UNIVERZA V LJUBLJANI FAKULTETA ZA POMORSTVO IN PROMET

Doc. Dr. Peter Vidmar

UČNO GRADIVO

MATERIALI IN VARJENJE V POMORSTVU

IZBRANE VSEBINE IZ PODROČJA MATERIALOV IV VARJENJA PO PRIPOROČILIH MEDNARODNE POMORSKE ORGANIZACIJE ZA

ŠOLANJE POMORŠČAKOV

Portorož, 2003

POVZETEK Naloga povzema poglavja o materialih in varjenju, ki jih potrebuje pomorščak pri vsakdanjem delu na ladji. Pregled poglavij je izdelan v skladu s priporočili Mednarodne pomorske organizacije IMO model courses (International maritime organization). Zbirka priporočil naj bi bila v pomoč predavateljem in inštruktorjem na pomorskih šolah. Naloga obravnava poglavja osnove metalurgije jekla in litega železa, preizkuse in lastnosti materialov, toplotno obdelavo kovin, nekovinske materiale (poseben poudarek je namenjen nevarnosti azbestov) in osnove ter postopke varjenja. Del naloge je namenjen osnovnim pojmom v trdnosti, kjer so obravnavane osnovne vrste obremenitev ter tipi obremenitve. Pri tem gre predvsem za razumevanje obnašanja materialov pod obremenitvijo. Ključne besede: materiali, varjenje, pridobivanje jekla, trdnost materialov, preizkušanje

materialov, varjenje na ladji, korozija

2

KAZALO Povzetek ...........................................................................................................................................2 1 Uvod .........................................................................................................................................5 2 Osnove lastnosti jekla in surovega železa ................................................................................5

2.1 Pridobivanje železove rude ..............................................................................................5 2.1.1 Predelava belega grodlja v jeklo ..............................................................................7

2.2 Razdelitev jekel ................................................................................................................8 2.2.1 Razdelitev jekel glede na strukturo ..........................................................................8

2.3 Litine ..............................................................................................................................10 3 Preizkučanje in lastnosti materialov.......................................................................................10

3.1 Napetost in raztezek .......................................................................................................11 3.2 Žilavost ali prožnost .......................................................................................................12 3.3 Trdota .............................................................................................................................13 3.4 Trajna dinamična trdnost................................................................................................14 3.5 Utrujenost materiala .......................................................................................................15 3.6 Lezenje materiala ...........................................................................................................15 3.7 Upogibni preizkus ..........................................................................................................16 3.8 Preizkusi brez poškodbe materiala.................................................................................17

3.8.1 Optični-vizualni preizkus .......................................................................................17 3.8.2 Preizkus s prodorno barvo......................................................................................17 3.8.3 Magnetični preizkus ...............................................................................................17 3.8.4 Preizkus z rentgenskimi žarki ali gama žarki.........................................................18 3.8.5 Preizkus z ultrazvokom ..........................................................................................18

4 Toplotna obdelava materialov................................................................................................18 4.1 Kaljenje jekla..................................................................................................................19

4.1.1 Površinsko kaljenje ................................................................................................20 4.2 Žarjenje jekla..................................................................................................................20 4.3 Vpliv varjenja na strukturo varjenca ..............................................................................21

5 Zmesni elementi v železu in jeklu..........................................................................................22 6 neželezne kovine ....................................................................................................................24

6.1 Težke barvne kovine ......................................................................................................24 6.1.1 Baker ......................................................................................................................24

6.2 Lahke barvne kovine ......................................................................................................25 6.2.1 Aluminij .................................................................................................................25

7 nekovinska gradiva.................................................................................................................26 7.1 Guma ..............................................................................................................................26 7.2 PTFE – Teflon................................................................................................................27 7.3 Epoksidna smola ............................................................................................................27 7.4 Azbest.............................................................................................................................28 7.5 Bombaž...........................................................................................................................29 7.6 Silicijev nitrat .................................................................................................................29 7.7 Steklo..............................................................................................................................29

8 Varjenje ..................................................................................................................................31 8.1 Plamensko varjenje ........................................................................................................31

8.1.1 Naprave za varjene .................................................................................................33

3

8.1.2 Pripomočki in dodajni material ..............................................................................35 8.1.3 Potek dela pri varjenju............................................................................................35

8.2 Ročno elektroobločno varjenje......................................................................................35 8.2.1 Opis postopka.........................................................................................................36 8.2.2 Naprave za varjenje................................................................................................38 8.2.3 Pripomočki in dodajni material ..............................................................................39 8.2.4 Primer ročnega varjenja z oplaščeno elektrodo......................................................39

8.3 TIG varjenje ...................................................................................................................39 8.3.1 Naprave za varjenje................................................................................................41 8.3.2 Pripomočki in dodajni material ..............................................................................42 8.3.3 Primer varjenja s TIG postopkom ..........................................................................42

8.4 MIG varjenje ..................................................................................................................42 8.4.1 Naprave za varjenje................................................................................................44 8.4.2 Pripomočki in dodajni material ..............................................................................44 8.4.3 Primer varjenja z MIG postopkom.........................................................................45

8.5 MAG varjenje.................................................................................................................45 8.5.1 Naprave za varjenje................................................................................................45 8.5.2 Pripomočki in dodajni material ..............................................................................45 8.5.3 Primer varjenja z MAG postopkom .......................................................................46

9 Literatura ................................................................................................................................46

4

1 UVOD V tehniki, pomorstvu in življenju nasploh uporabljamo najrazličnejše materiale, ki jih je že preko milijon. Osnova za pridobivanje teh materialov je 105 osnovnih elementov ali prvin. Prvotno je človek uporabljal le navadne materiale (les, kamen). Iznajdba kovin (baker, železo) in kasneje kovinskih zlitin (bron, jeklo) je omogočila človeštvu izreden tehnološki razvoj. V zadnjih desetletjih je izredno prisotna uporaba aluminija in drugih lahkih kovin, kakor tudi plastičnih mas, keramike, stekla,… V pomorstvu oz. ladjedelništvu prevladuje jeklo kot osnovni gradbeni material. Aluminij in plastične mase se uporabljata predvsem pri manjših plovilih; čolnih in jadrnicah. Glavno vlogo pri izbiri materiala imajo mehanske lastnosti materialov, fizikalne lastnosti ter navsezadnje ekonomičnost. Navodila mednarodne pomorske organizacije pri usposabljanju pomorščakov polagajo poudarek na znanju v smislu povečevanja varnosti plovbe. Največkrat je ravno neznanje odgovornih razlog za nesreče na morju. Poznavanje lastnosti materialov bo tako oficirju na ladji pripomoglo pri objektivnemu in varnemu odločanju pri načrtovanju popravil, ter da bi se tako zmanjšala možnost okvar med plovbo.

2 OSNOVE LASTNOSTI JEKLA IN SUROVEGA ŽELEZA Povzeto po priporočilih IMO so za to poglavje predvidene 3 ure, ki dajejo poudarek na naslednja poglavja:

- razložiti osnovni proces pridobivanja jekla, ki temelji na zmanjševanju vsebnosti ogljika in nezaželenih elementov iz staljenega surovega železa

- opisati osnovne razlike med Bassemerjevim postoplom pridobivanja jekla in postopkom z Martinovo pečjo

- opisati postopek pridobivafja litin - opisati vpliv dodajanja ogljika čistemu železu od področja 100% ferita do 100%

cementita - opisati povprečno vsebnost ogljika in uporabo:

- podevtektoidna in evtrktoidna jekla - nadevtektoidna jekla - podevtektična in evtektična bela litina - nadevtektična bela litina

- razložiti osnovne razlike med sivo in belo litino - razložiti diagrame, ki prikazujejo vpliv spremembe vsebnosti ogljika na natezno

trdnost, trdoto, kovnost in žilavost

2.1 Pridobivanje železove rude

5

Osnovna surovina so železove rude. Izkoriščamo le tiste rude, ki vsebujejo več kot 30 % železa. Najpomembnejše rude so MAGNETIT (Fe3O4) - 70% Fe, HEMATIT (Fe2O3) – 60% Fe, LIMONIT (FeO (OH)) - 54% Fe, SIDERIT (FeCO3) - 48% Fe in PIRIT (FeS2). Rudo najprej ustrezno pripravimo, kar pomeni, da jo izpiramo, drobimo, separiramo, pražimo in kosovno oblikujemo.

Slika 1: Magnetna separacija Rudo skupaj z dodatki vodimo v plavž. K dodatkom štejemo:

1. gorivo, kot gorivo uporabljano koks, redkeje pa lesno oglje ali električno energijo. Koks ima v plavžu naslednje naloge; - raztali rudo - redukcija oksidov v železovi rudi - naogliči raztaljeno železo

2. Talila, večinoma dodajamo apnenec, ki veže vse nekovinske delce v žlindro. (ki plava na površini raztaljenega železa)

3. Vroč zrak vpihujemo iz spodnje strani plavže ter tako pospešimo taljenje in redukcijo Ruda se tako skupaj z dodatki pomika od vrha plavža proti talilniku. Pri tem se postopoma segreva in reducira ter v talilniku dokončno zastali. Ogljik se veže z železom v zlitino Fe3C, (Železov karbid) ki ji pravimo grodelj ali surovo železo. Proizvodi plavža: Beli grodelj : Nastaja pri hitrem ohlajanju, kjer je ogljik vezan v obliki Fe3C. Vsebuje okrog 4,5% C, 3% Mn, ter nekaj fosforja in žvepla. Je izredno trd in krhek ter neuporaben. Predelujemo ga v jeklo. Sivi grodelj : Nastane pri počasnem ohlajanju kjer se ogljik izloči v oblik grafita. Vsebuje okrog 4% C, 3% Si ter nekaj fosforja in mangana, je mehkejši od belega grodlja in ga uporabljamo za predelavo v sivo litino. Plavžni plin : Sestavljen je iz CO, H2, CO2, N2 komponent. Zaradi velike vsebnosti prahu ga pred uporabo čistimo v prašnih vrečah, centrifugalnih čistilcih, mokrih čistilcih in elektrostatičnih filtrih, nato ga v ti. kavperjih uporabljamo kot gorivo za segrevanje zraka za vpihavanje v plavž.

6

Kislo in bazično žlindro : Zaradi velike količine (40% - 70%) žlindre v grodlju, jo predelujemo v cement, gramoze različnih zrnatosti, lite tlakovce, porozne zidake in žlindrino volno.

2.1.1 Predelava belega grodlja v jeklo Zaradi velike količine ogljika je beli grodelj neuporaben. Z odvzemanjem ogljika postane bolj žilav – spremeni se v jeklo. Poznamo naslednje postopke pridobivanja jekla:

- Bessemerjev (Thomasov) postopek - Simens Martinov postopek - Elektro obločni postopek - Postopek LD (Linz-Donawitz) in LDAC oz. postopek z vpihovanjem kisika - Električni visoko frekvenčni postopek

Prve štiri metode pridobivanja jekla temeljijo na odstranjevanju nečistoč in surovega železa

ali grodlja. Odstranjevanje nečistoč je odvisno od kislosti ali bazičnosti žlindre. Kisla žlindra potrebuje plavž in kisle obloge (kremenski kamen), bazična žlindra pa bazično oblogo iz mangana ali dolomita. Pri kisli žlindri se z oksidacijo odstrajujejo le silicij, mangan in ogljik. Posledično temu ne sme beli grodelj vsebovati večjih količin fosforja in žvepla, kot je dovoljeno za končno jeklo. Pri bazičnem procesu pa se odstranjuje silicij, magnezij, ogljik, fosfor in žveplo. Običajno pa grodelj vsebuje večje količine fosforja kot žvepla zato mora biti talina bistveno več prepihovana kot pri kislem postopku. Končna kvaliteta jekla je zato zelo odvisna od stopnje prepihovanja.

Prve večje količine jekla sta uspela pridobiti Thomas in Bessemer v peči imenovani KONVERTER kapacitete od 15 ton do 20 ton. V raztaljeni grodelj vpihujemo vroč zrak, kisik iz zraka se veže z ogljem in izgoreva v obliki CO2. Vpihovanje zraka in s tem oksidacija povečuje temperaturo, ki pa je odvisna od sestave taline. Kisli Bessemerjev postopek se predvsem zaradi ekonomskih razlogov opušča in se ga zamenjuje z kislin Simens-Martinovim postopkom. Bazični Bessemerjev postopek pa se uporablja za izdelovanje konstrukcijskega jekla npr. ladijsko pločevino. Pri tem mora biti grodelj primerne kvalitete. Postopek je prikazan na sliki 2.

Slika 2: Bessemerjev in Thomasov postopek

7

Pri Simens-Martinovem procesu se potrebna toplota za taljenje pridobiva z tekočim gorivom ali plinom. Plin in zrak se pred uporabo grejeta v generatorjih, katere lahko grejemo z odpadnimi plini. Talilna peč ima obliko krožnika kapacitete od 200 ton od 600 ton odvisno od izvedbe. Talina je v osnovi sestavljena iz grodlja in ostankov starega železa skupaj z apnom. Čas enkratnega obratovanja je 6 do 14 ur, pri čemer je kontrola bistveno lažja kot pri Bessemerjevem procesu. Postopek se uporablja za izdelavo večino vrst konstrukcijskega jekla. Obstajajo pa tendence za zamenjavo Simensovega postopka z velikimi električnimi obločnimi pečmi.

Slika 3: Simens-Martinova peč

2.2 Razdelitev jekel Uporabljamo veliko število najrazličnejših jekel, ki se med seboj razlikujejo op strukturi, kemični sestavi in drugih lastnostih.

2.2.1 Razdelitev jekel glede na strukturo Struktura je odvisna predvsem od količine ogljika in drugih elementov, temperature stanja, hitrosti ohlajanja, … Strukturo ogljikovih jekel prikazuje Fe – Fe3C diagram.

8

Slika 4: Fe – Fe3C diagram

Ogljik lahko nastopa v železu v stabilni obliki kot grafit ali pa v metastabilni obliki kot železov karbid Fe3C, ki ga imenujemo cementit. Fazni diagram na sliki 4 zalema zlitine od 0 % do 6.67 % ogljika. Pri 6.67 % ogljika je v sistemu 100 % cementita. Fazni diagram je evtektski1 sistem z delno topnostjo ogljika v železu. Čisti evtektik, ki ga imenujemo leburit, imamo v točki C pri koncentraciji 4.3 % ogljika s tališčem pri 1145oC. Evtektik se pojavlja v vseh zlitinah, ki imajo nad 2.06 % ogljika, kolikor znaša maksimalna topnost ogljika v gama železu (avstenitu) pri temperaturi 1145 oC. Ta meja 2.06 % ogljika, nad katero se v strukturi železo-ogljik pojavlja leburit, je tudi meja med jekli in grodlji. Če ima jeklo sestavo med 0.85 % in 2.06 % C, se topnost ogljika v avstenitu z nižanjem temperature zmanjšuje po črti E-S. Ogljik se pri tem izloča kot sekundarni cementit. Avstenit se tako v točki S spremeni v evtektoid,m kjer sta v lamelah med seboj zraščena ferit ni cementit. Evtektiku pri tej koncentraciji ogljika pravimo perlit. Pri jeklih z 0.04 % od 0.8 % ogljika se začne iz avstenita izločati železo alfa (ferit) po četi G-S. Avstenit se pri tem obogati z ogljikom in dokler ne doseže evtektoidne sestave. Vse te razmere veljajo v ravnotežnem stanju, ki ga dosežemo pri zelo počasnem ohlajevanju. Železo pri različnih koncentracijah ogljika delimo po tabeli 1. Tabela 1: Delitev železa po vsebnosti ogljika pri stacionarnem ohlajanju 0 - 0.77 % C Podevtektoidna jekla Feri in Perlit 0,77 % C Evtektoidna jekla Perlit 0,77 – 2,06 % C Nadevtektiodna jekla Perlit in sek. Cementit 2.06 – 4.3% C Podevtektična bela litina Perlit, sek. Cementit in Leburit 1 Evtektik - zmes v takem razmerju sestavin, da ima najnižje možno strdišče

9

4.3 % C Evtektična bela litina Leburit in sek. Cementit 4.3 – 6.69 % C Nadevtektična bela litina Leburit in primarni Cementit

2.3 Litine Uporabljamo jih pri ulivanju kompliciranih strojnih delih, ki jih je težko izdelati z drugimi postopki. Za litine je značilno, da imajo visok procent ogljika (okoli 4%), ki omogoča dobro livnost in zniža tališče. Glede na kemično sestavo in način litja ločimo več vrst litin. Siva litina : Pridobivamo jo iz sivega grodlja, ki ga skupaj s starim jeklom, lagirnimi elementi, koksom in apnom talimo v pečeh imenovanih kupolke in ulivamo v peščene kalupe. Siva litina vsebuje od 3.5 – 4% ogljika, ki je izločen v obliki grafitnih lističev kar daje litini sivo barvo in nekatere posebne lastnosti. Trdnost in trdota sta slabši kot pri jeklu, ne da se raztezati, tlačna trdnost pa je dobra. Varimo jo le s posebnimi elektrodami. Odlično se uliva, duši tresljaje in ima dobre mazalne lastnosti. Proti koroziji je odpornejša od jekla. Iz manj kvalitetne litine izdelujemo kopalne pokrove jaškov, cestne svetilke, peči,… Iz bolj kvalitetne litine pa izdelujemo ohišja strojev, bloke težkih motorjev, ohišja drsnih ležajev,… Kroglasta ali nodularna litina : Če dodamo sivi litini v raztaljenem stanju magnezij se ogljik izloča v obliki drobnih kroglic – nodulov, kar daje litini odlične mehanske lastnosti. Natezna trdnost znaša do 700 N/mm2, raztezek pa do 12%. Iz nje izdelujemo kolenaste gredi, ekscentre pri stiskalnicah, ojnice, gredi, zobniške prenose, ohišja diferencialov, prirobnice, dele ventilov, itd. Temprana litina : Ker ima bela litina zelo slabe mehanske lastnosti se to po litju decementacijsko žari. Z žarjenjem povzročimo razpad karbidov. Žarjenje v oksidacijski atmosferi povzroči izgorevanje ogljika iz vrhnjega sloja. Litina dobi bel prelom, zato se imenuje bela temprana litina. Z žarjenjem v nevtralni atmosferi dobimo črno temprano litino. V času žarjenja se ogljik nabira v obliki šopkov (primarna grafitizacija). V kolikor čas prehoda temperaturnega področja (800 do 900oC) traja dlje časa (nekoliko oC/h), se ogljik kopiči na obstoječih šopkih grafita (sekundarna grafitizacija). Tako dobimo Feritno črno temprano litino.Pri hitrem prehodu področja pretvorbe avstenit preide v perlit, tako dobimo Perlitno črno temprano litino. Ta vrsta litine ima večjo trdnost, trdoto in odpornejša proti obrabi kot Feritna črna temprana litina. Uporablja se jo v splošnem inžinirstvu pri normalnih ali višjih temperaturah.

3 PREIZKUČANJE IN LASTNOSTI MATERIALOV Mehanska lastnost materiala pove kako se material obnaša pod obremenitvijo. Obremenitve, ki se v tehniki obravnavajo so:

- nateg - tlak - upogib - torzija - površinsko pritisk - uklon

10

Mehanske lastnosti pa so: - trdnost - trdota - elastičnost - žilavost

Mehanske lastnosti materialov se določa eksperimentalno s poskusi ali testnimi postopki. Trdnost in elastičnost sta zelo povezani mehanski lastnosti, kar bomo nadalje ugotovili pri predstavitvi nateznega preizkusa.

3.1 Napetost in raztezek Vzemimo standardni preizkušanec (epruveto) definirane geometrije in obdelave. Vpnimo jo v natezno hidravlično napravo in opazujmo kaj se s preizkušancem dogaja. Preizkus, ki bomo opravili se imenuje natezni preizkus, ki ga lahko spremljamo v σ-ε. Za lažje razumevanje nateznega preizkusa razložimo nekaj osnov trdnosti. Hookov zakon pravi, da je raztezek ali relativni razteg premo sorazmeren napetosti ni obratno sorazmeren modulu elastičnosti.

1Eε σ=

Modul elastičnosti E je napetost, ki bi se pojavila v palici, če bi jo raztegnili na dvakratno dolžino. Hookov zakon velja le v območju kjer je raztezek premo sorazmeren napetosti. Imenujemo ga območje proporcionalnosti. Raztezek ε lahko definiramo tudi kot; 0/l lε = Δ oz. razmerje med relativnim raztezkom in prvotno dolžino preizkušanca. Razložimo še pojem napetosti. Pojavi se ko material, v našem primeru preizkušanec okroglega preseka A, obremenimo s silo F. Teoretično je napetost sila, ki deluje na neskončno površino preseka preizkušanca. Lahko bi jo imenovali 'specifična sila' (sila na enoto površine).

FA

σ = [N/mm2]

Slika 5: σ-ε diagram

Točka na diagramu označujejo meje pomembnejših področij nateznega preizkusa.

11

σpr – meja proporcionalnosti, področje do katerega velja Hookov zakon σel – meja elastičnosti, označuje največjo napetost pri kateri se preizkušanec še sktči na prvotno

dolžino σpl – meja plastičnosti, označuje napetost do katere ostane preizkušanec trajno deformiran. Pri tej

napetosti se opazi trajno deformacijo materiala σm – natezna trdnost, je največja napetost, ki jo material vzdrži pred porušitvijo. Pri krhkih materialih je raztezek majhen. Ker ti materiali skoraj ne dopustijo plastičnih deformacij, se v natezna napetost ujema z okolico meje plastičnosti. Pri žilavih materialih, pa je meja plastičnosti skoraj neopazna.

3.2 Žilavost ali prožnost Ker so stroji večinoma izpostavljeni sunkovitim obremenitvam se utegnejo lastnosti materialov sčasoma spremeniti. Lastnosti materialov so zelo odvisne tudi od temperature. Ker imajo kovine posebno lastnost, da se njihove mehanske lastnosti spreminjajo s temperaturo, je težko govoriti o absolutno krhkem ali absolutno žilavem materialu. Preizkus udarne žilavosti nam pove odpornost materiala proti krhkemu lomu. Udarna žilavost pa je definirana kot energija za zlom kosa materiala. Krhki lom pa je pojav, ko v materialu pride do nenadne porušitve. V primeru nizke temperature postane žilav material lahko krhek in se v njem, že pri manjši obremenitvi, razpoka širi z izredno veliko hitrostjo. Pri taki porušitvi praktično ni plastičnih deformacij materiala, zato je s prostim očesom nemogoče videt ali so se materialu spremenile mehanske lastnosti ali ne. Preizkus udarne žilavosti se izvaja s Charpy-jevim kladivom, postopkom, ki je uveljavljen tako v Evropi kot v ZDA.

Slika 6: Charpyjev preizkus

Preizkus poteka tako, da kladivo dvignemo do začetna lega in ga spustimo, da to zaniha. Pri tem kladivo udari ob preizkušanec, kot je prikazano na sliki 6, in doseže končno lego, ki je nižja od začetne. Razlika med začetno in končno višino je nastala na račun porabljene energije za prelom preizkušanca. Matematično je udarna žilavost definirana kot;

12

0u

WA

ρ =

kjer je W udarno delo in A0 prerez preizkušanca. Če isti material (jeklo) preizkušamo pri različnih temperaturah dobimo diagram, ki je prikazan na sliki 7. Iz diagrama lahko razberemo temperaturno mejo med krhkim in žilavim področjem.

Slika 7: Vpliv temperature na žilavost materiala

3.3 Trdota Trdota je v tehniki definirana kot odpornost materiala proti prodiranju tujka v njegovo površino. Pri tem je pomembno predvsem odpornost proti obrabi zaradi trenja, erozije in odpornost na točkovne obremenitve. Pomembni so predvsem trije postopki za določanje trdote materialov; preizkus po Brinellu, preizkus po Rockwellu in preizkus po Vickersu. Postopki so si v osnovi zelo podobni. Preizkus trdote po Brinellu se izvaja z vtiskanjem jeklene kroglice v površino preizkušanca. Kroglice s standardnimi premeri 1, 2, 5 ali 10 mm vtiskamo z določeno silo v površino preizkušanca. Z mikroskopom odčitamo premer vtisa in iz tabel odčitamo trdoto. Zaradi možnosti deformacije kroglice postopek uporabljamo za materiale manjše trdote.

Slika 8: Preizkus trdite po Brinellu

Postopek po Vickersu dela na principu vriskanja diamantne konice v obliki piramide v preizkušanec. Uporablja se ga za materiale večjih trdot. Ker je postopek po Vickersu laboratorijski postopek se v praksi uporablja postopek po Rockwellu. V površino materiala vtiskamo kroglico, za manjše trdote in stožec za večje trdote.

13

3.4 Trajna dinamična trdnost Trdnost materiala je večja, ko je material obremenjen enakomerno. V primeru spreminjajoče se obremenitve pa se njegova trdnost znatno zmanjša. Slika 9 prikazuje različne vrst obremenitev:

Slika 9: Enakomerne in dinamične obremenitve

Primer a predstavlja enakomerno obremenitev, primer b pa neenakomerno. Popolnoma neenakomerne obremenitve niso primerne za primerjanje preizkusnih rezultatov, zato izvajamo preizkuse z ''urejenimi'' neenakomernimi obremenitvami. Dinamiko trdnost določamo pri sinusni obremenitvi. Napetost niha za amplitudo σa od srednje napetosti σmed (primer c). Obremenitve so lahko enosmerne (primera c in č) ali izmenične neenakomerne (primera d in e). Primer č imenujemo utripna dinamična obremenitev, kjer napetost niha med 0 in σmax. Primer e pa imenujemo nihajna dinamična obremenitev, kjer napetost niha med -σmax in +σmax, pri čemer je srednja napetost σmed = 0. Ker je trajnost materiala odvisna od števila nihajev obremenitve, se z zmanjševanjem amplitude napetosti σa pri dinamični obremenitvi povečuje število nihajev N, ki jih material prenese brez zloma. Odvisnost σa =f(N) prikazuje Wohlerjeva krivulja na sliki 10a. Wohlerjeva krivulja se pri določenem številu nihajev ND približa dinamični trdnost σD. Dinamična trdnost je torej največja napetost σmax, pri kateri se material pri kakršnem koli povečanju števila nihajev obremenitve ne zlomi več. Diagram dinamične trdnosti imenujemo Smithov diagram. Smithov diagram prikazuje dinamično trdnost v odvisnosti od srednje napetosti pri različnih obremenitvah.

Slika 10: Wohlerjev in Smithov diagram

14

I - mirna obremenitev II - utripna obremenitev III - nihajna obremenitev Običajno so v Smithovih diagramih, za določen material, prikazane dinamičen trdnosti za različne načine obremenitev; nateg in tlak, torzija ali vzvoj in upogib. V praksi se pa v materialu pojavljajo razpoke, ki pri neenakomernih obremenitvah hitro napredujejo. Zaradi razpok v materialu (npr. zvari) se dinamična trdnost močno zmanjša.

3.5 Utrujenost materiala Utrujenost materiala je povezana s trajno dinamično trdnostjo, saj se s tem preizkusom preverja odpornost materiala proti dinamičnim obremenitvam. Kot je bilo razvidno iz Wohlerjevega diagrama zdrži jeklo pri napetosti σD, 107 cikličnih ponovitev. Ob upoštevanju razpok v materialu se število ciklov zelo zmanjša. Poleg tega vsaka anomalija v strukturi kovine pripomore k nastajanju mikroskopskih razpok, ki pri dinamičnih obremenitvah napredujejo in s tem bistveno skrajšajo življenjsko dobo strojnega dela. Pogostost okvar je mogoče zmanjšati na naslednje načina:

- zmanjševanje dinamičnih obremenitev (zmanjševanje vibracij s pravilnim uravnoteženjem mas, dušilci vibracij,…)

- znižanje napetosti pod trajno dinamično trdnostjo - uporaba materialov brez notranjih napak (vakumska obdelava) - skrbno varjenje in kontrola zvarov - z izboljšanjem geometrije strojnih delov (brez notranjih ostrih robov, primerna

površinska obdelava,…) Pri temperaturno obremenjenih strojnih delih je poleg utrujenosti materiala potrebno upoštevati še krhko lom, do katerega zaradi morebitne razpoke, pride bistveno prej. Zato je pri pomembnih strojnih delih pomembna občasna natančna inšpekcija.

3.6 Lezenje materiala Lezenje je lastnost materiala, ki se pod statično obremenitvijo deformira. Zaradi statične obremenitve se vidne deformacije opazijo šele po daljšem obdobju. Napetosti, ki se pri tem pojavljamo so manjše od meje plastičnosti. Predvsem je lezenje materiala odvisno od temperature. Pri višji temperaturi lahko postane problematično, zlasti pri strojnih delih, ki so izpostavljeni višjim temperaturam. Lezenje se pojavlja pri vseh materialih, pri kovinah pa je pomembno le tisto pri temperaturi okoli 0,4 Tm, kjer je Tm tališče kovine. Tipična krivulja lezenja Δε/Δt je prikaza na sliki 11. Ker diagram prikazuje razmerje med raztezkom in časom, govorimo o hitrosti lezenja.

15

Slika 11: Krivulja hitrosti lezenja materiala za tipično kovino

Krivulja lezenja je razdeljena na več karakterističnih obdobij. V prvem nastopi začetna deformacija zaradi obremenitve in prvi raztezek zaradi obremenitve. V drugi dobi se pojavi konstantno lezenje materiala, v zadnji, tretji dobi pa je material že tako deformiran, da hitrost lezenja še naraste. V tretji dobi se material poruši.

3.7 Upogibni preizkus V strojništvu in gradbeništvu so velikokrat elementi obremenjeni na upogib. Vsakič, ko element prenaša obremenitev med dvema sli več opornimi točkami, govorimo o upogibni obremenitvi. Upogibna napetost oz. napetost, ki se pojavi v materialu pri upogibu definiramo z:

uu

MW

σ = [N/mm2]

kjer je Mu [Nm] upogibni moment in W [mm3] odpornostni moment prereza. Upogibni moment je definiran kot sila F, ki deluje na ročici a oz. uM F a= ⋅ . Odpornostni moment je definiran kot vztrajnostni moment deljeno razdalja od prijemališča sile do najbolj oddaljene točke od nevtralne osi. Zapisano v matematični obliki se glasi:

IWe

= [mm3]

kjer je I [mm4] vztrajnostni moment in e [mm] in razdalje med nevtralno osjo in najbolj oddaljeno točko od osi. Shematski prikaz upogibnega preizkusa je prikazan na sliki 12.

Slika 12 : Upogibni preizkus

16

Pri upogibnem preizkusu imajo preizkušanci pravokotni, kvadratni ali krožni presek, preizkušajo pa se na upogib tudi standardni profili. Če v predpisih za preizkusni material ni določeno drugače, naj bi debelina preizkušanca ne presegala 30 mm. Kot podpori za upogib se jemljeta dve valjasti palici standardno definiranega premera. Upogibanje mora biti počasno in neprekinjeno do končnega upogibnega kota oziroma do prvih pojavov razpok na zunanji steni preizkušanca.

3.8 Preizkusi brez poškodbe materiala S temi preizkusi ugotavljamo majhne površinske razpoke, ki niso vidne s prostim očesom, ter napake v notranjosti materiala; zvarih , odlitkih, … Tri najbolj uporabni zunanji ali površinski preizkusi za preverjanje razpok so: optični-vizualni, prodorno barvilo in magnetični preizkus. Notranji preizkusi oz. preizkusi za ugotavljanje napak v materialu pa so: preizkus z rentgenskimi žarki, preizkus z ultrazvokom, preizkus z žarki gama, ter za prevodne materiale ter manjše globine še magnetni preizkus s spiralnim navitjem.

3.8.1 Optični-vizualni preizkus Izvede se ga lahko v vsakem trenutku. Izvede se ga hitro in enostavno ter brez stroškov. Včasih se za površino slika ter preverja s predhodnim stanjem. Optični pregled je najenostavnejši, je pa tudi najmanj natančen in omogoča le površinski pregled.

3.8.2 Preizkus s prodorno barvo Pri tem preizkusu uporabljamo barvilo ki obarva le mesto kjer je razpoka. Čeprav je razpoka s prostim očesom nevidna, jo s tem postopkom lahko opazimo. Uporablja se jo lahko za pregled površine stekla, kovin, odlitkov, odkovkov in zvarov. Postopek je enostaven in poceni. Postopek poteka v več fazah. Površino preizkušanca je treba predhodno popolnima očistiti in spoliarti. Za tem se nanese na površino vpojno tekočino, ki kapilarno prodre v razpoke. Nato se površino očisti tako, da je vpojna tekočina ostala v razpokah. Za tem razpršimo aktivacijsko sredstvo, ki se obarva (rdeče, roza barve) v stiku z vpojno tekočino.

3.8.3 Magnetični preizkus Feromagnetne materiale kot so siva litina, jeklo in drugi premažemo s slojem redkega olja ali petroleja, ki mu dodamo železov prah, ter jih namagnetimo. V homogeni snovi se pojavlja enakomerno magnetno polje, pri katerem železov prah, dobi enakomerno obliko magnetnih tokovnic. Vsaka nehomogenost v snovi (razpoke, tujki, vdolbine) povzroči odklanjanje magnetnega polja, kar se pokaže z neenakomerno porazdelitvijo železovega prahu na površini. Napake se pokažejo čeprav so pod površino. Slika 13 prikazuje enakomerno magnetno polje in odklon magnetnega polja, če je v materialu razpoka.

17

Slika 13: Odkrivanje napak z magnetičnim preizkusom

Če uporabljamo magnetno tuljavo je magnetno polje usmerjeno prečno in z njim odkrivamo prečne napake. Razlog je v tem, da se največji odklon magnetnega polja pojavi takrat, ko so napake v materialu pravokotne na smer magnetnega polja. Za vzdolžno ležeče napake pa vključimo predmet kot upor v električni krog, skozi katerega teče močan tok. Ta tok povzroča pravokotna na svojo smet magnetno polje, ki odkriva vzdolžne napake.

3.8.4 Preizkus z rentgenskimi žarki ali gama žarki Radiografsko preizkušanje pomeni obsevanje preizkušanca rentgenskim ali gama žarkom. Ker imajo žarko visoko energijo prodrejo skozi material. Na nasprotni strani preizkušanca postavimo fotografski film, fluorescenčni zaslon ali elektronski detektor, na katerih se izriše dvodimenzionalna slika notranjosti preizkušanca. Za lociranje natančne lege napake, preizkušanec enostavno obrnemo za 90 stopinj. Razlika med rentgenskimi ni gama žarki je v tem, da so gama žarki veliko bolj trdi, kar pomeni, da imajo manjšo valovno dolžini in s tem lažje prodirajo v snov. Uporabljamo jih za preizkušanje debelejših preizkušancev. Za razumevanje lahko podam podatek, da pri rentgenskih žarkih, kjer je rentgenska cev pod napetostjo 230 kV, prodrejo žarki 60 mm globoko v železo.

3.8.5 Preizkus z ultrazvokom Pri ultrazvočnem preizkusu uporabljamo mehanično nihanje s frekvenco nad 20 kHz. Osnova ultrazvoka je v piezoelektričnem efektu kremenovega kristala oz. njegovo deformacijo pod vplivom električnega polja. Če tak kristal prepustimo vplivu izmenične električne napetosti, se razreza in krči s frekvenco napetosti. Tako dobimo iz električnega mehanično nizanje –ultrazvok. Ko se z ultrazvočnim oddajnikom dotaknemo predmeta se nihaji širijo skozi snov. Na razpokah, ki so lahko celo manjše od stotine milimetra, se ultrazvok odbija. Reflektirani ultrazvok zaznavamo z detektorji zaznavamo in izrišemo sliko. Postopek se uporablja za bolj homogene material, saj bi bila pri materialih kot so litine, zaradi nehomogenosti (npr. nodulov) strukture, slika praktično nečitljiva.

4 TOPLOTNA OBDELAVA MATERIALOV Za izboljšanje mehanskih lastnosti jekla moramo to toplotno obdelati. Odvisno od uporabljenega postopka postane jeklo bolj trdo, žilavo ali trdno. Najpomembnejša je vsekakor trdota. Tem

18

jeklom pravimo orodna jekla. Po kemični sestavi so lahko ogljikova ali legirana. Toplotna obdelava v osnovi bazira na spremembi strukture brez spremembe oblike.

4.1 Kaljenje jekla Kaljenje je postopek s katerim dosežemo izredno trdoto zmanjša pa se elastičnost in žilavost. Kalimo jekla, ki vsebujejo nag 0.6% ogljika. Postopek kaljenja poteka v treh fazah:

- segrevanje - hitro ohlajanje - popuščanje

1. Segrevanje S segrevanjem nad črto G-S-E dosežemo, da se ogljik spaja z železom oz. preidemo v področje γ železa ali avstenita. Temperatura segrevanja je odvisna od količine ogljika v jeklu. Naj bolj idealna so jekla z 0.77 % ogljika, kjer se vsa perlit s segrevanjem spremeni v avstenit. Slika 14 prikazuje temperature kaljenja za jekla pri različnih koncentracijah ogljika.

Slika 14: Temperature kaljenja za ogljikovo jeklo

2. Hitro hlajenje S hitrim ohlajanjem dosežemo, da ostane ogljik prisilno vezan v železom tudi pri normalni temperaturi, kar daje strukturi izredno trdoto (martenzit). Da dosežemo nastanek martenzita je treba predmet ohlajati s kalilne temperature z najmanj 'kritično hitrostjo ohlajanja'. Ogljikova in malo legirana jekla zahtevajo zelo veliko kritično hitrost ohlajanja, ki jo dosežemo lahko le v vodi. Obstaja več načinov hlajenja;

- Prekinjeno kaljenje, deloma hladimo v vodi za zagotavljanje nastanka martenzita, deloma pa počasi ohlajamo zaradi zmanjševanja napetosti.

- Stopenjsko kaljenje, najprej hladimo s hitrostjo, ki je nad kritično hitrostjo ohlajevanja, nato pa hladimo na zraku kar povzroči poznejši nastanek martenzita.

3. Popuščanje napetosti

19

Po hitrem ohlajanju se v materialu pojavijo določene napetosti in taki materiali radi počijo. Zato dele ponovno segrejemo do 200 – 400oC in jih počasi ohlajamo. Podoben postopek kaljenju je poboljšanje s katerim dosežemo veliko natezno trdnost jekla, trdota pa je manjša kot pri kaljenju. Razlika med kaljenjem je v tem, da popuščamo pri višji temperaturi (400 – 680oC). S tem dosežemo, da martenzit deloma razpade. Jekla za poboljšanje vsebujejo od 0.2 – 0.6% ogljika. Poboljšamo močno obremenjene strojne dele kot so gredi, vzmeti, žice, imbus vijaki, …

4.1.1 Površinsko kaljenje Dele ki so izpostavljeni površinski obrabi in zahtevalo trdo notranjost kalimo le površinsko. Kot pri običajnem kaljenju kalimo dele z približno 0.6% ogljika. Površino z električnim gorilnikom hitro segrejemo in ohladimo. S tem dosežemo temperaturo avstenizacije le na povrhnji plasti, s takojšnjim kaljenjem, pa nastanek martenzita. Pod slojem martenzita pa ostane feritna in perlitna struktura.

4.2 Žarjenje jekla Žarjenje jekla je postopek, pri katerem grejemo jeklo pri določeni temperaturi določen čas in ga nato ustrezno hladimo, da bi dosegli želene mikrostrukturne spremembe. Z različnimi postopki žarjenja dosegamo izenačenje kemične sestave in mikrostrukture, povečanje žilavosti, zmanjšanje velikosti kristalnih zrn, povečanje mehkosti jekla ali odstranjevanje notranjih napetosti. Pri žarjenju sta zelo pomembni temperaturi mikrostrukturnih sprememb. Že v poglavju 4.1 sem omenil črto G-S kot spodnja meja avstenitnega področja in črta (A1) pri temperaturi 723oC kot meja razpadanja avstenita v perlit. Poznamo več postopkov žarjenja:

a. Difuzijsko žarjenje b. Žarjenje za gnetenje v toplem c. Normaliziranje d. Žarjenje na mehko e. Žarjenje za odstranjevanje notranjih napetosti

Slika 15 prikazuje Žarjenje ogljikovega nelegiranega jekla pri različnih postopkih žarjenja.

20

Slika 15: Žarjenje ogljikovega nelegiranega jekla Difuzijsko žarjenje je dolgotrajno žarjenje jekla pri visokih temperaturah. Namenjeno je za izenačevanje neenakomerne kemične sestave nastale pri litju., ki otežuje predelavo in zmanjšuje kvaliteto jekla. Zaradi difuzijskega žarjenja nastala grobo zrnata struktura se da odstraniti z gnetenjem v toplem ali z normaliziranjem. Žarjenje za gnetenje v toplem se uporablja pred kovanjem, prešanjem, valjanjem, itd. Ker so kristali po litju grobo zrnati, postanejo z gnetenjem mnogo bolj fini, kar pripomore k večji trdnosti in žilavosti. Normaliziranje je postopek odpravljanja grobo zrnate strukture nastale pri litju, pri čemer želimo ohraniti obliko dela. Pri gnetenju obstaja problem debelih odkovkov pri katerih jedro ostane pot temperaturo avstenitnega področja in ostaja mikrostruktura grobo zrnata. To mikrostrukturo lahko spremenimo v bolj fino z normalizacijo. Žarjenje na mehko uporabljamo ko želimo jeklo v čim mehkejšem stanju, primernem za obdelavo. Obenem je to stanje izhodišče za pravilno kaljenje, saj zmanjšuje nevarnost, da bi predmet počil. Žarjenje za odstranjevanje notranjih napetosti uporabljamo po obdelavi delov (obdelava z rezanjem, gnetenje v hladnem, vlečenje, valjanje, itd.) za odpravljanje notranjih napetosti. Postopek poteka tako, da predmet segrejemo na temperaturo 500 – 600oC in nato počasi ohlajamo.

4.3 Vpliv varjenja na strukturo varjenca Varjenje je ravno tako taljenje osnovnega materiala, ki zaradi tega spremeni svojo strukturo na mestu zvara. V tem poglavju lahko omenim zelo pomemben pojem, ki se uporablja v varilni tehniki. Govorim o varivosti. Pri pojmu varivosti je sicer v ospredju vprašanje kvalitete materiala (osnovnega in dodajnega), vendar je dobra varivost povezana tudi z varilnim postopkom in tehnologijo. Nič manjši pa ni vpliv varjenca ali zvarjene konstrukcije in obratovalnih pogojev, ki jim bo izpostavljena. V pomorstvu je najbolj pomembna varivost jekla, ki je v prvem koraku odvisna od kemične sestave oz. deleža osnovnih elementov v železu (C, Si, Mn, P, S), od možnih legirnih dodatkov (Cr, Ni, Mo, V, W, Al, Ti, Cu, Co) ter od čistoče in tudi plinov (kisik, dušik in vodik).Poleg tega ima velik vpliv na varivost tudi debelina materiala, ker je od nje odvisna hitrost ohlajanja zvara neposredno po varjenju. Ogljik vpliva na trdoto po varjenju, pa tudi na druge karakteristike železa. Za običajno varjenje predpostavljamo kot mejno vrednost do 0.20 do 0.30% C. Pri vsebnosti ogljika nad 0.3% je varjenje možno samo s predgrevanjem. Na varivost vplivajo legirni elementi, tako da se spreminja kaljivost in prekaljivost jekla tj. potek avstenitne premene pri ohlajanju iz γ- področja. Vseh nečistoč mora biti v železu čim manj. Žveplo in fosfor naj ne presegata 0.045% oz. 0.07% skupno, zagotavljata pa dobro varivost pri vsebnosti vsaj 0.02%. Ostalih nečistoč naj bi bilo manj kot 0.01%, čim manj pa naj bo tudi plinov. Pri varjenju lahko prihaja v zvaru in varjencu do naslednjih anomalij; - Vroče razpoke nastajajo pri visoko temperaturi že med kristalizacijo ali neposredno pod

solidusom. Ogljik v kombinaciji z žveplom in fosforjem ter silicij izrazito povečujejo pokljivost v vročem, mangan jo zmanjšuje, ostali elementi pa imajo različen vpliv.

21

- Hladne razpoke nastajajo pri temperaturah pod 300oC. Glavni razlogi za nastanek so neravnotežne strukture (martenzit, bianit), velika vsebnost vodika in notranje napetosti. Poleg teh imamo tu še dodatni vpliv hitrosti ohlajanja, ki je odvisen od vrste in debeline materiala in od dovedene toplote na enoto dolžine zvara.

- Lamelna pokljivost je posledica nekvalitetnega (nečistega) slojastega osnovnega materiala, ki ima močno poslabšalne mehanske lastnosti, kar se tiče debelina. Najslabši je vpliv prevelike vsebnosti žvepla (> 0.02%) in drugih nečistoč (oksidni vključki).

- Pokljivost po toplotni obdelavi oz op napetostnem žarjenju po valjanju je zelo kritičen pojav, ker se razpoke pojavijo šele čez čas. K temu so najbolj nagnjena mikrolegirana drobnozrnata jekla s povišano mejo plastičnosti.

- Močno legirana jekla se po varivosti zelo razlikujejo od ostalih. Pri teh jeklih je najvažnejša osnovna metalografska struktura. Varivost martenzitnih jekel je kritična, potrebno je predgrevanje, napetostno žarjenje in še drugi ukrepi. Varivost feritnih in avstenitnih jekel je nekoliko boljša s tem, da je pri varjenju potreben majhen vnos energije in izbira ustreznega dodajnega materiala.

5 ZMESNI ELEMENTI V ŽELEZU IN JEKLU Na kratko želim predstaviti kakšen vpliv imajo elementi kot so kobalt, nikelj, krom, molibden, vanadij, volfram, baker, magnezij, silicij in titan na strukturo ter mehanske lastnosti jekla. Kot je bilo omenjeno v prejšnjih poglavjih so jekla, kjer je najpomembnejši karakteristične element ogljik, ogljikova jekla. V primeru, ko imajo legirni elementi odločilen vpliv na lastnosti jekla, govorimo o legiranih jeklih. Legirana jekla delimo v dve skupini odvisno od vsebnosti legirnih elementov.

- nizko legirana jekla z vsebnostjo legirnih elementov do 5% in - visoko legirana jekla z vsebnostjo legirnih elementov nad 5%

Legirni elementi vplivajo na premenske točke sistema Fe-C. Elementi kot so Mn, Ni, Co, N so gamageni: razširjajo področje avstenita, tako da pri visokih dodatkih teh elementov v jeklu zadržimo avstenitno strukturo brez premen do navadne temperature. Elementi kot so Cr, Si, P, Ti, Al, Mo, W, V so alfageni: zožujejo področje avstenita v diagramu Fe-C, tako da dobimo pri večjih količinah teh elementov v jeklu čisto feritno strukturo pri vseh temperaturah in so takšna jekla brez sprememb strukture (feritna jekla). Nekateri elementi, kot so Mn, Cr, W, Mo, V, Ti itd. tvorijo z ogljikom karbide. Lahko nadomeščajo del železa v cementitu Fe3C (zmesni karbidi), ali pa tvorijo samostojne posebne karbide, ki se težko raztapljajo v železu. Ti karbidi imajo veliko trdoto. Vpliv nekaterih glavnih legirnih elementov na lastnosti jekla: KOBALT (Co) Kobalt se raztaplja v železu in širi avstenitno področje. Zavira rast zrn pri povišani temperaturi, stabilizira strukturo ter povečuje trdnosti pri povišani temperaturi. Zato so orodna jekla za delo v vročem in hitrorezna jekla legirana s kobaltom. NIKELJ (Ni)

22

To je izraziti gamageni element zato so avstenitna jekla običajno legirana z nikljem. Ne tvori karbidov in povečuje žilavost pri nizkih temperaturah. Zmanjšuje toplotno prevodnost in toplotno razteznost jekla. Nikelj se uporablja kot legirni element pri jeklih s posebnimi lastnostmi, jeklo za delo pri visokih in nizkih temperaturah (ker je kemijsko zelo stabilno), nemagnetno jeklo, jeklo za kurišča, … Zaradi visoke cene se običajno legira v kombinaciji z nekim drugim elementom. KROM (Cr) Krom je zelo dober karbidotvorec in tvori karbide trše od cementita. Karbidi imajo veliko odpornost na površinski pritisk in obrabo. Krom razširja področje ferita, ker je tako imenovani alfageni element. Povečuje kaljivost tako, da se jekla legirana s kromom po avstenizaciji lahko hladijo v olju ali celo na zraku. Pri vsebnosti nad 12 % Cr postane jeklo obstojno na korozijo. Po popuščanju je jeklo legirano s kromom krhko, se pa to popravi po legiranju z molibdenom. Krom v jeklu deluje na zmanjševaje toplotne prevodnosti in toplotne razteznosti. MOLIBDEN (Mo) Praviloma se kombinira z drugimi elementi. Učinkuje na povečanje meje elastičnosti, meje plastičnosti in natezne trdnosti. Pri Cr-Ni in Mn jeklu se dodaja molibden za zmanjševanje nevarnosti pojava krhkosti pri popuščanju. Molibden deluje na formiranje finozrnate strukture in zvišuje trdoto. Kot odličen karbidotvorec doprinese k povišanju rezalnih karakteristik hitroreznega jekla. VANADIJ (V) Vanadij je močan karbidotvorec in na ta način povišuje trdoto in odpornost proti obrabi pri normalnih in povišanih temperaturah. Uporablja se ga kot legirni element pri orodnih jeklih za delo v vročem in hitroreznih jeklih. Zaradi visoke cene se ga uporablja v kombinaciji z drugim elementi. VOLFRAM (W) Volfram je močan karbidotvorec in njegovi karbidi so zelo trdi in toplotno obstojni. Volfram v jeklu povečuje mejo elastičnosti in natezno trdnost, v manjši meri pa žilavost. Deluje na povečanje trdote in odpornosti na obrabo pri delu v vročem ter preprečuje porast zrn pri povišani temperaturi. SILICIJ (Si) Silicij podobno kot mangan (Mn) dober deoksidator in se ga uporablja pri proizvodnji jekla. Povečuje trdnost in odpornost proti obrabi. Zelo dobro deluje na višanje meje elastičnosti ter povečuje dinamično trdnost, zato se ga uporablja pri jeklih za vzmeti. Pri toplotni obdelavi je jekla legirana z silicijem po površini deloma razogličijo, pri cementiranju pa otežujejo difuzijo ogljika v jeklo. TITAN (Ti)

23

Titan ima veliko afiniteto s kisikom, ogljikom in dušikom, je alfageni element in deluje na zoženje avstenitnega področja. Je najmočnejši karbidotvorec in njegovi karbidi težko razpadajo pri povišani temperaturi. Povzroča finozrnato strukturo in zmanjšuje nevarnost pregrevanja.

6 NEŽELEZNE KOVINE Že po barvi se bistveno razlikujejo od jekla. Tudi mehanske lastnosti, gostota, tališče, korozijska obstojnost so zelo različne. Postopki pridobivanja so zahtevni, zato so sorazmeroma drage. Glede na omenjene lastnosti delimo barvne kovine na:

- težke kovine (Cu, Zn, Pb, Sn,…) - lahke kovine (Al, Mg, Be, ..) - plemenite kovine (Ag, Au, Pt,…) - druge kovine (Hg, Cd, …)

Uporabnost barvnih kovine je glede na lastnosti zelo različna:

- dobri prevodniki električnega toka (Ag, Cu, Au, …) - dobri konstrukcijski materiali (Al zlitinr, Cu zlitine) - obstojni proti koroziji (vse plemenite kovine in Cu, Al, Sn ,…) - uporabne kot ležajne zlitine - uporabne kot loti in zlitine z nizkim tališčem - imajo dobro livnost (Zn zlitine, Al-Si zlitine, broni)

6.1 Težke barvne kovine Najpomembnejše so baker, svinec, cink in kositer.

6.1.1 Baker Baker ima med tehniško pomembnimi kovinami posebno mesto. Čisti baker je rdečkaste barve, ima izredno veliko električno prevodnost ter dobro korozijsko obstojnost. Slabše je odporen proti kislinam, na vlagi se prevleče z zelenim zaščitnim oksidom – zeleni volk. Zelo pomembna lastnost je sposobnost velike plastične deformacije v širokem intervalu temperatur. Natezna trdnost je odvisna od načina valjanja in varira od 200 do 450 N/mm2. Tehnološko se ga v 70 % uporablja za elektrotehniko ostalo pa izdelavo različnih polizdelkov in zlitin. Predvsem s hladno deformacijo se lastnosti bakra spremenijo. Poveča se mu trdnost in trdota, zmanjša pa se električna prevodnost in plastičnost. Prvotne lastnosti lahko dosežemo s kaljenjem bakra. Baker segrejemo do žarišča in ga za tem ohladimo v vodi. Bakrove zlitine Z dodatki kositra, cinka, v novejšem času pa tudi Al, Mn, Si, Pb in Ni, se mehanske lastnosti bakra bistveno izboljšajo. Izboljša se tudi livnost in obdelovalnost, odpornost proti kemičnim vplivom, poslabša pa se električna prevodnost. Najpomembnejše bakrove zlitine so MEDI in BRONI.

24

Medi so zlitine bakra in cinka, kjer je bakra več kot 50%. So zlato rumene barve z odličnimi mehanskimi lastnostmi, veliko korozijsko odpornostjo, dobro obdelovalnostjo in livnostjo. Po namenu jih delimo na mede za gnetenje z vsebnostjo od 10% do 40% Zn in mede za litje z vsebnostjo okrog 40% Zn. Natezna trdnost medi varira v odvisnosti od vsebnosti posameznih komponent in je od 250 do 480 N/mm2. Zlitine bakra s cinkom in svincem imenujemo svinčeni medi. Svinčeni medi so korozijsko zelo obstojni in imajo dobre tehnološke lastnosti (obdelovalnost, livarske sposobnosti,…). Iz njih izdelujemo trakove, palice, pločevino, žice in cevi. Natezna trdnost svinčenih medov je od 350 do 420 N/mm2. Z dodatki mangana se poveča trdota, zato iz njih izdelujemo puše in ležaje. Broni so zlitine bakra in kositra, v novejšem času pa tudi Al, Mn, Si, Pr, in Ni. Poznamo več vrst bronov:

- Kositrovi broni vsebujejo od 3 do 10% kositra, imajo izredno trdnost, odpornost proti koroziji in dobro obdelovalnost. Natezna trdnost je okrog 850 N/mm2.

- Kositrovi broni za litje vsebujejo od 10 do 25% kositra, izredno so odporni poti koroziji in udarcem. Natezna trdnost je okrog 300 N/mm2.

- Aluminijevi broni vsebujejo od 5 do 10% aluminija, dobro dušijo oscilacije in so odporni na kisline. Z dodatki železa, niklja in mangana dosežejo veliko trdoto tudi pri povišani temperaturi.

- Svinčeni broni vsebujejo od 1.5 do 3% svinca ter od 35 do 45 % cinka. Natezna trdnost je od 350 do 510 N/mm2 in imajo dobre preoblikovalne lastnosti.

- Silicijevi broni vsebujejo okrog 4% Si in je izredno odporen proti oksidaciji. Je odličen električni prevodnik in ima dobro trdoto.

- Manganov bron vsebuje do 12 % Mn, je izredno trd, odporen proti koroziji in temperaturi. Uporablja se za rešetke pri kuriščih kotlov.

- Nikljevi broni so že desetletja pomembna gradiva; odlikujejo jih mehanske lastnosti, korozijska obstojnost, električna upornost ter termoelektrične lastnosti. Rabijo se predvsem za izdelovanje delov odpornih proti koroziji, zato so zeli primerni v pomorskem inženirstvu, zaradi električnih in termoelektričnih lastnosti, pa tudi za namene elektrotehnike.

6.2 Lahke barvne kovine So v zemeljski skorji skoraj najbolj razširjene. Za tehniko so najpomembnejši Al, Mg, Li, … Velika tehnična uporabnost lahkih kovin se začne z iznajdbo elektrolize, ki omogoča masovno pridobivanje teh kovin.

6.2.1 Aluminij V zemeljski skorji ga je največ (8%). Najbolj poznana ruda je Boksit, ki vsebuje okrog 25% Al. Boksit najprej lužimo in pridobivamo glinico, iz katere z elektrolizo pridobivamo aluminij. Aluminij je sivo bele, odporen proti koroziji in kislinam, slabše pa proti lugom in solem. Je mehak in zelo dobro preoblikovalen. Varimo ga lahko v nevtralni atmosferi (argon) in s posebnimi oplaščenimi elektrodami. Aluminij ima tudi veliko električno in toplotno prevodnost. Natezna trdnost Al je okrog 100-120 N/mm2.

25

Aluminijeve zlitine Z dodatki bakra, silicija in magnezija se trdnost in trdota Al bistveno izboljšata. Še boljše mehanske lastnosti pa dosežemo s toplotno obdelavo – utrjevanjem aluminijevih zlitin.

Najbolj poznana zlitina je DURAL – DURALUMINIJ,zlitina aluminija in bakra, ki doseže po toplotni obdelavi trdnost okrog 450 N/mm2. Zaradi prisotnosti bakra pa je slabo obstojen proti koroziji in morski vodi, zato ga je potrebno zaščititi – barvati ali eloksirati (električno oksidirati površino aluminija, da se obarva in otrdi). Zlitine aluminija z magnezijem imajo lep sijaj in so odporne proti koroziji. Zaradi svoje korozijske obstojnosti, tudi v morski vodi, se ga uporablja v ladjedelništvu in transportnih sredstvih. Natezna trdnost je okoli 250 N/mm2. Zlitine aluminija s silicijem imenujemo SILUMINIJ, ki ima že pri tankih stenah veliko trdnost in se da lepo ulivati. Korozijsko je dobro obstojen. Iz siluminija vlivamo bloke manjših motorjev, bate, uplinjače, ohišja črpalk in razna strojna orodja. Aluminijeve zlitine na bazi AlCu, AlSiCuNi, AlCuMg in AlMgSi se dajo toplotno utrjevati (izločevalno utrjevati). Toplotno (izločevalno) utrjevanje aluminijevih zlitin je osnovano na spremenljivi topljivosti določenih elementov (npr. Cu, Si, Mg itd) v aluminiju. Aluminij pri temperaturi okoli 500oC dobro topi te elemente, medtem ko je njegova sposobnost za topljenje pri nižjih temperaturah neznatna. Če pri 500oC trdno raztopino hitro ohladimo, se raztopljeni elementi ne morejo pravočasno izločiti, tako da ostanejo v prenasičeni raztopini. Ko se presežek raztopljenih elementov sčasoma izloči v kristalnih zrnih ali med njimi, postane zlitina trdnejša. Toplotno utrjevanje aluminijevih zlitin dosegamo torej z žarjenjem (4 – 6 ur) pri temperaturi, določeni za vsako zlitino (okoli 500 – 570oC), ter jih ohlajamo v vodi in dodatnim staranjem. Staranje je lahko pri naravni temperaturi, ki traja več časa ali pri povišani temperaturi (100 – 200oC) od 8 do 15 ur.

7 NEKOVINSKA GRADIVA Uporaba nekovinskih materialov je čedalje večja. Služijo lahko kot konstrukcijski materiali (zobniki, ohišja, vrvi),kot tesnilni in izolacijski materiali, kot maziva in pogonska sredstva. Glede na izvor ločimo naravna gradiva (les, usnje, guma, volna) in umetno pridobljena ali sintetična gradiva (plastične mase), obstajajo pa tudi mešanice. Poglavje obravnava nekatere, v pomorstvu pomembnejše, nekovinske materiale ter njihovo uporabo.

7.1 Guma Naravno gumo(Poyisopren) pridobivamo iz kavčuka, katerega pridobivamo iz lateksa. V lateksu je okrog 20-30% kavčuka. Pri tehnološko predelavi separiramo kavčuk od lateksa z ocetno kislino. Usedlino kavčuka nato posušimo in stiskamo v surovo gumo. Nato surovo gumo očistimo in ji dodamo polnila (cinkov oksid, kredo, smole, barve, olja). Z dodatkom žvepla ter vulkanizacijo postane snov elastična. Odvisno od količine žvepla ločimo mehko gumo 2-20%

26

žvepla in trda guma z 20-50% žvepla. Vulkanizacija poteka pri visoki temperaturi in tlaku ter odvisno od velikosti in oblike izdelka. Lastnosti gume:

- majhna trdnost in velika razteznost - guma postane trda pod vplivom svetlobe, kisika in trajne obremenitve - obstojna le je do 60oC nato postane trda in krhka - odporna je proti kislinam in lugom ni pa odporna proti mineralnim oljem in mazivom

(organske spojine) Uporablja se jo na vseh področjih vsakdanjega življenja. V tehniki jo uporabljamo kot tesnila, zračnice, plašče, za elemente sklopk, vzmeti, dušilci vibracij, jermene, izolacijo kablov, razna držala, … Umetna guma Kot osnovno spojino uporabljamo acetilen (etin). S kemičnimi procesi dobimo iz acetilena butadien, ki ima podobne lastnosti kot kavčuk. S polimerizacijo spremenimo male molekule v velike s katalizatorjem natrija. Od tu ime buna. Nadaljnji postopek je podoben kot pri naravni gumi. Buna ima večjo trdnost, elastičnost, trajnost od naravne gume, je odpornejša proti večini organskih spojin in je bistveno dražja. Seveda je umetnih gum več vrst, ter z različnimi karakteristikami:

- poliuretanska guma - stiren butadienska guma - butadienska guma - butilna guma - akrilonitril butadienska guma (NITRILE) - silikonska guma - Polikloroprenska guma (NEOPRENE) - Poliakrilna guma (ACRYLIC) in druge

7.2 PTFE – Teflon Politetrafluoroetilen ali po domače Teflon je zelo poznan iz vsakdanjega življenja kot obloga kozic in ponev na katere se hrana ne prilepi. To odlično drsno lastnost pa se koristi v tehniki za zmanjševanje trenja pri gibajočih mehanizmih. Primer so ležaji brez olja. Dobro je odporen na temperaturo, njegovo delavno področje je od –100 do 260oC. Obstojnost na temperaturo in drsne sposobnosti lahko koristno izkoriščamo pri drsečih delih v motorjih. Teflon se uporablja tudi kot primes barvam in premazom. Zaradi svojih odličnih drsnih lastnosti se te barve uporabljajo v pomorstvu, predvsem pri hitrih plovilih. Zaradi obstojnosti na kisline in luge se barve s Teflonom uporabljajo kot notranji premazi za rezervoarje. Zaradi dobrih lastnosti proti oprijemanju so ti rezervoarji lažji za čiščenje. Ker so delci Teflona homogeno razporejeni po mešanici barve se ugoden lastnosti premaza ohranijo do popolne obrabe le tega. Izkazalo se je,da te barve 20% bolj obstoje na obrabo ter imajo 50% boljše drsne lastnosti.

7.3 Epoksidna smola

27

Epoksidna smola je amorfen duromer oz. snov ki je brez kristalne strukture. Označba za epoksidne spole je EP. Običajno se duromeri kot tudi epoksidne smole utrjujejo s polnili. Dodatek stekla, ki predstavlja pletivo poveča natezno trdnost duromera tudi za pet krat in več. Da se epoksidna smola strdi mora ta polimerizirat. Polimerizira pa z zamreževanjem ali trdilom. Zelo kvalitetna lepila z kovino so izdela na osnovi epoksidnih smol, ki jih dobimo na tržišči v obliko dvokomponentnih lepil. Epoksidne smole se uporabljajo tudi za konstrukcijo in popravilo manjših in večjih plovil, čolnov. Imajo večjo adhezijsko sposobnost, trdnost in so bolj odporne na vlago.

7.4 Azbest V pomorstvu obstaja veliko pravilnikov in navodil, ki obravnavajo varovanje človekovega zdravja ter potrebne varnostne ukrepe pri rokovanju z azbestom. Čeprav je uporaba v novih objektih prepovedana, je še vedno veliko starih ladij v katerih je azbest vgrajen. Običajno se je azbest uporabljalo kot toplotni in električni izolator ter kot drsni material. Pri starejših konstrukcija ga lahko dobimo v požarnih pregradah, oblogah, tesnilih, sklopkah, oblogah zavor,… Zdravju je najbolj škodljivo vdihavanje azbestnega prahu, čeprav se ta lahko absorbira preko kože. Kopičenje azbesta v telesu pa lahko privede do izredno hudih bolezni, od katerih so nekatere neozdravljive. Obstajajo tri osnovne vrste azbesta:

1. Krizolit (Chrysolite) – tanek, podoben svili, upogljiv, bele do sivo zelene barve 2. Amozit (Amosite) – raven, krhek, svetlo sive do bledo rjave barve 3. Krokidolit (Crocidolite) – raven, upogljiv, viola sive do modro zelene barve

Vse tri vrste so zdravju škodljive, še posebno drugi in tretji. Običajno je nemogoče spoznati vrsto azbesta po njegovi barvi., ker se ta spreminja v odvisnosti od vremenskih vplivov (vlage, temperature) in starosti. Samo laboratorijska preiskava lahko natančno določi vrsto azbesta. Tudi pobiranje vzorcev je zaradi povzročanja prahu lahko nevarno, zato mora biti izvedeno s strni usposobljenega strokovnega osebja. Škodljiv lebdeči azbestov prah je neviden s prostim očesom zato je potrebna dodata previdnost. Azbest v obliki pobarvane ali lakirane plošče, ki je vgrajena v ladji, ne predstavlja neposredne nevarnosti. Se pa med plovbo pojavljajo raze vibracije in nihanja, ki lahko ob kontaktu azbestne plošče z neko drugo površino, povzroča nastajanje prahu. Posebno je nevaren krhek in lomljiv azbest, ker predstavlja neposredno nevarnost. Pomembno je voditi evidenco o mestih kjer je vgrajen azbest ter biti pozorni, da je vsak član posadke seznanjen o tem, kje so ta mesta. Enako velja ko je ladje v popravilu. Zunanji ljudje, ki pridejo na ladjo morajo biti obveščeni o nevarnih mestih z azbestom. Vzdrževalna dela, kjer bi bilo potrebno manipulirati z azbestom naj bi se izvajana v doku, kjer bi lahko delo opravljalo usposobljeno osebje. V primeru nujnih del med plovbo, kjer bi prišlo do manipulacije z azbestom, pa je potrebna velika previdnost:

- delo naj opravlja čim manj ljudi - območje je treba zagrniti z najlonom - ugasniti ventilacijski sistem in zamašiti zračnike - delavci naj bodo oblečeni v zaščitna oblačila, ki so zatisnjena na vratu, zapestjih in

gležnjih, ter naj uporabljajo zaščitne maske

28

- Delavec naj uporablja dihalni aparat, ki pa ni za gašenje požara - Uporablja na se ročna orodja saj stroja orodja povzročajo več prahu - Azbest naj se predhodno zmoči, tako da bo nastajalo manj prahu - Ostanke azbesta so po opravljenem delu shrani v najlonske vreče - Preostali prah se na koncu očisti z mokrimi krpami. Uporaba sesalcev ni priporočljiva.

Po končanem opravilu se je potrebno delovno obleko sleči in jo hraniti v najlonski vreči. Ob prihodu v Luko je potreba obleke predati luškim oblastem, ki bodo poskrbele za pravilno sanacijo. Vse materiale, ki no naprašeni z azbestnim prahom je treba zapreti v zračni tesne zabojnike, jih označiti z opozorilnim napisom in jih ob prihodu v Luko predati luškim oblastem.

7.5 Bombaž Bombaž pridobivamo iz semenska vlakna bombaževca, ki se uporabljajo kot tekstilna surovina. Bombaž je poznan kot tekstilni material za izdelovanje oblačil, pogrinjal in drugega. Uporablja pa se ga tudi v motorni industriji. Iz bombaža se izdeluje filtrirne materiale in zračne filtre v kombinaciji z oljnimi filtri. V pomorstvu se ti filtri uporabljajo pri manjših plovilih, gliserjih, vodnih skuterjih,… Suhi bombažni filtri imajo običajno večjo prepustnost kot papirni filtri. Prednost bombažnih je v tem, da jih lahko naoljimo, s tem le malo poslabšamo prepustnost, povečamo pa filtrirnost.

7.6 Silicijev nitrat Silicijev nitrat (Si3N4) je umetna spojina ki jo lahko po več kemičnih reakcijah sintetiziramo v prah. Prah silicijevega nitrata sintramo in s poznanimi postopki pridobivamo keramiko z odličnimi lastnostmi. Material le temno sive ali črne barve in ga je možno polirati do izredne gladkosti in svetlosti. Silicijev nitrat boljše kvalitete se uporablja v motorni industriji kot drsni material pri ventilih in drugih drsno obremenjenih delih. Seveda pa je taka keramika draga je kljub dobrim mehanskim lastnostim, ne moremo vedno uporabiti. Njene glavne lastnosti so:

- Visoka trdnost v širokem obsegu temperatur - Visoka odpornost proti razpokam - Visoka trdota - Visoka obstojnost na trenje in površinski pritisk - Dobra kemična obstojnost

Tehnološko je silicijev nitrat zelo uporaben predvsem za: - Kroglice in valčki pri ležajih - Rezalna orodja (konice rezalnih nožev,…) - Gibajoči se deli pri motorjih – ventili, rotorji turbo kompresorjev - Turbinske lopatice, tesnilni drsni obroči,…

7.7 Steklo

29

Osnovna surovina za proizvodnjo stekla je kremenčev pesek (SiO2), ki se tali pri visoki temperaturi (okoli 1700oC) in se pretvori v steklasto maso. Vzporedne sestavine so: soda (Na2CO3), pepelika (K2C 03), apnenec (CaCO3) in oksidi kovin (PbO, Al2O3,...). S temi in drugimi dodatki znižamo tališče, dosežemo večjo prozornost, trdnost, sijaj in omogočimo lažjo predelavo. S kovinskimi oksidi dosegamo tudi različne barve stekla. Glede na kemično sestavo imamo več vrst stekel: Natrijevo steklo je izdelano iz kremenjaka, sode in apnenca. Je trdo, obstojno, lahko taljivo in najcenejše. Iz njega je navadno okensko steklo, steklenice itd. Kalijevo steklo je izdelano iz kremenjaka, pepelike in apnenca. Je mehkejše in težko taljivo. Mešanica natrijevega in kalijevega stekla ima delne lastnosti obeh vrst stekla; Svinčevo steklo je izdelano iz kremenjaka, pepelike in svinčevega oksida. Je bistro, se dobro brusi in polira. Imenujemo ga tudi kristalno steklo. Opalno (mlečno) steklo dobimo z dodajanjem sredstev, ki kale, navadno so to rudnine, ki vsebujejo fluor, ali fosfate. Steklo ni sestavljeno iz kristalov. Njegova strukturna sestava je steklasto stanje. Pri naglem hlajenju tekoče steklovine se ne more razviti običajna kristalna struktura atomov, razvije se nepravilna, nesimetrična struktura. Steklo je v bistvu podhlajena tekočina, ki je v trdnem stanju zaradi velike viskoznosti. Osnovni element steklove strukture je silicij - kisikov tetraeder. Kristali čistega SiO2 (kamena strela - "gorski kristal") imajo pravilno strukturo, med njimi je malo praznega prostora. Struktura stekla je "pokvarjena", med elementi strukture je veliko praznin, v njih pa so nevezani ioni Ca, Na, itd. Zaradi te izjemne zgradbe imamo lahko košček stekla za eno samo veliko molekulo, ki nima niti ploskev kristalne mreže, niti kristalnih mej, niti kristalnih zrn. To pojasnjuje med drugim tudi posebne trdnostne lastnosti stekla. Razpoka, ki nastane na šibkem mestu na površini steklenega predmeta, zlahka in hitro steče preko vsega materiala, ker jo pri tem ne ovirajo notranje - kristalne meje (ki jih imajo snovi, ki kristalizirajo). Uporaba stekla: Ob okenskem steklu se v arhitekturi steklo uporablja predvsem pri izdelavi svetlobnih teles, katerih problematika pa presega okvire našega predavanja. Steklena volna je sestavljena iz zelo kratkih steklenih niti, ki nastanejo tako, da spuščajo raztaljeno steklovino na zobato šamotno ploščo, ki se vrti. Med nitkami je mnogo zraka, zato je steklena volna lahka (60-80 kg/m2) in odlično toplotno izolira. Ne gnije, ne trohni in je odporna za visoke temperature. Steklena vlakna vlečejo skozi posebne ustnike. So daljša (okoli 3 m), elastična in imajo zelo veliko natezno trdnost. Iz njih izdelujejo razne trakove, platna, so tudi armatura pri različnih elementih iz plastičnih mas. Vodno steklo (ali vodotopno, ali tekoče) se topi v vodi. Pridobivajo ga iz istih sestavin kot navadno steklo in je lahko v trdnem ali tekočem stanju. Na zraku se pod vplivom CO2 razkraja in spreminja v trdno amorfno maso. Je dobro impregnacijsko sredstvo za les (požar), porozni apnenec in druge kamne. Dodaja se cementni malti, ki postane zato vodo nepropustna (hidrofuga). Uporablja se za fuge v bazenih, ognja varnih zidovih itd. Pleksi steklo ima sicer nekatere lastnosti stekla, v kemičnem smislu pa je umetna snov, ki jo pridobivajo s polimerizacijo iz estrov metakrilne kisline. Iz pleksi stekla so izdelane svetlobne kupole, ki so odporne proti lomu in udaru.

30

8 VARJENJE Varjenje je trajno spajanje materialov, ki ga pri jeklu dosežemo s segrevanjem materiala do temperature tališča. Vezni element imenujemo zvar. Obstaja vrsto postopkov in načinov varjenja. V poglavju bodo opisni nekateri postopki, ki se v pomorskem inženirstvu največkrat uporabljajo.

8.1 Plamensko varjenje Izvor toplote je plamen, ki nastane pri zgorevanju gorljivega plina s čistim kisikom. Za uspešno varjenje je treba hitro greti ozko omejeno področje varjenca na temperaturo tališča, zato pa je potreben intenziven izvor toplote. Za varjenje kovin z visokim tališčem je najprimernejši acetilen C2H2. Preden začnemo variti, moramo varjence pripraviti, s čimer povečamo hitrost varjenja in racionalnost postopka in zmanjšamo porabo plina. Priprave veljajo predvsem za krovne robove, ki jih pripravimo s struženjem, skobljanjem, frezanjem in plamenskim rezanjem. Orodje plamenskega varilca je kisik-acetilenski plamen. Razmerje med kisikom in acetilenom je mogoče natančno uravnavati. Normalno je volumsko razmerje med kisikom in acetilenom:

a C HO

= =2 2

210 11, ....... ,

Pri razmerju a >1.1 nastane ogljikovit plamen, pri razmerju a <1.0 pa kisikovit (oksidativni) plamen. Pri razmerju 1.0<a<1.1 imamo nevtralen plamen, kateri je najbolj primeren za varjenje. Acetilen zgoreva s kisikom v treh fazah: 1. C2H2 + O2 → 2C + H2 + O2 +226 kJ/mol 2. 2C + H2 + O2 → 2CO + H2 +245 kJ/mol 3. 4CO + 2H2 + 3O2 → 4CO2 + 2H2O + 813 kJ/mol Lastnosti acetilena: DOBRE: - visoka temperatura gorenja, - hitrost gorenja v kisiku (13 m/s), - večstopenjsko. SLABE: - nevaren, ker pri nizkem tlaku in temperaturi pride do samovžiga (p=3 bar T=120 oC), - v jeklenko ga moramo spraviti pomešanega z acetonom - tlak v jeklenki je 15 bar Šoba gorilnika mora biti konstruirana tako, da nastaja toplota na čim manjšem področju. Plamen delimo v tri področja: a) jedro plamena (3000C°) b) primarna cona plamena (2000°C) c) sekundarna cona plamena (1200°C)

31

Slika 16: Porazdelitev temperature pri nevtralnem plamenu OPIS POSTOPKA VARJENJA Predmete, ki jih varimo, moramo pred varjenjem očistiti maščob, rje in drugih nečistoč. Gorilnik držimo pri varjenju običajno v desni roki, varilno žico pa v levi. Pravilen plamen naravnavamo z ventili gorilnika. Glede na premikanje gorilnika in dodajnega materiala razlikujemo varjenje v desno in varjenje v levo.

Slika 17 : Varjenje v desno ali varjenje v levo Pri varjenju v levo gibljemo gorilnik sem in tja, varilno žico pa premikamo pred gorilnikom gor in dol. Na ta način varimo le tanko jekleno pločevino do 3 mm, aluminij in sivo litino.

32

Za jeklene pločevine, debelejše od 3 mm uporabljamo varjenje v desno. Materialov, debelejših od 10 mm, pa s tem postopkov ne varimo. Na ta način pretalimo tudi koren vara, talilna cona pa je manjša. Gorilnik pri tem enakomerno premikamo pred dodajnim materialom, ki ga gibljemo sem in tja. Hitrost in učinek varjenja sta večja, ker dosežemo močno koncentracijo toplote na enem mestu. Zvar je mehkejši, ker je dalj časa izpostavljen plamenu gorilnika. Pomembno pri tem postopku je še, da cel var zavarimo v enem mahu. Varimo pa lahko v vseh položajih (vodoravno, navpično, stensko, nad glavno).

8.1.1 Naprave za varjene Za plamensko varjenje potrebujemo mešanico kisika in gorilnega plina (ponavadi acetilen), ki ga iz jeklenk skozi manometre (regulatorje tlaka) ter gibljive cevi dovajamo do gorilnika, kjer na ustju izgoreva. Da to izvedemo, potrebujemo naslednje naprave: - jeklenko za acetilen, - jeklenko za kisik, - manometre, - varilne cevi, - injektorski gorilnik s suhimi varnostnimi patronami. Gorilniki nam služijo za mešanje in izgorevanje gorilnega plina s kisikom. Najpogosteje uporabljamo injektorski gorilnik. Ta sesa plin s pomočjo kisika, ki prihaja po tlačnim šobi. Plina se mešata v posebni mešalni komori, nato pa izhajata skozi cevni vložek do šobe gorilnika, kjer izgorevata. Gorilniki so razvrščeni po številkah od 1 do 8 za različne pločevine. Opremljeni morajo biti s suhimi varnostnimi patronami, ki preprečujejo povrati udar plina in s tem eksplozijo.

Slika 18 : Injektorski gorilnik Jeklenke za kisik so običajno označene z modro barvo, da ne bi prišlo do zamenjave. Poleg tega ima priključek na glavnem ventilu plinski desni navoj 3/4, ki se razlikuje od priključkov na jeklenkah za druge pline. Glavni ventil za kisik je iz medenine, ker kisik reagira z jeklom.

33

Kisikova jeklenka je votla, vanjo pa spravimo 6000 l kisika pod tlakom 150 bar. Pomembno je tudi, da jeklenka ali njena okolica nista mastni, zato tudi ne smemo mazati ventilov.

Slika 19: Glavni ventil na jeklenki za kisik

Jeklenke za acetilen: DISSO plin imenujemo acetilen, osušen in očiščen ter raztopljen v acetonu. Polnimo ga v 40 l jeklenke pod tlakom 15 bar, v katerih sta porozna masa in aceton, ki omogočata tako visok tlak raztopljenega acetilena. Jeklenke morajo med uporabo stati pokonci, s tem da ne more biti odvzem iz ene jeklenke večji kot 1200 l/h. če potrebujemo več acetilena, uporabljamo hkrati več med seboj povezanih jeklenk. Glavni zaporni ventil je na teh jeklenkah drugačen kot na kisikovih, tako da ni možna zamenjava. Izdelan je iz jekla, saj acetilen reagira z medenino. Jeklenka ter cevi za acetilen so obarvane z oranžno ali belo barvo.

Slika 20: Jeklenka za acetilen

34

Reducirni ventil reducira tlak v jeklenki na delovni tlak.

8.1.2 Pripomočki in dodajni material Kot dodajni material uporabljamo pri plamenskem varjenju pobakrene varilne žice dolžine 1 m. Le-te so na čelu pobarvane z oljno barvo. Ker rja preprečuje kvalitetno delo, so varilne žice pogosto pobakrene, ne smejo pa biti mastne. Za varjenje jekla z majhnim % C uporabljamo varilne žice iz mehkega jekla s premerom do 0.8 mm in dolžine 1 m. Presek je okrogel. Varilne palice za SL so trikotne in kvadratne, debeline 3-20 mm. Varilne žice za varjenje neželeznih kovin so običajno iz istega materiala kot predmet, ki ga varimo. Pripomočki, ki se uporabljajo pri plamenskem varjenju, so še:

- zaščitna očala - zaščitne rokavice - vžigalnik - klešče

8.1.3 Potek dela pri varjenju Pred varjenjem je potreba pripravili opremo in varjenec (s površin smo odstraniti nečistoče). Pri prižiganju plamena moramo najprej odpreti kisik, šele nato acetilen, pri ugašanju pa najprej zapremo acetilen, da nato kisik izpiha njegov ostanek iz cevi. Zelo pomembno pri tem postopku je: - resnost pri delu, ker je vedno prisotna možnost eksplozije, - da ne prižigamo plamena proti ljudem, - da smo pri delu pravilno zavarovani (obleka, predpasnik, očala, rokavice), - da vzdržujemo na delovnem mestu red in čistočo. KOMENTAR Ta postopek je eden najprimernejših za spajanje tankih pločevin. Seveda pa zahteva precej vaje preden je varilec sposoben zavariti kakovostne in lepe vare. Je zelo počasen postopek in ni primeren za varjenje zahtevnih konstrukcij zaradi širokega toplotno vplivanega področja (TVP) v katerem nastanejo groba zrna. Veliko pozornosti moramo posvetiti varnosti, kajti posledice morebitnih eksplozij so lahko katastrofalne.

8.2 Ročno elektroobločno varjenje Pri ročnem elektroobločnem varjenju se vzpostavi oblok med konico elektrode in osnovnim materialom. Konica elektrode pri kratkem stiku zažari in začne oddajati elektrone (termična emisija elektronov). Oblok nastane tako, da pod vplivom električnega polja elektroni, ki izhajajo iz katode udarjajo v atome plina in tako tvorijo ione in dodatne elektrone, ki prevodnost med poloma še povečajo, da pride do nenadne sprostitve naboja oz. napetosti v obliki vžiga. Zaradi visoke temperature (3500 - 4000°C na (+) polu) se začne dodajni material (žica) taliti. V večini

35

primerov uporabljamo za dodajni material oplaščene elektrode. Ker se žica tali hitreje kot plašč se oblikuje krater v katerem nastane kapljica, ki obložena s staljeno žlindro, odleti proti osnovnemu materialu. Glavni izvor toplote je torej joulska toplota električnega obloka (90%). Poleg nje pa še joulska toplota elektrode (2 - 5%) in toplota eksotermnih reakcij (5 - 8%).

Slika 21: Oblok električnega toka Prvi, za prakso pomemben postopek, je izumil Bernardos, temu pa je sledil postopek Slavljanova, ki ga še danes največ uporabljamo.

8.2.1 Opis postopka Postopek po Bernardosu Električni oblok nastane med ogleno elektrodo in osnovnim materialom, dodajni material pa je kovinska varilna žica, ki se raztopi v nastalem obloku. Oglena elektroda je pritrjena v izoliranem držaju in spojena z negativnim polom. Danes te metode skoraj ne uporabljamo več. Postopek po Slavljanovu Ta postopek se od prejšnjega razlikuje po tem, da je Slavljanov uporabil namesto oglene elektrode elektrodo iz enakega materiala, kot je varjenec. Kovinska elektroda, ki je nadomestila ogleno, je pri tem postopku istočasno dodajni material. Varimo lahko z istosmernim in izmeničnim tokom v vseh legah, zvar pa je mnogo kvalitetnejši. Danes je najbolj razširjen način varjenja, ki ima za izvor toka transformator, dodajni materiali pa so oplaščene elektrode. Oplaščenje Plašč elektrode stabilizira oblok in razvija komponente, ki ščitijo staljeno kovino pred plini iz atmosfere, prav tako pa lahko iz plašča elektrode zvar tudi legiramo.

36

Oplaščene elektrode razdelimo glede na: - KEMIČNO SESTAVO PLAŠČA: Vsak plašč je sestavljen iz osnovnih, žlindotvornih komponent; to so oksidi, ki imajo bazične ali kisle lastnosti. Za določitev lastnosti plašča uporabljamo bazičnost plašča (B) s katero določimo razmerje med bazičnimi in kislimi oksidi.

B CaO MgO K O Na O FeO MnOSiO TiO ZrO

=+ + + + +

+ +2 2

2 2 2

-B<1 kisle, -B>1 bazične in -B=1 nevtralne. Delovanje aluminijevega oksida Al2O3 je svojevrstno; v kislem plašču deluje kot bazična komponenta, v bazičnem plašču pa kot kisla komponenta, torej je amfoterna snov. V majhnih količinah ga vsebujejo bazične elektrode. Bazične elektrode priključimo na (+) pol, ker vsebujejo snovi, ki zahtevajo višjo temperaturo. Oznaka elektrod: E x x x - x x x oznaka za vrsto oplaščenja A - kislo oplaščena elektroda (Fe oksidi) AR - kislo oplaščena elektroda (TiO2) B - bazično oplaščena elektroda C - celulozno oplaščena elektroda O - oksidativno oplaščena elektroda R - rutilsko (srednje debelo) oplaščena elektroda RR - rutilsko (debelo) oplaščena elektroda S - druge vrste oplaščenja elektrode - STOPNJO LEGIRANJA VARA - nizko legirane, - srednje legirane in - visoko legirane - DEBELINO PLAŠČA - tanko oplaščene (f<120), - srednje debelo oplaščene (f=120 do 155) in - debelo oplaščene (f>155). f = D/d ⋅ 100 D - premer elektrode (s plaščem)

d - premer žice

37

Prehod materiala v obloku Poznamo dva mejna prehoda materiala: Prehod s kratkim stikom V tem primeru so kapljice zelo velike, tudi do debeline elektrode. čas kratkega stika je od 10-3 do 10-2 sekunde. Pri tem naraste tok in pade napetost, tako da imamo možnost štetja kapljic.

Slika 22: Kratkostični način prehoda materiala Pršeči prehod Kapljice prehajajo v talino v zelo drobni obliki brez kratkega stika s frekvenco okrog 100 Hz ter časom 6 - 10 ms in predstavlja to impulzni prehod kjer se kapljica odtrga z dodatnim tokovnim sunkom. Zato moramo imeti dodatni generator za tvorbo tokovnih sunkov. Oblika prehoda je odvisna predvsem od gostote toka na elektrodi in sestave elektrode. Impulze lahko spreminjamo pred začetkom varjenja ali med varjenjem.

Slika 23: Pršeči način prehajanja materiala

Poznani so tudi vmesni prehodi med kratkostičnim in pršečim prehodom, kar izkoriššamo pri MIG in MAG varjenju.

8.2.2 Naprave za varjenje Za obločno varjenje lahko uporabljamo enosmerni ali izmenični tok. Izvor enosmernega toka so usmerniki. Napetost je do 60 V, jakost toka pa 50-400 A in več. Pri varjenju z izmeničnim tokom

38

spremeni tok svojo smer stokrat v sekundi. Pri vsaki menjavi smeri oblok ugasne. Zato za varjenje uporabljamo transformatorje, ki so preprostejši in cenejši kot generatorji. Na ta način lahko varimo samo z oplaščenimi elektrodami. Kvaliteta zvara je ista kot pri enosmernem varjenju. Povprečna napetost je 22-55 V.

8.2.3 Pripomočki in dodajni material Za dodajne materiale uporabljamo kovinske elektrode,ki so lahko gole, strženske ali oplaščene. Pomembno je, da je sestava dodajnega materiala čim bolj podobna sestavi varjenega materiala Gole elektrode so žice iz elektro jekla s specialno sestavo. Danes jih uporabljamo le še delno za varjenje razjedenih jeklenih površin, ker so zvari zaradi vpliva kisika in dušika iz zraka trdi, krhki in premalo homogeni. Varimo jih le z enosmernim tokom. Strženske elektrode imajo v sredini stržen, ki ga sestavljajo v glavnem kovinski dezoksidanti. Primerne so za varjenje v vseh legah, uporabljajo se lahko v obliki žice za avtomatsko varjenje, vendar se danes le malo izdelujejo. Oplaščene elektrode imajo za jedro elektrode jekleno žico, ki jo obdaja plašč. V električnem obloku se talita žica in mineralna obloga hkrati. Raztaljena mineralna obloga je dobro tekoča in pokriva talino zvara in jo tako varuje pred škodljivimi vplivi atmosfere. Če so elektrode preveč vlažne jih sušimo 2 uri v peči pri temperaturi 200 oC.

8.2.4 Primer ročnega varjenja z oplaščeno elektrodo Naredimo navar na konstrukcijsko jeklo debeline 20 mm. Uporabljali bomo kislo elektrodo premera 3.25 mm priključeno na negativnem polu usmernika. Tok nastavimo na 110 A, napetost pa na 28 V. Splošno velja, da na 1 mm debeline elektrode vzamemo 30 - 40 A. Varili bi tako, da bi držali elektrodo pod kotom 75°. Z elektrodo premera 3.25 mm bi varili var širine približno 10 mm (trikratni premer elektrode). Pri tem elektrodo samo vlečemo pod kotom 75° ali pa z njo samo rahlo nihamo. Preveliko nihanje naredi zvar preširok in zaradi velikega TVP je zvar nekvaliteten. Pazljivost in uporaba potrebnih zaščitnih sredstev sta tudi tu nujno potrebni. KOMENTAR Ročno elektroobločno varjenje se danes veliko uporablja, ker lahko varimo v vseh položajih, kvaliteta zvara pa je ob pravilni uporabi zadovoljiva. Velika slabost postopka je, ker je treba varjenje nenehno ustavljati zaradi menjave elektrod.

8.3 TIG varjenje Pri postopku TIG gori oblok med netaljivo volframovo elektrodo in varjencem v zaščitni atmosferi inertnega plina (Ar ali He). Elektroda je iz čistega volframa ali z dodatkom torijevega

39

oksida. Varjenje poteka brez dodajnega materiala ali pa ga dodajamo ročno ali avtomatsko v obliki varilne žice.

Slika 24 : Princip varjenja po TIG postopku Večinoma uporabljamo za varjenje enosmerni tok z elektrodo, vezano na (-) pol. Kovine, katerih oksidi imajo visoko tališče (SL in SL-zlitine), pa je treba variti z (-) polom na osnovnem materialu ali še bolje, z izmeničnim tokom (predvsem za aluminij). Vžiganje obloka je možno s kratkimi stiki (pri varjenju jekel, bakra in njegovih zlitin) ali z dodatno visokofrekvenčno napetostjo brez dotika. Konica elektrode se v odvisnosti od jakosti obnaša na karakterističen način. Pri pravilni nastavitvi toka je konica, ki je pri varjenju z izmeničnim tokom polkrožno zaobljena, pri enosmernem toku pa ošiljena, svetla. Če je površina konice neenakomerno izbočena, je jakost toka prenizka, če pa je konica elektrode temna je jakost toka previsoka. Modra, modrikasto rdeča ali črna barva konice opozarja na slabo zaščito.

Enosmerni tok Enosmerni tok Izmenični tok

Slika 24: Oblika zvara in elektrod v odvisnosti od toka

40

Opis postopka Postopek TIG je uporaben za vse kovine in zlitine, vendar je iz ekonomičnih razlogov za nelegirana jekla neprimeren. Predvsem pride v poštev za varjenje manjših debelin (tanka pločevina do 10 mm in cevi). Velja pravilo, da se za varjenje Al in SL uporablja transformator (izmenični tok z visoko frekveco), za ostale kovine pa usmernik (enosmerni tok). Elektrodo izbiramo glede na debelino varjenca in sicer, čim debelejši je material, debelejša mora biti elektroda. Dovajati moramo 20-25 litrov zaščitnega plina na minuto. Varimo tako, da v eni roki (običajno desni) držimo pištolo, v drugi pa dodajni material.

8.3.1 Naprave za varjenje Naprave za TIG postopek se sestoje iz komandne omarice s črpalko za hladilno vodo za hlajenje hladilnika, ki je zaradi visokih temperatur zelo obremenjen. Izvor toka je varilni usmernik, kamor priključimo celotno napravo. Za varjenje SL in njenih zlitin in aluminija uporabimo namesto usmernika transformator. V novejšem času proizvajajo že naprave, ki imajo funkcionalni del in izvor toka združen. Takšen aparat je varilni usmernik, namenjen za varjenje z enosmernim tokom.

Slika 25: Gorilnik za TIG varjenje Elektrode pri varjenju po TIG postopku so netaljive volframove elektrode legirane z Th, Zr, Cs, B, da lahko dalj časa vzdržijo tokovne obremenitve, vendar se lahko hitro izrabljajo, če varilni parametri niso pravilno nastavljeni. Posledica obrabe je slaba kvaliteta zvara, ki je nečist zaradi odtaljevanja elektrode. Navadno lahko eno elektrodo uporabljamo 30 - 40 ur, dokler zaradi izrabljanja in brušenj ne postane prekratka za pravilne nastavitve v gorilniku. Obraba elektrode je 25 - 30 μm na en cm zvara. Tudi s pravilno nastavitvijo zaščitnega plina lahko zmanjšamo izrabo elektrode. Zaščitni plin naj izhaja iz šobe vsaj še nekaj sekund po prekinitvi varjenja.

41

8.3.2 Pripomočki in dodajni material Dodajni material pri ročnem varjenju so žice dolžine 1m in premera 2 - 3.2mm. Pri avtomatskem varjenju je dodajni material žica navita na kolutu. Premer je odvisen od položaja v katerem varimo. Pri prisilnih položajih varjenja uporabljamo tanjše žice, da ne pride do prevelikega vpliva gravitacije. Tanke pločevine lahko varimo brez dodajnega materiala.

8.3.3 Primer varjenja s TIG postopkom Varili bi aluminij debeline 3 mm z izmeničnim tokom pri čemer bi uporabljali visokofrekvenčni varilni transformator, ki zagotavlja hiter vžig in enakomerno varjenje, ker ne prekinja obloka. Za vse ostale materiale uporabljamo enosmerni tok. Tok bi nastavili na 110 A, napetost pa na 26 V. Pred začetkom varjenja bi najprej odprli hladilno vodo za hlajenje celotnega sistema (gorilnik, cev s tokovodnikom). Pretok zaščitnega plina bi nastavili na vrednost 18 l/min. Med delom bi uporabljali ščit, ki se povezne na glavo, saj potrebujemo obe roki prosti; za držo gorilnika in dodajnega materiala. Drža gorilnika je podobna drži pri plamenskem varjenju. Videli bi tudi, kako na varjencu nastanejo črne lise, če se ga dotaknemo z elektrodo. To je posledica odtaljevanja volframove elektrode. KOMENTAR TIG postopek je zaradi svoje ne taljive elektrode zelo primeren za varjenje tanjših pločevin brez dodajnega materiala. Pri materialih, ki so tanjši od 1 mm, je pomembno elektrodo ostro ošiliti. Vendar pa je potrebno paziti, da se konica pri varjenju ne odtali ali odkrhne in pade v talino. Tudi ta postopek se da popolnoma avtomatizirati.

8.4 MIG varjenje Postopek MIG (metal inert gas) je način varjenja z odkritim oblokom, ki gori med kovinsko elektrodo, ki se porablja, in varjencem (slika Sl.38.). Elektroda je brezkončna žica, oblok pa je zaščiten z inertnim zaščitnim plinom argonom Ar, ki na proces varjenja metalurško ne vpliva. Uporablja se za varjenje visoko legiranih jekel, lahkih kovin, bakrovih zlitin, niklja in njegovih zlitin ter molibdenovih zlitin, skratka za boljše materiale. Opis postopka Elektrodo nam predstavlja kovinska žica, ki gre skozi varilno šobo in se porablja. Zaščitni plin pa nam ščiti pred oksidacijo. Z MIG postopkom varimo kvalitetnejše materiale, uvar pa ni tako globok, zato je tudi cona toplotnega vplivanja manjša in s tem tudi zvar kvalitetnejši.

42

Slika 26 : MIG postopek varjenja

Oblika zvara je odvisna tudi od vrste zaščitnega plina:

Slika 27: Vpliv zaščitnega plina na obliko zvara Poznamo različne prehode materiala v obloku: - Kratkostični prehod - Pršeči prehod - Pulzirajoči pršeči prehod

43

8.4.1 Naprave za varjenje

Slika 28: Shema naprave za MIG ali MAG varjenje Naprava za varjenje se sestoji iz: 1. varilne pištole, 2. krmilne omarice z ventili, 3. stikalne omarice, 4. pogona za elektrodo, 5. dovoda energije, 6. varilnika:

- usmernika (varjenje z enosmernim tokom) - transformatorja (varjenje z izmeničnim tokom),

7. pretočno kazalo 8. predgrevalnika plina (MAG) in 9. jeklenke.

8.4.2 Pripomočki in dodajni material Kot dodajni material uporabljamo neskončne žice navite na kolutu. Žica mora biti legirana do stopnje, kot jo zahteva legiranje zvara. Poskrbljeno mora biti tudi za dezoksidacijo talilne kopeli, za rafinacijo zvara in stabilizacijo obloka. Temu zadostijo žice legirane s Si in Mn. Za varjenje drobnozrnatih konstrukcijskih jekel s povišano trdnostjo in mejo raztezanja uporabljamo žice legirane z Ni, ki dajo hkrati tudi dobro žilavost pri nizkih temperaturah. Poseben pomen imajo tudi strženske žice izdelane z vlečenjem debelostenskih cevi. Stržen žice je sestavljen iz mineralov in ferozlitin ter daje enake možnosti kot oplaščene elektrode. Osnovna sestava stržena lahko ima rutilno ali bazično naravo. Z njimi dosegamo zelo kvalitetne zvare. Tako masivne kot strženske žice so pobakrene zaradi korozijske zaščite in boljšega stika v kontaktni šobi. Imamo različne premere žic: 0.6, 0.8, 1.0, 1.2, 1.6, 2.4 mm.

44

8.4.3 Primer varjenja z MIG postopkom Zavarili bi nerjavno jekleno pločevino debeline 3 mm. Za to debelino bi nastavili tok 300 A (na 1 mm debeline pločevine vzamemo do 140 A) in napetost 30 V. Varili bi z varilno žico legirano z Ni premera 1.2 mm. Pretok zaščitnega plina je bil nastavljen na 20 l/min, varili pa smo s hitrostjo 35 cm/min. Ta postopek moramo izvajati v zaprtih prostorih, da nam plina ne odpihne. KOMENTAR Postopek se lahko avtomatizira in je primeren za serijsko proizvodnjo. Iz tega postopka so se razvile še razne izpeljanke, ki so prirejene različnim specifičnim zahtevam.

8.5 MAG varjenje Postopek MAG (metal activ gas) je način varjenja z odkritim oblokom, ki gori med kovinsko elektrodo, ki se porablja, in varjencem (slika Sl.38.). Elektroda je brezkončna žica, oblok pa je zaščiten z večatomarnim plinom. Do MAG postopka pa so prišli, ko so začeli s poskusi, da bi za MIG postopek uporabili kak cenejši plin. Ugotovili so, da je CO2 zelo primeren plin za varjenje jekel. Var sicer ni tako kvaliteten kot pri MIG postopku, ima pa naslednje prednosti: zaščitni plin CO2 je cenen, pretaljena cona je globlja, napetosti pri ohlajevanju pa so manjše (slika Sl.39.).

8.5.1 Naprave za varjenje Elektrodo nam predstavlja kovinska žica, ki gre skozi varilno šobo in se porablja. Zaščitni plin pa nam zaščiti pred oksidacijo. Postopek je primeren za hitro serijsko varjenje. Imamo tudi zelo velike energije in zato globok uvar. Zaradi tega lahko pločevine do debeline 4 mm sočelno zavarimo brez priprave, ima pa slab izkoristek (30%). Naprava za varjenje se sestoji iz usmernika, krmilne omarice, mehanizma in ohišja za pogon žice, cevnega paketa s pištolo, jeklenke ter manometra(slika Sl.44.). Za varjenje vodno hlajenje pištole ni nujno potrebno. Hladimo v glavnem tam, kjer so tokovi zelo veliki (400 A).

8.5.2 Pripomočki in dodajni material Kot dodajni material uporabljamo neskončne žice navite na kolutu. Žica mora biti legirana do stopnje, kot jo zahteva legiranje zvara. Poskrbljeno mora biti tudi za dezoksidacijo talilne kopeli, za rafinacijo zvara in stabilizacijo obloka. Temu zadostijo žice legirane s Si in Mn. Za varjenje drobnozrnatih konstrukcijskih jekel s povišano trdnostjo in mejo raztezanja uporabljamo žice legirane z Ni, ki dajo hkrati tudi dobro žilavost pri nizkih temperaturah.

45

Poseben pomen imajo tudi strženske žice izdelane z vlečenjem debelostenskih cevi. Stržen žice je sestavljen iz mineralov in ferozlitin ter daje enake možnosti kot oplaščene elektrode. Osnovna sestava stržena lahko ima rutilno ali bazično naravo. Z njimi dosegamo zelo kvalitetne zvare. Tako masivne kot strženske žice so pobakrene zaradi korozijske zaščite in boljšega stika v kontaktni šobi. Imamo različne premere žic: 0.6, 0.8, 1.0, 1.2, 1.6, 2.4 mm.

8.5.3 Primer varjenja z MAG postopkom Zavarili bi nerjavno jekleno pločevino debeline 1 mm. Za to debelino bi nastavili tok 130 A (na 1 mm debeline pločevine vzamemo 120 do 130 A) in napetost 29 V. Varili bi z varilno žico premera 0.8 mm. Pretok zaščitnega plina je bil nastavljen na 15 - 20 l/min, varili pa bi s hitrostjo 35 cm/min. Potem bi pogledali še, kako izgleda zvar, če ga varimo brez zaščitnega plina. V zvaru bi bile luknjice; dobili bi porozen zvar, ki je popolnoma nekvaliteten. Torej je plinska zaščita nujno potrebna za zagotovitev dobre kvalitete zvara. Zato moramo ta postopek izvajati v zaprtih prostorih, da nam plina ne odpihne. KOMENTAR S tem postopkom lahko varimo v vseh položajih, vendar moramo vedno variti od spodaj navzgor. Poleg tega je zelo primeren za varjenje pri avtomobilih, ker ne segreva preveč okolice, lahko ga avtomatiziramo, primeren pa je tudi za serijsko proizvodnjo. Iz tega postopka so se razvile še razne izpeljanke, ki so prirejene različnim specifičnim zahtevam.

9 LITERATURA 1. IMO Model Course, Chief engineer officer and second engineer officer, IMO 1999 2. Radomir ILIĆ, Radko ISTENIČ, Materiali jedrskih elektrarn, Izobr. Center za jedrsko

tehnologijo Milana Čopiča 1991 3. William D. Callister: Fundamentals of materials science and engineering, John Wiley & Sons

Inc. 2001 4. Janez BEGEŽ: TEHNOLOGIJA SPAJANJA IN REZANJA, Tehn. založ. Slovenije, Ljubljana

1989 5. Darja ČRETNIK: Tehnologija spajanja in preoblikovanja, Tehn. založ. Slovenije, Ljubljana

1999 6. Inoslav RAK: TEHNIKA SPAJANJA, skripta 7. Naval ships technical manual ch. 074-Volume 1: Welding and allied processes, USA naval sea

system command 1999 8. Tomislav Filetin, Pregled razvoja i primjene suverenih materijala, Hrvatsko društvo za

materijale i trobologilu 2000

46