Ing. Jan BRANDA
MATERIÁLY Výukový text pro učební obor Instalatér, Kominík, Mechanik plynových zařízení Vzdělávací oblast RVP – Technický základ
STROJNICTVÍ pro studijní obor Výukový text pro studijní obor Mechanik instalatérských a elektrotechnických zařízení, Instalatér Vzdělávací oblast RVP – Stavební a strojírenský základ
Pardubice 2016
1
Použitá literatura: DUFKA, Jaroslav. Materiály pro učební obor instalatér. Vyd. 1. Praha: Sobotáles, 2003. ISBN 978-808-5920-987. Dílo smí být dále šířeno pod licencí CC BY-SA (www.creativecommons.cz). Výukový text je určen pro bezplatné používání pro potřeby výuky a vzdělávání na všech typech škol a školských zařízení. Jakékoliv další využití podléhá autorskému zákonu. Všechna neocitovaná autorská díla jsou dílem autora. OBSAH: Úvod ....................................................................................................................................................................... 6 Základní rozdělení technických materiálů.............................................................................................................. 7 Železné kovy ...................................................................................................................................................... 7 Neželezné kovy .................................................................................................................................................. 9 Nekovové materiály............................................................................................................................................ 9 Otázky ke zkoušení: ................................................................................................................................... 9 Základní vlastnosti kovů....................................................................................................................................... 10 Fyzikální vlastnosti ........................................................................................................................................... 10 Otázky ke zkoušení: ................................................................................................................................. 14 Mechanické vlastnosti ...................................................................................................................................... 15 Otázky ke zkoušení: ................................................................................................................................. 17 Technologické vlastnosti .................................................................................................................................. 17 Otázky ke zkoušení: ................................................................................................................................. 19 Chemické vlastnosti.......................................................................................................................................... 20 Otázky ke zkoušení: ................................................................................................................................. 21 Tepelně izolační vlastnosti ............................................................................................................................... 21 Otázky ke zkoušení: ................................................................................................................................. 23 Jednotlivé technické materiály ............................................................................................................................. 23 Železné kovy .................................................................................................................................................... 24 Do železných kovů řadíme: .......................................................................................................................... 24 Rozdělení železných kovů: ........................................................................................................................... 24 Železo ............................................................................................................................................................... 25 Přehled výroby surového železa ................................................................................................................... 25 Druhy železné rudy: ................................................................................................................................. 25 Výroba surového železa ve vysoké peci ................................................................................................... 26 Vysokou pec lze rozdělit na 6 teplotních zón:.......................................................................................... 27 Zjednodušená teplotní pásma: .............................................................................................................. 27 Produkty vysoké pece: .......................................................................................................................... 28 Otázky ke zkoušení: ................................................................................................................................. 28 Ocel................................................................................................................................................................... 29 Přehled výroby oceli ..................................................................................................................................... 29 Odlévání oceli ............................................................................................................................................... 31 Další zpracování oceli .............................................................................................................................. 31 Rozdělení ocelí ......................................................................................................................................... 32 Přehled nového označení ocelí a odpovídajících dřívějších označení .......................................................... 36 Otázky ke zkoušení: ................................................................................................................................. 36 Litina................................................................................................................................................................. 37 Šedá litina ..................................................................................................................................................... 37 Tvárná litina.................................................................................................................................................. 38 Bílá litina ...................................................................................................................................................... 38 Temperovaná litina ....................................................................................................................................... 38 Otázky ke zkoušení: ................................................................................................................................. 39 Neželezné kovy ................................................................................................................................................ 39 Hliník - Al................................................................................................................................................. 40 2
Měď-Cu .................................................................................................................................................... 41 Cín - Sn ..................................................................................................................................................... 42 Olovo - Pb................................................................................................................................................. 42 Nikl - Ni .................................................................................................................................................... 43 Zinek - Zn ................................................................................................................................................. 43 Hořčík-Mg ................................................................................................................................................ 44 Titan-Ti ..................................................................................................................................................... 44 Kompozity ................................................................................................................................................ 45 Pájky ......................................................................................................................................................... 45 Další důležité kovy ....................................................................................................................................... 45 Otázky ke zkoušení: ................................................................................................................................. 47 Prášková metalurgie ..................................................................................................................................... 48 Nekovové materiály.......................................................................................................................................... 50 Plasty ............................................................................................................................................................ 50 Termoplasty .............................................................................................................................................. 51 Reaktoplasty (dříve Termosety) ............................................................................................................... 51 Eleastomery .............................................................................................................................................. 51 Výroba plastů: ...................................................................................................................................... 51 Vlastnosti plastů: .................................................................................................................................. 52 Výhody plastů:...................................................................................................................................... 52 Nevýhody plastů: .................................................................................................................................. 53 Otázky ke zkoušení: ................................................................................................................................. 53 Spojování plastů: ...................................................................................................................................... 53 Průměry plastových potrubí: .................................................................................................................... 56 Tlakové řady: ............................................................................................................................................ 56 Skladování potrubí: .................................................................................................................................. 57 Životnost plastových potrubí: ................................................................................................................... 57 Plasty pro instalatéry: ............................................................................................................................... 58 Polyetylen - PE ..................................................................................................................................... 59 Polypropylen – PP ................................................................................................................................ 60 Polybutylen – PB .................................................................................................................................. 61 Polyvinylchlorid – PVC (novodur) ...................................................................................................... 61 Akrylonitril-butadien-styren – ABS ..................................................................................................... 62 Polyvinylidenfluorid – PVDF............................................................................................................... 62 Polyesterová pryskyřice – GRP ............................................................................................................ 63 Vícevrstvé trubky ................................................................................................................................. 63 Použití plastů ........................................................................................................................................ 64 Otázky ke zkoušení: ................................................................................................................................. 65 Pryž (lidově také guma)................................................................................................................................ 66 Otázky ke zkoušení: ................................................................................................................................. 70 Technické textilie ......................................................................................................................................... 71 Kůže - useň ................................................................................................................................................... 72 Otázky ke zkoušení: ................................................................................................................................. 74 Dřevo ............................................................................................................................................................ 74 Vlastnosti dřeva ........................................................................................................................................ 77 Použití dřeva ............................................................................................................................................. 78 Otázky ke zkoušení: ................................................................................................................................. 79 Sklo a technická keramika ............................................................................................................................ 79 Sklo ........................................................................................................................................................... 79 Technologie výroby skla ...................................................................................................................... 79 Použití ................................................................................................................................................... 80 Technická keramika.................................................................................................................................. 81 Otázky ke zkoušení: ................................................................................................................................. 81 Stavební materiály ............................................................................................................................................ 82 Pojiva ........................................................................................................................................................ 82 3
Cement ...................................................................................................................................................... 82 Vápno ....................................................................................................................................................... 83 Sádra ......................................................................................................................................................... 83 Písek ......................................................................................................................................................... 83 Štěrk .......................................................................................................................................................... 84 Malta ......................................................................................................................................................... 84 Beton......................................................................................................................................................... 85 Žárobeton .................................................................................................................................................. 85 Polystyrenbeton ........................................................................................................................................ 85 Materiál pro zdivo ........................................................................................................................................ 85 Obvodové zdivo........................................................................................................................................ 86 Vnitřní stěny ............................................................................................................................................. 86 Beton......................................................................................................................................................... 86 Pálené cihly .............................................................................................................................................. 86 Tvárnice z pórobetonu .............................................................................................................................. 87 Betonové a železobetonové výrobky ............................................................................................................ 88 Otázky ke zkoušení: ................................................................................................................................. 88 Těsnící a izolační materiály .......................................................................................................................... 88 Těsnící materiály ...................................................................................................................................... 88 1. Těsnění hrdlových spojů................................................................................................................... 89 2. Těsnění přírubových spojů ............................................................................................................... 91 3. Těsnění závitových spojů ................................................................................................................. 91 4. Těsnění pájených spojů .................................................................................................................... 91 5. Těsnění svařovaných spojů............................................................................................................... 92 Izolační materiály ..................................................................................................................................... 92 1. Tepelně izolační materiály ............................................................................................................... 92 2. Hydroizolační materiály ................................................................................................................... 92 3. Zvukově izolační materiály .............................................................................................................. 93 Otázky ke zkoušení: ................................................................................................................................. 93 Technické plyny ............................................................................................................................................... 94 Vzduch .......................................................................................................................................................... 94 Zemní plyn (CH4) ......................................................................................................................................... 94 Propan – Butan (C3H8 – C4H10) .................................................................................................................... 95 Acetylen (C2H2) ............................................................................................................................................ 95 Kyslík (O2).................................................................................................................................................... 96 Dusík (N2)..................................................................................................................................................... 96 Bioplyn (x..).................................................................................................................................................. 96 Vysokopecní plyn (x..) ................................................................................................................................. 96 Barevné značení technických plynů ............................................................................................................. 97 Otázky ke zkoušení: ................................................................................................................................. 97 Zpracování technických materiálů ....................................................................................................................... 97 Odlévání ........................................................................................................................................................... 97 Způsoby odlévání ......................................................................................................................................... 98 Tváření .............................................................................................................................................................. 99 Kování .......................................................................................................................................................... 99 Ruční kování ............................................................................................................................................. 99 Strojní kování ........................................................................................................................................... 99 Kovářské nástroje ............................................................................................................................... 100 Kovářské práce ................................................................................................................................... 100 Válcování .................................................................................................................................................... 101 Válcování za studena .......................................................................................................................... 101 Válcování za tepla .............................................................................................................................. 101 Lisování ...................................................................................................................................................... 101 Vytlačování................................................................................................................................................. 102 Dopředné vytlačování ......................................................................................................................... 102 4
Zpětné vytlačování ............................................................................................................................. 102 Tažení ......................................................................................................................................................... 103 Obrábění ......................................................................................................................................................... 103 Otázky ke zkoušení: ............................................................................................................................... 105 Tepelné zpracování kovů .................................................................................................................................... 105 Podstata a základy metalografie ..................................................................................................................... 105 Žíhání .......................................................................................................................................................... 107 Žíhání na měkko ..................................................................................................................................... 107 Žíhání ke snížení vnitřního pnutí ............................................................................................................ 107 Normalizační žíhání................................................................................................................................ 108 Kalení ......................................................................................................................................................... 108 Popouštění .................................................................................................................................................. 109 Otázky ke zkoušení: ............................................................................................................................... 110 Chemicko-tepelné zpracování .................................................................................................................... 110 SYCENÍ POVRCHU NEKOVY ............................................................................................................ 111 CEMENTACE:....................................................................................................................................... 111 NITRIDACE: ......................................................................................................................................... 111 KARBONITRIDACE: ........................................................................................................................... 111 NITROCEMENTACE: .......................................................................................................................... 111 SULFONITRIDACE: ............................................................................................................................. 111 SULFINIZACE: ..................................................................................................................................... 112 BORIDOVÁNÍ: ...................................................................................................................................... 112 SYCENÍ POVRCHU KOVY ................................................................................................................. 112 CHROMOVÁNÍ: ............................................................................................................................... 112 ZINKOVÁNÍ:..................................................................................................................................... 112 NIKLOVÁNÍ:..................................................................................................................................... 112 ALITOVÁNÍ: ..................................................................................................................................... 112 ALUMETOVÁNÍ: ............................................................................................................................. 113 INCHROMOVÁNÍ: ........................................................................................................................... 113 ŠERARDOVÁNÍ: .............................................................................................................................. 113 Otázky ke zkoušení: ............................................................................................................................... 113
5
Úvod Obecný cíl předmětu: - předmět materiály poskytuje žákům na přiměřené úrovni potřebné vědomosti o jednotlivých druzích technických materiálů, jejich zpracování, vlastnostech a použití. - dává ucelený přehled o technických materiálech - poskytuje potřebný základ znalostí pro pochopení učiva odborných předmětů.
6
Základní rozdělení technických materiálů.
Technické materiály Železné kovy
Neželezné kovy
Nekovové materiály
Železné kovy čisté železo jako chemický prvek (Fe) se na Zemi téměř nevyskytuje, ale je obsaženo ve sloučeninách, tzv. rudách. Z nich se ve vysoké peci taví surové železo, které obsahuje 3 až 4% chemického prvku uhlíku (C) a dalších příměsí, kterými jsou mangan (Mn), křemík (Si), síra (S), fosfor (P). Železné kovy Ocel
uhlíková
slitinová
Litina
bílá
šedá
legovaná
Ocel – tímto názvem označujeme veškeré kujné železo (měnící svůj tvar kováním), které obsahuje max. 2% uhlíku (C). Podle chemického složení se dále dělí ocel na: a) uhlíková ocel – slitina železa a uhlíku 7
b) slitinová ocel – slitina železa a uhlíku a úmyslně přidaných prvků, kterými jsou Mangan (Mn), Křemík (Si), Nikl (Ni), Chrom (Cr), Wolfram (W), Kobalt (Co), Molybden (Mo), Vanad (V), Titan (Ti), Hliník (Al). (úmyslně přidaným prvkům říkáme legury). Litina – je železný materiál s obsahem uhlíku od 2,14% do 6,67%, který byl vyroben přetavením surového železa, litinového odpadu a ocelového odpadu s přísadami. Litina se zpracovává obvykle odléváním. Podle chemického složení se dále dělí litina na: a) šedá litina – slitina železa, uhlíku a křemíku, v malém množství obsahuje také mangan, fosfor a síru. Může být i legovaná, pak obsahuje chrom, nikl, molybden, vanad. Při pomalém tuhnutí se uhlík vylučuje ve tvaru grafitu, litina je na lomu šedá, měkčí a dobře obrobitelná. Použití: lože strojů (např. soustruhů), radiátory, stojany, kamna, válce motorů. b) bílá litina – slitina železa s uhlíkem a dalšími prvky, dále se zpracovává ohřevem na temperovanou litinu. Obsahuje cementit (Fe3C – karbit železa), který způsobuje, že je bílá litina velmi tvrdá a křehká, obrobitelná jen broušením. Použití: dynamicky namáhané součásti (součást se pohybuje velmi často – klikový hřídel, …). c) legovaná litina – přidáním legujících prvků se dosahuje požadovaných vlastností, např. odolnost proti korozi, žárovzdornosti apod.
8
Neželezné kovy hlavní rozdělení je podle hustoty kovu Neželezné kovy
lehké do 5 kg/dm3
těžké nad 5 kg/dm3
a) lehké –hustota do 5 kg/dm3. Patří sem hliník (Al) a jeho slitiny, hořčík (Mg) a jeho slitiny, titan (Ti), berylium (Be), lithium (Li) a další. b) těžké – hustota nad 5 kg/dm3. Patří měď (Cu), zinek (Zn), olovo (Pb), nikl (Ni), cín (Sn), jejich slitiny a další.
Nekovové materiály dělíme je do tří skupin. a) plasty – látky, vznikají spojováním molekul jednoduchých sloučenin na mohutné molekuly (tzv. makromolekuly). b) pryž, sklo, keramika, kůže, textil, dřevo c) pomocné hmoty – patří sem maziva, brusiva, těsnící hmoty, nátěrové hmoty, technické plyny, ostatní chemikálie, lepidla, atd. Otázky ke zkoušení: 1) Napiš jaké je základní rozdělení technických materiálů. 2) Co je ocel? Na jaké skupiny se rozdělují oceli? 9
3) Co jsou legury, uveď alespoň 3 příklady. 4) Co je litina? Na jaké skupiny se rozděluje litina? 5) Na jaké skupiny rozdělujeme neželezné kovy? Stručně jednotlivé skupiny charakterizuj. 6) Vyjmenuj alespoň 5 nekovových materiálů.
Základní vlastnosti kovů Kovy a jejich slitiny mají různé vlastnosti, které jsou dány chemickým složením a strukturou (vnitřní vazby mezi atomy a molekulami). Pro posouzení použitelnosti kovů v technické praxi je obvyklé dělení vlastností na: 1) 2) 3) 4)
Fyzikální vlastnosti Mechanické vlastnosti Technologické vlastnosti Chemické vlastnosti
Fyzikální vlastnosti a) Měrná hmotnost (hustota) Její velikost závisí na atomové stavbě dané látky, je tedy závislá na poloze prvku v periodické soustavě prvků. Pro výpočet platí vztah: ρ = m / V [kg/m3] Měrná hmotnost je podíl hmotnosti a objemu zkoumané látky (porovnáváme hmotnost s objemem). 10
Příklad: Vypočítejte hmotnost ocelového hranolu o rozměrech: a = 80 [mm]; b = 60 [mm]; c = 20 [mm]. Hustota oceli je 7800[kg.m-3]. Řešení:
b)Teplota tání (tavení) a tuhnutí Je to teplota, při které mění materiál své skupenství z pevného na kapalné. Každý kov má určitou teplotu tání, jejich hodnoty najdeme v tabulkách. 11
Čisté kovy tají při konstantní teplotě, slitiny tají při nekonstantní teplotě. Znalost teploty tání a tuhnutí je důležitá pro slévárenství, svařování, pokovování, apod. c) Teplotní (délková a objemová) roztažnost - dilatace Popisuje prodloužení délky nebo zvětšení objemu vlivem zvýšení teploty látky. Prodloužení délky (l) je závislé na původní délce tyčinky a na materiálu, z které je zhotovena.
α … součinitel délkové roztažnosti [K-1] l0 … původní délka Δt …rozdíl teploty Součinitel délkové roztažnosti potrubních materiálů. α ocel měď PVC PP PE PP/AL/PP [mm/m.K] 0,0125 0,017 0,13 0,15 0,19 0,05 PVC … polvinylchlorid (novodur) PP …polypropylen PE … polyethylen PP/AL/PP …vícevrstvá polypropylenová trubka s hliníkovou fólií Příklad.: Porovnej roztažení dvou plastových trubek. Jedna je z materiálu PE, druhá z PP/AL/PP. Původní délka obou trubek byla 12 [m]. Trubky se ohřály z 15°C na 50°C. Řešení: materiál PE… Δl = α • l0 • Δt = 0,19 • 12 • (50 – 15) = 79,8 [mm] materiál PP/AL/PP … 0,05 • 12 • (50 – 15) = 21 [mm] Výsledek: PE (79,8 [mm] ), PP/AL/PP (21 [mm])
12
Tepelná vodivost Vyjadřuje schopnost materiálu přenášet tepelnou energii, tj. kinetickou energii neuspořádaného tepelného pohybu od atomu k atomu vedením (bez přenášení látky). Kovy, které dobře vedou elektrický proud, dobře vedou i teplo. Nejlepším vodičem tepla je stříbro. Tepelná vodivost ostatních kovů se často zjišťuje porovnáním s tepelnou vodivostí stříbra a udává se v procentech. Použití v praxi – chladiče, výměníky atd. Látky, které nevedou teplo, se nazývají tepelně izolační materiály (IZOLANTY). značka tepelné vodivosti … λ (lambda) [W/K] vyjadřuje kolik tepla Q [J] projde látkou za jednotku času 1[s], je-li rozdíl teploty na vstupu a výstupu 1[K]. d)Elektrická vodivost Schopnost materiálu vést elektrický proud - značka G - jednotka S (Siemens) – vodič s odporem 1 [Ω] má vodivost 1 [S]. Rozdělení: 1. Vodiče - Ag, Au, Cu, Al, Fe 2. Polovodiče - Ge, Si, Se 3. Izolanty - dřevo, plast, sklo, porcelán (nejlepším izolantem by bylo dokonalé vakuum) 3. Supravodivost - Vyjadřuje vlastnost některých kovů, u kterých se při velmi nízkých teplotách (blízké absolutní nule – 13
0 Kelvinů = - 273,15 °C) skokem sníží elektrický odpor na nezjistitelnou hodnotu (elektrický proud prochází vodičem prakticky bez odporu). Vyskytuje se u kovů a polovodičů a projevuje se hlavně u stejnosměrného proudu. e) Magnetická vlastnost Popisuje chování materiálu v magnetickém poli (typickou veličinou je permeabilita) Rozdělení: 1. Diamagnetické materiály (zeslabují magnetické pole, do kterého jsou vloženy - jsou z něho slabě vytlačovány měď Cu, stříbro Ag, zlato Au, olovo Pb. 2. Paramagnetické materiály (zesilují magnetické pole, do kterého jsou vloženy - jsou do něho slabě vtahovány hliník Al, platina Pt. 3. Feromagnetické materiály (značně zesilují magnetické pole, do kterého jsou vloženy (jsou do něho silně vtahovány) železo Fe, nikl Ni, kobalt Co. Feromagnetické materiály se dále dělí na: magneticky měkké – snadno se zmagnetizují, ale i snadno odmagnetizují (pro stavbu elektrických strojů) magneticky tvrdé – obtížně se zmagnetizují, ale své vlastnosti si ponechají i po zániku vnějšího magnetického pole (pro stavbu permanentních magnetů) Otázky ke zkoušení: 1) Vypočítejte hmotnost litinového hranolu o rozměrech: a = 30 [mm]; b = 70 [mm]; c = 50 [mm]. Hustotu si vyhledej v tabulce. 14
ρ
ocel litina měď hliník plasty voda polystyren plyny
[kg/m3] 7850
7200
8960
2700
900 až 1000 2200
40 až 80
0,5 až 2
2) Z jakého materiálu (vypočítej hustotu) je potrubí, pokud hmotnost potrubí je 1350 [kg] a objem potrubí 0,5 [m3]? Vypočítanou hustotu porovnej s hodnotami v tabulce. 3) Porovnej roztažení dvou trubek (vypočítej, o kolik se jednotlivá potrubí prodloužila). Jedna trubka je z materiálu PE, druhá z mědi. Původní délka obou trubek byla 15 [m]. Trubky se ohřály z 13°C na 64°C. α ocel měď PVC PP PE PP/AL/PP [mm/m.K] 0,0125 0,017 0,13 0,15 0,19 0,05 4) Vlastními slovy popiš co je to měrná hmotnost (hustota). 5) Vlastními slovy popiš co, si představuješ pod pojmem teplota tání a tuhnutí. 6) Vlastními slovy popiš co, si představuješ pod pojmem teplotní (délková a objemová) roztažnost. 7) Vlastními slovy popiš, co si představuješ pod pojmem tepelná vodivost. 8) Vlastními slovy popiš, co si představuješ pod pojmem elektrická vodivost. 9) Vlastními slovy popiš co je to permeabilita (magnetická vlastnost).
Mechanické vlastnosti a) Pevnost Je největší napětí, které potřebujeme k rozdělení materiálu na dvě části. 15
napětí = tlak tlak[Pa] = síla[N] / plocha [m2] Druhy pevnosti: a) v tahu b) v tlaku c) ve střihu, ve smyku d) v ohybu e) v krutu b) Tvrdost Je odpor (odolnost) materiálu proti vnikání cizího tělesa. Zjišťuje se vtlačováním tvrdého tělíska (kuličky, kužele nebo jehlanu) určitým tlakem do zkoušeného materiálu a měřením hloubky nebo plochy vtisku. Zkouška tvrdosti podle Brinella – otisk kalené ocelové kuličky (označení tvrdosti HB) Zkouška tvrdosti podle Vickerse – otisk čtyřbokého diamantového jehlanu (označení tvrdosti HV) Zkouška tvrdosti podle Rockwella – otisk diamantového kužele (označení tvrdosti HRA) nebo otisk ocelové kuličky (označení tvrdosti HRB) c) Pružnost Schopnost materiálu se po odlehčení vrátit do původní polohy (rozměru). d) Tvárnost Je vlastnost, kterou musí mít materiál určený ke kování, válcování, lisování apod. Tvárný materiál si zachová tvar, a to i když přestane tváření působit.
16
e) Houževnatost Je schopnost materiálu zachovat si původní tvar. Je výrazem velikosti práce, k rozdělení jakéhokoli materiálu na dvě části. Materiály křehké vyžadují práci nepatrnou. Křehkost je protikladem houževnatosti. Otázky ke zkoušení: 1) Mezi mechanické vlastnosti patří „Pevnost“. Vlastními slovy popiš tuto vlastnost materiálu. 2) Napiš, jaké druhy pevnosti znáš. 3) Vlastními slovy popiš mechanickou vlastnost „Tvrdost“. 4) Vlastními slovy popiš mechanickou vlastnost „Pružnost“. 5) Vlastními slovy popiš mechanickou vlastnost „Tvárnost“. 6) Vlastními slovy popiš mechanickou vlastnost „Houževnatost“.
Technologické vlastnosti Určují, k jakému způsobu opracování je daný materiál vhodný. a) Tvárnost – stejný význam jako u mechanické vlastnosti Je vlastnost, kterou musí mít materiál určený ke kování, lisování, válcování apod. Tvárný materiál si zachovává svůj tvar, který získal působením vnějších sil. b) Slévatelnost Je schopnost materiálu dobře zaplnit formu na odlévání (litina, ocel na odlitky, hliník, bronz, mosaz, slitiny zinku, olova, cínu, niklu, hliníku, hořčíku a titanu). Na slévatelnost má vliv: 17
● tepelná vodivost ● délková a objemová roztažnost ● teplota tání a tuhnutí ● viskozita – míra vnitřního tření ● vlastnosti formy (např. teplota formy) ● technologický postup c) Svařitelnost Je schopnost ze dvou nebo více materiálů vytvořit nerozebíratelný celek (svařenec). Představuje schopnost svařovaného materiálu vytvořit svarový spoj požadovaných vlastností. Vyjadřuje se ve čtyřech stupních: ● zaručená ● podmíněně zaručená ● dobrá ● obtížná d) Obrobitelnost Vyjadřuje chování materiálu při obrábění řeznými nástroji (soustružení, frézováni, hoblování, vrtání apod.). Posuzuje se podle: ● mechanických vlastností materiálu ● snadného oddělování třísky ● chování třísky k materiálu nástroje ● řezného odporu obráběného materiálu e) Odolnost proti opotřebení Odolnost materiálu proti oddělování částeček materiálu, k němuž dochází na povrchu materiálu, působením vnějších sil - nejčastěji 18
působením tření mezi tuhými tělesy, ale také i třením mezi tuhou látkou a kapalinou. Základní druhy tření: ● smykové – vzniká při pohybu tělesa smykem (kluzem, vlečením). Působí vždy ve stykové ploše a proti směru pohybu. ● valivé – vzniká při valivém pohybu mezi válcem a podložkou. ● čepové – vzniká v čepu uloženém v ložiskách a působí proti směru rotačního pohybu. ● vláknové – vzniká při smýkání lan a pásů po nehybné válcové ploše. Základní druhy opotřebení:
● Adhezivní, Abrazivní, Erozivní, Kavitační, Únavové, Vibrační Otázky ke zkoušení: 1) Vlastními slovy popiš technologickou vlastnost „Tvárnost“. 2) Vlastními slovy popiš technologickou vlastnost „Slévatelnost“. 19
3) Vlastními slovy popiš technologickou vlastnost „Svařitelnost“. 4) Vlastními slovy popiš technologickou vlastnost „Obrobitelnost“. 5) Vlastními slovy popiš technologickou vlastnost „Odolnost proti opotřebení“.
Chemické vlastnosti 1) Odolnost proti korozi Různá prostředí nebo chemické účinky kapalin způsobuje porušení povrchu součásti - tento jev se nazývá koroze. příčinou chemické koroze – je styk kovu s vlhkým vzduchem. Malé částice železa reagují s vlhkým vzduchem a vzniká oxidační vrstva, která se po čase odděluje od základního materiálu. příčinou elektrochemické koroze – je prostředí s povahou elektrolytu. Kovové materiály ponořené do elektrolytu vytvářejí elektrické napětí. Vznikají při tom chemické procesy způsobující korozi. půdní koroze (koroze bludnými proudy) – vzniká u potrubí nebo kabelů položených v zemi v blízkosti železniční nebo tramvajové tratě. Je to jev, který se vyskytuje při stejnosměrném napájení obvodů všude tam, kde je buď úmyslně či náhodně jeden pól zdroje uzemněn. příčinou biologické koroze – jsou živé organismy (baktérie, některé druhy brouků). Tyto živé organismy svou přítomností podporují vznik chemických sloučenin, které napomáhají vzniku koroze. Ochrana proti korozi: větší použití plastů – tam, kde je to vhodné 20
správný tvar a konstrukce (bez ostrých hran, velké poloměry) snížení agresivity korozívního prostředí (např. do teplovodních soustav přidání antikorozního činitele) povrchová úprava (nátěrové hmoty, pokovování, galvanizace, smaltování) 2) Slučivost S nekovovými látkami, především s oxidem (kyslíkem). 3) Žárovzdornost Schopnost kovu odolávat vysokým teplotám (odolávat dlouhodobě žáru). 4) Žáropevnost Vlastnost kovu odolávat namáhání při vyšších teplotách (ventily spalovacích motorů, lopatky parních a spalovacích turbín, součásti raket). Otázky ke zkoušení: 1) Napiš, jaké druhy chemických vlastností znáš. 2) Co je příčinou chemické koroze? 3) Co je příčinou elektrochemické koroze? 4) Kde vzniká půdní koroze? 5) Vyjmenuj alespoň 3 způsoby ochrany proti korozi.
Tepelně izolační vlastnosti a) Tepelný odpor
21
vyjadřuje odpor značka R … větší, tím méně
materiálu proti úniku tepla [m2•K/W] Čím je hodnota odporu tepla projde materiálem.
b) Součinitel prostupu tepla vyjadřuje množství tepla, které projde materiálem značka k … [W /m2•K] Je to převrácená hodnota tepelného odporu. Čím je hodnota součinitele větší, tím více tepla projde materiálem. 1 m2 K W W 1 1 W m2 K m2 K m2 K W
Běžné druhy izolačního materiálu: EPDM (ethyl-propylen, dien-monomer), skleněná – minerální – čedičová vata, polyethylen (mirelon), polyuretanová pěna, polystyren
22
Otázky ke zkoušení: 1) Mezi tepelně izolační vlastnosti patří Tepelný odpor a Součinitel prostupu tepla. Stručně napiš, co nám vyjadřují. 2) Vyjmenuj alespoň 3 běžné druhy izolačního materiálů.
Jednotlivé technické materiály http://www.strojirenstvi.wz.cz/stt Základním materiálem používaným ve strojírenství jsou nejen kovy a jejich slitiny. Materiály v každé skupině mají z části společné, zčásti pro daný materiál specifické vlastnosti.
23
Železné kovy Získávají se zpracováním minerálních rud (hornin), které jsou v přírodě smíchané s hlušinou (hlína, písek, voda, atd.).
Do železných kovů řadíme: 1) Čisté železo - chemicky čisté není vhodné jako technický materiál, protože je příliš měkké. 2) Ocel - slitina Fe+C (uhlíku je maximálně 2,14% + ostatní legující prvky). 3) Litina - Fe+C (uhlíku je od 2,14 do 6,67% + ostatní legující prvky). Legury a jejich vliv na vlastnosti oceli: Prvek
Vylepšuje vlastnost
Snižuje vlastnost
Mangan
Pevnost, tvrdost, houževnatost
Obrobitelnost
Křemík
Pevnost, tvrdost, odolnost proti opotřebení
Tažnost, tvárnost, svařitelnost
Nikl
Pevnost, houževnatost
Tepelnou roztažnost
Chrom
Odolnost proti teplu, korozi, opotřebení, Tepelnou roztažnost kyselinám
Wolfram
Žáruvzdornost, tvrdost, stálost břitu, pevnost
Délkovou roztažnost
Molybden
Pevnost, houževnatost
Citlivost proti přehřátí
Vanad
Pevnost, houževnatost
Citlivost proti přehřátí
Kobalt
Tvrdost, odolnost proti teplu, korozi, opotřebení
Citlivost proti přehřátí
Rozdělení železných kovů: 1) Kujné železo – lze zpracovávat kováním, válcováním, ohýbáním, atd. (většina druhů oceli a s určitým omezením také temperovaná a tvárná litina) 24
2) Nekujné železo – nelze je zpracovávat obvyklým způsobem, mohly by prasknout, zlomit, jinak poškodit (surové železo a šedá litina), odlévají se a brousí.
Železo Přehled výroby surového železa Surové železo vyrábíme ve vysokých pecích z železných rud působením paliva, struskotvorných přísad a vzduchu. Druhy železné rudy: magnetovec ( 40-70% železa)
krevel ( 40-65% železa)
hnědel ( 28-45% železa)
ocelek ( 44-58% železa)
chamosit (asi 35% železa)
Tuto rudu upravujeme drcením a pražením (odstraňujeme oxid uhličitý).
25
Výroba surového železa ve vysoké peci http://is.muni.cz/elportal/estud/prif/ps07/taraba/animace03.html Animace schémat chemických výrob
Vsázka suroviny pro vysokou pec: železná ruda koks (palivo) struskotvorné přísady, které mají čistící účinky - vápenec Všeobecný popis vysoké pece Suroviny vstupují do vysoké pece ze shora (kychta), zatímco produkty (tavenina železa a struska) se odpichují u dna pece (nístěj). Pevná vsázka se pohybuje shora dolů a přitom se setkává se vznikajícím proudem horkého redukčního plynu. Na vrcholu pece se vysokopecní plyn o zbytkové výhřevnosti shromažďuje a odvádí k další úpravě. 26
Vysokou pec lze rozdělit na 6 teplotních zón: Kychta: V kychtě vysoké pece dochází k zavážení vsázky a odvádění vysokopecního plynu Šachta: V šachtě předává horký vysokopecní plyn své teplo pevné vsázce. Teplota vsázky vzrůstá proti teplotě okolí na cca 950 °C a oxidy železa se v této zóně částečně redukují. Rozpor vysoké pece: Rozpor připojuje šachtu k sedlu vysoké pece. V této části roste teplota dále z 950 °C asi na 1250 °C. Nastává další redukce oxidů železa a začíná reakce s koksem. Sedlo: Reakce koksu pokračují v zóně sedla. Tvoří se tavenina železa a strusky. Výfučny: Do vysoké pece je třeba přivádět vzduch, aby v ní palivo hořelo a vydávalo potřebný žár. V této zóně se do pece zavádí proud horkého vzduchu pomocí řady výfučen (mezi 16 - 42). Výfučny jsou umístěny okolo horního obvodu nístěje a jsou propojeny velkou rourou (okružní větrovod) obtočenou okolo pece ve výšce sedla. Teplota tady může přestoupit 2000 °C a oxidy se zcela zredukují. (Na 1 tunu vyrobeného surového železa je třeba průměrně 3000 m3 vzduchu. Vzduch se do pece vhání buď pístovými dmychadly, nebo turbodmychadly. Vzduch se před vpuštěním do vysoké pece ohřívá ve zděných Cowperových ohřívačích.)
Nístěj: Nístěj shromažďuje tekuté surové železo a strusku. Okolo nístěje jsou umístěny jeden až čtyři odpichové otvory, při čemž je jeden nebo dva v kteroukoliv dobu v provozu.
Zjednodušená teplotní pásma: Předehřívací pásmo: odstraňuje se zde voda a síra Redukční pásmo: železo se zde redukuje na oxid železitý Fe2O3 Nauhličovací pásmo: oxid železitý se obohacuje o uhlík, křemík a další prvky 27
Tavící pásmo: zde dochází k úplnému roztavení železné rudy, která se zde odděluje na surové železo Fe3C a strusku. Surové železo se taví při teplotě asi 1539 °C. Produkty vysoké pece: surové železo vysokopecní struska vysokopecní plyn Surové železo Hlavní produkt vysoké pece, vyrábíme z něj ocel nebo litinu. Obsahuje okolo 3 – 6% uhlíku a dalších prvků (fosfor a síra zhoršují vlastnosti). Malá část vyrobeného surového železa se používá k výrobě odlitků. Vysokopecní struska Slouží k výrobě některých druhů cementů, cihel, dlažebních kostek, umělých hnojiv nebo se vyváží na odval (násyp) Vysokopecní plyn Používá se k předehřívání vzduchu ve vysoké peci. Také jako palivo slouží k výrobě elektrické energie v přidružených ocelárnách, válcovnách apod. Otázky ke zkoušení: 1) 2) 3) 4) 5) 6)
Jakým způsobem se získávají železné kovy? Které materiály řadíme do skupiny železných kovů? Popiš co je to kujné a nekujné železo. Surové železo se vyrábí z železných rud, vyjmenuj alespoň 3 druhy. Vyjmenuj produkty vysoké pece. Surové železo se vyrábí ve vysoké peci, na náčrtku vyjmenuj jednotlivé části, a dále se pokus vysvětli, co znamenají jednotlivá teplotní pásma (Předehřívací pásmo, Redukční pásmo, Nauhličovací pásmo, Tavící pásmo). 28
Ocel 1) Podle zpracování a) Tvářené b) Odlitky 2) Podle složení a) Uhlíkové – vlastnost oceli je dána především obsahem uhlíku b) Slitinové – Mg 0,9%, Si 0,5%, Ni 0,5%, Cr 0,3%, W 0,2%, Co 0,2%, Mo 0,1%, V 0,1%, Ti 0,1%, Al 0,1%. 3) Podle čistoty a) Obvyklých jakostí b) Ušlechtilé 4) Podle použití a) Konstrukční b) Nástrojové
Přehled výroby oceli Princip: tekuté surové železo i ocelový odpad zbavujeme pomocí oxidací (spalováním) přebytečného množství uhlíku a jiných prvků. Tento proces nazýváme zkujňováním. C ....... z 4,25% na 0,5% Mn .... z 2,5% na 0,75% Si....... z 1,4% na 0,4% P ....... z 0,3% na 0,1% V současné době se vyrábí ocel v: * kyslíkových konvertorech * elektrických pecí – obloukových nebo indukčních * Siemens-Martinových pecích (Martinské pece)
29
a) Výroba oceli v kyslíkových konvertorech Vháníme kyslík na žhavou lázeň, čímž dochází ke spalování uhlíku a tím ke snižování jeho procentuálního obsahu. Vsázku tvoří surové železo a ocelový odpad. Objem KK bývá od 30 do 300 tun vsázky. b) Výroba oceli v elektrických pecích 1) Obloukové pece Elektrický proud z transformátoru přichází do dvou svislých elektrod, mezi elektrodou a vsázkou se uzavírá elektrický oblouk. Náklady jsou vyšší, vyrovnají se však vyšší jakosti oceli. 2) Indukční pece Dělíme na vysokofrekvenční a nízkofrekvenční. Pec je tvořena indukční cívkou. Cívka je nejčastěji z měděných trubek, kterými protéká chladicí kapalina. Uvnitř cívky je kelímek, ve kterém je roztavený kov. Výhodou těchto pecí je vysoká rychlost tavení, používá se především pro vysocelegované oceli. c) Martinské pece Kapacita pece je okolo 1000 tun, zkujňovací pochod 30
probíhá kolem 10 hodin při teplotě 1700 °C. Výhodou je, že tavenina je chráněna struskou a do oceli nemůže vnikat dusík ze vzduchu.
Odlévání oceli Ocel odléváme: a) do kovových forem – kokily, v níž tuhne na ingoty b) do pískových, hliněných nebo žárovzdorných forem c) kontinuální lití
Další zpracování oceli Základem dalšího zpracování oceli je tváření. Tváření – Je mechanické zpracování kovů, kde se působením vnějších sil mění tvar předmětu, aniž se poruší materiál. Způsoby tváření: 1. Volné kování 2. Zápustkové kování 3. Válcování 31
4. Tažení tyčí a drátu 5. Protlačování 6. Tažení plechu Základní zákon tváření Zákon stejných objemů – objem polotvaru před tvářením se rovná objemu po tváření. Hutní polotovary 1. Tyče různých profilů 2. Plechy 3. Pásoviny 4. Trubky 5. Dráty Rozdělení ocelí
Číselné značení ocelí Oceli na technických výkresech označujeme číselnými značkami. V současné době se přechází na evropské normy. 32
Oceli třídy 10
Konstrukční ocel obvyklých jakostí. Zaručují se jen mechanické a technologické vlastnosti – pro součásti podružného významu – stavebnictví – armatury do betonu apod. Oceli třídy 11
Konstrukční ocel obvyklých jakostí. Nejměkčí oceli se používají jako hlubokotažné plechy, pásy pruhy, jsou vhodné k obrábění, zaručují dobrou svařitelnost. Nejpoužívanější hutní polotovary. Oceli třídy 12 až 16
33
12 – ušlechtilé oceli uhlíkové se používají tam, kde jsou větší požadavky na jakost oceli, než může splnit ocel třídy 11. Ušlechtilá, se používá zejména ve stavu tepelně zpracovaném, např. jako ocel zušlechťovaná, cementovaná nebo povrchově kalená. Ušlechtilé slitinové oceli mají vyšší pevnost, proto se používají při vyšších namáhání 13 – ušlechtilé oceli slitinové, legované Mn, Si, - lze je zušlechťovat, oceli pružinové, dynamové či transformátorové plechy 14 – ušlechtilé oceli slitinové, legované Cr, Mn, Si, Al – velmi používané slitinové oceli, kuličková ložiska, pružiny motorových a kolejových vozidel 15 – ušlechtilé oceli slitinové, legované Cr, Mo, V, W, Mn, Si – vysokotlaké kotle a trubky, součásti parních turbín, jsou žáropevné 16 – ušlechtilé oceli slitinové, legované Ni, Cr, W, V, Cr, Mo – nejjakostnější oceli na vysoce namáhané strojní součásti – houževnaté jádro 17 – ušlechtilé oceli slitinové, vysokolegované Cr, Mo, Ni, Mn, V, W – oceli korozivzdorné, žárovzdorné a žáropevné Oceli třídy 19
Nástrojové oceli uhlíkové - nelegované Po zakalení mají velkou tvrdost, tu si však udržují, jen při teplotách do 200 °C používáme jen pro ruční nástroje a nářadí, nůžky, kleště, pilníky. 34
Nástrojové oceli slitinové Tvrdost si udržují, do teplot kolem 250 °C. Používáme pro ruční nářadí a nástroje pro obrábění nižšími řeznými rychlostmi závitníky, výstružníky apod. Nástrojové oceli rychlořezné Tvrdost, si udržují do teplot kolem 560 °C. Vyrábíme z ní, nástroje pro obrábění vyššími řeznými rychlostmi vrtáky, soustružnické nože, frézy apod. Oceli na odlitky Uhlíkové oceli na odlitky Vyrábějí se z obdobných typů ocelí jako výkovky nebo tvářené polotovary. Jejich pevnost bývá asi 300 až 700 MPa. Slitinové oceli na odlitky Uplatňují se především tam, kde je třeba vytvořit složité tvary. Technologie odlévání klade zvláštní požadavky na vlastnosti kovu, kov musí dobře zaplňovat formu Význam doplňkových číslic: 0 tepelně nezpracováno 1 normalizačně žíháno 2 žíháno s uvedením způsobu 3 žíhání na měkko 4 kaleno nebo kaleno a popouštěno 5 normalizačně žíháno a popouštěno 6 zušlechtěno na dolní pevnost 7 zušlechtěno na střední pevnost 8 zušlechtěno na horní pevnost 9 stavy, jež nelze označit 0 až 8
35
Přehled nového označení ocelí a odpovídajících dřívějších označení Označení podle EN 100252:2004
S185
Podle EN 10025:1990+ A1:1993 )
1.0035 S185
Německo Podle podle EN 10025: DIN 1990 17100
1.0035 Fe 310-0
S235JR
1.0037 Fe 360 B Fe 360 S235JRG1 1.0036 BFU S235JR 1.0038 S235JRG2 1.0038
Fe 360 BFN
Francie podle NF A 35501
Spojené království podle BS 4360
Itálie podle UNI 7070
Švédsko podle Česko SS 14 podle následuje ČSN číslo oceli 13 00-00
St 33
A 33
Fe 320
St 37-2
E 24-2
Fe 360 B 13 11-00
10 000 10 004
USt 37-2 RSt 37-2
40 B
St 37-3 U E 24-3
40 C
Fe 360 C
S235J2G3 1.0116 Fe 360 D1 St 37-3 N E 24-4
40 D
Fe 360 D
1.0044 Fe 430 B St 44-2 E 28-2 S275JR 1.0044 S275JR S275J2G3 1.0144 Fe 430 D1 St 44-3 N E 28-4 S275J2 1.0145 S275J2G4 1.0145 Fe 430 D2
43 B
Fe 430 B 14 12-00 11 443
43 D
Fe 430 D 14 14-00 14 14-01 11 448
S355JR 1.0045 S355JR S355J0 1.0553 S355J0
S235J0 S235J2
S355J2
1.0114 S235J0
1.0114 Fe 360 C
13 12-00 11 375 11 378
1.0117 S235J2G4 1.0117 Fe 360 D2
1.0045 Fe 510 B
E 36-2
50 B
Fe 510 B
1.0553 Fe 510 C
St 52-3 U E 36-3
50 C
Fe 510 C
50 D
Fe 510 D
S355J2G3 1.0570 Fe 510 D1 St 52-3 N 1.0577 S355J2G4 1.0577 Fe 510 D2 S355K2G3 1.0595
Fe 510 DD1
S355K2 1.0596 S355K2G4 1.0596
Fe 510 DD2
11 523 11 503
E 36-4
50 DD
S450J0
1.0590
55 C
E295
1.0050 E295
1.0050 Fe 490-2
St 50-2
A 50-2
Fe 490
15 50-00 11 500 15 50-01
E335
1.0060 E335
1.0060 Fe 590-2
St 60-2
A 60-2
Fe 590
16 50-00 11 600 16 50-01
E360
1.0070 E360
1.0070 Fe 690-2
St 70-2
A 70-2
Fe 690
16 55-00 11 700 16 55-01
Otázky ke zkoušení: Popiš co, znamená slovo zkujňování. Vyjmenuj 4 kritéria, podle kterých můžeme rozdělovat ocel. Vyjmenuj zařízení, ve kterých se může vyrábět ocel. Ocel se odlévá a tuhne jako tzv. ingot. Dále se zpracovává ocel tvářením. Vyjmenuj 6 způsobů tváření. 5) Vyjmenuj 5 hutních polotovarů.
1) 2) 3) 4)
36
Litina Vyrábí se ze surového železa a odpadových surovin převážně v kuplovnách nebo v elektrických pecích. Taví se při teplotě nižší než ocel, zhruba při teplotě 1200°C. Litina - slitina Fe+C (2,14% do 6,67%) +Si, Mn, P. Rozdělení litiny: a) Šedá b) Tvárná c) Bílá d) Temperovaná e) Tvrzená f) Ocelolitina
Šedá litina Šedá litina je nejčastěji používaným konstrukčním materiálem k odlévání nosných částí strojů. Kvůli lupínkovému grafitu má omezenou pevnost a její houževnatost je velmi malá. Číselné značení: Označování litin stejně jako ocelí podléhá normalizaci, v ČR se nejvíce používá norma ČSN Litina se značí 42 xx yy 42 je třída norem hutnictví xx - skupina materiálů: 37
23 - tvárná litina (litina s kuličkovým grafitem) 24 - šedá litina (litina s lupínkovým grafitem) 25 - temperovaná litina (litina s grafitem o tvaru nepravidelných zrn) 26 – ocelolitina (části čerpadel, strojů, turbín, armatur, ozubená kola, skříně motorů atd.) yy - číslo vynásobené 10-ti, udává pevnost v tahu [MPa]. Použití: Kanalizační potrubí, armatury, článková otopná tělesa (radiátory), konzoly, kryty strojů.
Tvárná litina Značení 42 23xx Je to litina očkovaná hořčíkem, slitinami hořčíku a ferosiliciem. Grafit je na rozdíl od šedé litiny zrnitý, což se projevuje výrazným zlepšením mechanických vlastností a tím stoupne pevnost až na 900 [MPa]. Je vhodná pro součásti namáhané dynamicky nebo otěrem. Použití: Ozubená kola, klikové hřídele, ložiskové skříně.
Bílá litina Chemické složení u bílé litiny je podobné jako u šedé litiny, vzniká při rychlém ochlazování. Je velmi tvrdá, křehká, obrobitelná pouze broušením. Použití: Jako základní surovina pro výrobu temperované litiny (Temperování je vlastně dlouhotrvající žíhání odlitků z bílé litiny).
Temperovaná litina 38
Je to houževnatý a dobře obrobitelný materiál, který se vyrábí tepelným zpracováním – temperováním bílé litiny. Při temperování nastává rozklad cementitu. Použití: Fitinky, skříně strojů, brzdové bubny. Otázky ke zkoušení: 1) Jaký je rozdíl mezi litinou a ocelí? 2) Jakým způsobem se vyrábí litina? 3) Vyjmenuj, do jakých skupin dělíme litinu. 4) Proč se litina nedá ohýbat? 5) Vyjmenuj alespoň 3 výrobky z litiny.
Neželezné kovy Získávají se ze sirníkových rud, které se dále upravují: a) Pyrometalurgií – suchá žárová cesta, zbavení síry, kyslíku a vody. b) Hydrometalurgií – mokrá cesta, rozdrcení rudy až na prach a loužení v kyselinách se získá čistý kov. c) Elektrometalurgií – kovy se získávají elektrolýzou taveniny. Rozdělení: 1. Podle hustoty a) Lehké kovy: ρ < 5000 kg /m3 - Al, Mg, Ti (hliník, mangan, titan) b) Těžké kovy: ρ > 5000 kg /m3 - Cu, Zn, W, Cr, Pb atd. (měď, zinek, wolfram, chrom, olovo) 2. Podle teploty tání a) Nízkotavitelné - Sn, Zn, Pb (cín, zinek, olovo) 39
b) 3. 4. a) b)
Vysokotavitelné - W, Mo, Ni (wolfram, molybden, nikl) Drahé kovy - Au, Ag, Pt (zlato, stříbro, platina) Zvláštní kovy Radioaktivní - U, Pu, Ra (uran, plutonium, radium) Polovodiče - Ge, Si (germanium, křemík)
Hliník - Al Vlastnosti: - stříbřitě bílý kov s našedlým nádechem: - hustota = 2700 kg/m3 - bod tání = 660°C - elektrická vodivost menší, něž u mědi - tepelně vodivý, nemagnetický - dobře se tváří za tepla i za studena, svařitelný - špatně slévatelný, vhodný na odlitky pro tlakové lití - špatně obrobitelný, protože se tzv. maže - odolný proti korozi - vyrábí se z bauxitu Použití: 40
- instalatérství – článková otopná tělesa, hliníková fólie v plastové trubce, izolační fólie - v elektrotechnice na vodiče (1,3x větší Ø a o ½ menší hmotnost než u mědi) - stavebnictví – střešní krytiny - dále na skříně leteckých a vznětových motorů apod. Slitiny hliníku: dural (Al+Cu+Mg) siluminium (Al+Si+Cu) Měď-Cu Vlastnosti: - červený kov - hustota = 8960 kg/m3 - bod tání = 1083°C - velmi dobře tvárná za tepla i studena - velmi dobře se pájí a svařuje - dobrá elektrická a tepelná vodivost - odolná proti korozi - obtížně se slévá, špatně vyplňuje formy - špatně obrobitelná, protože se tzv. maže Použití: - instalatérství – trubky a tvarovky - v elektrotechnice jako vodiče - ve stavebnictví - v potravinářském průmyslu – odolává organickým kyselinám, dnes je nahrazována nerez ocelí. Slitiny bronz = slitina Cu a různého kovu (Sn, Pb, Al, Ni, Mn - cínové, olověné, hliníkové, niklové, manganové) Cínový bronz – na ložisková pouzdra, oběžná kola čerpadel, šroubová kola, různé armatury. 41
Olověný bronz – na kluzná ložiska Hliníkový bronz – armatury pro přehřátou páru, výfukové ventily motorů, vysoce namáhané součásti Niklový bronz – v elektrotechnice (odpory, kondenzátory) mosaz = slitiny Cu+Zn. Dá se dobře svařovat a pájet, je levnější než bronz, lépe se opracovává (k tváření a slévárenství), v praxi je více rozšířena než bronz. Speciální skupinou jsou mosazi niklové, cínové a hliníkové. Použití mosazi: instalatérství – armatury, vodovodní baterie, tyčinky pro tvrdé pájení mědi, dále ve strojírenském průmyslu jako chladiče do automobilů, šrouby, spojovací díly, součásti čerpadel atd., v elektrotechnice jako objímky žárovek, části vypínačů atd.. Cín - Sn Vlastnosti: - lesklý bílý kov - hustota = 7300 kg/m3 - bod tání = 232°C - dobře tvárný za tepla i studena - dobře se slévá a pájí, nesvařuje se - odolný proti korozi Získává se redukcí z cínových rud Použití: - k pozinkování kovů, do slitin. Za studena ho lze válcovat na fólie zvané staniol, k výrobě slitin (bronzy, pájky) Olovo - Pb Vlastnosti: - modro šedý kov - hustota = 11340 kg/m3 - bod tání = 327°C - měkký, dobře se odlévá 42
- dobře tvárný za tepla i studena - páry a sloučeniny jsou jedovaté - velmi dobře zachycuje rentgenové záření - velmi dobrá svařitelnost a pájitelnost - velmi dobrá odolnost proti korozi Získává se z olověné rudy (galenit). Olovo se získává pražením a žárovou redukcí. Použití: - v chemickém průmyslu ke konstrukci komor potřebných k výrobě kyseliny sírové - v automobilových akumulátorech - jako protizávaží, setrvačníky, pro výrobu střeliva - ochranné štíty proti radioaktivnímu záření - k výrobě slitin (pájky, bronzy) Nikl - Ni Vlastnosti: - hustota = 8900 kg/m3 - bod tání = 1453°C - pevnost = 300 – 500 MPa - dobrá tvárnost za i za studena - dobrá slévatelnost a svařitelnost - velmi dobrá odolnost proti korozi - je magnetický do teploty 356°C Použití: - převážná část světové produkce se spotřebuje do slitinových ocelí jako legující prvek - v elektrotechnice, potravinářství, lékařské nástroje - v alkalických akumulátorech Zinek - Zn - hustota = 7130 kg/m3 - bod tání = 419°C 43
- pevnost = 150 - 300 MPa - tvrdost HB = 31 - tvárnost za tepla = dobrá - tvárnost za studena = dobrá - slévatelnost = velmi dobrá - svařitelnost = nesvařuje se - pájitelnost = velmi dobrá - odolnost proti korozi = dobrá Vyskytuje se nejčastěji v sulfidech a uhličitanech Použití: K pozinkování kovů, do slitin. Hořčík-Mg Fyzikální vlastnosti: - hustota = 1740 kg/m3 - bod tání = 650°C Slitiny - elektron = ( Al+Zn+Mg ) Vyrábí se elektrolýzou při 700 až 750 °C, pevnost litého hořčíku je 100 a tvářeného 200 MPa. Má menší odolnost proti povětrnostním vlivům než hliník. Při obrábění hoří, chladí se stlačeným vzduchem. Použití: disky na auto. Titan-Ti Fyzikální vlastnosti: - hustota = 4500 kg/m3 - bod tání = 1665°C Slitiny α plechy, lopatky parních turbín α + β pevnost větší než u α 44
β chemický a farmaceutický průmysl Tvárnost titanu za studena je dobrá, v ochranné atmosféře jej lze svařovat, obrobitelnost špatná, odolnost proti korozi dobrá Použití: na stavbu letounů, motorů, rámy kol, nádobí (hrnce, pánve) Kompozity Jsou to slitiny určené k vylévání pánví kluzných ložisek strojů, pracujících při velkých rychlostech a menších tlacích. Jedná se o kompozice cínové a olověné. Pájky Pájka je kov, slitina kovů, tající při nízké teplotě, určená k pevnému spojování materiálů z jiných kovů. Spojování pomocí pájky se nazývá pájení. měkké pájky – teplota tavení do 450°C slitiny Pb+Sn tvrdé pájky - teplota tavení nad 450°C slitiny Cu, Ag, Zn, Ni, Al
Další důležité kovy Kobalt - Co - hustota = 8900 kg/m3 - bod tání = 1495°C Slitiny stelit (real) – (C + Co + Cr + W + Fe) – tvrdá slitina, odolná proti opotřebení a korozi i za vysokých teplot Použití: Je důležitou přísadou do žáropevných a žárovzdorných slitin. Zejména slitiny jsou vhodné pro tryskové a letecké motory. Wolfram – W - hustota = 19300 kg/m3 - bod tání = 3380°C 45
- pevnost = 1100 MPa - tvrdost HB = 200 - dobrá tvárnost za tepla, omezená tvárnost za studena - neodlévá se, obtížná svařitelnost a pájitelnost - dobrá odolnost proti korozi Zpracovává se obtížně, je drahý. Použití: Legující prvek do slitin. U nástrojových ocelí je důležitou karbidotvornou přísadou. Další oblast použití je prášková metalurgie. Molybden - Mo - hustota = 10200 kg/m3 - bod tání = 2630°C - pevnost = 700 MPa - tvrdost HB = 150 - dobrá tvárnost za tepla i za studena - neodlévá se , obtížně svařitelný - dobrá pájitelnost - dobrá odolnost proti korozi Je základem důležitých žáropevných slitin. Použití: Legující prvek do slitin především u nástrojových ocelí. Další oblast použití je spolu s wolframem prášková metalurgie. Antimon – Sb Podobá se zinku, je však tvrdý a velmi křehký, bod tání – 630°C, používá se ho jako přísady do slitin olova kompozic. Bizmut - Bi Má bílou barvu a je křehký, je měkký a křehký, bod tání je 271°C, používá se jako přísada nízkotavitelných slitin a pájek. Berylium - Be Má hustotu 1820 kg/m3, přitom vysokou teplotu tání 1315°C. Rovněž mechanické a chemické vlastnosti jsou vynikající, 46
elektrická a tepelná vodivost velmi dobrá. Používá se při stavbě raket a letadel, je však vzácné a velmi drahé. Kadmium - Cd Podobá se zinku, je bílé a měkké, bod tání 321°C. Je součástí snadno tavitelných slitin a pájek i pájek stříbrných. Využívá se v jaderné energetice. Chrom - Cr Bílý lesklý kov, hustota 7140 kg/m3, bod tání 1910°C, mimořádná odolnost proti korozi, přísady do slitin, pokovování. Vanad – V Velmi podobný chromu, používá se jako přísad do slitin (váže nečistoty). Mangan - Mn Bod tání 1245°C, jako legující přísada zlepšuje především mechanické vlastnosti. Otázky ke zkoušení: 1)
Neželezné kovy se získávají ze sirníkových rud, které se dále upravují. Napiš o které 3 způsoby úpravy se jedná?
2)
Neželezné kovy rozdělujeme do 4 skupin. Napiš o jaké skupiny se jedná a stručně popiš jednotlivé skupiny.
3)
K jednotlivé chemické značce napiš název o jaký neželezný kov se jedná: (Al), (Ni), (Cu), (Zn), (Sn), (Mg), (Pb), (Ti)
4)
Co je to bronz, vyjmenuj 3 druhy bronzu.
5)
Co je to mosaz, napiš 3 způsoby použití.
6)
Co jsou to kompozity?
7)
K čemu se používá pájka a jaké druhy pájek znáš? 47
8)
Vyjmenuj alespoň 5 z 10-ti dalších druhů neželezných kovů.
Prášková metalurgie Také se nazývá výroba slinutých karbidů – výroba kovových prášků. Z nich se dále vyrábějí ložiska, filtry, pístní kroužky, břitové destičky řezných nástrojů, vlákna žárovek, další tepelně namáhané součástky, součásti tvářecích nástrojů. Výrobní postup se skládá z několika etap: - výroba prášků (Cr, Ni, Si, Cu, Sn, ocel, atd.) - úprava prášků - lisování prášků - spékání čili slinování výlisků z prášků - konečná úprava výrobků. Prášky z kovů se smíchají v potřebném poměru, směs se nasype do lisovacího stroje a slisuje na požadovaný tvar. Slisovaný polotovar se ohřeje na teplotu několik set °C a probíhá jeho spékaní (slinování), dochází ke změně krystalové mřížky Výroba prášků Prášky je možno vyrábět způsoby: - fyzikálními - drcením a mletím, které se užívají zejména u Cu, Fe, Al, Cr, Mn - rozprašováním tekutého kovu vzduchem nebo vodou, které se užívá zejména u Pb, Zn, Sn, Al, Fe - kondenzací par, která se užívá zejména u Zn, Cd - chemickými, založenými na redukci rud, které se užívají zejména u Cu, Ag, Fe, Ni, Co, W, Mo, Ti. VÝROBKY PRÁŠKOVÉ METALURGIE Kluzné materiály: - nízký koeficient tření, vysoká odolnost vůči opotřebení, dobrý záběh, dynamická a statická pevnost, velká tepelná vodivost, nízká tepelná roztažnost 48
- „Samomazná ložiska“ 15 – 30 % pórů (2/3 otevřených) se nasytí olejem - Teflonová ložiska - Pístní kroužky Filtry a porézní materiál - Elektrody NI-Cd akumulátorů - Části pro kostní transplantace Nástrojové materiály - Slinuté karbidy - Keramické řezné nástroje – ze slinutého Al2O3 , + Cr2O3, MgO,SiO2 ,TiO2 , nízká houževnatost (20% rychlořezné oceli) ⇒ nevhodné pro přerušované řezy, 78 – 80HRC, vysoká teplotní odolnost - Brusné materiály – důraz na pojivo (polymerní, keramická, grafitická, gumová, kovová) - Supertvrdé materiály – umělý diamant, syntetický karbid boru, 8000-9000 HV, vysoká odolnost vůči opotřebení Elektrokontaktní materiály - Odolnost vůči korozi elektrickým obloukem, vysoká elektrická a tepelná vodivost - Kompozitní materiály na bázi wolframu + Ag, Cu, Ni, Cd Magnetické materiály - Magneticky měkké (čisté železo) a tvrdé (Fe-Al-Ni-Co) materiály - Ferity – vyrobené z oxidů kovů + Zn, Mn ,… Vlákna - Vedou proud při vysokých teplotách, kovy o vysoké teplotě tavení (wolfram, molybden)
49
Uhlíkové materiály - Grafit - v metalurgii, slévárenství, v chemickém průmyslu – žáruvzdornost, odolnost vůči kapalným kovům, struskám a chemickým látkám - Na 1 tunu hliníku se při výrobě spotřebuje 500 kg uhlíkových elektrod - Tepelná vodivost 5x větší než Cu - Svařovací elektrody, ložiska, těsnění, uhlíky pro obloukové lampy, kartáčky a kluzné kontakty
Nekovové materiály Mezi nekovové materiály nejčastěji používané v technické praxi patří: - Plasty - Pryž - Technické textilie a kůže - Dřevo - Sklo a technická keramika
Plasty Plasty jsou organické sloučeniny složené z obřích molekul tzv. makromolekul, které obsahují tisíce atomů, především uhlíku [C] a vodíku [H], k nimž přistupují atomy dalších prvků např. chloru [Cl], fluoru [F], kyslíku [O], dusíku [N] aj. Vlastnosti plastů: hustota 900 až 2200 [kg/m3], tepelně odolávají 90°C u termoplastů a 120°C u reaktoplastů, tepelná vodivost až 200 x menší než u oceli. Výborná odolnost proti korozi, dobré izolační vlastnosti, dají se snadno tvářet. Součástí plastů jsou plniva, změkčovadla, barviva, stabilizátory, nadouvadla a maziva. Výroba plastů: z přírodních látek nebo synteticky (uměle) Plasty obvykle rozdělujeme do 3 skupin: 50
1. Termoplasty 2. Reaktoplasty (dříve termosety) 3. Elastomery Termoplasty PE - polyetylén, PP - polypropylen, PB - polybutylen, PVC polyvinylchlorid, ABS – akrylonitril butadien styren, PA polyamid, PFTE - teflon, PVDF – polyvinylidenfluorid, PS – polystyrén (pěnový polystyrén) Působením teploty změknou a dají se tvarovat. Po ochlazení ztuhnou do nového tvaru. Tento proces lze opakovat bez zásadní změny fyzikálních, chemických či mechanických vlastností. Termoplasty jsou nejrozšířenější. Reaktoplasty (dříve Termosety) PE-X – síťovaný polyetylén, GRP – polyesterová pryskyřice Jejich vnitřní struktura má velmi silné vazby. Nelze je teplem tvářet ani svařovat, spojují se mechanicky. Eleastomery PUR- polyuretan, silikon Mají slabší vazby mezi molekulami. Při mechanickém namáhání mění svůj tvar. Po odstranění zatěžující síly se vrací do původního tvaru – jsou pružné. Nelze je teplem tvářet ani svařovat. Výroba plastů: Výchozím materiálem pro výrobu plastů je ropa, zemní plyn nebo uhlí. Z nich se získávají uhlovodíky, které se dále zpracovávají na jednotlivé druhy plastů. Pro vlastní výrobu se používají 3 druhy chemických procesů: 1. Polymerace 2. Polykondenzace 3. Polyadice 51
Zpracováním uhlovodíků vzniká polotovar ve tvaru granulí nebo kuliček o 2-6 [mm]. Z nich se pak lisováním, válcováním, vstřikováním, vytlačováním, foukáním nebo vakuovým tvarováním vyrábějí předměty denního používání. Základními prvky v plastech jsou uhlík, vodík a dále např. chlor, fluor, kyslík, dusík. Vlastnosti plastů: - Hustota je s porovnáním s ostatními technickými materiály několikanásobně nižší – 800 až 2200 [kg/m3] - Tloušťka stěny s porovnáním s ocelovým potrubím je asi 2x menší. - Teplotní odolnost je hranice, kdy plast měkne bez změny struktury a začíná se tavit. 90°C až 120°C. - Tepelná roztažnost je asi 10x větší než u oceli. Vícevrstvé plastové trubky pak asi jen 3x větší. - Tepelná vodivost je 100 až 200x menší než u oceli. - Hořlavost je u plastů různá (PVC je např. samozhášivý). - Odolnost proti mechanickému poškození (vrubová houževnatost) je s porovnáním s ocelí malá. - Chemická odolnost je velmi dobrá, plasty nekorodují. - Plasty se velmi snadno řežou, tvarují a opracovávají. Výhody plastů: - Dlouhodobá životnost (50 let) - Hygienická nezávadnost - Hladký povrch stěn potrubí znamená vyšší rychlost proudění a nižší tlakové ztráty - Potrubí nezarůstá (neusazují se minerály) - Plastové trubky lze snadno ohýbat – tvarovat - Potrubí nekoroduje, neprovádí se antikorozní nátěr - Malá hmotnost usnadňuje manipulaci - Plast je měkký materiál, snadno se opracovává - Levnější výroba i náklady při dalším zpracování 52
- Nepropustnost stěny potrubí - Odolnost proti běžným chemikáliím - Možnost recyklace Nevýhody plastů: - Malá pevnost v tahu - Malá tepelná odolnost - Velká teplotní roztažnost – nutnost použití kompenzátorů - Nutnost dodržování provozních parametrů dopravované látky v potrubí (teplota a tlak) Otázky ke zkoušení: 1) Plasty se rozdělují do 3 základních skupin. Napiš, jak se jednotlivé skupiny nazývají a stručně je popiš. 2) Z jakých atomů se skládají plasty (makromolekulární látky). 3) Popiš stručně v několika bodech výrobu plastů. 4) Napiš alespoň 5 výhod použití plastů v instalatérství. 5) Napiš alespoň 3 nevýhody použití plastů v instalatérství. Spojování plastů: Plasty lze spojovat různými způsoby. Některé druhy plastů je možno spojovat jen jedním způsobem, jiné druhy plastů i několika způsoby. To je dáno uspořádáním vnitřní struktury plastu. Základné rozdělení spojování plastů: 1. Rozebíratelné spoje 2. Nerozebíratelné spoje Rozebíratelné spoje – pomocí hrdla, závitu, příruby, mechanických spojek (PEX, PP, PVC)
53
Nerozebíratelné spoje – lepením (PVC), svařováním při teplotě vzduchu nad 5°C (PE, PP, PVC), lisováním Svařování – na tupo, polyfuzí, elektrotvarovkou, horkým plamenem (vzduchem) a přídavným materiálem. Na tupo: Technologie je založena na ohřevu čel desek nebo profilů na topném tělese (pravítku, zrcadle) a jejich následné spojení použitím tlaku v čase. Přídavný materiál se při svařování touto metodou nepoužívá.
Polyfuzí: Technologie je založena na ohřevu trubky a tvarovky na tvarovém polyfúzním nástavci a zasunutí trubky do kónického hrdla tvarovky pod tlakem.
54
Elektrotvarovkou: Technologie je založena na ohřevu a natavení materiálu pomocí elektrického proudu. Přídavný materiál se při svařování touto metodou nepoužívá.
Horkým plamenem (vzduchem) a přídavným materiálem:
Patří k nejjednoduššímu způsobu svařování termoplastických materiálů. Svařování se provádí pomocí přídavného materiálu (svařovacího drátu). Výhodou horkovzdušných přístrojů je nízká finanční investice a jednoduchost svařování.
55
Průměry plastových potrubí: Základní řada velikosti průměrů (vnější průměr d), které používají instalatéři je 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 75, 90, 110 [mm]. Pro vnitřní rozvody se používají nejčastěji průměry 16 – 63 [mm], pro venkovní rozvody od 75 [mm] a výše. Pro kanalizační potrubí v budovách se používají trubky o průměrech 40 – 150 [mm], u venkovních pak až 600 [mm]. Nesmí se zaměňovat: vnitřní průměr je označován v instalatérské praxi písmenem D a vnější průměr označován písmenem d. (U plastového potrubí se udává vnější rozměr a značí se buď malým ,,d" se spodním indexem ,,n" a nebo ,,dn". U ocelového potrubí se udává vnitřní rozměr a značí se ,,D" nebo ,,DN".Proto např. potrubí z PE materiálu v dn32 odpovídá oceli DN25.) Tlakové řady: Plastová potrubí jsou vyráběna v různých tlakových řadách. Potrubí má při stejném vnějším průměru, různou tloušťku stěny, přičemž větší tloušťka stěny znamená vyšší provozní tlak, vyšší provozní teplota nebo zvýšení životnosti potrubí. Plastová potrubí jsou vyráběna v tlakových řadách PN 2,5 / 4 / 6 / 10 / 16 / 20 / 25. Se vzrůstající tlakovou řadou roste tloušťka stěny při stejné dimenzi potrubí. Vzhledem k tomu, že české vodárenské systémy jsou dimenzovány na tlak 10 bar (= 1,0 MPa), je třeba zvolit materiál, který odpovídá tomuto požadavku, to znamená minimálně tlakovou řadu PN 10 pro studenou vodu. Pokud bude v potrubí dopravováno médium o vyšší teplotě, je třeba pro stejný tlak a stejnou životnost zvolit vyšší tlakovou řadu. Závislosti jsou uvedeny v tabulkách jednotlivých materiálů, které jsou dodávány výrobci. 56
Skladování potrubí: Plastová potrubí by se měla skladovat v krytých skladech nebo přístřešcích, aby se chránilo před mechanickým poškozením, působení slunečního záření apod. Při skladování dodržujeme tyto zásady: - Ve stejném skladu nesmí být uskladněny rozpouštědla a další chemické látky. - Teplota ve skladu by měla být v rozsahu 5 – 40°C. - Trubky musí být podepřeny tak, aby nedošlo k trvalé deformaci prohnutím. - Trubky se skladují roztříděné podle druhu materiálu, průměru a tlakové řady. - Vzdálenost od zdroje tepla je nejméně 1 [m]. - Minimální výška skladování od země je 10 [cm]. - Při manipulace nesmí dojít k mechanickému poškození obalu. - Trubky se musí chránit před pádem, nárazy a poškozením od ostrých předmětů. - Všechny skladované a přepravované trubky musí mít oba konce opatřeny zátkami Životnost plastových potrubí: Rozhodujícími faktory jsou TLAK a TEPLOTA dopravované látky. Výrobci uvádějí životnost nejčastěji 50 let za splnění určitých podmínek. Např. Polypropylen (PP-R) při tlaku 2 MPa a teplotě při 35°C, nebo při teplotě 80 °C, ale tlaku pouze 0,7 MPa. 57
Při určení životnosti se vychází z experimentálně stanovených křivek, tzv. izoterm, viz obr. Plasty pro instalatéry: V instalatérské praxi se používají nejvíce termoplasty a reaktoplasty. Plastové trubky se vyrábějí na tzv. vtlačovacích linkách. Hlavní část linky se nazývá extrudér. Od toho, také název výrobního procesu jako extruze → vytlačování probíhá tak, že za pomocí teploty a tlaku je původní materiál (např. plastový granulát) roztaven, za pomocí šneku a matrice je vytlačen (extrudován) do výsledného tvaru a v chladící vaně je ochlazen, poté osušen a nařezán na požadovanou délku.
Výroba probíhá nepřetržitě – kontinuálně. Plastové tvarovky (kolena, odbočky, T kusy, spojky, atd.) se vyrábějí vstřikováním plastového materiálu do formy, která má tvar požadované tvarovky. Trubky se dodávají jako rovné kusy 4-8 [m] nebo stočené v rolích 50 [m]. Při potřebě dobré izolace se vyrábějí předizolované potrubí, tzv. trubka v trubce.
58
Polyetylen - PE
Podle chemického složení a výrobního zpracování se rozlišuje několik druhů. Nízkohustotný – LDPE, má dobrou houževnatost, odolává teplotě až 60°C. Používají se hlavně pro rozvody vodovodů a domovních kanalizací spojuje se hlavně svařováním.
Středněhustotný – MDPE, v současnosti se nahrazuje vysokohustotným polyetylénem. Vysokohustotný – HDPE nebo IPE, má dobrou pevnost v tahu, odolává chemikáliím a teplotě až do 80 °C.
Síťovaný – PEX nebo VPE, vyrábí se dalším zpracováním z HDPE, má velmi dobré mechanické vlastnosti, nedá se svařovat, spojuje se mechanickými spojkami. 59
(Pojmem síťovaný se myslí způsob úpravy při výrobě, ne síť v trubce jako je tomu u zahradní hadice.) Používá se pro rozvody teplé vody, pitné vody, topení a podlahového vytápění. Trubky jsou velmi ohebné a dají se spojovat pouze nalisováním.
Polypropylen – PP V instalatérství se používá několik druhů polypropylenů. V závislosti na dlouhodobém působení teploty se rozdělují na: PP1 (PP-H) teplota do 40°C PP2 (PP-B) teplota do 75°C PP3 (PP-R) teplota do 100°C
V současné době se PP1 již nevyrábějí a postupně jsou rozvody vyměňovány za jiné např. za PP3.
60
Polybutylen – PB Patří k nejmladším plastovým materiálům. Je dobře ohebný, má velkou pevnost a teplotní odolnost do 100°C. Používá se pro rozvody pitné vody teplé vody a topení. Spojuje, se hlavně svařováním a závitovými spoji. V současnosti se využívá také na podlahové teplovodní vytápění.
Polyvinylchlorid – PVC (novodur)
Rozlišujeme dva druhy: a) neměkčený (tvrdý), označuje se PVC-U nebo jen PVC. Je asi nejstarší plast používaný původně na vnitřní rozvody kanalizace. Je výrobně nejjednodušší a také nejlevnější.
b) měkčený (chlorovaný), označuje se PVC-C nebo C-PVC. Odolává teplotám až 100°C. Má lepší vlastnosti, ale je dražší.
61
Spojování se provádí lepením. Akrylonitril-butadien-styren – ABS Je relativně nový, mimořádně pevný a houževnatý plast s vysokou odolností proti tlakovým rázům i za nízkých teplot, proti šíření trhlin a s odolností proti otěru. Dále tento materiál dobře odolává atmosférickým vlivům, UV záření a má velký útlumový součinitel (tlumení zvuku). Velkou výhodou je jeho mimořádně nízká tepelná vodivost, není tedy nutná izolace, což tento materiál předurčuje pro použití v chladných a klimatizovaných prostorách (ABS potrubí se dodává i v předizolovaném stavu - systém COOL-FIT ABS). Spojování se provádí lepením s použitím lepidla a čističe Tangit pro ABS. Výrobky z ABS se mohou pokovovat. Pro instalatéry se vyrábějí z ABS trubky, tvarovky a armatury. Má dobré vlastnosti, a proto také vyšší cenu.
Polyvinylidenfluorid – PVDF Vyznačuje se velkou pevností, chemickou odolností, odolává teplotám od 40°do 140°C, odolává UV záření a má dobrou 62
odolnost proti stárnutí. Pro vyšší cenu se používá pro běžné instalatérské rozvody jen málo.
Polyesterová pryskyřice – GRP Je trojrozměrně nesíťovaný plast plněný skleněnými vlákny. Má ze všech plastů nejmenší tepelnou roztažnost (5x) a největší pevnost. Používá se pro trouby velkých průměrů na studenou vodu nebo na kanalizační sběrače. Pro domovní instalace se GRP nepoužívá.
Vícevrstvé trubky Plastové potrubí má poměrně velkou tepelnou roztažnost. Pro zachycení roztažnosti se do rozvodů vkládají kompenzátory, které celou instalaci prodražují. Ke snížení roztažnosti se nám nabízejí vícevrstvé trubky. Do trubky se vkládá hliníková fólie, která právě tuto roztažnost snižuje. Označení vícevrstvých trubek: PP-AL-PP, PE-AL-PE, PEX-ALPEX. 63
Použití plastů Je velmi široké. Používají se pro výrobu spotřebních předmětů, částí nebo krytů strojů, v průmyslu, zdravotnictví, potravinářství, zemědělství atd. Použití plastových trubek v budovách: Studená Teplá Ústřední Podlahové Materiál Kanalizace voda voda vytápění vytápění PVC-U X X PVC-C X X X X LDPE X HDPE X X PEX X X X X PP3 X X X X PB X X X X ABS X X PVDF X X Použití plastových trubek pro venkovní rozvody: Materiál Vodovod Plynovod Teplovod PVC-U X PVC-C X LDPE X 64
HDPE PEX PP3 PB
X
X X
X X X
Instalatéři nepoužívají plasty jenom na trubní rozvody. Z plastů se vyrábí materiály pro izolace potrubí, těsnění, zápachové uzavírky, vpusti, dešťové vtoky, splachovací nádržky, klozetová sedadla, vaničky sprchových koutů, armatury, držáky, kryty, úchytky na potrubí, atd. Ostatní druhy plastů: Termoplasty: Polyester - PS, Polytetraflourethylen – PTFE (teflon), Polyamid – PA, Polykarbonát – PC. Reaktoplasty a eleastomery: Fenolformaldehyd, Epoxidy, Polyester, Polyreutan Silikony. Otázky ke zkoušení: 1) Vyjmenuj, 3 druhy spojování plastů nerozebíratelným způsobem. 2) Vyjmenuj, 3 druhy spojování plastů rozebíratelným způsobem. 3) Stručně popiš, způsob svařování „na tupo“. 4) Stručně popiš, způsob svařování „polyfuzí“. 5) Stručně popiš, způsob svařování „elektrotvarovkou“. 6) Co znamená v odborné terminologii pojem „základní řada velikosti průměrů DN“? Na náčrtku popiš pojmy „vnitřní průměr, vnější průměr, tloušťka“. 7) Co znamená v odborné terminologii pojem „tlaková řada PN“? 8) Které fyzikální veličiny nejvíce ovlivňují životnost plastových potrubí? 9) Stručně popiš co je to extrudér, a k čemu se používá. 10) Ke zkratce označení plastů, napiš celý název. PE, PEX, PP, PB, PVC, ABS, PVDF,GRP, PP-AL-PP. 65
Pryž (lidově také guma) Z technického hlediska jde o zvulkanizovanou kaučukovou směs. Vulkanizace je chemická reakce kaučuku se sírou. Zvulkanizovaný kaučuk se stává elastickým a je méně citlivý na změnu teploty. (Vulkanizace je fyzikálně chemický proces, při němž působením vulkanizačního činidla nebo energie dochází k strukturním změnám eleastomeru. Hlavním důvodem, proč se kaučuk vulkanizuje je, že se podstatně vylepší jeho mechanické i fyzikálně chemické vlastnosti. Z mechanických vlastností se zvýší pevnost v tahu, strukturní pevnost (odolnost proti dalšímu trhání), odolnost v oděru i pružnost, ale zároveň se sníží tažnost. Na rozdíl od nevulkanizovaného kaučuku, který je rozpustný v některých organických rozpouštědlech, vulkanizovaný kaučuk v nich jen bobtná. Vulkanizovaný kaučuk je také méně citlivý ke změnám teploty a zachovává si ohebnost i tuhost ve značném teplotním rozsahu.)
K výrobě pryže se používá: Kaučuk a Příměsi Přírodní kaučuk se získává ze stromů – kaučukovníků jako latex (kaučukové mléko), který se dále zpracovává na různé druhy kaučuku.
Syntetické (umělé) kaučuky se vyrábějí chemickou reakcí – polymerací z různých sloučenin (Polymerace je chemická reakce, při které z jednoduchých molekul - monomerů vznikají makromolekuly polymery). a) Butadien-styrenový - SBR: pro všeobecné použití, horší pevnost než PK, vyšší odolnost proti stárnutí za zvýšených teplot. b) Polybutadienový - BR: tvrdá pryž v kombinaci s PK (přírodní kaučuk) - lepší odolnost proti oděru. Použití v běhounu pneumatik.
66
c) Butadien-akrylonitrilový - NBR: odolává bobtnání, vzdorující olejům a rozpouštědlům. Nižší mrazuvzdornost a horší odrazová pružnost. d) Butyl kaučuk (isobutylen-isoprenový) - IIR: dobrá nepropustnost pro plyny, dobrá chemická i tepelná odolnost. Nízká odrazová pružnost. e) Chloroprenový - CR: vysoká odolnost proti oxidaci (stárnutí v ozonu), snížená hořlavost, dobrá nepropustnost pro plyny. Odolává olejům a benzínu. f) Isoprenový - IR: stejné chemické složení jako PK. Lehká zpracovatelnost. g) Etylen-propylenový - EPDM: vysoká odolnost proti stárnutí (oxidaci) a chemickým vlivům. h) Silikonový - SI: vysoká odolnost proti teplotám (-70 až +250°C), odolnost proti stárnutí, ozonu a chemická zdravotní nezávadnost. Vysoká elektrická pevnost. i) Polyuretanový - AU: vysoká pevnost, houževnatost a odolnost proti oděru, ozonu, oleji. j) Thiokolový : vysoká odolnost proti bobtnání. k) Fluorokaučuky: skupina kaučuků s vysokou odolností proti teplu, olejům a agresivním chemikáliím.
Kaučukové směsi se mohou zpracovávat např. válcováním, lisováním, vytlačováním atd. Vlastnosti pryže závisí na použitém kaučuku, na druhu a množství přidávaných přísad a na způsobu zpracování. Podle obsahu síry se rozlišuje pryž měkká, polotvrdá a tvrdá. Velkou výhodou pryže je možnost její regenerace (recyklace). Nejznámější výrobkem je pneumatika. Dále například řemeny k přenosu točivého momentu. Přidáním textilních pásů a ocelových výztuh do pryže, tak vzniká velmi dobrý materiál. Instalatéři požívají pryžová těsnění v zápachových uzavírkách (sifonech), v přírubách, ve šroubení, v armaturách, ve vodovodních baterií atd. Vyrábějí se také pryžové desky o tloušťce 10 až 20 [mm], které se podkládají pod stacionární kotle proti chvění a šíření hluku. 67
OSTATNÍ KOMPONENTY SMĚSI – příměsi (pryž zpevňují, změkčují, zbarvují, urychlují nebo zpomalují vulkanizaci, zlepšují mrazuvzdornost, odolnost proti chemikáliím, snižují stárnutí pryže, apod.) 1. Vulkanizační prostředky Látky, které svým chemickým účinkem způsobují změny ve struktuře uhlovodíkových řetězců, jejíž výsledkem je pryž (vulkanizace). Většina druhů kaučuků se vulkanizují pomocí síry. Jiné se vulkanizují organickými peroxidy, oxidy kovů, syntetickými pryskyřicemi. Síru je možno nahradit donory síry, při vulkanizaci uvolňují síru. 2. Urychlovače vulkanizace Umožňují regulaci a nastavení vulkanizačního procesu. Mají vliv na výsledné hodnoty pryže. Dle účinku na: pomalé, střední, rychlé, velmi rychlé, ultraurychlovače, urychlovače se zpožděným účinkem. Výběr druhů urychlovačů má vliv na ekonomiku výroby, výsledné hodnoty pryže. 68
3. Aktivátory vulkanizace Zlepšují účinnost urychlovačů. Převážně oxidy kovů (zinková běloba ZnO), organické látky (stearin nebo stearát zinečnatý). 4. Retardery Svou kyselou povahou snižují vulkanizační rychlost. Nahrazují se také urychlovači se zpožděným účinkem (kyselina benzoová, anhydrid kyseliny ftalové aj.) 5. Plniva Látky práškovitého charakteru, ve vyšším množství do směsi. Tvoří podstatnou část přísad, převážně ztužující účinek a ovlivňuje tvrdost, pevnost, strukturní pevnost, modul a oděr vulkanizátu. Účinek je závislý na velikosti částic, specifickém povrchu, sekundární struktuře a chemickém složení. Nejpoužívanější jsou saze - kanálové, lampové, retardové, technické, acetylenové, forsunkové. Při výrobě světlé nebo transparentní pryže - světlá plniva (křemičitá plniva - světlé saze). Mají ztužující účinek - ztužovadla. Prostá plniva oxid hořečnatý, kaolin, křída, baryt. Účel - dosažení snadné zpracovatelnosti a zlevnění směsi. 6. Změkčovadla Kapalné nebo tuhé látky ropného původu, pro zlepšení zpracovatelnosti a elastických vlastností výrobků. Způsobují zvýšení plasticity směsi, snadnější zpracovatelnost směsí bez nebezpečí navulkanizování (snížení teplot při zpracování), zvyšují lepivost - usnadňují konfekci, zlepšují mrazuvzdornost, dovolují upravovat tvrdost vulkanizátu v širokém rozmezí. U olejivzdorných pryží zvyšují odolnost proti botnání a mrazu. a) ropného původu - ozokerin, ceresin, parafin, minerální oleje b) rostlinného původu - kalafuna, smrkový dehet, faktis c) syntetické pryskyřice - koresin, rubresin d) organické estery - dibutylftalát, dibutylsebakát, dioktylftalát Tuhé parafiny - pronikají po vulkanizaci na povrch vulkanizátu , kde tvoří slabou vrstvu, která chrání výlisek před stárnutím.
69
7. Antioxidanty Omezují přirozené stárnutí pryže - vliv kyselin, zvýšená teploty, vliv ozonu, vlivy povětrnostní, vliv světlem, vliv statistického a dynamického namáhání 8. Peptisační činidla Pro změkčení kaučuků, urychlení plastifikačního procesu - prováděný v hnětičích. Účinek velký při vyšších teplotách (130 C). 9. Barviva, pigmenty Pro přípravu barevných směsí. Jsou to: červeň H, kadmiová žluť, okry, ultramarin, citrónová žluť (minerální a anorganický pigment) nebo vulkánová organická barviva 10. Nadouvadla Do směsi pro houbovou nebo mechovou pryž. Při vulkanizaci dutých předmětů (míče, hračky). Jsou organického nebo anorganického původu vysoké teploty je rozkládají na plynné látky. 11. Separační prostředky (práškovadla) Zamezují lepení kaučuku a jeho směsí při manipulaci a skladování. Při vulkanizaci brání spojení dvou směsí nebo přilepení směsi na formu. Jako práškovadla se používá: klouzek (mletý mastek), křída (mikromletý vápenec), slída, stearan zinečnatý, škrob, brusný prach z pryže příslušné skupiny.
Otázky ke zkoušení: 1) Jak popisujeme pryž z technického hlediska? 2) Stručně popiš co je to vulkanizace? 3) Co vše se používá k výrobě pryže? 4) Napiš 3 způsoby zpracování kaučukové směsi. 5) Jakou pryž rozeznáváme podle množství síry? 6) Co způsobují příměsi, přidávané při vulkanizaci do kaučukové směsi? 7) Napiš 3 druhy použité pryže v instalatérské praxi. 70
Technické textilie Mají uplatnění nejen v odívání, ale také ve stavebnictví, technické praxi a v průmyslu. Základní surovinou k výrobě textilií jsou vlákna. Rostlinná vlákna: konopí, len, bavlna, juta, lýko, kokosová vlákna, sisalová vlákna, kapok, atd. Živočišná vlákna: vlna, přírodní hedvábí, mohér, atd. Umělá vlákna: polyamidová vlákna – nylon, silon. Z vláken se spřádá PŘÍZE (nit), která má potřebnou tloušťku a pevnost. Podle dalšího zpracování příze na textilii rozlišujeme: Tkané textilie: → tkaním (plsti) → pletením Netkané textilie: → lepením → foukáním → lisováním
Použití netkaných textilií: Filtrační textilie pro filtraci vzduchu. Geotextilie mají široké uplatnění zejména ve stavebnictví a zahradnictví. Izolační textilie pro izolace a také, jsou vhodné jako tlumící prvek. Dekorační textilie. Speciální textilie jsou vyrobené s určitou speciální vlastností, např. vysoká tuhost materiálu, jsou přitužovány pro zvýšení tuhosti, impregnovány, voděodolná úprava apod. 71
Kůže - useň Pro technické účely se používá upravená kůže (useň). Převážně kůže hovězí, vyčiněná speciálními činidly. Po této úpravě získá useň dobré vlastnosti a vyrábějí se z ní předměty denní potřeby (obuv, oděvy, opasky, tašky, těsnění, ploché řemeny, pásy, ochranné oblečení). Useň nesmí přijít do styku s minerálními oleji a tuky s důvodu změny dobrých vlastností. Vedle usní vyrobených z kůží obratlovců (označují se někdy jako přírodní usně) existují ještě: Vláknitá useň je materiál vyrobený tak, že se přírodní useň mechanicky, a nebo chemicky rozloží na malé kousky, prach nebo vláknité částice a pak se opět spojí pomocí pojiva nebo bez něj, popřípadě s přídavkem jiných materiálů. Je v rolích nebo v arších. Na vláknitou useň se zpracovávají odpady z přírodních usní. Syntetické usně jsou uměle vytvořené plošné materiály buď výhradně ze syntetických polymerů nebo jejich kombinací s přírodními polymery v přirozené nebo upravené formě. Jsou v rolích a vyrábějí se nejrůznějšími způsoby. Člení se dále na plastiky, koženky a poromery: Plastiky jsou samonosné plošné kompaktní nebo lehčené materiály vyráběné z plastů. Koženky jsou plastové plošné kompaktní nebo lehčené materiály na podkladu. Poromery jsou porézní polymerní materiály, zpravidla heterogenní, na podkladu nebo bez něj, vzhledem a vlastnostmi podobné přírodní usni.
72
Postup výroby usně: 1. přivezení nasolené kůže do koželužny. 2. namáčení = koželuh kůže se máčí a pere v hašpli (vana s vijákem) kvůli očištění, zbavení soli. 3. loužení se zahníváním (dříve) a odchlupování kosou na odchlupování (koželužský nůž) nebo loužení v roztoku sulfidu sodného a vápna (dnes) kvůli odstranění srsti a vznikne holina. 4. mízdření pomocí kosy na mízdření (dříve) nebo mízdření mezi soustavou válců (dnes) = odřeže se vazivo a zbytky svalů. 5. omykání kosou na omykání (dříve) nebo omykání mezi válci = odstraní se kořínky chlupů. 6. štípání pomocí štípacího stroje tak, aby byla kůže všude stejně tlustá. 7. činění kůží pomocí tříslovin z kůry a jiných rostlin v sudu (dříve) nebo solemi chromu (od konce 19. století). Odstraní se tak vápno a tuky a kůže bude vláčná. 8. ždímání (odstraní se voda). 9. barvení. 10. mazání aby se kůže nelámaly. 11. vyrážení neboli hlazení aby se vyhladily vrásky. 12. sušení. 13. postřikování lakem proti vlhku. 14. leštění. 15. žehlení. 16. měření. 17. výroba kožených výrobků. 73
Otázky ke zkoušení: 1) Napiš rozdělení druhů vláken, které se používají k výrobě textilií. 2) Podle dalšího zpracování příze na textilii rozlišujeme tkané textilie. Napiš, jak se tyto textilie vyrábí. 3) Podle dalšího zpracování příze na textilii rozlišujeme netkané textilie. Napiš, jak se tyto textilie vyrábí. 4) Napiš alespoň 3 druhy použití netkané textilie. 5) Jaký je rozdíl mezi kůží a usní? 6) Jaké druhy usní rozlišujeme? 7) Napiš alespoň 5 druhů použití usně.
Dřevo http://www.mezistromy.cz/cz/vyuziti-dreva/vlastnosti-dreva http://www.atlasdreva.hu.cz/makro_exoticke/uvod.html 74
Dřevo je jedním z nejstarších materiálů, které se lidstvo naučilo využívat ke stavbě obydlí, výrobě pracovních nástrojů i jako zdroje energie či suroviny na výrobu papíru. Dřevo je přírodní hmota získaná ze stromů a keřů. Dřevo je produkováno speciálním dělivým pletivem tzv. kambiem. Protože v našich klimatických podmínkách pracuje kambium periodicky, můžeme v dřevu pozorovat na příčném řezu letokruhy (na jaře přirůstá dřevo rychleji – světlejší barva, než v létě – tmavší a tvrdší vrstva). Aktivnímu vedení vody a roztoků slouží mladší letokruhy. Jejich činnost s lety nahradí nové letokruhy, přičemž starší letokruhy se zbarvují tmavě látkami, které se v jejich buňkách a stěnách ukládají - lze tak odlišit tmavé jádro a světlejší běl. Kořenice je struktura dřeva v přechodné části kořene a kmene, která se vyznačuje různou spletí dřevních vláken (ořešák, jasan, dub, olše, topol).
Dělení dřeva do skupin: 1) Rozdělení dřevin podle asimilačních orgánů Jehličnaté stromy – patří mezi nahosemenné rostliny (nemají pestík, opylují se větrem). Dřevo jehličnanů je lehké, měkké a lehce se opracovává. Jehličnaté stromy jsou stálezelené a neopadavé. Výjimku tvoří modřín, který opadává. Jsou vývojově starší a stavbou jednodušší než listnaté stromy. Rostou především v mírném podnebném pásmu. (smrk, jedle, borovice, cedr, tis, douglaska, modřín, jalovec, atd.) 75
Listnaté stromy – většina listnáčů patří mezi krytosemenné, dvouděložné rostliny (výjimka: jinan dvoulaločný). Mají složitější strukturu, která je příčinou častějších nepravidelností oproti jehličnanům. Tyto nepravidelnosti vytváří na výrobcích neopakovatelnou kresbu. V zimě přestávají růst, a proto na podzim shazují listy. Většina listnáčů roste v mírných a tropických pásmech. (dub, buk, javor, jasan, padouk, eben, bubinga, balsa, lípa,
ořešák, atd.) 2) Rozdělení dřevin podle tvrdosti dřeva měkké dřevo – smrk, topol, lípa, osika, olše Získáváme ho převážně z jehličnatých stromů. Vyznačuje se nízkou hustotou. Má obvykle světlou barvu (od žluté až po rezavě hnědou) a zřetelnou texturu. Měkké dřevo odolává hnilobě hůře než dřevo tvrdé. Snáze se opracovává. Měkká dřeva rostou v oblastech s chladnějším a proměnlivým klimatem – v arktickém i subarktickém pásmu a mírném pásmu severní Evropy a Severní Ameriky (až k jihovýchodním částem USA).
tvrdé dřevo – modřín, buk, dub, jilm, javor, jasan Je získáváno převážně z listnatých stromů. Tvrdá dřeva jsou odolnější než dřeva měkká.
3) Rozdělení dřevin podle původu Domácí dřeviny – jsou to dřeviny, kterým vyhovují nejvíce naše podnební poměry. Při nejpříznivějších podmínkách růstu se vytváří dřevo s nejlepšími technickými vlastnostmi. Nejkvalitnější smrk je z oblasti šumavské, beskydské a krkonošské, borovice z oblasti jihočeské a ze severovýchodních Čech. Listnaté dřeviny mají nejlepší podmínky na Slovensku.
Dřeviny zdomácnělé – jsou takové dřeviny, které k nám byly dovezeny a dlouholetým pěstováním zdomácněly (akát, moruše, magnólie, borovice vejmutovka a mnoho dalších). Do měst se dostaly přes zámecké parky a zahrady bohatých měšťanů. Některé dřeviny mají v městském prostředí větší odolnost než dřeviny domácí.
76
Dřeviny cizokrajné – dřeviny, které se k nám dovážejí pro průmyslové využití (teak, mahagon, padouk, eben, …) nebo se pěstují jako okrasné (thuje).
Vlastnosti dřeva Barvy dřeva a do určité míry i jeho vlastnosti závisejí nejen na druhu stromu, z kterého ten který kousek dřeva pochází, ale i na půdních a životních podmínkách jednotlivých stromů a mohou se měnit. Tvrdost je schopnost materiálů klást odpor proti vnikání jiných těles. (Jistý pan Brinell tlačil určitou silou ocelovou kuličku do materiálu. Má-li ocelová kulička předepsaný rozměr, jde o tzv. Brinellovu zkoušku tvrdosti. U nás zase pan Janka tlačil do dřeva razidlo, ukončené půlkuličkou. To je tzv. Jankova zkouška.) Rozlišujeme 4 stupně tvrdosti. Dřevo měkké, polotvrdé,
tvrdé a velmi tvrdé. Z našich dřev je asi nejtvrdší habrové a nejměkčí topolové. Pevnost nám říká, jak které dřevo vzdoruje statickému namáhání. Mezi nejpevnější patří dřevo dubové a akátové, ale i třeba měkké olšové, pokud je trvale umístěno pod vodou. Pevnost v tlaku asi 40 MPa, v tahu asi 100 MPa Houževnatost je schopnost odolávat dynamickému, rázovému namáhání. Dřevařské tabulky definují houževnatost jako hodnotu výšky, z jaké musí spadnout kladivo těžké 1,5 kg na hranolek o průřezu 2x2 cm, aby ho přerazilo. V tomto směru vyniká svou houževnatostí dřevo dubové. Pružnost - tzv. modul pružnosti je mírou odporu, který klade materiál zatížení, jež ho ohýbá. Nejpružnější z našich dřev je dřevo jasanové, ke křehčím patří třeba švestkové. Textura je kresba dřeva, tvoří ji letokruhy, dřeňové paprsky apod. V každém pohledu je jiná. 77
Hustota dřeva je 120 – 1000 kg/m3. Dřeva upravená v polotovary typu překližky, lisovaná vrstvená dřeva a další mohou mít hustotu až 1500 kg/m3. Korek (kůra z dubu na středomořských ostrovech) 250 kg/m3. Balsa – 100 až 200 kg/m3. Použití dřeva Pro další zpracování je zapotřebí dřevo vysušené. Doba sušení závidí na teplotě vzduchu, rychlosti proudění, vrstvě skladovaného dřeva, množství vody v surovém dřevě. Obvyklý obsah vody v dřevní hmotě je po vysušení 15-20%. Pro výrobu nábytku je potřeba max. 10% vlhkost. Ideální vlhkost dřeva pro topení v krbech a kamnech je do 20 %. Čerstvé dřevo mívá průměrně 50% vlhkost, v lese vyschlé 25-30% a proschlé (na vzduchu vyschlé) 10-20%. Proti zpětnému přijímání vlhkosti a proti hnilobě se dřevo chrání impregnací – napouštění dřeva speciálními látkami, které prodlužují jeho životnost a zlepšují jeho vlastnost. Výrobky ze dřeva určené pro stavební účely se rozdělují na: Kulatinu – což je kmen stromu zbavený větví a kůry. Řezivo – kam patří desky, fošny, hranoly, trámy a další polotovary vyrobené pořezáním kmene stromu. Použití v instalatérské praxi: Na podkládání křehkých kameninových a litinových trub proti poškození. Tvrdé dřevo se používá jako tlumící mezivrstva při tlučení kladivem. Dřevo se používá jako kryt (klimatizační jednotky, filtry atd.). Korek (kůra z dubu na středomořských ostrovech) 250 kg/m3. Na obklady, podlahy, jako zvukově izolační materiál, zátky do lahví.
78
Otázky ke zkoušení:
1) Napiš co je to dřevo. 2) Napiš, jak se dělí dřeva do skupin a podskupin. 3) Napiš 5 vlastností, které u dřeva rozeznáváme. 4) Jaká je vlhkost čerstvého dřeva, jaká je vlhkost pro použití jako palivové dřevo, jaká je vlhkost dřeva po vysušení pro výrobu nábytku?
5) Co je to kulatina a co je řezivo?
Sklo a technická keramika Sklo Základem pro výrobu skla je směs surovin, která se nazývá sklářský kmen. Surovinou pro výrobu skla jsou sklářské písky s obsahem 60 - 80% oxidu křemičitého (SiO2). Dalšími základními složkami běžných skel jsou oxid vápenatý (CaO), sodný (NaO2) a draselný (K2O). Tyto oxidy jsou dodávány do kmene formou nerostných (např. vápenec) nebo chemicky připravených surovin (např. soda). Určitý podíl vsázky tvoří drcené odpadní sklo (skleněné střepy). Kromě uvedených sklotvorných surovin se při výrobě skla může používat celá řada pomocných látek se specifickými účinky, např. barviva.
Sklo se taví při teplotě 1450 až 1550ºC, boritokřemičité při teplotě až 1630ºC a křemenné sklo okolo 2000ºC. Sklo vytvarované při vysokých teplotách, nelze prudce ochladit. Prudké ochlazení by znamenalo mechanické znehodnocení výrobku. Proto výrobky ze skla se ochlazují postupně v chladicích pecích. Technologie výroby skla Při výrobě skla se uplatňují čtyři dílčí technologické procesy: 1.) Příprava vsázky (tj. sklářského kmene a přísad) a její dávkování Upravené, pomleté a vysušené suroviny se mísí a homogenizují v požadovaném poměru v mísících zařízeních. Míšení je dnes prováděno nejčastěji strojně pomocí uzavřených mísidel tak, aby bylo zabráněno prášení surovin. 79
2.) Tavení skla se provádí ve sklářských tavících pecích, nejčastěji pánvových nebo vanových. Tavící proces se rozděluje na tři hlavní fáze: 1.vlastní tavení, 2.čeření a 3.homogenizace a chlazení pro tvarování. Při tavicím procesu se dosahuje nejčastěji teplot v rozmezí 1400 - 1600oC. Palivem je nejčastěji generátorový nebo zemní plyn. 3.) Tvarování skla. Při tvarování se využívá viskózní deformace a silné závislosti viskozity skloviny na teplotě. Během tvarování nesmí dojít ke krystalizaci skloviny. Tvarování se provádí od ručních až po plně automatizované procesy, a to foukáním, tažením, válcováním, litím nebo lisováním. 4.) Chlazení skla se provádí ve speciálních chladících pecích, zpravidla v teplotním intervalu 700 - 400oC. Jedná se o řízené chlazení, kterým se z výrobku odstraní nebo se zabrání vzniku vnitřního pnutí. Chlazením se může i podstatně zvýšit pevnost skla. Po ochlazení se může sklo povrchově upravovat - brousit, leštit, pískovat, leptat. Použití Ze skla se vyrábějí tabule do oken, zrcadla, láhve a sklenice, baňky žárovek, obrazovky, svítidla, ozdoby, skleněná vlákny a další polotovary nebo hotové výrobky. V instalatérské praxi se setkáváme hlavně s výrobky ze speciálně upraveného skla nebo ze skleněných vláken (izolační rohože – nad 100°C, filtry do klimatizačních jednotek apod.). Skleněné potrubí se instaluje jen výjimečně (pouze v potravinářském provozu).
Kapsový filtr
Rámečkový filtr
Kompaktní filtry 80
Technická keramika Podobně jako sklo, je tvrdý a křehký materiál. Výroba probíhá při teplotách 1200 – 1500°C podle druhu technické keramiky. Dělení keramiky do skupin (jedno z možných dělení): Technický porcelán – vyrábí se z křemenného písku, živce, přísad a pojiv. Vyrábějí se z něj zařizovací předměty (umyvadla, WC mísy, pisoáry, bidety, výlevky, atd.). Tvar výrobku vzniká odléváním či lisováním do forem a následného vypálení při teplotě cca 1250°C. Technická kamenina – vyrábí se z kameninového jílu a přísad. Výroba je podobná jako u technického porcelánu. Vyrábějí se z něj kanalizační potrubí pokládané do země. Terazzo – je směs kameninové drti s cementem. Tento materiál je pevný a tvrdý, může odolávat také mrazům. Vyrábějí se z něj dlaždice, kádě a nádrže. Větší výrobky jsou vyztužené rabicovým pletivem nebo betonářskou ocelí. V poslední době vznikají nové keramické hmoty pro výrobu denní potřeby. Jedním z nich je např. Mramorit – což je umělý mramor ze směsi vápence, granitu, pojiv, barviv a dalších příměsí. Vyrábějí se z něj zařizovací předměty (umyvadla méně obvyklých tvarů a velikostí v mnoha barevných odstínech, dřezy, WC mísy, pracovní desky kuchyňských sestav, atd.). Otázky ke zkoušení: 1) Jak se nazývá směs surovin pro výrobu skla. Jaká je teplota tavení skla. 2) Stručně (ve 4. bodech) popiš technologii výroby skla. 3) Napiš alespoň 5 druhů použití skla v praxi. 81
4) Napiš rozdělení keramiky do skupin. 5) Napiš alespoň 5 druhů použití technické keramiky v praxi.
Stavební materiály Jedná se o materiály organického nebo anorganického původu a slouží k výstavbě budov. Z velkého množství vybíráme jen některé stavební materiály: Cihlářské Pojiva Štěrk výrobky Cement Malta Kovy Vápno Beton Dřevo Sádra Žárobeton Kámen Písek Polystyrenbeton Pojiva „Látka, která má schopnost tuhnout a vázat další materiály dohromady“. Patří sem cement, vápno a sádra. Vzdušná tuhnou na vzduchu a hydraulická tvrdnou na vzduchu i pod vodou. Cement je hydraulické pojivo. Jedná se o jemně mletý anorganický materiál, který po smíchání s vodou vytváří kaši, která v důsledku chemické hydraulické reakce tuhne a tvrdne. Po předchozím zatuhnutí na vzduchu dále tuhne a tvrdne i pod vodou, při zachování pevnosti a stability. Cement se vyrábí společným vypalováním vápence a jílu při teplotách okolo 1450 °C. Vyrobený slínek se pak rozemílá, někdy i s příměsmi (vysokopecní struskou, trasem, popílkem). Vzniklý šedivý prášek cement - smíchaný s vodou vytváří pojivovou (hydraulickou) složku betonu, která tvrdne na vzduchu i pod vodou. Během probíhajících chemických pochodů vznikají různé jemné krystaly, vzájemně prorůstající a mající vliv na pevnost. Vzniklý „cementový kámen” si zachovává pevnost a objemovou stálost. Důležitou vlastností je, že jeho součinitel 82
tepelné roztažnosti je stejný jako u oceli - umožňuje vytváření spřaženého staviva - železobetonu. http://www.ebeton.cz
Vápno Pálené vápno je technický název pro oxid vápenatý CaO. Jedná se o velmi jemný, sypký materiál bílé barvy. Hašené vápno: správně hydroxid vápenatý, obecně nazývaný nejvíce jako hašené vápno, je v podstatě anorganická sloučenina s chemickým vzorcem Ca(OH)2. Vzniká postupným přidáním vody do vápna. Vápno se vyrábí tepelným zpracování uhličitanu vápenatého CaCO3. Pálení se provádí zpravidla při teplotách nad 950°C v šachtových, nebo rotačních pecích, kdy vzniká oxid vápenatý.
Sádra Stavební sádra je jemný, sypký materiál bílé nebo šedé barvy. Používá se po smíchání s vodou do kašovitého stavu k vyplnění děr ve zdi, k připevnění např. částí potrubí, elektrických rozvodů atd. do drážek ve zdi. Výroba: připravuje se odvodněním sádrovce. Podle stupně dehydratace (při teplotě cca od 100 do 1000°C) vznikají sádry s různou rychlostí tuhnutí:
Pomalu tuhnoucí sádra začíná tuhnout za 2 až 8 hodin. Rychle tuhnoucí sádra tuhne za 2 až 15 minut. Po tuhnutí nelze sádru již rozmíchat a dále s ní pracovat. Písek je sypký materiál žluté barvy o hustotě 2000 kg/m3. Používá se jako základní materiál do malty, jako posypový materiál pro kanalizační potrubí uložené v zemi. Slouží jako ochranná vrstva na nerovné nebo kamenité půdě proti poškození potrubí. 83
Štěrk také jako štěrkopísek, je to zrnitý materiál přírodního původu, který vznikl rozrušením, následným opracováním a transportem pevné horniny, s velikostí jednotlivých zrn od 2 mm do 256 mm. Štěrk je základním materiálem pro výrobu betonu. Štěrkopísky jsou těženy z vody nebo z těžební stěny. ▪ Lom - těžba se provádí odstřelem. Odstřelený materiál je dopraven na výrobní linku. Vstupním materiálem pro drcené kamenivo jsou používány materiály jako žula, čedič, rula, droba, vápenec, pískovec ▪ Těžba štěrkopísku z vody - pro tento způsob těžby se používá drapákový nebo korečkový bagr. Vytěžený materiál je dopraven různým způsobem (např. lodí, pásovým dopravníkem) ke břehu k dalšímu zpracování. ▪ Suchá těžba štěrkopísku - je-li ložisko štěrkopísku nad hladinou vody. V tomto případě se vytěžený materiál dopraví na výrobní linku nákladními auty.)
Malta je kašovitá směs několika látek, které po čase ztuhnou. Slouží ve stavebnictví jako spojovací materiál a omítková hmota. Skládá se z vody, žlutého písku, vápna a případně cementu. Vápenná malta: obvykle se míchá v poměru 120-140 kg vápna (podle požadované pevnosti) na 1 m3 písku a 240 až 350 litrů vody. Vápenno cementová malta: obvykle se míchá dle váhového poměru 300-330 kg vápna a 150-300 kg cementu (podle požadované pevnosti) na 1 m3 kopaného písku a 240 až 350 litrů vody, přičemž vodu je třeba přidávat až nakonec podle požadované konzistence. Neměla by se opominout voda již obsažená v písku. Pro praktické účely míchání se odměřuje „na lopaty“. V zásadě platí, že na 3 lopaty písku připadne 1 lopata vápna a zhruba půl lopaty cementu. Tato malta ke zdění není náročná na druh použitého písku. Cementová malta: obvykle se míchá v poměru 250-450 kg cementu na 1 m3 písku a 240 až 350 litrů vody. Používá se na velmi namáhané zdivo, zejména cihelné.
84
Beton je směs štěrku, cementu, a vody. Podobně jako u malty se může namíchat směs „chudá a mastná“. Základní druhy betonů Prostý beton – bez výztuže Železobeton – obsahuje ocelové pruty (roxor), dráty o průměru 6 až 12 mm. Předpjatý beton (zvýší se u něho pevnost v tahu a tlaku) se používá například ke stavbě mostů a podobných konstrukcí s velkým rozpětím. Žárobeton je materiál, který se používá při vyzdívání krbů. Do betonu se přidává šamotová moučka a pojivo. Žárobeton odolává teplotám přes 800°C. Polystyrenbeton nazýván také jako ekostyrenbeton nebo styrenbeton. Jde o směs vody, cementu, štěrku a polystyrénových kuliček. Má dobré tepelně a zvukově izolační vlastnosti, je lehčí než beton klasický. Nevýhodou je menší pevnost v tlaku. Používá se tam, kde je potřeba provést tepelně izolovaný strop nebo podlahu, může se také použít na střechy a na terasy.
Materiál pro zdivo Zdivo může být provedeno z betonu, pálených cihel, škvárobetonových, pěnosilikátových nebo jiných tvárnic. Podle únosnosti rozlišujeme obvodové nosné stěny a vnitřní příčky. 85
Obvodové zdivo a vnitřní nosné stěny musí mít potřebnou únosnost. Vnitřní stěny rozdělují jednotlivé místnosti a nazývají se příčky, které nepřenášejí tíhu budovy. Zdivo pod zemí musí mít hydroizolační ochranu (hydroizolační pás z asfaltu, asfaltová penetrační emulse, nopová fólie, atd.) Vnitřní stěny mohou být stavěny nejen z cihel, ale také z lehkých a úzkých nenosných materiálů. Nelze do nich zabudovat potrubí. K rozdělení místností se dále staví stěny ze sádrokartonu, ze dřeva, z pórobetonu, z tvárnice z vylehčeného betonu a dalších materiálů. Beton používá se pro pevné zdivo. Máli vést přes betonovou stěnu potrubí, musí se předem udělat instalace průchodek a drážek. Beton je špatný tepelně izolační materiál (vytvoření tzv. tepelného mostu) a propouští vodu. Pálené cihly se vyrábějí vypalováním cihlářské hlíny v pecích. Cihlářské výrobky jsou určeny pro použití na: svislé konstrukce vodorovné konstrukce – stropní tvarovky, desky, a vložky krycí výrobky na střechy – střešní tašky, hřebenáče, tvarové kusy ostatní výrobky – obkladové pásy, drenážní trubky atd. Základní rozdělení cihel je na plné a děrované (voštinové). Ke zdění se používá malta nebo konkrétní lepící hmoty určené výrobcem cihel. Jak se vyrábí cihly?
http://www.vseprovasdum.cz/jak-se-vyrabeji-palene-cihly-heluz.html
86
1. KROK: Příprava směsi. Výroba cihel začíná shromažďováním povrchových jílů a břidlic z lomu, odkud se dopraví do velkých skladovacích prostor na rozdrcení. Drtiče rozbijí velké kusy hlíny či břidlice a dopravníky ji dopraví k mlýnům, které rozemelou na jemný prášek. Takto získaný materiál prochází přes vibrační síta, která oddělí jemné součásti pro další použití a hrubý vrátí zpět k mlýnům, tak dlouho dokud všechno není přesně, jak má být. Do tohoto okamžiku byl materiál v suchu, ale nyní nastupuje vlhčení a hnětení v hnětacím stroji. Tento stroj se skládá z komory vybavené rotačními hřídelemi, ve které se při mísení přidává voda ale i další součásti, jako například mangan pro požadovanou barvu výrobku. 2. KROK: Dalším krokem je tvarování – ruční, strojem tvarované a vytlačované. 3. KROK: Vypalování. Připravené cihly prochází dlouhou pecí v nepřetržitém pásu. Průběžné vypalovací pece, se sestávají z několika horizontálních a vertikálních komor. Předehřívání, vypalování a chlazení se provádí v několika zónách s různou teplotou a to až do 2000°C. Před vstupem do pece výrobce určí způsob a typ vypalování, potřebné k požadovanému spektru barev. Pokud požaduje barvy jasné, je nutné přímé vypalování od začátku procesu až do konce. Čím vyšší teplota při vypalování, tím tmavší barvy a pokud je potřeba vyrobit světlejší výrobek, pak je nutné použít nižších teplot.
Tvárnice z pórobetonu se vyrábějí z lehkých materiálů. Mají dobré tepelně izolační vlastnosti, snadno se do nich sekají drážky pro instalace. (Porfix, Ytong, Hebel, Pórobeton, atd.) Jako plnivo se používá křemičitý písek nebo elektrárenský popílek (popř. škvára nebo struska). Jako pojivo se používá cement, vápno, nebo směs cementu s vápnem. ▪ Plynobeton - pojivem je cement a vylehčení se dosahuje plynem, který vzniká chemickou reakcí v důsledku vložení hliníkového prášku nebo pasty ▪ Plynosilikát - pojivem je vápno a vylehčení se dosahuje stejně jako v případě plynobetonu ▪ Pěnobeton - pojivem je cement a vylehčení se dosahuje vmícháním pěnotvorné přísady tzv. stabilní pěny
▼U každého zdiva, ve kterém mají být vedeny potrubní rozvody a sekány drážky, je nutné počítat se změnou tloušťky zdiva a tudíž ke snížení únosnosti, se kterou projektant musí počítat. 87
Betonové a železobetonové výrobky Patří sem překlady nad dveře, okna a vrata garáží, podlahové desky, stěny sklepů. Z betonu se provádějí základy nosné stěny budovy. Vyzděná podlaží se zpevňují betonovým věncem. Podle potřeby se beton vyztužuje ocelovými pruty nebo pletivem (rohože, také kari sítě). Otázky ke zkoušení: 1) Vyjmenuj, alespoň 8 druhů stavebního materiálu. 2) Napiš, jakou schopnost má pojivo. Co je to vzdušné a hydraulické pojivo. 3) Vysvětli, pojem „pálené vápno“ a „hašené vápno“. 4) Co je nevýhodou sádry. Napiš 2 základní skupiny, do kterých sádru dělíme. 5) Napiš, jakou přibližnou hodnotu hustoty má písek. 6) Jakým způsobem se těží štěrk. 7) Napiš, základní 3 druhy malty. 8) Napiš, co je beton? Napiš, 4 druhy betonu. 9) Napiš, na jaké použití jsou určené cihlářské výrobky. 10) Stručně popiš, způsob výroby pálené cihly.
Těsnící a izolační materiály S těsnícími a izolačními materiály se instalatéři setkávají při potrubních rozvodech ve vodoinstalacích, vytápění, plynárenství, klimatizaci. Těsnící materiály http://www.tesneninyvlt.cz/produkty ; http://www.saint-gobain-pam.cz
88
mají za úkol utěsnit spoj mezi díly nějakého celku nebo konstrukce (utěsňuje se např. potrubí, tvarovky, armatury, čerpadla, výměníky tepla atd.). Použití konkrétního druhu, tvaru a velikosti těsnícího materiálu závisí na: použitý druh a průměr potrubí, teplota a tlak dopravovaného média. Těsnění se vyrábí v těchto tvarových podobách: těsnící šňůry, vytvrzující tmely a kapaliny, těsnící kroužky, podložky a manžety. Balení těsnících materiálů: v tubách, sprejích, kartuších, plastových lahví, plechovkách, konkrétních sadách podle určení. Těsnící materiály se rozlišují podle pevnosti a teploty (teplotní odolnost +150°C), kterou musí trvale vydržet. Pevnost těsnění
Nízká
Střední
Vysoká
Moment odtržení do 6 Nm 6 - 20 Nm nad 21 Nm
Základní druhy spojů: hrdlové, přírubové, závitové, pájené, svařované 1. Těsnění hrdlových spojů Hrdlem se spojují trubky plastové (rozebíratelným a nerozebíratelným způsobem), litinové a kameninové (rozebíratelným způsobem). Trubky z plastu Nerozebíratelný spoj je lepený. Materiál těsnění je lepidlo. U potrubí z PVC-C je to lepidlo s názvem L20, Superfix, Instalfix atd. Konec lepené trubky musí být čistý, odmaštěný, zdrsněný. Lepidlo se nanáší po celém obvodu na oba spojované kusy. Pro ostatní materiály potrubí se vyrábí samostatné lepidlo a vždy se dodržují pokyny a doporučení výrobce. 89
Rozebíratelný spoj se provádí pomocí pryžových břitů (dříve tzv. „O“ kroužků) osazených v hrdle. Břity se natírají speciální pastou, aby se spoj mohl snáze provést a později rozebrat. HT-Systém (PPs)®
KG-Systém (PVC)®
RV-Systém OSMA®
Snadné spojování prvků systému, pomocí násuvných hrdel, těsněných elastomerovým kroužkem. Trubky z šedé litiny Tyto trubky se těsní konopným provazem a hliníkovou střiží. Podle průměru trouby je provazec spletený z 12, 18 nebo 24 pramenů. Postup utěsnění: 1.KROK: do hrdla se do 2/3 upěchuje konopný provazec 2.KROK: utěsnění vrstvou hliníkové střiže spletené do provazu (copu) 3.KROK: povrch spoje se omaže tmelem nebo natře penetračním roztokem. Tato vrstva chrání hliník proti oxidaci a následnému vydrolení.
Jiné druhy spojů: http://www.saint-gobain-pam.cz Trouby z kameniny Tyto trubky se těsní konopným provazem a asfaltovou zálivkou nebo těsnícím tmelem čí jinou speciální hmotou. Postup utěsnění: 1.KROK: do hrdla se do 1/2 upěchuje konopný provazec 2.KROK: utěsnění asfaltem, těsnícím tmelem čí jinou speciální hmotou 3.KROK: povrch spoje se zahladí cementovou kaší
90
2. Těsnění přírubových spojů Mezi příruby se vkládá kruhové těsnění potřebného průměru a tloušťky. Materiál těsnění se používá pryž, klingerit, klingerit potřený emulzí -pastou (Emulze je směs grafitu s olejem, emulzí se potírají obě strany těsnění po celé ploše. V současnosti se nahrazuje emulze těsnící pastou.), silikon.
3. Těsnění závitových spojů Těsnícími materiály jsou konopí, teflonové pasty, teflonové pásky, teflonové nitě, těsnící tmely (odolávají teplotám -55°C až +150°C, tlakům až 5,5 MPa), vytvrzující gely. Před utěsněním konopím se na závit po celém obvodu nanáší penetrační pasta (Fermit, Siseal apod.). Na ostatní těsnící materiály se další materiál nenanáší. Do šroubení a převlečených matic se vkládá kruhové těsnění (s hranami nebo kónické).
4. Těsnění pájených spojů Těsnícím materiálem a současně spojovacím je pájka. Měkké pájení je při teplotě tavení 220°C až 250°C. Používají se cínové pájky v návinech až několik metrů na cívce. Tvrdé pájení je při teplotě tavení 670°C až 900°C. Používají se mosazné pájky v tyčinkách v délce 300-500 mm v balení od 05, až 3 kg.
91
5. Těsnění svařovaných spojů U kovů je těsnícím materiálem a současně spojovacím, samotný natavený svařovaný materiál a přídavný svařovací drát. Svařovaný materiál a přídavný drát mají stejnou kvalitu. U plastů je tomu obdobně jako u kovů. Vlastní těsnící materiál se nepoužívá. (viz. svařování na tupo, polyfuzí a elektrotvarovkou). Izolační materiály Obecně zlepšují vlastnosti stavebních materiálů. Rozlišujeme izolační materiály proti tepelným ztrátám, proti protékání vody a proti šíření hluků a otřesů 1. Tepelně izolační materiály Úkolem tepelných izolantů je zabránit průniku tepla přes stavební konstrukci, potrubí, výměníků, nádrže na teplou vodu atd. Zamezení tzv. tepelného mostu, snížení rosení potrubí – možnost vzniku koroze, plísní a snížení životnosti. Správná tloušťka izolace je dána vyhláškou 151/2001 Sb., malá tloušťka zvyšuje tepelné ztráty, velká tloušťka zvyšuje náklady a stává se nerentabilní investicí. Dobrý tepelný izolant má velký tepelný odpor a malou tepelnou vodivost (součinitel tepelné vodivosti). Viz. také kapitola: Tepelně izolační vlastnosti. 2. Hydroizolační materiály Úkolem hydroizolantů je zabránit průsaku nebo průtoku vody přes základy staveb, sklepních stěn a podlah. K tomu s louží tzv. parozábrany, lepenky, desky, pásy a fólie. Základním materiálem je asfalt a dehet (obchodní názvy – Bitagit, Bitubitagit, IPA atd.). Pozor na kvalitní napojení izolace, protržení nebo zeslabení.
92
3. Zvukově izolační materiály Úkolem zvukových izolantů je zabránit šíření nadměrného hluku, chvění či otřesu od technických zařízení, např. čerpadla v kotli, kompresoru v klimatizačním zařízení, hluku od proudění média v potrubí atd.. Pro zvukovou izolaci potrubí se používají stejné materiály jako pro tepelnou izolaci. V bytech na podlaze se používá korek nebo pod plovoucí podlahu kročejová izolace z konopí, v nahrávacím studiu zase akustický molitan s výstupky, proti zvuku chvění od zařízení tlumící pryžová podložka.
Otázky ke zkoušení: 1) Na čem bude záviset konkrétní použití druhu, tvaru a velikosti těsnícího materiálu? 2) Vyjmenuj základní druhy spojů. 3) Stručně popiš spojování trubek z plastu systémem HT-systém. 4) Stručně popiš spojování trubek z šedé litiny / z kameniny 5) Jaký materiál se používá k těsnění přírubových spojů? 6) Jaký materiál se používá k těsnění závitových spojů? 7) Co je úkolem tepelné izolace? Jaké izolační fyzikální vlastnosti má dobrý tepelný izolant? 8) Co je úkolem hydroizolace? 9) Co je úkolem zvukové izolace? 93
Technické plyny Jedná o plyny používané k technickým účelům.
Vzduch Je to směs plynů, kterými jsou DUSÍK (78%), KYSLÍK (21%) a pouhé (1%) zaujímají ostatní plyny (vodní pára, oxid uhličitý, argon, neon, helium, metan, krypton, xenon), a tuhé částice (prach, pyl, mikroorganismy). Fyzikální vlastnosti vzduchu při 0 °C a 101 325 Pa Vlastnost Symbol Jednotka Hodnota Plynová konstanta r J/kg.K 287,10 Hustota ρ kg/m³ 1,29 Měrná tepelná kapacita (0 °C) c kJ/kg.K 1,01 Teplota tání tt °C -213,40 Teplota varu tv °C -194,50
Lehčí než vzduch jsou: zemní plyn, acetylen, kyslík, dusík, bioplyn a další. Těžší než vzduch jsou: propan - butan, pentan a další. V průmyslu se používá stlačený vzduch na odfoukání nečistot (třísek při obrábění), jako pohon pro pneumatické stroje, pro dýchací přístroje potápěčů a záchranářů.
Zemní plyn (CH4) Je to nejpoužívanější palivo v plynném skupenství. Nevyrábí se, je to přírodní plyn, těží se v místech, kde se nalézá ropa. Dopravuje se potrubím. Zemní plyn je ve své přirozené formě látka bez barvy, tvaru a zápachu. Abychom ho cítili, musí se odorizovat. Je nejedovatý, nedýchatelný a lehčí než vzduch.
94
Patří do skupiny topných plynů, využívá se k vytápění, vaření a ohřevu vody, v elektrárnách, teplárnách, v kogeneračních jednotkách a v dopravě (jako pohon motorových vozidel). Může se vyskytovat ve dvou formách. CNG (Compressed Natural Gas), což je stlačený zemní plyn při tlaku 200 barů a LNG (Liquefied Natural Gas), zkapalněný zemní plyn při teplotě -162 °C. Skládá se převážně z methanu CH4 a vyšších uhlovodíků (etan, propan, butan) s malou příměsí inertních plynů (helium, neon, argon, krypton, xenon, radon). Mez výbušnosti je v rozmezí od 5% až 15%. http://www.zemniplyn.cz
Propan – Butan (C3H8 – C4H10) Používá se ke stejným účelům jako zemní plyn, navíc také k pájení měděného potrubí nebo ke svařování ocelových trubek. Používá se hlavně tam, kde není rozvod potrubí se zemním plynem. Netěží se, musí se vyrábět – destilací ropy (ropa se zahřeje na teplotu 350°C, při které dochází k odpařování. Páry jsou následně vpouštěny do destilační kolony, kde jsou frakcionovány na základě své hmotnosti, propan a butan, benzín a parafínové oleje, nafta, asfalt a mazací oleje). Lahve 2 kg, 10 kg a 33 kg.
Mez výbušnosti je v rozmezí cca 2% až 10%. http://www.tomegas.cz
Acetylen (C2H2) Používá se ke svařování ocelových trubek, skladuje se v tlakových lahvích o hmotnosti 4 kg (lahev 20 l), 8 kg (lahev 40 l), 10 kg (lahev 50 l), nebo ve svazku 16 lahví hmotnosti plynu 144 kg.
95
Kyslík (O2) Používá se ve zdravotnictví při záchraně života, v průmyslu při výrobě, v chemické a farmaceutické výrobě. Ve směsi s acetylenem lze vytvořit acetylenokyslíkový plamen o teplotě až 3150°C používaný ke svařování. Kyslík nesmí přijít do styku s mastnotou – tvoří velmi výbušnou směs. http://www.e-plyn.cz
Dusík (N2) Je nehořlavý, zdraví neškodný, bezbarvý plyn, bez chuti a bez zápachu. Je dodáván jako stlačený v kovových tlakových nádobách. Je lehčí než vzduch. Používá se jako zkušební plyn při zkoušce těsnosti domovního plynovodu nebo kanalizace.
Bioplyn (x..) Vzniká v čistírnách odpadních vod při vyhnívacím procesu bez přístupu kyslíku. Je to hořlavý plyn s obsahem CH4 (55% - 70%), CO2, H2, N2, H2S. Používá se převážně k výrobě elektřiny a tepla vytápění, dále možnost využití jako alternativní palivo v automobilech, a nakonec jako dodávky bioplynu do plynárenské sítě nebo výrobcům tepla. http://www.bioplyn.cz
Vysokopecní plyn (x..) Průměrné složení tohoto plynu je 28% CO, 2,5% H2, 0,5% CH4, 10% CO2, 59% N2. Vzniká při výrobě surového železa ve vysoké peci. Je hořlavý a používá se k předehřívání železné rudy vkládané do vysoké pece.
96
Barevné značení technických plynů Vzduch Kyslík Dusík Vodík Acetylen
Bílá + čerň Bílá Černá Červená Bílý pruh
Otázky ke zkoušení: 1) Vyjmenuj všech 8 druhů nejpoužívanějších technických plynů. 2) Napiš základní vlastnosti zemního plynu. 3) Napiš jaké je barevné označení technických plynů.
Zpracování technických materiálů Odlévání Jedná se o výrobu odlitků spočívající v ohřátí materiálu do tekutého stavu a jeho nalití do formy a následné vychladnutí. Odlévání se používá v případech, kdy není možné vyrobit daný tvar jiným způsobem nebo pokud je odlévání technologicky či ekonomicky výhodnější. 97
Před odléváním musí být nejprve vyroben model a forma. Model – je výrobek tvarově shodný s odlitkem a slouží k výrobě formy. Forma – je tvořena materiálem , který se nachází při výrobě okolo odlitku.
Způsoby odlévání Odstředivé lití – při odlévání se otáčí forma, do které se odlévá Přesné lití – slouží k výrobě odlitků s malým přídavkem materiálu pro další opracování Sklopné lití – spočívá v převrácení tekutého kovu z tavící pece do formy o 180° Lití do skořepinových forem – tento způsob je vhodný pro sériovou a hromadnou výrobu odlitků.
98
Tváření Je způsob výroby předmětů z polotovarů změnou tvaru působením vnější síly, přitom se zachovává soudržnost materiálu. Řadíme sem: kování, válcování, lisování, vytlačování, tažení, ohýbání atd.
Kování K tváření dochází pomocí úderů nebo tlakem. Kováním se původní struktura materiálu zjemňuje a zhušťuje. Kované výrobky pak dobře snášejí dynamické zatížení (např. kliková hřídel.) Kování dělíme na: kování za studena a za tepla, dále se dělí kování na: Ruční kování Provádí se nejčastěji kladivem na kovadlině, je vhodný pro kusovou výrobu nebo při výrobě složitějších tvarů nebo uměleckých výrobků. Strojní kování Využívá se u sériové a hromadné výroby nebo při kování velkých kusů. U kování za tepla, které je častější rozlišujeme počáteční a konečnou kovací teplotu (např. u oceli 11 500 od 1250°C do 750 °C). Podle možnosti roztahování kovů dělíme kování na: Volné kování a Zápustkové kování – tvar zápustky odpovídá tvaru vyráběného předmětu.
99
Kovářské nástroje Kladiva, kleště, sekáče a průbojníky, zápustky.
Kovářské práce Prodlužování – kování do délky nebo vytahování přes hranu kovadliny Sekání – oddělování materiálu pomocí útinky nebo sekáč Děrování – protažen děr různých průřezů průbojníkem Osazování – zeslabení tyče v určité délce Hlazení – přitloukání materiálu na sedlík Ohýbání – změna tvaru polotovaru Pěchování – krátké kusy se pěchují na kovadlině ve svislé poloze, delší kusy ve vodorovné poloze Kovářské svařování – ohřev oceli na 1300°C, působením tlaku na kov v kašovitém stavu se vytvoří kovová vazba, vznikne jeden celek (nejstarší způsob svařování)
100
Válcování Je protahování kovu mezi otáčejícími se válci. Při válcování se materiál současně prodlužuje a stlačuje. Válcování probíhá ve dvou fázích. Nejprve vznikne polotovar a pak hotový výrobek. Polotovar se nazývá předvalek, konečný výrobek vývalek. Válcování za studena – vhodné pro výrobu profilů s čistým a přesným rozměrem. Materiál se zpevňuje a současně snižuje houževnatost. Válcování za tepla – od 950 °c do 1100 °C, materiál prochází mezi několika otáčejícími válci, dochází při tom k tvarování do požadovaného geometrického tvaru. Struktura materiálu se zhustí a zjemní. Rozlišuje se dále válcování podélné a příčné. Válcováním se vyrábějí např. ocelové bezešvé trubky, dále úhelníky, kulatina, čtyřhranné či šestihranné tyče apod. Jde o tzv. válcovanou ocel.
Lisování Jeden ze způsobů vytvoření nerozebíratelného spoje. Lisují se různé materiály (ocel, měď, plast). K lisování se používá speciální 101
nářadí (lisovací kleště. Lisovaný spoj vydrží tlak až několik desítek barů.
Vytlačování Jde o tváření kovů, kdy kovový materiál prochází otvorem, ve kterém mění svůj tvar nebo velikost. Vyrábějí se takto tyče, trubky a tvarové profily kovů a slitin. Vytlačuje se za studena nebo za tepla. Dopředné vytlačování – ohřátý materiál se vkládá do zásobníku a vytlačuje se otvorem.
Zpětné vytlačování – materiál se vkládá do pouzdra a vytlačuje se pohybem lisovací tyče do dutiny mezi pouzdrem a lisovací tyčí. 102
Tažení Jde o protahování polotovarů ve studeném stavu přes otvor – průvlak. Otvor v průvlaku je velmi přesný a musí geometricky odpovídat požadovanému tvaru vyráběného profilu (např. drátu).
Obrábění Při tomto způsobu opracování materiálu vznikají třísky. Proto také třískové obrábění. Při obrábění vniká nástroj do obráběného materiálu. Nástroj musí mít větší pevnost než obráběný materiál, musí mít velkou odolnost proti opotřebení, změnám teploty a musí být houževnatý. Pracovní část nástroje je břit s úhlem 75°až 90°. Naopak obrobek je předmět, který je obráběný 103
Nejčastější způsoby obrábění jsou: Soustružení, frézování, vrtání, vyvrtávání, vystružování, řezání, broušení, sekání, hoblování, obrážení. Při všech obráběčských pracích musí být obrobek i nástroj řádně pevně upnuty.
104
Otázky ke zkoušení: 1) Stručně popiš zpracování technických materiálů odléváním. 2) Vyjmenuj alespoň 5 způsobů tváření. 3) Vyjmenuj alespoň 5 druhů kovářských prací. 4) Stručně popiš zpracování technických materiálů lisováním. 5) Vyjmenuj alespoň 5 způsobů obrábění.
Tepelné zpracování kovů Podstata a základy metalografie Kovy a slitiny mají krystalickou strukturu (na obr. Je slitina železa a uhlíku). ) Velikost krystalů má vliv na vlastnosti materiálů: Malé krystaly znamenají – větší pevnost, houževnatost Velké krystaly znamenají – větší tvrdost a také křehkost Podstatou tepelného zpracování kovů je krystalická struktura, která se dá ovlivnit ohřátím materiálu na vhodnou teplotu a následným různě rychlým ochlazením. Takto se změní např. mechanické vlastnosti – pružnost, pevnost, tvrdost, tvárnost a houževnatost nebo technologické vlastnosti – tvárnost, svařitelnost, slévatelnost a obrobitelnost. Různé krystalické stavy téhož kovu se nazývají modifikace. U oceli nám jednotlivé modifikace popisuje rovnovážný diagram soustavy železo – karbid železa.
105
106
rovnovážný diagram soustavy železo – karbid železa
Žíhání Je pomalý ohřev na teplotu žíhání, udržení této teploty po určitou dobu a pomalé ochlazení.
Pásma pro žíhání uhlíkových ocelí
Žíhání na měkko Několikahodinový ohřev při teplotě těsně pod 723°C a pomalé chladnutí v peci. Účelem je zmenšit pevnost a tvrdost, zlepší se schopnost tváření za studena, zlepší se obrobitelnost. Žíhání ke snížení vnitřního pnutí Pomalý ohřev na teplotu 500°C až 650°C, tak aby se žíhaná součást rovnoměrně prohřála, a pomalé ochlazení na vzduchu. Účelem je snížení nebo odstranění vnitřního pnutí vzniklé např. při tváření za studena, svařováním, nerovnoměrným ohřevem nebo ochlazováním, odebíráním velké třísky při obrábění.
107
Normalizační žíhání Ohřev na teplotu asi o 50°C nad křivku A3 (750°C – 950°C), výdrž na této teplotě cca 1 až 4 hodiny a následné ochlazení na vzduchu. Účelem je dosáhnutí překrystalizace a tím vytvoření stejnoměrné jemnozrnné struktury (po tváření a odlévání).
Kalení Je pomalý a stejnoměrný ohřev oceli na kalící teplotu a následné rychlé ochlazení. Ocel získává lepší mechanické a fyzikální vlastnosti, dosahuje se vyšší tvrdost, zvětšuje se pevnost v tahu, ale klesá tažnost a houževnatost – roste křehkost.
Ohřev materiálu – provádí se v lázních, v pecích a ve výhních. Ohřev musí být pomalý, aby nedošlo k velkému vnitřnímu pnutí.
108
Ochlazení materiálu – provádí se nad hranicí kritické rychlosti (asi 100 – 250 °C/s). Ochlazování se provádí do vody, do oleje, na vzduchu (u samokalitelné oceli).
Povrchové kalení Podstatou je intenzivní ohřev součásti pouze na povrchu, tak aby se požadovaná tvrdost docílila na jejím povrchu a jádro součásti zůstalo měkké tedy houževnaté (např. hřídelové čepy). Povrchový ohřev materiálu – provádí se kyslíko acetylenovým plamenem nebo vysokofrekvenčním el. proudem.
Popouštění Provádí se ihned po kalení při teplotách mezi 200 – 300 °C, kdy se tvrdý martenzit (přesycený tuhý roztok uhlíku v železe) mění na měkký a tvrdý bahnit (jehlicovitá mikrostruktura uhlíkové oceli). Popouštění zmírňuje křehkost a vnitřní pnutí zakalených součástí. Zvyšuje houževnatost na úkor tvrdosti. Popouštět lze: Vnějším teplem – předmět se při kalení zcela ochladí a znovu se musí ohřát na popouštěcí teplotu, následně se materiál ochladí ve vodě. Vnitřním teplem – kalený předmět se nenechá zcela vychladnout a po vyjmutí z ochlazovací lázně se vyčká až teplo uvnitř předmětu ohřeje povrch na popouštěcí teplotu a sledně se ochladí ve vodě. Popouští se co nejdříve po zakalení, kdy je nebezpečí praskání materiálu největší. K popouštění se mimo jiného používají olejové lázně (do 250°C), kovové lázně (slitina olova a cínu), nebo solné lázně (od 250°C a výše). 109
Otázky ke zkoušení: 1) Co je podstatou tepelného zpracování kovů? 2) Vysvětli pojem žíhání. 3) Vyjmenuj druhy žíhání. 4) Vysvětli pojem kalení. 5) Vysvětli pojem popouštění.
Chemicko-tepelné zpracování Tímto názvem se označují způsoby difusního sycení povrchu ocelí různými prvky (kovy i nekovy). S cílem dosáhnout rozdílných mechanických nebo chemických vlastností povrchu a jádra součásti. Na rozdíl od povrchového kalení, při němž se rozdíly povrchu a jádra získají změnou struktury povrchové vrstvy teplotního průřezu součásti, je základem chemicko-tepelného zpracování změna chemického složení povrchové vrstvy. Požadovaných vlastností se buď dosahuje přímo tzn. jen obohacením povrchové vrstvy přísadovým prvkem za zvýšených teplot a pomalým ochlazováním (např. nitridováním), nebo následujícím tepelným zpracováním, kterým bývá obvykle kalení a popouštění při nízkých teplotách. Cílem chemicko tepelného zpracování bývá často zvýšení tvrdosti a odolnosti proti opotřebení povrchové části materiálu při zachování houževnatého jádra. Podle druhu sycení se následně provádí nebo neprovádí následné tepelné zpracování jakým je již výše zmíněné kalení a popouštění. K ohřevu se používají solné lázně (až 1350°C) 110
SYCENÍ POVRCHU NEKOVY CEMENTACE:
povrch oceli je sycen uhlíkem (C) a proces se provádí za účelem zvýšení tvrdosti povrchu součásti při zachování houževnatého jádra. Pro oceli s obsahem uhlíku do 0,25%.
NITRIDACE:
Povrch oceli je sycen dusíkem (N) a provádí se ke zvýšení Rm na povrchu součásti.
KARBONITRIDACE:
Karbonitridací se rozumí obohacení povrchové vrstvy železných materiálů dusíkem (N) a v malých množstvích uhlíkem (C). Toto chemicko-tepelné zpracování slouží ke zlepšení odolnosti proti opotřebení a trvalé pevnosti. V případě použití silné oxidační ochlazovací lázně dostanou navíc součástky efektní černý vzhled a odolnost proti korozi.
NITROCEMENTACE:
Povrch oceli je sycen dusíkem (N) a uhlíkem (C) a proces se provádí za účelem zvýšení tvrdosti povrchu součásti při zachování houževnatého jádra. Pro oceli s obsahem uhlíku 0,3- 0,4 %.
SULFONITRIDACE:
Je to difúzní sycení povrchů kovových materiálů sírou (S), dusíkem (N) a uhlíkem (C) v plynném prostředí. Součástky takto chemicko-tepelně upravené mají velmi tvrdou povrchovou vrstvu s vynikajícími kluznými vlastnostmi.
111
SULFINIZACE:
Je to stejně jako sulfonitridace difuzní sycení kovových povrchů sírou ovšem v solných lázních.
BORIDOVÁNÍ:
Povrch součásti je sycen bórem (B). Tímto postupem se rozumí nadifundování bóru do povrchu kovového obrobku. U železných materiálů se podle způsobu účinku boridovacího prostředku vytvářejí jednofázové nebo dvoufázové vrstvy. Význačnou vlastností této železoboridové vrstvy je vysoká tvrdost.
SYCENÍ POVRCHU KOVY CHROMOVÁNÍ:
Povrch součásti je sycen chrómem (Cr) za účelem zvýšení tvrdosti a estetičnosti.
ZINKOVÁNÍ:
Povrch součásti je sycen zinkem (Zn) za účelem zvýšení korozivzdornosti a estetičnosti.
NIKLOVÁNÍ:
Při tomto procesu je povrch součásti sycen niklem (Ni) elektrochemicky po předcházejícím nasycením povrchu mědí. nikluje se za účelem zvýšení korozivzdornosti.
ALITOVÁNÍ:
Tento proces je nasycování povrchů kovů hliníkem (Al). Hliník difunduje do povrchu ocelové součásti za vysokých teplot a materiál je tak odolnější proti korozi. Podstatou je difúze hliníku do povrchu základního ocelového materiálu při 112
teplotě zpravidla 800–1100 °C v prášku feroaluminia s přídavkem chloridu amonného. ALUMETOVÁNÍ:
Alumetování je úprava povrchu ocelových součástí hliníkem. Provádí se metalizací hliníku o tloušťce až 0,5 mm na hrubě otryskaný povrch, nátěrem vodního skla na vrstvu hliníku a ohřevem v peci na 650 ° C po dobu 2 h a pak při 900–1000 °C několik hodin. Hliník difunduje do povrchu a kromě toho vytvoří na povrchu tenký film Al2O3, který zabraňuje pronikání kyslíku do předmětu a jeho okujení. Součásti takto upravené lze používat do teplot 800–1000 °C.
INCHROMOVÁNÍ:
Je nasycování povrchu oceli chrómem. Výrobky se žíhají v práškovém ferochrómu při teplotě asi 1000 °C. Chróm vniká do povrchu ocelovýh výrobků asi do hloubky 0,1 mm. Inchromované výrobky jsou odolné proti účinkům slané vody.
ŠERARDOVÁNÍ:
Název této metody je podle firmy C. C. Sherard a spol., jde o nasycování povrchu drobných ocelových součástek zinkem při teplotě 380 až 450 °C. Součásti vložené do elektricky vytápěného bubnu, který se otáčí, jsou obklopeny práškovým zinkem. Zinek vniká do součástí (šrouby, matice, podložky atd.) a vytváří na jejich povrchu vrstvu, která je chrání před škodlivými atmosférickými vlivy.
Otázky ke zkoušení: 1) Vlastními slovy popiš pojem Chemicko-tepelné zpracování? 2) Vyjmenuj druhy sycení povrchu nekovy. 113
3) Vyjmenuj druhy sycení povrchu kovy.
114
