1.1 ANYAGOK RENDSZEREZÉSE

1.1 ANYAGOK RENDSZEREZÉSE 1.1 MELYEK AZ ANYAGOK JELLEGZETES HALMAZÁLLAPOTAI ÉS ÁLLAPOTVÁLTOZÁSAI? 1.1.1     1.1.2  

Halmazállapotok: szilárd (kristályos pl: fémek és amorf pl:üveg) cseppfolyós (folyadék, olvadék) légnemű (gőz, gáz) plazma (Plazma a gáz-halmazállapotból keletkezik az atomok ill. molekulák ionizációja révén) Halmazállapot változások: hőmérséklet növelés vagy nyomás csökkenés hatására a lejátszódó folyamatok: szilárd → olvadás → folyadék → párolgás → gőz; szilárd → szublimáció → gőz. Hőmérséklet csökkenés, vagy nyomás növekedés hatására lejátszódó folyamatok: gőz → kicsapódás vagy kondenzáció → folyadék → fagyás vagy dermedés → szilárd; gőz → kicsapódás vagy kondenzáció → szilárd. gőz/gáz →ionizáció →plazma

1.2 MI AZ ÖSSZEFÜGGÉS ÉS MI AZ ELTÉRÉS PLAZMA ÉS GÁZ ÁLLAPOT KÖZÖTT? A gázok termikus aktiválás hatásárára disszociáltak (atomjaira bomlanak) illetve ionizálódnak( a gázatomok negatív töltésű elektronokat adnak le miközben pozitív töltésű elektronokká válnak). A plazma több szempontból is gázokra hasonlít (légnemű), de lényeges különbség, hogy jól vezeti az áramot, míg a semleges aktiválatlan gázok nem. Kétféle plazmát különböztetünk meg:  technikai ; alacsony ionizáció (plazmahegesztés, vágás, szórás)  fizikai plazma; teljesen ionizált (maghasadáson alapuló energiatermelés) 1.3 MIT FEJEZ KI A FOLYADÉK ÉS AZ OLVADÉK FOGALMAK MEGKÜLÖNBÖZTETÉSE?  

A folyadék- szobahőmérsékleten cseppfolyós anyag, míg Az olvadék-kristályos anyag szilárd halmazállapotának változása hőmérséklet vagy nyomás hatására, rövid ideig fenntartható állapot.

A folyadék (ideális folyadéknak tekintve) az anyagnak azon halmazállapota, amelyben az anyag felveszi a tárolásra szolgáló edény alakját, megtartja a térfogatát és nem képes csavaróerők továbbítására. Gyakorlatilag összenyomhatatlan, részecskéi állandóan, tetszőleges módon helyet 1

változtatnak. A részecskék – sok szilárd anyagtól eltérően – rendezetlenül helyezkednek el, eltekintve egyfajta enyhe fokú, laza rendezettségtől. 1.4 AZ AMORF ANYAGSZERKEZET? A kristályos anyagszerkezet főleg szilárd testekre jellemző „hosszú távú” rendezettséget, geometriai szabályozottságot mutatnak- anizotrópok (tulajdonságaik irányfüggőek). Az amorf anyagok is szilárd halmazállapotúak, de részecskéiket tekintve „rövid távú” rendezettségűek, inkább tekinthető nagy viszkozitású olvadéknak- izotrópok (nem függenek a hossz-, kereszt-, vastagságiránytól) Olyankor keletkezik, ha az olvadék túl gyorsan lehűl, nincs idő a kristályos szerkezet kialakulására. pl.: üveg 1.5 MI SZERINT KÜLÖNBÖZTETJÜK MEG AZ EGYES KEVERÉKÁLLAPOTOKAT? A keverékállapot aszerint különböztetjük, meg, hogy melyik anyagminőség (ill. halmazállapot) van nagyobb arányban jelen a keverékben. Keverékek: 1.5.1    1.5.2    1.5.3   

Légnemű → Gázkeverékek füst (szilárd+ levegő) köd (folyékony+levegő) szmog (füst+köd) Cseppfolyós szuszpenzió (szilárd+folyadék pl.: homok és víz) emulzió (folyadék+folyadék pl.: majonéz) hab (gáz+ folyadék pl: tejszínhab) Szilárd fluid (szilárd+levegő, ahol a szilárd anyag van nagyobb arányban- csak folyamatos beavatkozással fenntartható állapot- lebegtetéssel) porkeverék (szilár+szilárd) iszap (szilárd +folyadék)

1.6 SZERKEZETI ÉS SZERSZÁMANYAGOK CSOPORTOSÍTÁSI SZEMPONTJAI : 1.6.1    1.6.2     

Fizikai és kémiai jelleg szerint: szerves anyagok: bioanyagok és műanyagok, más néven polimerek szervetlen szilárd anyagok: kis ellenállású fémek, nagy elektromos ellenállású kerámiák. alkotó atomcsoportok összetettsége szerint: nagyszámú, vagy néhány atomot tartalmazó vegyület alkotja. Eredet és előállítás szerint: Eredet szerint: szerves- bioanyagok- természetes polimerek szervetlen - műanyagok - mesterséges polimerek Technológiák szerint: olvasztásos technológia (fémkohászat, üveggyártás) színtereléses technológia (porkeverékek sajtolása, majd izzítva zsugorítják- porkohászat, műszaki finomkerámia gyártás) Kompozit gyártás: kető vagy több anyagféleség társításával létrehozott összetett anyagok, amelyek alkotóik alaki jellege szerint részecskés, szálas, réteges, vagy bevonatos kategóriába sorolhatók

2

1.6.3   

Felhasználásuk szerint: bioanyagok közül: bőr, fa, állati- és növényi rostok műanyagok: főként hőre lágyuló keramikus anyagok:, kavics, homok,félvezető, szupravezetők

1.7 SZERVES ÉS SZERVETLEN ANYAGOK JELLEMZŐI Szerves anyagok tulajdonságait főként a kötések határozzák meg, láncmolekulákból állnak és fő alkotóelemük a szén. Lehetnek : Kemény, hő-, kopásálló és vegyi anyagoknak is jól ellenálló, kis súlyú, alacsony nyúlású vagy éppen rugalmasak. Szervetlen anyagok: fémek, nemfémes vegyületek, ötvözetek, kerámiák, kopozitok. rjuk jelemző tulakdonsággal rendelkeznek, vezetők, szigeteleők, alakítható, vagy éppen ridegek… 1.8 KOMPOZIT Kompozit gyártás: kető vagy több anyagféleség társításával létrehozott összetett anyagok, amelyek alkotóik alaki jellege szerint részecskés, szálas, réteges, vagy bevonatos kategóriába sorolhatók Élő kompozit: csont Hagyományos kompozit: vályog, cement Új kopozitok: szén-, üveg szálas anyagok Alkotó elemei szerint: 

polimer-polimer



polimer-kerámia



fém-kerámia

1.9 ANYAGOK TECHNOLÓGIAI ÁLLAPOTAI.

1.10

AZ ANYAGOK ÖKOLÓGIAI ÉS KÖRNYEZETTERHELÉSI JELLEMZŐI .



reciklikálási hányad: százalékos arányszám, amely az anyag újrahsznosításának részarányát fejezi ki.



energiatartalom: az a fajlagos (tömeg vagy térfogategységre vonatkoztatott) energiamennyiség, amelyet összetételükben hordoznak, ill. kitermelésükhöz, előállításukhoz szükséges.

3

1.2 ANYAGOK SZERKEZETI JELLEMZŐI 1.1 AZ ANYAGOK ÖKOLÓGIAI ÉS KÖRNYEZETTERHELÉSI JELLEMZŐI . Az optimális kiválasztáshoz a jellemző igénybevételt kell alapul venni:  Húzás esetén a tömör körszelvény az ideális (csavar)  Nyomás esetén kör vagy négyzetszelvény, ami belül üreges (oszlop)  hajlítás esetén tömör téglalap (gerenda)  nyírás esetén- nyírőerő- tömör kör, négyzet vagy téglalap, de figyelembe kell venni a járulékos erőket: palástnyomás és a hajlító erőt.  csavarás esetén a forgásszimmetrikus csőszelvény. 1.2 ANYAGFELÜLET , FELÜLETKEZELÉS . A felületkezeléssel befolyásolható az élettartam, a roncsolódás a rétegegekben keletkező elváltozásból, károsodásból indul ki (oxidáció, korrózió, kopás) 1.3 MAKRO SZERKEZET Belső makro szerkezet: a külső makro szerkezeti geometria által behatárolt térfogatot az anyag milyen folytonossággal (kontinuitás) tölti ki. 1.4 MELY FOLYTONOSSÁGI HIÁNYOK TEKINTHETŐK HIBÁNAK? Azokat, amelyek jellemző mérete meghaladja az adott termékben - anyagtól, szerkezeti kialakítástól, technológiától, üzemeletetéstől stb. függően-megengedett határértéket. 1.5 1.5-6 MIVEL JELLEMEZHETŐ AZ ANYAG MIKRO SZERKEZETE, SZEMCSEMÉRET Mikro szerkezet alatt a fázisok alaktani jellegzetességeit, méretjellemzőit, egymás hoz képest való elosztását, arányát értjük. Az anyagok tulajdonságai szemcseméret függőek.

Átlagos szemcseméret

Lo-hosszúságú metszet, N-szemcsék száma a mikroszkóp alatt.

1.7 MIT ÉRTÜNK KRISTÁLYOS SZERKEZETEN, KRISTÁLYHIBÁKON ? 

Kristályos szerkezet: az alkotó részecskék - atomok, ionok, molekulák-más néven bázisok geometriai szabályossággal építik fel a szilárd anyag szemcséit. (monokristályos, polikristályos, egy-, két, háromdimenziós kristályszerkezet)



Kristályhibák csoportosítása: null-, egy- két-, háromdimenziós. Null dimenzió- üres kristályhelyek, saját vagy más elemek atomjai töltik ki. A más anyag lehet erősítő hatású, mint az ötvöző vagy károsító hatású-szennyező. Egydimenziós- vonalszerű hibák: kristályrácsot megosztó, elcsúszott és el nem csúszott rácssíkokat elválasztó atomsorok, amelyek az anyag alakváltozását megkönnyítik. Mennyiségi jellemzője a diszlokációssűrűség.

4

Két dimenziós- felületszerű hibák újrakristályosodás során keletkező kisszögű szemcsehatárok, dermedés során kialakuló nagyszögű szemcsehatárok, alakítás hatására létrejövő ikerhatárok Három dimenziós- térfogatszerű- zárványok- idegen anyagok ékelődnek be a rácsba. A fémek kristályosodása A megolvadt állapotból lehűlve a fémek kristály alakban szilárdulnak meg. A fématomok az adott fémre jellemző szabályoknak megfelelő helyet foglalnak el a kristályrácsban. A fémek általában köbös kristályrács rendszerben kristályosodnak. A legjellemzőbb kristályalakzatok az alábbiak: a) b) c) d)

Egyszerű köbös térrács Térközepes köbös térrács Lapközepes köbös térrács Hexagonális kristályrács

A kristály jellemző alakja a legkisebb egységével, az elemi cellával ábrázolható. A köbös kristály alapformája kocka. A kristályrácsban a fémionok úgy helyezkednek el, hogy a középpontjaikat összekötő egyenesek kockát alkotnak. Az egyszerű köbös formában, csak a csúcsokban helyezkednek el fémionok. Ilyen kristályrács rendszerben kristályosodik, pl. a Pd.

Egyszerű köbös térrács A lapközepes köbös térrács esetén a kocka lapjainak középpontjában is van egy fémion. Ebben a kristályszerkezetben kristályosodik pl, az Al, a Cu, Ni.

Lapközepes köbös térrács

5

A térközepes köbös térrácsú kristályrendszerben a kocka középpontjában is van egy fémion, ahogyan az ábrán látható, gömb és vonalas modell formájában. Ebben a rendszerben kristályosodik a Cr, W, V.

Térközepes köbös térrács

A hexagonális kristály alapformája hatszögű hasáb. A fémionok az alap és a fedőlapon hatszöget alkotva helyezkednek el, a középpontokban is van egy-egy fémion. A hasáb belsejében további 3 kristály található. Ebben a rendszerben kristályosodik a Zn, Mg.

A vas (Fe) az egyszerű-, lapközepes-, és térközepes köbös rácsszerkezetben egyaránt megtalálható.

A kristályszerkezet kialakulása Az olvadék hűlésekor a fémionok előbb kristálycsírákká állnak össze. A hűlés folytatódásával a kristálycsírákból kristályrácsok alakulnak ki. A kristályok addig nőhetnek szabadon és szabályosan, amíg egymásba nem ütköznek. A kristályosodás előrehaladtával a kristályok egymással érintkezésbe kerülnek, egymás növekedését gátolják, így alakjuk szabálytalan lesz. A szabálytalan alakú kristályokat krisztallitoknak nevezzük.

6

1.8 KRISZTALLOGRÁFIAI JELLEMZŐK

1.9 MI AZ ÖSSZEFÜGGÉS A KÖTÉSTÍPUSOK ÉS AZ ANYAGTULAJDONSÁGOK KÖZÖTT ? MOLEKULARÁCSOS anyagok:  rácspontokban diszkrét molekulák  közöttük gyenge intermolekuláris erők (van der Waals, másodlagos kémiai, pl. H-kötés, dipól-dipól kölcsönhatás)  a kölcsönhatások nem irányítottak,  az illeszkedés a rácsban ezért szoros  jellemző rácstípus: köbös, hexagonális  makró tulajdonságok: alacsony op., fp., közel egymáshoz  példák: kén, (grafit) FÉMRÁCSOS anyagok (a fémek)       

rácspontokban atomtörzsek delok. elektronok tengerében közöttük erős fémes kötés (sokcentrumos, delokalizált -kötés) a kölcsönhatás nem irányított, az illeszkedés a rácsban ezért szoros jellemző rácstípus: köbös, hexagonális makró tulajdonságok: magas, változó op., fp., jó elektromos és hővezető képesség, színes anyagok példák: a fémek (grafit)

7

KOVALENS ATOMRÁCSOS anyagok:       

rácspontokban atomok közöttük erős kémiai kötés a kölcsönhatás, a kémiai kötés irányított, az illeszkedés a rácsban ezért NEM szoros jellemző rácstípus: változó makró tulajdonságok: magas, op., fp., elektromos szigetelők, hővezető képesség rossz, nem színes anyagok (fehérek) példák: gyémánt, (grafit)

IONRÁCSOS anyagok:        1.10

rácspontokban ionok közöttük erős ion kötés (Coulomb erő) a kölcsönhatás nem irányított, az illeszkedés a rácsban ezért szoros, az illeszkedést a relatív ionméret és az iontöltés befolyásolja jellemző rácstípus: változó makró tulajdonságok: magas, op., fp., olvadékok elektromos vezető képesség jó (ion- v. másodrendű vezetés), példák: NaCl – lapközéppontos kocka, CsCl - térközéppontos kocka,

JELLEMEZZÜK RÖVIDEN AZ ATOMSZERKEZETET .

Atom: semleges töltésű kémiai részecske, amely pozitív töltésű atommagból és negatív töltésű elektronburokból áll. Az atommag pozitív töltésű, mert benne találhatók a protonok (+) és a neutronok (töltés nélküli részecskék). A protonok száma adja az atom rendszámát, a protonok és neutronok számának összege pedig a mag tömegszámát, ez megközelítőleg a kémiai atomsúllyal egyenlő. Az elektronok az atommag körül meghatározott pályákon, ún. elektronhéjakon keringenek.

8

1.3 AZ ANYAGOK TULAJDONSÁGAI. 1.1 MIT FEJEZ KI AZ ANYAGOK ÖSSZETÉTELE ÉS SŰRŰSÉGE? A sűrűség az anyag m tömegének és V térfogatának viszonyszáma, azaz a térfogategységre vonatkoztatott tömeg. p=m/V A legtöbb fémes anyag sűrűsége nagy, a keramikus anyagoké kisebb, a műanyagoké, a szerves természeti anyagoké a legkisebb. Ez a csökkenő sorrend szoros összefüggésben van az anyagokat alkotó atomok kisebb tömegével és a lazább térkitöltéssel. A kompozitok sűrűsége az összetevő anyagok sűrűségének egymáshoz képesti arányának függvénye. 1.2 MELYEK A SZILÁRDSÁGTANI MÉRETEZÉS ALAPJÁT KÉPEZŐ MECHANIKAI TULAJDONSÁGOK? Mechanikai tulajdonságok: rugalmasság, szilárdság, képlékenység, keménység. Szilárdság: az anyagok mechanikai igénybevételekkel szembeni ellenállásnak célszerűen definiált mértéke. A szabványos anyagminősítő szilárdsági jellemzők a következők: 

folyáshatár: folyási jelenséget mutató anyagok esetében a képlékeny folyás megindulásához tartozó erőből számítható mechanikai anyagellenállás.



egyezményes folyáshatár: folyási jelenséggel nem rendelkező anyagok esetében egy meghatározott mértékű, maradó alakváltozáshoz tartozó erőből számítható mechanikai anyagellenállás.



szakítószilárdság: a szakításkor fellépő max erő és az eredeti keresztmetszet hányadosaként számított mechanikai ellenállás.



keménység.

A szakítódiagramm alakját befolyásoló tényezők: 1. A vizsgált anyag típusa (fém, kerámia, kompozit…), 2. Egy adott anyag esetén a kémiai összetétel és szerkezete, 3. Feszültségállapot vizsgálat közben (bemetszések), 4. Vizsgálati hőmérséklet, 5. Alakváltozási sebesség 1.3 MILYEN ALKALMAZÁSI TERÜLETEKEN FONTOS A TERMIKUS TULAJDONSÁGOK ISMERETE? Termikus tulajdonságok: olvadáspont, hő tágulás, hővezető képesség, fajhő  Olvadáspont főleg kohászat- a szerkezezi anyagok olvadási hőmérséklete befolyásolja előállításuk módját.  Hő tágulás- ahol a szerkezeti anyag nagy hőmérsékletingadozásnak van kitéve, illesztési mérettűrések esetében, kompozitok vizsgálata során.  Hő vezetőképesség- mérőszámai a hővezetési tényező és a termikus ellenállás (delta Q) hőszigetelés. A nemfémes anyagok és a habszerű anyagok hővezetési tényezője viszonylag kicsi tehát termikus ellenállásuk nagy, így ezek hőszigetelőként használatosak.  Hő kapacitás, fajhő: ismerete akkor hasznos, ha szeretnénk meghatározni egy anyag esetében, hogy e konkrét hőmérsékletre való melegítéshez –állapot változás nélkül- mekkora hőmennyiségre van szükség.  1.4 MELYEK AZ ANYAGOK FŐ ELEKTROMOS, MÁGNESES, OPTIKAI, AKUSZTIKAI TULAJDONSÁGAI. 1.4.1 ELEKTORMOS TULAJDONSÁGOK:  fajlagos ellenállás: ohm*m  fajlagos elektromos vezetőképesség: (ohm*m) -1  átütési szilárdság: kritikus elektromos térerősség , aminél az adott anyagszigetelő képessége lokálisan megromlik , és az átvezetett áram hatására rendszerint maradandó károsodással tönkre is megy.  és dielekromos állandó: A*s / V*m 9

1.4.2 

MÁGNESES TULAJDONSÁGOK:

szuszceptibilitás (mágnesezhetőségre való érzékenysége) és permeabilitás (mágneses erővonalakkal való átjárhatósága) A mágneses permeábilitás azt fejezi ki, hogy az anyagban adott H mágneses térerősség hányszor nagyobb B mágneses indukciót tud létrehozni a vákuumhoz képest, vagyis az anyag milyen mértékben képes erősíteni a mágneses mezőt.  mágneses keménység megnetosrikció Mágneses térben tapasztalt viselkedésük alapján az anyagok 3 csoportba sorolhatók:  diamágneses anyagok  paramágneses anyagok  ferromágneses anyagok. 1.4.3 OPTIKAI TULAJDONSÁGOK:  átlátszóság, áttetszőség, fényvisszaverés Átlátszó: ha az anyag belsejében nem jön létre foton elnyelődés, képes átengedni a fényt. Áttetszőség: anyagokon a fény diffúz (szórt) módon hatol át. optikailag átlátszatlan: fény abszorbeálódik vagy reflexálódik (elnyelődik vagy visszaverődik)  fényáteresztés, fényelnyelés fényvisszaverés fontos optikai mutatószámai a transzmissziós tényező T (áteresztési), az alfa elnyelési (abszorpciós) tényező, p visszaverődési (reflexiós), amelyek mindegyike függ a fény hullámhosszától (lamda)  fénytörés, fluoreszkálás, foszforeszkálás- néhány anyag elektromágneses energiát képes tárolni, majd látható fény formájában kibocsátani. 1.4.4 AKUSZTIKAI TULAJDONSÁGOK  hangterjedési sebesség, akusztikai sűrűség. A hangok rugalmas közegben terjedő hullámok, amelyek c terjedési sebessége az anyagi minőségen kívül a hőmérséklettől, a nedvességtartalomtól is függ, de a frekvenciától nem.  akusztikai keménység, hangelnyelés, hangvisszaverés. A hangelnyelés erős csillapítást okoz a terjedésben, azaz hővé alakul át a hangenergia. A hangelnyelő anyagok, pórusos szerkezetűek lehetnek. 1.5 MIVEL JELLEMEZHETŐ AZ ANYAGOK ALAKADÓ (ÖNTŐ, SZINTEREZŐ, KÉPLÉKENY, ALAKÍTÓ FORGÁCSOLÓ, VÁGÓ) TECHNOLÓGIÁKRA VALÓ ALKALMASSÁGA. Az alakadó technológiák a megmunkált munkadarab geometriája (alak, méretek, felületminőség) mellett kisebb-nagyobb mértékben az anyagtulajdonságokat és az anyagszerkezetet is befolyásolják, így kiválasztásuk, alkalmazásuk során erre is tekintettel kell lenni.  



Önthetőség: az anyag jól önthető, ha olvadási hőmérséklete alacsony, megolvadáskor hígfolyóssá válik, és nem vesz fel gázokat, és dermedéskor nem zsugorodik túlságosan. Szinterezhetőség: Egy anyag szinterelhetősége a szerint ítélhető meg, hogy a technológiai lépéseknek mennyire felel meg. Rendszerint egyszerűbb geometriájú termékek előállítását célzó, a teljes technológiai folyamatot megvalósító technológiai vizsgálatokkal optimális paraméterek meghatározása a cél, elemezve az elvárt jellemző tulajdonság(ok): sűrűség, pórusosság, nyomószilárdság, hajlítószilárdság, keménység alakulását. Főként a sajtolási nyomás ill. méretváltozás, a zsugorítási hőmérséklet és idő legmegfelelőbb értékeit keresik ezen vizsgálatok keretében. A mikroszkópos vizsgálatok fontosak a szinterelt termékek porozitásának, ill. gyártási hibáinak (ötvöző kiégés, fáziskiválások, elégtelen zsugorodás, szemcsedurvulás) kimutatásához. A hajlító vizsgálat és a gyémánt szúró-szerszámos keménységmérés is fontos a szinterelt termék, mechanikai tulajdonságainak, megfelelőségének megítéléséhez. Alakíthatóság: a jól alakítható anyag külső erők hatására képlékenyen deformálódik. Jól alakítható pl. az ólom, réz, alumínium, és a kis széntartalmú acélok. Nem alakíthatók (a ridegségük miatt) a vasöntvények, keményfémek. 10

A kristályszerkezet és az alakíthatóság kapcsolata A fémek alakíthatósága függ a kristályrács szerkezetétől. Az alakítás során a külső erők hatására a fémionok a térrácsban egymáshoz képest elcsúsznak. Az elcsúszással szembeni ellenállás nagysága függ a fématomok térbeli elhelyezkedésétől. 

Forgácsolhatóság: az egyik olyan jellemző, amellyel akár a barkácsolás során is találkozunk. Az ilyen anyagokra jellemző, hogy a megmunkálás során könnyű a forgácsleválasztás, kis méretű, rövid forgács jön létre, a szerszám éle nem kopik. Általában jobban forgácsolhatónak azokat az anyagokat minősítik, melyek azonos forgácsolási hőmérséklet mellett nagy (jobb) forgácsolási sebességgel munkálhatók meg, az ébredő erők viszonylag kicsik, a megmunkált felület minősége jó(a szerszám-kopás folyamata lassú, az éltartam nagy), a képződő forgács nem okoz műszaki problémákat(rezgés, szerszámtörés,...).



Vághatóság: Az anyagok vághatóságát többek között összetételi, keménységi-ridegségi, gazdaságossági, termelékenységi és vágás geometriai szempontokból lehet értékelni. Bizonyos eljárásokkal csak konvex idomok és egyenes élek vághatók, így a konkáv alakzatok vágásához más eljárást is igénybe kell venni.

1.6 MIT ÉRTÜNK AZ ANYAGOK KÖTÉSTECHNOLÓGIÁKRA (HEGESZTHETŐSÉG, FORRASZTHATÓSÁG, RAGASZTHATÓSÁG)





VALÓ

ALKALMASSÁGÁN?

Hegeszthetőség: A fémek hegeszthetősége a hegesztési technológiától függő alkalmasság megfelelő hegesztett kötés létrehozására, rendszerint kohéziós, oldhatatlan kötés. A hegeszthetőség komplex tulajdonság, amely függ: a hegesztendő szerkezettől, az alkalmazott hegesztési technológiától, a várható igénybevételtől Forraszthatóság: Forrasztáskor két oxidmentes fémet egy náluk alacsonyabb olvadáspontú , megömlesztett fémötvözet vagy fém segítségével, a két fém olvadáspontja alatti hőmérsékleten kötnek össze. A forraszanyag az összekötendő felületeket szilárdan összeköti. Az alkalmazott hőmérséklet szerint megkülönböztetünk keményforrasztást (450 foknál magasabb) és lágyforrasztást, mely 450 foknál alacsonyabb hőmérsékleten történik. A forrasztandó anyagok felülete a szükséges hőmérsékleten nagyon hamar oxidálódik. A kialakult oxidhártya gátolja a fémes érintkezés létrejöttét, ezért vagy mechanikai úton vagy folyósító anyagok segítségével megtisztítják a felületet. Ragaszthatóság: A ragasztott kötés tulajdonságait a ragasztandó anyagpárfelület állapota, illesztésük módja és résmérete, a ragasztó nedvesítő-képessége, ill. felületi feszültsége, a megszilárdult ragasztó egyedi tulajdonságai (pl. szilárdság, hőállóság), a kötési reakciót elősegítő esetleges hőkezelés határozza meg. A ragasztók zöme szerves vegyület, melyek fizikai úton (pl. oldószervesztéssel), vagy kémiai reakció által(pl. polimerizációval) szilárdulnak meg. A kötés adhéziósan, vagy esetenként a ragasztandó felület részbeni oldásával jön létre.

1.7 MELYEK AZ ANYAGOK SZERKEZETVÁLTOZTATÓ TECHNOLÓGIÁRA VALÓ ALKALMASSÁGÁNAK SZEMPONTJAI? (HŐKEZELHETŐSÉG, FELÜLETKEZELHETŐSÉG) 

A hőkezelhetőség az anyag tulajdonságainak megváltoztatását célzó anyagszerkezetváltoztató folyamatok feltételeinek való megfelelőséget minősíti. A hőkezelési cél elérése egyensúlyi irányba ható, vagy attól eltérő irányultságú anyagszerkezet-változáson alapul, s e két változat más-más feltételek meglétét követeli meg. A legnagyobb mennyiségben felhasznált fémes anyagok a vasötvözetek, melyeknek hőkezelhetőségét az edzhetőségük és az átedzhetőségük jellemzi: • Az edzhetőséget az edzéssel (A3hőmérséklet feletti izzítással → ausztenitesítéssel→ majd a kritikusnál nagyobb sebességű hűtéssel) elérhető legnagyobb keménység minősíti, ami gyakorlatilag csak a karbontartalom függvénye. 11

A képződő martenzit akkor eredményez jelentős keménység-növekedést (HRC ≥45), ha a C ≥0,25%, ami egyben az edzhetőség kritériumának is tekinthető az ausztenitesítés(T > A3) és a gyors hűtés (vhűlés≥vkrit) mellett. • Az átedzhetőség azt fejezi ki, hogy az edzéssel elérhető keménység(ill. azzal arányban a szövetszerkezet martenzit tartalma adott karbon tartalom mellett) milyen mértékben függ a lehűlési sebességtől, azaz a gyártmány hűtőközeggel érintkező felületétől a belseje (magja) felé mért távolságtól. 

A felületkezelhetőség: megítélésekor tekintettel kell lenni a felületi kérget létrehozó hatás által a felületkezelés a legtöbb esetben a gyártmány előállításának befejező művelete. További követelményeknek(pl. korrózió-, kopás-, hőállóság) való megfelelősége, hiszen a legtöbb ől indul ki, tehát a felületkezel élettartamra gyakorolt hatása igen nagy. az alapanyagon ill. a kész terméken okozott változásokra. Ez utóbbi azért is fontos, mert lényeges jellemző a bevonat tapadási szilárdsága, porozitása, speciális károsodási folyamat a felületrés károsodás álóságra ill.

1.8 MIT ÉRTÜNK KÚSZÁS-, FÁRADÁS-, TÖRÉSÁLLÓSÁG ALATT? 

A kúszás (vagy tartós folyás) közel állandó feszültségen végbemenő folyamat, mely egy-egy anyagcsoportra jellemző hőmérséklet felett, az idő függvényében viszonylag jelentős alakváltozást hoz létre. Pl. a polimerek már szobahőmérsékleten, az alumíniumötvözetek 250°C felett, az acélok kb. 450°C felett hajlamosak kúszásra. A kerámiákban már igen kis mértékű kúszás is veszélyes mértékű sajátfeszültségeket kelthet, mivel azok nem tudnak leépülni (a nagy ridegség és a minimális alakváltozó-képesség miatt), hanem halmozódnak, ill. a külső terhelésből eredő feszültségekre szuperponálódnak (azokhoz hozzáadódnak). A kúszást - mint termikusan aktivált folyamatot jól jellemzi az alakváltozási sebessége, mely a hőmérsékletnek exponenciális, a feszültségnek hatványfüggvénye. A megengedhető feszültséget két megközelítésben szokás definiálni: • kúszáshatár, azaz adott hőmérsékleten, adott idő alatt (pl. 105óra) egy meghatározott (pl. 1%) alakváltozást létrehozó feszültség; •idő(tartam)szilárdság, azaz adott hőmérsékleten, adott idő alatt törést –rendszerint interkrisztallin repedésterjedést követően –okozó feszültség. Kúszáshatár -mint méretezési jellemző: -akkor használatos, ha az adott anyagból készülő alkatrész megengedhető alakváltozása korlátozott (pl. turbinalapát). Időtartam szilárdságra akkor méreteznek, ha az alakváltozás megengedhető, de a törést ki kell zárni (pl. erőművi gőz-csővezeték).



Fáradásállóság Az anyag(ki)fáradás ciklikusan ismétlődő igénybevétel(ek) hatására, lokális anyagszerkezetváltozás nyomán jön létre. Három szakaszra bontható: 1, a halmozódó károsodások eredményeként mikrorepedés keletkezik 2, ez az ismétlődő igénybevételek hatására szívósan (energiaközlés mellett)terjed 3, végül a maradó keresztmetszet ridegen (energia-felszabadulás mellett) törik 12

Egy anyag fáradásállósága annál jobb, minél finomabb szemcséjű, minél kevésbé tartalmaz külső makroszerkezeti bemetszéseket, azaz feszültség-gyűjtő helyeket és belső makroszerkezeti inhomogenitásokat (folytonossági hiányokat, anyagi heterogenitásokat), minél kedvezőbb a felületi feszültségállapota (pl. húzó helyett nyomó) és kisebb a felületi érdessége. A törésig elviselt Nt ciklusszámot az alkalmazott (maximális) feszültség függvényében ábrázolva, minél nagyobb a feszültség, annál hamarabb következik be a törés. A feszültség az anyagban alakváltozást okoz, mely lehet tisztán rugalmas, vagy ha az amplitúdó nagyobb, akkor rugalmas képlékeny. Az előző esetben a törésig elviselt igénybevételi ciklusok száma (Nt) jóval nagyobb, mint az utóbbinál. Ezek szerint a fáradási folyamatoknak két alaptípusa van: •Kis ciklusszámú, melynek során az igénybevétel a folyáshatár feletti ill. az alakváltozás rugalmas-képlékeny és a tönkremenetelt az anyag belsejében keletkező repedések kiterjedése jelenti. Ez fordulhat elő pl. az időnként leállított majd újraindított vegyipari vagy energiaipari nyomástartó edények (tartályok) és csővezetékek ún. feszültséggyűjtő helyein (keresztmetszetváltozások, hegesztési csomópontok, ...). •Nagy ciklusszámú fáradás, melynek során az igénybevétel a folyáshatárnál kisebb ill. az alakváltozás általában rugalmas és a törést felületi elváltozásokból, hibákból, lokális feszültséggyűjtés konstrukciós részletekből kiinduló repedésterjedés okozza. Ez jellemző pl. a legtöbb forgógépalkatrész (tengely, csapágy, kerék, ...) vagy kötélpálya. Törésállóság és törésmechanikai vizsgálatok A legtöbb szerkezeti anyagunkban előfordulnak folytonossági hiányok, köztük repedések. Szükség van olyan anyagjellemzőkre, amelyek a meglévő repedések törés nélküli elviselését minősítik. A hárompontos hajlítóvizsgálat, vagy ún. kompakt próba forgácsolással kialakított szabványszerinti méretű és alakú –próbatestén a csúcsában nullánál nagyobb lekerekítési sugarú bemetszés ("műrepedés") is található, melyet vizsgálat előtt -folyáshatár alatti ismétlődő terheléssel –továbbrepesztenek (min. 1,25 mm-rel), hogy az gyakorlatilag nulla lekerekítési sugarú, valódi repedésben végződjön. A próbatestet nyúlás-(elmozdulás-) mérő bélyegekkel felszerelve, szakítógépben törésig terhelik, miközben regisztrálják az erő-és a bemetszés-szétnyílás kapcsolatát. A kapott görbéből meghatározható az FQ értéke. A próbatest jellemző méreteivel kiszámítható egy KQ feltételezett törési szívósság, mely akkor tekinthető az anyagra jellemző KIc-nek, ha síkbeli alakváltozásiállapotban volt a próbatest, egyébként más geometriájú próbatesttel kell a vizsgálatot megismételni. Hidegszívósság és hidegszívóssági vizsgálatok A törési folyamatok két jellegzetes formája: Képlékeny törés: képlékeny alakváltozás mellett jön létre, a szerkezeti anyag egyes részeinek a maximális csúsztató- feszültség síkjain történő elmozdulásával. Elősegíti az egytengelyű húzó vagy a többtengelyű nyomó feszültségi állapot, a sima felület, az anyag szívós jellege, a kis igénybevételi sebesség és a nagy(obb) hőmérséklet. Atöretet makroszkopikusan törést megelőző kontrakció vagy expanzió, matt gödrös felület, mikroszkopikusan üregképződés és transzkrisztallin (szemcsén áthaladó) repedésterjedés jellemzi. Ridegtörés: gyakorlatilag alakváltozás nélkül következik be, szerkezeti anyag összetartó erőinek a maximális húzófeszültségre merőleges síkok mentén történő legyőzésével. 13

A (hideg) szívósság (főként a ridegtöréssel szembeni ellenállás) elsősorban a makro-szerkezettől (felületminőség, folytonossági hiányok), a szubmikroszerkezettől (rácsszerkezet, ötvözők, szennyezők), a feszültségállapot jellegétől, az igénybevételi sebességtől és a hőmérséklettől függ . Az első kettő anyag- (és részben technológia-) jellemző, az utóbbi három állapottényező. képlékeny, az alatt a ridegtörés dominál. A teljes törési folyamatot vizsgáló Charpy-féle ütvehajlító vizsgálatnál középen (egyoldalon) Vbemetszéssel ellátott, két végén alátámasztott, 10x10x55 mm befoglaló méretű próbatestet a bemetszéssel átellenes oldalról az ütőmű L sugarú körpályán mozgó, H1 magasságból indítható, m tömegű ingájának egy ütésével meghajlítják ill. eltörik, majd meghatározzák a felhasznált energiát (KV) a fel nem használt energiával arányos H2 magasságra történő továbblendülésből: KV = m ⋅g ⋅(H1-H2) = m ⋅g ⋅L ⋅(cos β-cos α) [J]

Az inga tengelyén lévő mutató a továbblendülés szögével elfordul, így a próbatest törésére felhasznált energia, az ún. ütőmunka egy alkalmasan elkészített skáláról közvetlenül leolvasható. 1.9 KOPÁS-, KORRÓZIÓÁLLÓSÁG MEGÍTÉLÉSÉNEK SZEMPONTJAI ÉS BEFOLYÁSOLHATÓSÁGA A kopás szilárd testek felületén bekövetkező anyagveszteség, amelyet szilárd, cseppfolyós, vagy légnemű közeggel való érintkezés és relatív elmozdulás (azaz két anyag közötti interakció) okoz. A relatív elmozdulásnak négy alapformája különböztethető meg: csúszás, gördülés, lökés és áramlás, melyek külön-külön, vagy kombináltan is jelentkezhetnek. Az anyagok kopásállóságát keménységméréssel is összehasonlíthatjuk. Kopásállóság befolyásolása: 

anyagválasztási szempontok: nagy keménységű és rugalmassági modulusú anyagok felhasználása, kis affinitású (tapadási, hegedési hajlamú) súrlódó anyagpárok alkalmazása



konstrukciós szempontok: o elmozduló felületek közé idegen részecskék bejutásának megakadályozása, de megfelelő kenés szavatolásacélszerű konstukció kialakításával, o felületi mechanikai terhelés, és azzalösszefüggő melegedés csak az éppen szükséges mértékben való maximalizálása, esetenként gyorsan cserélhető és olcsó kpóbetétek alkalmazása o technológiai szempontok: optimális felületi érdesség és hullámosság kialakítása a kenőanyag megtartáshoz. o üzemeltetési szempontok: felesleges üresjáratok megszüntetése, megfelelő kenés-hűtés folyamatos biztosítása, kenőanyag cseréje.

A korrózió jellemzően a fémes szerkezeti anyagok károsodása, mely környezeti hatásra fellépő, mérhető elváltozást (méret-és tömegcsökkenést) ill. a mechanikai terhelhetőség és a felhasználhatóság romlását okozó fázishatár-reakciók folyamata. Korrózióra az alábbi két módon lehet hatni:

14



a szerkezeti anyagra ható közeg módosításával: Az oxigén vagy más korróziós hatóanyag(szén-dioxid, kén-oxidok, nitrózus gázok, füstgázok, vegyipari gázok; gőz, páratartalom, csapadék, felszíni vizek, folyékony és szilárd vegyi anyagok, folyékony fémek és sóolvadékok; talaj stb.) kizárása, pHérték kedvező módosítása vagy passziválóanyagok adagolása.



Korróziós közeggel érintkező szerkezeti anyag változtatásával, védelmével: passzívréteges( passzíválódó ) ill. korróziónak ellenálló ötvözetek(pl. korrózióálló acél, hőálló acél, titánötvözetek, alumínium) alkalmazása; -

- alternatív(nem korrodáló) anyagok(pl. műanyagok, kerámiák) használata; - passzív korrózióvédelem: védőbevonatolás(pl. festés, galvanizálás, plattírozás, tűzi horganyzás; termikus szórás nemesebb fémmel, kerámiával, műanyaggal); - aktív korrózióvédelem: katódos védelem elhasználódó anódokkal (Zn, Mg) való összeköttetésben, vagy anódos védelem külső áramforrás igénybevételével 1.10 HŐÁLLÓSÁG, BIOLÓGIAI KÁROSODÁS, ÖREGEDÉSÁLLÓSÁG 

A nagy(obb) hőmérsékleten igénybe vett szerkezeti anyagok károsodásállósága-amit hőállóságnak nevezünk - a termikus igénybevétel mértékétől, jellegétől és a járulékos hatásoktól függ, de az anyagok viselkedését az összetétel, az előállítási mód,a megmunkálás és a hőkezelés is befolyásolja.



A hőfáradás vagy termikus fáradás olyan anyagkárosodás, melynek során a ciklikusan váltakozó ∆T hőterhelés (vagy hő- és mechanikai terhelés) váltakozó képlékeny alakváltozást idéz elő az anyag felületközeli rétegeiben, a külső és belsőbb anyagrészek eltérő és akadályozott hőtágulása következtében. A termikus fáradással szemben ellenállóbb anyagok magas hőmérsékleti szilárdság-szívósság aránya optimalizált, azaz a szívós repedésterjedéssel szemben is megfelelő ellenállást tanúsítanak. Továbbá hővezetőképességük és hőtágulási együtthatójuk viszonya olyan, hogy az anyag, ill. a belőle készült alkatrész felülete és belső részei között kialakuló hőmérséklet-gradiens ne okozzon kritikus mértékű hőfeszültségeket.



A hősokk"lökésszerű" hőhatás (pl. gyors túlhűtéskor), viszonylag nagy (esetenként változó) hőmérséklethatárok között. A ∆T hőlökés hatására kialakuló hőfeszültség - különösen egyidejűleg ható mechanikai terheléssel -az anyag szilárdságát elérő feszültséget, az akadályozott alakváltozás (nem eléggé képlékeny anyagoknál) pedig repedést, sőt törést eredményez(het).



A reve-ill. a tűzállóság nagy hőmérsékleti korrózióállóságot takar, de itt a korrózió a szó hagyományos értelmében vett oxidációt jelent. Ha a keletkező oxidációs (égés)-termék porózus szerkezetű, rossz tapadóképességű, akkor reveformájában leválik a felületről, szabaddá téve az utat a további károsodásnak. Reveállóságról valójában csak a fémeknél, tűzállóságról pedig az oxidkerámiáknál beszélhetünk. Azon fémek tekinthetők jó reveállónak, melyek felületén jól tapadó, passziváló védőoxidréteg keletkezik, gátolva a további károsodást. Az igazán tűzálló anyagoknak oxidoknak kell lenniük, hiszen ezek elégetése (oxidálása) már lehetetlen, így csak az olvadáspontjuk szab korlátot alkalmazási hőmérsékletüknek.

15

A műanyagokat a gyújtóláng eltávolítása után tapasztalható égési jelenségek alapján – próbatest pozíciótól (vízszintes, függőleges) és vastagságától függően –különböző éghetőségi fokozatokba sorolják. Biokárosodás-állóság és biokárosodás-állósági vizsgálatok Keramikus építőanyagokban kénoxidáló és nitrifikáló baktériumok csökkentik a pH-értéket az anyagfelületen és ezzel más mikroorganizmusok fejlődését segítik elő. Kellően tartós nedves állapot esetén baktériumok és penészgombák keresztülnőhetik a beépített anyagot (habarcsot, mészhomoktéglát, ...). Fémeken korróziós jellegű károsodást okoznak kén-és vasoxidáló aerob, ill. szulfátredukáló anaerob baktériumok, valamint szerves és szervetlen savakat kiváltó penészgomba-fonalak, hajólemezeket belepő kagylók. Egyes rovarok (pl. termeszek) rágási károsodást képesek okozni olyan fémtárgyakon, amelyek lágyabbak ezen rovarok rágószerveinél (pl. ólomból készült kábelburkolatokon és csővezetékeken). Műanyagokra -elégséges nedvesség mellett -baktériumok és penészgombák nőhetnek rá, lebonthatják az azokban lévő lágyító-, töltő-, stabilizáló- és emulgeáló adalékokat, tömeg-és szilárdságveszteséget okozva. Elektromos szerkezeteken gombatelepek képződése csökkentheti a felületi ellenállást, ami kóboráramokat, rövidzárlatokat idézhet elő. A fa és származékai a legveszélyeztetettebbek, nagy mennyiségű és változatosságú alkalmazá-suk miatt is. A különféle korhasztó-, kékítő-és penészgombák megfelelő nedvességtartalom esetén képesek jelentős károsodást okozni, mivel különböző enzimjeikkel lebontják a fa cellulóz-, lignin-vagy cukor-és keményítőtartalmát, tömeg- és szilárdságvesztést és/vagy elszíneződést okozva. A rovarok különböző méretű rágójáratokat és kirepülő nyílásokat készítenek, csökkentve a faszerkezet teherviselő keresztmetszetét, stabilitását. A textilféleségeket penészgombák, molyok támad(hat)ják meg. Biokárosodás-állóságivizsgálatok: A biológiai károsodásvizsgálatok alapvető feladatai ill. szempontjai: •az anyagok károsító organizmusok támadásával szemben tanúsított állékonyságának vizsgálata, •a károsodás megjelenési formáinak értékelésea károsító organizmusok biológiájának figyelembevételével, anyagvédő módszerek hatékonyságának ellenőrzése a gátolni kívánt biológiai károsodással szemben. Tekintettel arra, hogy a vizsgálatokat élő károsítókkal végzik és a károsodási folyamatban különböző mechanikai, fizikai-kémiai és biológiai hatások érvényesülnek, szükség van: a kísérletek gondos megtervezésére, végrehajtására, az előkészítés steril körülmények közötti végrehajtására, a károsító organizmusok kiválasztására és felhelyezésére, a próbadarabok pontos kondicionálására (hőmérséklet, nedvességtartalom, fényviszonyok, légjárás, csapadékviszonyok stb.), a kapott eredmények pontos rögzítésére, statisztikai feldolgozására, kiértékelésére. A környezet-és egészségvédelmi szabályok betartása mellett végezhető biológiai károsodásvizsgálatok károsodó anyag és károsító organizmus szerint oszthatók két fő csoportra.

16

Öregedés-állóság és öregedésállósági vizsgálatok Öregedésnek nevezhető valamely anyagban lezajló -annak tulajdonságait (többnyire negatívan) megváltoztató - belső és/vagy külső okokra visszavezethető, az előző károsodási formák egyikébe sem sorolható fizikai és kémiai folyamatok összessége. Jellemző belső (anyagállapotbeli) öregedési okok: -az anyag termodinamikailag instabil állapota; -a belső feszültségek relaxációja vagy átrendeződése; -a kémiai összetétel megváltozása (túlzott szennyeződés); -a mikroszerkezet ill. a molekuláris szerkezet változásai. Főbb külső (környezeti) öregedési okok: -meghatározott hőmérséklet-tartományban végzett képlékeny alakítás, -tartós hőigénybevétel (hőntartás), -hőmérséklet-ill. klímaváltozás, -bizonyos kémiai hatások (pl. feszültségi repedésképződést okozó ózon), -elektromágneses rezgések (infravörös, látható, ultraibolya, ionizáló sugárzás), -részecske-(pl. neutron-) sugárzás. A környezeti és időjárási hatások következtében, a különböző szerkezeti anyagokban eltérő öregedési jelenségek léphetnek fel, azaz öregedés-állóságuk is különböző: -polimerekben duzzadás, zsugorodás, vetemedés alakulhat ki elszíneződés, megfakulás, repedésképződés kíséretében, amelyek késleltethetők: vegyi reakciókat késleltető inhibitorokkal, antioxidánsokkal; káros tulajdonság-változásokat mérséklő, a jellemző öregedési okkal szemben védelmet biztosító hő-és fénystabilizátorokkal, sugárzásvédő- és abszorbeáló adalékanyagokkal; -fémek esetében kedvezőtlenül megváltoznak a jellemző mechanikai tulajdonságok és a törésmechanikai jellemzők. Ötvözetlen acélokban már 1020n/cm2neutrondózis elérése a további üzemeltetést lehetetlenné tevő elridegedést okoz. Korrózióálló, ausztenites CrNiacélokban az elridegedési folyamat lényegesen lassabb. Öregedés-állósági vizsgálatok Mivel az öregedés anyagfajtánként jelentős jelleg-és intenzitásbeli különbözőségeket mutat, sok esetben az üzemelés alatt álló szerkezeti elemek, ill. anyagok állapotváltozásait, állagromlását kísérik nyomon, figyelve a kritikus viszonyok létrejöttének körülményeit. A szabad térben alkalmazott műanyagok esetében fontosak a komplex légköri vizsgálatok az időjárás- és (UV) fényállóképesség tesztelése céljából: 17

-természetes igénybevétellel(lassú vizsgálat): próbatestek elhelyezése szabadban déli irányban, a vízszinteshez képest 45°-ban megdöntve (időjárásállóság-vizsgálat); vagy próbatestek elhelyezése ablaküveg mögött, szabályozott hőmérsékletű tokban (fényállósági vizsgálat); Folyamatosan fel kell jegyezni a meteorológiai adatokat, megvizsgálva a minták állapotát szemrevételezéssel és valamilyen mechanikai jellemző mérésével; -mesterséges igénybevétellel(akár 10-szeresre gyorsított vizsgálat): 5-6 hétig tartó globális sugárzás-szimuláció 1 kW/m2-es szűrt xenonív-sugárzással (ami megfelel egy évig tartó közép-európai szabad napsugárzásnak), kiegészítve mesterséges esőztetéssel és hőmérsékletingadozásokkal.

18

2. A FÉMES ANYAGOK SZERKEZETVÁLTOZÁSAI 2. 1 FÉMEK KRISTÁLYOSODÁSA ÉS EGYENSÚLYI ÁTALAKULÁSAI 1. Mi az egynemű és a különnemű rendszer? Egynemű a rendszer, ha fizikai módszerekkel elkülöníthető bármely része nemcsak kémiailag, hanem fizikailag is azonos tulajdonságokat mutat. Különnemű a rendszer, ha két vagy több homogén részből épül fel, amelyeket egymástól határoló felületek választanak el. 2. Melyek az állapottényezők és milyen módon befolyásolják az anyag állapotát? - rendszert felépítő alkotók (komponensek, K) száma - a hőmérséklet - nyomás 3. Mit fejez ki a fázisszabály? A szabadon változtatható állapottényezők száma (Sz) és a fázisok száma (F) között egyensúly esetén összefüggés áll fenn. Fémek esetén ez Sz+F=K+1 alakban írható fel, azaz a szabadsági fokok és a fázisok számának összege az alkotók száma +1 értékkel egyenlő. 4. Mit értünk fázison és fázisváltozáson? Fázis: Az anyag egynemű módosulata, egyazon halmazállapot, kristályszerkezeti módosulat. Fázisváltozás: valamely zárt rendszerben fizikai hatásokra (pl. hevítésre), meghatározott fizikai-kémiai törvényszerűség szerint végbemenő és a rendezettség mértékének megváltozásával járó átalakulás. 5. Mit befolyásol a kristályosodási képesség és a kristályosodási sebesség? Ha a fémolvadékot gyorsan hűtjük, kisméretű szemcsék keletkeznek, mert a kristályosodási folyamat gyorsan játszódik le. Lassú lehűléskor nagy, durva szemcsék alakulnak ki, mert a kristálycsíráknak van idejük megnőni. A kristályok időegység alatti növekedésének mértéke a kristályosodás sebesség. 6. Mit értünk krisztalliton? A nem szabályos sík felületekkel határolt kristályokat krisztallitoknak nevezzük. 7. Mi a szilárd oldat? Két vagy több komponens által, szilárd állapotban létrehozott közös rácsszerkezetű fázis. 8. Jellemezzük az egymást minden arányban oldó fémek egyensúlyi diagramját! 19

Egyes lapközepes (felületen középpontos) köbös kristályrácsú fémötvözetek (pl. Au-Ag) szilárd állapotban egymást minden arányban oldják. A színarany 1063 C-on olvad, illetve dermed. Mindkét fém jól alakítható, szilárd állapotban egymást korlátlanul oldják. Ha vizsgáljuk a 80% Au + 20% Ag ötvözetet hűlés közben akkor olvadt állapotban egy fázis (olvadék) van jelen. A dermedés a likviduszvonal metszéséhez tartozó kb. 1050 C-on indul meg és a szoliduszvonal metszéséhez tartozó kb. 1030 C-on fejeződik be. Az ötvözet hőmérsékletintervallumban dermed, a lehűlési görbében ezt töréspontok mutatják. T hőmérsékleten tehát olvadék és szilárd oldat van egyidejűleg jelen.

9. Jellemezzük az eutektikumot tartalmazó, egymást szilárd állapotban nem oldó fémek egyensúlyi diagramját! Egyes ötvözetek (pl. Bi-Cd) szilárd állapotban egymást egyáltalán nem oldják, azonban meghatározott összetételnél és hőmérsékleten eutektikumot alkotnak. A bizmut (bi) 271 C-on olvadó rideg félfém, ötvözetei azonban kisebb hőmérsékleten olvadnak. A kadmium (Cd) olvadáspontja 321 C, természetben általában cinkkel együtt fordul elő. A két fém 40% Cdtartalomnál 144 C-on olvadó eutektikumot képez. Egy hipereutektikus ötvözet (pl. 30% Bi + 70% Cd, 1 ötvözet) dermedése során az ömledékből először kadmium válik ki, ezért a likvidusz és a szolidusz között az ötvözet olvadékból és elsődleges kadmiumból áll. A hőmérséklet csökkenésével, növekvő kadmium kiválással az olvadék kadmiumtartalma csökken, és 144 C-on eléri az eutektikus összetételt. Ekkor az olvadék eutektikummá dermed. Az ötvözet szobahőmérsékleten primer Cd-ból és eutektikumból áll. A 2 ötvözet olvadékából hűtéskor először primer Bi válik ki, majd az olvadék 144 C-on eutektikummá dermed. 10. Jellemezzük a korlátolt oldást tartalmazó egyensúlyi diagramot! Egyes fémötvözetek (pl. Fe-Fe3C) szilárd állapotban korlátoltan oldják egymást. A két fém 61,9% Sn-tartalomnál 183 C-on olvadó, illetve dermedő eutektikumot képez. Itt a legkisebb az olvadáspont, ez az ötvözet tehát úgy hűl le, mintha színfém volna. Az eutektikum L+B szilárd oldatok kétfázisú szöveteleme. Szilárd állapotban az ólom az ónt részlegesen oldja, az oldóképesség 183 C-on a legnagyobb: 19,2% Sn. Az oldóképesség a hőmérséklet csökkenésével csökken, 20 C-on már csak 1,5% Sn. A különbség másodlagos B-fázisként jelenik meg. Ezért a 2 ötvözet szobahőmérsékleten elsődleges L szilárd oldatból és másodlagos B fázisból áll. Az ón 183 C-on 2,5 % Pb-t 20 C-on 0% Pb-t tud oldani. 11. Mit értünk vegyületen és milyen vegyületeket ismerünk? A fémvegyület olyan két- vagy többalkotós kristályos fázis, amelynek alkotói közös kristályba illeszkednek be, de ez a rácsszerkezet független az alkotók rácsszerkezetétől. Vegyületek lehetnek: -

ionvegyület elektronvegyület intermetallikus vegyület 12. Mi jellemzi az allotrop átalakulást? Szilárad halmazállapotban végbemenő fázisátalakulás, melynek során megváltozik az anyag kristályszerkezete.

20

13. Mi jellemzi a diffúziós átalakulást? A diffúziós átalakulás az atomok vagy üres rácshelyek szilárd állapotban, termikus hatásra végbemenő helyváltoztatása. A diffúzió lehet öndiffúzió vagy idegen atom általi diffúzió. 14. Mi jellemzi a mágneses átalakulást? - meghatározott hőmérsékleten megy végbe - átalakulás nem jelent fázisváltozást - A tiszta vas szobahőmérsékleten mágnesezhető, de ezt a tulajdonságát 770 C fokon elveszti, viszont ha lehűl, akkor újra mágnesezhető.

15. Milyen hatással van a fémekre a képlékenyalakítás? A képlékeny alakváltozás a fémek mechanikai feszültség következtében, szobahőmérsékleten vagy afölött bekövetkező maradó deformációja. Ha egy fémet terhelünk, akkor képlékeny (maradó) alakváltozás is végbemehet. Az alapanyagok és félkész gyártmányok gyártásakor a fém kristályszerkezetében egyes atomsíkok elmozdulnak, a fémrács torzul. A képlékenység a fémek fontos tulajdonsága annak köszönhetően, hogy a fémes rácsszerkezetben a fématomok, pontosabban fémionok könnyen elmozdulhatnak egymáson a kötés gyengülése nélkül. 16. Megújuláso és újrakristályosodás. Megújulás: az alakított fém többnyire hevítés hatására végbemenő összetett átalakulása az eredetitől eltérő új szemcsék képződési feltételeinek megteremtésével. Újrakristályosodás olyan folyamat, amelynek során az alakításkor kialakult szerkezet teljesen megszűnik és az alakított (megnyúlt, ellapult) krisztallitok helyén ismét poligonális szerkezetű új krisztallitok (szemcsék) keletkeznek. 17. A kritikus alakítási fok. Fémek újrakristályosodási küszöb fölötti izzításakor a legdurvább szemcsenagyságot eredményező előzetes hidegalakítást kritikus alakítási foknak hívják.

21

FE-C ÖTVÖZETEK KRISTÁLYOSODÁSA ÉS EGYENSÚLYI ÁTALAKULÁSA 1. Mit értünk acélon és öntöttvason? A maximum 2,14% C-t tartalmazó vas-karbid ötvözetet acélnak, a 2,14…6,69% C tartalmú Fe-Fe3C illetve Fe-C (grafit) ötvözeteket pedig öntöttvasnak nevezzük. 2. Rajzoljuk fel a fontosabb adatokkal a Fe-Fe3C kétalkotós egyensúlyi diagramot!

3. Mit értünk eutektikumon és eutektoidon? Az eutektikum két vagy több komponens (elem vagy vegyület) elegye, amelynek létezik egy vagy több olyan összetétele, amely a tiszta komponensek olvadáspontjánál alacsonyabb hőmérsékleten olvad meg Eutektoidon: hűtés során homogén szilárd oldatból egy időben keletkező két (vagy több) szilárd fázis keveréke. 4. Jellemezzük a φα átalakulását! A hipoeutektoidos acéloknál a φα átalakulás a G-O-S hőmérsékletvonal átlépésekor indul meg és az A1 hőmérséklet elérésekor fejeződik be. Az A3 hőmérséklet alatt a lapközepes köbös kristályszerkezetű ausztenitből képződő kis C-tartalmú térközepes köbös kristályszerkezetű ferrit miatt az ausztenit C-tartalma növekszik, majd 727 C-on 0,76% Ctartalmú perlitté alakul át, így az acél 20 C-on ferrit + perlites lesz. 5. Jellemezzük a perlites átalakulást! Diffúziós folyamat, amelynek során – a homogén egyfázisú ausztenitből heterogén kétfázisú szövetelem a perlit keletkezik a keletkezett perlit mátrix-alapanyaga a jól alakítható ferrit, 22

amelybe a rideg cementit lemezek beágyazódnak a perlit bizonyos mértékig örökli a ferrit alakíthatóságát, de annál jóval keményebb, nagyobb szilárdságú. 6. Ismertessük a bénites átalakulást! Ha az acélt az ausztenites állapotból adott hőmérséklete lehűtik és ott hőntartják, akkor diffúziós átalakulással kétfázisú szövetelem, bénit képződik. 7. Ismertessük a martenzites átalakulást! Növekvő hűtési sebességnél egyre kevesebb szénatom tud kiválási helyéről távozni, kénytelen a olyan rácsba beépülni, ahol nincs neki hely, ezzel a rácsot torzítja, változtatja szövetszerkezet tulajdonságait. 8. Ismertessük a vas-grafit rendszert és az öntöttvas fő fázisait, szövetelemeit! A stabil Fe-C rendszerben az elemi karbon grafit alakjában van jelen. Ennek főként az öntöttvasaknál van jelentősége, így pl 4,2 % C-nál grafiteutektikum jön létre, amely úgy dermed meg, mint a színfém. A grafitrendszerben a 6,69% karbont tartalmazó vas-vaskarbid vegyület nem létezik, tehát a diagram a végén a másik alkotó (100% grafit) helyezkedik el. Az elsődleges grafit a C’-Q’ hőmérsékletvonal mentén olvadékból, a másodlagos grafit E’-S’ vonal mentén ausztenitből válik ki. Az ausztenit max. grafitoldó képessége 1153 C-on 2,1% C, az eutektoid hőmérsékleten (740 C-on) 0,65%C. Szövetelemek: cementit, ausztenit, ferrit, lédeburit, perlit 9. Mi a szürkevas és a fehérvas? Szürkevas: a hagyományos öntöttvasakat a grafit színe miatt szürkevasnak nevezzük. Fehérvas: gyors hűtés esetén a vas mellett Fe 3 C kristályosodik ki. Az ilyen öntöttvas törési felülete fehér színű lesz. Ez a fehérvas. 10. Milyen célra és hogyan használhatók a lehűlési diagramok? A lehűlési diagramokból kiolvasható, hogy mikor indul meg az ausztenit átalakulása, milyen fázisok és szövetelemek jelennek meg a hűtés befejezéséig.

23

SZABVÁNYOS ACÉLOK ÉS ÖNTÖTTVASAK

ACÉLOK CSOPORTOSÍTÁSA ÉS NEMZETKÖZI JELÖLÉSE -

-

Egy termék, gyártmány tervezésekor a tervezőnek a várható igényeknek megfelelő anyagot kell váklasztani. Az anyagválasztást elősegaíti a szabványosítás. Az acélok többségét az európai szabvány taetalmazza. Az MSZ ENN 10020 tartalmazza az acélok fogalommeghatározását: - ötvözetlen acélok - korrózióálló acélok - egyébb acélok Ötvözetlen acél (minden adat százaléklban) Al ≤0,1, Cr≤0,3, Cu≤0,4, Mn≤1,65, Mo≤0,08, Ni≤0,3, Si≤0,5, V≤0,1, W≤0,1 Ötvözetlen minőségi acél

-

a felhasználás során az alapacélnál szigorúbb előírásoknak kell megfelelnie (repedésállóság, alakíthatóság, szemcsenagyság, etc.) Ötvözetlen nemesacél

-

nagyobb tisztasági fokú, mint a minőségi acél és garantált minőségi, vezetőképességi vagy egyébb tulajdonság lehet előírva Ötvözött minőségi acél

-

pl.: hegeszthető finomszemcsés acélok, nyomásálló berendezések acéljai, elektronikai acélok, sínacélok, etc Ötvözött nemesacél

-

ezek azok, amelyek nem taroznak az ötvözött minőségi acélokhoz, pl.: gépészeti acélok, golyócsapágy acélok, szerszámacélok Acéljelölési rendszer áll:

-

rövid jelből és számjelből a rövid jel állhat: fő és kiegészítő jelből a fő jel utalhat a felhasználásra, mechanikai tulajdonságra, vegyi összetáételre a kiegészítő jel utalhat egyéb tulajdonságaira, pl.: szívósság, gyártási állapot, felületbevonat, etc.

24

ACÁLOK JELÖLÉSE TULAJDONSÁGAI ALAPJÁN Acélok jelölése összetétel szerint Vannak olyan acélok, amelyekre nem mechanikai tulajdonság, hanem a vegyi összetétel a jellemző. Ilyenek többek között: -

ötvözetlen nemesacél erőssen ötvözött korrózióálló acélok gyorsacélok

Egyes acélok esetében az X jelölés arra utal, hogy legalább egy ötvöző mennyisége meghaladja az 5%-ot. A gyorsacélok jelölésében a HS jel nagy sebességű megmunkálásra való alkalmasságot jelent.

Acélok jelölése anyagszámmal A számjel alkalmas az alapanyagok számítógépes adattárolására, azonosítására. A számjel első száma a fém típusára utal, az ezt követő kétjegyű szám azt az anyagcsoportot tartalmazza, amelybe az adott acél besorolható.

Acélok szerkezeti elemek céljára Képlékeny alakításra alkalmas acélok Jellemzők: kis C- és szennyezőtartalom, nagy alakváltozó képsség, egyenletes felületi minőség, megfelelő geometriai tűrés, kis szilárdsági szórás, jó hegeszthetőség. A képlékenyalakítási eljárások /kivágás, mélyhúzás/ szavatoltan alakítható lemezeket, szalagokat, a térfogatalakító eljárások /zömítés, sajtolás, folyatás/ szavatoltan alakítható rudakat igényelnek. Ezeknél az acéloknál a szakítószilárdság a legnagyobb értéket írják elő, ugyanis figyelembe véve lehet a technológiát tervezni és az alakítószerszámokat méretezni.

Alkalmazás: bevonatnélküli szalagból, lemezből vagy széles acélból hidegen vagy melegen hengerelt, képlékeny hidegalakítással feldolgozott termékhez, ahol a jó feldolgozhatóság, esetenként a nagy folyáshatár a követelmény.

Automata acélok Az automata acélok olyan növelt S- és Pb-tartalmú csillapítatlan acélok, amelyek forgácsoló megmunkálása során az ötvözés hatására könnyebben leváló, töredezett forgács képződik. 25

Jellemzők: jól forgácsolhatóság nagy termelékenységű gépi megmunkálásokhoz. Forgácsolóautomatákon gyártott tömegcikkek esetén a forgácsolás termelékenysége és a kés élettartamának növelése az elsődleges cél. Az automata acélok általában kis C-tartalmú csillapítatlan acélok, melyekben tudatosan hosszan elnyúlt zárványcsíkokat hoznak létre. Alkamazás: automata forgácsológéppel megmunkált tömegcikkek /csavarok, anyák, menetesszár/ háztartási gépek, tartós fogyasztásoi cikkek, etc.

Betonacélok A betonacélok vasbeton és előfeszített vasbeton vasalásához használt. Közel körkeresztmetszetű bordázott vagy alakos, kis C- tartalmú ötvözetlen acéltermékek, melyeket hengerhuzal, rúd vagy huzal formájában gyártanak. Jellemzők: nagy szakítószilárdság, megfelelő hegeszthetőség. A betonacélokat a megfeleő kötés érdekében bordázattal látják el. A beton a nyomásnak ellenál, de rideg és kis húzófeszültséget tud felvenni, ezért könnyen törik. A vasbeton tulajdonképpen kompozittermék, ahol a húzófeszültségeket az acélhuzal vagy acélháló veszi fel. Alkalmazás: építőipari célú vasbetonszerkezetek

Sínacélok A sínacélok acélok olyan melegenhengerelt sínalakú idomacélokból készült termékek, amelyeket vasúti páylához vagy egyéb kötöttpáylás rendszerekhez alkalmaznak. Alaklmazás: nehéz és könnyű vasúti sínek, ütköző-, fékezősínek, kitérők, darusínek, etc. Rugóacél A rugóacél nemesített állapotban rugózó elemek gyártására alaklmas nagy szilárdáságú és rugalmassági modulusú ötvözetlen vagy ötvözött acélok, amelyekben a terhelés megszűnése után maradó alakváltizás nem mérhető. Jellemzők: nagy rugóerő és rugalmassági modulus, hosszú élettartam, túlterhelés esetén töréssel szembeni biztonság. A rugók általában erőssen terhelt gépelemek, nagymennyiségű energiát tárolnak, igénybevételük a rugalmassá alakváltozás tartományában megy végbe. Alkalmazás: járművek laprugói, torziós-, csavar-, tekercs- és tányérrugók Golyóscsapágyacélok A golyóscsapágyacélok az üzemeltetés során fellépő nagy helyi változó terheléssel és koptatóhatással szemben ellenálló ötvözött termékek. Jellemzők: nagy felületi, súrlódó és kopható hatással szembeni ellenállás, zárványmentesség, homogén szövetszerkezet, megfelelő, egyenletes keménység, szívósság, jó hővezető képesség és megmunkálhatóság. 26

Alkalmazás: golyóscsapágyak Szelepacélok A szelepacél nagyobb hőmérsékleten fellépő mechanikai-, hő-, korrózió és csúszássúrlódó igénybevételnek ellenálló ötvözött acélok. Jellemzők: megfelelő ellenállás mechanikai-, hő-, korrózió és csúszássúrlódó igénybevétellel szemben. Alkalmazás: belsőégésű motorok, kompresszorok Tűzi-mártó eljárással bevonatolt acélok A tűzi-mártó eljárással bevonatolt acélok olyan 3 mm-kisebb félgyártmányok, amelyek felületét főként légköri korrózióval és kevésbé agresszív hatású nedvességgel szemben ellenálló vékony cink, cink-vas, cink-alumínium, alumínium-szilícium réteg fedi Alkalmazás:Tűzi horganyzás: autóipar, háztartási gépek, keratések, villámhárítók. Tűzi alumíniumozás esetén csőgyártás, hangtompítók, háztartási és ipari tűzhelyek. Kemencék.

Acélok szerkezetépítés céljára Melegen hengerelt ötvözetlen szerkezeti acélok Jellemzők: általános rendeltetés (különösebb követelmények nélkül), jól alakíthatóság és a gépacélok kivételével jó hegeszthetőség. A mindennapi gyakorlatban gyakran előfordul, hogy a szerkezettel (alkatrésszel, termékkel) szemben nem támasztanak különösebb követelményt, azaz nincs jelentős dinamikus erőhatásnak, korróziós-, ill. hőigénybevételének kitéve, nincs szükség hőkezelésre sem. Ezeket az acélokat rendszerint melegen hengerelt vagy kovácsolt állapotban szállítják, és csak a mechanikai tulajdonságaikat írják elő. Alkalmazás: általános rendeltetés céljára, főként hegesztett acélszerkezetekhez, ahol nem támasztanak különösebb követelményeket. Az ötvözetlen, varrat nélküli acélcsövek acéljai általában 572,00 F-ig használhatók. Alkalmazás: általános rendeltetésű különösebb követelmény előírva.

csővezetékekhez,

csőszerkezetekhez,

ahol

nincs

Finomszemcsés szerkezeti acélok Jellemzők: növelt szilárdság és szívósság, kedvező alakíthatóság és hegeszthetőség. A finom szemcsés acélok lehetnek:    

Normalizált vagy normalizáló hengerléssel hengerelt ötvözetlen vagy kismértékben ötvözött acélok; Termomechanikusan hengerelt ötvözetlen vagy kismértékben ötvözött acélok; Vízedzésű acélok (gyorsan hűtött, majd megeresztett=nemesített) acélok; Kiválásos keményítésű acélok 27

Normalizált vagy normalizáló hengerléssel gyártott szerkezeti acélok Normalizált vagy normalizáló hengerléssel gyártott acél olyan minőségi acél, amelynél a finomszemcsés szerkezetet a hengerlést követő normalizálással érik el. A normalizáló hengerlés olyan meghatározott hőmérséklet-tartományban és meghatározott befejező alakváltozással járó meleghengerlés, amely a normalizálttal egyenértékű fémtani állapothoz vezet. Az acélok a hengerlést követően nem egyenletes szemcsézetűek, ezért a hengerlést ismételt felhevítés és levegőn való lehűtés (normalizálás) követi. A normalizáló hengerléskor az acélt hengerlés után nem hűtik le szobahőmérsékletre, hanem a hengerlést kisebb hőmérsékleten fejezik be és onnan hűtik le levegőn vagy vízben. Alkalmazás: acélszerkezetekhez, tartályokhoz és olyan berendezésekhez, ahol nagyobb terhelhetőség mellett fokozottabb szívóssági követelmények írnak elő. A nyomástartó berendezésekhez használható finomszemcsés normalizált szerkezeti acélok folyáshatáruk alapján három szilárdsági csoportba sorolhatók be. Ha a nyomástartó berendezés nagyobb igénybevételnek van kitéve, vagy a falvastagságot csökkenteni akarják, akkor nagyobb folyáshatárú acélt kell választani. Alkalmazás: nagyobb igénybevételnek kitett, alakítással és hegesztéssel feldolgozott nyomástartó berendezések.

Termomechanikus hengerléssel gyártott szerkezeti acélok A termomechanikusan hengerelt acélok olyan minőségi acélok, amelyek végleges állapotukat termomechanikus alakítással érik el. A hengerlési folyamat során nem megy végbe újrakristályosodás, a véghengerlés hőmérsékletéről az acélt vízben gyorsan lehűtik kb. 500 C-ra, majd onnan levegőn folytatják a hűtést. A termomechanikusan hengerelt acélok a különösen finomszemcsés, homogén szövetszerkezetüknek köszönhetően kiválóan alkalmasak hidegalakításra és ezért nagyon kis hajlítási sugarakat lehet alkalmazni. Alkalmazás: acélszerkezetek, tartályok, berendezések, ahol feltétel a jó alakíthatóság és hegeszthetőség. Vízedzésű nagy folyáshatárú szerkezeti acélok A kis C-tartalmú (<0,2%), Mn, Cr, Ni, Mo ötvözésű acélok a legnagyobb folyáshatárú finomszemcsés minőségi acélok. Az acélokat edződést elősegítő ötvözőkkel ötvözik, aminek hatására az acél vízhűtés esetén teljes keresztmetszetében martenzites lesz. Alkalmazás: igen nagy terhelésnek kitett acélszerkezetekhez (pl. mobil autódaruk gémjei), amelyeknél a nagy szilárdság mellett nagy szívósságot követelnek meg. 28

29

NEMVASFÉMEK ÉS ÖTVÖZETEIK

4.1. Könnyűfémek

1. Ismertessük az ötvözetlen alumínium fő fizikai és mechanikai jellemzőit! 2. Milyen módon lehet az ötvözetlen alumínium szilárdságát növelni? 3. Ismertessük az alakítható Al-nak és ötvözeteinek nemzetközi jelölési rendszerét! 4. Mikor megy végbe az alumínium újrakristályosodása és mi a hatása? 5. Ismertessük az öntészeti Al-nak és ötvözeteinek nemzetközi jelölési rendszerét! 6. Ismertessük és jellemezzük az alumínium fő ötvözőit! 7. Melyek az alakítással feldolgozott fő Al-ötvözetek? 8. Jellemezzük a nem hőkezelhető Al-ötvözeteket! 9. Melyek a fontosabb hőkezelhető (nemesíthető) Al-ötvözetek? 10. Jellemezzük a hőkezelhető Al-ötvözeteket! 11. Soroljunk fel alkalmazási példákat Al-ötvözetekre és indokoljuk használatukat! 12. Jellemezzük a nem hőkezelhető öntészeti Al-ötvözeteket! 13. Jellemezzük a hőkezelhető öntészeti Al-ötvözeteket! 14. Ismertessük a titánt és ötvözeteit és fő felhasználási területeiket! 15. Ismertessük a magnézium és berillium jellemzőit és ötvözeteiket!

30

Ötvözetlen Al: Kiváló elektromos és hővezető képesség, jó korrózióállóság, jó alakíthatóság és feldolgozhatóság. Kis olvadáspontú, lapközepes köbös kristályszerkezetű, könnyű fém. Korrózióállósága a felületén lévő vékony, összefüggő oxidrétegnek köszönhető. Lágy állapotban ötvözetlenül a szilárdsága kicsi, alakítással növelhető.

1. Alakítással 2. Alakítással feldolgozott Al- (fő-) ötvözetek jelölése: ötvözetcsoportokba soroljuk, négyjegyű számmal jelölve: (1000-es sorozat: színalumínium) 2000-es sorozat: Al-Cu ötvözetek (réz) 3000-sorozat: Al-Mn ötvözetek (mangán) 4000-sorozat: Al-Si ötvözetek (szilicium) 5000-sorozat: Al-Mg ötvözetek (magnézium) 6000-sorozat: Al-Mg-Si ötvözetek (magnézium-szilícium) 7000-sorozat: Al-Zn ötvözetek (cin) 8000-sorozat: egyéb ötvözetek (pl. Fe; vas) Példa a jelölésre: AW-5019, ill: AW-AlMg5 W: Wrought: feldolgozott 5 (szám): közepes ötvözőtartalom % (5%Mg)

31

3. Al újrakristályosodása, hatása: Ha az alakítás mértéke a kritikus közelébe (5…8%) esik, akkor hőközlés pl. hegesztés hatására újrakristályosodás és szemcsedurvulás mehet végbe. Alakítás hatására az Al felkeményedik, ¼, ½ , ¾ kemény, v. kemény állapotú lehet. 4. Öntészeti Al-ötvözetek jelölése: ötjegyű számmal jelölve: 20000-es sorozat: Al-Cu ötvözetek 40000-es sorozat: Al-Si ötvözetek 50000-es sorozat: Al-Mg ötvözetek 70000-es sorozat: Al-Zn ötvözetek 80000-es sorozat: Al-Sn ötvözetek (ón) 90000-es sorozat: előötvözetek. Példa a jelölésre: AC-44300, AC-AlSi12(Fe) 2. számjegy: ötvözetcsoport 12 (szám): közepes ötvözőtartalom % (12%Si) (Fe): kevés Fe-t tartalmaz 5. Fő ötvözőelemek: Cu, Mn, Si, Mg, Zn Al-ötvözetek jellemzői: nagy szilárdság, jó korrózióállóság, jó megmunkálhatóság, (alakítás, öntés, hegesztés, forgácsolás, stb.) Növelik az Al szilárdságát, csökentik az olvadáspontját, az elektromos és hővezető képességét. 6. Alakítással feldolgozott fő Al-ötvözetek: Al-Cu ötvözetek (réz) Al-Mn ötvözetek (mangán) Al-Si ötvözetek (szilicium) Al-Mg ötvözetek (magnézium) Al-Mg-Si ötvözetek (magnézium-szilícium) Al-Zn ötvözetek (cink), egyéb ötvözetek (pl. Fe; vas) 7. A nem hőkezelhető Al-ötvözetek jellemzői: mechanikai tulajdonságait nem lehet javítani, így a szilárdságot 0,5…5,5%Mg-ötvözéssel ill. alakítással növelik. Nem hőkezelhető Al-ötvözetek: Al-Mg, ill. Al-Mn (0,05…1,5%) , Al-Si (0,8…13,5%) 8. A hőkezelhető (nemesíthető) Al-ötvözetek: Fő típusai: Al-Cu: 1,8…6,8%, Al-Mg-Si: 0,4…1,5% 0,2…1,4%, Al-Zn: 0,8-8,2%, egyéb ötvözetek(Fe): 0,3…2,0% 9. A hőkezelhető (nemesíthető) Al-ötvözetek jellemzői: szilárdságuk hőkezeléssel, és alakítással növelhető. A tömegacélokra jellemző szilárdsági érték valósítható meg, ami az acélokéhoz képest 1/3-dal kisebb sűrűséggel párosul, viszont romlik a korróziós tulajdonság, hegeszthetőség. A szilárd oldatot képező ötvözők rontják az Al villamos vezetőképességét, a vegyületfázis viszont javítja, így nagy szilárdságú villamos vezetékanyagokat lehet előállítani (AlMgSi). Az ötvözetek szilárdsága növelhető a hőkezelés közben, vagy után elvégzett hidegalakítással, pl. cső és rúdhúzás. 32

10 Alkalmazási példák Al-ötvözetekre, +indoklás: Félgyártmányok, késztermékek előállítása alakítással, vagy öntészeti úton. nem hőkezelhetőek: hidegen sajtolt és hegesztett szerkezetek, ajtó- és ablakkeretek, tatályok, gázpalackok, hajófelépítmények anyaga. Korrózióállóságuk, képlékeny alakíthatóságuk, hegeszthetőségük kiváló. hőkezelhetőek: Al-Mg-Si: nagy szilárdságú villamos vezetékanyag, jól alakíthatóak, hegeszthetők. Al-Cu-Mg: Sajtolt merevítőbordákkal ellátott nagyméretű alkatrészek készre gyártása, nemes szilárdságuk 4-6nap raktári „hevertettéssel”(természetes öregedés). Hegesztéskor repedésre hajlamos, ezért szegecseléssel kedvezőbb a kötés. Korrózióra érzékeny, így nagytisztaságú vékony, ötvözetlen Al-lemezekkel mindkét oldalán hengerelt (kompozit) kivitelben gyártják.

10. Nem hőkezelhető Al-ötvözetek: Al-Cu(4%): önnemesedő, homokformába önthető nagy szilárdságú ötvözet. Al-Si(6-12%): kis Si tartalom: kevésbé igénybevett alkatrészek gyártása nagyobb Si tartalom: jó rezgés és nyomásálló, bonyolult vékonyfalú öntvények. A vastartalmú ötvözetek nem hőkezelhetők és nem hegeszthetők. Al-Mg(3-5%Mg+Si,Cu): nagyon jó korrózióálló, polírozható, anódizálható és forgácsolható. Si-ötvözéssel nemesíthető lesz. Műszer-, építő-, élelmiszer- és vegyipar alkalmazza, ill. szerelvények, hajóalkatrészek öntése.

11. Hőkezelhető Al-ötvözetek: Al-Zn-Mg(2-10%Zn+Mg,Si): nemesíthető, nagy szilárdság, közepes korrózióállóság, feltételesen hegeszthető. Al-Si-Mg: nemesíthető, kiválóan önthető. 12. Titán és ötvözetei, fő felhasználási területeik: Ti: 882,5’C-ig alfa hexagonális, felette béta térközepes köbös kristályszerkezetű, a vasnál könnyebb, nem mágneses fém. Szilárdsági tulajdonságai nem változnak sem fagypont alatt, sem 600’C-ig. Hőtágulása, hővezetése közepes, kisebb mint az acélé, alumíniumé.

33

Az ötvözetlen titán: kiváló korrózióálló (felületi vékony oxidréteg TiO2, 400’C-ig véd a gázkorrózió ellen). Tökéletesen ellenáll tengervíznek, nedves, szerves-savas közegnek. Az ipari titán nehezen forgácsolható és rossz hővezető. Alkalmazás: - ahol követelmény a kiváló korrózióállóság- vegyipar (hőcserélők, tartályok, autoklávok, csővezetékek, galvanizáló kosarak, stb.) Nem káros az emberi szervezetre -> implantátumként. Ötvözéssel(Sn, Zr, Al), hőkezeléssel szilárdsága jelentősen növelhető. A titánötvözeteket fázisviszonyuk alapján osztályozzák, eszerint lehet: α - fázisú (Al, Sn, Zr): kevésbé jól alakítható, nagyobb üzemi hőmérsékletű sugárhajtóművekben alkalmazzák. α+β-fázisú (Al,V,Mo,Cr): főként a helikopter és repülőgépgyártás, űrhajózás alkalmazza β - fázisú (V,Mo,Nb,Ta): nagyobb sűrűségű, rácsszerkezete révén jól alakítható. 13. Magnézium és berillium jellemzői, ötvözeteik: Magnézium (Mg): kis sűrűségű, jó hő és elektromos vezető, hexagonális kristályszerkezetű fém, olvadáspontja: 650’C. Ötvözetlen Mg: szilárdsága nagyon kicsi, erősen reakcióképes a zoxigénnel, ezért szerkezeti anyagként csak ötvözetei alkalmazhatók. Öntéskor ill. forgácsoláskor különleges intézkedések szükségesek az öngyulladás megelőzésére. Alkalmazás: ahol a kis sűrűség nagy előny, gépjármű-, gépipar, repülőgép, űrjármű, műholdgyártás. Könnyűfémkerék; négyszer könnyebb az acél-, és 1/3-al az alumínium kerekeknél -> sport, versenykocsik. Berillium(Be): ezüstfehér, hexagonális kristályszerkezetű, 1277’C-on olvadó, kis sűrűségű, kemény, rideg fém. Az ötvözetlen Be szilárdsága erősen szennyezettségfüggő. Az öntött Be durva, oszlopos kristályai miat hidegen nem alakítható. Röntgencsövek sugáráteresztő ablakaihoz, továbbá kedvező ötvözőfém Cu, Al és Mg ötvözetekben. Be-Al: atomenergia, repülőgép, rakéta ipar. Be-Ni: szikramentes szerszámok.

34

4.2. SZÍNESFÉMEK

1. Ismertessük az ötvözetlen réz főbb fizikai és mechanikai tulajdonságait! 2. Milyen módon lehet az ötvözetlen réz szilárdságát növelni? 3. Példák az ötvözetlen réz ipari alkalmazásaira. 4. Melyek a réz fő ötvözői? 5. Példák a rézötvözetek ipari alkalmazására. 6. Ismertessük és jellemezzük a Cu-Zn ötvözeteket! 7. Ismertessük és jellemezzük a Cu-Sn ötvözeteket! 8. Ismertessük és jellemezzük aCu-Al, Cu-Ni, Cu-Si ötvözeteket! 9. Milyen területeken alkalmaznak nemesíthető Cu-ötvözeteket? 10. Ismertessük a cinket és ötvözeteit! 11. Ismertessük és jellemezzük az ónt és az ólmot, valamint ötvözeteiket!

35

1. Az ötvözetlen réz (Cu):

A réz(Cu) lapközepes köbös kristályrácsú, jól alakítható, 1083’C-on olvadó a vasnál nehezebb vörös színű fém. Szilárdsága kicsi, nyúlása nagy, nagyon jó elektromos- és hővezető. Oxidtartalma miatt hidrogénfelvételkor ún. hidrogénbetegség lép fel. A réz-oxiddal (Cu2O) eutektikumot képez, csökkenti a szívósságot. Lágy állapotban jól alakítható, forgácsolásra alkalmatlan, kenődik -> ha elsődleges az elektromos vezetőképesség és másodlagos a szilárdsági igény. Hidegalakítás a vezetőképességét 15%-al rontja. A réz használati tárgyakat mindig hidegen alakított formában használják. Így a szakítószilárdság 33,5 a folyáshatár 6-7-szeresére növelhető.

2. Az ötvözetlen réz szilárdságának növelése: Hidegalakítással. 3. Ötvözetlen réz ipari alkalmazása: elektromos vezetőanyagok, hidegalakítással használati tárgyak, korlátozottan szerkezeti elemként. 4. A réz fő ötvözői lehetnek: -nem nemesíthető: Zn, Sn, Ni, Al, Mn. -nemesíthető: Be, Cr, Zr ötvözetek. Alkaítással, vagy öntészeti úton.

5. Rézötvözetek ipari alkalmazása: Dísztárgyak, tömegcikkek, korrózióálló elemek, siklócsapágyak, vezetékek, csigakerekek, stb.

36

6. Cu-Zn ötvözetek! A sárgaréz Cu-Zn (cink) 10-40%Zn-tartalmú rézötvözet. Hidegen kiválóan alakítható, mélyhúzható. Az alakítható sárgarezek közül a kisebb 4-16%Zn-tartalmú ötvözeteket az elektrotechnika alkalmazza (kapcsolók laprugói, relék). A 19-21%Zn-tartalmúakat iparművészeti termékekhez, hangszerhúrokhoz, nyomásmérőkhöz használják. A 30-40%-osat (öntészeti Cu, olvadáspontja 900’C) hőcserélőkhöz, radiátorokhoz, csavarokhoz, érmékhez, sajtolt alkatrészekhez, stb. alkalmazzák. A nagyszilárdságú Cu-t Al, Sn, Ni, Mn-el ötvözik; csapágyak, kondenzátorcsövek, nagyterhelésű szerelvények, stb.)

6. Cu-Sn ötvözetek! A bronz Sn (ón) tartalmú rézötvözet. A lapközepes köbös Cu és a tetragonális Sn lassú hűtéskor 15,8%Sn-ig, gyors hűtéskor 6%Sn-ig egyfázisú szilárd oldatot alkot. Ezért a kis óntartalmú (Sn<6-8%) bronzok hidegen jól alakítható ötvözetek. Ilyenekből csavarokat, rugókat, fémtömlőket, huzalszövetet,vegyipari alkatrészeket készítenek. A 7-12%Sn tartalmú öntészeti bronzokból csigakereket, talpcsapágyat, saválló armatúrákat stb. gyártanak. 7. -Al, Cu-Ni, Cu-Si ötvözetek! A Cu-Al(5-11%Al) az ötvözetlenhez képest nagyobb korrózióállóságú, mivel felületén alumínium-oxid réteg képződik, ehhez min. 4%Al-ötvözés szükséges. Gépalkatrészek, vegyipari berendezések. A Cu-Ni(9-11,vagy29-32%) szilárd oldatú, a két fém egymást oldja. A Cu az alakíthatóságot a Ni a szilárdságot és a korrózióállóságot növeli. Ahol fokozottan számít a korr.állóság és a melegszilárdság (erőművi berendezések, kőolajipar,stb.) A Cu-Si(2-3%Si-és 1%Mn) a legfontosabb gyengén ötvözött rézötvözet, amelyjelentősen növeli a réz szilárdságát anélkül, hogy befolyásolná képlékenységét. Főként vegyipar; hőcserélők, hűtőtechnika. 8. Milyen területeken alkalmaznak nemesíthető Cu-ötvözeteket? A nemesíthető rézötvözetek (Cu-Be, Cu-Ni-Si, Cu-Cr, Cu-Zr) szilárdsága hőkezeléssel növelhető. Ilyen ötvözetekből készülnek pl. az ellenállás-hegesztőgépek elektródái. A Cu-Be ötvözet nemesíthető, nagy szilárdságú, kiváló elektromos vezető, ezért abból érintkezőket, reléket, rugókat, stb. készítenek. 37

9. A cink és ötvözetei! A cink(Zn) 419’C-on olvadó, kékesfehér színű, sima felületein csillogó, hexagonális kristályszerkezetű fém. Nagy hőtágulású, jó elektromos vezető, jól önthető fém. A levegőn már 500’C-on halványzöld lánggal cink-oxiddá ég el. Korrózióval szembeni ellenállása nagyon jó, levegő hatására felületén matt szürke, majd fehéres oxidréteg képződik (véd). 90120’C és 150-180’C között lágy és jól alakítható, egyébként rideg. Zn-ötvözetek: (Al, Cu, Mg) ritkán alakítással, inkább öntészettel dolgozzák fel. Öntéskor durvaszemcsés lesz, szilárdsága öntött állapotban kicsi. Fő ötvözői az Al(4%), Cu(1%), Mg. Mivel a Zn ötvözetek ömledéke erősen hígfolyós és gyorsan dermed, ezért nyomásos öntéssel csekély terhelhetőségű, bonyolult formájú, mérethű öntvények (pl. karburátorok, játékok, stb.) készíthetők. A Zn-Ti-Cu ötvözetből (titáncink) ereszcsatornát, tetőborításokat készítenek. 9. Ismertessük és jellemezzük az ónt és az ólmot, valamint ötvözeteiket! Az ón(Sn) 232’C-on olvadó, ezüstös színű, szobahőmérsékleten tetragonális kristályszerkezetű (β-Sn), 13,2’C alatt gyémántszerkezetű (α-Sn) allotorp átalakulású fém. Nagy szakadási nyúlás, hidegen jól alakítható, forgácsolható. Mechanikai igénybevétel viselésére alkalmatlan. Levegőn, vízben, tengervízben, élelmiszerekben korróziós károsodás nem éri, nem képződnek mérgező vegyületei. Az α-Sn rendkívül rideg és mivel nagy térfogatcsökkenéssel keletkezik a β-fázisból, szürke porrá esik szét („ónpestis”). Mindez 50’C körüli hosszú idejű tárolás esetén. Az ónötvözetek (Sn-Sb-Cu, Sn-Sb-Cu-Pb ún. fehérfémek) jó siklócsapágy anyagok (turbináknál) ezek bélelésére különleges tulajdonságú fémötvözetekre van szükség, melyek: -keménysége elég nagy, hogy lassan kopjon, de a csapot ne koptassa -képlékenyek legyenek a helyi feszültségek leépüléséhez, a terhelés eloszlásához -felületén a kenőanyag jól tárolódjon, ill. a kenőanyagfilm jól képződjön -jó önthetőség végett kis olvadási hőmérséklet -jó hővezető képesség, hűtés érvényesülése érdekében -korrózióval szembeni ellenállás -acélcsaphoz mutatott surlódási tényezője kicsi legyen Az Sn-Pb ötvözet kiváló lágyforraszanyag(Sn30-60%), ón-, ólom-, horganytárgyak, ill. ezekkel bevont acél és réz alkatrészek forraszaként lehet használni. Az ólom(Pb) 327’C-on olvadó, a vasnál nehezebb, kékesszürke színű, sima felületén ezüstfehéren csillogó, lapközepes köbös kristályrácsú fém. Nagyon lágy, nagy rendszámú nehézfém, erősen nyeli a radioaktív sugárzást, ezért sugárvédő anyagként használják. Sűrűsége miatt a lőfegyverek sörétjeit és golyóit ólomból gyártják, így kis térfogattal nagy mozgási energiát lehet létrehozni. Alkalmas továbbá nyomdaiparifelhasználásra (betűöntés), kénsavas akkumulátorok gyártására, vegyipari készülékek belsejének burkolása (számos erős 38

korróziós közegben ellenálló; kénsav, foszforsav, fluorsav, stb. A királyvíz megtámadja.) Vízvezeték és ipari lefolyórendszerek. kiépítésére. Az ólomötvözetek (Sb, Sn, As, Bi, Cu) Az Sb és As az ötvözetet kemény, kopásálló öntvényanyaggá, míg az Sn és a Bi kis olvadáspontú forraszanyaggá teszi. Az ötvözők, ill. szennyezők az újrakristályosodási hőmérsékletét emelik, igy szobahőmérsékleten már jelentkezik az alakítási keményedés, mérsékeltebb a kúszás. A keményólmot( <13%Sb) az építőiparban használják kémények, tetőablakok befedésére, szigetelésére. Siklócsapágyfémként Pb-Sb-Sn, Pb-Sn, Pb-Sn-Cu ötvözeteket alkalmaznak.

39

4.3. KÜLÖNLEGES FÉMES ANYAGOK

1. Jellemezzük és hasonlítsuk össze a nemesfémeket! 2. Ismertessük a nikkelt és ötvözeteit! 3. Ismertessük a fontosabb nagy olvadáspontú fémeket és ipari alkalmazásukat! 4. Mit értünk porkohászati álötvözeteken? 5. Mit értünk keményfémen? 6. Melyek a keményfémek fő alkotóelemei? 7. Hogyan jelölik a forgácsolásra alkalmas keményfémeket? 8. Ismertessük a fontosabb félvezető és szupravezető anyagokat!

1. A nemesfémek jellemzői: Jól alakítható fémek, korrózióállóságuk kivál, hideg kénsavban nem oldódnak. Az arany(Au): közepes olvadáspontú (1063’C), nehéz, jó hő és elektromos vezető, képlékeny, korrózióálló, királyvíznek is ellenáll, lapközepes köbös kristályszerkezetű fém. Tisztaságát karátokban adják meg; az ötvözet hány 24-ed része arany. A 24 karátos minőség jelzi tehát a 100% tisztaságot. Képlékenysége következtében μm vastagságú vékony lemezekké, fólává hengerelhető. Szilárdságát Cu ötvözettel növelik. Az arany a rezet minden arányban oldja, sárgás arany színe ötvözéssel tág határok között változtatható. Az ezüst(Ag): közepes olvadáspontú (961’C) és sűrűségű, a legjobb hő- és elektromos vezető, lapközepes köbös kristályszerkezetű fém. Levegőn változatlan marad, kénhidrogén hatására fekete ezüst-szulfid réteg vonja be. Sósavban és más, nem oxidáló savakban oldhatatlan. Arannyal és rézzel minden arányban ötvözhető, a higannyal amalgámot képez. Fő ötvözője a réz(<20%)ami a keménységét és kopásállóságát növeli. A platina(Pt): nagyon lágy, az acélnál nagyobb olvadáspontú (1773’C), nagy sűrűségű, lapközepes köbös kristályszerkezetű, szürkésfehér fényű nemesfém. Igen jó katalizátorfém, kémiailag ellenálló, csak a királyvíz oldja. A palládium(Pd): 1552’C-on olvadó ezüstfehér, a platinánál keményebb és szívósabb, de jól megmunkálható, nagy sűrűségű fém. Jellegzetes tulajdonsága, hogy nagy mennyiségű hidrogént (saját térfogatának 800-szorosát) képes atomos állapotban megkötni. A Nikkel(Ni): 1453’C-on olvadó, a vasnál nehezebb, ezüstös fényű, lapközepes köbös kristályszerkezetű fém. Ötvözetlenül 360’C alatt ferromágneses, mechanikai tulajdonságait kis hőmérsékleten is megtartja, de szilárdsága 320’C felett romlik. Ridegtörésre nem hajlamos, egyes ötvözetei -200’C-ig is bírják. Kiválóan kovácsolható, hengerelhető, hidegen alakítható és hegeszthető. Korrózióállósága tengervízben, levegőben, lúgokban és savakban nagyon jó. A nikkelt elsősorban acélok ötvözésére használják és csak kisebb arányban gyártanak nikkelötvözeteket. 40

Ni-ötvözetek: főként olyan ipari területeken alkalmazzák, ahol a nagy hőmérsékleten is jó korrózióállóság, nagy melegszilárdság és reveállóság a követelmény. pl.: vegyipari, petrolkémiai berendezések szivattyúi, hűtői, stb. Ni-Cu(28-34%) ún. Monel-fém, gyengén mágnesezhető ötvözet. Jobb korrózióállóság kloridés fluoridionokkal, folsavval és kénsavval szemben. -> Energiaiparban, atomreaktorokban, vegyiparban használják hőcserélőkhöz, kondenzátorokhoz, stb. A nyúlásmérő bélyegek ellenálláshuzalait pl. 55%Ni-45%Cu ötvözetből készítik. Ni-Cr, Ni-Cr-Fe, Ni-Ce-Fe-Mo ötvözetek; ellenállás a nagy hőmérsékleten fellépő oxidációval és redukáló közegekkel szemben 1100’C-ig. Ni-Mo, Ni-Mo-Cr ötvözeteket a vegyiparban, pl. füstgáz-kéntelenítő berendezésekhez használják, mivel kiválóan ellenáll mind az oxidáló, mind a redukáló közegnek. Ni-Fe(25%) lágymágneses ötvözetet az elektrotechnikában alkalmazzák, mivel különösen nagy a relatív mágneses permeabilitása. A kobalt(Co) /szorgalmi: szuperötvözeti alapanyag, mint a nikkel/ 1495’C-on olvadó, vasnál kissé nehezebb, szürkésfehér színű, szobahőmérsékleten hexagonális, 470’C fölött lapközepes köbös kristályszerkezetű, allotrop átalakulású fém. Rendkívül szívós, acélhoz hasonló szilárdságú és keménységű, 1115’C-ig ferromágneses. Fontos ötvöző, (pl. gyorsacélok, keményfémek, mágneses ötvözetek estén.) Korrózióállósága kitűnő, kiválásosan nemesíthető ötvözetei nagyobb hőmérsékletig kúszásállóak, mint a nikkelötvözetek. A 45-60% Co tartalmú kobaltötvözeteket (Co-Cr, Co-Cr-Ni) nagy hőmérsékleten (1100’C-ig) üzemelő ipari gázturbinák vezetőlapátjai és alkatrészei gyártásához alkalmazzák. 2. A fontosabb nagy olvadáspontú fémek és ipari alkalmazásuk: A volfrám(W) a fémek között a legnagyobb olvadáspontú (3410’C) ezüstfehér színű, térközepes köbös kristályszerkezetű (mi más lenne…), nagyon kemény nehézfém. Az ötvözetlen volfrámból izzószálakat, elektródákat készítenek. Erős karbid- és nitridképző ötvöző, a szerszámacélok, gyorsacélok, keményfémek fontos ötvözőeleme. A tantál(Ta) 2990’C-on olvadó, térközepes köbös kristályszerkezetű (vááá), szürke színű nehézfém. Erős karbid- és nitridképző, szemcsefinomító hatású ötvözőelem. Elektrotechnikában, vegyipari és atomenergiai készülékek alkatrészeihez, nagy hőmérsékletű kemencék gyártásához, orvosi műszerek készítésére használják. A molibdén(Mo) 2620’C-on olvadó, térközepes köbös kristályszerkezetűűű, ezüstfehér színű, fényes, jól alakítható nehézfém. Karbid és nitridképző, a melegszilárd acélok, szerszámacélok, korrózió- sav- és hőálló acélok fontos ötvözőeleme. Melegszilárd szerkezeti elemek, fémöntés-, fémszórás technika. 41

A nióbium(Nb) 2415’C-on olvadó, térközepes köbös kristályszerkezetű, szürke, fémes fényű, közepes keménységű, a vasnál kissé nehezebb fém. Ötvözőként acélok szemcsefinomítására, korrózióálló acélok stabilizálására használják. Ötvözeteit nagy hőmérsékleten üzemelő elemekhez használják. A króm(Cr) 1900’C-on olvadó, ezüstfehér színű, nagyon kemény és nehezen megmunkálható, a vasnál kissé könnyebb, (figyelem!) térközepes köbös kristályszerkezetű fém. Rideg és törékeny így ötvözetek formájában használják. Erős oxid- és karbidképző ötvözőelem, az acélok egyik legfontosabb ötvözője.Növeli a melegszilárdságot, a korrózió- és reveállóságot. az ötvözetlen króm előnyösen alkalmazható acélok felületvédelmére. A cirkónium(Zr) 1852’C-on olvadó, szürkésfehér színű, a vasnál könnyebb, nagyon kemény és rideg, hexagonális kristályszerkezetű fém. Levegő hatására a felületén öszefüggő, vékony oxidréteg képződik. Kémiailag és fémtanilag a Zr a titánhoz hasonló tulajdonságú, az acélok fontos ötvözőeleme. Korrózióállósága oxidáló közegekben meghaladja az ötvözetlen titánét, ezért vegyipari berendezések gyártásánál alkalmazzák. Reaktortechnikában, atomenergia fűtőelemek védőcsöveit Zr-ötvözetből készítik. Oxigénnel képzett vegyületét (ZrO2)tűzálló edények és zománcok készítésére használják. 3. Porkohászati álötvözetek = keményfémek. 4. Keményfémnek nevezzük azokat a porkohászati úton előállított álötvözeteket, amelyek lágy, fémes kötőanyagba beágyazott, nagy olvadáspontú kemény fémvegyületeket (kardibokat, nitrideket) tartalmaznak. 5. Keményfémek fő alkotóelemei: Ha a lágy kobalt (ritkán nikkel, vagy molibdén) alapanyagba –porkohászati úton- kemény és nagy olvadáspontú vegyületeket (karbidokat, pl. Co, WC, TiC, TaC, NbC, nitrideket, pl. TiN) „ötvöznek”, akkor a hagyományos szerszámacéloknál nagyobb kopásállóságú és keménységű ötvözeteket lehet előállítani. Keményfémek csoportosítása: - WC-Co ötvözetek, - WC-TiC-Ta(Nb)C-Co ötvözetek, - bevonatolt keményfémek, - különleges keményfémek (pl. cermetek)

42

6. Forgácsolásra alkalmas keményfémek jelölése:

7. Fontosabb félvezető és szupravezető anyagok: -8 -6 Félvezetőnek nevezik azokat az anyagokat, amelyek fajlagos vezetőképessége 10 . . .10 siemens/m tartományba esik. Ezek tették lehetővé a félveztető technológia, az informatika, a méréstechnika és az összes ehhez kapcsolódó tudomány fejlődését. A félvezető anyagokat a bennük lévő, elmozdulni képes töltéshordozók alapján ion- és elektron-félvezetőkre oszthatjuk. Az elektron-félvezetők csoportjába tartozó elemi félvezetőkhöz 12 elem tartozik, a legismertebbek a Si és a Ge. A vegyület-félvezetők fő képviselője a GaAs (galliumarzenid). B, C, Si, Ge, Sn, P, As, Sb, S, Se, Te, I (bór, szén, szilícium, germánium, ón, foszfor, arzén, antimon, kén, szelén, tellur, jód)

Szupravezetők azok az anyagok, amelyeknél egy jellemző kritikus hőmérséklet alatt a fajlagos villamos ellenállás nullává válik. A periódusos rendszer elemei közül a Nb (nióbium) kritikus hőmérséklete kb. -266’C, ezért a legtöbb szupravezető ötvözet Nb-alapú.

43

Kiválásos keményítésű nagy folyáshatárú szerkezeti acélok: A finomszemcsés acélok kis C-tartalmúak. Alkalmazás: acélszerkezetek, tartályok és berendezések, ahol a nagy szívósság mellett a jó feldolgozhatóság is cél.

Légköri korrózióálló acélok: Légköri korrózióálló az olyan acél, amelyet az ötvözési rendszere a levegő behatásaival szembeni korrózióállóvá tesz, mivel a felületén 1…3 év alatt szilárdan tapadó, tömör oxidos fedőréteg, védőrozsda keletkezik, ami védi a további korróziótól. Jellemzők: levegőben lévő szennyező gázokkal, nedvességgel szembeni tartós ellenállás, jó hegeszthetőség és alakíthatóság. Alkalmazás: szabadtéri acélszerkezetek, csarnokok, lelátók, tornyok, antennák stb. gyártásához.

Acélok egyszerű nyomástartó edényekhez: Ide tartoznak azok az acélok, amelyeket levegővel vagy nitrogénnel töltött nyomástartó edényekhez alkalmaznak. Alkalmazás: levegővel vagy nitrogénnel töltött nyomástartó edényekhez.

Hőkezelési célú acélok Felületedzhető acélok: Felületedzhetők azok az edzhető acélok, amelyek felületén edzéssel vékony kopásálló réteget lehet létesíteni, miközben a mag szívós marad. A kérgesítés felhevítésből és gyors hűtésből (edzésből) áll, tehát az acélnak edzhetőnek kell lennie. Jellemzők: szívós mag, kemény, kopásálló kérek, megfelelő átedzhetőség. A kérgesítő hőkezeléssel ötvözettől függően mélyebb (2…10 mm-es) kemény réteget lehet elérni, mint cementálással vagy nitridálással. Alkalmazás: járműalkatrészek (forgattyús és bütykös tengely), esztergafőorsó, fogaskerék, lánccsap, csiga, csigakerék, szállítóberendezések részegységei és alkatrészei stb. Nemesítő acélok Nemesíthetők azok az ötvözetlen vagy ötvözött acélok, amelyek vegyi összetételük alapján edzhetők és nagyobb hőmérsékleten végzett megeresztéssel előírt szilárdság és szívósság érhető el. Jellemzők: nagy szilárdság és szívósság, jó átedzhetőség.

44

Alkalmazás: csavarok, csapok, rögzítő- és kötőelemek, csavarkulcs, prizmák, ütközők, tengelyek, heveredek, rudak, fogaskerekek, orsók, bütykös mechanizmusok, vonóhorgok stb.

Betétben edzhető acélok: Betétben edzhetők az olyan kis C-tartalmú ötvözetlen vagy ötvözött acélok, amelyek felületi rétegének C-tartalmát cementálással vagy karbonitridálással olyan mértékben megnövelték, hogy edzést követően kemény kéreg alakul ki, miközben a mag szívós marad.

Jellemzők: szívós mag, felületi keménység, kopásállósság, kifáradással szembeni ellenállás, jó polírozhatóság. Az acélok lehetnek ötvözetlenek vagy ötvözöttek. Alkalmazás: kopásnak kitett emelők, csapok, vágószerzsámok, dugattyúcsapok, tengelyek, fogaskerekek, gépek és járművek egyéb elemei, mérőeszközök, kaliberek stb. Nitridálható acélok: Nitridálható acélok az olyan ötvözött, nemesíthető acélok, amelyek különösen alkalmasak a bennük lévő nitridképző ötvözőelemek által nagy keménységű vékony kéreg képzésére nitridálással vagy nitrocementálással. Jellemzők: szívós, nemesített állapotban nagy folyáshatárú (> 600 N/mm2) mag, kemény kéreg. Alkalmazás: nagynyomású tartályok, csapok, forgattyús tengelyek, gőzturbinák tengelyei, induktortengelyek, turbinalapátok, nagynyomású csövek, vezetősínek, műanyagfeldolgozó szerszámok, kaliberek stb. Különleges tulajdonságú acélok Melegszilárd acélok: Melegszilárdak azok az ötvözetlen vagy Cr, Mo és V ötvözésű acélok, amelyek hosszantartó mechanikai és termikus terhelés esetén – összetételtől függően – 550 C-ig nagy kúszásállóságúak és tartamszilárdságúak. A melegszilárd acélokat a szobahőmérsékletnél nagyobb üzemi hőmérséklet, a légköri nyomásnál gyakran nagyobb nyomásnál gyakran nagyobb nyomás veszi igénybe, agresszív gázok, gőzök jelenlétében. Az acélok lehetnek ötvözetlenek vagy ötvözöttek. Jellemzők: nagy melegszilárdság (kúszásállóság), nagy hőmérsékletű gázokkal, gőzökkel szemben, hidrogén cementálódással szembeni ellenállás.

reveállóság, nyomásával

korrózióállóság nagy szembeni ellenállás,

Alkalmazás: nagyobb üzemi hőmérsékleten üzemelő csövek, nyomástartó berendezések.

45

Hidegszívós acélok: Hidegszívós az acél, akkor ha -10 C alatt jó szívósságú, és az ütőmunka értéke -60 C-on legalább 27 Joule. Jellemzők: Az acélok a negatív üzemi hőmérsékleten szívósak legyenek (nagy legyen a ridegtöréssel szembeni ellenállásuk). Alkalmazás: negatív üzemi hőmérsékleten üzemelő tartályok, palackok, berendezések.

Korróziálló acélok: Korrózióállóak az agresszív közegek hatásaival szemben tartósan ellenálló, Cr-mal, Cr-Ni-lel, ill. CrNi-Mo-nel erősen ötvözött acélok, ha Cr>10,5% és C<1,2%.

Jellemzők: erős hatású korróziós közegekkel szembeni ellenállás, jó feldolgozhatóság (alakíthatóság, hegeszthetőség, polírozhatóság stb.). Az erősen ötvözött korrózió- és saválló acélokat ötvözőtartalmuk, szövetszerkezetük vagy felhasználási területeik szerint lehet csoportosítani. Ötvözőtartalmuk szerint lehetnek Cr-acélok, Cr-Ni-acélok, Cr-Ni-Mo-acélok, ahol az ötvözők mint fő ötvözőelemek vannak jelen. A homogén ferrites krómacélokban a jó korrózióállóságot a min. 12% Cr szavatolja, kis Ctartalommal (C<0,08%). Alkalmazás: vékonyfalú alkatrészek (pl.: háztartási gépek, konyhai berendezések, evőeszközök, bélelések stb.), orvosi berendezések, építmények belső teherviselő elemei, ahol nincs jelentős korróziós hatás stb.). A martenzites krómacélok a nagyobb C-tartalmuk (0,10…1,2%) miatt martenzitesek, a korrózióállóságot 12…19% Cr szavatolja. Alkalmazás: nagyobb mechanikai és korróziós igénybevételnek kitett területeken, pl. gőzzel, ill. vízzel érintkező, dinamikus igénybevételnek ellenálló elemek (szivattyúk, turbinalapátok, hajócsavar, szelepülék stb.), orvosi eszközök, fogók, kések, szikék, mérőműszerek stb. Az ausztenites króm-nikkel acélok többsége 18…19% krómot és 8…11% nikkelt, esetenként 2…3% Mo-t tartalmaz. Alkalmazás: vegyipari, papír- és cellulózipari gépgyártás, járműipar, élelmiszeripar, hűtéstechnika, erőművek, víztisztító berendezések és vízvezetékek, járműipar, építőipar stb. Az ausztenit-ferrites Cr-Ni-Mo-N acélok kis C-tartalmúak (C<0,03%) emellett 18,5…25% Cr-ot, 5…7% Ni-t, 1,5…3% Mo-t, 0…0,4% N-t és 0…2% Cu-et tartalmaznak. Alkalmazás: vegyipar, kőolajipar, papíripar, tengervízlepárlás stb.

46

Hőálló acélok: Hőállók azok a Cr vagy Cr-Ni ötvözésű acélok, amelyek nagy hőmérsékleten is ellenállók az oxidációval és revésedéssel szemben. Jellemzők: oxidációval, revésedéssel szembeni ellenállóság. Az 500 C-nál nagyobb hőmérsékleten üzemelő berendezések felületi oxidációval, revésedéssel szembeni ellenállóság. Az 500 C-nál nagyobb hőmérsékleten üzemelő berendezések felületi oxidációját meg kell akadályozni. Ezen acélok felületén a Cr-, Si- és Al-ötvözés hatására nagy olvadáspontú oxidok (Cr2O3, Al2O3 és SiO2) jönnek létre. Ferrites hőálló (reveálló) Cr acélok Alkalmazás: kemencék, armatúrák gőzkazánalkaltrészek stb.

Ausztenciás hőálló Cr-Ni-acélok: Alkalmazás: ipari kemencék armatúraelemei, kazánok, hőcserélők, tokok, retorták, vegyi- és ásványolajipari berendezések stb.

Szerszámacélok: A szerszámokkal (szerszámanyagokkal) szemben elsődleges követelmény a nagy szilárdság, keménység és kopásállóság. Emellett még számos, az egyes felhasználási területekre jellemző tulajdonságot kell megkövetelni:    

Dinamikusan igénybevett szerszámok Melegen üzemelő szerszámok jó hővezető képességű szerszámok ciklikusan változó hőmérsékletű szerszámok

Hidegalakító szerszámacélok: A hidegalakító szerszámacélok 200 C alatti munkahőmérsékleten dolgozó, forgácsoló és forgács nélküli megmunkálására alkalmas nemesacélok. Jellemzők: a hidegalakító szerszámacélok ötvözetlenek vagy ötvözöttek lehetnek. Az ötvözetlen hidegalakító szerszámacélokkal szembeni fontos követelmény a nagy tisztaság, homogén szövetkszerkezet. Ötvözetlen szerszámacélokból készítik pl. a kéziszerszámokat, mivel azok használtuk során nem melegednek. A szerszámokat lassan és egyenletesen kell az edzési hőmérsékletre felhevíteni, majd edzés után azonnal megereszteni (100…300 C között).

47

Az ötvözött hidegalakító szerszámacélokkal szembeni követelmények:      

Nagy felületi terhelhetőség, Jó kopásállóság, Nagy keménység, nagy folyáshatár Nagy ellenállás nyomóigénybevétellel szemben Jó él- és mérettartóság Megfelelő ellenállóság ütésszerű és fárasztó igénybevétellel szemben A szerszámacélok nagyobb keménységéhez növelni kell a C-tartalmat. Az acélokat felhasználás szerint három fő csoportba lehet sorolni:

  

Hidegalakító szerszámok (pl. mélyhúzás, hideghengerlés), véső- és verőszerszámok, mérőeszközök (idomszerek, kaliberek stb.) Vágószerszámok (vágókések, kivágószerszámok, lyukasztók, stb.) Műanyagmegmunkáló szerszámok

Melegalakító szerszámacélok: A melegalakító szerszámacélok 200 C fölötti munkahőmérsékleten dolgozó, nemvasfémek, üvegek és keramikus anyagok megmunkálására alkalmas ötvözött nemesacélok. Jellemzők: A melegalakító szerszámacélok mindig ötvözöttek. Velük szembeni követelmények: megeresztésállóság nagyobb hőmérsékleten, nagy szívósság dinamikus ellenállással szemben, jó edzhetőség és átedzhetősség, nagyobb hőmérsékleten is megfelelő melegszilárdság, melegkeménység, hőingadozással, hőfáradással szembeni ellenállás, mérettartósság, szikraforgácsolhatóság.

Műanyag-megmunkáló szerszámacélok: Jellemzők: jó edzhetőség és átedzhetőség (Ni ötvözés), jó forgácsolhatóság, szikraforgácsolhatóság, tükrösíthetőség, jó fotomarathatóság, nagy keménység és kopásállóság (esetenként jó korróziállóság), jó hővezető képesség. Gyorsacélok: A gyorsacélok nagy C-tartalmú, karbidképzőkkel (W, Mo, V, Cr) ötvözött nemesacélok, főleg nagysebességű forgácsoló megmunkálására alkalmas szerszámokhoz. Jellemzők: jó hővezető képesség, növelt szívósság, melegalakíthatóság, jó megmunkálhatóság nagy sebesség mellett (forgácsolás, köszörülés), edzhetőség és átedzhetőség, nagy megerésztésállóság, túlhevüléssel szembeni érzéketlenség, nagy melegkeménység és kopásállóság, legkisebb repedési hajlam. A gyorsacélok ötvözőtartalmuk szerint lehetnek:   

18% W-tartalmú acélok; 12% W-tartalmú acélok 4% V-mal; W-Mo acélok kb. 6% W-mal és 5% Mo-nel, 48



Mo-W acélok 9% Mo-nel és 2% W-mal

Acélöntvények Az acélöntvény olyan öntödei végtermék, amely folyékony acélnak homok-, fém- vagy egyéb tűzálló anyagból készült formába való öntésével és az ezt követő dermedéssel kapja meg végleges alakját.

Ötvözetlen acélöntvények: Az ötvözetlen acélöntvény C-tartalma 0,1…0,6%, a jobb önthetőség céljából Mn-nal ötvözik. Az acélöntvény sűrűnfolyós, az öntőformát rosszul tölti ki, ezért 5 mm-nél kisebb falvastagságot nem alkalmaznak. Alkalmazás: nagyméretű munkadarabok (pl. hajtóműház, szivattyúház, fogaskerék stb.), amelyek kovácsolással nem állíthatók elő.

Ötvözött acélöntvények: Az ötvözött acélöntvények csoportjában megtalálhatók mindazon acélfajták, amelyeket az acéloknál ismertetettünk (van pl. melegszilárd, hidegszívós, korrózióálló, hőálló stb. acélöntvény). Az ott leírt jellemzők az öntvényekre is értelmezhetők. Alkalmazás: különleges igénybevételnek (forró gázok, korrózió, kopás, erózió stb.) kitett munkadarabokhoz (forgattyúsház, csúszó- és vezetőpálya, turbina- és szivattyú alkatrészek, keverők, armatúra stb.).

Öntöttvasak: Az öntöttvas a 2,14%-nál több karbont és számos szokásos kísérőelemet, rendszerint szennyező és nyomelemeket is tartalmazó, sokalkotós vas-karbon alapú ötvözet. Jellemzők: jó önthetőség (formakitöltés), kis zsugorodás, jó rezgéscsillapítás, jó megmunkálhatóság, nagy nyomószilárdság. Az öntöttvasak nyomószilárdsága kb. 4-szer, hajlítószilárdsága kb. 2-szer nagyobb, mint a szakítószilárdsága. Az öntöttvas – a hűlési sebességtől és az ötvözőktől függően – FeC stabil vagy Fe-Fe3C metastabil rendszerben kristályosodik. A grafitos öntöttvas törete sötétszürke (szürkevasöntvény), a karbidosé a cementit ezüstös színe miatt fehér (fehérvasöntvény). Az öntöttvasak tulajdonsága ezért erősen függ a falvastagságtól. Fehérvasöntvény: Felhasználási területük általában alárendelt minőségű, kopással szemben ellenálló alkatrészek gyártása, melyeknél forgácsolásra nem kerül sor, mivel az csak különleges szerszámokkal, ill. köszörüléssel lehetséges. Az ötvözetlen fehérvasöntvények igen ridegek és különösen nagyobb méretű öntvények esetén kopásállóságuk nagymértékben növelhető.

49

Kéregöntvény: A kéregöntvények tipikus felhasználási területe pl. a malomipari, gumi- és műanyagipari, valamint a fém- és acélipari hengerek gyártása.

Szürkevasöntvény: Egyszerű öntési eljárásokkal bonyolult, változó falvastagságú öntvények állíthatók elő nagy méretpontossággal, kis forgácsolási ráhagyással, utólagos hőkezelési igény nélkül.

Lemezgrafitos öntöttvasak: Ha egy vasöntvény lassan hűl le, akkor a karbon kristályosodása grafitos szerkezetet eredményez. Minél vastagabb falú tehát az öntvény, annál lassúbb a lehűlése. A lemezgrafitos öntöttvas felhasználási szempontból előnyös, mivel    

Kitűnően forgácsolható, Jó siklási és kenyőanyag megtartó tulajdonságú, Vetemedésre, termikus fáradásra kevésbé érzékeny, Grafittartalma miatt korrózióval és revésedéssel szemben ellenállóbb, mint az ötvözetlen acél. Hátrányos tulajdonsága, hogy kielégítő keménység és jó nyomószilárdság mellett kicsi a szakítószilárdsága. Alkalmazás: hajtóműház, gépállvány, forgattyúház, szerszámgépgyártás, gőzturbinaház, szivattyú, szelep, henger, hajómotor alkatrészek stb.

Gömbgrafitos öntöttvasak: A gömbgrafitos öntöttvasban a grafit gömb alakú, ezért kevésbé szakítja meg a fémes folytonosságot, bemetsző hatása kisebb. Alkalmazás: mechanikai és hőigénybevételnek kitett öntvények (motorok, hajtóművek, turbinák, kompresszorok), fogaskerék, hajtókar, dugattyú stb.

Átmeneti grafitos öntöttvasak

Ötvözött öntöttvasak: Az ötvözött öntöttvasak az ötvözetlen öntöttvasakhoz képest – ötvözők típusától, mennyiségétől, a hőkezeléstől stb. függően olyan további követelményeket elégítenek ki, amelyet az adott ötvöző(k) az ötvözött acéloknál is nyújtanak. 50

Tempervasak: A tempervas hőkezelés útján előállított szívós öntöttvas. Jellemzők: megfelelő szívósság és szilárdság, ütésállóság.

Fehér tempervasat C-t elvonó (oxidáló) közegben 980…1050 C-on, több napos izzítással állítják elő, amelyeknek során az öntvénykéreg C-ben elszegényedik, és emiatt fehér töretűvé válik. Alkalmazás: főként vékony falú öntvények (kulcs, csőidomok stb.) gyártása. A fekete tempervasat semleges kemenceatmoszférában való hosszantartó izzítással (temperálás) lehet előállítani, aminek következtében a C csomós alakban (temperszén) válik ki. Alkalmazás: főként vastag falú öntvények (hajtóműház, fékdob, hajtórúd, forgattyústengely, lánc- és fogaskerék, lánctag stb.) gyártása.

51

NEMFÉMES ANYAGOK 1.

Mi jellemzi a szerves anyagok molekuláit?

A szerves anyagok olyan kémiai vegyületekből állnak, amelyeket élő szervezetek (organizmusok) állítanak elő. Alkotóelemei: karbon (szén), hidrogén, oxigén, nitrogén valamint kisrendszámú elemek némelyike. A szerves molekulák többsége nagyon nagy. Sok kicsi (akár több ezer) monomer ismétlődéséből felépülő polimer. A bioanyagokat előállító szervezetek nagy fokban polimerizáltak. Ezek a polimerek kisrendszámú elemekből építkeznek, szerves vegyületeket alkotnak, melyek négy alaptípusa- nukleinsavak (RNS, DNS) - fehérjék (proteinek) - lipidek (zsírok, olajok, viaszok, kaucsukok) - poliszacharidok (összetett szénhidrátok, pl.cellulóz) Ezek tovább szerveződve szöveteket, szerveket, szervrendszert alkotnak, amelyek az ipar számára közvetve vagy közvetlenül felhasználható 2.

Milyen szempontok szerint csoportosítjuk a bioanyagokat?

Eredetük

3.

alapján

állati

és

növényi

származékok

Állati származékok

Mirigy váladék kültakaró váz

Növényi származékok

Mag-szál Háncs-rost faanyag

csoportjába

soroljuk

őket.

Hogyan épülnek fel az állati származékok fő alkotói, a fehérjék?

A fehérjék egymáshoz kapcsolódó aminosavakból felépülő makromolekulák. Az aminosavak egymáshoz peptidkötéssel kapcsolódnak. A sorozatos kötések következtében peptidlánc jön létre. Az egymással párhuzamosan futó peptidláncok szakaszai között is kémiai kötések jönnek létre. Ezek nem esetiek, szabályosság figyelhető meg bennük, ami a lánc kérdéses szakaszaira jellemző. 4.

Ismertessük az állati származékú bioanyagok fontosabb változatait!

Mirigyváladék: leginkább elterjedt a tenyésztett selyemhernyó gubójáról lefejtett selyemszál. Egyéb előfordulás: pókselyem és kagylóselyem Kültakaró: emlősállatok szőréből készülő gyapjú. A keratin nevű fehérjéből épül fel. Rossz hővezető, kiváló nedvszívó, jól alakítható. Bőr: a bőrfeldolgozás szempontjából vastagságának 85-88% -a használható. Felsőrétege hálószerűen többszörösen összenő. Az így kialakuló rajzolat (barka) az adott állatra jellemző. Egy állat testtájain a bőr minősége változó. A legértékesebb a hátrészen található (krupon). 52

Váz: Lehet külső v. belső. (kagyló-külső, csontváz-belső) Szervetlen - szerves összetett anyag. Szilárdságát a szervetlen, rugalmasságát a szerves összetevő adja. 5.

Melyek a készbőrök minősítő jellemzői és fő alkalmazásai?

Szilárdság, kopásállóság, öregedési hajlam, pára- és légáteresztő képesség, nedvesség tartalom és rugalmas alakváltozó-képesség. Alkalmazás: Az iparban leginkább szarvasmarhabőrt használnak. Készítenek belőle gépszíjat, védőruházatot, tömítést, membránokat, jármű üléshuzatot 6.

Miből épülnek fel a növényi rostok?

Cellulózbázisú szerves természeti anyagokból 7.

Mi jellemzi a textilipari nyersanyagokat?

A természetes anyagokat tekintve a rostnövényekből nyerhető hosszirányban elnyújtott növényi szálakból készülnek. Textilipari nyersanyagnak azok a rostok, növényi szálak tekinthetők, amelynek nagy a hossz/vastagság aránya, ezért fonhatók, majd a fonatokból lapszerű textíliákká dolgozhatók fel. 8.

Foglaljuk össze a növényi származékok alapvető fajtáit!

Magszál: A legfontosabb ipari növény a gyapotcserje. Termésének szálai használhatók fel. 10-50mm hosszú elemi szálait, fonják, majd szövik. Ezt a feldolgozott gyapotot nevezik pamutnak. Rostok: Háncsrostot (levélrostot) nyerhetünk a len, kender, juta, rami, ananász növényekből. Gyümölcsrostot a kókusz dióterméséből nyerhetünk. Kéreg: Pl. Parafa. Paratölgy törzsén képződő levegővel töltött vékony, parasejtekből álló képződmény. Lehántolása a növényt nem károsítja, újraképződik. Faanyag: Haszonfák neveléséből nyerjük. Megkülönböztetünk keményfát és puhafát. Fontos szerkezeti nyersanyagok. 9. Mi okozza a fa jelentős anizotrópiáját? Anyagának erős inhomogenitása okozza. Az anyagban teljesen szabálytalanul fordulnak elő különböző helyeken és méretben sejtüregek és csomók. Ettől az anyag jelentősen inhomogen lesz. Ez azt okozza, hogy általában véve szálirányra merőlegesen sokkal kisebb mértékben terhelhető mint szálirányban. 10. Mivel foglalkozik a biomimetika? Megkísérli a természetes (biológiai) rendszereket a műszaki felhasználhatóság szemszögéből vizsgálni.

53

Műanyagok, szintetikus polimerek 1. Mit nevezünk műanyagnak? Makromolekuláris szerkezetű, túlnyomórészt szerves vegyületekből álló, szintetikus úton előállított megmunkálható szerkezeti anyagokat 2. Hogyan viselkednek a hőre lágyuló műanyagok? (plasztomerek) Tü üvegesedési hőmérséklet alatt üvegszerűen viselkednek. Az amorf anyagok Tü felett rugalmasan, további melegítés esetén plasztikusan alakítható módon viselkednek. A részben kristályos anyagok Tkr kristálybomlási hőmérséklet alatt szívós-rugalmas módon, felette pedig plasztikusan alakítható módon viselkedik. Mindkét anyagtípus a Tolv olvadási hőmérséklet felett viszkózus olvadékállapotba kerül. Majd a Td bomlási hőmérsékletet meghaladva a molekulaláncok felbomlanak. 3. Melyek a gumirugalmas műanyagok sajátosságai? (elasztomerek) Tü üvegesedési hőmérsékletük olyan kicsi, hogy csak jóval a felhasználási hőmérséklet alatt történik meg a ridegedés. Melegítéskor jellemzően nem lágyulnak, gumiszerű állapotukat egészen Td degradálódási hőmérsékletig megtartják. 4. Miben különböznek a hőre keményedő műanyagok a többitől? (duromerek) Molekuláik sűrű, erős térhálós szerkezetet alkotnak. Ezért kemény, merev anyagok. Melegítéskor nem lágyulnak, nem olvadnak. Keménységüket (és alakjukat) egészen a Td degradálódási hőmérsékletig megtartják. 5. Milyen szempontok alapján csoportosíthatjuk a műanyagokat? Eredet: természetes alapú mesterséges alapú Szerkezet: Termikus viselkedés: hőre lágyuló gumirugalmas hőre keményedő Feldolgozási mód: extruderanyagok fröccs(öntő)anyagok sajtolóanyagok fröccssajtolóanyagok öntőgyanták 6. Melyek a természetes alapú műanyagok fontosabb változatai Bázisuk alapján osztályozzuk: cellulóz kaucsuk fehérjebázisú Csak részben tartozik még ide: papír

54

6. Ismertessük a műanyagok előállításának kémiai alapfolyamatait! Polimerizáció: szerves vegyületmolekulák szabad vegyértékeinek reakciótermék nélküli összekötése. Ha a polimer felépítésében csak egy monomerfajta vesz részt akkor homopolimerizációról beszélünk. Ha a polimer felépítésében két vagy több fajta monomer vesz részt, akkor kopolimerizációról beszélünk Polikondenzáció: bi- tri- és polifunkciós monomerek összekapcsolódása, kismolekulás reakciótermék (H2O, HCl, NH3, NaCl) keletkezése mellett. A folyamatban energia szabadul fel. Poliaddíció: reakcióképes funkciós csoportok egyik monomerfajtától egy másikhoz rendeződnek át. Az így szabaddá váló vegyértékek melléktermék keletkezése nélkül összekapcsolják a monomereket. Az így keletkező polimereknek nincs C-C főláncuk, hanem különböző atomok láncolatából állnak. 7. Kategorizáljuk és jellemezzük a szintetikus plasztomereket!(hőre lágyuló műanyagok) Általános rendeltetésű plasztomerek: Polietilén (PE): fajtái LDPE, HDPE vagy más nevén KPE Műa. között a legalacsonyabb üvegesedési hőmérséklet, 60C fok alatt oldószer nem oldja, kiváló elektromos szigetelő, forgácsolható, hegeszthető Polipropilén (PP): hidegszívóssága rosszab a PE -nél, viszont szilárdságát magasabb (110C fok) hőmérsékletig megőrzi. Megmunkálhatóság, vegyszerállóság, hegeszthetőség 0100C fok között PE -hez hasonló Poli(vinil-klorid) (PVC) Kemény PVC: PE -nél, PP -nél keményebb ridegebb anyag. 0-60C fok között vegyszerállósága kiváló, jól hegeszthető. Megmunkálásánál ridegségét figyelembe kell venni Lágy PVC: lágyságát lágyító folyadék forgácsolható, hegeszthető, ragasztható.

hozzáadásával

érik

el.

Gumirugalmas,

Polisztirol (PS): nagy üvegesedési hőmérséklet (80C fok), elektromosan szigetel, optikailag átlátszó, jól színezhető. Nagyobb terhelhetőségű plasztomerek: siklócsapágyak, csúszó és vezetőfelületek, biztonsági sisakok fogaskerekek Poliamidok (PA) kis hőmérsékleten szívósak, zajcsökkentők, kis mértékben sav és oldószer álló.

jó

kopásállóságúak,

rezgés

és

Poli(oxi-metilén) (POM) nagyfokú méretstabilitás, jó vegyszerállóság, kis súrlódási együttható, vegyszerállóság kiváló, dinamikus terhelést jól viseli. Poli(etilén-tereftalát)(PET) különösen karc és kopásálló, jó vegyszerállóság, jó elektromos szigetelő képesség PE-UHMW különösen jó dörzsállóság, jól csúszik, közel tapadásmentes, kiváló vegyszerállóság, nedvességre érzéketlen, élmiszer-semlegesség, jó megmunkálhatóság. 55

Különleges tulajdonságú plasztomerek: felhasználási tulajdonságaik miatt fontosak Poli(tetraflour-etilén)(PTFE) ismertebb nevén Teflon. Majdnem mindennel szemben ellenálló. Nem ég, nem oxidál. Egyedülállóan antiadhéziós (ragaszthatatlan) Poli(metil-metakrilát)(PMMA) ismertebb nevén Plexi. Üvegszerűen átlátszó, csillogó felület, biológiailag szövetbarát. Kemény, viszonylag nagy szilárdságú, színezhető. Feszültség korrózióra hajlamos, oldószerekre karcolásra érzékeny. Polikarbonát (PC) különlegességét tulajdonságainak együttese adja, miszerint szilárd, ugyanakkor rugalmas kiváló ütésáló. Szívós (-40-+120C fokig érzéketlen) alak-, mérettartó, kiváló optikai tulajdonságok. 8. Foglaljuk össze a szintetikus elasztomereket! (gumirugalmas anyagok) Tömítő, rezgéscsillapító, rugalmasan deformálható műanyagok. A termoplasztikus elasztomerek (TPE) átmenetet képeznek a plasztomerek és az elasztomerek között. Pl. Etilén-propilén termopolimerek (EPDM) Poliuretán (PUR)

kis nedvszívó képesség, olajállóság, nehezen gyullad

Szilikonok (SIL) poli(dimetil-sziloxánok) szervetlen műanyagnak is nevezik. Víztaszítók, vegyszerállók. Si-O csoportok kapcsolódásával jön létre ezért hőállósága magasabb a C láncú polimerekhez képest. Öregedéssel, időjárással szemben ellenállóak. 9. Melyek a fontosabb szintetikus duromerek és hol alkalmazhatók? Fenol-formaldehid-gyantákat (PF) vagy fenoplasztokat gyártják a legnagyobb mennyiségben. Ismertebb nevük a bakelit. Kemény, rideg, kiváló elektromos szigetelők, nem színezhető Alkalmazás: pl. texltiszövet-erősítéssel elektronikában szigetelő alkatrészekhez, kisebb terhelésű fogaskerékhez, fékbetétekhez. Amin-formaldehid-gyanták vagy aminoplasztok közül a melaminok és karbamidok jól színezhetők, nem égnek, kiváló elektromos szigetelők. Alkalmazás: elektromos szigetelő alkatrészek, kompozitok kötőanyagaként. Poliésztergyanták (UP) közül az epoxigyanták (EP) ismertek. Részben kikeményedett mézszerű állapotban reagens hozzáadásával használják fel. A térhálósodás a reagens hozzáadásával kezdődik és valósul meg. Alkalmazás: áramköri alaplemezek valamint elektronikus készülékek szigetelő „kiöntéséhez”

56

Kerámiák 1. Mit értünk kerámiák alatt? Nemfémes szervetlen anyagok. 2. Hogyan csoportosíthatók a kerámiák? Oxidkerámiák> Kristályos oxidkerámiák> Természetes kerámiák Égetett agyagkerámiák Szinterezett műszaki kerámiák Kristályos hidrátok Amorf oxidkerámiák, üvegek Nemoxidos kerámiák> Egyatomos kerámiák Vegyületkerámiák 3. Mik tartoznak a természetes kerámiák közé? Gránit, márvány 4. Mi jellemzi a szilikátok (szilikátkerámiák) szerkezetét? A Si atom mindig 4db O atomot köt meg egy vegyértékes kötéssel. Szerkezetük jellemzően réteges, a rétegek csak lazán kapcsolódnak egymáshoz. A rétegek közé könnyen behatol a víz, akár nagyobb mennyiségű víz felvételére is képes. Ennél fogva jól alakíthatóak. A kialakított formát kemencében kiégetik, ekkor szemcsés, pórusos szerkezet alakul ki. A folyamat közben méret vesztés figyelhető meg, amit az égetés során eltávozó víz okoz. 5. Melyek az égetett agyagkerámiák és hol alkalmazhatók? Szerkezeti tégla, tűzálló tégla. Felhasználás: építészet Porcelánok. Felhasználás: építészet, elektromos berendezésekben szigetelőként 6. Soroljuk fel a fő műszaki oxidkerámiákat! Aluminium-oxid (műkorund) Cirkónium-oxid (cirkónia) Magnézium-oxid Fém-oxid (lágy- és keménymágneses ferritek) 7. Melyek a kristályos hidrátok és alkotóik? Portlandcement: mészkő és agyag összekeveréséből majd hevítéséből kapjuk Gipsz: kalcium-szulfát 8. Foglaljuk össze az üvegek (amorf oxidkerámiák) jellemzőit! Fő alkotójuk a szilícium-dioxid (SiO2). Olvasztással gyártják. Jó fényáteresztők, rossz hővezetők, nagy elektromos átütési szilárdságúak, kémiailag ellenállók (kivétel: hidrogénfluorid >fluorsav). Lágyulási hőmérséklet felett jól alakíthatóak.

57

9. Jellemezzük az egyatomos kerámiákat! Félvezető kerámiák: tiszta szilícium gyémántrácsban kristályosodnak. Az elektronikai ipar fontos félvezető alapanyaga. Gyakorlati felhasználásban kétféle szennyezőanyaggal állítanak elő az elektronikában szükséges „p” illetve „n” típusú félvezetőt Karbonkerámiák: Gyémánt:

Rendkívül kemény, elektromosan szigetelő anyag. Erősen anizotróp

Ipari gyémánt: magas hőmérsékleten, magas nyomáson előállított műgyémánt. A természetben előforduló gyémántnál lényegesen olcsóbb. Tulajdonságai majdnem teljes egészében megegyezik a természetben előfordulóéval. Az kiemelkedő keménysége, elfogadhatóbb ára miatt az iparban vágótárcsák, csiszolóanyagok alapját szolgáltatja Grafit: puha, elektromosan vezető anyag. Hatszögletes alapsíkjai között fémes kötés található, ezért az alapsíkok irányában sokkal jobb elektromos vezetőképességgel rendelkezik, mint azokra merőlegesen. Elektromos vezetőképességét még nagy hőmérsékleten is megőrzi.

10. Melyek és hol alkalmazhatók a nemoxidos vegyületkerámiák? Szilicium-nitrid (Si3N4) tűs szerkezetű, ami jó szilárdságot és törési szívósságot eredményez. Jó kopásállóság, hőtűrés Alkalmazás: járműtechnika (belsőégésű motorok), energetika (turbinák), golyóscsapágyak, forgácsolószerszámok. SIALON (Si3Al3O3N5) szilicium-nitrid Al2O3 -mal adalékolt változata Alkalmazás: szerszámgyártás, szálhúzó sorok Szilicium-karbid (SiC) különlegesen kemény, elektromosan korlátozottan vezető oxidációval szemben ellenálló. Alkalmazás: csiszolóanyag, elektromos kemencék fűtőellenállása, szinterezett állapotban fontos csapágyanyag. Bór-karbid (B4C) nagyon Alkalmazás: szerszámélező eszközök

nagy

keménység

Kompozitok 1. Értelmezzük a kompozitok fogalomkörét! Olyan összetett szerkezeti anyagok, amelyek két vagy több különböző önmagában monolitnak (egyneműnek) tekinthető anyag társításából, előnyös tulajdonságaik kombinálása céljából hoznak létre. 2. Mi tekinthető a kompozitok mátrix- és adalékanyagának? A mátrixanyag a kompozit alkotóiból azaz anyag, amelynek nagyobb a részaránya, vagy kisebb a szilárdsága Az adalékanyag a kompozit alkotóiból azaz anyag, amelynek kisebb a részaránya, vagy nagyobb a szilárdsága 58

3. Hogyan csoportosítjuk a kompozitokat? Részecskés (diszperziós szálas (hosszú vagy rövidszálú) réteges (laminált) bevonatos 4. Mi jellemzi általában a részecskés kompozitokat? Mátrixanyag fizikai tulajdonságainak javulása, esetleg csökkenő előállítási költség. Egy részükre jellemző, hogy a fizikai terhelést a mátrixanyag viseli, az adalékanyag a terhelés hatására bekövetkező alakváltozások hatását csökkenti. Az adalékanyag fokozottabb használatával a terhelés egyre inkább megoszlik a mátrix- és adalékanyag között. 5. Mutassuk be a fontosabb részecskés kompozitokat! Fémmátrixú kompozitok erősítendő mátrixanyag általában kis szilárdságú könnyűfém, az adalékanyag nagy részt a kerámiák csoportjából kerül ki. Polimermátrixú kompozitok mátrixanyaguk epoxigyanták, poliésztergyanták, fenoplasztok, aminoplasztok. Adalékanyaga szerves vagy szervetlen részecskés duromerek Faalapú kompozitok fás részecskék és műgyanta kötőanyag keveréke. Megjelenési formája a préselt táblaszerű termékek (farostlemez, pozdorjalap) Kerámiaalapú kompozitok a kerámia kedvező tulajdonságainak megtartása mellet ridegségének csökkentése az egyik cél. Adalékolással a repedések keletkezésének fázisa késleltethető. Másik cél, a forgácsolhatóság növelése. 6. Milyen célból készítenek szálas kompozitokat? Kis szilárdságú, képlékeny mátrixanyag mechanikai tulajdonságainak javítására Rideg mátrixanyagban repedések terjedésének megakadályozására, ridegség csökkentésére, hajlítószilárdság javítására 7. Jellemezzük a kompozitok fő erősítőszálait! Az erősítő szálak többségében szervetlen keramikus anyagok (üveg, karbon, SIALON, bór, zafír), de előfordulnak még szerves anyagú szálak (kevlár- és aramidszálak) is. Fémszálak közül az acél, molibdén, volfram, és rézszálak járatosak. Költséghatékonyság szempontjából az üvegszál optimális választás. Szálas kompozitokban az adalékszálak az elsődleges teherviselők. Rendezetlen rövid szálak esetén a mechanikai tulajdonságok kisebb mértékben függnek az iránytól. Hosszú szálak esetén a szálak rendezettsége előre eltervezett, a szükséges terhelési iránynak megfelelően választott.

59

8. Ismertessük az alapvető szálas kompozitokat! Fémmátrixú kompozitok kis önsúlyú könnyűfémek szálerősítése nagyobb fajlagos szilárdság elérése érdekében. Fő felhasználója az autóipar (karosszériaelemek, motor alkatrészek) Polimermátrixú kompozitok mátrixanyaga lehet hőre lágyuló vagy keményedő. Adalékanyag legtöbbször üvegszál, ami már a granulátum szemcsékben megtalálható. Adalékanyag hatására a kompozit jobban hőterhelhető, zsugorodása csökken. Nagyobb jelentőségűek a hőre keményedő mátrixú anyagok. Bázisanyagai műgyanták, fenolgyanták, poliészter gyanták, epoxigyanták. Nagy hőmérsékleten nagy súrlódás, kis kopás, mellett jó hővezetést biztosítanak. Két alcsoportjuk a rövidszálas (irányítatlan) kváziizotrop és a hosszúszálas (irányított) anizotrop kompozitok Hőre keményedő hosszúszálas kompozitok jellemző adalékanyaga a kevlár- és karbonszál. Az így keletkező kompozitok egyedülálló súly/merevség aránya miatt kiválóan alkalmazhatók a légi- és vízijármű gyártásban. Kerámiamátrixú kompozitok elsősorban üvegmátrixú anyagok karbon vagy acélszálas kompozitjai. Felhasználási terület pl. rakétaorrok, rakétafúvókák fékpofák (karbonüveg) Másik megjelenési formája a vályogtégla, ami agyag (szilikátkerámia) és szalma vagy törek kompozitja. Meghatározó építészeti anyag a vasbeton vagy előfeszített betongerenda. Ami tulajdonképpen acél-szálanyaggal erősített hidrátkerámia

9. Melyek a réteges kompozitok (szendvicsszerkezetek) sajátosságai, jellemző példái? Általános felépítésük alapján minimum két külső viszonylag nagy szilárdságú és vékony határoló anyag közé rögzített vastagabb gyakran kis sűrűségű anyagból állnak. Fémmátrixú kompozitok külső fedőlapjai különböző fémek lehetnek, belső kitöltő anyaguk fémhab, vagy polimer. A belső hab pórusos szerkezete miatt jó ütközésienergia elnyelő. Ezért az autóiparban térelválasztó, hangszigetelő és biztonsági elemként használják. Polimermátrixú kompozitok rétegelt lemez: páratlan számú furnérlapokat ragasztanak össze. Az egyes rétegek szálirána az alattuk és fölöttük lévő réteg szálirányára merőleges. OSB lap szerkezete hasonlatos a rétegelt lemezéhez, csak a különböző lapokat alkotó rostszálak mérete jóval nagyobb Korommal, fémhálóval, fémlemezzel, textilszövettel töltött gumialapú termékek. Jellemző példái az ipari rezgéscsillapító gumirugó, gépjármű abroncsok, szállítóhevederek, hajtószíjak, textilbetétes folyadéktömlők. Kerámiamátrixú kompozitok ragasztott műanyag fólia)

gipszkartonlapok, gépjárművek szélvédője (két üveglap közé

60

10. Mi a bevonatos kompozitok létrehozásának célja, melyek az alkalmazás lehetőségei? A bevonó réteg szerint lehetnek hő-, kopás-, oxidáció-, korrózióálló, elektromos-, hőszigetelő, vagy dekoratív kompozitok. Fő céljuk a teherhordó alapanyag megvédése, az előbb említett feladatnak megfelelő tulajdonsággal való felruházása. Fémmátrixú kompozitok: Jobb hőterhelés elviselése - gázturbina lapát bevonat Letapadás gátlás - konyhai edények teflonozása Oxidáció késleltetése - PVC bevonatú kerítésfonat, Cink (horgany) bevonatú fémalakatrészek, krómozott fém alkatrészek, zománcozás Vágószerszámok él élettartamának növelése - titán-nitrid réteggel Polimermátrixú kompozitok: Környezeti hatásokkal szembeni nagyobb ellenállóság, dekoratív hatás növelése. Pl.: bútorlapok műanyag fóliás bevonata Kerámiamátrixú Kerámiabázisú mázzal ellátott kerámiacsempe, padlólap vagy kerámia bevonatú konyhai eszközök (felületi simaság, esztétikum)

61

kompozitok: