2.1. Технологија машинских материјала

Увод

Од преко сто познатих хемијских елемената у машинству се свакодневно у разним облицима користи више од половине. Хемијски чисти елементи, метали и неметали имају врло ретку примену у машинској индустрији, али се користе мешавине разних метала, или метала са неметалима, које се називају легуре...

Зашто се користе легуре уместо хемијски чистих елемената?

Хемијски елементи у чистом стање, и метали и неметали, обично немају задовољавајуће особине (физичке, хемијске, технолошке, механичке).

Зато се у металуршким комбинатима разним поступцима праве легуре са особинама које задовољавају процесе машинске производње.

У оквиру ове лекције говорићемо управо о легурама које се највише користе за израду производа машинске индустрије, односно о материјалима који су најзначајнији и највише коришћени на светском нивоу.

Челик

Челик је најважнији, највише коришћени, и најзначајнији материјал савременог света.

Без производа од челика нема ни савременог света, ни савремене индустрије, ни савремене архитектуре.

Од челика се прави готово све, од игле до локомотиве (занимљив израз за објашњавање свега и свачега, а и игла и локомотови праве се од челика).

Челик је легура гвожђа (Fe) и угљеника (C) у којој угљеника има од 0,01 до 2,14%.

Ученици често погрешно схвате да је све у вези са гвожђем челик. Ако угљеника има преко 2,14% у легури са гвожђем добијају се легуре које се зову ливови, а ливови и челици нису исти материјали, мада и једни и други имају велику заступљеност у машинској индустрији. Врсте челика су многобројне и у овој лекцији и да хоћемо не можемо набројати целокупну поделу тако значајног материјала као што је челик. Управо због могућности добијања челика са најразличитијим својствима чини овај материјал највише коришћеним и најзначајнијим.

Дијаграм стања гвожђа и угљеника

Подела челика врши се према начину производње, (Сименс Мартинов, конверторски, електрочелик итд.) према саставу, према намени, итд.

Према намени челици се деле на брзорезне (за израду резних алата), челике за опруга, за зупчанике, за вратила, за израду мерила, итд.

Најзначајнија подела челика је подела по хемијском саставу, јер се на основу ње врши означавање челика.

По хемијском саставу челици се деле у три групе:

челици негарантованог састава( ознака Č0 _ _ _),
челици гарантованог састава (Č1 _ _ _),
легирани челици (Č(2-9)_ _ _).

Ознака čелика састоји се од слова Č и четри броја.

Дакле, ако челик има број 0 на почетку онда се ради о челицима негарантованог састава, који се највише и производе и које називамо и конструктивним челицима. Од њих се праве конструкције свих врста, а производе се у облику жица, цеви и разних профила.Како планом није предвиђено да ученик учи детаљно означавање челика информативно ћемо упамтити да први број у ознаци означава врсту челика по хемијском саставу, а да остале три означавају нешто друго, што опет зависи од првог броја у ознаци.

Ознака 1. означава челик гарантованог састава, а користе се за израду машинских елемената свих врста, алата, итд.

Ознака 2,3,4, итд. означава да се ради о легираном челику, а који је легирајући елеменат најзаступљенији говори управо број 2,3,4. итд.

Компликовано је од ученика тражити да учи детаљно означавање челика па табела бројева и легирајућих елемената неће ни бити дата.

Ученику је довољно да запамти да се од легирајућих елемената највише користе молибден (Мо), волфрам (W), ванадијум (Va), кобалт (Cо), никл (Ni), титан (Тi), хром (Cr), манган (Мn), итд.

Легирани челици су најкалитетнији и најскупљи челици.

Од њих се праве елементи и делови изложени великим напрезањима, хемикалијама, резни алати свих врста, итд.

Челик се у Србији производи у Смедереву (US Steel Serbia).

Легуре обојених метала

Обојени метали су метали специфичне обојености и деле се на тешке ( бакар (Cu), олово (Pb), калај (Sn)) и лаке (алуминијум (Al), магнезијум (Мg), титан (Ti)), итд.

Најзначајније легуре обојених метала праве се од бакра (Cu) и алуминијума (Al).

Легуре бакра

Бакар је метал црвене боје, који има лоше механичке особине, јер је врло мек, али је зато одличан проводник, и највише се користи у индустрији проводника.

Легирањем са другим елементима добијају се легуре којима се отклања недостатак чврстоће бакра. Легуре бакра су месинг и бронза.

Месинг је легура бакра и цинка (Zn) у којој цинка има од 30-40%.

Месинг нема велику чврсто}у па се не користи за израду делова који ће бити изложени већим напрезањима, али зато има дивну златно жуту боју па се од њега праве украсни делови свих врста.

Бронза је легура бакра са било којим легирајућим елементом сем цинка, у којој бакра има најмање 60%.

Бронзе, за разлику од месинга, могу имати велику чврстоћу па се користе и за израду машинских елемената, посебно пужних парова и зупчаника.

Поједине врсте бронзи имају већу тврдоћу и чврстоћу од појединих врста челика и њихова употреба је широка у машинској индустрији. Од бронзе се праве бродски пропелери, лежишта, итд.

Легуре алуминијума

Алуминијум је метал светло беле, сребрнкасте боје, и као и бакар, има особину да је врло мек, али је одличан проводник, па се највише користи за израду електричних проводника.

Легуре алуминијума које се највише користе у машинској индустрији су силумин и дуралумијум. Легуре алуминијума све више замењују дрво и пластику у грађевинској индустрији, а незамењиве су у авиоиндустрији, јер се каросерије свих авиона праве од лимова алуминијумских легура, јер су много лакше од челичних исте чврстоће. Такође, отпорне су на корозију*. Отпорност на корозију је једна од предности легура обојених метала у односу на легуре гвожђа. Ово не значи да сви челици лако кородирају. Постоје и челици који не могу кородирати, припадају групи легираних челика а зову се и нерђајући.

* Корозија - дифузија кисеоника у површински слој материјала и мешање са њим. Зато се назива и оксидација. Временом, корозија (народски-рђа) може у потпуности изменити хемијску, физичку и механичку структуру материјала који јој је изложен. Заштиту легура неотпорних не корозију врши се уљаним или нитро бојама, а још боље галванизацијом, где се електролизом на површински слој материјала који је неотпоран на корозију набаци материјал отпоран на корозију, најчешће хром (хромирање), никл (никловање), цинк (цинковање), и сл. С обзиром да обојени метали не могу да кородирају (оксидишу-зарђају) и легуре обојених метала задржавају то својство.

Остали материјали

Машинска индустрија обрађује све постојеће познате материјале, као што су гума, стакло, дрво, пластика, керамика итд. О овим материјалима било је речи у ранијим разредима.

Азбест

Азбест је минерал влакнасте грађе а по хемијском саставу магнезијум силикат. Има малу механичку чврстоћу али врло високу тачку топљења. Зато се користи за израду ватроотпорних одела и као заптивни и изолациони материјал.

Погонски материјали

Погонски материјали омогућавају рад машинама, односно погоне машине или обезбеђују њихов рад. У погонске материјале убрајамо горива и мазива.

Горива

Горива су материјали који могу сагоревати. Сагоревање је хемијски процес у коме се гориво бурно једини са кисеоником на температури сагоревања при чему се ослобађа:

топлота,
продукти сагоревања (отровни гасови који загађују животну средину),
чврст остатак (у виду пепела).

Горива су врло битан материјал јер покрећу топлотне моторе. Топлотни мотори су машине које претварају топлотну енергију у механичку. Дакле, горива су битна јер без њих не би имали механички рад који нам је свакодневно потребан, било да се ради о превозу аутомобилом, камионом, или о гледању новог филма на телевизији, или игрању игрица на компјутеру, јер без горива не би имали струју пошто термоелектране не би радиле. Најбитнија особина горива је топлотна (калорична) моћ горива. Топлотна моћ горива је количина топлоте коју гориво ослободи приликом сагоревања јединице своје запремине. Што гориво има већу топлотну моћ оно је скупље.

Горива која се свакодневно највише користе јесу такозвана фосилна горива, а зову се тако јер су фозилизовани остаци органских прасторијских бића (шума, морских ораганизама, итд).

Деле се према агрегатном стању на течна, чврста и гасовита.

Течна горива, нафта и њени деривати

У течна горива спада нафта и сви њени деривати, од којих се највише користе бензин и дизел гориво. Нафта је настала из остатака биљака и животиња које су живеле пре много милиона година у води. Први корак био је пре 300 - 400 милиона година.Тада су се остаци почели таложити на дно океана и с временом их је покрио песак и муљ. Пре 50 - 100 милиона година ти остаци су већ били прекривени великим слојем песка и муља који је стварао огромне притиске и високе температуре. У тим приликама настали су сирова нафта и природни плин. Данас бушимо кроз дебеле слојеве песка, муља и стена да би дошли до налазишта нафте.

Пре него почне бушење кроз све те слојеве, геолози и инжењери проучавају састав стена. Ако састав стена указује на могуће налазиште нафте почиње бушење. Велики проблем приликом бушења и транспорта је могућност истицања нафте у околину. Нове технологије омогућавају повећање прецизности код проналажења нафте, а то смањује број потребних бушотина.

Од 1990. године постоји закон да сваки нови изграђени танкер мора имати двоструку љуску да би се спречио излив нафте у море приликом хаварије.

Успркос свим побољшањима технологије бушења и транспорта још увек се догађају изливи нафте у море, а то резултира готово потпуним уништењем биљног и животињског света у том делу мора. Иако је загађење мора истицањем сирове нафте велико, у поређењу са загађењем ваздуха коришћењем нафтних деривата је занемариво. Приликом сагоревања нафтних деривата ослобађају се велике количине угљен диоксида у атмосферу. Угљени диоксид утиче на повећање глобалне температуре на земљи и изазива ефекат "стаклене баште".Због тог проблема донесен је Кјото протокол, али га највећи загађивачи још нису потписали.

Чврста горива, угаљ и нуклеарна горива

Од свих фосилних горива угља има највише, а има и најдужу историју употребе.

Угаљ је настао на сличан начин као и нафта, али је порекло другачије тј. угаљ чине фосилизовани остаци праисторијских прашума. Археолози су пронашли доказе који указују да су Римљани у Енглеској користили угаљ у другом и трећем веку. У Северној Америци Индијанци су у 14. веку користили угаљ за кување, грејање и израду керамике.

Индустријска револуција била је први прави покретач употребе угља.

Џејмс Ват пронашао је мотор не пару (парна машина), који је омогућио да машине обављају посао који су пре обављали људи или животиње. Ват је користио угаљ за производњу паре која је покретала мотор. Током 19. века бродови и возови су били главно средство за транспорт, а користили су парну машину за погон. У тим парним машинама користио се угаљ за производњу паре.

1880. године угаљ је први пут употребљен за производњу електричне енергије.

И у данашње време се угаљ углавном тако и троши, за производњу електричне струје у термоелектранама. Угаљ сагорева, топлота добијена сагоревањем трансформише се у потенцијалну енергију водене паре која обрће парну турбину, трансформише се у механичку, а генератором у електричну.

За добијање 1 кW електричне струје у нашој највећој термоелектрани "Никола Тесла" потроши се 1,5 kg лигнита из колубарских копова.

У чврста горива спадају све врсте угља, од којих је накалоричнији антрацит ( камени угаљ).

Поред каменог угља, постоји и мрки угаљ, а намање калоричан је лигнит.

У металургији, за високе пећи, најчешће се користи кокс, који је заправо прерађевина каменог и висококвалитетног мрког угља. Дакле, поред значаја који има за производњу електричне струје угаљ има велики значај и при производњи челика, јер без угља нема ни челика.

Специјалну врсту чврстих горива чине такозвана нуклеарна горива, која су назив горива добила само због сличности употребе са горивима, а не зато што то заиста и јесу, јер нуклеарна горива не сагоревају, па у стварности не могу ни бити горива.

Нуклеарна горива се користе за покретање нуклеарних реактора у којима се процесом фисије (цепање језгра атома) ослобађа:

топлота ( у огромним количинама, небројено пута већим него код сагоревања горива),
радиоактивно зрачење (које убија топлокрвна жива бића изазивајући промене на ћелијама и DNK),
радиоактивни отпад (које увек садржи и велике количине радиоактивности).

Нуклеарна горива су заправо сви радиоактивни хемијски елементи од којих се највише користе уранијум и плутонијум.

Гасовита горива

Пуно времена се мислило да је природни плин (земни гас) бескористан. Чак и данас се у неким државама решавају тог плина тако што га спаљују у великим бакљама. Главним делом сачињен је од метана, једноставног споја који се састоји од једног атома угљеника и четири атома водоника. Метан је високо запаљив и сагорева готово потпуно. Након сагоревања не остаје пепела, а загађивање ваздуха је врло мало. Природни плин нема боје, укуса, мириса ни облика у својој природној форми, па је према томе људима неприметан. Због тога им компаније додају хемикалију која има мирис поквареног јаја. Тај мирис омогућава људима лаку детекцију пуштања плина у кући.

Један од највећих произвођача земног гаса је Русија, јер се у њој налазе велика налазишта овог горива.

Србија је потписала споразум са Русијом о проласку гасовода кроз нашу земљу који би у будућности требало да обезбеди енергетску стабилност Србије.

Вероватно ћемо у скоријој будућности имати и термоелектрану која користи гас за добијање топлоте, а термоелектране на гас су еколошки најчистије врсте термоелектрана.

Поред земног гаса у индустријској употреби највише се користе пропан и бутан.

Гасовита горива имају мању топлотни моћ у односу на течна и чврста горива, али су јефтинија и својим продуктима сагоревања скоро да и не загађују животну средину.

Мазива

Мазива су материјали који се користе за подмазивање додирних делова машина и механизама у циљу смањена трења и хабања на истим.

Мазива су значајна, иако је трење и хабање делова немогуће спречити, јер се њиховом употребом многострука увећава радни век машине, без замене делова или поправки. Без употребе средстава за подмазивање свака машина би се брзо покварила.

Главно и најважније својство мазива јесте вискозитет, или степен подмазивања. Што је вискозитет мазива већа оно има већу цену, али ће обезбедити дуготрајније и квалитетније подмазивање делова.

Мазива се деле према агрегатном стању и према пореклу.

Према агрегатном стању мазива могу бити чврста (масти) и течна (уља).

Чврста мазива користе се за подмазивање делова који су изложени већим снагама а мањим брзинама, док се течна користе за велике брзине а мање снаге.

Према пореклу мазива могу бити органског и неорганског (минералног) порекла.

Мазива органског порекла праве се од живих бића ( биљака и животиња ) и немају примену у машинској индустрији, због сувише ниског вискозитета и лоших особина.