Обрада метала

Обрада метала је промена облика, димензија или својстава метала како би се прилагодио даљој употреби. Промена облика, димензија или својстава метала може се поделити на ручну или машинску обраду. Да би се извела обрада метала на било који начин потребан је алат. Алат је средство у директном додиру с предметом који се обрађује.^[1]^[2]

Око године 400. саграђен је гвоздени стуб у Делхију, висок 7 метара и тежак више од 6 тона, који и дан данас одолева монсунским кишама и корозији.

Ливење у Пешћани калуп за једнократну употребу.

Ковање је један од најстаријих и најраширенијих поступака обраде метала.

МИГ или електролучно заваривање топљивом жицом у заштити инертног плина.

Сила којом алат делује на обрадак довољно је велика да помиче обрадак по радном столу. Зато је обрада могућа само ако обрадак мирује. Такође је потребно да се задржи обрадак на истом положају ако је потребно извршити више различитих обрада. За што боље позиционирање и што тачнију израду потребна су помагала која су специјално конструирана за ту срху. Направе су помоћна средства која се примењују у току производње, не обрађују директно материјал, али учествују у процесу производње и то као самостални уређаји или као део алатне машине.

Историја

Први је алат човек добио тешући мекани камен од којег је израђивао ручне клинове или облутке. У свом развоју прелази из каменог доба у метално доба.^[3] Хронолошки се појављују бакарно, бронзано и гвоздено доба. У бакарном добу човек наилази на мекани метал који је лако обрадив материјал и примитивним каменим алатом. Због своје мекоће, бакар се у почетку користио за накит. Открићем даљњих обрада (хладног обликовања и ливења), користи се за израду алата и оружја. Све већа употреба бакра узроковала је промене у тадашњем друштву. Појавиле су се групе првих специјалиста: рудара, ковача, ливаца, металурга. До 3800. пне. употреба бакра проширила по целом Медитерану, а упоредо с употребом бакра долази до откривања и употребе злата, сребра, олова, арсена (око 3500. пне.). Почиње мешање метала и израда првих легура (арсенова бронза), чиме је отворена следећа степеница у развоју човека: бронзано доба, када је од легуре бакра и калаја добијена бронза. У том се раздобљу повећава производња бронзаног оружја, алата и накита.^[4]

Након бронзаног наставља се гвоздено доба. Обрада гвожђа хладним ковањем на Блиском истоку почиње око 6000. пне. (метеоритско гвожђе), али до масовне упорабе гвожђа долази тек око 1000. пне, када се знање о каљењу гвожђа проширило Старим Истоком и Грчком и то се узима за почетак каменог доба.

Подела обраде метала

Поступци обраде метала деле се у неколико група:

Обрада изворног обликовања: из безобличног стања (руда, отпадни метал, струготина) обликује се чврсто тело одређеног облика (најчешће ливењем);
Обрада без одвајања честица: то је начин обраде метала када се сировина мења у жељени облик нових димензија или својстава без промене запремине и масе материјала (ваљање, ковање, савијање, сабијање);
Обрада одвајањем честица: то је начин обраде метала када се са комада одваја вишак материјала ломљењем ситних делова материјала (пиљење, бушење, стругање, глодање);
Обрада спајањем: то је начин обраде код којег се жељени производ добије спајањем два или више делова у једну целину (заваривање, лепљење, меко и тврдо лемљење, спајање вијцима, заковицама);
Обрада заштите материјала: то је начин обраде код којег се на обрадак наноси материјал у сврху повећања квалитета производа (антикорозивна заштита, метализација, елоксирање, брунирање, хромирање, бојење, пластификација);
Обрада променом својстава: то је начин обраде метала када се комаду мења структура, а тиме и његова својства (топлотна обрада као каљење, нормализација, цементирање).

Обрада изворног обликовања

Обрада изворног обликовања је поступак обраде метала када из безобличног стања (руда, отпадни метал, струготина) се обликује чврсто тело одређеног облика (најчешће ливењем).

Ливење

Ливење је поступак обликовања при којему се растопљени метал улива у неку шупљину (калуп), хлади и скрућује у њој, те поприма њен облик (одливак). Алати за ливење могу бити пешчани калупи за једнократну употребу и метални (кокиле) за вишекратну употребу. Уливање може бити гравитационо под деловањем силе теже или притисно под повишеним притиском ради бољег попуњавања калупне шупљине.^[5]

Највећа примена одливка је у аутомобилској индустрији у облику ливеног гвожђа или алуминијумског лива. У један аутомобил уграђено је више од 100 одливака. Осим аутомобилске индустрије, одливци се користе у машиноградњи, грађевинској индустрији, медицини, бродоградњи, за железничка возила, енергетици, ваздушној и свемирској индустрији, код ливења уметничких скулптура.

Предности ливења су што се може добити сложена геометрија вањског и унутарњег дела одливка, могуће је добити димензијски тачан облик или приближно тачан облик, могуће је произвести врло велике одливке, може се лити било који метал, могућа масовна производња, велик распон димензија одливка: од 1 грам до 250 тона. Недостаци ливења су ограничења у механичким својствима (често се јавља порозност), често недовољна димензијска тачност и квалитет површине, опасности у производњи, те неповољан утицај на околину.^[6]

Обрада без одвајања честица

Обрада без одвајања честица је начин обраде метала када се комад мења у жељени облик нових димензија или својстава без промене запремине и масе материјала. Један од поступака обраде материјала без одвајања честица је пластична обрада метала. Она се може поделити према поступку на: ковање, дубоко вучење, ваљање, савијање лимова, савијање цеви, провлачење, извлачење, сабијање, пресовање, утискивање, истискивање, штанцовање. Може бити у топлом (топла обрада) или хладном стању (хладна обрада).

Ваљање

Ваљање је један од поступака обликовања метала деформирањем код којега се одљевном блоку (инготу) пропуштањем између окрећућих ваљака смањује пресјек и даје жељени облик, уз истовремено побољшање механичких својстава. Од свих поступака пластичне деформације, највећу примјену има ваљање. Поступак започиње ваљањем ингота у полупроизводе. Док обрадак пролази између ваљака долази до деформирања материјала. У зони деформације материјал не пролази свугдје истом брзином којом ротирају ваљци. Ободна брзина ваљка може бити већа, иста или спорија од брзине пролаза материјала у зони деформације.

Ваљати се може у топлом и хладном стању. Материјали већег пресека ваљају се претежно у топлом стању, због веће пластичности и могућности пуно већих редукција пресека, те мањих сила и мањег утрошка рада. Материјали мањег пресека ваљају се претежно у хладном стању, јер се постиже глађа површина, ужа толеранција и већа тврдоћа материјала.

Ковање

Ковање је обрада материјала без одвајања честица, код које се промена облика и димензија врши ударцима чекића или бата по откивку, који је положен на наковањ. Обрада је чешће у топлом стању, али може бити и у хладном стању. Према начину на који се обавља преобликовање постоји ручно ковање и машинско ковање.

Ручно ковање је поступак преобликовања материјала ударцима ковачког чекића по откивку. Откивак се загреје у ковачкој ватри до белог сјаја. Ковачким клештима се вади из ватре и полаже на наковањ. Откивак полако мења облик и димензије под ударцима чекића. Тачност димензија, облика, квалитет производа и количина зависе искључиво од прецизности и искуства ковача.

Машинско ковање је модернији начин ковања, који омогућава ковање од најмањих откивака до изузетно великих (до 580 тона). Димензије откивка зависе само од величине машина. Поступак може бити у топлом и хладном стању. За ковање у топлом стању, у поступку производње потребне су и ковачке пећи. Ручно или машинско ковање може бити:

слободно ковање или
ковање у уковњима (калупима).

Обрада одвајањем честица

Обрада одвајањем честица се дели на ручну обраду одвајањем честица и машинску обраду одвајањем честица. То је начин обраде метала када се са комада одваја вишак материјала ломљењем ситних делова материјала (стругање, глодање, пиљење, бушење, брушење, блањање, провлачење, полирање, хонање, лепање, суперфиниш).^[7]

Машинска обрада одвајањем честица

Машинска обрада одвајањем честица се обавља на машинском алату са унапред одређеним алатима, како би се у што краћем времену добио производ задовољавајућег квалитета. Машински алати су машине на којима човек у производном процесу управља алатом. Основни задатак алатних машина је замена људског рада уз повећање тачности, продуктивности, економичности и другог. Обрада материјала је промена облика, димензија или својстава материјала ради даљње употребе. Може се поделити на ручну и машинску обраду.^[8]

Ручна обрада одвајањем честица

Ручна обрада је обрада материјала која користи алат уз снагу мишића. Алат је средство којим се мења облик комада, док се за управљање алатом радник користи својом снагом. Основни елемент свих алата за обраду скидањем струготине је клин. Он својим врхом захвати материјал и одваја му ситне делове материјала (струготину) или га само дели (сече, раздваја). То зависи од смеру улаза клина у материјал.

Обрада спајањем

Обрада спајањем је начин обраде код којег се жељени производ добије спајањем два или више делова у једну целину (заваривање, лепљење, меко и тврдо лемљење, спајање вијцима, заковицама).

Заваривање

Заваривање је спајање два или више, истородних или разнородних материјала, топљењем или притиском, са или без додавања додатног материјала, на начин да се добије хомогени заварени спој. Заваривање је друкчије од лемљења, а то је спајање топљењем легуре с нижом тачком топљења од материјала предмета који се спајају.

Различити извори енергије се могу користити за заваривање, као што је млаз врућих гасова (плински пламен или млаз плазме), електрични лук, ток наелектрисаних честица (млаз електрона или јона у вакууму), токови зрачења (ласер), електрична струја (електроотпорно заваривање), трење, ултразвук и сл. Заваривање се може обављати у радионици, на отвореном простору, у води или у свемиру.

Све до краја 19-тог века, једино је било познато ковачко заваривање, с којим су ковачи вековима спајали жељезо и челик грејањем и ударањем чекића. Електролучно заваривање и плинско заваривање кисеоником су били међу првим процесима који су се развили у 20-том веку. Након тога су се развили многи процеси, али међу најзаступљенијим је постало електролучно заваривање са тапиоцем обложеном електродом.^[9]

Обрада заштите материјала

Обрада заштите материјала је начин обраде код којег се на обрадак наноси материјал у сврху повећања квалитета производа (антикорозивна заштита, метализација, елоксирање, брунирање, хромирање, бојење, пластификација).^[10]

Заштита метала

Иако су метали на први поглед чврсти и несаломљиви, они хемијски реагирају са околином, у којој се налазе и постепено пропадају. На њих делује киша, Сунце, ветар, мраз, смог, сол. Корозија је најнегативнији утицај околине на конструкцијске метале због спољашњих механичких, хемијских или биолошких утицајних чиниоца. На спречавање корозије у развијеном свету се троши око 1000 $ по становнику (подаци према истраживањима у САД 2003).

Корозијом се на научни начин први почео бавити Михаил Васиљевич Ломоносов, руски научник још 1756. Утемељитељ је Московског универзитета, које и данас носи његово име. Корозија се дели на хемијску, физичку, биолошку, електричну и сложену корозију. За корозију постоје различити спољашњи и унутрашњи чиниоци. Најважнији чиниоци су кисеоник и температура, док су такође утицајни влага, садржај соли, садржај растворених гасова, pH вредност, брзина струјања флуида, механичка деловања, притисак, светлост, деловање живих организама (гљивице, плесни, алге, микроорганизми), галванске струје. Корозија се према облику може поделити на општу, локалну, селективну или интеркристалну корозију. Брзина и ток корозије зависе од метала и његовој структури, од стања површине (глатке и чисте површине мање кородирају), напетости и напрезањима у металу, легирајућим компонентама, повишеној температури.

Неки метали развијају у додиру с околином заштитни слој: Бакар позелени или посмеђи, сребро, алуминијум, никал и месинг потамне. Тиме направе тврду кору оксидног слоја која штити од даљњег пропадања метала. Метали који се не могу сами заштитити морају се заштитити на неке до следећих начина:

Заштита превлакама или премазима. Металне превлаке имају галванско деловање и то су поступци поцинкавања, елоксирања, брунирања. Заштитни премази су једнокомпонентни или двокомпонентни, а зависе од врсте везива, пигмента, боје, пунила или отапала.
Анодна заштита је заштита с племенитијим металом, може основни метал превести у пасивно стање (челици, нерђајући челици, алуминијумске, хромне и титанијумске легуре). Одржавањем пасивног слоја основни је метал заштићен од даљњег развоја корозијског процеса. Пример је анодна заштита челичног спремника за 99% сумпорну киселину (катода је угљеникова електрода).
Катодна заштита је техника заштите метала од корозије, чији је основни принцип поларизација металне конструкције на потенцијал код којег процес отапања метала престаје или се одвија прихватљиво малом брзином. Катоде могу бити алуминијске, цинкове и магнезијумске легуре за заштиту челика. За заштиту бакра користе се жељезне катоде.
Заштита инхибиторима је заштита материјама које додате у корозијску околину смањују брзину корозије до технолошки прихватљивих износа, а додају се повремено или стално у затворене системе (у изузетним случајевима у отворене системе). Премаз делује тако да створи кору која успорава корозију. Осим заштите метала од пропадања, антикорозивна обрада може имати и велики удео у естетици самог производа.

Обрада променом својстава

Обрада променом својстава је начин обраде метала када се обратку мења структура, а тиме и његова својства (топлотна обрада као каљење, нормализација, цементирање).

Топлотна обрада

Топлотна обрада је поступак деловања температуре на материјал у сврху мењања његове микроструктуре и тиме мењања његових својстава. Топлотно се обрађују најчешће челици, али неретко и други метали, те керамике (стакло). Најчешћи разлози за топлотну обраду челика су очвршћивање (повећање механичких својстава, посебно затезне чврстоће), повећање жилавости, повећање дуктилности и могућности преобликовања, смањење унутрашњих напрезања, припрема за обраду резањем.

Топлотна обрада се обавља:

пре обликовања комада пластичном деформацијом и одвајањем струготине, да би метал омекшао,
после обликовања комада, да би се уклонила заостала напрезања,
завршно, за постизање коначне чврстоће и тврдоће производа.

Топлотна обрада челика темељи се на еутектоидној реакцији распада аустенита на ферит и цементит. Зависно од поступка топлотне обраде мењају се начин распада аустенита, односно физичка и механичка својства челика. Због тога свака топлотна обрада захтева најпре добијање аустенита. Аустенитизација се састоји у добијању хомогеног аустенита загревањем челика на температуру мало изнад линије А₁ код еутектоидног састава или А₃ код подеутектоидног и А_цм код надеутектоидног састава. Температура аустенитизације може се снизити додатком легирајућих елемената, као што су манган или никал. Остале топлотне обраде служе углавном за уклањање последица хладне деформације и добијање мекше структуре.^[11]

Референце

^ Метал сцулптурес http://www.janetgoldner.com
^ „Стеампунк Метал Сцулптурес”. Архивирано из оригинала 7. 7. 2015. г. Приступљено 30. 8. 2012.
^ Хессе, Раyнер, W. (2007). Јеwелрyмакинг тхроугх Хисторy: ан Енцyцлопедиа. Греенwоод Публисхинг Гроуп. п. 56. ISBN 978-0-313-33507-5.
^ Кеоке, Еморy Деан; Портерфиелд, Каy Марие (2002). Енцyцлопедиа оф Америцан Индиан Цонтрибутионс то тхе Wорлд: 15,000 Yеарс оф Инвентионс анд Инноватионс. Инфобасе Публисхинг. стр. 14. ИСБН 978-1-4381-0990-9. Приступљено 8. 7. 2012.
^ "Техничка енциклопедија", главни уредник Хрвоје Пожар, Графички завод Хрватске, 1987.
^ "Љеварство" Архивирано на сајту Wayback Machine (13. мај 2018), www.фсб.унизг.хр, 2011.
^ "Обрада материјала II"^{[мртва веза]}, дипл. инг. стројарства Иво Сладе, www.цнт.тесла.хр, 2012.
^ "Алатни стројеви I"^{[мртва веза]}, дипл. инг. стројарства Иво Сладе, www.цнт.тесла.хр, 2012.
^ Стројарски факултет Архивирано на сајту Wayback Machine (20. јул 2007) у Славонском Броду, 2012.
^ "Стројарски приручник", Бојан Краут, Техничка књига Загреб 2009.
^ "Физикална металургија I" Архивирано на сајту Wayback Machine (4. јул 2014), др.сц. Тања Матковић, др.сц. Проспер Матковић, www.симет.унизг.хр, 2011.

Спољашње везе

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 metalworking published by Institut für den Wissenschaftlichen Film. Available in the AV-Portal of the German National Library of Science and Technology

[1] Метал сцулптурес http://www.janetgoldner.com

[2] „Стеампунк Метал Сцулптурес”. Архивирано из оригинала 7. 7. 2015. г. Приступљено 30. 8. 2012.

[3] Хессе, Раyнер, W. (2007). Јеwелрyмакинг тхроугх Хисторy: ан Енцyцлопедиа. Греенwоод Публисхинг Гроуп. п. 56. ISBN 978-0-313-33507-5.

[4] Кеоке, Еморy Деан; Портерфиелд, Каy Марие (2002). Енцyцлопедиа оф Америцан Индиан Цонтрибутионс то тхе Wорлд: 15,000 Yеарс оф Инвентионс анд Инноватионс. Инфобасе Публисхинг. стр. 14. ИСБН 978-1-4381-0990-9. Приступљено 8. 7. 2012.

[5] "Техничка енциклопедија", главни уредник Хрвоје Пожар, Графички завод Хрватске, 1987.

[6] "Љеварство" Архивирано на сајту Wayback Machine (13. мај 2018), www.фсб.унизг.хр, 2011.

[7] "Обрада материјала II"^{[мртва веза]}, дипл. инг. стројарства Иво Сладе, www.цнт.тесла.хр, 2012.

[8] "Алатни стројеви I"^{[мртва веза]}, дипл. инг. стројарства Иво Сладе, www.цнт.тесла.хр, 2012.

[9] Стројарски факултет Архивирано на сајту Wayback Machine (20. јул 2007) у Славонском Броду, 2012.

[10] "Стројарски приручник", Бојан Краут, Техничка књига Загреб 2009.

[11] "Физикална металургија I" Архивирано на сајту Wayback Machine (4. јул 2014), др.сц. Тања Матковић, др.сц. Проспер Матковић, www.симет.унизг.хр, 2011.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]