wojskowa akademia techniczna · rodzaj studiów: inżynierskie ... komputerowe modelowanie...
TRANSCRIPT
Techniki wytwarzania
Rodzaj studiów: inżynierskie
Kierunek: mechanika i budowa maszyn
Specjalność: wszystkie specjalności
WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA Wydział Nowych Technologii i Chemii
KATEDRA ZAAWANSOWANYCH MATERIAŁÓW I TECHNOLOGII
Opracował: dr inż. Radosław Łyszkowski
TECHNIKI WYTWARZANIA - zagadnienia
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 2
1. Wprowadzenie - ogólna charakterystyka technik wytwarzania i przetwarzania
materiałów konstrukcyjnych.
2. Metalurgia - procesy metalurgiczne i rafinacyjne; urządzenia stosowane w
metalurgii; metalurgia stali i metali nieżelaznych.
3. Odlewnictwo – powstawanie odlewów w formie; metody wytwarzania odlewów;
wykonywanie odlewów w formach jednorazowych, trwałych; wady odlewów.
4. Obróbka plastyczna – na zimno i gorąco; procesy obróbki plastycznej;
urządzenia do obróbki plastycznej; wady wyrobów kształtowanych plastycznie
5.
Spajalnictwo – budowa i właściwości złącza spawanego; charakterystyka metod
spawania; projektowanie połączeń spawanych; wady i metody kontroli jakości
złączy spawanych; zgrzewanie i lutowanie.
6.
Wytwarzanie warstw powierzchniowych – budowa i właściwości warstw
powierzchniowych (WP), techniki wytwarzania warstw wierzchnich, techniki
wytwarzania powłok, badanie jakości warstw powierzchniowych.
7. Metalurgia proszków – wytwarzanie i właściwości proszków metali; formowanie;
spiekanie; obróbka spieków; struktura i właściwości spieków.
8.
Metody wytwarzania i projektowanie – cechy i procedura wyboru metody
wytwarzania; koszty metod wytwarzania; dopasowanie materiałów;
proekologiczne projektowanie i wytwarzanie wyrobów.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 3
TECHNIKI WYTWARZANIA - zagadnienia
TEMATY ĆWICZEŃ AUDYTORYJNYCH
1. Dobór techniki wytwarzania w projektowaniu inżynierskim
2. Komputerowe modelowanie procesów obróbki plastycznej
3. Projektowanie właściwości spieków metalicznych
TEMATY ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH
1. Projektowanie i wykonanie formy piaskowej
2. Spawanie gazowe, łukowe i plazmowe
3. Metody lutowania i zgrzewania
4. Procesy obróbki plastycznej
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 4
Efekty kształcenia
4
Posiada wiedzę w zakresie podstawowych technologii wytwarzania, przetwarzania i
łączenia oraz modyfikacji warstwy wierzchniej materiałów konstrukcyjnych w formie
litej, proszków i powłok ochronnych stosowanych w technologii i budowie maszyn.
Zna zjawiska fizyczne i prawa wykorzystywane w procesach metalurgiczno-
odlewniczych i obróbki plastycznej stopów żelaza i metali nieżelaznych.
Potrafi dokonać oceny podstawowych właściwości użytkowych i funkcjonalnych
materiałów konstrukcyjnych po ich wytworzeniu.
Potrafi ocenić przyczynę oraz stopień zużycia materiału dla zastosowań w budowie
maszyn oraz zaproponować rozwiązania materiałowo-technologiczne do
regeneracji zużytych elementów.
Ma przygotowanie niezbędne do pracy w przedsiębiorstwach zajmujących się
wytwarzaniem elementów i części maszyn.
Potrafi ocenić rozwiązania technologiczne do wytwarzania lub przetwarzania
materiałów konstrukcyjnych stosowanych na elementy maszyn i urządzeń.
Ma świadomość poziomu swej wiedzy i umiejętności oraz potrafi określić kierunki
dalszego uczenia się i efektywnie realizować proces samokształcenia.
Potrafi pracować w zespole i ma świadomość odpowiedzialności za wspólnie
realizowane zadania.
WARUNKI ZALICZENIA PRZEDMIOTU
KOLOKWIUM
Przedmiot kończy się egzaminem.
Pozytywne zaliczenie:
kolokwium (na ocenę minimum 3 )
ćwiczeń audytoryjnych i laboratoryjnych
(w terminie przed datą wyznaczonego egzaminu)
POWODUJE ZWOLNIENIE Z EGZAMINU ! ! !
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 5
dr inż. Radosław Łyszkowski
L I T E R A T U R A
M. Szwaycer, D. Nagolska „Metalurgia i odlewnictwo”, Wyd. Pol.
Poznańskiej, Poznań, 2002
M. Cholewa i in. „Podstawy procesów metalurgicznych”, Wyd. Politechniki
Śląskiej, Gliwice 2004
S. Koerbel i in. „Obróbka plastyczna na zimno”, Wyd. PWN, Warszawa 1975
M. Morawiec i in. „Przeróbka plastyczna – podstawy teoretyczne”, Wyd.
Śląsk, Katowice, 1986
J. Nowicki, „Spiekane metale i kompozyty z osnową metaliczną”, WNT,
Warszawa 2005
J. Sobieszczański, „Spajanie”, Wyd. Politechniki Warszawskiej, W-wa 2004
K. Ferenc i in. „Spawalnictwo”, Wyd. Politechniki Warszawskiej, W-wa1999
I. Gruin, „Materiały polimerowe”, PWN, W-wa 2003
A.R. Olszyna, „Ceramika supertwarda”, Wyd. Politechniki Warszawskiej,
W-wa 1999
T. Burakowski, T. Wierzchoń, „Inżynieria powierzchni metali”, WNT,
W-wa 1995 Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 6
Techniki wytwarzania
Sztuka inżynierska
Rozwój materiałów i technologii
Technologia produkcji
WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA Wydział Nowych Technologii i Chemii
KATEDRA ZAAWANSOWANYCH MATERIAŁÓW I TECHNOLOGII
Opracował: dr inż. Radosław Łyszkowski
W 1:
materiał
SZTUKA INŻYNIERSKA
s’ingenier
przemyśliwać, łamać głowę,
wytężać, wysilać się
nauka
procesy wytwarzania projektowanie
- kształt
- właściwości
umiejętność
budowanie umocnień, twierdz, innych elementów systemów obrony
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 8
ASPEKTY
cywilna
lądowa –
wodna –
morska –
sanitarna –
leśna –
komunikacyjna
mechaniczna
biomedyczna
społeczna
wojskowa
chemiczna
genetyczna
elektryczna
kosmiczna
jonowa
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 9
Inżynieria Materiałowa (material engineering)
początek lat 70-tych
Dyscyplina naukowa zajmująca się:
• badaniem struktury materiałów
• ulepszaniem i otrzymywaniem nowych tworzyw
(również kompozytów) o z góry założonych,
powtarzalnych właściwościach – w aspekcie
właściwości objętościowych materiałów bez
uszlachetniania lub zmiany właściwości
NAUKI WSPÓŁTWORZĄCE
Techniki wytwarzania – ściśle związane z Inżynierią materiałową, której wytwór
(materiał) stanowi przedmiot działań TW i przetwórstwa materiałów, zmieniając
ich właściwości użytkowe wykorzystywane w budowie i eksploatacji maszyn
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 10
- odporności na utlenianie i inne rodzaje korozji (w wysokiej temperaturze i w
środowiskach o różnej agresywności)
- odporności na zużycie (ślizgowe, ścierne i erozyjne)
- wzrostu wytrzymałości statycznej i dynamicznej (zmęczeniowej)
- walorów dekoracyjnych
- nadanie materiałom specjalnych właściwości fizyko-chemicznych
- ułatwienie wykonywania następnych operacji procesu technologicznego
Stymulują rozwój technologii ze względu na związek z rozwojem materiałów
konstrukcyjnych. Ich rozwojowi towarzyszy dążenie do zapewnienia
najlepszych właściwości materiałów konstrukcyjnych:
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 11
TECHNIKI WYTWARZANIA
Realizacja tych dążeń odbywa się na drodze wykorzystania:
1. różnych zjawisk fizycznych, chemicznych, cieplnych
2. różnych materiałów i ich kompozycji
3. różnych technologii i ich ustawicznego rozwoju
MATERIA [łac.], fiz. - ... to wszystkie obiekty ważkie, tj. wytwarzające pole
grawitacyjne i podlegające działaniu tego pola. Ważkość jest cechą
charakterystyczną materii, jej miarą masa lub energia, a cząstki elementarne są
podstawowym elementem strukturalnym materii.
KOSMICZNA MATERIA
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 12
Hel
24%
Wodór
75% Inne
1%
Materia Wszechświata Materia skorupy Ziemskiej
O2 Si
Al Fe
Mg
Ca
K
Na
Cu
Pb
Zn
Ag
Au
pozostałe
Wszechświat – powstał 15 mld lat temu – burzliwa, niestacjonarna struktura,
w której wśród milionów galaktyk wykształciły się:
– nasza rodzinna Droga Mleczna
– następnie Układ Słoneczny
– i blisko 5 miliardów lat temu nasza Ziemia
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 13
-20 -15 -10 -5 0
WI
EL
KI
W
YB
UC
H
2.5 h - pierwsze atomy
~ 1 mln - pierwsze galaktyki, gwiazdy i planety
mld lat
początek zestalania Ziemi
3850 mln 1700 mln procesy rudotwórcze
480 mln złoża węgla, ropy, gazu
~ 4 mln - pojawienie się człowieka
POWSTAWANIE MATERII
20 - 8 tys. - człowiek opanowuje technikę obróbki materiałów naturalnych,
a następnie kamienia i metali
MATERIAŁY A ROZWUJ CZŁOWIEKA
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 14
Materiały na
narzędzia pracy
Fazy rozwojowe możliwości
twórczych człowieka
Epoka materiałów
zaawansowanych
Faza odkryć
naukowych
Epoka kamienia Faza
umiejętności naturalnych
Epoka brązu
Epoka żelaza
Faza sztuki
rzemieślniczej koniec XVIII w
Faza
wynalazków inżynierskich połowa XIX w
Epoka stali
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 15
Społeczeństwa pastersko-myśliwskie sprzed epoki brązu
FAZA UMIEJĘTNOŚCI NATURALNYCH
• każdy wykorzystuje swoje umiejętności (podobne
u wszystkich, brak specjalizacji – wytwórczość tylko
na swoje potrzeby)
• używane są łatwo dostępne surowce naturalne (jako materiały bez dodatkowej przeróbki)
KAMIEŃ - KRZEMIEŃ, OBSYDIAN – siekiery, noże, groty włóczni
KOŚCI – noże, groty strzał, narzędzia łowieckie, ozdoby, grzebienie
SKÓRA – ubrania, rzemienie, sakwy
DREWNO – drzewce broni i narzędzi
GLINA – ceramika
CERAMIKA W PREHISTORII
26 tys. lat p.n.e.
glina + less żar ogniska
Ceramika porowata
Pierwsze tworzywo, które człowiek całkowicie przekształcił wskutek obróbki
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 16
12 tys. lat p.n.e. - Japonia - początki ceramiki użytkowej
7 tys. lat p.n.e. - Bliski Wschód - upowszechnienie
wypalanych naczyń glinianych
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT
CERAMIKA OBECNIE
67%
17%
16%
3,5%
funkcjonalna
(elektronika)
ceramika
gospodarcza
8,5%
4%
ceramika techniczna
ceramika
ogniotrwała
izolatory
konstrukcyjna
17
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 18
PIERWSZE METALE W HISTORII CZŁOWIEKA
~ 6.000 lat p.n.e. złoto miedź
~ 4.000 lat p.n.e. Redukcja rudy miedzi (prawdopodobnie
jako produkt uboczny wypalania ceramiki)
KUCIE
przeróbka plastyczna
ODLEWANIE
REDUKCJA RUD METALI
za pomocą węgla drzewnego i możliwość wytwarzania przedmiotów metalowych
poprzez
3.000 lat p.n.e.
Egipt
złoto srebro miedź
cyna ołów antymon rtęć
Jeden z najważniejszych tajników
w technologii metali
PRZETWARZANIE MIEDZI
Pierwszy piec do przetapiania metali
(Egipt ok. 2700 p.n.e.) Malachit z Zairu
Materiał plastyczny
ale dość miękki
i łatwo ścieralny!!
Ttopn.< 1100 C
Za początek rozwoju metalurgii – hutnictwa uznaje się ok. 2800 p.n.e.
uzyskanie w Egipcie miedzi wypalanej w ognisku
Prażenie i wypalanie malachitu w
obecności węgla drzewnego (4.000 p.n.e.)
glina
ruda
węgiel drzewny
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 19
KUNSZT DAWNEGO KOWALSTWA
Złoty hełm Meskalamduga -
władcy Ur
(trzecie tysiąclecie p.n.e.) Stożek kultowy ze złotej blachy
(obecne Niemcy, 3200 p.n.e.)
Figurka formowana w miedzi
(Mezopotamia, 5000 p.n.e.)
Na plastycznym złocie i miedzi rozwinął się kunszt starożytnego kowalstwa oraz zdolność
praktycznego wykorzystywania właściwości, poprzez powtórne użycie metalowych wyrobów
po zmianie kształtu i przeznaczenia.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 20
BRĄZ – tworzywo rozwijającej się cywilizacji
Epoka brązu: 2500 p.n.e.
Kucie swobodne na zimno Cu, Ag, Au, Fe (meteorytowe)
Platerowanie złotem drewna, statuetka Ozyrysa z grobowca Tutenchamona
Kucie matrycowe (wyrób monet) – Sparta
~ 3 500 lat p.n.e. BRĄZ CYNOWY
(5-20%)Sn
Cu
Łączenie miedzi z innymi pierwiastkami (tworzenie stopów) - zmienia korzystnie właściwości
materiału - bardziej wytrzymały, twardszy i odporniejszy na ścieranie - bardziej przydatny.
Wtedy wystąpił z obozu filistyńskiego pewien harcownik
imieniem Goliat, na głowie miał przyłbicę z brązu, ubrany
zaś był w łuskowy pancerz z brązu ..... miał nagolenice z
brązu i brązowy oszczep w ręce … 1 księga Samuela 17;4-7
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 21
glina wypalona
ceramika porowata
ceramika
twarda
szkło emalia
papier
brąz
arsenowy
brąz
cynowy
miedź
dalszy rozwój rolnictwa
broń, narzędzia, ozdoby z metali
ekspansja poszczególnych
społeczeństw cywilizacji
śródziemnomorskiej
Na przełomie II i I tysiąclecia p.n.e. produkcja oręża z metalu zaczęła być warunkiem
niezbędnym niezależnego bytu społeczeństw Bliskiego Wschodu.
Starożytni kowale dążyli do mistrzostwa nie zdając sobie sprawy ze śmiertelnego
niebezpieczeństwa związanego z przetwarzaniem rud zawierających arsen,
otrzymywania rtęci, czy też stosowania ciekłego ołowiu, ze względu na silnie trujące
oddziaływanie tych substancji na organizm.
FAZA SZTUKI RZEMIEŚLNICZEJ
~ 2 000 lat p.n.e. W powszechnym użyciu są materiały nie występujące w przyrodzie:
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 22
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 23
PRZETWARZANIE ŻELAZA
Hematyt ze złóż angielskich
Żelazo gąbczaste (silnie zanieczyszczone)
Żelazo zgrzewne (miękkie i ciągliwe)
bardziej wytrzymałe od Cu
ale w wielu aspektach ustępujące brązom
Redukcja rudy żelaza zawierającej
tlenki i węglany przy użyciu węgla
drzewnego w piecu D Y M A R C E
o temperaturze do 1200 oC
od ok. 2.500 lat p.n.e.
Żelazo znane było od
ok. 3.000 lat p.n.e. pochodzące głównie z meteorytów, stąd zwane
w Sumerze „metalem niebios” (meteoryty),
a w Egipcie - „czarna miedź z nieba”
XIXw. p.n.e.: 40kg srebra = 1kg żelaza
5kg złota = 1kg żelaza
VIIw. p.n.e.: 1kg srebra = 2000kg żelaza
Król Asyrii Sargon II (IXw. p.n.e.)
przechowuje w skarbcu 160 ton żelaza!!
Czasami przypadkowo przegrzewając
piec otrzymywano żelazo lane (surówkę) –
w tamtych czasach niepożądane, bo kruche.
PRZETWARZANIE ŻELAZA
D Y M A R K A – pierwszy piec hutniczy
Egipt – ok. 2.500 p.n.e.;
Europa – ok. 100 p.n.e.;
Ziemie polskie – ok. IV w
przez redukcję tlenkowych rud żelaza za pomocą
węgla drzewnego otrzymywano żelazo gąbczaste
zawierające żużel.
( Ttopn.> 1.500 oC )
1. Wsad: węgiel drzewny i ruda.
2. Otwory dmuchowe.
3. Strefa redukcji.
4. Gąbczasta łupka żelaza dymarskiego.
5. Powierzchnia swobodnego krzepnięcia w górnej części kloca
żużla wypełniającego kotlinkę wykopaną w lessie.
6. Szyb pieca zbudowany z płaskich bloczków− cegieł. D Y M A R K I
początkowo były dołkami w ziemi wyłożonymi gliną (ogniska dymarskie), później
piecami jednorazowego użytku częściowo zagłębionymi w ziemi (część naziemną
niszczono, część zagłębioną wraz z żużlem pozostawiano).
W Polsce odkryto je na terenie kielecczyzny w okolicach Słupi Nowej.
Przełom XII i XIIIw. - przekształcenie dymarek w stały piec hutniczy z otworem
spustowym do żużla i sztucznym ciągiem powietrza. Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 24
UPOWSZECHNIENIE ŻELAZA
Po upadku imperium Hetytów doszło do problemów z dostawami cyny niezbędnej do wytopu
brązu co wpłynęło na upowszechnienie żelaza na starożytnym Bliskim Wschodzie. Istotny
był też fakt, że do redukcji 1 kg żelaza potrzeba 8 kg węgla drzewnego, a w przypadku
miedzi - 20 kg, co miało ogromne znaczenie na bezdrzewnym Bliskim Wschodzie.
W VII stuleciu p.n.e. obróbka żelaza dotarła na północ od Alp i do Egiptu.
Opóźnienia w opanowaniu tej techniki stawały się wielokrotnie przyczyną słabości
starożytnych społeczeństw. Biegli w rzemiośle kowalskim Grecy mieli dobrze uzbrojoną
armię i flotę wojenną – powstrzymali inwazję Persów. Podboje Aleksandra Wielkiego doprowadziły do dalszej ekspansji żelaza, a także powstania
pierwszej cywilizacji Zachodu. W 304r. p.n.e. na Rodos został wystawiony 32 m wysokości
posąg Heliosa, odlany z brązu pochodzącego z przetopionych zbroi Persów pokonanych
przez Greków. Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 25
CESARSTWO RZYMSKIE 280-400 r.
W czasie Imperium Rzymskiego, w całym cywilizowanym świecie (Europa Północna i Zachodnia) upowszechniło się stosowanie żelaza do wyrobu bardziej złożonych narzędzi, w szczególności narzędzi kowalskich umożliwiających głębszą przeróbkę metali.
Rzemieślnicy wykonywali narzędzia i broń z materiałów, które w zasadniczej mierze różniły się jakościowo od materiałów używanych w czasach wcześniejszych.
…rzymskie stalowe miecze były tak ostre, że nie było takiego hełmu, którego nie zdołałyby przeciąć. Galowie wyposażeni w miecze z żelaza zgrzewnego, po każdym ciosie musieli przerywać walkę i prostować klingę by móc dalej walczyć …
Stalowe miecze rzymian były dziełem toledańskich płatnerzy i hutników z hiszpańskiej Katalonii, gdzie technika obróbki żelaza osiągnęła najwyższy poziom w cesarstwie rzymskim.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 26
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT
W VII w. doszło do dominacji Islamu. W ciągu jednego
stulecia mieszkańcy pustynnego Półwyspu Arabskiego zdołali narzucić swoją władzę i wiarę
więcej niż połowie świata euroazjatyckiego.
STAL DAMASCEŃSKA
Unikalny materiał na stal damasceńską
wydobywano jedynie w hinduskich stanach
Andora, Pradesh i Karnataka i przywożono do
Syrii (Damaszku) – gdzie bezcenne, wlewki
przekuwano w wyspecjalizowanych kuźniach.
Jej składniki: żelazo i układające się w pasma węgliki wanadu i molibdenu odpowiednio nagrzewane i schładzane tworzyły niesamowite wzory.
Szable damasceńskie nie tępiły się i zachowywały
sprężystość pomimo, że były niezwykle twarde -
pierwsza wysokogatunkowa stal w historii ludzkości. 27
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 28
CENTRUM HUTNICTWA ZACHODNIEJ EUROPY
320 kg
żelaza
z 1-go
procesu
1295r. piec Stuckofen
z miechami poruszanymi
kołem wodnym
Po odcięciu Hiszpanii od świata zachodniego
Przesunięcie do
Austria
Niemcy
Anglia
X w.n.e.
TECHNOLOGIA STOPÓW ŻELAZA
ruda żelaza
+
węgiel drzewny
• Konstrukcje żelazne
• Narzędzia rolnicze
• Uzbrojenie
Stan stały
kucie na gorąco
Stan ciekły ciecz metaliczna
odlewanie do form
Żelazo zgrzewalne
Żeliwo (odlewy) po zakrzepnięciu twarde i kruche
Wygrzewanie
do 1200 oC
Żelazo
+(3-4)% węgla
Żelazo prawie
bezwęglowe
Produkt
metaliczny
W coraz wyższych piecach wsad przebywał coraz dłużej, a w związku z intensywnym
nadmuchem wzrastała stopniowo temperatura. Możliwe stało się uzyskiwanie dwu
rodzajów produktu metalicznego:
• Początkowo mało przydatne
• Od X w. odlewane dzwony
• Do XVI w. lufy i kule armatnie
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 29
TAJEMNICA WĘGLA W STALI
Starożytni i średniowieczni kowale nie potrafili odpowiedzieć, dlaczego
wytwarzane przez nich elementy z żelaza charakteryzują się bardzo dużą
niepowtarzalnością właściwości.
Pod koniec XVIII w. stwierdzono, że węgiel nie tylko redukuje związki żelaza w
rudzie ale równocześnie (w zależności od czasu trwania procesu)
rozpuszcza się w żelazie tworząc stopy o różnej temperaturze topnienia –
nawet poniżej 1200 C.
Pod koniec pierwszego tysiąclecia Fe było w Europie materiałem
pożądanym, ale ze względu na cenę nie stosowanym powszechnie.
Niektóre (przypadkowe) wytopy żelaza prowadzą do uzyskania materiału
bardzo twardego i sprężystego.
niepowtarzalność efektów
bardzo mała wydajność procesu
drobne narzędzia
broń
Żelazo zgrzewne
+
węgiel drzewny
długotrwałe
wygrzewanie
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 30
1709 r. – anglik Abraham Darby jako pierwszy wytopił żelazo
przy pomocy koksu.
XVIIw. – produkcja żelaza w Europie ustabilizowana na
poziomie 60.000 ton rocznie, z czego połowa przypada na
Anglię.
ROZWÓJ TECHNOLOGII STOPÓW ŻELAZA
XIV w. (początek) – niemiecki mnich Berthold Czarny opracował
skuteczny przepis na produkcję prochu i konstruuje pierwszą
broń strzelecką
XVI i XVII w. – gwałtowny wzrost zapotrzebowania na żelazo
XVII w. – powstaje angielska
odlewnia Weald of Sussex
(najsławniejsza na świecie).
Wytwarzane przez nią armaty były
tak dobre, że - pomimo zakazu
królowej Elżbiety I - stały się
przedmiotem międzynarodowego
handlu bronią, głównie do
Hiszpanii.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 31
Złoto jest dla pani,
srebro dla dziewczyny
miedź dla rzemieślnika biegłego
w zawodzie,
... Ale żelazo - Zimne żelazo - jest panem nad panami
Josep Rudyard Kipling angielski pisarz i poeta ur. w Indiach w 1865
Noblista – 1907
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 32
– XVIIIw. (koniec) Anglia - piece hutnicze opalane są tylko koksem, a
produkcja taniego żeliwa tak dobrze opanowana, że wyparło ono z
powszechnego użytku brąz i żelazo zgrzewne
w dalszym ciągu nie rozwiązano problemu masowej produkcji stali
– 1792 (Wilkinson) Anglia – żeliwiak na koks
– 1855 (Bessemer) Anglia – konwertor do wytwarzania stali płynnej
ROZWÓJ TECHNOLOGII STOPÓW ŻELAZA
– 1856 (W. i F. Simensowie) Anglia –
piec wykorzystujący ciepło spalin
nazwany martenowskim (od
nazwiska E. i P. Martinów), którzy
w 1865 zastosowali go do wytopu
stali z surówki i złomu
– XIX / XXw. – procesy wytwarzania
stali w piecach elektrycznych
– 1949 Austria – konwertor tlenowy
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 33
... pod koniec XVIII w. – przemiany epoki Oświecenia
• upowszechnienie umiejętności czytania wśród rzemieślników
• usprawnienie wymiany informacji
• większe zainteresowanie uczonych sprawami przyrody
FAZA WYNALAZKÓW INŻYNIERSKICH
NOWE ŹRÓDŁO ENERGII – MASZYNA PAROWA
(Papin – 1690 i Newcoman – 1705)
• wzrost stopnia złożoności konstrukcji
mechanicznych
• wzrost zapotrzebowania na materiały
konstrukcyjne
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 34
I rewolucja
techniczna
na obserwacji wszystkiego.....
i którzy z tego powodu często
zdolni są
połączyć potęgę najbardziej
odległych i różnych obiektów
Adam Smith
Pewne wynalazki powstały
dzięki pomysłowości tych myślących ludzi,
których zajęcie nie polega na czynieniu czegoś, ale
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 35
ODKRYWCZA METODA BESSEMERA - 1855 r
metoda pudlarska
długotrwałe wygrzewanie
w obecności węgla – stopniowe
nawęglanie, w wyniku którego Ttop
obniża się do 1150–1200 oC.
Nawęglane żelazo o zawartości węgla (1,8-2)%C
przechodząc w stan ciekły ulega dalej nasyceniu węglem
do (3,5-4)%C - surówka
stal
(po 10 dniach
25kg)
stal: stop żelaza z odpowiednią (?) zawartością węgla
metoda „stara” (mała przydatność produkcyjna)
•
•
wysokowęglowy produkt
wytopu z rudy
długotrwałe wygrzewanie
w stanie stałym
czyste
żelazo
Ttop = 1539 oC
Ciekłą surówkę poddaje się przedmuchowi strumieniami powietrza, w wyniku którego traci ona nadmiar węgla (wypalanie) i po odlaniu może być przerabiana plastycznie – jako stal.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 36
metoda Bessemera
wysokowęglowy produkt
wytopu z rudy
w stanie ciekłym
przedmuch powietrza przez ciecz
regulacja zawartości węgla
stal
(kilka godzin
- kilka ton)
•
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 37
„REWOLUCJA” BESSEMERA
Zakłady Bessemera (1860r)
II rewolucja
techniczna
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 37
„Gruszka” Bessemera
(patent - 1855r)
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 38
ZAKŁADY KRUPPA W ESSEN (1902r.)
odlewnia
1850 1880 1900
Wielka Brytania
Niemcy
USA
Kilkuset tonowe elementy
konstrukcji, w tym płyty
pancerne
9 mln ton
1 mln ton
WARSZTAT PŁYT PANCERNYCH
Na wystawie w Düsseldorfie: płyta
pancerna 13,2m x 3,5m x 300mm i
masie 106 ton
ZAKŁADY KRUPPA 1911r.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 39
PRODUKCJA STALI SUROWEJ
1950
100
Świat
Kraje zachodnie
Średnio-roczny przyrosty
produkcji stali
Świat Kraje
zachodnie
1950-60 6,1 4,6
1960-70 5,6 5,7
1970-80 1,9 1,0
1980-88 1,0 0,6
1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1988
200
300
400
500
600
700
800
Lata
Mln
to
n
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 40
TECHNIKI WYTWARZANIA
Opracowując nowy przedmiot, należy uwzględnić przede wszystkim zadania
(funkcje), jakie ten przedmiot ma spełniać. Istotny wpływ na określenie tego kształtu
będzie miał przyjęty sposób wykonania przedmiotu, czyli jego technika
wytwarzania. Wiąże się z tym ściśle dobór materiału.
Procesy technologiczne obróbki i montażu
Kontrola
Magazynowanie
Konserwacja i pakowanie
Decyzje dotyczące tego wyboru podejmujemy po rozpatrzeniu różnych kryteriów:
• Wymagane własności mechaniczne projektowanego wytworu;
• Rodzaj produkcji (jednostkowa, seryjna, masowa);
• Dostępność maszyn technologicznych i narzędzi;
• Koszty itp.
Najważniejszą częścią procesu produkcyjnego, obejmującego wszystkie czynności
związane z wytwarzaniem produktu, jest proces technologiczny.
Proces
produkcyjny
Transport Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 41
METODY KSZTAŁTOWANIA
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 42
Nadawanie kształtu przedmiotom może się odbywać z użyciem różnych technik
wytwarzania.
Ciekły Stały Przejściowy
Nadawanie kształtu przedmiotom metalowym
w zależności od stanu skupienia materiału
(tworzywa)
Odlewanie Obróbka
plastyczna
Obróbka
skrawaniem
Prasowanie
Walcowanie
Kucie
Tłoczenie
Szlifowanie
Wiercenie
Gwintowanie
Frezowanie
Do form
Ciągłe
TECHNOLOGIE WYTWARZANIA
Techniki wytwarzania (Technologia materiałów) stanowi część dyscypliny naukowej
Budowa i eksploatacja maszyn.
Pełna charakterystyka materiału, np. gdy musimy go zamówić:
• gatunek materiału (skład chemiczny)
• postać (kształt, wymiary, technikę wytwarzania)
• stan (struktura, stan powierzchni)
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 43
Etap Czynność
Konstrukcja » Dobór materiału
» Zapewnienie technologiczności konstrukcji
Wytwarzanie » Zakup materiałów
» Projektowanie i realizacja procesów technologicznych
» Dostosowanie met. badawczych części maszyn do
sposobu ich wytwarzania
Eksploatacja » Zakup materiałów i części zamiennych
» Dobór metod regeneracji
Wycofanie z » Gospodarka złomem
eksploatacji » Recykling odpadów
Etap I - wytwarzanie materiałów, jak metale i stopy w postaci wlewków lub gąsek,
polimery podstawowe, przędza itp. z kopalin lub surowców naturalnych;
Etap II - wytwarzanie półwyrobów, jak wyroby hutnicze, odlewy, odkuwki,
półwyroby z polimerów, tarcica, tkaniny, itp.;
Etap III - wytwarzanie części maszyn metodami właściwymi dla technologii maszyn.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 44
Elementy maszyn produkuje się w trzech zasadniczych etapach:
Technologia materiałów metalowych
Do technologii materiałów należą następujące procesy konwencjonalne:
• odlewnictwo
• metalurgia
• obróbka plastyczna
• metalurgia proszków
• łączenie metali
• obróbka cieplna i cieplno-chemiczna
• technologia warstw powierzchniowych
• przetwórstwo materiałów niemetalowych,
szczególnie polimerów
I. Wstępna przeróbka rudy
II. Złom
III. Wstępne procesy metalurgiczne
IV. Procesy rafinacyjne
V. Odlewanie wlewków i gąsek
VI. Wpływ procesu metalurgicznego
na jakość materiałów
VII. Urządzenia stosowane w
metalurgii
VIII. Metalurgia żelaza
IX. Metalurgia metali nieżelaznych
METALURGIA METALI
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 45