Pedagogická fakulta Masarykovy univerzity Katedra technické a informační výchovy Materiály a technologie kovy Karel Stibor 2007
1. Materiály a technologie - kovy 1.1 Osnova předmětu Význam kovů v národním hospodářství. Druhy rud a jejich těžba, úpravárenství, výroba surového železa. Výroba a vznik oceli, ocelářský provoz. Krystalická skladba kovů metalografie. Neželezné kovy. Prášková metalurgie. Slévárenství zpracování kovů v tekutém stavu. Třískové opracování kovů. Beztřískové zpracování kovů. Podklady k předmětu Materiály a technologie - kovy stručně shrnují nutné znalosti a obsah látky předmětu. Látka je zaměřena na oblasti významu kovů, těžba rud a výroba surového železa, vznik oceli a ocelářský provoz. Dále se zabývá krystalickou stavbou kovů, neželeznými kovy, práškovou metalurgií, slévárenstvím a dalšími oblastmi zpracování kovů. 1.2 Doporučená literatura ke studiu PTÁČEK, L. Nauka o materiálu I a II. Brno: CERM, 2000 a 2001. 218 a 264 s. DOSEDLA, Z. Materiály a technologie. Brno: MU, 2000. 62 s. VONDRÁČEK, F. Materiály a technologie I a II. Praha: SPN, 1986. 244 a 245 s. PŘIKRYL, Z. Technologie obrábění. Praha: SNTL, 1985. 228 s. VLACH, B. Mezní stavy materiálů, zkoušení mechanických charakteristik materiálů. Brno: VUT, 2002. 226s. 2
POKLUDA, B. a kol. Mechanické vlastnosti a struktura pevných látek. Brno: PC- DIR,1994. 236 s. KŘÍŽ, R. Materiály letadel. Praha: NADAS, 1987. 132 s. STIBOR, K. Materiály a technologie kovy 3
2. Význam kovů v národním hospodářství. Technologii kovů můžeme rozdělit do dvou základních skupin, a to technologii výroby kovů a strojírenskou technologii. Technologie výroby kovů se zabývá zpracováním surovin na materiál a určováním jeho vlastností. Jako dílčí část této skupiny můžeme chápat nauku o materiálu, která zkoumá především jeho podstatu, vlastnosti kovů a jejich použití. Technologie strojírenská pojednává o zpracování materiálu (polotovaru) na výrobek. Další pojmy, se kterými je vhodné se seznámit : Těžká metalurgie se zabývá výrobou železných a neželezných kovů z rud, výrobou práškových kovů a jejich zpracováním na polotovary. Strojírenská metalurgie se zabývá výrobou polotovarů sléváním, tvářením, svařováním a dalšími procesy zpracování. Technologie obrábění pojednává o zpracování materiálu oddělováním menších nebo větších částí materiálu. Technologie povrchových úprav zahrnuje způsoby, kterými měníme vlastnosti nebo vzhled povrchu výrobku. Technologie montáže postup sestavování jednotlivých dílů v celek. 2.1 Doporučená literatura ke studiu DOSEDLA, Z. Materiály a technologie. Brno: MU, 2000. 62 s. VONDRÁČEK, F. Materiály a technologie I a II. Praha: SPN, 1986. 244 a 245 s. PŘIKRYL, Z. Technologie obrábění. Praha: SNTL, 1985. 228 s. STIBOR, K. Materiály a technologie kovy 4
3. Druhy rud a jejich těžba, úpravárenství, výroba surového železa. Nejstarší metoda získávání kujného železa dnešní oceli byla přímá výroba z rud v ohništi nebo nízkých šachtových pecích. Jednalo se v podstatě o vytavování železa z rudy. Teprve 16.století bylo schopno tuto výrobu nahradit svářkováním do pece se měděnou trubkou vháněl vzduch. Koncem 18.století vzniklo pudlování v plamenné peci probíhala přestavba vytavovaného surového železa v ocel a to vše probíhalo v těstovitém stavu. Až konec 19.století přinesl výrobu plávkové oceli, tj výrobu surového železa a jeho přestavbu v ocel v plně tekutém stavu. Byl to zásadní obrat, který umožnil podstatně zvýšit výrobu. Rudy : magnetit, krevel, hnědel, ocelek, šamoisit (chamoisit). o Těžba povrchově v lomech nebo v hlubinných dolech. o Zhutňování aglomerace. o Úprava třídění, drcení, briketování. Paliva : dle skupenství : o pevná dřevo, dřevěné uhlí, hnědé uhlí, černé uhlí, koks o tekutá nafta, dehtové oleje apod. o plynná plyn zemní, koksový, vysokopecní elektrická energie. Tavidla a struskotvorné přísady mají za úkol převést minerální látky doprovázejicí rudu ve strusku lehce tavitelnou.dalším úkolem je vytvořit ve vysoké peci neutrální prostředí, protože rudy mají buď kyselý nebo zásaditý charakter. Vysoká pec zařízení k výrobě surového železa. Železné rudy se redukují oxidem uhelnatým a uhlíkem z paliva za přítomnosti tavidla při vysoké teplotě. Její hlavní části: o sazebna (kychta) o šachta o sedlo (rošt, rozpora) 5
o větrovod o nístěj o podstava Ohřívače vzduchu (Cowpery). Provoz do vysoké pece se průběžně naváží ruda, palivo a tavidla v předem stanoveném poměru. Za vysoké teploty (až 1600 C) probíhá fyzikálněchemický tavicí proces. Produkty vysoké pece : surové železo, struska, vysokopecní plyn. 3.1 Doporučená literatura ke studiu PTÁČEK, L. Nauka o materiálu I a II. Brno: CERM, 2000 a 2001. 218 a 264 s. PŘIKRYL, Z. Technologie obrábění. Praha: SNTL, 1985. 228 s. VLACH, B. Mezní stavy materiálů, zkoušení mechanických charakteristik materiálů. Brno: VUT, 2002. 226s. POKLUDA, B. a kol. Mechanické vlastnosti a struktura pevných látek. Brno: PC- DIR,1994. 236 s. STIBOR, K. Materiály a technologie kovy 6
4. Výroba a vznik oceli, ocelářský provoz. Ocel se vyrábí v ocelárnách ze surového železa v tekutém stavu. Účelem ocelářského zkujňovacího procesu je snížení obsahu příměsí obsažených v surovém železe na hodnotu obvyklou a úprava chemického složení.jedná se v podstatě o oxidační proces, kdy nežádoucí prvky jsou spalovány. Hlavním požadavkem je odstranění síry (S) a fosforu (P). Na konci ocelářského procesu se upravuje chemické složení přidáním legujících přísad. Ocelářská zařízení : konvertory Thomasův konvertor, kyslíkový konvertor (LD proces) Siemens-Martinova pec elektrické pece kelímkové pece Po ukončení tavby je v oceli rozpuštěno značné množství kyslíku (O). Snížení obsahu na žádoucí úroveň se provádí přidáním desoxidačních prostředků nebo hliníkem. Podle stupně odkysličení rozlišujeme oceli uklidněné, neuklidněné nebo polouklidněné. 4.1 Doporučená literatura ke studiu PTÁČEK, L. Nauka o materiálu I a II. Brno: CERM, 2000 a 2001. 218 a 264 s. DOSEDLA, Z. Materiály a technologie. Brno: MU, 2000. 62 s. VONDRÁČEK, F. Materiály a technologie I a II. Praha: SPN, 1986. 244 a 245 s. PŘIKRYL, Z. Technologie obrábění. Praha: SNTL, 1985. 228 s. KŘÍŽ, R. Materiály letadel. Praha: NADAS, 1987. 132 s. STIBOR, K. Materiály a technologie kovy 7
5. Krystalická skladba kovů metalografie. Kovy a jejich slitiny jsou vždy látkami krystalickými. Jsou složeny z jednotlivých krystalů. V nichž jsou atomy v prostoru uspořádány podle určitého geometrického pořádku a vzniká tak prostorová nebo krystalická mřížka. Základem mřížky je buňka, jejímž opakováním vzniká celá mřížka. Každou základní buňku můžeme zařadit do některé z krystalických soustav. Technicky významné kovy krystalují nejčastěji v soustavě krychlové (kubické), nebo šesterečné (hexagonální) či čtverečné (tetragonální). Nedokonalosti skutečné mřížky. Skutečné krystaly kovů nemají mřížku dokonalou, geometricky přesnou. Během krystalizace a při dalším zpracování vznikají další poruchy které nazýváme dislokace. Přeměna taveniny v tuhou fázi neprobíhá v celé hmotě najednou. Vznikají zárodky, které rostou přísunem atomů z taveniny tak dlouho, až zárodky přerostlé v krystaly vyplní celý objem soustavy a kapalná fáze zmizí. Většina kovů je v tekutém stavu dokonale mísitelná. V tuhém stavu tomu tak není. Atomy přísadového prvku obsadí všechna místa krystalové mřížky základního kovu. Mohou tak vznikat různé typy slitin. Podle rozpustnosti v tekutém a tuhém stavu lze rozdělit rovnovážné soustavy na několik typů soustav. Při sledování tavicího procesu a typů krystalů tak můžeme získat rovnovážné diagramy, které jsou podkladem k dalšímu využití materiálu. 5.1 Doporučená literatura ke studiu PTÁČEK, L. Nauka o materiálu I a II. Brno: CERM, 2000 a 2001. 218 a 264 s. DOSEDLA, Z. Materiály a technologie. Brno: MU, 2000. 62 s. VONDRÁČEK, F. Materiály a technologie I a II. Praha: SPN, 1986. 244 a 245 s. PŘIKRYL, Z. Technologie obrábění. Praha: SNTL, 1985. 228 s. VLACH, B. Mezní stavy materiálů, zkoušení mechanických charakteristik materiálů. Brno: VUT, 2002. 226s. POKLUDA, B. a kol. Mechanické vlastnosti a struktura pevných látek. Brno: PC- DIR,1994. 236 s. 8
KŘÍŽ, R. Materiály letadel. Praha: NADAS, 1987. 132 s. STIBOR, K. Materiály a technologie kovy 9
6. Neželezné kovy. Skupina neželezných kovů zahrnuje, jak již z názvu vyplývá, všechny kovy kromě železa. Toto třídění prošlo určitým vývojem a hlavním kritériem je teplota tání, chemické vlastnosti, hustota apod. Většina rud těžených neželezných kovů obsahuje málo procent užitkového kovu. Proto jsou tyto rudy před vlastním zpracováním upravovány na koncentráty. Mezi nejčastější úpravy řadíme drcení, mletí, třídění, pražení a flotační úpravy. Poté nastává vlastní výroba čistého kovu, jehož čistota dosahuje až 99,999 % ryzosti. Nejrozšířenější rozdělení, jež je přijatelné žáku je, že máme : lehké kovy barevné kovy 6.1 Lehké kovy Hlavním představitelem je hliník (Al). Jeho výroba začíná v roce 1890 a spočívá z výroby oxidu hlinitého a v druhé fázi z elektrolýzy, při které vzniká čistý hliník. Čistý hliník pro své nevhodné mechanické vlastnosti nemá kromě elektrotechniky významného využití ve strojírenství. Proto se používají jeho slitiny, kdy se přidává křemík, hořčík,měď, zinek a mangan. Mohou tak vznikat binární nebo komplexní slitiny, které mají velmi dobré mechanické vlastnosti při zachování velmi dobrých elektrických vlastností. 6.2 Barevné kovy Hlavním představitelem je měď (Cu). Měď je známá již velmi dlouho a pro své dobré mechanické vlastnosti je velmi rozšířená. Podle stupně rafinace máme měď hutní nebo elektrovodnou a prostou kyslíku. Taktéž měď se používá ve slitinách a hlavními přísadovými prvky je buď zinek (Zn) dostáváme tak mosazi, nebo přísadou je cín (Sn) a dostáváme tak bronzi. Vzniká tak velmi veliké množství slitin s rozmanitými mechanickými vlastnostmi a širokou škálou použití. 10
6.3 Doporučená literatura ke studiu PTÁČEK, L. Nauka o materiálu I a II. Brno: CERM, 2000 a 2001. 218 a 264 s. DOSEDLA, Z. Materiály a technologie. Brno: MU, 2000. 62 s. VONDRÁČEK, F. Materiály a technologie I a II. Praha: SPN, 1986. 244 a 245 s. PŘIKRYL, Z. Technologie obrábění. Praha: SNTL, 1985. 228 s. VLACH, B. Mezní stavy materiálů, zkoušení mechanických charakteristik materiálů. Brno: VUT, 2002. 226s. POKLUDA, B. a kol. Mechanické vlastnosti a struktura pevných látek. Brno: PC- DIR,1994. 236 s. KŘÍŽ, R. Materiály letadel. Praha: NADAS, 1987. 132 s. STIBOR, K. Materiály a technologie kovy 11
7. Prášková metalurgie. Prášková metalurgie je jedním z velmi mladých oborů, vznikajících ve 30.letech min. století. Významného rozšíření dosahuje po r. 1945. Její podstatou je rozemletí kovů a nekovů na velmi jemný prášek, jeho slisování, spečení (slinování) a dokončovací operace. Prášky se vyrábějí mechanickým způsobem nebo pochody chemickými a fyzikálněchemickými. Následuje třídění podle hrubosti na odpovídající šarže. Další operací je lisování, kterou získáme výlisek v podstatě s finálním tvarem. Následuje spékání neboli slinování výlisků, kdy se výlisky zahřívají v peci s ochrannou atmosférou na teplotu cca o 40 o C nižší než je teplota tavení hlavního kovu. Dochází ke spojení jednotlivých zrn a následuje obvykle kalibrování, kdy výlisek dosáhne přesný tvar a rozměr. Kombinací prášků z nejrůznějších kovů nebo i nekovů získáváme materiály s nejrůznějšími vlastnostmi. Od pórovitých až po velmi tvrdé, zachovávající si pevnost i za zvýšených teplot. 7.1 Doporučená literatura ke studiu PTÁČEK, L. Nauka o materiálu I a II. Brno: CERM, 2000 a 2001. 218 a 264 s. DOSEDLA, Z. Materiály a technologie. Brno: MU, 2000. 62 s. VONDRÁČEK, F. Materiály a technologie I a II. Praha: SPN, 1986. 244 a 245 s. PŘIKRYL, Z. Technologie obrábění. Praha: SNTL, 1985. 228 s. VLACH, B. Mezní stavy materiálů, zkoušení mechanických charakteristik materiálů. Brno: VUT, 2002. 226s. POKLUDA, B. a kol. Mechanické vlastnosti a struktura pevných látek. Brno: PC- DIR,1994. 236 s. KŘÍŽ, R. Materiály letadel. Praha: NADAS, 1987. 132 s. 12
STIBOR, K. Materiály a technologie kovy 13
8. Slévárenství zpracování kovů v tekutém stavu. Vyplněním dutiny vhodného tvaru roztaveným kovem taveninou- vznikne po zchladnutí odlitek. Dutina, zvaná forma má přibližný tvar a velikost konečného výrobku a následným opracováním získáme konečný výrobek. Forma bývá zhotovena ze slévárenských písků, keramiky nebo kovu. Přesnost odlitku odpovídá druhu formy. Nejméně přesný je odlitek do písku, nejpřesnější jsou do kovové formy. Kovy kterými jsou plněny formy mohou být nejrůznějšího složení a tedy i teploty tavení. 8.1 Doporučená literatura ke studiu PTÁČEK, L. Nauka o materiálu I a II. Brno: CERM, 2000 a 2001. 218 a 264 s. DOSEDLA, Z. Materiály a technologie. Brno: MU, 2000. 62 s. VONDRÁČEK, F. Materiály a technologie I a II. Praha: SPN, 1986. 244 a 245 s. PŘIKRYL, Z. Technologie obrábění. Praha: SNTL, 1985. 228 s. VLACH, B. Mezní stavy materiálů, zkoušení mechanických charakteristik materiálů. Brno: VUT, 2002. 226s. POKLUDA, B. a kol. Mechanické vlastnosti a struktura pevných látek. Brno: PC- DIR,1994. 236 s. KŘÍŽ, R. Materiály letadel. Praha: NADAS, 1987. 132 s. STIBOR, K. Materiály a technologie kovy 14
9. Třískové opracování kovů. Třískové obrábění je technologický proces, kterým vytváříme povrchy obrobku určitého tvaru, rozměru, jakosti odebíráním částic kovu pochody mechanickými, elektrickými, chemickými apod. U řezného pohybu rozeznáváme pohyb: hlavní vedlejší Mechanické oddělování rozdělujeme na: ruční strojní 9.1 Ruční opracování pilování řezání sekání 9.2 Strojní opracování vrtání soustružení frézování hoblování obrážení broušení Hlavním parametrem je řezná rychlost což je rychlost odebírání třísky. Udává se v m/min, pouze u broušení se udává v m/sec.její hodnota je odvislá na druhu opracování, nástroji a jeho mechanických vlastnostech a kvalitě opracovávaného materiálu. 15
9.3 Doporučená literatura ke studiu PTÁČEK, L. Nauka o materiálu I a II. Brno: CERM, 2000 a 2001. 218 a 264 s. DOSEDLA, Z. Materiály a technologie. Brno: MU, 2000. 62 s. VONDRÁČEK, F. Materiály a technologie I a II. Praha: SPN, 1986. 244 a 245 s. PŘIKRYL, Z. Technologie obrábění. Praha: SNTL, 1985. 228 s. VLACH, B. Mezní stavy materiálů, zkoušení mechanických charakteristik materiálů. Brno: VUT, 2002. 226s. POKLUDA, B. a kol. Mechanické vlastnosti a struktura pevných látek. Brno: PC- DIR,1994. 236 s. KŘÍŽ, R. Materiály letadel. Praha: NADAS, 1987. 132 s. STIBOR, K. Materiály a technologie kovy 16
10. Beztřískové zpracování kovů. Technologie beztřískového zpracování je velmi stará. Do dnešní doby však neztratila nic na své jedinečnosti. Při její realizaci dochází k přemísťování objemu kovu. Během procesu dochází k přeměně hmoty materiálu na polotovar ale současně i k úpravě struktury, dochází ke zhutnění materiálu a k jeho zpevnění. Beztřískové zpracování probíhá za studena a za tepla. Výhodou beztřískového zpracování je úspora materiálu a velmi malé procento (cca 5 %) odpadu. Dalšími klady je krátký výrobní čas, zlepšené mechanické vlastnosti, přesnost výrobku. Hlavní druhy beztřískového zpracování jsou: stříhání ohýbání tažení tlačení plošné ražení protlačování tažení objemové pěchování kování válcování Novými směry v beztřískovém zpracování materiálu je tváření vysokými deformačními rychlostmi touto metodou lze zpracovávat tvrdé i křehké materiály. Dále tváření výbuchem lze provádět i veliké dílce a posledním směrem je elektromagnetickým impulsem. 10.1 Doporučená literatura ke studiu PTÁČEK, L. Nauka o materiálu I a II. Brno: CERM, 2000 a 2001. 218 a 264 s. DOSEDLA, Z. Materiály a technologie. Brno: MU, 2000. 62 s. VONDRÁČEK, F. Materiály a technologie I a II. Praha: SPN, 1986. 244 a 245 s. 17
PŘIKRYL, Z. Technologie obrábění. Praha: SNTL, 1985. 228 s. VLACH, B. Mezní stavy materiálů, zkoušení mechanických charakteristik materiálů. Brno: VUT, 2002. 226s. POKLUDA, B. a kol. Mechanické vlastnosti a struktura pevných látek. Brno: PC- DIR,1994. 236 s. KŘÍŽ, R. Materiály letadel. Praha: NADAS, 1987. 132 s. STIBOR, K. Materiály a technologie kovy 18