Redakcja „Gazety Narzędziowej” i portalnarzedzi.pl rozpoczyna publikację kilkunastu artykułów z zakresu ślusarstwa, czyli ręcznej obróbki skrawaniem metali i materiałów technicznych. Po kilku tematach wprowadzających zostaną omówione podstawowe operacje ślusarskie. Przedstawimy dobór narzędzi oraz maszyn i urządzeń pomocniczych, a także technikę pracy tymi narzędziami.

Pierwszy wykład Akademii Ślusarstwa poświęcamy właściwościom metali i stopów technicznych. Jak, wiadomo, występujące w przyrodzie pierwiastki można podzielić na metale i niemetale. Metale w czystej postaci są rzadko używane do wykonywania przedmiotów użytkowych. Stopy metali, czyli mieszanina dwu lub więcej składników, mają lepsze właściwości mechaniczne i technologiczne w porównaniu do czystych metali. Podczas doboru materiału na wyroby techniczne

i użytkowe należy uwzględnić kilka czynników, tak aby zostały spełnione względem nich wymagania eksploatacyjne. Nie bez znaczenia są też aspekty ekonomiczne, czyli koszt surowca oraz potrzebnej energii do jego przetworzenia, a także koszt późniejszej eksploatacji. W czasie projektowania układów, w których występują co najmniej dwa rodzaje metali, należy pamiętać m.in. o tym, aby współpracujące materiały miały podobny współczynnik rozszerzalności cieplnej, zwłaszcza jeżeli pracują w podwyższonej temperaturze.

W procesie eksploatacji wszystkie wyroby metalowe, a zwłaszcza elementy maszyn i urządzeń, podlegają niszczącemu działaniu środowiska, np. zmiennością temperatury, wilgotności i zapylenia. Ponadto elementy te narażone są na zmieniające się obciążenia mechaniczne i zużycie powierzchniowe.

Mając powyższe na uwadze, materiały stosowane do wykonania elementów maszyn i urządzeń muszą mieć odpowiednie cechy. Do podstawowych zalicza się właściwości mechaniczne, technologiczne, eksploatacyjne i fizykochemiczne. Przez właściwości mechaniczne metali i stopów należy rozumieć takie cechy, które określają odporność na działanie różnego rodzaju obciążeń zewnętrznych. Do najważniejszych z punktu widzenia konstruktora, wykonawcy i użytkownika zalicza się wytrzymałość mechaniczną i zmęczeniową, twardość, sprężystość, ścieralność oraz udarność, czyli odporność na uderzenia.

Wytrzymałość mechaniczna jest właściwością decydującą o praktycznym zastosowaniu materiału i określa się ją jako odporność materiału na działanie sił odkształcających aż do momentu jego zniszczenia. W zależności od rodzaju sił wyróżniamy wytrzymałość na rozciąganie, ściskanie, zginanie, skręcanie, ścinanie i wyboczenie. Często spotyka się także wytrzymałość na złożony układ sił, np. jednoczesne skręcanie i zginanie. Wytrzymałość materiału można obliczyć jako stosunek największej wartości obciążenia (w momencie zniszczenia próbki) do pola powierzchni jej przekroju poprzecznego. Twardością materiału nazywamy jego odporność na trwałe odkształcenie spowodowane wciskaniem weń innego materiału z pewną siłą przez jakiś czas. Istnieje wiele metod laboratoryjnych i warsztatowych badania twardości materiałów. Sprężystość jest to taka cecha materiału, która polega na powrocie do pierwotnego kształtu i wymiaru materiału po ustąpieniu działania sił, które spowodowały tę zmianę. W wyniku długotrwałego działania siły o zmiennej wartości i kierunku następuje zniszczenie materiału na skutek tzw. zmęczenia. Im dłuższy jest czas działania sił na element maszyny w stosunku do momentu jego zniszczenia, tym materiał jest bardziej wytrzymały zmęczeniowo. Ścieralnością nazywamy podatność na powstawanie powierzchniowych ubytków w wyniku kontaktu z innymi materiałami przemieszczającymi się względem siebie. Zjawisko ścieralności występuje tym intensywniej, im większa jest różnica w twardości współpracujących materiałów, ich powierzchnie mniej gładkie (bardziej chropowate), występują pomiędzy nimi luźne cząstki lub inne zanieczyszczenia. Udarność jest to odporność materiału na siły dynamiczne, czyli na silne uderzenia. Odpornością udarnościową powinny cechować się te części maszyn i urządzeń, które narażone są na uderzenia lub nagłe obciążenia. Udarność danego materiału jest zmienna i zależy od temperatury.

Właściwości technologiczne metali i stopów określają przydatność tych materiałów do określonej technologii wytwarzania. Do najważniejszych właściwości technologicznych materiałów konstrukcyjnych należy zaliczyć skrawalność, plastyczność i spawalność. Dobrą skrawalnością odznaczają się materiały, które posiadają niskie opory skrawania, dają ciągliwy wiór, a po obróbce ich powierzchnia jest gładka. Zależy to głównie od składu chemicznego materiału oraz od jego wewnętrznej budowy. Plastycznością nazywamy podatność materiału na trwałe zmiany jego kształtu spowodowane działaniem sił zewnętrznych bez naruszenia jego spójności. Główne rodzaje obróbki

plastycznej metalu to kucie, tłoczenie, walcowanie. Bardzo istotna jest także podatność materiału na zginanie. Plastyczność materiału zależy od jego budowy wewnętrznej, twardości i temperatury. Jak wiadomo, w wyższej temperaturze metale są bardziej podatne na trwałe odkształcenia plastyczne. Pojęcie spawalności trudno jest zdefiniować, mimo że jest ona jedną z najważniejszych właściwości metali i ich stopów. Ogólnie można ją określić jako podatność do tworzenia złącz spawalniczych o jakości spełniającej wymogi konstrukcyjne i technologiczne.

Właściwości eksploatacyjne określają sposób i efekty użytkowania maszyn, narzędzi i urządzeń w niekorzystnych warunkach środowiska. Elementy maszyn i urządzeń narażone są przede wszystkim na działanie czynników powodujących korozję oraz na zmiany temperatur. Odporność na działanie wysokich temperatur określa się jako żaroodporność i żarowytrzymałość. Im bardziej elementy maszyn są odporne na działanie korozji oraz wysokich temperatur, tym ich właściwości eksploatacyjne są korzystniejsze.

Właściwości fizykochemiczne dla praktyka warsztatowca są mniej istotne w porównaniu do wyżej wymienionych. Główne właściwości fizyczne to masa właściwa, rozszerzalność cieplna, temperatura topnienia, przewodność cieplna i elektryczna. Rozszerzalność cieplna ma duże znaczenie i musi być uwzględniana w takich konstrukcjach jak mosty, szyny, silniki cieplne. Właściwości chemiczne to przede wszystkim odporność na korozję, działanie czynników chemicznych i działanie temperatury. Stopy techniczne zawierające duże ilości niklu i chromu odznaczają się dużą odpornością na korozję i są to stale nierdzewne, kwasoodporne i żaroodporne.

Literatura pomocnicza

Figurski J., Popis S., Wykonywanie elementów maszyn, urządzeń i narzędzi, WSiP, Warszawa 2015. Górecki A., Technologia ogólna. Podstawy technologii mechanicznych, WSiP, Warszawa 1884. Mac S., Obróbka metali z materiałoznawstwem, WSiP, Warszawa 1999.

Autor: dr Jan Krzos