzchniej, wodór wypełnia pustkę w strukturze powodując naprężenia a tworzące szczeliny wykruszają materiał. Obserwuje się takie zużycie w układach hamulcowych (przenoszenia żeliwa na okładziny cierne z tworzyw sztucznych). Również zużywanie wodorowe występuje przy tarciu tocznym. Woda zawarta w smarze rozkłada się na tlen i wodór. Wodór przechodząc do wierzchnich warstw tocznych materiału powoduje kruszenia. W takich przypadkach należy do stali wprowadzać chrom, tytan i wanad. Należy unikać łączenia stali i żeliw z polimerami. zużywanie ścierne Ścieranie jest najpowszechniejszym rodzajem zużywania. Ze ścieraniem spotykamy się wszędzie tam gdzie luźne ścierniwo przesuwa się względem ciała stałego. Twarde zanieczyszczenia przedostające się do środków smarnych lub pomiędzy powierzchnie trące powodują zużycie ścierne elementów maszyn. Gdy współpracujące ze sobą materiały o dużej i różnej twardości współpracują należy oczekiwać, że nierówności ciała twardszego będą ścierały (bruzdowały i mikroskrawały) powierzchnię ciała bardziej miękkiego. We wszystkich tych przypadkach podstawowymi procesami są bruzdowanie i mikroskrawanie. Wartość kąta spływu wióra ma zasadnicze znaczenie w zużywaniu ściernym. zużywanie zmęczeniowe Ciągłe cykliczne obciążenia warstw wierzchnich trących się elementów powoduje ich zmęczenie a w wyniku zużycie. Typowym układem, w którym występują procesy zmęczeniowe warstw wierzchnich jest układ tarcia tocznego. Występuje tu styk skoncentrowany (hertzowski). Wskutek wielokrotnie powtarzających się styków w warstwie podpowierzchniowej występują mikropęknięcia. Są dwa rodzaje zużywania zmęczeniowego wywołanego tarciem tocznym: - zużywanie przez łuszczenie (spalling) np. szyna kolejowa
- zużywanie przez wykruszenie (pitting) bieżnie łożysk tocznych, styki na średnicach podziałowych przekładni zębatych Uszkodzenia zmęczeniowe stopów łożyskowych występują w panewkach wałów korbowych silników spalinowych. Podlegają takiemu uszkodzeniu stopy ołowiu i cyny (babity) przy wydaniach grubych. Przy obecnie stosowanych wydaniach cienkościennych panewek zużycie tego rodzaju występuje coraz rzadziej. zużywanie odkształceniowe Zużywaniu odkształceniowemu podlegają miękkie stale i metale kolorowe. Polega ono na zmianie kształtu lub wymiaru trących się elementów. Przeciążenie łożysk tocznych o małym ruchu obrotu mogą wgniatać bieżnię elementy toczne (tzw. brinelowanie).w pojazdach będących w bezruchu zużywaniu odkształceniowemu ulegają bieżnie łożysk. Odkształcenia stwierdza się również w styku twardych stali, np. obręcze kół lokomotyw. Zużywaniu odkształceniowemu przeciwdziała się przez właściwy dobór materiału. zużywanie adhezyjne Określa proces niszczenia powierzchni wywołany tworzeniem się szczepień i zrostów w mikroobszarach powierzchni styku. Proces ten zachodzi najczęściej przy małych prędkościach i dużych naciskach, przy niedostatecznym smarowaniu lub jego braku. Niewłaściwe dobrane materiały przyczyniają się do takiego zużywania. zużywanie cieplne Bardzo dużo ciepła wytwarza się w zespołach przy dużych prędkościach i dużych naciskach. Na rzeczywistych stykach następuje mięknienie a nawet nadtapianie metalu. Powstają narosty rosnące lawinowo, zwiększa się ilość ciepła i powstaje zatarcie. fretting Fretting jest procesem zachodzącym w spoczynkowych złączach takich jak złącza wpustowe, wielowpustowe, nitowe śrubowe. Powodowany mikroprzemieszczeniami połączonych części poprzez drgania lub ruch roboczy maszyny. Mechanizm tego procesu polega na oddziaływaniu adhezyjnym szczepianiu oraz intensywnym
utlenianiu. Ochroną przed pettingiem jest zlikwidowanie lub przynajmniej zmniejszenie mikropęknięć, stosowanie skojarzeń stal PTFE. Rodzaje procesów zużywania nietribologicznego: korozja jest to niszczenie metali i ich stopów działaniem czynników chemicznych i elektrochemicznych erozja jest to działanie na ciało stałe płynów, cieczy, gazów lub par znajdujących się w ruchu przy dużych prędkościach ablacja jest to szczególny rodzaj erozji wskutek działania gorących gazów przepływających z dużą prędkością, np. pod wpływem gazów wylotowych z dyszy silników odrzutowych kawitacja występuje przy różnorodności ciśnień przepływającej cieczy, która powoduje bardzo silne uderzenia cząsteczek o ścianki, np. wśród pomp wirowych 4. Zapobieganie przeciw zużyciu Zużywaniu w maszynach powinno się przeciwdziałać zawsze. Ono, bowiem będzie gwarantować zmniejszanie trwałości maszyn a wręcz i ich awarii (zatarcie!). W naszych rozważaniach nad konstruowaniem struktury i wynikającymi z tej struktury właściwościami widzieliśmy, że w procesach eksploatacyjnych maszyn i urządzeń za właściwości mechaniczne, fizyczne, eksploatacyjne odpowiadał cały przekrój konstrukcji. I na tym etapie rozważań jest to podejście trudne do zakwestionowania. Tymczasem to warstwa wierzchnia jest głównie odpowiedzialna za taki stan. Przy projektowaniu konstrukcji zespołu należy brać pod uwagę uzyskania w nim tarcia płynnego. Przy takim rodzaju tarcia występują najmniejsze opory i zużycie. Bardzo istotną rolę odgrywa, dobór rodzajów pary i ich struktura, wielkości i rodzaje w warstwie wierzchniej.
Jeżeli nie przewiduje się takiego układu to przede wszystkim należy wziąć pod uwagę dobór materiałowy. Konstruktor powinien tak dobierać geometryczna postać zespołu, materiały, smarowanie, modyfikować umiejętnie warstwy wierzchnie narażone na zużycie. Podczas eksploatacji maszyn konieczne jest zachowanie przewidzianych przez konstruktora smarowania i przeprowadzania remontów okresowych. 5. Kształtowanie powierzchni warstw wierzchnich części maszyn technikami tradycyjnymi Elementy mechanizmów maszyn, szczególnie silnie obciążone i narażone na zużycie, powinny być po obróbce dokładnej poddawane obróbce wykańczającej. Stosując różne metody obróbki powierzchniowej wykańczającej, można zwiększyć odporność elementów maszyn na zużycie ścierne przy poślizgu, zużycie wskutek tarcia tocznego, obciążenia udarowe, obciążenia cieplne, korozje atmosferyczną i chemiczną, korozję w wysokiej temperaturze, erozję. Technologia wykonania warstwy wierzchniej ma wpływ i na inne właściwości użytkowe takie jak: trwałość pasowania, oporu przepływu itp. Klasyfikacja obróbki powierzchniowej: Obróbka przez skrawanie: toczenie i frezowanie gładkościowe, skrobanie Obróbka ścierna: szlifowanie, docieranie, gładzenie, polerowanie, wygładzanie ultradźwiękowe Obróbka zgniotem: nagniatanie statyczne, toczne, bębnowanie, młotkowanie Obróbka cieplna i cieplno chemiczna: hartowanie powierzchniowe, nasycanie dyfuzyjne, nawęglanie, obróbka termo mechaniczna Obróbka elektryczna i chemiczna: utwardzanie elektroiskrowe, powlekanie galwaniczne, polerowanie chemiczne Obróbka różnymi metodami dla powłok: metalowych antykorozyjnych, dyfuzyjne, z tworzyw sztucznych
Ustalając wymagania eksploatacyjne możemy uwzględnić w doborze własności użytkowych, że każdy ze sposobów obróbki powierzchniowej może wpłynąć na zmianę wielu cech użytkowania części maszyn. 6. Technologiczne warstwy powierzchniowe Nadanie warstwie powierzchniowej określonej struktury i właściwości odbywa się z reguły przed rozpoczęciem eksploatacji. Cała gamma współczesnych możliwości technologicznych prowadzących do nadania wyrobom założonych cech eksploatacyjnych jest szeroka. Zatrzymać się należy przy technikach, które należą do najnowszej generacji. Uogólniając bardziej można powiedzieć, że zmianę właściwości warstwy wierzchniej można uzyskać przez: umocnienie zgniotem wytworzenie, na bazie stopu stanowiącego warstwę wierzchnią, nowego stopu przez procesy dyfuzyjne wprowadzenie w warstwę lub nałożenie na nią nowych (innych) materiałów, w tym stopów metali, zmianę budowy wewnętrznej w warstwie wierzchniej na każdym z poziomów struktury materiału. Z punktu widzenia materiałoznawczego, jest wytwarzanie lub nakładanie powłok oraz wytwarzanie technologicznych warstw powierzchniowych. Nie oznacza to wcale, że obszarem działania staje się tylko podłoże powierzchni, lecz całokształt poznania, wytworzenia, badania i użytkowania warstwy powierzchniowej. Różnorodność zagadnień i zadań, jakie mają spełniać te wytworzone powłoki jest ogromna. Nas przede wszystkim interesuje cel wytwarzania lub nakładania (nanoszenia) powłoki.
Można, więc skutecznie kształtować tą drogą następujące charakterystyki wyrobu wywodzące się z cech powierzchni: - odporność na zużycie przez tarcie, np. przez nakładanie stellitów czy ceramiki - odporność korozyjną przez nanoszenie metalowych i niemetalowych powłok ochronnych antykorozyjnych, - właściwości technologiczne - szczególne właściwości eksploatacyjne uzyskiwane przez platerowanie materiałem odpornym na dane warunki destrukcji powierzchni. Wcześniej wymienione cele można realizować wieloma różnymi technikami należącymi do tzw. technik starej generacji i nowej generacji. Do technik nowej generacji zaliczyć możemy: obróbkę implantacyjną: nową i przyszłościowa technologię powierzchni. Polega ona na wprowadzaniu do warstwy wierzchniej materiału, zjonizowanych atomów pierwiastków stopowych. W ten sposób obróbka implantacyjna umożliwia otrzymanie wielu cech warstwy wierzchniej ze strukturami w których można znacznie zwiększyć odporność na korozję, ścieranie zmęczenie, podwyższyć właściwości mechaniczne, ukształtować specjalne właściwości fizyczne w warstwie powierzchniowej materiału. Obróbce implantacyjnej poddaje się narzędzia skrawające, ciągadła, matryce, stemple, walce, nożyce, łożyska, łopatki turbin, zawory. Technologie elektronowe należą do technik skoncentrowanego nagrzewu. Do tego celu służą nagrzewnice elektronowe posiadające dwa źródła energii. Ta krótka charakterystyka nagrzewu elektronowego pozwala przewidzieć zakres możliwych jego zastosowań w procesach: wyżarzania, hartowania z przetopieniem lub bez przetopienia ( bezprzetopieniowe ), stopowania, natapiania i przetapiania uszczelniającego. Procesom superszybkiego nagrzewu i oziębiania towarzyszą zjawiska strukturalne pociągające za sobą modyfikację właściwości warstwy wierzchniej materiału na skalę niemożliwą, a przynajmniej trudną do uzyskania
innymi metodami. Z pomocą tej technologii można wytwarzać warstwy kompozytowe, wprowadzać pierwiastki stopowe. Technologia hartowania elektronowego jest stosowana przy produkcji części przemysłu motoryzacyjnego, takich, jak np: wały korbowe, pierścienie, tuleje, krzywki, popychacze, a także krawędzie matryc oraz narzędzia skrawające. obróbkę laserową: wykorzystuje się ją najczęściej w procesach cięcia i spawania. Znalazły one również zastosowanie w modyfikowaniu warstwy wierzchniej materiałów. Obrabiarki laserowe stosowane w kształtowaniu warstw powierzchniowych generują głównie promienie podczerwone i stosuje się je, na ogół, jako źródło szybkiego nagrzewu lokalnego o dużej gęstości mocy. Nagrzew laserowy realizuje się podobnie jak nagrzewanie wiązką elektronową. Może być on ciągły lub przerywany. Gęstość mocy doprowadzanej do powierzchni reguluje się przez sterowanie ogniskowaniem wiązki. Techniki laserowe najczęściej stosuje się do hartowania, wyżarzania, odpuszczania, stopowania, nadtapiania. Techniki laserowe stwarzają duże możliwości wytwarzania w warstwie powierzchniowej nowych zestawów stopowych. Można topić jednocześnie materiał bazowy i nowy inny stop lub pierwiastek stopowy, które w procesie ulegają wymieszaniu. Wprowadza się w ten sposób pierwiastki takie jak w technologii elektronowej, a również węgliki, borki, azotki, tworząc całkowicie nową jakość strukturalną i użytkową powierzchni. Laserowo umacnia się gniazda zaworów w silnikach, gniazda dysz paliwowych. obróbki jarzeniowe są to procesy obróbki cieplno chemicznej w atmosferze gazowej z wykorzystaniem zjawiska wyładowania jarzeniowego. Przedmioty obrabiane stanowiące katodę umieszcza się w komorze roboczej, której ścianki i odpowiednie ekrany są anodą. Technologie jarzeniowe należą do technik plazmowych. Niekiedy noszą też nazwę plazmowych lub jonowych. Wyładowaniem elektrycznym w gazach w zakresie
stosowanych ciśnień towarzyszy charakterystyczne świecenie ( jarzenie) w pobliżu katody. W wyniku złożonych procesów oddziaływania jonów pierwiastków gazu reaktywnego z podłożem katody następuje nasycenie wierzchniej warstwy materiału, np. azotem. Właśnie azotowanie jest najpowszechniej stosowaną techniką jarzeniową. Azotowanie jarzeniowe stosowane w szerokim zakresie temperatur ( 400 590 0 C ) umożliwia uzyskiwanie różnych struktur i rozkładów twardości w warstwie wierzchniej. Azotowanie jarzeniowe jest stosowane do obróbki stali konstrukcyjnych, narzędziowych, stali o specjalnych właściwościach. Ogólnie, tą metodą obrabia się narzędzia i części pracujące w warunkach zużycia przez tarcie, nierzadko w podwyższonych temperaturach, np.: matryce kuzienne, odlewnicze formy ciśnieniowe, frezy, koła zębate, wykrojniki. Przy pisaniu pracy korzystałem z literatury Bibliografia F. Wojtkun, J. P. Sołncew Materiały specjalnego przeznaczenia. Radom 1999 Praca zbiorowa Poradnik mechanika Materiałoznawstwo.Podstawy konstrukcji maszyn. Wydawnictwa Naukowo Techniczne. Warszawa 1988 Tadeusz Ornatowski, Janusz Figurki Praktyczna Nauka Zawodu. Radom 2000 Burakowski T., Wierzchom T.: Inżynieria powierzchni metali. Warszawa, WNT 1995