Dělení technických materiálů, svařování speciálních materiálů HARDOX, WELDOX. Studijní opora. Dělení technických materiálů. Ing. Petr Fojtík IWE, IWP

Studijní opora

Dělení technických materiálů, svařování speciálních materiálů HARDOX, WELDOX.

Studijní opora Dělení technických materiálů

Ing. Petr Fojtík IWE, IWP

1

Studijní opora


Obsah Úvod : ......................................................................................................................................... 4 1

Pouţité jednotky, zkratky a veličiny .................................................................................. 6

2

Technické materiály ........................................................................................................... 7 2.1

3

Základní chemické sloţení materiálů .......................................................................... 7

Kovové materiály ............................................................................................................. 11 3.1

Vlastnosti kovových materiálů .................................................................................. 12

3.2

Historie výroby kovových materiálů ........................................................................ 14

3.3

Současná výroba ţeleza – základní informace .......................................................... 17

3.3.1 3.4

4

5

6

Nové postupy výroby ţeleza z rud ..................................................................... 19

Od ţeleza k oceli........................................................................................................ 21

3.4.1

Kyslíkový konvertor ........................................................................................... 22

3.4.2

Elektrická oblouková pec (EOP) ........................................................................ 23

3.4.3

Elektrická indukční pec (EIP) ............................................................................ 24

Technologie zpracování kovových materiálů – Odlévání. ............................................... 28 4.1.1

Gravitační způsob odlévání ................................................................................ 29

4.1.2

Přesné lití na vytavitelný model. ........................................................................ 29

4.1.3

Odstředivý způsob odlévání. .............................................................................. 33

4.1.4

Tlakový způsob odlévání – moderní kontinuální lití. ........................................ 36

4.1.5

Základní pojmy, krystalizace, zabíhavost .......................................................... 39

4.1.6

Vady při odlévání – příklady z praxe ................................................................. 41

Renovace a odstraňování licích vad pomocí svařování.................................................... 42 5.1.1

Zásady renovace – svařováním elektrickým obloukem. ................................... 44

5.1.2

Renovace Al odlitků. .......................................................................................... 45

Tepelné dělení (řezání) technických materiálů ................................................................ 49 6.1

Metody tepelného a studeného dělení kovů dle ČSN EN ISO 4063 ......................... 51

6.2

Historie řezání kyslíkem ............................................................................................ 52

6.3

Kyslíkové kopí ........................................................................................................... 52

6.3.1 6.4

Technické plyny a jejich čistota při dělení materiálů ......................................... 54

Řezání kyslíko-acetýlenovým plamenem .................................................................. 55

6.4.1

Tlaková nádoba s technickým plynem ............................................................... 56 2

Studijní opora


6.4.2

Tlakové hadice pro rozvod plynů ....................................................................... 59

6.4.3

Redukční ventil .................................................................................................. 60

6.4.4

Zařízení proti zpětnému šlehnutí ........................................................................ 61

6.4.5

Technologie procesu spalování – Principy......................................................... 64

6.5

Alternativní hořlavé plyny ......................................................................................... 66

6.6

Bezpečnost práce při dělení materiálu ....................................................................... 68

6.7

Dělení vodním paprskem ........................................................................................... 68

6.7.1 6.8

Dělení vodním paprskem bez abraziva .............................................................. 69

Dělení vodním paprskem s abrazivem....................................................................... 70

6.8.1

Přednosti řezání vodním paprskem oproti konvenčním technologiím ............... 73

Nedestruktivní zkoušení materiálu ................................................................................... 75

7

7.1

Metoda vizuální ......................................................................................................... 77

7.2

Metoda penetrační ..................................................................................................... 77

7.3

Metoda magnetická .................................................................................................... 78

7.4

Metoda rentgenová a ultrazvuková............................................................................ 81

8

Časový harmonogram kurzu ............................................................................................ 84

9

Seznam obrázků ............................................................................................................... 90

10

Seznam tabulek ................................................................................................................ 92

11

Vyjádření odborného garanta ........................................................................................... 93

3

Studijní opora


Úvod : Cílem studijní opory „dělení technických materiálů“ je seznámit se jednotlivými technologiemi a moţnostmi uplatnění jednotlivých způsobů dělení technických materiálů pomocí, kyslíko-acetylénového, kyslíko-propylénového plamene a vodního paprsku. Pro pochopení zákonitostí a některých důleţitých souvislostí začneme popisem jednotlivých materiálů, jejich výrobou a způsoby zpracování. Budeme si charakterizovat způsoby dělení kovových materiálů, materiálů z lehkých slitin, bronzů a mosazí. Rozdělíme si jednotlivé technické materiály dle vhodnosti pouţití jednotlivých metod „řezání – dělení“. Důkladně si popíšeme nejpouţívanější technologie dělení technických materiálů včetně jejich výhod a zdůrazníme si i jejich slabší stránky či nevýhody v konkrétních aplikacích. Cílem dále bude i určitá sumarizace základních pojmů z problematiky technických materiálů a vytvoření pomůcky pro učitele vyučující odborné předměty strojírenského zaměření. Pro koho je studijní opora určena je určen učitelům odborných předmětů, odborného výcviku a praktického vyučování a vedoucím školních týmů středních odborných škol. Studijní opora se dělí na kapitoly, které odpovídají logickému dělení probírané látky, ale nejsou stejně obsáhlé a předpokládaná doba studia se můţe výrazně lišit, proto jsou velké kapitoly dále děleny na očíslované podkapitoly, kterým odpovídá následující struktura. Při studiu kaţdé kapitoly doporučuji následující postup:

Čas ke studiu : x hodin.

Na úvod kapitoly je uveden čas potřebný pro prostudování látky. Určený čas má je informativní úlohu a odvíjí se od skutečnosti zda-li se účastníci školení jiţ z danou problematikou setkali či mají jiţ v tomto oboru bohaté zkušenosti.

4

Studijní opora


Cíl: po prostudování tohoto odstavce budete umět:

 popsat  definovat  vyřešit

Výklad: Následuje vlastní výklad probírané látky, zavedení nových pojmů vše doprovázeno tabulkami, obrázky

Použité názvosloví: Zde jsou vybrány technické výrazy, které se nacházejí v probírané kapitole studijní opory a mají klíčový význam pro širší pochopení problematiky.

Kontrolní otázky: Pro ověření zda-li jste dobře a úplně látku zvládli je připraveno několik teoretických otázek.

Seznam použité literatury: Citovaná leteratura s odkazem na stranu citace ve studijní opoře.

Seznam obrázků a tabulek : Číslovaný seznam obrázků a pouţitých tabulek je pro přehlednost umístěn na závěr studijní opory.

5

Studijní opora


1 Použité jednotky, zkratky a veličiny 1 bar 1 bar 1 kPa 1 kPa 1% 1 ‰.

= = = = = =

100 kPa 14,50 psi 0,01 bar 0,1450 psi 10 000 ppm 1 000 ppm

Převody jednotek : z

na

x koeficient

/h Lpm bar bar bar

Lpm /h kPa (kilopascal) Mpa (megapascal) psi

kPa MPa

bar bar

16.7 0. 06 100 0. 1 14.5 (libra na čtverečný palec) 0. 01 10

6

Studijní opora


2 Technické materiály

1 hodina

Cílem této kapitoly je seznámení se se základním rozčleněním technických materiálů dle různých kritérií a moţností uplatnění. Jde o pochopení celkové problematiky technických materiálů především pro vyuţití tepelného dělení a dělení vodním paprskem.

Výklad:

2.1 Základní chemické složení materiálů Všechny pevné látky které člověk vyuţívá na výrobu strojů, přístrojů, konstrukcí, technologických zařízení, nástrojů a uţitkových předmětů se nazývají TECHNICKÉ MATERIÁLY. Chemické složení hraje velmi důleţitou roli pro jejich technické uplatnění a vyuţitelnost. Pro příklad se často uvádí rozdíly v chemickém sloţení surového ţeleza a oceli. PRVEK C SI Mn S P

OBSAH PRVKŮ ( hm.% ) SUROVÉ ŢELEZO 3,5 – 4,5 cca 2 cca 1 cca 0,1 cca 0,1

OCEL 0,05 – 2,0 0,5 1,0 0,05 0,05

Tabulka 1 Obsah prvků surové železo – ocel

Chemickým sloţením můţeme velmi podstatně ovlivnit výsledné vlastnosti vyráběného materiálu. Proces nazýváme legování. Je to vlastní postup při výrobě ocelí, kterým dosahujeme ţádaných vlastností ocelí přidáním legujících přísad. Prvky s malou afinitou ke kyslíku můţeme přidávat přímo do vsázky a prvky snadno okysličené aţ po dokončení tavby.

7

Studijní opora


Zástupci legujících přísad :  Mangan : patří mezi austenitotvorné prvky.Pokud slitina obsahuje více neţli 35% manganu zůstává autenit zachován i při pokojové teplotě a slitiny austenitickou nemagnetickou strukturu. Mangan rozpuštěný ve feritu zvyšuje jeho pevnost a sniţuje taţnost. Pouţívá se velmi často k legování konstrukčních ocelí, protoţe je levný a snadno dostupný. Běţně se pouţívá aţ do obsahu 2%.  Křemík : patří mezi feritotvorné prvky. Křemík netvoří v ocelích karbidy, ale úplně se rozpouští ve feritu, jehoţ pevnost zvyšuje. Aţ do obsahu 0,5 % se křemík nepovaţuje za legovací prvek, ale za dezoxidační přísadu.  Chrom : patří mezi feritotvorné prvky. Pouţívá se v nerezových ocelích, kdy zaručuje pasivaci povrchu při styku s oxidačním prostředím, musí být však v tuhém roztoku rozpuštěno monimálně 11,7 % chromu. Chrom zvyšuje také prokalitelnost a pevnost.  Nikl : patří mezi austenitotvorné prvky. Nikl zvyšuje pevnost více neţ chrom, ale méně neţ mangan a křemík. Nikl je však drahý, proto není zvýšení pevnosti úměrné ceně. Nikl se pouţívá hlavně v ocelích, které mají vysokou houţevnatost zejména při nízkých teplotách.  Molybden: patří mezi feritotvorné prvky. Část molybdenu se rozpouští ve feritu, jehoţ tvrdost zvyšuje, část tvoří karbidy.U zušlechtěných ocelí sniţuje přísada molybdenu 0,2 – 0,3 % vysokoteplotní popouštěcí křehkost.  Wolfram : patří mezi feritotvorné prvky a je také karbidotvorný.U nízkolegovaných ocelí zjemňuje wolfram lamely perlitu, takţe zvyšuje pevnost.Wolfram se pouţívá jako legura u ţárupevných ocelí.  Vanad : patří mezi silně feritotvorné prvky. Vanad tvoří s uhlíkem velmi stabilní karbid VC. Karbidy vanadu mají vysokou tvrdost, pohybující se okolo 2500HV. V ocelích na zušlechťování bývá obsah vanadu asi 0,1 %.Vyšší obsah vanadu mají ţárupevné oceli a oceli odolné proti vodíkové korozi.  Bor : je částečně rozpuštěn v ocelích jako precipitát na hranicích sekundárních austenitických zrn v rozmezí 0,021% v austenitu a 0,001% ve feritu.Vliv boru na prokalitelnost ocelí je alespoň 100 krát větší neţ u ostatních prvků (Ni,Mn,Cr,Mo).  Niob : tvoří s uhlíkem karbid NbC. Pokud je v oceli rozpuštěn současně i dusík, zvoří se karbonitrid NbX (N,C)Y. Niob po precipitačním vytvrzování (mezi 500 aţ 600 oC) podstatně zvyšuje mez kluzu. Optimální mnoţství niobu se pohybuje mezi 0,02 aţ 0,06%.  Titan : tvoří v ocelích stabilní karbid, nitrid nebo karbonitrid. Ocel vytvrzuje v důsledku tvorby precipitátů podobně jako niob. Obsah titanu se pohybuje nejčastěji okolo 0,08%.

8

Studijní opora


Pro přehlednost a základní orientaci mezi jednotlivými technickými materiály lze pouţít zjednodušený přehled. Přehled kategorií technických materiálů užívaných ve strojírenství ŢELEZNÉ

KOVOVÉ

OCELI LITINY SPECIÁLNÍ LITINY TĚŢKÉ BAREVNÉ LEHKÉ PŘÍSADOVÉ

NEŢELEZNÉ

NEKOVOVÉ

PLASTY DŘEVO SKLO KERAMIKA

PORCELÁN KAMENINA TAVENÝ ČEDIČ

KŮŢE AZBEST TEXTILIE PAPÍR Tabulka 2 Přehled technických materiálů užívaných ve strojírenství

Kovové materiály však mají pro strojírenství zásadní a nenahraditelný význam. Vedle paliv a energie zaujímají kovové materiály jedno ze základních míst ve světové ekonomice pro své specifické vyuţití ve strojírenství, elektrotechnice, stavebnictví i dalších oblastech hospodářství. (1)

Pouţité názvosloví :  Technický materiál  Kovový materiál  Chemické sloţení

9

Studijní opora


Kontrolní otázky kapitoly 1.     

Co je to technický materiál? Do jaké kategorie patří litiny ? Jaké znáte nekovové materiály ? Které materiály povaţujete za nejdůleţitější a průmyslově nejvyuţívanější ? Co je to legování materiálu

10

Studijní opora


3 Kovové materiály 4 hodiny

Cílem kapitoly je základní popis a rozčlenění této kategorie technických materiálů. Cílem dále bude popsání jejich základních veličin a jednotek u chemických, fyzikálních, mechanických a technologických vlastností.

Výklad:

U kovových materiálů je hlavní sloţkou kovový prvek Fe, Cu, Al, atd. Jelikoţ stále platí, ţe prakticky nelze vyrobit kov v absolutní čistotě, vţdy se jedná o slitiny více kovů, popřípadě kovů a nekovů. Pro řezání (dělení) materiálů je nutná znalost bliţší specifikace. Jednotlivé technologie lze pouţít pouze pro některé aplikace. Popis a znalosti materiálů jejich struktury a chování je zásadní a podstatně ovlivňují procesy tepelného i netepelného dělení. Výraz slitina znamená, ţe materiál vznikl společným roztavením a následným ztuhnutím (slitím) více sloţek. Příměsi jsou buď povaţovány za nečistoty, nebo jsou záměrně přidávány za účelem zlepšení zejména mechanických vlastností. Kovové materiály jsou důleţité a univerzální technické materiály. Člověk tyto materiály vyuţívá prakticky ve všech odvětvích. Obrovskou výhodou kovových materiálů je jeho univerzalita. Je to především velká rozmanitost vlastností, které mohou nabývat. Vyuţívají se materiály, které mají velmi nízkou teplotu tání ( tepelné pojistky ), niţšími neţ 100 °C, ale také vysokotavitelné materiály s teplotami tání nad 2000 °C ( topná tělesa, vlákna ţárovek ). Dále také existují materiály velmi měkké a tvárné a naproti tomu máme i kovové materiály extrémně pevné ( titan ). Ţádná skupina materiálů nemění své vlastnosti v tak širokých mezích jako kovové materiály. Teplota tání čistého ţeleza je 1 539 oC.

11

Studijní opora


Člověk vyuţívá znalosti metalurgie a výroby kovových materiálů více neţ tisíc let. Tyto zkušenosti dovolují vyrobit materiál přímo na míru pro danou aplikaci z čehoţ také vyplývá relativně velké mnoţství kategorií a skupin modifikací. (2)

3.1 Vlastnosti kovových materiálů Kovové materiály se vyznačují charakteristickými vlastnostmi, které mají velký význam pro jejich vyuţití a aplikaci.

 Chemické vlastnosti Mezi chemické vlastnosti, které vyjadřují chování a odolnost kovových materiálů v různém pracovním prostředí a za různých teplot patří: korozivzdornost ( odolnost proti koroznímu činidlu )

ţáruvzdornost ( odolnost proti vysokým teplotám )

ţárupevnost ( pevnost při tečení za zvýšených teplot )

odolnost proti abrazi, erozi a kavitaci Tabulka 3 Chemické vlastnosti kovových materiálů

 Fyzikální vlastnosti Mezi fyzikální vlastnosti, které vyjadřují vnitřní stavbu materiálu a jeho chování v návaznosti na působení fyzikálních jevů patří: měrná hmotnost ( Fe 7870 kg.

)

teplota tání ( Fe 1539 °C )

tepelná roztaţnost (

)

tepelná vodivost ( W.

.

)

měrný elektrický odpor ( Ω.m ) Tabulka 4 Fyzikální vlastnosti kovových materiálů

12

Studijní opora


 Mechanické vlastnosti Mechanické vlastnosti vyjadřují odolnost materiálů vůči různým druhům namáhání.

pevnost ( MPa )

tvrdost ( HB,HRC,HV )

houţevnatost ( J.cm-2 )

taţnost, kontrakce ( % )

Tabulka 5 Mechanické vlastnosti kovových materiálů

 Technologické vlastnosti Mezi technologické vlastnosti, které vyjadřují vhodnost materiálu pro určitý způsob technologického zpracování, patří:

   

Slévatelnost Tvařitelnost Svařitelnost Obrobitelnost

Tabulka 6 Technologické vlastnosti kovových materiálů

(3)

    

Kovový prvek Slitina Legování. Korozivzdornost Ţáruvzdornost 13

Studijní opora


 Odolnost proti abrazi, erozi a kavitaci  Měrná hmotnost, teplota tání , tepelná roztaţnost, tepelná vodivost, měrný elektrický odpor  Pevnost, tvrdost, houţevnatost, taţnost, kontrakce

Kontrolní otázky kapitoly 2 -2.1  Popište termín slitina.  Kovové materiály mění své vlastnosti ve velmi široké oblasti, která se vyuţívá hojně v průmyslu – víte které například ?  Patří ţárupevnost mezi chemické vlastnosti kovových materiálů ?  Jaká je teplota tání čistého ţeleza ?  Vyjmenujte zástupce mechanických vlastností kovových materiálů.  Jaké znáš technologické vlastnosti kovových materiálů ?

3.2 Historie výroby kovových materiálů Cílem kapitoly je vytvoření historického náhledu na výrobu kovových materiálů, pochopení základních principů a vytvoření určité historické linie od počátků aţ k dnešním dnům. Budeme se také zabývat struskotvornými přísadami, které začali rafinovat technické ţelezo a dále sledovat proces získávání stále průmyslově vyuţitelnějšího technického materiálu. Dále se v této kapitole budeme zabývat také základními chemickými procesy při výrobě ţeleza. Ţelezo je lidstvu známo jiţ od prehistorické doby, avšak ne všechny nálezy v přírodě lze pokládat za lidské výtvory. Ţelezné kuličky staré 6000 let, které se nachází v přírodě, jsou meteorického původu.

Obrázek 1 železný meteorit

14

Studijní opora


Ani později nalezené vzorky, které vznikly redukcí rud obsahujících ţelezo dřevěným uhlím, nelze povaţovat za odlité člověkem, protoţe bez pouţití měchů nelze dosáhnout patřičné teploty pro jeho redukci. (4) První ţelezo vzniklé činností člověka, které bylo moţno opracovávat kovářským způsobem, je houbovité železo, které vzniklo nízkoteplotní redukcí ţelezné rudy v zkujňovacím ohništi. Železná ruda se zahřívala v mělkých jamách s velkým přebytkem dřevěného uhlí rozdmýchávaného měchem. Získaly se tak slinuté kusy kujného ţeleza, které se stavovaly mocným kováním. S tímto způsobem výroby ţeleza se setkáváme prvně u Chetitů ve třetím tisíciletí před naším letopočtem. Chetité výrobu ţeleza velmi dobře střeţili a k jeho rozšíření tak došlo teprve po rozpadu Chetitské říše někdy okolo roku 1200 př. n. l., kdy začíná doba ţelezná. (5) Za pomoci dmýchání vzduchu měchy byla v jámové peci dosahována relativně nízká teplota asi do 1200-1300°C. Proto se na základě nálezů soudí, ţe se snad mohla ruda před tavením také upravovat praţením a přidáním vápence, jako struskotvorné přísady. Vápence jsou po jílových a pískových sedimentech třetí nejhojnější sedimentární horninou. Většina vápenců vznikla v mořích a na jejich genezi se podílely horninotvorné organismy. Vápence vznikaly i ve sladkých vodách, v jezerech, řekách i jeskyních (formou krápníků). 1 t ţeleza 150 – 1600 kg vápence. (6) Vápenec (CaCO3 ) totiţ sniţoval bod tání strusky a zvyšoval její tekutost. Tavením při nízké teplotě docházelo k nedostatečné redukci rudy a aţ polovina ţeleza zůstávala v odpadu - ve strusce. Získané železo však bylo poměrně čisté - fosfor (P) zůstal částečně ve strusce, mangan (Mn) se redukoval jen málo a křemík (Si) téměř vůbec. Z rudy vytavené ţelezo nebylo ovšem v tekutém stavu, jako je tomu v dnešní výrobě, ale byla to hmota v kujném, těstovitém stavu, pokrytá silnou vrstvou strusky. Té se zbavovalo následným vyhříváním a vykováváním. Výsledkem bylo svářkové ţelezo s různým obsahem uhlíku. Technické železo ( Fe ) Čisté technické ţelezo je lesklý bílý kov s teplotou tavení 1539ºC. Technicky čistého ţeleza se pouţívá jen k některým zvláštním aplikacím. Jeho výroba je velmi obtíţná.

15

Studijní opora


Hlavní význam mají však slitiny ţeleza s uhlíkem a jinými prvky. Tyto doprovodné prvky, zejména uhlík ( C ), mění podstatně vlastnosti čistého ţeleza. Podle obsahu uhlíku se technická ţeleza rozdělují na ţeleza kujná a nekujná.

Obrázek 2 z rudy vytavené železo vytažené z pece.Foceno v Josefově u Adamova

Mezi základní kovářské techniky patří : Dělení a sekání - Provádělo se pomocí dlátovitých sekáčů a sekáčů s okem pro násadu. Můţeme tedy říci, ţe první kdo dělili kovové materiály byli středověcí kováři. (7)

      

Kovářský způsob výroby ţeleza Houbovité ţelezo Ţelezná ruda Vápenec (CaCO3) Technické ţelezo (Fe) Uhlík (C) Dělení a sekání

16

Studijní opora


 jakým způsobem bylo vyráběno první technické ţelezo ?  z jakého důvodu se do procesu výroby technického ţeleza dodává vápenec ?  má prvek uhlík (C) vliv na kujnost výsledného materiálu ?

3.3 Současná výroba železa – základní informace Základem současného hutnictví ţeleza je výroba surového ţeleza ve vysokých pecích. V nich se ţelezná ruda redukuje koksem a získává se nauhličené surové ţelezo s obsahem uhlíku asi 4 aţ 5 %. Snaha sníţit spotřebu metalurgického koksu je v současné době spojována i s výrobou syntetického surového ţeleza ze šrotu v náhradních agregátech, například v horkovětrných kuplovnách. Vysoká pec je velkoobjemová šachtová pec, pracující nepřetrţitě několik let. Pracovní prostor má tvar dvou komolých kuţelů, postavených většími základnami na sebe a ukončenými válci. Mezi hlavní části vysoké pece patří: sazebna, šachta, rozpor, sedlo, nístěj. Vsázka ve vysoké peci postupuje shora dolů, přitom se zahřívá vzhůru stoupajícím plynem, vysušuje se a probíhají v ní termické disociace, současně i redukce oxidů ţeleza. Kromě ţeleza se ze vsázky redukují i křemík, mangan a fosfor. Spolu s uhlíkem se rozpouštějí v ţeleze a vzniká tak surové ţelezo, stékájící do nístěje, odkud je v intervalech vypouštěno odpichovým otvorem do pojízdných pánví. Vysušování surovin probíhá v horní části pece za teplot 100 aţ 250 °C. 2H2O + C → CO2 + 2H2 H2O + C → CO + H2 Vysušování surovin je velmi důleţité pro zamezení infiltrace plynů do konečné suroviny. Tyto plyny jsou pro výrobu technického ţeleza neţádoucí a škodlivé. Chemickou reakcí se oddělují vodík (H2) a kyslík (O2) a dále do reakcí jiţ nevstupují. Rozklad vápence probíhá jiţ v teplotním rozmezí 300 aţ 900 °C. CaCO3 → CaO + CO2

17

Studijní opora


Redukce oxidů ţeleza postupně a její průběh záleţí na teplotě, za níţ probíhá. Při teplotách niţších neţ 570 °C se Fe2O3 (Hematit Krevel) redukuje na Fe3O4 (Magnetit )

Obrázek 3 Fe2O3 Hematit

Obrázek 4 Fe3O4 Magetit

Při teplotě nad 570 °C vzniká z Fe3O4 redukcí FeO a teprve oxid ţeleznatý se redukuje na ţelezo. Jako redukční prostředky ve vysoké peci působí uhlík, oxid uhelnatý a vodík. CO vzniká nepřímou cestou z hoření uhlíku koksu v oblasti výfučen a následnou redukcí vznikajícího CO2 ţhavým koksem. C + O2 → CO2 CO2 + C → 2CO

18

Studijní opora


Redukce oxidem uhelnatým se nazývá nepřímá a probíhá za teplot pod 570°C velmi omezeně: 3Fe2O3 + CO → 2 Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + 4CO → 3 Fe + 4CO2 K jejímu průběhu je nutný značný přebytek oxidu uhelnatého. Za teplot nad 570 °C probíhají reakce : 3Fe2O3 + CO → 2 Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + CO → 3 FeO + CO2 K redukci FeO dochází hlavně za vysokých teplot (nad 850 °C) : FeO + CO → Fe + CO2 Redukce uhlíkem – přímá redukce nemá ve vyšších částech pece podmínky, poněvadţ přímý styk uhlíku s oxidy ţeleza není dostatečný. Probíhá tedy hlavně za vysokých teplot ve spodní části pece v oblastech z roztavenou struskou a kovem: 3Fe2O3 + C → 2 Fe3O4 + CO Fe3O4 + C → 3 FeO + CO FeO + C → Fe + CO Ve vysoké peci jsou dobré podmínky pro odsíření ţeleza tím, ţe síra je vyvázána do strusky ve formě CaS nebo MnS. FeS + CaO + C → Fe + CaS + CO Struska se dále vyuţívá pro výrobu cementu a štěrku.

3.3.1 Nové postupy výroby železa z rud Přímá výroba ţeleza se vyvíjí postupně s poznatky o ekologii a ekonomice provozu ţelezáren. Přímá způsoby výroby ţeleza jsou charakteristické niţší pracovní teplotou neţ je teplota tavení produktu, nízkým nauhličením kovu (obvykle do 1,5 %C) a vznikem pórovité ţelezné houby, která si buď ponechává tvar výchozích kusů rudy nebo je práškovitá. Šachtová pec : pochody probíhající při výrobě ţelezné houby se dosti podobají dějům z horní části vysoké pece (do teploty 1000°C). V peci jsou zavezeny pelety nebo kvalitní kusová ruda tak, aby vsázka byla prostupná plynem.

19

Studijní opora


Není tam koks ani ţádné jiné palivo, redukčním činidlem je plyn, který je současně nositelem tepla. Redukční plyn se vyrábí konverzí zemního plynu např. pomoci CO2 CH4 + CO2 → 2 CO + 2 H2 (1)

Obrázek 5 Surové železo

         

Redukce Vysoká pec Sazebna, šachta, rozpor, sedlo, nístěj Vsázka Vysušování surovin Rozklad vápence Nepřímá redukce Přímá redukce Odsíření ţeleza Struska

20

Studijní opora


 Jak se nazývá velkoobjemová šachtová pec, pracující nepřetrţitě několik let, jejíţ pracovní prostor má tvar dvou komolých kuţelů, postavených většími základnami na sebe a ukončenými válci ?  Jaký je účel vysušování surovin ?  Jak se nazývá Fe2O3  Jakým mechanismem dochází k odsíření technického ţeleza ?

3.4 Od železa k oceli Cílem kapitoly je popis technického materiálu oceli, základy metalurgie, zkujňování a jednotlivých technologií výroby. Ocel je vzhledem k výhodným chemickým, fyzikálním, mechanickým a technologickým vlastnostem nejdůleţitějším druhem technického ţeleza. Definice ocelí podle ČSN 10020: Ocel je soustava prvků, u které hmotnostní podíl ţeleza je větší neţ u kteréhokoliv jiného prvku a která všeobecně vykazuje méně neţ 2 % uhlíku a přičemţ obsahuje i jiné prvky. Metalurgie výroby oceli : Ocel se vyrábí zkujňováním surového ţeleza, coţ je spalování uhlíku a neţádoucích prvků (síry, fosforu) vysokou teplotou (1 700 °C) – oxidační perioda. Doba oxidace trvá aţ 4 hodiny. Po oxidační periodě následuje desoxidační perioda, při které se odstraní manganem a křemíkem největší část kyslíku rozpuštěného v roztavené oceli a poté se ocel naleguje. Poslední část rozpuštěného kyslíku a rovněţ i dusíku se odstraňuje přísadou hliníku (Al tvoří se Al2O3 nebo AlN). Ocel se původně vyráběla v plamenných pecích (martinské pece) anebo v elektrických obloukových pecích. V moderních elektrických obloukových pecích se vyrábějí slitinové oceli především z důvodu snadného legování. Dnes se však velmi hojně vyuţívá jiná metoda a to kyslíkový konvertor v kombinaci s rafinací v pánvi s následným kontinuálním (plynulým) litím. (8)

21

Studijní opora


3.4.1 Kyslíkový konvertor Kyslíkový konvertor slouţí ke zkujňování surového ţeleza kyslíkem, dmýchaným do konvertoru vodou chlazenou tryskou shora na povrch kovu. Tímto způsobem se vyrábějí především středně a nízkouhlíkové oceli a mikrolegované jemnozrnné oceli, vhodné především pro válcování svařitelných plechů a profilů. Doba trvání tavby včetně oprav, nalévání sázení, odběru vzorků a vypouštění oceli je asi 40 minut, t toho „foukání“ kyslíku trvá asi 16 minut. Spotřeba kyslíku je přibliţně 55 m3 na tunu oceli. Podíl ocelového šrotu ve vsázce je 20 - 30 %, zbytek kovové vsázky tvoří surové ţelezo. V blízkosti proudu kyslíku, který se dmýchá nadzvukovou rychlostí, se vytváří primární reakční oblast vyhořívání prvků s teplotou 2300 – 2500 oC. Horem dmýchané konvertory bývají doplňovány alternativním spodním dmýcháním Ar, N2 umoţňující vést oxidační proces v blízkosti rovnovážného stavu a tím se zlepšují podmínky i pro odsíření a odfosfoření ocelí.

Obrázek 6 vsázka do kyslíkového konvertoru Obrázek 7 Schéma pracovních cyklů kyslíkového konvertoru

Například pro slévárny se asi 85% ocelí na odlitky taví v elektrických obloukových pecích (EOP), zbytek v elektrických indukčních pecích (EIP).

22

Studijní opora


3.4.2 Elektrická oblouková pec (EOP) V elektrické obloukové peci se mění elektrická energie na tepelnou v oblouku, který hoří mezi třemi grafitovými elektrodami (200 aţ 350 mm průměr) a vsázkou – zde se jedná o pouţití střídavého elektrického proudu, nebo hoří mezi jednou grafitovou elektrodou (500 aţ 600 mm průměru) za pouţití stejnosměrného proudu. Teplo se na vsázku přenáší sáláním. Tyto pece byly dlouhou dobu pouţívány jako hlavní ocelářské agregáty pro výrobu legovaných a ušlechtilých ocelí. V posledních letech se však pohled na jejich vyuţití začal zcela měnit a dneska jsou vyuţívány také jako zařízení k rychlému roztavení ocelového šrotu a výrobě surové oceli, jejíţ další zpracování – část rafinace, dezoxidace i legování se přesouvá do oblasti mimopecní metalurgie. Cílem je v co největší míře vyuţít značný elektrický příkon, který se u moderních UHP ( Ultra High Production ) pecí oproti klasickým EOP značně zvýšil, z obvyklých 100 aţ 200 KW.t-1 oceli maximálního příkonu na 300 aţ 600 KW.t-1 a výhledově i více.

Obrázek 8 Elektrická oblouková pec ( EOP )

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Nístějová část pece Víko pece Elektrody Pecní transformátor Tavenina Naklápěcí mechanismus 23

Studijní opora


EOP pracuje se dvěma obdobími – oxidačním a redukčním. V oxidačním období, které následuje po roztavení vsázky, vyhořívají příměsové prvky a ocel se nahřívá na odpichovou teplotu, v následujícím redukčním období se pod redukční struskou, vytvořenou obvykle přidáním CaC2, provádí dexoxidace a odsíření ocelí a potřebná úprava chemického sloţení legováním. Nejmodernější vysokovýkonné pece jsou intenzifikovány kyslíkem, mají vodou chlazené stěny a víka i přímé počítačové řízení.

3.4.3 Elektrická indukční pec (EIP) Nacházejí uplatnění ve slévárenství a při výrobě nejnáročnějších druhů ocelí. V těchto pecích se ocel taví v kelímku vytvořeném uvnitř cívky (induktoru). Střídavý proud o frekvenci 5 . 102 – 4. 103 Hz tekoucí primární cívkou (induktorem) vytváří kolem ní magnetické pole . Střídavý magnetický tok indukuje v sekundárním okruhu (v kovové vsázce) střídavý proud , který ohřívá vsázku. Obecně se indukční pec povaţuje za ideální tavící zařízení k ekonomickému zpracování vratného materiálu. V porovnání s EOP má však některé nevýhody : omezenou moţnost průběhu metalurgických reakcí (odfosfoření, odsíření, uhlíkový var), niţší mikročistotu oceli a vyšší nároky na vsázku.

24

Studijní opora


Obrázek 9 Elektrická indukční pec (EIP)

1. Induktor 2. Vyzdívka (9)

Lokální ohřev materiálu v bezprostřední blízkosti induktoru pak probíhá indukcí, jeţ je přímou aplikací Lenzova a Jouleova zákona. Podle Lenzova indukčního zákona totiţ existuje v kaţdém elektrickém vodiči umístěném do proměnného magnetického pole elektromotorická síla, a tedy v něm vznikají indukované proudy zvané vířivé proudy. Tyto proudy vytvářejí přímo v ohřívaném materiálu Jouleovo teplo. Mění-li se v čase magnetický indukční tok Φm plochou ohraničenou uzavřenou vodivou smyčkou, vzniká ve smyčce elektromotorické napětí a smyčkou bude procházet elektrický proud. Tento děj se nazývá elektromagnetická indukce.Podle Faradayova zákona pro indukované elektromotorické napětí platí

25

Studijní opora


Velikost Jouleova tepla Q vznikajícího ve vodiči, jímţ prochází elektrický proud po dobu t a na jehoţ koncích je napětí U, se vypočte: Q = U.I.t Q = R.I2.t

Q=

.t

[Joule]

Výhody indukčního ohřevu : -

není zapotřebí kontakt mezi zpracovávaným materiálem a cívkou vysoká hustota výkonu a rychlost ohřevu dobré řízení teploty kovu přesné určení ohřívaných zón jednoduchost činnosti velká pruţnost regulace dobrá účinnost dobré pracovní podmínky a minimální negativní vliv na ţivotní prostředí

(10)

        

ocelový šrot rovnováţný stav při procesu výroby grafitová elektroda legované a ušlechtilé oceli mimopecní metalurgie slévárenství střídavý proud o frekvenci …. Lenzův indukční zákon Jouleovo teplo

26

Studijní opora


 co je ocel ?  které základní prvky ocel obsahuje ?  jak se nazývá spalování uhlíku a neţádoucích prvků (síry, fosforu) vysokou teplotou (1 700 °C) ?  Je desoxidační perioda důleţitá pro eliminaci kyslíku v oceli ?  Jak se nazývá zařízení pro zkujňování surového ţeleza kyslíkem, dmýchaným vodou chlazenou tryskou ?  Jaké jsou základní principy technologie elektrické obloukové pece ?  Pro jaké oceli je vhodná elektrická oblouková pec ?  Jaký je základní princip elektrické indukční pece ?

27

Studijní opora


4 Technologie zpracování kovových materiálů – Odlévání.

3 hodiny

Cílem kapitoly je uvést technologii odlévání a popis jednotlivých operací pro dosaţení poţadovaných vlastností (tvar, vzhled, mechanické vlastnosti, kvalita povrchu atd.) výrobků z kovových materiálů.

Výklad:

Základním postupem při zpracování slitin je odlévání. A, do finálního tvaru B, do polotovaru pro další zpracování tvářením Alternativou pro odlévání a tváření je také metoda zpracování práškovou metalurgií vyuţívající jako výchozí surovinu kovový prášek. Odlévání : je základním technologickým krokem při zpracování kovů a slitin. Spočívá v odlití roztaveného materiálu do formy příslušného tvaru, ve kterém materiál tuhne. Formy se dělí na 1, kovové 2, nekovové Kovové formy se nazývají kokily. Nekovové formy se vyrábějí např. smísením písku s jílovým pojivem a vodou a následným vysušením. Takové formy se nazývají pískové. Při odlévání mohou vzniknout tvarově jednoduché polotovary, které jsou dále do poţadovaných tvarů zpracovávány tvářením. Mezi takové polotovary patří tzv. ingoty, coţ jsou jednoduché odlitky ve tvaru válců či hranolů, které mohou mít délku aţ několik metrů a které se odlévají do rozměrných kovových forem. 28

Studijní opora


Polotovarem pro tváření můţe být rovněţ pás slitiny vyráběný tzv. kontinuálním litím, při kterém je roztavená slitina odlévána přímo přes krystalizátor do válců, kde se válcuje na poţadovaný rozměr polotovaru. Jedná se o velmi moderní a ekonomický způsob zpracování, jeţ se vyznačuje mnoha přednostmi oproti odlévání do ingotů. Další moţností je odlévání do finálního rozměru. Ztuhlý materiál se nazývá odlitek. Pro získání odlitků sloţitých tvarů lze vyuţít několik technologií odlévání.

4.1.1 Gravitační způsob odlévání Gravitační lití : spočívá v nalití roztavené hmoty do formy, která je taveninou vyplněna pouze působením gravitační síly. U tvarově sloţitých forem však pouze gravitační síla k dokonalému vyplnění celého objemu nestačí. Rovněţ u drobných forem existuje nebezpečí, ţe tavenina ztuhne dřív, neţ dojde k vyplnění celé formy. V takovém případě je třeba zvýšit sílu a rychlost, kterou je roztavený kov do formy vtlačován.

4.1.2 Přesné lití na vytavitelný model. Přesné lití na vytavitelný model patří mezi nejstarší slévárenské technologie i kdyţ se v období průmyslové revoluce na ni zapomnělo a aţ v moderní době získal dnešní podobu tzv. přesného lití, která umoţňuje odlévat i sloţité díly bez obrábění na čistý tvar. Ze snadno tavitelného materiálu (vosk) se do kovové formy vstříkne nebo odlije přesný tvar odlitku s přídavkem na smrštění.

29

Studijní opora


1) Výroba forem na modely

2) Výroba voskových modelů

3) Sestavování modelů do stromečků

4a) Výroba skořepin – namáčení voskových modelů do keramické směsi 4b) Výroba skořepin – posypávání voskových modelů ţáruvzdorným materiálem

5) Vytavování voskových modelů

30

Studijní opora


6) Vypalování skořepin 7) Tavení a odlévání

8) Odstraňování keramiky

9) Oddělování odlitků z vtokové soustavy- řezání 10) Oddělování vtoků z odlitků – broušení 11) Dokončovací operace – tryskání, broušení,leštění 12) Kontrola

Obrázek 10 Jednotlivé části procesu přesného lití

(11) K takto vzniklému modelu se připojí vtoková soustava a nálitky. Obvykle se pro více odlitků pouţívá společný licí kůl a společný nálitek, čímţ vznikne „licí stromeček“. Celá sestava se ponoří do obalové hmoty, která vznikne rozmícháním křemenné moučky ve zvlášť připraveném etylsilikátu. Po vyjmutí se ulpělá kašovitá hmota zasype hrubším pískem a nechá se asi jeden den zatvrdnout. Tím vznikne na modelu tenká skořepina. Podle hmoty odlitku se celý postup 4krát aţ 8krát opakuje, aţ vznikne obal o tloušťce asi 3 aţ 10mm.

31

Studijní opora


Princip technologie vytavitelného modelu : Model se z obalu odstraní buď vytavením, nebo (rozpuštěním ve vařící vodě), čímţ vznikne forma. Tato forma je buď samonosná nebo se u těţších odlitků zpevňuje zasypáním pískem či zalitím cementovou kaší. Zbytky organických látek se odstraní vyţíháním při 900 aţ 1000ºC. Ihned po vyjmutí z pece se do ještě ţhavé formy odlévá, takţe roztavený kov vyplní i nejtenčí průřezy. Po odlití se skořepina odstraní oklepáním, otryskáním jemným tryskacím materiálem nebo rozpuštěním v roztaveném louhu. Pro usnadnění výrobního postupu se někdy místo jednotlivých modelů odlévají nebo lisují modely celých „etáţí“, které se pak přímo skládají do stromečku. Metodou přesného lití lze dosáhnout vynikající přesnosti a hladkosti odlitku, takţe odlitky potřebují jen minimální obrobení. Zvlášť výhodně se uplatňuje metoda přesného lití u nesnadno obrobitelných materiálů nebo u součástí velmi sloţitého tvaru. Typickými příklady jsou lopatky nebo celé věnce pro spalovací turbíny, řezné nástroje z rychlořezných kovů, zbraní, měřicích zařízení apod.

(12)

       

odlévání odlitek prášková metalurgie kokila ingot kontinuální lití gravitační lití přesné lití na vytavitelný model 32

Studijní opora

   


jak lze popsat proces odlévání ? slévárenskou technologií lze vytvořit tvarově jednoduché polotovary, jak jim říkáme ? jaký je princip technologie vytavitelného modelu ? jaké jsou základní přednosti technologie vytavitelného modelu ?

4.1.3 Odstředivý způsob odlévání. Odstředivé lití : formy rotují a tavenina je do nich vtlačována odstředivou silou. Charakteristickým rysem odstředivého způsobu odlévání je získání tvaru odlitku v otáčející se formě. Působící odstředivá síla ovlivňuje povrch odlitku, jeho strukturu a pevnost. Tlakem kovu na stěnu formy se dosahuje těsného kontaktu mezi kovem a formou.

Obrázek 11 Vakuová indukční pec IS2/I HERAEUS

Odstředivé odlévání umoţnuje výrobu vyšší jakosti jako při gravitačním odlévání a další výhodou je lepší vyuţití tekutého kovu, sníţené náklady na mechanické opracování, vyšší přesnost odlitku a jejich lepší mechanické vlastnosti oproti odlitkům litých gravitačně do pískových forem. 33

Studijní opora


Princip odstředivého odlévání spočívá v nalití taveniny do rotující formy. Při tuhnutí odlitku působí na tekutý kov odstředivá síla. Podle osy rotace odlitku rozdělujeme odstředivé odlévání na dva základní typy, a to s vertikální a horizontální osou otáčení. Horizontálního odstředivého odlévání se pouţívá převáţně pro odlévání dutých válcovitých odlitků.

Obrázek 12 Schéma horizontálního odstředivého odlévání

Dalším rozdělením způsobu odstředivého odlévání je tzv. pravé a nepravé odstředivé odlévání. U pravého odstředivého odlévání je osa odlitku totoţná s osou rotace. Velikost působící odstředivé síly, která působí na kov při otáčení formy, je dána vztahem: F = m . r . ω2 kde m je hmotnost taveniny r je poloměr rotující částice ω je úhlová rychlost. Při nepravém odstředivém odlévání se odstředivá síla nevyuţívá na vytvoření povrchu, ale podporuje vyplnění a dosazování taveniny do odlitku. 34

Studijní opora


Osa rotace je totoţná s osou vtokového kanálu.

Obrázek 13 Schematické zobrazení vertikálního odstředivého odlévání a, pravé odstředivé odlévání b, nepravé odstředivé odlévání

Při odstředivém odlévání se vyuţívají zákony hydromechaniky. Tavenina se po odlití do formy chová jako kapalina v rotující nádobě.

35

Studijní opora


Obrázek 14 Odlitek oběžného kola 115 mm litého odstředivě

Obrázek 15 Odlitek oběžného kola 115 mm litého gravitačně

(13)

4.1.4

Tlakový způsob odlévání – moderní kontinuální lití.

Tlakové lití : jedná se o ještě větší sílu a rychlost při které je tavenina vtlačována do formy velkým tlakem pístu licího stroje. Tlakové lití umoţňuje výrobu tvarově velmi sloţitých odlitků například v automobilovém průmyslu. (14)

36

Studijní opora


Obrázek 16 Kontinuální lití sochorů Třinec

Obrázek 17 Schéma kontinuálního lití

37

Studijní opora


Popis moderní metody nazývané kontinuální lití : Jedná se o fakticky plynulé odlévání taveniny ( oceli ) pro výrobu polotovarů. Roztavená ocel se nalévá do pánve pomocí uzavřené transportní ocelové nádoby nazývané v ocelárnách „Veronika“. Tato ocel jiţ bývá uklidněná a nalegována dle poţadavků zákazníků. Z pánve dále ocel putuje do indukčně ohřívané mezipánve. Ta plní roli zásobníku, ve kterém se nemění tak radikálně vstupní hodnoty např. tlak vzniklý výškou hladiny, teplota atd. Ocel dále putuje do vodou chlazeného krystalyzátoru obvykle čtvercového průřezu s pohyblivým dnem. Ocel je odlévaná nepřetrţitě tak, aby nemohla v krystalyzátoru ztuhnout. Vodní sprcha urychluje tuhnutí. Odlitek je vytahován z prostoru krystalyzátoru taţnými válci a řezán letmými horizontálními nůţkami ( kyslíko-acetýlénový hořák ). Technologie můţe být jednoproudá aţ čtyřproudá. Pouţitím kontinuálního lití nemusíme zařadit do procesu kokily a blokovnu. Velká úspora energií je zapříčiněna hlavně tím, ţe se materiál ohřívá pouze jednou a nedochází tím ke zbytečným tepelným ztrátám při opětovných ohřevech. Dále i vnitřní struktura takto odlévané oceli je velmi výhodná, neb nemá typicky licí strukturu a neobsahuje „licí“ vady - ( segregace, dutiny, trhliny, vměstky ).

       

odstředivé lití odstředivá síla vertikální a horizontální osa otáčení pravé a nepravé odstředivé odlévání tlakové lití kontinuální lití krystalyzátor segregace, dutiny, trhliny, vměstky

38

Studijní opora

    


jaké znáš druhy odstředivého lití ? jaké jsou výhody odstředivého lití ? o jaké odlévání se jedná, kdyţ se pouţije velké síly pístu ? k čemu slouţí krystalyzátor u kontinuálního ( plynulého ) odlévání ? jaké znáš základní vady při odlévání ?

4.1.5 Základní pojmy, krystalizace, zabíhavost Způsob krystalizace Po odlití roztavené slitiny do formy se tekutý kov odvodem tepla stěnami formy ochlazuje. Jakmile dosáhne teplota slitiny určité hodnoty, začne kov krystalizovat. Teplota, při které začíná slitina krystalizovat se nazývá teplota likvidu a teplota, při které je krystalizace ukončena je teplotou solidu. Tyto teploty se mění s obsahem přísadových prvků (u slitin ţeleza s obsahem uhlíku). Spojnice bodů těchto teplot tvoří křivku likvidus a solidus. Rozdíl teplot mezi likvidem a solidem je interval tuhnutí. Čisté kovy a eutektické slitiny tuhnou při jedné teplotě (mají nulový interval tuhnutí), většina slitin však má širší nebo uţší interval tuhnutí .

Obrázek 18 Závislost teploty počátku a konce tuhnutí na chemickém složení slitiny

39

Studijní opora


Růst krystalů kovu probíhá především ve směru odvodu tepla. Má-li slitina velmi úzký interval tuhnutí, probíhá krystalizace prakticky rovnoměrně od stěny formy a likvidus je současně i solidem. Takovému způsobu tuhnutí říkáme progresivní. Tuhne-li slitina v intervalu tuhnutí je pásmo tuhnutí vyplněno narůstajícími krystaly (stromečkovité dendrity) a taveninou, je proto dvoufázové . Objemově tuhnou slitiny s velmi širokým intervalem tuhnutí. Dvoufázové – kašovité pásmo můţe mít velkou šířku nebo (při nízké intenzitě chladnutí a malé tloušťce stěny), můţe tvořit celý průřez odlitku. (15) Mnoţina bodů, ve kterých slitina tuhne naposled, se nazývá tepelnou osou. Její poloha závisí na tvaru odlitku a způsobu odvodu tepla. Tepelná osa se nemusí vţdy shodovat s geometrickou osou a platí, ţe je odchýlena od osy geometrické ve směru menšího i většího odvodu tepla. Pro sledování postupu tuhnutí odlitků existují jednoduché vztahy podle kterých můţeme vypočíst dobu úplného ztuhnutí odlitku (v tepelné ose) a postup natuhávání kovu od stěny odlitku. Pro dobu tuhnutí platí známý Chvorinovův vztah :

τ = k ( R )2 , kde τ …. doba úplného ztuhnutí odlitku, [s] R…. relativní tloušťka (modul) odlitku, [m],

40

Studijní opora


R= V…. objem kovu v odlitku, [m3 ], S….. ochlazovaný povrch odlitku, [m2] .

4.1.6 Vady při odlévání – příklady z praxe Druhy vad: Způsoby odhalování vad : -

Zkouška vizuální Zkouška ultrazvuková Zkouška penetrační

     

krystalizace teplota likvidu, teplota solidu interval tuhnutí eutektická slitina dendrit tepelná osa

41

Studijní opora


5 Renovace a odstraňování licích vad pomocí svařování. 1 hodina

Cílem kapitoly je definovat vady při technologii odlévání a navrhnout způsob opravy (renovace) pomocí svařování.

Výklad:

Renovace litých součástí: je soubor činností, prováděných s cílem obnovení provozuschopného nebo bezvadného stavu součásti a jejího technického ţivota. Má komplexní charakter, je nutný systémový přístup, zahrnuje vzájemné působení jednotlivých prvků. Provádí se obvykle po vizuální kontrole dílce popřípadě po kontrole pomocí ultrazvukové zkoušky či zkoušky penetrační. Renovace se provádí se rozdílným materiálem, podmínky specifické dle materiálu, široké spektrum moţností a druhů přídavných materiálů ( EN ISO 14341 ). Způsob opravy svařováním licích vad odlitků (trhliny, bubliny ) → svar vydráţkovat a následně svařit za stejných podmínek (materiál + přídavný materiál) dle původní postupu WPS. Pro svařování litých neželezných kovů se nejčastěji vyuţívají tyto metody svařování:  131 MIG - ( Metal Inert gas ) Svařování elektrickým obloukem tavící se elektrodou v ochranné atmosféře inertním plynu.

42

Studijní opora


 141 WIG/TIG ( Wolfram Inert Gas, Tungsten Inert Gas ) Svařování elektrickým obloukem netavící se elektrodou v ochranné atmosféře inertního plynu.  111 MMA ( Manual Metal Arc ) Ruční svařování obalovanou elektrodou elektrickým proudem.

Metoda 131 MIG : Definice : obloukové svařování tavící se elektrodou, kdy elektrický oblouk a oblast svaru jsou chráněny před atmosférou vrstvou ochranného plynu přiváděného z vnějšího zdroje. Ochranný plyn je inertního charakteru (Ar, He , Ar+He). (16) Základní charakteristika Pouţívají se především plněné dráty s náplní legujících prvků, karbidů a struskotvorných přísad. Rozměry plněných drátů od 1,2 do 4,0 mm Př.: Ţelezné slitiny na bázi Fe s legováním Cr 5 ÷30%, obsah C 0,2÷3,8%, v některých typech aţ 5,5% a pro zvýšení pevnosti Mo aţ do 16%.

Obrázek 19 Návar bronzovým drátem v ochranné atmosféře

43

Studijní opora


Metoda 141 WIG/ TIG Definice : svařování při kterém se pouţívá netavící se elektroda čistě wolframová, nebo s aktivující přísadou. Elektrický oblou a oblast svaru jsou chráněny inertním plynem. Podle potřeby můţe být pouţit přídavný materiál. WIG – zde se speciálně vyrábí návarové materiály v oblasti nástrojových ocelí pro tlakové lití, zápustky a formy. Svařuje se nízkým proudem, dlouhými pulzy a Ø W elektrody 0,5mm.

5.1.1 Zásady renovace – svařováním elektrickým obloukem. Renovované místo je třeba mechanicky očistit do kovového lesku. Jakékoliv hrany a povrch vylomení je třeba srazit. Pokud renovujeme trhliny jdoucí do hloubky je třeba je opracovat do tvaru U – rozšířit a očistit, eventuálně odmastit. Konce trhlin musíme na koncích odvrtat nebo příčně převařit a vyplnit. Zabráníme tímto jejich dalšímu šíření. Oblouk se musí zapalovat na svaru, ne na povrchu dílu. Důleţitý je také předehřev. Předehřívat dle materiálu, ale i geometrie. Například pro menší opravy hran stačí místní předehřev o cca 100°C niţší neţ uprostřed masivního dílu. Obtíţně svařitelné materiály navařit nejprve mezivrstvou. Tento způsob volíme také pro díly jiţ opravované pro dosaţení homogenity povrchu. Pouţít houţevnaté materiály niţší aţ střední tvrdosti, stejně tak i pro výplně větší tloušťky. Přídavné materiály musí být čisté, obalené elektrody suché ( ČSN EN ISO 14341 ). Oceli náchylné k praskání svařovat s minimálním vneseným teplem tj. malým průměrem přídavného materiálu, nízkým proudem, bez kývání rovnými housenkami (nebezpečí vzniku trhlin napětím při smrštění velké lázně). Často odstraňovat zbytky strusky.

44

Studijní opora


Obrázek 20 Renovace svařováním

5.1.2 Renovace Al odlitků. Svařitelnost hliníku a jeho slitin Hliník a jeho slitiny lze podle schopnosti dosahovat kvalitní svarový spoj rozdělit do dvou skupin: -

materiály vhodné ke svařování ( renovaci ) - Al, slitiny AlMn, AlMg, AlSi slitiny obtížně svařitelné – slitiny( renovaci ) - AlCuMg, AlMgSi, AlZnMg

Z toho vyplývá, ţe je nutné před svařováním buď znát konkrétní typ, nebo jeho sloţení stanovit. Chemické sloţení je základním ukazatelem svařitelnosti Al materiálů. Určujeme ji : -

z materiálových listů kontrolní chemická analýza v dílenských podmínkách – kapková zkouška

NaOH 10-20% (hydroxid sodný) vyvolá na povrchu zkoušeného mat. barevnou skvrnu (barva podle legur).

45

Studijní opora


Postup : 1) Na odmaštěný povrch se nanese několik kapek NaOH 2) Nechá se působit 5 min. 3) Opláchnutí tekoucí vodou

Další moţností je určení druhu slitiny pomocí TIG oblouku. Pokud je zkušební elektrický oblouk vyvolaný metodou TIG 1) Naţloutlý aţ ţlutý: jedná se o slitinu Al Si

2) Modrý aţ modrozelený: jedná se o slitinu Al Mg

46

Studijní opora


Dále je nutno si uvědomit podstatné rozdíly ve vlastnostech hliníku a ocelí, např. -

tepelná a elektrická vodivost je cca 4x vyšší, tepelná roztaţnost rovněţ 2x vyšší, pevnost 4x niţší teplota tavení - Al - ~ 635°C, ocel 1535°C teplota tavení kysličníků 2046°C proti 1550°C

Dominantními svařovacími metodami jsou MIG a WIG, lze však vyuţívat i svařování obalenou elektrodou, plasmou atd. Předpokladem dosaţení dobré kvality spoje je vţdy dokonalá čistota svarových ploch i přilehlého okolí svaru případně i vysoká čistota ochranného plynu, dále správné slícování ploch a upnutí dílů, správná geometrie spoje. Při svařování metodou MIG se preferuje DC zdroj s teplým startem, podavače s U-kladkou, teflonové bowdeny a jako ochranný plyn směs Ar+He nebo He. Při TIG svařování je doporučován: AC zdroj s teplým startem, s pulsem, ochranný plyn Ar, nebo směs Ar+He. Přídavné materiály pro svařování se volí podle chemického sloţení základního materiálu a podle poţadavků na finální výrobek. Nedoporučuje se experimentovat a je vhodné vyuţít doporučených materiálů od výrobců. (17)

 renovace litých součástí  131 MIG  141 WIG/TIG  111 MMA  Předehřev  vnesené teplo  Al materiály vhodné ke svařování

47

Studijní opora


 Al slitiny obtíţně svařitelné  kapková zkouška

 Co je to renovace svařováním?  Jaké metody svařování se obvykle pouţívají při renovacích litých součástí ?  Je slitina Al Cu Mg vhodná pro svařování ?  Jaké známe postupy pro dílenské zjištění základního chemického sloţení Al slitin pro potřeby svařování ?

48

Studijní opora


6 Tepelné dělení (řezání) technických materiálů

8 hodin

Cílem kapitoly je představit základní metody tepelného dělení, a poukázat na jejich technologické moţnosti. Dále vysvětlit teorii řezání a řezatelnosti materiálů. Zaměřit se na historické zkušenosti a přechod na dnešní technologie.

Výklad:

Tepelné dělení: lze najít analogii v mechanickém dělení – řezání materiálů. Vytvořením úzké spáry se rozdělí řezaný materiál na dvě části. Při tepelném dělení se materiál roztaví a řezaný materiál se odstraní. Místo třísek vzniká struska, místo rychlořezných ocelí a slinutých karbidů pracují zdroje tepla. Základní rozdělení metod tepelného dělení lze sestavit podle zdroje tepla a tepelného toku: Elektrostruskové svař. acetylenový plamen aluminotermické svař.

Odporové svařování, řezání kyslíkem Elektronový a laserový paprsek

Obloukové svařování

Plamen vzduch - palivo Třením

102

103

104

105

106

W·cm-2 Tabulka 7 Metody tepelného dělení dle zdroje tepla a tepelného toku.

49

108

Studijní opora


Pro problematiku tepelného dělení je třeba některé zákonitosti vedení tepla, teplotního gradientu, množství tepla a tepelného toku. Ustálené vedení tepla lze demonstrovat např. na tyči délky d, jejíţ jeden konec je udrţován na teplotě t1 a druhý konec je udrţován na teplotě t2. Teplotní rozdíl t2 − t1 je tedy stálý - teplota klesá rovnoměrně od teplejšího konce k chladnějšímu. Podíl teplot a délky se nazývá teplotní spád (gradient) (K/m, °C/m).

Mnoţství tepla Q, které za těchto podmínek projde libovolným kolmým průřezem S tyče za dobu τ, je roven

Konstanta úměrnosti λ je součinitel tepelné vodivosti (tepelná vodivost). Teplo procházející plochou určuje tzv. tepelný tok. Mnoţství tepla Q, které projde plochou S za čas τ se označuje jako hustota tepelného toku. q=

Podle předchozích vztahů tedy při ustáleném stavu platí q=λ

(18)

50

Studijní opora


6.1 Metody tepelného a studeného dělení kovů dle ČSN EN ISO 4063 1. Řezání kyslíkem (Oxygen Cutting – OC)  Kyslíkové kopí  Řezání kyslíkem  Chemickým proudem 2. Řezání elektrickým obloukem (Arc Cutting – AC) 3. Plazmové řezání (plazma beam cutting – PBC) 4. Řezání uhlíkovou elektrodou (Air Carbon Arc Cutting - AAC) 5. Laserové řezání (Laser beam cutting – LBC) 6. Řezání elektronovým paprskem (Electron beam cutting – EBC) 7. Řezání vodním paprskem (studené dělení) (Water abrasive cutting WSC) 8. Stříhání za studena – beztřískový způsob 9. Řezání – třískový způsob 10. Sekání - beztřískový způsob 11. Trhání - beztřískový způsob 12. Rozbíjení - beztřískový způsob

51

Studijní opora


6.2 Historie řezání kyslíkem V roce 1888 Thomas Fletcher zajistil kyslíku komerční vyuţití. Zjistil, ţe kdyţ zahřeje ocelovou trubku na vysokou teplotu (červený barva), kterou proudí čistý kyslík začne spontálně exotermicky hořet za vývinu velkého tepla Q. 1901

První acetylénový hořák pro svařování a řezání.

1908

John Harris patentoval první hořák (John Harris), společnost nesoucí jeho jméno Harris Calorrific se sídlem v Clevelandu USA je dnes světovou jedničkou a pracuje v 81 zemích.

1920

Řezací hořáky mají design podobný dnešním

1941

Patentován drţák na tři hořáky, pro úpravu svarových ploch.

1971

byl patentován princip známý dnes jako: kyslíková košilka

1980

firma Broco Inc. vyvíjí a patentuje nová zařízení pro kyslíkové kopí

90. léta 20 století, díky intenzivnímu vývoji řezacích a nahřívacích hubic se zvyšuje řezná rychlost o 20%21. století – Přichází metody jako LASOX (viz kapitola řezání materiálu laserem) (19)

6.3 Kyslíkové kopí Cílem kapitoly je detailně popsat technologii kyslíkového kopí – jeho princip a praktické vyuţití. Dále si vysvětlíme pojem čistota technického plynu, který bude důleţitý i pro další technologie dělení materiálů.  Co je to kyslíkové kopí ? Kyslíkové kopí bylo patentováno v roce 1901, ale poprvé bylo úspěšně vyzkoušeno v chemické laboratoři Thomase Fletchera v Londýně jiţ v roce 1888. Jedná se tedy o více neţ stoletý princip termického řezání materiálů a jedná se o princip nedoceněný. Vlastní funkce kyslíkového kopí je popsáno na následujícím obrázku. Jedná se o trubku z nízkouhlíkové oceli, kterou proudí čistý kyslík minimální čistoty 99,5% (běţný technický kyslík).

52

Studijní opora


Pokud ohřejeme konec trubky na zápalnou teplotu oceli 1050-1250°C (podle obsahu uhlíku), dojde k prudké exotermické reakci a trubka začne hořet.

Obrázek 21 Princip termického řezání materiálů kyslíkem

 Princip kyslíkového kopí. Pro zpomalení hoření je trubka naplněna ocelovými tyčemi (dráty). Průměry trubek jsou v rozmezí 6 - 10 mm. Trubka i dráty uvnitř jsou z nízkouhlíkové oceli viz obrázek č.22.

Obrázek 22 Průřez kyslíkovým kopím

Teplota hořícího kopí je cca 4000°C aţ 5500°C a to je dostatečné pro řezání celé řady technických materiálů. Řezaný materiál je v místě řezu nataven a proudem kyslíku vyfukován ven z řezné spáry. Lze takto řezat, proráţet (vrtat) a dráţkovat celou řadu materiálů. Nejčastěji se kyslíkové kopí vyuţívá na řezání kovových materiálů, betonu a ţelezobetonu. S výhodou lze řezat materiály neřezatelné běţným kyslíkoacetylenovým řezákem (hliník, měď, Weldox, Hardox i vysocelegované oceli). Kromě řezání lze také dráţkovat, odstaňovat svary, vrtat a proráţet beton a kov, odstraňovat tvrdonávary a podobně. Ukázky z pouţití kopí jsou na následujících obrázcích č.23. a 24.

53

Studijní opora


Obrázek 23 Historický snímek odpichu vysoké pece (odstranění hlíny a spuštění toku kapalného železa.

Obrázek 24 Současné využití termického kyslíkového kopí

Kyslíkové kopí lze bez problémů pouţívat i pod vodou . Kyslíkové kopí není vhodné na jemnou a přesnou práci. Ideální pouţití je pro práce destrukčního charakteru (bourání, šrotování ). (20)

6.3.1 Technické plyny a jejich čistota při dělení materiálů  Čistota technického plynu : V definici čistoty bývá obvykle obsah nečistot uváděn v jednotkách ppm. 54

Studijní opora


Jde o výraz pro jednu miliontinu ppm (parts per million). Obdobně jako procento (jedna setina) či promile (jedna tisícina) se pouţívá pro znázornění poměru jedné části vůči celku. Například 1% = 10 000 ppm, nebo 1 ‰ = 1 000 ppm. Přehled obvyklého značení čistoty plynů zbytkové nečistoty v zbytkové nečistoty v ppm %

označení

čistota plynů

2.0

99,0 %

10000 ppm

1%

2.5

99,5 %

5000 ppm

0,5 %

3.0

99,9 %

1000 ppm

0,1 %

3.5

99,95 %

500 ppm

0,05 %

4.8

99,998 %

20 ppm

0,002 %

5.0

99,999 %

10 ppm

0,001 %

5.5

99,9995 %

5 ppm

0,0005 %

7.0

99,99999 %

0,1 ppm (100 ppb)

0,00001 %

Tabulka 8 Přehled obvyklého značení čistoty plynů

(21)

6.4 Řezání kyslíko-acetýlenovým plamenem Řezání kovů kyslíkem bylo původně pokládáno za pomocnou, respektive podřadnou výrobní činnost. Dnes je tato metoda dělení postavena na úroveň třískového obrábění. Stav povrchu opracovaného (řezaného) kyslíkem, je při správném pouţití této metody takové, ţe výpalky není nutné v mnoha případech opracovávat. Při řezání kyslíkem je materiál místně ohřát plamenem (C2H2 + O2) kyslíkoacetýlenovým plamenem na zápalnou teplotu a v proudu kyslíku je spalován tak, ţe vznikne řezná spára. Metodu řezání kovů kyslíkem lze rozdělit na dílčí procesy:  Ohřev kovu na zápalnou teplotu  Oxidace kovu  Vyfukování roztaveného produktu z řezné spáry Zápalnou teplotou se míní teplota, při které kov intenzivně reaguje s kyslíkem a kdy v časové jednotce je mnoţství uvolněného tepla větší, neţ mnoţství tepla odvedeného.

55

Studijní opora


Zápalná teplota ţeleza je 1150 °C. U ocelí se stoupajícím obsahem uhlíku tato teplota stoupá. Souprava pro řezání kyslíkem obsahuje:       

Tlakovou nádobu pro hořlavý plyn (C2H2) Tlakovou nádobu pro plyn podporující hoření (O2) Redukční ventily pro C2H2 a O2 Kyslíkovou tlakovou hadici – minimální délka 5 metrů, průměr 6,3 mm Acetýlenová tlaková hadice – minimální délka 5 metrů, průměr 8 mm Pojistkou proti zpětnému šlehnutí u hořákového nástavce (C2H2 + O2) Hořákový nástavec

6.4.1 Tlaková nádoba s technickým plynem Nebezpečí spojená s manipulací s plyny a jejich distribucí pocházejí v zásadě z jejich chemických a fyzikálních vlastností a z jejich balení. Plyny mohou být inertní, hořlavé, zápalné, toxické a korozívní. Nebezpečí spojená s kaţdou kategorií jsou uvedena dále:    

inertní plyny: asfyxie (atmosféra se sníţeným obsahem kyslíku); zápalné plyny: poţár (zápalná atmosféra); toxické plyny: otrava (toxická atmosféra); korozívní plyny: chemické popáleniny.

Obrázek 25 Barevné značení lahví dle ČSN EN 1089-3

(22)

56

Studijní opora


Acetylen C2H2 Je to vysoce hořlavý plyn endotermní povahy, který se můţe rozkládat extrémně explozivně, je-li v pevném nebo kapalném stavu, nebo v plynném stavu pod tlakem. Jestliţe je acetylen stlačen na více neţ 1,5 bar a pak vystaven tepelnému, nebo mechanickému šoku, můţe dojít k jeho rozkladu na uhlík (C) a vodík (H2) za uvolnění značné energie. Z tohoto důvodu se acetylen nemůţe transportovat a skladovat ve stavu stlačeného plynu v tlakových lahvích. Vyuţívá se jeho vysoké rozpustnosti v některých rozpouštědlech, jako je aceton a dimetylformamid k jeho skladování v roztoku v tlakových lahvích naplněných inertní porézní hmotou. Jemná voštinová struktura hmoty impregnovaná rozpouštědlem v přesně odměřených mnoţstvích nabízí obrovský kontaktní povrch plyn/rozpouštědlo, přes který je acetylen absorbován a uvolňován rychle a bezpečně.

Obrázek 26 Řez acetylenovou tlakovou nádobou Obrázek 27 Acetylid vápenatý (karbid vápenatý)

Výroba acetylenu se provádí ve vyvíječích za chemické reakce acetylidu vápenatého a vody za vzniku acetylenu a hydroxidu vápenatého (hašeného vápna). CaC2 + 2H2O → Ca(OH)2 + C2H2 Technický kyslík (O2) : Kyslík, který tvoří 21 % zemské atmosféry, je nezbytný k ţivotu a velmi podporuje hoření. Kyslík reaguje se všemi prvky, s výjimkou vzácných plynů, za vzniku sloučenin zvaných oxidy. Ačkoli kyslík sám o sobě není hořlavý, podporuje hoření a umoţňuje, aby všechny materiály zápalné na vzduchu hořely intenzivněji.

57

Studijní opora


Tyto vlastnosti podporující spalování se velmi dobrými výsledky vyuţívají i při procesech dělení materiálů. Výroba kyslíku : Kyslík ( O2) je jeden z plynů s největší průmyslovou spotřebou. Komerčně se vyrábí technologií separace vzduchu. Tento technologický proces spočívá v separaci komponent obsaţených ve vzduchu:    

dusík (78 %) kyslík (21 %) argon (0,9 %) ostatní plyny (0,1 %)

Obrázek 28 Bezpečnostní štítek tlakové nádoby

Bliţší informace o chemickém sloţení barevném označení, zacházení s tlakovými nádobami a bezpečnostními ustanoveními viz přílohy č.2 a č.4 (bezpečnostní listy) a č.1 norma ČSN EN 1089-3

58

Studijní opora


6.4.2 Tlakové hadice pro rozvod plynů Pouţívají se jako pruţné propojení svařovacího hořáku a zdroje plynu. Hadice pro přívod kyslíku a acetylenu se liší:  barvou  světlostí Hadice pro acetylen je zkoušena na přetlak 1MPa, stěna tlakové hadice je vyztuţena textilní vloţkou. Hadice pro kyslík je zkoušena pro přetlak 2 Mpa.

Obrázek 29 Kyslíková tlaková hadice 6,3mm Obrázek 30 Acetýlenová tlaková hadice 8 mm

Hadice se musí udrţovat v bezvadném stavu a jednou za 3 měsíce provést jejich přezkoušení tlakovou zkouškou a prověření hadic a jejich spojů pěnotvorným přípravkem. V ţádném případě se nesmí kontaminovat souprava tukem. Mastnota + kyslík = výbuch Vyšší mastné kyseliny jsou v kyslíku výborné palivo, při kontaktu s kyslíkem hoří a vybuchují. Vyšší teplota hoření všech hořlavých látek v kyslíku neţ v okolní atmosféře způsobují často fatální poţáry. V čistém kyslíku hoří i kovy, ţelezo, hliník, titan, hořčík nebo i další prvky. Těsnění pro kyslík se pouţívá z fíbru a pro acetylén pryţ. V ţádném případě se nesmí pouţít pro kyslík těsnění z kůţe, neb obsahuje tuk !

(23)

59

Studijní opora


6.4.3 Redukční ventil Redukční ventil má několik funkcí : 

Obsahový manometr : má úkol informovat obsluhu o aktuálním stavu mnoţství technického plynu v láhvi (důleţitá informace pro efektivní vyuţívání pracovní doby soupravy a stanovení optimálního času výměny lahví).



Pracovní manometr : má úkol informovat obsluhu soupravy o aktuálně nastavených hodnotách (důleţitá informace technologicko-ekonomická) Pracovní parametr (tlak) je jednou z hlavních kritérií pro úspěšně zvládnutý řez. Nastavuje se dle pouţitého materiálu, jeho tloušťce, povrchu a chemického sloţení. Nesprávné nastavení má zásadní vliv na výsledek a čistotu řezu. Pokud však souprava nepracuje v optimálním reţimu má tento aspekt také ekonomické dopady (neúměrně velká spotřeba plynu a tím i malá efektivita práce, nedostatečná rychlost – malá produkce a nedokonalé řezné hrany – nutnost dalšího třískového obrábění (větší náklady).



Redukční ventil má dále za úkol udrţovat pracovní tlak konstantní i při plynulém odběru a tím sniţování celkového tlaku v lahvi. Čím je redukční ventil kvalitnější tím je moţno dosáhnout i kvalitnějšího výsledku řezné hrany.

Obrázek 31 Jednostupňový redukční ventil

Jednostupňová regulace : Reguluje výstupní tlak z láhve přímo na tlak pracovní (nastavený obsluhou), obtíţněji se nastavuje optimální hodnota a ta se v průběhu řezání nepatrně proměňuje. Proto se jednostupňové regulační ventily primárně pouţívají při jednoduchých aplikacích. Pomocí regulačního šroubu nastavujeme pracovní tlak.

60

Studijní opora


Obrázek 32 Dvojstupňový redukční ventil

Dvojstupňová regulace : První stupeň regulace reguluje výstupní tlak z láhve přibliţně o 90 %. Druhý stupeň má membránu (austenitická ocel), která přesně koriguje výstupní tlak dle poţadavku obsluhy. Pomocí regulačního šroubu nastavujeme pracovní tlak. Dvojstupňové ventily jsou vlastně dva jednostupňové ventily spojené za sebou do jednoho celku. Oproti jednostupňovým ventilům udrţují konstantnější nastavení pracovního tlaku a lépe odolávají zamrzání.

6.4.4 Zařízení proti zpětnému šlehnutí Zpětné šlehnutí kyslíko-acetylenového plamene je fenomén při němţ dojde ke vniknutí plamene do svařovacího hořáku, kde dojde k neţádoucímu zapálení a hoření směsi plynů. Při nesprávném postupu obsluhy soupravy můţe dojít k vniknutí plamene do hadic případně do zásobníků plynů. Zpětné šlehnutí se projevuje třaskavým zvukem periodicky či neperiodicky se opakujícím nebo hvízdáním v injektoru hořáku. Příčiny vzniku zpětného šlehnutí lze nalézt při výstupní rychlosti plamene niţší neţ je 70 m/s, nečistotách v injektoru hořáku, hadicích, znečištěné trysce hořáku, poškozeném hořáku nebo redukčním ventilu. Viníkem vzniku zpětného šlehnutí často bývá přehřátý hořák nad teplotu 350 °C, která je teplotou vznícení kyslíko-acetylenové směsi. Zpětnému šlehnutí lze zabránit dodrţováním zásad pouţívání funkčního, pravidelně čištěného vybavení, tj. hořáku, hadic, redukčního ventilu, pravidelným chlazením hořáku ponořením do vody, správným seřízením plamene resp. jeho výstupní rychlosti a v neposlední řadě pouţitím pojistek zpětného šlehnutí.

61

Studijní opora


 Vodní předloha : 1, přívod acetylenu 2, plnící potrubí 3, kontrolní ventil 4, směr odběru acetylenu

Obrázek 33 Řez vodní předlohou

 Suchá předloha : Je konstruována tak, ţe při vniknutí kyslíku do acetylénové hadice se uzavře ventil a tím zabrání dalšímu šíření plamene. Uvnitř předlohy je speciální vloţka ze spékaných kovů v jejíţ dutinách se případný plamen uhasí.

Obrázek 34 Suchá předloha

 Pojistka proti zpětnému šlehnutí Pouţívají se proti vnikání kyslíku do acetýlenové hadice. V minulosti se montovaly do C2H2 hadice 1 metr od rukojeti hořáku, v současnosti se montují jako součást rukojeti. Jsou to vlastně speciálně upravené ventily, které se při zvýšení tlaku uzavřou a naopak. Nejniţší tlak C2H2 je 10 kPa.

62

Studijní opora


Obrázek 35 Pojistka proti zpětnému šlehnutí

http://www.stream.cz/video/566177-pojistka-proti-zpetnemu-slehnuti-hho http://www.youtube.com/watch?v=uUmLe9WCXX0&feature=related

Obrázek 36 Dělení materiálů kyslíkem Obrázek 37 Čistič trysek hořák

63

Studijní opora


6.4.5 Technologie procesu spalování – Principy Proces spalování probíhá obvykle ve dvou fázích: I. II.

C2H2 + O2 = 2CO + H2 + 21 143 kJ.m3 2 CO + H2 + 3O = 2CO2 + H2O + 27 000 kJ.m3

V prvé fázi spalování probíhá nedokonalé spalování na povrchu svařovacího kuţele. Acetylén se rozkládá, vodík zůstává z větší části volný, uhlík se spaluje na oxid uhelnatý. Oblast plamene do vzdálenosti asi 10 mm od vrcholu svařovacího kuţele má redukční účinky. V druhé fázi hoření dochází ke spalování ve vnějším kuţelu. Kyslík potřebný k reakci si plamen odebírá ze vzduchu se značným přebytkem, takţe vnější plamen má oxidační účinky. Tabulka jednotlivých typů plamene: A,

Neutrální

B,

Redukční

C,

Oxidační

Poměr O2 : C2H2 = 1 aţ 1,1 : 1 Poměr O2 : C2H2 <1 Poměr O2 : C2H2 = 1,2 : 1

Pouţití: ke svařování ocelí, nahřívací plamen a k řezání kyslíkem Pouţití : ke svařování hliníku, hořčíku, k navařování tvrdokovů a cementování plamenem Pouţití : ke svařování (pájení) mosazí a bronzů

Tabulka 9 Typy plamene a jejich použití

Podle intenzity (výstupní rychlosti plamene) se kyslíkoacetýlenový plamen dělí na :

A, Měkký plamen – má malou výstupní rychlost, která způsobuje jeho nestabilitu a náchylnost ke zpětnému šlehnutí. B, Střední plamen – plamen má přiměřený účinek na roztavenou lázeň, nedochází ke zpětnému šlehnutí. C, Ostrý plamen – plamen má velký dynamický účinek na roztavenou lázeň, rozhání ji a má negativní vliv na jakost (řezu či sváru). (24)

Obrázek 38 Typy používaných plamenů

64

Studijní opora

                 


vedení tepla, , mnoţství tepla. teplotního gradientu tepelný tok kyslíkové kopí ppm (parts per million). zápalná teplota inertní plyny: asfyxie (atmosféra se sníţeným obsahem kyslíku); zápalné plyny toxické plyny: korozívní plyny Acetylen C2H2 Technický kyslík (O2) redukční ventil jednostupňová regulace dvojstupňová regulace zpětné šlehnutí vodní předloha proces spalování

            

Co je to tepelné dělení materiálů ? Jaké znáte metody tepelného dělení technických materiálů ? Definujte princip kyslíkového kopí. Co je to čistota technického plynu a jak ovlivňuje proces dělení materiálů ? Co si lze představit pod pojmem zápalná teplota při řezání kyslíkem ? Jaké známe základní tyy technických plynů ? Jaká je chemická značka technického plynu acetylen ? Jak zní správná odpověď ? Mastnota + kyslík = ??? K čemu slouţí redukční ventil ? Co je to zpětné šlehnutí ? Jaký je princip zařízení proti zpětnému šlehnutí ? Jaká je technologie procesu spalování při tepelném dělení materiálů ? Definuj ostrý plamen. 65

Studijní opora


6.5 Alternativní hořlavé plyny Pro samotný proces řezání je kromě samotného kyslíku, pro který je důleţitá minimální čistota 2.5 (99,5) nezbytný i hořlavý plyn, který dokáţe (obohacený kyslíkem pro lepší spalování) nahřát řezaný materiál na zápalnou teplotu a tím nastartovat celý proces. Hořlavý plyn musí mít vysokou teplotu plamene, vysokou rychlost hoření a vysokou intenzitu v primárním pásmu plamene, aby ohřev místa řezu byl co nejrychlejší a tím se co nejvíce zefektivnil celý proces a sníţila se spotřeba hořlavého plynu pro předehřev. Alternativním plynem se v poslední době stali tyto plyny - etylen, metan, propan, propylen. Důvody postupného přechodu od acetylenu k náhradním (alternativním) plynům při dělení technických materiálů lze definovat takto: Moderní strojírenské podniky potřebují dělit materiál úsporněji, efektivněji a bezpečněji. Zkapalněné uhlovodíky jako jsou propylén C3H6 a etylén C2H4, který je dodáván ve zkapalněném stavu do stacionárních zásobníků. Má dostatečně vysokou teplotu plamene, rychlost spalování i intenzitu v primární oblasti plamene. Díky formě dodávek je často ekonomicky výhodnější oproti acetylenu. Pro tyto vlastnosti se velmi úspěšně dají vyuţít nejen pro ohřev a předehřev materiálu, ale i pro jeho řezání. Velkou výhodou acetylénu oproti zkapalněným uhlovodíkům je bezesporu jednoznačně nejvyšší teplota plamene cca 3110 oC a malý směšovací poměr s kyslíkem (menší spotřeba). Na druhou stranu acetylén má také nevýhody mezi, které patří vysoká vstupní cena, nemoţnost dodávky acetylenu do kryogenních velkoobjemových zásobníků – častá manipulace s lahvemi, která proces prodraţuje. Dále pouţívání acetylénu má i technologické omezení zejména při dělení velkých průměrů a to pro jednotlivé tlakové lahve o vnitřním objemu 40 nebo 50 l a při teplotě v lahvi 15 °C platí, ţe krátkodobě (max. min 10 min.) lze odebírat maximální mnoţství o průtoku 1 m3/hod., střednědobě (cca 1 směna) 0,5 m3/hod. a trvale pouze 0,35 m3/hod. Výpočet obsahu tlakové lahve kyslíku. Obsah = vodní obsah lahve x tlak v lahvi x 10 = 40 litrů x 15 Mpa x 10 = 6000 litrů = 6m3

66

Studijní opora


Výpočet obsahu tlakové lahve acetylenu. Obsah = objem acetonu v lahvi x rozpustnost acetylenu v 1 litru acetonu x tlak v lahvi x 10 = 16 litrů x 24 litrů x 1,6 Mpa x 10 = 5600 litrů = 5,6m3 V neposlední řadě je zde i aspekt bezpečnosti práce. Jedná se o fakt, ţe acetylén tvoří výbušnou směs jiţ od 2,4 %(obj) do 83 %(obj), coţ z něj činí opravdu nebezpečnou látku vzhledem k moţností kontrol moţných netěsností a úniků. Pro uvedení příkladu lze uvést propylén, jenţ tvoří výbušnou směs se vzduchem „pouze“ v relacích od 2 %(obj) do 11 % (obj).

Obrázek 39 Cenové porovnání propylen-acetylen

Celkové shrnutí : Ačkoliv acetylen je pro svařování plamenem nezastupitelným plynem tak pro dělení materiálů se stále více vyuţívají a do budoucna zcela jistě budou zkapalněné uhlovodíky. Teploty plamene při pouţití technických plynů:    

ACETYLEN ETYLEN PROPYLEN PROPAN

3 110 2 909 2 883 2 822

o

C C o C o C

o

67

Studijní opora


6.6 Bezpečnost práce při dělení materiálu Bezpečnostními ustanoveními pro plamenové řezání kyslíkem se zabývají tyto normy ČSN 05 06 00, ČSN 05 06 01, ČSN 05 06 10 a vyhláška Ministerstva vnitra ze dne 31.března 2000 č.87/2000 Sb.

Obrázek 40 Ochranné pomůcky při dělení materiálu

6.7 Dělení vodním paprskem Řezání vodním paprskem 

Technologie řezání vodním paprskem

Základní princip technologie řezání vodním paprskem je jednoduchý a současně velmi komplikovaný. Ve stručnosti řečeno, voda tekoucí pod ultra vysokým tlakem z čerpadla přes vysokotlaké potrubí do řezací hlavy se změní v trysce na vodní paprsek o rychlosti aţ čtyřnásobně vyšší neţ rychlost zvuku. Celý proces však zahrnuje výzkumem a praxí důsledně prověřené materiály, technologii a design. Vytvoření tlaku vody v úrovni 6000 barů vyţaduje poznatky vědy a techniky. Nejsou-li komponenty správně navrţeny, můţe při vysokých tlacích kaţdá nepatrná netěsnost způsobit trvalé erozní poškození. V podstatě existují dva typy technologie:  

A, řezání čistou vodou B, řezání abrazivním vodním paprskem

68

Studijní opora


Stroje jsou navrţeny tak, aby pouţívaly pouze technologii řezání čistou vodou nebo pouze technologii řezání abrazivním vodním paprskem a nebo obojí. U obou technologií je zapotřebí vysokotlaké čerpadlo. 

Čerpadlo

Čerpadlo je srdcem technologie vodního paprsku. Čerpadlo stlačí vodu a dodává ji průběţně do řezací hlavy, která ji promění na nadzvukový vodní paprsek. V praxi jsou známé dva základní typy čerpadel – prvním typem jsou čerpadla s intenzifikátorem (princip tlakového zesilovače) s označením ESL (Extended Seal Life), druhým typem jsou čerpadla s přímým pohonem s označením HyPlex™.  Intenzifikátor Základní prvek ultra-vysokotlakých čerpadel vyuţívající násobič tlaku hydraulického obvodu na vysokotlaký výstupní obvod. Čerpadlo s intenzifikátorem pracuje na principu plunţru, plunţrového čerpadla. Hydraulický obvod se skládá z elektrického motoru o příkonu 18kW - 147kW, hydraulického čerpadla, olejové nádrţe, rozvodné kostky a hydraulického pístu a plunţru. Elektrický motor pohání hydraulické čerpadlo, které vytváří tlak 206 barů. Stlačený hydraulický olej běţí skrz rozvodnou kostku, kde přepínací obvod pouští vysokotlaký olej do hydraulické válce a pohání píst a plunţr na jednu stranu. Po doběhu do koncové polohy pístu na jedné straně je elektronicky přepojen směr stlačeného hydraulického oleje tak, ţe dojde k posunu pístu a plunţru na druhou stranu. Výsledkem je přepínaný pohyb pístu a plunţru a vytvoření vysokého tlaku na straně obvodu vody v poměru dle Pascalova zákonu, tj. mezi obsahem plochy pístu hydraulického obvodu a obsahu plochy plunţru na straně vysokotlakého obvodu vody. Tento poměr bývá v rozmezí 20 - 31. To znamená, ţe můţeme vytvářet výstupní tlak vody 4 150 - 6 000 barů.

6.7.1 Dělení vodním paprskem bez abraziva Řezání vodním paprskem patří k původnímu způsobu dělení vodou. První komerční aplikace byly realizovány v období od počátku roku 1970, kdy se jednalo o řezání vlnité lepenky. Nejvíce se technologie řezání vodním paprskem vyuţívá pro měkké materiály, např. na jednorázové plenky, hedvábný papír a díly automobilových interiérů. Technologie vodního paprsku je velmi vhodná pro nepřetrţitý provoz - 24 hodin denně, 7 dnů v týdnu, 365 dnů v roce.

69

Studijní opora


Základní atributy řezání čistou vodou 

Schopnost řezat měkké, lehké materiály aţ do 100mm tloušťky (umělou hmotu PP, PE, gumu, různé pěnové materiály, izolační materiály – tepelné izolační materiály)



Velmi tenký paprsek (průměr paprsku od 0,1 do 0,24 mm)



Extrémně přesná geometrie



Velmi malá ztráta materiálu způsobena řezáním



Bez tepelného ovlivnění řezaného materiálu



Moţnost řezat i silnější materiály



Velmi tenká řezná spára



Obvykle velmi vysoká řezná rychlost (do 20m/min)



Extrémně nízké řezné síly



Jednoduché uchycení



Nepřetrţitý provoz

6.8 Dělení vodním paprskem s abrazivem Abrazivní vodní paprsek se odlišuje od vodního paprsku v několika směrech. U „čistého“ vodního paprsku nadzvukový proud vody (do 1 100m/min) nahlodává materiál. U abrazivního vodního paprsku slouţí vodní paprsek k urychlování abrazivních částic (většinou granátu), které rozrušují materiál. Brusná síla abrazivního vodního paprsku je stokrát ne-li tisíckrát silnější, neţ erozivní síla čistého vodního paprsku. Oba způsoby dělení vodním paprskem mají své uplatnění. Zatímco vodní paprsek je vhodný na řezání měkkých materiálů, nachází abrazivní paprsek uplatnění pro řezání tvrdých materiálů, jako jsou kovy, kámen, keramika, kompozity a podobně. Atributy abrazivního vodního paprsku 

extrémně všestranná technologie



nevznikají tepelně ovlivněné zóny řezu



nevznikají mechanická pnutí



snadno programovatelné 70

Studijní opora




tenká řezná spára (od 0.3 do 1,35mm průměr paprsku)



extrémně přesná geometrie řezaných dílů



řezání tenkých materiálů



řezání tlustých materiálů aţ do 250mm u standardních strojů



řezání ve více vrstvách - paketech



malé ztráty materiálu v důsledku řezání



jednoduché upevnění řezaných materiálů



nízké řezné síly (pod 500 N v průběhu řezání)



jeden řezný nástroj pro všechny materiály



snadné přepnutí z jediné na více řezných hlav



rychlá záměna z čistého vodního paprsku na abrazivní způsob řezání a naopak



sníţené náklady na následující operace



malý nebo ţádný otřep

Problémy při dělení vodním paprskem : Ohyb paprsku – vada řezu. Do nedávna byl problém neţádoucí odchylkou geometrie problematicky řešitelný. Dnes firmy vyuţívají patentovaných systémů pouţívající nově vyvinuté pokročilé řízení pohybu pomocí jedinečného matematického modelu. Řezací hlava je upevněna v malém kloubu se dvěma stupni volnosti pohybu. To umoţňuje naklonění řezací hlavy v libovolném směru a tím kompenzaci úkosu a zpoţdění vodního paprsku, který vzniká u konvenční technologie. Úkos a ohyb paprsku vznikají přirozeně u všech zařízení pouţívajících paprsek, tedy i u vysokotlakého vodního paprsku. Tyto neţádoucí odchylky geometrie u řezaného dílu se zvětšují se zvyšující se rychlostí řezání, tloušťkou a tvrdostí materiálu. Konvenční vodní paprsek musí zpomalit, aby se minimalizovaly nebo eliminovaly rozměrové odchylky způsobené úkosem. S dnešní nejmodernější technologií jsou tato omezení překonána. Úkos při řezání vodního paprsku vzniká v případě, ţe není kompenzován natáčením řezací hlavy v průběhu řezání. S rostoucí tloušťkou materiálu ztrácí paprsek energii a výsledkem je, ţe hrana řezu není kolmá k ploše řezaného materiálu. 71

Studijní opora


Při pohybu vodního paprsku materiálem dochází ve vertikálním směru k jeho ohybu. Podobně jako v případě úkosu dochází se vzrůstající posuvovou rychlostí k rostoucímu ohybu vysokotlakého vodního paprsku. Tento jev se projeví zejména v rozích řezaného materiálu a na kvalitě řezné plochy.

Obrázek 41 Vada řezu - ohyb paprsku

Obrázek 42 Řez s dynamickou kompenzací ohybu

Systém dodávky abraziva Pneumatický systém dodávky abraziva dodává plynule potřebné abrazivo ze zásobníku k dávkovacímu ventilu. Pouţití stlačeného vzduchu zabraňuje, aby se do písku dostávala vlhkost. To zajišťuje vţdy optimální tok abraziva. Optický signál hlásí obsluhovateli nutnost doplnit abrazivo. Doplňovat lze za provozu bez přerušení řezu. (25)

72

Studijní opora


6.8.1 Přednosti řezání vodním paprskem oproti konvenčním technologiím  

         

řezání vodním paprskem probíhá bez dotyku nástroje a materiálu nedochází k tepelnému namáhání materiálu a ke vzniku vnitřního pnutí –jedná se o studený řez - nedochází k zahřívání a tepelnému namáhání materiálu, deformacím, vzniku vnitřního pnutí ani ke ztvrdnutí jak je tomu při řezání laserem nebo plazmou řezy lze provádět v těsné blízkosti hrany materiálu a minimalizovat tak odpad nedochází ke vzniku mikrotrhlin v okolí řezu řezání vodním paprskem nezpůsobuje vznik polétavého prachu z děleného materiálu. lze provádět kvalitní řezy vrstvených materiálů o různých fyzikálně-chemických vlastnostech nedochází k chemickému ovlivnění řezaného materiálu řeţe obtíţně obrobitelné materiály - řez je přesný, čistý a bez opalků nevznikají ţádné škodlivé plyny nebo páry řeţe materiály měkké, lepivé, drolící se i křehké včetně vícevrstvých řeţe nevodivé materiály, např. ţulu, sklo, plasty a dřevo řezaná hrana u většiny výrobků nevyţaduje další zpracování

Nevýhody řezání vodním paprskem    

nevyhnutelný kontakt s vodou kovové materiály nutno vhodně ošetřit delší vysoušení u nasákavých materiálů moţnost změny barvy či znečištění některých materiálů (26)

http://www.ptv.cz/ptv/jnp/cz/home/index.html;jsessionid=05740ED76FD2F26AF42F922A1 D435FBB http://www.wapa.cz/materialy/rezani-kovu-nerez11-523hardox-atd/ http://www.flowcorp.cz/technologie-dwj-xd-foto-374/

73

Studijní opora

     


Hořlavý plyn Princip technologie dělení vodním paprskem Čerpadlo Intenzifikátor Ohyb paprsku Úkos při řezání vodním paprskem

 Jaká je minimální čistota kyslíku pro pouţití při tepelném dělení materiálů ?  Z jakého důvodu moderní podniky pouţívají alternativní plyny pro tepelné dělení ?  Pro jaké materiály je vhodná technologie dělení vodním paprskem bez pouţití abraziva ?  Jaké jsou základní přednosti technologie dělení vodním paprskem ?  Jaké jsou základní nevýhody technologie dělení vodním paprskem ?

74

Studijní opora


7 Nedestruktivní zkoušení materiálu

3 hodiny

Cílem kapitoly je seznámení se z nedestruktivním zkoušením materiálů, jeho přednostmi a vyuţitím při jednotlivých technických aplikacích.

Výklad:

Tabulka přehledu nedestruktivních metod :

Magnetická prášková MT

Kapilární (barevné či fluorescenční penetranty) PT

Prozařování radioizotopy Co 60 – Ir 192

Vady na povrchu, těsně pod povrchem, trhliny, porezita, vměstky – vysoká citlivost na trhliny. Trhliny otevřené na povrch, porezita, přeloţky atd. netěsnost prostupující stěnou

Feromagnetické materiály, tyče, výkovky a sváry.

Oproti kapilární Nutnost metodě se indikují demagnetizace po i podpovrchové součásti zkoušce. vady. Relativně rychlá a levná metoda.

Všechny součásti s neporézním povrchem

Nízká cena, snadná interpretace výsledků

Vnitřní vady, porezita, vměstky, neprůvary, korozní zeslabení atd.

Kde není moţné pouţít rentgenku, nebo kde není k dispozici panoramatické zobrazení.

Nízká pořizovací cena, trvalý záznam na film, přesnost.

75

Povrchové nečistoty povlaky mohou znemoţnit detekci vad. Součásti musí být před a po zkoušce očištěny-vady musí být na povrchu otevřené. Jedna energetická úroveň zdroje. Sniţování aktivity s časem. Radiační ohroţení .Horší geom. neostrost.

Studijní opora


Rentgenograf RT

Vnitřní vady, porezita, vměstky, neprůvary, korozní zeslabení, změny hustoty.

Odlitky, svary, tenké tvářené výrobky, nekovy a kompozity.

Trvalý záznam na film, neměnná úroveň intezity, vysoká citlivost na změnu hustoty.

Ultrazvuk

Vnitřní a povrchové vady, trhliny, neprůvary, vměstky póry, deleminace, změny tloušťky

Tvářené polotovary, sváry, lepené spoje a nekovy.

Citlivost na zjišťování trhlin a plošných vad. Výsledky jsou okamţitě k dispozici. Automatizace.

Vysoká pořizovací cena, vliv orientace vady, radiační ohroţení, není indikována hloubka vady Nevyţaduje vazbu, nutnost referenčních měrek. Obtíţná kontrola malých tlouštěk a hrubozrnných struktur.

Tabulka 10 Přehled nedestruktivních metod

Nedestruktivní zkoušení materiálů jiţ svým názvem napovídá, ţe jde o testování materiálu bez jeho porušení. Je třeba si uvědomit, ţe ne kaţdá necelistvost je povaţována za nepřípustnou vadu. V materiálu se můţe vyskytovat několik typů necelistvostí, které můţeme rozdělit ve vztahu k jejich poloze na  související s povrchem  podpovrchové  vnitřní Povrchové metody    

vizuální zkoušení penetrační zkoušení zkoušení magnetickou práškovou metodou

Metody k detekci vnitřních nehomogenit  prozařování  prozvučování  ultrazvukové zkoušení Vzhledem k závaţnosti hledaných vad se musí stanovit adekvátní metoda k jejich nalezení.

76

Studijní opora


7.1 Metoda vizuální Nejjednodušší a nejlevnější metodou k zjišťování vad je vizuální kontrola. Tuto metodu lze provádět s několika základními pomůckami, dostatečnýma znalostmi technologie výroby, kritérii přípustnosti a dodrţení světelných a pozorovacích podmínek.

7.2 Metoda penetrační Druhou metodou schopnou odhalovat pouze vady typu a) to znamená související s povrchem je metoda penetračního zkoušení.

Tato metoda je zaloţena na principu zvětšení, to znamená zviditelnění nehomogenit za pomoci kapilární elevace. Limity pro provádění penetrační zkoušky jsou velikost necelistvosti, teplotní rozsah, odolnost testovaného materiálu vůči prostředkům penetračního zkoušení a porozita materiálu.

Trhliny Porezita Brusné trhliny Studené spoje Technologické a únavové trhliny

DETEKOVATELNÉ VADY Praskliny Řediny Materiálová textura Mezikrystalová a bodová koroze

Tabulka 11 Detekovatelné vady

77

Studijní opora


Obrázek 43 Schéma penetrační metody

7.3 Metoda magnetická Třetí metodou zjišťující povrchové a těsně podpovrchové nehomogenity je metoda magnetická. Tato metoda je aplikovatelná pouze na feromagnetické materiály a jejím principem je zviditelnění magnetického rozptylového toku obcházejícího nehomogenitu materiálu.

78

Studijní opora


Obrázek 44 Magnetická metoda zkoušení

Obrázek 45 Výsledek magnetické zkoušky

Průchodem proudu provádíme tzv. příčnou (kruhovou) magnetizaci a zjišťujeme vady podélné Magnetickým polem provádíme podélnou magnetizaci a zjišťujeme vady příčné. Někdy po zkoušce odmagnetizovat (demagnetizovat).

79

Studijní opora


Obrázek 46 Zjišťování podélných vad

Obrázek 47 Detekování příčných vad

Materiály vhodné ke zkoušení magnetickou metodou:  všechny feromagnetické materiály s relativní permeabilitou µr větší neţ 100. Například: ocelové materiály, litina, kobalt, nikl Nelze zkoušet austenit. Zjistitelnost vad podle tvaru: Dobře detekovatelné vady  plošné, spárovité – například trhliny, neprůvary Podmíněně detekovatelné, nebo nedetekovatelné vady.  objemové, okrouhlé – například póry, staţeniny, struskové vměstky

80

Studijní opora


Zjistitelnost podle polohy: Dobře detekovatelné vady  vady povrchové – střídavý proud max. 1-2 mm stejnosměrný proud 2 – 3 mm Podmíněně detekovatelné  vady podpovrchové  vady nedetekovatelné – 4 a více mm

7.4 Metoda rentgenová a ultrazvuková Metody, které jsou schopny zjišťovat vnitřní necelistvosti jsou  metoda prozařovací RT  metoda prozvučovaní UT

Prvá z jmenovaných metod vyuţívá ionizujícího záření o energii 25 keV – 25 MeV, které prochází skrz materiály. Při průchodu záření materiálem potenciální defekty nacházející se v látce pohlcují více, či méně záření. Tento rozdíl absorpce záření se zviditelní například radiografickým filmem.

Obrázek 48 Princip rentgenového zkoušení materiálů

radiografický film je pod místem diskontinuity ozářen větší intenzitou, proto více zčerná. Zkoušený předmět je umístěn mezi zdroj záření a film. Průchodem záření předmětem dojde k jeho zeslabení, to je závislé na tloušťce a atomovém čísle zkoušeného předmětu. 81

Studijní opora


Obrázek 49 Výrobek zkoušený RTG metodou Obrázek 50 Výsledek zkoušení RTG metodou

Gama zářič RTG Lineární urychlovač betatron Se 75 Ir 192 Co 60

Ekvivalentní energie [keV] do 450 2 aţ 10 MeV 15 aţ 32 MeV cca 450 500 aţ 600 2000 aţ 2500

Tloušťkový rozsah Fe [mm] do 80 120 aţ 250 Do 550 10 aţ 40 od 20 od 40

Tabulka 12 Srovnávací tabulka jednotlivých zařízení

výhody této metody  vysoká citlivost na nelineární defekty  vhodné pro kontrolu malých tlouštěk nevýhody této metody    

nutnost ochrany před ionizujícím zářením relativně dlouhá doba kontroly omezení max. zkoušené tloušťky horší citlivost na plošné defekty

Další metoda vyuţívá ultrazvukového signálu. Jeho průchodu, odrazu a lomu ve zkoušeném materiálu na rozhraní dvou prostředí.

82

Studijní opora


Zvláštností této metody jsou:  pouţitelnost od 8 mm  velká citlivost na ploché defekty. Okrouhlé defekty jsou hůře zjistitelné z důvodu rozptylu odraţené energie. Princip: Vysokofrekvenční zvukový signál prochází materiálem a odráţí se od druhé strany materiálu. V případě přítomnosti nehomogenity, se část energie odrazí zpět a vytvoří vadové echo. Výhodou ultrazvukového zkoušení jsou výsledky hned po provedení zkoušky, ke zkoušení je zapotřebí pouze jeden přístroj a zkouška není nebezpečná svému okolí.

Obrázek 51 Vyobrazení ultrazvukových ech

(27)

83

Studijní opora


8 Časový harmonogram kurzu Celková dotace hodin …… 20 hodin

[1.] Přednáška technické materiály ( úvod ) kapitola 1 aţ 3.3.1. / bude vytvořena projekce prezentace na plátno / / vyuţití didaktických pomůcek – notebook, dataprojektor / / kaţdá podpořená osoba obdrţí studijní oporu a CD / Lektor : Ing. Petr Fojtík Výuková místnost : Krnov, Opavská 49 – prostory praktického vyučování. [2.] Praktická část dělení technických materiálů Fa. Promont a.s. Ostrava – ukázka řezání vodním paprskem s pouţitím abraziva. Technická dokumentace spojená s dělením a svařováním – WPS, WPQR, technické výkresy. [3.] Praktická část Nedestruktivní zkoušení materiálu teoretický úvod do nedestruktivního zkoušení - obecně, stručný popis jednotlivých metod: RT, MT, UT, PT, VT - praktická ukázka jednotlivých metod RT,MT,UT,PT,VT - dotazy, diskuze [4.] Přednáška kapitola Technické materiály a technologie zpracování kovových materiálů – Odlévání. Kapitola 3.4.1. - 3.4.3. Kapitola 4. – 4.1.6 / bude vytvořena projekce prezentace na plátno / / vyuţití didaktických pomůcek – notebook, dataprojektor / / kaţdá podpořená osoba obdrţí studijní oporu a CD /

Časová dotace 5 hodin

84

Studijní opora


[5.] Přednáška dělení materiálů – teoretický základ Druhy tepelného dělení, optimalizace procesu dělení volbou vhodného hořlavého plynu. Historie a současnost Kapitola 6. – 6.4.5. Lektor : Ing. Petr Fojtík,

Časová dotace 2,5 hodin

[6.] Přednáška a praktická ukázka: zásady : renovací svařováním elektrickým obloukem renovací a odstraňování licích vad pomocí svařování. renovací Al odlitků. Kapitola 5 – 5.1.2 / bude vytvořena projekce prezentace na plátno / / vyuţití didaktických pomůcek – notebook, dataprojektor / / kaţdá podpořená osoba obdrţí studijní oporu a CD / Lektor : Ing. Petr Fojtík, [7.] Praktická ukázka z výkladem odstředivého odlévání. / Slévárna neţelezných kovů Krnov / / Poučení BOZPa specificích provozu slévárny / / Pořízení fotodokumentace pro výukové vyuţití se svolením firmy / Lektor : Ing. Horký


[8.]

Dělení materiálů – teoretický základ Druhy tepelného dělení, optimalizace procesu dělení volbou vhodného hořlavého 85

Studijní opora


plynu. Historie a současnost. Kapitola 6.5. – 6.6. Dělení pomocí vodního paprsku Kapitola 6.7. – 6.8.1. / vyuţití didaktických pomůcek – notebook, dataprojektor / / kaţdá podpořená osoba obdrţí studijní oporu a CD / Lektor : Ing. Petr Fojtík

Časová dotace 2,5 hodiny

[9.] Nedestruktivní zkoušení materiálů Ultrazvuk, , rentgen, vizuální a penetrační metoda. Význam pro moderní strojírenskou výrobu, legislativní rámec Kapitola 7. – 7.4. / bude vytvořena projekce prezentace na plátno / / vyuţití didaktických pomůcek – notebook, dataprojektor / / kaţdá podpořená osoba obdrţí studijní oporu a CD / Lektor : Ing. Petr Fojtík [10.] Dělení technických materiálů pomocá vodního paprsku Praktická část - ukázky technologických moţností Vyuţití v praxi, ekologie a ekonomika provozu Lektor : Ing Petr Fojtík


86

Studijní opora


Citovaná literatura 1. Rychlíková, Berta. Technologie kovů. 2. Ostrava : Ostravská univerzita, 2004. str. s.7. ISBN 80-7042-103-7. 2. Vojtěch, Dalibor. Kovové materiály. 1. Praha : Vysoká škola chemicko-technologická, 2006. str. s.9. ISBN 80-7080-600-1. 3. Pilous, Václav. Materiály a jejich chování při svařování. Plzeň : Česká svářečská společnost ANB ŠKOLA WELDING s.r.o. ZČU fakulta strojní, 2009. stránky s.4.-5. 4. GREENWOOD, N. N a EARNSHAW, A. Chemie prvků II. 1.vydání. Praha : Informatorium, 1993. stránky S. 1320–1374. . ISBN 80-85427-38-9.. 5. G, Childe V. What Happend in History. London : Penguin Books, 1942. str. s.182. 6. Vladimír Těhlík, Radovan Nečas, Dana Kubátová. Klasifikace vápenců pro použití v průmyslu. [Dokument] Brno : Výzkumný ústav stavebních hmot, osmý. Březen 2011. 7. curiavitkov.cz. curiavitkov.cz. [Online] [Citace: 09. 01 2011.] http://curiavitkov.cz/prace51.html. 8. Pilous, Václav. Materiály a jejich chování při svařování. Plzeň : Česká svářečská společnost ANB ŠKOLA WELDING s.r.o., Plzeň ZČU Plzeň, fakulta strojní, 2009. str. s. 5. 9. Rychlíková, Berta. Technologie kovů. 2.vydání. Ostrava : Ostravská univerzita, 2004. str. s.85 aţ 90. ISBN 80-7042-103-7. 10. http://www.rajmont.cz. http://www.rajmont.cz/technologie-indukcni-ohrev/. [Online] [Citace: 13. 2 2011.] 11. http://www.nowak.fr. [Online] [Citace: 13. 02 2011.] http://www.nowak.fr/english/cadreprocessflash.htm. 12. Elbel, Tomáš. Základy slévárenské technologie od historie po současnost. Ostrava : VŠBTU Ostrava, FMMI, 2006. stránky s.16.-17.

13. Zemčík, Ladislav a Dlouhý, Antonín. Přesné lití odlitků z intermetalických slitin gama TiAl. [CD ROM]. Ostrava : Sborník z konference Metal, 2004. stránky s 1.-8. 87

Studijní opora


14. Vojtěch, Dalibor. Kovové materiály. 1. Praha : Vysoká škola chemicko technologická, 2006. str. s.64. ISBN 80-7080-600-1. 15. Elbel, Tomáš. Základy slévárenské technologie od historie po současnost. Ostrava : VŠBTÚ Ostrava - FMMI, 2006. str. s.23. 16. Minařík, Václav. Přehled metod svařování. Ostrava : Zeross - svářečské nakladatelství Ostrava, 1998. stránky 19-20. ISBN 80-85771-57-8. 17. Vamberk, ESAB. Katalog přídavných materiálů. [Aktualizace pro CD] Vamberk : autor neznámý, Březen 2006. 18. Wikipedia, Portál. http://cs.wikipedia.org/wiki/Veden%C3%AD_tepla. cs.wikipedia.org. [Online] [Citace: 03. 04 2011.] 19. Zmydlený, Tomáš. Svařování plamenem, řezání autogenem, plasmou, laserem. [Power point prezentace] Vamberk : ESAB Vamberk s.r.o., 03. Duben 2011. 20. Web svarinfo. [Online] [Citace: 3. Duben 2011.] http://www.svarbazar.cz/phprs/view.php?cisloclanku=2008031201. 21. Tomáš, Zmydleny, Marek, Janata a Hynek, Tymrák. [Online] [Citace: 03. Duben 2011.] http://www.airproducts.cz/news/novinky/press92.htm. 22. http://www.siad.com. [Online] SIAD Czech spol. s r.o. . [Citace: 10. Duben 2011.] http://www.siad.com/repceca/pagina.asp?m=2&id=73. 23. Dvořáková, Ludmila, a další, a další. ČATP. [Online] Listopad 2006. [Citace: 10. Duben 2011.] http://www.catp.cz/publikace/kyslik.pdf. 24. Ambrož, Oldřich, Kandus, Bohumil a Kub94ek, Jaroslav. Technologie svařování a zařízení. [překl.] recenzent Minařík Václav. I. Ostrava : Česká svářečská společnost ANB, Zeross - svářečské nakladatelství, 2001. stránky 28-31. ISBN 80-85771-81-0. 25. flowcorp. http://www.flowcorp.cz. [Online] Flow Eastern Europe. [Citace: 17. Duben 2011.] http://www.flowcorp.cz/technologie-rezani-vodnim-paprskem-26/. 26. CB, KONEKO. vodni-paprsek. [Online] [Citace: 17. Duben 2011.] http://www.vodnipaprsek.cz/uvod.html.

27. Havránek, Leoš. ND Test. [Prezentace Microsoft Power point] Ostrava : ND Test s.r.o., 5. Červen 2011.

88

Studijní opora


28. Lukášek, Jaromír. 03_1-8 Řezatelnost kovových materiálů. www.welding.cz. [Online] [Citace: 10. Duben 2011.] http://www.welding.cz/vyvoj/svar_03/03_1-8.htm. 29. Řezání a dělení materiálů vodním paprskem. www.wapa.cz. [Online] wapa.cz. [Citace: 17. Duben 2011.] http://www.wapa.cz.

89

Studijní opora


9 Seznam obrázků Obrázek 1 ţelezný meteorit ...................................................................................................... 14 Obrázek 2 z rudy vytavené ţelezo vytaţené z pece.Foceno v Josefově u Adamova .............. 16 Obrázek 3 Fe2O3 Hematit........................................................................................................ 18 Obrázek 4 Fe3O4 Magetit ........................................................................................................ 18 Obrázek 5 Surové ţelezo .......................................................................................................... 20 Obrázek 6 vsázka do kyslíkového konvertoru ......................................................................... 22 Obrázek 7 Schéma pracovních cyklů kyslíkového konvertoru ................................................ 22 Obrázek 8 Elektrická oblouková pec ( EOP ) .......................................................................... 23 Obrázek 9 Elektrická indukční pec (EIP) ................................................................................. 25 Obrázek 10 Jednotlivé části procesu přesného lití ................................................................... 31 Obrázek 11 Vakuová indukční pec IS2/I HERAEUS .............................................................. 33 Obrázek 12 Schéma horizontálního odstředivého odlévání ..................................................... 34 Obrázek 13 Schematické zobrazení vertikálního odstředivého odlévání ................................. 35 Obrázek 14 Odlitek oběţného kola 115 mm litého odstředivě ................................................ 36 Obrázek 15 Odlitek oběţného kola 115 mm litého gravitačně ............................................... 36 Obrázek 16 Kontinuální lití sochorů Třinec ............................................................................. 37 Obrázek 17 Schéma kontinuálního lití ..................................................................................... 37 Obrázek 18 Závislost teploty počátku a konce tuhnutí na chemickém sloţení slitiny ............. 39 Obrázek 19 Návar bronzovým drátem v ochranné atmosféře .................................................. 43 Obrázek 20 Renovace svařováním ........................................................................................... 45 Obrázek 21 Princip termického řezání materiálů kyslíkem .................................................... 53 Obrázek 22 Průřez kyslíkovým kopím .................................................................................... 53 Obrázek 23 Historický snímek odpichu vysoké pece (odstranění hlíny a spuštění toku kapalného ţeleza. ..................................................................................................................... 54 Obrázek 24 Současné vyuţití termického kyslíkového kopí................................................... 54 Obrázek 25 Barevné značení lahví dle ČSN EN 1089-3 ........................................................ 56 Obrázek 26 Řez acetylenovou tlakovou nádobou ................................................................... 57 Obrázek 27 Acetylid vápenatý (karbid vápenatý) ................................................................... 57 Obrázek 28 Bezpečnostní štítek tlakové nádoby..................................................................... 58 Obrázek 29 Kyslíková tlaková hadice 6,3mm......................................................................... 59 Obrázek 30 Acetýlenová tlaková hadice 8 mm ....................................................................... 59 Obrázek 31 Jednostupňový redukční ventil ............................................................................ 60 Obrázek 32 Dvojstupňový redukční ventil .............................................................................. 61 90

Studijní opora


Obrázek 33 Řez vodní předlohou ............................................................................................ 62 Obrázek 34 Suchá předloha..................................................................................................... 62 Obrázek 35 Pojistka proti zpětnému šlehnutí .......................................................................... 63 Obrázek 36 Dělení materiálů kyslíkem ................................................................................... 63 Obrázek 37 Čistič trysek hořák ............................................................................................... 63 Obrázek 38 Typy pouţívaných plamenů ................................................................................. 64 Obrázek 39 Cenové porovnání propylen-acetylen .................................................................. 67 Obrázek 40 Ochranné pomůcky při dělení materiálu .............................................................. 68 Obrázek 41 Vada řezu - ohyb paprsku .................................................................................... 72 Obrázek 42 Řez s dynamickou kompenzací ohybu ................................................................ 72 Obrázek 43 Schéma penetrační metody ................................................................................... 78 Obrázek 44 Magnetická metoda zkoušení ............................................................................... 79 Obrázek 45 Výsledek magnetické zkoušky ............................................................................. 79 Obrázek 46 Zjišťování podélných vad ..................................................................................... 80 Obrázek 47 Detekování příčných vad ...................................................................................... 80 Obrázek 48 Princip rentgenového zkoušení materiálů ............................................................. 81 Obrázek 49 Výrobek zkoušený RTG metodou ........................................................................ 82 Obrázek 50 Výsledek zkoušení RTG metodou ........................................................................ 82 Obrázek 51 Vyobrazení ultrazvukových ech ........................................................................... 83

91

Studijní opora


10 Seznam tabulek Tabulka 1 Obsah prvků surové ţelezo – ocel ............................................................................ 7 Tabulka 2 Přehled technických materiálů uţívaných ve strojírenství ....................................... 9 Tabulka 3 Chemické vlastnosti kovových materiálů .............................................................. 12 Tabulka 4 Fyzikální vlastnosti kovových materiálů ............................................................... 12 Tabulka 5 Mechanické vlastnosti kovových materiálů ........................................................... 13 Tabulka 6 Technologické vlastnosti kovových materiálů ....................................................... 13 Tabulka 7 Metody tepelného dělení dle zdroje tepla a tepelného toku. .................................. 49 Tabulka 8 Přehled obvyklého značení čistoty plynů ............................................................... 55 Tabulka 9 Typy plamene a jejich pouţití ................................................................................ 64 Tabulka 10 Přehled nedestruktivních metod ............................................................................ 76 Tabulka 11 Detekovatelné vady ............................................................................................... 77 Tabulka 12 Srovnávací tabulka jednotlivých zařízení ............................................................. 82

92

Studijní opora


11 Vyjádření odborného garanta Studijní opora Dělení technických materiálů je vhodná pro vzdělávání učitelů odborných předmětů a mistrů odborného výcviku na odborných učilištích a středních školách strojírenského zaměření. Je sestavena srozumitelně s přiměřenou obtíţností. K názornosti přispívá 51 obrázků, které jsou většinou barevné a 13 tabulek. Při tvorbě studijní opory bylo také přihlíţeno k didaktickým poţadavkům kladeným na učební texty. Jsou vhodně zařazeny ikonky, které označují časovou dotaci, cíl, výklad, pouţité názvosloví a kontrolní otázky. V rámci školení doporučuji vyuţívat i multimediální výukové programy z oblasti Technických materiálů, které jsou na http://www.af.mendelu.cz/cz/studium/elearning/technicke_materialy

Studijní oporu Dělení technických materiálů doporučuji pouţívat ve výuce.

Brno

15. 11. 2011

Doc. Ing. Josef Filípek, CSc.

93

Dělení technických materiálů, svařování speciálních materiálů HARDOX, WELDOX. Studijní opora. Dělení technických materiálů. Ing. Petr Fojtík IWE, IWP

Recommend Documents