Metalurgija, tehnološki i radni proces

Uvod

Prvi je alat čovjek dobio tešući mekani kamen od kojeg je izrađivao ručne klinove ili oblutke.

Metalurgija

Metalurgija je znanost koja se bavi dobivanjem metala iz ruda te preradom tih metala u poluproizvode kao što su limovi, žice, različiti profili i sl. Metalurgija uz poljoprivredu ima najveći udio u svjetskoj proizvodnji.

S obzirom na metale kojima se bavi, postoji:

Obrada metala

Obrada metala je promjena oblika, dimenzija ili svojstava metala kako bi se prilagodio daljnjoj upotrebi. Promjena oblika, dimenzija ili svojstava metala može se podijeliti na ručnu ili strojnu obradu. Da bi se izvela obrada metala na bilo koji način potreban je alat.

Alat je oruđe koje služi za oblikovanje i obradu metala te je u direktnom kontaktu. Od svih živih bića jedino čovjek izrađuje alat kojim se koristi u izradi tehničkih tvorevina.

Podjela obrade metala:

Obrada izvornog oblikovanja
- Lijevanje
Obrada bez odvajanja čestica
- Valjanje
- Kovanje
- Savijanje
- izvlačenje
Obrada odvajanjem čestica
- Strojna obrada odvajanjem čestica
- Ručna obrada odvajanjem čestica
Obrada spajanjem
- Zavarivanje
Obrada zaštite materijala
- Zaštita metala
Obrada promjenom svojstava
- Toplinska obrada

U 7. razredu ćemo samo učiti o ručnoj i strojnoj obradi metala.

Ručna obrada

Ručna obrada je obrada materijala koja koristi alat uz snagu mišića. Alat je sredstvo kojim mijenjamo oblik, dok se za upravljanje alatom radnik koristi svojom snagom. Ručni alati koji se upotrebljavaju za plastičnu obradu metala i rezanje su kliješta, škare, čekić, pila, turpija itd.

Strojna obrada

Strojna obrada odvajanjem čestica se obavlja na alatnom stroju s unaprijed određenim alatima, kako bi se u što kraćem vremenu dobio proizvod zadovoljavajuće kvalitete. Alatni strojevi su strojevi na kojima čovjek u proizvodnom procesu upravlja alatom. Osnovni zadatak alatnih strojeva je zamjena ljudskog rada uz povećanje točnosti, produktivnosti, ekonomičnosti i drugog.

Strojni alati koji se upotrebljavaju za plastičnu obradu metala i rezanje su kalupi, valjci, štance, svrdla, glodala, tokarski noževi, pile itd. Čovjek fizički obrađuje metal alatima prilagođenim njegovoj ruci, dok strojno obrađuje metal alatima prilagođenim kružnom i pravocrtnom strojnom gibanju.

Lijevanje je postupak oblikovanja pri kojemu se rastaljeni metal ulijeva u neku šupljinu (kalup), hladi i skrućuje u njoj, te poprima njen oblik (odljevak). Alati za lijevanje mogu biti pješčani kalupi za jednokratnu upotrebu i metalni (kokile) za višekratnu upotrebu.

Od svih postupaka plastične deformacije, najveću primjenu ima valjanje. Postupak započinje valjanjem ingota u poluproizvode. Valjanje je postupak oblikovanja metala deformiranjem kod kojega sirovac (ingot) prolazi između dva suprotno rotirajuća valjka. Time se smanjuje debljina obratka (presjek) i povećava duljina, odnosno daje mu se potrebni oblik. Tijekom valjanja također se obratku poboljšavaju mehanička svojstava.

Kovanje je obrada materijala bez odvajanja čestica, kod koje se promjena oblika i dimenzija vrši udarcima čekića po otkivku, koji je položen na nakovanj. Obrada je češće u toplom stanju, ali može biti i u hladnom stanju. Prema načinu na koji se obavlja preoblikovanje postoji ručno kovanje i strojno kovanje.

Ručno kovanje je postupak preoblikovanja materijala udarcima kovačkog čekića po otkivku. Otkivak se zagrije u kovačkoj vatri do bijelog sjaja. Kovačkim klještima se vadi iz vatre i polaže na nakovanj. Otkivak polako mijenja oblik i dimenzije pod udarcima čekića. Točnost dimenzija, oblika, kvaliteta proizvoda i količina ovise isključivo o preciznosti i iskustvu kovača.

Strojno kovanje je moderniji način kovanja, koji omogućava kovanje od najmanjih otkivaka do izuzetno velikih (do 580 tona). Postupak može biti u toplom i hladnom stanju. Za kovanje u toplom stanju, u postupku proizvodnje potrebne su i kovačke peći.

Izvlačenje je postupak strojne obrade metala bez skidanja čestica, koji se koristi u proizvodnji žica, traka, cijevi, šipki. Postupak se koristi uglavnom za promjenu dimenzija (promjera i debljine stijenke), a rjeđe za promjenu oblika. Izvlačenje se provodi većinom u hladnom stanju.

Na slici je prikazano duboko izvlačenje. To je proces proizvodnje proizvoda od ravnog metala. Za vreme dubokog izvlačenja početni ravan pripremak se zatvara izmedu kalupa i držača lima posle čega se spušta naniže deformišući se u željeni oblik. Krajnji oblik proizvoda zavisi od geometrije samog kalupa.

Savijanje spada u grupu postupaka oblikovanja deformiranjem koji se najčešće primjenjuju. Pretežno se savija u hladnom stanju, ali debele limove se savija u toplom stanju. Savijanje se postupak obrade metala bez skidanja strugotine (čestica) – deformacijom obratka pod određenim kutom u novi oblik.

Rezanje ili sječenje je mehanički postupak obrade materijala kojim se dio obratka u potpunosti ili djelomično (zarezivanje) odvaja od cjeline. Rezanje razdvajanjem provodi se mehaničkim reznim alatima, kao što su škare, noževi, štance i slično (prosijecanje), kojima se dijelovi međusobno razdvajaju bez uklanjanja čestica, te toplinsko rezanje, pri kojem se materijal razdvaja izravnom primjenom toplinske energije (zavarivanje).

Na slici je prikazano Rezanje vodenim mlazom spada među nestandardne postupke obrade metala, koje se temelje na postupku mehaničkog odnošenja materijala. Rezanje vodenim mlazom omogućuje rezanje metala (nehrđajući čelik, aluminijske legure, kaljeni čelik, bakar i mjed (sve do 150 mm debljine)), tvrdi metal, staklo, kamen (na primjer granit), plastiku, gumu, drvo, polistiren i tako dalje. Vodeno rezanje ne zagrijava materijal, što je naročito korisno za čelike koji su namjenjeni za toplinsku obradu.

Piljenje je postupak obrade odvajanjem čestice koji se upotrebljava kod odsijecanja ili dijeljenja materijala. Prema načinu gibanja alata, piljenje se dijeli na pravocrtno i kružno piljenje. Sam alat se razlikuje po obliku, te imamo kružne, tračne i lisne pile.

Turpijanje je postupak obrade odvajanjem čestica koji skida promjenjiv presjek strugotine. Postupak se koristi kao jedna od završnih obrada, kojim dovodimo obradak na točne mjere (skidamo dodatak za obradu). Alat je turpija (ručni alat s mnogo oštrica). Glavno gibanje je pravocrtno i obavlja se kad se turpija pomiče prema napred. Kako je turpijanje ručna obrada, dodatno turpiju treba opteretiti okomito na glavno gibanje, kako bi skidala strugotinu.

Zanimljivo je i to da su turpije pronađene u brončanom dobu u drevnom Egiptu.

Bušenje je vrsta strojne obrade odvajanjem čestica kojim se posebnim alatom (svrdlom) izrađuju valjkaste rupe u obratku. Pod bušenjem u užem smislu razumije se izrada okruglih rupa (navrta, uvrta, provrta) s pomoću reznog alata (svrdla), koje ujedno potpuno određuje i promjer rupe. Bušenje se izvodi na alatnim strojevima, pretežno bušilicama.

Brušenje, u strojarstvu, je oblikovanje materijala odvajanjem čestica, kojim se postižu glatke površine. Vrlo glatka i sjajna površina nastaje poliranjem. Brušenje se obavlja brusnim alatom ili brusom, koji se sastoji od mnoštva geometrijski nedefiniranih oštrica i šiljaka od kristalnih zrnaca abraziva. Brusni alat najčešće je kamena ploča (brusna ploča) pravokutna, okrugla ili kakva druga oblika (naziva se i brus), te beskonačna vrpca ili list brusnog papira ili brusnog platna.

Tokarenje je postupak obrade metala skidanjem čestica kojim se proizvode obratci rotacijskih površina (valjkasti proizvodi). Izvodi se na alatnim strojevima tokarilicama. Obradak obavlja glavno gibanje, dok alat obavlja posmično, pripremno i dostavna gibanja. Površine nakon obrade skidanjem čestica, ma kako ona bila fina i precizna, nisu savršeno glatke. Mikroskopski gledano one su hrapave i pune neravnina raznih oblika, veličina i smjerova.

Nakon tokarenja glodanje je najvažniji i najzastupljeniji postupak obrade odvajanjem čestica. To je postupak obrade odvajanjem čestica (rezanjem) kojim je moguće obraditi gotovo sve vrste i oblike površina (ravne plohe, prizmatične žljebove, zupčanike, navoje,…)

Blanjanje je postupak obrade metala (ili drugih materijala) koji radi na istom principu kao i tokarenje, dakle odvajanjem strugotina pomakom noža u odnosu na obrađivani predmet.

Za razliku od tokarenja koje obrađuje predmete koji se rotiraju, blanjanje obrađuje ravne predmete, odnosno, blanjanje je vrsta tokarenja predmeta beskonačno velikog promjera, te se svodi na obradu ravnih ploha. Blanjanje se uglavnom radi na velikim komadima koji se obrađuju po dužini.

Metali od najtvrđeg čelika, aluminijski limovi, profili i cijevi režu se laserom. Laser je alat koji reže metal bez skidanja čestica, a pritom se koristi snažnom laserskom zrakom kojom upravlja CNC stroj (Computer Numerical Control). Laserska zraka debljine manje od 0,3 mm infracrvena je svjetlost nevidljiva ljudskom oku. Rezanje laserskom zrakom liči povećalu kroz koje se Sunčeve zrake usmjeravaju na papir koji se pali visokom temperaturom u žarištu.

Tehnologija

Tehnologija je usko povezana s nastankom alata koji se upotrebljavaju u izradi nekoga proizvoda. Tehnologija je znanost koja proučava primjenu znanja i vještina te organizaciju proizvodnje tehničkih tvorevina. Tehnologija materijala je jedna od najvažnijih grana tehnologije. Bez poznavanja materijala (njihovih svojstava) ne bi mogli postići bolje proizvode ili dosegnuti neka nova tehnička dostignuća (boravak u svemiru).

Tehnički materijali, tehnički uporabljive tvari koje služe pri izradbi i proizvodnji najrazličitijih materijalnih tvorevina (predmeta, objekata, konstrukcija). U svojem tipičnom životnom ciklusu tehnički materijali prolaze više stadija, od ekstrakcije iz sirovina, preko proizvodnje, preradbe i doradbe do uporabe i na kraju do oporabe (recikliranja), ili do odbacivanja kao otpada. Neke prirodne tvari (drvo, kamen) nalaze izravnu tehn. uporabu, ali se većina tehničkih materijala dobiva izravnom ekstrakcijom iz mineralnih ili biol. izvora.

Postoje mnogobrojne podjele tehničkih materijala no u praksi je najčešća klasifikacija na temelju uporabnih svojstava: metali i slitine (čelik, željezni ljevovi, laki i obojeni metali), keramika, staklo, beton, plastika, guma, drvo, papir, vlakna, kompozitni materijali.

Ugljik je kemijski element koji je u periodnom sustavu elemenata određen simbolom C.

Velike su količine ugljika koncentrirane u nalazištima fosilnih goriva (nafta, ugljen, zemni plin). U atmosferi se pojavljuje kao ugljikov(IV) oksid, CO₂, volumnog udjela 0,033%. Nalazimo ga i u morskoj vodi u obliku hidrogenkarbonata ili otopljenog ugljikova(IV) oksida. Ima ga i u Svemiru, gdje sudjeluje u termonuklearnim reakcijama na tzv. „vrućim zvijezdama“. Ugljik, poslije vodika, tvori više spojeva nego svi ostali kemijski elementi zajedno.

Atomi ugljika tvore piramide, odnosno tetraedre. Zahvaljujući takvoj strukturi dijamant je izuzetno čvrst. Ustvari, to je najtvrđa poznata tvar. Savršen dijamant zapravo je samo jedna molekula atoma ugljika.

Atomi ugljika povezani su jakim kemijskim vezama. Slojevi atoma ugljika lako se pomiču i kližu jedan preko drugoga, kao naslagani listovi papira, zato što su međusobno povezani slabijim vezama. Zbog tih karakteristika grafit je izvrsno mazivo i ključan je za izradu olovaka.

Vidi članak “Ima li tko olovku?” iz časopisa Probudite se!

To je samo jedan sloj ugljikovih atoma heksagonalne strukture debljine nekoliko mikrometara. Grafen je puno elastičniji od čelika. U tragu koji olovka ostavi na papiru može biti malih količina grafena u jednom sloju ili pak u više njih.

Zbog iznimnih mehaničkih svojstava (velike gustoće, čvrstoće, elastičnosti), velike električne vodljivosti i gotovo potpune prozirnosti može se primijeniti u izradi kompozitnih materijala, elektroničkih i logičkih sklopova, te zaslona osjetljivih na dodir (eng. touch screen) i sunčanih članaka.

Više o grafenu pogledajte video.

Ugljik se pojavljuje i u više drugih oblika poznatih kao amorfni ugljik (aktivni ugljen, ugljen, koks, čađa). Svi oblici amorfnog ugljika nisu čisti ugljik i sastoje se od sitnih čestica grafitne strukture.

Upotreba ugljika

Grafit se upotrebljava za proizvodnju olovaka. U strojarstvu kao mazivo za ležajeve i ključanice, u nuklearnoj industriji za izgradnju nuklearnih reaktora itd. Ljepši primjerci dijamanta upotrebljavaju se za izradu skupocjenog nakita, a oni manje lijepi za izradu alata za rezanje, bušenje, brušenje i poliranje.

Tehnološki i radni proces

Da bi proizvodnja bila moguća, potrebno je imati informacije o svojstvima proizvoda koji se izrađuje, potrebno je poznavati materijal od kojega se proizvod izrađuje i potrebni su energija za obradu materijala, tehnička sredstva (alati i strojevi) koja se pritom upotrebljavaju i detaljno razrađena pravila rada. Navedeni elementi povezani u organizirani proces izrade nekoga proizvoda nazivaju se tehnološki proces.

Uspjeh i održavanje svake proizvodnje ovisi o ekonomskoj isplativosti odnosno novčanoj zaradi na tržištu. Povezivanjem tehnološkog procesa s mjerama sigurnosti na radu, mjerama zaštite okoliša te društvenim i ekonomskim odnosima nastaje širi proces proizvodnje koji se naziva radni proces

Primjer tehnološkoh i radnog procesa

Na primjeru proizvodnje (pravljenja) palačinki objasnit ćemo sve sastavnice tehnološkog i radnog procesa.

Problem zbrinjavanja otpada jedan je od većih problema suvremenog društva. Stoga se sve više pozornosti posvećuje recikliranju. Recikliranje je proces obrade korištenih materijala u nove proizvode kako bi se spriječio gubitak korisnih materijala i sačuvao okoliš.

Pogledajte video koji objašnjava kako rade baterije.

Recikliranje metala

Recikliranje metala ponovno je korištenje tih metala u obliku novih proizvoda. Značajno pridonosi smanjenju količine krutog otpada i emisije štetnih plinova te štedi veliku količinu energije i prirodne resurse i na taj način pridonosi očuvanju okoliša. Za recikliranje je potrebno znatno manje energije nego za proizvodnju novoga primarnog metala. Neki se metali mogu reciklirati i više puta, a da ne izgube svoja svojstva.

Najčešće se recikliraju aluminij i čelik, a zatim lijevano željezo, olovo, bakar i cink. Sve se vrste metalnog otpada mogu više puta reciklirati. Stoga ih je potrebno odvojeno skupljati i odlagati u žute spremnike postavljene na javnim površinama i u reciklažna dvorišta.

Otpisani brodovi koristan su otpad koji ima svoju ekonomsku vrijednost. Oni se prvenstveno recikliraju radi iskorištavanja i ponovne upotrebe čelika. Recikliranje brodova proces je kojim se brodovi u rezalištima rastavljaju, a potom se odvojeni dijelovi recikliraju i nanovo upotrebljavaju. Neodgovarajuće rastavljanje brodova može uzrokovati različite opasnosti za morski okoliš

Kako bi se spriječilo zagađivanje okoliša, postoje tvrtke za gospodarenje automobilskim otpadom koje se brinu za stara vozila koja prema Zakonu o sigurnosti prometa na cestama moraju 15 dana nakon isteka registracije biti prijavljena tim tvrtkama.