WYDZIAŁY POŁITECHMICZNE KRAKÓW

■■

sm

BIBLIOTEKA SŁOWNA

inw.

**Uk/d

S:Sg::i

3$ WiSft-iSnfiiifeBWH.la .M

S «IIW f¹

8 wspięła i;

1 iHM

Biblioteka Politechniki Krakowskiej

00000231326

■

/

V

■

>

■

*

.

• <;

■

i    v

.

. / :

■

ł

%

0

♦

STANISŁAW ANCZYC

PROFESOR POLITECHNIKI LWOWSKIEJ

ŻELAZO

WYDANIE DRUGIE

GUBRYNOWICZ I SYN WE LWOWIE

Wszelkie prawa przedruku i przekładu zastrzeżone

BIBLIOTEKA POUTECKKIfiZftl

KRAKÓW

UÓ33

KRAKÓW — DRUK W. L. ANCZYCA I SPÓŁKI

Przedmowa do pierwszego wydania.

Żelazo jest metalem tak bardzo w swych własnościach zmiennym, tak zależnym od składu chemicznego oraz procesów obrób-czych mechanicznych i termicznych, że dla jego racjonalnej przeróbki przemysłowej znajomość dokładna tych własności i zrozumienie zachodzących zmian jest sprawą największej doniosłości.

Celem niniejszej pracy, który był, w zakresie szczuplejszym, wytyczną mojego » Wykładu technologji metalk, jest przedstawienie i omówienie żelaza jako materjału, w rozmaitych stadjach przeróbki, — synteza jak najszersza wszystkiego, co o niem technolog powinien wiedzieć.

Ponieważ skład chemiczny i własności swoje otrzymuje żelazo w procesach hutniczych, zmiany zaś różnorodne wynosi z procesów technologicznych, było konieczne, dla zrozumienia rzeczy, omówienie zasady zarówno procesów hutniczych jako wytwórczych, jak i procesów późniejszego obrabiania — zaniechano natomiast opisu przebiegu technicznego tych czynności.

Przedmowa do drugiego wydania.

Niedługi przedział czasu od pierwszego wydania nie wykazał głębiej sięgających zmian w badaniach nad żelazem i jego przeróbką.

Mając w opracowaniu inną rzecz i nie mogąc natychmiast zająć się nową redakcją książki, wydaję ją, dla uniknięcia zwłoki, bez zmiany.

St. Anczijc.

Oznaczenia i skrócenia stosowane w tekście.

Kz = wytrzymałość materjału na rozciąganie przy rozerwaniu.

<p = wydłużenie procentowe materjału przy próbie na rozerwanie. Z = zwężenie procentowe próby przy rozerwaniu.

<Tf = granica plastyczności.

= mikron = 0.001 mm. at = atmosfera.

x = powiększenie obrazu, np. x 100 oznacza powiększenie stokfótne. n. w. = naturalna wielkość.

Temperatura rozumiana w stopniach Cełsiusa.

Skrócenia lub nazwy podane pod rysunkami są te same, jakich użyto w zestawieniu literatury, umieszczoncm na końcu książki.

1. Wstępne wiadomości o metalach.

Metale czyste. Z metalami chemicznie czystemi rzadko spotykamy się w przemyśle, zazwyczaj zawierają one pewne przymieszki naturalne, pochodzące^ albo z surowca, z którego wyrobiono metal, albo z procesów stosowanych przy wyrobie. Przymieszki te zwane zanieczyszczeniami, wpływają nieraz doniosłe na zmianę własności metali, w stosunku do zawartości w jakiej występują. 0 ile zanieczyszczenia te zostaną usunięte do możliwie małych granic, jakie dopuszcza stosowany proces wyrobu, otrzymujemy metal technicznie czysty, o własnościach więcej lub mniej zbliżonych do metalu chemicznie czystego.

Z powodu większych trudności otrzymania metalu w stanie czystym niż zanieczyszczonym, choćby w małym stopniu, wzrasta cena metalu w stosunku do wymagań ograniczających zawartość zanieczyszczeń.

Od metali czystych odróżnić należy stopy, w których dwa (lub więcej) metale (a także metaloidy) stapiamy ze sobą, względnie do jednego dodajemy innych, choćby w bardzo małej ilości, jednakże celowo, nie przypadkowo; przymieszki te są w tym wypadku jl o d^aj k a m i umyślnemi a nie zanieczyszczenia mi.

Różne fizyczne własności metali mają dla procesów przeróbki i dla wyrobów gotowych znaczenie niejednakowe, jedne z nich są czynnikiem rozstrzygającym i warunkującym zastosowanie materjału do pewnych celów (np. wytrzymałość, twardość), inne mają doniosłe znaczenie dla przeróbki technologicznej (np. topliwość, ciągliwość), inne wreszcie pełnią rolę pomocniczą, ułatwiającą ich rozpoznanie, nadzór w ruchu maszyn

Żelazo.

itp. (np. barwa, połysk). Rozpatrzymy te z nich, które dla praktycznego zastosowania metali a przedewszystkiem żelaza mają znaczenie.

Wytrzymałość daje materjałom odporność na działanie sił występujących w konstrukcjach, maszynach, narzędziach i innych przedmiotach użytkowych, i jest głównym, choć nie jedynym, czynnikiem, stanowiącym o wymiarach danego wyrobu. Znając natężenie tj. obciążenie, jakie na jednostkę powierzchni (np. na cm² lub mm²) znosi materjał, i znając siły mające działać na przedmiot, możemy obliczyć przekrój tego przedmiotu w miejscu obciążonem. Wielkość natężeń jakie mogą działać na materjał, zależy od stopnia odkształcenia, dopuszczalnego dla materjału.

Wytrzymałość czystych metali jest stosunkowo niska, i wskutek tego rzadko bywają używane do konstrukcyj, — korzystniej przedstawiają się pod tym względem stopy.

Wytrzymałość określamy natężeniem wywarłem w kilogramach na każdy centymetr lub milimetr powierzchni obciążonego przekroju (kg/cm² wzgl. kg/mm²).

Ciągliwość. Metale poddane działaniu sił wywołujących natężenia, doznają po przekroczeniu granicy sprężystości odkształceń trwałych, które bywają nieraz bardzo znaczne, zanim nastąpi przekroczenie wytrzymałości materjału i złamanie. Powodem tych odkształceń jest ciągliwość (plastyczność) metalu, który dzięki niej daje się wydłużać, zginać, wogóle formować i przekształcać. Jest to własność metali doniosła przedewszystkiem dla ich przeróbki sposobami kuźniczemi, ale także dla konstrukcyj, zwłaszcza części maszyn, zabezpiecza je bowiem w razie przekroczenia natężeń dopuszczalnych od nagłego złamania, bardzo niebezpiecznego dla całości maszyny i jej otoczenia. Metale czyste posiadają zazwyczaj znaczną ciągliwość.

Rozgrzanie wpływa często na zmianę plastyczności, — jedne materjały stają się przy podwyższeniu temperatury cią-gliwemi, inne kruchemi; zmiany takie zachodzić mogą u tego samego metalu w obrębie pewnych temperatur. Tak np. cynk, kruchy przy temperaturze normalnej, staje się powyżej 100° bardzo plastycznym; powyżej zaś 200° jest tak kruchy, że się daje tłuc na proszek.

Ciągliwość określamy wydłużeniem procent o-

twardość. Te dwie przeciwne własności mają w przeróbce metali czasem dodatnie, czasem ujemne znaczenie. Jeżeli z materjału wykonane jest narzędzie do obrabiania lub gdy powierzchnia przedmiotu ma być odporna na zużycie mechaniczne, pożądane jest aby materjał był twardy; natomiast gdy chodzi o obrabianie wykonanych z niego przedmiotów, korzystne jest, gdy jest miękki. Czyste metale mają zwykle małą twardość.

wem (®), jakiemu ulega badana próbka materjału, gdy ją rozciągamy aż do rozerwania. W ten sposób wydłużenie oznaczone jest zawsze w związku z wytrzymałością; — służy do tego wykres rozciągania, omówiony w rozdziale o badaniu materjałów.

Miękkość

Twardość badamy różnemi sposobami, opisanemi w rozdziale o badaniu materjałów.

Topliwość. W odlewnictwie, procesie przeróbki, w którym wytwarza się wymagany kształt przez stopienie metalu i wlanie go w płynnym stanie w formę, jest topliwość metalu i jego zachowanie się w czasie płynności i tężenia, rzeczą niezmiernie ważną. Materjały o wysokiej temperaturze topliwości i znacznem cieple płynności, wymagają do stopienia wielkiej ilości paliwa, pieców wytrzymujących długo trwające i wysokie ogrzanie a także form wystarczająco ogniotrwałych. Im wyższa jest temperatura stopionego metalu, tern więcej pochłania on i rozpuszcza w sobie gazów, a wydziela je podczas tężenia, co utrudnia wykonanie odlewu; jego większy współczynnik kurczenia się w czasie stygnięcia wywołuje kurczenie się krzepnącego i stygnącego odlewu, powodując n a-prężenia dla odlewu niebezpieczne, ponadto metal łatwiej ulega utleniającemu działaniu powietrza.

Za niska temperatura topliwości może być natomiast powodem topienia się metalu pod wpływem ciepła wywołanego przez tarcie, jak się to dzieje w łożyskach wylewanych łatwo topliwymi stopami cyny, ołowiu itp.

Duże znaczenie ma dla metali odlewanych tz. rzadko-płynność, bo wtedy stopiony materjał wypełnia dokładnie wszystkie, nawet bardzo wąskie części formy, natomiast metal gęstopłynny nie dopfywa do takich miejsc, uniemożliwiając udanie się odlewu. Czyste metale posiadają zazwyczaj

wyższy punkt topliwości niż ich stopy, rozpuszczają łatwiej gazy i nie są dość rzadkopłynne.

na

Temperatury krytyczne. Metal przechodząc ze stanu stałego w płynny, zużywa na zmianę stanu skupienia pewną ilość ciepła, tz. ciepło topienia (płynności) a tężejąc wydziela je, przyczem ciepło pochłonięte lub wydzielone nie wpływa zmianę temperatury metalu. Temperatury, przy których odbywa się ten proces zowią się krytycznemi (przełomo-wemi); odgrywają one ważną rolę przy badaniu własności metali i stopów. Ten sam objaw towarzyszy przejściu metalu w stan lotny i naodwrót, jest on jednak bez znaczenia dla procesów przeróbki większości metali a zwłaszcza żelaza.

Alotropowość. Niektóre metale występują zależnie od zmian temperatury, w dwu lub więcej postaciach alotropo-wych. Jedna z nich jest zwykła, właściwa metalowi w warunkach jego zastosowania, inne występują w warunkach od normalnych odrębnych. Czasami postacie alotropowe tego samego metalu są zupełnie różne od siebie, np. cyna metaliczna i cyna szara, mająca postać szarego proszku bez zwykłych cech metalu.

Zmianom alotropowym towarzyszy zwykle wydzielanie lub pochłanianie ciepła i inne zjawiska fizyczne, podobnie jak podczas przejścia w inny stan skupienia, dlatego temperatury, przy których odbywają się te zmiany, zalicza się również do krytycznych. Poszczególne odmiany alotropowe oznacza się greckiemi literami a, 3, Y itd.

Ziarnistość. Metal każdy i stop krzepnąc tworzy kryształy o wielkości 'i liczbie zależnej od prędkości tężenia i ilości ośrodków (zarodków), około których kryształy się formują. Gdy tężenie jest szybkie, kryształy utworzone około wielu zarodków są liczniejsze ale drobniejsze, przy powolnem kryształy łączą się ze sobą i są mniej liczne ale zato większe. Proces swobodnej krystalizacji trwa tak długo, pokąd, przy coraz dalej postępującem tężeniu, kryształy nie wypełnią całej przez metal zajętej przestrzeni; powstaje wtedy przeszkoda w dalszym swobodnym rozwoju, bo kryształy zetknąwszy się, przeszkadzają sobie nawzajem w regularnem wzroście, odpowiadającym ich ustrojowi (systemowi) krystalicznemu. Zetknięcia nie pozwalają przybrać właściwej im postaci krystalicznej (jak się to dzieje np. z solami w roztworach wodnych), ale taką, na jaką pozwala przestrzeń otoczona kryształami sąsiedniemi, i ostatecznie otrzymują postać nieregularnych wielościanów, tz. krystalit ó w, rozmaitego kształtu i wielkości. Rys. 1 przedstawia obrazowo trzy ośrodki; około nich kryształy rozmaicie zorjentowane rozrastają się aż do wzajemnego zetknięcia na powierzchni, których ślady przecięcia wyobrażają grube li uje.

Rys. 1.

Na rys. 2 widzimy takie stopniowe tworzenie się krystalitów. Trzy zarodki rozrastają się w stopionym metalu z początku swobodnie (A) aż do chwili, gdy ich powierzchnie zetkną się ze sobą (B); dalsze tężenie odbywa się około wytworzonych ośrodków, i powierzchnie ich pierwszego zetknięcia stają się ostatecznemi granicami (C).

JL

"'f-

‘i" *:

yjCj

<4s:,S

Rys. 2. (Ferrum).

W praktyce taką budowę określa się jako ziarnistą, nazywając poszczególne, w ten sposób powstałe krystality, ziarnami. Metal wykrystalizowany w duże ziarna zwie się gruboziarnistym, w przeciwieństwie do drobnoziarnistego, o ziarnach małych.

Ziarna wkutek nacisku wywołanego krystalizacją wykazują tak wielką adhezję, że przy rozerwaniu przedmiotu metalowego wskutek działania sił wewnętrznych, pęknięcia mają najczęściej przebieg nie po powierzchniach zetknięcia się ziarn, ale przez ich wnętrze w kierunku płaszczyzn krystalicznych najmniejszego oporu. To tłomaczy objaw, dlaczego materjał drobnoziarnisty, posiadający w sumie wielką

powierzchnię zetknięcia się ziarn, jest więcej wytrzymały, zwłaszcza na uderzenia, niż gruboziarnisty.

O ile w metalu płynnym znajdowały się zanieczyszczenia, wydzielające się z niego w czasie tężenia, to wydzielania te osadzając się między ziarnami, osłabiają ich adhezję a przez to ułatwiają pękanie nie przez środek ziarn, ale na powierzchni ich zetknięcia.

Poszczególne ziarna lub ich grupy doją się w badaniu mi-kroskopowem odróżnić różnym stopniem jasności względnie zaciemnienia pól i odmiennym rysunkiem, występującym na tych polach co schematycznie według Czochralskiego²⁹) wyjaśnia

K>

Rys. 3.

rys. 3. Powód leży w odmiennej orjentacji kryształów względem płaszczyzny przecięcia badanej próby i rozmaitej odporności powierzchni przekroju wobec odczynników jakiemi się

smt-

(y

Rys. 4. (Broniewski).

je wytrawia; wytrawione powierzchnie mają stosownie do położenia osi krystalitów elementy rozmaicie nachylone, wykazują przez to odmienny rysunek i odmiennie odbijają światło .Rys. 4.*) przedstawia obraz bardzo miękkiego żelaza o rozmaitem zaciemnieniu i zarysowaniu ziarn. Nierówna wielkość powierzchni ziarn w obrazie mikroskopowym ma powód nietylko w różnej ich rzeczywistej wielkości, ale

*) Rysunek wykonany jest według fotografji udzielonej przez prot. Broniewskiego.

i w miejscu, w którem zostały przecięte (w środku lub przy końcu).

Jeżeli metal stopiony tężeje bardzo wolno, krystalizacja postępuje głównie w kierunku osi krystalizacji, tworząc ustroje szkieletowe, przypominające gałązki drzew iglastych (rys. 2); budowę taką nazywamy choinkowatą lub dendrytyczną.

Ze względu na tworzenie się ziarn rozróżnia się dwojaką krystalizację metali: pierwotną, gdy kryształy powstają ze stopionego metalu podczas tężenia, — są to kryształy pierwotne, i wtórną, gdy krystalizacja odbywa się w stanie stałym, np. wskutek zmian alotropowych, wtedy powstają kryształy wtórne.

Naprężenia. Wskutek różnych działań fizycznych, jakim podlegają przedmioty metalowe, doznają one zmiany wymiarów pod wpływem sił występujących przy owych działaniach. Jeżeli przedmiot nie ma swobody zmiany kształtu pod działaniem sił lub działania nie są jednolite ale jednostronne, wtedy części nie podlegające działaniu stawiają opór złączonym z niemi częściom natężanym. Wskutek tego części te, zachowując swoje wymiary lub zmieniając je w mniejszej mierze niż to odpowiada wywartym na nie siłom, pozostają pod działaniem natężeń czyli są w stanie naprężenia.

Naprężenia powstają najczęściej wtedy, gdy części przedmiotu natężanego nie mogą przybrać tych wymiarów, jakie wywołują w nich zmiany temperatury (ogrzanie, ochłodzenie) lub procesy technologiczne (kucie, zgniatanie) wskutek tego, że inne części przedmiotu stale złączone z niemi a nie podlegające natężeniom, stawiają im opór. Naprężenia bywają najczęściej rozciągające lub ściskające, iw częściach przedmiotu nie będących pod działaniem sił również wywołują naprężenia ale o odwrotnym kierunku. Cały więc układ podlega naprężeniom a tylko ich wielkość i kierunek są różne.

Naprężenia bywają przemijające i trwałe, ich wielkość może nie przekraczać granicy sprężystości i powoduje odkształcenia przemijające, lub leżeć powyżej, powodując deformacje trwałe. Omówimy je kolejno.

Przedmiotem badań niech będzie beleczka metalową (Rys. 5. A) o długości Z którą jednostronnie, czy to od strony a czy b, czy też obustronnie możemy poddawać działaniu sił rozciągających albo ściskających. Jeżeli na nią od strony a działać będą siły rozciągające a od strony b ściskające, to pod działanieniem sił pierwszego rodzaju beleczka, gdyby mogła

poddać się swobodnie natężeniom, —przyjęłaby długość / -f- x, pod dzia-

__ łaniem drugich skróciłaby się do

_ długości l — y (rys. 5. B). Ponieważ jest ona jednak układem sztywnym, w którym części a i b

—    i są stale ze sobą złączone, to wo-

—    bec odmiennego kierunku obcią-

_jj żenią obu stron, beleczka dozna

/-y

Rys. 5.

—j jakiegoś wypadkowego, pośredniego odkształcenia o wielkości lu większego niż / — y a mniejszego

niż l -f- x; wskutek tego strona a nie mogąc się wydłużyć do l-\-x będzie pod działaniem naprężeń ściskających, strona b nie mogąc się skrócić na l — y dozna naprężeń rozciągających.

Takie działanie jak w powyższym symbolicznym przykładzie, wywołują w częściach maszyn, dźwigarach i innych układach — obciążenia, złączenia (śrubowe, nitowe), nacisk mechaniczny (prasa, walce), działanie zmiennej temperatury, obróbka mechaniczna itp.

Skutek wywołanych w materjale naprężeń może być

rozmaity:

1. Jeżeli natężenia wywołane działaniem czynników zewnętrznych nie przekraczają granicy sprężystości materjału, to naprężenia będą trwały tak długo, pokąd będzie istniało ich źródło tj. sity zewnętrzne; skoro one znikną, układ wróci do równowagi i nie pozostaną w nim żadne naprężenia. Taki wypadek zajdzie z belką metalową, jeżeli ją w górnej warstwie ogrzejemy do temperatury, w której metal jest jeszcze w stanie elastycznym np. żelazo poniżej 500°. Podczas ogrzania wystąpią w części ogrzanej naprężenia ściskające, w nieogrzanej rozciągające; skoro temperatura wyrówna się po obu stronach, natężenia znikną, a po zupełnem ostudzeniu, również ich nie będzie.

Podobny wypadek naprężeń istniejących tylko podczas działania sił, przedstawiają połączenia śrubowe, gdzie śruba w miejscach skręcenia wywoła naprężenia ściskające, sama zaś doznawać będzie rozciągających. Po rozśrubowaniu połączenia naprężenia znikną.

2.    Jeżeli naprężenia w beleczce przekroczą granicę sprężystości, wtedy pod ich działaniem nastąpi trwałe odkształcenie, naprężenia znikną i po ustaniu działania sił zewnętrznych nie objawią się, jednakże wskutek plastycznego odkształcenia wymiary belki będą zmienione odpowiednio do działania sił.

Taki stan wywołać można, ściskając (np. w imadle) jednostronnie sztabkę stalową i następnie rozgrzewając ją w tym stanie do plastyczności (ponad 600°). Rozciągające i ściskające naprężenia, wywołane naciskiem, powodują po rozżarzeniu belki plastyczne odkształcenie i wyrównanie naprężeń, — po ostygnięciu belka będzie wolna od naprężeń.

3.    Jeżeli natężenia w jednej warstwie przekroczą granice sprężystości a w drugiej nie, wtedy w pierwszej warstwie nastąpi odkształcenie trwałe (wydłużenie lub skrócenie), pozostające po ustaniu natężeń; w warstwie drugiej, gdzie natężenia pozostały poniżej granicy sprężystości, odkształcenie zniknie. Ponieważ wskutek oddziaływania wzajemnego trwale ze sobą złączonych warstw, każda z nich będzie dążyła do przyjęcia odpowiadającej jej długości, odmiennej niż druga, beleczka otrzyma pewną długość wypadkową (jak na rys. 5 B), a w obu warstwach pozostaną trwałe naprężenia, w jednej rozciągające, w drugiej ściskające.

Jest to wypadek dla układu najbardziej niebezpieczny i może mieć następujące skutki:

a.    Jeżeli naprężenie jest tak wielkie, że przywyższa w}r-trzymałość materjału, następuje pęknięcie, zazwyczaj po stronie natężanej na rozciąganie; przez pęknięcie natężenia doznają wyrównania, ale kosztem zniszczenia przedmiotu. Wypadki takie zachodzą przy stygnięciu odlewów.

b.    Jeżeli przedmiot jest dość elastyczny, to pod działaniem naprężeń rozciągających po jednej stronie a ściskających po drugiej, nastąpi jego wygięcie z wyrównaniem naprężeń, bo strona rozciągana wydłuży się, ściskana skróci; w przedmiocie wygiętym strona wypukła (dłuższa) jest tą

c. Jeżeli naprężenie nie przekracza wytrzymałości ma-terjału, wtedy nie następuje pęknięcie ani wygięcie, ale w układzie pozostają trwale naprężenia, zrównoważone wytrzymałością materjału. Skoro jakaś zewnętrzna przyczyna wywoła dodatkowe natężenie, sumujące się z naprężeniem ukry-tem w układzie, i suma obu przekroczy wytrzymałość materjału, nastąpi pęknięcie, często nagłe, o charakterze wybuchu. Takie dodatkowe naprężenie wywołać może jednostronne ogrzanie lub oziębienie jakiejś części przedmiotu, wstrząśnie-nie lub uderzenie, natężenie wskutek działania sił zewnętrznych (np. gdy maszyna pracuje), zmniejszenie natężonego przekroju wskutek obróbki przez skrawanie itp.

częścią, w której działały naprężenia rozciągające, część wklęsła (krótsza) podlegała ściskaniu. Takie objawy zdarzają się w odlewnictwie, podlega im także drzewo, pacząc się, tj. wyginając wskutek niejednostajnego kurczenia się w czasie wysychania.

Karb i jego działanie. Powodem pęknięć pod działaniem sił na układ a zwłaszcza gdy w nim istnieją naprężenia, bywa bardzo często działanie karbu (Heyn<i3), tj. wcięcia utworzonego umyślnie lub przypadkowo na powierzchni przedmiotu; znany jest sposób ucinania żelaza przez kowali, którzy

_ naciąwszy je płytko dłutem lub

Rys. 6.

we

pilnikiem (rys. 6.) łamią je silnem uderzeniem w miejscu naciętem, bez czego nawet kilkakrotne J uderzenie nie zdołałoby spowodować złamania lecz tylko wygięcie i zdeformowanie. Powodem łatwego złamania jest umiejscowione w karbie, bardzo znaczne i, z powodu małej jego powierzchni, zwiększone natężenie, o wiele większe niż w miejscach gładkich, gdzie działająca siła rozkłada się na znacznie większą powierzchnię. Skutkiem tego wydłużenie spowodowane działaniem sił jest włóknach położonych na dnie karbu wielokrotnie większe niż we włóknach gładkiej części powierzchni, co łatwo powoduje rozerwanie ich a więc złamania przedmiotu. Kształt karbu wykonanego celowo może być rozmaity (rys. 7 a—d),

a więc trójkątny z ostrem wcięciem, czworoboczny, okrągły o różnym promieniu krzywizny itp. Im karb jest ostrzejszy, tern naprężenia są w nim większe, im tępszy — mniejsze. Z nielicznych na tern polu prac zasługują na uwagę badania Preussa ul), wykonane a działaniem sił P na probierkach kształtu podanego na rys. 8., przyczem wklęsłość A b przedstawia karb położony po przeciwległej stronie naroża B. Wklęsłość miała c różne kształty: kąta prostego (jak na rysunku) lub łuków, raz o promieniu 15, drugi raz 35 mm. Wyznaczone pomiarami dla tych trzech kształtów karbu natężenia miały się do siebie jak 6:1 *5:1, i w pierwszym wypadku (kąt prosty, pro- e mień = 0) przekraczały wielokrotnie granicę wytrzymałości materjału. Taki ostry karb przedstawiają zwykłe przypadkowe pęknięcia, powodujące dalsze pękanie i zniszczenie przedmiotu, podczas gdy wcięcia mniej ostre o wiele mniej są niebezpieczne. Wiadomo że w pękniętych przedmiotach metalowych (np. w dzwonach) zapobiega się dalszemu pękaniu przez wywiercenie otworu na granicy pęknięcia, przez co bardzo ostry karb zamienia się na łagodny i tern samem mniej niebezpieczny.

vy

Rys. 7.

Rys. 8.

Pewne części maszyn wywołują swoim kształtem działanie karbu np. wały korbowe, których schemat przedstawia rys. 7 e, gdzie wszystkie wcięcia przedstawiają karby; im wcięcia są ostrzejsze, tern większe są występujące w nich natężenia, dlatego konstruktor zaokrągla je w mniej lub więcej tępe przeguby. Niekorzystne dla materjału działanie karbu objawia się o wiele dotkliwiej przy nagle występujących obciążeniach (uderzeniach, wstrząśnieniach) niż podczas spokojnego natężenia. Dlatego chcąc zbadać odporność metalu przeznaczonego na konstrukcje podlegające tego rodzaju działaniom (np. na wały korbowe), należy go badać pod wzglę-

Zachowanie się metali wobec procesów obróbczych. Nadawanie materjałom wymaganych kształtów powoduje potrzebę przeprowadzenia pewnych procesów techno-logicz-nych jak odlewanie, kucie, tłoczenie, walcowanie, wyciąganie, przecinanie i t. d. Procesy te wymagają jużto stopienia materjału, jużto rozgrzania w stopniu silniejszym lub słabszym, albo są wykonane w temperaturze normalnej. We wszystkich procesach materjał podlegać może zasadniczo dwom działaniom, wywierającym wpływ na jego ustrój i własności: 1. działaniu temperatury o różnej wysokości, 2. działaniu n a-cisku mechanicznego; mogą one być stosowane z osobna lub razem.

dem wytrzymałości na uderzenie, z zastosowaniem karbu ¹).

Znaczenie owych podstawowych dwóch procesów obróbczych będzie wyjaśnione i omówione przy odnośnych procesach technologicznycznych w zastosowaniu do żelaza.

2. Stopy metali i ich własności.

Metale czyste, jakkolwiek stosowane do wielu celów, zwłaszcza tam, gdzie ich ciągliwość i miękkość dają się użyć korzystnie, nie przedstawiają jednak takich zalet mechanicznych, któreby pozwoliły używać ich wydatnie do konstrukcyj. Natomiast można je stosować korzystnie w stopach, bo dodatek, często bardzo mały, innego metalu lub składnika niemetalicznego podnosi wr pożądany sposób pewne mechaniczne własności metalu. Tą drogą otrzymuje się materjały o znakomitych a różnorodnych własnościach, stosowane obszernie w przemyśle wogóle a szczególnie w budowie maszyn. Materjały w ten sposób wytworzone nazywamy stopami, gdyż wyrabia się je, stapiając ze sobą metale. W jaki sposób odbywa się zjednoczenie metali w stopie, zależy to od właściwości składników a przedewszystkiem od ich wzajemnej rozpuszczalności, tak w stanie stopionym jak stałym. Jedne metale (np. ołów i cyna), — i tych jest najwięcej, rozpuszczają się w sobie zupełnie w stanie płynnym, tworząc jednolite, płynne roztwory. Inne (np. ołów i cynk) stopione rozpuszczają się w sobie tylko częściowo, dzieląc się podług ciężaru gatunkowego, przyczem jednak dolna warstwa cięższego metalu zawiera pewną ilość lżejszego, a górna lżejszego zachowuje w roztworze pewną ilość cięższego. Inne wreszcie metale (np. ołów i żelazo) w stanie płynnym wcale nie są w sobie rozpuszczalne i dzielą się według ciężaru na dwie odrębne warstwy.

Ponieważ jest rzeczą konieczną zarówno dla przeróbki iak i gotowego wyrobu, aby składniki po stopieniu tworzyły płyn jednolity, oczywiste jest, że stopy metali w stanie płyn-

nym zupełnie w sobie lub choćby tylko częściowo nierozpuszczalne, nie mogą mieć praktycznego zastosowania. Mówiąc o stopach i icli przeróbce, możemy mieć na myśli tylko pierwszy rodzaj t. j. stopy będące w stanie płynnym roztworami składających je metali.

Rozpuszczalność wzajemna metali nie jest zawsze jednakowa ale zależy od ciśnienia i temperatury, i zmienia się ze zmianą tych czynników. Wskutek tego w jednych .topach metale pozostają po stężeniu w zupełnym roztworze i tworzą kryształy roztworu, inne pozostają we wzajemnym roztworze tylko w pewnym stosunku (tz. roztwory graniczne), wydzielając z roztworu przekraczającą ten stosunek nadwyżkę jednego składnika, inne wreszcie po stężeniu są w sobie nierozpuszczalne i tworzą stop będący mieszaniną kiyształów każdego składnika.

Ponieważ w przedmiotach użytkowych może być mowa prawie jedynie o zachowaniu się stężałych metali przy nor-malnem ciśnieniu atmosferycznem, przeto zmiany rozpuszczalności metali w sobie zależeć będą w tych warunkach tylko od zmian temperatury.

Metale mogą się rozpuszczać w sobie nietylko znajdując się w stanie płynnym ale także w stałym, gdy, będąc ze sobą w ścisłem zetknięciu, ogrzane do pewnej temperatury, stają się wzajemnie rozpuszczalne, i dyfundując w siebie, tworzą roztwory stałe o pewnym stosunku obu składników. Proces ten odbywa się nieraz ze znaczną szybkością, zależną od temperatury i długości oddziaływania wzajemnego.

Jest jeszcze jedna możliwość zachowania się metali względem siebie t. j. tworzenie się związków chemicznych, pojawiających się i zmieniających przy pewnym stosunku składników i przy pewnej temperaturze. Stop będący związkiem chemicznym ma tak samo krystaliczną budowę jak stop w postaci roztworu stałego, różni się jednak tem, że w związku chemicznym składniki kryształu są w stałym i niezmiennym stosunku atomowym, natomiast w roztworach stałych stosunek ten może się zmieniać w szerokich granicach.

Są więc trzy możliwości istnienia stopów stężałych w normalnej temperaturze, jako i 1) roztwory,

2)    mieszaniny,

3)    związki chemiczne.

Te trzy możliwości mogą zachodzić równorzędnie, tak, że w stopach, przy pewnym stosunku ilościowym składników i pewnej temperaturze, może istnieć roztwór stały, przy innym stosunku i innej temperaturze mieszanina odrębnych kryształów lub wreszcie chemiczny związek, — może też zachodzić kombinacja poszczególnych stanów.

Jasne jest wobec tego, że struktura stopów powstałych z tych samych składników, ale o różnej procentowej zawartości, może być zupełnie odmienna, odrębne ich własności fizyczne i chemiczne, i oba stopy tych samych metali stanowić będą materjały zupełnie odmienne. Dlatego teoretyczne badanie stopów, wyjaśniające bardzo nieraz zawikłane warunki ich budowy i zachowania się, mogło już niejednokrotnie wytłumaczyć objawy dla praktyka często zupełnie niezrozumiałe i rozwinąć tę gałęź metalurgji, polegającą dawniej na empirji a przez to nie postępującą i nie rozwijającą się.

4601

Ponieważ w niniejszej pracy zależy przedewszystkiem na zrozumiałem przedstawieniu spraw odnoszących się do żelaza i jego stopów, wybieramy z licznych możliwości tworzenia się stopów tylko te przykłady, które posłużą do zrozumienia rzeczy dotyczących żelaza, i na nich ograniczymy omawianie ogólnych własności stopów.

Analiza termiczna. Celem poznania własności metali i stopów ^ płynnych, tężejących i skrzepłych, g posługujemy się badaniem zwa- f *20 nem a n a 1 iz ą termie z n ą. Po- |m lega ona na tem, że pewną ilość ^ ^oo metalu (stopu) stapiamy i następnie    %%

oziębiamy, zapisując w równych    mo

a krótkich odstępach czasu jego temperaturę, i przedstawiając wykonane obserwacje zapomocą wykresu w układzie prostokątnym; na osi pionowej oznaczone są temperatury, na poziomej czas w sekundach. Przykład takiego badania przedstawia na rys. 9. przebieg tężenia roztopionego cynku.

Vt0

,b

JO .15 40

10    15    20

Sekundy

Rys. 9.

Cynk, stopiony w tyglu i ogrzany do 460°, po usunięciu źródła ciepła stygnie; co 5 sekund odczytuje się jego temperaturę, mierzoną np. zapomocą termoelementu, i oznacza ją w odpowiednim punkcie na papierze przygotowanym w sposób przedstawiony na rysunku. Jak długo metal jest płynny, spadek temperatury odbywa się jednostajnie; w chwili rozpoczynającego się tężenia tj. kiedy metal ostygł do temperatury krytycznej (419°), ustaje spadek temperatury, bo wyzwalające się ciepło płynności równoważy odpływ ciepła wskutek stygnięcia. Gdy krzepnięcie się skończyło, następuje dalszy spadek temperatury. Jeżeli zaznaczone punkty połączymy linjami ciągłemi [z pomocą inter- i extrapolacji], otrzymamy wykres składający się z dwóch krzywych spadających (ab i cd) będących wykresami stygnięcia metalu płynnego (ab) i stężałego (cd), i linji poziomej (bc), zwanej przystankiem, łączącej końce obu krzywych; jest to linja przystanku w czasie tężenia, czyli linja temperatury krytycznej (przełomowej).

Czasami wykres stygnięcia wykazuje nie jeden ale dwa i więcej przystanków, gdy tężejący metal podlega zmianom alotropowym.

Przebieg stygnięcia można badać używając urządzeń po-mocnicz3⁷ch nawet automatycznie działających i dających sposobem fotograficznym gotowy zupełny wykres (p. Broniewski ²⁰), Goerens ⁴²) i i.).

Badając termicznie stopy dwu metali, postępujemy tak samo; ponieważ jednak stosunek obu metali w stopie może być różny, zestawiamy wykres termiczny ogólny, obejmujący wszystkie stosunki składników a zbudowany na podstawie wykresów tężenia otrzymanych dla kilku lub kilkunastu stopów tych metali przy różnych procentowych zawartościach. Te zawartości mogą być rozumiane w stosunku ci ężarowym poszczególnych składników lub, dla pewnych celów, w stosunku ciężarów atomowych; do celów technologicznych posługujemy się zwykle stosunkami ciężarowemu i w dalszym ciągu tylko o takich stosunkach mówić będziemy.

Sposób wykonania wykresu termicznego z poszczególnych wykresów tężenia widzimy na rys. 10., przedstawiającym wykres tężenia stopów ołowiu z małemi ilościami srebra

Eamartość srpóra ni ‘/o

(do 4°/₀). Po lewej stronie rysunku znajdują się poszczególne wykresy tężenia stopów o zawartości 0, 1, 2, 25, 3 i 4°/₀ srebra, z przystankami stygnięcia 0, 0l5 0₂, Sx i S₂ w miejscach rozpoczynającego się, i el5 e₂ E, e₃, e4 kończącego się tężenia. Z tych temperatur zestawiono po prawej stronie 327 ogólny wykres złożony z załamanej 5 linji OES rozpo- |-czynającego się iE0 Es kończącego się stopów,

3501

MO

sr

s.

330

o'

5 520

-5

H---

,0

ol

___s.

Jsl

::rX

[O,

310

£ 30*1

300

V M lE l ^3 I Cl

290

1    % 2,5 3    9

Zawartość sreora w %

tężenia

Rys. 10.

przyczem obie linie stykają się w punkcie E. Na pionowej osi wykresu umieszczone są, tak samo jak po lewej stronie, temperatury, na osi poziomej zawartości procentowe srebra. Kreśląc na tak wykonanym wykresie dla pewnej zawartości jednego składnika w miejscu odpowiedniem linję pionową (np. linję a przy zawartości 0‘5°/₀ srebra), dowiadujemy się z przecięcia jej z wykresem przy jakiej temperaturze (a) stop ten zaczyna tężeć a przy jakiej (e) krzepnięcie się kończy. Powierzchnie przedzielone wykresem przedstawiają: ponad linjami OES stopy w stanie stopionym (płynne), pola OEE0 i SEEs stopy w stanie krzepnięcia, poniżej E₀ EES stopy stężałe

Wymienione poprzednio typowe rodzaje stopów możemy w opisany sposób przedstawić zapomocą wykresów termicznych.

l) Typowym przykładem stopów dwu metali rozpuszczalnych w sobie w każdym stosunku w stanie zarówno płynnym jak stałym, a więc po skrzepnięciu będących roztworami, są stopy złota i srebra; ich wykres termiczny (według Janeckego ⁴²) widzimy na rys. 11. Wykres stanowią dwie linję o przebiegu ciągłym: górna L [od łacińskiego słowa »liquidus« — płynny], przedstawiająca początek, i dolna S [od słowa »solidus« — stały], określająca koniec tężenia stopów. Obie schodzą się

Żelazo.

w punktach topliwości złota A (1064°) i srebra B (961°), rozchodząc się w przebiegu środkowym z powodu, że stopy odnośne nie tężeją przy stałej temperaturze ale między dwiema

granicami. Dzieje się tak dlatego, mimo że są to roztwory, ponieważ nasycenie ich nie jest jednakowe, i z początkiem tężenia wydzielają się kryształy stężałego roztworu więcej nasyconego składnikiem o wyższym punkcie topliwości (złoto),pozostawiając roztwór płynny o mniejszej ilości tego składnika, pokąd wreszcie stosunek obu metali w roztworze nie będzie laki, że roztwór skrzepnie. Powierzchnia zamknięta linjami L i S między punktami A i B przedstawia roztwory tężejące, składające się z kryształów roztworu stężałego i roztworu jeszcze płynnego o nasyceniach odpowiadających ich temperaturze. Powyżej linji L są stopy roztworami płyn nem i, poniżej linji S stałem i.

1061

Temperatura C*

II

961

10    20    30    10    50    60    70    50    90 .100

Zaiuar/oić srebra m '/•

Rys. 11.

Chcąc zbadać stop o pewnym składzie np. o zawartości 65°/₀ srebra, kreślimy na osi poziomej, w punkcie oznaczającym powyższą zawartość, prostą pionową R, przecinającą się z linjami L i S. Linje poziome pociągnięte od punktów przecięcia / i s do osi temperatur wskazują, że stop zaczyna tężeć tuż poniżej 1000° a około 980° jest już zupełnie skrzepły.

Przebieg krzywych wykresu tego rodzaju stopów nie zawsze jest taki jak na rysunku, gdzie krzywe mają położenie pośrednie między punktami topliwości obu składników stopu; niekiedy wykres wygina się ku dołowi lub ku górze, przedstawiając pewne minimum lub maximum temperatur, niższe wzgl. wyższe niż obu składników. U pewnych wreszcie stopów linje wznoszą się i opadają, tworząc przegięcie. Objawy takie

wskazują że stopy te, pomimo tak napozór jednolitego charakteru, posiadają własności nie będące wykładnikiem ich obustronnej procentowej zawartości. Odnosi się to nietylko do temperatury topliwości, ale i do innych własności fizycznych, ważnych w praktycznem zastosowaniu. I tak twardość stopów jest zazwyczaj wyższa niż metali składowych; np. twardość stopów złota i srebra, oznaczona przez zarysowanie (rozdz. 23), wynosi przy zawartości po 50°/₀ obu składników 107*1 podczas gdy twardość czystego złota jest 44‘5 a srebra 508 i należałoby oczekiwać, że powinna mieć wartość pośrednią 4765.

Wytrzymałość stopów jest również wyższa niż składników, przewodnictwo elektrycze, i ciągliwość mniejsze; stopy są bardziej kruche.

Ogólna budowa stopów tych jest jednolita, gdyż jako roztwory tworzą jednakowe kryształy (ziarna), podobnie jak czyste metale; ponieważ jednak, jak to wynika z wykresu, tężenie ich nie odbywa się przy stałej temperaturze ale w obrębie dwóch punktów, kryształki najpierw tężejące są bogatsze w jeden składnik, niż tężejące na końcu, gdyż narastając w czasie tężenia, mają skład zmieniający się od wnętrza ku powierzchni ziarna.

(2) Drugi przypadek tężenia stopów, gdy składniki, roz-

631

Temperatura C

8*3 8 £8

a.

IŁ

'O 1015    20    30    40    50    60 TO 80    90    100

2ćimar/ość antymonu w "/,

Rys. 12.

puszczalne w stanie płynnym, tracą rozpuszczalność przy tężeniu i wydzielają się z roztworu, przedstawia wykres termiczny rys. 12, wykonany dla stopów ołowiu i antymonu (według Gontermanna ⁴²). Wykres składa się z krzywych AE i EB i prostej CD; wszystkie linje stykają się w punkcie E leżącym na linji CD. Powyżej AEB stopy są płynne, w zakresie temperatur objętych polami AEC i BED odbywa się ich krzepnięcie, poniżej linji CED są stężałe. Stopy płynne są roztworami ołowiu i antymonu, a tężenie ich rozpoczyna się przy temperaturach oznaczonych linjami AEB, koniec tężenia wszystkich stopów określa pozioma linja CED (247°).

Rozważmy przebieg krzepnięcia jakiegokolwiek z tych stopów np. o zawartości 45°./₀ antymonu i 55°/₀ ołowiu. Poprowadziwszy na wykresie odpowiadającym tej zawartości prostą pionową, odczytamy w punkcie (a) przecięcia z linją EB temperaturę (463°) rozpoczynającego się tężenia tego stopu, w punkcie (b) przecięcia się z linją CD temperaturę (247°) kończącego się tężenia, — jak wiemy wspólną dla wszystkich tych stopów. Przebieg tężenia jest następujący: w punkcie a wskutek obniżenia temperatury zmniejsza się wzajemna rozpuszczalność obu metali, i ze stopu wydziela się nadmiar antymonu w poslaci kryształów. Wskutek wydzielenia się pewnej ilości antymonu stał się pozostały stop uboższym w ten składnik, oba metale znajdują się w równowadze, tak że dopiero po dalszem oziębieniu mogą się wydzielać dalsze kryształy. Trwa to tak długo, aż w miarę zestalania się kryształów antymonu zawartość jego w stopie zejdzie do 13°/0 przy którym to składzie stop przechodzi odrazu i w całości, w stan stały przy temp. 247°. Gdy taki stop oglądać będziemy pod mikroskopem, (rys. 13. lit. a) zobaczymy białe wysepki na ciemniejszem, szarem tle; są to kryształy antymonu wydzielonego z krzepnącego stopu, szare tło jest stopem, który stężał przy końcu (przy 247°), mając zawartość 13°/₀ antymonu i 87°/₀ ołowiu. W ten sam sposób badany stop z pola AEC wykaże analogiczny do opisanego przebieg tężenia, które rozpoczyna się^ przy temper, odpowiadającej jego składowi na linji AE, a wydzielające się kryształy nie są antymonem lecz ołowiem, będącym tutaj w nadmiarze; tężenie skończy się tak samo jak poprzednio nagłem i zupełnem skrzepnięciem na linji CD (247°) przy takim samym stosunku składników. Obraz mikroskopowy tego stopu (rys. 25. lit. b) przedstawia czarne kryształki ołowiu na tern samem szarem

tle jak na poprzednim obrazie. Obserwując wreszcie tężenie stopów o zawartości 13°/₀ antymonu i 87°/₀ ołowiu, znajdziemy tylko jeden punkt tężenia E (247°); znaczy to, że przy tej temperaturze stop ze stanu płynnego odrazu się zestala. Obraz mikroskopowy tego stopu (rys. 25. lit. c) przedstawia jednostajne, szare pole, jak tło mikrofotografji a i b. Na ostatnim obrazie rysun-

ku (lit. d), dającym w znacznie sil- ci niejszem powiększeniu stop o nad-miarze ołowiu, widzimy obok    '

ziarn ołowiu [ciemnych] tę samą

x 12    '

*#S*SP!»r».

1PI?

. -V

/-

•■44

.I:-.

x12

fM

x -150

[jaśniejszą] mieszaninę antymonu i ołowiu, która stanowiła tło obrazów poprzednich; oba składniki mają postać wąskich, różnie wygiętych pasemek białych [antymon | fo i czarnych [ołów] naprzemian obok siebie ułożonych. Ta, zawsze w jednakowym stosunku złożona mieszanina ma najniższą ze wszystkich stopów i tylko jedną temperaturę topliwości [i tężenia], i nazywa się stopem eutektycznym (najłatwiej tężejącym), a jego budowa krystaliczna, z powodu bar- ^ dzo drobnych rozmiarów obu składników i jednostajnego wymieszania ich, jest bardzo jednolita. Obrazy mieszanin eutektycznych różnych stopów bywają rozmaite, jednak wspólną cechę stanowią w nich zawsze drobne i dokładnie ze sobą wymieszane [poprzekła- Ą dane] kryszlalki obu składników, mające postać to płatków mniej lub więcej powyginanych, to igiełek, czasem kropelek.

Wszystkie stopy metali tego

typu mają taki jak opisaliśmy przebieg tężenia; przy pewnym stosunku składników tworzy się stop eutektyczny o najniższej temperaturze tężenia (temperaturze eutektycznej) a poniżej i powyżej tego stosunku stopy zawierają wolne (osobne) ziarna jednego lub drugiego metalu w eutektyce. Stosunek zawartości wolnych żiarn do ilości mieszaniny eutektycznej zależy od ich stosunku w stopie, a także od stosunku, w jakim tworzą tę mieszaninę. Im stop więcej zawiera jednego metalu tj. im zawartość jego jest bliższa 100°/₀, tern naogół więcej jest wolnych kryształów a mniej eutektyki, im stosunek składników bliższy jest eutektycznego, tem wolnych ziarn jest mniej a więcej stopu eutektycznego.

Własności takich stopów są z reguły odmienne niż omówionych poprzednio (typ 1). Dodatek choćby małej ilości drugiego składnika obniża punkt topliwości metalu czystego, wskutek czego zewnętrzne graniczne punkty wykresu (temperatury topliwości czystych metali) leżą najwyżej na przynależnej do nich gałęzi wykresu (np. na rysunku 12 punkt A względem linji AE, punkt B względem BE) i ze zwiększeniem dodatku drugiego składnika punkty topliwości spadają aż do eutektycznego, posiadającego, jak wiemy, temperaturę najniższą; przy tej też temperaturze kończy się tężenie wszystkich stopów powstałych z tych dwu metali.

Twardość stopu tego typu jest bardzo zbliżona do średniej twardości obu składników i zmienia się prawie w pro-st}un stosunku; większa zawartość eutektyki wpływa nieco na zmianę tej wartości w ten sposób, że istotna twardość jest nieco większa lub mniejsza od obliczonej, średniej.

Wytrzymałość i ciągliwość są również średnią wartością odnośnych własności obu składników. Zawartość mieszaniny eutektycznej z powodu jednostajniejszej budowy wpływa na więcej jednolite zachowanie się stopu, im więcej jest wolnych kryształów jednego stopu, i im one są większe (np. przy powolnem tężeniu), tem jednolitość ta jest mniejsza.

Zjawiska korozj i występują w tej grupie stopów łatwiej niż w innych, gdyż między stężałemi obok siebie składnikami powstają w warunkach sprzyjających (obecność elektrolitu,

różnica potencjału) lokalne prądy elektrolityczne, pod wpływem których metal będący anodą ulega rozpuszczeniu.

Wydzielenia. W stopach tego typu spotykamy się też często ze zjawiskiem w y d z i el en i ą. Gdy stop tężeje wolno (np. w grubym odlewie), składnik o wyższej temperaturze topliwości, tężejąc, tworzy skupienia kryształów większe w jednych miejscach odlewu niż w innych. Jeżeli zdolność dyfuzyjna składników jest mała, nie może nastąpić wyrównanie przez dyfuzję, i rozkład obu metali w stopie łwwa niejednostajny, a tak samo niejednostajne są własności przedmiotu w różnych miejscach, co na jego zachowanie się ujemnie wpływa.

Z powodu swej jednolitej i bardzo drobnej budowy nie będą miały tej wady stopy eutektyczne, im zaś stosunek obu metali w stopie bardziej się będzie różnił od eutektycznego, tern łatwiej tworzyć się będą wydzielenia. Oczywista że wydzielenia sprzyjać będą także zjawiskom korozji.

Stopy eutektyczne, tak korzystne do wielu wyrobów dzięki swej jednolitości, nie dają się często stosować z powodu rozdrobienia składników tam, gdzie zupełna jednolitość nie jest pożądana, np. w stopach łożyskowych, wymagających istnienia twardego składnika w miękkiem podłożu. Tam stosuje się stopy o stosunku odległym od eutektycznego, bogate w wolne ziarna jednego składnika. Zwiększające się wskutek tego niebezpieczeństwo powstawania wydzieleń zmniejszyć można przez szybkie studzenie płynnego stopu, powodujące wytworzenie się drobniejszych a zato liczniejszych ziarn wolnych w eutektyce. Rys. 14. przedstawia stopy łożyskowe, zawierające jako wolny składnik antymon; po lewej stronie

■W

widzimy wielkie a nieliczne kryształy antymonu, wydzielone w wolno stygnącym stopie, z prawej liczne a drobne ziarna wytworzone wskutek szybkiego ostudzenia stopu.

2Aj Nie zawsze zachodzi wypadek jak w typie 2, że składniki po stężeniu są zupełnie w sobie nierozpuszczalne, liczne są bowiem metale rozpuszczalne w sobie w stanie stałym do pewnej granicy, tworzące tz. roztwory graniczne o pewnej maksymalnej zawartości innego metalu. Wykresy termiczne takich stopów są podobne do poprzednio omówionego, z tą różnicą, że kryształy wydzielające się przy tężeniu stopu nie są czystemi składnikami ale roztworami granicznemu W tym wypadku po obu stronach wykresu jak w typie 2, znajdują się pola obejmujące czyste roztwory obu składników w stosunku ich rozpuszczalności. Rys. 15. przedstawia wykres ter-

450

425

4ie

400

Temperatura C°

\l

miczny kadmu i cynku o tym charakterze, (według Gautiera, Arne-manna i Currye-go ⁴²). Kadm, tężejąc, zatrzymuje w roztworze 4° ₀ cynku, cynk tworzy roztwór graniczny z zawartością 3°/0 kadmu. Wykres

4 10    20 JO 40    50    60    <

Zawartość cynku tu %

Rys. 15.

obejmuje następujące pola, oznaczone liczbami I—VI: pole I oznacza stan płynny wszystkich stopów, II obejmuje wydzielające się z płynnej masy kryształy kadmu o zawartości 4°/₀ cynku, III takież kryształy cynku z 3°/₀ kadmu w roztworze, IV jest stężałym roztworem kadmu z zawartością 0—4°/₀ cynku, VI stężałym roztworem cynku zawierającym 0—3°/₀ kadmu, wreszcie V przedstawia kryształy granicznych roztworów kadmu z cynkiem (po lewej stronie punktu eutektycznego E) lub cynku z kadmem (po

prawej stronie) w mieszaninie eutektycznej, krzepnącej przy temp. 270° i składającej się z obu roztworów granicznych o zawartości 83°/₀ kadmu i 17°/₀ cynku. W punkcie E jest stop czystą mieszaniną eutektyczną.

Własności tego rodzaju stopów będą naogół takie jak typu 2 z pewnemi różnicami, przypominającemi stopy typu 1, stosownie do nasycenia roztworów granicznych.

SnMcu

TM

Mg

651

355

ty

300

Trzeci typowy wypadek tworzenia się stopów zachodzi, gdy oba składniki tworzą ze sobą związki chemiczne. Związki takie zachowują się jak odrębne składniki i po stężeniu tworzą z istotnemi składnikami roztwory lub mieszaniny. Jako przykład takich stopów widzimy na rys. 16 wykres termiczny stopów cyny i magnezu (według Grubego⁴²), które tworzą ze sobą związek chemiczny Sn Mg₂ o zawartości 70-5°/₀ cyny i 29 5°/₀ g magnezu, o tempera- f turze topliwości 784°, |

210°

ty

:i

°0    10    20    30    40    50    60 T0 &0    90 100

2a wartość, magnesu w 7.

Rys. 16.

znacznie wyższej niż obu składników czystych (magnez 651°, cyna 232°). Wykres składa się jak gdyby z dwóch wykresów typu 2 łączących się ze sobą na linji I. Po lewej stronie znajduje się wykres stopów cyny i związku SnMg₂, z punktem eutektycznym Ex przy temp. 210° i zawartości 97'5°/o cyny, po prawej wykres stopów tegoż związku z magnezem, z punktem eutektycznym E₂ przy temperaturze 565° i zawartości 62°/₀ magnezu.

Stopy tego typu bardzo się różnią zazwyczaj własnościami od poprzednich wskutek pojawienia się związków chemicznych, oddziaływujących wybitnie na ich własności, i zachowania się ich nie można wyrozumować z własności obu metali składowych. Punkt topliwości związku leży zazwyczaj wysoko, często wyżej niż u obu składników, jak to widzieliśmy z opisanego przykładu, twardość i wytrzymałość są wyższe ale też i kruchość większa.

Opisane typy nie wyczerpują wszystkich wypadków tężenia stopów, — jest ich znacznie więcej, przedstawiają tylko najczęstsze wypadki i takie, których znajomość będzie potrzebna przy omawianiu stopów żelaza.

Ze zwiększaniem się zawartości jednego składnika mogą stopy przybierać odmienne postaci i występować w bardzo nawet odmiennych typach; dzieje się to zwłaszcza wtedy, gdy dwa metale tworzą kilka połączeń chemicznych i różnego rodzaju stałe roztwory, względnie ich mieszaniny. Wykres składa się wtedy z odmiennych części a stopy między sobą mają zupełnie odrębne własności, mimo że składają się z tych samych metali.

Stopy o więcej niż dwu składnikach. Mając do czynienia ze stopami dwu metali, wyznaczamy ich wykres termiczny w sposób wiadomy. Gdy jednak stopy składają się z więcej niż dwu składników, sposób powyższy nie da się stosować, bo już nie można w układzie dwuosiowym przedstawić linijnie wzajemnego stosunku procentowego przy różnych temperaturach. Stosunek trzech składników wyraża się wtedy wykresem trójkątnym, w którym wierzchołki równobocznego trójkąta odpowiadają trzem składnikom, boki stosunkom procentowym między dwoma dotyczącemi metalami, punkty powierzchni trójkąta stopom potrójnym.

Ponieważ omawiając zjawiska termiczne w żelazie, nie będziemy potrzebowali tego sposobu wykreślania, nie zajmujemy się dalej wykresami trójkątnemi.

Jeżeli składników w stopie jest jeszcze więcej, wtedy graficzne przedstawienie ich własności termicznych nie jest możliwe, a wielka ilość kombinącyj stopów przy zwiększającej się liczbie składników powoduje, że badanie takich wielokrotnych stopów jest rzeczą trudną, uciążliwą i długą. Pracę tę można czasami ułatwić, jeżeli wykres termiczny dwu składników, stanowiących przeważną zawartość stopu, przyjmiemy za podstawę i na nim badać będziemy wpływ dalszych dodatków. Można się także posługiwać wykresami pomocni-czemi stopów jednego z głównych składników z poszczegól-

Zbiorowe obrazy mikroskopowe stopów. Obok wykresów termicznych doniosłe usługi przy badaniu stopów oddają ich mikrofotografje przy różnej zawartości procentowej. Tak jak wykres termiczny zestawia w sposób ciągły poszczególne wykresy tężenia, tak można wspólną mikrofotografją objąć obrazy wszystkich stosunków procentowych, zachodzących w stopach dwu metali, wykonując tz. filj acj ę. W tym celu małe i cienkie pręciki dwu metali, których stopy chcemy poznać, umieszczamy ponad sobą w rurce ogniotrwałej, i jeden z nich, łatwiej topliwy, doprowadzamy do stopienia. Wskutek zetknięcia się, metal niestopiony rozpuszcza się w stopionym, i następuje wzajemna dyfuzja obu, — jeden metal nasyca się drugim, najsilniej w punktach zetknięcia a stopniowo słabiej w miejscach coraz odleglejszych. Gdy z tak otrzymanego połączenia obu pręcików wykonamy zdjęcia mikroskopowe, powstanie obraz w kształcie paska, obejmujący pomiędzy czystemi składnikami wszystkie ich stopy. Taką filjację żelaza i karbidu żelaza widzimy na rys. 271.

nemi dodatkami. Omawiając stopy żelaza, idziemy często tą drogą.

3. Żelazo czyste.

5. Stopy żelaza z innemi metalami.

6. Przymieszki i zanieczyszczenia w żelazie.

7. Rdzewienie żelaza.

9. Odlewnictwo żeliwa.

10. Kujna leizna.

Ip-_-

13. Odlewnictwo stali.

14. Błędy odlewnicze.

15. Łączenie żelaza zapomocą stopionego

17. Kuźnictwo II.

18. Łączenie żelaza sposobami kuźniczemi.

20. Cementowanie.

22. Inne czynniki zmieniające własności

Karb 10, 362.

¹

Próby z karbem opisane saw w rozdziale o badaniu materjałów.

3. Żelazo czyste.

Chemicznie czyste żelazo jest bardzo trudne do otrzymania; wyrabiane bywa jedynie w laboratorjach z pewnych związków chemicznych, a także elektrolitycznie w połączeniu z prażeniem. Ma barwę szaro białą z niebieskawym odcieniem, ciężar gat. 7'86, tojb się przy 1528° n8). Posiada cztery postaci alotropowe: Poniżej 768° [zwanej temperaturą A₂; nazwa A przyjęta przez Osmonda ¹⁰⁴) od słowa »arret« — przystanek] występuje w odmianie a (alfa) magnetycznej, bardzo mało rozpuszczającej węgla [do 0'05°/₀ — Broniewski²⁰)]. Powyżej 768° aż do 930° (A₃) przechodzi w odmianęJS (beta) niemagnetyczną, również mało rozpuszczającą węgiel, powyżej 930° do 1401° (A₄) w odmianę 7 (gamma) niemagnetyczną, rozpuszczającą węgiel, wreszcie powyżej 1401° (A₄) w niedawno odkrytą i mało dotąd zbadaną postać 3 (delta) niemagnetyczną i rozpuszczającą węgiel, która od odmiany 7 różni się ciepłem przemiany i zwiększeniem (około 50°/o) magnetyczności.

Z powyższych modyfikacyj odmiana a jest postacią żelaza, z którą mamy do czynienia w stopach tego metalu przy normalnej temperaturze, a więc we wszelkich konstrukcjach, maszynach, przedmiotach użytkowych itd. — odmiana 7 postacią żelaza rozżarzonego, w jakiej ono podlega przeróbce termicznej podczas procesów kuźniczych, hartowania, cementowania i t. d.

W powiększeniu mikroskopowem przedstawia się czyste żelazo w postaci ziarn odróżniających się stopniem zaciemnienia, spowodowanego różnym kierunkiem nachylenia osi krystalicznych do płaszczyzny obrazu; powierzchnia ziarn nie lest gładka ale posiada pewien rysunek, pochodzący od elementów krystalicznych składających ziarno. Obraz taki widzimy na rys. 17.

w*.

V'

■r

•5;

Nie ulegało wątpliwości oddawna, że te dwie postaci są istotnie odmianami alotropowe-mi, potwierdziły to stanowczo badania promieniami Róntgena budowy krystalicznej obu odmian, wykonane przez Westgrena ¹³⁶) ¹³⁷) i We-vera¹³⁸).

Kryształy wszelkich ciał krystalicznych, a więc także metali, złożone są z nie dających się rozróżnić mikroskopem, przy naj silniej szem powiększeniu, elementów o charakterystycznej dla każdego ciała budowie, zwanej »siatką przestrzenną«, na której w pew-

n}rm porządku rozłożone są atomy. Przepuszczane przez kryształ promienie Róntgena, doznają ugięcia naj ego siatce przestrzennej, i dają obraz, pozwalający z zupełną ścisłością odtwórz}^ budowę siatki i rozmieszczenie na niej atomów.

W ten sposób zbadano, że siatka przestrzenna żelaza alfa ma postać sześcianu o długości boku 2 85 X 10 a atomy rozłożone są na jego narożach a nadto w środku (tz. sieć z punktem środkowym, rys. 18).

Siatka przestrzenna żelaza gamma jest również sześcia-

cm. a atomy rozłożone

\ 'A

fs

H-

Rys. 18.

jjg*

Rys. 17. (x 350).

cm.

nem lecz o długości boku 3'50 X 10

są na narożach a nadto w środku każdej ściany [tz. siatka z punktami na ścianach, rys. 19].

Rys. 19.

Odmiana beta nie jest dotąd ściśle określona, z różnych hipotez miała w ostatnich czasach najwięcej zwolenników hipoteza Benedicksa, że żelazo 13 nie jest samodzielną postacią ale roztworem żelaza a w odmianie X- Badania róntgenogra-ficzne Westgrena 13fi) ¹³⁷) wykonane przy temperaturach odpowiadających postaci 3 wykazały, że jej siatka przestrzenna jest identyczna z siatką odmiany a, można więc przyjąć za udowodnione, że 13 nie jest odrębną postacią alotropową, i oczekiwać, że niedaleka przyszłość wyjaśni w sposób niewątpliwy powód zmian zachodzących w wykresie termicznym, które za Osmondem przypisywano odmianie 13.

Ostatnie badania Westgrena¹³⁷) stwierdziły również, że siatka odmiany S jest identyczna z postacią a, co wskazywałoby na istnienie tylko dwóch istotnych odmian żelaza, postaci a i powstającej z niej przy temperaturze A₃ postaci y, która przy temperaturze A₄ napowrót przechodzi w postać a. Badań w tym kierunku nie można jeszcze uważać za zakończone.

Wytrzymałość (na rozciąganie) chemicznie czystego żelaza wynosi według Steada ¹²³) 26'8 kg./mm² przy wydłużeniu 51°/₀,t

Żelazo chemicznie czyste nie ma zastosowania w przemyśle, raz dla trudności i kosztów otrzymania go, powtóre, że dopiero prz}^mieszki innych ciał a przedewszyst-kiem węgla dają mu własności korzystne w stosowaniu tech-nicznem, z tego też powodu używa go się wyłącznie do pewnych stopów.

Natomiast żelazo technicznie czyste tj. żelazo o minimalnej zawartości zanieczyszczeń, dające się otrzymać zapomocą procesów stosowanych w przemyśle, bywa chętnie używane do wyrobu stopów, od których wymaga się najlepszych własności mechanicznych np. blach do wyrobu maszyn elektrycznych, rur bez szwu, drutu i tp. Takie żelazo bywa wyrabiane w Ameryce ²⁸) z zawartością do 99*8°;₀ żelaza, zapomocą bardzo starannie przeprowadzonych procesów hutniczych. Obecnie coraz bardziej rozpowszechnia się wyrób technicznie czystego żelaza przez elektrolizę; materjał tak otrzymany zawierać może 99'95⁰/₀ a nawet więcej czystego żelaza a zanieczyszczeń G05°/₀ a nawet mniej, między niemi fosforu nie więcej niż 0'01°/₀ i nic siarki. Takie żelazo zbliża się więc do chemicznie czystego; jest ono bardzo ciągliwe, miękkie, o wytrzymałości 30'9 do 32'8kg./mm² i wydłużeniu 40'2 — 42T°/₀ ³³). Wyrabiane bywa z neutralnych soli żelaza, w stanie surowym zawiera wiele gazów, głównie wodoru, nadającego mu twardość i kruchość, po wyżarzeniu przy 900° wy-dzielającem gazy, staje się miękkiem i ciągliwem. Proces wymaga jednolitego prowadzenia, gdyż wszelkie zaburzenia i zmiany w czasie wyrobu są powodem niejednolitości materjału i warstwowej, słabej struktury.

Dzisiejsze olbrzymie zastosowanie w przemyśle ma jednak żelazo nie w postaci czystego metalu lecz stopów, w których dodatki innych składników a na pierwszem miejscu węgla, zmieniają jego własności w sposób bardzo wybitny, robiąc z żelaza materjał mający w wielu wypadkach własności najzupełniej odmienne od żelaza czystego.

Obok dodatków umyślnych, tworzących istotne stopy, występują w żelazie zawsze dodatki naturalne, pochodzące z procesów hutniczych, często niepożądane i szkodliwe, do-niośle zmieniające jego własności, często natomiast pożyteczne i potrzebne.

I pierwszemi i drugiemi zajmiemy się osobno.

4. Stopy żelaza z węglem.

Z pomiędzy składników stosowanych w stopach żelaza najważniejszym i niezmiernie doniosłym jest węgiel, zawarty zwykle w granicach 0 05 - 4'5°/₀. Węgiel tak bardzo i tak odrębnie zmienia własności żelaza a wiec wytrzymałość, cią-gliwość, twardość, hartowność, zgrzewalność, że bez zawartości tego dodatkn żelazo nie miałoby dla techniki tej wartości i tego znaczenia jaką posiada dzięki węglowi. Tak np. temperatura topliwości, wynosząca u czystego żelaza 1528°, obniża się z dodatkiem węgla aż do 1145° przy 4’2°/₀ węgla, a więc na l°/0 tego dodatku spada średnio o 100°; wytrzymałość i twardość wielokrotnie wzrastają, ciągliwość maleje, podobnie zmieniają się i inne własności.

Własności żelaza zmieniają się także wskutek zawartości, obok węgla, innych przymieszek jak krzem, mangan, siarka, fosfor i i.; różnice te w porównaniu ze zmianami jakie wywołuje zawartość węgla są jednak o wiele mniej doniosłe, żelazo zachowuje mimo nich swoje zasadnicze własności, nadane mu przez węgiel.

Postać węgla w żelazie. Węgiel znajdować się może w żelazie albo w związku chemicznym jako węglik żelaza (karbid żelaza, t. z. cementyt, Fe₃C o 6'67°/₀ węgla i 9333°/₀ żelaza) lub jako przymieszka mechaniczna czystego węgla.

Przy małych zawartościach węgiel występuje wyłącznie tylko w postaci związku, powyżej pewnej zawartości i odpo* wiedniej temperatury ukazuje się w niektórych rodzajach żelaza także węgiel w stanie czystym jako węgiel krystaliczny (grafit) lub pyłkowy (tz. węgiel żarzenia), uważany do niedawna za bezpostaciowy, a najprawdopodobniej o bardzo drobnej budowie krystalicznej, nie dającej się rozpoznać pod mikroskopem. Węgiel w związku chemicznym ma postać ziarnistą lub płatkową, jest on w zawartościach poniżej 0‘05°/o rozpuszczalny w żelazie, tworząc z niem roztwór graniczny ²⁰); w temperaturach, w których żelazo ma postać j, rozpuszcza się w niem, tworząc roztwór stały. W tej postaci żelazo nagle oziębione nabiera wielkiej twardości; własność ta zwie się hartownością.

Badania ¹³⁷) siatki przestrzennej żelaza zawierającego węgiel i samego karbidu wskazują, że atomy węgla mieszczą się w siatce żelaza, a siatka karbidu ma postać słupa rombowego.

W żelazie stopionem znajduje się węgiel również w roztworze jako węgiel czysty lub karbid, co dotąd nie zostało stanowczo stwierdzone; najwięcej prawdopodobne jest przypuszczenie, że w stanie płynnym znajdują się obok siebie obie postaci w równowadze, a więc zarówno związek chemiczny jak i jego składniki, węgiel i żelazo (Fe₃C ^ 3Fe-f C) w pewnym stosunku, zależnym głównie od temperatury.

Zmiany alotropowe poznane w żelazie czystem, zachodzą oczywiście i w żelazie węglistem i innych jego stopach; oprócz nich występują nowe, wywołane obecnością węgla. Zmianom tym odpowiadają pewne temperatury oznaczane tak samo jak u żelaza literą A z dodatkiem pewnej liczby. Są one nastę

pujące:

A₀:210°. Jest to temperatura krytyczna ustalona przez japońskiego badacza H ondę⁶⁵), jako magnetyczna przemiana cementytu, objawiająca się w żelazie węglistem nagłą zmianą zdolności namagnetyzowania, a mianowicie zmniejszeniem się przy ogrzaniu, zwiększeniem przy ochłodzeniu. Późniejsze badania ⁶⁵) ¹³⁰) wykazały, że cementyt przy 210° podlega nadto zmianom objętości, zwiększając ją wskutek ogrzania ponad 210°, a powracając do stanu poprzedniego po ostudzeniu. Zwiększenie objętości jest nieznaczne (O056⁰/₀), ma jednak znaczenie dla wytłomaczenia zjawisk hartowania (Rozdz. 19).

Ta odmiana alotropowa nie została dotąd uznana powszechnie: przyjmujemy ją za Hondą dlatego, że żelazo wę-gliste objawia przy slabem ogrzaniu między 100° a 300° oprócz wspomnianej zmiany magnetycznej, jeszcze inne zmia^ jak ciężaru gatunkowego, twardości, wytrzymałości i ciągliwości i i.

Żelazo.

Zmiany te były powodem rozważań i wniosków ¹¹³), i bieżąca literatura stale się niemi zajmuje. Czy na nią wpływa wspomniana przemiana cementytu, czy, jak się zdaje, także inne czynniki, nie jest dotąd wiadome.

Ax : 727°²⁰). Przemiana eutektoidalna na granicy istnienia postaci a; poniżej Ax istnieje żelazo obok karbidu, oba w stanie niezmienionym, powyżej rozpoczyna się powstawanie roztworu obu składników.

A2: 768°2e). Przemiana postaci a magnetycznej, tworzącej z węglem tylko roztwory graniczne do 0'05°/₀ węgla, w za-kwestjonowaną dziś postać [3 prawie niemagnetyczną, również nie rozpuszczającą węgla i występującą tylko do zawartości 0'4°/o węgla. Wiemy już z rozdziału poprzedniego, że mamy tu do czynienia prawdopodobnie z odmianą a rozpuszczoną w odmianie y.

A₃ :930°²⁰). Przemiana odmiany zwanej (3, względnie powyżej 0‘4°/₀ węgla, odmiany a, przy temperaturach zależnych od zawartości węgla, w odmianę y niemagnetyczną, a raczej bardzo słabo magnetyczną (3°/₀ namagnetyzowania odmian)r a), rozpuszczającą węgiel (wzgl. karbid) i tworzącą z nim roztwór stały. Jest to s!an umożliwiający termiczną przeróbkę żelaza przez hartowanie i odpuszczanie. O tych zmianach będzie mowa obszerniej w rozdziale o hartowaniu (19).

W miarę wzrostu zawartości węgla temperatura A₃ obniża się aż do 727° (Ax) przy 0'9°/₀ węgla.

A₄:1401°. Przemiana odmiany y w odmianę B istniejącą tylko poniżej 0'4°/₀ węgla. O odmianie tej była już mowa w ustępie o żelazie czystem.

Wykres termiczny żelaza. Różnorodne stany, jakie przybiera żelazo węgliste zależnie od zmian alotropowych, zmian temperatury i zawartości węgla, uwidocznia wykres termiczny stopów żelaza z węglem, przedstawiony na rys. 20. Na osi poziomej oznaczone są zawartości węgla od 0 — 4‘5°/₀ tj. do jakich ona dochodzi w żelazie stosowanem w przemyśle; na osi pionowej temperatury poczynając od 600°, poniżej której żelazo nie podlega zmianom skupienia i rozpuszczalności, a kończąc przy temperaturze topliwości czystego żelaza.

Linje AbB ¹¹⁶) i BC ⁵⁶) oznaczają początek tężenia stopów; poniżej linji AbB wykrystalizowują się kryształy stałego roztworu węgla w żelazie [3 wzdłuż Ab, y wzdłuż hBj, poniżej BC kryształy karbidu żelaza. Tężenie odbywa się w sposób opisany w ogólnej części: rozpoczyna się ono w zarodkach krystalicznych, około których narastają kryształy w płynnym ośrodku tak długo, pokąd wszystko nie stężeje (rys. 2).

1600

1528 1500

7T7

’a

448/?

1-4ot

4500

1200

1145

Temperatura

iwo

H4S

1000

900

900

800

?6s

2AP

72/

700 \iP

600 Uzi

4,0 4,2 47

0,05 0,4 0,5    0,9 1,0    15 1,7    2.0    2.5    5,0    5,5

Zawartość węgla w %

Rys. 20.

Stopy poniżej 0‘4°/₀ węgla mają, z powodu występującej przy wysokich temperaturach odmiany 3, swój właściwy przebieg stygnięcia. Na krzywej Ac (rys. 20) kończy się tężenie stopu i powstaje stężały roztwór węgla w żelazie 3, który po osiągnięciu temperatur oznaczonych linją ca zaczyna przechodzić w roztwór stały węgla w żelazie y. Wzdłuż cd roztwór powyższy jest stężały, zaś wzdłuż db wydzielają się zamiast kryształów stałego roztworu węgla w żelazie 8 — kryształy roztworu w żelazie y. Położenie punktu d ze względu na zawartość węgla nie jest dotąd określone, dlatego początek linji da (koniec przemiany kryształów mieszanych 8 w kryształy y) i linji dE jest na wykresie kreskowany. Na linji dEBD kończy się tężenie stopów, krzepnących wzdłuż dE ⁵³) jako roztwory stałe przy coraz niższych temperaturach w miarę wzrostu zawartości węgla; wzdłuż ED tężeją przy stałej temperaturze eutektycznej 1145° u6). Wzdłuż EB tężeją kryształy mieszane y w mieszaninie eutektycznej, wzdłuż BD kryształy karbidu żelaza w takiejże mieszaninie. Składa się ona z obu rodzajów tych kryształów o niezmiennej zawartości 4‘2⁰/₀ węgla. W punkcie B mającym ten skład jest stop czystą mieszaniną eute-ktyczną, wskutek czego przechodzi odrazu ze stanu pfynnego w stały, bez okresu tężenia w granicach dwu temperatur, tak jak wszystkie inne stopy, mające mniejszą lub większą zawartość węgla.

Pozostaje jeszcze do omówienia lewa część wykresu. Wzdłuż linji GOS ²⁰) rozpoczyna się rozkład roztworu stałego z powodu przemiany żelaza y na (3 (GO) względnie a (OS), a wzdłuż HO dalszy rozkład z powodu przemiany postaci (3 na a. Ponieważ istnienie odmiany jest wątpliwe, linja HO jest na wykresie kreskowana. Linja GHPT oddziela graniczny roztwór stały²⁰). Linja ES ²⁶) jest granicą rozpuszczalności karbidu węgla w żelazie y, i określa temperatury przy których odbywa się wydzielanie kryształów czystego (wolnego) karbidu ze stałego roztworu. Wreszcie wzdłuż linji poziomej PSR odbywa się całkowity rozkład kryształów mieszanych. Przechodzą one w punkcie S (0'9% węgla) w mieszaninę jednolicie obok siebie ułożonych płatków żelaza i karbidu, zbudowaną całkiem analogicznie jak mieszaniny eutektyczne; z powodu że ona nie powstaje wskutek tężenia składników płynnych lecz przez rozkład stałego roztworu, nazwano ją mieszaniną eutektoidalną nie eutektyczną. Po lewej stronie punktu S (wzdłuż PS) wydzielają się kryształy żelaza (roztwór graniczny) w mieszaninie eutektoidalnej, po prawej (wzdłuż SR) kryształy karbidu (Fe₃C) w takiejże mieszaninie.

Dalsze wyjaśnienia tego co mówiliśmy o składzie żelaza węglistego przy różnych zawartościach węgla, dają mikrofoto-grafje poszczególnych rodzajów tego żelaza, będące wyrazem zmian uwidocznionych w wykresie termicznym.

rozmaicie

mm

Zaczynając od obrazu żelaza zawierającego 0'9°/o węgla (rys. 21) widzimy, że składa się on z pasemek naprzemian białych i czarnych, węższych i szerszych ,

fm

ugrupowanych, zależnie od orjentacji ziarn, do których należą.

vN’

i«

Pasemka te są przekrojem wykrystalizowanych, bardzo cienkich płatków żelaza (czarnych) i karbidu (białych), składających się na budowę poszczególnych ziarn. W metalograf)i żelaza przyjęto dla odróżnienia składników następujące nazwy: Składnik będący żelazem o bardzo małej zawartości węgla (0‘05°/o) w roztworze, nazwano ferrytem, karbid żelaza cementytem. W eute-ktoidalnej mieszaninie obu tych składników, jaką widzimy na rys. 21 występują one w ścisłym związku i stałym stosunku (0⁻9°/o węgla), tworząc osobny składnik nazwany perlitem, z powodu, że wypolerowany i wytrawiony mieni się jak muszla perłowa. Czarne zabarwienie na obrazie pasemek ferrytu, składnika barwy białej, powstaje przez to, że przez wytrawianie, powierzchnia pasemek ferrytu podlegając działaniu odczynnika, zagłębia się wobec sąsiednich pasemek cementytu, nie ulegającego wpływom wytrawiania, i nie odbija światła.

Przy mniejszych zawartościach węgla niż 0'9°/₀, a więc nie wystarczających na wytworzenie czystego perlitu, występują obok niego wolne ziarna ferrytu, którego ilość wzrasta z ubytkiem węgla, tak że przy bardzo małych zawartościach

węgla wypełnia całą powierzchnię obrazu, a perlit występuje tylko w małych gniazdach (żelazo »podeutektoidalne«). Rys. 22

przedstawia żelazo zawierające 0‘07°/₀ węgla: widzimy tam jasne ziarna ferrytu o lekko zarysowanej powierzchni, i rzadko występujące, ciemne wysepki perlitu, który w małych powiększeniach przedstawia się czarno. W żelazie z dodatkiem 0’3°/₀ węgla, jakie widzimy na rys. 23, ilość perlitu jest już znacznie większa, i w miarę zwiększania się procentu węgla zajmuje coraz więcej miejsca (np. na rys. 24 przy 0'68°/₀ węgla), aż przy 0*9°/₀ wolny ferryt zupełnie znika. Jeżeli zawartość węgla przekroczy 0'9°/o

>*

:'*W

wr

Hk ■

•Ą\

Rys. 22 (x 200).

v-

ZF.

r-Jj

IL/:vy

Rys. 23 (x 250).

wtedy zaczynają się ukazywać w perlicie wolne ziarna cementytu w postaci jasnych, gładkich pól, jak na rys. 25, gdzie

.u

WwĄ

■m i£

Ja

Wi

Rys. 24 (x 250).

przedstawione jest żelazo zawierające l*23°/₀ węgla (»nadeute-ktoidalne«).

Wymienione obra-

BB3MSjSpgQu    zy stmktury żelaza wę-

glistego odpowiadają na termicznym wykre-sie powierzchniom po-niżej linji PSR, czysty yJk*iW-y-:    Perm miejscu gdzie le-

źy punkt S (0-9»/o wę-'    gla), ferryt w perlicie,

wzs1- perlit 'v fen'ycie’ $' le"’ej stronie, cementyt

■■■    w perlicie prawej stro-

>V tMp,i ‘    W&/ nie pnnkta S. Na rys.26

'^v*¥&±'r< ^>ólŚSr    zestawiono schematy-

" '    cznie zawartość każ

Rys. 25 (x500).

dego z trzech składni-

ków w żelazie kujnem (O — l'7°/₀ węgla). Prowadząc przy jakiejś zawartości węgla prostą pionową, odczytamy na podziałce pionowej odpowiednią ilość każdego składnika w °/₀.

W\

I

Ul

fe rrt //

CV)

0 2 OA 0.6    0.8 to t.S    <A    4,6

Zawar/ość rvęg/a ru”/a Rys. 26.

Jeżeli żelazo per-lityczne (punkt S) ogrzejemy powyżej temperatury A! (727°), przy której żelazo a zamienia się na y, rozpuszczają się w sobie oba składniki perlitu i tworzą roztwór stały. To samo odnosi się do żelaza o zawartości mniejszej niż 0'9°/o węgla, z tą różnicą, że przejście od modyfikacji a (wzgl. (3) do y nie odbywa się odrazu jak w punkcie eutektoidalnym S, ale stopniowo, rozpoczynając się na linji eutektoidalnej (PS) (przy Ax), a kończąc na linji GOS przy A₃. To samo odnosi się do powierzchni po drugiej stronie punktu S, gdzie ponad linją eutektoidalną w tworzącym się roztworze znajdują się ziarna wolnego cementytu, przechodzące w zupełny roztwór dopiero przy temperaturach oznaczonych linją SE. Pole GOSEdcA obejmuje zatem roztwory stałe węgla w żelazie. Badania mikroskopowe Warka¹³⁵) wykonane przy tak wysokich temperaturach, że żelazo węgliste znajdowało się w stanie roztworu (powyżej GOS), wykazały że ma ono przy tej temperaturze tę samą strukturę co spotykane w stopach żelaza, będących w temperaturze normalnej roztworami stałemi, jak np. w stopach z manganem i niklem.

Dla otrzymania obrazu mikroskopowego roztworu, istniejącego tylko w wysokiej temperaturze (powyżej linji GOS)y staramy się przez bardzo nagłe ochłodzenie nie dopuścić do wydzielenia się z niego składników, coby się stało przy po-wolnem ochłodzeniu, i przez to wywołać bezpośrednią krystalizację roztworu. Jednakże rozkład stałego roztworu żelaza węglistego odbywa się tak nagle, że najszybsze studzenie nie zdoła go powstrzymać, dlatego nie udało się dotychczas otrzymać w normalnej temperaturze niezmienionego roztworu żelaza węglistego, jaki obserwowano w temperaturach wysokich. O ile stop żelaza obok dużej ilości węgla (ponad l‘5°/₀) zawierający także znaczną ilość manganu,bardzo szybko ostudzimy, udaje się zatrzymać istotną strukturę roztworu.

l« .

f.

Rys. 27 (x 170).

Strukturę taką widzimy na rys. 27, otrzymaną z żelaza o zawartości 1 *94°/₀ węgla i 2’2°/₀ manganu, ogrzanego do 1050° i bardzo nagle ostudzonego. Obraz przedstawia kryształy wieloboczne, przypominające ferryt, różniące się jednak od niego utworami bli-źniaczemi (rys. 284) nie spotykanemi w ferrycie. Postać tę żelaza nazwano austenitem według imienia angielskiego metalografa Roberts- A ust e na.

V '<.1

ifmil

Lr*-

Rys. 28 (x 250).

Żelazo węgliste o dużej zawartości węgla, silnie przegrzane i bardzo nagle oziębione, zachowuje czasami częściowo strukturę austenityczną, jak to widzimy na rys. 28. Na jasnem tle austenitu będącego w rozkładzie, w}⁷stepują strzał-kowate figury nowego składnika jaki się przy-tem wytwarza.

ma

Ponieważ dla stali węglistej nietrwały austenit nie praktycznego znaczenia, nie zatrzymujemy się tutaj dłużej przy nim, obszerniej omówimy go opisując stopy, mające strukturę austenityczną.

Szybko ostudzone żelazo węgliste nie mogąc z powodu jeszcze szybszego rozkładu roztworu stałego zachować struktury austenitycznej, przybiera postać jaką widzimy na rys. 29 igiełko waty eh kryształów na jaśni ej szem tle, krzyżujących się ze sobą w różnych kierunkach, szczególnie pod

kątem 60°. Postać tę nazwano martenzy-t e m na cześć niemieckiego badacza materjałów Marten-s a. Jest to struktura właściwa stali zahartowanej, więc w praktyce bardzo często spotykana. Ojej własnościach mówić będziemy obszerniej w rozdziale o hartowaniu (19).

Rys. 29 x 250 (Goerens).

Pozostają jeszcze do omówienia struktury żelaza o większych zawartościach węgla niż l*7°/₀. Temperatura kończącego się tężenia wynosi u tych stopów 1145° i dla wszystkich zawai tości węgla ponad

Wm

II

iwa

fop§|il

MmiĘ

■ -1 ^

Rys. 30 (Goerens) x 400.

l'7°/o jest stała, jako temperatura tężenia mieszaniny eutektycz-nej. Czj^stą taką mieszaninę przy zawartości 4‘2°/₀ węgla (po szybkiem ostudzeniu) przedstawia środkowy obraz rys. 30 w postaci drobnych, wąskich kryształów będącego w rozkładzie

roztworu stałego (martenzytu), dokładnie zmieszane z tak samo lecz grubiej wykrystalizowanym cementytem. Ta struktura stopu eutektycznego żelaza węglistego otrzymała nazwę 1 e d e-b u ryt u od nazwiska metalurga niemieckiego Ledebura.

Żelazo o zawartości węgla mniejszej niż eutektyczna (»podeutektyczne«, między T7 a 4‘2°/₀ węgla) np. takie jakie widzimy po lewej stronie rys. 30 (3*9°/₀ węgla) składa się z krystalitów takiego samego roztworu (martenzytu) w lede-

*>•«*

et;

•. c;

'4zgśk

. ~Sś

łżfeStSŚ^

r£K'

%’

EgG

iMfcj

¥■

*$Ą

8Sśa^l!

■ . «ftc5

2*

• -3ft’' **•

(Rys. 31 (x 250).

burycie, żelazo o wyższej zawartości (»nadeutektyczne«, prawa strona rys. 30, 4’7°/o węgla) z cementytu w ledeburycie. Te rodzaje żelaza nazywają się surowcem białym z powodu srebrzysto-białej barwy nadanej im od cementytu.

Poniżej linij PSR, wskutek rozkładu roztworu stałego mieć będziemy jak w żelazie o niższej zawartości węgla cementyt z pewną zawartością perlitu, odpowiadającą ilości węgla.

Rys. 31 przedstawia taki surowiec biały (3'68°/₀ węgla) składający się z perlitu (ciemne wyspy) i cementytu (białe pola).

Przy większych zawartościach węgla może się podczas powolnego osty gania żelaza wydzielić obok kaibidu czysty

węgiel w postaci krystalicznej jako grafit tworzący płytki otoczone perlitem (rys. 32). Występowanie grafitu zależy od szybkości stygnięcia żelaza i zawartości przymieszek (szczególnie krzemu). Żelazo zawierające grafit nazywa się su-

te

splllSp

SfflfN

ryg

rowcem szarym z powodu zabarwienia jakie mu nadają czarne

kryształki grafitu. Jeżeli surowiec szary przeznaczony na odlewy był już przetapiany,nosi nazwę żelaza lanego, w skróceniu » żeli wa«; obraz jego mikroskopowy nie różni się od obrazu

Rys. 32 (x 250).

surowca szarego.

W jaki sposób i dlaczego podczas stygnięcia wydziela się w żelazie węglistem raz karbid drugi raz grafit, jest dotychczas sprawą sporną. Pomijając wybitny wpływ przymieszek znajdujących się zawsze w żelazie technicznem, wiadome jest, że karbid występuje wskutek szybkiego, grafit wskutek powolnego chłodzenia. W żelazie płynnem (stopionem) węgiel zawarty jest prawdopodobnie w roztworze zarówno w postaci karbidu jak iw stanie elementarnym i obie postaci znajdują się obok siebie w równowadze (Fe₃ C^3Fe + C) zależnej od temperatury. Z rozpoczęciem tężenia wydzielają się kryształy stałego roztworu (powyżej 4'2°/₀ kryształy karbidu) tak długo, aż zawartość węgla osiągnie granicę eutektyczną (4'2⁰/₀) i niestężały jeszcze płyn skrzepnie odrazu w postaci eutektyki, przy temperaturze eute-ktycznej (1145°). Poniżej tej temperatury rozpoczyna się rozkład roztworu stałego na perlit i karbid lub perlit i grafit.

Są dwie teorje tego rozkładu. Według jednej ¹⁴³) w roztworze płynnym węgiel znajduje się wyłącznie w postaci karbidu, podczas tężenia wydziela się więc najpierw karbid, dlatego szybko studzone żelazo zawiera tylko ten składnik i przyjmuje postać surowca białego. Jeżeli stygnięcie jest powolne, karbid ulega rozkładowi i wydziela grafit; rozkład ten ma się zaczynać zaraz po stężeniu i trwa dalej podczas stygnięcia, wytwarzając surowiec szary.

z roz-

Według drugiej, dotąd wystarczającemi badaniami nie dość popartej teorji 31G), grafit wydziela się bezpośrednio tworu a temperatura przy której to się dzieje jest wyższa (1152°) niż temperatura wydzielania się karbidu (1145°).

roz-

1200

D’

E’

1152

f I--

5;

IW

-4-

__L

I

Temperatura

900

116

rens

giczna do linji EO wydzielania się karbidu ze stałego roztworu wskazuje w jakich granicach zawartości tuV 1.0 1.5 u y y- -węgla 1 temperatur występować może w żelazie wę-    Rys-

glistem węgiel elementarny;    • un

linia E'D' (1152°) odpowiadająca linji eutektycznej E (    /

przedstawiać ma wydzielanie się eutektyki, zawierającej zamiast kryształków roztworu, - kryształki grafitu. Linja ta jest wystarczająco stwierdzona, bo różnica tempera ur ja dzieli od linji eutektycznej karbidu jest tak mała ( ), J granicach błędu, jaki można popełnić przy badaniu

Ze względu że cementyt występuje przy szybkiem chłodzeniu, gdy grafit przy powolnem, uważają pewni badacze ¹⁴³), uznający teorję pośredniego wydzielania się grafitu (przez kład karbidu), że karbid jest postacią niestałą, wytworzoną wskutek przechłodzenia tężejącego żelaza, grafit jest natomiast składnikiem stałym, normalnym. Na tej podstawie zbudowano tz. podwójny wykres termiczny żelaza węglistego, w którym oznaczona jest zarówno linja temperatur wydzielania się karbidu jak i grafitu. Na rys. 33 będącym częścią wykresu przedstawionego na rys. 20, wyrysowane są kreskowane linje wydzielania się grafitu, na podstawie jednego z takich wykresów (Ruer i F. Goe-). Linja E' O' analo-

o'

E.

duje się w a także dlatego, że analogiczna do mieszaniny eutektycznej linji karbidu eutektyka grafitowa nie została dotąd stwierdzona w sposób nie podlegający wątpliwości.

Wobec nie wyjaśnienia i nie uzgodnienia spornych zapatrywań liajwięcej rzeczywistości odpowiada przyjęcie, że w żelazie stopionein znajdują się obie postaci (karbid i węgiel elementarny) równocześnie obok siebie w roztworze, i zależnie od szybkości stygnięcia i domieszek, wydziela się albo jedna albo druga postać, powodując (może wskutek katalitycznego działania) przemianę drugiej, albo też wydzielają się obie równocześnie, jak się to dzieje w tz. surowcu połowicznym lub w twardej leiznie.

Dla celów praktyki jest rzeczą obojętną czy grafit wydziela się przy temperaturze tej samej czy nieco wyższej niż karbid, tudzież czy wydziela się samoistnie czy z rozkładu karbidu, dlatego nie będziemy się dalej zajmować tą sprawą,

W surowcu zawierającym w stanie płynnym i przegrzanym więcej węgla niż go może zatrzymać przy niższej temperaturze, wydziela się jeszcze przed stężeniem węgiel (względnie rozkładający się karbid) w postaci cienkich płatków grafitu, które wypływając na powierzchnię, pokrywają ją jakby pianą. Tę postać węgla spotykaną tylko w płynnym surowcu, nazywamy grafitem płynności.

Podział żelaza. Widzieliśmy na wykresie termicznym i mikrofotografjach, jak wybitnie oddziaływa zawartość węgla na temperaturę topliwości i rozpuszczalności oraz na strukturę żelaza, — poznamy dalej że tak samo doniosły wpływ wywiera ona na własności mechaniczne żelaza. Z tego powodu rozróżnia się żelazo w zastosowaniu technicznem według zawartości węgla. Na tej podstawie można je podzielić na dwa główne rodzaje, których granicą, o teoretycznem zresztą znaczeniu, jest 1'7°/₀ węgla, tj. zawartość graniczna miedzy żelazem tężejącem z roztworu płynnego w roztwór stały przy temperaturze zmieniającej się, stosownie do zawartości węgla, a żelazem tężejącem zawsze przy tej samej temperaturze (eutektycznej) wskutek skrzepnięcia zawsze w niem zawartej mieszaniny eutektycznej (ledeburytu).

Pierwszy z tych dwóch gatunków obejmuje rodzaje żelaza o wysokiej temperaturze tężenia, dające się przerabiać na podstawie swej plastyczności przez kucie, drugie żelazo nie plastyczne, kruche, natomiast łatwo topliwe (niska i stała temperatura tężenia) i przez to pozwalające się przerabiać w stanie płynnym czy to na odlewy, czy inne rodzaje żelaza.

W ten sposób podzielone żelazo przedstawiałoby dwa rodzaje:

1.    Żelazo kujne od 0—1'7°/₀ węgla,

2.    Żelazo 1 ej n e od l‘7°/₀ do najwyższych stosowanych zawartości.

Ten zasadniczy, na teoretycznej podstawie polegający podział został przystosowany do materjałów używanych w praktyce w ten sposób, że rozróżnia się dwa rodzaje żelaza technicznego :

1. Żelazo kujne od 0*03°/₀ (a nawet mniej) do T6°/₀

węgla i

2. Surowiec (a także żelazo odlewnicze) od 2'2°/0 do 4‘5°/₀ węgla.

Żelazo o zawartościach nie wymienionych, pośrednich między 1*6 a 2'2°/₀ węgla, nie bywa wyrabiane, naturalnie z pewnemi wyjątkami, jako nie mające zdecydowanych własności jednego lub drugiego rodzaju, a przez to nie dające się korzystnie stosować.

5. Stopy żelaza z innemi metalami.

Jakkolwiek stosowanie do żelaza węglistego dodatku pewnych, dawniej za rzadkie uważanych metali, rozpoczęło się już z końcem zeszłego wieku, tj. w czasie kiedy badania metalograficzne wogóle a więc także żelaza były jeszcze w kolebce, mimo to wiadomości jakie dziś posiadamy o stopach żelaza są bardzo mało posunięte, podczas gdy badania żelaza węglistego, skupiające wielu pracowników, jakkolwiek dalekie jeszcze ukończenia, doprowadziły do wyników dla praktyki niezmiernie cennych i doniosłych.

Najobszerniejsze na polu stopów studja Guilleta⁵⁰), dziś już nie wystarczające, są jednak prawie jedyne w tej dziedzinie, nieliczne inne nowsze opracowania jak np. Marsa⁸⁸) albo powtarzają wyniki osiągnięte przez Guilleta albo stanowią małe zaledwie przyczynki, z których teorja mało a praktyka prawie nic nie może zbudować.

Wykresy termiczne tych metali z żelazem a także z węglem dają pewne wskazówki o zachowaniu się potrójnych i wielokrotnych stopów, sa jednak w swej budowie tak różnorodne, że wyprowadzanie z nich wniosków na własności stopów jest trudne i niepewne.

Praktyka technologiczna, dla której owe stopy okazały się nadzwyczaj cennemi i doniosłemi materjałami, zajęła się niemi skapliwie i wytworzywszy pewne typy o wybitnych własnościach mechanicznych czy chemicznych, opracowała ich technologiczną przeróbką i wytworz}da materjały konstrukcyjne dla wielu działów przemysłu np. wojennego nieocenionej wartości, dla pewnych wprost warunkujące ich rozwój (np. w budowie automobilów i aeroplanów, w wyrobie narzędzi obróbczych). Ze względu jednak, że wytworzenie takich cennych stopów a jeszcze więcej sposoby ich najodpowiedniejszego obrabiania i ulepszania (głównie metodami termicznemi) były wynikiem licznych i kosztownych doświadczeń poszczególnych zakładów hutniczych, posiadamy o nich w literaturze bardzo skąpe wiadomości, bo otaczane są, ze względów konkurencyjnych, zazdrośnie tajemnicą.

Stopy żelaza z innemi metalami, przyczem jednak węgiel jest zawsze obecny, powstają przez dodatek jednego, dwóch a czasem kilku metali, co odrazu wskazuje jakie trudności nastręczają one teoretycznemu badaniu a także praktyce technologicznej z powodu zawartości tylu składników. Materjałami do ich wyrobu są nikiel, kobalt, mangan, chrom, wolfram, wanad, molibden, rzadziej krzem, glin, tytan, miedź i inne.

■HM

tę

..

Dodane składniki nie tworzą odrębnych strukturalnych postaci niż poznane już przy omawianiu żelaza węglistego; tworząc czy roztwory z żelazem czy karbidy z węglem, rozpuszczające się w karbidzie żelaza, dają one te same składniki skruktu-

ralne jak żelazo z węglem.

Za Guilletem roz-

•3<'

Wf* *

różniamy w stopach takich

i*

następujące cztery struktury:

1.    perlityczną,

2.    martenzytyczną,

3.    austenityczną,

4.    karbidyczną.

1. Struktura per-lityczńa jest taką'sama, jaką mają stale węgliste niehartowane, przedstawione na rys. 21—25, i składa się czy to z czystego perlitu czy też jego mieszaniny z wolnym ferrytem lub wolnym cement3rtem. Rys. 34 przedstawia strukturę stali niklowej (0‘24°/₀ węgla, i 3'15°/₀ niklu), zbudowaną z bardzo drobno-płatkowego perlitu (ciemne wyspy) i ferrytu (jasne).

Żelazo.    ^

fr-J

Rys. 34 (x300).

Różnica między żelazem węglistem a stopem zawierającym jeszcze inny metal polega nie na budowie krystalicznej lecz na tern, że przy zawartości nowego dodatku ferryt nie jest zazwyczaj czystem żelazem lecz zawiera ów metal w roztworze, a cementyt nie jest czystym karbidem żelaza lecz roztworem jego z karbidem dodanego metalu. Te zmiany w składzie ferrytu i cementytu wywołują różnice” własności mechanicznych i chemicznych, zmiany wzajemnej rozpuszczalności składników, twardości i t. p.

Stopy perlityczne mają najobszerniejsze zastosowanie,

JHn #igaii

gdyż przy znacznej wytrzymałości są plastyczne, a. cena ich nie jest zbyt wysoka, gdyż zawartości nowego a zwykle drogi giego dodatku nie są duże.

mi

tIS

■m

Rys. 35 (x 300)

2. Struktura martenzytycz-na jest taka sama jak u żelaza _jf|g§ węglistego hartowanego (rys.29) istnieje ona jednak już w tem-perat u r z e n o r m a 1 n ej. Znaczy to, że albo szybkość rozkładania się roztworu na swe składniki jest tak mała, że nawet powolne ostudzenie stopu nie powoduje rozkładu, albo że jego temperatura krytyczna leży poniżej temperatury normalnej. Na rys. 35 widzimy strukturę martenzytyczną stopu zawierającego 0'12°/₀ węgla i 15% niklu.

Stopy martenzytyczne są nadzwyczaj twarde i kruche, więc jako bardzo trudno obrabialne i nie wytrzymałe na uderzenia, nie mają większego zastosowania w budowie maszyn, mimo wysokiej wytrzymałości na rozciąganie.

3. Struktura

czna znana z rys. 27, jest tu naturalnym stanem stopu, występującym przy powolnem stygnięciu w normalnej temperaturze. Na rys. 36 widzimy taką naturalną strukturę stopu zawierającego 1'15% węgla i 10% manganu. Guillet strukturę tę nazwał polyedryczną od wielościennego kształtu ziarn na obrazie mikroskopowym. Stopy austenityczne mają mniejszą twardość niż marten-

zytyczne a przytem wielką wytrzymałość i ciągliwość; ponieważ są trudniej obrabialne od perlitycznych a zawierają znaczne ilości dodanych metali, zwykle drogich, cena ich jest wysoka i są przez to tylko wyjątkowo używane.

- •**

4. Struktura kar-

bidyczna. nazwana tak przez Guilleta, przedstawia ziarna i złoża cementytu jako wzajemne roztwory podwójnych lub wielokrotnych karbidów w mieszaninie

eutektycznej, jak to widzimy na rys. 37 będącym obrazem stali narzędziowej tz. szybko-    ₍

zawartości 0'745°/₀ węgla, 6’516°/₀ chromu i 18 28 /0

Rys. 36 (x 100)

tnącej, o

wolframu Pierwszy Fettweiss ³⁴) zauważył, że jest to struktura

__ _ analogiczna do

f(SS3: * ' V

■immi • »

I    budowy surowca

|    białego nadeute-

stem ona dopiero powyżej l'7°/o węgla, tu z powodu zmniejszonej rozpuszczalności karbidów wielokrotnych, obj awia się już przy zna-

ktycznego (rys. 30) w której występuje mieszanina eulektyczna zwana ledeburytem; w żelazie węgli-po wstaje

4*

Rys. 37 (x 500)

cznie mniejszej zawartości węgla. Mamy więc do czynienia z budową właściwą surowcom białym żelaza węglistego, tak jak tamte bardzo twardym, dającym się jednak obrabiać przez kucie wskutek mniejszej zawartości węgla. Przez żarzenie przy wysokich temperaturach można część wolnego karbidu przeprowadzić w roztwór, podobnie jak karbid żelaza w stalach nadeutektoidalnych (powyżej 0‘9°/₀ węgla); w zupełności nie można jednak tego osiągnąć i zawsze część wolnego cementytu pozostaje po żarzeniu.

Stopy karbid}czne bywają używane do wyrobu stali na-rzędziowych, zwłaszcza tz. szybkotnących, niezmiernie ważnych przy obróbce metali zapomocą skrawania.

Kiedy i w jakich warunkach występują poszczególne struktury, zależy to od składu stopów, z których najważniejsze są następujące:

Stopy z niklem. Nikiel czysty ma barwę srebrzysto-białą, topi się przy    ciężar gat. wynosi 8'9. Ma twardość żelaza

kujnego, wytrzymałość na rozc. w stanie kutym 40—50 kg./mm2 przy wydłużeniu do 23°/₀, pozwala się kuć, walcować i wyciągać. Przez stosowną obróbkę termiczną można otrzymać materjał o wytrzymałości 65 kg./ mm² i wydłużeniu 40°/₀. Jest zgrzewalny jak żelazo, bardzo odporny na działanie gazów zawartych w powietrzu lub w produktach spalenia procesów technicznych. Ma dwie alotropowe odmiany: magnetyczną a poniżej 320° i niemagnetyczną 3 powyżej tej temperatury. Do odlewania trudny gdyż w stanie stopionym pochłania gazy a tężejąc wydziela je i daje przez to porowate odlewy. Zawartość >węgla (do 2%) z którym tworzy karbid (Ni₃ C) poprawia odlewalność niklu, przy większych zawartościach węgiel nie rozpuszcza się w niklu i wydziela się w postaci grafitu.

Żelazo i nikiel rozpuszczają się w sobie w stanie płynnym zupełnie, w stężałym żelazo ę i nikiel $ tworzą roztwory stałe, w temperaturze normalnej daje nikiel a z żelazem a również roztwór. Tak samo jak żelazo węgliste, wykazują stopy żelaza z niklem i węglem punkty krytyczne, które ze wzrostem zawartości niklu a także węgla obniżają się aż do temperatur bardzo niskich, wskutek czego można otrzymać w temperaturze normalnej nietylko strukturę perlityczną ale także martenzy-tyczną (rys. 35) i austenityczną, odpowiednio do stosunku w jakim znajduje się w stopie nikiel i węgiel. Wykres Guilleta o0) rys. 38 przedstawia te stosunki: przy małych zawartościach niklu struktura jest perlityczna (A), ferryt zawiera rozpuszczony ^ ^ nikiel, cementyt jest podwójnym ^ K karbidem. Ze wzrostem ilości niklu w stopie występuje struktu-

30

/i-

05 10 ^

ra martenzy tyczna (B), przy jesz-

cze większej austenityczna (C), ^    ^

0    02 04 06 08 /0 '2 14 *15

% ZdWdU‘0X węę/d

Rys. 38.

z pewnemi przejściowemi strukturami między niemi jak AB (troostyt, p. rozdział 19 o hartowaniu) i BC (mieszanina martenzy tu i austenitu jak rys. 28). Przy tej samej ilości niklu powoduje zwiększenie zawartości węgla przemianę jednej struktury w drugą, tak np. stop zawierający 5°/₀ niklu jest perli-tyczny przy 0*2°/₀ węgla, martenzytyczny przy l'2°/₀ a austenityczny przy l'6°/₀. Oczywiście nie jest rzeczą obojętną dla własności stopu (wytrzymałość, twardość, ciągliwość, odporność chemiczna i t. d.) jaki będzie w obrębie tej samej struktury stosunek wzajemny niklu i węgla, i np. stop austenityczny o 30°/₀ niklu będzie się zachowywał odmiennie przy zawartości 01°/₀ węgla niż przy l'6°/₀.

Omawiając różne rodzaje materjałów i różne procesy technologiczne, będziemy mieli sposobność zapoznać się z wpływem jaki wywiera dodatek niklu do żelaza i zrozumieć doniosłe znaczenie tych stopów, zwłaszcza do celów konstrukcyjnych.

Stopy z kobaltem. Kobalt ma barwę szarawo-białą, ciężar gat. 8*6, topi się przy 1490°, jest magnetyczny (a) a przy wyższych temperaturach niemagnelyczny ((3). Z węglem tworzy karbid (Co₃ C) dający przy małych zawartościach kobaltu (do l°/₀) roztwory stałe, przy większych stopy o strukturze surowca białego. Z żelazem wchodzi w roztwory zarówno w stanie płynnym jak stałym.

Stopy kobaltowe są dotąd mało zbadane, wiadomo o nich tylko że przy małych zawartościach węgla (do 0*3°/₀) są przeważnie perlityczne. Stosują je przy wyrobie stali narzędziowych.

Stopy z manganem. Mangan ma barwę szarawo białą, ciężar gat. 7*4, topi się przy 1210°. Przy 1146° wykazuje zmianę alo-tropową, obniżającą się z dodatkiem żelaza. Jest bardzo twardy i kruchy, łatwo ulega utlenieniu. Ponieważ w procesach hutniczych odgrywa doniosłą rolę jako czynnik odtleniający a dostaje się podczas nich do żelaza jako naturalna przymieszka, przy wyrobie stopów zaś jest umyślnie dodawany, będziemy o nim mówili zarówno na tern miejscu jak i w rozdziale o przymieszkach w żelazie technicznem.

Mangan łącz}" się z węglem na karbid (Mn₃ C), związek bardzo trwały, znoszący bez rozkładu znacznie wyższe temperatury niż karbid żelaza. Karbid manganu rozpuszcza się w manganie, tworząc roztwory stale, przy większej zawartości węgla (ok. 2°/₀) pojawia się obok kryształów roztworu eutek-tyka, analogiczna do ledeburylu w stopach żelaza z węglem.

Z żelazem tworzy mangan zupełne roztwory płynne a także stałe.

Stopy żelaza węglistego z manganem zawierają roztwory podwójnych karbidów; są one kujne. Przy wyższych niż 4°/0 zawartościach węgla wydziela się z roztworu podwójny karbid w mieszaninie eutektycznej analogicznej do ledeburytu. Ze wrostem zawartości manganu obniżają się temperatury krytyczne tych stopów, wskutek czego już w normalnej temperaturze powstają roztwory stałe martenzytyczne i austenityczne.

Rys. 39. przedstawia według Guilleta⁵⁰) schematycznie wpływ, jaki wywiera zawartość manganu i węgla na strukturę stali manganowych. Przy małych zawartościach manganu jest ona perlityczna (A), przy większych martenzytyczna (B), przy jeszcze większych austenityczna (C), z takiemi samemi przejściami między niemi jak w stalach niklowych.

/oZJwdr/oóC mjnęMo

/2

"u

0 02 Ol 06 08 /V /? H 06

%zdwjr/05cwęę/j Rys. 39.

Stopy z chromem. Chrom ma barwę srebrzystą, ciężar gat. 6'5, topi się przy 1520°, jest twardy i bardzo kruchy, łatwo się utlenia. Z węglem tworzy karbidy, prawdopodobnie kilka nawet związków, bardzo trwałych. Z żelazem tworzy roztwory graniczne (według typu 2 A rozdz. 2),

ak to widać na rys. 40 z wykresu termicznego (który zestawił Janecke⁹⁸) wskazującego, że przy 1340° istnieją stałe twory chromu i żelaza do zawartości 54°/₀ chromu, poczem wydzielają się kry- ^ ształy zawierające nad- ^ wyżkę roztworu granicz- Jj nego w mieszaninie eute- & ktycznej (76°/₀ chromu i 24°/₀ żelaza); powyżej ^ zawartości 87°/₀ chromu istnieją znów roztwory stałe.

roz-

1528

1500

1400

1300

_l_

-h

-r

0    10    20    30    40    50    60    /0    80    90    100

Zawartość chroma m °/o R}S. 40.

Stopy żelaza węgli-

stego z chromem mają własności odpowiadające powyższemu wykresowi, z uwzględnieniem wpływu węgla. Przedstawia je na rys. 41 wykres (pełna linja) zestawiony przez ObeYhof-fera i Daevesa¹⁰⁰): przy mniejszych zawartościach chromu

18

7200

1100

10

-V

A.

Temperatura iu C”

1000

900

600

yoo

600

A.

/?

0,2 ot. 06    08    1.0    72    74    1,6    1.8’.

Zawartość wegta to %

Rys. 41.

500

P'

/?'

0,3    04    0.6 OJ 1.0    <2

Zawartość węgla w i Rys. 42.

7.4

struktura jest perlityczna (A, z ferrytem zawierającym chrom a cementytem złożonym z podwójnych karbidów), przy większych karbidyczna (D) z mieszaniną entektyczną, analogiczną do ledeburytu w stopach żelaza z węglem, lecz zachowująca się odmiennie pod działaniem odczynników używanych do wytrawiania prób mikroskopowych. Wykres powyższy zmienił Russell¹¹⁹) jak to na wykresie przedstawiają linie kreskowane, ograniczając pole A i dzieląc pole D na dwa, z których środ-

kowe (B) przedstawia roztwór, a tylko reszta strukturę karbi-dyczną. Dalsze badania powinny przynieść wyjaśnienie.

Stopy z wolframem. Wolfram ma barwę białą, ciężar gat. 191 topi się przy 3030°. Jest twardy i kruchy. Z węglem tworzy bardzo trwale karbidy. Wykres stopów wolframu z wę-glem^(S w i n d e n ⁹⁸) przedstawia rys. 42. Widzimy w nim linje krytyczne GOS, HO i DSR analogiczne do linij w wykresie

1500

»    1400

O «*

1300

1200

Temperatura

1100

10 oo

9 00

865

800

-p

yoo

600

o 4    8    12 16 20

Zawartość wolframu % Rys. 43.

żelaza i węgla (rys. 20), przedstawiające przejście nierozpuszczalnych w sobie składników (wolfram i jego karbid) w roztwory. Ponadto znajduje się w wykresie bliżej nie określona linja krytyczna A B, mająca doniosłe znaczenie dla innych linji krytycznych. O ile mianowicie temperatura od której rozpoczyna się stygnięcie stopu podczas wyznaczania jego linji krytycznej (rys. 9 i 10), leży poniżej A B, położenie innych linij nie zmienia się, gdy jednak temperatura początkowa leży powyżej A B, obniża się linja temperatur I) R (Ai), stosownie do wysokości przegrzania nad AB; granicę dolną tego przegrzania przedstawia linja P' R'. Przy małem przekroczeniu tej granicznej temperatury nie doznają zmiany linje GOS i HO (A₃ i A₂), z wzrostem jej opadają i one.

Wolfram rozpuszcza się w żelazie w stanie płynnym i stałym. Są przypuszczenia, że tworzy także związek chemiczny, dotąd nie znany. Wykres termiczny t}rch stopów widzimy na rys. 43 dla zawartości do 18°/₀ wolframu. Ponad A B stopy są roztworami stałemi w żelazie y, poniżej znajduje się stan przejściowy roztworów w żelazie y w niezbyt pewnie ustalony (linja kreskowana) stan 3, poniżej PB w stan a (perlityczny).

Stopy żelaza węglistego z wolframem mają podobny ustrój jak stopy chromu; przy mniejszych zawartościach wolframu i węgla (rys. 44) mają strukturę perlityczną (feryt prawdopodobnie z pewną zawartością wolframu, cementyt jako podwójny karbid), powyżej (D) karbidyczną, z eutektyką analogiczną do

ledeburytu w żelazie węglistem lecz odmiennej postaci, spowodowanej prawdopodobnie obecnością wolframu¹⁰⁰).

Stopy z molibdenem. ie ———————

0,2 a A 0 6 0.6 1.0    1.2 1A 1.6 IB

Zómorfosc weg/a v %

Rys. 44.

Molibden ma barwę srebrno- u> białą, ciężar gat. 8 6, topi się ^ ,2 przy 2410°. Z węglem two- ⁶ 1Q rzy prawdopodobnie karbidy, | ^ analogicznie do do wolframu, ^ co jednak nie zostało dotąd stanowczo stwierdzone. Z że- 4 4 lazem tworzy zdaje się (we- | 2 dług Lautscha i T a m-manna °⁸) przy wysokich temperaturach związek chemiczny bliżej nie znany, nierozpuszczalny ani w molibdenie ani w żelazie, w niskich temperaturach roztwory graniczne aż do 80°/₀ zawartości molibdenu. Z żelazem węglistem tworzy stopy przy małych zawartościach molibdenu i węgla perlityczne (rys. 45) przy wyższych karbidyczne ⁵⁰) (Dj, analogicznie do wolframowych.

£ * I ³

■wi 2

'S

0.5

10

15

Zamar/osć meg/a rv °/o Rys. 45.

Badania Swinde-na ⁹⁸) wykazały, że podobnie j ak w stopach z wolframem, stopy żelaza wę-glistego z molib-^ denem ogrzane powyżej temperatury leżącej między 800° a 850° doznają znacznego obniżenia linij temperatur krytycznych (Au A₂), tem większego, im większa jest zawartość molibdenu. Istnieje natomiast pewna temperatura, wyższa od tamtej [przy 0'3°/0 węgla powyżej 850°, przy większych ilościach węgla, wyższa np. przy l. 2°/₀ około 11G0°], usuwająca owo obniżenie i przywracająca stali normalne punkty krytyczne. Sprawa ta, ważna dla procesów hartowania stali szybkosprawnych, polega na tz. rozdwojeniu punktu przemiany, o czem będzie mowa w rozdziale o hartowaniu.

Ol

00 ■

Stopy z wanadem. Wanad ma barwę srebrno-białą, ciężar gat. 5 5, topi się przy 1800°, łatwo się utlenia. Z węglem tworzy mało odporne karbidy i dlatego większa zawartość wanadu w żelazie (w postaci podwójnego karbidu) ułatwia wydzielanie się grafitu.

Z żelazem tworzy roztwory płynne i stałe (typu I, rozd. 2) w każdym stosunku. Z żelazem węglistem daje stopy perli-tyczne (do l°/₀ wanadu), będąc zawartym w obu składnikach perlitu, temperatura eutektoidalna jest prawie ta sama jak u żelaza węglistego (około 700°). Przy większych zawartościach wanadu występuje w perlicie wolny karbid w znacznych ilościach (struktura surowca białego).

Stopy z miedzią. Miedź ma barwę jasno-czerwoną, ciężar gat. ok. 8'9, topi się przy 1084°, łatwo się utlenia i zanieczyszcza, tworząc z tlenkiem miedzi mieszaninę eutektyczną Jest bardzo rozciągliwa, walcowana i wyżarzona ma wytrzymałość na rozciąganie 20—24 kg/mm². W stanie płynnym rozpuszcza się w żelazie zupełnie, w stałym tworzy różne roztwory, zależnie od temperatury i postaci alotropowej żelaza, przy niższej temperaturze występują obok roztworów mieszaniny eutektoidalne. Zawartość węgla w stopie żelaza z miedzią zwiększa jej rozpuszczalność, zdaje się dlatego, że redukuje

zanieczyszczający ją zwykle tlenek miedzi.

Stopy z krzemem. Wykres stopów żelaza z krzemem we-d ługG ii r11 era i G o n-t er mana⁴²) widzimy na rys. 46. Jest to wykres według typu III (rozdz. 2), gdyż żelazo (A) z krzemem (K)

1600

Temperaturowe

1500

1440

1500

1200

1100

7000

/235

/25<y

>r

73

L_

.5

33, 8

ty. 4

O JO 20 30    40    50    60 yo 80    90 100

Za war/ość kr2pwu m °L Rys. 46.

tworzy związek Fe Si (C); w wykresie spotykamy nadto kombinację z typem II A z powodu, że do 18°/₀ krzem rozpuszcza się w żelazie, widzimy więc na wykresie także roztwór graniczny KAOL. Zresztą wykres jest zrozumiały.

Struktura stopów tych przy małych zawartościach węgla (do 008°/₀) i poniżej 5°/₀ krzemu jest perlityczna, a krzem jest

prawdopodobnie rozpuszczony i w żelazie i w karbidzie perlitu, przy wyższych zawartościach wydziela się węgiel jako grafit. Zawartość krzemu podwyższa temperaturę powstawania perlitu; przy bardzo małych ilościach jest ona taka sama jak u żelaza węglistego, przy 5°/₀ krzemu dochodzi 800°, powyżej 8°/₀—1000°.

Stopy wielokrotne. Jak widzieliśmy, stopy potrójne mają przy mniejszych zawartościach węgla i dodanego metalu budowę perlityczną, której składniki zawierają zwykle prócz żelaza ów dodany metal; przy większych zawartościach dzielą się na dwie grupy, jedną (np. stopy z niklem) której temperatura perlityczną przy pewnych stosunkach składników do znaje bardzo znacznego obniżenia, wskutek czego nawet w normalnej temperaturze powstają roztwory stałe (martenzyt lub austenit) drugą (np. stopy z chromem) wytwarzającą przy wyższych zawartościach dodanych składników mieszaniny eutektyczne (jak ledcburyt w żelazie węglistem), tz. strukturę karbidyczną, analogiczną do budowy surowca białego w żelazie węglistem, jednak o mniejszych zawartościach węgla i odmiennych własnościach.

Stopy wielokrotne, mające więcej niż jeden dodatek do żelaza węglistego, są bardzo mało zbadane. Jednak zachowanie ich da się wyrozumować z własności stopów potrójnych. Wszystkie więc mają strukturę perlityczną przy małych zawartościach dodanych składników, przy większych, o ile należą do jednej grupy, mają tak samo jak tam, strukturę mar-tenzytyczną, austenityczną albo karbidyczną, o ile zaś jeden dodatek należy do odmiennej grupy, działa w myśl swoich własności, wywołując to wytwarzanie się roztworów przy niskich temperaturach, to powstawanie budowy karbidycznej.

Opisane własności stopów żelaza węglistego posłużą nam, tak samo jak to, co było powiedziane o żelazie, do wytłoma-czenia zachowania się materjałów przy różnych procesach technologicznych.

Nie jest to jednak regułą. Tak np. niezmiernie ważne w budowie maszyn stale konstrukcyjne niklowo-chromowe, które ze względu na zawartość niklu powinny być perlityczno-martezytyczno-austenityczne, a z powmdu chromu także kar-

bidyczne, nie wykazują struktury karbidycznej. Rys. 47 przedstawia według Straussa i Maurera¹²⁸) wykres struktury tych

26

24

Zawartość niklu w /

20

16

12

0    2    4    6    8    10    12    14    16    18 20 22 24

Zawartość chromu 10%

Rys. 47.

stali przy małych zawartościach węgla: jest ona perlityczna (A), gdy zawartości obu metali są małe, przy większych jest mar-tenzytyczna (B), przy największych austenityczna (C) zc sferą przejściową (BC).

6. Przymieszki i zanieczyszczenia w żelazie.

Stopy żelaza z węglem i umyślnie dodanemi metalami nie są chemicznie czyste, lecz zawierają obce ciała, jakie dostają się do nich podczas procesów hutniczych i obróbczych, zwłaszcza odbywających się przy wysokiej temperaturze. Ciała te, znajdujące się w materjałach używanych do wyrobu żelaza, podlegają redukcji, tak samo, jak związki żelaza, i przechodzą w nie czyto jako roztwory czy związki chemiczne, wpływając odpowiednio na zmiany jego własności, raz w sposób dodatni i pożądany, to ujemnie i szkodliwie; w tym ostatnim wypadku bywają nazywane zanieczyszczeniami.

Przymieszkami nąjczęstszemi i w największych ilościach bywają ciała stałe, z tych najważniejsze są mangan, krzem, fosfor, siarka, w mniejszym stopniu miedź, arsen i i. Często są one gazami: tlen, azot, wodór, tlenek węgla.

Osobną grupę stanowią żużle, związki różnego pochodzenia, nierozpuszczalne w żelazie, dostające się do niego również w procesach hutniczych i mające zupełnie odrębne własności fizyczne (mała wytrzymałość, wielka kruchość, niski punkt topliwości itd.).

Niektóre ciała spotykane w żelazie w charakterze przyr-mieszek bywają także dodawane umyślnie dla wytworzenia stopów o pewnych żądanych własnościach. W tym charakterze były one już omówione w rozdziale o stopach żelaza wę-glistego; — tu będą traktowane tylko jako przymieszki, które dostały się do żelaza nie jako umyślne dodatki w postaci metalicznej i w ściśle oznaczonym stosunku, lecz przeszły do niego z rud, paliwa lub pomocniczych materjałów podczas procesów technologicznych, w ilości nie dającej się zgóry ściśle określić ani ustalić.

Przymieszki omawiać będziemy w trzech grupach jako: 1. ciała stałe, będące pierwiastkami chemicznemi, ... gazy,

3. żużle.

1. Przymieszki stałe. Mangan. Metal ten, pokrewny żelazu, znany już z rozdziału o stopach, dostaje się do surowca z przymieszek zawartych w rudach lub z umyślnie dodawanych rud manganowych; w gorętszej strefie wielkiego pieca, gdzie odbywa się bezpośrednia redukcja żelaza, doznaje i on redukcji i przechodzi do surowca. Jest w nim, w płynnym stanie, rozpuszczalny w każdym stosunku.

Mangan zwiększa rozpuszczalność węgla w żelazie, tak że dodając go w większych ilościach, można zawartość węgla podnieść ponad normalną miarę, jak się to dzieje np. w surowcu zwierciadlistym. Mangan tworzy z węglem karbid (Mn3 C), podobie jak żelazo (Fe₃C); wtedy występują oba równocześnie w żelazie, w roztworze, jako podwójny karbid. Karbid manganu jest związkiem trwalszym niż karbid żelaza, dlatego surowiec zawierający go ma dążność do zastygania jako surowiec biały — o ile temu nie przeciwdziała obecność krzemu. Powyżej 2‘5°/₀ manganu wydzielanie się grafitu nie zachodzi nawet przy największych zawartościach węgla, jakie w praktyce spotyka się w surowcu.

Mangan utlenia się łatwiej niż żelazo, dlatego działa redukująco, a więc korzystnie, na żelazo zanieczyszczone tlenkiem.

sza

Zawartość manganu wpływa korzystnie do l°/₀ na wytrzymałość (na rozciąganie i zginanie) surowca szarego, ro-biąc go jednak twardszym i kruchszym ¹⁴⁶). Mangan zumiej -niekorzystny wpływ siarki na żelazo, tworząc z nią siarczek (Mn S) w postaci żużla, mniej szkodliwego niż siarczek żelaza, o czem będzie mowa w ustępie o siarce jako przymieszce w żelazie.

Mangan zwiększa w surowcu rozpuszczalność dla gazów w stanie stopionym, przez co żelazo zawierające go pochłania znacznie więcej gazów, zwiększa on także współczynnik kurczenia się surowca.

Przymieszka manganu w żelazie węglistem nie wpływa na zmianę położenia punktu eutektycznego [p. B na rys. 20J ani punktu granicznego roztworu stałego (E), natomiast obniża znacznie punkt eutektoidalny (S) ¹⁴¹).

W żelazie kuj nem dodatek manganu podnosi wytrzymałość żelaza na rozciąganie średnio o 1'5 kg mm- na każde 0‘l°/₀ a twardość o 5 stopni Brinella aż do zawartości 3°/₀ Mn; występujące przy rozciąganiu wydłużenie pozostaje niezmienione aż do l'5°/₀ manganu, poczem się zmniejsza. Zawartość 1 —1'5°/₀ manganu zwiększa odporność żelaza na uderzenie⁸⁰). Na zgrzewalność żelaza wpływają korzystnie domieszki manganu (0‘6—1 °/₀); wielkość ich stosować jednak należy do zawartości krzemu, utrudniającego zgrzewanie.

Znaczenie i zastosowanie manganu jako środka odtlenia-jącego omówione będzie przy wyrobie żelaza zlewnego.

O manganie jako składniku stopów żelaza była mowa w rozdziale o stopach żelaza węglistego.

Krzem, pierwiastek z grupy węglowców, nie znajduje się w naturze w stanie czystym z powodu wielkiego powinowactwa z tlenem. Do surowca dostaje się podczas procesu wytapiania (w wielkim piecu, rozdz. 8.) w wysokiej temperaturze, przez redukcję bezpośrednią krzemionki zawartej w minerałach zmieszanych z rudą.

Krzem tworzy z żelazem do zawartości 18°/₀ stały roztwór (rys. 46) a więc w tych ilościach, w jakich znajduje się w surowcu (do 3’5°/₀), występuje tylko w tej postaci. Zmniejsza rozpuszczalność węgla w żelazie i obniża stałość karbidu, powodując wydzielanie się grafitu podczas tężenia a przez to. powstawanie surowca szarego. Zawartość krzemu w surowcu nie jest jednak konieczna, by się wydzielił grafit, tak samo jak obecność manganu, aby temu zapobiec. Doświadczenia Leyyego⁸⁶) wykazały, że surowiec o znacznej stosunkowo zawartości krzemu (l'62°/₀) a małej manganu (015°/₀), ostudzony bardzo nagle, zastygał jako biały, gdy znów surowiec zawierający wiele manganu (154°/₀) a mało krzemu (0'14°/₀) studzony bardzo wolno, stężał jako szary. To spostrzeżenie nie może mieć większego znaczenia^ dla procesów technologicznych, bo w nich wyjątkowo tylko zachodzić mogą warunki jak w opisanem doświadczeniu laboratoryjnem, i dla procesów tych pozostanie regułą, że do wytworzenia surowca białego w wielkim piecu potrzebny jest mangan, do szarego, — krzem. Ma ono jednak pewne znaczenie w odlewnictwie żeliwa, gdzie szybkość lub powolność studzenia jest czynnikiem dającym się stosować w pewnej mierze.

Krzem jest najdroższym składnikiem surowca ze względu na wielką ilość ciepła potrzebnego do jego redukcji w wielkim piecu. Zawartość krzemu powoduje zmniejszenie się skurczu żelaza podczas tężenia z powodu wydzielania się grafitu, ponadto utrudnia on wyzwalanie się gazów rozpuszczonych w żelazie. Za wielka ilość krzemu jest jednak szkodliwa, gdyż ponad 3°/₀ robi żelazo krachem. Te własności krzemu jako składnika żelaza odlewnianego będą omawiane obszerniej w rozdziaie o odlewnictwie.

O dodatkach krzemu w procesach wyrobu żelaza kuj-nego będzie mowa w odnośnym rozdziale, o krzemie w stopach żelaza węglistego wspomniano w rozdz. 5.

Na własności żelaza kujnego nie wpływa znacząco krzem do zawartości 07°/₀, większe dodatki podnoszą wytrzymałość żelaza, nie zmieniając ciągliwości, co jest skutkiem działania krzemu na słabsze wydzielanie się gazów i większą przez to gęstość żelaza. Powyżej l’6°/₀ krzemu materjał staje się kruchym i nieodpornym na uderzenie ¹⁰⁵). Krzem szkodliwie działa

na zgrzewalność żelaza i wymaga przeciwdziałania dodatkiem man-

1SOO

Temperatura C°

1400

1200

ganu.

Fosfor znajduje się w materjałach hutniczych w for-Th tl? mie związków chemicznych, i w procesie wytapiania żelaza dostaje się do żelaza wskutek redukcji. Rys. 48 przedstawia wykres termiczny stopów żelaza z fosforem według Goerensa⁴²); widzimy tam, że do 17% fosforu żelazo tworzy z nim roztwór stały, przy 15'6% związek Fe₃ P, dający z żelazem szereg sto-

1000

1980°

_%r

1.7 2

40,2    12

Zaruariość fosforu ru / Rys. 48.

pów (według schematu 2A i 3, rozdz. 2) z punktem eute-ktycznym przy 10*2°/₀ fosforu i 980°. Żelazo zawierające więcej niż 17°/₀ fosforu składa się więc z kryształów powyższego roztworu stałego i eutektyki złożonej z kryształów roztworu i fosforku żelaza⁴¹). Jakkolwiek średnia zawartość węgla w żelazie technicznem nie dochodzi nigdy prawie do 17°/₀, to jednak wskutek skłonności fosforu do wydzieleń i bardzo małej zdolności dyfuzji, spotyka się nawet w blokach

żelaza kujnego __

.* ______

miejsca bogate    , ;    ^ %< T

:

?;~s% :

stanowi

w fosfor, o zawartości ponad 17°/₀. To nierównomierne rozdzielanie się fosforu

Rys. 49 (x 90).

wielką jego wadę jako składnika w żelazie. Na rys. 49 widzimy żelazo zlewne z ostatniego okresu procesu Thomasa; ciemne plamy oznaczają miejsca bogate w fosfor i wskazują, jak nierównomiernie rozkłada się w żelazie. Znajdowano w żelazie wydzielenia fosforu różniące się o 80°/₀ od zawartości średniej ¹⁴⁵). Zawartość węgla w żelazie powoduje, że fosfor tylko do 01°/₀ pozostaje w roztworze, powyżej zaś tej zawartości występuje potrójna eutektyka składająca się z 9T3°/₀ żelaza, 2°/₀ węgla i 67°/₀ fosforu, która topi się przy 953 ¹⁴²) ⁴⁵). Wskutek tego żelaza fosforzystego nie można używać na odlewy przedmiotów, podlegających silnemu rozgrzaniu, jak ruszty, tłoki motorów Diesla itp., ponieważ eutektyka przechodzi w stan płynny, i materjał staje się mało wytrzy-

Żelazo.

małym. Na rys. 50 widzimy żelazo zawierające taką eutektykę (jasne plamy) potrójną.

Mała zawartość fosforu (0‘3°/₀) podnosi wytrzymałość surowca szarego, powyżej 0'6°/o działa szkodliwie; odporność na uderzenie zmniejsza się już przy mniejszych zawartościach

'fosforu, żelazo staje się kru-chem. Dlatego, o ile zawartość jego nie jest szkodliwa w częściach maszyn pracujących spokojnie (do 0'75%), o tyle w częściach narażonych na wstrząśnienia i uderzenia należy jego zawartość ograniczać (do 0'4°/₀).

Rys. 50 (x 150, Met.).

Z powodu tworzenia się ni-sko-topliwej eutektyki, szkodliwej dla przedmiotów pracujących przy podwyższonej temperaturze, jest żelazo fos-torzyste materjałem bardzo odpowiednim na odlewy cienkie, gdyż będąc rzadkopłynnem, dobrze wypełnia nawet bardzo wąskie części formy.

Dodatek fosforu już w małych ilościach zwiększa wybitnie szybkość krystalizacji żelaza, co jest powodem, że żelazo fosforzyste tężejąc, staje się grubokrystalicznem a przez to kruchem. Stąd pochodzi wielka kruchość odlewów zawierających fosfor (cienkich) nietylko w stanie rozgrzanym ale także zimnym. Dodatek manganu powyżej 1 °/₀ ma przeciwdziałać tej ujemnej własności¹⁴⁷).

O znaczeniu fosforu w procesach hutniczych będzie mowa w odnośnym rozdziale.

W żelazie kuj nem fosfor zwiększa twardość, podwyższa wytrzymałość na rozciąganie, ale zarazem zmniejsza ciągli-wość i wywołuje kruchość w stanie zimnym, robiąc materjał nieodpornym na uderzenia. Rys. 51 przedstawia wykreślnie wpływ fosforu na mechaniczne własności żelaza miękkiego ²), t. j. wytrzymałość na rozciąganie (a), na uderzenie (b), na wydłużenie (c), i twardość (d). Z powiększeniem zawartości węgla powiększa się kruchość w stanie zimnym, co szczegół-

nie wybitnie występuje w stali hartowanej, dlatego stal narzędziowa, zawierająca ok. l°/₀ węgla, nie powinna mieć więcej niż 0025°/₀ fosforu, podczas gdy żelazo mięk-kie znosi bez szkody ^ |    ⁶⁰

: *

■3?

k 50

Kuj ności żelaza w sta-    §

nie rozżarzonym fosfor w nie szkodzi aż do zawar- » ^ tości 0'3%. Niektórzy ^ badacze ¹²³) twierdzą, że okrzyczana szkodliwość Ą fosforu w żelazie iest

300%

d.

«tt>o o

O Qt 04    0.6 Qa l,o li

Zawartość fosforu v %

Rys. 51.

przesadzona; wobec skłonności fosforu do

za-

wydzieleń, należy wy-czkać na dokładniejsze badania, zachowując dotychczasową ostrożność w dopuszczaniu większych jego wartości w żelazie.

1600

1400

1200

Fosfor ma nadawać także żelazu obrabianemu piękniejszą i gładszą powierzchnię a także zwiększać jego odporność na rdzewienie ¹²³).

Siarka dostaje się do żelaza w wielkim

985

Temperaturo C°

898

T68

600

Q co Q co

5 a Sc

0,

10    20    30    4 0    50    60

zawartość FeS w Vo

TTTT1 io 15    20    25~

Za wartość siarki w / Rys. 52.

to 80 84.630

piecu i piecach odlewni anych z przerabianych materjałów i tworzy związek FeS nierozpuszczalny w żelazie. Rys. 52 przedstawia wy-¹ kres termiczny stopów żelaza z siarczkiem żelaza⁴²), utworzony według typu 2 (rozdz. 2) ze składników w sobie nierozpuszczalnych w stanie stężałym, z eutektyką przy 985° zawierającą 84'6°/₀ siarczku żelaza (w tem

30‘8°/₀ siarki) i 15*4°/₀ żelaza. W każdem więc żelazie zanieczyszczeniem siarką znajduje się ona w postaci powyższej entek-tyki, osadzającej się między ziarnami (rys. 53 ⁸⁷), żelazo zawierające 0'75°/₀ siarki). W stanie stężałym stopy przechodzą w coraz inne modyfikacje, zaznaczone na wykresie poziomem i linjami, z których dwie, przy 898° i 768° odpowiadają przemianom żelaza y na 3 i fł na a, dwie zaś przy 298° i 138° przemianom alotropowym siarczku żelaza. Tym zmianom w stanie stałym towarzyszą zmiany objętości wywołujące naprężenia w materjale.

UtfHK ‘Ą

•:>.r

graj

Rys. 53 (x80 Mitt. Aachen).

Siarka utrudnia wydzielanie się grafitu, wpływając na powstawanie białego surowca, zwiększa twardośćżehiza i współ-czynnik kurczenia się podczas tężenia. Mając nadzwyczaj małą zdolność dyfuzji, tworzy bardzo niejednolite i przez to szkodliwe wydzielenia. Znajdowano w żelazie wydzielenia siarki różniące się o przeszło 180% od zawartości średniej ¹⁴⁵). Siarka ponadto zwiększa zdolność żeliwa do pochłaniania gazów i powoduje jego gęstopłynność, tak że już przy zawartości 0*2% siarki nie wypełnia dobrze formy.

Na wytrzymałość surowca odlewniczego wywiera pewna zawartość siarki korzystny wpływ, zwiększając wytrzymałość na rozciąganie i zginanie a nawet na uderzenie; przy mniejszych zwłaszcza zawartościach węgla i krzemu występuje ten objaw wybitnie. Granica wzrostu tych własności leży około 0.15°/₀ siarki a czasem nawet wyżej ⁸³). Równocześnie jednak zwiększa się twardość utrudniająca obrabianie odlewu a co gorsza, materjał robi się gęstopłynnym i wymaga silnego przegrzania, aby się dał odlać i nie stężał w kanałach prowadzących do formy.

Mimo więc polepszenia warunków wytrzymałości wskutek dodatku siarki, należy być ostrożnym w dopuszczaniu tej przymieszki poza pewną granicę, i jak długo dalsze badania

nie wyjaśnią zależności między wzrostem dobrych i złych własności żelaza przez dodatek siarki, należy zachowywać dotychczasowe wskazania, aby żelazo odlewnicze nie zawierało jej więcej niż 006°/₀ a w najgorszym wypadku 01°/₀.

Jeżeli w surowcu znajduje się obok siarki mangan, a żelazo pozostaje dłuższy czas w stanie wysoko rozgrzanym, następuje między siarczkiem żelaza a manganem reakcja: mangan rozkłada połączenie FeS i z siarką tworzy siarczek (MnŚ), który będąc nierozpuszczalnym w żelazie a lżejszym, oddziela się i wypływa na powiechnię jako żużel. Na tej zasadzie polega działanie mieszalników. Są to wielkie zbior-

- <t>

srT

/w

TŚf

OJ

praa-

jpM V'-vWĄ-.rr-

>srt/y

Rys. 54 (St. u. E.).

niki przechylne (rys. 54), często ogrzewane palnemi gazami (dopływ a), o pojemności kilkuset do kilku tysięcy ton, w których surowiec (zawierający siarkę i mangan) dowożony z wielkich pieców i z jednej strony wlewany (u góry), z drugiej wypuszczany (u dołu) dla przeróbki na stal lub odlewy, zebrane w wielkiej ilości, miesza się i wyrównywa pod względem składu chemicznego, a równocześnie odsiarcza wskutek długiego pozostawania w zbiorniku. W ten sposób zawartość siarki w żelazie może być prawie do połowy zmniejszona.

W żelazie kujnem najmniejszy dodatek siarki uważany był do niedawnych czasó\v za szkodliwy. Według nowszych badań ¹³⁴) siarka do 0*2°/₀ nie wpływa na zmianę wytrzymałości przy rozciąganiu, plastyczność jej również nie cierpi do powyższej zawartości, natomiast wytrzymałość na uderzenie spada szybko już poniżej 0'05°/o siarki. Ponad 0'2°/₀ siarki żelazo nie daje się obrabiać na gorąco i przy kuciu pęka. Objaw ten tłumaczy się powstawaniem eutektyki, topiącej się przy 985°, wskutek czego spoistość ziarn doznaje osłabienia. Mimo badań wykazujących nieszkodliwość większych zawartości siarki dla wytrzymałości i ciągliwości, uważana bywa w przemyśle jej ilość powyżej 0'l°/₀ a nawet mniejsza, za szkodliwą wskutek skłonności siarki do tworzenia wydzieleń i przez to bardzo niejednostajnego rozmieszczania się; w żelazie nawet przy małej zawartości siarki tworzą się miejsca bogate w nią i przez to dla materjału niebezpieczne.

Zawartość siarki ma również robić żelazo nieodpor-nem na rdzewienie, co jednak nie zostało dotychczas udowodnione.

Miedź w surowcu wtedy jest szkodliwa, jeżeli równocześnie zawarta jest w nim siarka, tworząca siarczek miedzi; działa on podobnie jak siarka w żelazie, jest jednak niebezpieczniejszy niż siarczek żelaza, bo go nie można usunąć w mieszalniku przy pomocy manganu.

W żelazie kujnem miedź uważana była za przymieszkę szkodliwą. Liczne badania wykazały, że jej dodatek wpływa, w małych ilościach, korzystnie na wytrzymałość (na rozciąganie), obniża jednak ciągliwość oraz zwiększa twardość.

Arsen w żelazie zwiększa jego kruchość a zmiejsza zgrze-walność, jednak dopiero przy większych zawartościach (od 0‘2°/₀); małe zawartości arsenu, znajdujące się czasem w żelazie, nie mają znaczenia.

Cyna, która może się dostać do żelaza wskutek przeróbki odpadków blachy pokrytej cyną, wywołuje jego kruchość i jest przymieszką szkodliwą.

2. Gazy. Żelazo styka się z gazami w stanie roztopionym w wielu procesach technologicznych i rozpuszcza je w sobie. Im mniej jest w niem domieszek, t. j. im jest czystsze, im wyższa temperatura i ciśnienie, tern większą ma zdolność rozpuszczania gazów, dlatego najwięcej ich pochłania żelazo miękkie w czasie procesów świeżenia, bo wtedy jest zazwyczaj silnie przegrzane.

Gazy w żelazie rozpuszczone pochodzą z powietrza uż}^-tego do świeżenia (tlen i azot), z paliwa stosowanego do ogrzewania w stanie stałym lub gazowym (tlenki węgla), z pary wodnej zawartej w powietrzu i materjałacli hutniczych (wodór i tlen) i z produktów spalenia przymieszek (bezwodnik siarkawy). Mogą one wchodzić w związki chemiczne z żelazem i po stężeniu pozostawiać w niem przymieszki stałe (tlenki, siarczki, karbid) lub pozostawać w rozpuszczeniu i tworzyć stałe roztwory (wodór, azot), wywołując pewne zmiany własności fizycznych, albo, w razie zmniejszenia się rozpuszczalności przy stygnięciu żelaza, wydzielać się w postaci baniek i tworzyć miejsca nie zapełnione metalem, przerywające jego ciągłość, szkodliwe dla wytrzymałości mate-rjału; stan taki nazywamy porowatością.

Ze względu na wpływ wywierany na żelazo mają dla przeróbki większe znaczenia tlen, wodór i azot, i o nich tylko mówić będziemy.

Tlen, jako pierwiastek chciwie łączący się z żelazem i jego przymieszkami, nie występuje w postaci czystej, lecz jako związki chemiczne z żelazem a także siarką, węgłem i t. d. Jako związek z żelazem (tlenek) tworzy prawdopodobie z niem emulsję, powodując (podobnie jak przymieszka siarki)kruchość żelaza podczas obróbki w stanie rozżarzenia; dlatego po świeżeniu należy zapomocą procesu zwanego desoksydacją usunąć tlenek, wytworzony w wielkiej ilości w żelazie.

** )

Przy większych zawartościach węgla może on doznać redukcj i w stanie płynnym (Fe 0 -f C = Fe-j-CO); powstały tlenek węgla może wytworzyć bańki w stężałem żelazie.

Rys. 55 (x 180, St. u. E ).

Jaki związek tworzy żelazo z tlenem, nie jest dotąd wyjaśnione, przypuszczalnie powstają dwa związki, tlenek żelazawy i żelazowy ¹⁰¹). Z tych tlenek żelazawy ma być nieszkodliwy, gdyż w stanie gorącym jest plastyczny więc przeszkadza przeróbce przez kucie, jak to uwidocznia rys. 55,

przedstawiający żelazo elektrolityczne zanieczyszczone tlenkiem żelazawym, kute przy 900°. Sprawa szkodliwości tlenków jest dotąd niedostatecznie zbadana; jedni (np. Oberhoffer ¹⁰¹) uważają je za nieszkodliwe, prz}⁷pisując kruchość żelaza w stanie rozżarzonym zawartości krzemu, inni ⁶⁷) twierdzą, że tlenki są w żelazie szkodliwsze niż fosfor i siarka. Najwyższą ich zawartość spotykamy w żelazie zlewnem (do 0'-2°i₀) wyro-bionem metodą naczyniową, mniej z pieców Martina, jeszcze mniej w żelazie tyglowem a prawie nic w żelazie wyrobio-nem w piecach elektrycznych.

Inne gazy nie łączące się z żelazem chemicznie, tak jak tlen, znajdują się po stężeniu w roztworze stałym. W 100 gramach żelaza znajdowano⁴⁷) następujące ilości centimetrów sześciennych gazów:

29—152

10—105

żelazo tomasowskie 22—49 żelazo martinowskie 38—78 żelazo tyglowe żelazo elektryczne

W gażach było najwięcej ilenku węgla (65*1 — 78*3°/₀), następnie wodoru (12*2 —15*4°/₀), azotu (5 8 —14*5°/₀), dwutlenku węgla 1'7—14'7°/₀).

Jeżeli tężenie odbywa się pod ciśnieniem, podwyższaj ą-cem rozpuszczalność, wtedy wydzielanie gazów jest słabe

100gr żeldza pcchłan/j mg wodoru

i przy pewnem ciśnieniu ustaje; gazy pozostają wtedy rozpuszczone w żelazie stężałem. Dodatek pewnych ciał, zwłaszcza krzemu a także glinu, zwiększa rozpuszczalność gazów w żelazie, opóźniając ich wydzielenie.

W 600° 600° IOOO° 1200° IW0° 1500* Temperatura (St Ce/p

Rys. 56.

Wodór rozpuszcza się w żelazie płynnem w znacznych ilościach; w czasie stygnięcia a zwłaszcza tężenia, duża ilość wydziela się, część pozostaje w roztworze stałym.

Wykres na rys. 56 przedstawia rozpuszczalność wodoru w żelazie przy różnych temperaturach i ciśnieniu 760 cm. ⁶⁹).

Widzimy tam, że ze wzrostem temperatury a zwłaszcza w okresie przemiany alotropowej (A₃, załamanie między 800° a 1000°) zwiększa się rozpuszczalność.

O ile ciśnienie wzrośnie do 4 at. pozostaje prawie cała ilość rozpuszczonego wodoru w roztworze; stać się to może gdy blok żelaza stężeje na powierzchni, zamykając w swem wnętrzu wydzielające się gazy.

Wodór rozpuszczony w żelazie zwiększa jego wytrzymałość na rozciąganie a zmniejsza ciągliwość; przez żarzenie w stanie stałym można go z żelaza wydzielić.

Azot. Oddawna zwracano uwagę na wpływ rozpuszczonego azotu w żelazie; niedostateczne wydoskonalenie metod badania nie pozwoliło dotychczas określić pewnie doniosłości tego objawu. Wykres 57 ,;9) przedstawia rozpuszczalność azotu przy różnych temperaturach i ciśnieniu 760 cm. Wzrasta ona z początku bardzo szybko, poczem między 25 900° a 1000° (zmiana alotropowa A₃) zwolna 5 lecz stale się zmniejsza. Zjawisko ma więc f 2Qo-przebieg odmienny niż u wodoru.    ^

Azot ma zwiększać wytrzymałość na ^ ,5° rozciąganie a zmniejszać ciągliwość i wy- I woływać większą niż fosfor kruchość że- 1'°"’ laza obrabianego w zimnym stanie⁶⁷). | 5o Inni badacze twierdzą, że azot nie rozpusz- g, cza się w żelazie ale w zawartym w niem - oj_____

.    .    '    ■    J    800' 900'    1000 UOO 1200'

krzemie i manganie, i tylko tą pośrednią    Temper*.^*(c**x

drogą wpływa na własności żelaza ²⁵).    Rys. 57.

Korzystnym dodatkiem przeciw szkodliwości azotu okazał się w pewnych wypadkach tytan, który przy 800° wchodzi w związek z azotem, i stosowany w postaci ferro-tytanu, tworzy z azotem i tlenkami zawartemi w żelazie rzadkopłynny żużel, łatwo wydzielający się z żelaza. Stosowanie tytanu spotkało się z zarzutami, — rzecz nie jest dotąd wyjaśniona.

3. Żużel. Tak bywają zwykle nazywane wszelkie niemetaliczne przymieszki w żelazie (z wyjątkiem węgla w postaci elementarnej), dające się rozpoznać pod mikroskopem bez wytrawiania wypolerowanej próbki badanego materjału. Jakkolwiek żużel w istotnem znaczeniu, jaki występuje w procesach hutniczych (w postaci różnych krzemianów), jest ciałem zwykle całkiem odrębnem od t. zw. żużla w przymieszkach, zachowamy nadal tę nieścisłą ale utartą i wspólną, a więc dogodną nazwę dla zanieczyszczeń niemetalicznych w żelazie.

Żużel powstaje przy różnych reakcjach chemicznych w procesach technologicznych i w tej postaci pozostaje w żelazie po stężeniu, ulegając tylko pewnym deformacjom podczas przeróbki mechanicznej. Może mieć postać prawdziwego żużla (krzemianu), w jakiej go spotykamy w żelazie pudlar-skiem (rys. 86 i 87) albo w odlewach, gdy przypadkowo dostał się w czasie napełniania formy. Może być siarczkiem żelaza przy nadmiarze zawartości siarki lub siarczkiem manganu po procesie odsiarczania w mieszalniku, tlenkiem żelaza w materjale niedostatecznie oczyszczonem, tlenkiem wapnia i magnezu pochodzącym z dodatków oczyszczających lub z wyprawy^ pieca, kadzi itp. przyrządów; może wreszcie pochodzić z procesu desoksydacji świeżonego żelaza jako tlenek manganu, glinu lub krzemu, zależnie od materjału użytego do odtleniania.

Żużel tworzy się najczęściej w postaci drobnych kropelek, i jako gatunkowo lżejszy wypływa z płynnego żelaza albo tworzy w niem emulsję; gdy żelazo stężeje, zostaje zawarty w niem żużel uwięziony i wywołuje, podobnie jak bańki gazów, przerwy, szkodliwe dla wytrzymałości malerjału. Szkodliwość żużla jest większa niż gazów, ponieważ one przy odpowiedniej temperaturze i ciśnieniu rozpuszczają się w żelazie, albo pod naciskiem uchodzą z niego a przestrzenie po nich dadzą się zawalcować a nawet zgrzać bez śladu; tymczasem cząstki żużla zawsze pozostają jako szkodliwe przerwy, zmieniając co najwyżej swój kształt podczas przeróbki.

Najczęstsze postaci żużla jako mechanicznej przymieszki są następujące:

Żużel (krzemian) w żelazie pudlarskiem (rys. 86 i 87) opisany w odnośnym rozdziale.

Żużel (krzemian)jako przypadkowa domieszka podczas odlewania.

Tlenki metali, zwykle ciemno zabarwione: Tlenek żelazawy (rys. 55) już opisany, tlenek manganu powstający podczas desoksydacji w postaci drobnych kropelek (rys. 89),

XI

■ Ol

CC ^

42 s

PU Oh

nr

Et.śa

tr

N.

co

H- •

O

<2. g

cd‘

O O

' ero.

co

'A

co

Nf

pu

5

O CO

•c?^³

or

s.

Pu 2.

W tCl

p: T3 o

O Ph N- O 'A N

t/2

<2.

- m«.0.

i i/t.

Rys. 58 (St. u. E.).

glinu, tworzy się tlenek glinowy, przedstawiony na rys. 58 ²‘), jako ciemne, nie plastyczne skupienia.

Siarczki i związki bogate w siarkę mają zabarwienie (na niewytrawionej próbce)jasno-szare,często z żól-

tawo - brunatnym odcic- fi *

^    .. ' A' f

niem (rys. 59).

!f.

Jeżeli dla usunięcia    t

azotu użyto dodatku ty- ₄'¹ tanu, występują w żelazie    V‘‘'

"A ■■ i

ii

- AA ■,

S ’

SA

•A

•A;.

\ /.

Hipisi - '-v mrSI \

¹

Rys. 59 (xl50, Baumann).

czworoboczne kryszlałki żólto-czerwonej barwy (rys. 60). Podług Lamorta⁷⁹) jest to związek azotu z tytanem.

Zawartość żużli w żelazie spowodować może, oprócz wyliczonych już skutków, także powstanie specjalnych rodzajów struktury w żelazie obrobionem, a mianowicie t. zw. struktury łupkowatej (rys. 200) i pasemkowej (rys. 197), o których na innem miejscu będzie mowa.

7. Rdzewienie żelaza.

Pod wpływem równoczesnego działania tlenu powietrza i wilgoci tworzą się na powierzchni przedmiotów żelaznych przy normalnej temperaturze związki żelaza i tlenu o różnym składzie, mające dążność do wytworzenia ostatecznej postaci, wodorotlenku żelazowego (2Fe₂0₃.3H₂0) zwanego rdzą.

W powietrzu suchem lub wodzie wolnej od powietrza rdzewienie nie zachodzi. Równoczesne oddziaływanie gazów i par kwaśnych zawartych w powietrzu wilgotnem przyspiesza rdzewienie, ciała zasadowe natomiast utrudniają je, byle nie były w zbyt słabych roztworach.

Prądy elektrolityczne, powstające między żelazem a in-nemi, w tych samych płynach zanurzonemi metalami, a nawet między odmiennemi rodzajami żelaza, przyczyniają się w wielkim stopniu do rdzewienia, i w pewnych warunkach ułatwiających ich działanie (np. w przedmiotach zakopanych w wilgotnej ziemi, rurach, zbiornikach), są jego główną przyczyną.

Ponieważ warunki oddziaływujące na żelazo: czynniki atmosferyczne, woda rozmaicie zanieczyszczona i inne płyny, naczynia, w jakich płyny te się mieszczą, itd. są bardzo zmienne a nadto samo żelazo stosownie do zawartości węgla i innych przymieszek (gazów, żużla, grafitu) oraz poprzedniej przeróbki jest materjałem wcale niejednolitym, umożliwiającym w warunkach sprzyjających powstawanie prądów elektrolitycznych, nie doprowadziły liczne już badania do jakiejkolwiek pewności, które rodzaje żelaza i w jakich warunkach podlegają więcej albo mniej rdzewieniu.

Co do surowca np. jako materjału używanego na odlewy,

wyniki badań jego odporności na rdzewienie, w porównaniu z różnemi rodzajami żelaza kujnego, nie dały dotąd stanowczego rozstrzygnięcia, i jest wogóle rzeczą wątpliwą, czy sprawa ta może być wystarczająco wyjaśniona. Stwierdzono, że pod działaniem prądów elektrolitycznych żelazo zlewne zachowuje się nieco odporniej niż surowiec szary — niewątpliwie z powodu swojej jednolitszej budowy. Nie ulega także wątpliwości, że naskórek pokrywający odlewy chroni je do pewnego stopnia od rdzewienia, dlatego odlewy obrabiane łatwiej rdzewieją niż surowe. W sporze, mającym silny podkład konkurencyjny (walka odlewni i walcowni rur) jedno jest jednak pewne, że każde żelazo i surowiec podlega rdzewieniu, i używając wykonanych z niego wyrobów tam,-gdzie zachodzi niebezpieczeństwo rdzewienia, należy je odpowiednio zabez

pieczyć.

Jest rzeczą stwierdzoną, że im żelazo jest czystsze i je-dnolitsze pod względem składu chemicznego i budowy fizycznej, tern mniej ulega rdzewieniu; np. żelazo elektrolityczne jest odporne na rdzewienie i są metody chronienia wyrobów żelaznych od rdzy przez powlekanie ich takiem żelazem.

Stwierdzono jednak, że żelazo o małej zawartości węgla jest mniej odporne na rdzewienie niż żelazo więcej nawę-glone. Zdaje się, że w tych wypadkach powodem silniejszego rdzewienia była niejednolitość badanego żelaza, — zapewne bardzo miękkiego żelaza zgrzewanego, zawierającego żużel.

Gdy proces rdzewienia raz się rozpoczął, postępuje nieprzerwanie dalej i przenosi się od miejsc zaatakowanych na coraz szersze pola i głębsze warstwy. Pokrywanie żelaza ochronnemi powłokami jak tłuszcze, farby, metale itp. jest tylko wtedy skuteczne, gdy pokryto powierzchnię zupełnie zdrową, — o ile jednak znajdowała się na niej rdza, proces rdzewienia dalej się szerzy pod ochronną warstwą. Środki ochronne działają również tylko tak długo, pokąd ich powłoka nie zostanie naruszona, gdy się to stanie, może się zaraz rozpocząć rdzewienie w miejscu obnażonem.

Najkorzystniejszym środkiem ochronnym dla żelaza okazało się dotychczas pokrywanie go warstwą cynku, który pod działaniem kwasu węglowego, zawartego w powietrzu, pokrywszy się z początku nieprzepuszczalną warstewką węglanu

cynku, staje się nadzwyczaj odpornym na rdzewienie. W razie naruszenia powłoki cynku a więc odkrycia powierzchni chronionego żelaza i powstawania przy współudziale wilgoci prądów elekrolitycznych między cynkiem i żelazem, jest żelazo wobec cynku elektronegatywne, i powstający z rozkładu wody wodór gromadzi się na żelazie, chroniąc je od rdzewienia.

Odwrotnie ma się rzecz przy użyciu do pokrywania ochronnego cyny, ołowiu lub niklu; wobec żelaza te metale są elektropozytywne, przez co z elekrolizy wody wytworzony tlen osadza się na żelazie, przyśpieszając jego rdzewienie.

Dodatek pewnych metali do żelaza daje mu odporność na rdzewienie. Do takich metali należy w pewnym stopniu miedź, w większym nikiel i chrom. Stopy żelaza węglistego z małemi ilościami niklu obniżają skłonność żelaza do rdzewienia, stopy zawierające około 9°/₀ tego metalu okazały się bardzo dobrym materjałem do wyrobu wentyli wylotowych motorów spalinowych; przy bardzo gorących i żrących gazach wylotowych stosowano stopy zawierające powyżej 30°/0 niklu, znakomicie odporne ale drogie.

W ostatnich czasach zwrócono uwagę na stopy zawierające ponad 8°/₀ chromu, jako bardzo odporne na rdzewienie ¹²⁸), szczególnie korzystne są stopy z zawartością około 19°/o chromu. Bardzo odpornemi okazały się również stale nikłowo-chromowę, — szczególnie odznaczają się pod tym względem stale martenzytyczne a jeszcze więcej austenityczne.

Następująca tabelka (str. 79) zestawia procentowo straty ciężaru przez rdzewienie¹²⁸) wykazane przy użyciu różnych płynów atakujących. Wykonano je na żelazie zlewnem, stali niklowej z zawartością 5°/₀, 9/°/₀ i 20°/o niklu i chromowo-niklowej martenzytycznej (marki Krupp — Y1M: 021 °/₀ węgla, 175° 0 niklu i 10°/o chromu) oraz austenitycznej (marki Krupp V2A: 0⁻4°/₀ węgla, 9'62°/₀ niklu i 22'9°/₀ chromu). Żelazo zlewne obrano jako materjał porównawczy, oznaczając przez 100°/0 jego stratę wskutek rdzewienia.

Odwrotnie od powyższych zachowujątsię dodatki manganu i molibdenu, osłabiając odporność żelaza i wywołujące szybsze

rdzewienie.

Rys. 60 (x250. Ferrum).

MATERJAŁ

Powietrze Woda mor-przez 30 ska przez 30 dni

dni

Kwas azotowy

10% zimny przez .14 dni

50°/o wrzący przez 2 godziny

Żelazo zlewne . .

Stal z 5°/o niklu . Stal z 9°/₀ niklu .

Stal z 25% niklu .

Stal V 1 M . .

Stal V 2 A . .

O

O    ® o

I>- T-l

Ol    I    o

o on On    co '    o

o    i os

o o l o

O 00

o ca

rH

O I 00 I

o to

8. Surowiec.

Nazwa surowca pochodzi siad, że jest on pierwszym wyrobem, jaki powstaje z rudy, materjałem »surowym«, stanowiącym podstawę dalszej przeróbki czy to na odlewy czy też na różne rodzaje żelaza kujnego. Ze względu na własności mechaniczne, spowodowane składem chemicznym i metalograficznym surowca, dzielimy go, jak już była mowa, na dwa rodzaje: surowiec biały i surowiec szary. Pod względem ilościowej zawartości węgla niema między niemi różnicy, w obu może się on znajdować w tej samej ilości, różnią się natomiast postacią, w jakiej jest zawarty węgiel: albo w połączeniu chemicznem jako karbid (cementyt, Fe₃C) albo jako czysty węgiel. Surowiec biały otrzymał, nazwę dla srebrzysto-białej barwy przełomu, szary z powodu ściemnienia, jakie nadaje mu węgiel wykrystalizowany w postaci grafitu. Ponieważ karbid żelaza (cementyt) jest najtwardszym składnikiem w żelazie, posiada surowiec biały wysoką twardość, jest bardzo trudno obrabialny i dlatego tylko wyjątkowo bywa bezpośrednio stosowany do wyrobów, natomiast stanowi główny surowy materjał do wyrobu żelaza kujnegQ. Surowiec szary wskutek zawartości kruchego i niewytrzymałego grafitu jest miękki i łatwo obrabialny, dlatego używany bywa do odlewów. Przełom surowca białego jest listkowy, szarego ziarnisty.

W pewnych rodzajach surowca szarego grafit wydziela się tylko częściowo, wtedy występuje obok niego karbid; surowiec ma wtedy własności pośrednie między szarym

Dalsze różnice obu surowców podlegają na odmiennych własnościach fizycznych: ciężar gat. surowca białego wynosi średnio 76, szarego tylko 7 (z powodu zawartości grafitu); współczynnik kurczenia się (tz. skurcz) przy zastyganiu ze stanu płynnego wynosi u surowca białego około 2°/₀, u szarego średnio l°/₀. Ta różnica (podobnie jak w ciężarze gat.) polega na wydzielaniu się w surowcu szarym podczas

a białym i nosi nazwę połowicznego (rys. 61), według Bauera ¹⁰).

tężenia kryształków    _______

m

Rlppiflf

T.    , $« '

^:    a ■

*■

w-

grafitu o małej gęstości a więc większej objętości, przez co zmniejsza się ogólny skurcz. W za stosowaniu do od

lewów własność ta

szarego przyczynia się do dokładnego wypełnienia formy, zmniejszenia naprężeni stanowi jego bardzo cenną własność jako materjału odlewniczego.

surowca

iv

Rys. 61 (x 350, Bauer).

Topliwość. Jakkolwiek zawartość węgla może być jednakowa, a jak wiemy z wykresu termicznego (rys. 20) temperatura tężenia jest ta sama (według wykresu podwójnego rys. 33 różnica wynosi 7°), topliwość obu surowców nie jest mimo to jednaka,— surowiec biały topi się łatwiej, t. j. wymaga do stopienia mniej ciepła niż szary. Powodem tego jest zawartość kryształków grafitu, które muszą się rozpuścić, zanim żelazo stanie się płynnem; proces ten wymaga więcej czasu, zużywa więcej ciepła, i stąd pochodzi często wyrażane zdanie, że temperatura topliwości surowca szarego jest wyższa niż białego.

Surowiec biały rozpuszcza w stanie płynnym więcej ga-

Żelazo.

zów niż szary, i wydzielając je przy stygnięciu, jest wskutek tego trudniejszy do odlewania niż szary.

Surowiec obok żelaza i węgla zawiera jeszcze inne składniki, z których najważniejszemi są mangan, krzem, fosfor i siarka; składniki te a raczej przymieszki, wywierające doniosły wpływ na jego własności, dostają się do żelaza w różnych ilościach z rud przerabianych na surowiec w procesach hutniczych oraz z topników i koksu, i w znacznym stopniu są powodem powstawania postaci surowca białej lub szarej. Znaczenie ich i wpływ omówione są w osobnym rozdziale (6).

Dla poznania warunków, w jakich przymieszki dostają się do surowca, konieczna jest znajomość zasady tych procesów, i dlatego musimy się przedewszystkiem ohznajomić z niemi ¹).

|Wyrób surowca. Surowiec wytapiany bywa w w i e 1-k i m piecu, nazwanym tak dla swoich rozmiarów. Surowy materjał do wytapiania stanowią rudy, kopaliny wy dobywane z ziemi, będące związkami chemicznemi żelaza, najczęściej z tlenem a rzadziej z innemi pierwiastkami lub połączeniami, jak siarka, bezwodnik węglowy. Związki te są zanieczyszczone różnemi minerałami, a ich wartość dla przeróbki zależy od ilości, rodzaju i postaci tych zanieczyszczeń, ponadto od kosztów wydobywania, przewozu, łatwości przeróbki itd.

Najważniejsze rudy żelaza czyli żelaziaki są następujące:

Zelaziak magnetyczny (magnetyt), tlenek żelazawo-żelazowy (Fe₃0₄).

Zelaziak czerwony (hematyt), tlenek żelazowy (FeaOa).

Zelaziak brunatny (limonit), wodorotlenek żelazowy (2Fe₂0₃.H₂0).

Zelaziak spatowy (syderyt), węglan żelazawy (FeC0₃).

Związki te, w stanie chemicznie czystym, zawierają zależnie od rodzaju połączenia 48—72%, żelaza; z powodu przymieszek innych minerałów zawartość żelaza w rudach jest mniejsza, bardzo rzadko dochodząca 70°/₀, często spada do kilkunastu ledwie procentów. Zależnie od tego, czy przymieszki dają się przed wytapianiem oddzielić (mechanicznie,

chemicznie, magnetycznie), i czy skład ich sam dla siebie lub z dodatkiem innych ciał (tz. topników) pozwala na ekonomiczne przeprowadzenie procesu wytapiania, mogą być rudy przerabiane na surowiec albo nie nadają się do tego.

Minerały stanowiące przymieszki w rudach bywają ró-żnemi związkami; głównemi ich składnikami są najczęściej krze m i o n k a (Si0₂), glinka (A1₂0₃) i wapień (CaC0₃), często zmieszane z sobą i zanieczyszczone innemi jeszcze związkami. Obok tych minerałów znajdują się w rudach związki manganu, przymieszki w surowcu niezbędnej; o ile ich niema, dodaje się umyślnie rud manganowych. W przymieszkach znajdują się nadto związki siarki i fosforu, czasami miedzi, arsenu i i.

Oprócz właściwych rud przerabia się w wielkim piecu także odpadki przemysłowe zawierające żelazo, jak żużle hutnicze, zendrę i o młot ki tj. utlenione żelazo, odpadające podczas przeróbki kuźniczej, zgorzyny iskrzyfków żelaza (pirytów), pozostałe z fabrykacji kwasu siarkowego i z procesów wydobywania z nich miedzi, niklu, srebra, — nadto pył ulatujący z pieca wielkiego wraz z gazami wylo-towemi.

Ponieważ minerały stanowiące zanieczyszczenia rud są zwykle trudno topliwe, miesza się je z innemi związkami (topnik a m i), z któremi tworzą stopy łatwiej topliwe, najczęściej krzemian}^ o budowie niekrystalicznej (szklistej) tz. żużle.

Aby wytworzyć w piecu ciepło i gazy potrzebne do pro- -cesu wytapiania, wrzuca się obok rud i topników — węgiel, który musi odpowiadać następującym warunkom: mieć wysoką wartość cieplną, żarzyć się bez płomienia, zawierać jak najmniej szkodliwych domieszek (siarka, fosfor), nie kruszyć się pod ciężarem materjałów wypełniających piec i^ być porowatym. Węgiel kamienny nie posiada łych własności a przynajmniej nie wszystkie, dlatego do wytapiania stosowany bywa tylko węgiel przygotowany przez suchą destylację; takim węglem był używany dawniej w ęgiel drzew ny, dziś

prawie wyłącznie_koks, wyrabiany z pewnych rodzajów

węgla kamiennego.

Prócz wymienionych materjałów stałych jak ruda, top-

niki i węgiel, potrzebne jest w wielkim piecu dla spalenia węgla powietrze w ogromnych ilościach, które w stanie wysoko ogrzanym wtłaczane bywa do pieca zapomocą miechów. W powietrzu znajduje się zawsze para wodna w zmiennych ilościach, zależnych od jego temperatury; para ulega w piecu rozkładowi, zużywając wielkie ilości ciepła, co na przebieg procesu niekorzystnie oddziaływa. Ponadto dostaje się do wielkiego pieca woda zawarta w wilgotnych rudach i koksie.

Rys. 62.

[Wielki jńec. Zasadniczy kształt wnętrza pieca (szybu) przedstawia rys. 62; składa się on z dwóch stożków ściętych, zetkniętych stroną szerszą, i części walcowej w dole. Niekiedy przedziela stożki krótka, walcowa przestrzeń. Części szybu noszą następujące nazwy: górny stożek a zwie się g a r d z i e 1 ą a otwór jej, kończący szyb, w j lotem; część najszersza b w miejscu zetknięcia się stożków p r z e-stronem, dolny stożek c spadkiem, część walcowa d przystawą, której spód zamknięty dnem, będący dolnem zakończeniem szybu, nosi nazwę kotliny. Wymiary szybu wielkiego pieca są zmienne, zależnie od ilości i rodzaju przerabianych materjałów: wysokość całkowita h wynosi 25—30 m, spadku h₍4—6 m, przystawy h₂ 2 — 3. = 5 m, średnica prze-stronu rj 6—7 m, wylotu r₂ 3*5—5 m, przystawy r₃ 2 5—4 m.

Kształt szybu pieca jest uzasadniony ruchem materjałów i ich zmianami w czasie procesu wytapiania. W górze, u wylotu wrzucane bywają w pewnych odstępach czasu naboje koksu, naprzemian z nabojami rudy oraz topników. Te stałe masy zwolna opadają na dół, przebywają cały proces, i w postaci surowca i żużla bywają wypuszczane spustami z kotliny. Odwrotną drogę robi powietrze wtłaczane w górnej części kotliny dyszami, spala koks, wytwarza gazy i wznosząc się do góry, uchodzi wylotem pieca do przewodów chwytających gazy. Jak długo objętość mas zwiększa się wskutek

pęcznienia i rozpadania się, średnica pieca rozszei za się, gdy koksu zaczyna ubywać, rudy się spiekają, topią a domieszki

f*-(KM 6

Hi

ii

wam

Rys. 63 (St. u. E.).

-00£u-

~/70ła

nr⁻

I;

\ji

iUS

|ol lop^

przechodzą w płynny żużel, średnica się zwęża aż do wymiarów kotlin}r, zbierającej płynne materjały.

Rys. 03 przedstawia przekrój wielkiego pieca z windą wyciągową i calem urządzeniem do zasilania go i chwytania palnych gazów wylotowych, oraz halą (z lewej strony) do odlewania surowca w kawałki tz. »gęsi«. Do hali dopływa surowiec korytem uwidocznionem na rycinie. Jeżeli surowiec z pieca spływa wprost do kadzi, podwozi się je (lokomotywą) na niższym poziomie (lewa strona u dołu). Z prawej strony pieca widać spust żużla wylewającego się do podjeżdżających kadzi albo spuszczanego do wody, w której rozpada się na piasek (granuluj e).

Gardziel pieca wsparta jest na żelaznej konstrukcji, wskutek czego spód jego (spadek i kotlina), stanowiący osobną część budowlaną, nie jest obciążony murem części górnej. W dolnej części (kotlinie) dopływa z pierścieniowego przewodu rozgrzane powietrze odgałęzieniami, noszącemi nazwę dysz. Dla ochrony od działania wysokiej temperatury i chemicznego wpływu żużla i gazów, są mury spadku chłodzone wodą.

| Proces wytapiania surowca odbywa się w ogólnym zarysie w następujący sposób: powietrze (ogrzane na 700—850°) wciskane dyszami spotyka się z rozżarzonym węglem i spala go na bezwodnik węglowy (C0₂), który jednak w wysokiej temperaturze panującej w tej części pieca ulega rozkładowi na tlenek węgla i tlen (C0₂ = CO -j- O); tlen wobec nadmiaru węgla wytwarza tlenek węgla, tak że w niedalekiej odległości od ujścia dysz znajduje się, obok azotu nie podlegającego zmianom, tylko tlenek węgla, stykający się w swej drodze ku górze z ciałami stałemi, wypełniającemi piec (rudy z topnikami i koks) i opadającemi ku dołowi.

Gazy zabierają wiele ciepła z dolnej części pieca, ogrzewają opadające ciała stałe i, ochłodzone, uchodzą wylotem. Gazy te zawierając tlenek węgla i wodór, są palne i dlatego bywają chwytane, oczyszczane z pyłu i używane do ogrzewania powietrza zasilającego piec a nadto do wytwarzania pary dla maszyn parowych lub (dziś przeważnie) do popędu motorów spalinowych, wytwarzających prąd elektryczny.

Redukcja. Najważniejszeni zadaniem procesu wytapiania jest redukcja rudy zapomoca węgla tj. odtlenienie jej i przemiana na żelazo. Odbywać się ona może w sposób dwojaki: 1. przez bezpośrednie działanie węgla na rudę (FeO -j- C = Fe -j- CO *): redukcj a bezpośrednia, i 2. pośrednio przez

*) Znak FeO jest tu symbolem jakiegokolwiek związku żelaza

z tlenem.

wytworzenie tlenku węgla, który działa redukuj ąco (FeO 4-CO = Fe -f- C0₂): redukcja pośrednia. Redukcja bezpo-średnia zachodzi tylko przy wysokiej temperaturze, w dolnych warstwach pieca, redukcja pośrednia w warstwach wyż-szych, głównie między 800° a 1000°, poczem słabnie, gdyż w wyższej temperaturze wytwarzający się dwutlenek węgla rozkłada się napo wrót, wydzielając tlen (C0₂ = CO + O), który działa utleniająco a więc niweczy redukujące działanie tlenku węgla. Powyżej 1000° odbywa się przeważnie redukcja bezpośrednia, i jej szybkość wzrasta z podnoszeniem się tem

peratury.

Redukcja bezpośrednia wymaga znacznie więcej ciepła niż pośrednia. Jest ona niezbędna, gdyż trudne do redukcji rudy dają się odtlenić dopiero w niskiej strefie pieca, przy wysokiej temperaturze, tak samo rudy przed redukcją stopione tj. znajdujące się już w żużlu; wreszcie krzem i mangan można zredukować tylko zapomocą węgla t. j. bezpo

średnio.

Zresztą oba procesy redukcji nie są działaniami oddziel-nemi, odgraniczonemu ściśle pewną temperaturą; o ile w chłodniejszych częściach pieca odbywa się tylko redukcja pośrednia a w bardzo gorących tylko bezpośrednia, o tyle w miejscach o pośredniem rozgrzaniu obie reakcje zachodzą obok siebie w różnym stopniu, stosownie do panującej temperatury. Wytwarzający się dwutlenek węgla miesza się z tlenkiem węgla i osłabia jego zdolność redukcyjną; im go jest więcej, tern powolniej odbywa się redukcja pośrednia, ludy nieodtlenione opadają niżej, topią się i częściowo przechodzą w żużel, a żelazo odzyskujemy z niego przez redukcję bez

pośrednią.

Nawęglanie. Tlenek węgla w zetknięciu z rozżarzonem żelazem, wytworzonem przez redukcję rudy, doznaje lozkładu, wydzielając węgiel (2CO = CO2 C)» który rozpuszcza się w żelazie; wskutek tego procesu nawęglama ^obniża się tęim peralura topliwości żelaza, i skoro zawartość węgla osiągnie wy-

sokość dla surowca

normalną (około d⁰/₍₎), żelazo topi się,

i ściekając kroplami między rozżarzonym koksem, wypełnia jącym kotlinę, zbi^' 4 W niej i w-pewnych odstępach czasu bywa z pieca wypuszczane.

Równocześnie z właściwym procesem wytapiania, tj. redukcją rudy i nawęglaniem żelaza, odbywają się w piecu jeszcze inne procesy, z których najważniejszym jest powstawanie żużla^ Zawarte w rudach domieszki i dodane topniki dostają się wraz z niemi do gorętszych stref pieca, gdzie łatwiej topliwe związki zaczynają się topić i uławiają rozpuszczanie się połączeń trudniej topliwj^ch, które w ten sposób stopniowo przechodzą w rzadkopłynny żużel, ściekający do kotliny i wypływający z niej osobnym spustem.

Czas, nim wrzucona ruda wydostanie się przez spust pieca w postaci surowca, zależy od rodzaju rudy, temperatury powietrza, gatunku surowca, wielkości pieca itd. i wynosi 10—30 godzin.

fWytwory wielkiego pieca. Z przebiegu procesu wytapiania wiemy, że wielki piec dostarcza oprócz surowca także innych produktów jak żużel, gazy i ciała zawarte w gazach. Jakkolwiek głównym wyrobem, dla którego przerabia się rudę, jest surowiec, to jednak i owe uboczne wytwory posiadają pewną, nieraz wielką wartość, i należyte wyzyskanie ich obniża koszty przeróbki a tern samem cenę surowca.

Żużel bywa zużywany na nasypy, bruki, do wyrobu cegieł a o ile zawiera dość wapna, przerabiany bywa na cement.

Gazy, jak już była mowa, służą do celów ogrzewania

i popędu.

Surowiec, główny wytwór wielkiego pieca a dla celów tej książki jedynie ważny, zbiera się w kotlinie i w pewnych odstępach czasu (co 3—6 godzin) bywa z pieca wy

puszczany.

Surowiec, przeznaczony do natychmiastowej przeróbki na żelazo kujne, wylewa się wprost do kadzi przewoźnej, o ile zaś ma być przechowywany lub przesyłany w stanie stałym, odlewa się go w krótkie a grube kawałki, zwane w pewnych hutach »gęsiami« (z niemieckiego »Ganze«). W tym celu w bliskości pieca znajduje się obszerna hala (rys. 63), mająca zamiast posadzki warstwę piasku formierskiego, w którym przy pomocy modelu wyciska się rzędami formy otwarte u gór}ę połączone ze sobą przewodami. Wypuszczone z pieca płynne żelazo dopływa do form i kolejno je napełnia. Zamiast

form wyciśniętych w piasku, w których piasek przywiera do żelaza i dostaje się z niem do pieca podczas topienia, używa się często form żelaznych, ułożonych obok siebie w piasku w sposób poprzednio opisany. Formy takie powleczone wapnem dają kawałki żelaza o powierzchni czystej i gładkiej.

Przy wielkich rozmiarach pieca i wyrobie żelaza na zbyt, muszą być rozmiary hali bardzo znaczne, aby pomieścić wypuszczony jednorazowo surowiec; przygotowanie wielkiej liczby form jest przytem rzeczą kosztowną. Dlatego w wielkich hutach rozpowszechniają się do odlewania gęsi maszyny odlewnicze, w których formy powleczone wapnem, podsuwane kolejno pod koryto doprowadzające surowiec, po napełnieniu i stężeniu automatycznie opróżniają się do podstawionego wozu. Szybkie studzenie surowca w takich maszynach powoduje, że nawet typowe gatunki szarego surowca wykazują w przełomie strukturę białą. Ten objaw w zastosowaniu do surowca odlewniczego utrudniał z początku jego zbyt z powodu zupełnie innego przełomu od tego, do jakiego oddawna odbiorcy nawykli; jest on jednak naogół korzystny, bo surowiec, nie zawierając grafitu, topi się w piecu odlewniczym łatwiej niż grafityczny i z mniejszemi kosztami, w odlewie zaś, stygnąc wolniej, odzyskuje normalną strukturę surowca

szarego.

Rodzaje surowca. Poza zasadniczym podziałem surowca na biały i szary, istnieje wiele jego odmian technicznych, różniących się od siebie czy to sposobem wyrobu czy też celem, do jakiego mają służyć. W handlu odróżnianie surowca białego i szarego, mimo jego teoretycznej doniosłości, nie ma większego znaczenia, rozróżnia się natomiast surowiec ze względu na rodzaj użytego do wytapiania paliwa, którem, jak wiemy, może być koks lub węgiel drzewny (dziś rzadko). Każda z tych postaci węgla ma dwojaki cel w zastosowaniu: 1. wytwarzanie ciepła potrzebnego do procesu i 2. redukcję rudy i nawęglenie żelaza. W krajach rozporządzających siłami wodnemi, używanemi do wytwarzania prądu elektrycznego, zastępują część węgla, potrzebną do wytworzenia ciepła, energją elektryczną zamienioną na ciepło, węgiel zaś użyty bywa tylko do drugiego celu.

W odniesieniu do materjału opałowego, jaki stosujemy do wyrobu, rozróżnia się:

Surowiec koksowy,

Surowiec drzewny i

Surowiec elektryczny.

Różnice między niemi polegają przedewszystkiem na odmiennych własnościach materjału opałowego a także rudy i innych dodatków użytych do wytapiania. Te dodatki mogą być wprawdzie wszędzie jednakie, lecz z powodów, jakie będą wymienione, bywają nieraz umyślnie i celowo dobierane.

j Surowiec koksowy jest surowcem dziś prawie wyłącznie wyrabianym, z powodu że koks jest jedynym rodzajem paliwa, umożliwiającym ze względu na swą obfitość masowy wyrób surowca, odpowiednio do potrzeb przemysłu. To, co mówiliśmy o własnościach surowca i wływie przymieszek zawartych w nim, odnosiło się do surowca koksowego. Własności koksu wpływają na wyrabiany surowiec, zawartość siarki, znajdującej się zawsze w koksie w znacznej ilości (0‘75°/₀—2°/°), przechodzi w dużym stosunku do żelaza i wpływa pogarszająco na skład surowca, zawartość części mineralnych, pozostawiając po spaleniu popiół, wymaga dodatku topników i ciepła dla wytworzenia z nich żużla; te czynniki wywołują konieczność ograniczenia w koksie tego rodzaju przymieszek do pewnej dopuszczalnej granicy.

Surowiec drzewny, wytapiany na węglu drzewnym, odgrywa dzisiaj w przemyśle podrzędną rolę z powodu, że węgla drzewnego jest naogół mało, a jego cena bardzo wysoka. Mała stosunkowo wytrzymałość na zgniecenie i kruchość tego węgla pozwalają go przerabiać tylko w małych, niskich piecach, o małej wydajności. Surowiec drzewny jest z tych powodów materjałem o wiele droższym niż koksowy, a jeżeli mimo to bywa jeszcze wyrabiany w krajach bogatych w lasy a pozbawionych koksu, i ma zbyt, przy swej wysokiej cenie, zapewniony, to przyczyna tego leży w wybornych jego własnościach.

Węgiel drzewny zawiera bardzo mało fosforu (do 0'2°/o), nie zawiera siarki, daje mało popiołu (i'6—3i°/₀); jest to więc matarjał nie wnoszący, w przeciwieństwie do koksu, szkodliwych przymieszek do surowca.

Odrębną zupełnie właściwością surowca drzewnego od koksowego jest nadzwyczajnie drobna struktura,—-grafit wydziela się w nim w bardzo drobnych kryształkach; przyczyna tego rodzaju krystalizacji nie jest dotąd wyjaśniona. Surowiec drzewny jest przytem dobrze obrabialny. Ponadto można w nim osiągnąć znaczne zawartości węgla, przy stosunkowo małych dodatkach manganu i krzemu, co w surowcu koksowym nie jest możliwe, i uzyskać przez to materjał nadający się dobrze do pewnych wyrobów, zwłaszcza tz. twardej leizny.

Jeżeli się nadto zważy, że do materjału tak drogiego, jakim musi być surowiec drzewny, dobierać można i należy rudy droższe, czystsze pod względem zawartości siarki i fosforu, będzie zrozumiałe dlaczego surowiec ten, nie stanowiąc artykułu masowego, jest jednak jako materjał specjalny stosowany i poszukiwany do pewnych wyrobów.

jednolitość wyrobionego żelaza.

(Sur o w i e c e leki r y czny różni się tem od wielkopiecowego, że zużywając do swego wytworzenia znacznie mniej (około czwartą część) węgla, nie potrzebnego do wytwarzania ciepła ale tylko do redukcji i nawęglenia, zawiera znacznie mniej szkodliwych składników, jakie do żelaza dostają się z węglem. O ile jest to surowiec wytopiony z dodatkiem koksu, będzie ilość siarki wprowadzanej z koksem mniejsza, przy użyciu węgla drzewnego przyrostu siarki wcale nie będzie, zmniejszy się także zawartość fosforu. Możność łatwego regulowania temperatury pieca, niezależnie od ilości użytego węgla, wpływa dobrze na W surowcu elektrycznym można bardzo wydatnie zmniejszyć zawartość wszelkich dodatków, a stosując wyborowe rudy (jak się to dzieje w Skandynawji), wyrabiać surowiec wyborowy, poszukiwany do różnych celów.

| Rodzaje surowca w handlu. Ze wTzględu na przeznaczenie, jakiemu służyć ma wytopiony surowiec, rozróżnia się następujące gatunki:

Z rodzaju surowców białych:

Pudlarski służy do wyrobu żelaza zgrzewanego,

Martinowski do wyrobu żelaza zlewnego metodą Siemens-Martina,

Thomasowski do wyrobu żelaza zlewnego metodą Thomasa (naczyniową, zasadową),

Zwierciadlisty o wielkiej zawartości węgla (4—5°/₀) i manganu (6—25°/₀), używany do procesów hutniczych,

Żelazo -mangan o jeszcze większych niż poprzedni zawartościach węgla (6—7'5⁰/₀) i manganu (do 80°/₀), używany i jak poprzedni.

Z rodzaju surowców szarych:

Bessemerowski do wyrobu żelaza zlewnego metodą Bessemera (naczyniową, kwaśną),

Pudlarski jak wyżej,

Marti no w sk i j. w.,

Odlewniczy w różnych rodzajach oznaczai^ch liczbami rzymskiemi (I—V) zależnie od składu chemicznego,

Hematyt o dużej zawartości węgla (3‘5—4'5°/₀) i krzemu (do 4°/₀) a bardzo małej fosforu (poniżej 0'l°/o).

Żelazo-krzem o znacznej zawarlości krzemu(8 — 15°/₀) używany do procesów hutniczych.

Własności i skład poszczególnych surowców będą podane przy omawianiu odnośnych procesów technologicznych.

j Surowiec syntetyczny. W czasie wojny światowej (1914—1918) zapanował w krajach, nie mających własnego surowca (np. w Szwajcarji), brak tego, dla potrzeb przemysłu maszynowego niezbędnego materjału. Zaczęto wtedy wyrabiać materjał identyczny z surowcem, przez stapianie odpadków (głównie wiórów) żelaza kujnego ze sproszkowanym węglem (koksem) ³¹). Przemysł ten nie stracił i po wojnie racji bytu z powodu trudności i wielkich kosztów dowozu surowca z odległych miejsc, i jego wysokiej cen}\

Surowiec syntetyczny bywa wytwarzany w dowolnej, do 4*2⁰/o wynoszącej zawartości węgla z dowolną również zawartością krzemu i manganu, dodawanych w postaci stopów z żelazem. Zawartość siarki (ok. 002°/₀) i fosforu (ok. 01°/o) jest w takiem żelazie nieznaczna, bo odpadki żelaza kujnego zawierają ich z natury rzeczy mało, a niema innych dodatków, któreby ich ilość zwiększały.

Topienie odbywa się w piecach elektrycznych, przyczem odpadki żelaza wymieszane z węglem już przy rozżarzeniu doznają nawęglenia w stanie stałym, przez co topią się przy niższej temperaturze, niż gdyby je wrzucano do pieca bez dodatku węgla.

¹

Urządzenia hutnicze opisane są w »Wykładzie technologjk ⁶).

9. Odlewnictwo żeliwa.

Procesem technologicznym, w którym stosowany bywa surowiec albo materjał bardzo do niego zbliżony, bezpośrednio do wyrobów użytkowych, jest odlewnictwosurowiec jako że 1 a z o lane, zwrane w skróceniu żeliwem, stopiony i w tym stanie wlany do formy, przyjmuje jej kształt i staje się odlewem żeliwnym. Przy tym procesie surowiec, jakkolwiek nie zmienia swojej istoty, podlega jednak zmianom już to fizycznej już to chemicznej natury, wywierającym doniosły nieraz wpływ na zachowanie się gotowego wyrobu.

Chcąc poznać właściwości materjału przerobionego tym sposobem, musimy omówić przedewszystkiem w krótkości sam proces odlewania i te jego poszczególne stadja, które w nim wywołują wspomniane zmiany.

Pierwszem z nich jest przygotowanie formy, do odlewu, drugiem topienie materjału w przeznaczonym cło tego piecu, trzeciem wlanie płynnego metalu do formy w której zastyga, czwartem wreszcie wykończenie surowego odlewu.

1 Formowanie- Przygotowanie formy czyli formowanie wymaga, aby w materjale formierskim, którym jest najczęściej stosownie przygotowany piasek, wytworzyć pustą i zamkniętą przestrzeń takiego kształtu, by, po wypełnieniu jej żelazem płyn-nem i jego zastygnięciu, otrzymać żądaną postać odlewu.

na

Ten kształt, zwany formą, wykonujemy najczęściej modelu, mającym postać dokładnie podobną żądanej, albo zapomocą profilowanej płyty, zwanej szablonem, wyżła-biamy formę w piasku ubitym, lub wreszcie pewnemi narzędziami wytwarzamy ją wprost w piasku; sposoby te można oczywiście ze sobą kombinować.

Aby z wyrobionej na modelu formy piaskowej można było wyjąć model, musi być forma podzielona przynajmniej na dwie części, które z powodu kruchości materjału osadzone są w żelaznych ramach, zwanych skrzynkami formierskiemi; dla ułatwienia wyrobu formy bywa najczęściej i model dzielony na części pozwalające się dokładnie złożyć. Chcąc otrzymać odlew z otworem (np. rurę, wentyl i t. p.), wstawiamy w formę wykonaną pełnym modelem odrębnie uformowane rdzenie, nie dopuszczające wlanego metalu w części formy, które mają być puste. Dla utwierdzenia rdzeni należy w formie

4r1

Rys. 65.

Rys. 64.

- wykonać gniazda obejmujące przedłużenie rdzenia; w tym celu pełny model w miejscach, gdzie w odlewie ma się znajdować otwór, posiada wypukłości zwane ^czopami r dze-n i o w e m i, które wytwarzają w formie gniazda rdzeniowe. Dla napełnienia formy metalem wykonane są w niej przewody, zwane¹'kanałami w 1 e w o w e m i, a dla odprowadzenia z formy powietrza wypieranego przez wlewane żelazo, jak również wytwarzających się gazów i pary, umieszczone są w górnych częściach formy przewody powietrzne. Na rys. 64. widzimy model drewniany rozgałęzienia rurowego, na rys. 65. formę dla tego rozgałęzienia, składającą się z czterech części (w czterech skrzynkach) i wstawionego rdzenia.

Ponieważ metal płynny posiada większą objętość niż

skrzepły, podlega on z postępem krzepnięcia a potem stygnięcia, skurczeniu, co ma ten skutek, że gotowy odlew ma mniejsze wymiary niż forma, w którą był wlany. Stopień kurczenia się jest różny u poszczególnych materjałów i nazywa się współczynnikiem skurczu, krótko: skurcze m.

Materjał użyty do wyrobu formy, którego głównym składnikiem jest piasek, zawierający pewną przymieszkę gliny, musi być zwilżony, aby był dostatecznie plastyczny i zachował dokładnie nadane mu przez formowanie kształty. Rozróżnia się zasadniczo dwa rodzaje tego materjału: piasek chudy o małej zawartości gliny, plastyczny tylko w stanie wilgotnym a w suchym rozsypujący się. Wyrobiona z niego forma musi być więc wilgotna w chwili odlewania. Drugim materjałem formierskim jćst p i a s e k tłusty (masa, glina i i.) zawierający taką ilość gliny, że suszony po formowaniu twardnieje, zachowując dokładnie nadany kształt. Wyrobione z niego formy poddaje się suszeniu przed odlewaniem.

Nie jest rzeczą obojętną, czy do wyrobu form używa się piasku chudego czy tłustego. Piasek chudy jest materjałem znacznie tańszym, tern samem forma wykonana z niego jest tańsza, zwłaszcza że nie podlega suszeniu; możność szybkiego wykonania z niego formy i odlewu jest znacznie większa niż przy piasku tłustym. To są powody, że zasadniczo wyrabia się formy z piasku chudego a innych materjałów używa się tylko wtedy, gdy piasek chudy nie nadaje się do wyrobu formy. Wypadek ten zachodzi wtedy, gdy formowanie trwa dłuższy czas, a części formy wcześniej wykonane mogłyby wyschnąć i rozsypać się, — gdy forma ma kształty do wyko-nania trudne, ściany cienkie, a wykonanie jej jest kosztowne; w takich wypadkach piasek chudy nie daje z powodu swej małej spoistości dostatecznej pewności udania się odlewu.

Poza różnicami wpływającemi na koszty odlewu, zachodzi między obu rodzajami form (mokrych i suszonych) jeszcze różnica w jakości wykonanego odlewu. Wskutek zetknięcia się metalu z wilgotnemi ścianami formy wywiązuje się z nich para wodna i odbierając żelazu wiele ciepła, powoduje szybkie zastyganie powierzchni odlewu. Szybkie studzenie utrudnia, jak wiadomo, wydzielanie się grafitu, wskutek czego powierzchnia odlewu zawiera wolne ziarna cementytu

i jest twardsza niż powierzchnia odlewów wykonanych w formach suszonych, gdzie grafit wydziela się obficiej. Odlewy z piasku chudego są przez to trudniej obrabialne.

Dla przyspieszenia i ulepszenia wyrobu form stosuje się przy większej produkcji i odpowiednim kształcie odlewu formowanie zapomocą maszyn. Maszyny do formowania mają na celu:

1.    Wyjęcie modelu z formy bez jej uszkodzenia, co zdarza się przy wyjmowaniu ręcznem i wymaga umiejętnego naprawiania uszkodzonej części formy. Naprawy takie nie są nigdy zupełnie poprawne, a odlew ma przez to kształty nieco zmienione; naprawianie wymaga przytem silniejszego zwilżenia odnośnej części formy, co znów niekorzystnie wpływa na jednolitość odlewu.

2.    Ubijanie piasku w formie przez tłoczenie lub wstrząsanie, dla ulżenia w pracy robotnikowi a przez to przyspieszenie roboty i obniżenie jej kosztów. Piasek, czy ręcznie czy mechanicznie, winien być ubity jednostajnie, ani za mocno, bo wtedy forma staje się nieprzepuszczalną dla uchodzących gazów, i te uwięzione w odlewie w kształcie baniek, wytwarzają odlew porowaty, — ani za słabo, gdyż wtedy forma może ulec odkształceniu pod ciśnieniem wlanego metalu.

Topienie żelaza. Do topienia używa się trzech rodzajów pieców odmiennej budowy, różniących się przedewszystkiem sposobem doprowadzania ciepła do żelaza.

Piec kupolowy (kuplak, kupolak¹), jest to piecjszybowy, w którym paliwo (koks) ułożone warstwami naprzemian z żelazem, spalając się oddaje mu ciepło zarówno przez bezpośrednie zetknięcie jak i za pośrednictwem wytworzonych gorących gazów. To bezpośrednie oddziaływanie paliwa stanowi zarówno zaletę jak wadę pieca kupolowego, — zaletę, bo ciepło spalonego koksu jest najkorzystniej wyzyskane, piec pracuje przez to najtaniej ze wszystkich, — wadę, bo nadmiar powietrza potrzebnego do zupełnego spalenia węgla utlenia (spala) także żelazo, a szkodliwe składniki koksu (siarka i fosfor) udzielają się żelazu.

Piec kupolowy przedstawiony na rys. 66. ma przekrój cylindryczny, u dołu kończy się kotliną ze spustami dla żelaza i żużla, u góry kominem odprowadzającym gazy spalenia. Ponad kotliną otacza piec pierścieniowy żelazny zbiornik, od którego prowadzą do wnętrza pieca dysze powietrzne; na zewnątrz połączony jest z przewodami łączącemi go z wentylatorem. W kilkometrowej wysokości nadkotl ną znaj duje się_otwór do zasilania pieca. Piec jest wewnątrz wy m u rowany ogn i otrwal e.

{Przebieg procesu topienia jest następujący: żelazo z koksem, wrzucane warstwami u góry w miarę topienia się względnie spalania nabojów, opada, roz-grzewając się coraz silniej, aż wreszcie zaczyna się topić i, spadając kroplami zbiera się w kotlinie, skąd się je wypuszcza co pewien czas do kadzi dla odlewania.

srW¥%

ii

•J!

Ponieważ spalony koks pozostawia popiół (nie powinien go zawierać więcej niż 8°/o), a z żelazem wprowadza się trudno topliwe związki (głównie krzemionkę), przeprowadza się je wżużelŁdo-dając wapienia wraz z nabojami koksu.

Koks wrzucany do pieca powinien być spalony na dwutlenek węgla (C0₂) aby otrzymać najwięcej ciepła a nie na tlenek (CO) jak w wielkim piecu, gdzie on jest potrzebny do redukcji *).

na

Rys. 66. (St. u. E.).

*) 1 kg. chemicznie czystego węgla, spalony na tlenek, wytwarza 2470 kaloryj, dwutlenek 8080.

Żelazo.

Strata żelaza przez utlenienie (i przejście w żużel) wynosi 0'8—17% stopionej ilości; inne straty tz. mechaniczne, przez rozpryskiwanie się metalu wypuszczanego z pieca, pozostawanie w niespalonym koksie po ukończeniu roboty i t. p. wynoszą około 5%, tak że cała strata przy topieniu równa się 6—8°/,

Straty węgla zawartego w żelazie są stosunkowo najmniejsze, gdyż w obecności rozżarzonego koksu odwęglone żelazo znowu się nawęgla; straty krzemu i manganu, ciał łatwo podlegających utlenieniu, są większe. Według Osanna ¹⁰²) można straty manganu w żelazie odlewanem z pieca kupolo-wego ocenić na 15—20%, krzemu na 10—15% pierwotnej zawartości. Chcąc otrzymać odlew o pewnym określonym składzie chemicznym, trzeba pamiętać o tych stratach.

Wapienia jako środka wytwarzającego żużel dodaje się w ilości 25—33% ciężaru koksu; żużel jest wtedy rzadko-płynny i ma własności odsiarczające.

Zawartość siarki zwiększa się podczas przetapiania żelaza, gdyż znaczna część siarki znajdującej się w koksie przechodzi w żelazo. By ograniczyć to zanieczyszczenie, należy używać koksu nie zawierającego więcej niż 1% siarki i stosować dodatek wapna w znacznej ilości.

Ze względu na bezpośrednie stykanie się żelaza z węglem i łatwość nawęglenia, nie można w piecu kupolowym topić żelaza o małej zawartości węgla, chcąc otrzymać odlew równie mało węglisty.

Na podstawie tego, co mówiliśmy o łatwiejszej topliwości surowca białego niż szarego, wynika, że tych rodzajów nie można do topienia mieszać ze sobą, gdyż surowiec biały, stopiwszy się wcześniej, prędzej będzie wypuszczony z pieca niż szary, wskutek czego skład żeliwa w odlewie będzie odmienny niż było zamierzone.

Dzielność termiczna pieca kupolowego, tj. zużycie paliwa do istotnego topienia w stosunku do całej spalonej ilości, wynosi 40—60%.

j Piec płomienny. Tu paliwo, spalające się w przestrzeni oddzielonej od metalu, wytwarza płomień i gorące gazy, które, shkając się z metalem, rozgrzewają go i topią; proces jest mniej niebezpieczny, gdyż żelazo nie styka się bezpośrednio z paliwem, lecz tylko z gazami spalenia. Wyzyskanie ciepła jest tli znacznie gorsze, natomiast do opalania nie używa się koksu ale tańszego węgla kamiennego, bogatego w gazy. Przy odpowiednich rozmiarach pieca można w nim stapiać wielkie przedmioty, co nie jest możliwe w piecu kupolowym.

Produkcja pieca płomiennego jest okresowa, gdyż dopiero po stopieniu całego włożonego naboju można piec opróżnić i przystąpić do następnego procesu. Na rys. 67. widzimy typ pieca płomiennego, używanego w odlewnictwie. Wytwarzane

nr>n. n-n n-n

rl

'//////k/A

'/■

Sn

m-

II II IX4i

iKII___II

II

7C

-!Vy

ii

t—l

11

1—1

i—i

II II II

II II

II

Rys. 67. (St. u. E.).

na palenisku gorące gazy spotykają nagromadzony na topnisku materiał włożony przez otwór a, ogrzewają go, zresztą ciepło swoje oddają ścianom i sklepieniu, a te promieniując je, wytwarzają w piecu temperaturę dochodzącą powyżej 1300°. Piec płomienny ma dzielność termiczną 8—10°. o, pracuje więc bardzo nieekonomicznie.

Z powodu nadmiaru powietrza potrzebnego do spalenia, odbywa się częściowo proces świeżenia, wskutek czego ilość węgla, krzemu i manganu w żelazie zmniejsza się. Straty żelaza wynoszą w sumie 5—8°/₀. Zawartość siarki doznaje powiększenia z gazów ogrzewających, przyrost jej wynosi około 0.03%. Ilość fosforu nie doznaje zmiany.

Piec płomienny nadaje się dobrze do topienia żeliwa o mniejszej zawartości węgla, w przeciwieństwie do kupo-lowego.

"Piec tyglowy stapia żelazo umieszczone w tyglu tj. w naczyniu wykonanem z ogniotrwałej gliny, zwykle z dodatkiem grafitu. Materjał iest tu chroniony od zetknięcia z paliwem

C1H

\\

ił

■r

SllTTlI

h-

'ł^TifTTTMrPT^T^Ti Rys. 68.

a w znacznym stopniu także od styczności z gazami spalenia. Topienie odbywa się okresowo.

Dawną lecz i dziś jeszcze rozpowszechnioną konstrukcję pieca tyglowego przedstawia rys. 68. Jest on wpuszczony w ziemię dla łatwiejszego wyjmowania tygli ze stopionym metalem. Na ruszcie stoi tygiel chroniony ogniotrwałą podstawką od oziębienia, jakie powoduje dopływające z dołu powietrze. Tygiel jest obłożony koksem, który żarząc się, oddaje swoje ciepło ścianom tygla. Gazy spalenia uchodzą w górze do komina.

pracujący najdrożej i dający naraz małe ilości materjału stopionego, bywa stosowany tylko wyjątkowo do topienia żeliwa, np. do topienia wyborowych gatunków które muszą być chronione od szkodliwych wpływów.

Dzielność termiczna takiego pieca wynosi około 4°/₀; są piece tyglowe innych konstrukcyj, mające lepszą dzielność.

Porównanie pieców do topienia. Zestawiając własności opisanych trzech systemów pieców, rozumiemy, że dla taniego materjału, jakiem jest żeliwo, najwięcej jest używany piec ku-polowy, pracujący tanio i szybko, jakkolwiek żelazo doznaje W nim pogorszenia wskutek utraty krzemu a przyrostu siarki. Piec płomienny, znacznie mniej pogarszający własności żeliwa, stosowany bywa rzadko z powodu większych kosztów topie-nia, zwykle tam, gdzie trzeba odlewać wielkie przedmioty lub gdy materjał przeznaczony do stopienia znajduje się w wiel-kich bryłach.

Lrp⁻

Naskórek. Żelazo na powierzchni odlewu z powodu szybkiego tężenia ma zwykle odmienne własności niż w głębszych warstwach, jest zwięźlejsze, ma drobniejsze ziarna i mniej zawiera grafitu. Warstwa ta nazywa się naskórkiem. Odlewy z naskórkiem są więcej odporne na mechaniczne zużycie niż odlewy obrabiane. Drugą właściwością naskórka jest pewne zabezpieczenie żeliwa przeciw rdzewieniu, przez co powierzchnia odlewu nieobrabianego jest odporniejsza na działanie tego procesu zniszczenia. Natomiast z powodu większej kruchości łatwiej podlega naskórek pękaniu i jest przez to czynnikiem obniżającym wytrzymałość.

Żelazo odlewnicze (żelazo lane, żeliwo). Wiemy z poprzednich wiadomości o surowcu, że do odlewów nadaje się odmiana szara, zawierająca wiecej krzemu a mało manganu, w której węgiel występuje przeważnie w postaci elementarnej, krystalicznej, jako grafit a w małej ilości jako węglik żelaza (karbid, cementyt: Fe₃C), w przeciwieństwie do surowca białego, gdzie on znajduje się wyłącznie jako karbid. Odmiana biała bywa tylko wyjątkowo stosowana do odlewów i to w rodzajach zbliżonych składem do rodzajów szarych.

Żelazo lane różni się od surowca tylko tern, że jest ma-terjałem topionym po raz drugi, dobranym celowo z różnych gatunków dla otrzymania potrzebnej jakości, oraz że zawar-

tość siarki, przechodząca podczas topienia z koksu, jest w niem naogół większa, a zawartość manganu i krzemu mniejsza.

Struktura żelaza lanego identyczna z surowcem szarym, znana już z rys. 32 składa się z płytek grafitu, otoczonych perlitem; przy powolnem stygnięciu wykrystalizowanie węgla jest niekiedy tak daleko posunięte, że kryształy grafitu otoczone są bezpośrednio ferrytem, a pomiędzy niemi znajdują się ziarna perlitu. Taką strukturę widzimy na rys. 69.

iji. ■

r 't

W- \

Rys. 69 (x 100).

Odlewanie jest ze wszystkich czynności, mających na celu wyrób odlewu, najdonioślejszą, przy niej bowiem dopiero wystąpić mogą skutki popełnionych poprzednio błędów w postaci wadliwego lub zgoła nieudanego odlewu, wymagające na-prawek lub wykonania całej roboty na nowo.

Odlewanie zależy od tak wielu czynników fizyczno-chemicznych, komplikujących się ze sobą, których nie można częstokroć przewidzieć, że nieudane odlewy zawsze się zdarzają, jednakże wyszkolenie robotnika, nadzór doświadczonych kierowników, dobra organizacja i odpowiednie urządzenia fabryczne mogą ich ilość bardzo ograniczyć.

Błędami, powodującemi niezdatne do użycia odlewy i sposobami zapobiegania im, zajmiemy się w osobnym rozdziale.

fiA/ykończanie odlewu. Polega ono

na wyjęciu odlewu z piasku, należącego do formy, odjęciii tz. wlewów tj. wypełnionych stężałem żelazem kanałów wlewowych i powietrznych, odcięciu nadlewków, usunięciu rąbków wytworzonych

Głównym czynnikiem, stanowiącym o własnościach materjału odlewniczego, jest zawartość węgla i jego postać. Grafit jako ciało kruche, nie złączone ściśle z żelazem i stanowiące przez to przerwy w jego jednolitej budowie, wpływa ujemnie na wytrzymałość; rodzaje szare są więc słabsze niż białe, ró-wnocześnie jednak nie mają ich wad tj. ich wielkiej kruchości i twardości, łatwości pochłaniania gazów i wielkiego współczynnika kurczenia się podczas tężenia. Natomiast żeliwo szare będzie miało tern większą wytrzymałość, im mniej w niem będzie płytek grafilu a zatem pośrednio węgla a także krzemu, powodującego, jak wiadomo, wydzielenie grafitu.

w miejscu, gdzie części formy nie dość ściśle przylegały do siebie, a wreszcie na oczyszczeniu odlewu z piasku formierskiego, który nie dość izolowany stopił się i przywrzał do powierzchni. Ta os atnia czynność jest szczególnie ważna dla odlewów podlegających obróbce, bo szklista i twarda skorupa w takich miejscach powoduje kruszenie się narzędzi podczas obrabiania, a o ile nie jest obrabiana, szpeci odlew.

Do oczyszczania powierzchni najlepiej nadają się powszechnie dziś stosowane płaszczarki, gdzie strumień piasku, wyrzucany prądem powietrza, bardzo szybko i dokładnie oczyszcza odlew, wytwarzając przytem piękną powierzchnię.

Dobór różnych gatunków w żeliwie ma na celu ograniczenie w przyszłym odlewie składników niepożądanych a zapewnienie potrzebnej zawartości pożytecznych tj. wpływających na wytrzymałość, obrabialność i inne własności ma-terjału. Dobór ma także na celu osiągnięcie pewnej ceny odlewu, co nie zawsze idzie w parze z pożądaną dobrocią materjału.

za-

na

we

Mechaniczne własności żeliwa zależą nietylko od ilości wartego w niem grafitu, lecz także od sposobu jego rozmieszczenia. Na rys. 70 ¹⁰) widzimy wykres wytrzymałości zginanie kwadratowych prętów odlanych równocześnie wspólnej formie w różnych grubościach z tego samego żelaza (3.38°/₀ węgla, 2.51 °/₀ krzemu, 0.81°/₀ manganu, 0.56°/₀ fosforu i 0.095°/o siarki); z wykresu wynika, że to samo żelazo w pręcie o grubości 12 mm ma wytrzymałość około 48 kg/mm² gdy przy grubości 155 mm tylko 18 kg/mm², a więc niespełna

37°/₀ wytrzymałości pierwszego. Przyczynę tej różnicy wyjaśnia rys. 71 na którym lewa strona jest obrazem cienkiego pręta

z powyższej próby, prawa grubego. Na pierwszym widzimy wiele drobnych kryształów grafitu, stanowiących znacznie mniej przerw w ma-terjale niż na drugim, gdzie nieliczne ale wielkie płytki przedzielają prawie całe pole obrazu. Wielka różnica w ilości i wiel-

wytrzymałość w kg/mm

na zginanie

JS

JO

15

tZO Ito

grubość w mm Rys. 70.

kości płytek grafitu spowodowana była odmienną szybkością tężenia prętów. Cienki, tracąc ciepło prędzej, zastygł szybko, nie pozwalając połączyć

się ze sobą wy-____

krystalizującym się ziarnom grafitu, tak jak się to stało w pręcie grubym, wolno tężejącym, gdzie kryształy połączyły się, two-nieliczne

& ‘U

<i'\). «2

sua

*-

f

4 4.

rżąc a przez to wielkie płytki. Takie żelazo jest nie-

tylko słabsze, ale zarazem miękkie, a przy więk-szem ciśnieniu

* -*    ~\ '*:

)??v»;*'\V m.^

5>: ’ *i>;,/.-v

L

■»

•\

gazów lub płynów,nieszczelne.

Występuje tu jeszcze drugi czynnik, wywołany większą szybkością stygnięcia cienkiego pręta, a mianowicie większa

Rys. 71. (x 15,0).

zawartość cementytu, przy mniejszej ilości grafitu. Uwidocznia to rys. 72, gdzie na osi pionowej oznaczone są zawartości procentowe, na poziomej grubości prętów; linja C przedstawia całą (niezmienną) zawartość węgla, (3*38°/₀) w prętach, linja G zawartość grafitu, najmniejszą w żelazie najcieńszego pręta

J!2 30 2.S

2.6

20

60

60

100

grubość w mm Rys. 72.

110

100

160

(2*5₀/°) a wzrastającą z grubością aż do maximum (3°/₀), osiągniętego w pręcie 60 mm, poczem już się dalej nie zmienia. Od tej więc grubości pręta ustaje w naszem żelazie wpływ zmiennej ilości karbidu na wytrzymałość a pozostaje tylko wpływ różnej wielkości kryształów grafitu.

Wynika stąd wskazówka, że chcąc mieć odlewy o jednakowej i zadowalającej wytrzymałości, należy się starać, by wydzielanie się grafitu nie było za obfite i odbywało się w małych ziarnach. Ponieważ w zwykłych formach, stosowanych do odlewania, nie mo- ^ żna dowolnie zmieniać ' szybkości studzenia, trzeba używać w tym fj? J celu innego sposobu, * 2 a tym jest zmiana za- / wartości krzemu w że-

li 7?    1(~

0

°/₀ krzemu

Rys. 73.

lazie. Wiadomo, że kjraem ułatwia wydzielanie się grafitu,jeżeli więc zmniejszymy jego ilość, to proces krystalizacji grafitu opóźni się, i otrzymamy go mniej a zarazem w płytkach mniejszych.

W jaki sposób zawartość krzemu wpływa na ilość wydzielonego grafitu, przedstawia rys. 73 ⁴⁰); na osi pionowej

przedstawione są tam procentowo zawartości węgla, na poziomej krzemu. Górna linja C uwidocznia całkowitą zawartość węgla, dolna G zawartość grafitu. Widzimy, że przy małych zawartościach krzemu bardzo mało węgla znajdującego się w żelazie wydziela się w postaci grafitu, ze wzrostem krzemu ilość grafitu szybko się zwiększa aż do około 3o/₀ krzemu, poczem stosunek ilości krzemu do całej zawartości węgla jest prawie niezmienny. Wyprowadzamy stąd wniosek, że zawartość krzemu powyżej 3°/₀ w żelazie łanem jest bezużyteczna, bo nie wpływa na wydzielanie się grafitu a zwiększa kruchość żelaza. By więc zapewnić sobie, bez względu na grubość, odlew wytrzymały, gęsty i niezbyt miękki, należy stosować odpowiedni dodatek krzemu, nie przekraczając 3°/₀. Rys. 74

3.5

Io krzemu

2.5

przedstawia krzywą, podaną przez Leydego, określającą najodpowiedniejszą zawartość krzemu w stosunku do grubości odlewu.

1.5

Wpływ innych składników na żelazo odlewnicze jest taki sam jak w surowcu.

jo

100

200    250

grubość w mm Rys. 74.

/Rozrost żelaza lanego. Wpływ działania tlenu na rozżarzone że-liwo zaznacza się tz. r o z r o s t e m. Żelazo grafityczne (szare), podlegające częstemu żarzeniu i studzeniu (np. ruszty, mufle żelazne, tłoki motorów Diesla i t. p.), zwiększa stopniowo swoją objętość. Doświadczenia z prętami wielokrotnie ogrzewanemi na 850-900° przez cztery godziny wykazywały po 10 takich procesach zwiększenie objętości (głównie długości) o 13 20°/₀, po 99 ogrzaniach o 35-30°/o ¹²). Objawowi temu towarzyszy pewne powiększenie ciężaru prętów, jednak nie współmierne z wzrostem objętości. Wytrzymałość żelaza doznaje znacznego obniżenia, a odlewy, po wielokrotnem powtórzeniu się procesu, stają się bardzo kruche i rozpadają się. Analiza chemiczna wykazuje w takim materjale prawie zupełne odwęgienie, ubytek krzemu, manganu a bardzo znaczny przyrost siarki. Zmiany powstają wskutek utleniania się składników żeliwa pod wpływem gorących gazów spalenia, zawie

rających niezużyty tlen, które wnikają w rozżarzone żelazo wzdłuż płytek grafitu luźnie z żelazem złączonych.

Objawowi rozrostu ulegają tylko gatunki zawierające grafit, i to w tym większym stosunku, im większe są płytki grafitu. Odlewy o charakterze surowca białego nie podlegają przemianie tak długo, pokąd (jak w kujnej leiznie) nie nastąpi rozkład karbidu, i nie wydzieli się węgiel żarzenia; wtedy odlew ulega szybko takiej samej przemianie, jak zwykły szary materjał.

Zawartość manganu i fosforu powstrzymuje zmiany, krzem przyspiesza je; im kryształy grafitu są większe, tern proces toczy się prędzej. Właściwa mu temperatura jest 650—900° ²²), najszybszy przebieg jest około 750°, powyżej 900° ustaje.

Ze względu na nieodporność żelaza lanego na żarzenie, nie można do odlewów z niego stosować procesu wyż a rzan i a dla usunięcia naprężeń, jak się to dzieje przy odlewach stalowych.

.Rdzewienie i rozkład żeliwa. Na przedmiotach, wysławionych na działanie wilgoci a przedewszystkiem leżących w mokrej ziemi, występują zmiany materjału zupełnie go niszczące; żelazo staje się ciałem gąbczastem, kruchem i pozbawionem wszelkiej wytrzymałości. Objaw ten do niedawna mało zbadany i nazywany rozmaicie (grafitacja, spongjoza, rak żelaza) zachodzi według badań Bauera i W e t z 1 a ¹²) tylko w obec-ności w o d y, choćby w postaci kroplistej, a zmianom tym podlega tak surowiec biały jak szary, ten ostatni zdaje się szybciej. Rozkład odbywa się bardzo wolno, jeżeli nie współdziałają uboczne czynniki, natomiast obecność prądów elek-trycznych (np. w ziemi), zetknięcie z innemi metalami, powodujące powstawanie prądów elektrolitycznych, zwłaszcza przy zawartości soli w wodzie, wywołuje bardzo szybkie niszczenie żelaza, które się utlenia i tworzy szarą, gąbczastą, kruchą masę. Jeżeli miejsce zaatakowane znajduje się w prądzie wody (np. w rurze wodociągowej), wtedy rozłożone cząstki woda porywa, a rozkład objawia się tylko ubytkiem żelaza. Ubytek składników dotyczy przedewszystkiem żelaza i dochodzi nieraz ponad 80°/₀, ponadto objawia się stratą manganu i krzemu. Grafit nie doznaje zmiany, ułatwia tylko działanie rozkładu wzdłuż powierzchni swoich płytek i skupia około siebie jego

produkty. W surowcu białym rolę skupiania wytworzonych tlenków i zanieczyszczeń pełni cementyt.

O ile rozkładowi ulegają przedmioty wolno leżące i tylko okolicznościowo stykające się z wilgocią, powstająca rdza układa się warstwami twardniejącemi w czasie suchym. Raz rozpoczęty proces trwa ustawicznie i warstwa wytworzonej rdzy nie chroni od zniszczenia żelaza znajdującego się pod nią. Powłoki nie dopuszczające wilgoci (lakiery, pokrycia in-nemi metalami itp.) działają ochronnie tak długo, pokąd są nienaruszone, — gdy są nadwerężone, w miejscach odkrytych rozpoczyna się rdzewienie, przenosi się pod ochronną warstwą na żelazo i niszczy je bez przeszkody.

Wytrzymałość żelaza lanego zależy od zawartych w niem składników, przedewszystkiem węgla i krzemu, grubości, gęstości i jednolitości odlewu itd., i jest bardzo zmienna nawet w obrębie tego samego odlewu. Tak np. wytrzymałość na rozciąganie jest zawarta w granicach skrajnych 7 — 26 kg/mm²; dla żelaza na odlewy masz}mowe przyjąć można 14—16 kg/mm², więcej dla wyborowych i małowęglistych odmian np. dla cylindrów motorowych 18—24 kg/mm². Wytrzymałość prętów nieobtoczonych Ij. z naskórkiem, jest średnio o 2 kg/mm2 mniejsza. Z powodu kruchości żelaza jest wydłużenie bardzo małe i wynosi 0.2—0.8°/₀.

Najwięcej dziś stosowane do żelaza lanego badania na zginanie wykazują w skrajnych wartościach wytrzymałość 18—45 kg/mm² przy ugięciu 6—20 mm; żelazo do odlewów maszynowych powinno mieć wytrzymałość 28—34 kg/mm², przy ugięciu 7—12 mm. Liczb}' wytrzymałości na zginanie są średnio dwa razy większe niż na rozciąganie. Pręty bada się z naskórkiem, — po obtoczeniu wytrzymałość jest większa.

Największą wytrzymałość posiada żelazo lane na ciśnienie, które określają granice 35 — 100 kg/mm²; dla odlewów maszynowych przyjąć można średnio 70 kg/mm².

Dobór żelaza. Chcąc mieć odlew o składzie i własnościach wymaganych, na co głównie wpływa zawartość składników, a zarazem osiągnąć odpowiednią jego cenę, trzeba surowe materjały tak dobrać, aby spełniały obydwa warunki. Przy pewnej stałej cenie koksu i wapienia głównym czynnikiem jest tu dobór różnych gatunków żelaza, posiadających

i różny skład chemiczny i odmienne ceny, a więc surowca z huty, własnych odpadków, starego żelaza (łomu) kupowanego, wiórów z obróbki żelaza itp.

i Surowiec. Najważniejszym z tych składników, umożliwiającym najłatwiej osiągnięcie potrzebnego składu chemicznego, lecz zarazem najdroższym, jest surowiec; jego umiejętne zakupno i dobór stanowią głównie o wyniku technicznym i finansowym.

Zamiast dobierać żelazo według składu chemicznego, odlewnie kupują je bardzo często w pewnych zwyczajem utartych gatunkach, na podstawie przełomu. Wiadomo że w surowcu na postać przełomu wpływają zawarte w nim składniki; zawartość manganu wywołuje tworzenie się surowca białego, odznaczającego się nietylko barwą (srebrzysto-białą) ale i strukturą przełomu (promienistą, listkową itp.), krzem wytwarza surowiec szary o barwie. szarej aż do czarnej, i ziarnistej budowie, zależnej od wielkości płytek grafitu. Zawartość siarki utrudnia wydzielanie się grafitu, a więc ułatwia tworzenie się gatunków białych, fosfor zaś zwiększa ziarna w surowcu szarym. Na tej podstawie oparto podział surowców, klasyfikując je nie na podstawie składu chemicznego lecz podług wielkości ziarn. W krajach przemysłowych utarły się typy oznaczające pewne własności surowca a głównie określające przełom podług jego ziarnistości. Tak np. wszędzie jest znany rodzaj zwany »hematytem« (od pewnej rudy hematytowej z której go dawniej wyrabiano), oznaczający surowiec gruboziarnisty o małej (poniżej 0.1 °/₀) zawartości fosforu, dalej różne gatunki zwykłego surowca odlewniczego (z większą ilością fosforu) określane numerami, o coraz mniejszych ziarnach w przełomie, co powinnoby być w związku ze zmniejszającą się zawartością krzemu. Nadto istnieją gatunki specjalne, często np. jako »żelazo angielskiej posiadające pewne cechy np. małą ilość węgla, mało lub wiele krzemu, manganu, wiele fosforu itd., obok nich surowiec wytapiany »na zimno« tj. przy słabo ogrzanem powietrzu (300—400°), zawierający mało węgla i krzemu. Ceniony jest również, drogi dziś, surowiec wytapiany na węglu drzewnym, dla znacznej zawartości węgla a małej siarki, i swej bardzo drobnoziarnistej, prawie bezpostaciowej, gęstej struktury.

Zakupno surowca na podstawie przełomu polega na błędnej podstawie, bo przełom daje tylko przybliżone, a niejednokrotnie nawet mylne wskazówki. Ten sam surowiec bywa bardziej gruboziarnisty, gdy jest odlewany w formach z piasku i po odlaniu przysypany gorącym piaskiem, mniejsze ma ziarna, gdy swobodnie zastyga, a może mieć nawet postać surowca białego, gdy jest wlany do formy żelaznej i szybko oziębiony. Stwierdzono też, że rodzaj wytwarzającego się w wielkim piecu żużla i jego temperatura powodują zmiany w strukturze surowca, bez względu na jego skład chemiczny.

Jedynie więc racjonalne jest dobieranie i zakupywanie surowca na podstawie składu chemicznego.

Następująca tabelka podaje zawartości procentowe składników, stosownie do rodzaju odlewów:

SKŁADNIKI

o grubości w min

do 8

8—15

maszynowe grube

na cylindry itp.

Ogólna ilość węgła Grafit......

3-28—3-75

3-20-3-60

335-3-65

2-90—3-20

3-20-3-50

2-70—300

2-80-3-35

2-40—2-75

Krzem

2-20-2-60

1-80—2-25

1-25—1-60

110-1 45

Mangan . . . Fosfor . . . .

0-60—1-00

1-00-1 35'

0-60—1 00

0 90-1-25

0-60—085

0-50-0 65

0-50—0-80

0 45-0-70

Siarka

0 03-0 04

0-06-0-08

007—009

0-08—0 12

Na odlewy maszynowe, narażone na wstrząśnienia, zawartość fosforu powinna być mniejsza; na mniej wrażliwe części, odlewy budowlane, przemysłowe i inne, może być, — odpowiednio do przeznaczenia odlewu, zawartość składników zmienna, zwłaszcza granica szkodliwych przymieszek może być rozszerzona.

Przeprowadzeniu doboru na podstawie składu chemicznego stoją na przeszkodzie w znacznym stopniu liuty wyrabiające surowiec. Ta odporność jest częściowo uzasadniona niemożnością zachowania nieprzekraczalnych granic, z powodu że wielki piec, zasilany tylu różnorodnemi i zmiennemi często

materjałami, podlegający zmianom temperatury i ciśnienia itd., nie daje się prowadzić z taką ścisłością, jakiejby wymagał dokładnie określony rodzaj surowca; nawet w obrębie jednego spustu pieca zdarzają się różnice, zwłaszcza w zawartości krzemu.

Wprowadzenie surowca odlewniczego przed odlaniem go w kawałki (gęsi) do mieszalnika (rozdz. 6.) umożliwia o wiele jednolitszy wyrób; żelazo, oswobodzone w znacznej części od siarki i wymieszane, pozwala hucie przyjąć za swój skład pewną, ujętą w granice, gwarancję.

Stare żelazo (\ o m). Każda odlewnia posiada odpadki żelaza lanego w postaci wlewów, nieudanych odlewów i t. p., i musi je zużywać; nadto stare maszyny i inne przedmioty żeliwne, nabywane w handlu, mają cenę znacznie niższą niż surowiec i mieszane z innemi gatunkami obniżają cenę odlewu. Ujemną stroną używania łomu jest duża zawartość w nim siarki, nabytej z koksu przy topieniu, które mogło się przedtem wielokrotnie powtarzać, oraz mniejsza zawartość krzemu, co jednak daje się wyrównać dodatkami surowca bogatego w krzem. Najdotkliwszą trudność przy stosowaniu łomu stanowi nieznajomość jego składu chemicznego, odmiennego w każdym odlewie. 0 ile ma się do czynienia z własnemi odpadkami, to sortując je starannie, można ze znacznem przybliżeniem znać ich skład; — kupny jednak łom, mimo sortowania według pochodzenia odlewów, wykazywać może tak wielkie różnice w składzie poszczególnych kawałków, że ilość zawartych w nim składników daje się tylko niepewnie określić. Z tego powodu należy być bardzo ostrożnym przy użyciu kupnego łomu i nie stosować go do ważnych odlewów.

Zużycie wiórów żeliwnych. Każda fabryka maszyn wytwarza w swych warsztatach ogromne ilości wiórów; wióry żeliwne są trudne do zbycia i stanowią dla fabryki uciążliwy balast. Zużytkowanie ich we własnej odlewni nie daje dobrych wyników, bo wsypane do pieca kupolowego zatykają go i utrudniają ruch gazów, z powodu małej objętości a dużej powierzchni spalają się w znacznej ilości (do 50°/₀) przechodząc w żużel, a o ile się stopią, to doprowadzają wiele siarki pochłoniętej z koksu podczas topienia.

Bryki e t o w a n i e wiórów spojonych jakiemś lepiszczem (smołą, wapnem itp.) jest drogie a przytem nie zapobiega za-wczesnemu rozpadaniu się brykietów w wysokiej temperaturze pieca. Ulepszenia w tej czynności, datujące się przedewszyst-kiem od zastosowania przez Ronaya bardzo wysokiego ciśnienia bez spoiwa lub z tanim dodatkiem (np. mleko wapienne), doprowadziło do wcale rozległego używania brykie-towanych wiórów.

Dogodny kształt brykietów (rys. 75.) pozwala je łatwo przechowywać, transportować i wrzucać do pieca, tak by się

w nim należycie układały. W piecu zachowują się jak żelazo w kawałkach, tylko nieco szybciej się topią, nie rozpadając się jednak przed stopieniem. Strata przez spalenie jest, przy użyciu dużej ilości brykietów, w stosunku do innego żelaza dość znaczna, natomiast przy mniejszych ilościach mało co większa nad normalną.

Rys. 75.

Pod względem składu chemicznego zachodzą w żelazie brykietowanem znaczne zmiany po topieniu: zmniejsza się ogólna zawartość węgla a równocześnie obniża zawartość grafitu na korzyść węgla związanego chemicznie, zawartość krzemu ulega zmniejszeniu a siarki zwiększeniu, co tłumaczy słabsze wydzielanie się grafitu w odlewie.

Znaczenie dodatku brykietów polega więc nietylko na zużyciu małowartościowych odpadków narówni z łomem, ale także na możliwości użycia ich w pewnych razach zamiast specjalnych gatunków surowca, zwykle drogich.

W r. 1913 pojawił się w pewnych odlewniach przyrząd polegający na wynalazku W. Wagnera, umożliwiający bezpośrednio, — bez poprzedniego brykietowania, zużytkowanie wiórów żeliwnych, przez wtłaczanie ich wprost do pieca (za-pomocą prasy tłokowej) do części położonej nad dyszami tj. w strefę topienia; wióry ulegają stopieniu natychmiast po wejściu do pieca i przez to nie doznają sz}rbszego utlenienia niż reszta topionego żelaza.

Dodatek żelaza miękkiego. Gdy zależy na większej wytrzymałości odlewu żeliwnego, a odlew stalowy nie jest możliwy, ani potrzebny, osiągnąć to można, zmniejszając zawartość węgla w żelazie, która zwyczajnie nie da się sprowadzić poniżej 3°/₀. Aby to osiągnąć, stosują dodatek żelaza miękkiego do żeliwa, zmniejszając przez to zawartość węgla i wydzielenie grafitu. Mimo znacznie wyższej temperatury topliwości żelaza kujnego, daje się ono stopić w piecu kupolowym, jednak głównie dlatego, że przechodząc przez warstwę rozżarzonego koksu, nawęgla się tak silnie, że nawet przy znacznym dodatku takiego żelaza, zawartość węgla w odlewie nie daje się obniżyć bardziej niż do 2.8°/₀; i te wyniki jednak są często wystarczające, a niekosztowny dodatek żelaza w postaci odpadków pozwala wyrobić wymagany materjał.

Chcąc przy zmniejszonej w taki sposób zawartości węgla otrzymać odlew o charakterze surowca szarego, a więc zawierający dosyć grafitu i nie kurczący się zbytnio podczas osty-gania, dodaje się obok żelaza kujnego także żelazo-krzemu, wkładanego do kadzi przed wypuszczeniem do niej stopionego w piecu żeliwa.

Jeszcze mniejszą zawartość węgla przy dodatku stali uzyskuje się, topiąc żeliwo w piecu płomiennym, gdzie zawartość węgla nie powiększa się.

Leizna syntetyczna. W czasie ostatniej wojny światowej, kiedy wskutek zajęcia hut francuskich przez wojska niemieckie brakowało we Francji wyborowego materjału na pociski, zastosowano do wyrabiania wyborowego żeliwa piece elek-tryczne, stapiając w nich wióry stalowe, wymieszane z dro-bnym węglem (drzewnym lub koksem) i innemi dodatkami. Wyrabiany w ten sposób w pewnej hucie 7I) surowiec na granaty pod nazwą leizny syntetycznej zawierał 3.55°/₀ węgla, 0.52°/₀ krzemu, 0.48°/₀ manganu i zaledwie ślady szkodliwych przymieszek, i miał znakomite własności mechaniczne. O ma-terjale takim jest mowa w rozdziale o surowcu.

j Twarda leizna. Aby wytworzyć odlew o twardej powierzchni, należy się starać, aby żelazo, w miejscu, które ma być twarde, zastygało po wlaniu bardzo szybko, wskutek czego

Żelazo.

zamiast grafitu znajdować się będzie karbid (Fe₃C), dający odlewowi wielką twardość. By to osiągnąć, stosuje się w od-nośnem miejscu częściowo formę z żelaza o znacznej grubości zamiast z piasku. Żelazo jako dobry przewodnik szybko odbiera ciepło roztopionemu metalowi i powodując nagłe stę-

żenie, wytwarza na powie-rzchni odlewu warstwę twar-Jpi? dą, bo bogatą w cementyt, podczas gdy głębiej materjał jest zwykły (szary).

Rys. 76.

Na rys. 76 widzimy formę kółka wagonowego, — część środkowa formy jest

zrobiona z żelaza zamiast z piasku.

Na rys. 77. przedstawiona jest struktura twardej leizny: na powierzchni jasna, twarda warstwa, zawierająca wiele cementytu, ku wnętrzu przechodzi stopniowo w ciemny surowiec szary, miękki i obrabialny.

W ten sposób odlewa się różne przedmioty jak walce do przeróbki metali, rozdrabia-

a^ggr t

MpilSjj

USKIrr

-h:

nia twardych materja-łów, mielenia zboża, kręgi do gniotowników szczęki do maszyn kruszących kamienie, płyty pancerne i t. d.

Rys. 77 (n. w.)

Twarda leizna wymaga doboru materja-łów składowych, aby przez szybkie oziębienie istotnie umożliwić powstanie twardej warstwy, by żelazo z części głębszych lub z powierzchni niechłodzonej było wytrzymałe i obrabialne, miało więc strukturę szarą i drobnoziarnistą, aby

przejście między zewnętrzną warstwą białego a wewnętrzną szarego żeliwa było stopniowe a nie nagłe, bo wtedy twarda skorupa łatwo się odkrusza. Obraz takiej przejściowej struktury podany był na rys. 61. przedstawiającym tz. surowiec połowiczny, gdzie w szarym perlicie leżą obok siebie białe pola cementytu i czarne grafitu. Ponieważ na powstawanie struktury białej wpływa zawartość manganu a szarej krzemu, mamy tu do czynienia z dwoma czynnikami sprzecznemi, które należy pogodzić. Wiadomo jednak, że przy odpowiedniej szybkości, względnie powolności chłodzenia żelaza, można bez względu na zawartość krzemu lub manganu wytworzyć białą lub szarą strukturę; stosując więc w budowie formy w jed-nem miejscu części szybko studzące powierzchnię odlewu, w innem chroniące ją od tego, uwalniamy się do pewnego stopnia od wpływu składników, ograniczając je lub zmieniając stosownie do wymaganej grubości i twardości białej warstwy. Chcąc ograniczyć grubość białej warstwy, zwiększamy zawartość krzemu, kiedy znowu odlew jest gruby i, mimo zastosowania formy żelaznej, obawiamy się że warstwa biała nie powstanie, bo odprowadzenie ciepła będzie za powolne, dodajemy do żelaza więcej manganu, jakkolwiek on przynosi ze sobą zwiększenie skurczu i większą kruchość odlewu.

Najważniejsza rzecz przy wyrobie twardej leizny, tj. wytworzenie nietylko białej ale zarazem bardzo twardej warstwy na powierzchni, zależy od możliwie wielkiej zawartości węgla, który wydziela się tam jako karbid. Praktyka wykazała, że osiągnąć to można tylko przez znaczny dodatek (30°/₀ i więcej) surowca drzewnego; ten dodatek ma jeszcze inną zaletę, mianowicie wytwarzanie w głębszych warstwach drobnoziarnistej struktury.

Skład chemiczny żeliwa w twardych odlewach bywa średnio następujący: węgla 3.5—3.8%, krzemu 0.5—0.8%, manganu 0.6—1%, fosforu do 0.5%, siarki do 0.05%. Wskutek wydzieleń zawiera warstwa twarda zwykle więcej węgla i manganu.

Odlewy o twardem wnętrzu. Przy odlewaniu żeliwa zdarzają się wypadki, że odlewy posiadają wnętrze twarde, o białym przełomie, a zewnętrzną strukturę szarą. Nazwano taką budowę odwrotna twarda leizną. Powodem takich obja-

wów okazały się miejscowe, obfite wydzielenia siarki, powstające przy jej nadmiarze w żelazie. Siarka, jak wiemy, ułatwia tworzenie się surowca białego.

Odlewy odporne na działanie kwasów. Stopy żelaza z krzemem wykazują dużą odporność na działanie kwasów, zwłaszcza siarkowego, jakiej zwykłe żeliwo nie posiada. Odporność ta polega na działaniu kwasu na krzem zawarty w wielkiej ilości w stopie, z którym tworzy na ścianach naczynia cienką warstwę żelatynowatej krzemionki, nie dopuszczającej dalszego działania kwasu. Ważną przytem jest rzeczą aby powierzchnie stykające się z kwasem były bardzo gładkie, nie porowate, co do niedawnych czasów było trudne do osiągnięcia. Stopy krzemowe są bardzo kruche, jednak dodatek węgla usuwa w znacznej części ten objaw. ⁷⁴)

Stopy z niklem. Dodatek niklu w ilości nie przekraczającej 1.5°7o do żeliwa podnosi jego ogólną wytrzymałość śre-dnio o 30°/n, twardość około 18%, podwyższając nieznacznie tylko temperaturę topliwości. Wynika z tego że dodatek niklu do żelaza na wyborowe odlewy (np. koła zębate) może być pożyteczny n).

¹

Nazwa ta pochodzi od kopulastego okapu (»cupola«), który dla odprowadzania do komina gazów spalenia umieszczano nad małemi z początku a później coraz większemi piecami. Gdy z rozwojem konstrukcji pieców zaczęto dla nich budować osobne kominy, kopuła owa znikła, a pozostała po niej niewłaściwa już ale utarta nazwa, o znaczeniu imienia własnego.

10. Kujna leizna.

Do procesów technologicznych przerabiających surowiec sposobem odlewania, należy wyrób przedmiotów użytkowych o kształtach trudnych do wykonania przez kucie lub skrawanie a łatwych do odlania, wymagających jednak od mater-jału lepszych warunków mechanicznych niż te, jakie ma zwykłe żeliwo a ceny niższej niż mają odlewy stalowe. Przedmioty takie (np. drobne a masowo używane części maszyn, okucia, części zamków, klucze i t. p.) wymagają obok większej wytrzymałości także pewnej ciągliwości, jakiej nie mają wyroby z surowca szarego.

Do wymienionych celów stosuje z surowca białego, które następnie zapomocą żarzenia prze-twarza się w materjał posiadający skład chemiczny i własności zbliżone do żelaza kujnego. W ten sposób wyrobione przedmioty noszą nazwę ku j ne j leizny, ponieważ są wyrabiane przez odlewanie a są do pewnego stopnia plastyczne t. j k u j n e ¹).

Wymagane własności nadaje się żelazu lanemu odbierając mu nadmiar węgla przez żarzenie w utleniającym ma-terjale, wskutek czego węgiel się spala. Surowiec szary nie nadaje się do tego procesu, gdyż węgiel zawarty w nim w postaci grafitu bardzo wolno podlega utlenieniu pod działaniem

wnikających w rozżarzony surowiec gazów, które otaczając luźno z żelazem złączone płytki grafitu, bardzo wolno na nie działają a przytem utleniają równocześnie samo żelazo. Przeróbka surowca szarego, kosztowna z powodu dużego rozchodu paliwa i długości procesu, daje w ten sposób materjał słaby i kruchy, nie odpowiadający stawianym mu wymaganiom.

Gdy w surowcu węgiel znajduje się jako karbid żelaza (Fe₃ C) czyli cementyt, to w obrębie temperatur powyżej linji eutektoidalnej (linja SR na wykresie termicznym rys. 20), a poniżej linji eutektycznej ED t. j. temperatury rozpoczynającego się topienia, żelazo znajduje się w stanie roztworu, w którym jednak istnieją wolne ziarna nierozpuszczonego cementytu w ilości zależnej od wysokości temperatury. W tym stanie będący surowiec po dłuższem czasie wydziela z roztworu czysty węgiel w postaci pyłku i bryłek bezpostaciowych (a raczej tylko bardzo drobno krystalicznych), wolny cementyt zaś doznaje rozkładu na ferryt i węgiel (Fe₃ C = 3Fe-|-C) w postaci różnej wielkości bryłek tak samo bezpostaciowego węgla. Tę postać węgla, występującą tylko przy żarzeniu wę-glistego żelaza, nazywamy węglem żarzenia.

Grafit i węgiel żarzenia, jakkolwiek oba są czystym węglem, różnią się wybitnie od siebie tak sposobem powstawania, własnościami, jak i wpływem wywieranym swą postacią na zachowanie się żelaza. Węgiel w postaci grafitu wydziela się podczas krzepnięcia płynnego żelaza i występuje z reguły dopiero powyżej zawartości 17% węgla, (punkt E na wykresie termicznym rys. 20), wyjątkowo zaś poniżej 1.3%, natomiast węgiel żarzenia wydzielony w żelazie w stanie stałym wskutek rozkładu cementytu, a więc w niższych temperaturach, bywa spotykany także prz}r mniejszych zawartościach węgla, jak to wynika z wykresu na rys. 33, gdzie linja kreskowana O' E' wskazuje granice zawartości węgla i temperatury, w jakich wydziela się ta postać węgla wskutek żarzenia. Grafit, utwór krystaliczny o postaci zasadniczej sześcio-bocznych płytek, w żelazie odkształconych wskutek przebiegu tężenia, o jednolitej budowie i stosunkowo znacznych wymiarach, wybitnie odróżnia się od p y ł k o w a t e g o, w małe bryłki skupiającego się węgla żarzenia. Węgiel jako ciało kruche i w żelazie luźno tkwiące, nie przyczynia się do powiększenia jego wytrzymałości i ciągliwości, przeciwnie, otworki w których się mieści, wywołują przerwy w jednolitości żelaza i osłabiają je; przerwy te spowodowane grafitem są o wiele większe niż przy występowaniu węgla żarzenia, a surowice zawierający go musi mieć wskutek tego znacznie lepsze warunki wytrzymałości niż zwykłe żeliwo grafityczne. Wnikające w rozżarzone żelazo utleniające gazy działają o wiele wolniej na zwarty i w dużych płytkach skupiony grafit, szybko natomiast utleniają pyłkowaty węgiel żarzenia; odbywające się równocześnie utlenianie samego żelaza postępuje znacznie łatwiej przy dłużej trwająeem utlenianiu grafitu i wielkiej powierzchni otworów w jakich on tkwi, niż podczas krótko trwającego utleniania węgla żarzenia i przy drobnych a rozproszonych otworkach po nim.

Do procesu wyrobu kujnej leizny układa się gotowe od-lewy ze surowca białego w t lenku żel ąz o wy m fFęa 0?k dobierając do lego możliwie czysty żelaziak czerwony, jedną z najwięcej rozpowszechnionych rud żelaza. Naczynia wypełnione w ten sposób odlewami i rudą poddaje się długiemu żarzeniu w temperaturze 800 —1.000°, wskutek czego następuje wydzielenie się węgla żarzenia i spalenie go zapomocą utleniających się gazów, wytwarzających się z rudy (Fe₂ 0₃=2Fe O -j- O) i dyfundujących do wnętrza odlewu.

Istnieją dwie teorje lego procesu. Wiist¹⁴⁴) tłumaczy jego przebieg w ten sposób, że najpierw odbywa się wydzielenie węgla żarzenia a dopiero potem jego utlenienie, wyłącznie wskutek działania gazów utleniających a nie jak podaje inna teorja, przedstawiona najpierw przez Ledebura ⁸⁴), przez dyfuzję węgla ku powierzchni odlewu. H a t f i e 1 d⁶¹), zwalcza zapatrywania Wtista, twierdząc że utlenienie jest niezależne od tworzenia się węgla żarzenia i odbywa się wprost tak w roztworze stałym jak i w karbidzie. Późniejsze badania, np. Stotza¹²⁵), wykazują że proces tworzenia się kujnej leizny nie jest jednolity, i obok utleniania się wydzielonego już węgla żarzenia, utlenia się węgiel w chwili wydzielania się z karbidu; utlenianie odbywać się może zarówno przez wnikanie gazów do wnętrza, jak i przez spalenie węgla dy-fundującego ku powierzchni odlewu; wszystkie więc teorje są w pewnym stopniu uzasadnione.

Na rys. 78-+-80 widzimy kujną leiznę w różnych okresach wyrobu: rys. 78 w okresie żarzenia, gdzie cementyt ulega rozkładowi i wydziela węgiel żarzenia, rys. 79 bez śladu ce-

'•V

c?-

IpsfSI

wm

mentytu, widoczne

I§1

tylko bryłki węgla otoczone ferrytem i wysepki perlitu, najdłużej opierające się rozkładowi, rys. 80 o skrajnej warstwie złożonej z ferrytu, w głębszych widoczne

jeszcze bryjki węgla. Proces żarzenia i od-

węglania rozpoczyna się od powierzchni odlewu i ze wzrostem temperatury oraz odpowiednio długiem działaniem posuwa się w głąb (rys. 78), obejmując coraz dalsze warstwy; zbyt głęboko nie może sięgać, bo trwając za długo, spowodowałby utlenienie warstw skrajnych a tem samem zepsucie wyrobu. Z tego powodu grubość odlewów przerabianych tym procesem nie może być znaczna, najlepiej dają się przerabiać odlewy do 10 /mm; najwięk-

Rys. 78 (x!00).

v.

■* •

-1

A.

A M

K5\

-c.

Rys. 79 (x 200).

- 121

szą, w praktyce prawie niestosowaną grubość, podają na 25 mm.

Struktura przełomu żelaza jest we wszystkich stadjach odmienna, — odlew nieżarzony ma listkową strukturę surowca białego i jego barwę, po żarzeniu przełom jest drobnoziarnisty i szary (od wydzielonego węgla), po odtle-nieniu jest również drobnoziarnisty ale ma barwę białą wskutek utlenienia węgla.

Za wysoka temperatura żarzenia powoduje strukturę gruboziarnistą gotowego wyrobu, jak wszędzie tak i tu niekorzystną.

Dla wywołania wymaganej zmiany własności mechanicznych leizny jest miarodajny proces przemiany karbidu t.j. wydzielania węgla żarzenia, — odwęglenie ma mniejsze znaczenie. Z tego powodu obok leizny odw egl onej, białej w przełomie, prawie wyłącznie używanej w Europie, wyrabiają, głównie w Ameryce, leiznę nieodwęglo-n ą a wskutek tego szarą (t. zw. leiznę »czarną«, w Ameryce pod nazwą »black he-art«).

...

jm .    ■■■■ V

# '

. .X ,

Rys. 80 (x!00).

......

Rys. 81 (Betrieb)

■mM

fi i

'4 -'

'\.v s

-

v r & i

Ad

Na rys. 81 widzimy obraz leizny czarnej (lewa strona, i białej

(prawa). Leizna czarna ma na brzegu warstwę białą wskutek odwęglenia spowodowanego pewną zawartością powietrza w proszku otaczającym żarzony odlew.

Proces wyrobu czarnej leizny jest krótszy i tańszy, własności mechaniczne jej, jakkolwiek lepsze niż surowego odlewu, są jednak gorsze niż leizny odwęglonej a mianowicie jest ona kruchsza t. j. mniej kujna. Różnica własności mechanicznych obu rodzajów nie jest zgodnie wyjaśniana. Wtist¹⁴⁴) twierdzi że niema powodu aby taka różnica istniała, bo czy w żelazie znajdują się bryłki węgla (jak w materjale żarzonym a nie odwęglonym), czy szczelinki po nich (po odwęgleniu), to dla wytrzymałości materjału ma to znaczenie podrzędne. W istocie tak nie jest, bo przestrzenie puste podczas zginania lub ściskania łatwiej poddają się odkształceniu niż gdy są szczelnie wypełnione węglem; wtedy wywarty na nie nacisk podczas odkształcenia łatwiej może wywołać pęknięcie.

Sprawa owych otworów pozostających po odwęgleniu nie b^ła dotąd również wyjaśniona; w leiznię odwęglonej (rys. 80) otworki owe nie są widoczne w obrazie mikroskopowym,— gdyby istniały, musiałyby się podczas polerowania, jakiemu podlega próba przeznaczona do badania, wypełnić materjałem użytym do polerowania, i na obrazie przedstawiałyby się jako plamy o takim kształcie jaki miały bryłki węgla przed utlenieniem. Tymczasem otworków takich nie widzimy, zaledwie widoczne" są rzadkie punkty. Stotz ¹²⁵) twierdzi na podstawie badań, że w leiznie odwęglonej otworków takich niema, gdyż ziarna ferrytu podczas procesu żarzenia zaciskają się i zgrzewają. Twierdzenie to uzasadnia objaw, że rozkład cementytu na ferryt i węgiel w ciągu żarzenia wywołuje zwiększenie objęlości odlewu, tak samo jak wydzielanie się grafitu w odlewie żeliwnym. Wobec tego zrozumiałą jest rzeczą, że to zwiększenie powoduje nietylko wzrost zewnętrznych wymiarów przedmiotu ale odbywa się także na koszt otworków w nim zawartych, które znikają.

W praktycznem wykonaniu proces wyrobu kujnej leizny odbywa się w następujący sposób: Odlane przedmioty układa się w naczyniach żelaznych w ziarnistym żelaziaku czerwonym z dodatkiem ciał obojętnych (ruda zużyta podczas poprzednich procesów, trudno topliwy żużel, piasek itp.) aby utlenianie nie

1_3

odbywało się zbyt szybko, ze szkodą dla jednolitości wyrobu. Następnie naczynia wypełnione w powyższy sposób poddaje się żarzeniu w temp. 750—1000°, — najkorzystniejsza ma być temperatura około 900°. Zelaziak doznając rozkładu wydziela tlen, który wnika w rozżarzone żelazo i spala wydzielony w niem węgiel.

Do wyrobu czarnej leizny używa się na obłożenie odlewów wyłącznie tylko ciał obojętnych.

Ru er i Jljin¹¹⁷) wykazali, że wydzielanie się węgla żarzenia z roztworu stałego między 1100 a 800° jest nieznaczne* poniżej zaś 800° wzrasta i jeszcze przy 400° daje się stwierdzić. Jednakże żarzenie leizny w tych wysokich temperaturach ma doniosłe znaczenie, bo materjał, który w powyższych granicach pozostawał dłuższy czas, wydziela następnie poniżej 800° łatwo węgiel, o ile zaś nie osiągnął przedtem tej temperatury albo w niej za krótko pozostawał, wydziela następnie skąpo węgiel żarzenia. Tłumaczą objaw powyższy tern, że między 1100 a 800° wytwarzają się zarodki krystalizacji, które, o ile jest ich dużo, powodują obfite wydzielanie się węgla.

Do wyrobu kujnej leizny używa się surowca białego* jednakże nie może to być jakikolwiek materjał, o właściwej surowcowi białemu dużej zawartości manganu a małej krzemu* ale ze względu na przebieg procesu i zamierzony wyrób, należy pod względem jego składu zachować pewne granice.

0,5    1,0    1,5    2,0 2,5

Zan> a r/ość * %

Rys. 82.

Zawartość węgla, który ma być ^ wydzielony w formie węgla żarzenia a następnie wyświeżony, nie powinna być zbyt wielka, aby proces za długo ^ nie trwał, dlatego jest pożądane, aby węgla nie było więcej niż 3°/₀.

K rzem jest jak wiemy czynnikiem zmniejszającym trwałość karbidu i ułatwiającym jego rozkład (powstawanie surowca szarego); tę samą rolę pełni on i w leiznie kujnej, i im większa jest jego zawartość, tem niższej potrzeba temperatury żarzenia, by się węgiel wydzielił. Wykres na rys. 82. (Charpy i Grenet²⁴) przedstawia przy jakiej tempera-

turze, w zależności od zawartości krzemu, zaczyna się w kujnej leiznie wydzielanie węgla.

Zawartość krzemu ułatwia także powstanie zwięzłych, wolnych od baniek gazów, a więc nie porowatych odlewów; jednakże nadmiar jego nie jest dopuszczalny, bo zamiast surowca białego mógłby się wytworzyć szary, grafityczny. Z tego powodu zawartość krzemu w takim surowcu nie powinna być niższa niż 0‘5°/₀ a nie wyższa niż l*2°/₀ (w odlewach cienkich).

Mangan jako czynnik zwiększający trwałość karbidu w żelazie utrudnia wydzielanie się węgla żarzenia a więc przedłuża trwanie procesu i może go uniemożliwić. Z tego powodu jego zawartość nie powinna przekraczać 0'4°/p.

Siarka jest czynnikiem w żelazie szkodliwym, zmniejszającym jego wytrzymałość w stanie rozgrzanym (zmniejszającym kujność), nadto, podobnie jak mangan, utrudnia ona rozkład karbidu a przy tern robi materjał gęstopłynnym; jest więc szczególnie szkodliwa w żelazie na odlewy bardzo cienkie, jakich się używa przy wyrobie kujnej leizny. Pożądane jest zatem, aby jej zawartość w żelazie nie przekraczała 0 05°/o.

Fosfor nie ma wpływu na proces wyrobu kujnej leizny, jako dodatek zwiększający płynność stopionego surowca, ułatwia odlewanie drobnych i cienkich przedmiotów; zawartość jego nie może być jednak duża, gdyż zwiększa on kruchość żelaza w stanie zimnym a więc obniża wartość użytkową wyrobów. Przyjmuje się więc jako maksymalną zawartość 0'2⁰/₀ fosforu.

0 b e r h o f f e r ⁹⁷) podaje następujący, najodpowiedniejszy skład chemiczny żelaza na leiznę kujną (w procentach):

Mangan Siarka Fosfor

Krzem

Węgieł

» cienkie

Do topienia żelaza przeznaczonego na kujną leiznę bywają stosowane różne piece: do małych ilości piece tyglowe, dające najlepszy ale drogi materjał, do większych płomienne zwykłe i martinowskie (gdy produkcja jest bardzo wielka)-Często używane piece kupolowe jako najtaniej pracujące, dają materjał gorszy, z powodu że żelazo stopione stykając się w piecu bezpośrednio z koksem, nawęgla się ponad po-

żądaną miarę i nasyca się siarką w koksie zawartą, a przytem utlenia. Stosują także przygotowywanie surowca w małych gruszkach Bessemera, aby zawartość węgla i manganu zmniejszyć i przez to skrócić czas żarzenia. Używa się do tego żelaza o większej zawartości koniecznego w tym procesie krzemu, który się spala; świeżenie trwa krócej niż na stal.

Piece do żarzenia bywają opalane węglem lub gazami. Na rys. 83 widzimy piec najprostszej budowy dawniejszej konstrukcji, urządzony „,||i do bezpośredniego ogrzewania leizny, fp| ułożonej w cylindrycznych na sobie ustawianych naczyniach. Płomień wytworzony z węgla spalanego na rusztach po obu stronach szeregu naczyń, okrąża je i przez otwory w dnie uchodzi do otworu kominowego a.

Długość żarzenia leizny zależy od '-01 wielkości naczyń i grubości przedmio- p³    Oj

tów. Cały proces trwa 7-10 dni; po roz- \0\ paleniu ogniska ogrzewa się zwolna pj piec, tak by w ciągu 24—36 godzin f —    —

osiągnął wymaganą temperaturę, którą utrzymuje się przez 4—6 dni na jednakowej wysokości, poczem przestaje się palić, około 5 dni chłodzi i dopiero wtedy wyjmuje naczyniazpieca.

Dobrze wykonana kuj na leizna ma wytrzymałość na rozerwanie 30 - 40 kg./mm², wydłużenie 3—6°/₀; materjał daje się giąć i jest w pewnym stopniu kujny. Podawane bywają przykłady gdzie wytrzymałość dochodziła do 60 kg./mm2 a wydłużenie do 10°/o i wyżej; są to wypadki wyjątkowe, w których odgrywał rolę osobliwy dobór składników i przebieg procesu*).

irksk-

l!

p-

|p-

O0

Rys. 83.

*) O kujnej leiznie wyszła obszerna praca Lebera⁸¹) w części teoretycznej mało przejrzysta i wybitnie kompilacyjna.

11. Żelazo kujne.

Nazwa pochodzi stąd, że materjały zaliczane do tego rodzaju żelaza posiadają znaczną plastyczność i pozwalają przerabiać się przez kucie; własności tej nie mają kruche surowce. Pod względem chemicznego składu różni się żelazo od surowca mniejszą o wiele zawartością węgla, a także innych domieszek, jest więc materjałem zbliżonym znacznie więcej do żelaza czystego, wskutek czego i jego własności są podobne, a z nich przedewszystkiem najważniejsza dla przeróbki, wspomniana już plastyczność czyli kujność.

Wyrób żelaza kujnego. Najdawniejsze metody polegały na wyrobie żelaza kujnego bezpośrednio z rud przez od-tlenienie ich zapomocą węgla. Używano do tego małych pie^ ców, w których rudę wyborowego rodzaju układano warstwami naprzemian z węglem drzewnym; wtłaczane powietrze rozżarzało węgiel, a ten, oddziały wuj ąc na rudę, odbierał jej tlen, pozostawiając czyste żelazo. Wynikiem procesu była gąbczasla bryła, którą przez kucie przerabiano na sztaby.

Dla otrzymania wyborowego materjału do wyrobu broni wykonywano w Indjach Wschodnich ten sam proces w tyglach, doprowadzając jednak wytworzoną stal do stopienia (str. 159).

Metoda bezpośrednia nie dawała się zastosować do wyrobu masowego z powodu małych rozmiarów pieców, okresowej i powolnej a bardzo kosztownej roboty, znacznych strat żelaza wskutek utlenienia i przejścia w żużel, a wreszcie konieczności stosowania bardzo czystej rudy i węgla drzewnego, aby wryrobiony materjał był zdatny do przeróbki kuźniczej.

Dziś wyrabia się żelazo tylko drogą pośrednią, wy-

twarzając najpierw z rudy surowiec, a z niego w odrębnym procesie — żelazo kujne.

Bezpośredni wyrób żelaza ma jednak tyle stron dodatnich i nęcących, że mimo olbrzymiego rozwoju metod pośrednich nieustannie objawiają się usiłowania, aby z takich samych rud jak w wielkim piecu, i z węgla kamiennego, odrazu wyrabiać żelazo kujne, i nie można uważać za rzecz niemożebną, że zostanie wreszcie wynaleziona metoda bezpośrednia, dająca się stosować do potrzeb wielkiego przemysłu.

Świeżenie. Żelazo kujne bywa wyrabiane z surowca przez usunięcie z niego większej części przymieszek, przedewszyst-kiem węgla, drogą utlenienia i wydalenia. Tym sposobem można usunąć domieszki utleniające się łatwiej niż żelazo, przymieszek więcej od żelaza odpornych na działanie tlenu nie można tą drogą wydalić. Proces utleniania zawartych w żelazie składników dla otrzymania żelaza kujnego nosi nazwę świeżenia*).

Przeprowadza się go na surowcu roztopionym przez doprowadzanie do niego tlenu czy to zawartego w powietrzu, czy też w połączeniach łatwo ulegających redukcji. Proces nie odbywa się jednak przez bezpośrednie utlenienie domieszek, ale pośrednio przez utlenienie najpierw żelaza, które przecho-dzi w żużel; zawarty w nim tlenek żelazowo-żelazowy (Fe? O*) oddaje swój tlen węglowi zawartemu w surowcu.

Wytwarzający się wskutek procesu tlenek węgla uchodzi i spala się. Inne przymieszki w. surowcu zawarte jak krzem i mangan, a w pewnych warunkach fosfor i (częściowo) siarka, tą samą drogą utleniają się i przechodzą w żużel.

Rozróżnia się zasadniczo dwie metody świeżenia;

(1) Świeżenie płynnego surowca przy stosunkowo niskiej temperaturze (ok. 1200°); w miarę obniżania zawartości węgla żelazo, stając się coraz trudniej topliwem — tężeje, wskutek czego gotowy wyrób znajduje się w stanie stałym. Jest to żelazo zgrzewane (spawane).

2. Świeżenie odbywa się przy tak wysokiej temperaturze (ok. 1700°), że wyśwdeżone żelazo pozostaje do końca

*) Jest to dosłowne tłumaczenie niemieckiej nazwy »Frischen<(, przyniesione do Polski, zapewne na Śląsk, przez robotników hutniczych, i oddawna w naszym języku hutniczym przyswojone.

procesu w stanie płynnym, i wypuszczone z pieca, dopiero po wlaniu w formy, tężeje w bloki. Jest to żelazo zlewne.

Sposoby wyrobu dają obu powyższym rodzajom żelaza kujnego tak odmienne właściwości i znamiona, że dla znajomości ich konieczne jest choćby ogólne poznanie różnych metod świeżenia.

Wyrób żelaza zgrzewanego. Otrzymuje się je dwiema

metodami:

0 Ogniskową czyli fryszęrską, już prawie zupełnie zarzuconą, lecz ze względu na zasadę procesu godną wspomnienia, i

0 P u d 1 a r s k ą, będącą również w zaniku, ale jeszcze w przemyśle stosowaną.

Metoda ogniskowa w wielkim przemyśle oddawna zarzucona, daje się spotkać jeszcze jako przemysł domowy w okolicach lesistych i mających czystą rudę; w przemyśle fa-

_____    ^ brycznym stosowana bywa (zresztą już

bardzo rzadko np. w Styrji) do wyrobu jy surowego materjału na wyborowe stale narzędziowe, otrzymywane metodą ty-g^wą.

Rys. 84.

Służy do tego piec (rys. 84) z kotliną wyłożoną płytami żelaznemi dla niedopuszczenia w procesie (zasadowym) krzemionki (kwaśnej) z wyprawy pieca; powyżej kotliny umieszczona jest dysza doprowadzająca z miechów powietrze, poprzednio ogrzane w przewodach wmurowanych w piecu. Kotlinę pieca wypełnia się węglem drzewnym, rozżarza go, i wkładając kawałki surowca, stapia je. Pod działaniem prądu powietrza krople stopionego żelaza utleniają się na powierzchni, dając, z innemi przymieszkami zawartemi w żelazie i z umyślnie dodanym żużlem z poprzednich procesów, — pfynny gorący żużel, który działa utleniająco na węgiel (Fe₃ 0₄ -f C = CO + 3 Fe O). Inne składniki zawarte w żelazie (krzem, mangan, fosfor) również w ten sposób dają się utlenić, przechodząc w żużel. W ten sposób powstaje żelazo kujne, które dla małej zawartości węgla wykrystalizowuje się na dnie pieca, tworząc bryłki, a te zebrane w bryły dostają się pod młot, przekuwający je w pręty.

Dzięki niskiej (stosunkowo) temperaturze i wielkiej za-wartości tlenku żelazawo - żelazowego (Fe₃ 0₄) w żużlu przez to silnie zasadowym, przechodzi utleniony fosfor w żużel.

Dalszym skutkiem niskiej temperatury jest, że wytworzony wskutek świeżenia tlenek żelazawy (Fe O) nie rozpuszcza się w żelazie; wskutek tego ten rodzaj żelaza, tak samo jak żelazo pudlarskie, w przeciwieństwie do żelaza zlewnego, nie może być nim zanieczyszczony, co, jak wiemy, źle wpływa na kujność żelaza i wymaga przy wyrobie żelaza zlewnego dodatkowego procesu odtlenienia, zwanego desoksydacją, w metodach wyrobu żelaza zgrzewanego niepotrzebnego. To jest dalszym powodem, że tą metodą można otrzymać bardzo dobry materiał; charakterystyką jego jest wielka ilość żużla, który wraz z ziarnami żelaza pozwala uformować w piecu surowe bryły a po przekuciu, choć częściowo wyciśnięty, przenika nawskróś wyrobione żelazo. Przedstawia się ono pod mikroskopem podobnie jak żelazo pudlarskie.

Z powodu, że do świeżenia zużywa się wielkie ilości drzewnego węgla, a ilość wyrobionego naraz materjału jest mała, a nadto wielka część żelaza przechodzi w żużel, jest żelazo tą metodą otrzymane materjałem bardzo drogim.

Metoda pudlarska²) wynaleziona przez Corta stosuje do wyrobu piec płomienny (rys. 85), w którym świeżone żelazo styka się z płomieniem i gorącemi gazami wytworzo-nemi na palenisku a; gazy przepływają nad topniskiem b gdzie się surowiec topi, a następnie uchodzą do komina przewodem c, ogrzewając czasami swem ciepłem kocioł parowy lub suszarnię formierni. Piec jest przykryty niskiem sklepieniem dla lepszego wyzyskania ciepła gazów. Topnisko zbudo-wane z żelaza, wyłożone jest trudno topliwym żużlem, zawierającym wiele tlenku żelazawo-żelazowego (Fe₃ 0₄). Przez drzwi (g) wkłada się do pieca materjały potrzebne do procesu t. j, surowiec w stanie stałym i żużel z pieców kuźniczych, omłotki kuźnicze i t. p. materjały bogate w wymieniony tlenek (Fe₃ 0₄). Zawarty w żużlu, a także w utlenionym podczas topienia surowcu tlenek utlenia zawarte w surowcu domieszki; przebieg świeżenia jest zresztą taki sam jak przy świeżeniu ogniskowem.

Stopiony surowiec przerabia się w piecu wsuniętemi przez otwór h żelaznemi mieszadłami (stąd angielska nazwa procesu); wskutek postępującego świeżenia zawartość węgla w żelazie zmniejsza się, przez co jego punkt topliwości podwyższa się, a ponieważ temperatura pieca nie przekraczająca 1300° nie pozwala utrzymać żelaza w płynnym stanie, zaczynają się

fi

nHH

V.

w,

-V

(k

Rys. 85.

tworzyć kryształy stężałego metalu, a ilość ich coraz bardziej się zwiększa. Robotnik zgarnia je i zbija w bryłki, które przez to zgrzewają się ze sobą³) w większe kawałki i formuje z nich większe bryły. Dla ujednostajnienia stopnia wyświeżenia podlegają bryły rozcinaniu, ponownemu formowaniu, i wreszcie, gdy proces został ukończony, robotnik wyjmuje je z pieca. Podczas formowania brył wiele płynnego żużla wycieka, jednak w}⁷jęte z pieca bryły zawierają go jeszcze dużo, i dopiero

przez przeróbkę pod młotami a następnie przez walcowanie wyciska go się w przeważnej ilości. Utworzone w ten sposób

szyny surowego żelaza pudlarskiego przerabia się na żelazo zdatne do

'■tM. ■    * - ‘    •, i

k    • i

dwu-

użytku przez J ub trzykrotne zgrzewanie ze sobą i wydłużanie zapomocą walcowania.

Rys. 86 (x 250).

Z przebiegu, procesu wynika, że żelazo pudlarskie utworzone jak żelazo fryszerskie przez zgrzewanie ze sobą ziarn żelaza otoczonych żużlem, zawierać musi, mimo energicznego wyciskania, resztki żużla, które przy kuciu i walcowaniu rozprzestrzeniają się, pozostając między pasmami żelaza i rozdzielając je w ten sposób. Rys. 86 i 87 przedstawiają w różnych

•n'

IJSfc

fi

Rys. 87 (x 90).

powiększeniach obrazy dwóch odrębnych okazów żelaza pudlarskiego, jeden przekrój w kierunku walcowania, drugi prostopadle do niego. Obrazy charakteryzuje zawartość żużla w postaci nieregularnie wykształconych i rozmieszczonych bryłek. Po wielkiej ilości i zupełnie nieregularnym kształcie zawartego żużla można żelazo zgrzewane odróżnić od zlewnego, w któ-rem jest żużla mało i w innej, znacznie regularniejszej postaci.

Ze szkodliwych przymieszek, znajdujących się w surowcu^

9*

fosfor w procesie świeżenia utlenia się i przechodzi w żużel, podobnie jak przy procesie ogniskowym, wskutek czego pozostaje w małych tylko ilościach w żelazie. Zasadowy żużel procesu pudlarskiego wiąże również część siarki; część siarki utlenia się na bezwodnik siarkawy i odpływa z gazami pie-cowemi, pewna jednak jej część pozostaje.

sza-

Skład surowca pudlarskiego (z gatunków białych lub rych) bywa następujący:

Węgiel 2.5—3.5₀.0 Krzem 0.3—1.5°/₀

0.3—0.6°/0 0.04—0.1°/₀

Mangan 2.0-3.0°/0 Fosfor

Siarka

Żelazo pudlarskie posiada średnio następujący skład: Węgiel 0.07—0.9°/0 Krzem 0.07-0.15°/0 Mangan 0.1—0.3%

Fosfor 0.01—0.12%

Siarka 0.006-0.03%

Wytrzymałość na rozciąganie tego żelaza, zależnie od zawartości węgla, wynosi według różnych norm przy dostawach 28—38 kg/mm² a wydłużenie 5-18%. Większa zawartość żużla obniża jego własności mechaniczne.

Ponieważ metodą pudlarską wyrabiać można naraz małe tylko ilości żelaza, a robota jest bardzo uciążliwa wskutek konieczności mieszania i przerabiania materjału w piecu, straciła i ta metoda znaczenie wobec różnych sposobów wyrobu stali zlewnej, wytwarzających większe bez porównania ilości żelaza; dziś wyrób żelaza pudlarskiego wynosi zaledwie mały ułamek światowej produkcji żelaza.

Żelazo pudlarskie, wyrabiane dziś w gatunkach bardzo miękkich, ma jeszcze zastosowanie w drobnym przemyśle, gdzie ze względu na jego lepszą zgrzewalność (wskutek zawartości żużla chroniącego żelazo od utlenienia, a rozpuszczającego wytworzony tlenek) chętniej go używaią, zresztą stosowane jeszcze bywa do wyrobu nitów, śrub, podków, drutu i na stal tyglową.

Oprócz wymienionych zalet tego żelaza, powodem dalszym, że bywa jeszcze używane, mimo lepszych pod względem wytrzymałości rodzajów żelaza zlewnego, jest jego większa odporność na uderzenie. Z powodu zawartości żużla, izolującego od siebie poszczególne pasma żelaza, pęknięcie jednego nie przenosi się działaniem karbu na drugie, sąsiednie, jak to się dzieje w żelazie zlewnem, gdzie wskutek jego jednolitości, pęknięcie w jednem miejscu ułatwia i powoduje pękanie całości. Doświadczenia Preussa ¹⁰⁹) wykonane dla zbadania tej sprawy, potwierdziły powyższe spostrzeżenie. Pręt z żelaza zgrzewanego zakarbowany złamął się dopiero po 2121 uderzeniach, gdy pręt z bardzo ciągliwego zlewnego żelaza pękł już po 1271 razach.

Wzrób żelaza zlewnego. Żelazo to wyrabiane bywa dwoma sposobami:

1.    Metodą na czyn i o w ą, w obrotowych naczyniach, zwanych k o n w ert eram i, a dla swego kszlałtu także grusz-k a m i; zapomocą powietrza przeciskanego przez płynny suro-wiec spala się zawarte w nim domieszki, wytwarzając równocześnie ich kosztem ciepło potrzebne do utrzymania w stanie płynnym wy św i eżonego (odwęglonego) żelaza.

2.    W piecach płomiennyc h, a więc na podobieństwo metody pudlarskiej, z tą jednak różnicą, że wskutek silnego ogrzania gorącemi bardzo gazami wyświeżone żelazo pozostaje w stanie płynnym. Ten sposób, mający różne odmiany, obejmujemy ogólną nazwą metody Siemen s-Marti n a.

Surowiec przeznaczony do świeżenia dowożony bywa w stanie płynnym y: wielkiego pieca albo wprost do pieca w stalowni albo, co jest lepiej ze względu na jednolitość ma-terjału i zawartość siarki, do mieszalnika (rozdz. 6), skąd w miarę potrzeby wylewa go się do kadzi i dowozi do miejsca świeżenia.

Metoda naczyniowa, wynaleziona w r. 1856 przez Henryka Bessemera, polega na usuwaniu przymieszek zawar-tych w surowcu przez utlenienie (spalenie) ich zapomocą po-wietrza przetłaczanego przez płynny surowiec. Spalające się przedewszystkiem (wskutek swej ilości) żelazo tworzy tlenki, działające utleniająco na domieszki, podobnie jak to widzieliśmy w metodzie pudlarskiej ³⁰), ¹⁰³)!: Wskutek zawartego w powietrzu azotu, który nie zmieniając się, przechodzi w olbrzymich ilościach nawskróś przez płynną masę, odbywa się nadzwyczaj szybkie i dokładne mieszanie płynnego materjału,

dlatego reakcje chemiczne przebiegają bardzo szybko, zwłaszcza że temperatura wciąż się podnosi. Proces naczyniowy różni się chemicznie także tern od pudlarskiego, że wskutek wyższej znacznie temperatury, przy której w płynnem żelazie rozpuszcza się tlenek żelazawy (Fe 0), powoduje on świeżenie (Fe 0 + C = Fe-j-CO); podobnie utleniają się inne składniki. Pozostała nadwyżka tlenku żelazawego zanieczyszcza żelazo, robiąc je krachem przy gorącej obróbce (podobnie jak siarka), dlatego po skończeniu świeżenia konieczny jest proces odtle-nienia (tz. desoksydacji), niepotrzebny w procesie pudlarskim, przy którym tlenek żelazawy nie rozpuszcza się w żelazie z powożą za niskiej temperatury.

Proces naczyniowy odbywa się bez doprowadzania ciepła z zewnątrz, dlatego zawarte w surowcu składniki muszą utleniając (spalając) się, wytworzyć tyle ciepła, by wyświeżone żelazo mimo swego wysokiego punktu topliwości nietylko pozostało płynne, ale było o tyle przegrzane, aby się dało wypuścić do kadzi odlewniczej a z niej przelać do form.

Do ciał ulegających spaleniu podczas świeżenia należą krzem, mangan, węgiel, fosfor i żelazo. Spalenie zawartości l°/₀ zawartych składników podnosi temperaturę żelaza w następujący sposób ('według Mathesiusa !l°): krzem o 232°, mangan o 65°, węgiel o 25°, fosfor o 175°,. żelazo o 49°. Wartości te odnoszą się do pewnych warunków, w jakich świeżenie się odbywa, i zmieniają się zależnie od stosowanej metody świeżenia, temperatury żelaza, dodatków (np. wapna), wyprawy pieca, zawartości pary wodnej w powietrzu i t. d. — z tego powodu bywają ich wysokości rozmaicie podawane.

Najkorzystniej pod względem wytworzonego ciepła przedstawia się spalanie krzemu i fosforu, i na tych przymieszkach opierają się metody naczyniowe: 1. Bessemera, zwana kwaśna, z powodu że do wyłożenia pieca służy wyprawa o własnościach kwasowych, a w procesie wytwarza się żużel kwaśny, i 2. Thomasa, zwana zasadową, ponieważ do wyłożenia pieca użyWa się wyprawy zasadowej, a wytworzony żużel ma własności zasadowe. Pierwsza metoda posługuje się krzemem jako paliwem, draga fosforem.

Do obu procesów używa się pieca (rys. 88) w kształcie naczynia zwężonego u góry (kształtu zbliżonego do gruszki, stąd nazwa gruszki Bessemera), zawieszonego w silnym stalowym pierścieniu obrotowo na czopach, z których jeden daje się poruszać motorem hydraulicznym zapomocą zazębionego drąga i koła, drugi jest pusty wewnątrz i połączony z prze-

-4-

/np4j |

-m-1

---0

MB

•ł

■\N

— -o- - - -n---ni

'I Ii    ' I *3

II -I TT7-

-O---Li/

--O--

Rys. 88.

wodem doprowadzającym powietrze (zimne) pod ciśnieniem do zbiornika umieszczonego pod spodem naczynia. Stamtąd dostaje się powietrze przez liczne otwory w dnie pieca do jego wnętrza, wypełnionego surowcem, i wywołuje świeżenie. Piec jest wyłożony (wymurowany) ogniotrwałe materjałem odpowiednim do procesu.

Metoda kwaśna zwana bessemerowską, gdyż Bessemer w tej postaci ją wprowadził, używa do świe-żenia surowca zawierającego wiele krzemu (do 2°/A który

stanowi tu materjał opałowy, nieco manganu a bardzo mało siarki i fosforu, gdyż żadnego z tych zanieczyszczeń nie można wydzielić w tym procesie. Ponieważ przez spalenie krzemu wytwarza się żużel kwaśny, piec wyłożony jest materjałem zawierającym głównie krzemionkę (Si 0₂), odpornym na działanie kwasów. W ciągu procesu trwającego do 20 minut spala się najpierw krzem, potem mangan, na końcu węgiel.

Metodą kwaśną można świeżyć tylko surowiec wolny od większej przymieszki fosforu, dlatego proces ten rozpowszechnił się w krajach posiadających wolne od fosforu rudy, szczególnie w Anglji i Ameryce, podczas gdy w środkowej Europie, gdzie są olbrzymie pokłady rud bogatych w fosfor, nie miał przez długie lata zastosowania. Powód był w tern, że konieczne dla dobroci żelaza usunięcie fosforu da się przeprowadzić przez dodatek do pieca wapna, które wiąże w żużel utleniony przez świeżenie fosfor (P₂ 0₅), tymczasem kwaśna wyprawa pieca, wchodząc w reakcję z wapnem, powoduje powrotne wydzielanie się fosforu z żużla, a nadto sama ulega zniszczeniu. Dopiero odkąd udało się T homasowi i G u h 1-christowi wynaleźć dla gruszki trwałą wyprawę zasadową, mogła się rozpowszechnić metoda druga.

Z powodu wyczerpania się rud ubogich w fosfor, metoda kwaśna już tylko rzadko bywa stosowana i jest w postępującym zaniku.

Metoda zasadowa zwana także metodą Th om asa, dziś szeroko rozpowszechniona, przerabia surowiec o wie I-kiej zawartośi fosforu (T7 — 2°/n), a małej krzemu. Fosfor służy tutaj jako materjał dający ciepło, spalając się na tlenek (P₂ 0₅), który następnie musi być przeprowadzony w żużel zapomocą dodanego w dużej ilości wapna. Dodatek ten musi być tak wielki, aby powstał czterozasadowy żużel (4 Ca O. P₂ 0₅), bo tylko wtedy fosfor może być utrzy-many w tym związku, przy słabszej zasadowości zaś żużel ulega rozkładowi pod działaniem żelaza, i fosfor przechodzi napowrót w związek z żelazem.

Zasadowy żużel wiąże również w pewnych wypadkach część siarki i usuwa ją w ten sposób z żelaza.

Przebieg procesu w metodzie Thomasa podobny na ogół do bessemerowskiego, tern się od niego różni, że w tamtym

zawarty w żelazie krzem, spalając się najpierw, szybko podnosi temperaturę żelaza do tej wysokości, przy jakiej spala się węgiel, i jaką musi mieć wyświeżone żelazo, przy procesie Thomasa natomiast fosfor spala się w większej ilości dopiero po usunięciu węgla, który go napowrót redukuje, temperatura żelaza wzrasta więc nie odrazu lecz w okresie końcowym; wtedy przy braku innych domieszek podlega żelazo działaniu tlenu, tak że równocześnie ze spalaniem reszty fosforu spala się wiele żelaza.

Po ukończeniu procesu świeżenia znajduje się w żelazie wiele tlenku (Fe O), i zawartość ta, jako bardzo szkodliwa w gotowym wyrobie, musi być usunięta, dlatego stosuje się po świeżeniu proces odtleniania (desoksydacji), wrzu-cając w kawałkach lub wlewając w sianie stopionym żelazo o dużej zawartości manganu (np. surowiec zwierciadlisty albo żelazo-mangan), który, odbierając żelazu tlen, redukuje je (Fe O -j- Mn = Mn O -|- F), a sam tworzy żużel wypły wający z ptynnego żelaza.

Do tego samego celu stosują niekiedy krzem (jako że-lazo-krżem) i glin, ciała te działają jednak mniej korzystnie niż mangan; krzem, łącząc się najpierw z żelazem (Fe Si), daje związek, który bardzo źle dyfunduje w żelazie, następnie dopiero przechodzi w krzemionkę (Si 0₂), przez co proces odtleniania odbywa sie wolno, natomiast łatwo dyfundujący glin utlenia się na tlenek (Al₂ 0₃) nietopliwy w panującej temperaturze, i wskutek tego pozostający w postaci proszku nie wydalającego się z żelaza (rys. 58). Tymczasem mangan, dy-fundując bardzo szybko w całej masie, redukuje tlenek żelazawy i, tworząc żużlówaty płyn (Mn (3), wydobywa się w postaci kropelek na powierzchnię żelaza. O ile cząstki te nie zdążą wypłynąć przed stężeniem żelaza, pozostają w niem w postaci kropelek (rys. 89), które przy walcowaniu przekształcają się w smugi (rys. 90), wskutek swego jednolitego kształtu łatwe do odróżnienia od żużla w żelazie pudlaiskiem (rys. 86 i 87).

Ze względu na wymagana zawartość węgla w gotowym wyrobie, postępuje się w ten sposób, że żelazo yyyświeża się zupełnie, usuwając z niego węgiel, a następnie, stosownie do wymaganej zawartości, dodaje go się w postaci sproszkowanej (węgiel drzewny, retortowy, koks) lub wprowadza się go w żelazie o znacznej zawartości węgla, jak surowiec zwierciadlisty

■Tl?

r*.

frfŁ. \

Rys. 89 (x 250).

który równocześnie dostarcza manganu potrzebnego do deso-ksydacji.

Gotowe żelazo wyrobione metodą kwaśną nie jest pod

*>•

■m

,y : ''fi ’

'tm-d

jśmBi

Rys. 90 (x 200).

względem mechanicznych własności równe wyrobowi metody zasadowej, ponieważ nieuniknione choć małe zawartości fosforu w surowcu bessemerowskim muszą pozostać w gotowym wyrobie.

Skład surowca używanego w metodach naczyniowych bywa następujący:

3-4%

0.6-2%

0.5—2°/0 0.06—0.08°/0 0.01—0.5°/o

Surowiec bessemerowski: Węgiel Krzem Mangan Fosfor Siarka

Surowiec thomasowski: 28—3.8°/0 0.2—0.8°/0 1.0 —1.5°/0 1.7—2 °/0 0.04-0.15°/o

Żelazo otrzymane obiema metodami ma średnio następujący skład:

Węgiel 0.12-0.6% Krzem Mangan 0.35—1% Fosfor 0.06—0.08% Siarka 0.01—0.05%

0.08-0.5%

0.1-0.5%

0.01—0.03°/0 0.5-1 %

0.05—0.06% 0.02—0.035%

Świeżenie w piecach płomiennych metodą Siemens-Martina. Proces odbywa się w piecu płomiennym o tak wysokiej temperaturze, by nawet zupełnie odwęglone żelaza znajdowało się w stanie płynnym, było przytem dostatecznie przegrzane, aby je można było wypuścić do kadzi, i przewiózłszy do hali odlewnianej, wylać do form, w których tężeje. Opalanie zwykłem paliwem, wystarczające w piecach pudlarskich, nie daje tak wysokiej temperatury, dlatego metoda ta, której wynalazcą był Piotr Martin, dała się praktycznie urzeczywistnić dopiero przez zastosowanie do niej sposobu ogrzewania S i e m e n s a, skąd pochodzi jej ogólna nazwa.

Ogrzewanie pieców odbywa się najczęściej zapomocą gazów generatorowych, wytworzonych w piecach, zwanych generatorami, w których powietrze, przepływając przez wysoka warstwę paliwa i spotykając węgiel w nadmiarze, spala go przeważnie na tlenek węgla, będący głównym palnym składnikiem gazu; ponadto znajduje się w nim wodór (z pary wodnej) i nieco węglowodorów (głównie metan) jako produkty destylacji węgla. W gazie znajdują się także niepalne składniki jak azot i bezwodnik węglowy.

Zamiast gazu generatorowego wchodzi coraz więcej w użycie stosowanie gazów z wielkich pieców i gazów koksowych; stosują też paliwo płynne, wytworzone z ropy, naftowej i węgla kamiennego.

Palne gazy i powietrze potrzebne do ich spalenia bywają przedtem ogrzewane w przyrządach zwanych regene r a-torami. Pod piecem płomiennym, w którym odbywa się świeżenie, znajdują się 4 komory wymurowane cegłami ogniotrwa-łemi, którym krążące przez nie gorące gazy oddają swoje ciepło, a zimne gazy i powietrze odbierają je. Gorące gazy spalenia wytworzone nad topniskiem pieca dostają się do dwóch komór i ogrzewają je. Skoro komory rozgrzeją się, przestawia się odpowiednie wentyle i wpuszcza gorące gazy do drugiej pary komór, w komory ogrzane wprowadza natomiast gazy z generatora (lub inne) i powietrze, skąd ogrzane dochodzą ponad topnisko pieca; tam mieszają się, zapalają, wytwarzając wysoką temperaturę, i po oddaniu części swego ciephTświeżonemu żelazu, uchodzą jeszcze bardzo gorące do regeneratorów. W ten sposób osiąga się wysoką temperaturę, jakiej wymaga proces martinowski, i wyzyskuje ciepło wytworzone z paliwa.

Piec Martina przedstawia rys 91; topnisko jest lekko wgłębione i pochylone w kierunku spustu. Pod warstwą ogniotrwałą a znajdują się płyty żelazne b, wsparte na dźwigarach; pod niemi krąży powietrze, chłodząc topnisko od spodu. Regeneratory do ogrzewania gazu (e) i powietrza (f) komunikują się przewodami c i d z topniskiem, tak że gazy dopływają niżej, powietrze wyżej, i mieszanie ich ze sobą oraz zapalanie odbywa się tuż nad powierzchnią świeżonego żelaza. Przez otwory zamykane pionowemi zasuwami, umieszczone po przeciwległej stronie spustu (g), wkłada się surowy materjał stały, przez otwór po stronie spustu (na rysunku nie uwidoczniony) wlewa materjał płynny.

Przebieg procesu jest podobny, jak w metodach naczyniowych, a więc może być kwaśny i zasadowy z odpo-wiednią wyprawą pieca, różni się jednak od niego następują-cemi szczegółami:

Proces trwa o wiele dłużej z powodu znacznie mniejszych ilości działającego równocześnie tlenu i mniejszej powierzchni

zetknięcia z surowcem. Utleniającym czynnikiem są gazy palne, a więc zawarty w nich bezwodnik węglowy (C0₂) i para wodna (H₂0), dysocjujące się w panującej temperaturze, oraz wolny tlen z powietrza mieszającego się z gazami nad topniskiem.

Ponadtodziałają utleniająco składniki dodane z żelazem jako rdza na odpadkach żelaza miękkiego, przerabianych tu w wielkich ilościach, i umyślnie dodawana czysta ruda.

m§m

Jlil

21

'JU

II

lit

Z powodu powolności procesu o wiele wydatniejsza jest rola żużla, który, zawierając duże ilości tlenku żelaza (w procesie zasadowym), działa bardzo energicznie, powodując wydalenie fosforu przy współdziałaniu dodanego wapna. Wczesne wytwarzanie się i długość oddziaływania takiego żużla pozwala usunąć fosfor w mierze znaczniejszej przed spaleniem węgla, a więc odmiennie niż w procesie Thomasa; można więc metodą martinowską wytworzyć żelazo o mniejszej zawartości tego niepożądanego zanieczyszczenia.

■HI

Rys. 91.

'■>

a:

r.

\>--j

ss

kV\\V-

m

W-

it

li

mm

%■-

nr

IT_Tr®S

Metodą kwaśną nie można fosforu usunąć, podobnie jak w procesie bessemerowskim.

Zawartość siarki może się zwiększyć w piecu marti-nowskim, z powodu że gazy ogrzewające zawierają zwykle związki siarki (S0₂, S0₃, H₂ S); gdy w żelazie jest mangan, może być część jej napowrót wydzielona na tej samej zasadzie jak w mieszalniku, zwłaszcza w obecności równoczesnej wapna (w procesie zasadowym). Usuwanie siarki zależy od różnych czynników działających współcześnie, dlatego nie jest pewne i należy wobec tego stosować surowiec mało jej zawierający.

Po skończeniu procesu świeżenia konieczna jest desoksy-dacja żelaza dla usunięcia tlenku (Fe 0); ma ona ten sam przebieg jak w procesach naczyniowych.

Metodą martinowska bywa wykonywana w dwóch odmianach głównych:

1.    Przy zastosowaniu starego żelaza i su-rowca. Do pieca wkłada się surowiec (15—35%), oraz przy procesie zasadowym wapno, potrzebne dla usunięcia fosforu, a następnie stare żelazo kujne (85—65%). W krótkim czasie żelazo stapia się i powstaje mieszanina o stosunkowo małej zawartości przymieszek, które mają być przez świeżenie usunięte. Pod utleńiającem działaniem gazów, oraz rdzy pokrywającej zawsze stare żelazo, wytwarza się żużel o własnościach utleniających, wskutek czego zawarły w żelazie krzem i mangan przechodzą w żużel, węgiel zaś uchodzi jako tlenek. Żelazo wyświeżone bada się, odlewając próbkę w małą formę, przekuwając ją, hartując i łamiąc; skoro proces świeżenia został ukończony, poddaje się żelazo desoksydacji zapomocą surowca zwierciadlistego lub żelazo - manganu, i wypuszcza z pieca. Przy małej zawartości fosforu w żelazie stosuje się proces kwaśny (kwaśna wyprawa pieca), przy większej zasadowy (wyprawa zasadowa). Ta ostatnia metoda jest znacznie częściej stosowana, z powodu że fosfor jest prawie zawsze zawarty w żelazie w ilości za wielkiej.

2.    Przy zastosowaniu surowca i rudy. Do pieca wkłada się możliwie czystą rudę (żelaziak magnetyczny lub czerwony) w ilości 18—25%, resztę płynnego surowca, a przy procesie zasadowym, jaki tu prawie wyłącznie się stosuje,

wapno dla usunięcia fosforu. Bywa także dodawane stare że-lazo dla regulowania składu chemicznego.

Gdy w surowcu i rudzie jest dużo fosloru, powstaje podczas procesu wiele żużla, i przy pewnych zmianach zachodzących w czasie procesu odbywa się nieraz powrotna redukcja utlenionego fosforu, przechodzącego napowrót w żelazo. By temu zapobiec, należy przed ukończeniem procesu wypuścić żużel z pieca i dopiero wtedy dokończyć procesu. Z tego powodu powstały różne odmiany powyższej metody.

Żelazo z pieca Martina może być wykonane o dowolnej zawartości węgla aż do najmiększych rodzajów, a oczyszczenie z domieszek, zwłaszcza przy metodzie zasadowej, bywa bardzo daleko posunięte (0.03⁰/o fosforu); wskutek tego materjał ten należy do najlepszych rodzajów żelaza kujnego i używany bywa często do różnych celów zamiast żelaza rafinowanego, także w postaci stopów (np. z niklem). Bardzo dobry wyrób metody martinowskiej, górujący nad żelazem z metody naczyniowej, większa swoboda w doborze surowca oraz mniejsza strata żelaza, dają przewagę procesowi martinowskiemu nad innemi.

Skład surowca martinowskiego bywa rozmaity ze względu na możność stosowania do jego wyrobu zarówno metody kwaśnej jak zasadowej. Zawartość przymieszek wynosi średnio:

3—4°/0 0.5—2°/o

Węgiel Krzem

Mangan 1.5—4.5°/0 Fosfor 0.07—0.3°/o Siarka 0.03—0.09°

Żelazo martinowskie w obu wykonanych rodzajach (metodą kwaśną lub zasadową) i różnych wyrobach (blachy, wal-cówki, drut i t. d.) zawiera średnio:

0.0p-0.7°l₀

0.01—0.25°/

/0

Węgla Krzemu

0.03—0.05°/o 0.03 —0.05°/₀

Manganu 0.3—1°/0 Fosforu Siarki

Wytrzymałość żelaza zlewnego zależy przedewszystkiem od zawartości węgla; wpływają na nią, jak wiadomo, Jakże inne składniki żelaza, a nadto błędy czy niedokładności wyrobu, jak zawartość żużla, gazów, tlenku i t. d.

Wytrzymałość na rozciąganie żelaza zlewnego bardzo miękkiego, wykonanego w sposób normalny w piecu marti-nowskim wynosi 35—40 kg/mm² przy wydłużeniu 28—32%; wytrzymałość żelaza o wysokich zawartościach węgla dochodzi 100 kg/mm², a nawet przekracza tę liczbę, — wydłużenie wynosi 5 —10%, a nawet jeszcze mniej. Gatunki średnio twarde mają liczby wytrzymałości pośrednie. ⁸⁸)

fl

//

7/

O. N

'e motorowym iu, i przewozi do hali odlewnianej dla wlania żelaza w formy. By uniknąć rozlewania żelaza przy tej czynności, nie przechyla się kadzi, ale wypuszcza żelazo otworem w dnie (rys. 93), zamkniętym ruchomą za-tyczką.

Odlewanie żelaza zlewnego w bloki. Żelazo z pieców naczyniowych lub martinowskich, jeżęli ma być przerabiane kuźniczo (przez walcowanie, kucie i t. p.), musi być wlane w odpowiedniego kształtu formy, w których zastyga w bloki. Formy te, zwane kokilami (rys. 92), wykonane są z żelaza lanego lub ze stali, ściany ich są grube, aby żelazo szybko zastygało wskutek odprowadzenia ciepła. U góry mają uszy, czopy lub otwory do podnoszenia. Przekrój form jest albo kwadra-towv (na dźwigary i kształtówki) lub pro-stokątny Jjna blachy), rzadziej okrągły albo sześcioboczny (na przedmioty kute). Kokile są z obu stron otwarte, a ku dołowi lekko się rozszerzają, aby po stę-żeniu żelaza łatwo je było zdjąć z bloka. Wyświeżone żelazo wypuszcza się pieca do wymurowanej ogniotrwałe ka-ń, umieszczonej na

na

Rys. 92.

Zamiast bezpośredniego wlewania żelaza w górny otwór form, stosuje się także napełnianie ich od dołu (rys. 94) za pośrednictwem wspólnego wlewu i kanałów rozprowadzających #metal spodem do poszczególnych form. Odlewanie takie, używane przy formach mniejszych, zapobiega rozpryskiwaniu się żelaza, jakie zachodzi, gdy jego strumień spada z góry na spód formy; tworzące się przy rozpryskiwaniu kropelki

tT¹

_ j:

-=u.

¹

Materjał ten nazywany bywa często żelazem »kutolanem<(; nazwa ta jest dziwolągiem językowym, utworzonym nielogicznie, bo określa materjał (gotowy przedmiot) wykonany przez odlewanie a więc »lany« a wcale nie »kuty«, mający tylko własności materjału kutego, zatem »kujny« (kowalny) a nie »kuty«. Nazwa »kutolany« jest więc absurdem i językowym i logicznym.

²

Nazwa pochodzi od ang. wyrazu p u d d 1 e: mieszać, przerabiać.

Żelazo

³

Stąd nazwa żelaza zgrzewanego.

Ip-_-

_jcL

Rys. 93.

jSl

żelaza pokrywają się tlenkiem i wprowadzają go do żelaza. Napełnienie fornty od dołu powoduje także usuwanie baniek wydzielonych gazów, osiadających na ścianach formy; wciąż z dołu dopływające żelazo, ^znosząc się do góry, ma bańki strącać i przez to ułatwiać im wypłynięcie z metalu. Ujemną stroną takiego odlewania jest większy koszt z powodu osobnego wlewu i doprowadzających przewodów, wykonanych z ogniotrwałego materjału, a służących tylko na jeden odlew; występuje tu także strata żelaza, które po odlaniu bloków zastyga w przewodach i wlewie.

Sposób ten stosują przy wyrobie żelaza w gatunkach wyborowych.

Rys. 94.

Zmiany i wady w blokach żelaza zlewnego. Odlany blok podlega w czasie stygnięcia zmianom, mogącym niekorzystnie wpłynąć na dobroć materjału. Są one następujące:

1. Płynne żelazo, zastygając, zmniejsza bardzo znacznie swą objętość; skurcz odlewu od stanu płynnego do zupełnego ostygnięcia wynosi według Heyna ⁶²) linijnie około 1.8°/n objętościowo, — średnio 5.4°/₀. Gdyby stygnięcie żelaza odbywało się równomiernie, to po jego ukończeniu objętość bloka byłaby około 5.4°/₀ mniejsza niż zaraz po wlaniu. Tak się iednak nie dzieje, gdyż od zimnych ścian żelaznej kokili po-

10

Żelazo.

wierzchnia odlewu szybko stygnie i, mimo ciepła od wewnątrz dopływającego, tężeje. W tak stężałej, cienkiej skorupie zamknięty płynny metal, ostygając, kurczy się, i nie mogąc zapełnić przestrzeni zawartej w obrębie najpierw stężałych ścian, pozostawia pustą przestrzeń tz. j am ę o d 1 e wnicz ą (blokową). Im metal miał wyższą temperaturę t. j. im więcej był przegrzany, im szybciej odbyło się zastygnięcie jego zewnętrznej warstwy i im większa była objętość metalu, tern większa jest objętość utworzonej jamy, — im powyższe czynniki miały wartość mniejszą, tern jama będzie mniejsza; z tego powodu nie można liczebnie ściśle określić jej wielkości. W bardzo sprzyjających warunkach może się ona wcale nie wytworzyć, w najbardziej niekorzystnych wynosić może ponad 5°/o objętości płynnego metalu.

Rys. 95.

Z powodu że boczne ściany i spód blok a będą stawały się coraz grubsze w miarę tężenia, a części jeszcze płynne, jako gatunkowo lżejsze, będą się wznosiły do góry i tam najpóźniej tężały, utworzy się jama w górnej części odlewu, poniżej górnej skorupy najpierw stężałego żelaza, i będzie miała kształt lej ka^ Rys. 95 przedstawia przekrój bloka z widoczną w górnej części jamą kształtu najwięcej typowego.

Jama bywa zupełnie zamknięta w bloku, a wtedy jej ściany mają powierzchnię metalicznie czystą, częściej jednak skorupa ograniczająca ją od góry załamuje się pod ciśnieniem powietrza, które, dostając się do środka jamy, oksyduje jej powierzchnię i utrudnia, a często uniemożliwia późniejsze złączenie się jej ścian (zgrzanie) w czasie mechanicznej przeróbki.

Część bloka, w której znajduje się jama, jest do użytku niezdatna z powodu nagromadzenia się w niej szkodliwych

przymieszek, żużla i porowatości, o czem będzie mowa poniżej, a także dlatego, że swobodnie krystalizujące się ziarna na ścianach jamy tworzą powierzchnię nierówną, łatwo pękającą (przez działanie karbu) i podczas przeróbki tylko wyjątkowo pozwalającą się zgrzać równomiernie, a to przy wysokiej temperaturze i czystości metalicznej powierzchni jamy. Z tych powodów część bloka, zawierająca jamę, jest do użytku niezdatna i powinna być odcięta; stanowi to ¹/₅—¹/₃ bloka, czasami jeszcze więcej, zależnie od temperatury, szybkości stygnięcia, składu żelaza i innych warunków, których działaniemo-że sobie przeciwdziałać lub sumować się.

W*

aHi *

pga

Rys. 96.

2. Stygnące żelazo wj^iękppchło-niętę i rozpuszczone w czasie świeżenia gazy, głównie wodór, wytworzony z pary, wodnej, zawartej w powietrzu i gazach do świeżenia użytych, azot z powietrza i tlenek węgla.

Wydzielone gazy wznoszą się ku górze i zatrzymują na powierzchni stężałych ścian jamy,a także gromadzą się pod górna skorupą

bloka. Blok jest więc porowaty, jak to widać na rys. 96, przedstawiającym ćwiartkę przekroju. O ile bańki gazów są drobne i nielicznego podczas walcowania przy wysokiej temperaturze i ciśnieniu mogą się rozpuścić w żelazie, a przestrzenie po nich złączyć (zgrzać)m), większe i liczniejsze wydłużają się tylko, zmniejszając wytrzymałość materjału, a niekiedy wywołując zmiany struktury. Im bardziej żelazo było przegrzane przed odlewaniem i dokładniej wyświeżone, tern większą ma zdolność pochłaniania gazów i tem więcej może ich wydzielić, stygnąc. Napełnianie formy od dołu ma, iak wiemy, zmniejszać zawartość gazów w bloku.

3. Żużel powstający wskutek desoksydacjj, który nie zdą-

10*

— 148

żył wydobyć się wcześniej na powierzchnię, pozostaje w postaci kropli w bloku stężałym, a zwłaszcza gromadzi się w miejscach na ostatku tężejących, osłabiając przez to terjał.

ma-

4. Składniki zawarte w żelazie są w niem w różnym stopniu rozpuszczalne i w miarę stygnięcia częściowo się

wydzielają; wsku-

o, *    •    .......... .

Mek tego pozostaje w części stężałej pewna zawartość przymieszek w stosunku, w jakim każda z nich jest rozpuszczalna w żelazie. Rys. 97 ⁶²) przedstawia graficznie wyniki analizy chemicznej blo-ka żelaza marti-

Oy 0 9

rvęj£

O"5    03    O'? 0 006    970    094    032    026

■j

nowskiego, celem wykazania zawartości węgla, manganu, fosforu i siarki. Analizy były robione przez branie prób w odstępach co 15 cm; w takich odstępach oznaczone na rysunku na poziomych linjach zawartości poszczególnych składników połączone są linjami, przez co powstał wykres ich zmian. Widzimy, że w górnej części bloka, gdzie się tworzy jama, były największe zawartości. Następująca tabelka uwidocznia te zmiany w procentach:

węgiel    mangan    siarka    fosfor

0-52    0-061    0052

0-70    0-267    0-197

Rys. 97.

Składnik:

Zawartość średnia w %

Zawartość największa w %

Stosunek średniej zawartości do największej

Z zawartych składników są krzem i mangan najmniej skłonne do wydzieleń, węgiel więcej, znacznie od niego większą do tego skłonność posiada fosfor, naj większą zaś siarka. W powstawaniu wydzieleń główną rolę odgrywa zdolność dyfuzyjna składników, im ona jest mniejsza np. u siarki, tern trudniejsze jest wyrównanie zawartości w czasie stygnięcia bloka w formie,

0-38

0-95

100

100

100

100

250

135

437

379

i tern większa ich różnica w różnych jego częściach. Ta trudność dyfuzji sprawia, że w blokach wielkich jest różnica wydzieleń znacznie większa niż w małych; gdy np. w bloku o powierzchni przekroju 50 cm² różnica wydzieleń sjarki nie dochodziła 150°/₀, w bloku o przekroju 200 cm2 wynosiła 500°/o.

i..

■

ite. .

'.-y*

W części bloka tężejącej najpóźniej znajduje się największa ilość domieszek, z których

SliM

W'

dość i kruchość żelaza,

Rys. 98.

a siarka i fosfor w spo-sób znany obniżają jego odporność w różnych warunkach. Wielka zawartość fosforu i siarki w okolicy jamy wytłumaczona jest powstawaniem stopów eutektycznych tych składników z żelazem i węglem, które, mając punkt topliwości

poniżej 1000°, znajdować się ł) muszą w żelazie najpóźniej lijiy    iKiB tężej ącem t. j. najzimniej-

szein, a ten warunek zachodzi właśnie w okolicy jamy blo-aBSkj' ■    ,    ż*’; | kowej.

Zapomocą metalograficznego badania uwidocznić można zawartość przymieszek, które, zwłaszcza fosfor, żabarwiają ciemno badaną powierzchnię. Rys. 98 przedstawia przekrój czwartej części bloka z okolicy bliskiej jamy; widzimy tam warstwę zewnętrzną cz}rstego materjału, otaczającą ośrodek porowaty i bogaty w fosfor.

W wyrobionym z takiego bloka przez walcowanie lub kucie przedmiocie znajdować się będą w środku wadliwe

■y

=§jg

Rys. 99.

części, jak to „widać na rys. 99, przedstawiającym blachę kotłową, na rys. 100 z obrazem walcówki i na dźwigarze rys. 101.

- - -----

■

Rys. 100.

Żelazo wyrobione z części zawierającej liczne wydzielenia, okazuje małą odporność na uderzenie, przy spokojnem obciążeniu wpływ wydzielania jest mniej wydatny.

Ilość wydzieleń zależna jest także od zawartości mechanicznej gazów, w postaci baniek, tworzących pory w bloku; utrudniająonebowiem dyfuzję składników, a tern samem wywołują zwiększenie różnicy wydzieleń. W blokach o większej zawartości węgla największe wydzielenia występują w okolicy jamy, natomiast w blokach żelaza miękkiego, gdzie silniej występujące gazy powodują większą porowatość w całym bloku,wydzielenia są rozdzielone na całą długość wnętrza bloka.

*****?».

Rys. 101.

Zachodzące w praktyce uszkodzenia wyrobów z żelaza zlewnego, o ile mają swe źródło w wadliwości materja-łu a nie przeróbki, odnieść można najczęściej do zastosowania wadliwej części bloka przy wyrobie.

Chcąc tego uniknąć, należy część bloka (*/₅ do ¹/₃, czasem więcej) odciąć, co przedstawia wielką stratę, bo odcięta część nadaje się tylko do stopienia w piecu martinowskim, — albo też, przez stosowne postępowanie nie dopuścić do powstania

1. Unikając daleko idącego wyświeżenia składników (co jednak nie jest zgodne z celem tego procesu) i zbytniego przegrzania żelaza, można tym sposobem zmniejszyć jego zdolność do rozpuszczania gazów. Przeprowadzając należycie proces desoksydacji, usuwa się tlenek żelaza, mający znaczenie nietylko jako przymieszka, powodująca kruchość żelaza w stanie rozżarzenia, ale także jako czynnik wytwarzający gazy (tlenek węgla wskutek redukcji tlenku żelaza wobec węgla). Desoksydację przeprowadza się, jak wiemy, zapomocą manganu dodanego do metalu, będącego jeszcze w piecu. Aby zapobiec wydzielaniu się gazów w stygnącem żelazie, dodaje się krzemu w czasie wypuszczania żelaza z pieca do kadzi; żelazo z jego dodatkiem wytwarza odlewy gęste, wolne od baniek gazów. Podobnie wpływa także dodatek glinu. Działanie obu powyższych dodatków nie jest dotychczas zadowalająco wyjaśnione; zdaje się, że przyspiesza ono tężenie żelaza i nie dopuszcza wydzielania się gazów, podwyższając ich rozpuszczalność w żelazie. Oba dodatki zwiększają kruchość żelaza, dlatego należy je stosować ostrożnie.

w bloku wymienionych wad. Należy więc starać się o wydzielenie żużla z żelaza, zapobiec wydobywaniu się i zatrzymywaniu baniek gazów, zmniejszyć jamę, zupełnie ją usunąć lub przynajmniej przesunąć jak najwięcej doszczytu bloka, a wreszcie zmniejszyć wydzielenia przymieszek. Sposoby te mogą być następujące:

Dobrym środkiem do tego samego celu okazał się tytan (jako żelazo-tytan), który nadto ma się łączyć z azotem rozpuszczonym w żelazie i usuwać go; z tego powodu dodatek ten znalazł zastosowanie przy wyrobie szyn kolejowych. Co do korzystnego wpływu tytanu zdania są jednak podzielone.

Do zmiejszenia zawartości gazów w żelazie przyczynia się także odlewanie bloków z dołu, gdyż jak już była mowa, ma ono usuwać mechanicznie gazy osiadające wewnątrz na stężałych ścianach bloka.

Gazy, jak wiadomo, dostać się mogą albo do jamy, zwiększając ją, albo wydzielić się w bańkach na przestrzeni całego bloka, — wtedy jama będzie mniejsza. Żelazo o małej zawartości węgla, jako więcej gęstopłynne, daje częściej bloki porowate (rys. 96) o mniejszej jamie, żelazo twardsze (stal), bardziej rzadkopłynne, objawia mniejszą skłonność do ogólnej porowatości, natomiast wytwarza większą jamę. Rys. 102 przedstawia schematycznie przekroje bloków obu rodzajów żelaza: po lewej stronie blok stalowy, o dużej zawartości węgla, po prawej blok żelaza miękkiego.

2. Aby ze stygnącego bloka usunąć jamę, bańki gazów i żużel, stosują sposób znany w odlewnictwie stali, t. j. nad-lewk i. Na kokilę wkłada się formę ogniotrwałą (rys. 103) i obie wypełnia żelazem. Ponieważ nałożona forma jest znacznie gorszym przewodnikiem ciepła niż żelazna kokila, tężeje na-

j, ■ s ,y.l: 'if/t i t'ft    v

....

'/-' ■!'{>..'.v•//•'</

i .............

=c

=c

ZL

HZ

Rys. 102.

Rys. 103.

pełniający ją metal wolniej i dopiero wtedy, gdy dolna część odlewu (blok) już zastygła; przez to zarówno żużel jak gazy, a także silniej wydzielone składniki (siarka i fosfor) zbierają się w nadlewku; tu także powstaje jama, stosunkowo mniejsza, dzięki powolnemu tężeniu, materjał bloka zaś jest przez to zupełnie jednolity. Sposób ten ma jednak tę wadę, że nadlewek musi być odcięty, ponosi się więc dużą stratę materjału i wydatek na kosztowne odcinanie nadlewka.

3. Aby wydobywające się z żelaza gazy tudzież kropelki żużla powstającego przy desoksydacji mogły wypłynąć na powierzchnię i nie zatrzymał} się w żelazie wskutek za wczesnego stężenia metalu, stosuje się inny środek ulepszający: utrzymywanie powierzchni żelaza jak najdłużej w stanie płynnym; proces ten zapobiega tworzeniu się jamy w bloku.

Rys. 104 przedstawia schematycznie sposób ogrzewania bloka sposobem Riemera: na kokilę A, napełnioną żelazem, nałożony jest ogniotrwały pierścień R, a na to kaptur C, do którego z boku wchodzi przewód doprowadzający mieszaninę powietrza z gazem generatorowym; mieszanina ta, spalając się, utrzymuje wierzchnią część bloka w stanie płyn-nym. Ogrzewanie trwa tak długo, || pokąd żelazo nie stężeje w bloku.

v4

V,

Rys. 104.

Sposób powyższy ma tę wadę, że wskutek powolnego tężenia gromadzą się w górnej części bloka wy-dzielone składniki, obniżając dobroć żelaza, usuwa się nim jednak gazy i żużel oraz w znacznej części jamę.

Dla oddzielenia materjału, zawierającego szkodliwe składniki i jamę (o ile powstała), należy odciąć około ¹/₁₀ część bloka, zyskuje się więc w ten sposób wiele żelaza.

Do tego samego sposobu polepszenia materjału należy zaliczyć postępowanie ter mitów e. Termit jest to mieszanina drobnoziarnistego gbnu^^Jlenkiem żelazowym, która po zapaleniu daje bardzo szybką reakcję (Fe₂ O₃ -|- 2 Al = 2 Fe -f- Al₂ 0₃) exotermiczną, dającą około 6000 kalorji.

1,

mm

Po odlaniu bloka pozwala mu się do pewnego stopnia ostygnąć, a następnie, przebiwszy cienką skorupę stężałego na powierzchni metalu, wkłada się tak zrobionym otworem aż do dna formy puszkę napełnioną termitem (rys. 105) utwierdzoną na pręcie, i przytrzymuje ją, pokąd nie nastąpi reakcja termitowa. Rozgrzane wskutek wydzielonego ciepła żelazo na dnie formy podnosi się w górę, wywołując wymieszanie materjału i wypierając tkwiące w nim bańki gazów. W pustą przestrzeń, jaka Rys. 105. się wytworzyła pod skorupą wskutek tężenia,

dolewa się płynnego żelaza i w ten sposób wypełnia ją, zapobiegając tworzeniu się jamy. O ileby wytworzony żużel został uwięziony w żelazie wskutek ruchu wywołanego reakcją, powstałoby niekorzystne dla materjału zanieczyszczenie bardzo trudno topliwym tlenkiem glinowym, jak to w innem miejscu widzimy na rys. 58.

II

il

II

Rys. 106.

4. Można także nie dopuścić do powstania jamy i wydzielenia gazów ściskając blok w cza-sie tężenia tak silnie, by się zmniejszał w miarę kurczenia się żelaza. Służy do tego sposób Harmeta. Żelazo wlewa się do formy w dole równej, w górnej części silnie zbieżnej, o przekroju czworobocznym wewnątrz a okrągłym zewnątrz (rys. 106). Skoro metal stężeje na górnej i dolnej powierzchni, ustawia się formę w prasie hydraulicznej, w której tłok z silą 1500 ton wtłacza żelazo w zbieżną część formy. Wgórzebloka znajduje się również tłok o mniejszem ciśnieniu, nie pozwalający odlewowi podnosić siew górę. W miarę tężenia a więc kurczenia się żelaza, tłok ściska je, przez co blok stale się skraca i nie może powstać jama; z powodu wielkiego ciśnienia nie wydzielają się też gazy. Aby forma nie pękła pod ciśnieniem, wzmacnia się ją pierścieniami żelaznemi. W czasie ciśnienia chłodzi formę strumień wody i przyspiesza stygnięcie metalu, zmniejszając przez to możność wydzielania się składników.

Według sposobu T a 1 b o t a wywiera się nacisk na blok dla zmniejszenia jego objętości zapomocą walcowania. W blokach tak przerabianych występują znaczne wydzielenia, przez co malerjał jest gorszy w środku niż na powierzchni.

5. Ponieważ jama w bloku może się przedłużać bardzo cienkim kanałem do znacznej głębokości (czasami blisko do spodu), i wykonany z takiego bloka przedmiot (np. oś lokomotywy, wał okrętowej maszyny i t. p.) może zawierać w środku miejsca wadliwe, szczeliny, ostre brzegi i t. p., co przy obciążeniu może wywołać uszkodzenie wskutek działania karbu, zabezpiecza się często takie przedmioty przewiercając je w środku i usuwając przez to część wadliwą, a równocześnie zyskując możność wglądnięcia do środka i zrewidowania materjału.

Zjawiska krystalizacyjne, zachodzące w żelazie zlewnem podczas tężenia, są takie same jak w stygnących stalowych odlewach. Ponieważ blok jest postacią przejściową, i struktura jego doznaje przemiany w dalszej przeróbce, nie omawiamy jej w tern miejscu, lecz zajmiemy się nią w rozdziale poświęconym odlewnictwu stali, bo tam budowa krystaliczna, pozostając w gotowym wyrobie, o wiele wybitniej oddziaływa na własności mechaniczne materjału.

12. Żelazo rafinowane.

0E

Żelazo wyrobione metodami dotychczas opisanemi posiadać może i często istotnie posiada różne wady (porowatość, zawartość żużla, nierówny skład chemiczny, zanieczyszczenia siarką i fosforem i t. d.), które nie przeszkadzają wprawdzie stosować go na cele przeważnej ilości zapotrzebowań w przemyśle, czy nią je jednak nieodpowiedniem do takich wyrobów, gdzie wymaga się materjału wolnego od wad, a przedewszy-stkiem iak najbardziej jednolitego; do takich celów bywają wyrabiane z żelaza kujnego surowego gatunki żelaza ulepszonego czyli r a f i n o-wanego. Ulepszanie to odbywać się może w stanie płynnym lub stałym; pierwszy sposób ma bardzo rozległe zastosowanie w przemyśle, drugi, — stosunkowo do pierwszego, małe. Tym drugim sposobem ulepszania zajmiemy się w rozdziale poświęconym kuźnictwu.

Rozróżniamy dwa sposoby rafinowania żelaza w stanie płynnym: tyglowy i elek-

tryczn y.

Rys. 107.

-Emcfis tyglowy, znany już oddawna, polega na stapianiu wyborowych gatunków żelaza kujnego surowego (ogniskowego, pudlarskiego, zlewnego, cementowanego i t. p.) w naczyniach zwanych tyglami (rys. 107) o pojemności najczęściej 30 kg. Tygle zrobione są z gliny ogniotrwałej z dodatkiem szamoty i sproszkowanego koksu (tzw. tygle szamotowe) lub z dodatkiem grafitu (tygle grafitowe). Dodatek grafitu ułatwia wysuszenie i wypalenie tygli bez pęknięcia, i w znacznie wyż-

szym stopniu niż koks podnosi ich ogniotrwałość i nieprze-puszczalność dla gazów przez rozżarzone ściany tygla.

Małe ilości materjału topi się w piecach tyglowych, o których jest mowa w rozdziale o odlewnictwie, wielkie ilości (na stal narzędziową, wyborowe części maszyn, wielkie, kilkunasto-tonowe bloki do wyrobu dział i t. d.) wyrabia się w piecach .Siemensa o płaskim trzonie (rys. 108), mieszczących do 120 tygli; chcąc odlewać wielkie bloki, trzeba mieć większą liczbę pieców i duży zastęp wyszkolonych robotników, którzy wyjmują tygle z pieca i nieustannie donoszą i wlewają do formy, tak by w odlewaniu nie było żadnej przerwy.

Proces tyglowy polega na stopieniu ze sobą małych kawałków żelaza dla osiągnięcia jednolitej mieszaniny oraz na pozostawieniu przez dłuższy czas w piecu stopionego żelaza

}f'- r ~ y.y.: r. ^~ • -v-~- • v    : S

mmmm

Rys. 108.

dla tzw. wystania się, wskutek czego zawarty w niem żużel i gazy mają czas zupełnie się wydzielić, żelazo staje się czyste i jednolite, a odlany z niego blok gęsty, nie porowaty. Tlenek żelazawy zawarty w żelazie, mając czas w okresie wystania wejść w reakcję z węglem rozpuszczonym w żelazie, pod lega redukcji, a wytworzony przy tern tlenek węgla uchodzi. Wskutek powyższego procesu żelazo traci część węgla, uzupełnia go jednak zwykle z nadwyżką ze ścian tygla, zawierających węgiel (grafit).

Pewnego rodzaju proces świeżenia odbywa się również w tyglu, z powodu że otaczające go gazy, zawierające wolny tlen, produkty rozkładu pary wodnej i dwutlenek węgla, przenikają przy wysokiej temperaturze ściany tygla i stykają się z żelazem. Dopiero kiedy wskutek bardzo wysokiego ogrzania ściany tygla pokryją się nieprzepuszczalną glazurą, ustaje ten proces i następuje wspomniana wyżej desoksydacja kosztem zawartego w żelazie węgla, uzupełnianego ze ścian

tygla, a także manganu. Okres wystania się żelaza jest i z tego względu potrzebny, aby powstające przy desoksydacji gazy i żużel miały czas wydzielić się w zupełności.

Ilość krzemu mimo okresu świeżenia zwiększa się, bo dostarczają go żelazu ściany tygla zawierające krzemionkę. Jego zawartość wpływa korzystnie, ograniczając wydzielanie się gazów, a przez to zapobiegając porowatości żelaza.

Zawartość siarki i fosforu w naboju tyglowym powinna być jak najmniejsza, gdyż składniki te pozostają całkowicie w żelazie.

Wyrabiając specjalne rodzaje stali (stopy), dodaje się w miarę potrzeby odpowiednich metali podczas przygotowania naboju do procesu.

Proces tyglowy nie jest więc, jak to nieraz daje się słyszeć, tylko przetapianiem żelaza, ale jest on procesem chemicznym, gdyż składniki żelaza zmieniają się co do ilości, a także odbywają się reakcje zmierzające do oczyszczenia materjału z tlenków, żużla i gazów. Ważną, jak widzieliśmy, rolę w tym procesie odgrywa materjał tygli oraz skład ma-terjałów użytych do procesu, które powinny być wolne od szkodliwych przymieszek i być dobrane odrazu w ilościach odpowiadających zamierzonemu wyrobowi. Dla ochrony powierzchni żelaza od działania gazów, dodaje się do naboju szkła lub żużla, które, stopiwszy się, stanowią ochronną warstwę.

Dobroć żelaza tyglowego oceniają na podstawie zawartości szkodliwych składników. Osann ¹⁰³) na tej podstawie podaje (za innymi) następującą klasyfikację stali tyglowej:

Fosfor 0-015%

0-022%

0-035%

0-050%

Stal tyglowa należy do najlepszych rodzajów żelaza, i do niedawnych czasów była jedynym materjałem na narzędzia, Jhroń, wyborowe części maszyn i t. p. Jest to jednak materjał drogi, raz z powodu wielkiego zużycia paliwa, powtóre dla małej wydajności pieców z powodu umieszczenia żelaza w tyglach, bardzo licznej a więc kosztownej obsługi, wreszcie ceny samych tygli, które ze względu na niebezpieczeństwo pęknięcia

Składniki: Gatunek najlepszy Gatunek dobry Gatunek średni Gatunek pośledni

Siarka 0-015% 0-022% 0-032% 0040%

Miedź

0-015%

0*030%

0-050%

0-100%

Arsen

0-135%

0-220%

i na jednolitość reakcyj chemicznych, zależnych od ich składu, bywają najczęściej tylko raz używane.

To przedewszystkiem było powodem, że zastosowanie pieców elektrycznych do wyrobu żelaza ulepszonego ograniczyło znacznie proces tyglowy. Ponadto ma proces elektryczny jeszcze inne korzystne strony wobec tyglowego, o czem mówić będziemy poniżej.

Proces tyglowy ma jednak mimo to wielu zwolenników, przekładających go nad elektryczny i obszernie go jeszcze stosujących.

Stal indyjska. ¹⁴) ¹⁶) Ludy wschodnie, zwłaszcza Indowie i Persowie, wyrabiają surową stal, zwaną ogólnie »indyjską«, służącą do wyrobu słynnej stali damasceńskiej, używanej na szable i inną broń sieczną. Zawiera ona 1.1—1.8°/n węgla, i nieharto wana odznacza się wielką twardością przy równoczesnej elastyczności i kujności. Wyrabiają ją w tyglach wprost z rudy zmieszanej z węglem, gdzieindziej przetapiają z dodatkiem węgla żelazo otrzymane metodą bezpośrednią. Cechą procesu jest długie żarzenie w tyglu stopionego mate-rjału, a następnie bardzo powolne studzenie go; wyjęta z tygla bryłka o ciężarze około 900 gramów, znana pod nazwą (przez Anglików przywiezioną) »Wooz«, stanowi przedmiot handlu i dalszej, bardzo umiejętnej i ostrożnej przeróbki kuźniczej na stal damasceńską, o której będzie mowa w odnośnym rozdziale (16).

Wiadomości o wyrobie surowej stali indyjskiej są skąpe, jest jednak rzeczą oczywistą, że wyrób jej posiada najwyraźniej cechę dzisiejszej metody tyglowej t. j. »wystania się« w tyglu w stanie stopionym, posuniętego jeszcze dalej niż przy wyrobie stali tyglowej.

Proces w piecu elektrycznym. Przez zastosowanie prądu elektrycznego do ogrzewania pieca, można w nim osiągnąć wyższą temperaturę niż w innych piecach; jej wysokość zależy tylko od wytrzymałości (ogniotrwałości) materjału, z którego piec jest zbudowany. Wskutek tego istnieje możność prawie zupełnego usunięcia wszelkich szkodliwych domieszek w żelazie, przez wytworzenie żużla o odpowiednim składzie. Drugim skutkiem wynikającym z tego samego powodu jest możliwość odbywania procesu bez współdziałania gazów i po-

wietrzą, wprowadzanych do pieców przy innych procesach dla ogrzewania, a tu zbędnych.

Sposób działania prądu może być rozmaity. Albo wytwarza

V-

W'

Rys. 109.

się łuk elektryczny, działający ciepłem promieniowania, albo prąd przepływa przez żużel i żelazo i wskutek oporu wytwarza w nim ciepło; oba te sposoby mogą też działać równocześnie. Prąd może dopływać do pieca bezpośrednio zapomocą elektrod węglowych albo też być wzbudzony (przez indukcję). Typy takich pieców przedstawiają następujące szkice:

\B

W piecu (Stassana) na rys. 109 wytwarzają elektrody a łuk elektryczny, z którego promieniujące ciepło udziela się w części żelazu wypełniającemu topni-sko, częścią rozgrzewa ściany pieca i następnie promieniuje z nich na żelazo. Piec

daje się przechylać dla wylewania żelaza i żużla przez otwór

mmmmmm

38(1

-r \ ■‘•-.I

n.;

spustowy.

Drugi typ przedstawia piec (Heroul ta rys. 110) o elektrodach zanurzonych w roztopionym żużlu na powierzchni żelaza; między niemi płynie prąd przez płynny materjał, wytwarzając ciepło wskutek doznanego oporu. v,y,-| Połączenie obu spo-sobów doprowadzania ciepła widzimy na rysunku 111 (piec Nathu-siusa); prąd tworzy

Rys. 111.

Rys. 110.

'A

Rys. 112.

Despksydącją żelaza, które wskutek poprzedniego procesu (świeżenia) nasyciło się tlenkiem żelazawym. Tę czynność wykonuje się zwykle najpierw z grubsza przez dodatek czystego węgla np. z produktów naftowych, a następnie dokładnie zapomocą manganu lub krzemu, poczem wytworzony żużel znowu się wypuszcza z pieca.

między elektrodami węglowemi a stopionym materjałem łuk, ogrzewając żużel pokrywający żelazo, a przechodząc następnie do elektrod żelaznych, wmurowanych w dno pieca, ogrzewa całą masę żelaza.

Piece indukcyjne wprowadził Kjellin; zasadę jego pieca podaje rys. 112. Prąd o Wysokiem napięciu krąży licznemi zwojami cewki indukcyjnej a i wzbudza w zamkniętym przewodzie o jednym zwoju b, który stanowi stopione żelazo w wąskiem topnisku, — prąd o wielkiem natężeniu, stanowiący źródło ciepła dla przerabianego materjału.

Metalurgiczny proces w piecu elektrycznym polega na usunięciu niepożądanych przymieszek zapomocą odpowiednich żużli i składa się z następująch czynności:

Utlenianie przymieszek a przedewszystkiemfosforu w piecu o wyłożeniu zasadowem, przez dodatek zendry z walcowni lub czystej rudy żelaznej, a następnie wapna; po każdym zabiegu odlewa się wytworzony żużel, aby nie dopuścić do powrotnej reakcji.

Najważniejszą i może największą zaletą procesu elektrycznego jest odsiarczanie żelaza, które najdogodniej da się przeprowadzić zapomocą wapna w połączeniu z węglem lub krzemem przy bardzo wysokiej temperaturze. Oba te dodatki redukują tlenek wapna (tworząc tlenek węgla względnie krzemionkę) na metaliczny wapń, który chciwie łączy się z siarką i przechodzi w żużel.

Po wypuszczeniu żużla pozostawia się żelazo w piecu dla wystania się t. j. zupełnego wydzielenia żużla i gazów, poczem dodaje się potrzebnych składników (węgla, niklu, wolframu i t. d.), odpowiednio do żądanego gatunku żelaza.

W piecach elektrycznych przerabia się zazwyczaj żelazo płynne, czasem w kawałkach, — niekiedy cały proces świeżenia odbywa się w piecu elektrycznym. Ostatnie dwa sposoby

Żelazo.

stosuje się tylko przy niskich kosztach prądu, bo topienie i całkowite świeżenie zużywa go bardzo dużo.

Zaletą procesu elektrycznego wobec innych, a zwłaszcza tyglowego, jest możność bardzo daleko idącego oczyszczenia żelaza i przez to wyrabiania w wielkiej ilości tak wyborowych gatunków, jakich innemi metodami nie można otrzymać. Zawartość fosforu bywa w pewnych wyrobach usunięta tak dokładnie, że analiza wykazuje ledwie ślady, zawartość siarki zmniejszona do 0.005o/o, a nawet jeszcze bardziej; wskutek tego polepszają się własności mechaniczne materjału, a zwłaszcza ciągliwość, tak że nie są rzadkie gatunki miękkiego żelaza, wykazujące wydłużenie 35—37°/₀.

Znaczenie zawartości węgla w żelazie kujnem. Do rodzajów żelaza kujnego zaliczyliśmy te gatunki żelaza, w których zawartość węgla poczyna się od najmniejszych wartości (żelazo technicznie czyste), a kończy się teoretycznie przy 1.7%, praktycznie zaś nieco niżej. Te obszerne granice obejmują gatunki tak we własnościach swoich odrębne, że wymagają podziału przynajmniej na dwie odmiany. Powodem tych odmiennych własności jest zawartość węgla, występującego jak wiadomo w kujnem żelazie w związku chemicznym jako karbid (cementyt), przedewszystkiem w mieszaninie eutektoidalnej z ferrytem jako perlit, a powyżej 0.9°/n węgla w wolnych krystalitach (ziarnach).

Różnice spowodowane zmienną zawartością węgla występują charakterystycznie we własnościach mechanicznych żelaza, mających znaczenie dla jego obróbki i zastosowania.

Wytrzymałość (na rozciąganie) ze wzrostem węgla powiększa się do pewnej granicy, poczem się znowu obniża. Granica ta leży między 0.8 a 1 °/n węgla, średnio około 0.9°/₀, odpowiada więc żelazu perlitycznemu. Na rys. 113 widzimy u góry wykres wytrzymałości żelaza martinowskiego, w którym najwyższe wartości odpowiadają powyższym zawartościom węgla; wzrost wytrzymałości wskutek dodatku węgla tłumaczy się zmniejszeniem zawartości mniej odpornego ferrytu (czystego żelaza) na korzyść wytrzymalszego perlitu. Objaw zaś, że perlityczne żelazo ma największą moc, jest uzasadniony jego bardzo jednolitą budową, jakiej już nie ma żelazo o wyż-

szych zawartościach węgla z powodu występujących tam ziarn wolnego karbidu.

C i ą g 1 i w o ś ć żelaza zmniejsza się stale ze wzrostem węgla, jak to widzimy na dolnej części rysunku 113, materjał staje się kruchszym a zwłaszcza mniej odpornym na uderzenia.

Twardość żelaza zwiększa się ze wzrostem węgla, co jest zrozumiałe, ponieważ w miejsce bardzo miękkiego ferrytu przybywa twardszy od niego perlit, a powyżej 0.9% węgla czysty cementyt (karbid), najtwardszy składnik żelaza. Rys. 114 podaje w skali Brinella wpływ zawartości węgla na twardość żelaza ⁸⁵).

wy/r2)7/77 77d C/dę77 W Aę//7?77?

80

70

*<20

N/0

0    02 O4    06    08    70    73

zjwór/ooć węę/a w %

0 o?

0 4    06    08    /(0    /?    /6?o

Rys. 113.

O bardzo ważnych własnościach żelaza kujne-go, zamieniających się z zawartością węgla, jak zgrzewalność, topliwość i bartowność, będzie mowa przy odnośnych

4 00

"Twardość w sAa 7/ Grme//a

500

200

100

0,2 O*

0.6    0,8 lo 7,2

Za^ar/ość węjjr/a w%.

Rys. 114.

ifi

procesach, tu tylko krótko nadmienimy, że dodatek węgla obniża zgrzewalność, a także temperaturę topliwości żelaza,

a zwiększa jego hartowność. Jak dalece zmieniają się własności żelaza wskutek węgla, daje wyobrażenie następujące zestawienie własności dwu rodzajów żelaza kujnego o małej i dużej zawartości węgla:

Węgiel w %>

Wytrzymałość na rozc. w kg/mm2 Wydłużenie w %

Zgrzewalność Hartowność

Naturalna twardość w skali Brinella Ciężar gatunkowy Ciepło właściwe Temperatura topliwości

01

12

33

35

72

łatwo zgrzewalne nie zgrzewalne niehartowne    b. hartowne

100

270

7-84

7-80

0-1025

1430—1520°

OT 125 1170—1450°

Między temi skrajnemi rodzajami znajdują się pośrednie, o pośrednich własnościach, i stosownie do tego o rozmaitem zastosowaniu praktycznem.

Następujący spis przedstawia dla różnych zawartości węgla zastosowanie żelaza węglistego do wyrobów przemysłowych:

Poniżej 0.1°/₀ drut, blachy do prądnic, śruby do drzewa;

OT—0*2°/₀ drut, blachy kotłowe, śruby do drzewa, osie wozowe, dźwigary, rury bez szwu, odlewy;

0'2—0’3°/o drut, blachy kotłowe, osie wozowe i wagonowe, dźwigary, rury bez szwu, części maszyn, odlewy;

0’3—0‘4°/o drut, blachy kotłowe, osie wagonowe, dźwigary, rury bez szwu, części maszyn, obręcze do kół, działa, odlewy;

0‘4—0'5°/o drut, blachy pancerne, osie wagonowe, obręcze do kół, części maszyn, działa, szyny kolejowe, lemiesze do pługów, sprężyny, odlewy;

0'5—0‘6°/₀ drut, części maszyn, szyny kolejowe, sprężyny, szable, kosy, sierpy, lufy karabinowe, granaty, świdry do ziemi, odlewy;

0'6—0*7°/₀ drut, części maszyn, sprężyny, kosy, noże stołowe, szyny kolejowe, granaty, formy kuźnicze, piły do drzewa, młotki, odlewy;

07—0'8°/₀ drut, noże, sprężyny, formy kuźnicze, narzędzia chirurgiczne, narzędzia do drzewa, do kamienia, dłóta ręczne do żelaza, młotki;

0'8 — 0'9°/o drut, sprężyny, formy kuźnicze, nożyce, narzędzia chirurgiczne, stolarskie, kamieniarskie, stemple do wytłaczania, dłóta ręczne, młotki;

0 9—1°/₀ narzędzia chirurgiczne, tarniki do drzewa, rydła (noże) do obróbki metali, świdry, nożyce, frezy, piły do metali, dłóta ręczne, sprężyny, stemple;

I— l*l°/o noże rzeźbiarskie, pilniki grube, r}rdła, świdry,

frezy, rozwiertaki, gwintowniki, nożyce, stemple;

II— l’2°/o scyzoryki, pilniki średnie, rydła, nożyce, frezy,

rozwiertaki, stemple;

1’2—1*3°/₀ brzytwy, pilniki drobno siekane, frezy, rozwiertaki, narzędzia do twardych kamieni, dłóta młynarskie, stemple;

1'3 - l'4°/o brzytwy, pilniki miałkie, frezy, rozwierlaki, matryce, stemple.

Stal. Różnice między gatunkami żelaza o małej i dużej zawartości węgla spowodowały od najdawniejszych czasów, w których używano żelaza, podział na dwie grupy, objęte nazwą stali i żelaza miękkiego, często zwanego krótko »żelazem«. Stalą nazwano rodzaje żelaza kujnego o większej zawartości węgla, a więc o wyższej wytrzymałości, twardości i kruchości, mniejszej rozciągliwości i zgrzewalności a przytem hartowne, — żelazem miękkięm — gatunki zawierające mało węgla, ciągliwe, zgrzewalne, miększe, mniej wytrzymałe i nie-hartowne.

Podział między temi rodzajami nie da się ściśle przeprowadzić, bo nie jest możliwe określenie, kiedy jakaś własność przypisywana np. stali ustaje, a rozpoczyna się inna, odpowiadająca żelazu miękkiemu; własności te nie zmieniają się bowiem nagle, ale stopniowo i w sposób ciągły. Przyjęcie pevvmej zawartości węgla (np. 0.5°/n) za granicę obu rodzajów jest również rzeczą zupełnie dowolną, bo niczem wyraźnem nie charakteryzuje różnic między obu gatunkami, jak tylko składem chemicznym, który nie określa stanowczo własności materjału, zwłaszcza że na nie wpływają także inne przymieszki żelaza. Dlatego też często nazywa się ten sam materjał żelazem t w ar dem lub miękka stała.

Kongresy Międzynarodowego Towarzystwa Badania Ma-terałów zajmowały się wielokrotnie określeniem nazwy »stal<(, nie doszły jednak nigdy do zgodnych uchwał*).

Ponieważ nie można określić granicy odnoszącej się do nazw »stal« i »żelazo miękkie«, a w stosunkach, zwłaszcza handlowych, określenie takie jest często potrzebne, próbowano przyjąć jako podstawę rozróżnienia jedną tylko własność materjału. Do tego najlepiej nadaje się określenie wytrzymałości, ze względu na to, że materjały te służą zwykle do celów konstrukcyjnych, gdzie wytrzymałość stanowi najważniejszą podstawę obliczenia wymiarów konstrukcji. Takie określenie ma tern większą doniosłość wobec np. klasyfikacji opartej na zawartości węgla, że są nowe gatunki stali, których warunki wytrzymałości zależą nietylko od węgla, ale w stopniu jeszcze większym od innych składników (np. chromu, niklu i t. d.), a bywają używane do tego samego celu. W budowie maszyn określają często jako »stal maszynową^ żelazo kujne o wytrzymałości 50 kg/mm² lub wyższej.

Żelazo rozróżniają również według celu, jakiemu służy; stąd pochodzą nazwy stal konstrukcyjna, narzędziowa, automobilowa, żelazo kowalskie, blacha kotłowa i t. p. Nazwy te tworzone są zupełnie dowolnie i nie określają ściśle materjału.

Stopy żelaza kujnego z innemi metalami. Bywają one stosowane do celów konstrukcyjnych lub jako stale narzędziowe; te drugie bywają używane tylko w stanie zahartowanym, dlatego zajmiemy się niemi w rozdziale omawiającym ów proces, tu zaś omawiać będziemy tylko stale konstrukcyjne.

W praktyce utarła się dla tych stopów żelaza kujnego

*) Do większego jeszcze zamącenia pojęcia nazwy )>stal« przyczynia się dążenie w przemyśle międzynarodowym, aby nazwą »stal« (steel, acier, Stahl) oznaczać żelazo zlewne, bez względu na zawartość wręgla, a »żelazem« nazywać materjał zgrzewany. Nazwa »stal« nabrałaby przez to zupełnie odrębnego znaczenia niż ma dzisiaj, a nazwa »żelazo« zniknęłaby z czasem wobec coraz bardziej zmniejszającego się stosowania, a tern samem wj^robu żelaza pudlarskiego, nie mówiąc już o ogniskowym.

Kongresy Międzynar. Tow. Bad. Mat. sprzeciwiały się takiej nomenklaturze, mimo to jednak rozpowszechnia się ona we Francji i w Anglji.

nazwa »stal«, i tak je w dalszym ciągu będziemy nazywali; zwą je także stalami »specjalnemi« lub »stopowemi«.

Wszystkie te rodzaje stopów żelaza wyrabiane bywają sposobami stosowanemi przy wyrobie żelaza kujnego rafinowanego, a więc metodą tyglową i elektryczną, — niekiedy także w piecu Martina, przy większej produkcji; w tym wypadku dodawanie metalu stopowego odbywa się przy końcu procesu, już po desoksydacji, dla uniknięcia straty dodanego metalu wskutek utlenienia i przejścia w żużel.

O strukturze tych stali była mowa w rozdziale (5) o stopach żelaza z innemi metalami.

Stal niklowa. Wiemy już z rozdziału ogólnego o stopach żelaza węglistego z innemi metalami, że nikiel w normalnej temperaturze tworzy z żelazem roztwór stały; bardzo miękki składnik żelaza kujnego: ferryt, wskutek zawartego w nim niklu musi doznać zmiany własności mechanicznych. Temu czynnikowi przypisać należy wysoką wytrzymałość i ciągliwość stali niklowej w stopach perlitycznych, przewyższającą stał węglistą o takiej samej zawartości węgla. Tak np. w umyślnie wykonanym materjale o tej samej małej ⁸⁸) zawartości węgla, żelazo bez niklu miało granicę wytrzymałości (na rozciąganie) 47.3 kg/mm², granicę sprężystości 25.2 kg/mm², a wydłużenie 23°/₀, z dodatkiem 4.7% niklu granica wytrzymałości wzrosła na 63.9°/₀ kg/mm², granica sprężystości na 44.1 kg/mm², a wydłużenie na 25°/₀.

Stopy martenzytyczne nie bywają używane z powodu trudnej obróbki i kruchości; stopy austenityczne mają wytrzymałość wyższą niż perli tyczne, a ciągliwość również 'znacznie większą. Np. stop o zawartości 0.95°/₀ węgla, i 30°/₀ niklu ⁸⁸) wykazywał wytrzymałość na rozciąganie 88.4 kg/mm², przy wydłużeniu 38.6°/₀, z tego powodu stale niklowe o większej nawet zawartości węgla są ze wzrostem dodatku niklu coraz odporniejsze na uderzenia. Wykres na rys. 115⁵⁰) podaje w kgm. pracę zużytą przez uderzenie na złamanie prętów ze stali niklowej o stałej zawartości węgla 0.8°/₀ a różnych zawartościach niklu; widoczna jest tu odporność wielka stopów austenitycznych w porównaniu z innemi. Trudna obrabialność tych stopów z powodu ich twardości i wysoka cena stoją na prze-

szkodzie szerszemu zastosowaniu, i do celów konstrukcji używa się prawie wyłącznie stali perlitycznych.

Stale niklowe dają się dobrze odlewać, nie podlegając wydzieleniom, są kujne i zgrzewalne.

W przemyśle mają zastosowanie z małą zawartością węgla (0.05—0.15°/₀) przy wyrobie rur bez szwu i blach (1—2% niklu), podwozi samochodów, części maszyn (2—3'5°/₀), kół zębatych, czopów (2— 6°/₀; przy większych dodatkach węgla (0.2— 20    25    50 0.45°/o) używane są na

blachy kotłowe, konstrukcje mostowe (1 do 3°/₀ niklu), na działa, wały korbowe, osie, łączniki i t. p. (2-4%).

Stal manganowa. Wiadomo, że mangan nietylko rozpuszcza się w ferrycie, ale tworzy także podwójne karbidy z żelazem; o ile przymieszka jego w ferrycie niewiele zmienia

kz/ogram/ne/ry.

C-

0'8%

0 2    5 7/O 4? /5

% zawartość ff/A/u

Rys. 115

V**

% OSO

400

350

300

250

200

S / 50

/oo

$ 50

0 2/    67

/O O

330

% zawarfosc manganu

Rys. 116.

jego własności, o tyle w cementycie powoduje powiększenie twardości, przez co i perlit w stopie, jako eutektoidalna mieszanina ferrytu i karbidu, nabiera większej twardości. Z tego samego powodu stale manganowe o strukturze martenzyty-cznej są niezmiernie twarde; wykres⁵⁰) na rys. 116 przedstawia w stopniach Brinella zmiany twardości żelaza zawierającego

0.2°/₀ węgla przy różnych ilościach manganu. Wyróżnia się na nim twardość stopów martenzytycznych w porównaniu z per-litycznemi i austenitycznemu

Stale perlityczne wykazują przy małych zawartościach manganu wytrzymałość (na rozciąganie) nieco większą niż żelazo węgliste, mniejszą jednak ciągliwość; ze wzrostem dodatku manganu wytrzymałość zwiększa się do pewnego stopnia, poczem (nabierając struktury niartenzy tycznej) spada. Ciągliwość zmniejsza się stale. Stale austenityczne mają większą wytrzymałość, ciągliwość małą. Zwiększenie zawartości węgla znacznie podnosi wytrzymałość, zmniejsza natomiast plastyczność.

Inne własności stali manganowych są następujące: 0 d-lewalność dobra z powodu desoksydujących własności manganu, natomiast wielki skurcz; przy odlewaniu należy więc unikać zbytniego przegrzania materjału i odlewać przy możliwie niskiej temperaturze. Kujność stali manganowych jest przy wysokiej temperaturze dobra, zgrzewał n ość mała, z powodu łatwego utleniania się manganu, z tego samego powodu stale te łatwiej rdzewieją niż inne.

Stal manganowa ma zastosowanie już to w stanie lanym już to kutym, głównie tam, gdzie potrzebna jest jej wielka twardość, a przez to odporność na mechaniczne zużycie. Używa się jej więc na szyny i zwrotnice (ok. 12°/₀ manganu) w miejscach o wielkim ruchu, na blachy do kas pancernych, szczęki maszyn do kruszenia kamieni, formy do prasowania itp. Utrudnieniem w zastosowaniu jest jej ogromna twardość, wskutek której obróbka narzędziami stalowemi jest prawie niemożliwa, a wymaganą postać nadawać można przedmiotom z niej wykonanym tylko przez odlewanie, kucie i szlifowanie.

Stale chromowe. Chrom wchodzi w roztwór z ferrytem, nie zmieniając wydatniej jego własności, tworzy też podwójne karbidy z żelazem, zwiększające wybitnie twardość stali. Stale o strukturze perlitycznej mają większą wytrzymałość i twardość, niż węglowe, a mniejszą ciągliwość, martenzytyczne odznaczają się wielką wytrzymałością a zarazem kruchością, u karbidycznych wytrzymałość zmniejsza się, a ciągliwość wzrasta.

Inne własności stali chromowych są następujące: kuj-

nojść dobra, konieczne jest tylko wysokie rozgrzanie stali, _2Lgxzewalność bardzo słaba z powodu łatwego utleniania się chromu.

Stale chromowe mają zastosowanie, dzięki swej twardości, do wyrobu łożysk kulkowych, walców do blachy, granatów, drucideł do wyrobu drutu i t. p.

Stale wolframowe. Dodatek wolframu do żelaza zwiększa jego wytrzymałość, zmniejszając równocześnie ciągliwość. Twardość naturalna stali tych jest bardzo znaczna i około 15°/₀ wolframu osiąga maximum; z rosnącą zawartością węgla zwiększa się również twardość, jednakże nie tak wybitnie. Stale wolframowe są k u i n e, wskutek swej twardości zużywają przy tern wiele energji; zgrzewalność ich jest mała z powodu łatwego utleniania się wolframu.

Stali wolframowych używa się wszędzie tam, gdzie zależy na wielkiej twardości przedmiotu, a więc na formy do prasowania, lufy karabinowe, aby zapobiec rychłemu zużywaniu się od pocisków, i t. d.

.„Stale krzemowe. Zawartość rozpuszczonego krzemku żelaza w ferrycie nie zmienia jego własności do 2°/₀ krzemu, powyżej powoduje wybitną gruboziarnistość stali, źle wpływającą na jej własności mechaniczne; z tego wynika więc, że stal krzemowa jako materjał konstrukcyjny nie powinna zawierać więcej niż 2°/₀ krzemu. Wytrzymałość stopów tych do 2°/₀ krzemu podnosi się bez większej zmiany ciągliwości. Zawartość krzemu wpływa także na elastyczność stali i nie zmieniając granicy elastyczności do 1%, powyżej 1 °/₀ podwyższa ją. Stal o zawartości 0'8°/₀ węgla i 0'5°/₀ krzemu miała granicę sprężystości 63 kg/mm², przy wzroście dodatku krzemu do 2°/o podniosła się na 78 kg/mm². ⁸⁸)

Żarzenie, powodujące rozkład perlitu i wydzielanie się węgla, źle oddziaływa na własności stali krzemowych.

Inne ich własności są następujące: kuj ność dobra, z g r z e w a ln ość słaba, przydatność do przeróbki na zimno przez wyciąganie i prasowanie dobra.

Krzemowe stale mają zastosowanie do wyrobu sprężyn. Stale molibdenowe zachowują się podobnie jak wolframowe, zawartość molibdenu podnosi wytrzymałość stali i jej

twardość. Czystych siali molibdenowych nie używa się, lecz w stopach z innemi metalami.

Stale niklowo-chromowe stanowią najbardziej obecnie stosowany i może najcenniejszy stop żelaza, jako materjał konstrukcyjny w budowie automobilów i aeroplanów oraz części precyzyjnych maszyn i motorów. Jednoczą one zalety stali niklowych i chromowych. Stale perlityczne, a tylko lakie mają zastosowanie, mają większą wytrzymałość niż niklowe, nieco mniejszą ciągliwość, ale zalo większą twardość. Nadają się wybornie do ulepszania termicznego, o czem będzie mowa gdzieindziej.

Średni skład stali niklowo-chromowych wynosi: 2—3.5% niklu, 1—1.5°/₀, a czasem jeszcze więcej chromu i 0.25—0.5⁰/o węgla; używane bywają do osi, walów, kół zębatych, płyt pancernych, granatów, a szczególnie na części najbardziej natężane samochodów i aeroplanów.

Stale niklowo-wanadowe. Dodatek wanadu, rzadko stosowany do wyrobu stopów czysto wanadowych, wywiera w stopach wielokrotnych dwojakie działanie: utleniając się bardzo łatwo, jest wybornym środkiem do ostatecznego oczyszczenia z tlenków, a więc ulepszenia żelaza, jako składnik stopu podnosi jego twardość i polepsza inne własności mechaniczne. Dodatek wanadu nie powinien jednak przekraczać 1%, ponieważ przy większej zawartości wytwarza strukturę karbi-dyczną, bardzo twardą i źle wpływającą na ciągliwość stali. Najkorzystniejszy jest dodatek 0.1    0.35°/₀ wanadu.

Zastosowanie podobne jak stali niklowych.

Stale niklowo-chromowo-wanadowe. Wskutek dodatku wanadu do stopów niklowo-chromowych nabierają one, podobnie jak to było u opisanych poprzednio, wybornych własności mechanicznych. Niewątpliwie gra tu rolę desoksydująca własność wanadu, a także jego wpływ bezpośredni.

Stale z dodatkiem wanadu stosowane bywają najwięcej w Ameryce przy budowie samochodów, zastosowanie ich jest zresztą podobne jak stali niklowo-chromowych.

13. Odlewnictwo stali.

Żelazo kujne pod nazwa odlewu stalowego stosowane bywa zamiast żeliwa do odlewania przedmiotów wymagających większej wytrzymałości a mniejszej kruchości niż mają odlewy żeliwne. Do znoszenia bardzo wielkich obciążeń, przy

r>;

!s i

Rys. 117 (St. u. E.)

mechanicznych, rozpoczynając od miękkich o .wytrzymałości 36—42 kg/mm² a wydłużeniu 28—32%, a kończąc na twardych o wytrzym. 50—60 kg/mm² i wydłużeniu 5—13%.

Odlewanie stali odbywa się naogół na zasadach podanych w odlewnictwie żeliwa, z różnicami jakie powoduje przede-wszystkiem wyższa temperatura metalu i większy współczynnik kurczenia się.

których odlewy z żelaza lanego byłyby za grube i za ciężkie, lub do wyrobu części lekkich a silnych, wytrzymałych na uderzenia, nadają się najlepiej odlewy stalowe. Jak doskonały można tym sposobem otrzymać wyrób, pokazuje rys. 117 przedstawiający odlew dźwigni do automobilu (A), który przy badaniu odkształcono bez złamania w sposób widoczny na figurze B; ma-terjał w tym odlewie posiadał wytrzymałość na rozciąganie ok. 45 kg/mm² a wydłużenie 25%. W ten sposób wyrabia się odlewy o różnych własnościach

Temperatura topliwości zależy od ilości zawartego w żelazie węgla, i przy zawartościach OT —07⁰/ft najczęściej spotykanych w odlewach, wynosi, jak to można odczytać z wykresu termicznego (rys. 20), 1520-1450°; ponieważ żelazo wlane do formy musi być dość rzadkopłynne aby ją dokładnie wypełniło, i wymaga przegrzania, zwłaszcza do odlewów cienkich, przeto materjał użyty do zrobienia formy wytrzymywać musi temperaturę do 1600° i wymaga wskutek tego składników więcej ogniotrwałych, a tern samem droższych niż do form na żeliwo.

Skurcz tężejącego odlewu z żelaza kujnego wynosi T5—2°/₀, zależnie od zawartości węgla; wywołuje to powstawanie jam w odlewie, naprężenia i pęknięcia podczas stygnięcia i później, i wymaga w wyższym stopniu stosowania środków zapobiegawczych niż przy żelazie łanem.

Piece do topienia. Odmiennie niż w odlewnictwie żeliwa gdzie do odlewania topi się gotowy już materjał, w odlewnictwie stali przeważnie wyrabia się go z surowca metodami opisanemi przy wyrobie żelaza zlewnego a więc naczyniową, martinowską, tyglową lub elektryczną. Piece budowane do celów tych mają zwykle mniejsze rozmiary i wynikające z tego odmiany w swojej konstrukcji.

Opierając się na znajomości pieców do świeżenia, poprzestaniemy tutaj na zaznaczeniu zmian odnoszących się do odlewnictwa i omówieniu warunków stosowania poszczególnych metod.

Piece Martina używane w odlewnictwie są naogół mniejsze niż do wyrobu bloków kuźniczych, 2 do 10 o tonowe (najczęściej na 6 ton), przyczem do pieców mniejszych stosuje się z powodzeniem opalanie paliwem płynnem. W piecach tych przerabia się głównie stare żelazo z dodatkiem surowca mało-fosforzystego i dodatów żelazo-manganu, żelazo-krzemu, glinu i t. p. dla desoksydacji i usunięcia gazów. Wyłożenie pieców bywa zasadowe, droższe ale umożliwiające wydzielanie fosforu, albo — nie pozwalające na to, kwaśne, ale tańsze. Do ma-terjałów miększych stosuje się częściej wyprawę zasadową, do twardych kwaśną,

Piece naczyniowe stosowane bywają do celów odlewniczych w zakładach nie mających tak znacznego zapotrzebowania, by mogły utrzymać w ciągłym ruchu piec martinowski,

I gdzie z powodu różnorodności produkcji zmienia się rodzaj odlewanego materjału. Wymiar pieców jest znacznie mniejszy niż do celów kuźniczych; przerabiają one naboje od 1 do 5 ton najczęściej około 3 t.

Wskutek tak małej objętości mają »małe gruszki Bes-semera((. iak je zwykle nazywają, odmienną budowę niż opisane w odnośnym rozdzielę wielkie piece naczyniowe (rys. 88). Różnica w budowie takiego pieca (rys. 118) polega na doprowadzeniu powietrza, którego nie wtłacza się przez dno lecz dyszami (c) umiesz-czonemi z boku, wskutek czego powietrze o ciśnieniu stosunkowo niskiem (03 at.) nie przeciska się przez całą wysokość warstwy płynnego żelaza, ale uderzając ukośnie w jego powierzchnię, porusza je i miesza; żelazo przez to mniej się oziębia. Wyłożenie naczynia bywa kwaśne lub zasadowe, częściej pierwsze.

Rys. 118.

Różnica w wyrobie stali na odlewy w piecu martinowskim a naczyniowym jest taka sama jak w metodach hutniczych; żelazo z pieca naczyniowego zawiera więcej tlenków wskutek szybkości procesu, nie umożliwiającego dokładnej desoksy-dacji. Obsługa pieca gruszkowego jest trudniejsza i droższa, natomiast zaletą procesu tego jest łatwość szerokiego regulowania produkcji wskutek możliwości powiększania lub ograniczania ilości poszczególnych procesów. Zaletą jego jest także możność większego przegrzania stali przeznaczonej na cienkie odlewy (do 3 mm), wskutek czego do masowego wyrobu drobnych przedmiotów nadaje się lepiej metoda gruszkowa niż martinowska.

Żelazo przeznaczone do świeżenia w gruszce topi się w piecu kupolowym, przyczem zrobić to trzeba jak najmniejszą ilością koksu, aby ograniczyć przyrost siarki; żelazo nie wymaga tu przegrzania, bo do tego wystarcza dalszy przebieg procesu. Świeżenie przeprowadza się całkowicie a na końcu dodaje żelazo-manganu, żelazo-krzemu lub surowca zwierciadlistego dla desoksydacji, nawęglenia i usunięcia gazów.

Proces tyglowy, identyczny z opisanym przy rafinowaniu żelaza, daje do celów odlewniczych stal bardzo dobrą, przewyższającą wyrób z pieca martinowskiego i gruszkowego, jednakże drogą; tak jak w wyrobie stali rafinowanej tak i tu współzawodniczy z nim:

Piec elektryczny. Stal tą metodą otrzymana jest najlepszym materjałem na odlewy, którym stawia się wysokie wymagania pod względem wytrzymałości i ciągliwości a także cienkości ścian; wskutek tych zalet zastosowanie jej wciąż bardzo wzrasta. Piece elektryczne do celów odlewania różnią się tylko wielkością od rafinacyjnych, najwięcej są rozpowszechnione 1-3 tonowe; wyłożenie bywa kwaśne lub zasadowe.

Wytrzymałość^ stali w odlewach. Wytrzymałość żelaza kujnego ma jak wiemy bezpośredni związek z zawartością węgla, ze wzrostem której zwiększa się twardość a zarazem kruchość materjału. Zależnie więc od wymagań jakie stawiamy odlewom, dobieramy zawartość węgla w obszernych granicach, otrzymując przy zwykłych rodzajach stali wytrzymałość na rozciąganie 40—70 kg/mm² przy wydłużeniu 25—8°/₀, a przy rodzajach wyborowych jeszcze korzystniejsze wartości. Następująca tabelka podaje dla różnych zawartości węgla, przy minimalnych zanieczyszczeniach fosforem (0 02 —0'04°/₀) i siarką (0"01 —0'018°/o) wytrzymałość (na rozciąganie) stali odlewniczej, wykonanej w piecu elektrycznym:

Zawartość węgla °/o Wytrzymałość kg/mm² Wydłużenie °/₀

364

0070

392 41*3 479 57-6 74-2 84-9 86-8

Podobnie jak przy odlewaniu bloków stalowych, a także w odlewnictwie żeliwa, mamy do czynienia w odlewnictwie stali z czynnikami utrudniającemi wykonanie udanego odlewu, którym należy przeciwdziałać wykonując formę i przygotowując żelazo, a następnie podczas odlewania i po odlaniu.

0105

0135

0-260

0-340

0520

0-790

1070

302 300 28-3 22-4 187 167 15-8 13-6

Czynnikami temi są gazy rozpuszczone w żelazie, żużel wytworzony w ciągu topienia a przedewszystkiem wielki skurcz żelaza miękkiego, wywołujący jamy i naprężenia.

Gazy pochłonięte w czasie topienia (wodór, azot, tlenek węgla) wydzielając się przy stygnięciu żelaza, wymagają od formy przepuszczalności, i w razie przeciwnym powodują porowatość odlewu; tlen zanieczyszcza stal tlenkami, obniżając jej wytrzymałość. Tym szkodliwym wpływrom przeciwdziała się znanemi środkami, przeprowadzając odtlenienie zapomocą manganu,jkrzemu, glinu, tytanu, wanadu, a przez dodatek krzemu a także glinu i tytanu nie dopuszczając wydzielania się gazów.

Po desoksydacji powstają tak samo jak przy odlewaniu bloków stalowych zanieczyszczenia żużlem w postaci drobnych kropelek (rys. 89) a w grubościennych odlewach wydzielenia, wywołujące niejednolity chemicznie skład odlewu. Zapobiega się temu umożliwiając ielazii jwystanie się w piecu, zresztą starając się usunąć żużel w nadlewki a przeciw wydzieleniom stosując możliwie szybkie studzenie, co jednak często nie daje się wykonać.

Zachowanie się tężejącego metalu stanowi w budowie form dla stali duże trudności; najwięcej ich powoduje bardzo znaczny współczynnik kurczenia się stali po wlaniu do formy. Konstrukcje przedmiotów wyrabianych przez odlewanie powinny być obmyślone należycie, przy formowaniu należy stosować przeciw jamom przedewszystkiem wielkie nadlewki, przeciw naprężeniom studzenie lub ogrzewanie poszczególnych części odlewu i t. d. a wreszcie poddawać gotowe odlewy żarzeniu.

W rozdziale traktującym o błędach odlewniczych będzie mowa o naprężeniach, zapobieganiu im i ich skutkach, tu omówimy jeszcze proces żarzenia, niezmiernie ważny dla odlewów stalowych.

Wyżarzanie odlewów. Proces ten polega na znanej własności stali, że rozżarzona powyżej 300° ma w miarę wzrostu temperatury coraz mniejszą wytrzymałość a coraz większą ciągliwość. Jeżeli odlew w którym powstały naprężenia ogrzewać będziemy bardzo jednostajnię^do 600° i wyżej, to przy pewnej temperaturze istniejące w odlewie naprężenie pokona zmniejszającą się wytrzymałość materjału, który jako plastyczny nie

pęknie, tylko wydłuży się odpowiednio; studzony następnie bardzo wolno aby w poszczególnych jego częściach nie mogły wystąpić różnice temperatury, będzie po zupełnem ochłodzeniu, - całkiem wolny od naprężeń.

Żarzenie przy 600° usuwa w odlewach naprężenia, ponieważ jednak przy dalszym wzroście temperatury następują zmiany w krystalicznej budowie stali, wywierające doniosły wpływ na jej własności, stosuje się zwykle przy żarzeniu wyższą temperaturę i odmienne warunki studzenia, aby uzyskać najkorzystniejszą budowę krystaliczną, przy równoczesnem usunięciu naprężeń.

Aby ten proces zrozumieć należycie, musimy zapoznać się ze strukturą odlewów i wpływem jaki na nią wywierają zmiany i działania temperatury.

Tężenie żelaza w odlewie i jego krystalizacja odbywają się w dwóch okresach: 1. jako krystalizacja wstępna ze stanu płynnego do stałego na linji temperatur AcdE wykresu termicznego stopów żelaza z węglem (rys. 20), gdzie żelazo staje się stałym roztworem, i 2. jako krystalizacja wtórna, gdy z roztworu stałego wydzielą się poniżej linji GOS składniki roztworu t. j. perlit i ferryt. Żelazo krystalizuje w układzie równo-osiowym, podczas więc pierwszego okresu,    f|

JfgjL

Rys. 119 (St. u. E.)

jeżeli tężenie odbywa się wolno, powstają zazwyczaj szkielety równoosiowe, od których w trzech kierunkach rozgałęziają się nowe osie krystalizacji, tworząc utwory choinkowate (dendrytyczne) przedstawione schematycznie na rys. 119 ¹⁷). Na szkielecie osadzają się dalsze kryształy jjj wypełniające jego wnętrze, zwykle bogatsze w węgiel. Strukturę dendrytyczną żelaza o zawartości 0’45°/₀ węgla widzimy w czterokrotnem powiększeniu na rys. 120. Jeżeli tężenie odbywa się swobodnie, i narastające kryształy nie przeszkadzają sobie wzajemnie, powstają wielkie skupienia krystaliczne. Kryształ taki (o długości 39 cm.) znaleziony przez Czernowa²⁰) w jamie stalowego bloka widzimy na rys. 121.

W tym pierwszym okresie krystalizacji powstają w odlewie wydzielenia fosforu i siarki z najpóźniej krzepnących

Żelazo, ostatków płynnego żelaza, zawierającego bardzo łatwo (poniżej 1000°) topliwe mieszaniny eutektyczne fosforu i siarki.

W okresie krystalizacji wtórnej wykrystalizowują się kryształy składników żelaza (perlit i ferryt) jako ziarna, których wielkość i kształt zależą od budowy kryształów pierwotnych

f;

Mg

Rys. 121 (Ve n. w.)

Rys. 120. (x 4, St. u. E.)

(stałego roztworu) utworzonych podczas krystalizacji wstępnej (tężenia).

Gdy tężenie płynnego metalu było powolne i utworzyły się wielkie kryształy stałego roztworu, to podczas drugiego okresu krystalizacji wydzielony perlit i ferryt utworzą również wielkie kryształy, często w osobnych skupieniach obu składników. Wskutek bardzo powolnego stygnięcia odlewu powstaje struktur a Widma nns ta11 en a, uczonego, który pierwszy w r. 1808 zaobserwował ją badając żelazo meteoryczne. W strukturze tej skupienia ferrytu (a także perlitu) są utworami prostolinijnemu, rozłożonemu w geometrycznych kształtach pod rozmaitemi kątami, zależnie od tego jakie nachylenie ma płaszczyzna przecięcia ziarna względem osi układu krystalicznego. Strukturę tę z objaśniającemi ją schematami (Czerniaka) prze-

3 2.

o ^

o, O* Tj |-i

°-¥

I :§

p—F

S 2

N CG CG O

C/3 O-

a O P- sr

sr

3 £L w o

N tĄ

ET 3 S: p

Ó -i ^ g

NJ aa

eJ ^ 23 13

GMI

Wf///////,

\wmm/s\

Rys. 122 (x30, St. u. E.)

turze Widmannstattena ma skłonność do pękania wzdłuż powierzchni zetknięcia odmiennych składników, jest mało odporny zwłaszcza na uderzenia i dlatego w odlewach maszynowych niebezpieczny.

| [Przy tężeniu mniej powolnem ale nie dość jednak szybkiem, nie wytwarza się struktura prostolinijna lecz powstają

ziarna ferrytu i perlitu (rys. 123) w skupieniach o kształtach nieregularnych, mniej lub więcej globoidal-nych lub bryłowatych. Budowę taką nazwiemy jJLoLkiJRX.ą surowego odlewu gdyż w odlewach stalowych nieżarzonych najczęściej można ją spotkać. Jest ona mniej niebezpieczna niż poprzednia, pod względem

wielkie

'4

£M

W-

■m, ■

r.

Rys. 123 (x 250).

wytrzymałości swej pozostawia jednak jeszcze wiele do życzenia.

Niekorzystną krystaliczną budowę odlewu można zmienić i ulepszyć przez odpowiednie postępowanie termiczne. W żelazie rozżarzonem odbywa się wskutek zmian alotropowych i spowodowanych niemi zmian rozpuszczalności węgla proces krystalizacji, przy pomocy którego możliwe jest wytworzenie w odlewie kryształów drobniej szych i jednolicie rozłożonych. Takie »przekrystalizowanie« zachodzi jednak tylko wtedy, gdy składniki żelaza przejdą w roztwór, i straciwszy swą poprzednią budowę krystaliczną zaczną się krystalizować ponownie jako roztwór stały. Stąd jest rzeczą konieczną aby temperatura i długość żarzenia były dostosowane do składu żelaza, którego zawartość węgla jest poniżej składu eutektoi-dalnego (0'9°/₀ węgla).

Za podstawę postępowania służyć muszą wskazania wykresu termicznego stopów żelaza z węglem (rys. 20) z którego część odnoszącą się do żelaza kujnego zawiera rys. 124. Przy

oznaczaniu temperatury żarzenia należy jednak wprowadzić poprawkę, jakiej wymaga zawartość innych składników. Wybitniejszy wpływ ma jednak tylko zawartość manganu którego 1 °/₀ powoduje obniżenie linji GS średnio o 70°, linji PS nieco mniej.

O ile podczas żarzenia temperatura przekroczy * /e linję PS, przechodzą w roztwór tylko skadniki perlitu, jako bardzo drobne i dokładnie wymieszane; wolny ferryt zaczyna się rozpuszczać dopiero powyżej PS w ilości odpowiadającej odnośnej temperaturze, a zupełnie jest rozpuszczony dopiero przy przekroczeniu linji GS. Ze względu na jego powolne rozpuszczanie się i dla upewnienia się że przekrystalizowanie całkowite zostało dokonane, przyjmują w praktyce temperaturę żarzenia nieco

noo

Tempe/a/i/r* sropnfec/? Ce/s/L/sza

900

700

Q2 Ot Qe Qa (o 4’ Zauartosć ivęg/a w %.

Rys. 124.

wyższą niż obliczona z wykresu, najczęściej o 30°. Jeżeli np. odlew zawiera 0’4°/₀ węgla i 07°/₀ manganu, to najodpowiedniejszą temperaturę żarzenia przedstawia suma, składająca się z liczby odczytanej z wykresu, w tym wypadku 771° poprawki ze względu na mangan (0.7 X 70) : 49° i dodatku 30°, razem 850°.

Do takiej temperatury rozgrzane żelazo przechodzi w zupełny roztwór, powstają nowo ośrodki (zarodki) krystalizacji, i tworzą się nowe krystality (ziarna) roztworu karbidu w żelazie; liczba tych ośrodków jest bardzo liczna a wskutek tego powstałe

■f

Km

Rys. 125 (x 80 St. u. E.).

ziarnasąrównież liczne a tern samem drobne. Gdy taki roztwór zaraz po osiągnięciu wymaganej temperatury ochłodzimy poniżej linj i PS, wydziel ą się z niego tak samo liczne ziarna składników (ferryt i perlit) i wytworzona struktura odlewu będzie drobnoziarnista.

W procesie żarzenia mamy więc środek nietylko do usuwania naprężeń w odlewach ale także zmiany struktury niekorzystnej w dobrą. Na rysunkach 125—129 przedstawione są według Oberhoffera⁹⁶) struktury odlewu stalowego o zawartości 0’27°/₀ węgla, 0‘88°/₀ manganu, 0⁻275°/₀ krzemu, 04)32°/₀ fosforu i 004°/₀ siarki. Składowi temu odpowiada najodpowiedniejsza temperatura żarzenia 850-j-30=880°, obliczona według poprzednio podanej metody. Strukturę odlewu nieżarzonego widzimy na rysunku 125; jest to struktura Widmannstattena. Odlew surowypod-dano żarzeniu r»rzv różnych, coraz wyższych temperaturach. Po

fes*,...    ■

Rys. 126. (x bU, M. u. E.)

wyżarzeniu przy 800° a więc powyżej linji PS a poniżej GS osiągnięto strukturą jak na rys. 126, drobniejszą już, jednak wskutek

.V,

n.

T^Łv -

**'ł

» £>4 ^

§S§

Rys. 127. (x 80, Sl. u. E.)

niezupełnego rozpuszczenia ferrytu pozostały jeszcze ślady geometrycznego układu, przyczem dają się zauważyć pewne zgru-

r*

•ł* ••wi>.

w^_

GCV£*;v

Rys. 128 (x 80 St. u. E.)

powania perlitu. Dopiero przy 850° a zatem na linji GS odlew wskutek rozpuszczenia ferrytu stracił resztki struktury prosto-

Kgi

żS-.'

v-

/•

|V

jjSSph* vt

**- WiL''' Ą>.

f.i

'.JlbrW*

Jh Ą

A .5

Rys. 129. (x 80, St. u. E.)

linijnej a kryształy są drobne i jednostajne. Jednakże wskutek powolności rozpuszczania się ferrytu, spowodowanej zaledwie do tego wystarczającą temperaturą, wytworzony już przy PS roztwór perlitu skupił się około rozpuszczającego się jeszcze ferrytu i po ostudzeniu wytworzył jakby siatkę otaczającą skupienia czystego ferrytu (Rys. 127); zapowiedź tego ugrupowania widać już było na rys. 126. Dopiero po ogrzaniu do 900° osiągnięto równomierny rozkład obu składników (rys. 128), jednak wskutek przekroczenia najodpowiedniejszej temperatury żarzenia (880°) ziarna są już większe niż na obrazie poprzednim. Po dalszem ogrzaniu do 1000° (Rys. 129), występuje coraz większa gruboziarnistość; przez nieoględne, za daleko posunięte żarzenie wytwarza się następnie napowrót struktura Widmannstatlena i cały proces jest bezskuteczny.

Z010-5

12.10 S

49.10 ~8

110-S

800

900 fO0O°C

Rys. 130.

SO

Kz

25

af

20

20

7S

JO

Wykres na rys. 130 zestawiony zpowyższych przykładówpodaje średnią grubość ziarna (w centimetrach) przy różnych temperaturach żarzenia, a na rys. 131 zestawione są wykreślnie wyniki badań odnośnych materjałów a mianowicie granicy wytrzymałości na rozciąganie (Kz), granicy płynności (ar), wydłużenia (<p) i zwężenia procentowego (Z).

39

25

20

15

>0

800 .j 900

Rys. 131.

Widzimy jak bardzo proces żarzenia wpływa na zmiany własności fizycznych żelaza, jak te własności polepszają się do pewnej temperatury, poczem znowu pogarszają. Stwierdzono również że ma-terjał żarzony nabiera większej odporności na uderzenie, jednak ta korzystna 700 zmiana odnosi się tylko do żelaza o małych zawartościach węgla.

Grubość odlewu ma również wpływ na wynik żarzenia; przedmiot cienki i przez to szybko tężejący nie wytworzy struk-

tury Widmannstattena lecz normalną, gdy znów w odlewie o grubych ścianach, krzepnącym wolno, wytworzą się wielkie kryształy o niekorzystnem ugrupowaniu. Równoczesne żarzenie takich części musi dać w nich strukturę odmienną. Dlatego w odlewach o rozmaitej grubości ścian własności mechaniczne nie są jednakie.

Piece do żarzenia. Odlew przeznaczony do żarzenia umieszcza się w piecu, gdzie w ciągu kilku lub kilkunastu godzin (zależnie od wielkości) doprowadza go się do żądanej temperatury a następnie studzi powolnie. Dobrze jest odlew

-A-

§??•    (*i* H|P

Rys. 132.

umieszczać w piecu zaraz po odlaniu i wyjęciu z formy, gdy jeszcze jest gorący.

Dobrze prowadzone fabryki wyżarzają wszystkie swoje odlewy, nawet największe, dlatego piece służące do tego mają nieraz bardzo wielkie rozmiary. Jeden z takich pieców przedstawia rys. 132. Jest to komora posiadająca z jednej strony palenienisko rusztowe o wysokiej warstwie węgla, dające przeważnie gazy, które zmieszane z wtórnem powietrzem wciskanem otworami a spala się w samej komorze. Odlewy leżą na ogniotrwałej płycie P, osadzonej na kołach. Wjazd do komory zamyka w czasie procesu zasuwa Z.

Oprócz wysokości temperatury ma także długość żarzenia wpływ na wielkość ziarn, dlatego mimo zachowania stałej i właściwej temperatury podczas tego procesu, należy przestrzegać aby on nie trwał ponad konieczną potrzebę.

Szybkość studzenia wyżarzonego odlewu zapobiega dalszemu wzrostowi ziarn w materjale ogrzanym. Osiągnąwszy temperaturę 30° ponad linją GS, należy ostudzić odlew poniżej linji PS, i w ten sposób przerwać dalsze zmiany krystalizacji. W praktyce jest to trudne do wykonania i niebezpieczne z powodu możliwości powstania naprężeń, o ileby temperatura opadła zbyt poniżej linij PS, gdyż temperatura 600° jest jak

Hm ' :    &

&7

JKŁ¹

Y<

Rys. 133.

wiemy granicą istnienia naprężeń, t. j. wymaganej do ich usunięcia plastyczności żelaza. Wykonywa się ten zabieg w ten sposób, że osiągnąwszy wymaganą rsM temperaturę żarzenia w ca-yo łym odlewie a więc i w częś-Sg ciach najgrubszych, usuwa g9 się z rusztu paliwo, wzglę-M dnie przerywa dopływ ga-M zów palnych do pieca, m wpuszcza do jego wnętrza m zimne powietrze aż do H oziębienia odlewu do i ciemno-czerwonej barwy, odpowiadającej temp. 650°. a następnie zatkawszy szczelnie piec, pozostawia odlew dalszemu, bardzo powolnemu stygnięciu, które warunkuje niedopuszczenie naprężeń.

Jeszcze jeden skutek wywołuje proces żarzenia. Powierzchnia formy powleczona calami zawierającemi węgiel dla izolacji jej ścian od płynnego metalu, na węgla powierzchnnię odlewu w cienkiej i kruchej warstwie. Podczas żarzenia warstwa ta znika pod działaniem otaczającego odlew powietrza, odwęglenie sięga nawet głębiej, przez co na powierzchni powstaje warstwa uboższawwęgiel niż wnętrze, jak to widać na rys.133.Jest to korzystne dla odporności odlewu na uderzenia, bo w miękkiej, odwęglonej warstwie nie powstają tak łatwo pęknięcia, mogące działać jako karb na warstwy głębsze. Odwęglenie jest także dowodem że żarzenie było istotnie przeprowadzone.

Zanieczyszczenia i wydzielenia. Tak samo jak w blokach kuźniczych powstają i w odlewach wydzielenia gazów, żużla, oraz składników w żelazie zawartych.

Gazy wydzielone z roztworu są zupełnie tym samym objawem, z jakim mieliśmy do czynienia w blokach; ponieważ jednak odlew nie doznaje takiej przeróbki jak blok, gdzie porowaty wskutek baniek gazów materjałmoże być za walcowany lub zakuty a ściany otworów ze sobą zgrzane, wydzielanie się gazów w odlewie jest objawem zmniejszającym jego wytrzymałość. Często nie można przy odlewaniu przeciwdziałać rozpuszczaniu się a następnie wydzielaniu gazów, unikając przegrzania żelaza, które jak wiemy wzmaga rozpuszczalność gazów; żelazo na cienkie odlewy wymaga bowiem przegrzania aby było rzadkopłynne i dopływało do wyższych części formy.

Unika się gazów w odlewie, uwalniając od nich żelazo przed odlewaniem, co jest możliwe w procesie tyglowym i elektrycznym, i nie dopuszczając wydzielania się ich, po wlaniu w formę, przez dodatek krzemu i glinu

Żużel zawarty w odlewie zmniejsza wytrzymałość ma-terjału, a o ile nagromadzi się w postaci kropelek pasemkowato rozłożonych, powoduje wykrystalizowanie się jednego składnika wzdłuż tych kropelek, co niekorzystnie wpływa na jednolitość odlewu i jego odporność, zwłaszcza na uderzenia. To w odlewach rzadziej spotykane rozłożenie żużla zdarza się częściej w żelazie obrabianem kuźniczo, i w rozdziale poświęconym tej obróbce będzie mowa obszerniej o jego wpływie.

Wydzielenia składników w odlewach (tak samo jak w blokach) odbywają się w różnym stopniu, zależnie od szybkości tężenia i zdolności dyfuzyjnej przymieszek, a ta jest jak wiadomo bardzo różna. To co powiedziano przy omawianiu wydzieleń w blokach, odnosi się także do odlewów, z tą różnicą, że przy mechanicznej przeróbce bloków na cieńsze wyroby, różnice zawartości bywają częściowo wyrównane w sposób mechaniczny, natomiast w odlewach pozostają bez zmiany, zwłaszcza wydzielenia składników o małej zdolności dyfuzyjnej jak fostor i siarka.

Proces żarzenia odlewów tak korzystnie działający na

drobnoziarnistość żelaza i równomierność rozkładu węgla, nie wywiera wpływu na zmianę wydzieleń fosforu i siarki, powstałych podczas krystalizacji wstępnej, które w tym procesie nie doznają wyrównania.

Odlewy ze stopów żelaza węglistego. 0 stopach takich była mowa w rozdziale o żelazie rafinowanem, tu uzupełniamy tylko to co się odnosi do stosowania stopów na odlewy.

Stal niklowa. Materjał ten o wyższej wytrzymałości i twardości a mało co mniejszej ciągliwości niż stal węglista rafinowana, używany bywa na odlewy części maszyn lekkich, o wielkiej wytrzymałości (do samochodów, aeroplanów, it. p.), znoszących częste zmiany kierunku obciążenia i wstrząśnienia. Zawartość niklu bywa różna, od ułamków procentu do wartości rzadko przekraczających 3^5%), większa natomiast znacznie w odlewach przeznaczonych na części narażone na chemiczne działanie gryzących gazów.

Stal manganowa. Stal ta z dodatkiem manganu dochodzącym do 12'5°/o, stosowana bywa w odlewach na części maszyn i urządzeń narażonych na mechaniczne zużycie (walce i szczęki do łamania twardych materjałów, szyny i zwrotnice kolejowe w miejscach wielkiego ruchu i t.p.) oraz jako zupełnie niemagnetyczna na wyroby, gdzie ta własność jest potrzebna. Wytrzymałość tych stopów dochodzi do 76 kg/mm², wydłużenie do 33°/₀. Odlewy są trudne do wykonania gdyż skurcz ich dochodzi do 2'6°/o, wymagają wielkich nadlewków i wyżarzania. Są bardzo trudno obrabialne, prawie wyłącznie krążkami szlifierskiemu

Do pewnych celów bywają wyrabiane także odlewy ze stali chromowej ichromow o-w anadowej.W ostatnich latach pojawiły się narzędzia lane (rydła i frezy) ze stopów c hr o m o w o-k o b a 11 o w y c h i chromowo-wanado wych.

14. Błędy odlewnicze.

Nie jest rzeczą możliwą wyliczyć i przedstawić wszystkie przyczyny i możliwości powodujące powstawanie wadliwych odlewów, zwłaszcza że przyczyny te zazwyczaj nie występują pojedynczo ale się komplikują, jako błędy konstrukcji, roboty, wady materjału formierskiego, metalu odlewanego i t. d.

Pomijając błędy przypadkowe wskutek których odlew jest niezdatny do użytku, zajmiemy się tylko powstałemi w nim tego rodzaju błędami, jakie nie czyniąc go koniecznie nieudanym, wpływają jednak na zmiany w jego materjale.

Pominiemy również wypadki gdzie uszkodzenie odlewu daje się naprawić zapomocą stopionego metalu, gdyż o naprawach takich będzie mowa w rozdziale o połączeniach stapianych.

Żużlowatość i przerwy w odlewie, (idy metal napełniając formę odbywa zbyt długą drogę w obwodzie zamkniętym (np. we formach kół, rur i t. p.), i płynące z dwóch stron strumienie spotykają się ze sobą, to wskutek ostudzenia metalu mogą się one całkowicie lub częściowo nie złączyć (zlać), lecz tylko zetknąć; na przeszkodzie złączeniu staje tlenek, powstający szybko na niezakrytej powierzchni stopionego metalu, który tworząc żużel z innemi składnikami żelaza (krzem, mangan) przegradza spotykające się strugi. Podobny wypadek zachodzi często podczas wlewania metalu do formy, jeżeli ta czynność zostanie przerwana, choćby na krótko.

Niewypełnienie formy i niezłączenie się strumieni żelaza, całkowite lub częściowe, zachodzi także, gdy metal jest gęstopłynny, np. wskutek za wielkiej zawartości siarki.

Na rys. 134 widzimy takie wadliwe miejsce zetknięcia się, wywołane przerwą w dopływie żelaza do formy, przy współdziałaniu za dużej przymieszki siarki. Ciemne plamy pochodzą od tlenku przegradzającego obie warstwy żelaza, okrągłe,— jaśniejsze, są skupieniami siarczku.

X ostrych.

Żelazo gesłopłynne, nie wnikając w kąty i drobne wklęsłości formy, tworzy w odlewie zaokrąglone krawędzie zamiast

• V >

/ .....

• . '“i *    *ł

1. - --r^lnuiini 11 ;

. \    Powodem niewypełnionych

/•

i",

ST*

"w

A miejsc w odlewie bywa także ż n ż e 1- gdy się dostanie do formy podczas wlewania żelaza, a nie wydobędzie się z niej przez wlewy; takie miejsce wypełnione żużlem jest oczywiście szkodliwe dla odlewu.

Rys. 134 (x 75, St. u. E.).

Porowatość. Nazywamy tak liczne, drobne otworki w odlewie, na samej powierzchni lub głębiej. Odlew porowaty powstać może z wielu przyczyn, najczęstszą jest jednak gęstopłynność żelaza i niedostateczna przepuszczalność formy dla gazów wydzielających się z żelaza i formy, oraz powietrza i ewent. pary wodnej (uchodzących z formy podczas odlewania). Gdy metal jest rzadkopłynny, gazy uchodzą z niego swobodnie, i przez przepuszczalne ściany formy wydostają się na zewnątrz, gdy jest gęsty t. j. za zimny lub zanieczyszczony siarką, albo ściany formy są nieprzepuszczalne (za mocno ubite), gazy zatrzymują się w żelazie i powodują porowatość.

Wydzielenia powstają przy powolnem tężeniu grubych części; szybciej ostudzona powierzchnia odlewu ma wtedy odmienny skład niż wolno tężejące wnętrze. Oprócz tego objawu występują jeszcze inne, a mianowicie wydzielenia nerk o watę, zawierające zwykle więcej fosforu niż wykazuje średni skład żelaza.

Gdy żelazo spadając z wysoka do formy rozpryskuje się, odbite kropelki powlekają się warstewką tlenku; tlenek wskutek działania węgla zawartego w żelazie doznaje redukcji, wskutek

czego dokoła kropelki wytwarza się szczelinka w}^pełniona tlenkiem węgla. Analizy kropelek tych, mających kształt kulisty, wykazują większą zawartość siarki; to wydzielanie się siarki ma ułatwiać tworzenie się kulek. Kulkę w ten sposób powstałą widzimy na rys. 135, a na rys. 136 wydzielenia siarki (czarne) dookoła miejsca wypełnionego kulkami⁹).

Rys. 135 (x7.5, Baumann).

Rys. 136 (n. w. Baumann).

Skurcz. Najczęstszym powodem błędów w odlewach jest kurczenie się stygnącego w formie żelaza. W odlewnictwie żeliwa przyjmuje się zwykle współczynnik kurczenia się (skurcz) równy 1 °/₀, w istocie jednak wykazują materjały odlewnicze skurcz znacznie od powyższej liczby odmienny. Na jego zwiększenie wpływa zawartość manganu i siarki, przeciwdziałających wydzielaniu się grafitu, a na zmniejszenie dodatek krzemu, ułatwiający to wydzielanie. Grafit, wykrystali-zowując się, zwiększa objętość żeliwa, a tern samem obniża jego skurcz. Ponieważ wydzielanie się grafitu zależne jest nadto od szybkości tężenia żelaza, a zatem także od grubości odlewu, przeto ze zmianą tych czynników zmienia się także skurcz, jak to potwierdza następująca tabelka⁸²) uwzględniająca zarówno różne zawartości krzemu, jak i różne grubości odlewu, w postaci kwadratowych prętów:

Skurcz przy grubości pręta w mm

' Krzem °/₀

13    25    51    76    102

1.0

Skurcz żelaza kujnego (stali) w odlewach wynosi 1*6 — 2°/₀.

Objawy skurczu występują w odlewach jako jamy od-1 e w ni c z e i naprę żenią.

2.0

2.5

Jamy odlewnicze. Metal wlany w formę oziębia się od jej ścian i tworzy cienką skorupę, otaczającą płynny materjał; kurcząc się dalej swobodnie w miarę dalszego stygnięcia, i nie mogąc po stężeniu wypełnić przestrzeni w obrębie początkowo

13

'A

/j

Rys. 137.

W:

mm

“•1

mm

Rys. 138 (x 5. St. u. E.).

stężałej skorupy, pozostawia pustą przestrzeń zwaną jamą odlewniczą. Jama powstaje wszędzie tam, gdzie w odlewie jest nagromadzony materjał w większej ilości, więc w miejscach grubszych, w których metal najdłużej jest płynny. Rys. 137 przedstawia taki odlew z jamami wytworzonemi w miejscach podlegających czy to obróbce czy działaniu natężeń. Im większa jest różnica objętości stopionego żelaza, a zimnego, i im nagiej odbywa się tężenie zewnętrznej warstwy, tern większa tworzy się jama. Wielkość jej zależy więc od skurczu właściwego stopionemu metalowi, jego temperatu-ry (przegrzania), grubości JmmR ścian odlewu i szybkości tężenia w formie. Jama raplgp spowodować może wprost zepsucie odlewu, gdy jej rozmiary wychodzą poza granice obrabianych po-wierzchni przedmiotu, a gdy po obrobieniu po-zostanie ukryta wewnątrz, wywołuje jego osłabienie wskutek zmniejszenia przekrój u. Mając nieregularny kształt i ostre (pokryte kryształami) brzegi, daje jama często powód do pęknięć i złamań (przez działanie karbu). Rys. 138 pokazuje taką jamę w pręcie.

W okolicy jamy gromadzą się także zanieczyszczenia

obcemi ciałami (żużel), osadzają bańki gazów, wydzielają w większej ilości szkodliwe składniki, wogóle następuje pogorszenie dobroci materjału. Aby go uniknąć należy starać się aby jama nie mogła powstać w odlewie. Zależy to najpierw od konstruktora, który w miarę możności powinien starać się, by w projektowanym przez niego przedmiocie materjał nie był gromadzony w większych grubościach obok miejsc cienkich, dążyć do zachowywania równych wymiarów, rozkładać materjał umiejętnie i dobierać kształty nie sprzyjające powstawaniu jamy. Ponieważ jest to trudne a często niemożliwe, starać się trzeba nie dopuścić powstania jamy przez odpowiednie

/>

7,

7,

7,

7/

77X7

v7m 777/

Rys. 139.

przygotowanie modelu i formy, oraz umiejętne wykonanie odlewu. Najwięcej stosowanym środkiem jest wykonanie nad-lewka; jest to dodatek do odlewu, będący albo rozszerzonym wlewem albo odrębną częścią o większych wymiarach (zwłaszcza szerokości) niż ma miejsce, które chcemy od jamy ochronić; wskutek tego tężenie żelaza kończy się najpóźniej w nadlewku i w nim tworzy się jama. Nadlewek następnie odcina się i w ten sposób otrzymuje odlew bez jamy. Przykład zastosowania nad-lewka widzimy na rys. 139. W odlewie cylindra parowego wykonanym bez nadlewka (A) wytworzy się jama u góry, tam gdzie jest najwięcej materjału i gdzie on przez to najpóźniej zastyga; w miejscu tern będą występowały największe natężenia, nie można więc dopuścić powstania jamy biegnącej dokoła cylindra. Zapobiega się jej stosując nadlewek (B) i przez

13

Żelazo.

to przenosząc do niego nieuniknioną jamę a następnie odcinając go, jak wskazuje linja kreskowana.

4a-K

W,

'A

Rys. 140.

Z powodu, że gruby nadlewek zużywa wiele żelaza i powoduje znaczne koszta odcinania, nie należy dawać mu wymiarów większych niż konieczne, ale nie można także zbyt ich skąpić bo wtedy nadlewek nie spełni swego przeznaczenia. Na rys. 140 widzimy część takiego samego cylindra jak poprzednio, jednak z nad-lewkiem za wąskim, wskutek czego żelazo u nasady nadlewka wcześniej zastygło niż poniżej i powyżej. Przez to wytworzyła się wprawdzie jama w nadlewku ale powstała także w miejscu, które chciano przed nią ochronić. Za regułę trzeba przyjąć, że nasada nadlewka powinna mieć grubość (a) laką samą lub większą niż miejsce (b) w odlewie w którem chcemy jamy uniknąć, bo wtedy żelazo w ujściu nadlewka nie skrzepnie wcześniej niż odlew i w miarę kurczenia się płynnego metalu w formie, będzie on dopływał z nadlewka.

//% 1222222

Nieodpowiednia konstrukcja uniemożliwia czasem wykonanie odlewu wolnego od jamy, — przez nieistotną i drobną w niej zmianę zapobiega się temu.

//

S32 ?-

Rys. 141.

Rys. 141 przedstawia dwie konstrukcje kół zębatych z wieńcami pełnemi, w których zęby mają być w}^-cięte. Jest więc niedopuszczalne aby tam powstała jama. Szkic A mimo projektowanego nadlewka u-niemożliwia uniknięcie jamy, ponieważ zgrubienie w środku wraz z rąbkiem

opóźni tężenie tej części odlewu i jama w niej musi się wytworzyć; konstrukcja na szkicu B nie zawiera tego błędu i zapewnia przeniesienie jamy do nadlewka ⁷⁷).

Innym sposobem zapobiegania jamie jest stosowanie w formie grubych kawałków żelaza tz. ko kil w sąsiedztwie zagrożonego miejsca, celem szybkiego ostudzenia go, przez co jama nie powstanie. Przykład stosowania kokil w formie do odlewania cylindra na parę przegrzaną przedstawia rys. 142 ⁷⁷). Kokile nie mogą być za grube aby nie wywołały zbyt nagłego stężenia i wytworzenia twardej i nieobra-bialnej warstwy białego surowca, albo naprężeń. Działają one na niewielką odległość, przez co stosowanie ich jest ograniczone, a ponieważ są kosztowne, opłacają się tylko przy wielkiej liczbie odlewów.

Naprężeńja w odlewach wy-stępują podobnie jak jamy wskutek skurczu tężejącego i stygnącego żelaza, gdy swobodnemu kurczeniu się sto ją w drodze jakieś przeszkody.

Przeszkody mogą być zewnętrzne i wewnętrzne, pierwsze z nich to części formy, nadlewki i istotne części odlewu, utrudniające swobodę jego ruchu podczas ostygania, wewnętrzne to jego kształt i wymiary wpływające przyspieszająco lub opóźniająco na stygnięcie, które przez to odbywa się nierównomiernie. Wskutek jakiejkolwiek z tych przeszkód odlew nie może się tak kurczyć jak tego wymaga natura metalu, i spotykając opór, doznaje naprężeń. 0 ile one przekraczają granice sprężystości, objawiają się trwałe odkształcenia (wydłużenia, skrzywienia), o ile zaś przekroczą granicę wytrzymałości, wywołują p ę-knięcia. Jeżeli ani jedno ani drugie nie nastąpi, pozostaje w odlewie ukryte naprężenie, które przy warunkach sprzyjających (zmiana temperatury, obciążenie, obróbka i t. p.) wyzwolą się, rozrywając natężoną część.

Pęknięcie zdarzyć się może zaraz po odlaniu, na gorąco,

OH

PI

sd GS.--

i!

Rys. 142. (St. u. E.).

13*

wtedy powierzchnie rozerwania pokrywają się warstwą tlenku, tz. nalotem, i tym objawem pozwalają się odróżnić od pęknięć na zimno, zachodzących po wystygnięciu przedmiotu np. w czasie jego obróbki lub podczas ruchu urządzenia, którego są częścią.

Naprężenia mogą występować w odlewie przemijają c o, i są niebezpieczne tylko w czasie stygnięcia odlewu a później znikają, albo też pozostają trwale, nie wyswoba-dzając się nigdy, lub też, gdy wystąpią odpowiednie warunki, wywołując niespodziewane i nagłe odkształcenia lub pęknięcia.

Przyczyna naprężeń może b}rć jak mówiliśmy, zewnętrzna, i tę należy ile możności usunąć podczas wyrobu formy, odlewania i stygnięcia, lub wewnętrzna, spowodowana kształtem przedmiotu. Pierwsza z nich wywołuje zwykle pęknięcie w formie i jest przez to mniej niebezpieczna niż druga, która o ile nie spowoduje tego samego, to wywoła ukryte w odlewie naprężenia, grożące zawsze niebezpieczeństwem nagłego pęknięcia.

Naprężenia w odlewie powstają w następujący sposób, przedstawiony na beleczce (rys. 143) odlanej z materjału

Rys. 143.

o znacznym skurczu, (np. ze stali), której górna i dolna powierzchnia znajduje - - "7j się w odmniennych warunkach stygnięcia, gdyż część A jest cieńsza, część B grubsza. W chwili odlania obie części są jednakowo długie; gdyby stygły równomiernie, to ich kurczenie proporcjonalne do spadku temperatury, odbywałoby się jednakowo i naprężenia nie mogłyby powstać. Ponieważ jednak grubsza część B stygnie powolniej, cieńsza A sz}rbciej, kurczą się więc nierównomiernie, muszą wystąpić naprężenia: część zimniejsza A jako więcej skurczona, będzie stawiała opór kurczeniu się gorętszej od niej, a więc dłuższej części B, przez co powstaną w niej natężenia ściskające, w części B rozciągające. Część B może przez to ulec rozerwaniu albo obie wygięciu. Jeżeli nie stanie się ani jedno ani drugie, a więc wytrzymałość zniesie naprężenia, to po wystygnięciu beleczki obie części będą jednakowo długie i naprężenia między niemi znikną.

Taki prosty wypadek zajdzie jednak tylko wtedy, jeżeli

_ stygnięcie będzie tak powolne, że różnice długości obu części wystąpią dopiero wtenczas, gdy obie wyjdą już ze stanu plastyczności, w jakim znajdowały się po odlaniu i z rozpoczęciem stygnięcia. Wiadomo bowiem, że każdy metal jest w pewnym stopniu plastyczny w stanie rozgrzanym i zachowuje nadany mu kształt, a w stanie zimnym elastyczny i po odkształceniu wraca, przynajmniej częściowo, do pierwotnej postaci. Stopnie tych własności są różne, stal np. jest bardzo plastyczna w stanie rozgrzanym a elastyczna w zimnym, żeliwo podatne tylko w stanie płynnym a zresztą praktycznie

Ts

C,

Tp

Rys. 144.

nieplastyczne. Jako typ materjału obieramy dla naszej beleczki stal; od chwili stopienia aż do ostudzenia do ciemnoczerwonego żaru jest ona plastyczna, później zaczyna przechodzić w stan elastyczny, granica leży około 600°. Stygnięcie jej przedstawia wykres (rys. 144); na osi pionowej zaznaczone są temperatury, na poziomej czas trwającego stygnięcia. Punkt Ts oznacza temperaturę metalu płynnego po wlaniu do formy, Tp temperaturę w której metal przechodzi ze stanu plastycznego w elastyczny, i już stale w nim pozostaje. Pozioma linja przechodząca przez punkt Tp dzieli więc wykres na dwie strefy, górną P kurczenia się plastycznego i dolną E kurczenia elastycznego.

W pierwszych chwilach po wlaniu do formy, stal stykając się z jej zimnemi ścianami, stygnie jednakowo, po czasie Q część cieńsza (A na rys. 143) zaczyna stygnąć szybciej (gałęź a krzywej), grubsza (B na rys. 143) wolniej (gałęź b). Jak długo obie kurczą się plastycznie, niema naprężeń ani odkształceń, z chwilą jednak gdy jedna z nich (cieńsza) przejdzie w stan elastyczny (punkt C₂) będzie zmuszała część jeszcze plastyczną (grubszą) tak samo kurczyć się jak ona tj. szybciej; pod tym naciskiem część plastyczna (B) dozna skrócenia przy równoczesnem zgrubieniu.

Gdybyśmy w tym okresie, tj. przed punktem C₃ rozłączyli obie części beleczki i pozwolili im zastygnąć swobodnie, to część A byłaby dłuższa a cieńsza, część B wskutek doznanego plastycznego ściśnięcia, krótsza a grubsza; ponieważ jednak stanowią one nierozłączoną całość, więc po przekroczeniu punktu C₃ będą się obie kurczyły wspólnie a zatem elastycznie. Ponieważ część A ma w punkcie C₃ temperaturę niższą niż B, przeto skurcz jej po ostygnięciu do temperatury normalnej będzie mniejszy niż skurcz gorętszej części B, i powstać muszą, jak już wiemy z rozdziału o naprężeniach, w części A natężenia ściskające, spowodowane dążeniem części B do większego skurczenia się, a w części B rozrywające, wskutek oporu mniej kurczącej się części A. Jeżeli wytrzymałość materjału jest mniejsza niż powstałe natężenia, to część B ulegnie pęknięciu, jeżeli zaś materjał jest ciągliwy, to belka wygnie się w ten sposób, że część A szybciej stygnąca i opierająca się kurczeniu stanie się wypukłą (rys. 143 linje kreskowane), część B dążąca do dalszego skurczenia, dozna wygięcia wklęsłego.

Przenosząc powyższe rozważania z przedmiotów o bardzo prostych kształtach na odlewy o postaci złożonej, będziemy mieli ten sam wypadek, że części stygnące szybciej (cienkie) spowodują w częściach wolniej chłodzonych odkształcenia plastyczne, wskutek czego powstaną w odlewie odkształcenia trwałe, ściskające w pierwszych, rozciągające w drugich, i albo odrazu nastąpi ich wyrównanie przez pęknięcie lub wygięcie, albo naprężenie utai się aż do wypadku wyzwalającego naprężenia wskutek działania zewnętrznych czynników. Przy nierów-nem stygnięciu części tego samego odlewu wystąpią naprężenia tem silniej, im większe są różnice w szybkości stygnięcia, im

większy skurcz metalu i im gorsze jego przewodnictwo cieplne. Dla wyjaśnienia posłużą pewne przykłady wzięte z praktyki.

Rys. 145.

A4- P

Rys. 146 (St. u. E.).

Odmienne występowanie naprężeń w takich samych organach, zależnie od rozkładu materjału, przedstawia rys. 145. Na szkicu C widzimy koło pasowe, którego cienki wieniec prędzej zastyga niż grubsze od niego ramiona. Wieniec tężejąc i kurcząc się wywiera nacisk na ramiona będące jeszcze w stanie // plastyczności, wskutek czego pod- /7 / dają się one bez oporu pewnemu Jj_y odkształceniu. Gdy ramiona zaczną się kurczyć a sztywny wieniec już się nie poddaje, wystąpią natężenia rozciągające, mogące spowodować pęknięcie części ramion, jak wskazuje szkic.

Natomiast gdy wieniec jest gruby, jak na szkicu koła rozpędowego (D), to ramiona stężeją wcześniej i jako sztywne opierają się kurczeniu wieńca, który pęka, o ile natężenia są zbyt wielkie.

Na rys. 146 widzimy stalowy krąg korbowy, należący do wielkiej maszyny, z trzema cienkiemi ramionami i grubą korbą, składającą się z piasty B i osady czopa korbowego A, co wszystko powoduje znaczne w tern miejscu nagromadzenie materjału. Nie ulega wątpliwości, na podstawie tego co widzieliśmy na przykładzie z kołem pasowem, że w korbie, stygnącej znacznie później niż ramiona, powstać musiały naprę-żenią rozciągające które spowodowały pęknięcie odlewu po linji a—b ⁶⁶).

Rys. 147 przedstawia przekrój pokrywy wzmocnionej

yyy/////////////////////'///.‘///////M.

Rys. 147.

żebrami, która wskutek wewnętrznych napięć uległa pęknięciu iak to widzimy na rys. 148.

i l!

Rys. 148.

Natężenia rozrywające powstały w piaście, i dlatego spowodowały rozerwanie, że cienko rozłożony materjał na obwodzie pokrywy zastygł znacznie prędzej niż piasta zawierająca wiele żelaza a nadto wzmocnio-\ na licznemi żebrami, dopoma-¹ gająeemijej zatrzymywać ciepło. pP W ten sposób konstruktor zamiast zamierzonego wzmocnienia piasty żebrami, wywołał skutek wręcz przeciwny.

Aj

Rys. 149 (St. u. E.).

Rys. 149 A przedstawia schematycznie cylinder parowy o podwójnych ścianach, złączonych z obu stron dla szczelności; ponieważ ściana wewnętrzna jako grubsza będzie tężeć znacznie wolniej niż cienka zewnętrzna, powstaną w niej natężenia rozciągające, które mogą spowodować pęknięcie cylindra. Gdyby cylinder wykonano jak szkic B, tj. bez drugiego złączenia, wymagającego co prawda szczelnej pokrywy, naprężenia nie mogłyby powstać.

Pęknięcie cylindra z powodów podobnych widzimy na lewej stronie cylindra motoru gazowego przedstawionego na

T/Y"

rys. 150. Mimo, że konstruktor przez umiejętny rozkład grubości wszystkich części chciał zapobiedz naprężeniom, jakie wywołują nierówne grubości ścianek w przykładzie na rys.

149 A, to jednak nie osiągnął jeszcze przez to równomiernego chłodzenia i nie zapo- _ biegł pęknięciu wskutek naprężeń ⁹⁵).

Rys. 150 (St. u.

Zapobieganie naprężeniom w odlewach. Odlew nawet prostych kształtów nie stygnie równomiernie, i bez przesady można powtórzyć zdanie doświadczonych odlewaczy, że niema odlewu bez naprężeń. Zależy tylko na tern aby one były nieszkodliwe, tj. nieznaczne, i nie mogły wywołać zepsucia odlewu czy to zaraz po wykonaniu, czy później, z współdziałaniem sił zewnętrznych, co jest jeszcze niebezpieczniejsze.

Naprężeniom zapobiegać powinien konstruktor, projektując stosowne kształty; — przez odpowiednie wykonanie formy i postępowanie podczas i po odlewaniu zapobiega im kierownictwo warsztatu, tak samo jak przez stosowanie środków usuwających naprężenia istniejące w odlewie gotowym.

Konstruktor projektując odlewane części o kształtach złożonych, powinien mieć świadomość, że odlew nie jest ciałem jednolitem, w którem siły wewnętrzne są w równowadze, i że nie wystarczy projektując części odlewane stosować bezkrytycznie podane mu liczby wytrzymałości materjałów z jakich będzie wykonany odlew, zapominając o komplikacjach występujących podczas odlewania, które wywołują naprężenia. Naprężenia te mogą być kilkakrotnie wyższe od natężeń wynikających z obliczenia sił działających w projektowanej maszynie gdy będzie pracowała; mogą się one z niemi sumować i dawać obciążenia bardzo wysokie, mogą też przeciwdziałać im, i tam> gdzie według obliczenia mają w żeliwnych odlewach występować mało dla nich niebezpieczne natężenia ściskające, objawić się mogą rozciągające, dla tego materjału niebezpieczniejsze.

Konstruktor powinien mieć też na uwadze, że zwiększając grubość ścian stosownie do wielkości przyszłego obciążenia

osiągnąć może coś całkiem przeciwnego niż zamierzał, gdy np. zgrubienie, zamiast wzmocnić daną część, spowoduje naprężenia sumujące się z obciążeniem.

Najważniejszym czynnikiem niedopuszczającym naprężeń jest równomierne stygnięcie odlewu; konstruktor może się do tego przyczynić, stosując w odlewie jednakie grubości jak to widzieliśmy na rysunku (150) cylindra i starając się o równomierny rozkład materjałów, aby ciepło nie mogło się zatrzymywać w jednych częściach dłużej niż w innych. Doniosłą jest również rzeczą tak budowę obmyślić, aby było jak najmniej punktów wiążących ze sobą części odlewu (jak na rys. 149 A w przeciwieństwie do B), co utrudnia swobodne kurczenie się i dopomaga do wytworzenia naprężeń.

Wiemy z cytowanego przykładu (rys. 150), że starania o równe grubości w odlewie dla uniknięcia naprężeń nie zawsze do celu prowadzą, jednak odlewnia łatwiej poradzi sobie z takim odlewem przez stosowne chłodzenie go, niż z odlewem w którym obok części cienkich znajdują się grube. Jest to zresztą rzadki wypadek by wszystkie części odlewu mogły mieć jednakowe grubości i jednomierny rozkład materjału; gdy więc konstrukcja wymaga aby cienkie części łączyły się z grubemi, należy przejścia między odmiennemi wymiarami

robić stopniowo a nie nagle, bo w takim razie część gruba tężejąc i kurcząc się później, niewątpliwie oderwie się od cieńszej, już stężałej.

za

Rys. 151.

Nagromadzenie ma-terjału wyłącznie po j ednej stronie spowodować może, jak wiemy, skrzywienie, niweczące używalność odlewu. Przykładem tego jest łoże tokarki (rys. 151), w którem u góry materjał jest skupiony, aby wytworzyć potrzebne kierownice dla części ruchomych; kierownice muszą być sztywne aby się nie uginały, więc grubość tej części łoża jest stosunkowo znaczna. Ponieważ dolna część (podstawa) łoża ma na celu tylko oparcie go na posadzce,

wystarczyłaby jej grubość ścianek taka sama jak w środku; w tym wypadku jednak cienkie ścianki ostygłyby prędzej niż kierownica, i łoże wygięłoby się wklęsło ku górze, analogicznie do rys. 143. By temu zapobiec, trzeba było po przeciwnej stronie kierownicy a więc u podstawy, nagromadzić materjał w takiej ilości, aby tężenie spodu odbywało się równocześnie z górą i nie mogły wystąpić natężenia wyginające.

W pewnych wypadkach można przez małą tylko podatność konstrukcji zapobiec naprężeniom wynikającym z nierównomiernego stygnięcia. Na rys. 152 widzimy koło wagonowe

Rys. 152.

o grubym wieńcu, który zastyga później niż cienka tarcza łącząca go z piastą; gdyby tarcza nic nie była podatna, powstałyby w wieńcu niebezpieczne naprężenia rozciągające albo pęknięcie, tak jak koła na rys. 145 D. Przez zastosowanie tarczy wygiętej, która pod naciskiem kurczącego się wieńca nieco się jeszcze wygina, zmniejszają się w wieńcu naprężenia.

Rys. 153 (St. u E.).

Przez podzielenie od-lewu na części można nieraz zapobiec skutecznie naprężeniom. Koło zamachowe z grubym wieńcem (jak na rys. 145 D) można od naprężeń uchronić przez podzielenie go na dwie połowy; połowy te odlewa się oddzielnie ale równocześnie, a następnie łączy śrubami lub pierścieniami skurczowemi, i razem obtacza.

Dla uniknięcia naprężeń i pęknięć w cylindrach wykonuje się często cylindry w dwóch częściach, skręcanych następnie ze sobą, jak wskazuje rys. 153, a w środku umieszcza osobną tuleję.

Dalszym środkiem uniknięcia naprężeń jest umiejętne przygotowanie formy; począwszy od roboty modelu przewi-

dywać trzeba naprzód wszystko co może być niebezpieczne i starać mu się zapobiec. Ponieważ pękanie odlewu w stanie gorącym, jeszcze w formie, wynika często z jej sztywności, trzeba się starać nietylko oto, by forma nie była nieprzepuszczalna, lecz by jej części a więc i rdzenie, poddawały się odlewowi w miarę jak się kurczy. To się daje w pewnych wypadkach osiągnąć przez zastosowanie podatnych lub elastycznych rdzeni i wkładek.

Kiedy odlewom nie można dać jednakowych wymiarów dla równomiernego stygnięcia, należy zastosować sztuczne chłodzenie odlewu w formie, do czego nadają się kok ile, stosowane jak już wiemy dla uniknięcia jam. Na rys. 154 widzimy zastosowanie kokili przy wyrobie formy dla wielkiego tłoka motoru gazowego ⁶⁶); dokoła zewnętrznego obwodu odlewu znajduje się gruba żelazna obręcz (kokila), która odbierając mu ciepło, umożliwia równoczesne stygnięcie wieńca i znacznie cieńszej od niego podstawy.

Gdy zastosowanie kokil nie jest możliwe albo nie wystarcza, można odlew chłodzić w formie wodą krążącą w rurach.

!!!•!!' • ;

wzJ

Bpisiaisi

1*11*5# :r.

*1-'    :v/. i

SHB

tyli:

MB.

, j v.

Rys. 154 (St. u. E).

Zarówno stosowanie kokil jak i sztuczne chłodzenie działa tylko na niewielką głębokość i jest przytem kosztowne; można więc używać go tylko wtedy, gdy nie można nie dopuścić naprężeń umiejętną konstrukcją, i kiedy wykonywa się większą liczbę odlewów, rozdzielając na nie w ten sposób koszta kokili lub urządzeń chłodzących.

Odwrotnie do poprzedniego środka, mającego na celu chłodzenie części grubych, stosowane bywa niekiedy o gr z e-wanie cienkich, ahy nie stygły za szybko.

Jeżeli nie można przez stosowną konstrukcję zapobiec nagłemu przejściu części cienkiej w grubą bez dostatecznego przegubu, i jest możliwość powstania w czasie ostygania pęknięcia

a nawet oderwania się obu części od siebie, stosuje się między niemi cienkie żebra wzmacniające (rys. 155) które mają podwójne zadanie, raz wzmocnienia łączności między obiema częściami przez to, że tężejąc wcześniej niż one, wiążą je ze sobą, a powtóre, że odbierając ciepło gorętszej tj. grubszej części, a doprowadzając je do chłodniejszej (cienkiej), wyrównywują do pewnego stopnia czas stygnięcia obu. Żebra takie wycina się w gotowej formie, a później, o ile stanowią w konstrukcji przeszkodę, usuwa przez odcięcie. Aby żebra przez zwiększenie masy materjału nie przyczyniały się do powstawania jamy lub naprężeń (jak na rys. 148), można w nich zastosować otwory w miejscu niebezpiecznem, jak to uwidoczniono na tym samym rysunku.

Rys. 155.

Ostatnim środkiem usunięcia naprężeń jest wyżarzanie odlewu po wyjęciu z formy, o czem była już mowa w roz-

dziale o odlewnictwie stali.

Krystalizacja. Jeszcze jednym objawem niebezpiecznym podczas stygnięcia odlewu są zjawiska krystalizacji. Każdy

Ryc. 156 (M. - H. II. A ).

metal tężejąc tworzy kryształy, które są tern większe i tem swobodniej się układają, im powolniejszy jest proces tężenia. Wytwarzają się one prostopadle do powierzchni stygnącej, jak to widzimy na rys. 156, przedstawiającym przełom surowego bloka stalowego ⁶²). Na prostopadłych skrzyżowaniach dwóch powierzchni tworzą się w kierunku przekątni graniczne linje zetknięcia odmiennie zorjentowanych kryształów; przekątnie te przedstawiają linje najmniejszego oporu, gdzie w razie uderzenia następuje pęknięcie. Linje takie tworzą się w ostrych załamaniach powierzchni odlewu (rys. 157 a), a więc w miejscach w których objawia się działanie karbu, i ułatwiają powstanie pęknięcia. Jeżeli nie będzie tam ostrego

przejścia ale przegub, to kryształy układając się prostopadle do powierzchni (rys. 157 b), nie wytworzą takiej niebezpiecznej granicy zetknięcia.

Konstruktor umieszcza w takich miejscach przeguby (rys.

(0

CD

IUU1IB

~^r

c

Rys. 157.

Rys. 158.

158) aby naroża nie były ostre (jak a) lecz więcej lob mniej zaokrąglone (b i c). I tu trzeba jednak zachować krytyczną miarę, by wskutek przegubu nie wywołać takiego zgrubienia (jak w c), które przez powolne stygnięcie spowodowałoby powstanie jamy a także wywołało naprężenia.

15. Łączenie żelaza zapomocą stopionego

metalu.

Dwa kawałki żelaza można ze sobą połączyć w łatwy sposób zapomocą stopionego a następnie stężałego żelaza.** W tym celu końce, wzgl. brzegi łączonych przedmiotów stapia się tak, by płynne żelazo obu części spłynęło się razem, lub też przestrzeń między stopionemi na powierzchni częściami wypełnia się płynnem żelazem, które po skrzepnięciu wytwarza połączenie.

Rys. 159.

Sposób ten zwany stapianiem stosowany bywa do różnych celów: naprawiania nieudałych lub uszkodzonych odlewów i kutych przedmiotów, łączenia prętów, rur, blach itp. zwłaszcza to ostatnie znalazło obszerne zastosowanie. Zasadę [ wykonywania takich połączeń przedstawia rys. 159. Przedmioty cienkie łączy się (a) stapiając ze sobą ich końce, grubsze (b) przycina się ukośnie i między stopione brzegi wlewa stopione żelazo, zwykle z pręta, który równocześnie się topi, jeszcze grubsze przycina się obustronnie (c) i z obu stron zalewa stopionym metalem. Obraz takiego połączenia widzimy na rys. 160.

tm*

Jest kilka metod stapiania, polegających głównie na zastosowaniu odmiennego źródła ciepła do topienia żelaza, co wpływa nietylko na przyrządy i urządzenia ale także na własności wykonanego połączenia.

Rozgrzewanie stopionem żelazem. Najdawniejszy i w odlewniach żelaza dotychczas często używany sposób naprawiania zepsutych odlewów, polega na doprowadzeniu do po-wierzchni uszkodzonego miejsca płynnego żeliwa, które ogrzewając je doprowadza do stopienia. Rys. 161 przedstawia

mm

s."v •

Rys. 161. (St. u E.).

naprawianie powyższą metodą walca, u którego czop (a) jest odłamany; walec jest tak zakopany w ziemi, że wystaje tylko złamana górna część, wymagająca uzupełnienia nowym kawałkiem (a). Ta część otoczona jest formą piaskową, a w miejscu sąsiadującem z powierzchnią złamania znajduje się odpływ (b) do kotliny (c) dla żelaza użytego do rozgrzania. Górnym otworem formy wlewa się roztopione i możliwie wysoko przegrzane żelazo tak długo, aż prętem włożonym do formy wyczuje się, że materjał na powierzchni złamąnia zaczyna się topić od ciepła żelaza przepływającego kanałem (b); wtedy kanał ten zatyka się i formę napełnia do wierzchu żeliwem.

Powierzchnia, z którą ma być złączona nowo odlana część, musi b}⁷ć metalicznie czysta, bez śladu rdzy tub jakiegokolwiek zanieczyszczenia, bo to powoduje porowatość złączenia, czyni je niezupełnem lub zupełnie uniemożliwia. Odlewy o kształtach złożonych i wielkich rozmiarów powinny być poprzednio ogrzane, aby nie powstały szkodliwe naprężenia wskutek niejednakowej temperatury poszczególnych części.

Roboty tego rodzaju są trudne, a choć przy nabytem doświadczeniu i wprawie udają się, są jednak kosztowne, bo zużywają wiele stopionego żelaza na rozgrzanie miejsca złączenia.

Rozgrzewanietermitem.Inny spo-. sób łączenia przedstawią zastosowanie termitu (p.str.153).Rys. 162ilustruje sposób łączenia złamanych części od-    '

lewu. Powierzchnie złączenia oczysz-

cza się, rozszerzając odstęp między niemi przez wycięcie części materjału, poczem otacza formą, w miejscu przyszłego złącza, tak rozszerzoną, aby po wlaniu metalu powstało zgrubienie, potrzebne do nagromadzenia większej ilości gorącego materjału. W tyglu t ustawionym nad wlewem formy zapala się nabój termitu, a skoro reakcja się ukończy, przebija się dno tygla i wpuszcza żelazo do formy; wytworzony żużel spływa do ustawionego z boku naczynia z. Gdy formy są wielkie, stosuje się tylko pewną ilość żelaza termitowego aby wywołać stopienie brzegów przedmiotu, a resztę formy wypełnia płynnem żelazem tego samego rodzaju, co w naprawianym przedmiocie.

W obu opisanych sposobach stapiania stosowanego do naprawiania odlewów, będzie struktura w nowo wytworzonej części w zasadzie podobna do części starych, różnić się może użytym materjałem, który jednak można jak najpodobniej dobierać, a głównie różni się wielkością ziarn spowodowaną przegrzaniem materjału uzupełniającego.

Rozgrzewanie zapomocą prądu elektrycznego. Wykonywa się je kilku podobnemi zresztą do siebie sposobami, w których źródłem ciepła jest płomień (łuk) elektryczny.

•o;

.o*.

[•T

1 .............

emn

-_____

Rys. 163 (St. u. E.).

Najwięcej obecnie bywa stosowana metoda Sławią nowa objaśniona rys. 163, przedstawiającym naprawianie porowatego czopa u wal-ca. Czop wywiercony do zdrowego żelaza jest dokoła obformo-wany. Jeden biegun irądnicy łączy się z walcem w (miejscu P), drugim, dodatnim jest żelazny pręt a osadzony w izolowanej rękojeści. Skoro pręt zostanie zbliżony do czopa, powstaje między niemi łuk elektryczny, który rozgrzewa materjał czopa

14

Żelazo.

7>

i topiąc równocześnie pręt, wypełnia żelazem wywiercone zagłębienie. Gdy otwór jest większy, w}rpełnia się tylko spód żelazem pręta, a resztę zalewa osobno stopionym materjałem.

Podobny do poprzedniego jest, rzadziej już dziś używany, głównie do naprawiania odlewów, sposób Bernadosa, róż-niący się tern od poprzedniego, że zamiast pręta żelaznego, stapiającego się w czasie procesu, stosuje się elektrodę węgłów ą. Rys. 164 przedstawia łączenie tym sposobem blach, do których metalu łączącego, jeżeli są grube, dostarcza równocześnie topiony pręt p.

Podczas topienia płynny metal nawęgla się od elektrody węglowej i staje się twardszym, jeżeli to . jest niepożądane, należy rękojeść z elektrodą wę-^ głową połączyć z biegunem ujemnym.

Rys. 164.

Robotnik powinien ręce, oczy i twarz chronić zapomocą skórzanych osłon i niebieskiego szkła od szkodliwego wpływu promieni.

Rozgrzewanie zapomocą palnych gazów. Mieszanina ja-kiegoś palnego gazu z tlenem, wypływając palnikiem kształtu wąskiej rurki daje, zapalona, stożkowaty płomień o wysokiej temperaturze, który skierowany na przedmiot metalowy topi go. Płomienia takiego można użyć do stapiania ze sobą brzegów blachy, czy też do łączenia innych przedmiotów żelaznych. Jako gazów palnych używa się przeważnie acetylenu, rzadziej wodoru, gazu świetlnego, metanu, lekkich destylatów ropy naftowej itp. Płomień acetylenowy daje temperaturę ók. 3000°, wodorowy ok. 2000°.

Tlen potrzebny do spalania gazów sprowadza się w stanie zgęszczonym w żelaznych zbiornikach, tak samo bywa przesyłany wodór; acetylen wytwarza się na miejscu w stałych albo przewoźnych generatorach, lub sprowadza w takich samych zbiornikach, jak inne gazy w stanie roztworu w acetonie pod Wysokiem ciśnieniem.

Palnik do stapiania (acetylenowy) przedstawia w przekroju rys. 165. Gazy doprowadza się gumowemi rurkami za-łożonemi na końce przewodu tlenowego A i acetylenowego B, zamykanego kurkiem G; przewody te otoczone wspólną osłonąM, prowadzą do komory D, z dyszą E w środku doprowadzającą tlen, a z przewodem pierścieniowem F dokoła, którym dopływa acetylen. Gazy mieszają się w komorze i wypływają dyszą Z, zapalając się u jej wylotu.

Struktura i własności połączeń stapianych. Połączenia wytworzone przez stapianie jakimkolwiek z opisanych sposobów, mają obok zalety dogodnego stosowania zarówno do łączenia nowych rzeczy, jak i do naprawiania uszkodzonych, także pewne właściwości, które przy nieoględnem ich

CO >

'U.

Rys. 165.

stosowaniu stają się poważnemi wadami wykonanego po

łączenia ⁵).

Najważniejszą z nich jest ta, że połączenie ma odmienną strukturę niż łączony materjał, gdyż w miejscu złączenia nastąpiło stopienie, i jakąkolwiek budowę miałoby przedtem żelazo, jakkolwiek byłoby przedtem przerabiane, połączenie będzie miało zawsze strukturę materiału lanego.

ma

14*

O ile łączone części były także lane, to połączenie wykonane poprawnie nie zmieni jego charakteru, będzie więc miało podobne własności mechaniczne, różnić się tylko może składem chemicznym i wielkością ziarn. Inaczej się rzecz z żelazem uszlachetnionem przez przeróbkę mechaniczną; zachowując w miejscach nietkniętych budowę niezmienioną, przechodzi ono w miejscu złączenia w stan płynny, podobny temu, jaki miało w surowym bloku przed mechaniczną przeróbką (kuciem, walcowaniem it. p.). Na rys. 166 widzimy blachę z żelaza miękkiego o typowej strukturze

materjału walcowanego, na rys. 167 widzimy tę samą blachę w miejscu złączenia; budowa i ej jest zupełnie odmienna,

ziarna wielokrotnie większe, o charakterze materjału lanego (wielkie ziarna, bardzo nieregularnej budowy). Gruboziarnistość

'jł

w - • , ;>* * t < fi m J

£ > W m i    *    5

JK .ST'

•j.

:y;JI struktury lanej można zmniejszyć w pewnym P§P stopniu, przekuwając dokładnie połączenie i wytwarzając przez to budowę materjału kutego.

Poza tym, jakby pierworodnym grzechem połączenia stapianego, który stanowi jego lana struktura, powstać mogą inne jeszcze wady w połączeniu wskutek nieumiejętnej roboty.

Niezupełne złączenie zdarza się wtedy, gdy stykające się powierzchnie nie zostaną stopione i obustronne żelazo nie zleje się w jednolite ciało, a tylko malerjał dolany złączy je miejscami i jak gdyby zlepi.

Przykłady tego widzimy na rys. 168 i 169. Na pierwszym, połączenie dwóch rurek z jednej strony dobrze wykonane, wykazuje z drugiej brzegi nie złączone, lecz tylko na zew-    V\

nątrz oblane stopionem v żelazem; na drugiem stopienie blachy pionowej z poziomą nie udało

Rys. 166 (x 100).

ii§v'x

■jP'.. .gLfe.%,

W ..    %Łi.

Wh

ił':S

•V

k. i.

•<«

się, bo wskutek niedostępności styku blach dla płomienia, powierzchnie nie uległy stopieniu, a połączenie stanowi tylko dodany materjał, który blachy z obu stron otoczył i złączył się z niemi.

al

Rys. 168 (x 2).

Podobny błąd zdarza się, najczęściej przy zastosowaniu prądu elektrycznego, według metody Sławianowa, do wypełniania stopionem żelazem uszkodzonych przedmiotów. Wskutek trudniejszego rozgrzewania się naprawianego przedmiotu, mającego zwykle większe rozmiary, żelazo z łatwo topiącego się, cien-kiego pręta spadając kroplami, spotyka powierzchnie jeszcze

nie stopione i oczywiście nie łączy się z niemi.

Rys. 169 (x 2).

Na dobroć połącze-nia wywiera wpływ także tlen zmieszany z gazami palnemi, oraz zawarty w powietrzu otaczającem przedmiot będący w robocie. Wprowadzony w nadmiarze palnikiem gazowym do płomienia utlenia stopiony metal, zanieczyszczając żelazo szkodliwym tlenkiem, wytwarzając w niem porowatość i kropelki żużla.

Podczas topienia w płomieniu elektrycznym, metal stopiony spada z elektrody w drobnych kropelkach, które stykając się z tlenem otaczającego powietrza, powlekają się na powierzchni warstwą tlenku i przez to zanieczyszczają stopiony metal w połączeniu. Na rys. 170 widzimy przekrój połączenia dwóch blach w płaszczyźnie złączenia; ciemne plamy wskazują miejsca porowate, powstałe wskutek nadmetalu: każda z nich otoczona jest warstwą tlenku i przez to izolowana od reszty stopionego żelaza; przez to połączenie

blach jest niezupełne i słabe. Mikrofotografję takiego połączenia widzimy na rys. 172, gdzie materjał połączenia przerwany jest (z prawej strony) kroplą żużla, i dziurą (z lewej) wskutek porowatości.

Połączenia wykonywane zapomocą palnych gazów można ochronić od ullenienia, stosując w płomieniu

nadmiar__gazu

Rys. 170 (x 2).

w stosunku do tlenu.

Stosując elektryczne stapianie, chroni się żelazo od utlenienia, pokrywając pręt elektrody związkami, wytwarzającemi żużel, otaczający krople stopionego żelaza i chroniący je od utlenienia. Sposób ten nie jest dość pewny, bo gdy ilość żużla jest za mała, ochrona będzie niedostateczna, gdy za duża, dostaną się jego kropelki do metalu stopionego, ze szkodą dla dobroci połączenia.

Rys. 171 (x 2).

miaru tlenu. Rys. 171 przedstawia znów inną wadę w połą-

nego

czeniu

ek s

Gdy gazem palnym jest jakiś węglowodór,przedewszyst-kiem najczęściej używany acetylen, może nadmiar gazu wywołać inną wadę połączenia tj. na w ę gI eni e. Pod działaniem bowiem wysokiej temperatury następuje jego rozkład i wydzielający się węgiel rozpuszcza się w roztopionem żelazie. W praktyce są wypadki nawęglenia wcale częste, ponieważ dla uniknięcia utlenienia, pracuje się nadmiarem acetylenu. Wskutek n4węglenia połączenie ma większą twardość niż materjał części łączonych i jego obróbka staje się trudniejsza,

przytem kruchość powiększa się również, co bardzo obniża wartość złączenia.

Elektryczne stapianie nie może spowodować nawęglenia o ile używa się elektrody żelaz

nej nie węglowej.

Ten sposób stapiania wywołuje jednak inny niekorzystny dla połączenia objaw. Z powodu bardzo wyso-kiej temperatury przy jakiej odbywa się ten próces, (około 3500°) następuje łatwo rozkład

* $ * ‘

;

'X-'

W V

R * : ' -•    |

■ jk

Rys. 172 (x 180).

karbidu zawartegow żelazie, a wydzielony węgiel spala się na tlenek węgla, i mieszając się ze stopionem żelazem łączącem, czyni je porowatem. Z tego powodu pręt elektrody powinien być żelazem miękkiem, o zawartości węgla nie większej niż 015—OT9°/₀; gdy zawartości te są już nie wiele większe, połączenie jest bardzo trudne do wykonania.

Stapianie prądem elektrycznym wywołuje również rozpuszczanie się azotu w stopionym metalu, w stopniu o wiele większym niż w innych sposobach stapiania. Objaw ten nie jest dotąd wyjaśniony, ma on prawdopodobnie związek z działaniem płomienia elektrycznego.

Ruder¹¹⁵) przypuszcza, że pod jego działaniem drobina azotu rozdziela się na atomy, które łączą się ze stopionem żelazem lub jego parą.

Dalszem, częstem, a bardzo groźnem dla połączeń zjawiskiem powstającem z powodu stosowanych tu wysokich temperatur i wielkich ilości doprowadzonego ciepła, są n a-p r ę że n i a występujące w osty gai acem połączeniu. Rozgrzewa-

ny aż do stopienia materjał rozszerza się, zwłaszcza w bezpo-średniem sąsiedztwie złączenia, a przy stygnięciu, kurczy. Wskutek tego brzegi łączonych przedmiotów np. blach, zbliżają się do siebie w czasie ogrzewania, a stygnąc i kurcząc się oddalają i wywołują w połączeniu naprężenia rozciąga-iące, bardzo dla niego niekorzystne, wobec lanej struktury szwu. Naprężenia mogą wywołać pęknięcie połączenia, zwłaszcza gdy przez wadliwe wykonanie jest ono porowate, żużlo-wate lub nawęglone.

Naprężenia są szczególnie niebezpieczne u naczyń brzegami swemi złączonych np. cylindrycznych [w rurach, kotłach i t. p. jak na rys. 173 A] bo wtedy występują bardzo znaczne

Rys. 173.

natężenia rozciągające i nawet poprawnie wykonane połączenie nie wytrzymuje ich. Zapobiegają temu przez z g r u b i e n jje.4).olącze-nia, przez co naprężenie rozłożone na większą powierzchnię jest mniej groźne; połączenie jest jednak wtedy mniej podatne, niż inne części, i przy ruchach jakim podlega (np. blacha kotłowa) wskutek zmian temperatury, szew zgrabiony odmiennie się zachowuje i może pęknąć. Lepsze zabezpieczenie daje niejednokrotnie rozwarcie obu brzegów cylindra np. przez wciśnięcie klinów (rysunek 173 B) by w materjale wywołać naprężenia sprężyste, które usiłują zbliżyć do siebie łączone brzegi. Po wykonaniu złączenia i ostygnięciu, następuje albo wyrównanie sił rozciągających i ściskających, albo występuje nadwyżka sił ściskających, które lany materjał szwu o wiele lepiej znosi niż rozciągające.

Z tego cośmy mówili o połączeniach stapianych, wynika że jest rzeczą prawie niemożliwą aby połączenie było równe materjałowi nietkniętemu pod względem wytrzymałości; w najkorzystniejszych wypadkach dochodzi ona do 80°/₀. Zdarzają się jednak wypadki, gdzie połączenie przewyższa swą wytrzymałością materjał złączony. W takich razach ma się do czynienia z poprawnie wykonanem połączeniem, a ze złym materjałem części połączonych. Wypadek taki przedstawia

rys. 174; jest to obraz złącza blach. Podczas próby przez zginanie połączenie nie doznało uszkodzenia, natomiast pękła łączona blacha w miejscu przy stapianiu nienaruszonem, sąsiaduj ącem ze szwem. Obraz wskazuje że blacha ta (żelazo zgrzewane) jest w najgorszym gatunku, przepełniona żużlem i porowata a materjał w połączeniu jednoliiy i drobnoziarnisty.

IŁ.

0M': W-i

Z poprzedniego wyliczenia wad, jakim podlegają połączenia stapiane, nie wynika aby one były naogół złe; przeciwnie, mogą być stosowane z wielkim pożytkiem tam gdzie są odpowiednie; należy tylko pamiętać, że są liczne czynniki mogące ich wartość obniżyć, i że jest rzeczą trudną a czasem niemożliwą zbadać (bez zniszczenia połączenia) ich dobroć, względnie wadliwość.

-v?sV

,\>.V

Rys. 174 (x 100).

Chcąc połączenie stapiane stosować korzystnie i odpowiednio, należy sobie uświadomić: 1. Jakie siły działać i będą na miejsce złączenia, i czy wobec nich, zwłaszcza jeżeli działają rozciągaj ąco, można stosować połączenie stapiane; np. łatanie tą metodą kotłów parowych należy do bardzo ryzykownych przedsięwzięć. 2. Jakie błędy można popełnić wykonując połączenie, a jak ich można uniknąć? 3. Ze szew można poprawić zgrubiając go, przekuwając i t. p. 4. Ze dobroć połączenia zależy przedewszystkiem od biegłości i sumienności wykonania. Ten ostatni warunek jest niezmiernie ważny a zwykle przez kierownictwa fabryk niedoceniany; nieuwzględnienie go jest najczęściej powodem złych wyników stapiania, zwłaszcza gazami palnemi, a może w jeszcze większym stopniu stapiania prądem elektrycznym, dlatego właśnie, że jest pozornie łatwiejsze do wykonania.

Przecinanie. Proces ten, dość luźno związany z poprzed-

nio omówionym, jest mu tak bliski pod względem sposobów roboty i przyrządów, że wymaga wspólnego traktowania.

Przecinanie tlenem. Jeżeli na rozżarzone żelazo skieru-jemy strumień tlenu, to żelazo się spala. To znane zjawisko zastosowano do przecinania przedmiotów żelaznych, zwłaszcza blachy. Prowadząc odpowiednio zbudowany palnik po powierzchni przedmiotów, znacznej nawet grubości, można je przeciąć przyczem wypalone miejsce jest wąską szczeliną a powierzchnia przecięcia lekko tylko falista. Na rys. 175 widzimy w małem pomniejszeniu (²/₃) blachę grubości 20 mm wyciętą z większego

Rys. 175.

kawałka, z wypaloną szczeliną, wskazującą że kierunek cięcia może być dowolny.

Palnik do przecinania jest tak zbudowany, że po rozżarzeniu przedmiotu w miejscu żądanem, kieruje się na nie strumień tlenu, powodującego wypalenie szczeliny i równocześnie wydmuchującego tworzący się żużel. Palnik acetylenowy w jednej z wielu postaci do tego celu pokazuje szkic 176. Do zwykłego palnika A, jaki był podany na rys. 165, przytwierdzony jest przewód tlenowy S, z kurkiem E i dyszą G, nastawialną zapomocą spój ki F na potrzebną wysokość względem dyszy I palnika A. Prowadząc palnik po blasze, rozżarzamy ją do białości, i bezpośrednio potem kierując w to miejsce strumień tlenu, spalamy żelazo i wydmuchujemy produkt spalenia, wytwarzając wąską, a czystą szczelinę.

Ucinanie tlenem daje się stosować tylko do żelaza kuj-nego; żeliwa nie można ciąć, gdyż posiadając niższy punkt topliwości niż temperatura spalenia, stapia się przedtem, two-

Rys. 176.

rżąc z tlenkiem powstającym przy spaleniu tak gęsty żużel, że go nie można wydmuchać, co uniemożliwia dalszy proces.

Są także przyrządy stosujące prąd elektryczny do przecinania zapomocą luku, powstającego na elektrodzie węglowej lub żelaznej, otoczonej dla chłodzenia płaszczem wodnym.

16. Kuźnictwo I.

(Zasady przeróbki żelaza kujnego w stanie rozżarzenia).

Obok odlewania, drugim sposobem przerabiania żelaza jest stosowanie nacisku na materjał plastyczny, wskutek czego wywołane odkształcenie pozostaje trwale i umożliwia nadanie obrabianemu przedmiotowi wymaganego kształtu. Stosowane w tym procesie metody zwane kuźni czerni, tj. kucie, tłoczenie, walcowanie i wyciąganie, różnią się między sobą uży-wanemi w nich narzędziami pracy i sposobem wywierania nacisku, zasada przeróbki jednak, tj. nacisk na materjał plastyczny, jest dla wszystkich metod wspólna i może być dlatego wspólnie rozważana.

wymaga od materjału plastyczności, odbywać się musi zatem powyżej jego granicy sprężystości, aby zaś nie nastąpiło uszkodzenie przedmiotu, nie mogą wywołane przeróbką natężenia przekraczać granicy wytrzymałości. Tern samem mamy oznaczone granice natężeń dopuszczalnych w ciągu przeróbki: powyżej granicy sprężystości a poniżej granicy wytrzymałości. Najkorzystniejsze w działaniu są natężenia u granicy plastyczności (p. rozdział 23), bo wtedy odkształcenie odbywa się najłatwiej.

Plastyczność, jaką żelazo posiada w stanie zimnym, nie jest jednak wystarczająca dla przeróbki kuźniczej, gdyż obróbka taka zmienia mechaniczne własności żelaza, dając mu większą wytrzymałość i twardość, a tern samem niepożądaną odporność wobec procesów kuźniczych, a równocześnie robiąc je^kruchem tj. pozbawiając plastyczności, niezbędnej w tym procesie.

to

to

Obróbkę żelaza stosowaną na zimno lub w temperaturach mało podwyższonych obejmujemy nazwą zgniotu i poświęcimy jej osobny rozdział. W procesach kuźniczych jest ona niedopuszczalna, gdyż wymagają one, aby materjał był niezmiennie plastyczny; w obróbce żelaza stan taki osiągnąć można tylko rozżarzając je do temperatury, przy której nie występują już wymienione wyżej objawy zgniotu, tj. powyżej 700°. Granicy zupełnej plastyczności, wolnej od zmian wywołanych zgniotem, odpowiada w znacznem przybliżeniu temperatura przemiany alotropowej żelaza a w postać y, kiedy składniki żelaza przechodzą we wzajemny roztwór stały. Na tej podstawie można mechaniczną obróbkę żelaza podzielić w ten sposób, że do przeróbki zapomocą zgniotu zaliczy się procesy w których żelazo posiada postać alotropową a, do przeróbki kuźniczej zakres procesów wykonywanych na żelazie y, tj. postaci stałego roztworu karbidu w żelazie. Górną granicę zgniotu stanowić więc będzie temperatura Au granicę dolną kucia temperatura A₃. Okresy przejściowe między Ax i A₃ będą się odnosiły do jednego i drugiego sposobu, w stopniu zawisłym od temperatury i położenia punktu A₃, zależnego, jak wiemy z wykresu termicznego (rys. 20), od zawartości węgla w żelazie. Jak już była mowa przy opisie procesu żarzenia odlewów, temperatura A₁ ozna- | 6g cza przejście w roz- ^ twór samego perlitu, £ powyżej, aż do A₃,    *    ™

odbywa się rozpusz- t, czanie wolnego fer- 20 rytu (wzgl. cementytu) w stosunku do odległości Ax od A₃. Na-ogół żelazo między temi granicami jest

niezmiennie plastyczne, jedynie tylko deformacje ziarn, dające się zauważyć, świadczą o objawach zgniotu.

Na rys. 177 ⁹⁸) widzimy wykres najważniejszych mechanicznych własności żelaza o małej zawartości węgla. Pomijając bardzo znaczne zmiany tych własności w zakresie tempe-

7o

% 8iu*2T72pA/« ;ć>

-F-

Ho

lOO

80

6o

T: Twardość.

0 too 8oo Joo Ooo 5oo Soo foo 800 300 iooo

Temperatura.

Rys. 177.

ratur 0—600°, leżących w obrębie w}d)itnie występujących objawów zgniotu (omówimy je w odnośnym rozdziale), widzimy, jak znacznie zmieniają się własności żelaza w wysokich temperaturach i to w sposób sprzyjający obróbce kuźniczej, gdyż wytrzymałość (Kz) i twardość (T) są wielokrotnie mniejsze, wydłużenie (®) a więc ciągliwość, większe. Na wykresie wytrzymałości (Kz) zauważyć można w bliskości 700° i 900° małe odchylenia w ciągłości krzywej, które odpowiadają temperaturom Ax i A₃. Tak ten wykres jak i wykres wydłużeń (©) poucza, że żelazo rozżarzone tern mniej stawia oporu i tem

Praca w mkg g £ g g ^3 8

680

800

1000

•1200

Temperatura io G°

Rys. 178.

więcej jest ciągli we, im wyższa jest jego temperatura. Wielkość pracy potrzebnej do przerobienia materjału przez kucie zależy również od temperatury i zmienia się w zależności od stopnia rozżarzenia. Rys. 178 przedstawia pracę w kilogram-metrach potrzebną do zgniecenia o 20°/₀ wysokości pierwotnej próbnego słupka żelaza o zawartości 020°/₀ węgla. Wbrew temu, czego można było oczekiwać, że ze wzrostem temperatury praca potrzebna do przeróbki będzie mniejsza, widzimy, że początkowy spadek jej od 700—780° ustaje, i następuje zwiększenie aż do 840°, poezem już stale się zmniejsza. ³⁸) Wpływ żarzenia i kucia na zjawiska krystalizacji. Podobnie jak przy żarzeniu odlewu, występują i podczas obróbki kuźniczej, odbywającej się w temperaturach wysokich, zjawiska krystalizacyjne, doniosłe oddziaływujące na materjał. O ile one odnoszą się do materjału nieprzerabianego, a więc do żelaza w surowym bloku, są identyczne z objawami zachodzącemi w odlewach stalowych i były już omówione wystarczająco. O ile kuźniczej obróbce poddaje się materjał już przerobiony (np. żelazo walcowane), lub o ile żarzenie odbywa się równocześnie z obróbką, mają procesy krystalizacji przebieg nieco odmienny i wymagają osobnego rozważania.

Jakikolwiek metal, rozgrzany do temperatury odpowiadającej jego własnościom, podlega działaniom krystalizacyj-nym w ten sposób, że powstają nowe ośrodki krystalizacji, r......v -i

/ csm'

aBr •

!■ • ,

«Pw

I//

// / :

■ -JĄ

w-

Rys. 179 (St. u. E.).

Rys. 180.

około których tworzą się nowe kryształy i ich grupy tak długo, aż dawne ugrupowanie zniknie i utworzy się nowe, odpowiadające danym warunkom termicznym. Z reguły przegrupowanie to odbywa się przez łączenie się z sobą sąsiadujących kryształów a więc wzajemne pochłanianie jednych przez drugie, przyczem wielkość kryształu nie ma znaczenia, i tak samo wielki kryształ może pochłonąć mały, jak i mały, wrastając w wielki, powiększyć się jego kosztem. Na rys. 179 ²¹) widzimy przebieg krystalizacji ziarna stopu antymonu z cyną, sześciokrotnie żarzonego i studzonego, które sąsiednie ziarna stopniowo pochłaniały, aż wreszcie zupełnie w nich znikło; granice ziarna po każdem żarzeniu i studzeniu są szczuplejsze. Szemat na szkicu 180 wskazuje linją kreskowaną zarys kształtów ziarna pierwotnego, linjami pełnemi oznaczono ostatnie granice nowych kryształów, które go pochłonęły i jego kosztem się rozrosły.

Przegrzanie. Wynikiem długiego żarzenia bywa struk-tura gruboziarnista, niekorzystna dla własności mechanicznych stopu. Zjawisko zmiany struktury drobnej w grubą nazywa się przegrzaniem. Podlegają mu jednak tylko takie materjały, których kryształy doznały deformacji przez obróbkę mechaniczną, nie podlegają metale obróbką nietknięte. Dlatego kryształy w odlewie nie zmieniają przez żarzenie swego kształtu, o ile, tak jak żelazo, nie podlegają zmianom alotropowym. Przyczyną tego są prawdopodobnie przymieszki (zanieczyszczenia) zawarte w metalu, rozpuszczalne w stanie płynnym a nierozpuszczalne w stężałym, które wydzielając się podczas tężenia, gromadzą się na powierzchni ziarn i tworzą warstwę uniemożliwiającą im bezpośrednie zetknięcie się ze sobą a tem samem wzajemne oddziaływanie. Przez mechaniczną obróbkę i odkształcenie ziarn, warstwy te doznają przerwania, ziarna wchodzą w bezpośrednie zetknięcie, i procesy krystalizacji mogą się odbywać.

Odmienne są warunki krystalizacji i ich przebieg, gdy wzajemna rozpuszczalność składników stopu zmienia się w wyższych temperaturach z powodu zmian alotropowych. Taki wypadek zachodzi z żelazem węglistem, które powyżej A₃ ma, jak wiemy, postać stałego roztworu; nie mamy tu więc do czynienia z odrębnemi składnikami (ferrytem, perlitem, cementytem) ale z jednym rodzajem kryształów stałego roztworu.

Wszystkie zmiany poprzednio opisane tak samo tu zachodzą ale już w kryształach stałego roztworu, a po ostygnięciu, a więc rozpadnięciu się roztworu na składniki, tworzy się struktura żelaza normalnego.

Żelazo wskutek swych zmian alotropowych nie podlega więc omówionej właściwości metali, nie zmieniających swej postaci, wskutek której ziarna ich mogą zmienić swój kształt tylko po mechanicznej obróbce; żelazo po ogrzaniu do A3 ulega procesowi krystalizacji, i na tem polega omówiony poprzednio proces żarzenia odlewów dla nadania im drobnej struktury. Tu ma też swoje źródło proces przegrzania

(0.315°/₀ węgla), struktury drobnoziarnistej, które przez wielogodzinne żarzenie przetworzono na materjał gruboziarnisty, jaki widzimy na rys. 182.

żelaza wskutek długiego żarzenia, wytwarzający materjał gruboziarnisty najpierw w roztworze; pojedyncze kryształy roz-

£j.ssr£;:

,pr, s<l, odbywało się wysoko

nad A., i trwało długo.

Rys. 181 przedstawia

żelazo walcowane

Rys. 181 (x 125).

Jeżeli żelazo ogrzane znacznie wyżej ponad A₃ jest dłuższy czas pozostawione w *e.i temperaturze, a na-stępnie wolno ostygnie, **'• • A powstaje budowa gru-♦'■'    *J*m ^©krystaliczna i niejed-

■*v >    nosiajna’ prz3,p°mina'

*** f jąca surowy odlew. Jest 7*    .    -    to typowe i skrajne prze-

'irf ^$2 ⁸Tie' Ni rys'183 M)

J    ¥.1 K jJT g widzimy zelazo o zawar-

^    tości 0.25°/o węgla w po-

7;7jgy wyższy sposób trakto-HjFAj?    wane; ferryt uformował

.....    się na podobieństwo sia-

v    tki o wielkich otworach,

Rys. 182 (x 125).

których powierzchnia złożona z iglastych kry-

stalitów ferrytu i perlitu wykazuje znamiona struktury Wid-mannstattena. Struktura siatkowa powstaje często przy

IM

.'•3*

rC5

Rys. 183 (x 40, Oberhofter).

większych zawartościach węgla i długiem żarzeniu a powolnem studzeniu. Obraz jej widzimy na rys. 184 ⁴²) w żelazie zawierają-cem 0.55°/₀ węgla, ogrzanem do 850° i wolno studzonem; siatka ferrytyczna otacza skupienia perlitu. Strukturę siatkową poznaliśmy także w żarzonych odlewach (rys. 127), — w żelazie nadeutektoidalnem tworzy ją łatwo wolny cementyt przy wysokiej temperaturze.

h nr i

Y-Uy i

far* •

Regeneracja żelaza przegrzanego. Na tern samem zjawisku co przegrzanie polega także proces rekrystalizacji, stosowany dla regeneracji żelaza tj. przywrócenia żelazu przegrzanemu i przez to gruboziarnistemu drobnej struktury: żelazo ogrzewa się przez krótki czas nieco ponad A₃, aby wytworzył się roztwór.

-lii.

Rys. 184 (x 20, Goerens).

Kryształy jego w chwili powstania są, z powodu licznych zarodków, liczne a więc drobne, i jeżeli teraz oziębimy żelazo szybko poniżej Als rozpadną się na równie liczne kryształy składników. Na rys. 185 widzimy obraz żelaza przegrzanego podczas procesu zgrzewania wskutek zbyt długiego żarzenia, — ziarna są duże i niejednostajne. Przez krótkie wyżarzenie ponad A₃ i prędkie ostudzenie, wytworzono strukturę znacznie drobniejszą'i regularną (rys. 186).

Rys. 187 przedstawia żelazo miękkie ze sztaby, w której przez długie żarzenie wytworzono strukturę gruboziarnistą.

BK. i-..

fr $

:ir

Rys. 185 (x 90).

124 a

Po krótkiem ogrzaniu jednego końca sztaby ponad temp. A3 wytworzyła się miejscowo"struktura bardzo drobna. Rysunek przedstawia miejsce graniczne obu struktur.

■$Z‘

:w9,^r-

S.: -,&»    .1*^: ŚL'.-'-

¥

Em

(Rys. 186 (x 90).

Przepalenie. Jeżeli żelazo żarzone stykało się z tlenem (np. w ognisku kowalskiem, podczas przecinania zapomocą

tlenu itp.) a rozgrzanie doszło do temperatury w której roztwór stały zaczyna się topić (linja AcdE na rys. 20), to stosownie do ogrzania część żelaza topi się, a mieszanina płynu i kryształów stałych gromadzi się na granicach zetknięcia ziarn. Dy fundujący w żelazie tlen (wzgl. powietrze) utlenia szybko stopione cząstki, i żelazo po ostygnięciu jest na granicach ziarn jakby inkrustowane produktami utlenienia. Takie żelazo nazywamy przepalonem; jest ono zupełnie niezdatne do użytku, żużlowate bowiem inkrustacje czynią je bardzo kruchem i nie wytrzymuj ącem żadnej mechanicznej obróbki. Regenerować go również nie można. Żelazo spalone pochodzące z blachy (0'45°/0 węgla) przedstawia rys.

188 ⁹⁸). Widzimy tam skupienia kryształów martenzytu (wskutek bardzo nagłego oziębienia), otoczone złożami żużla.

r;;„

ii

mm

Rys. 187 (n. w. Ferrum).

■wr -1?

es

Żelazo przepalone charakteryzuje także odwęglenie na powierzchni pod działaniem tlenu.

Przeżarzenie. W stali wysoko węglistej np. narzędziowej, zdarza się, że materjał (np. rydło) długo, ogrzewany, staje się kruchym i w przełomie okazuje czarny ośrodek (rys. 189 ⁴²). Powodem tego jest rozkład cementytu i wydzielenie węgla żarzenia

Rys. 188 (x50, Oberhoffer).

w obrębie zawartości węgla i temperatur określonych wykresem podwójnym (rys. 33), które umożliwiają istnienie czystego węgla (linja S' E').

/■

Rys. 189 (²/s n. w. Goerens).

Żarzenie przedmiotów kutych wykonywa się, analogicznie do odlewów stalowych, celem usunięcia objawów przegrza- P nia i naprężeń powstałych wskutek niejednolitego osty-gania przedmiotu po kuciu; odbywa się w ten sam sposób co do temperatury, długości żarzenia i powolności studzenia po żarzeniu, oraz zawartości węgla, do czego należy posługiwać się wykresem termicznym (rys. 20 i 124). Wskazówki daje także wykres na rys. 193, a mianowicie krzywe a i a' przedstawiające wielkość ziarn (w mikronach) ma-terjału żarzonego przy różnych temperaturach, tak przy studzeniu szybkiem (a' małe ziarna) jak powolnem (a ziarna duże), To co odnosiło się tam do materjału miękkiego (OT°/₀ węgla), dotyczy wogóle bardzo miękkich rodzajów żelaza i streszcza się w ten sposób, że ziarna zwiększają się w miarę wzrostu temperatury żarzenia i jego długości.

Perlit ziarnisty. Do termicznych procesów kuźniczy ch> opartych na samem tylko żarzeniu, jednak w temperaturach nie doprowadzających do stałego roztworu, należy żarzenie perlitu, głównego składnika żelaza kujnego. Perlit jest eutekto-idalnem skupieniem ferrytu i cementytu w postaci płatków naprzemian obok siebie wydzielonych. Żarząc przez długi czas żelazo perlityczne (0.9°/₀ węgla) w temperaturze bardzo niewiele leżącej poniżej At, osiągamy skupienie się płatków cementytu w kuliste ziarna tworzące tz. p e r 1 i t ziarnisty. Na rys. 190 ¹²⁶) widzimy z prawej strony tę osobliwą postać perlitu w postaci nadzwyczaj drobnych ziarn cementytu, otoczonych ferrytem, wytworzoną przez żarzenie żelaza o zawartości 0.88°/₀ węgla o budowie perlitu płatkowego, aki widzimy na tym samym rysunku z lewej strony.

Nazwę »perlit ziarnisty« uważają niektórzy autorzy ⁷³) za niestosowną ze względu na to, że nazwa »perlit« odnosi

Ol

co

się do eutektoidu o właściwej budowie, jakiej niema struktura powstająca z niego przez żarzenie. Ta nazwa jest tern bardziej niewłaściwa, że strukturę taką otrzymać można również przez żarzenie żelaza podeutektoidalnego, a nawet żarząc stal nad-eutektoidalną nieco powyżej Als osiągamy również tę postać. Różnica między niemi polega tylko na większej lub mniejszej ilości i wielkości kuleczek cementytu w ferrycie. Projektowana nazwa »cementyt kulkowy« z powodu kształtu, jaki jego ziarna przybierają, odpowiada lepiej istocie rzeczy, nie jest jednak dotąd przyjęła.

Aby proces wytworzenia perlitu ziarnistego udał się, należy w czasie żarzenia ściśle zachować stałą temperaturę, ża-

mmm

mm

Ig

j||||

|MfSte

KImmmm^

issfcl

ipilipf

;•• ' ; •:-:

Rys. 190 (x300. St. u. E).

rzyć długo (do 48 godzin) i następnie bardzo powoli oziębiać (średnio o 20° na' godzinę). Stale nadeutektoidalne, w których cementyt ma postać siatkową, korzystnie jest przedtem przekuć dla skruszenia tej struktury.

Wskutek kulistego kształtu i jednolitego ugrupowania cementytu zmieniają się własności mechaniczne żelaza, wytrzymałość i twardość jego zmniejsza się, ciągliwość wzrasta (zmniejsza się kruchość), materjał jest lepiej obrabialny.

Umieszczona obok tabelka przedstawia badanie trzech rodzajów żelaza o różnych zawartościach węgla, w których perlit w postaci płatkowej wskutek czterdziestogo-dzinnego żarzenia przy 685°

WĘGIEL

Liczba

wygięć

Postać perlitu

płatkowa

ziarnista

28

22

15

O h M CO <M CM

został przekształcony w postać ziarnistą. Badania porównawcze wykonano, wyginając wielokrotnie próbne sztabki w dwie strony aż do złamania i licząc wygięcia poprzedzające złamanie.

Gdy temperatura żarzenia przekroczy Al5 tworzy się roztwór najpierw perlitu, następnie ferrytu, i nastają warunki takie same jak przy krystalizacji roztworu stałego, a więc wskutek żarzenia powyżej Ax wzrost ziarn perlitu płatkowego, przy silniejszem rozgrzaniu występuje grubokrystaliczność, objawy przegrzania, z towarzyszącem mu obniżeniem wytrzymałości i ciągliwości.

Stal damasceńska. Materjałem wyjściowym do wyrobów znanych pod powyższą nazwą, przedewszystkiem kling do broni siecznej, są bryłki stali indyjskiej (ang. Wooz), otrzymane w tyglach przez długie żarzenia i powolne krzepnięcie (rozdz. 12) żelaza nadzwyczaj czystego o bardzo znacznej zawartości węgla. Dalsza przeróbka, niedostatecznie zbadana i otoczona pewną tajemniczością, polega na bardzo umiejętnej robocie kuźniczej, wskutek której na powierzchni klingi, wypolerowanej i wytrawionej kwasem, występuje właściwy wzór, złożony z jasnych, na ciemnem tle rysujących się linij, wyginających się i plączących ze sobą. Wzór taki z klingi o zawartości 1.5°/0 węgla widzimy na rys. 191. Stal damasceńska, w powyższy sposób wykonana, odznacza się bez hartowania wielką twardością a równocześnie elastycznością, wskutek czego jest znakomitym i wprost niedoścignionym wyrobem w zakresie broni siecznej, gdyż zwykłe stale o tak wielkiej zawartości węgla są niezmiernie kruche.

Badanie Belajewa ¹⁴) ¹⁶), oparte na wynikach nowszych procesów przeróbki stali, odkryły niewytłumaczoną dawniej tajemnicę własności damasceńskiej stali. Stal przedstawiona na rys. 191 w naturalnej wielkości, oglądana pod mikroskopem w 750-krotnem powiększeniu (rys. 192), przedstawia w bardzo gęstem ugrupowaniu globoidalne ziarna cementytu w ferrycie, tworzące ów charakterystyczny rysunek stali. Obraz ten nie jest niczem innem jak perlitem ziarnistym a właściwiej cementytem kulkowym, o którym była mowa powyżej.

Podróżnicy, którzy studj owali wyrób kling damasceńskich, podają, że materjał podlega długiemu żarzeniu (3 do 9-cio-krotnie po 24 godzin) a następnie przerabiany jest przez kucie w stanie rozżarzenia tylko do czerwoności, przyczem przekroczenie pewnej temperatury (określonej na 700—750°) powoduje zupełny zanik charakterystycznego wzoru i wogóle zepsucie wyrobu. To jest dalszą wskazówką, że proces jest identyczny z opisanem wyżej żarzeniem stali perlitycznej dla otrzymania struktury ziarnistej. Kucie przy temperaturze poniżej At ma na celu rozdrobienie ziarn cementytu na mniej-

Wś

■fi ** *

1HK

*• it- ' ?

};

SSB

rm

IwPw

(Tj

;i*

Rys. 191 (St. u. E).

Rys. 192 (St. u. E).

sze, bez niebezpieczeństwa powstania stałego roztworu, niweczącego wytworzoną strukturę.

Stale damasceńskie bywają imitowane przez zgrzewanie ze sobą prętów o różnej zawartości węgla, dla otrzymania charaktery stycznego wzoru (rozdz. 18), własności ich są jednak zupełnie odmienne, wskutek czego wyroby te nie dorównują prawdziwej stali damasceńskiej.

Obróbka kuźnicza komplikuje objawy krystalizacji, ziarna bowiem doznają wydłużenia wskutek nacisku, będąc jednak w stanie rozżarzonym, kiedy procesy krystalizacyjne odbywają się bardzo szybko, dążą natychmiast do swej właściwej postaci krystalicznej a zatem do utworzenia normalnych (równoosiowych) ziarn, przez co wydłużenie, wywołane obróbką mechaniczną, znika. Powstające ziarna są jednak mniejsze niż przed obróbką, co wskazuje na to, że równocześnie z wydłużeniem następuje rozpad ziarn na mniejsze,— w wydłużonem (wzgl. spłaszczonem) ziarnie powstają zatem nowe ośrodki krystalizacji, wytwarzające osobne kryształy.

Mechaniczna obróbka przeciwdziała więc grubokrysta-liczności, wywołanej żarzeniem w wysokiej temperaturze.

101 a

Szybkość stygnięcia rozżarzonego materjału oddziały wuj e również na budowę krystaliczną żelaza, przy powolnem bowiem studzeniu procesy krystalizacji trwają dłużej niż przy szybkiem, co wpływa na ostateczne rozmiary kryształów. Na rys. 193 i 194 ") przedstawione są na szeregu wykresów zmiany własności mechanicz- * nych żelaza poddanego obróbce mechanicznej | przy różnych tempera-turach i rozmaitych spo- -1 w sobach traktowania. Ob-

róbkaw owych doświadczeniach odbywała się w ten sposób, że kawałek walcówki kwadratowej o wymiarach 50/50 mm przekuwano na wymiar 25/25 mm a więc na przekrój czterokrotnie mniejszy, badając go przedtem i potem. Zawartość przymieszek w żelazie wynosiła 0*l°/o węgla, 0'4°/₀ manganu, 0‘02°/₀ krzemu, 0 012°/₀ fosforu i 0.024°/₀ siarki. Prowadzono następujące badania: a żarzenie bez kucia z powolnem studzeniem, a' żarzenie bez kucia z szybkiem studzeniem, b kucie i wolne studzenie, c kucie i szybkie studzenie, d kucie rozżarzonego materjału aż do ochłodzenia na 850°(A₃), poczem następowało szybkie ochłodzenie. Wpływ żarzenia wzgl. kucia przy różnych temperaturach na wielkość ziarn przedstawia w mikronach (1[j. == 0 001 mm) rys. 193. Widzimy, że przez żarzenie z powolnem następnie studzeniem bez kucia rów-

10

3l

850

950

1050

1150

1250

1350

Rys. 193.

noczesnego (krzywa a), materjał staje się coraz bardziej gruboziarnistym w miarę wzrostu temperatury. Wykresy tak samo traktowanego żelaza (lit. a) na rys. 194 wskazują, że materjał taki w porównaniu z obrabianym mechanicznie posiada niższą

wytrzymałość na rozciąganie, bardzo małą cią-gliwość i odporność na uderzenie, oraz małą twardość, a własności te z wyjątkiem ciągliwości i wytrzymałości na uderzenie, które się nie zmieniają, doznają pogorszenia ze wzrostem temperatury.

Gdy materjał rozżarzony a nie kuły szybko oziębimy, rozmiar ziarn jest wielokrotnie mniejszy a ich liczba większa; najmniejsze są w temperaturze krytycznej (A₃), w tym wypadku 850°. Na lym objawie polega regeneracja grubo-ziarnistego żelaza, polegająca na ponownem ogrzaniu ponad temperaturę A3 a następnie szybkiem studzeniu. W naszym przykładzie (a) żelazo przegrzane przy temp. 1250° miało ziarna o przekroju (średnim) 3400 m-², ogrzane zaś do 850° a następnie szybko ostudzone (1 a) tylko 1000 i-*.².

Jak działa wpływ przeróbki mechanicznej, współdziałając z temperaturą żarzenia, widzimy na wykresach lit. b, c, d. Wielkość ziarn wzrasta wprawdzie z podwyższeniem temperatury żarzenia lecz nieporównanie mniej niż w materjale

fC<y/mfO³    ^

52

50

28

i~Vycfzużen/Q

7ba refość

o ²⁶

VI.

24

22

20

kg /en*

j v -S Kah Bnn^ffa

950

950

1050

4050

1150

1250

1150

1250

135>

Ao

56

32

95O

4050

1150

1250

1351

4Ao

130

120

110

100

90

650

050

1050

4150

1250

1350

Rys. 194.

nie kutym; o ile po obróbce studzenie odbywało się wolno (b), ziarna były największe, po szybkiem studzeniu (c) znacznie mniejsze, a gdy kucie odbywało się tak długo, aż temperatura spadła do A₃ a materjał potem szybko ostudzono (d), ziarna były najmniejsze nawet wtedy, kiedy kucie rozpoczynano przy wysokiej temperaturze.

Wyprowadzamy stąd drugi wniosek, że żelazo rozżarzone otrzymuje najkorzystniejszą strukturę, jeżeli obróbka trwa aż do punktu krytycznego (A₃), poczem nastąpić winno szybkie ostudzenie.

Z wykresów widzimy, że przeróbka mechaniczna, zwłaszcza gdy po niej następuje szybkie ostudzenie, działa korzystnie na wytrzymałość (b i c w porównaniu do a), i że niższe temperatury są korzystniejsze niż wysokie; z wykresów wyprowadzamy podobne wnioski co do twardości którą przeróbka zwiększa, zwłaszcza w temperaturach niższych.

Wytrzymałość na uderzenie jest większa w materjałach obrabianych niż w wyłącznie tylko żarzonych, a szybkość studzenia działa korzystnie zwłaszcza przy niższych temperaturach obróbki (c). Wydłużenie a tern samem ciągliwość wskazuje znaczną wyższość materjału obrabianego (b i c) nad wyłącznie tylko żarzonym (a) ale, — odmiennie niż w poprzednich wynikach, obróbka przy wyższej temperaturze dała liczby wydłużenia korzystniejsze niż przy niższych. Ten objaw stwierdzono jednak tylko w żelazie miękkiem (0 l°/₀ węgla), podczas gdy w żelazie średnio twardem (0'4°/₀ węgla) wydłużenie nie wykazywało zależności od wysokości temperatury żarzenia, a przy twardem (077°/₀) dało się nawet stwierdzić pewne zwiększenie wydłużenia w miarę obniżania temperatury obróbki.

Jak korzystnym jest wpływ mechanicznej obróbki na rozżarzone żelazo, pouczają nas następujące rysunki: rys. 195 przedstawia miękkie żelazo zlewne (0T1 °/₀ węgla) w stanie surowym tj. wzięte z bloka, rys. 196 to samo żelazo przekute w ciągu około 2 minut z przekroju 60/40 mm na 25/25 mm i z początkowej temp. 1000° na 810°. Oba obrazy wskazują, jak materjał o grubych, nieforemnych ziarnach w odlewie surowym przekształcił się przez obróbkę kuźniczą w drobnoziarnisty o bardzo jednolitym ustroju. Wytrzymałość żelaza

zmieniła się w ten sposób, że granica plastyczności wzrosła z 18.48 na 32 kg/mm², granica wytrzymałości z 40.01 na 45.6 kg/mm². ⁸⁹)

p

Ast

Fg

I:

W* yr v

fbZ

r&

Ig

,    ; - 'y.    '1

iii

-i

li'

;’v    - :

Rys. 195 (x 150. St. u. E.).

Ze na zmiany wytrzymałości przez kucie wpływa nie-tylko zmniejszenie wielkości ziarn ale także inne czynniki jak przerobienie i ujednostajnienie materjału a wskutek tego zmniejszenie niejednolitości w rozkładzie składników i usu-

. "Kj

'i >rb., '

/ - V •-i.?    *

f;-Yi    .» !f

V.}rS    v,/ f,5. • »--.O

v *“*!**:••

*■ *- :Y - t *4 *r. # <

Rys. 196 (x 150. St. u. E.).

kną, to puste przestaw-me po nich, mając po-wierzchnią metalicznie

nięcie naprężeń wskutek żarzenia, — to nie ulega wątpliwości, jak wogóle w procesie tak złożonym nie można wydzielić i określić zosobna wpływu poszczególnych czynników.

Gazy, żużel i wydzielenia w przedmiotach kutych. Do czynników doniośle wpływających na wartość żelaza przerabianego przez kucie, należą zawarte w niem bańki gazów, cząstki żużla oraz wydzielenia, powstające przy nie dość szyb-kiem tężeniu bloka, zwłaszcza w pobliżu jamy blokowej.

Struktura warstwowa. Gazy zawarte w surowym bloku doznają w czasie żarzenia częściowej absorbcji, a następująca po żarzeniu obróbka powoduje, wskutek wywartego ciśnienia, dalsze rozpuszczanie się gazów.

0 ile one w całości zni-

czystą, będą zawalcowa-    .....

ne, a ściany zgrze.ją się z sobą, tak że nie pozo- <>    V'--Y

stanie ślad po otworze.

0 «, bańki S.a« b,lv Vv liczne i duże, a przy tern temperatura bloka nie    " ^

była dość wysoka, jak    Rys. 197 (x50 St. u. E).

tego wymaga proces

zgrzewania, gazy nie zostaną w całości pochłonięte i pozostaną w otworach, które przez obróbkę spłaszczone i wydłużone utworzą wąskie i długie pasma, wypełnione gazami. Tworzą się wskutek tego w żelazie katalitycznie działające warstwy obcego ciała, wzdłuż których wykrystalizowują się jednostronnie poszczególne składniki żelaza (ferryt, perlit, ewent. cementyt), przez co powstaje struktura warstwowa. Gdy żelazo ma większą zawartość węgla, to wytworzone powyższem działaniem podczas obróbki warstwy ferrytu i perlitu wywołują tem wybitniejszą warstwową strukturę, będącą niejednokrotnie powodem pęknięć z powodu odmiennej wytrzymałości i plastyczności warstw. Taką strukturę przedstawia rys. 197.

Zawarte w żelazie po desoksysdacji kuleczki żużla stają się przy rozżarzeniu żelaza plastyczne i tak samo wydłużając się, wywołują strukturę warstwową.

Pasemka gazów i żużla, wytwarzające warstwową budowę żelaza, skupiają również warstwowo wydzielenia powstałe w surowym bloku, zwłaszcza fosforu, co dla materjału może być bardzo niebezpieczne. Na rys. 198 widzimy w twardem, wal-cowanem żelazie wydłużone warstewki żużla (białe), wzdłuż których skupiły się wydzielenia fosforu (ciemne smugi).

0 ile w bloku przerabianym kuźniczo znajdowała się

«fv

Rys. 198 (x 90).

jama, będzie wyrobiony z niego materjał bardzo wadliwy, o czem była mowa w odnośnym rozdziale. Wobec wysokiej temperatury, w jakiej odbywa się przeróbka kuźnicza, jama może być podczas walcowania zgrzana bez błędu, jednakże tylko w tym wypadku, gdy do niej nie dostało się powietrze i nie utleniło jej powierzchni. W razie przeciwnym, w żelazie bardzo miękkiem nie nastąpi złączenie ścian, natomiast w żelazie o pewnej zawartości węgla jest to możliwe, gdyż w wysokiej temperaturze węgiel działa redukuj ąco na tlenek pokrywający ściany jamy, powierzchnie jej stają się metalicznie czyste i dadzą się zgrzać. Jednakże wytworzony podczas redukcji tlenek węgla pozostaje w żelazie w wielkiem rozdro-bieniu, i miejsce złączenia ścian jam)' jest nim przesycone.

Na rys. 199 ⁹⁸) widzimy takie miejsce zgrzania powierzchni zawalcowanej jamy z zawartością cząsteczek tlenku węgla.

/ V-

hm

■ J i*

Wydzielenia, tworzące się w pustym bloku, są największe w jego wnętrzu i zawierają, jak wiemy, najczęściej fosfor i siarkę, które mając bardzo słabą zdolność dyfuzyjną, pozostają w miejscu najpóźniej tężejącem tj, w środku bloka około jamy, i przez żarzenie nie dają się w żelazie równomierniej rozprowadzić, tworząc wadliwą wewnętrzną warstwę. Z takiego żelaza wyrobiony dźwigar (rys. 101) posiada w stopach materjał czysty, środek zanieczyszczony, blacha i walcówka (rys. 99 i 100) mają we wnętrzu wadliwą warstwę, śruba (rys. 211) z wytłoczoną główką wykazuje tak na sworznia naciętym, jak i na główce, warstwę zdrową na po- jH wierzchni, we wnętrzu wadliwy ośrodek.    mt

-•ęj.

-v

Rys. 199 (x 100, Oberhoffer).

Gdy blok surowy był bardzo porowaty (rys. 96) 'i wskutek wydzielenia gazów, co zdarza się w żelazie mało węglistem, to zanieczyszczenia, głównie fosfor, wydzielają się obok otworów wypełnionych gazem, tworząc już w bloku surowym warstwy, uwydatniające się podczas przeróbki kuźniczej. Taką strukturę warstwową zowiemy pierwotną (gdyż powstała w surowym bloku) w odróżnieniu od opisanej poprzednio, — pochodnej, wytworzonej dopiero wskutek obróbki.

Struktura łupkowata. Objawem dość częstym w żelazie zlewnem są złamania o kierunku poprzecznym do przebiegu walcowania czy kucia, których budowa przypomina geologiczny układ warstwowy łupka, stąd nazwa przełomu łupko-w a t e g o (niem. Schieferbruch) nadana tej strukturze w Niemczech, gdzie ją najpierw zaczęto badać. Nazywają przełom taki także przełomem drzewiastym (Holzfaserbruch), ponieważ ma pewne podobieństwo do złamanego drewna. Materjał taki jest kruchy i niepewny. Przełom łupkowaty pręta widzimy rys. 200 ⁹⁸). Powody tego rodzaju złamań są różne, najczęściej nagromadzenie wydzieleń fosforu, wspomagane zawartością żużla i gazów (porowatość), czasami rysy wywołane

na

r;V    '

mm

krystalizacją we wnętrzu jamy,naprężenia spowodowane nierównomiernem stygnię-^ ciem, grubokrystaliczność itd. || W ostatnim wypadku udawało się przez żarzenie i zmianę wielkości ziarn usunąć niebezpieczeństwo złamania, w innych żarzenie jest bezskuteczne.

(Rys. 200 (x2. St. u. E.).

Twarde pasma w żelazie kujnem. Niekiedy w blokach surowych wytwarzają się twarde pasma (żyły) ma-terjału szczególnie twardego,przedstawiające po obróbce kuźniczej miejsca trudne do obróbki. Badania Arnolda⁸) wykazały, że przyczyną tworzenia się twardych pasm są wydzielenia, gdyż miejsca takie posiadały zwiększoną zawartość węgla, krzemu, manganu, fosforu i siarki, w postaci podwójnych karbidów, krzemianów, siarczków i fosforków. Własności mechaniczne takich miejsc nie były gorsze niż innych.

17. Kuźnictwo II.

(Metody technologiczne przeróbki kuźniczej).

Przeróbka żelaza w stanie rozżarzonym przy użyciu nacisku odbywać się może kilkoma sposobami, które mając ten sam cel plastycznego przerobienia materjału w inną postać, różnią się jednak między sobą sposobem działania narzędzi. Według tego działania rozróżnia się następujące metody:

I.    Kucie i tłoczenie zapomocą

A.    uderzenia (kucie) lub

B.    spokojnego nacisku (tłoczenie) wywartego na ma-terjał nie będący w ruchu.

II.    Walcowanie zapomocą nacisku obracających się wałków na materjał równocześnie posuwany działaniem tych wałków.

III. Wyciąganie zapomocą nacisku nieruchomej formy na materjał przez nią przeciągany.

Powyższe procesy jeżeli odbywają się w temperaturze niższej niż A:, należą do procesów obróbki przez zgniot, omawianej w osobnym rozdziale.

LlJ

Kucie i tłoczenie. Oba rodzaje obróbki różnią się od siebie szybkością działania narzędzi i skutkami jakie z tego wynikają, są zresztą do siebie podobne. I tu i tam obrabiany przedmiot P (rys. 201) opiera się na nieruchomej podstawie b a z góry działa nań narzędzie czynne a którem jest czy to kloc młota czy 11 o cz ysko prasy. Wskutek wywartego działania następuje odkształcenie Rys. 201.

16

Żelazo.

przedmiotu, w powyższym przykładzie będące spłaszczeniem, a wogóle zależne od żądanego kształtu, jaki mu nadają użyte narzędzia. Przez przekładanie i odwracanie przedmiotu kowadle, uderzanie z różną siłą i stosowanie narzędzi różnego

na

kształtu, wytwarza wprawny robotnik wymaganą postać. Rys. 202 przedstawia na szkicach 1—4 stopniowe kucie wału korbowego, który w gotowym stanie przedstawia szkic 5. Zamiast takiej, z natury rzeczy kosztownej i długiej obróbki, stosuje się przy ma-sowej produkcji kucie w formach obejmujących kształt przedmiotu.

GD

O!

Ponieważ roboty tego rodzaju dają się wykonać zarówno zapomocą kucia jak i tłoczenia, zdawałoby się, że działanie obu procesów na materjał jest jednakowe; tak jednak nie jest.

Rys. 202.

Podczas kucia rozporządzamy energją jaką daje uderzenie kloca mającego pewien ciężar i spadającego z pewnej wysokości;

gdzie M= -g przedstawia

masę kloca o ciężarze G a v jego szybkość w chwili zetknięcia się z materjałem ułożonym na kowadle. Dwa czynniki wpływają więc na energję uderzenia: ciężar młota i szybkość, ta ostatnia w drugiej potędze, jej zwiększenie zatem działa więcej na wzrost energji niż powiększenie ciężaru młota. Zdawałoby się że ten wzgląd należałoby wyzyskać w budowie młotów mechanicznych, a jednak dla przeróbki materjału wcale nie jest rzeczą obojętną czy w odpowiednim stosunku zwiększymy ciężar kloca czy jego końcową szybkość, a to z następujących powodów: Młoty o klocu ciężkim nie mogą wykonywać częstych skoków, i po uderzeniu spoczywają dłużej na materjale, młoty natomiast o znacznej szybkości nie mogą mieć ciężkiego kloca, i wykonując częste uderzenia, krótko tylko stykają się z przedmiotem obrabianym. Tym-

energję tę określa znany wzór: —^

Mv²

czasem materiał dla swej przeróbki wymaga aby oddziaływanie^iyj^£^zia_trwało_^^    bo wskutek spój

ności cząstek ruch ich od miejsca, gdzie nastąpiło uderzenie stopniowo tylko przenosi się dalej, i potrzeba pewnego czasu aby doszedł do warstw głębszych. Jeżeli działanie młota Irwa tylko krótką chwilę, przeróbka ogranicza się do warstw bliższych powierzchni zetnięcia, przy dłuższem spoczywaniu kloca na przedmiocie przenosi się ono na warstwy głębsze. To jest powodem dlaczego na dobroć przeróbki kuźniczej lepiej działa zwiększenie ciężaru kloca niż jego szybkości, a także że tłocznie są pod tym względem korzystniejsze niż młoty, ponieważ każde zetknięcie z materjałem ich tło-czyska trwa dłużej niż u młotów.

Uwidocznia to rys. 203 przedstawiający głębokość działania ciśnienia wywartego przez kucie wzgl. tłoczenie.

rVTr

\Vi>< v

—'Mir—

iii

Rys. 203.

Każdemu naciskowi odpowiada pewna głębokość przeróbki, oznaczona krzywą łączącą punkty jednakowego ciśnienia, które przewyższa opór materjału i wywołuje jego odkształcenie; poza tę linję działanie obróbki nie sięga. Aby ma-terjał został w całości przerobiony, muszą górne i dolne linje odkształceń sięgać tak daleko, by się przecięły ze sobą, pole niemi objęte doznaje w całości przeróbki. Z rysunku wynika także, że mniejsze, niegłę-boko sięgające ciśnienia, będą wystarczały do przerobienia przedmiotów cieńszych, oraz że ze wzrostem grubości zwiększać się musi ciśnienie. Młoty więc lekkie o szybkich ale krótkich uderzeniach nadawać się mogą tylko do przerabiania przedmiotów cienkich, młoty cięższe, dłużej spoczywające na ma-terjale, do grubszych; do przedmiotów zaś znacznej grubości najlepiej dają się stosować tłocznie z powodu ich bardzo wielkiego i długo trwającego nacisku.

Gdy jeszcze w ostatnim dziesiątku lat zeszłego wieku budowano do obrabiania wielkich bloków młoty o ciężarze kloca wynoszącym dziesiątki i setki tysięcy kilogramów, dziś zajęły ich miejsce olbrzymie tłocznie hydrauliczne, młoty zaś

16*

tegoczesne o ciężarze kloca wynoszącym kilkadziesiąt, kilkaset a rzadko kilka tysięcy kg. używane są do przerabiania przedmiotów mniejszej grubości.

Młoty. Przyrządy używane do kucia składają się z dwóch narzędzi, czynnego: młota i biernego kowadła. Typem takiego przyrządu jest młot ręczny (M na rys. 204) i kowadło (K).

Rys. 204.

Ponieważ ciężar młota ręcznego a także wysokość z jakiej spada ograniczone są siłą i wzrostem człowieka, przeto ręczne kucie można stosować tylko do obróbki przedmiotów o małych wymiarach; kawałków grubych, wymagających większej energji uderzenia, nie można kuć ręcznie, gdyż przerobienie materjału, sięgając płytko pod powierzchnię, nie może być dokładne i jednolite, i do głębszych warstw nie dochodzi. Nieodzownym więc przyrządem w kuźni jest młot mechaniczny. poruszany wprost lub pośrednio silnikiem.

Zasada urządzenia młotów mechanicznych jest nastę-pująca: Kloc młota prowadzony w kierownicach, podniesiony pracą mechaniczną do pewnej wysokości, spada pod działaniem siły ciężkości, czasem przy współdziałaniu nacisku zewnętrznego, i uderza w przedmiot ułożony na kowadle. Stosownie do wielkości przedmiotów przerabianych dobrany jest ciężar kloca i zastosowany do niego ciężar kowadła z podstawą, spoczywającą na sprężystym podkładzie. Jedyną więc rzeczą jaka różni między sobą młoty mechaniczne, jest ich popęd. Popęd może się odbywać albo zapomocą transmisj i, gdy użyjemy do tego fabrycznej pędni lub osobnego elektromotoru, albo przez bezpośrednie połączenie trzona dźwigającego kloc młota z tłokiem motoru, dziś prawie wyłącznie parowego.

Pierwszy rodzaj popędu, który nazywamy transmisyjnym,, bez względu na to czy pochodzi z wału pędni czy z osobnego elektromotoru, może przenosić ruch na kloc młota za pośrednictwem tarcia albo układu korbowego: rozróżniamy więc ni ło ty tarciowe, wprawiaj ace w ruch kloc (K) zapomocą

b o w e o układzie sztywnym (rys. 207) lub elastycznym (rys. 208). Drugi rodzaj młotów z bezpośredniem zastosowaniem silnika nazywamy młotami motorowemi, a od środka popędowego — parowe m i.

Rys. 208.

Si

CL

co

ao.

c£‘ a

CL a

N 2.

Ji

CU

ao.

er

o *«?

LO

S-

tCO

!-S

oś

IO

er

• pH

1C

O Cl, OO i-j

N-

77

4-

-h

o.

N-

Rys. 205.

Rys. 206.

Rys. 207.

W działaniu młota mechanicznego odgrywają rolę dwa czynniki, szybkość uderzenia i jego siła. Do obróbki przedmiotów cienkich, wymagającej stosunkowo lekkich razów, nadają się uderzenia szybkie, gdyż przedmioty takie prędko stygną — do wywołania .is-' fŁj znacznych odkształceń w przedmiotach grubych, konieczne są silne a rzadkie uderzenia, aby obróbka sięgała głęboko. Z tych powodów od młotów lekkich wymagamy częstszych uderzeń, niż od ciężkich. Nie zawsze oba te warunki dadzą się pogodzić, np. w młotach tarciowych zwiększa się szybkość uderzeń, zmniejszając wysokość spadu, wtedy jednak zwiększeniu liczby uderzeń towarzyszy zmniejszenie ich siły — w młotach sprężynowych zwiększenie liczby uderzeń wywołuje elastyczne oddziały-

wanie sprężyny, jako akulmatora energji zawartej w klocu w miejscach zwrotnych; z szybkością uderzeń zwiększa się więc ich siła. W pierwszym i drugim wypadku dzieje się odmiennie od wymagań racjonalnej obróbki.

Ważnym cz}mnikiem stanowiącym o używalności młota jest możność zmiany szybkość.' uderzeń niezależnie od ich siły. Młot elastyczny sprężynowy (rys. 208) nie ma tej własności, posiada ją natomiast młot powie-trzny (rys 209 a), w którym wkładkę elastyczną stanowi powietrze zawarte w cylindrze między dwoma tłokami; gdy górny tłok się podnosi i rozrzedza powietrze w cylindrze, dolny tłok idzie również w górę, podnosząc kloc — przy ruchu tłoka popędowego na dół następuje nacisk na dolny tłok i uderzenie kloca. Powietrze zamknięte między tłokami odgrywa rolę sprężyny, zgęszczając się i roz-:a rzedzając; przez otwarcie wentyla a możemy w cza- .

sie wznoszenia się tłoka popędowego wpuszczać • b powietrze do cylindra, wskutek czego tłok dolny nie podnosi się, bo niema ssania; to znaczy, że nie zatrzymując ruchu korby, utrzymujemy młot w spoczynku. Przez przymykanie i odmykanie wentyla a możemy zmieniać skok tłoka i silę uderzenia, niezależnie od siebie. Drugi wentyl b wpuszczający i wypuszczający powietrze zawarte pod tłokiem dolnym, służy również do łagodzenia uderzeń lub ~ ich wzmocnienia, zależnie od tego. czy pod tłokiem Rys. 209 a. zgęścimy powietrze zamykając wentyl, czy je wypuścimy otworem.

Stosując do zgęszczania powietrza osobny kompresor* rozporządzamy znacznie większym zapasem energji, dlatego młoty kompresorowe mogą posiadać cięższy kloc, niż inne młoty transmisyjne.

najwięcej używany.

zawsze

Najlepsze warunki pracy ma młot mechaniczny, gdyż szybkość uderzeń i ich siła są od siebie zupełnie niezależne* i oba te czynniki dają się regulować w obszernych granicach. Tę zaletę posiadają młoty motorowe, a w szczególności młot parowy, i to jest powodem, że młot ten, mimo że pracuje bardzo nieekonomicznie, jest

Pracę młota należycie dostosowanego do grubości przedmiotu obrabianego cechuje równomierne i nawskróś idące przerobienie materjału, jak to widzimy na słupku z żelaza pudlarskiego rys. (209) spłaszczonym pod młotem; symetryczne

n|

-r.

Rys. 209 (xlV₂).

odkształcenie włókien jest widoczne w całym przekroju, w miejscach zetknięcia się słupka z płatnią kowadła i młota przesunięcie włókien jest z powodu tarcia znacznie mniejsze niż w środku.

Gdy przedmiot kuty podlega wydatnej zmianie kształtu, to proces taki musi być wykonany w kilku stadjach, aby

N T LU

PP

E.

E.

Rys. 210.

uniknąć pęknięcia materjału przez zbyt daleko posunięte jednorazowe odkształcenie. Na rys. 210 widzimy schemat wyrobu sześciobocznej główki na okrągłym sworzniu. Rozżarzony na końcu pręt wkłada się między dwie szczęki E (szkic pierwszy) tworzące formę dla wyrobu. Szczęki zamknąwszy się, przytrzymują pręt w ten sposób, że koniec podlegający przeróbce (spęczeniu) wystaje o potrzebną długość, ustaloną zapomocą nastawnika N. W część wystającą pręta uderza stempel T (szkic drugi) i zgniata pręt w ten sposób, że jego materjał wypełnia otaczającą go formę i tworzy główkę czworokątną; jest to wyrób pośredni, gdyż przerobienie materjału odrazu

r :

m" -

1 I

;h

t r!

nm:

i.

|!

na sześcioboczną główkę nie daje się dobrze uskutecznić. Na szkicu trzecim widzimy tę samą operację, powtórzoną w drugiej formie, obejmującej kształt ostateczny zapomocą innych szczęk Ex i innego stempla Tx. Kształt wyrobu we wszystkich trzech okresach widzimy na szkicu czwartym, a na rys. 211 obraz wytłoczonej w opisany sposób główki, z widocznym kierunkiem bardzo daleko posu-¹ niętego odkształcenia. Wskutek zawartości fosforu we wnętrzu sworznia dały się pasma wyróżnić odmieniłem zabarwieniem.

i;

JS.:i

Rys. 211.

nowoczesne.

Tłocznie budowane bywają w swej ogólnej postaci tak samo jak młoty mechaniczne, posiadają więc tłoczy sko (analogicznie do kloca w młocie) i kowadło: ponieważ praca ich odbywa się z małą szybkością, są mechanizmy ich ruchu odmienne, w prasach mniejszych tłoczysko poruszane jest zwykle śrubą (tłocznie śrubowe), w większych tłokiem hydrąuhcm^^ Tłocznie hydrauliczne budowane bywają w rozmiarach często olbrzymich i wywierają ciśnienie tysięcy ton. One też jedynie nadają się do przeróbki kuźniczej olbrzymich bloków, przerabianych na najgrubsze wgdy okrętowe i największe działa

ona

Różnica między młotem a tłocznią polega jak wiadomo tylko na szybkiem działaniu, dlatego nieraz zaciera się między oboma typami, gdyż bywają młoty o tak długo trwa-

jącym nacisku na przedmiot po wykonaniu uderzenia, że działanie ich nie jest kuciem lecz tłoczeniem, są znowu tłocznie w których nacisk można wywierać tak często, że ich praca staje się raczej kuciem niż tłoczeniem.

Rury wytłaczane. Zapomocą tłoczenia wyrabia się także rury bez spojenia (bez »szwu«) sposobem Erhardta, przedstawionym schematycznie na rys. 212. Do okrągłej formy wkłada

'i

Rys. 212 (St. u. E.).

się rozżarzony blok żelazny o przekroju kwadratowem (A) i prasą hydrauliczną wciska w niego okrągły trzpień, pod którego działaniem materjał ustępuje; w bloku tworzy się okrągły otwór, a wyparte żelazo wypełnia wolną przestrzeń między poprzednio zajmowaną objętością a formą (B). W ten sposób powstaje krótka a gruba rura u dołu zamknięta, z której przez dalszą przeróbkę zapomocą wyciągania wyrabia się rurę o cienkich ścianach, nie posiadającą szwu, a więc jednakowo wytrzymałą w każdem miejscu swojego obwodu.

Zaletą tego procesu jest nietylko wytworzenie rury bez spojenia, ale także bardzo dokładne kuźnicze przerobienie

materjału w czasie wtłaczenia trzpienia w bok i wciskania go w otaczającą formę.

na

Walcowanie. W procesie tym materiał surowy, mający całej swej długości jednakowy lub bardzo mało zmienny przekrój, dostaje się między dwa poziome, obracające się walce, w których odległość pracujących powierzchni jest mniejsza niż grubość przerabianego przedmiotu; powierzchnie walców chwytają przedmiot, wciągają go i przesuwają na przeciwną stronę.

Materjał przy tej przeróbce doznaje daleko idących odkształceń jak to widzimy na rys. 213, gdzie powierzchnię przekroju przerabianego podzielono poziomemi i pio-nowemi linjami najedna->kowe kwadratawe pola;

Rys. 213.

cząstki doznały zarówno zgniecenia jak wydłużenia odmiennego w wierzchnich warstwach niż w średnich.

Wskutekbezpośredniego zetknięcia się wierzchnich warstw materjału z walcami i wywiązującego się przez to tarcia, zostały cząstki zewnętrzne więcej przesunięte niż położone głębiej, bo te wskutek swej spoistości z cząstkami zewnętrznemi posuwają się wprawdzie naprzód ale powol-niej niż tamte. Przebieg procesu uwidoczniają pionowe linje, dzielące obrabiane pole: linje te z początku proste, wyginają się w miarę posuwania się przekroju, skrajne ich części podążają naprzód, środkowe pozostają w tyle, i po wyjściu z pod działania walców, kiedy proces odkształcenia się kończy, dokładnie wskazują swym kształtem, jaki ruch wykonały cząstki materjału.

Stwierdzono doświadczeniem, że.szybkość posuwu przedmiotu między walcami jest większa od szybkości obwodowej walców: ta różnica szybkości wywołana jest plastycznością żelaza, które wypierane naciskiem walców, rozpoczynającym się w punkcie zetknięcia jego z walcami a kończącym w naj-węższem miejscu między niemi, szybko posuwa się naprzód, jak gdyby wypływając z pomiędzy walców.

Wpływ przeróbki walcownianej na żelazo objawia się

251

przedewszystkiem zmianą wielkości ziarn, tak jak w innych radzajach przeróbki kuźniczej; z powodu jednakowego wciąż działania walców, zmiana ta odbywa się głównie w kierunku ruchu materjału. Zmiana ziarnistości widoczna jest na rys. 214:

V*

■{X

- /~ 7 ^—-X.

IHll

I I

Rys. 214 (x 100. St. u. E).

z lewej strony znajduje się obraz żelaza zlewnego przed walcowaniem tj. w bloku surowem (struktura surowego odlewu), z prawej struktura wyrobionej blachy (bardzo drobne ziarna). Na wykresie 215 przedstawiona jest wielkość ziarn w każdym

ajo*-

O.OZ5

ff

Rys. 215.

okresie przeróbki. Na osi pionowej podano w milimetrach średnią wielkość ziarn, na poziomej oznaczone są literami postępujące po sobie stadja walcowania, przyczem 0 oznacza blok surowy (lewy obraz na rys. 214), A, B, C itd. materjał stopniowo przerabiany aż do L, gdzie po raz ostatni wyszedł z pomiędzy walców w stanie gotowym (jak go przedstawia prawa strona rys. 214).

W żelazie zlewnem walcowanie wywołuje wydłużenie zawartych w niem baniek żużla (rys. 90) i gazów, w pudlar-

skiem zmniejszenie ogólnej zawartości żużla, wyciskanego podczas przeróbki miedzy walcami. Rozkład jego jest równo-mierniejszy, i w mniejszych złożach niż w surowej bryle, a ogólna zawartość spada do 80% pierwotnej.

Urządzenie walcowni przedstawia w ogólnym zarysie rys. 216. Motor przenosi ruch z wału P przez sprzęgło S na koła zębate K a z nich na walce robocze W przy pomocy wałów pośredniczących E, sprzęgniętych z jednej strony z czopami kół zębatych, z drugiej z czopami walców. Zazwyczaj obok siebie stoi kilka zeskładów walców pracujących, i ruch z jednego przenosi się na następne zapomocą takich samych wałów E ze sprzęgłami.

Walcowanie odbywa się okresowo, przedmiot przechodzi

•I

Rys. 216 (Ledebur).

między walcami, zwężając się i wydłużając, następnie dostaje się znów między walce, i proces ten powtarza się tak długo, pokąd nie powstanie ostateczny kształt (blacha, szyna, drut kształtówka i t. p.

Przeróbka powinna się odbywać jak najszybciej, z naj-mniejszemi przerwami między jednem a drugiem przejściem, aby nie dopuścić do ostygnięcia materjału. coby zwiększyło jego opór i wywołało potrzebę ponownego rozgrzewania.

Na szybkość przeróbki wpływa sposób uruchomienia i zestawienia walców, od czego zależy możność szybkiego poddania żelaza wychodzącego z pod walców następnemu walcowaniu. len wzgląd jest powodem rozmaitych konstruk-cyj walcowni.

Główne narzędzie pracujące, walec, bywa gładki, gdy wyrabia się blachę, lub kalibrowy ti. zaopatrzony odpo-wiedniemi wyżłobieniami do wyboru kształtówek o pewnym profilu. Wyżłobienia te są w ten sposób wytoczone, że jeden

walec obejmuje część profilu, drugi resztę, a tem samem oba zamykają żądany kształt, czy to prostokątny, kwadratowy, okrągły, czy też inne, więcej złożone (rys. 217), służące rozmaitym celom.

Przekrój gotowego wyrobu wykonany walcami kalibro-wemi jest wielokrotnie cieńszy niż wyrób surowy, dlatego żądanej walcówki nie można z bloka otrzymać za jednora-zowem przewalcowaniem, lecz czyni się to stopniowo, przez częściowe zmiany i zmniejszanie przekroju (5—10°/₀) aż do osiągnięcia kształtu ostatecznego. Zależy tu przedewszystkiem na dokładnem przerobieniu materjału, więc ogólne zmniejszenie przekroju powinno być znaczne. To wszystko wymaga

Rys. 217.

szeregu kalibrów zwężających coraz bardziej i zmieniających kształt przedmiotu.

Kalibry nie mieszczą się zazwyczaj w jednej parze walców, ale są rozdzielone na dwie i więcej. Rys. 218 przedstawia kalibry wraz z konturami obu walców dla walcówki kształtu T nr 40. Do wykonania tej kształtówki potrzeba 11 kalibrów rozdzielonych między trzy walce, z których dwa (I i II) zawierające po cztery wycięcia,stopniowo przygotowują wymagany kształt, a trzeci wykończający (III), o trzech kalibrach, daje gotowy wyrób. Materjał przygotowany w walcach wstępnych może być także wy walcowany na mniejszy dźwigar (nr. 38) w osobnym walcu wykończającym (IV); jeżeli zamiast drugiego wstępnego walca zastosujemy inny o nieco krótszych kalibrach, a w walcu I zamiast kalibru 4 użyjemy kalibru 4 a, to możemy otrzymać jeszcze krótsze dźwigary: nr. 36, 34 i 32, z których każdy będzie miał osobny walec wykończający.

Tym sposobem dla pięciu numerów potrzeba będzie tylko ośmiu walców, z których pierwszy wstępny jest dla wszystkich polny, drugie dwa wstępne służą do dwóch, względnie trzech numerów, a pięć jest wykończających.

ws

Kalibry, podobnie jak formy odlewnicze i kowalskie, muszą posiadać ile możności pewna zbieżno ść, ułatwiającą wysunięcie się walcowanego przedmiotu, i mieć rozmiary nieco większe niż gotowy wyrób z powodu skurczu osty gającego

li

f\_p

ES

Ml

z:

Ob

Rys. 218 (St. u. E.).

materjału; współczynnik kurczenia przyjmują dla żelaza walcowanego: 1 013.

Wyrób żelaza cienkiego, wstęgowego, drutu i t. p. nastręcza tę trudność, że cienki materjał szybko stygnie, a ponowne rozgrzewanie w piecu jest połączone ze stralą przez utlenienie oraz ze zwiększeniem kosztów opału. Materjałem wstępnym są cienkie bloki, wywalcowane z grubych, przeciętych następnie na krótkie kawałki, które przerabia się na cieńsze walcówki, a wreszcie na żądany cienki materjał np. drut. Aby przeróbka była w całym przekroju dokładna, stosuje się często kalibry przejściowe odmiennego kształtu

255

niż kształt ostateczny np. do wyrobu drutu kształty naprze-mian zmienne jak pokazuje rys. 219. Żelazo wskutek tak energicznej przeróbki mechanicznej rozgrzewa się i przez to stygnie znacznie wolniej, mimo to jednak niepodobna byłoby prze-

<Z> O <=> O <=> o <=> o

Rys. 219.

koniec

robić go za jednem rozgrzaniem, gdyby się nie zastosowało walcowania równoczesnego w kilku miejscach, w ten sposób, że

pręta wkłada się miedzy drugie, trzecie i t. d. (rys 220) przez co przeróbka / f odbywa się bardzo szybko.

Walcowanie dźwigarów szeroko- .*^--4 stopowych. Są to walcówki kształtu T j \

Rys. 220.

Rys. 221 (St. u. E.).

(dwuteówki) o bardzo szerokich sto- i pach. Wykonanie ich zwykłemi walcami kalibrowemi nie jest możliwe, gdyż wskutek bardzo głębokich wcięć na stopy, szj^bkość obwodowa w miejscach położonych bliżej średnicy walca jest o wiele mniejsza niż na obwodzie; przez to przeróbka odbywa się bardzo niejednolicie, ma-terjał na brzegach stopy znacznie mniej posuwany niż w środku jest nierównomiernie natężany, powstają rysy, pęknięcia i naprężenia, jednem słowem walcówki tym sposobem nie można wykonać. Aby wyrabiając stopę można było materjał przerabiać na całej przestrzeni z jednakową a przynajmniej niezbyt odmienną szybkością, zastosowano walce boczne i tym sposobem umożliwiono wyrób takich dźwigarów. Materiał wy walcowany z grubsza na dwuteowy profil, dostaje się na walcownię o czterech walcach kształtu przedstawionego na rys. 221; dwa poziome walce cylindryczne V wytwarzają część środkową i wewnętrzną powierzchnię stopy, dwa

cylindryczne walce pionowe H jej zewnętrzną powierzchnię. Tak poziome jak pionowe walce są nastawialne i robota odbywa się stopniowo w kilkunastu przejściach aż do ostatecznego kształtu.

Jakkolwiek powyższe urządzenie przerabia materjał znacznie lepiej niż zwykłe walce kalibrowe, nie można jednak wyrabiać na niem profilów o bardzo szerokiej stopie, bo w takim razie walce poziome pracują ze zbyt nierówną szybkością. Nie można też wyrobić stopy jednakowo grubej lecz ze względu na nadmierne tarcie na pionowych powierzchniach cylindrów, muszą te powierzchnie posiadać pewną zbieżność; nachylenie wynosi około 9°.

b yTK

1E

CDJ

-“31

rp

-W³

-s

Rys. 222 (St. u. E.).

nem

przera

biających.

By te niedogodności usunąć i umożliwić wyrób dźwigarów o jeszcze dłuższej stopie, wynaleziono inne konstrukcje walcowni—jedną z nich przedstawia rys. 222. Blok przechodzi najpierw przez cztery walce wstępne (a), z których tak poziome jak pionowe wskutek obranego kształtu i położenia^ przerabiają materjał z małemi różnicami prędkości. Walce wykończające (b), o podobnym kształcie a większem nachyleniu, wywalcowują dźwigar na ostateczne wymiary, zachowuj jeszcze wygięcie stopy, które prostuje się na osob-zestawieniu walców (c), nic już materjału nie

Walcowanie cylindrów- Do wyrobu cylindrów bez szwu ⁰ —średnicy a cienkich ścianach, można również sować walcowanie. Przekuty pod młotem albo w tłoczni blok przerabia się sposób wykonywa w

sto-

na

rurę sposobem Erhardta lub w inny nim otwór, i walcuje w sposób przęd

stawiony na rys. 223. Urządzenie do tej roboty składa się z dwóch walców, — dolny (W), popędowy, jest nastawialny, zapomocą śruby z kołem (K) i drążkiem zębatym (D),górny (G) daje się wyjmować.

W czasie walcowania rozsuwalne / / walki (P) podtrzymują cylinder i za- / / pobiegają jego odkształceniu.

Zaletą takiego wyrobu jest nie- 1 tylko brak szwu, zgrubiającego w jed- \ \ nem miejscu cylinder, zwiększające- \ \ go jego ciężar i stanowiącego w nim najsłabszą część, ale nadto mamy tu do czynienia z wszechstronnem prze- P robieniem materj ału, który przy wstępnej robocie doznał przeróbki głównie w kierunku równoległym do osi, a przy ostatecznem walcowaniu został przerobiony w kierunku do poprzedniego prostopadłym.

(Rys. 223 St. u. E.).

-E-^3

Rys. 224.

Walcowanie obręczy do kół wagonowych odbywa się na tej samej zasadzie co opisany wyrób cylindrów, z tą różnicą że walce są wąskie i profdowane. Tarczę i wieniec dla takich kół można również wyrobić przez walcowanie na przyrządzie przedstawionym na rys. 224. Dwa stożkowe kręgi S walcują część tarczy przylegającą do wieńca, oraz jego wewnętrzną powierzchnię, walec pionowy P obrabia obwód wieńca, a dwa walce poziome 0 wyrównują jego boki.

Walcowanie śrub. Jak w walcach kalibrowych otrzymuje się walcówki przez wtłaczanie plastycznego materj ału w formę wyżłobioną w walcach, tak samo przez nacisk i stosowny ruch narzędzi o powierzchni odpowiednio uformowanej, można wycisnąć gwint śrubowy na plastycznym sworzniu. Wyrób śrub na gorąco przez walcowanie przed-

17

Żelazo.

stawia rys. 225. Trzy wałki kalibrowe C z naciętym gwintem jaki mają wytworzyć, umieszczone na końcach trzech wałów popędowych, obracają się około rozżarzonego sworznia S i wygniatają na nim gwint, posuwając go równocześnie naprzód, tak jak obracająca się mutra posuwa umieszczoną w niej swobodnie śrubę. Kształt wałków narzędziowych przedstawiony jest w przekroju na szkicu D.

Walcowanie rur. Wyrób rur bez szwu z pełnego bloka przez walcowanie datuje się od r. 1885, kiedy bracia M a n-nesmannowie wzięli patent na swój pomysł. Wiele lat upłynęło zanim ich wynalazek, obejmujący wyrób rozmaitych

*7v

pustych w środku wyrobów, po pokonaniu mnóstwa trudności i nadzwyczaj kosztownych próbach, ograniczony tylko do wyrobu rur, tak został udoskonalony technicznie, że produkcja się opłaca i weszła na normalne tory.

Rys. 225.

Na pomyśle Mannesmannów oparło się następnie wiele innych, wprowadzających różne zmiany w sposobie działania narzędzi i ich budowie, powstało kilka w praktyce stosowanych sposobów walcowania rur, największe znaczenie i rozpowszechnienie mają jednak rury mannesmanowskie, i tutaj ograniczymy się tylko na opisie zasady ich wyrobu.

SZWU.

Do wyrobu rur służą walce kształtu widocznego na rys. 226, o powierzchni złożonej ze stożków i cylindrów, ustawione do siebie pod kątem 10°; walce obracając się, chwytają wsunięty pomiędzy nie blok bardzo plastycznego żelaza, rozża-rzonego do białości, a ponieważ są nachylone także względem osi bloka, przeto ich nacisk rozkłada się na dwie składowe, jedną powodującą obrót bloka, drugą jego posuwanie się naprzód. Z powodu zbieżności wałków w miejscu gdzie blok pomiędzy nie wchodzi, nie może on, jako całość, posuwać się pod wywartym naciskiem, natomiast zesuwa się z niego materjał wierzchnich warstw i wciskając się na stale utwierdzony trzpień, tworzy na nim rurę bez

W jaki sposób przy takiem działaniu walców tworzy się rura, nie jest dotąd zadawalająco wyjaśnione. Powszechnie przyjęte tłomaczenie polega na następującem rozumowaniu: Wiemy że w przeróbce żelaza między walcami, wskutek tarcia powierzchni walców, najszybciej przesuwają się cząstki położone na powierzchni; wskutek przyczepności poruszają się także cząstki warstw głębszych, lecz z opóźnieniem względem warstw skrajnych tern większem, im leżą głębiej —wszyst-

*5

•-i

Rys. 226.

kie jednak biorą udział w przeróbce. Jeżeli więc walce działać będą dość szybko, to na końcu bloka wytworzy się wklęsłość tern większa, im większa będzie szybkość obwodowa walców, i koniec bloka rozdzieli się na dwie części (rys. 227 A). Wziąwszy zamiast płaskiego bloka — okrągły, i nadawszy mu podczas walcowania ruch obrotowy około osi, wytworzymy tym sposobem zagłębienie w kształcie kubka (B), a przy bardzo szyb-kiem posuwaniu cząstek na powierzchni, nastąpi zupełne ich oddzielenie od wnętrza bloka i wytworzy się rura (C). Aby się to stało, nie potrzeba żadnego przyrządu działającego wę-wnątrz otworu, gdyż rura powstaje tylko wskutek wielkiej szybkości walcowania, powodującego odrywanie się od siebie

17*

cząstek położonych wewnątrz. Tak wykonana rura jest jednak wewnątrz nierówna, pełna zadziorów, które ją czynią niezdatną do użytku. By temu zapobiedz, wkłada sic do wnętrza powstającej rury trzpień, wsparty na długim drążku i wypełniający ściśle wnętrze formującej się rury, która będąc w stanie plastycznym i zgrzewalnym, wygładza się na powierzchni trzpienia, a zadziory i pęknięcia zgrzewają się i znikają.

W7X -n Przyczynia się do tego brak do-

'Zya    LJ stepu powietrza do części rury

zamkniętej trzpieniem, tak że nie może powstać utlenienie, niedo--puszczające zupełnego zgrzania.

.V.

4-

na

Powyższe tłumaczenie nasuwa pewne wątpliwości a miano-Q wicie czy przyczepność cząstek jest tak bardzo wielka, aby pod wpływem ruchu warstw zewnętrznych całe wnętrze bloka, nieraz znacznej grubości (do 450 mm) dało się porwać i utworzyło rurę. Według Grubera ⁴⁹) cząstki mater-jału spychane w linji śrubowej two-(Q) rzą jakby pęk skręcających się

~r

Rys. 227.

powierzchni włókien, które porywają w obrót śrubowy włókna wewnętrzne i wywołują tworzenie się otworu. Tłómaczenie to nie jest trafne, raz dlatego że w żelazie zlewnem wolnem od żużla, baniek gazów i wydzieleń, a tylko takie nadaje się do przeróbki tak bardzo natężającej materjał, niema włóknistej budowy, a przytem materjał rozżarzony do temperatury zgrzewalności jest tak plastyczny, że niema mowy o jakiejś sztywności, koniecznej do tak tłumaczonego procesu.

Zwalczający powyższą hipotezę Gassen ³⁹) przypisuje trzpieniowi ważną rolę w wytwarzaniu rury, i twierdzi, opierając się na doświadczeniach, że samo działanie walców bez trzpienia wywołuje tylko pęknięcie bloka wewnątrz (rys. 228) i rozluźnienie cząstek. Dopiero trzpień wstrzymujący posuwanie się materjału, rozdziela go sobą i wytwarza rurę; potwierdzać to ma szybkie zużywanie się trzpienia na powierzchni, po której posuwa się wyrabiana rura.

y".

Otrzymane przez walcowanie krótkie rury o grubych ściankach stanowią dopiero surowy materjał do dalszej przeróbki na rury o większej lub mniejszej średnicy a cienkich ściankach. Można to wykonać przez wyciąganie, przez dalsze walcowanie lub, najwięcej stosowane, kucie na trzpieniu za-pomocą mimośrodowych kręgów.

4

ty . /A

Rys. 228 (St. u. E.).

Wyciąganie. Jeżeli mater-jał plastyczny będzie przeciągany przez otwór węższy od grubości przedmiotu przerabianego, nastąpi wyciągnięcie się materjału, przyczem przybierze on kształt otworu, przez który go przeciągano. Operacja ta zwana wyciąganiem, ma obszerne zastosowanie w obróbce żelaza w stanie zimnym i będzie obszerniej omówiona w rozdziale jej poświęconym. W pewnych razach stosuje się ją do żelaza rozżarzonego,

Rys. 229 (St. u. E.).

gdy grubość materjału nie pozwala na przeróbkę zimną; ten rodzaj fabrykacji, odpowiadający zasadzie procesów kuźniczych, musi być tutaj omówiony.

Wyciąganie kuźnicze stosowane bywa do wyrobu rur bez szwu, wypukłych den do kotłów itp.

Wyciąganie rur. Z krótkich rur wykonanych przez tłoczenie sposobem Erhardta wyrabia się rury dłuższe a cieńsze, wyciągając je w stanie rozżarzonym. W tym celu wkłada się rurę na długi trzpień (rys. 229) o tej samej średnicy co je:

otwór, i przeciska przez szereg płyt z otworami zbieżnemi. Gdy grubość ścian rury dojdzie do 5 mm, nie można jej dalej wyciągać na gorąco, gdyż zdjęcie z trzpienia nie jest możliwe bez deformacji; dalsze wyciąganie można więc wykonywać już tylko na zimno.

celu wyrób den do ko

na

Wyciąganie blachy. Ma ono

na

roz-

tłów,'izBIormków itp. Przykład takiej przeróbki widzimy rys. 230, przedstawiającym wyrób dna kotłowego; blachę żarzoną umieszcza się na pierścieniu P o średnicy jaką ma mieć dno na zewnątrz, i wciska w nią tłoczysko T o średnicy wewnętrznej dna. Tłoczysko cisnąc blachę wciąga ją w pierścień i formuje w kształt D. Do czynności tej używa się

tłoczni hydraulicznych wielkich rozmiarów.

Rys. 230.

Piece kuźnicze stosowane bywają odpowiednio do i|| kształtu a przedewszystkiem wielkości ogrzewanego ma-terjału. Do rozżarzania małych przedmiotów używa się znanego powszechnie o g n i-s k a ko w ais k i eg o, taniego w urządzeniu ale trudnego w takiem prowadzeniu, aby żelazo nie podlegało zbyt silnemu utlenianiu od powietrza, wtłaczanego dla rozżarzania węgla na palenisku, a także aby przymieszki szkodliwe (siarka i fosfor) zawarte w paliwie ota-czającem bezpośrednio żarzony materjał, nie udzielały się żelazu. Przedmioty wielkich rozmiarów muszą być rozgrzewane w piecach płomiennych, ogrzewanych albo zapomocą paliwa spalanego na ruszcie, albo sposobem Siemensa (regene-ratorowym), znanym z procesów hutniczych. Żelazo jest w nich znacznie więcej zabezpieczone od zanieczyszczeń, które tylko za pośrednictwem gazów spalenia mogą się udzielić, jednak w stopniu nieporównanie mniejszym niż w piecach ogniskowych; żelazo narażone jest na utlenienie, wskutek działania gazów ogrzewających, więcej w piecach płomiennych zwykłych niż przy systemie Siemensa, gdzie mieszaninę gazów palnych z powietrzem można lepiej regulować.

18. Łączenie żelaza sposobami kuźniczemi.

Przez zastosowanie operacyj kuźniczych, można, korzystając z plastyczności żelaza w stanie rozgrzanym i innych własności towarzyszących temu stanowi, wytwarzać połączenia trwałe tj. takie, których nie można rozebrać bez uszkodzenia części złączonych lub samego przedmiotu utworzonego przez złączenie kuźnicze. Istnieje kilka sposobów wykonywania takich połączeń, stosowanych odpowiednio do kształtu, rodzaju i przeznaczenia wyrobu. Połączenia bywają wykonywane albo przez użycie jakiejś części pośredniczącej, i do takich połączeń zaliczamy nitowanie i spajanie na gorąco obręczami skurczowemi, lub też części wchodzą ze sobą w bezpośrednie połączenie, tworząc jedną całość; tym rodzajem połączeń jest zgrzew a n i e.

lii

Rys. 231.

Nitowanie. Dla połączenia trzeba w łączonych przedmiotach (blachach) wykonać otwory. Umieściwszy je następnie nad sobą, przekłada się przez nie rozżarzony sworzeń, zakończony z jednej strony główką (rys. 231), a następnie przez zakucie lub stłoczenie przekształca się w taką samą główkę koniec sworznia (zaznaczony na szkicu u góry). W ten sposób powstaje trwałe połączenie obu części, nie dających się rozdzielić bez zniszczenia nita.

Aby połączenie było udałe, musi materjał sworznia nitowego wypełnić dokładnie otwory, a główka być tak zaciśnięta, aby blachy po wystygnięciu nita były przez jego główki

ściskane, przez co między niemi powslaje tarcie, wzmacniające połączenie.

Na rys. 232 widzimy połączenie trzech walcówek (z widocznym wadliw}⁷m ośrodkiem) zapomocą nila (również wadliwe żelazo zlewne). Połączenie jest źle wykonane, chociaż bowiem gotowa główka (dolna) przylega ściśle do blach, to główka wykonana przez nitowanie (górna), nie dotyka ich.

y-m

pą

flKl

(Rys. 232 (n. w.).

0 ile złącze ma być szczelne (np. w kotłach parowych), zakuwa się brzegi złączonych blach (jak wskazują strzałki). Czynność tę wykonywa się zapomocą d o s z c zje 1 n i a k a rzędzia w kształcie tępego dłóta, przykładając jeden jego koniec do blachy a w drugi uderzając młotkiem. Dla ułatwienia uszczelnienia są krawędzie blach ukośnie ścięte.

Gdy uszczelnianie jest nieumiejętne a mianowicie kiedy doszczelniak uderza

, na-

w same

brzegi blachy lub główki nito-

wej, może powstać naruszenie blachy kotłowej z objawami zgniotu, wskutek czego blacha staje się twardą i kruchą, i z czasem tworzą się w niej rysy działające jako karb. Wiele wypadków uszkodzenia kotłów parowych ma powód w nieumiejętnem uszczelnianiu. Rys. 235¹³) przedstawia uszkodzoną wskutek nieoględnego uszczelniania nitów blachę kotła parowego, który wskutek tego stał się

niezdatnym do użytku. Około otworów nitowych widzimy zagłębienia koliste, pochodzące z uszczelniania główek nitowych. Powstałe wskutek nieumiejętnego uszczelniania pęknięcia bla-

f,    7

%

i*.

Rys. 233 (n. w. Baumann).

. .5

li

mm

Jm ifef

* li V

y7/

pr

Rys. 234 (x7).

Rys. 235.

chy w okolicy nitowego otworu widzimy na rys. 234. Szkice A i B na rys. 235 przedslawiają sposób prawidłowego uszczelniania przez użycie kolejno po sobie dwóch narzędzi, szkic G uszczelnianie wadliwe.

Innym błędem często zdarzającym się podczas nitowania jest za długie trzymanie w ogniu nita, wskutek czego stąpi przegrzanie żelaza, Materjał w wykutej główce poprawi się wskutek obróbki mechanicznej, sworzeń jednak będzie gruboziarnisty (rys. 236) i kruchy. Za silne rozżarzenie nia przed nitowaniem może spowodować po wykonaniu połączenia oderwanie się jałówki nitowej, z powoda że materjał sworznia, kurcząc się zbyt silnie, spowoduje powstanie naprężeń przewyższających wytrzymałość nita; przegrzanie ułatwia oczywiście taki wypadek.

na-

sworz-

jm

Otwory na nity bywają wyrabiane przez wiercenie lub wytłaczanie na zimno. Drugi sposób szybszy i znacznie tańszy wywołuje stwardnienie i kru-hość materiału a na-wet pęknięcia spowodowane zimną obróbką; materjał wskutek ego doznaje osłabienia i jest skłonny do pękania. BiiigL sposób jest droższy ale nie nadweręża ma-terjału tak niebezpiecznie, dlatego w połączeniach narażonych na duże i zmienne obciążenia, a także na zmiany temperatury (kotły parowe), nie powinno się stosować otworów na nity wytłaczanych lecz wiercone. Otwory wytłaczane można poprawić, rozwiercając je dodatkowo na większą średnicę i usuwając w ten sposób wadliwą warstwę; ponieważ jednak dla usunięcia jej trzeba średnicę otworu powiększyć przynajmniej o 10 mm, wypada ta robota wraz z poprzedniem wytłaczaniem często drożej niż wiercenie całego otworu. Mniej sumienne fabryki wywiercają w otworach wytłaczanych bardzo cienką warstwę, aby otwór wyglądał jak wiercony; wady spowodowane wytłaczaniem nie są tym sposobem usunięte. Wprawne oko rozpozna tak przeobrażony otwór, a jeszcze pewniej badanie metalograficzne.

Zdarza się także, że blacha wskutek wytłaczania otworów doznaje odkształcenia, wtedy otwory po złożeniu obu łączonych blach nie znajdują się dokładnie nad sobą. Jeżeli przed nitowaniem nie zostaną one rozwiercone (co zwiększa średnicę otworu), nit ma położenie skrzywione, jak to widzimy na rys. 237, nie przylega należycie do otworu, a główki leżą względem siebie ekscentrycznie; nacisk główek na blachy jest wtedy niejednostajny, a połączenie słabsze i niepewne.

wykonywać ręcznie !——'-■> lub m a s z y n o w o.

Rys. 237.

W pierwszym wypadku po włożeniu rozgrzanego nita w otwór zakuwa go się młotami ręcznemi, formując główkę zapomocą przy-kładnika z odpowiedniem wyżłobieniem.

cS

Nitowanie ręczne jest powolne i kosztowne, a nit, zwłaszcza gruby, przy krótkotrwającem uderzeniu nie doznaje przeróbki w całym sworzniu lecz tylko w samej główce. Nitowanie maszynowe wymaga drogich urządzeń, ale robota jest szybka a przy wykonywaniu wielkiej liczby połączeń tańsza; materjał nita doznaje przy tern przeróbki w całej swej długości.

Rys. 238.

Przy nitowaniu maszynowem zaciska się nit zapomocą tłoczni. Po włożeniu nita w otwór (rys. 238 A) opiera go się na wyżłobionej podkładce a i tłokiem b, półkulisto wyżłobionym, wygniata się główkę. Aby nitowanie było udałe, muszą obie blachy dokładnie przylegać do siebie, jeżeli bowiem odstają, materjał tłoczony dostaje się między nie i tworzy rąbek rozdzielający blachy; chcąc tego uniknąć, należy je w pewnych odstępach złączyć śrubami włożonemi w otwory nitowe, . co znów powoduje stratę czasu. Usuwa tę niedogodność urządzenie przedstawione na szkicu B, gdzie oprócz podkładki a i tłoka b znajduje się osobno poruszany docisk c w kształcie rurki otaczającej tłoczek. Po założeniu nita i oparciu go na

podkładce, opuszcza się docisk, ściskający blachy, poczem wytłacza główkę nita.

, wskutek czego do nitowania używa się gładkich sworzni, tańszych niż sworznie z gotowemi główkami. Zaletą tego sposobu nitowania ma być szczelniejsze zwarcie nita, gdyż obie główki, równocześnie uformowane i zaciśnięte, są metalicznie czyste w miejscu przylegającem do blachy, nie tak jak nity z główkami gotowemi, które podczas rozżarzania pokrywają się warstwą tlenku. Trudność w dokładnem założeniu sworznia, aby z obu stron otworu jednakowo wystawał, nastręcza możność złego wykonania nitowania, i to jest zapewne przyczyną, że nitarki tego typu nie są rozpowszechnione.

Łączenie zapomocą obręczy skurczowych służy do wytwarzania połączeń o tyle rozbieralnych, że można je rozdzielić bez zniszczenia obręczy, silnie ją rozgrzewając. Łączone części muszą być obrobione według kształtu jakiejś zamkniętej, jednolicie wygiętej linji krzywej np. koła, owalu itp. a obręcz, która je spaja, posiadać musi ten sam kształt i być wewnątrz obrobiona. Jednakże długość jej wewnętrznego obwodu jest mniejsza niż zewnętrznego w częściach łączonych, aby po nałożeniu i ostygnięciu powstał wymagany nacisk; przyjmuje się na 1 m długości różnicę 075—1*5 mm. Chcąc wykonać połączenie, rozgrzewa się obręcz, której długość przez to się zwiększa, wciska na łączone części i pozwala zastygnąć. Obręcz, kurcząc się, tak silnie ściska obie części, że bez zniszczenia lub ponownego rozgrzania nie daje się zdjąć. Ogrzewanie nie może być silne, najwyżej do 300°, żelazo bowiem do tej temperatury zachowuje a nawet zwiększa swą wytrzymałość, powyżej zaś wytrzymałość jego maleje a rozciągliwość się zwiększa. Gdyby obręcz była ogrzana za wysoko, to spotykając podczas kurczenia się opór łączo-nych przedmiotów, wydłużyłaby się plastycznie i nie wywierałaby nacisku, ogrzanie do temperatury niższej niż 300° objawu tego nie wywołuje.

__Zgrzewanie. Proces ten jest jednym z objawów krystalizacji, jakim podlegać może żelazo w stanie rozżarzenia. Jeżeli dwa kawałki żelaza rozgrzane do białego żaru (ok. 1100°). o powierzchniach metalicznie czystych, położymy na sobie

i wywrzemy na nie nacisk, to ziarna, wchodząc ze sobą w bezpośrednie i ścisłe zetknięcie, będą tak samo na siebie odziały-wały jak w materjale żarzonym (rys. 179), pochłaniając się nawzajem i wrastając w siebie; nastąpi w ten sposób zupełne złączenie powierzchni zetkniętych, przyczem struktura złącza będzie grubokrystaliczna jak w żelazie przegrzanem. O ile złączenie zostanie mechanicznie przerobione -^4;

(przekute) aż do ochłodzenia poni-

żej A₃, wystąpi znane polepszenie.    ||

materjał stanie się drobnoziarnistym.

Mikrofotografię połączenia dwóch kawałków żelaza średnio twardego (perlit w ferrycie) widzimy na rys. 239.

Szew zgrzania jest wskutek żarzenia odwęglony (brak perlitu), zresztą złączenie kryształów zupełne, bez śladu (Rys. 239 (x 75. Baumann). jakiejkolwiek przerwy, — zaledwie drobne złoża żużla występują w paru miejscach.

Nacisk w czasie procesu jest także potrzebny, o ile ziarna otoczone są wydzieleniami przymieszek, aby wskutek nacisku i idącej za nim deformacji warstewka otaczająca kryształy została przerwana, i umożliwiła im bezpośrednie zetknięcie

Rjs. 240 (n. w.).

i wzajemne oddziaływanie. To tłumaczy dawny sposób kowalski, że wykonane połączenie należy kuć tak długo, pokąd żelazo się żarzy. Osiąga się przez to także drobnoziarnistość.

Połączenie utworzone drogą zgrzewania nie ma więc zmienionej (lanej) struktury jak przy stapianiu, lecz składa się z takiego samego materjału, jaki jest w częściach łączonych. Na rys. 240 widzimy mikrografję przekroju połączenia

dwóch kawałków żelaza pudlarskiego przez zgrzewanie. Obie części, poprzednio zbieżnie odkute, tworzą po zgrzaniu skośny szew, który łatwo rozpoznać z kierunku, w jakim ułożone są włókna, - niema jednak między niemi wyraźnej granicy, któ-raby wskazywała, że połączenie cząstek jest tylko powierzchowne, ale widoczne jest zupełne zespolenie.

Rys. 241 (n. w.).

Złączenie prętów z żelaza pudlarskiego i zlewnego (rys. 241) uwidocznia również, że przej-ściejednego ma-terjału wr drugi jest stopniowe i nieznaczne.

ma

Połączenie zgrzewne, wykonane bardzo poprawnie, niekiedy wytrzymałość zbliżoną do stanu przed procesem, — zwykle jednak jest ona mniejsza; w praktyce przyjmuje się, że wytrzvmałość złącza powinna mieć przynajmniej 80°/0 wytrz} małości ma-terjału łączonego.

Rys. 24 2 (n. w.).

Bywa ona czasem znacznie mniejsza, jeżeli podczas roboty popełniono błędy, o które w tym procesie nie trudno.

Najważniejszym z nich jest zanieczyszczenie łączonych powierzchni tlenkiem, wytwarzającym się w czasie rozgrzewra-nia żelaza. Jeżeli powierzchnie łączone nie są dostatecznie chronione od utlenienia lub przed ułożeniem na sobie nie są oczyszczone z wytworzonego już tlenku, wtedy w miejscach pokrytych tlenkiem nie nastąpi zetknięcie cząstek metalicznych, lecz wytworzą się złoża żużla, i połączenie będzie albo całkiem nie-udałe albo osłabione w stosunku do zanieczyszczenia powierzchni. Pokazane na rys. 242 połączenie dwóch blach z żelaza

Rys. 243 (V₂ n. w.).

Taki sam objaw ^ widzimy w obrazie szyny z żelaza pudlar-skiego (rys. 243), wykonanej przez zgrzewanie prętów o różnej zawartości węgla. Zarówno w głowicy szyny jak w iej stopie widoczne są linje zetknięcia prętów

nie dość metalicznie czystych, aby V V ' ":H P0wstał⁰ niewidoczne połączenie.

Rys. 244 przedstawia mikro-£*' o-;,7    •>?‘ *j graiję wadliwie wykonanego złącza,

którego ziarna są przesycone żużlem. jŁpj    By uniknąć utlenienia, należy

h^i jćĄ* '*VvV rj£-"~^Ą rozgrzane żelazo chronić od zetknię-'    ■ cia z powietrzem, co w ogniskach

kowalskich jest trudne a w piecach Rys. 244 (x 150. Baumann). płomiennych, zwłaszcza ogrzewanych gazem, łatwiejsze do przeprowadzenia ze względu na możność regulowania dopływu powietrza.

zlewnego, przedstawia się nie tak jak na obrazach poprzednich, jako niewyraźne przejście jednego materjału w drugi, widoczne tylko wskutek zanieczyszczeń materjału, ujawnionych przez badanie; tu żelazo jest zupełnie czyste, z niewidoczną strukturą dla braku wydzieleń, natomiast granica spojenia występuje jako cienka, miejscami bardzo widocznie zaznaczona linja. Sprawiają to bardzo cienkie warstewki tlenku, mniej lub więcej ściśle rozgraniczające powierzchnię zetknięcia, przez co spojenie jest mniej dobre.

__*

III

■śte'

V. -'Ti

i-

IM

Drugim sposobem zapobiegania zanieczyszczeniu po-

wierzchni zgrzewanych jest wytworzenie na nich rzadko-płyn-nego żużla, który je chroni od zetknięcia z powietrzem, wytworzony tlenek rozpuszcza i usuwa, a z powodu swej rzad-kopłynności daje się wywartym naciskiem usunąć w chwili wykonywania spojenia.

na-

Gdy części łączone są niedostatecznie rozgrzane, może powstać p o z orne połączenie wskutek adhezji cząstek ciskanych na siebie przy skuwaniu; takie połączenia wykazują czasem pewną wytrzymałość na spokojne rozciąganie, są jednak tern niebezpieczniejsze w użyciu, bo przy wstrząśnie-niach i uderzeniach pękają na powierzchniach złączenia; nieodporne są także na skręcenie.

Miękkie rodzaje żelaza zlewnego są łatwiej zgrzewalne niż twarde, których niższy punkt topliwości utrudnia dostatecznie wysokie rozgrzanie żelaza z zachowaniem stałego stanu skupienia. Stal o wysokiej zawartości węgla przechodzi w stan płynny, zanim procesy krystalizacyjne nabiorą takiej szybkości, jakiej wymaga proces zgrzewania.

Żelazo pudlarskie, z powodu naturalnej zawartości żużla, jest łatwiejsze do zgrzewania niż zlewne.

Ze stopów żelaza jest dobrze zgrzewalna stal niklowa, z powodu że nikiel odporny na działanie tlenu daje się bardzo dobrze zgrzewać; inne stale, jak manganowa, chromowa, wolframowa, są trudne do zgrzewania z powodu łatwego utleniania się składników.

W połączeniach zgrzewnych umieszczonych pod wodą występuje często szybkie zniszczenie żelaza przez rdzę, zwykle w sąsiedztwie szwu. Powodem tego są zmiany wywołane przegrzaniem, nawet słabem, wskutek czego materjał taki zachowuje się odmiennie, niż sąsiedni nienaruszony, i powoduje powstawanie prądów elektrolitycznych, wywołujących uszkodzenie.

Żelazo wiązkowe (pakietowe). Ulepszanie surowego żelaza pudlarskiego polega na składaniu go w wiązki (pakiety), które rozgrzane do temperatury spawalności, przerabia się przez walcowanie, wskutek czego następuje zgrzanie prętów w jedną walcówkę, wygniecenie częściowe stopionego żużla i pewne ujednostajnienie materjału. Przeróbkę taką stosuje się niekiedy dwukrotnie.

Ten sam sposób był dawniej obszernie używany do przeróbki starego żelaza kujnego, które wiązano w wiązki i przerabiano przez walcowanie, dobierając często, stosownie do potrzeby, materjał lepszy lub odmienny w pewnych częściach pakietu np. na głowicę szyn kolejowych, jak to widzieliśmy na rys. 243 w ten sposób wykonanej szyny. Zużywanie starego żelaza w metodzie martinowskiej ograniczyło tę przeróbkę, mającą dziś podrzędne znaczenie i stosowaną w miejscowościach od hut odległych.

Materjał wyrobiony tą metodą przedstawia rys. 245; u góry widoczna warstwa żelaza o znacznej zawartości węgla (wiele perlitu), u dołu materjał miękki (ferryt) ze znaczną zawartością żużla (żelazo pudlarskie).

: :|

tSm

*79

(Rys. 245 (x 90).

Na tej samej zasadzie, jak przeróbka pakietów, odbywał się wyrób stali damasceńskiej zgrzewanej, przez składanie prętów pewnego kształtu z żelaza o różnej zawartości węgla, zgrzewanie, wyginanie, ponowne składanie w różnych kierunkach i ponowne zgrzewanie. Wyrób taki, wypolerowany i wytrawiony kwasem, przedstawia smugi i linje o postaci podobnej do rysunku występującego na prawdziwej stali damasceńskiej (tyglowej). Ta imitowana stal damasceńska, używana dawniej do wyrobu broni (np. na lufy strzelb myśliwskich), straciła dziś znaczenie wskutek wprowadzenia na te cele stali zlewnej ulepszonej i stopów z innemi metalami.

Sposoby wykonywania połączeń przez zgrzewanie widzimy na rys. 246. Najprostszy sposób a, gdzie skuwa się obie części ułożone na sobie bez poprzedniego przygotowania, daje w miejscu złączenia zgrubienie, przez co jest dla dalszej obróbki niedogodny i bywa rzadko stosowany. Najczęściej używa

18

Żelazo.

się sposobu b jak na rys. 240—242; obie części są skośnie zakończone, tak że po złożeniu i skuciu grubość połączenia jest taka sama jak wszędzie. Do przedmiotów grubszych można zastosować sposób c, gdzie jedna część jest widlasto rozcięta, a druga ma kształt klinowaty. Przy tern połączeniu złożenie obu części dla złączenia jest łatwe i przyśpiesza wykonanie roboty. Bardzo grube przedmioty można łączyć na styk (d), a nacisk przy zgrzewaniu wywiera się w kierunku osi. Do blach stosują także łączenie pośrednie jako nakładkę (e)

przy cieńszych, a wkładkę u grubszych (f).

Nacisk potrzebny, aby rozżarzone części złączyły się ze sobą, wywrzeć można przez kucie, — ręczne lub mechaniczne, i to jest najczęstszy sposób po-. stępowania; do zgrzewania przedmiotów jednolitego kształtu nadaje się tłocznia.

Rys. 246.

Do ogrzewania części łączonych służą takie same piece jak w innych procesach kuźniczych, oprócz nich ma jeszcze zastosowanie termit, prąd elek-tryczny a niekiedy gaz wodny. Przy tych sposobach ogrzewania materjał jest mniej narażony na utlenienie, połączenie jest więc łatwiejsze do wykonania i pewniej się udaje.

Przy użyciu t e r m i t u służy do ogrzania ciepło wywiązujące się z jego spalenia, zawarte w otrzymanym po procesie żużlu i żelazie. Termitowa reakcja odbywa się w osobnym tjrglu, z którego powyższe produkty spalenia wlewa się natychmiast do formy, otaczającej zetknięte końce łączon}rch przedmiotów. Gdy przedmiot ogrzeje się do temperatury zgrze-walności, przyciska się oba kawałki do siebie, przez co następuje połączenie.

Zgrzewanie przy pomocy prądu elektrycznego wy-

m s o n a:

(rys. 247) ujmuje się w bezpośredniem sąsiedztwie złącza w miedziane elektrody (a) i przepuszcza prąd o niskiem napięciu a znacznem natężeniu, zastosowanem do przekroju przedmiotu; z powodu oporu, jakiego doznaje prąd, przechodząc przez miejsce -

zetknięcia łączonych części, końce ich -*

urn

Rys. 247.

rozgrzewają się bardzo szybko do wymaganej temperatury, poczem przez nacisk obu powierzchni na siebie następuje połączenie.

Do łączenia cienkich blach na większej długości stosuje się przyrządy działające w sposób ciągły (rys. 248). Łącząc blachy w linji prostej (A), układa się miejsce złączenia na

=a

e(@

loT

e (a

Rys. 249.

Rys. 248.

podkładce p połączonej z jednym biegunem, druga elektroda e, mająca kształt krążka z rękojeścią, daje się przysunąć do pierwszej dla przepuszczenia prądu i wywołania nacisku podczas zgrzewania; między elektrodami przesuwają się ułożone na sobie brzegi blach. Gdy łączy się przedmioty cylindryczne (B), mają obie elektrody kształt krążków, a górna jest naciskana.

Obok szwów ciągłych stosuje się także przerywane czyli punktowe, łączące blachy w pewnych odstępach, na podobieństwo szwu nitowego. Elektrody mają wtedy kształt prętów (rys. 249), dolna (p) jest nieruchoma a górna (e) daje się przyciskać.

Zgrzewanie bywa stosowane do łączenia grubych blach przy wyrobie naczyń cylindrycznych (zbiorników, rur, kotłów

18*

Zgrzewanie blach kotłowych odbywać się może na ognisku; dogodne urządzenie do tego przedstawia .szkic 250. Aby złącze uchronić od bezpośredniego zetknięcia z paliwem, co może spowodować jego zanieczyszczenie siarką, wspiera się cylinder na wałkach umieszczonych obok ogniska (o), wskutek czego uzyskuje się łatwość obracania cylindra dla zakucia go po

itp.), w których uniknięcie szwu nitowego przedstawia pewne korzyści. Jest to robota trudna, wymagająca wprawnego robotnika i sumiennego nadzoru, aby połączenie było dobre i pewne⁴).

[MBl

Rys. 250.

ogrzaniu zapomocą umieszczonego w górze młota ma-szynowego i kowadła K osa-Xl I dzonego na długiej dźwigni. ^ Niemożność ogrzewania złącza z obu stron i wynikające z jednostronnego ogrzewania przegrzanie materjału, oraz jego silne utlenienie, były przyczyną, że zgrzewanie ogniskowe przy wyrobie kotłów b}^wa rzadko stosowane. Zgrzewanie przy użyciu —J==L- gazu wodnego ¹). Zaletą tego systemu jest możność równomiernego ogrzewania złącza z obu stron, łatwość obustronnego doprowadzenia palnej mieszaniny tuż obok kowadła, regulowanie mieszaniny gazu z powietrzem, aby nie działała utleniająco. Natomiast konieczność budowania zakładu do wytwarzania gazu i kosztowność całego urządzenia utrudnia stosowanie tej doskonałej metody w mniejszych fabrykach.

Wyrób rur przez zgrzewanie. Służą do tego długie paski blachy, takiej szerokości, jakiej wymaga średnica rury;

paski są wygięte w kształt rury i ihliir^eilŁcIi.ze soba zgrzane. Brzegi blachy są na złączu albo tylko zetknięte (rys. 251 A-a) albo ukośnemi ścięciami na siebie zachodzą (B-b). Rys. 252

Rys. 251.

przedstawia złącze pierwszego rodzaju. Przygotowane paski rozgrzewa się w piecu płomiennym i wygina w rurę, przeciągając przez stożkowała tuleję (rys. 253 a). Samo zgrzewa-

;-v-

KM

Rys. 252 (n. w.).

Rys. 253.

nie odbywa się w obu wypadkach odmiennie. Rury o połączeniu stykowem do ponownem rozżarzeniu do stanu zgrze-walności

raz przez tuleję o mniejszej jednak średnicy; wskutek wywartego przez nią nacisku na całym obwodzie rury, brzegi blachy doznają tak silnego zetknięcia, że następuje spojenie.

Wyrabiając rury o brzegach zachodzących na siebie, nie można wywrzeć nacisku przeciąganiem, bo musi on być skie-

rowany prostopadle do powierzchni blachy; nacisk wywołuje się tu przez walcowanie między kalibrowemi krążkami (b). Blacha w złączu musi być przytem podparta od środka rury do czego służy umieszczony w niej trzpień. Rura poruszana walcami wsuwa się na nieruchomo między walcami osadzony trzpień i między nim a krążkami doznaje nacisku potrzebnego do wywołania zgrzania.

Rury wyrabiane przez walcowanie są droższe niż rury otrzymywane sposobem przeciągania, są jednak silniej złączone i przez to nadają się do większych ciśnień.

19. Hartowanie.

Proces hartowania polega na objawie, że żelazo wg-gliste, ogrzane powyżej punktu krytycznego A₃ i oziębione w tym stanie bardzo szybko, nabiera twardości o wiele większej niż przed hartowaniem. Proces znany i stosowany od

700

6oa

300

Aoo

300

200

- -tao

0,1    02    <43    <4-4    <45    0,6    0,7    0,8    0,9    1,0    4,1 ffl.

łWrTośĆ x>ę.gla tu */

Rys. 254.

czasów przedhistorycznych przy wyrobie narzędzi i broni, nie został do czasów ostatnich zadowalająco wyjaśniony, bo jakkolwiek wiadomo, że do zahartowania konieczne jest po-wstanie roztworu stałego, a także i to, że nagłe oziębienie stali w stanie roztworu powoduje wytworzenie się osobliwej struktury zwanej martenzytem (Rozdz. 4), to jednak objaw

ten nie mógł sam przez się wytłumaczyć wielkiej twardości, jakiej nabiera stal przez hartowanie, przewyższającej wielokrotnie jej twardość w stanie naturalnym. Wykres 254⁸⁸) przedstawia twardość żelaza węglistego w stanie naturalnym(N) i zahartowanym (H); większa twardość po zahartowaniu u żelaza, zawierającego znaczniejszy dodatek węgla, wskazuje, że węgiel wpływa na podniesienie twardości, nie można mu jednak przypisać znaczenia rozstrzygającego, ponieważ także małowęgliste gatunki żelaza wykazują, jak z wykresu widoczne, zwiększenie twardości po zahartowaniu. Zwiększenie wytrzymałości żelaza po hartowaniu, objawiające się wybitnie nawet w żelazie miękkiem (rys. 267), jest dowodem doniosłego wpływu procesu hartowania na własności wszelkich rodzajów żelaza węglistego.

Istota hartowności. Wskutek trudności, jakie nastręcza wyjaśnienie objawu hartowności, powstało wiele hipotez tego procesu; najważniejsze z nich wymieniamy *):

Najstarsza teorja alotropowa Osmonda¹⁰⁴), jeszcze przez pewnych autorów uznawana (np. Hanemanna⁵⁵), uważa martenzyt za roztwór węgla w żelazie h, który hartowanej stali ma nadawać wielką twardość. Ze względu, że objawy wskazujące na istnienie postaci 0 dają się zauważyć tylko do zawartości 0'4°/₀ węgla, hartowność zaś występuje wybitnie dopiero przy większej ilości węgla, hipoteza ta nie utrzymała się, tern bardziej, że islnienie postaci $ jest, jak wiemy, wogóle wątpliwe.

Inna hipoteza opiera się na twierdzeniu, że żelazo w stanie zahartowanym, z powodu zaburzenia, wywołanego nagłem oziębieniem,' tworzy międzykrystaliczne warstwy żelaza a wydzielającego się z żelaza y, o przejściowym, bezpostaciowym ustroju, które mają mu nadawać ową twardość. Hipoteza nie poparta dowodami doświadczalnemi jest analogiczna do teorji warstw bezpostaciowych w żelazie podległem zgniotowi czyli zimnej obróbce.

H. Le Chatelier uważa żelazo zahartowane jako roztwór karbidu nie w żelazie y, jako się to dzieje w temperaturach powyżej A₃, lecz w żelazie a, które wskutek oziębienia

) Literaturę odnoszącą się do procesu hartowania podaje Mau

rer ⁹¹).

poniżej Ai powstaje z żelaza y; ze względu na szybkość studzenia nie następuje jednak wydzielenie się karbidu, pozostającego nadal w roztworze. Hipotezę powyższą przyjęli inni badacze, między nimi Benedicks, tłumaczący twardość zahartowanego żelaza przymusowym stanem, wywołanym procesem nagłego ostudzenia, wskutek czego karbid znajdować się musi w roztworze w takim rozpuszczalniku (żelazo a), jaki w warunkach normalnych nie rozpuszcza go. Teorja powyższa zawiera uzasadnienie, dlaczego żelazo w postaci stałego roztworu powyżej temperatury A₃ niemagnetyczne, w stanie zahartowania jest magnetyczne tak jak żelazo a. Badania rentgenograficzne West grena ¹³⁶) ¹³⁷) stwierdziły, że siatka przestrzenna martenzytu jest identyczna z siatką żelaza a, tylko długość jej boku jest znacznie mniejsza. Zawartość węgla wywołuje w niej zmiany. Badania te potwierdzają słuszność hipotezy H. Le Chateliera, której trafność została poparta nadto doświadczeniami nad współczynnikiem rozszerzalności żelaza hartowanego i naturalnego. Wskutek przemiany objętościowej cementytu przy 210° współczynnik rozszerzania się jest inny w stalach węglistych niż w żelazie czystem, — z chwilą gdy cementyt przechodzi w roztwór, różnica ta znika, co znaczy, że cementyt wywołuje zmiany tylko w stanie niezmienionym. Różnica współczynnika rozszerzalności między żelazem czystem a żelazem węglistem zmniejsza się w miarę hartowania, gdy zahartowanie jest zupełne (czysty martenzyt), różnica znika, i współczynniki są te same, co świadczy o tern, że karbid znajduje się w zupełnem roztworze w żelazie a.

Mimo powyższych rozumowań, nie można jeszcze sprawy tej uważać za rozstrzygniętą. Ostatnie badania Westgrena 13?) wykazują pewne wahanie, czy martenzyt jest roztworem węgla w żelazie a, czy też mieszaniną koloidalną. Budowa żelaza prawie eulektoidalnego (0‘8°/₀ węgla), zahartowanego przy 760° (około Aj) wydaje się bezpostaciową. Weslgren skłania się jednak do hipotezy roztworu, nie mieszaniny.

Niema dotychczas zadowalającego wytłumaczenia wielkiej twardości żelaza węglistego po zahartowaniu w stosunku do jego naturalnej twardości. Maurer⁹¹), przyjmując zresztą hipotezę hartowania H. Le Chateliera, przypisuje twardość powiększeniu objętości żelaza po zahartowaniu, które osiąga

maximum u stali eutektoidalnej, wykazując powiększenie ok. t⁰/₀. Zmiana objętości wskutek hartowania ma podwójne źródło: ti. w przemianie. postaci y w postać a, 2. w wydzieleniu się węgla z roztworu w żelazie y w roztwór w żelazie «. Pierwszy z tych czynników jest stały dla różnych rodzajów żelaza i odpowiada zmianom, jakich doznaje czyste żelazo, drugi zmienia się z zawartością węgla. Na podstawie własnych i cudzych badań Maurer uważa zmiany objętości za główny czynnik, powodujący stwardnienie wskutek hartowania. Największa objętość odpowiada także największej twar-dości, uzasadnione jest więc twierdzenie Maurera, że między zmianami objętości i twardości istnieje ścisły związek. Wzrost twardości przypisuje on w szczególności przymusowemu stanowi, w jakiem po zahartowaniu znajduje się żelazo a powstałe z żelaza y; każda jego cząstka podlega w chwili przemiany tej siln5rm naprężeniom, i ostateczna twardość jest wynikiem podwójnego działania, raz cząstek żelaza a dążących do zajęcia odpowiadającej temu żelazu normalnej objętości, drugi raz rozpuszczonego w nim węgla, który temu przeciwdziała.

Znany objaw, że żelazo o małej zawartości węgla po zahartowaniu bardzo mało zwiększa swą twardość, tak że w praktyce określają je jako nieliartowne, wykazuje natomiast znaczne zwiększenie wytrzymałości, tłumaczy Maurer tern, że w gatunkach małowęglistych odbywa się tylko proces krystalizacyjny między żelazem y a żelazem a, wywołujący powiększenie wytrzymałości, gdy w stalach o większej zawartości węgla występują nadto zmiany w roztworach, powodujące, obok zwiększenia wytrzymałości, także wzrost twardości a równocześnie kruchość materjału.

Ponieważ rozumowania Maurera tłumaczą lepiej niż inne teorje, zjawiska zachodzące wskutek hartowania, ograniczymy na nich.

Warunki przeprowadzenia procesu hartowania^ Postacią strukturalną żelaza zahartowanego, od której zawisła twardość i inne warunki, tym procesem wywołane, jest martenzyt, i tylko w takim razie hartowanie jest udałe, jeżeli żelazo tę postać otrzyma. Od najdawniejszych czasów znany jest proceder hartowania stali, polegający na ogrzaniu jej do czerwoności a następnie bardzo szybkiem ostudzeniu. Zdarzają się jed-dnak wypadki, że mimo wykonania tak określonego zabiegu, żelazo nie zostanie zahartowane. Jednym powodem jest niedostateczne ogrzanie, wskutek czego żelazo a nie przeszło w postać y, i nie powstał roztwór stały, drugim niedostaleczna szykość ochłodzenia. Każdy z tych wypadków należy dokładnie rozważyć.

4000

980

800

0,5    0,94,0    1.5

Zawartość węgla ru %

Rys. 255.

1. Na wykresie 255, bę- e ^ dącym częścią wykresu termi- ^ 900 cznego żelaza węglistego (rysu- £ nek 20), odnoszącą się do żelaza |j kujnego, oznaczono linją kres- k kowaną temperatury, do jakich g'/⁷/? należy ogrzewać przed zahar- £ ^ towaniem żelazo stosownie do y₀o zawartości węgla. Linja ta leży średnio o 50° ponad linją GS^ a od zawartości eutektoidalnej (0;9°/o) jest równoległa do linji SR, zachowując Ją samą różnicę temperatury.

Jak widzimy, stal doznaje ogrzania powyżej A₃ a to dlatego, aby mieć pewność, że w całej swej masie osiągnęła temperaturę krytyczną, a także, aby między wyjęciem jej z pieca a włożeniem do płynu chłodzącego, temperatura nie spadła poniżej A₃. To postępowanie odnosi jsię jednak tylko do stali zawierającej nie więcej niż 09°/₀ węgllTaAiie może być stosowane do stali nadeutektoidalnych. Jak widzimy z rys. 255, linja SE, oznaczająca tutaj temperatury A₃, wznosi się tak nagle do góry, że aby je osiągnąć, należałoby stal ogrzać bardzo wysoko, co spowodowałoby wzrost kryształów (przegrzanie) i kruchość, wykluczającą używalność stali. Na rys. 256⁹) widzimy stal narzędziową hartowanąprzy różnych temperaturach. Stal z lewej str.była za mało ogrzana i hartowanie objęło tylko warstwy powierzchniowe, druga posiada bardzo drobną strukturę stali hartowanej przy temperaturze odpowiedniej, dalsze przedstawiają stal za wysoko ogrzaną i przez to po hartowaniu gruboziarnistą, niezdatną do użytku. To jest^ powodem, dlaczego stali nadeutektoidalnej nie ogrzewamy do tem-

peratury A₃ lecz tylko ponad przyczem jedynie perlit łości, a tylko mała część cenmnTytu przechodzi w roztwór stały. Pozostały cementyt jest zwykle siatkowo ugrupowany, i by tę niekorzystną strukturę zmienić, przekuwamy rozżarzoną stal przed hartowaniem, rozdrabiając kruche pasemka

w ca-

||

I iii

IV

im

. .J': .

fi

Rys. 256 (4 n. w. Bauraann).

siatki cementytu na drobne ziarna. Po zahartowaniu nieroz-puszczony cementyt tworzy w stali odosobnione drobne ziarna (jak w cementycie kulkowym rozdz. 16), zwiększające swą naturalną twardością twardość stali zahartowanej. Rys. 257 ⁵⁵)

przedstawia stal na brzytwy o zawartości l'3°/₀ węgla w powyższy sposób hartowaną. Widzimy tam bardzo drobne ziarna nierozpuszczonego cemen-t tu w słabo zarysowanym marten-z cie; jeżeli się zważy, że średnia wielkość zi rn tych wynosi 0 003 mm,

to jasnem

, że nawet po wykru-szeniu się ziarna, wielokrotnie grubsze ostrze brzytwy nie wyszczerbi się, Rys. 257 (xl200, Hanemann). natomiast dzięki zawartości twardych

ziarn, trwałość naostrzenia jest daleko większa niż gdyby ich nie było.

2. Drugi wypadek niezahartowania wskutek za powolnego studzenia wyjaśniony został badaniami Cheveharda, De-^eana i PoFteyrn^⁵⁸) w~następujący sposób: jeżeli tempera-tiua, piz} której rozpoczyna się studzenie dla zahartowania, nie jest dostatecznie wysoka (chociaż znajduje się powyżej A₃), shidzema jest za mała, w stali po zahartowaniu me powstanie^ martenzyt ale osmondyt, postać strukturalna o znacznie mniejszej twardości i odmiennych własnościach mechanicznych niż martenzyt (będzie o nim mowa w ustępie o odpuszczaniu stali). Osmondyt²) powstaje podczas studzenia już około 600°, co na wykresie spadku temperatury zaznacza się załamaniem, dalsze studzenie już go nie zmienia. Jeżeli temperatura początkowa, względnie szybkość stygnięcia były wystarczające, osmondyt nie-powstaje, załamanie"krzy-wej występuje dopiero między 200° a 300°, a struktura jest czysto martenzytyczna. Gdy warunki hartowania są pośrednie między obydwoma powyższemi wypadkami, występują na linji stygnięcia dwa załamania, jedno odpowiadające tempe-raturzeTlworzenia się osmondytu, drugie martenzylu, a struktura zahartowanego żelaza jest mieszaniną obu powyższych, wraz z odpowiadającemi jej własnościami; zazwyczaj w warstwie powierzchniowej przedmiotu znajduje się martenzyt, wewnątrz osmondyt z warstwą przejściową, zawierającą obie postaci. Strukturę taką widzimy na rys. 258. Na jasnem tle martenzytu występują czarne wyspy osmondytu.

Podczas hartowania może więc powstać rozdwoj enie punktu przemiany, w wyższych temperaturach w kie-runku osmondytu, w niższych martenzytu.

Decydującą dla tworzenia się struktur jest szybkość studzenia; początkowa temperatura, od której rozpoczyna się studzenie, wywiera jednak również wybitny wpływ na przebieg procesu, wspomagając powstawanie martenzytu. Tłumaczą ten objaw w ten sposób, że wyższa temperatura usuwa tworzące się w temperaturach niższych zarodki, pobudzające powstawanie osmondytu. Chcąc więc, przy niemożności szybszego studzenia, wytworzyć- martenzyt, trzeba temperaturę początkową odpowiednio podnieść, co oczywiście jest możliwe tylko do pewnego stopnia.

Powyższe zjawiska, już dawno zauważone w stalach niklowych i manganowych, nie dawały się uchwycić w stalach

węglistych z powodu nadzwyczaj u tych stali szybkiej przemiany podczas hartowania, — dopiero zastosowanie przyrządów, pozwalających regestrować tak szybkie zmiany, umożliwiło stwierdzenie tej samej własności i w stalach węglistych.

Badanie przemian w stali węglistej w ciągu studzenia daje także pewne wyjaśnienie małej hartowności stali mało-węglistej w stosunku do bogatej w węgiel. Szybkość stygnięcia dla zahartowania wzrasta z ubytkiem węgla tak szybko, że środki chłodzenia, jakiemi rozporządzamy, są niewystar-

l&rlrJji

■Li"-

0.

*V ot

I*

Rys. 285 (x 500).

czaj*łce’ aby to osiągnąć; wskutek tego wytworzenie czystego martenzytu nie jest osiągalne, co najwyżej wytworzyć można mieszaninę z osmondytem.

o zawar-

Rys. 259 ¹²°) przedstawia wpływ zawartości węgla (oś pozioma) na szybkość stygnięcia (oś pionowa, szybkość wyrażona w stopniach stygnięcia na sekundę); np. stal tości 0 8°/₀ węgla daje się hartować przy stosunkowo wolnem stygnięciu, podczas gdy żelazo zawierające mniej niż 0'3°/o W}^maga studzenia nadzwyczajnie szybkiego, bo linja stygnięcia pizybieia względem osi prawie asymptotyczne położenie. Żelazo o zawartości 0'16°/₀ węgla chłodzone od 1200°

w strumieniu szybko przepływającego wodoru, środka nadzwyczajnie prędko chłodzącego, nie dało się zahartować nawet przy szybkości chłodzenia 2700 stopni na sekundę.

1400

Postać martenzytu. Martenzyt nie jest postacią krystaliczną określoną ściśle, lecz zależną od warunków powstawania. Jeżeli żelazo o du-

stopnie na sek

iooo

rit-OO

1000

400

żej zawartości węgla, ogrzane wysoko ponad A₃,zostanie bardzo szybko ostudzone, nabiera

400

v~QO

ZOO

lOOO ⁰

340°

340'

400°

struktury, jaką widzimy na rys. 28, będącej mieszaniną martenzytu i austenitu. W tych samych warunkach, ale przy mniejszej zawartości węgla, powstaje czysty martenzyt jak na rys. 29 z widocznemi cechami budowy krystalicznej materjału silnie przegrzanego, jaką znamy pod

nazwą struktury Wid-mannstattena. Gdy temperatura jest tylko niewiele wyższa niż krytyczna, nie występują po zahartowaniu objawy prze-

Sl&mmwwm «rzania- struktura jest '    uiniej wybitna, gdyż

“Imsi

0,1 OZ 0,3    0,V    0,4 0,6    0,7 0,3    0,3

zawartość węgla w oj Rys. 259.

o:r, .

mr:

M "

"j

'imk ■,

, U:*.

%kr. r

^0

Rys. 260 (x 1000. St. u. E.)

rnnsim nie tworzą się kry_

ształy iglastej budo-wy o geometrycznych

i:

formach. Jest to postać martenzytu najkorzystniejsza dla stali, bo przy wielkiej twardości materjał

jest drobnoziarnisty i mniej kruchy. Dlatego, jak to widzieliśmy na wykresie 255, stal do hartowania ogrzewa się niezbyt wysoko ponad punkt krytyczny. Strukturę taką widzimy na rys. 260 ⁵⁴), przedstawiającym żelazo eutektoi-dalne, które po ogrzaniu przez 10 minut tylko o 5° nad A3 nagle oziębiono. Widoczne jest, że przez czas ogrzewania tylko część perlitu przeszła w roztwór, tworząc mar-tenzyt, zarysowujący się bardzo słabo między wysepkami pozostałego perlitu, w postaci jasnych, nieregularnych plamek. Podobną postać martenzytu widzimy na rys. 257 między kulkami cementytu i 258. Dla takiej postaci przyjmują niektórzy badacze za Hanemannem ⁵⁵) nazwę strukturalną »har-denit«.

Obraz rentgenograficzny ¹³⁷) stali tak zahartowanej przedstawia się bezpostaciowo, co świadczy o nadzwyczaj drobnej budowie strukturalnej.

Wzrost wytrzymałości. Wiemy, że przez harlowanie zwiększa się wytrzymałość żelaza węglistego, i to zarówno w bardzo miękkich jak i twardych stalach; zwiększeniu wytrzymałości towarzyszy jednak ^zmniejszenie ciągliwości. Dla stali o różnych zawartościach węgla stwierdzili Hanemann i Kiihnel⁵⁸), hartując je w oleju, następujące wytrzymałości na rozciąganie (Kz) w kg/mm² i wydłużenia <? %):

Węgiel

Stal wyżarzona

Stal zahartowana

Kz

005

36-7

26-0

50-0—56-2

140—16-6 110—4-5 5'0—0"0 0-0-00

Jak widzimy, wytrzymałość po zahartowaniu zwiększa się ^^zawartością węgla, natomiast wydłużenie maleje aż do Ten wzrost wytrzymałości w zależności od ilości węgla jest w związku z temperaturą przełomową, i maxima leżą około temp. A₃.

0-20

0.44

0-65

44-3

57-3

64-0

20-0

19-0

12-0

67-6—1C9-0

107-6-149-3

97-1—107-6

zera.

Uwidocznia to następująca tabelka⁵⁷), podająca dla stali o różnych zawartościach węgla temperatury, przy których hartowane osiągnęły największą wytrzymałość (na rozciąganie):;

Węgiel

°/o

Temperatura dająca największą wytrzymałość

0-99

750°

1T5

750°

1-22

800°

1-33

880°

1-45

880°

1-56

950°

Odkształcenia. Wskutek naprężeń powstających podczas hartowania, doznają przedmioty temu procesowi poddane od-kształceń, których przebieg uwidoczniają zmiany postaci przedmiotów wielokrotnie żarzonych i hartowanych. Przy-

Rt

te

Hi

'.-te'

Rys. 261 (y₄ n. w. St. u. E.).

kład takiego odkształcenia podany przez Whitleya ¹⁴⁰) widzimy na rys. 261: kawałek okrągłego żelaza (obraz z lewej strony) o zawartości 0'05°/₀ węgla, o średnicy 90 mm, poddawano przez dłuższy czas wielokrotnemu rozżarzaniu i hartowaniu w wodzie; po 200 procesach przybrał on kształt przedstawiony na środkowej figurze, po 300 formę (z prawej strony)

19

Żelazo.

zbliżoną do kuli, jako postaci, w której wewnętrzne naprężenia są we wszystkich kierunkach jednakowe. Przykład ten poucza, że podczas hartowania mamy do czynienia ze znacznemi naprężeniami, wywołuj ącemi w miękkim materjale odkształcenia, a w twardym i bardziej kruchym, powoduj ącemi pęknięcia, jak o lem świadczą codziennie niemal wypadki podczas hartowania narzędzi o skomplikowanej budowie (np. frezy).

Odpuszczanie. Żelazo węgliste zahartowane, ogrzewane stopniowo aż do AŁ, zmienia swoje własności fizyczne, a zmiany te zależą od temperatury; przy słabem ogrzaniu zmiany są trudne do zauważenia, przy silniejszem [od 200°] występują wybitniej a po przekroczeniu temp. Ax prawie zupełnie ustają,

90

60

Smiany njiasnosci m % S ^ o o O £ "3

.M

Cł

■foo

200    300    ^oo 500 óoo poo

Temperatury odpuszczenia

8oo aoo

Rys. 262.

a na-

zwłaszcza w stalach o wielkiej zawartości perlitu (narzędziowych); powyżej A₃ żelazo jest zupełnie odhartowane (wyżarzone). Proces odpowiedniego ogrzewania zahartowanego żelaza, dla osiągnięcia pewnych własności mechanicznych, nazywa się odpuszczanie m. Wykres 262 według Maurera ⁹²) przedstawia w procentach zmiany gęstości (G), twardości (T), magnetyczne (M) i oporu elektrycznego (E), jakich doznało żelazo o zawartości l*2°/₀ węgla, zahartowane stępnie odpuszczone przy różnych temperaturach; zmiany wytrzymałości i ciągliwości, z tego samego powodu w żelazie zawierającem 122°/₀ węgla, widzimy na wykresie 263⁹⁸). Oba wykresy wskazują, jak daleko idące a zarazem niejednomierne są zmiany, wywołane odpuszczaniem. Powodem ich są przekształcenia, jakich doznaje krystaliczna budowa żelaza, mająca

w stanie zahartowania postać martenzytu, w postaci zupełnego odpuszczenia — perlitu, z przymieszką cementytu

lub

ferrytu, stosownie do zawartości węgla, a w stanach pośrednich różne postaci przejściowe.

Jakkolwiek co do ich znaczenia, budowy i powstawania panują jeszcze zapatrywania pod pewnemi względami niezgodne, nie ulega s wątpliwości, że podczas 'I;'50 odpuszczania odbywa się ^ rozkład martenz)4u na ;v> składniki, z jakich powstał £ roztwór stały, i te wydzie-lone składniki przyjmują ^ różną i stopniowo zmie-niającą się postać, pokąd ^ 70 nie nastanie równowaga w postaci perlitu, ferrytu, wzgl. cementytu, w żelazie zupełnie odpuszczonem.

Mikroskopowa postać stanów przejściowych da się ująć w kilka obrazów, którym nadano metalograficzne nazwy, utworzone z nazwisk zasłużonych badaczy. Na rys. 264²⁰) wi-

4 bo

-lyo

■ióo

4?0

420

440

400

£ 00

80

50

ruydfużenia ny %

400 ZOO 3 OO ^00 500 600 ?00°C Temp ero. fura odpuszczenia

Rys. 263.

mmmpi

Siistl

mm

W'*:

Rys. 264 (Broniewski).

dzimy strukturę drutu stalowego, który na jednym końcu zahartowano; po prawej stronie jest widoczna struktura marten-zytyczna (stanu hartowności), po lewej perlityczńo-ferrytyczna (stanu całkowitego odpuszczenia), — w pośrodku odróżnia się czarny pas, powstały przez odpuszczenie około 400°. Struktura pasa, nazwana osmondytem, na cześć Osmonda, znakomitego metalografa francuskiego, nie daje się mikroskopowo zbadać, jest jednak co do niej zgodne zapatrywanie, że

19*

składa się z wydzielonych z martenzytu ziarnek cementytu i ferrytu, tak drobnych, że ich nie można pod mikroskopem rozeznać. Beneddcks scharakteryzował budowę ósmon-dytu jako koloidalną; nie rozważając słuszności tego twierdzenia, które spotkało się i z potwierdzeniami i zaprzeczeniami innych badaczy, stwierdzić trzeba nadzwyczajnie drobną strukturę osmondytu. Z innych własności (przewodnictwo elektryczne, własności magnetyczne, ciężar gatunkowy i i.) jest osmondyt podobny do perlitu, co potwierdza przypuszczenie, że jest on mieszaniną, tak jak perlit, — ferrytu i cementytu a różni się tylko ultramikroskopowemi rozmiarami ziarn. Jak widać z powyższego obrazu, między osmondytem i mar-tenzytem z jednej a perlitem z drugiej strony znajdują się stany przejściowe, odpowiadające przebiegowi odpuszczania. Rozkład martenzjdu zaczyna się już przy odpuszczaniu około 100°, zwiększa się stosownie do temperatury i długości ogrzewania, i w strukturze takich stanów przejściowych spotykamy coraz bardziej niknący martenzyt a zwiększającą się ilość osmondytu. Te strukury noszą nazwę troostytu (od francuskiego metalurga Troosta), będącego przejściem od martenzytu do osmondytu, oraz sorbitu (na cześć francuskiego metalografa Sorb}^ego), stanu przejściowego między osmondytem a perlitem. Niektórzy pisarze określają nazwą troostytu tę postać, którą nazwaliśmy osmondytem, redukując osmondyt do znaczenia fazy, powstającej przy 400° (podczas odpuszczania żelaza zahartowanego), o największem zaciemnieniu obrazu mikroskopowego i największej rozpuszczalności w kwasie siarkowym. Za uchwałą Kongresu Międzynarodowego Tow. badania materjałów (w Kopenhadze 1909), która uznała osmondyt jako najwięcej scharakteryzowaną postać stali odpuszczonej, używamy stale nazwy osmondyt.

Strukturę odpowiadającą troostytowi widzimy na rys. 265, będącym obrazem stali odpuszczonej przy 250°; widzimy tam obok zanikającej ale jeszcze widocznej, igiełkowatej struktury martenzytu, ciemne skupienia tworzącego się osmondytu.

Na rys. 266 widzimy strukturę sorbityczną, której jasne pola pozwalają już odróżnić dwa składniki, jakkolwiek jeszcze niezmiernie drobnoziarniste; obok sorbitu widoczne są ciemne

skupienia osmondytu. Odpuszczenie stali przedstawionej na tym rysunku odbyło się przy 600°.

Własności mechaniczne stali odpuszczonej zmieniają

m

*3

i

m

*-•

*

Rys. 265 (x 200).

się, jak widzieliśmy na rys. 262 i 263, znacznie wybitniej niż obrazy strukturalne. Zajmiemy się tylko temi, które są ważne

5!

'M

m,

M

$

Rys. 266 (x 200).

dla przeróbki żelaza a więc twardością, wytrzymałością, cią-gliwością i gęstością.

Ubytek twardości, jak to widać na rys. 262 (T), jest z początku nieznaczny, następnie stopniowo wzrasta, osiągając między 300° a 400° największą szybkość, poczem znów postępuje wolniej i przy najwyższych temperaturach odpuszczania jest już bardzo nieznaczny. W granicach temperatur, przy których bywają odpuszczane stale narzędziowe (200—300°), wynosi ubytek twardości 15—45°/₀ twardości osiągniętej przez hartowanie.

Zmiany wytrzymałości a wzrost ciągliwości (rys. 263) pouczają, że z podniesieniem temperatury odpuszczania wytrzymałość (Kz) bardzo nagle wzrasta, osiągając maximum między 300° a 400°, poczem dość szybko spada. Wzrost wydłużenia (<p) jest z początku nieznaczny, między 300° a 600° szybszy, największy zaś powyżej 600°, gdy stal zbliża się do stanu wyżarzenia. Wyprowadzamy z tego wniosek, że stale o dużej zawartości węgla (narzędziowe), a takie przedstawiają oba wykresy (l'2°/₀), tracąc przez odpowiednie dla nich odpuszczenie pewien procent swej twardości, zyskuj ą bardzo na wytrzymałości, co jest dla nich rzeczą ważną ze względu na opor}^ obrabianego materjału, a więc ich zdatność do cięcia.

Stale zawierające mniej węgla (konstrukcyjne) zachowują się podobnie, ze względu jednak na niebezpieczną w konstrukcjach kruchość, muszą być odpuszczane przy wyższych temperaturach, gdzie wydłużenie bardzo wzrasta kosztem wytrzymałości. Jednakże wytrzymałość osiągnięta nawet przy Wysokiem odpuszczeniu (500—600°) jest jeszcze znacznie wyższa niż w stanie wyżarzenia, dlatego stale tak traktowane, mając dostateczną ciągliwość, o wiele lepiej nadają się do kon-strukcyj niż stale termicznie nieulepszone. Tak np. dla stali o zawartości 0*5°/₀ węgl uzyskano ⁹⁸) przez hartowanie w oliwie przy 800° następujące wartości, zależnie od temperatury odpuszczania:

Postępowanie Wytrzymałość kg/mm² Wydłużenie °/0 Niehartowana

76-5

15*0

131

107

10-9

Wykres rys. 26 7 ⁶⁷) ⁵⁸) przedstawia u góry (U) najwyższe wytrzymałości osiągnięte przez ulepszanie termiczne (hartowanie i odpuszczanie) żelaza o różnych zawartościach węgla; u dołu (W) oznaczone są wytrzymałości żelaza wyżarzonego.

200

Gęstość odpuszczanej stali (rys. 262 G) jest bardzo zmienna i przy temp. około 150° oraz 430° (odpowiadającej postaci osmondytu) wykazuje dwa znaczne maxima. Ta niejednolitość jest powodem powstawania przy odpuszczaniu niebezpiecznych dla narzędzi naprężeń, dlatego wymaga obszerniejszego omówienia.

materjałza- ^²°

ma

Z wykresu gęstości widzimy, że najmniejszą gęstość a więc największą Ę objętość

hartowany; przez odpusz~~ | czaniegęstość się zwiększa (a więc objętość maleje), g osiągając maximum w po- I' staci czystego osmondytu. ^

0,05    0,2    0,34

0,65

0,90 <«•/,23 <3005 <56

?«3«3?7bś<f vęy/d

Rys. 267.

Jeżeli podczas odpuszczania wzrost temperatury w różnych części ach przedmiotu nie jest jednakowy, to wskutek nierównomiernej przemiany materjału na produkty rozpadu, zmiany objętości będą niejednakowe; wskutek tego w przedmiocie muszą powstać wewnętrzne naprężenia, niebezpieczne dla jego całości, wobec znikomo małej ciągliwości stali hartowanej. Ponadto naprężenia wystąpić mogą już podczas hartowania, jeżeli z powodu powolnego oziębiania nie wytworzy się czysty mar-tenzyt ale obok niego osmondyt, o czem mówiliśmy obszernie, omawiając proces rozdwojenia punktu przemiany przy hartowaniu. Zwykle w takim razie wytwarza się na powierzchni warstwa martenzytu o większej objętości, wewnątrz mieszanina martenzytu i osmondytu o objętości mniejszej, i pomiędzy niemi występują naprężenia, które przekraczając często granice wytrzymałości materiału, wywołują czy to pę-

knięcie przedmiotu czy też powstanie mało widocznych rys, iako zadatku późniejszego pęknięcia.

Rysy i pęknięcia przedmiotów hartowanych przechodzą

zwykle nie przez ziarna lecz po ich powierzchniach pęknięcia (rys. 267 a) ⁹⁸).

r~>-

Zjawiska naprężeń są często H bardzo zawiłe. Rys. 268 przedstawia przekrój zahartowanego j sześcianu żelaznego (012°/₀ węgla), w którego wnętrzu widzi-/ my naprzemian warstwy ciemne (osmondyt) i jasne (martenzyt); powstanie ich nie da wytłumaczyć się jedynie tylko niejedno-Rys. 267 a (x 35, Oberhofier). stajnością oziębienia podczas

Rys. 268 (x 1 5. Z. d. v.).

hartowania, lecz także ciśnieniami spowodowanemi niejednakową gęstością. Gdy bowiem warstwa zewnętrzna wskutek zahartowania staje się marten-zytyczną i zwiększa swą objętość, warstwa głębsza, nie dość nagle oziębiona, wytwarza osmondyt, który się kurczy, między obiema warstwami powstaje więc naprężenie rozciągające, utrudniające kurczenie się osmondytu; o ile wskutek tego nie nastąpi pęknięcie lub odkształcenie, pozostaną naprężenia, nie pozwalające materja-łowi tak się skurczyć, jak tego wj^maga tworzenie się osmondytu, i potworzą się wyspy mniej gęstego materjału.

Hartowanie stopów żelaza.

Jak wiemy (rozdz. 5), mają stopy różnych metali z węglem w normalnej temperaturze różne struktury: perlityczną, marten-zytyczną, austenityczną i karbidy czną; pierwsza z nich odpowiada stali węglistej niehartowanej, druga hartowanej, zachodzą więc wypadki, że stop zależnie od stosunku składników ma tak niską temperaturę krytyczna, że już w normalnej temperaturze jest zahartowany. Stopy perlityczne zachowują się podobnie jak stale węgliste, i zależnie od składu mają różne temperatury krytyczne, które muszą być znane do hartowania. Hartowanie ich odbywa się zresztą tak samo jak tamtych, z tą jednak różnicą, że dodatek metalu do stopu zmniejsza zwykle szybkość przemiany roztworu z postaci y w postać a, dlatego chłodzenie stali rozżarzonej dla zahartowania nie wymaga tak wielkiej szybkości jak w stalach węglistych; u niektórych, bliskich granicy przejścia do struktury martenzytycznej, wystarcza normalne ostudzenie na powietrzu, aby były zahartowane.

I w stalach tych spotykamy się z rozdwojeniem punktu przemiany, one zresztą, jako po wolniej hartowne, naprowadziły na odkrycie rozdwojenia także u stali węglistej.

Jako stal charakterystyczną dla hartowania stopów żelaza, a zarazem ze względu na jej doniosłość dla wyrobu narzędzi, omówimy tz. »stal szybkotnąca«, będącą stopem żelaza węglistego (0'6—0'8°/₀) z chromem (4—6°/₀) i wolframem (14—26°/₀). Jest to stały w stanie surowym o strukturze kar-bidycznej (rys. 37), gdzie cementyt jest roztworem karbidów żelaza, chromu i wolframu. Te wielokrotne karbidy są bardzo trwrałe, tak że przeprowadzenie ich w roztwór wymaga bardzo wysokiego ogrzania a mimo to odbywa się tylko częściowo, i po ogrzaniu do temperatur bardzo wysokich (nawet ponad 1200°) pewna ich ilość nie zostaje rozpuszczona. Tak samo jak hartując stale węgliste nadeutektoidalne, postępujemy i tutaj, pozostawiając karbid częściowo nierozpuszczony a tylko rozdrabiając go przez kucie. Stal, która dzięki zawartości wolframu jest kujna, poddajemy dokładnemu przekuciu w stanie silnego rozżarzenia, celem rozdrobienia ziarnek karbidu, następnie rozgrzewamy do temperatury hartowania, leżącej bardzo wysoko (1050—1250°, zależnie od składników), poczem studzimy ją, nie w sposób tak nagły (w wodzie) jak stal węglistą, ale stosunkowo wolno (w stopionym łoju, tranie a najczęściej w prądzie powietrza zgęszczonego do kilku atmosfer).

Stal zahartowaną przedstawia rys. 269; widzimy tak samo jak w stali nadeutektoidalnej karbid nadzwyczaj drobno rozdzielony w martenzycie.

Opieszałość procesów krystalizacyjnych, wskutek których hartowanie stali szybkotnącej odbywać się może wolno, jest jej bardzo korzystną własnością, bo będąc znacznie gorszym przewodnikiem ciepła niż stal węglista, łatwo pęka przy na-głem studzeniu, tem bardziej, że różnice temperatury w czasie chłodzenia są tutaj znacznie większe (od ok. 1200°) niż podczas hartowania stali węglistej (od ok. 800°).

Stal w stanie zahartowania nie jest tak krucha jak wę-

2-:

sy®

■Mim,

Rys. 269 (x 500).

glista dlatego narzędzi z niej używa się do obrabiania b e z poprzedniego odpuszczania.

Odpuszczanie, które u stali węglistej już około 200° jest wyraźne, tu ma granicę o wiele wyższą, rozpoczyna się bowiem powyżej 500° i odbywa bardzo wolno a dopiero około 700° ma normalny przebieg. Z tego powodu stal ta pracując i rozgrzewając się nawet do 500°, nie traci swej twardości, wskutek czego jest niezmiernie cennym materjałem na narzędzia do szybkiego obrabiania, i wynalezienie jej spowodowało zupełny przewrót w budowie obrabiarek.

Zjawiska hartowania, odpuszczania i wogóle działanie

stali narzędziowej wielokrotnej, nie są dotąd wyjaśnione, nie jest też wytłumaczone działanie poszczególnych składników. Prawdopodobnie wolfram powoduje trudną odpuszczalność stali a więc jej trwałą hartowność a także kujność (powyżej 900°), a tern samem potrzebną obrabialność. Chrom ma nadawać i ej własność hartowności przy powolnem oziębianiu i twardość.

r'

A'j

r-

120

ramu

a"j

Wysoka temperatura hartowania jest także potrzebna ze względu jna rozdwojenie punktu przemiany, jakiemu stal ta również podlega. Za nisko ogrzana przed hartowaniem posiada strukturę osmondyczną, dopiero zahartowana przy wysokiej temperaturze nabiera struktury martenzytycznej. Rys. 270przedstawia wpływ temperatury początkowej hartowania na występowanie punktów przemiany w stali zawierającej 4°/₀ chromu a 18°/₀ wolf-); znaki A' oznaczają punkty przełomowe tworzącego się osmondytu — znaki A" martenzytu.

O 100300300 *00 S00 G00 700 B00 300 1000 -riOO *

Rys. 270.

Ulepszanie termiczne stali stopowych. Odgrywa ono bar-dzo doniosłą rolę w wyrobie części maszyn, od których wymaga się znakomitych własności mechanicznych obok małego ciężaru, szczególnie przy budowie automobilów i aeroplanów. Należą tu przedewszystkiem stale niklowe i niklowo-chromowe z dodatkami wolframu i wanadu, rzadziej innych metali; przez hartowanie i odpowiednie odpuszczanie, analogicznie do tego co mówiliśmy o stali węglistej, zyskują one na wytrzymałości nie tracąc ciągliwości, są przez to odporne na uderzenia i zmiany kierunku natężeń. Właściwe stalom takim własności są ⁹⁸): granica wytrzymałości 75—180 kg/mm2 granica plastyczności 50—150 kg/mm², wydłużenie 7—20°/₀, odporność na uderzenie 7—15 mkg/mm². Do powyższych celów używa się prawie wyłącznie stali perlitycznych, wyjątkowo austenitycznych, które są zbyt drogie.

Jako przykład ulepszenia termicznego podajemy następujące daty: ⁸⁸)

Stal o składzie 0,3°/₀ węgla, 5°/₀ niklu i l°/₀ chromu miała w stanie wyżarzonym wytrzymałość 69 kg/mm², przy 25°/0 wydłużeniu, po zahartowaniu w wodzie i odpuszczeniu do 550° — wytrzymałość 95'2 kg/mm², wydłużenie 2l°/₀.

Stal niklowo-chromowa zawierająca 3% niklu a l°/0 chromu wykazywała po wyżarzeniu wytrzymałość 70 kg/'mm², wydłużenie 16°/₀, — zahartowana w oleju i odpuszczona przy 600° — wytrzymałość 120 kg/mm², wydłużenie 8°/₀ a odpuszczona przy 400° — wytrzymałość 180 kg/mm² i 2°/₀ wydłużenia.

Stal niklowo-chromowo-wanadowa o zawartości 0’3°/0 węgla, T51°/₀ chromu, 3‘45°/₀ niklu i 0'085°/₀ wanadu, miała w stanie wyżarzonym wytrzymałość 68 kg/mm², wydłużenie 28'5°/₀, zahartowana przy 900° i odpuszczona przy 550° wykazywała wytrzymałość 112 kg/mm² i wydłużenie 17°/₀.

Termiczne ulepszanie stali stopowych nie jest niezbadanym i tajemniczym terenem, jednakże wielka ich rozmaitość i różnorodne zastosowanie wymagają wielu doświadczeń, zanim dla pewnego celu zostanie ustalony skład chemiczny stali i sposób ulepszania termicznego, dający i ej najlepsze własności mechaniczne.

Fabryki stali, które dochodzą do tego ogromnym nakładem pracy i kosztów, zachowują ze zrozumiałych powodów owe doświadczenia dla siebie, tajemniczość więc, otaczająca ich wyrób, ogranicza się jedynie do tego, w każdym razie bardzo doniosłego, punktu.

¹

Wyrób gazu wodnego odbywa się przez działanie pary wodnej na rozżarzony koks, wskutek czego tworzy się palny gaz, zawierający ok. 44°/₀ tlenku węgla i 50% wodoru (reszta niepalne przymieszki), o wartości kalorycznej ok. 2600 kaloryj w 1 m³. Gaz należycie wymieszany z powietrzem i spalony w stosownym palniku daje temperaturę ponad 1800°.

²

Postać, którą w tej książce oznaczamy jako osmondyt, nazywają wymienieni autorzy troostytem. Ponieważ, jak to dalej będzie mowa, troostyt oznacza inny stan hartowanego żelaza, nazywamy osmondytem powstającą postać w omawianych tutaj warunkach, tak samo, jak ją będziemy nazywali w dalszym ciągu tego rozdziału, omawiając odpuszczanie stali.

20. Cementowanie.

Cementowaniem żelaza nazywa się proces nawęglania ti. nasjrcania żelaza miękkiego karbidem żelaza (cementytem), przeprowadzony w stanie stałym. Jest to proces dyfuzyjny, w którym ze wzbogaconej w karbid żelaza powierzchni cementowanego przedmiotu dyfunduje karbid do warstw położonych głębiej. Przez nasycenie karbidem zmieniają się własności żelaza, następuje zwiększenie twardości naturalnej, hartowności i wytrzymałości, przy zmniejszeniu ciągliwości. a więc powiększeniu kruchości. Zmiany takie są dla pewnych wyrobów pożądane, stąd cementowanie jest jednym z ważnych procesów w przeróbce żelaza.

Aby nawęglenie (cementowanie) było możliwe, konieczne jest, by żelazo było otoczone materjałem bogatym w węgiel i mogło się nim nasycać, rozpuszczając go w sobie. Żelazo rozpuszcza w sobie węgiel, gdy jest w postaci alotropowej y, potrzeba więc dla umożliwienia tego procesu rozgrzać je powyżej A^. Materjałem otaczającym może być węgiel sproszkowany, lub inne ciało zawierające węgiel, stałe, płynne lub gazowe, jednak proces nawęglania odbywa się, jak to wykazali Giolitti i Guillet⁵¹), za pośrednictwem gazów zawierających węgiel, doprowadzanych czy to wprost, czy też wywiązujących się z ciał, otaczających nawęglany przedmiot. Doświadczenia W e y 1 s a ¹³⁹) i innych udowodniły wprawdzie, że żelazo w bardzo silnem zetknięciu (pod ciśnieniem) z węglem nawęgla się, — proces ten jest jednak tak powolny, że nie ma znaczenia dla celów praktycznych, a rolę pośrednika w nawęgleniu odgrywa przeważnie jakiś gaz węglonośny. Przekonano się o tern umieszczając w piecu elektrycznym, obok kawałka żelaza, sproszkowany węgiel drzewny w porcelanowym tj^gielku i ogrzewając do odpowiedniej temperatury; mimo że węgiel nie stykał się z żelazem, zostało ono nawęglone dzięki tlenkowi węgla, który był przenośnikiem węgla (3 Fe -f- 2 CO = Fe₃ C -j- C0₂). Działanie to jest analogiczne do procesu nawęglania w wielkim piecu, gdzie tlenek węgla w zetknięciu z rozżarzonem żelazem wydziela węgiel (rozdz. 8).

Czy nawęglenie odbywa się, — jak twierdzą jedni, przez to, że tlenek węgla wnika wgłąb żelaza, czy też, że stykając się z niem nawęgla jego powierzchnię, skąd węgiel wgłąb dyfunduje, — jest to dla praktyki rzeczą obojętną. Przypuszczenie ostatnie jest bardziej prawdopodobne; gaz stykając się nieustannie z rozżarzoną powierzchnią żelaza, może jej swój węgiel oddać; — inaczej jest z węglem w stanie stałym, który chociaż szczelnie obsypany, nie ma tak ścisłego zetknięcia i zawsze oddziela go warstewka gazu, dlatego tylko bardzo słabo może żelazo nasj^cać. Węgiel z powierzchni dyfunduje do wnętrza, i zależnie od czasu i temperatury tworzy warstwę pewnej grubości żelaza bogatszego w węgiel.^Zanieczyszczenia międzykrystaliczne mają według Tammanna 1S2) opóźniać proces nawęglania, utrudniając dyfuzję węgla między krystalitami.

Rys. 271.

Żelazo cementowane widzimy na rys. 271 ;jest to obraz drutu z miękkiego żelaza nawęglonego na końcu. ²⁰) Ferryt (lewa strona) z małą ilością perlitu przechodzi stopniowo w czysty perlit (czarny środek), a następnie coraz bardziej jest nasycony wolnym cementytem (strona prawa).

Im wyżej żelazo jest ogrzane, tern więcej rozpuszcza węgla. Około 730° rozpuszcza 0.9°/₀, przy 800° — l°/₀, przy 900^— 1.2°/₀. Wynika to z wykresu termicznego (rys. 20), gdyż linja SE, oznaczająca temperaturę A₃ żelaza nadeutektoidalnego, wznosi się, i gdy w punkcie perlitycznym (S) A₃ jest równe Al5 to przy większych zawartościach węgla leży wyżej; żelazo,

które tę temperaturę osiągnęło, nawęgla się więc do zawartości odpowiadającej położeniu punktu A₃ przy danej temperaturze, — oczywiście, o ile długość procesu była dostateczna, aby nastąpiło nasycenie.

Głębokość nasycenia zależy i od temperatury, wpływa-

lącej na

Rys. 272 przedstawia wpływ temperatury i czasu na przebieg cementowania. Na osi poziomej oznaczony jest czas trwania procesu w godzinach, na pionowej grubość nawęglenia w milimetrach, a linje wykresu przedstawiają przebieg procesu przy

irocesu.

950 - 7000 °

'O

po nat i

//

Z.

850-900“

750 800 °

mihrnetry

ponad 700°

O 29    72    96    720

gr o cd z i n y

Rys. 272.

różach temperaturach; widoczne jest z diagramu, że im jest wyższa temperatura, tern przębię^tn^krócęjjj^rstwa nawę-glenia jest grubsza, a także, że długość procesu również wpływa na zwiększenie grubości warstwy, chociaż nie w tym stopniu, jak podwyższenie temperatury.

W praktyce ma cementowanie zastosowanie w następujących wypadkach:

1.    Przy wyrobie tz. stali cementarskiej, jako materjału surowego do wyrobu pewnych gatunków stali tyglowej;

2.    jako nawęglanie warstwowe części maszyn i t. p.;

3.    przy wyrobie narzędzi do~obrabiania metali;

4.    w pewn}rch procesach technologicznych jako zjawisko

uboczne.

Omówimy te cztery wypadki.

Wyrób stali cementarskiej⁸⁴) przerabianej na stal tyglową, stosowany był do wyrobu narzędzi, broni siecznej, luf do strzelb i t. p. celów, wymagających doskonałego materjału, jakiego dawnemi metodami wyrobu stali (ogniskową i pudlar-ską) nie można było wykonać. Jako materiału surowego uźy-wano bardzo miękkiego żelaza zgrzewanego o najniższych zawartościach fosforu i siarki; nadawało się do tego celu szczególnie żelazo szwedzkie dla swej miękkości i czystości. Pręty

im

mu

ii

tps

imm

MI

immlm

Rys. 273 (Mitt. Aachen).

albo płytki o grubości naj-wyźej 20 mm, a znacznej długości, układano w węglu drzewnym sproszkowanym (lub węglu z innych ma-terjałów organicznych) w żelaznych naczyniach, i poddawano bez dostępu powietrza żarzeniu w tem-peraturze dochodzącej 1000° przez kilkanaście godzin do kilku dni,zależnie od grubości prętów i wielkości naczyń obejmujących je. Wynikiem procesu było nawęglenie prętów sięgające często do środka, a przynajmniej dość głęboko, przyczem zawartość węgla na powierzchni była nadeutektoidalna, dochodząca nawet do 2°/₀ węgla. Taki nawęglony pręt widzimy na rys. 273. W środku jest miękki rdzeń ciemniejący na brzegach wskutek rosnącej zawartości perlitu, następuje czarna warstwa perlitu, a nazewnątrz szeroki, coraz jaśniejszy ku obwodowi pierścień stali nadeutektoidalnej, zawierającej w perlicie dużą zawartość wolnego cementytu, o strukturze siatkowej i widmanstattenowskiej, z powodu silnego przegrzania. Ponieważ materjał ten służył do wyrobu stali tyglowej, a więc był przetapiany, niekorzystny wpływ żarzenia na strukturę nie miał tutaj takiego znaczenia jak w innych zastosowaniach cementowania.

cesem

Jakkolwiek wyrób stali cementarskiej tyglowej jest pro-bardzo drogim, daje jednak tak wyborowy materjał,

że mimo istniejących dziś innych metod wyrobu stali, bywa jeszcze zawsze stosowany, chociaż już w małym i coraz mniejszym zakresie.

2. Nawęglanie warstwowe. Najważniejszem technicznem zastosowaniem cementowania jest dziś nawęglanie części maszyn i t. p. celem wytworzenia na ich powierzchni warstwy twardej, dającej się hartować, odpornej na mechaniczne zużycie i nacisk twardych przedmiotów, podczas gdy niezmieniony ośrodek, zawierający mało węgla, jest, wskutek swej ciągliwości, odporny na wstrząśnienia i uderzenia, w przeciwieństwie do twardego lecz zarazem kruchego materjału na powierzchni.

Nawęglanie warstwowe doprowadza się do zawartości

mm,

■ i ■ w-

i,

Rys. 274.

Rys 275 (Baumann.)

0'85—1°/₀ węgla, wyżej nie nawęgla się, aby uniknąć zbytniej kruchości warstwy zewnętrznej, niebezpiecznej ze względu na skłonność do pękania. Grubość nawęglenia wynosi najczęściej 1—2 mm.

Bardzo ważną rzeczą jest, w jaki sposób został wydzie-lony węgiel w warstwie cementowanej; powinno ono być stopniowe, tak by zawartość węgla od powierzchni perlity-cznej jednostajnie się zmniejszała, aż do niezmienionej zawartości w materjale nie cementowanym. Taką cementację widzimy na rys. 274. Jeżeli warstwa nawęglenia nie jest w taki stopniowy sposób połączona z nienacementowanem wnętrzem, ale przechodzi bardzo nagle do naturalnej zawartości, jak na rys. 275, znajdują się obok siebie materjały tak różne pod względem własności fizycznych (wytrzymałości, twardości, ciągliwości), że wynikiem tego jest bardzo łatwe odpadanie twardej łuski zewnętrznej od miękkiego rdzenia. Łuszczenie

Żelazo.

takie jest objawem bardzo szkodliwym, bo przedmiot cementowany staje się przez to niezdatnym do użytku.

na

Pierwszy, pożądany dla celów procesu objaw występuje, gdy szybkość nawęglania powierzchni przedmiotu nie jest znacznie większa od szybkości dyfuzji węgla ku wnętrzu, drugi, — szkodliwy, gdy nawęglanie powierzchni odbywa się bardzo szybko i trwa krótko, tak że rozpuszczony w zewnętrznej warstwie węgiel tworzy silnie nasycony roztwór, a dyfuzja ku słabo nawęglonemu wnętrzu jest za powolna w stosunku do szybkości nawęglania, aby mogło nastąpić wyrównanie. Szybkość nawęglania zależy od temperatury (rys. 272), której wzrost zwiększa rozpuszczalność węgla w żelazie, od dyfuzji węgla i od środka użytego do cementowania. Cementowanie zachodzi wprawdzie już poniżej A₃, kiedy perlit przechodzi w roztwór, jednakże proces odbywa się przy niższych temperaturach zbyt wolno. Do celów technicznych najniższa temperatura cementowania nie powinna leżeć poniżej 850°. Górną granicę temperatur stanowi w zasadzie dopiero temperatura topliwości, leżąca dla stali perli tycznej, jak to widoczne z wykresu termicznego (rys. 20), między 1180° a 1200°. Jednak żarzenie przy tepiperaturach wysokich wpływa niekorzystnie strukturę przedmiotu (objawy przegrzania), dlatego nie stosuje się temperatur wyższych niż 1000°. Wynika z tego, że praktyka stosuje do cementowania temperatury 850—1000°; zbliżając się do jednej lub drugiej granicy i regulując czas trwania procesu, osiąga się wymagany stopień nawęglenia, głębokość warstwy i rozkład karbidu. Konieczną również jest rzeczą, aby temperatura, przy której odbywa się proces, nie zmieniała się, gdyż przy zmianach rozpuszczalność cementytu jest niejednostajna, a nawęglenie niejednolite.

Rodzaj użytego środka cementującego posiada wielkie znaczenie, ważnym jest także odpowiedni dobór żelaza na przedmioty cementowane. Do procesu tego nadają się jedynie rodzaje miękkie, chciwie przyswajające węgiel, który w nich łatwo dyfunduje. Gatunki twardsze, już ponad 0.2°/o węgla nasycają się trudno, na powierzchni stają się kruche, dlatego takich rodzajów żelaza nie używa się do cementowania. Przyjęto jako wskazówkę ¹⁰⁷), że te gatunki żelaza nadają się do nawęglania, które praktycznie nie są hartowne.

Zawartość krzemu, który zmniejsza rozpuszczalność węgla w żelazie, nie może przekraczać podanej granicy, zawartość siarki ogranicza się ze względu na niekorzystny wpływ tego składnika na proces hartowania, któremu z reguły podlegają nawęglane części.

Materjały używane do cementowania mogą być stałe, płynne i gazowe.

lyiateriałow s t a 4y ch jest wiele: węgiel, otrzymywany z drzewa, skóry, kości, sadza, trociny, sproszkowane rogi, kopyta i skóra, węglan sodowy i barowy, żelazocjanek potasowy i i. Jedne z nich łączą się z tlenem powietrza na tlenek węgla, drugie (węglany) rozgrzane wydzielają go w zetknięciu z węglem, inne wreszcie rozkładają się na węglowodory i związki

cjanowe.

Materjały płynne, są to albo węglowodory, łój, tran, nafta, ropa i t. d., albo stopione sole cjanowe, wydzielające cjan. Materjały gazowe: gaz świetlny, metan, acetylen, tlenek

węgla.

Jako najodpowiedniejszy skład żelaza używanego do cementowania podają w procentach:⁵¹)

Węgiel Mangan do Krzem do

Siarka poniżej 0 04 Fosfor poniżej 005

01-015

04

0-3

Naogół mamy w tych wszystkich materjałach do czynienia z kilkoma tylko postaciami środków nawęglających, jak węgiel, którego bezpośrednie działanie jest prawie bez znaczenia, wytworzony z niego tlenek węgla, cementujący w sposób już omówiony, wreszcie węglowodory, czy to gotowe,_czy^ wydzielające się, i związki cjanowe. Materjały zawierające węgiel cementują wolniej niż węglany lub mieszaniny ich z węglanami; przykład tego daje wykres 276 ¹⁹), gdzie linja 1 oznacza cementowanie w węglu drzewnym, lińja 2 w mieszaninie węgla drzewnego z węglanem barowym. Ten sam stopień nawęglenia można więc osiągnąć, stosując taką mieszaninę, mniejszem zużyciem paliwa i w warunkach pomyślniejszych dla struktury materjału. Węglowodory cementują energiczniej

niż tlenek węgla. Na rys. 277 zestawiono według Giolittiego wykresy nawęglania zapomocą tlenku węgla (1) przez 10 godzin i metanu (2) przez 3 godziny; przy tej samej grubości warstwy nawęglonej jest nasycenie tlenkiem węgla wielokrotnie słabsze niż metanem. Podobnie jak metan działa gaz świetlny. Badania Kurka ⁷⁸) wykazały, że cementowanie tlenkiem węgla w postaci gazu odbywa się wolno i wymaga temperatury dochodzącej do 1000°.

Działanie środków cementacyjnych, zawierających azot, przedewszystkiem związków cjanu, nie jest dotąd należycie

Grubość warstwy na.rvęg?onpj n/ mm.

-O*

Ol

"o

fi

fi

Zawartość njęgfa ry m/>

fi fi fi fi fi

0,5    4,0    4,5

40

Czas sersente w godzinach

²,° *>5    3,o

Grubość naruęa/ery/s rv mm.

Rys. 276.

Rys. 277.

i stanowczo wyjaśnione. Najprawdopodobniej azot rozpuszcza się w żelazie, a więc tworzy z niem roztwór stały o wielkiej twardości, a nadto wchodzi w związek chemiczny z żelazem, analogiczny do karbidu węgla (cementytu), twardy a bardzo kruchy.

W praktyce stosują zazwyczaj mieszaniny środków cementujących^ najwięcej rozpowszechniony jest węgiel drzewny z dodatkiem ciał zawierających azot (węgiel ze skóry, sproszkowany róg), węgiel zmieszany z węglanem sodowym lub barowym, wreszcie węgiel z żelazocjankiem potasowym.

Płynne środki cementują bardzo silnie i wytwarzają twardą łuskę, — używa się ich wtedy, gdy potrzeba otrzymać szybko twardą a cienką (01—02 mm) warstwę nawęglenia. Tak cementowane przedmioty podlegają łatwo łuszczeniu.

Gazy, zwykle mieszaniny tlenku węgla i węglowodorów, bywają używane w specjalnych wypadkach, np. gaz świetlny stosuje się oddawna do cementowania płyt pancernych w ten sposób, że na rozżarzoną płytę wypuszcza się licznemi palnikami gaz, bardzo silnie nawęglający i tworzący twardą powłokę na płycie miękkiej, a więc odpornej na uderzenia pocisków. Warstwa nawęglenia dochodzi do 30 mm grubości. Gaz świetlny działa korzystnie dopiero przy 1000°.

W praktyce używają do nawęglania obok wyżej wymienionych oraz innych znanych materjałów, także tajemniczych i dziwnie nieraz nazywanych, zawsze kosztownych środków, które zazwyczaj są mieszaniną tanich, a często dla procesu bezwartościowych składników, dlatego bezwarunkowo należy ich unikać.

Przedmioty nawęglane na powierzchni muszą pewne części, podlegające obróbce, zachować w stanie miękkim, a więc nie nawęglonym. Dla ochron)' od nawęglenia pokrywa się takie powierzchnie gliną, albo osadza na nich (galwanicznie) warstwę miedzi o grubości 0'i mm. Większe powierzchnie owija się papierem azbestowym, oblepionym na brzegach gliną.

3.    Nawęglanie narzędzi jest wtedy potrzebne, gdy wskutek nieoględnego żarzenia objawia się na powierzchni ostrza odwęglenie, wskutek czego narzędzia nie można używać. Wtedy stosuje się nawęglenie w bardzo cienkiej warstewce, przez posypanie narzędzia żelazocjankiem potasowym lub jego mieszaniną z innemi dodatkami (żywica, mączka z rogu itp.), i rozżarzenie miejsca posypanego, poczem następuje hartowanie. Lepiej je*t zanurzyć narzędzie w roztopionym żelazo-cjanku ¹⁰⁷).

4.    Jako uboczne zjawisko cementowania występuje nawęglenie przy łączeniu części żelaznych zapomocą stapiania (rozdz. 15) acetylenem i innemi węglowodorami, o ile w palniku jest nadmiar takich gazów". Wskutek wysokiej temperatury następuje rozkład niespalonego gazu, a wydzielający się węgiel rozpuszcza się w żelazie, robiąc połączenie krachem i twardem, a przez to nieobrabialnem.

Dodatki innych metali w stali rozmaicie wpływają na proces cementowania. Jeżeli są to metale, tworzące z węglem karbidy, jak mangan, chrom, wolfram, molibden, to ich

obecność przyspiesza cementycję, takie znów jak nikiel, które rozpuszczając się w ferrycie, zwiększają jego wytrzymałość, nie obniżając ciągliwości, zachowują żelazu cementowanemu w pewnym stopniu nadane przed nawęgleniem własności. Na-węglanie stali nikło w}⁷ch i niklowo - chromowych jest stosowane obszernie w budowie maszyn.

Przez nawęglanie stali niklowej o strukturze perlitycznej (rozdz. 5) można wskutek zwiększenia w niej zawartości węgla wytworzyć bez hartowania strukturę martenzytyczną, jak to wynika z rys. 38, przez co stal ta, nie podlegając tak jak węglista procesowi nagłego oziębiania, nie jest narażona na niebezpieczeństwo powstania naprężeń, pęknięć itd. wskutek nagłej zmiany temperatury. Z tej własności stali niklowej korzysta się niekiedy, o ile zawartości węgla i niklu są bliskie granicy przejścia jednej struktury w drugą. Tak np. stal, zawierająca OT5⁰/₀ węgla i 7—8% niklu, mająca strukturę per-lityczną, nabiera budowy martenzytycznej przez nawęglenie do 0*8%, zyskując bez hartowania na powierzchni bardzo twardą warstwę, a zachowując we wnętrzu ciągliwą i odporną na uderzenia strukturę perlityczną ¹⁹).

Ulepszanie termiczne. Wskutek długo trwającego i wysokiego ponad A₃ ogrzewania przedmiotów cementowanych na powierzchni, wytwarza się w nich struktura gruboziarnista, niekorzystna wobec wstrząśnień i uderzeń; zwłaszcza w razie powstania rysy na twardym przedmiocie, powoduje występujące działanie karbu złamanie gruboziarnistego wnętrza.

Przez odpowiednie postępowanie termiczne należy usunąć niekorzystną strukturę tak miękkiego ośrodka, jak i twardej warstwy wierzchniej. Przedewszystkiem należy się starać o to, aby zmiany strukturalne były jak najmniejsze, a więc podczas nawęglania dobrać takie postępowanie i takie środki nawęglające, by proces cementowania trwał krótko i przy możliwie niskiej temperaturze (850—900°). Po wyjęciu przedmiotu z pieca nie należy pozostawić go powolnemu stygnięciu, ale oziębić szybko poniżej temperatury czerwoności. Zapobiega to wytwarzaniu się nagłego odgraniczenia warstwy twardej od miękkiej, któremu sprzyja powolne studzenie, pozwalające na warstwowe układanie się ferrytu lub perlitu wskutek łączenia się ze sobą kryształów o tej samej zawartości węgla.

Ponieważ temperatura A₃ leży w żelazie miękkiem (0'1—0'2⁰/₀) wyżej niż w warstwie nawęglonej (0‘9—l°/₀), trzeba, dla usunięcia gruboziarnistości w obu rodzajach materjału, podwójnego procesu termicznego. Dlatego przedmiot cementowany ogrzewa się najpierw ponad temperaturę A₃ miękkiego wnętrza (900—950°, zależnie od zawartości węgla), szybko studzi poniżej Ax i w ten sposób wywołuje drobnoziarnistość ośrodka. Dla tego samego wyniku na powierzchni ogrzewa się następnie przedmiot ponad temperaturę krytyczną A₃ warstwy cementowanej (ok. 800°), a potem, ostudziwszy szybko do 750° (ponad Ai), hartuje się go w oliwie. Ze względu na mogące przytem powstać naprężenia i dla polepszenia mechanicznych własności przedmiotu, zazwyczaj odpuszcza go się jeszcze do 200°, kończąc na tern proces termicznego ulepszania.

21. Obrabianie żelaza przez zgniot.

Obróbką przez zgniatanie lub obróbką zimną nazywamy procesy mechaniczne, odbywające się przy temperatu-rach naogół niskich. Żelazo pod wpływem tego procesu zmienia wybitnie swoje własności mechaniczne, wytrzymałość jego i twardość wzrastają, ciągliwość się zmniejsza, inne własności fizyczne doznają również zmiany. Obraz mikroskopowy takiego żelaza wykazuje także zmiany, jak to widzimy na rys. 278,

mi

Rys. 278 (x90).

gdzie obraz A przedstawia miękkie żelazo w stanie normalnym (walcowane), B to samo żelazo po zgniocie (przez wyciąganie); zamiast zwykłego kształtu ziarn ferrytu, jakie ma żelazo niezmienione (A), widzimy wydłużone pasma. Gdy żelazo w powyższy sposób przerobione wyżarzymy powyżej 500°, powraca pierwotny kształt ziarn (C), rozmiary ich są jednak zwykle odmienne.

Ta powierzchowna i zwięzła charakterystyka żelaza zgniatanego wskazuje, że proces wywołuje w niem daleko idące zmiany o wielkiem znaczeniu dla przeróbki technologicznej,

których poznanie i zrozumienie ma zarówno teoretyczne jak i praktyczne znaczenie.

Ry móc rozważyć różne hipotezy, tłumaczące zjawisko zgniotu, należy przedewszystkiem zapoznać się'dokładniej z jego objawami, powyżej zaznaczonemi ogólnie. Objawy te zależą od wielkości zgniotu t. j. od stosunku przerabianego materjału

Mo

420

HO

roytr2ym&łoit ro leg/™™ * ^ « §

9>

°/,ni<4> a/udzrypfinL

W    3O    5o    ■‘•O

Stopień obróbki

50    60    ^0    50    90 iOO%

Rys. 279.

przed i po odkształceniu. Wielkość tę wyrażamy procentowo . fo-f

wzorem:

„    100 = R, gdzie f₀ jest powierzchnią pierwotno____

nego przekroju, f powierzchnią po obróbce; wartość R nazywamy s t o p n iem obróbki przez zgniot.

Na rys. 279 widzimy zestawione na podstawie dat podanych przez Goerensa ⁴³) wykresy wytrzymałości na rozciąganie (Kz) i wydłużenia (?) dla żelaza o zawartości 0.55°/0 węgla, otrzymane przy pięciokrotnem wyciąganiu pręta o pierwotnej grubości 5'27 mm do ostatecznej 1*98 mm, przyczem stopień obróbki R wynosił stopniowo 34‘0, 55’0, 62*6, 78‘6 i 86'5⁰/o. Wykres wskazuje, jak granica sprężystości (E) wzrasta wskutek zgniotu, tak samo wytrzymałość na rozciąganie (Kz) a wydłużenie (?) już przy pierwszem wyciąganiu maleje do niskiej wartości. Materjał zyskuje więc na wytrzymałości i sprężystości, natomiast staje się kruchym.

Wykres 280 ⁴³) przedstawia zmiany twardości żelaza elektrolitycznego o zawartości 012°/₀ węgla w postaci pręta o pierwotnej grubości 15 mm, wyciąganego sześciokrotnie do ostatecznej grubości 8’2 mm. Widzimy z kształtu krzywej, że twardość z początku bardzo nagle wzrasta, później coraz wolniej, i osiąga bardzo znaczną wartość w porównaniu ze sta-

f WytfA/Ze/r/e # %

490

5    40    45    20 2 5    30

280

460

ipo

260

Tm ar dość 3 rine/fd.

rc

Twardość Brine/ld

HI § ! ^ S

400

40    20    3O 40    50    60 po 80

Stopień obróbki ro %

90

25    50    35    40    45    50    55    60    65

•• wytrzymałość na rozciąg. nkp/mm%

Rys. 281.

Rys. 280.

nem pierwotnym. Stosunek twardości do wytrzymałości i wydłużenia przedstawiony jest na rys. 281, zestawionym z wykresów Pompa ¹⁰⁶); widoczne jest z niego, że twardość znajduje się do wytrzymałości w stosunku prostym.

Następujący wykaz ⁴³) podaje zmiany różnj⁷ch własności żelaza miękkiego, wyciąganego do kresu obrabialności. Liczby są zestawione w procentach, przyczem własności materjału przed obróbką przyjęto równe 100:

to cc w w

Wydłużenie przy rozerwaniu 1

Twardość (Brinella)

99

Ciężar gatunkowy .

102

Opór elektryczny .

Szybkość rozpuszczania się w kwasie siarkowym 603 Odkształcenie ziarn wskutek zgniotu bywa większe lub mniejsze, zależnie od stopnia obróbki. Charakteryzuje się zatraceniem normalnego kształtu ziarn, które przed przeróbką przedstawiają się w przekroju jako mniej lub więcej umia-

j.

Rys. 382 (x 300).

rowe wieloboki (rys. 282), po obróbce (rys. 283, drut miękki, obrabiany pod młotem) są silnie wydłużone w kierunku prostopadłym do kierunku zgniotu i mają kształt wrzecionowaty. Pole, które doznało silniejszego zgniotu, przedstawia się na obrazie mikroskopowym ciemniej niż miejsca mniej zdeformowane; tłumaczą to (Tammann m) przesunięciami w kryształach, wskutek czego one słabiej odbijają światło.

Hipotezy zgniotu- Sprawa zgniotu (»obróbki zimnej«) od-dawna zajmowała wielu badaczy, a ponieważ jest trudna do zadowalającego wytłumaczenia, powstały różne hipotezy. Wszystkie wychodzą z objawu, że pod wpływem natężeń, jakim podlega zgniatany materjał, występują w krystalitach (ziar-

nach) przesunięcia ich elementów wzdłuż pewnych płaszczyzn właściwych kryształom, zwanych płaszczyznami spój-

- . -    ' 'i?

s“

"Słsife

■l *»t

•-w *

***

Ir '

-V

Rys. 283 (x 300).

ności (przesuwu). Elementy przesuwają się równolegle do siebie albo wprost (rys. 284 A) albo z przestawieniem w tz. utwór bliźniaczy (B). Stwierdzono to wielokrotnie, odkształcając na zimno metale, u których, na poprzednio wypolerowanych powierzchniach, występują linje wskazujące owe

Rys. 284.

odkształcenia, »uskoki«, zwane też linjami translatacyj-nemi, jak to widzimy na rys. 285 ⁹), gdzie poszczególne ziarna są niemi równolegle porysowane. Wskutek przesunięć elementów krystalitów (ziarn) powstają owe dla zgniotu charakterystyczne odkształcenia, widoczne na obrazie mikroskopowym, im też towarzyszą zmiany własności fizycznych metali, które badacze w różny sposób tłumaczą ¹).

• >3

jQ> •¹ Ii

Hipoteza Beilbyego przyjmuje, że między płaszczyznami przesuwu wytwarza się, wskutek wzajemnego mechni-cznego oddziaływania, bardzo cienka warstwa bezposta-ciowa, która jest twarda i krucha, i wywołuje charaktery-styczne zmiany w metalu zgniatanym. Inni przypisują ten objaw również działaniu warstwy między krystalicznej, ale nie bezpostaciowej lecz bardzo dr obnokry stalicznej, powstającej przez skruszenie tej warstwy podczas przesunięć elementów krystalicznych, a zwiększenie twardości, wytrzymałości i kruchości przypisuj ą zwiększeniu energji potencjalnej i powstałym naprężeniom wskutek deformacji.

LUL

Rys. 285 (x 150. Baumann).

Hipotezy powyższe nie opieraj ą się na do- rj świadczalnych dowodach.

Najwięcej odpowiada objawom występującym wskutek zgniotu hipoteza Tam-manna.¹³¹) Według niego siły, wywołujące zgniot, powodują stopniowe przesunięcie elementów, początkowo w kryształach najkorzystniej położonych do kierunku działania sił; zgniot wzrasta w miarę, jak coraz więcej tych elementów doznaje przesunięcia. Przesunięcia te są nieznaczne, gdyż większych nie dopuszczają ziarna sąsiednie.

W miarę wzrostu sił odkształcających występują także przesunięcia w kryształach mniej korzystnie zorjentowanych, które dotąd stawiały większy opór, i stopniowo coraz więcej ziarn bierze udział w zgniocie. Siatka krystaliczna metalu doznaje odkształcenia, jednak bez uszkodzenia, — do chwili, kiedy możność przesunięć elementów jest już u kresu; dalsze zwiększenie natężeń powoduje naruszenie siatki, przyczem w materjale objawiają się pęknięcia. Pęknięcia występują w materjale zgniatanym nie na granicach kryształów (ziarn), ale przez ich wnętrze, w płaszczyznach najmniejszego oporu tj. w kierunku płaszczyzn spójności.

zawsze

Zwiększenie wytrzymałości, twardości, a także kruchości, powodują naprężenia powstające w czasie odkształcenia, wskutek energji potencjalnej, nabytej przez deformację. Występujące po zgniocie zwiększenie objętości materjału tłumaczy się przesunięciami elementów, wskutek czego zdeformowane ziarno, mając elementy krystaliczne mniej regularnie ułożone, zajmuje większą objętość niż przed zgniotem.

Teorję Tammanna rozszerzył Korb er ⁷⁶) twierdzeniem, że pod działaniem zgniotu dochodzi do zmiany o r j e n t a c j i krystalitów, które ustawiają się swemi płaszczyznami przesunięć w kierunku działania sił; dzieje się to stopniowo w miarę wzrostu natężeń. Twierdzenie to zostało potwierdzone badaniami rentgenograficznemi, które wykazują zmianę położenia osi krystalicznej ziarn pod wpływem silnego zgniotu; np. w drucie wyciąganym kierunek płaszczyzn przesunięć był taki, że oś drutu była dla nich osią symetrji.

Odkształcenie ziarn wskutek zgniotu odbywa się tylko w części plastycznie, w znacznej zaś elastycznie, co widzimy na wzroście granicy sprężystości w materjale zgniecionym; zdeformowane (wydłużone) ziarna, posiadając znaczny zasób energji potencjalnej, dlatego tylko nie wracają do swego pier-wolnego kształtu, ponieważ tarcie wewnętrzne (międzykrysta-liczne) na to nie pozwala. Stać się to może przez zmniejszenie tarcia wskutek rozgrzania, o czem będzie dalej mowa.

Naprężenia powstające wskutek zgniotu określił liczbowo i wykreślnie Heyn ⁶²) ⁶⁴), robiąc badania na cylindrach metalowych, poddanych wyciąganiu na zimno, i oznaczając zapo-mocą wynalezionej przez siebie metody naprężenia w warstwach współśrodkowych.

Na rys. 286 u góry widzimy wykres takich natężeń w cylindrze ze stali niklowej (0*39°/o węgla, 2510°/₀ niklu), który z pierwotnej grubości 34 mm wyciągnięto na zimno na 31 mm. Natężenia rozciągające, występujące w warstwach zewnętrz-

nych, wykreślone są w górę od linji zerowej, natężenia ściskające (w części środkowej) w dół. Natężenia odnoszą się do powierzchni przekrój u badanego miejsca w cylindrze; powierzchnie podane są na osi poziomej wykresu. Jak z wykresu widać, różnice natężeń są bardzo zna-czne, w obu kierunkach prze- ^ 0 kraczają 35 kg/mm². Natężenia |    «?

z mieniaj ą się, lecz bardzo wolno, j* zo i do zupełnej równowagi do- 6 x chodzą dopiero w ciągu długiego -fj ^

czasu; Heyn⁶⁴) obserwował jesz- ^    ^    3    3 '    ⁰    *    3    3 *

cze po dwóch latach zmiany na- ^ tężeń tak rozciągających, jak ^ ściskających.

Tonilerschnie to cm*

Rys. 286.

Na dolnej części wykresu przedstawione są natężeni a, obj a-wiające się po wyżarzeniu zgniatanego przedmiotu, a więc po usunięciu wpływu zgniotu;sąonetak małe,żemogąleżeć w granicach błędu stosowanej metodybadania.

Stwierdzeniem występujących natężeń są pęknięcia wy-

?§§P

Rys. 287 (x 110).

wołane zgniotem. Rys. 287 przedstawia żelazo z powierzchni szyny kolejowej, odkształcone wskutek uderzania kół o szynę, z pęknięciem kończącem się dwiema rysami. Na rys. 288 po-

dany jest obraz żelaza mięk-

• .**'    'M !def,z widocznem od'

;•    ' St    kSZtaCemem.fIarn ^

zgniot; znajdująca się "    .    ~~ w środku warstwa żużla

RS*'

„    jest popękana na całej dłu-

-    -- g°ści wskl'tek teg°>że kru;

—* •'    ^    ^—* chy w stanie zimnym żużel

-    nie poddał się plastycznie

\    2Z~    -- „ .; obróbce, tak jak się pod

Rys. 288 (x 90)

daje, gdy obróbka żelaza żużlowatego odbywa się w stanie rozżarzenia. Dla wytrzymałości żelaza zgniatanego obecność kruchego żużla musi działać niekorzystnie, dlatego żelazo pudlarskie jako bogate w żużel niekorzystniej zmienia swoje własności mechaniczne pod wpływem zgniotu niż zlewne. Porównanie dają wyniki badań tych dwóch rodzajów żelaza o zbliżonej zawartości węgla, uwidocznione w następującej tabelce: ⁴³)

Rodzaj żelaza

Węgiel w °/o

Wycią

gane

Stopień

obrobki

w %

Średnica przed i po obróbce

Wytrzy

małość

kg/mm²

Wydłużenie w %

Pudlarskie

0-11

Elektrolit.

0-12

3 razy 5 razy

39-8

12-5na9'7

63-5

3-5

44 3    15 na 112

77-2

6-0

Widzimy, że żelazo pudlarskie mniejszą ilość razy i z mniejszej początkowej średnicy (co jest korzystniej) wyciągane, i w mniejszym stopniu przerobione, wykazało zarówno znacznie mniejszą wytrzymałość, jak i wydłużenie.

Wpływ węgla działa obniżająco na obrabialność żelaza przez zgniot; przy stosunkowo mniejszym wzroście wytrzymałości objawia się znaczny spadek ciągliwości, jak to jest widoczne z następującej tabelki ⁴³), zestawionej dla kilku gatunków żelaza elektrolitycznego, w prętach o pierwotnej grubości 15 mm, wyciągniętych czterokrotnie na 127 mm, t. j. o 28-3°/₀.

Po wyciąganiu

Przed wyciąganiem

Węgiel °/₀

Wytrzy

małość

kg/mm²

Granica

spręż.

kg/mm!

Wydłużenie w %

Wytrzymałość kg/mm³

Granica

spręż.

kg/min²

Wydłużenie w %

012

41-3

26-0

327

65-6

35-1

6-7

0-27

48-7

262

29-9

74-6

38-8

4-5

0-62

80-9

26-8

17-1

111-5

39-8

2-5

0-98

103-0

27-5

6-7

1310

43-3

0-3

Obrabialność żelaza na zimno jest wskutek tego znacznie mniejsza, co wpływa na przeróbkę jego w praktyce. Badania ⁴³) prowadzone na różnych rodzajach żelaza aż do granicy obra-bialności przez zgniot (do pęknięcia) wykazały, że żelazo miękkie o zawartości 0*1 °/₀ węgla dopuszczało stopień obróbki 96'5°/₀, żelazo o 0'5°/₀ węgla — 86'5°/₀, a żelazo twarde o 0-8°/0 węgla tylko 67*5°/₀-

To odmienne zachowanie się żelaza stąd pochodzi, że w miarę wzrostu zawartości węgla wytwarzają się w plastycznym ferrycie twardsze znacznie i kruchsze wyspy perlitu, które przy słabym zgniocie nie doznają odkształcenia, przeszkadzając jednak swobodnemu odkształceniu ziarn ferrytu, przy silnym zaś zgniocie ulegają również deformacji, (rys. 291, 292); jako twardsze i kruchsze trudniej jednak dają się one zdeformować, a łatwiej skruszyć, powodując (działaniem karbu) pękanie sąsiadujących z niemi ziarn ferrytu.

Rekrystalizacja. Objawy zgniotu ustępują przez wyża-r z e n i e; zmiana ta objawia się zmniejszeniem wytrzymałości, twardości, rozpuszczalności w kwasach, powiększeniem ciągii-wości, ciężaru gatunkowego, elektrycznego przewodnictwa i przemianą zdeformowanych ziarn do normalnego kształtu. Proces ten zwie się rekrystalizacją.

Wykres na rys. 289 (Goerens u) pokazuje zmiany wytrzymałości i wydłużenia wskutek żarzenia przy coraz wyższych temperaturach u drutu żelaznego (0'07°/₀ węgla), którego stopień odkształcenia przez zgniot wynosił 85°/₀. Zmiany okazują się

Żelazo.

już przy temperaturach niskich, a główny ich przebieg odbywa się między 400° a 600°, przyczem między 520° a 560° są najszybsze i najdonioślejsze, tak dalece, że poniżej tych temperatur nawet przez bardzo długie żarzenie nie udaje się w wydatniejszym stopniu usunąć objawów zgniotu, a powyżej nich ustępują bardzo szybko.

5 9°

® 70 *vj

I*

50

30

Wydhjżerne w %

20

10

O IGO 200    300    400    500    600 ?OQ 600    900 1OO0 tWC

Temperatura

Rys. 289.

60

ZOO 400

500

400

200

Temperafl/ra

Rys. 290.

Usunięcie naprężeń przez żarzenie jest zupełne już przy temperaturach niższych. Heyn⁶⁴) wykazał, że naprężenia zaczynają ustępować już przy slabem ogrzaniu, a znikają całkowicie przy temperaturach niższych niż te, które usuwają zmiany wytrzymałości. Na rys. 290 widzimy wykres natężeń żelaznego walca (0'29°/₀ węgla) o pierwotnej grubości 41 "5 mm, a po wyciągnięciu na zimno 39 mm, który żarzono po cztery godziny przy coraz wyższych temperaturach aż do 500°, z każdorazowem powolnem studzeniem do normalnej temperatury. Wykres wykazuje przy niż- "g szych temperaturach żarzenia duży spadek natężeń, a bardzo nagły & 4o między 450° a 500°. Ponieważ zna- | czne zmiany wytrzymałości wy- *-2<? wołane zgniotem ustępują przy temperaturze nieco wyższej (nad 520°), można przez oględne wyżarzenie (poniżej 500°) żelaza obrabianego na zimno usunąć w przeważnym stopniu naprężenia, zachowując w znacznej części inne zmiany wywołane zgniotem (twardość, wytrzymałość), co niejednokrotnie może być potrzebne.

Rekrystalizacja zgniecionego i wyżarzonego żelaza, której obszerne studjum poświęcił Chapell²³), daje się pod mikro-

skopem zauważyć już od 350°, nie po kształcie ziarn, jeszcze nie zmienionym, lecz po mniejszej odporności na wytrawianie powierzchni, która jest mniej równa, jak gdyby podrapana. Powyżej 500° daje się zauważyć rozpad zdeformowanych (wydłużonych) ziarn. Rys. 291 przedstawia z lewej strony żelazo żarzone po zgniocie przy 566°, po prawej przy 594°; na pierwszym obrazie niema jeszcze zmian zdeformowanych ziarn, na drugim są one już w rozpadzie. Wytworzone przez rozpad ziarna są drobne, szybko wzrastające z temperaturą żarzenia, o budowie normalnej jak przed zgniotem. Szybki wzrost ziarn kończy się, między 700° a 750° (Ax) poczem odbywa się słabiej aż do A₃ gdzie istnieje już roztwór stały.

IŁ

,s

iPf

mm

V -’ *•

'Ł

•f mm

Rys. 291 (x 180. Ferrum).

Wielkość ziarn po wyżarzeniu nie jest jednakowa, w miejscach przez zgniot naj silniej odkształconych ziarna są drobne, w mniej zgniecionych większe, i dochodzą niekiedy bardzo znacznych rozmiarów; ziarna, deformacją nie dotknięte, nie ulegają żadnym zmianom (nie przechodząc przy takiem żarzeniu w roztwór z ponowną krystalizacją).

Objaw, że ziarna najwięcej zgniecione dają po żarzeniu najdrobniejsze krystality, nie znaczy, że ziarna te nie ulegają rekrystalizacji i zwiększeniu; przeciwnie, rekrystalizacja zgniecionego żelaza odbywa się zawsze przez wzrost ziarn, poprzedzony jednak większem lub mniejszem rozdrobieniem wskutek deformacji, i ostateczna wielkość ich jest wynikiem dwóch, przeciwnie działających objawów: rozdrobienia podczas deformacji i zgrubienia przy żarzeniu. Najbardziej zgniecione ziarna mimo doznanego powiększenia są małe, często znacznie

mniejsze niż. przed zgniotem (rys. 278 C). Ziarna mniej zdeformowane osiągają przez wyżarzenie wzrost przewyższający nieraz wielokrotnie ich poprzednie wymiary. Wzrost ziarn rozpoczyna się przy niższej temperaturze w warstwach silniej zgniecionych (550—600°); im mniejszy jest stopień odkształcenia,-tern temperatura ta jest wyższa, — proces kończy się około 750°.

Każdej temperaturze żarzenia odpowiada pewien wzrost kryształów, który przy niej osiąga stan równowagi i zmienia się dopiero przez dalsze podwyższenie temperatury.

Objaśnienie powyższych twierdzeń daje rys. 292. Przedstawia on sztabkę żelaza miękkiego (0.07°/₀ węgla), w którą wciskano ²³) zahartowany pręcik stalowy, wytwarzając jednako-

900 * C

III i » i .u i. li i i r « i i i r 1 i ri i -• ii i il i iii*

600

700

800

mSSPmmBmMSMS

Rys. 292 (x 3 Ferrum).

wym naciskiem jednakowe wgłębienia. Sztabkę poddano następnie ogrzaniu z jednego końca, wywołując, w miarę coraz większej odległości od ogrzanego końca, coraz mniejszy wzrost temperatury, który po 10-cio minutowem ogrzewaniu dokładnie zmierzono. Przy slabem ogrzaniu (600°) uległa rekrystalizacji tylko najsilniej zgnieciona warstwa, ze wzrostem temperatury sięga ona coraz głębiej; czarna, ukośna linja oznacza głębokość rekrystalizacji, kończącej się około 900° wskutek osiągnięcia temperatury krytycznej (A₃), powodującej powstanie stałego roztworu. Ziarna leżące pod linją nie doznały żadnych zmian. Na najsilniej ogrzanych wgnieceniach (między 800° a 900°) widoczna jest cała odkształcona warstwa, która tuż przy wgłębieniu, gdzie deformacja była najsilniejsza, jest bardzo drobnoziarnista, w miarę zaś, jak zgniot był słabszy, ziarna rosną do coraz większych rozmiarów; poza sferą zgniotu nie ma w nich żadnej zmiany.

Rozmaitą wielkość ziarn po rekrystalizacji tłumaczą także w inny sposób: objawy zgniotu wywołane są deformacjami w płaszcz}^znach spójności ziarn w stanie częściowo elastycznym, wskutek czego elementy kryształów nie dają się oderwać, ale znajdują się w stanie napięcia molekularnego, dążącego do przywrócenia pierwotnego stanu, — temu jednak przeciwdziała wewnętrzne tarcie między niemi. Gdy tarcie to zmniejszy się przez ogrzanie, elementy wracają do pierwotnego położenia, i ziarna odzyskują dawny kształt. Jeżeli deformacja jest zbyt silna, następuje oderwanie elementów od siebie, więc odosobnienie; ogrzane następnie, ściągają się pod działaniem napięcia powierzchniowego w oddzielne ziarna. Im silniejszy był zgniot, tem ziarno zostało podzielone na więcej elementów, i tern mniejsze są ziarna po rekrystalizacji. Ponieważ elementy mają różną grubość, zależnie od stopnia deformacji, dlatego i temperatury, przy których się kurczą w ziarna (koagulują), są różne, niższe dla cienkich, wyższe dla grubszych, gdyż elementy małe,silniej zgniecione,mają większą energję potencjalną i łatwiej przyjmują nową postać.

Wzrost kryształów przy rekrystalizacji, jako odbywający się poniżej A₃, nie ma dotąd dość jasnego wyjaśnienia. Cha-pell ²³) podaje dwie hipotezy: łączenie się ze sobą sąsiednich kryształów, do czego konieczne jest ułożenie się ich osi w tym samym kierunku, a więc pewien obrót kryształów, który jest skutkiem nagromadzonej przez zgniot, a przez żarzenie wyzwolonej energji potencjalnej. Jest to możliwe, gdyż, jak wiemy, daleko posunięty zgniot powoduje jednakową orjen-tację kryształów, co stwierdzono badaniami rentgenografi-cznemi.

Drugi sposób tłumaczenia (za Tammannem ¹³¹) przyjmuje, że pod działaniem tej energji dwa kryształy przerywają dzielącą je warstwę zanieczyszczeń, gromadzących się na obwodzie, a bezpośrednie zetknięcie powoduje złączenie ziarn. Mniej roz-drobione ziarna, łącząc się, tworzą większe ziarna, podzielone na elementy, — mniejsze.

Niema powodu, dlaczego oba powyższe czynniki nie miałyby działać równorzędnie.

Zawartość węgla wywołuje naogół mniejszą skłonność do tworzenia się dużych ziarn; Pomp ¹⁰⁶) podaje 0.18°/₀ węgla, jako granicę, powyżej której przy rekrystalizacji nie tworzy się struktura gruboziarnista.

Co do zakresu temperatur, w jakich kończą się objawy zgniotu, była już mowa, że granicą jego jest A₃. Zdają się temu pozornie przeczyć badania, wykazujące, że objawy mechaniczne zgniotu ustępują już w temperaturze 520—560°. Jest to jednak tylko część zjawiska wywołanego żarzeniem, zawisła od granicy plastyczności żelaza, przy której stany naprężenia w całych układach wyrównują się, jak to się dzieje w odlewach stalowych, a przy zgniocie w kryształach zdeformowanych. Ze jednak wyrównanie to nie jest zupełne i sięga w obręb wyższ}rch temperatur, świadczą doświadczenia Junkersa ⁶⁸). Żelazo (0'13°/o węgla) ogrzane powyżej A₃ i przekuwane (stopień obróbki 85°/₀) tak długo, aż jego temperatura spadła poniżej Al5 objawia znamiona obróbki zimnej (zgniotu), co wskazuje jego wytrzymałość i wydłużenie. O ile bowiem materjał ten kuty w obrębie temperatur początkowych 1100—1200°, a końcowych 900—1000° (a więc powyżej A₃), miał wytrzymałość na rozciąganie 39‘4 — 407 kg/mm², a wydłużenie 321—28'5°/₀, to wartości te przy innych temperaturach obrabiania były inne, jak to widać z następującej tabelki (I):

Temperatura

kucia

począt

kowa

końcowa

Wytrzy

małość

kg/mm²

Wydłużenie %

I 900

675

42-0

18-0

800

640

43-6

16-4

800

710

41-9

18-8

II 900

803

40-8

22-0

1100

797

39-8

23T

Widzimy, że obróbka kończąca się powyżej Ax wykazuje wzrost, choć nieznaczny, wytrzymałości a bardzo znaczny spadek wydłużenia, — objawy właściwe obróbce zimnej. Ten sam materjał obrabiany przy temperaturach początkowych wyższych, a kończących się między A₃ i A1? okazywał, jak można

było z góry wnioskować, objawy pośrednie (ta sarna tabela pod II) t. j. jeszcze mniejszą różnicę wytrzymałości, a mniejszą, jednak dość znaczną,— wydłużenia; różnica była tern mniejsza, im większa część procesu odbyła się powyżej A₃, i im mniej spadła temperatura końcowa. Jeżeli nadto przyjrzymy się obrazowi mikroskopowemu na rys. 293 tego żelaza, kutego w granicach temperatur 800° (między A₃ i Ax) i 640° (poniżej Ax), gdzie ziarna są wyraźnie wydłużone (odkształcone), możemy uważać za udowodnione, że obróbka poniżej Ax należy do zakresu zgniotu, powyżej A₃ do zakresu kucia, a między Ax i A3 jest w stanie przejściowym, bliższym jednemu lub drugiemu procesowi, zależnie od różnicy temperatur między oboma punktami.

LHĘj

Obróbka zimna (zgniot) w za-    ■

stosowaniu praktycznem. W prze-róbce~żelaza spotykamy się często    '

z objawami zgniotu, wywołującemi i£*r doniosłe zmiany w materjale. Ob-    rr"

róbka taka może być stosowana celowo np. dla uzyskania większej twardości, wytrzymałości lub elastyczności, albo wtedy gdy innym sposobem nie można wytworzyć pe-, Bys. 293 (x 100. St. u. E.). wnego wyrobu, przyczem objawy

zgniotu są nieuniknionym, choć niepożądanym objawem. Może wreszcie pewien proces obróbczy wywołać szkodliwe objawy i skutki zgniotu wskutek niezamierzonego a błędnego postępowania technologicznego.

Twarde blachy. Przykładem pierwszego rodzaju obróbki jest wyrób blach, najczęściej w postaci wstęg dla uzyskania materjału o znacznej elastyczności, wielkiej twardości (odpornego na mechaniczne zużycie) lub gładkiej powierzchni (celem pokrycia jej innym metalem) i t. p. Surową blachę przerabia się w tym celu przez walcowanie na zimno i wyżarzanie w okresach pośrednich, aby materał zrobić zdatnym do dalszej przeróbki na ostatecznie wymaganą grubość. Wyżarzenie odgrywa tu podwójną rolę, raz przez przywrócenie ciągliwości, zmniejszenie wytrzymałości oraz twardości — umożliwia dalszą przeróbkę, po drugie, przez stosowne żarzenie pozwala wytworzyć korzystną strukturę.

Proces ten badał Hanemann i Lind ⁶⁹), robiąc doświadczenia na wstęgach stalowych (P17°/₀ węgla), które z początkowej grubości 2 mm walcowano na zimno pięciokrotnie na 0'5 mm i po każdem przejściu wyżarzano. Zmiany wytrzymałości i ciągliwości między pierwszym a ostatnim procesem były następujące:

Przeróbka

Wytrzymałość

kg/mm²

Wydłużenie

Materjał surowy

100

99

99

99

1 raz walcowany, nie żarzony 5 razy 1 raz

101

99

99

88

W W 00

ó ob do

żarzony

80

13*8

99

5 razy

99

99

58

27-5

Materjał przed obróbką miał strukturę perlityczną, płatkową, a nadmiar cementytu (ponad 0’9°/₀ węgla) rozłożony był siatkowo, po przeróbce struktura była perlityczno-ziarnista, cały cementyt zjednoczony w znaną postać kulkową (rozdz. 16). Wskutek zmiany budowy perlitu w postać ziarnistą, materjał stał się po ostatniem żarzeniu ciągliwym, a mniej wytrzymałym, zachowując, dzięki rozłożeniu w nim cementytu, wielką twardość i jednolitość.

Strukturę perlitu ziarnistego można .otrzymać przez bardzo długie żarzenie, — w procesie opisanym żarzenie, jakkolwiek źródło nie podaje jego długości, było niewątpliwie takie, jakie stosują w procesach zimnej obróbki, a więc krótkie, mimo to wywołało tę samą strukturę ziarnistą. Wynika z tego, że zgniot twardej stali, wielokrotnie powtarzany, sprzyja przemianie perlitu płatkowego w ziarnisty, prawdopodobnie przez kruszenie twardych płatków cementytu, zawartych w perlicie oraz pasemek wolnego cementytu, tworzących strukturę siatkową, — tak samo jak energiczne kucie stali narzędziowej przy hartowaniu żelaza nadeutektoidalnego i stali szybko-tnącej (rozdz. 19) wywołuje ten sam wynik.

Wyrób drutu poniżej 5 mm odbywa się przez wyciąganie na zimno. Rys. 294 przedstawia zasadę tej roboty; przez zwężający się stopniowo otwór w twardej płycie przeciąga się pręt, który zwężając się stosownie do kształtu otworu, wydłuża się zarazem. Wskutek oporu stawianego przez materjał i tarcia, jakie przytem powstaje, ruch cząstek nie odbywa się równocześnie w całym przekroju, lecz cząstki leżące blisko powierzchni pozostają w tyle, a środkowe wysuwają się naprzód.

T~~~Ż—ZZ—

Rys. 294.

Aby wyciąganie było możliwe, potrzeba by wytrzymałość materjału była większa niż opór w otworze płyty, inaczej bowiem nastąpiłoby urwanie pręta. Dlatego przeciąganie odbywa się nie na gorąco, z powodu małej wytrzymałości rozżarzonego żelaza, ale na zimno, wywołując znane objawy zgniotu. Z powodu niebezpieczeństwa urwania się drutu, nie można jego przekrój u odrazu wyda tnie zmniejszać, i chcąc uzyskać znaczne wyciągnięcie, trzeba proces kilkakrotnie powtarzać; występujące przytem obj a wy zimnej obróbki, t. j. stwardnię-cie żelaza i zmniejszenie ciągliwości, wymagają po jednym, dwu a czasem trzech przeciągnięciach (zależnie od średnicy drutu i rodzaju żelaza) wyżarzenia drutu, dla przywrócenia mu miękkości i ciągliwości. Struktura drutu wyciąganego po żarzeniu jest drobnoziarnista (rys. 278 C); gruboziarnistość, właściwa ma-terjałom niezbyt słabo zgniecionym, nie występuje tutaj z powodu, że stopień jego obróbki jest bardzo znaczny, i zaraz po pierwszem przeciągnięciu powstają deformacje tak wielkie, że rekrystalizacja nie może spowodować grubej struktury.

Stosowane w przemyśle sposoby wyciągania drutu rozróżniają przeróbkę drutu miękkiego od twardego. Drut miękki wyrabia się w opisany sposób, wyżarzając go przy 700—800°, natomiast drut o większej zawartości węgla (ponad 0'3°/₀ węgla) poddaje się przed wyciąganiem procesowi termicznemu, zwanemu w przemyśle druciarskim »patentowaniem«; polega on na rozżarzeniu drutu ponad A₃ i szybkiem ostudzeniu w powietrzu lub stopionym ołowiu (hartowanie połączone z odpuszczaniem), przez co wytwarza się struktura sorbity-czna. Doświadczenia Adama *) robione nad tym procesem dały następujące spostrzeżenia: Drut (0‘44°/o węgla) o grubości 406 mm, wylrzymałości na rozciąganie 81'2 kg/mm² i zwężeniu 53°/₀, ogrzany do 1000° i ostudzony w ołowiu przy 550°, dał się wyciągnąć na 07 mm i wykazał wytrzymałość 238 kg/mm2 a zwężenie 40°/₀. Inne doświadczenie zrobione z prętem (0‘49°/o węgla) o grubości 3175 mm; podzieliwszy go na dwie części, wyżarzono jedną przy 900° i ostudzono normalnie, drugą po rozgrzaniu do 900° ulepszono termicznie, tak samo jak poprzednio. Materjał tylko żarzony pękł podczas wyciągania, mając 2064 mm (stopień obróbki 61'5°/₀), pręt ulepszony przez »patentowanie« pozwolił się wyciągnąć do 1445 mm (81'9°/₀)

mi

^ " u

mt

;—rrbez pęknięcia. Dalsze badania WffĘi:- ^    - wykazały (podobnie jak wblasze

\    walcowanej na zimno), że struk

Rys. 295.

tura w postaci bardzo drobnych, ziarnek cementytu, otoczonych miękkim ferrytem (tu w postaci sorbitycznej), najlepiej nadaje się do przeróbki przez wyciąganie, struktura perlit}^czna płatkowa jest zupełnie nieodpowiednia.

Zbyt daleko posunięte wyciąganie bez żarzenia, obniżając ciągliwość żelaza, wywołać może pęknięcie wskutek oderwania się ośrodka, posuwającego się naprzód.

Rys. 295 przedstawia (w silnem powiększeniu) przekroje drutu, w którym, przez za daleko posunięte wyciąganie, powstały pęknięcia, zgodne z ruchem materjalu podczas wyciągania.

Rys. 296.

Proces wyciągania na zimno ma obszerne zastosowanie do wyrobu na tłoczni naczyń z blachy żelaznej. Robola odbywa się również stopniowo, przechodząc przez kształty pośrednie i stosując między niemi wyżarzanie dla usunięcia twardości i kruchości, Rys. 296 przedstawia stopnie przeróbki (1—5) okrągłego krążka blachy na długie cylindryczne naczynie; sposób wyrobu widzimy

na rys. 297, przedstawiającym pierwsze stadjum roboty. Pierścień P i tłoczysko T wykonują robotę, przycisk R przytrzymując blachę, nie dopuszcza tworzenia się fałdów. Dolne tłoczysko S wypycha z formy gotowy wyrób.

Wygniatanie. Inny rodzaj przeróbki blachy, polegający na tej samej zasadzie, stanowi wygniatanie jej na tokarce, jak to widzimy na rys.

Rys. 297.

298. Na osi tokarki T osadzona jest na śrubie forma F, według której ma być wykonana osłona przez wgniecenie na nią krążka blachy B. W tym celu przyciska się blachę do czoła formy zapomocą klocka D, naciskanego kłem (K) konika tokarki w ten sposób, że podczas obrotu tokarki obraca się forma, a z nią blacha i klocek. Jeżeli

ii

::

IB

V ,tfT)

Rys. 298.

będącą w ruchu blachę naciskać będziemy stalowem narzędziem N, zakończonem wypolerowaną główką lub kółkiem, blacha podda się i (jak to wskazują kreskowane linje), stopniowo wyciągnie w kształt formy.

Walcowanie śrub. Tak jak w walcach kalibrowych można otrzymać z kwadratowego bloka walcówki różnych kształtów przez wtłaczanie plastycznego materjału w formę wyciętą we walcach, tak samo przez nacisk i stosowny ruch narzędzi

o odpowiednio uformowanej powierzchni można wycisnąć gwint śrubowy na sworzniu z plastycznego metalu. Schemat takiego urządzenia przedstawia rys. 299. Na dwóch płytach

JMls

Rys. 300

Rys. 299.

są nacięte żłobki o kształcie gwintów, w kierunku kąta, pod jakim gwint się wznosi, każda więc płyta (A) przedstawia rozwiniętą na płaszczyźnie powierzchnię śruby. Jeżeli między płyty,

z których j edna wykonywa ruch prostolinijny (szkic B) zwrotny, włożymy gładki sworzeń S i, naciskając płytę, przesuniemy ją równolegle do drugiej, nieruchomej, to na sworzniu zostanie wygnieciony ! gwint. Ponieważ nie używa się tu narzędzi tnących, nie są włókna w gwincie poprze-

I__cinane, jak u gwin

tów nacinanych (rysunek 300A), ale

wygięte według kształtu gwintów (B). Materjał w okolicy gwintu, jako na zimno wgnieciony, posiada znamiona obróbki zimnej, jak to widzimy na rys. 301, przedstawiającym strukturę gwintu na

1;S

■|i    ę-jSTSSęS'?*?;

Siflfeksi

...

9fc&

p|

Rys. 301. (x 90).

zimno walcowanego. W okolicy zagłębienia materjał jest najbardziej odkształcony. Ciemne smugi wskazują na zawartość fosforu.

Czynności, w których obróbka zimna nie jest procesem wytwórczym, ale objawem towarzyszącym pewnym celowym

/\ l/\J

Rys. 303.

Rys. 302.

zabiegom technologicznym, jest wyginanie, przecinanie, struganie i t. p.

as

Rys. 304.

Wyginanie. Chcąc pewne wyroby np. blachę wygiąć w kształt cylindryczny, używa się do tego trzech walców (rys. 302), z których górny S obraca się wskutek tarcia o blachę B, dwa dolne N są pędzone i nasta-wialne. Blachę (płaską) wkłada się między rozsunięte walce, poczerń tłocząc ją dolnemi, bę-dącemi w ruchu, wywołuje się nacisk na nią i porusza to w jednym to w drugim kierunku, wskutek czego stopniowo się wygina aż do kształtu pełnego koła (K). Wyginanie blachy na zimno wywołuje zmiany właściwe zgniotowi, tern znaczniejsze, im mniejszy jest promień krzywizny cylindra.

Ten sam sposób bywa stosowany do wyginania walcó-wek, np. kątówek (rys. 303), między dwoma profilowanemi walcami i do prostowania nierównych blach między wałkami (rys. 304). Do tego również procesu zaliczyć należy prostowa-

nie przed toczeniem wałów, uchwyconych w dwóch punktach i naciskanych pomiędzy niemi śrubą, albo jeszcze dla mate-rjału niebezpieczniejsze prostowanie ich na zimno na kowadle zapomocą silnych uderzeń młota.

Należy sobie uświadomić, że każde takie działanie wywołuję miejscowe odkształcenie przez zgniot, z towarzyszą-cemi mu zmianami własności mechanicznych, czyni materjał niejednostajnym, wywołuje w nim naprężenia, a nawet niewidoczne pęknięcia, będące często powodem późniejszych złamań.

Do tej samej kategorji niezamierzonych uszkodzeń przy

J.l

■w

•    ~Y •

Hk -

Rys. 305. (x 150. Baumann).

pewnych czynnościach obróbczych należy uszczelnianie połączeń nitowych (rys. 233), wybijanie liczb zapomocą stempli, odbijanie kamienia kotłowego silnemi uderzeniami młotka i t. p. Przy uszczelnianiu połączeń nitowych lub zbyt silnem zaciśnięciu nita (najczęściej przy nitowaniu hydraulicznem) może blacha wskutek zgniotu doznać odkształceń lub nawet pęknięć (rys. 234), które wskutek działania karbu rozszerzają się i powiększają.

Wybijanie liczb podczas rewizji zbiorników do zgęszczo-nych gazów było już nieraz powodem późniejszego wybuchu, nieoględne uszczelnianie połączenia nitowego, tak samo jak odbijanie kamienia w kotłach, wywoływało pęknięcie blachy i rozerwanie kotłów. Na rys. 305 widzimy uszkodzenie blachy

kotłowej podczas odbijania kamienia, w postaci głębokiej wklęsłości z bardzo silną deformacją materjału.

Obróbka przez użycie narzędzi tnących, jako odbywająca się na zimno, wywołuje także objawy zgniotu. Zasada skrawania polega (według Taylora) 132 a) na tern, że rydło (nóż)

rr

Rys. 306.

N (rys. 30(5), wciskając sięklino-watem ostrzem w materjał M, zgniata znajdującą się przed nim warstwę a na znacznie większą grubość b, i przemógłszy opór n _L materjału, odrywa ją. Powstający wiór składa się z takich zgniecionych i stopniowo odlani ujących się elementów, mimo naderwania złączonych ze sobą, które wykazują wszelkie cechy zgniotu. Po oderwaniu każdego elementu wióra, pozostaje jeszcze przed rydlem warstewka materjału małej grubości («), którą odcina ostry koniec rydla, tak że powierzchni obrobionej udziela się w dużo mniejszym stopniu działanie zgniotu.

O ile jednak koniec rydla nie jest ostry lecz stępiony

j? *•*,*^*<8*

Rys. 307 (x 75. Raumann).

(zaokrąglony), pozo-stała po oderwaniu wióra warstewka nie może być gładko skro-Ą jona, lecz doznaje również zgniecenia j pod naciskiem tępego J ostrza, a wtedy wy-4;J stępują w niej wyraźne objawy zgniotu. Taki wypadek widzimy na rys. 307, przedstawiającym zagłębienie gwintu śruby wykonanego narzędziem o tępych ostrzach. Ziarna położone na zewnątrz są bardzo silnie odkształcone, a nawet głębiej położone warstwy wykazują ich wydłużenie.

O wiele dosadniej występują zmiany spowodowane zgniotem po przecięciu (rys. 308 A) żelaza lub wytłoczeniu (B), co z reguły bywa wykonywane na zimno. Zabieg wykonują tu zawsze dwa narzędzia, u nożyc proste i jednakowe (N)w przebijakach najczęściej okrągłe, z nich jeden jako tłok (T) o kształcie sworznia, drugi jako matryca (P) wpostaci pierścienia. Materjał (M) doznaje z początku zgniecenia wskutek naporu wciskających się narzędzi, poczem następuje rozerwanie, gdy natężenie przekroczy wytrzymałość ma-terjału. Rys. 309 przedstawia kawałek blachy z żelaza pudlar-skiego, uciętej z dwóch stron; deformacja włókien i pęknięcia są wyraźnie widoczne. Na rys. 99 widzimy blachę z żelaza zlewnego (wadliwego), zdeformowaną przez wytłoczenie (a nie wywiercenie) otworu nitowego; na rys. 310 u góry znajduje się obraz odcinka blachy, w której wytłoczono otwór, u dołu wy tłoczek przy tern powstały; na obu widoczne jest odkształcenie włókien i pęknięcia.

If

Rys. 308.

Rys. 309 (n. w.).

Procesy i skutki zgniotu występują także w przedmiotach, które wskutek swojego sposobu działania narażone są na częste i liczne uderzenia; takiemi, bardzo działaniu zimnej obróbki podległemi przedmiotami, są szyny kolejowe i obręcze kół wagonowych. Każdy obrót koła w czasie jazdy wywołuje uderzenie jego powierzchni o szynę; działanie zgniotu objawia się więc równocześnie na obu powierzchniach, które wskutek ciągle powtarzających się uderzeń już po pewnym czasie wykazują właściwe znamiona.

Takiemu działaniu podlegają także łańcuchy dźwiga-rek w miejscach zetknięcia się ze sobą ogniw, uderzając o siebie i naciskając podczas podnoszenia ciężaru. Po pewnym czasie występują w nich znamiona zgniotu i jego struktura; wypadki

to jest stają się kruche, a po zbyt długiem użyciu pękają (rys. 287).

Bigp§ps*fe

.., W '

-TT-.    ~

Rys. 310 (n. w.).

urywania się łańcuchów spowodowane są w znacznej części kruchością żelaza wywołaną zgniotem. Perjodyczne wyżarzanie takich łańcuchów, usuwając jego objawy, zabezpiecza łańcuch od urwania, oczywiście, o ile nie spowodują tego inne przyczyny, jak żużlowatość, wadliwe spojenie i t. p.

Z przykładów zaczerpniętych z praktyki przekonujemy się, jak częste są wypadki działania zgniotu, jak łatwo można, je wywołać, i jak one bywają niebezpieczne w skutkach.

¹

Zestawienie hipotez zgniotu podał zwięźle i krytycznie H. W. Fraenkel S8).

22. Inne czynniki zmieniające własności

żelaza.

W doty czasowy cli rozważaniach zachowania się żelaza poniżej temperatur krytycznych nie omawialiśmy pewnych czynników, które oprócz zgniotu wywierają na nie wpływ; będą one tematem niniejszego rozdziału.

Przemęczenie żelaza i złom powolny- Zdarzają się wypadki, potwierdzone celowemi doświadczeniami, że przedmioty narażone na częste i zmieniające kierunek natężenia, poniżej granicy plastyczności a nawet sprężystości, łamią się. Takiemu działaniu ulegają łączniki motorów tłokowych, wały transmisyjne obciążone kołami, osie kół popędowych lokomotywy itp. Złamania, których powód nazywamy przemęczeniem (także znużeniem, niem. »Ermiidung«) przygotowują się powoli, nieraz bardzo długo (stąd niemiecka nazwa ich »Dauerbruch«), a gdy taki złom powolny objął część przekroju tak wielką, że natężenia w pozostałej reszcie przewyższają granicę wytrzymałości, następuje nagłe i zupełne złamanie. Czasem zawartość żużla, bańki gazów, karb, wskazują początek pęknięcia, często jednak nie można znaleźć takiej wskazówki.

Przemęczenie przypisywano dawniej zmianom budowy krystalicznej, z drobnej w gruboziarnistą, co się okazało nie-uzasadnionem a co dziś jeszcze zniewala pewnych autorów do rozróżniania między złomem wskutek przemęczenia a złomem powolnym.

Powierzchnia, na której odbywało się powolne złamanie, odróżnia się od reszty złomu (nagłego) pewną gładkością spowodowaną wielokrotnym, wzajemnym naciskiem powierzchni pęknięcia, gdy przedmiot doznaje wygięć w różnych kierunkach. Na rys. 311 (z rozprawy Rittershau-sena ¹¹²) widzimy obraz złamania osi korbowej lokomotywy); złamanie powolne widoczne jest od zewnątrz, złom nagły w kształcie elipsowatym po lewej stronie u góry.

Powody tego rodzaju złamań nie są dotąd dostatecznie wytłumaczone, — może dlatego, że nie jeden czynnik ale zapewne więcej tutaj działa. Zgodne jest zapatrywanie, że powody ich mają bezpośredni związek z niedoskonałą spręży-

r-

psp

I jgpgc&g

-■V-

!•

Rys. 311 (St. u. E.)

stością materjału, choćby tak elastycznego jak stal. Po każdem natężeniu w granicach sprężystości żelazo nie wraca w zupełności do pierwotnego stanu ale zatrzymuje pewne trwałe odkształcenie, po każdem natężeniu pozostają przesunięcia w płaszczyznach spójności ziarn, co powoduje, zwłaszcza gdy natężenia działają w kierunkach zmiennych, pewne rozluźnienie spójności elementów krystalicznych, wywołujące w dalszym <ńągu powstawanie niewidocznych dla oka rys, działających jak karb, a kończących się wreszcie złamaniem.

Badania R o o s a 1U) nad wpływem zmiennych obciążeń, wywołując}rch przemęczenie metali, nad różnemi rodzajami żelaza w stanie naturalnym i termicznie ulepszonym, zestawia

następująca tabelka, w której podana jest wytrzymałość na rozciąganie (Kz) i wydłużenie procentowe (?) materjału przed badaniem, wytrzymałość (K’z) po badaniu i stosunek procentowy (S) wytrzymałości po badaniu do wytrzymałości przed niem. Natężeń wykonano miljon na każdej próbce.

Węgiel

Stan

materjału

Kz

K’z

kg/mm²

kg/mm

0.11

0.40 zahartowany 0.40 odpuszczony 0.65 zahartowany 106.2 0.65 odpuszczony

Tak jak przy zgniocie tak i tutaj występują linje trans-latacyjne. Istnieje więc pewien związek między zgniotem a przemęczeniem, i można przypuścić, że zjawiska zgniotu odgrywają w zjawiskach przemęczenia doniosłą rolę.

Im wyższa jest granica plastyczności materjału, tern więcej jest on odporny. O ile w przedmiocie podlegającym zmiennym obciążeniom występuje działanie karbu z powodu kształtu przedmiotu (np. ostre wcięcie, przegub itp.), złamanie odbywa się szybciej. Działanie takie widzimy na rys. 311 gdzie żłobek na klin swem ostrem wcięciem był niewątpliwie pierwszym powodem złamania, od niego bowiem rozpoczynają się oznaki powolnego złomu, — po obu stronach struktury nagłego złamania; zwłaszcza jest to bardzo wyraźne po stronie prawej.

Kruchość w temperaturze niebieskiego nalotu. W przemyśle oddawna znany jest objaw, że żelazo obrabiane w temperaturze około 300° wykazuje niezwykłą kruchość a po takiej obróbce i ostygnięciu jest skłonne do pękania, nawet pod wpływem małych natężeń. Tę dla obróbki żelaza niebezpieczną temperaturę nazywamy temperaturą niebieskiego nalotu, z powodu że żelazo metalicznie czyste, ogrzane do niej, nabywa ciemno-niebieskiej barwy, pochodzącej od warstwy wytwarzającego się na niej tlenku. Pęknięcia powstające przy tej temperaturze dają się często rozpoznać po niebieskiej barwie powierzchni złomu.

Poza stwierdzeniem znanego z praktyki niebezpieczeń-

wyżarzony

45

36

38

36

31

stwa obróbki żelaza w wymienionej temperaturze, nie umiano zjawiska tego wytłumaczyć, zwłaszcza że badanie mikroskopowe nie wskazywało żadnych zmian w materjale. Badania mechaniczne stwierdzały także zmianę własności żelaza a mianowicie wzrost wytrzy- ^ małości a zmniejszenie cią- | gliwości *).

K*

30

25

20

15

UJ

ej 50

: wydłużenie w %

Na wykresie 312 zesta- | wiono według tabel Korbę- ^ ra ⁷⁶) wytrzymałość (Kz) i wy- ^ 40 dłużenie (?) żelaza martinow-skiego o zawartości 0.2 °/0 węgla i stopniu obróbki około 8'6 przy różnych temperaturach. Widzimy że między 200° a 300® krzywa wytrzymałości wznosi się najwyżej, krzywa wydłużenia najniżej opada. Podobnie jak podczas zimnej obróbki występuje i tutaj zwiększenie twardości (T) a obniżenie wytrzymałości

na uderzenie (K), jak to widzimy na wykresie 313 (jw. ⁷⁶), który dla tego samego co poprzednio materjału podaje procentowo zmiany odnośnych własności w podwyższonej temperaturze, w stosunku do wartości przyjętych za równe 100 w temperaturze 20°.

Wszystkie powyższe obja-aoo <hm wy zmieniają się z podwyższeniem temperatury, a powyżej 500° zupełnie ustępują, przechodząc w stany znane z zachowania się żelaza podczas obróbki w temperaturach wyższych.

Lecz zmiany własności mechanicznych objawiają się nie-tylko podczas obrabiania materjału ogrzanego do temperatury niebieskiego nalotu. Stwierdzono niejednokrotnie, że żelazo

iOO

200

30 o

iao

°/oW stosunku do wartości przy 20°

HO

100

?0

IOO

zoo

Temperatura d*

Rys. 313.

Temperatura C°

Rys. 312.

x) Literaturę odnoszącą się do tego objawu podają Kórber

i Dreyer 7e).

obrabiane w temperaturze normalnej a następnie ogrzane do powyższej, w zupełnie podobny sposób zmienia swe własności. Rys. 314 (jw. ⁷⁶) wykazuje zmiany wytrzymałości i wydłużenia tego samego co poprzednio żelaza, wydłużonego w stanie zimnym około 8.6°/₀ a następnie badanego w temperaturze niebieskiego nalotu. Widoczne na wykresie i podobne do przedstawionych na rys. 312 zmiany są przy tym sposobie obróbki znacznie mniejsze, średnio o połowę niższe.

Skruszanie. Ten sam skutek co ogrzewanie żelaza obrabianego na zimno w temperaturze niebieskiego nalotu, wywołuje pozostawienie go przez dłuższy czas w temperaturze normalnej, co możnaby nazwać »skruszaniem« (niem.

₅₀ »Altern«). Materjał zgniecio-ny ma po upływie pewnego czasu odmienne własności | niż zaraz po procesie. Np. | pasek blachy odcięty na zi-⁴⁰ mno zaraz po ucięciu pozwalał się zgiąć bez pęknięcia, taki sam pasek po dłuż-szem leżeniu łamał się w zginaniu, i to tern łatwiej, im dłużej trwało skruszanie.

Doświadczenia ⁷⁶) z tem samem żelazem jak w poprzednich badaniach, obrabianem na zimno i następnie poddanem długiemu skruszaniu w temperaturze normalnej, dały następujące wyniki:

■ioo

jo

200

300

Temperatura C°

Rys. 314.

•s>

20 $

400

Dni

Granica wytrzym. kg/mm²

Granica sprężyst. kg/mm²

Wydłużenie

00

05 k-*

Ot Ol

■^ i oo

i_ O]

LO

oo co TF kO

co ^1 tn io

Doświadczenia te potwierdziły zdanie Fettweissa, że skruszanie żelaza zgniecionego prowadzi do tych samych wyników co ogrzewanie, z tą różnicą, że gdy pierwsze liczy się na tygodnie i miesiące, drugie odbywa się w godzinach, minutach i sekundach, zależnie od stosowanej temperatury.

Objawy obróbki przy temperaturze niebieskiego nalotu są dla praktyki bardzo doniosłe, gdyż kucie niedość gorącego

Dlaczego w obrębie temperatur 200—300° występują tak wybitne zmiany własności, nie jest dotąd wyjaśnione. Jedni przypisują je domniemanym zmianom alotropowym żelaza przy niskich temperaturach (rozdz. 4), inni objawom zgniotu.

żelaza, które w czasie roboty ostygło do tej temperatury, wywołuje bardzo łatwo nieznaczne a nawet niewidoczne rysy lub pęknięcia, które w obróbce dalszej lub w gotowym już przedmiocie spowodować mogą złamanie. Jeżeli przy robocie kuźniczej zachowa się według dawnej praktycznej reguły tę ostrożność, aby nie obrabiać żelaza, które już się nie żarzy, to tern samem uniknie się niebezpieczeństwa spowodowanego obróbką przy temperaturze niebieskiego nalotu.

Ogrzanie żelaza poprzednio na zimno obrabianego może być niebezpieczne w urządzeniach pracujących przy wyższych temperaturach. Do tego rodzaju urządzeń należą szczególnie kotły parowe, których uszkodzenia w dużej mierze można przypisywać poprzedniemu obrabianiu w stanie zimnym (wyginanie blachy, wytłaczanie otworów nitowych, za silne stłoczenie nita przy zaciskaniu główki, uszczelnianie, odbijanie kamienia i t. d.) a następnie ogrzaniu dochodzącemu w wielu miejscach do temperatury 200—300°, i nie podnoszącemu się wyżej.

Linje sił. Do wyjaśnienia tej trudnej sprawy przyczyniły się w znacznej mierze ogłoszone niedawno badania F r y e g o i Straussa ³⁷) ¹²⁷), które z pomocą wynalezionej przez nich metody wywołują na żelazie obrabianem w temperaturze niebieskiego nalotu lub obrabianem na zimno i następnie ogrzanem powyżej 200°, obrazy mikro- i makroskopowe, wskazujące, że obróbka tego rodzaju powoduje w żelazie doniosłe zmiany, jakich dotychczas nie można było stwierdzić badaniem metalograficznem.

Wyniki otrzymane nową metodą badania polegają na tern, że wywołuje ono ściemnienie miejsc, silniej chemicznie reagujących, które (tak jak w objawach zgniotu) spowodować może obróbka mechaniczna, oraz uwydatnia różnice w budowie krystalicznej żelaza, wywołane działaniem procesów mechanicznych. Na rys. 315 widzimy makrografję blachy kotłowej (0.084°/₀ węgla), zgiętej na zimno. Oprócz warstwy środkowej, ciemnej, przedstawiającej materjał bogaty w fosfor, pochodzący ze środka surowego bloka, widzimy po zewnętrznej i wewnętrznej stronie blachy, gdzie przy zginaniu występują natężenia rozciągające, względnie ściskające, nające się, na jasnem tle, ciemne linje. Linje te, nachylone pod pewnym kątem do powierzchni blachy, nazywa Fry linjami działania sił, tłumacząc ich wystąpienie i kierunek

przeci-

H    i śnienia przenoszą się do głębi pod

{ H *    V * * pewnym kątem, zależnym od mię-

%pW- • dzycząstkowego tarcia materjału,i wy-? * N wołują w tym kierunku pęknięcia, • charakteryzujące się w rozrywanych prętach stożkowatym kształtem -•VI ■%-' ty    powierzchni pęknięcia. Oddawna

znanym objawem przy badaniach mechanicznych, że w materj ale znajdującym się pod działaniem sił, ci-

przypuszczano, że takie nachylone powierzchnie, pochodzące z natężeń, występują przy każdem działaniu Rys. 315 (n. w. St. u. E.). sił,— opisane badania potwierdziły je.

Jakkolwiek w blasze, którą przedstawia powyższy rysunek, nie nastąpiło złamanie, powstały jednak w obrębie kryształów deformacje, wywołujące przez wytrawienie próbki zaciemnienia w postaci linij ułożonych w kierunku działania natężeń ___

mm

\    Nn rv«    ¹²⁷1 !/Vv    /    : :W

widzimy

sze

•tej z miejsca, które    f

Rys. 316. (n. w. St. u. E.).

w kotle uległo pęknięciu, kierunki pęknięcia zgodne z wy-wołanemina blasze linjami sił.

Linje sił występują tylko wtedy, gdy materjał obrabiany na zimno był następnie żarzony przy 200° a także, i to znacznie silniej, gdy był obrabiany w tej temperaturze. Ponieważ żelazo obrabiane na zimno a nie żarzone, nie wykazuje po wytrawieniu linij sił, tak samo jak obrabiane w stanie rozżarzonym tj. powyżej 500°, nie ulega wątpliwości, że linje te występują tylko podczas obróbki w temperaturze niebieskiego

nalotu [albo przy obróbce zimnej (zgniocie), po wyżarzeniu w tej temperaturze. Żarzenie powyżej A₃ usuwa linje sił.

Badanie mikroskopowe próbek, w podobny sposób wytrawionych, wykazały zmiany trojakiego rodzaju: ³⁷)

“r

mi.

w-

/•

■T i

W:

*■

• '"-Vr

I*

•fj

ay:\

c3»»

‘v/>4

Rjs. 317 (x 200. St. u. E.).

1.    Pęknięcia kryształów, jak to widzimy na rys. 317, gdzie w pojedynczych ziarnach i całych skupieniach występują linje (proste) pęknięć;

2.    Naruszenie spojeń międzykrystalicznych

N.

i\r

s;I

Jr

■%C

■y- r<

[ii: 51

Rys. 318 (x 300. St. u. E.).

^widoczne na rys. 318 u dołu (miejsce linji sił), gdzie granice zetknięcia ziarn są znacznie grubsze niż po stronie leżącej poza linją sił;

3. Przesunięcia płaszczyzn spójności w obrębie poszczególnych krystalitów, widoczne na rys. 319.

W ten sposób nieuchwytne dotąd zjawisko niebieskiego nalotu udało się wymienionym badaczom uwidocznić i częściowo wyjaśnić.

Zachowanie się żeiaza w niskich temperaturach. Ze względu na niskie temperatury, panujące w porze zimowej, jest rzeczą potrzebną wiedzieć, jak się zachowuje żelazo poniżej 0°, różne bowiem urządzenia pracujące na wolnem powietrzu, jak maszyny dźwigowe i transportowe, koleje i t. d., wystawione są na działanie mrozu. Ponadto są przyrządy służące do oziębiania, pracujące w temperaturach jeszcze niższych, których składowe części wytrzymują wysokie natężenia,

— IliPIl

”4s«b§

i'mśsrnZ

|§g£!

;v>

|sg

Mik

KHL~

m.

Rys. 319 (x 1000. St. u. E.).

i tutaj więc bardzo jest pożądana znajomość zachowania się materjału.

Z wykonanych badań dają następujące najwięcej charakterystyczne wskazówki:

Wytrzymałość na uderzenie badali Goerens i Hartę 1⁴⁶) na żelazie o zawartości 0.085°/₀ węgla, z wynikami następuj ącemi:

Temperatura C° + 20

Wytrzym. w mkg/cm²

36.5

28.0

24.3

— 10

20.6

18.8

13.5

2.8

Spadek wytrzymałości jest dość jednostajny w stosunku do obniżenia temperatury, w niskich temperaturach żelazo jest bardzo kruche.

Żelazo zlewne jest w porównaniu z żelazem zgrze-wanem już w normalnej temperaturze mniej odporne na uderzenia (rozdz. 11). Podobnie zachowuje się ono w temperaturach niskich, jak to wykazały badania Kaisera ⁷⁰), wykonane na żelazie pudlarskiem (0.050°/o węgla) i thomasowskiem (0.048°/o):

Temperatura C°

Rodzaj żelaza

Wytrzymałość m kg/cm²

15

16-3

Zgrzewane

20

93

85

1-4

15

14-8

Zlewne

20

1-7

85

1-3

Mniejsza wytrzymałość żelaza zlewnego występuje szczególnie w temperaturach położonych niewiele poniżej zera, więc takich, jakie często zdarzają się u nas w zimie.

Wpływ zawartości węgla i pewnych metali na żelazo badali w niskich temperaturach Guillet i Cournot °²)-Wyniki badań, odnoszące się do twardości i wytrzymałości na uderzenie, podane są w następującej tabelce:

Twardość Brinella

Wytrzymałość mkg/cm

Rodzaj

materjału _p₂0 | —20 | — 80 — 190 +20 [ —20 [ —80 | — 190

80    77    77

269    21-2

17-5    25

110    107    114

273    319

32-5    22-5

176    174    190

286    131

11-2 100

230    230    231

330    14-4

11-2 100

co co

460    466    444

578    11-2

100 11-2

100

261    269    282

" 388    11-8

7-5    3-1

1-9

Liczby 1—6 oznaczają następujące badane materjały:

1.    Żelazo elektrolityczne;

2.    Żelazo żarzone o zawartości 0.1°/₀ węgla;

3.

0.33°/₀    „

4.

0.70°/o    „

5.    Stal niklowo-chromową zahartowaną na powietrzu, o zawartości 0.25°/₀ węgla, 4.25°/₀ niklu, 1.2°/₀ chromu;

6.    Stal niklowo-chromową kutą, o zawartości 0.11°/0 węgla, 5.74°/o niklu, 1.74°/₀ chromu.

Jak widzimy z liczb, twardość wzrasta z początku wolno, poczem (około — 110°) zaczyna szybko się zwiększać; oziębienie w płynnem powietrzu (—190°) podnosi ją bardzo wysoko. W gatunkach nie zawierających węgla (żelazo elektrolityczne) i mało węglistych różnice wzrostu są większe niż przy większych zawartościach i niż w stalach z niklem i chromem; najmniejsze różnice wykazuje stal stopowa hartowana.

Wytrzymałość na uderzenie jest najmniejsza w stalach mało węglistych; wskazuje to, że ferryt, główny lub wyłączny prawie składnik materjału, jest w niskich temperaturach bardzo kruchy, zupełnie przeciwnie niż w normalnych. Najmniejsze zwiększenie kruchości wykazuje stal stopowa hartowana; o ile w żelazie technicznie czystem, jakiem jest żelazo elektrolityczne, wynosiła różnica między + 20 a — 190°, 19.3 mkg/cm², to w stali nikłowo-chromowej zahartowanej tylko 1.2 mkg/cm².

Doświadczenia Guilleta i Cournota, jako pierwsze w tym zakresie badania materjałów, należy przyjmować tylko jako wskazówki, obszerniejsze badania i na większej liczbie materjałów wyjaśnią dopiero dokładnie te dla praktyki ważne zagadnienia.

23. Badanie żelaza.

W poprzednich rozdziałach opisywaliśmy żelazo w różnych postaciach, zależnych od sposobu wyrobu i składu chemicznego, podając często zawartość, własności fizyczne, jak wytrzymałość, ciągliwość, twardość itp., według czego można było osądzić przydatność materjału do pewnych stosowań technicznych.

Celem niniejszego rozdziału, poświęconego badaniu żelaza w jego różnorodnych postaciach, nie jest opisywanie sposobu wykonywania badań, ale podanie zasad, jak należy je przeprowadzać, aby otrzymać daty do osądzenia materjału na jego przydatność do pewnych celów.

Badania powinnyby mieć zakres bardzo rozległy, aby dały istotny wyraz wszystkim własnościom potrzebnym dla przeróbki, i aby te własności należycie osądzić. Nie jest to rzeczą łatwą z kilku powodów:

Jakaś własność, którą badamy, jest tylko w pewnym, czasem nawet dość luźnym związku z działaniami, jakim ma-terjał będzie podlegał w praktycznem zastosowaniu, stanowi ona tylko jeden składnik stanu, w jakim wykonany przedmiot znajdzie się, dlatego nawet bardzo dokładne zbadanie jej nie da w tym wypadku pewności, że materjał okaże się takim samym w użyciu.

Żaden materjał nie jest ciałem jednolitem i niezmien-nem, — przeciwnie, wskutek procesów hutniczych mogą powstać podczas jego wyrobu zmiany, czy to w stosunku składników istotnych czy przymieszek, nie zauważonego lub mylnie zastosowanego procesu termicznego lub mechanicznego. Z tego

Badanie należałoby zawsze wykonywać w wielu kierunkach stosownie do różnych czynników, od których zależą własności żelaza, pochodzące z przeróbki lub potrzebne w później szem zastosowaniu, jak skład chemiczny, proces metalurgiczny wyrobu, przeróbka techniczna (odlewanie, kucie, zgniot, zabiegi termiczne i t. p.), struktura, temperatura, w jakiej ma pracować, rodzaje natężeń, jakim będzie podlegać, kształt, wpływy chemiczne itd. itd.

wynika, że przepisując stosowanie pewnego rodzaju żelaza o znanych ogólnie własnościach, nie mamy wcale pewności, czy dany, mający tamtemu odpowiadać materjał, jakim w danej chwili rozporządzamy, jest pod względem swego składu i własności dokładnie taki sam, a zwłaszcza czy jest jednolity.

Zdatności materjału do pewnego celu nie można zatem osądzić z badania jednej własności, ale należałoby zbadać wszystkie, a to jest zwykle niemożebne do zrobienia.

Ponadto wyniki badań, pominąwszy trudności, leżące w materjale i jego stosowaniu, zależą także od sposobu przeprowadzenia badania.

Niezmiernie ważną rzeczą jest odpowiedni wybór i przygotowanie próbki do badania, najstaranniejsze bowiem badanie na nic się nie przyda, jeżeli próbka została wycięta z nieodpowiedniego miejsca lub przygotowanie jej wywołało zmiany, mogące wyniki badania zamącić lub nawet przekręcić.

Przeprowadzenie badania winno być umiejętne i staranne, i zauważyć wszelkie objawy podczas niego występujące.

Chcąc mieć wyobrażenie o istotnych własnościach materjału, trzeba więc wykonać na nim stosowne, celowe i jak najszersze badania. Nie znaczy to, że każdy użyty kawałek powinien być wypróbowany, ale że z dostarczonego materjału wybiera się pewną, unormowaną ilość prób, i poddając je badaniom, otrzymuje się średnie wartości dla całego zapasu. W takim systemie badania mogą się wprawdzie zdarzyć niespodzianki wskutek wyjątkowych wypadków (np. błędów w materjale), na ogół otrzyma się jednak cenne wskazówki dla stosowalności materjału.

Badania są potrzebne nietylko dla celów konstrukcji

i bezpieczeństwa urządzeń, — są one ważne jeszcze z innych względów: aby dla braku kontroli nie zakupywać materjałów mniej wartościowych niż były zamówione, by w razie nie-udania się wyrobu stwierdzić, czy niepowodzenie ma źródło w wadach materjału, czy w błędach przeróbki, a także, by odbiorcy występującemu z nieuzasadnionym często zarzutem, że otrzymał wadliwy wyrób, móc wykazać, że wina leży nie w wyrobie ale w nieumiejętnem obchodzeniu się z nim lub w niewłaściwem stosowaniu.

Mimo zastosowanych ostrożności badanie nigdy nie osiągnie w zupełności zamierzonego celu, a to z powodu wspomnianej już niejednolitości materjału i innych czynników, o których była mowa. Wynik próby należy uważać za przeciętne świadectwo, którego wartość zależy przedewszystkiem od ilości wykonanych badań a między niemi takich, które dają zgodne lub bardzo do siebie zbliżone wyniki.

Wartość badań polega także w wysokim stopniu na ich znaczeniu moralnem, wychowawczem w stosunku do dostawcy, związanego nałożonemi mu warunkami, który, pod grozą odrzucenia materjału przez badanie, staranniej go przygotowuje.

Przepisy odbiorczego badania stać muszą na wysokości współczesnej techniki, nie mogą zawierać warunków, jakie stosowano do materjałów już nie wyrabianych, ani stawiać za wielkich wymagań, nie osiągalnych istniejącemi sposobami

wyrobu.

Przełom. Rozpowszechnione u praktyków osądzanie materjału z przełomu powinno być zarzucone wobec niepewności takiego sądu. Nie znaczy to, żeby przełom nie dawał żadnych wskazówek na własności materjału, — przy znacznej wprawie, mając jednakowy rodzaj żelaza, zupełnie tę samą przeróbkę, wogóle jednakie warunki, dające racjonalną podstawę porównawczą, i wykonując próby w ten sam sposób, można wyrobić sobie sąd na podstawie przełomu, jednakże orzekanie tylko na jego podstawie musi prowadzić do błędnych wyników wobec tego, że obraz przełomu tego samego żelaza zależy nietylko od składu chemicznego i przebytych procesów obróbczych, zwłaszcza termicznych, ale zmienia się także zależnie od sposobu jego wykonania. Inaczej wygląda

przełom żelaza, gdy złamiemy pręt nienaruszony, inaczej jeżeli przed złamaniem będzie on zakarbowany pilnikiem lub

,gV*

W^-s4

r . ■ ^    ■*?*& i

>,

tm

Rys. 320 (St. u. E.).

dłótem, inaczej wygląda, gdy próbę łamiemy zwolna, gnąc ją i prostując kilkakrotnie, niż krusząc ją nagłem uderzeniem.

Na rys. 320 widzimy (Moser⁹³) obrazy przełomów tego samego żelaza [z karbem], wykonanych w różny sposób: l)przełom wykonany na tłoczni w sposób powolny (statyczny), — obraz jest jednolity i ciemny z powodu drobnej struktury;

2)    przełom zapomocą nagłego uderzenia młota (dynamiczny);

3)    przełom pod prasą (jak 1) lecz ze zmieniającym się naciskiem pod koniec prób}r; obok pola ciemnego, jak na obrazie pierwszym, widzimy jaśniejsze i ciemniejsze paski; 4) przełom pod młotem wykonany nie jednem uderzeniem (jak pod 2) lecz kilkoma słabszemi (paski); 5) przełom zapomocą naprze-mian stosowanego spokojnego nacisku i uderzenia (różnorodność); 6) przełom wskutek zginania z początku powolnego, później szybkiego, — strona czarna odpowiada włóknom natężanym na rozciąganie.

Te kilka przykładów poucza dostatecznie, jak odmiennie wyglądać może przełom tego samego materjału, i jak mylny może być sąd, wydany na jego podstawie, o ile przebieg procesu nie jest znany.

Sposoby badania. Rozróżniamy trzy rodzaje badań, stosowane w miarę potrzeby i wzajemnie się uzupełniające:

1.    Badania chemiczne.

2.    Badania metalograficzne.

3.    Badania mechaniczne.

Badania chemiczne. Celem ich jest wykazać zapomocą analizy chemicznej zawartości w materjale głównych składników albo naturalnych przymieszek, wpływających na własności żelaza, już to potrzebnych i w pewnych granicach pożytecznych (np. mangan i krzem), już to szkodliwych (np. fosfor i siarka), wyznaczyć postać, jaką mają (np. czysty węgiel, karbid lub obydwa), zbadać inne zanieczyszczenia (np. tlenek i żużel) itd. itd.

Badanie chemiczne jest niezmiernie ważnym działem badania żelaza, zwłaszcza że wszystkie procesy metalurgiczne opierają się na składzie chemicznym, i np. racjonalne prowadzenie odlewni nie da się bez niego pomyśleć. Sposoby wykonywania tych badań są zakresem pracy chemika-metalurga, — zaznaczamy je tutaj jako konieczne, nie rozpatrując bliżej.

Badania metalograficzne *). Wykonuje się je głównie zapomocą mikroskopu, oglądając w powiększeniu wypo-

23

*) Opis badań metalograficznych znaleźć można w książkach Anczyca ³), Goerensa ⁴²), i Preussa ¹¹⁰).

Żelazo.

lerowaną i zapomocą pewnych odczynników odpowiednio wytrawioną powierzchnię metalu. Ponieważ materjał jest nieprzezroczysty, nie można oglądać go w świetle przepuszczo-nem lecz tylko w odbitem, w ten sposób, że na badaną powierzchnię rzuca się promień silnego światła, które odbite, dostaje się do objektywu i okularu mikroskopu. Schemat takiego urządzenia w jednym z mikroskopów metalograficznych widzimy na rys. 321: promień światła a pada na pryzmat G, odbija się od jego wewnętrznej powierzchni w kierunku powierzchni D badanej próbki, a odbiwszy się od niej, ponownie wpada do mikroskopu B (z objektywem A i okularem C).

Rys. 321.

Stosując różne powiększenia i znając właściwości, jakich materjał nabywa w przeróbce, składniki jego i wpływ wywierany przez przeróbkę na strukturę, można rozpoznawać i rozróżniać od siebie materjały, np. żelazo zgrzewane od zlewnego, miękkie od twardego, surowiec szary i biały, stal naturalną, hartowaną i odpuszczoną, stwierdzać zmiany wywołane przeróbką np. przegrzanie, przepalenie, porowatość, żużlowatość, zanieczyszczenie tlenkiem, wielkość ziarn itd.; znajomość wykresu termicznego oddaje w wielu wypadkach znaczne usługi.

Obok badania mikroskopowego stosuje się także tz. analizę termiczną dla wywołania przy pomocy ciepła zmian struktury, pozwalających wyprowadzać wnioski o własnościach materjału i sprawdzać spostrzeżenia mikroskopowe.

Wyniki, jakie dają badania metalograficzne, pozwalają często, same dla siebie, lub w związku z badaniem chemi-cznem albo mechanicznem, rozpoznać, jakim zmianom podlegał materjał podczas przeróbki, i wyprowadzać wnioski, co było przyczyną jego uszkodzenia lub zepsucia. Nie potrzeba dodawać, że badanie metalograficzne wymaga dokładnej znajomości materjału i jego przeróbki, oraz znacznej wprawy, aby prowadziło do wniosków prawdziwych a nie fałszywych.

Oprócz mikroskopowego badania, stosuje się często oglądanie przedmiotów bez powiększenia, gołem okiem, po po-przedniem wypolerowaniu i wytrawieniu powierzchni, dla uwydatnienia czyto struktury czy zanieczyszczeń. W ten sposób można ujawnić wady materjału np. jego porowatość, niejednolitość, szkodliwie zanieczyszczone warstwy itp.

Bardzo wiele przykładów podanych w poprzednich rozdziałach aż nadto uwidocznia pożyteczność takich badań, zwanych makroskopowemi w odróżnieniu od mikroskopowych, zwłaszcza że można je wykonać środkami, jakiemi rozporządza każda fabryka.

Jako specjalny sposób badania stosuje się wyznaczanie zawartości siarki w żelazie, używając odpowiedniego odczynnika i odbijając miejsce zanieczyszczone na jedwabnej tkaninie lub papierze fotograficznym.

Dla wyśledzenia jam ukrytych wewnątrz przedmiotów (w odlewach, złączach wykonanych przez stapianie, zgrzewanie itp.), bywa od kilku lat stosowane prześwietlanie zapomocą promieni Roentgena, celem otrzymania na płycie fotograficznej obrazów wykazujących obecność, wielkość i położenie jam. Usiłowania te, jakkolwiek nie pozbawione dodatnich wyników, nie doprowadziły jeszcze do udoskonalenia, pozwalającego stosować ie do badań praktycznych.

Wspomnieć tu jeszcze należy o spostrzeżeniu, zresztą nie nowem, Bermanna ¹⁸), że różne rodzaje stali dają, podczas obrabiania ich na krążku szlifierskim, iskry o kształcie charakterystycznym dla chemicznego składu materjału; na tej zasadzie twierdzi on, że przy należytej wprawie można ze znaczną ścisłością określić nietylko rodzaj stali ale nawet zawartość składników (węgla, wolframu i t. d.). Twierdzenie to jest przesadne, bo wprawdzie przy dostatecznej wprawie da się do pewnego stopnia rozpoznać gatunek stali z postaci jej iskier, nie może być jednak mowy, aby taka próba mogła zastąpić analizę chemiczną. Nie można przytem utrwalić kształtu iskier przez fotografowanie, gdyż zmienna barwa ich żaru (od białej do czerwonej) nie pozwala uchwycić na foto-grafji wszystkich szczegółów iskry. Rys. 322 przedstawia postać iskier podług ręcznego rysunku wykonanego przez Bermanna a nie na podstawie zdjęcia fotograficznego.

23*

Wykres rozciągania. Z tego, co wielokrotnie mówiliśmy o znaczeniu wytrzymałości i ciągliwości materjałów, wynika, że oba te czynniki muszą być jednakowo uwzględniane przy projektowaniu konstrukcyj; w tym celu badanie wytrzymałości przeprowadza się zwykle w ten sposób, aby równocześnie

Badania mechaniczne¹).

Omówimy je w kilku ustępach, odnoszących się do własności mechanicznych żelaza, o których była mowa w tej książce.

•i.

Rys. 322.

z natężeniem, jakie działa na materjał, oznaczać odkształcenie, jakiemu on podlega, i wyniki badania przedstawiać wykreślilie. Najczęstsze jest badanie na rozciąganie z równoczesnem obserwowaniem wydłużeń. Aby wyniki prób można było ze sobą porównywać, daje się prętom z badanego materjału pewien przepisany kształt, zwykle pręta okrągłego (rys. 1 a) z główkami do osadzenia w maszynie służącej do badania;

o ile bada się blachę, pręt ma przekrój prostokątny (rys. 1 b). Wymiary prętów są również ściśle określone, aby wyniki badań można było porównywać ze sobą.

Jeżeli siła rozciągająca pręt jest P a powierzchnia jego

l-Oj

"O

Rys. 323.

przekroju F, to iloraz

P

p określający siłę działającą na jednostkę powierzchni nazywamy natężeniem. Pod działaniem siły P pręt, którego długość wynosiła Z, zostanie rozciągnięty na długość h, a różnica obu długości Zx—Z wskazuje wydłużenie pręta; wielkość wydłużenia najlepiej charakteryzuje

wzrost długości pręta na jednostkę długości

, nazwaną

‘ u-l

wydłużeniem jedno stkowem, które najdogodniej wy-

Z,-Z

razić liczbą procentową 100

, zwaną wydłużeniem.

Przebieg procesu rozciągania pręla z metalu ciągliwego aż do jego przerwania przedstawia rys. 324; na osi pionowej oznaczone są natężenia £ działające na pręt, na I' poziomej wydłużenia ^ wywołane powyższe-mi natężeniami, wsku- § tek czego otrzymujemy ^ wykres rozciągania, charakteryzujący zachowanie się materiału,

>P

'£

<o

W y c/f u. ć e o * e

Rys. 324.

Przebieg procesu jest następujący: Z początku wydłużenia wywołane natężeniem odbywają się w granicach sprężystości materjału, tak że w chwili, kiedy siła przestaje działać, pręt powraca do pierwotnej długości. Ze wzrostem natężeń nastaje chwila, kiedy prócz sprężystych, zaczynają się także wydłużenia trwałe; natężenie, przy którem one zaczynają występować, nazywamy natężeniem na granicy sprężystości (oe) a punkt, odpowiadający mu na wykresie granicą sprężystości E. Jeszcze inny objaw można zauważyć, a mianowicie, że początkowo wydłużenia są proporcjonalne do natężeń (prawo Hooka), wykres przedstawia więc linję prostą. Gdy ta proporcjonalność natężeń i wydłużeń dobiegnie kresu, mamy do czynienia z natężeniem na granicy proporcjonalności (ap), co na wykresie oznacza punkt P, jako granicą proporcjonalności. Odtąd wydłużenie materjału wzrasta w stosunku nieco większym niż natężenia, jednakże zawsze jeszcze powoli, aż do punktu F, zwanego granicą plastyczności (także punkiem krytycznym ¹³³), z odpowiadającem mu natężeniem na granicy plastyczności (af), od którego ma-terjał zaczyna się bardzo szybko wydłużać, przy niezmiennem a często nawet zmniejszającem się natężeniu. Objaw ten, jakby rozpływanie się materjału, nazywa się płynięciem. Po pewnej chwili płynięcie słabnie, tak że do dalszego wydłużenia potrzeba natężenie zwiększyć, przyrost wydłużenia jest jednak wciąż bardzo znaczny, i przy powolnem wzroście natężeń rozciągających, które wreszcie osiągają maksimum (amax = Kz), natężenie na granicy wytrzymałości, czyli natężenie rozrywające. Od tej chwili zmniejsza się siła potrzebna do dalszego rozciągania pręta, gdyż jednocześnie pojawia się w jednem miejscu »szyjka« tj. zwężenie pręta (rys. 325), który w tem miejscu Rys. 325. wreszcie pęka (punkt Z).

■■ i

su

ty

Oznaczenie granicy sprężystości i proporcjonalności, które zwykle blisko siebie leżą, jest, z powodu bardzo nieznacznego wzrostu towarzyszących mu wydłużeń, rzeczą trudną, więc granicę sprężystości oznacza się często w stosunku

do całkowitego wydłużenia. Łatwiejsze jest oznaczenie granicy plastyczności, dlatego przy oznaczaniu wytrzymałości materjału często bywają podawane natężenia na granicy plastyczności. Najłatwiej jednak jest oznaczyć natężenie rozrywające (Kz) jako najwyższe, i z tego powodu wykazy wytrzymałości ma-terjałów przedewszystkiem to natężenie podają, równocześnie z procentowem wydłużeniem, towarzyszącem rozerwaniu pręta.

Liczb tych konstruktor nie może wprost stosować do obliczeń, gdyż w jego konstrukcji natężenia dopuszczalne nie mogą przekraczać granicy sprężystości, inaczej powstałyby odkształcenia trwałe, niedopuszczalne ze względu na konieczną niezmienność wymiarów części maszyn. Ponieważ jednak dla danego materjału można, na podstawie jego zachowania się, ocenić stosunek natężeń elastycznych do rozrywających, przyjmuje się, nie popełniając znacznego błędu, pewien współczynnik, zwany współczynnikiem bezpieczeństwa, mniejszy zawsze niż 1, który liczbę oznaczającą natężenia roz-rywające redukuje do wielkości, odpowiadających natężeniom sprężystym.

Rozpatrując własności mechaniczne materjału, podajemy zawsze obok jego wytrzymałości także wydłużenie, jakiemu on podlega przy rozciąganiu, i to aż do granicy wytrzymałości, mimo że wydłużenie to dla należytego działania obciążonego układu, np. maszyny, nie ma znaczenia, bo przyjmując w jej częściach za dopuszczalne tylko natężenia sprężyste, przy których wydłużenia są bardzo nieznaczne, nie robimy użytku z całkowitego wydłużenia.

Pomijając powód, że znajomość wydłużeń jest potrzebna ze względu na przeróbkę materjału sposobami kuźniczemi, nie jest rzeczą obojętną, czy materjał użyty do konstrukcji posiada prócz odpowiedniej wytrzymałości także możność znacznego wydłużania się. Jeżeli bowiem wskutek jakiegoś wypadku, powodującego nagły wzrost natężeń ponad granicę sprężystości, nastąpi trwałe odkształcenie pewnego elementu to jednak dla całości i bezpieczeństwa innych części maszyny, sąsiednich urządzeń i ludzi przy maszynie pracujących, o wiele lepiej jest, jeżeli nie nastąpi nagłe złamanie ale tylko plastyczne odkształcenie materjału.

Rozpatrując wykres rozciągania widzimy, że powierzchnia zawarta między linją wykresu a osią poziomą OL i linją pionową ZL, wskazującą kres wydłużenia, oznacza wykonaną pracę przy rozciąganiu. Praca podzielona przez objętość F. / pręta, przedstawia pracę właściwą materjału, niezależną od rozmiarów pręta. Gdy w wykresie narysujemy przez punkt E pionową El5 to zobaczymy, że powierzchnia OEEx, przedstawiająca pracę materjału do chwili osiągnięcia granicy sprężystości, jest bardzo mała w porównaniu do całości, a więc materjał po przekroczeniu granicy sprężystości zdolny jest jeszcze do znacznie większej pracy, zanim ulegnie pęknięciu; ta możność stanowi niezmiernie ważny czynnik bezpieczeństwa. Z tego więc powodu wybieramy do konstrukcyj ma-terjały, które przy dostatecznej wytrzymałości (Kz) mają także znaczne wydłużenie (?), a unikamy takich, które wprawdzie wytrzymują bardzo znaczne natężenia ale mają małe wydłużenie.

W pewnych wypadkach, gdzie zależy na możliwie lekkich konstrukcjach, obniża się wymogi co do ciągliwości materjału wobec jego wielkiej wytrzymałości, albo gdy cena wyrobu decyduje, np. przy stosowaniu żelaza lanego, które jako zupełnie kruche nie daje przy rozciąganiu praktycznie wy mierzalnych wydłużeń. W tym drugim wypadku jednak tak używamy materjału, aby nie podlegał niebezpiecznym natężeniom albo zwiększamy współczynnik bezpieczeństwa konstrukcji.

Próby na rozciąganie odbywając się powoli, pozwalają bardzo dokładnie obserwować zachowanie się materjału, — lepiej niż jakiekolwiek inne sposoby badania. Z powodu, że w rzeczy wistem zastosowaniu materjały rzadko kiedy są w tak spokojny (statyczny) sposób natężane, jak w próbie na rozciąganie, uważano ją przez długi czas za nieodpowiednią a zatrzymywano jedynie dla dogodności i dokładności, z jaką ją można było wykonywać; pierwszeństwo przed nią dawano iednak próbom dynamicznym. Obecnie zapatrywania zmieniają się na jej korzyść; — ze względu na jasność, z jaką objawiają się w niej własności materjału, ze względu na stosunkowo jednolite i innemi czynnikami nie skomplikowane natężenie materjału, nabiera ona znów pierwszorzędnego znaczenia, jako najważniejszy i podstawowy proces badania.

Z badań statycznych tj. wykonywanych przy spokojnem obciążeniu, jest próba rozciągania najwięcej stosowana; w pewnych jednak wypadkach wskazane są i odbywają się badania materjałów na inne rodzaje obciążenia, jak ściskanie, ścinanie, skręcanie, zginanie, stosownie do tego, jakim celom ma służyć materjał. Z pomiędzy nich często, do badania żelaza lanego, używana jest próba na zginanie, gdyż materjał ten z powodu swej bardzo małej rozciągliwości nie nadaje się do próby na rozciąganie; ponieważ przytem jakiś błąd odlewania, bańka gazu lub jama (rys. 138) może spowodować zmianę przekroju i wywołać w tern miejscu przypadkowe zerwanie pręta, jest ta próba rzadko używana. Próbę na zginanie głównie stosuje się do żeliwa z równoczesnem mierzeniem przegięcia. Zasadę tego badania objaśnia rys. 326. Pręt a umieszcza się na dwóch podporach, i oparłszy go w środku o swo-rzeń S, naciska się z dołu rr hydraulicznym tłokiem (J belkę C tak długo, aż nastąpi złamanie; przegięcie wskazuje dźwignia e na podziałce g. Pręty badane mają zwykle długość 650 mm i przekrój okrągły o średnicy 30 mm albo (rzadziej) kwadratowy o grubości 30 mm.

-CD- a

9.

Rys. 326 (Geiger).

Jeżeli przeznaczona do badania próba żelaza lanego jest bardzo mała, wycina się z niej próbkę kształtu cylindra lub sześcianu (30 mm) i bada przez zgniatanie.

Badania dynamiczne. Badanie materjałów przez poddawanie ich spokojnemu obciążeniu nie odpowiada często warunkom występującym w praktyce. Części maszyn podlegają nieraz nagłym i zmiennym obciążeniom lub narażone są na w^strząśnienia i uderzenia, wskutek których powstają pęknięcia, będące przez działanie karbu przyczyną niebezpiecznych złamań. Materjały pracujące w takich warunkach zachowują się odmiennie niż pod spokojnem obciążeniem. Wskutek tego wprowadzono obok tych badań, które noszą nazwę statycznych, także dynamiczne, gdzie materjał, w postaci krótkiego walca, poddany bywa uderzeniu pionowo spadającego ciężaru, lub ciężar zawieszony wahadłowo uderza w środek pręta, na obu końcach podpartego. Ten ostatni rodzaj badania rozpowszechnił się z zastosowaniem naciętego w badanej próbce karbu, doświadczenia bowiem wykazały, że materjał naogół ciągliwy, którego struktura doznała zmiany przez pewien rodzaj przeróbki (zgniot* przegrzanie itp.) o wiele łatwiej się łamie, niż niezmieniony, jeżeli oba poddamy próbie z karbem.

Ze względu, że kształt karbu, tj. nachylenie jego boków i jego szerokość w spodzie (rozdz. 1.) wywołuje bardzo znaczne różnice w zachowaniu się próby, przyjęto dla ujednostajnienia badań normalny kształt karbu przez wywiercenie

.i....

ISO mm, —-------------*•

.........m.....

Rys. 327.

otworu o średnicy 4 mm i przecięcie aż do tego otworu badanego pręta. Wymiary próbki są rów-nież przepisane (r}rs. 327) z tern, że gdy badany materjał (np. blacha) posiada wymiary mniejsze, wycina się w nim taki sam karb i w tej samej odległości, przez co tylko pozostała reszta przekroju podlega natężeniom.

Przeciwko próbie z karbem, stosowanej w sposób podany a obecnie powszechnie przyjęty, wystąpiono z wielu stron w ostatnich czasach (między innemi Stribeck ¹²⁹) i Moser⁹⁴), z tego powodu, że wyniki badań tego samego materjału bywają niezgodne, o ile wymiary próbek są zmienne (poniżej 30 mm). Ponadto nasuwają się jeszcze inne wątpliwości:

Obecny sposób oceniania wytrzymałości badanego w ten sposób materjału na podstawie powierzchni natężanego przekroju, daje pojęcie o pracy spadającego ciężaru wykonanej podczas uderzenia, lecz nie o pracy właściwej materjału, ponieważ nie uwzględnia objętości, jaka w odkształceniu brała udział.

Nie uwzględnia się szybkości, z jaką nastąpiło złamanie, gdyż obliczona szybkość ciężaru w chwili rozpoczęcia uderzenia nie jest z tamtą identyczna,, próbki cieńsze doznają szybszego złamania niż grube, co się uwidocznia w niejednakowej szybkości ciężaru po dokonaniu złamania.

Zastosowanie karbu okrągłego zamiast ostrego zupełnie nie odpowiada wymaganiom praktyki, której zależy na tern, aby materjał w razie powstałego pęknięcia zachowywał się jeszcze odpornie a nie łamał szybko dalej. Pęknięcia takie mają

*4 rrun>

*

Z:

^\3,5 77VTV

S8 mm----

Rys. 328.

zawsze kształt karbu ostrego, nie okrągłego, i pod działaniem natężeń zachowują się odmiennie niż karb zaokrąglony.

Próbę z karbem należy stosować nie do wszystkich ma-terjałów, jak się to dzieje obecnie, lecz tylko do tych, od których wymaga się ciągliwości, aby, w razie powstania rysy, wytrzymywały mimo to dalsze natężenia. Stosowanie próby z karbem do materjałów kruchych, a używanych w innym celu, nie daje pojęcia o ich przydatności; materjały takie poddane próbie z karbem łamią się bardzo łatwo, tymczasem użyte **** w warunkach swego przeznaczenia, mogą się zachowywać znakomicie.

Rys. 329.

Zarzuty powyższe nie odejmują próbie na uderzenie i z zastosowaniem karbu jej wielkiej doniosłości, wskazują tylko na potrzebęjej zmiany, co z powodu trudności sprawy dotąd się nie stało, mimo że instytucje badania materjałów już się nią zajrtiują od dłuższego czasu.

Celem ułatwienia próby z karbem i umożliwienia jej wykonania na małych kawałkach materjału, podał Heyn l,a) następujący sposób: próbka ma kształt beleczki prostokątnej o wymiarach podanych na rys. 328, z karbem k na środku. Celem wykonania próby zaciska się próbkę w wysokości karbu w szczękach imadła (rys. 329) — i następnie lekko uderza młotkiem od strony karbu aż do wygięcia o 90° (położenie punktowane). O ile beleczka nie złamie się przy tern pierwszem wygięciu, wykonywa się drugie, prostając ją w pierwotne położenie, poczem wygina po raz trzeci tak jak z początku i czynność tę powtarza, aż wystąpi pęknięcie. Liczba wygięć jest porównawczą miarą wytrzymałości. Materjał cią-gliwy normalny wykazuje więcej wygięć (np. blacha kotłowa 3 i więcej), uszkodzony mniej (np. blacha j. w. przegrzana — pół wygięcia lub jeszcze mniej).

Próba powyższa wolna jest w znacznej części od błędów, wykazanych w próbie dynamicznej z karbem.

Badania ciągłe. By zbadać zachowanie się materjału na zmienne i często powtarzające się obciążenia (na przemęczenie), poddaje go się badaniom ciągfym, statycznym lub dynamicznym, zależnie od warunków, w jakich ma pracować; używane do tego maszyny działają automatycznie, wytwarzając i licząc setki tysięcy i miljony natężeń lub uderzeń. Jako natężenie stosowane bywa najczęściej wygięcie, czasem rozciąganie lub skręcanie.

Badanie twardości. Do mechanicznych własności żelaza, które w urządzeniach mechanicznych odgrywają ważną rolę, należy twardość. Z jednej strony umożliwia ona obrabianie materjałów przy pomocy twardych narzędzi, z drugiej utrudnia ją z powodu twardości obrabianego przedmiotu; twardość występuje ponadto jako doniosła własność części maszyn narażonych na szybkie zużycie wskutek tarcia i nacisku innych części, albo stykania się z przerabianym materjałem.

Określenie stopnia twardości jest bardzo potrzebne, aby odpowiednio do niej dostosować materjał użyty do konstrukcji.

Ze sposobów używanych do badania twardości rozpowszechnione są następujące:

1.    Wciskanie twardego przedmiotu w badany materjał.

2.    Zarysowanie jego powierzchni twardem ciałem.

3.    Odskok twardego ciała, spadającego na badaną powierzchnię.

1. Między różnemi metodami pierwszego sposobu największe zastosowanie ma metoda Brinella, polegająca na tern, że stalową, zahartowaną kulkę (rys. 330) o średnicy D wciska się siłą P w badany materjał, wskutek czego powstaje

wklęsłość o głębokości h i średnicy d; zmierzywszy średnicę tej wklęsłości, odczytuje się z tabelki odpowiadającą jej liczbę, zwaną stopniem twardości, która jest ilorazem wywartego ciśnienia przez powierzchnię wytworzonej wklęsłości.

Ponieważ wyniki próby zmieniają się ze zmianą obciążenia i średnicy kulki, przyjął Brinell stałą średnicę kulki:

Rys. 330.

10 mm a nacisk wywarty na nią 3000 kg, przy badaniu żelaza i stali, a 500 kg. dla metali miękkich; dla tych wartości jest ułożona jego tabela twardości.

Badanie bardzo twardych materjałów (stali hartowanej) metodą Brinella daje wyniki niepewne z powodu małej różnicy twardości materjału badanego ciała i kulki, która pod naciskiem doznaje deformacji.

Z powodu że mierzenie średnicy wklęsłości wytworzonej przez badanie sprawia często trudność (mało widoczne lub nierówne brzegi) i może być niedokładne, podał Martens inną metodę mierzenia wklęsłości, a mianowicie mierzy on jej głębokość (h na rys.) zapomocą rurki napełnionej rtęcią.

Stopień twardości w metodzie Martensa oznacza ciśnienie potrzebne, by kulkę o średnicy 5 mm wcisnąć w materjał do głębokości 0.05 mm.

Zaletą tej metody jest bardzo płytkie wciśnięcie kulki, przez co wywołany naciskiem jej wzrost twardości (wskutek zgniotu) jest nieznaczny, a w każdym razie mniejszy niż u Brinella, gdzie wpływ obróbki zimnej na twardość badanej powierzchni nie jest bez wpływu na wynik badania.

Ze względu że twardość jest w związku z wytrzymałością materjału, zastosowano z odpowiedniemi zmianami (głównie na kolejach, do badania szyn) próbę kulkową do badania wytrzymałości zamiast próby przez rozciąganie, co umożliwia badanie przedmiotów będących w użyciu bez zniszczenia ich na wyrobienie próbnego pręta; sposób ten daje się więc stosować jako metoda kontrolująca stan urządzeń mechanicznych, będących w użyciu. Do takich prób trzeba jednak poprzednio przeprowadzić badania z danym rodzajem materjału, dla liczbowego wyznaczenia stosunku między wytrzymałością a twardością, — wartość próby zależy głównie od dokładności tego badania. Stosunek wynosi dla żelaza, zależnie od zawartości węgla i poprzedniej przeróbki 032 do 0 36 ⁴⁸).

Do badania twardości przez zarysowanie jest najwięcej używany przyrząd Martensa wydoskonalony na podstawie pomysłu Turnera (rys. 331). Do wykonania rysy służy ostry diament (2) przyciskany do przedmiotu (5) zapo-mocą ciężarka (3) zawieszonego na jednem ramieniu (1) dźwigni dwuramiennej, której drugie ramię z przesuwalnym ciężarkiem (6) pozwala regulować nacisk ciężarka 3 na diament. Badany przedmiot po przyłożeniu diamentu przesuwa się wraz z podstawą (4), na której spoczywa, i w ten sposób

---ny

|ililtLlililililililililililflililflit>lihlilililiblilililili[ilil(lililflilikłililililih|[|i|j|

Rys. 331.

wytwarza rysę. Zwykle bada się twardość przy niezmiennem obciążeniu diamentu, mierząc pod mikroskopem szerokość wykonanej rysy i przyjmując pewną stałą szerokość (0.01 mm) jako miarę porównawczą, według której ułożona jest skala twardości.

Trzecią metodę badania twardości przedstawia sklero-skop stosowany do badań szybkich, i wtedy, gdy inne metody nie dają się użyć. Tak np. kontrola, czy powierzchnia gotowych części maszyn (np. zęby kół) posiada wymaganą twardość, nie da się przeprowadzić poprzednio opisanemi metodami bez uszkodzenia badanej powierzchni. W sklero-skopie Shorea młoteczek o ciężarze paru gramów, zakończony kulisto obrobionym diamentem, spada na badaną powierzchnię i wskutek jej elastycznego oddziaływania odbija się i odskakuje do pewnej wysokości. U materjałów, których moduły sprężystości nie wiele się różnią, wielkość odskoku kulki od ich powierzchni zależy głównie od twardości, i Shore użył go w swym przyrządzie do oznaczenia twardości na podstawie skali, której punkt 100 odpowiada twardości pewnego rodzaju zahartowanej stali. Skleroskop nie może być użyty do badania porównawczego ciał odrębnych (o różnym module sprężystości np. żelaza, drzewa, gumy itp.) lecz w odniesieniu do pewnych materjałów i mało się pod tym względem różniących, daje zupełne trafne wyniki np. u stali hartowanej i w różnym stopniu odpuszczonej (nieznaczna zmiana modułu sprężystości), gdy stopień zahartowania przedmiotu odgrywa ważną rolę i przed oddaniem przedmiotu do użytku ma być skontrolowany. Badania Shorea ¹²²), Thomasa i innych ⁴⁸) wykazały, że dla metali i stopów istnieje między stopniami twardości Shorea a skalą twardości Brinella stały stosunek, i stopnie Shorea można zamienić na stopnie Brinella, mnożąc je przez współczynnik, wynoszący, stosownie do ma-terjału, 5—7.

Obrabiałność. Inny wypadek nieodpowiedniości metod badania twardości zachodzi wtedy, gdy materjał przeznaczony do obróbki chcemy zbadać pod względem jego obrąb i al-ności, tj. wyznaczyć opór, jaki stawia narzędziu tnącemu. Tutaj czynnikiem wpływającym na opór nie jest tylko twardość ale także wytrzymałość i ciągliwość materjału, co najlepiej charakteryzuje wykres rozciągania (rys. 324). Wpływ na obrabialność ma także jednolitość jego budowy, zależna od procesów hutniczych i obróbczych (skład chemiczny, porowatość, warstwowość itp.). Te własności naj odpowiedniej jest badać przez próbną obróbkę, i do tego stosuje się najczęściej wiercenie zapomocą wiertła stałych wymiarów, jednakowej twardości i naostrzenia, przy stałem obciążeniu, przyczem mierzy się głębokość, do jakiej wiertło pogrąża się w materjał, i wyznacza liczbę wykonanych obrotów. Miarą obrabialności bywa głębokość otworu odpowiadająca 100 obrotom. Pomysł tego sposobu badania podał Keep, udoskonalił go Kessner ⁷²). Wyposażywszy wiertarkę w indikator, zaznaczający zagłębienia w stosunku do liczby obrotów wiertła, otrzymamy wykres obrabialności materjału. laki wykres widzimy na rys. 332; na pionowej osi n oznaczone są liczby obrotów, na poziomej g głębokości otworu w milimetrach; wykres a wskazuje, że wiertło przy 100 obrotach zagłębiło się do 5 mm, na wykresie b do 10 mm, tj. dwa razy głębiej, a więc materjał pierwszy jest dwa razy trudniej obrabialny niż drugi. Kąty, jakie tworzą linje wykresów, dają także wartości porównawcze dla różnych materjałów. Ta sama próba pozwala również ocenić niejednolitość metalu ze zmienności wykresu, jak to przedstawia rys. 333 (grube linje). Średnią obrabialność wskazują linje kreskowane, łączące początek wykresu z miejscem oznaczającem 100 obrotów, oraz kąty przez nie utworzone. Jeżeli obrabialność wyrazić trzeba jakąś liczbą,

c / d /

-9

10

Rys. 332.

Rys. 333.

należy mieć do badań stały materjał porównawczy, którego wykres daje stały kąt, oznaczony liczbą 1. Materjał badany da kąt większy lub mniejszy, pozwalający wyrazić się jakąś liczbą w stosunku do kąta normalnego. Liczby porównawcze z materjałem normalnym można też otrzymać, mierząc głębokość wywierconych otworów. Jako materjał normalny stosują żelazo lane, o pewnym stałym składzie, odlewane w jednakich warunkach; polecają także stop miedzi z cynkiem, jako jednostajniejszy od żeliwa, a także czystą miedź.

Próby technologiczne. Tą nazwą objęto próby, dające się wykonać bez maszynowych urządzeń, środkami, jakie są do rozporządzenia w każdej fabryce, — próby, które ze zrozumieniem przeprowadzone, dają możność osądzenia przydatności materjału do pewnych celów i ogólnego osądzenia jego dobroci.

Poprzednio opisane próby, wykonywane zapomocą mechanicznych urządzeń, starają się wykluczyć osobisty wpływ badacza na przebieg badania; w próbach, jakie poniżej opiszemy, wpływ ten jest znaczny, — możnaby je nazwać sub-jektywnemi, w przeciwieństwie do tamtych, — objektywnych. Pod tym względem, a także pod względem dokładności i trudności ujęcia wyników w liczby, stoją one niżej od poprzednio omówionych.

ci

.1-

Rys. 334.

Próby zginania. Stosuje się je najczęściej do badania prętów i blachy. Badany pręt (rys. 334) o grubości a wygina się tak długo, dopokąd albo nie zegnie się o 180°, albo póki na zewnętrznej stronie wygięcia, gdzie żelazo doznaje największego wydłużenia (/x),

nie okaże się pęknięcie. Kąt o jaki pręt dał się wygiąć, albo promień zgięcia posi neutralnej, o niezmienionej długości /, pozwala wnioskować o dobroci materjału. Zwykle żąda się, aby kąt zgięcia wynosił 180°, aby więc obie połowy pręta zetknęły się ze sobą (rys. 335: u góry pręt z żelaza zlewnego, u dołu ze zgrzewanego). Dla liczbowego określenia stopnia wygięcia używa się wzoru Tetma-

50 a

es

j era:

z promienia krzywizny zewnętrznej (p = r — ~) przy-

czem r określa się zapomocą płytki, mającej łukowe wycięcia różnej średnicy. Ponieważ przy wygięciu o 180°, tj. wygięciu najkorzystniejszem, wielkość jego według powyższego wzoru jest 100 a przy każ-dem innem mniejsza, daje wzór Tetmajera bardzo dogodną i zrozumiałą miarę dobroci materjału.

Żelazo.

wyznaczając p

Rys. 335 (n. w.).

24

Zginanie wykonywa się w różnych warunkach dla wyprowadzenia wniosków na własności i zachowanie się żelaza w obrabianiu:

Na zimno, w stanie dostarczenia, wyżarzenia i zahartowania; pierwsze dwa sposoby pozwalają rozpoznać, czy ma-terjał kryje w sobie naprężenia, które usuwa wyżarzenie, a także wnosić o większej zawartości fosforu, trzeci o jego zachowaniu się w stanie zahartowania w porównaniu z naturalnym.

W temperaturze niebieskiego nalotu (tj. około 300° rozdz. 22) dla rozpoznania stopnia kruchości w tym stanie.

W temperaturze czerwonego żaru dla zbadania jego kujności, która może być niedostateczna w razie zanieczyszczenia siarką lub tlenkiem.

Z karbem, przyspieszającym pękanie nie dość ciągli-

Rys. 336.

wego żelaza; próba ta daje dobre wskazówki, o ile jest żelazo przegrzane lub obrabiane na zimno.

Z przedziurawieniem zapomocą przebicia (na zi mno) lub przewiercenia, co w każdym wypadku daje odmienne wyniki i pozwala wnioskować o plastyczności żelaza.

Próby kucia. Wykonywuje się je w stanie rozgrzanym lub zimnym (zgniot) dla poznania, jak się będzie materjał zachowywał w obrabianiu. I tu są różne sposoby stosowane:

Rozklepywanie na gorąco i na zimno (rys. 336), pokąd się materjał w dwu kierunkach dwukrotnie nie rozszerzy lub nie powstaną pęknięcia.

Spęczanie stosowane do próbowania żelaza używanego na nity, w ten sposób, że okrągły słupek o długości równej podwójnej średnicy, rozgrzany do czerwoności, tak długo uderza się młotem, aż powstaną pęknięcia lub nastąpi spęczenie do trzeciej części pierwotnej długości.

Przebijanie. Pasek blachy lub żelazo wstęgowe przebija się na końcu na gorąco, i w przecięcie wbija stożkowaty trzpień tak długo, pokąd nie nastąpi pęknięcie, lub trzpień nie przejdzie na drugą stronę (rys. 337).

Rozcięcie i wygięcie. Rozgrzaną sztabę rozcina się na końcu a następnie rozcięcie rozgina, uderzając z góry młotem (rys. 338).

W obu powyższych próbach żelazo na gorąco kruche (przepalone, zanieczyszczone tlenkiem, siarką, zawierające nadmiar krzemu) pęka coraz dalej.

Zgrzewanie wykonywa się dla zbadania zgrzewal-ności żelaza, skuwając pręty rozżarzone do białości, a po wy studzeniu robiąc próbę na zginanie: miejsce zgrzania nie powinno przytem pęknąć. Tak samo bada się wytrzymałość

§11

///,

w,

ip

W/

Rys. 337.

Rys. 338.

Rys. 339 (St. u. E.).

połączenia wykonanego przez stopienie; jest ono zwykle słabe, o ile nie było przedtem przekute (rozdz. 15).

Badanie blachy przeznaczonej do wyciągania na zimno przeprowadza się sposobem E r i c h s e n a ³²); przyrząd do tego składa się z pierścienia R, wypukłego tłoczka T i przycisku P, co razem stanowi całość narzędzia do wyciągania blachy (rys. 339). Tłoczek zapomocą śruby tak długo się wciska, pokąd blacha wyginając się w kształt tłoczka, nie pęknie. Z głębokości wciśnięcia tłoczka wnioskuje się o dobroci blachy i jej zdatności do przeróbki przez wyciąganie, a z kształtu linji pęknięcia o jednolitości materjału. Jeżeli bowiem linja ma kształt zbliżony do koła, świadczy to o jego jednakiej wytrzymałości w każdym kierunku, jeżeli natomiast pęknięcie ma kształt zbliżony do linji prostej, znaczy to, że blacha jest w jednym kierunku słabsza niż w drugim, do tamtego prostopadłym.

gorąco, bada się, wkuwając

24*

Rlachy grube, przerabiane na

je w zagłębioną formę w stanie rozżarzonym; zachowanie się jej podczas tego, ewentualne pękanie, daje wyobrażenie o dobroci materjału.

Są jeszcze inne próby, polegające na jedno- lub dwu-krotnem zginaniu blachy aż do zetknięcia się zupełnego, skręcaniu prętów, wielokrotnem zginaniu i prostowaniu drutu aż do złamania itd., stosowane odpowiednio do przyszłego przeznaczenia i przeróbki materjału.

BIBLIOTEKA POLITECHHiCZHA

KRAKÓW

Literatura.

W następującym spisie podani są autorzy cytowani w tekście i ich prace *). Liczby spisu odpowiadają liczbom odnośników **).

1.    Adam: Warmebehandlung u. Kaltbearbeitung von eutektischen u. untereutektischen Stahlen. St. u. E. 1921. 1197.

2.    d’A mi co: Ueber d. Einfluss d. Phosphors auf d. Eigenschaf-ten d. Flusseisens. Mitt. Aachen. 1915.

3.    A n c z y c: Badania metalograficzne w zastosowaniu fabrycznem. Warszawa, 1917.

4.    Anczyc: Nowsze sposoby łączenia blach. Przegl. Techn., 1910.

5.    Anczyc: O strukturze i wadach połączeń stapianych. Warszawa, 1911.

6.    Anczyc: Wykład Technologji metali. Cz I. (materjały i zasady hutnictwa) Lwów, 1913.

7.    Anczyc: Wykład Technologji metali. Cz. II. (odlewnictwo i kuź-nictwo). Lwów, 1916.

8.    Arnold: Harteadern in grossen Schmiedestucken. Sprawozdanie Stadelera w St. u. E. 1916. 444.

9.    Bach i Bauman: Festigkeitseigenschaften und Gefugebilder d. Konstruktionsmaterialien. Berlin, 1915.

10.    Bauer i Deiss: Probenahme u. Analyse v. Eisen u. Stahl.

Berlin, 1912.

*) Z powodów walutowych najnowsza perjodyczna literatura francuska i angielska była autorowi mało dostępna, w przeważnej części zastąpić ją musiały streszczenia podawanew pismach niemieckich.

**) Wprowadzone są następujące skrócenia:

Engineering: Eng.

Genie Civil: Gen. Civ.

Iron and Steel Institute: Ir. a. St. I.

Metallurgie: Met.

Mitteilungen a. d. Eisenhiit. Inst. d. Tech. Hochsch., Aachen: Mitt.

Aachen.

Mitteilungen a. d. Kaiser-Wilhelm-Inst. f. Eisenforschung, Dusseldorf: Mitt. Eisen-Inst.

Revue de Metallurgie: Rev. d. Met.

Stahl und Eisen: St. u. E.

Zeitschrift d. Yereines deutcher Ingenieure: Z. d. V.

11. Bauer i Piwoyarsky: Der Einfluss d. Nickels u. Kobalts auf d. physik. u. chemischen Eigenschaften d. Gusseisens. St. u. E. 1920. 1300.

12. Bauer iWetzel: Zersetzungserscheinungen am Gusseisen. Ferrum t. 14. 1.

13.    B a u m a n n: Zwanzig Kessebleche mit Rissbildung. Z. d. V. 1912.

14.    Belajew: Damast, seine Struktur u. Eigenschaften. Met.

1911. 699.

15.    Belajew: Makrostruktur u. Kristallisation d. Stahles. St. u. E. 1912. 996.

16.    Belajew: Ueber Damast. Met. 1911, 449.

17.    Belajew: Ueber Kristallisation, Gefiige u. Eigenschaften d. Stahls bei langsamer Abkiihlung. St. u. E. 1912. 1272.

18.    Bermann: Die Funken ais Erkennungszeichen d. Stahlsorten. Z. d. V. 1909. 171.

19. Brearley: Die Warmebehandlung d. Werkzeugstahle. Ber

lin, 1913.

20.    Broniewski: Zasady metalografji. Lwów—Warszawa, 1922.

21.    Carpenter i Elam: Kristallwachstum u. Kristallisation in Metallen. Sprawozdanie Pompa z Eng. St. u. E. 1921. 1459.

22.    Carpenter i Rugan: Ueber d. Wachsen von Grauguss nach wiederholten Erhitzungen. Sprawozdanie z posiedzenia w Ir. a. St. I. w St. u. E. 1917. 211.

23.    Chapeli: Die Ruckkristallisation von deformiertem Eisen. Ferrum t. 13.

24.    Charpy i Grenet: Sur l’equilibre des systemes fer-carbone. Bullet. d. Soc. d. Encouragement 1902. 399.

25.    Ciszewski: Stickstolf im Eisen. St. u. E. 1908, 397.

26.    Ciszewski i Szulgin: Bestimunng d. SE-Linie im Eisen-koblenstolf-Diagram durch Schliffatzungen bei hohen Temperaturen im Yacuum. Sprawozdanie z posiedź. Ir. a. St. I. w St. u. E. 1917. 1033.

27.    Comstock: Tonerde im Stahl. Sprawozdanie z Metallurgical a. Chemical Engineering. St. u. E. 1917. 40.

28.    Cushman: Die Herstellung v. reinem Eisen im Siemens-Mar-tin-Ofen. St. u. E. 1912. 1579.

29.    Czochralski: Hauptarten d. Aetzerscheinungen u. d. metal-lographischen Aetzverfahren. St. u. E. 1915. 1073.

30.    Dichmann: Ein Versuch zur Erklarung d. Rolle d. Schlacke in Huttenprozessen. St. u. E. 1911. 749.

31.    Dorhecker: Ueber Herstellung von syntetischem Roheisen. St. u. E. 1912. 1881.

32.    Erichsen: Ein neues Prufverfahren fiir Feinbleche. St. u. E.

1914. 879.

33.    Escard: Fabrication, proprietes et utilisation industrielle du ter electriąue. Gen. Civ. 1919. 165.

34.    Fettweiss: Mikroskopische Untersuchung einiger hoch-legirten Sonderstahle. St. u. E. 1912. 1866.

35.    Fettweiss: Ueber die Blaubruehichigkeit und Altern d. Eisens. St. u. E. 1919. 1.

36.    Fraenkel: Die Verfestigung d. Metalle durch mechanische Beanspruchung. Berlin, 1920.

37.    Fry: Kraftwirkungsfiguren in Flusseisen, dargestellt durch ein neues Aetzverfahren. St. u. E. 1921. 1093.

38.    Fuchs: Der Einiluss von Temperatur u. mechanischer Arbeit beim Presschmieden von Flusseisen und Stahl. St. u. E. 1916. 445 i Z. d. V. 1915. 915.

39. Gassen: Ueber d. Lochbildung bęim Schragwalzverfahren. St. u. E. 1921. 1767.

40. Geiger: Handbuch d. Eisen u. Stahlgiesserei. Berlin, t. I. 1911,

t. II. 1916.

41.    Gercke: Experimentelle thermische u. metallographische Untersuchung uber d. System Eisen-Phospor. Mitt. Aachen. 1909.

42.    Goerens Paweł: Einfuhrung in die Metallographie.

Halle, 1915.

43. Goerens: Ueber d. Einflus d. Kaltformgebung auf d. Eigen-schaften von Eisen u. Stahl. Mitt. Aachen. 1915.

44.    Goerens: Ueber d. Einfluss d. Warmebehandlung auf d. Eigen-schaften von kalt bearbeitetem Flusseisen. Mitt. Aachen. 1915.

45.    Goerens i Dobbelstein: Weitere Untersuchungen iiber d. ternare System Eisen-Phosphor-Kollenstoff. Mitt. Aachen. 1909.

46.    Goerens i Hartel: Ueber d. Zahigkeit d. Fhsens bei ver-schiedenen Temperaturen. Zft. f. anorg. Chemie 1913. 130.

47.    Goerens i Paąuet: Ueber d. neue Methode zur Bestimmung d. Gasse im Eisen. Ferrum t. 12.57.

48.    Grard: Sprawozdanie z kongresu Międzynar. Związku Badania mat. w r. 1912 w New Yorku. St. u. E. 1912. 1796.

49.    Gruber: Ueber d. Herstellung nathloser Rohre unter beson-derer Berticksiehtigung d. Mannesmann-Schragwalzverfahrens. St. u. E 1919. 1029.

50.    Guillet: Les Aciers Speciaux. Paryż, 1904.

51.    Guillet: L’etat actuel de la theorie et de la pratiąue de la cementation. Gen. Civ. 1911. 158.

52.    Guillet i Cournot: Surłavariationdesproprietes mecaniąue des ąueląues metaux aux basses temperatures. Rev. d. Met. 1922. 215.

53.    Gutowski: Zur Theorie d. Schmelz u. Erstarrungsprozesses d. Eisen-Kohlenstofflegierungen. Met. 1909. 731.

54.    Hanemann: Das Gefiige d. geharteten Stahls. St. u.E. 1912.1397

55.    Hanemann: Einfurung in d. Metallographie u. Warmebehandlung. Berlin, 1915.

56.    Hanemann: Kohlenstoffgehalte u. Geługeerscheinungen hoch-gekohlter Eisen-KohlenstofT-Legierungen. St. u. E» 1911. 333.

57.    Hanemann: Ueber d. Warmebehandlung d. Stahle. 1911. 365.

58.    Hanemann i Kuhnel: Das Verhalten geharteter und ange-lassener untereutektoider Stahle. St: u. E. 1913. 1686.

59.    Hanemann i Lind: Ueber Materialyeranderung durch Kalt-walzen. St. u. E. 1913. 551.

60.    Hanemann i Morawę: Ueber d. kórnigen Perlit u. seine .Bedeutung fur d. Warmebehandlung d. Stahls. St. u. E. 1913. 1350.

61.    Hatfield: Die physikalisch-chemischen Yorgange welche mit Eritkohlung von Eisen-KohlenstolF-Legierungen yerknupft sind. Met. 1909. 358.

62.    Heyn: 2ga część Martensa: Handbuch d. Materialienkunde. Berlin, 1912.

63.    Heyn: Die Kerbwirkung u. ihre Bedeutung fur d. Konstruk-teur. Z. d. V. 1914. 383.

64.    Heyn: Einige weitere Mitteilungen iiber Eigenspanungen u. da-mit zusamenhangende Fragen. St. u. E. 1917. 442.

65.    Honda Kotaro: Streszczenie wyników jego prac odnoszących się do temperatur krytycznych żelaza, ogłaszanych w języku japońskim w sprawozdaniach uniwersytetu w Tokio, podaje według źródeł angielskich Bardenhauer w St. u. E. 1919. 253.

65 a. Honda i Tagegi: Anomalie d. Cementits. Sprawozdanie z Ir. a. St. I. St. u. E. 1921. 1113.

66.    Irresberger: Grosse Gusstiicke. St. u. E. 1908. 815.

67.    Jannsen: Die Verwendung von Titan bei d. Herstellung von Stahlguss. Sprawozdanie z posiedzeń Americ. Foundrymens Assoc. w St. u. E. 1917. 312.

68.    J unk e rs: Schmiedeyersuche am Flusseisen. St. u. E. 1921. 677.

69.    Jurisch: Die Lóslichkeit von Wasserstolf u. Stickstoff in Eisen. Sprawozdanie z pracy doktorskiej w St. u. E. 1914. 252.

70.    Kai ser: Versuche iiber d. Yerhalten von Schweisseisen u. Flusseisen bei plótzlicher Beanspruchung. St. u. E. 1921. 333.

71.    Kalpers: Die Herstellung von syntetischem Guss im Elek-troofen. St. u. E. 1920. 437.

72. Kessner: Der Indikator zur Bestimmung d. Bearbeitungs-fahigkeit. Mitt.a. d. mechanisch-technolog. Laboratoriumd. Tech. Hochsch. Berlin, 1911.

73. Kjerrmann: Ein neues Gluhverfahren fur unterperlitische Stahle. St. u. E. 1922. 697.

74.    Korb er: Ueber Silikothermie u. ihre praktische Anwendung. St. u. E. 1922. 501.

75.    Korb er: Verfestigung u. Zugfestigkeit. St. u. E. 1922. 365.

76.    KórberiDreyer: Ueber Blaubruchigkeit und Altern d. Ei-sens. Mitt. Eisen-Inst. t. II. 1921.

77.    Krieger: Stahlformguss ais Konstruktionsmaterial. St. u. E.

1918. 411.

co '

78.    Kurek: Beitrage zur Kentniss d. Zementation d. Eisens mittels Gasen. St. u. E. 1912. 1780.

79.    Lamort: Ueber Titan-Eisen-Legierungen. Ferrum. t. 11. 225.

80.    Lang: Ueber d. Einlluss d. Mangans auf. d. Eigenschaften d. Flusseisens. Mitt. Aachen. 1913. •

81.    L eb er: Die Herstellung d. Tempergusses u. d. Theorie d. Gliih-frischens. Berlin, 1919.

82.    Leber: Die Verwendung von Kokillen in d. Eisen-Giesserei. St. u. E. 1907, 1908.

83.    Leber: Schwefel im Gusseisen. St. u. E. 1915. 877.

84. Ledebur: Handbuch d. Eisenhiittenkunde, t. III. Brunszwik,

1905. 387.

85.    Leyin i Dornhecker: Uber d. spezifische VoIumen u. iiber d. Hartę von Eisen-Kohlenstofflegieruńgen. Ferrum t. 11. 321.

86.    Levy: Uber. d. Gefiigeaufbau von Roheisen u. Kohlenstoff-stahlen unter praktischen Gesichtspunkten. Sprawozd. z Ir. a. St. I. w Met. 1911. 581.

87.    Liesching: Uber d. Einfluss d. Schwefels auf d. System Eisen-Kohlenstoff. Mitt. Aachen 1911. 222.

88.    Mars: Die Spezialstahle. Stuttgart, 1912.

89.    Martens: Materialienkunde fiir. d. Maschinenbau, t. I. Ber

lin, 1898.

90.    Mathesius: Die physikalischen u. chemischen Grundlageu d. Eisenhiittenwesens. Lipsk, 1916.

91.    Maurer: Untersuchungen iiber d. Hartungsteorien. Mitt. Eisen-Inst. t. I. 1920.

92.    Maurer: Untersuchungen iiber d. Hiirten u. Anlassen von Eisen u. Stahl. Met. 1909. 33.

93. M o s e r: Werkstoffehler oder Brucherscheinung? St. u. E.

1921. 1428.

94. Mo ser: Zur Gesetzmassigkeit d. Kerbschlagprobe. St. u. E.

1922. 90.

95.    Ne u fang: Die Giessereianlagen d. Gasmotorenfabrik Deutz. St. u. E. 1908. 513.

96.    Oberhoffer: Die Bedeutung d. Gliihens vom Stahlformguss. St. u. E. 1912. 892 i 1913. 891.

97.    O b e r h o f f e r: Die Bildung d. Temperkohle u. d. Vorgange beim Gliihfrischen, Geiger, Handb. d. Eisen u. Stahlgiess. t. II. Berlin, 1916.

98.    Oberhoffer: Das schmiedbare Eisen. Berlin, 1920.

99.    Oberhoffe r: Uber d. Einfluss d. Schmiedens auf d. Eigen-schaften eines weichen Flusseisens. St. u. E. 1913. 1507.

100.    Oberhoffer i Daeves: Beitrag zur Kenntniss d. soge-nannten doppeltkarbidhaltigen Chrom u. Wolframstahle. St. u. E. 1920.1515.

101.    Oberhoffer i H u a r t: Beitrage zur Kenntniss oxydischer Schlackeneinschliisse sowie d. Desoxydationsvorgange im Flusseisen. St. u. E. 1919. 165.

101 a. Oberhoffer, Lauber i Hammel: Uber d. Ergebnisse von Schmiedeversuchen mit Flusseisen u. Stahl. St. u. E. 1916. 234.

102.    O sann: Eisen u. Stahlgiesserei. 2gie wyd. Lipsk, 1913.

103.    O sann: Lehrbuch d. Eisenhiittenkunde, t. I. Roheisenerzeu-gung. Lipsk, 1915, t. II. Erzeugung u. Eigenschaften d. schmiedbaren Eisens. Lipsk, 1921.

104.    O sm o nd: Transformations du Fer et du Carbone. Paryż. 1888.

105.    Paglianti: Uber d. Einflus des Siliziums auf d. Eigenschaften d. Flusseisens. Mitt. Aachen. 1913. 114.

106.    Pomp: Kritische Warmebehandlung nach kritischer Kalt-formgebung vom kohlenstoffarmen Flusseisen. St. u. E. 1920. 1366.

107.    Porębski: Stal. Lwów, 1920.

108.    Porteyin i Garvin: Die experimentelle Untersuchung d. Einflusses d. Abkiihlungsgeschwindigkeit auf d. Harten d. Kohlen-stoffstahle. Sprawozd. z The Coal Trades Review w St. u. E. 1920. 760 i 1920. 1110.

109.    Preuss: Die Festigkeit yon Schweisseisen gegeniiber Stoss-beanspruchung. St. u. E. 1914. 1207.

110.    Preuss: Die praktische Nutzanwendung d. Priifung d. Eisens durch Atzyerfahren und mit Hilfe d. Mikroskopes. 2. wyd. Berlin, 1921.

111.    Preuss: Versuche uber d. Spannungsyerminderung durch d. Ausrundung scharfer Ecken vermittels Hohlkehlen. Z. d. V. 1912.1495.

112.    Rittershausen i Fischer: Dauerbriiche an Konstruk-tionsstahlen und die kruppsche Dauerschlagprobe. St. u. E. 1921. 1681.

113.    Robin: Die Umwandlungen d. Eisens unterhalb 700°. Sprawozdanie z VI kongresu Międzynar. Związku Badania Mater. w New Yorku 1912, streszczone w Ferrum, t. 12. 39.

114.    Ross: Statische u. dynamische Dauerproben. Sprawozdanie z odczytu na kongresie jw. St. u. E. 1914. 1756.

115.    Ruder: Elektrische Schweissung. Sprawozdanie Pompa z Journal of the Franklin Institute. St. u. E. 1922. 825.

116.    Ruer i Fr. Goerens: Uber d. Schmelz u. Kristallisations-yorgange bei d. Eisen-Kohlenstofflegierungen. St. u. E. 1917. 161.

117.    Ruer i Iljin: Zur Kenntnis d. Stabilen Systems Eisen-Koh-lenstoff. Mett. 1911. 97.

118.    Ruer i Klasper: Die y—8 Umwandluug d. reinen Eisens u. ihre Beeinflussung durch KohlenstolF, Silizium, Kobalt und Kupfer. Ferrum, t. 11. 257.

119.    Russel: Aufbau der Chromstahle. Sprawozdanie Daeyesa z Ir. a. St. I. St. u. E. 1922. 429.

120. Schotky: Das Wesen des Hartungsyorganges. St. und E.

1921. 1110.

121.    Schulz: Die Volumen u. Formanderungen d. Stahles beim Harten. Z. d. V. 1915. 66.

122.    Shore: Beziehung zwischen Kugeldruck u. Skleroskopharte. Eng. 1918. 322.

123.    Stead: Einfluss einiger Grundstoffe auf d. mechanischen Eigenschaften von Stahl. Sprawozdanie z Ir. a. St. I. w St. u. E. 1917. 290.

124.    Stead: Uber d. Zusammenschweissen von Gasblasen u. Hohl-raumen in Stahlblócken. Sprawozdanie jw. St. u. E. 1912. 875.

124 a. Stead: Der praktische Gebrauch d. Eisen-Kohlenstoffdia-gramms mit besonderer Berucksichtigung der kritischen Punkte. Ferrum, 12. 25.

125. Stotz: Beitrag zur Theorie d. Temperprozesses. St. u. E.

1916. 501.

126.    Strauss: Mikroskopische Stahluntersuchung. St. u. E. 1914.1816.

127.    Strauss i Fry: Rissbildung in Kesselblechen. St. u. E.

1921. 1133.

128. Strauss i Maurer: Die hochlegierten Cliromnickelstahle ais nichtrostende Stahle. St. u. E. 1921. 830.

129. Stribeck: Die unerforschte Kerbschlagprobe. St. u. E.

1922. 406.

130. Tam mann: Die Umwandlung d. Zementits bei 210°. St. u. E.

1922. 772.

131.    Tammann: Lehrbuch d. Metallographie. Wyd. II. Lipsk, 1921.

132.    Tammann: Uber d. Diflusion d. Kohlenstoffs in Metallen u. d. Mischkristalle d. Eisens. St. u. E. 1922. 654.

132 a. T ay 1 o r-Wallichs: Uber Dreharbeit u. Werkzeugstahle. Ber

lin, 1908.

133.    Tim oszenko-Hube r: Wytrzymałość materjałów. Lwów-Warszawa, 1922.

134.    Unger: Einfluss eines verschieden hohen Schwefelgehaltes auf basisches Siemens-Martin-Stahl. Streszczenie z American Machinist.

St. u. E. 1917. 592.

135.    Wark: Uber d. Polyederstruktur in Eisen-KohlenstofF-Legie-rungen. Met. 1911.

136.    Westgren i Lindh: Zum Kristalłbau d. Eisens u. Stabls. Zft. fur ph3rsik. Chemie, 1921. 181.

137.    Westgren i Phragmen: X-ray studies on the crystal structure of steel. Eng. 1922. 630.

138.    Wever: Die Atomanordnung d. Eisens in austenitischen Stahlen. Mitt. Eisen-Inst. t. III, zesz. I.

139.    Weyls: Uber Zementation im luftleeren Raum mittels rei-nen Kohlenstoffes. St. u. E. 1910. 1417.

140.    Wh itley: Die Formanderung von Schmiedeeisen durch wie-derholte Abschreckung. Sprawozdanie z Eng. St. u. E. 1919. 817.

141.    Wiist: Beitrag zum Einfluss d. Mangans auf d. System Ei-sen-Kolilenstoff. Mitt. Aachen. 1909.

142.    Wiist: Beitrag zum Einfluss d. Phospors auf d. System Ei-sen-KoblenstolT. Mitt. Aachen. 1908.

143.    Wiist: Die Entwicklung d. Zustanddiagrammes d. Eisen-Kohlenstofflegierungen. Mitt. Aachen. 1909.

144.    Wiist: Uber d. Theorie d. Gliihfrischens. Met. 1909.

145.    Wiist i Felser: Der Einfluss d. Saigerungen auf d. Festig-keit d. Flusseisens. Mitt. Aachen. 1911.

146.    Wiist i Meissner: Uber d. Einfluss von Mangan auf d. me-chan. Eigenschaften d. grauen Gusseisens. Mitt. Aachen. 1915.

147.    Wiist i Stotz: Uber d. Einfluss d. Phosphors auf d. me-chan. Eigenschatfen d. grauen Gusseisens. Ferrum. 12. 89.

Skorowidz nazwisk.

Adam 330, 373. d’Amico 373. Anczyc 353, 373. Arnemann 24. Arnold 240, 373.

Bach 373.

Bauer 10, 107, 373, 374. Baumann 373, 374.

Beilby 317.

Belajew 231, 374. Benedicks 30, 281, 292. Bermann 355, 374. Bernardos 210.

Bessemer 133, 134. Brearley 374.

Brinnell 364.

Broniewski 6, 16, 28, 374.

Daeves 55, 377. Deiss 373.

Dichmann 374. Dobbelstein 375. Dorhecker 374, 377. Dreyer 376.

Elam 374.

Erhardt 249, 256, 261. Erichsen 371, 374. Escard 374.

Felser 379.

Fettweiss 34, 342, 374, 375. Fischer 378.

Fraenkel 317.

Fry 343, 344, 375.

Fuchs 375.

Carpenter 374. Chapell 322, 374. Charpy 123, 374. Chevenard 284.

Le Chatelier 280, 281. Ciszewski 374. Comstock 374. Cournot 347, 375.

Cort 129.

Curry 24.

Cushman 374. Czermak 178. Czernow 177. Czochralski 6, 374.

Garvin 378.

Gassen 375.

Gautier 24.

Geiger 375.

Gercke 375.

Gessen 260.

Giolitti 301, 308.

Goerens F. 378.

Goerens Paweł 16, 64, 313, 321, 346. 353, 375.

Gontermann 20, 58.

Grard 375.

Grenet 123, 374.

Gruber 260, 375.

Guillet 48, 49, 301, 347, 375. Giilchrist 136.

Gurtler 58.

Gutowski 375.

Hammel 377.

Hanemann 280, 288, 328, 375, 376. Harmet 154.

Hartel 346, 375.

Hatfield 119, 376.

Heroult 160.

Heyn 10, 145, 205, 318, 322, 363, 376. Honda-Kotaro 33, 376.

Huart 377.

Huber 356, 379.

Iljin 123, 378. Irresberger 376.

Jannsen 376. Janecke 17, 55. Junkers 326, 376. Jurisch 376.

Kaiser 347, 376. Kalpers 376.

Keep 367.

Kessner 367, 376. Kjellin 161. Kjerrmann 376. Klasper 378.

Kórber 318, 341, 376. Krieger 376.

Kuhnel 58, 375. Kurek 308, 376.

Lamort 75, 376.

Lang 376.

Lauber 377.

Lautsch 57.

Leber 125, 377. Ledebur 43, 119, 377. Levin 377.

Levy 63, 377.

Lind 328, 376, 377. Lindh 379.

Lisching 377.

Mannesmann 258.

Mars 48.

Martens 42, 365, 377.

Martin 133, 139.

Mathesius 134, 377.

Maurer 60, 62, 281, 290, 377, 379. Meissner 379.

Morave 376.

Moser 362, 377.

Nathiusius 166. Neufang 377.

Oberhoffer 55, 124, 179, 181, 377. Osann 158, 377.

Osmond 28, 30, 280, 378.

Paglianti 378. Paąuet 375. Phragmen 379. Piwowarsky 374. Pomp 314, 378. Porębski 378. Portevin 284, 378. Preuss 11, 353, 378.

Riemer 153. Rittershausen 339, 378. Roberts-Austen 41. Robin 378.

Ronay 112.

Roos 339, 378.

Ruder 215, 378.

Ruer 45, 123, 378. Rugan 374.

Russel 55, 378.

Schotky 378.

Schulz 378.

Shore 366, 378. Siemens 133, 139. Sławianow 209. Sorby 292.

Stassano 160.

Stead 30, 378.

Stotz 119, 122, 379. Strauss 60, 343, 379.

Stribeck 362, 379.

Swinden 56, 57.

Szulgin 374.

Tagegi 376.

Talbot 154.

Tammannn 57, 302, 315, 379. Taylor 335, 379.

Tetmajer 369.

Timoszenko 356, 379. Thomas 134, 136.

Thomson 274.

Troost 292.

Turner 366.

Unger 379.

Wagner 112.

Wallichs 379.

Wark 40, 379.

Westgren 29, 30, 281, 379. Wetzel 107, 374.

Wever 29, 379.

Weyls 301, 379.

Whitley 289, 379. Widmannstatten 178.

Wiist 119, 122, 379.

Skorowidz rzeczowy.

Alotropowość 4.

Analiza termiczna 15, 354. Arret 28.

21, 36. lemperatura 22, 36.

Acetylenowy palnik 210. Adhezja ziarn 5.

Alotropowe postaci 28.

zmiany 4, 16, 33.

Arsen w żelazie 70. Austenit 41.

Austenityczna struktura 50. Azot w żelazie 73, 147.

Badania ciągłe 364.

»    chemiczne 353.

»    dynamiczne 361.

»    mechaniczne 356.

»    metalograficzne 353.

»    mikroskopowe i    makro

skopowe 355.

»    statyczne 361.

»    twardości 364.

»    wytrzymałości 356.

»    żelaza 349.

Blachy twarde 327.

Bliźniacze utwory 316.

Bloki żelaza zlewnego 144.

Błędy odlewnicze 189.

» połączeń stapianych 211.

Brykietowanie wiórów żelaz. 112.

Cementowanie 301.

Cementyt 37.

Cementyt kulkowy 230, 231, 284.

Choinko wata budowa 7, 177. Chrom w żelazie 54,169,188,297,299. Ciągliwość 2, 19, 22, 163.

Cylindry walcowane 256.

Cyna w żelazie 70.

Dendrytyczna budowa 7, 177. Desoksydacja 71, 137, 142, 151, 161. Dobór żeliwa na odlewy 103,108,113. Drobnoziarnistość 5.

Drut 164, 254, 328.

Dźwigary 150, 253, 255.

Elektrolityczne żelazo 31. Elektryczne stapianie 209.

zgrzewanie 274. Eutektoidalna mieszanina 36. Eutektyczna

Eutektyczny stop 21. Eutektyka 22, 23.

Ferryt 37.

Filjacja 27.

Forma odlewnicza 93, 114. Formowanie 93, 114.

Fosfor w żelazie 64, 124, 134, 136, 148, 161.

Gaz generatorowy 139.

» wodny 276.

Gazy w żelazie 70, 147, 187, 237. » z wielkiego pieca. 86.

Generator 139.

Gęstopłynność 3, 68, 189.

Gęstość stali 295.

* Glin 137, 151.

Glinka 83.

Grafit 44, 81, 103, 118.

» płynności 46. Gruboziarnistość 5, 212, 229. Gruszka Bessemera 133, 135, 173.

Ledeburyt 43.

Leizna czarna 121.

kujna 117, 120. syntetyczna 113. twarda 113.

Limonit 82.

Linje sił 347.

» translatacyjne 316. Liąuidus 17.

pierwotne i wtórne 7. roztworu 14.

mi 263.

Łączenie żelaznych przedmiotów 207, 263.

Łom (stare żelazo) 111.

Hardenit 288.

Hartowanie 279, 282, 296. Hartowność 33, 280. Hematyt (ruda) 82.

(surowiec) 92, 109.

Jama odlewnicza (blokowa) 146, 192.

Kadź odlewnicza 145.

Kalibry 253.

¹

Temat powyższy obszernie traktuje Martens ⁸⁹) w swera kla-sycznem dziele o badaniu materjałów.

Szczegółowe rozważanie warunków wytrzymałości materjałów znajdzie czytelnik w świeżo wydanej pracy Timoszenki - Hubera ¹³³) o wytrzymałości materjałów.

Karb 10, 362.

Karbidyczna struktura 51.

Karbid żelaza 32, 37, 118.

Karbidy podwójne 54, 55, 56, 58, 62. Kobalt w żelazie 53, 188.

Kokile do bloków stalowych 144,145. Kokile w formach odlewniczych 195, 204.

Konwerter 133.

Korozja 22, 23, 76, 107. Krystalizacja 4,155,177,205,222, 232. Krystalizacja pierwotna i wtórna 7. Krystality 5.

Kryształy 4, 29.

Krytyczne temperatury 4.

Krzem w żelazie 58, 63, 105, 116, 123, 134, 135, 137, 148, 151, 170. Krzemionka 83.

Kucie 241.

Kujna leizna 117, 120. Kulki w odlewach 191. Kuplak (kupolak) 96. Kuźnictwo 220, 241.

Łączenie zapomoeą obręczy skurczowych 268.

Łączenie żelaza przez stapianie 207.

» zgrzewanie 268. » sposobami kuźnicze-

Magnetyt 82.

Mangan w żelazie 53, 62, 124, 137, 148, 151, 168, 188.

Martenzyt 42, 279, 284, 287. Martenzytyczna struktura 50. Metale czyste 1, 13.

Metalograficzne badania 353. Metoda Bessemera 134, 135. elektryczna 159. kwaśna 134, 135, 140. naczyniowa 133. ogniskowa 128. pudlarska 128, 129. Siemens-Martina 133, 139. Thomasa 134, 136. tyglowa 157. zasadowa 134, 136, 140. Miedź w żelazie 58, 70.

Mieszalnik 69.

Mieszanina eutektyczna 21. Mieszaniny kryształów 14, 15. Miękkość 3.

Mikroskop metalograficzny 354. Młoty 244.

Model odlewniczy 93.

Molibden w żelazie 57, 170.

Nadlewki 152, 193.

Nalot niebieski 340.

Naprężenia 7, 195, 201, 215, 296, 318, Narzędzia tnące 335.

Naskórek 101.

Natężenia 2, 258.

Nawęglanie 87, 214, 301, 305, 309. narzędzi 3U9. warstwowe 305.

Nikiel w żelazie 52, 116,167,188,310. Niskie temperatury (ich wpływ) 346. Nitowanie 263.

ręczne 267. maszynowe 267.

Obrabialność 367.

Obręcze skurczowe 268.

Obróbka zimna 312.

Odkształcenia 198, 289.

Odlewanie 102.

Odlewanie bloków 114. Odlewnictwo stali 172.

żeliwa 93.

Odlewy odporne na kwasy 116.

o twardem wnętrzu 115. stalowe 172.

twarde (twarda leizna) 113. Odpuszczanie 290, 298.

Odwęglenie 186, 228.

Ognisko kowalskie 262.

Omłótki 83.

Osmondyt 284, 285, 291.

Piec kupolowy 96.

» płomienny 98,128,133,139,262. » pudlarski 130 » Siemens-Martina 139, 140, 173. » tyglowy 100, 155.

» wielki 84.

Plastyczność 2.

Płaszczyzny spójności (przesuwu) 316, 325, 345.

Podział żelaza 46.

Połączenia 207.

Porowatość 71, 147, 190, 213.

Procesy obróbcze 12.

Próba Heyna 363.

Próby kucia 370.

technologiczne 368. zginania 369.

Przecinanie 217, 336.

tlenem 218.

Przegrzanie 2.4.

Przeguby 11, 206. Przekrystalizowanie 180. Przełomowe temperatury 4, 16, Przełom żelaza 109, 121, 351. Przemęczenie 338.

Przepalenie 228.

Przeżarzenie 228.

Przymieszki w żelazie 61. Przystanek 16, 28.

Rafinowane (ulepszone) żelazo 156. Rdza 76.

Rdzewienie żelaza 22, 23, 76, 107. Rdzeń (formierski) 94.

Redukcja bezpośrednia 86. pośrednia 86. w wielkim piecu 86.

Palniki gazowe 211, 218. Perlit 37, 39.

ziarnisty 229.

Perli tyczna struktura 49. Perlityczne żelazo 40. Piasek formierski 95.

Piece do topienia 96, 101.

» żarzenia 125, 185. kuźnicze 262.

naczyniowe 135, 173. Piec elektryczny 160, 175.-» fryszerski 128.

» indukcyjny 161.

Regenerator 140.

Regeneracja żelaza 226, 234. Rekrystalizacja 321.

Roztwory 13, 1), 17.

graniczne 14, 24. stałe 14, 40.

Rozdwojenie punktu przemiany 285, 299.

Rozgrzewanie części łączonych 208.

226, 287. Surowiec 80.

Rozrost żelaza lanego 106. Róntgena promienie 29, 355.

Rury bez szwu 249, 258, 264.

» walcowane (Mannesmanna) 258.

Rury wytłaczane 249.

» zgrzewane 249.

» wyciągane 264. Rzadkopłynność 3.

Siarczek manganu 62. miedzi 62. żelaza 67.

Siarka w żelazie 65, 67, 124, 148, 161, 191.

Siatka przestrzenna 29, 33, 281.

Skruszanie 342.

Skleroskop 366.

Skurcz 95, 145, 173, 191.

Solidus 17.

Sorbit 292.

Spawanie (zgrzewanie) 268.

Stal 165.

» cementarska 303, 304.

» chromowa 169, 188.

» damasceńska 159, 231, 273.

» indyjska 159.

» konstrukcyjna 166, 294.

» krzemowa 170.

» manganowa 168, 188.

» molibdenowa 170.

» narzędziowa 53,164,166,294,297. » niklowa 167, 188.

» niklowo-chromowa 171.

» -wanadowal71. » wanadowa 171*

Stal szybkotnąca 297.

» tyglowa 158.

» wolframowa 170.

Stapianie 207.

Stare żelazo (łom) 111.

Stop eutektyczny 21, 23.

Stopy łożyskowe 23.

» metali 13.

» odporne na rdzewienie 78. » wielokrotne 26, 59.

» żelaza z chromem 54,169,188.

Stopy żelaza z metalami 48.

»    »    kobaltem 53, 188.

»    »    krzemem 58,116,170.

»    » manganem53,168,188.

Stopy żelaza z miedzią 58.

»    » molibdenem 57, 170.

»    » niklem 52,116,167,188.

Stopy żelaza z wanadem 58, 188.

»    »    węglem 32.

»    »    wolframem 56, 170.

Struktura austenityczna 50.

karbidyczna 51. łupkowata 239. martenzytyczna 50. perlityczna 49. połączeń stapianych 211. siatkowa 226. surowego odlewu 179. twardej leizny 114. warstwowa 237. Widmannstattena 178,184.

bessemerowski 92, 139. biały 43, 63, 80. drzewny 90. elektryczny 91. koksowy 90. martinowski 91, 92, 143. odlewniczy 92. połowiczny 81, 118. pudlarski 91, 92, 132. syntetyczny 92, 133. szary 44, 63, 80. thomasowski 91, 139. zwierciadlisty 92. Świerzenie 127, 157.

Syderyt 82.

Syntetyczna leizna 113.

Technologiczne próby 368. Temperatura eutektyczna 36.

»    niebieskiego nalotu

340.

Temperatura topliwości żelaza 32. Temperatury krytyczne (przełomowe) 4, 16.

Tłoczenie 241.

i chromem 55.

Wykres stopów żelaza z węglem i manganem 54.

Wykres stopów żelaza z węglem i molibdenem 57.

stopów chromu

Temperatury niskie (wpływ na żelazo) 346.

Termit 153, 274.

Tlenek glinowy 75.

manganowy 74. węgla 86, 87, 147. żelazawy 71,129,134,137,142. żelazawo-żelazowy 82, 129. żelazowy 71, 82.

rur 249.

Tłocznie 248.

Topienie żelaza 96.

Topliwość 3, 81.

Topniki 83.

Translatacyjne linje 316. Troostyt 285, 292.

Twarda leizna 113.

Twarde blachy 327.

pasma w żelazie 240. wnętrze odlewów 115. Twardość 3, 19, 22, 163, 364. Tygiel 156.

Tyglowy proces 156.

Tytan w żelazie 151.

Ulepszanie termiczne 294, 299, 310.

żelaza 156, 272. Uszczelnianie szwu nitowego 264 334.

Utwory bliźniacze 41, 316.

Wadjr w blokach żelaza zlewnego 145. Walcowanie 241, 250.

kół 257. obręczy 257. rur 258. śrub 257, 331.

Wanad w żelazie 58, 171, 300. Wapień 83.

Warstwowe na węglanie 305. Węgiel w żelazie32,118,148,162,320.

żarzenia 118. Widmannstattena struktura 178,184. Wielki piec 84.

Wielokrotne stopy 26.

Wiercenie otworów na nity 266,336. Wióry żelazne 111.

Wodór w żelazie 72, 147.

Wolfram w żelazie 56, 170, 297, 299. Wooz 159, 231.

Wyciąganie 241, 261.

blachy 262, 330. rur 261.

Wydzielenia 23, 148, 187, 190, 237. Wydłużenie procentowe 2, 357. Wyginanie 333.

Wygniatanie 331.

Wykres podwójny żelaza 45. rozciągania 357. stopów chromu i niklu 60 żelaza z węglem

Wykres stopów żelaza z węglem i niklem 53.

Wykres stopów żelaza z węglem i wolframem 57.

Wykres termiczny 16.

i żelaza 55.

Wykres termiczny stopów krzemu i żelaza 58.

Wykres termiczny stopów wolframu i węgla 56.

Wykres termiczny stopów wolframu i żelaza 57.

Wykres tężenia (stygnięcia) 16. trójkątny 26.

Wykresy termiczne typowe 17, 19, 24, 25.

Wykresy termiczne stopów żelaza i węgla 34, 45, 180, 282.

Wykończanie odlewu 102.

Wyrób rur 249, 258, 261, 276. surowca 82. żelaza kujnego 127.

» zlewnego 133, 156. » zgrzewanego 128.

222.

blach 276.

Wytłaczanie otworów na nity 266, 336.

Wytrzymałość 2, 12, 19, 22, 356, 365.

żelaza 30,31,108,125. 132,142,162,166,175,288,294,299,300. Wytwory wielkiego pieca 88, Wyżarzanie odlewów 176.

po zgniocie 321. przedmiotów kutych

Zanieczyszczenia w żelazie 61, 187. Zarodki krystalizacji 4, 5.

Zendra 83.

Zgniot 221, 312, 315. Zgrzewanie 268.

Ziarnistość 4.

Zimna obróbka 312.

Złom powolny 338.

Znużenie (przemęczenie) 338. Związki chemiczne w stopach 14, 15, 25.

Żarzenie 176, 222, 229. Żelaziak brunatny 82.

Żelaziak czerwony 82.

magnetyczny 82. szpatowy 82.

Żelazo    czyste 28, 30.

»    elektryczne 72, 159.

»    hartowane 41, 42, 279.

Żelazo-krzem 92.

» kujne 37, 38, 39, 47, 126.

» lane 44, 93, 101, 102, 104.

»    lejne 47.

»    -mangan 92.

»    martinowskie 72, 143.

»    miękkie 165.

»    odlewnicze 47, 101.

»    perlityczne 37.

»    pudlarskie 131, 132.

»    rafinowane (ulepszane) 156.

»    tomasowskie 72.

»    tyglowe 156.

»    wiązkowe (pakietowe) 272.

»    zgrzewane 127.

» zlewne 127, 133, 137, 139.

Żeliwo 44, 93, 101.

Żużel 61, 70, 73, 88.

» w żelazie 70, 131, 138, 147, 187, 189, 237.

/

■

)

i

*

f. ■

*»

V

/

Spis treści.

1.    Wstępne wiadomości o metalach ..... .

2.    Stopy metali i ich własności........

3.    Żelazo czyste...............

4.    Stopy żelaza z węglem......... . .

5.    Stopy żelaza z innemi metalami......

6.    Przymieszki i zanieczyszczenia w żelazie . .

7.    Rdzewienie żelaza........... . .

8.    Surowiec..................

9.    Odlewnictwo żeliwa............

10.    Kujna leizna................

11.    Żelazo kujne................

12.    Żelazo rafinowane..............

13.    Odlewnictwo stali..............

14.    Błędy odlewnicze.............

15.    Łączenie żelaza zapomocą stopionego metalu

16.    Kuźnictwo I................

17.    Kuźnictwo II...............

18.    Łączenie żelaza sposobami kuźniczemi . . .

19.    Hartowanie................

20.    Cementowanie ...    ...........

21.    Obrabianie żelaza przez zgniot.......

22.    Inne czynniki zmieniające własności żelaza

23.    Badanie żelaza...............

Literatura..................

Skorowidz nazwisk............

Skorowidz rzeczowy............

Strona

13

28

32

48

61

76

80

93

117

126

156

172

05. i>

220

. . 241 . . 263

279

301

312

. . 338

349

373

381

384

S-96

.

\

/

■

/

\

V

' ■ y- :- W    .    A,- . V .--y'    ,    ’,s 3;,' '    '

"V

-v

\

»

10

>/ ■

I

.]

-

¹

s-

/

.

'

r

\

r

i

l,:i

.

■v^«

i

ii

i

• -•

;.j

i

:-

fi

L

***■

*

< *v

r:;

!•«

#*f

J

-¹*.

' i

Jw&r

lT

ri

17)

a

O®.* K:

<h

V

\

A

pv. - ^

*fa> S

■

fo'

tiP •

h '

\

'

%

..-

• . SC -

t_*.7

LA*

to.

Ipy

s*» •

45 * %

V '<*.

:A

yp

P*

Ts

Mm V ^

4 vlffl» V

nŚMtf

M

R

Biblioteka Politechniki Krakowskiej

JL

100000231326

3vi

4 *'

mm

■fp

mi

JJ

ifrM&mi

Li ji

'V

* SWpWtfc

j

♦

,:• \b

Wm

•: :-.-.:;:

iii;

■

m

;:5m

•••:

Ipi

i

m

II

f

‘-L ,

4;

Hm