Obrada metala

Mašinska obradaodvajanjem čestica nastrugu.

Oko godine 400. sagrađen jegvozdeni stub u Delhiju,visok 7metarai težak više od 6tona,koji i dan danas odolevamonsunskimkišama ikoroziji.

Livenjeu pešćani kalup za jednokratnu upotrebu.

Prikaz rada uzdužnogvaljanja.

Kovanjeje jedan od najstarijih i najraširenijih postupaka obrademetala.

Vrući metalniingotse opterećuje (kuje) sa velikimbatom.

MIG ili elektrolučnozavarivanjetopljivom žicom u zaštiti inertnog plina.

Anodna zaštita s trupabroda.

Galvanizovana površinačelikas vidljivimkristalnim zrnimacinka.Kristalna zrna čelika ispod zaštitnog sloja cinka su mikroskopska (mikrostruktura).

Čelični livnakon 12 satitoplotne obradena temperaturi od 1 200 °C (Goodwin Steel Castings Ltd. -Ujedinjeno Kraljevstvo).

Različitootvrdnjavanjejapanskogsamurajskogmačakatane.Svetle talasaste linije (nioi) odvajajumartenzitnekrajeve odperlitneosnove.

Obrada metalaje promena oblika, dimenzija ili svojstavametalakako bi se prilagodio daljoj upotrebi. Promena oblika, dimenzija ili svojstava metala može se podeliti naručnuilimašinsku obradu.Da bi se izvela obrada metala na bilo koji način potreban je alat.Alatje sredstvo u direktnom dodiru s predmetom koji se obrađuje.

Silakojom alat deluje na obradak dovoljno je velika da pomiče obradak po radnom stolu. Zato je obrada moguća samo ako obradak miruje. Takođe je potrebno da se zadrži obradak na istom položaju ako je potrebno izvršiti više različitih obrada. Za što bolje pozicioniranje i što tačniju izradu potrebna su pomagala koja su specijalno konstruirana za tu srhu.Napravesu pomoćna sredstva koja se primenjuju u toekuproizvodnje,ne obrađuju direktnomaterijal,ali učestvuju u procesu proizvodnje i to kao samostalni uređaji ili kao deoalatne mašine.

Istorija

Glavni članak:Istorija metalurgije Gvožđa

Prvi jealatčovek dobio tešući mekanikamenod kojeg je izrađivao ručneklinoveili oblutke. U svom razvoju prelazi izkamenog dobaumetalno doba.Hronološkise pojavljujubakarno,bronzanoigvozdeno doba.U bakarnom dobu čovek nailazi na mekanimetalkoji je lako obradivmaterijali primitivnim kamenim alatom. Zbog svoje mekoće,bakarse u početku koristio zanakit.Otkrićem daljnjih obrada (hladnog oblikovanjailivenja), koristi se za izradu alata ioružja.Sve veća upotreba bakra uzrokovala je promene u tadašnjem društvu. Pojavile su se grupe prvih specijalista: rudara,kovača,livaca,metalurga.Do 3800. pne. upotreba bakra proširila po celomMediteranu,a uporedo s upotrebom bakra dolazi do otkrivanja i upotrebezlata,srebra,olova,arsena(oko 3500. pne.). Počinje mešanje metala i izrada prvihlegura(arsenova bronza), čime je otvorena sledeća stepenica u razvoju čoveka: bronzano doba, kada je od legure bakra ikalajadobijenabronza.U tom se razdoblju povećava proizvodnja bronzanog oružja, alata i nakita.

Nakon bronzanog nastavlja se gvozdeno doba. Obrada gvožđa hladnimkovanjemnaBliskom istokupočinje oko 6000. pne. (meteoritsko gvožđe), ali do masovne uporabegvožđadolazi tek oko 1000. pne, kada se znanje o kaljenju gvožđa proširiloStarim IstokomiGrčkomi to se uzima za početak kamenog doba.

Podela obrade metala

Postupci obrade metala dele se u nekoliko grupa:

• Obrada izvornog oblikovanja: iz bezobličnog stanja (ruda,otpadnimetal,strugotina) oblikuje se čvrsto telo određenog oblika (najčešćelivenjem);
• Obrada bez odvajanja čestica: to je način obrade metala kada se sirovina menja u željeni oblik novih dimenzija ili svojstava bez promenezapremineimasematerijala (valjanje,kovanje,savijanje,sabijanje);
• Obrada odvajanjem čestica: to je način obrade metala kada se sa komada odvaja višak materijala lomljenjem sitnih delova materijala (piljenje,bušenje,struganje,glodanje);
• Obrada spajanjem: to je način obrade kod kojeg se željeni proizvod dobije spajanjem dva ili više delova u jednu celinu (zavarivanje,lepljenje,mekoitvrdo lemljenje,spajanjevijcima,zakovicama);
• Obrada zaštite materijala: to je način obrade kod kojeg se na obradak nanosi materijal u svrhu povećanja kvaliteta proizvoda (antikorozivnazaštita, metalizacija, eloksiranje, bruniranje, hromiranje, bojenje, plastifikacija);
• Obrada promenom svojstava: to je način obrade metala kada se komadu menja struktura, a time i njegova svojstva (toplotna obradakaokaljenje,normalizacija,cementiranje).

Obrada izvornog oblikovanja

Obrada izvornog oblikovanja je postupak obrade metala kada iz bezobličnog stanja (ruda,otpadni metal, strugotina) se oblikuje čvrsto telo određenog oblika (najčešće livenjem).

Livenje

Livenjeje postupak oblikovanja pri kojemu se rastopljenimetaluliva u neku šupljinu (kalup), hladi i skrućuje u njoj, te poprima njen oblik (odlivak).Alatiza livenje mogu bitipešćani kalupiza jednokratnu upotrebu i metalni (kokile) za višekratnu upotrebu. Ulivanje može bitigravitacionopod delovanjemsile težeilipritisnopod povišenim pritiskom radi boljeg popunjavanja kalupne šupljine.

Najveća primena odlivka je uautomobilskojindustriji u oblikulivenog gvožđaili aluminijumskog liva. U jedan automobil ugrađeno je više od 100 odlivaka. Osim automobilske industrije, odlivci se koriste umašinogradnji,građevinskoj industriji,medicini,brodogradnji,zaželeznička vozila,energetici,vazdušnojisvemirskoj industriji,kod livenjaumetničkihskulptura.

Prednosti livenja su što se može dobiti složenageometrijavanjskog i unutarnjeg dela odlivka, moguće je dobitidimenzijski tačan oblikili približno tačan oblik, moguće je proizvesti vrlo velike odlivke, može se liti bilo kojimetal,moguća masovna proizvodnja, velik raspon dimenzija odlivka: od 1gramdo 250tona.Nedostaci livenja su ograničenja u mehaničkim svojstvima (često se javlja poroznost), često nedovoljna dimenzijska tačnost ikvalitet površine,opasnosti u proizvodnji, te nepovoljan uticaj naokolinu.

Obrada bez odvajanja čestica

Obrada bez odvajanja čestica je način obrade metala kada se komad menja u željeni oblik novih dimenzija ili svojstava bez promenezapremineimasematerijala. Jedan od postupaka obrade materijala bez odvajanja čestica je plastična obrada metala. Ona se može podeliti prema postupku na:kovanje,duboko vučenje,valjanje,savijanje limova,savijanje cevi,provlačenje,izvlačenje,sabijanje,presovanje,utiskivanje, istiskivanje,štancovanje.Može biti u toplom (topla obrada) ili hladnom stanju (hladna obrada).

Valjanje

Valjanjeje jedan od postupaka oblikovanjametaladeformiranjem kod kojega seodljevnombloku (ingotu) propuštanjem između okrećućihvaljakasmanjuje presjek i daje željeni oblik, uz istovremeno poboljšanjemehaničkihsvojstava. Od svih postupaka plastične deformacije, najveću primjenu ima valjanje. Postupak započinje valjanjem ingota u poluproizvode. Dok obradak prolazi između valjaka dolazi do deformiranja materijala. U zoni deformacije materijal ne prolazi svugdje istombrzinomkojom rotiraju valjci. Obodna brzina valjka može biti veća, ista ili sporija od brzine prolazamaterijalau zoni deformacije.

Valjati se može u toplom i hladnom stanju. Materijali većeg preseka valjaju se pretežno u toplom stanju, zbog veće plastičnosti i mogućnosti puno većih redukcija preseka, te manjihsilai manjeg utroškarada.Materijali manjeg preseka valjaju se pretežno u hladnom stanju, jer se postižeglađa površina,užatolerancijai većatvrdoćamaterijala.

Kovanje

Kovanjeje obrada materijala bez odvajanja čestica, kod koje se promena oblika i dimenzija vrši udarcimačekićailibatapo otkivku, koji je položen na nakovanj. Obrada je češće u toplom stanju, ali može biti i u hladnom stanju. Prema načinu na koji se obavlja preoblikovanje postoji ručno kovanje i mašinsko kovanje.

Ručno kovanjeje postupak preoblikovanja materijala udarcima kovačkog čekića po otkivku. Otkivak se zagreje u kovačkojvatridobelog sjaja.Kovačkimkleštimase vadi iz vatre i polaže na nakovanj. Otkivak polako menja oblik i dimenzije pod udarcima čekića. Tačnostdimenzija,oblika,kvalitetproizvoda i količina zavise isključivo od preciznosti i iskustvakovača.

Mašinsko kovanjeje moderniji način kovanja, koji omogućava kovanje od najmanjih otkivaka do izuzetno velikih (do 580tona). Dimenzije otkivka zavise samo od veličinemašina.Postupak može biti u toplom i hladnom stanju. Za kovanje u toplom stanju, u postupku proizvodnje potrebne su i kovačkepeći.Ručno ili mašinsko kovanje može biti:

• slobodno kovanjeili
• kovanje u ukovnjima(kalupima).

Obrada odvajanjem čestica

Obrada odvajanjem čestica se deli naručnu obraduodvajanjem čestica imašinsku obraduodvajanjem čestica. To je način obrade metala kada se sa komada odvaja višak materijala lomljenjem sitnih delova materijala (struganje,glodanje,piljenje,bušenje,brušenje,blanjanje,provlačenje,poliranje,honanje,lepanje,superfiniš).

Mašinska obrada odvajanjem čestica

Mašinska obradaodvajanjem čestica se obavlja namašinskom alatusa unapred određenim alatima, kako bi se u što kraćem vremenu dobioproizvodzadovoljavajućegkvaliteta.Mašinski alati sumašinena kojima čovek uproizvodnom procesuupravlja alatom. Osnovni zadatak alatnih mašina je zamena ljudskog rada uz povećanje tačnosti,produktivnosti,ekonomičnosti i drugog. Obrada materijala je promena oblika, dimenzija ili svojstava materijala radi daljnje upotrebe. Može se podeliti na ručnu i mašinsku obradu.

Ručna obrada odvajanjem čestica

Ručna obradaje obradamaterijalakoja koristialatuzsnagumišića.Alat je sredstvo kojim se menja oblik komada, dok se za upravljanje alatom radnik koristi svojom snagom. Osnovni element svih alata za obradu skidanjem strugotine jeklin.On svojim vrhom zahvati materijal i odvaja mu sitne delove materijala (strugotinu) ili ga samo deli (seče, razdvaja). To zavisi od smeru ulaza klina u materijal.

Obrada spajanjem

Obradaspajanjemje način obrade kod kojeg se željeni proizvod dobije spajanjem dva ili više delova u jednu celinu (zavarivanje,lepljenje,mekoitvrdo lemljenje,spajanjevijcima,zakovicama).

Zavarivanje

Zavarivanjeje spajanje dva ili više, istorodnih ili raznorodnihmaterijala,topljenjem ilipritiskom,sa ili bez dodavanja dodatnog materijala, na način da se dobije homogeni zavareni spoj. Zavarivanje je drukčije odlemljenja,a to je spajanje topljenjem legure s nižomtačkom topljenjaod materijala predmeta koji se spajaju.

Različiti izvori energije se mogu koristiti za zavarivanje, kao što je mlaz vrućih gasova (plinski plamen ili mlazplazme),električni luk,tok naelektirsanih čestica (mlazelektronailijonau vakuumu), tokovi zračenja (laser),električna struja(elektrootporno zavarivanje),trenje,ultrazvuki sl. Zavarivanje se može obavljati u radionici, na otvorenom prostoru, u vodi ili u svemiru.

Sve do kraja 19-tog veka, jedino je bilo poznatokovačko zavarivanje,s kojim su kovači vekovima spajali željezo i čelik grejanjem i udaranjem čekića. Elektrolučno zavarivanje i plinsko zavarivanje kiseonikom su bili među prvim procesima koji su se razvili u 20-tom veku. Nakon toga su se razvili mnogi procesi, ali među najzastupljenijim je postalo elektrolučno zavarivanje sa tapiocem obloženom elektrodom.

Obrada zaštite materijala

Obrada zaštite materijala je način obrade kod kojeg se na obradak nanosi materijal u svrhu povećanja kvaliteta proizvoda (antikorozivna zaštita, metalizacija, eloksiranje, bruniranje, hromiranje, bojenje, plastifikacija).

Zaštita metala

Iako sumetalina prvi pogled čvrsti i nesalomljivi, onihemijski reagirajusaokolinom,u kojoj se nalaze i postepeno propadaju. Na njih delujekiša,Sunce,vetar,mraz,smog,sol.Korozijaje najnegativniji uticaj okoline na konstrukcijske metale zbog spoljašnjih mehaničkih, hemijskih ili bioloških uticajnih činioca. Na sprečavanje korozije u razvijenom svetu se troši oko 1000$po stanovniku (podaci prema istraživanjima uSAD2003).

Korozijom se na naučni način prvi počeo bavitiMihail Vasiljevič Lomonosov,ruski naučnik još 1756. Utemeljitelj je Moskovskog univerziteta, koje i danas nosi njegovo ime. Korozija se deli na hemijsku, fizičku, biološku, električnu i složenu koroziju. Za koroziju postoje različiti spoljašnji i unutrašnji činioci. Najvažniji činioci sukiseonikitemperatura,dok su takođe uticajnivlaga,sadržaj soli, sadržaj rastvorenih gasova,pHvrednost, brzina strujanjafluida,mehanička delovanja,pritisak,svetlost,delovanje živih organizama (gljivice, plesni, alge, mikrorganizmi),galvanske struje.Korozija se prema obliku može podeliti na opštu, lokalnu, selektivnu ili interkristalnu koroziju. Brzina i tok korozije zavise od metala i njegovoj strukturi, od stanja površine (glatke i čiste površine manje korodiraju), napetosti i naprezanjima u metalu, legirajućim komponentama, povišenoj temperaturi.

Neki metali razvijaju u dodiru s okolinom zaštitni sloj:Bakarpozeleni ili posmeđi,srebro,aluminijum,nikalimesingpotamne. Time naprave tvrdu koruoksidnog slojakoja štiti od daljnjeg propadanja metala. Metali koji se ne mogu sami zaštititi moraju se zaštititi na neke do sledećih načina:

• Zaštita prevlakama ili premazima. Metalne prevlake imaju galvansko delovanje i to su postupci pocinkavanja, eloksiranja, bruniranja. Zaštitni premazi su jednokomponentni ili dvokomponentni, a zavise od vrste veziva,pigmenta,boje,punila ili otapala.
• Anodna zaštita je zaštita s plemenitijim metalom, može osnovni metal prevesti u pasivno stanje (čelici,nerđajući čelici,aluminijumske,hromneititanijumskelegure). Održavanjem pasivnog sloja osnovni je metal zaštićen od daljnjeg razvoja korozijskog procesa. Primer je anodna zaštita čeličnog spremnika za 99%sumpornu kiselinu(katoda je ugljenikova elektroda).
• Katodna zaštita je tehnika zaštite metala od korozije, čiji je osnovni princip polarizacija metalne konstrukcije napotencijalkod kojeg proces otapanja metala prestaje ili se odvija prihvatljivo malom brzinom. Katode mogu biti aluminijske,cinkoveimagnezijumskelegure za zaštitu čelika. Za zaštitu bakra koriste se željezne katode.
• Zaštita inhibitorima je zaštita materijama koje dodate u korozijsku okolinu smanjuju brzinu korozije do tehnološki prihvatljivih iznosa, a dodaju se povremeno ili stalno u zatvorene sisteme (u izuzetnim slučajevima u otvorene sisteme). Premaz deluje tako da stvori koru koja usporava koroziju. Osim zaštite metala od propadanja, antikorozivna obrada može imati i veliki udeo uesteticisamog proizvoda.

Obrada promenom svojstava

Obrada promenom svojstava je način obrade metala kada se obratku menja struktura, a time i njegova svojstva (toplotna obradakaokaljenje,normalizacija,cementiranje).

Toplotna obrada

Toplotna obradaje postupak delovanjatemperaturena materijal u svrhu menjanja njegovemikrostrukturei time menjanja njegovih svojstava. Toplotno se obrađuju najčešćečelici,ali neretko i drugimetali,tekeramike(staklo). Najčešći razlozi za toplotnu obradu čelika su očvršćivanje (povećanje mehaničkih svojstava, posebnozatezne čvrstoće), povećanje žilavosti, povećanjeduktilnostii mogućnosti preoblikovanja, smanjenje unutrašnjih naprezanja, priprema za obradu rezanjem.

Toplotna obrada se obavlja:

• pre oblikovanja komada plastičnom deformacijom i odvajanjem strugotine, da bi metal omekšao,
• posle oblikovanja komada, da bi se uklonila zaostalanaprezanja,
• završno, za postizanje konačnečvrstoćeitvrdoćeproizvoda.

Toplotna obrada čelika temelji se naeutektoidnojreakciji raspadaaustenitanaferiticementit.Zavisno od postupka toplotne obrade menjaju se način raspada austenita, odnosno fizička i mehanička svojstva čelika. Zbog toga svaka toplotna obrada zahteva najpre dobijanje austenita.Austenitizacijase sastoji u dobijanju homogenog austenita zagrevanjem čelika na temperaturu malo iznad linije A₁kod eutektoidnog sastava ili A₃kod podeutektoidnog i A_cmkod nadeutektoidnog sastava. Temperatura austenitizacije može se sniziti dodatkom legirajućih elemenata, kao što sumanganilinikal.Ostale toplotne obradbe služe uglavnom za uklanjanje posledica hladne deformacije i dobijanje mekše strukture.

Spoljašnje veze

• Schneider, George. "Chapter 1: Cutting Tool Materials,"American Machinist,October, 2009
• Schneider, George. "Cutting Tool Applications: Chapter 2 Metal Removal Methods,"American Machinist,November, 2009
• Videos about metalworkingpublished by Institut für den Wissenschaftlichen Film. Available in theAV-Portalof theGerman National Library of Science and Technology