Techniczne tworzywa sztuczne konkurencją dla stopów metali?

2008-11-27

Światowe firmy przemysłowe nieustannie rozwijają swoje technologie, co wpływa na wzrost konkurencji wśród tych przedsiębiorstw. Konkurencja ta oprócz zrozumiałych przesłanek ekonomicznych polega również na stworzeniu odpowiedniego środowiska, bezpiecznego dla pracowników i ich otoczenia. Duże koncerny dostrzegły już, że najistotniejszym kapitałem każdej organizacji są pracownicy oraz wiedza i umiejętności, które posiadają.

Szacuje się, że ponad 50% wszystkich zasobów intelektualnych w firmie ma charakter niezarejestrowany na trwałym nośniku, a tę nie do przecenienia wiedzę posiadają zatrudnieni pracownicy. Dlatego duże firmy chronią środowisko pracy, starają się np. eliminować lub poważnie ograniczać emisję hałasu, wibracji, a poprzez zastosowanie odporniejszych na ścieranie i duże obciążenia materiałów niemetalicznych zwiększyć czas bezpiecznej i bezawaryjnej pracy eksploatowanych urządzeń i instalacji technicznych. Celom tym służyć może stosowanie technicznych tworzyw sztucznych w obszarach procesu technologicznego i w elementach maszyn. Materiały te w zasadniczy sposób mogą wpływać na ograniczenie emisji negatywnych czynników na środowisko pracy. Stosowanie elementów wykonanych z nowych tworzyw sztucznych daje również korzyści ekonomiczne.

Ilość obecnie dostępnych tworzyw sztucznych i mnogość możliwych ich zastosowań oraz różnorodność rozwiązań w przemyśle i innych działach gospodarki sprawiają, że projektanci mogą niemal w dowolny sposób dobierać właściwe materiały, używając przy tym tworzyw, które jeszcze nie tak dawno miały bardzo ograniczone zastosowanie, szczególnie w przemyśle. Odchodzą – jak się wydaje, bezpowrotnie – czasy, w których uświęcone długą tradycją było wykonywanie elementów urządzeń, konstrukcji i instalacji z najpopularniejszych gatunków stali węglowych. Obecna gama dostępnych niemetalicznych materiałów technicznych stawia przed inżynierami kolejne nowsze wyzwania.

METALE A TECHNICZNE
TWORZYWA SZTUCZNE

Porównując wytrzymałość technicznych tworzyw sztucznych, w tym przypadku odniesioną do granicy plastyczności, można zauważyć, że właściwości wytrzymałościowe polimerów inżynierskich mogą być porównywalne np. ze stopami magnezu czy stopami aluminium. Ponadto istnieją zastosowania, w których techniczne tworzywa sztuczne mogą być używane częściej niż stopy metali. Do tych właściwości można zaliczyć podwyższoną odporność na zużycie, dzięki której opisywane tworzywa mogą skutecznie konkurować nawet z żeliwem czy stalą.

Proces wytwarzania polimerów odbywa się w instalacji składającej się z odpowiednich zasobników surowców wejściowych i mieszalników. Podstawowymi składnikami mogą być: kaprolaktam, aktywator i katalizator. Proces polimeryzacji kaprolaktamu jest uzyskiwany dzięki dokładnemu zachowaniu proporcji pomiędzy aktywatorem a katalizatorem. Przy zróżnicowaniu udziału wymienionych składników otrzymuje się jakościowe tworzywa sztuczne o różnym stopniu twardości. Formowanie tworzywa w podgrzanej formie odlewniczej wykonuje się najczęściej za pomocą tradycyjnego odlewania grawitacyjnego lub techniki odlewania odśrodkowego. Stosuje się również późniejszą obróbkę termiczną oraz mechaniczną odlewów.

ZASTOSOWANIA
TWORZYW SZTUCZNYCH

Tworzywa termoplastyczne i duroplastyczne mają bardzo szeroki wachlarz zastosowań. Ciągle jednak poszukiwane są dla nich nowe możliwości aplikacyjne. Przeważnie produkowane są jako bardzo precyzyjne odlewy, tzn. nie jest wymagana dalsza ich obróbka mechaniczna. Korzyści z zastosowania tego rodzaju materiału jest bardzo wiele. Tworzywa sztuczne omawianego typu wyróżniają się bardzo niskim ciężarem właściwym (0,9-1,5 g/cm3), wysoką twardością, dużą udarnością nawet przy niskich temperaturach, a wykonane z nich elementy charakteryzują się cichą pracą. Ponadto elementy wykonane z tych tworzyw wymagają ograniczonego smarowania. Wyroby z technicznych tworzyw sztucznych mogą więc coraz częściej zastępować elementy mechaniczne wykonane z tradycyjnych materiałów metalowych. Przykładowo: stojaki na kręgi wykonane z tworzywa sztucznego mogą służyć jako podpory dla elementów wielkogabarytowych o wadze jednostkowej dochodzącej do 45 ton.

Bardzo przydatnym zastosowaniem poliamidów jest wykonywanie z nich rolek samotoków lub tylko płaszczy rolek tocznych. Niektóre z tych materiałów charakteryzują się właściwościami, dzięki którym możliwe jest zastosowanie rolek wykonanych z tworzyw sztucznych, zarówno o standardowych właściwościach (produkowanych z poliamidu lanego z dodatkiem MoS2), jak również o podwyższonych parametrach technicznych i eksploatacyjnych materiału produkowanego w sposób zbliżony, ale dodatkowo stabilizowanego termicznie.

Zarówno rolki, jak i koła toczne mogą być wytwarzane jako elementy odlewane w stanie surowym lub dodatkowo obrabiane wiórowo. Zastosowanie omawianych tworzyw umożliwia ich cichą pracę i dużą odporność na ścieranie, jak również na uderzenia mechaniczne. Poliamidy można również zastosować w walcach roboczych o przeznaczeniu transportowym. Ich użycie pozwala na zmniejszenie ciężaru własnego w porównaniu do stalowego odpowiednika. Rozruch samotoków roboczych jest płynny i szybki. Zmniejsza się natężenie hałasu i zwiększa odporność na działanie czynników korozyjnych, olejów i smarów.

Nowatorskie zastosowanie jakościowych tworzyw sztucznych zostało także wdrożone do wykonywania kół odchylających w dźwigach linowych (fot. 1). Tworzywa sztuczne – w tym przypadku Optamid® – stosowane są w dźwigach towarowych i osobowych przy prędkościach przejazdu dochodzących do 8 m/s.

KORZYŚCI Z ZASTOSOWANIA
TWORZYW SZTUCZNYCH

Dla opisywanych zastosowań tworzywo sztuczne mogło skutecznie zastąpić żeliwo szare, z którego są wykonywane tradycyjne koła zwrotne wind linowych. Dzięki użyciu tworzyw sztucznych uzyskuje się istotne zmniejszenie poziomu hałasu, szczególnie przy prędkościach transportowych powyżej 1,5 m/s. Plastikowe koła lepiej przylegają do liny stalowej (zwiększona jest liczba punktów styku) na skutek mniejszego współczynnika sprężystości w porównaniu do żeliwa szarego. Nie bez znaczenia jest również fakt, że tworzywa sztuczne są o 75% lżejsze w porównaniu do elementów wykonanych z żeliwa, co jest zagadnieniem bardzo istotnym podczas wykonywania prac konserwacyjnych lub remontów. Poliamidy charakteryzują się dobrymi właściwościami elastycznymi, dzięki czemu uzyskuje się zmniejszenie poziomu wibracji. Materiały te mogą pracować w zakresie temperatur 10-60°C.

Tworzywa sztuczne oprócz wszechstronnego zastosowania w normalnych temperaturach otoczenia mają również możliwości aplikacyjne w walcowniach gorących. Jest to szczególnie cenna właściwość, gdyż podczas walcowania na gorąco materiały poddawane są działaniu skrajnie wysokich obciążeń i temperatur.

Od kilku lat w Hucie Królewskiej Sp. z o.o. z powodzeniem stosowane są łożyska ślizgowe czopów walców wykonane z tworzywa Laminex, które zastąpiło dotychczas stosowany tekstolit. Elementy te zostały zabudowane na walcowni dużej w ułożyskowaniu czopów walców o średnicy 815 mm. Otwarte łożyska ślizgowe są chłodzone wodą, a temperatura pracy elementów zawiera się w przedziale 30-70°C. Po ponadrocznym okresie eksploatacyjnym dostrzeżono, że zastosowany materiał charakteryzuje się ponadtrzykrotnym zwiększeniem trwałości eksploatacyjnej w porównaniu do materiału dotychczas używanego. Dzięki zastosowaniu nowoczesnych materiałów skróceniu uległ czas związany z przerwami spowodowanymi wymianą zużytych elementów, ograniczony został również czas potrzebny do przezbrajania urządzeń i tym samym wydłużono czas walcowania. Przykładowe elementy ułożyskowania wykonane z tworzyw sztucznych przedstawiono na fot. 2.

Tworzywa sztuczne poza zastosowaniem w elementach łożysk ślizgowych mogą również zostać użyte w smarownicach łączników przegubowych walcowniczych klatek wstępnych i wykańczających. Lamigamid coraz częściej jest używany do wykonywania sprzęgieł tulejowych stosowanych przy przenoszeniu momentu obrotowego w walcarkach. Ze względu na korzystne właściwości tworzyw sztucznych wytwarzane są z nich płyty cierne do obudów walców roboczych i oporowych, okien klatek walcowniczych oraz pierścienie służące do mocowania podzespołów.

Jakościowe tworzywa sztuczne często są stosowane jako materiał służący do produkcji kół tocznych. Zasadniczo możliwe jest ich użycie, gdy prędkość toczenia nie przekracza 5 m/s. Przy wyższych prędkościach ruchu może występować silne nagrzewanie powierzchni. Gdy cylindryczne koło przemieszcza się po stalowej prowadnicy, jego deformacja w miejscu styku może być nawet siedmiokrotnie większa niż koła stalowego. Dlatego obciążenie, które działa na koło z tworzywa sztucznego, jest 7 razy mniejsze od obciążenia występującego w przypadku zastosowania kół stalowych. Podobne zastosowanie opisywanych wcześniej materiałów jest możliwe przy wykonywaniu płaszczy rolek tocznych samotoków. Płaszcze polimerowe można nakładać zarówno na rolki napędowe, jak i na rolki wolnobieżne (fot. 3).

Najistotniejszym efektem, który uzyskuje się w wyniku zastosowania takiego rozwiązania technicznego, jest zmniejszenie występowania hałasu na skutek ograniczenia styku stal – stal podczas transportu kształtowników w trakcie procesu produkcyjnego. Wysoki poziom hałasu często występuje w trakcie transportu wyrobów za pomocą samotoków o tradycyjnej stalowej konstrukcji (po procesie walcowania i chłodzenia) do prostownic rolkowych w celu ich dalszej obróbki wykańczającej. Stosowanie tworzyw sztucznych jako materiałów bezpośrednio stykających się podczas transportu tocznego z przenoszonymi tą drogą kształtownikami mającymi temperaturę otoczenia jest coraz popularniejsze w europejskim i światowym przemyśle.

PODSUMOWANIE

Poza doskonałymi parametrami technicznymi jakościowe tworzywa sztuczne charakteryzują się niskimi kosztami produkcji i eksploatacji. Za ich szerokim zastosowaniem w różnych działach gospodarki przemawiają także długi okres eksploatacji wykonanych z nich elementów i łatwość ich serwisowania. W związku z tym tworzywa sztuczne stają się coraz bardziej konkurencyjne w odniesieniu do wyrobów metalowych. Mogą być z powodzeniem zastosowane w oczyszczalniach ścieków, przemyśle papierniczym i tekstylnym, w zakładach przetwarzających minerały i rozlewniach, jak również w maszynach budowlanych, pojazdach gąsienicowych, podnośnikach widłowych lub osprzęcie walcowni (2).

Literatura
1. Dobrzański L.: Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach, Warszawa 1998.
2. Materiały firmy Schwartz GmbH.

Źródło: Tomasz Zygmunt - "STAL Metale & Nowe Technologie" - listopad/grudzień 2008r