Anyagismeret 13. E osztály részére
1
Az anyagok csoportosítása Fémek Vezetők - Vas (Fe) - Réz (Cu) - Alumínium (Al) - Arany (Au) - Ezüst (Ag)
Nem fémek Félvezetők - Szilícium (Si) - Germánium (Ge) - Szelén (Se) - Mesterséges úton előállított félvezetők
Szigetelők - Fa - Műanyag - Gumi - Üveg - Nemesgázok (Ne, Kr, Xe) 2
A fémek általános tulajdonságai • • • • •
Kristályos szerkezet Jó elektromos vezetőképesség (kicsi ellenállás) Jó hővezető képesség Jó ötvözhetőség Segédeszközökkel történő megmunkálhatóság
3
Fémek olvadása és dermedése • OLVADÁS => energia közlés hő formájában => egyre intenzívebb atom mozgás => kristályrács összeomlás => olvadt fém kialakulás => további hő közlés => anyag elpárolgás • DERMEDÉS => hő leadás => atommozgás lassul => kristályosodás => dermedés => szilárd kristályos halmazállapot 4
A dermedés grafikusan Kristálycsírák + olvadék
Folyékony fém
Kristályok + olvadék
T, Co
Szilárd krisztalit
Td
∆t
t, s
5
Az anyagok ötvözése • Az ötvözés célja: az anyagok (fémek) tulajdonságainak javítása. • Mechanikai tulajdonságok: szilárdság, szívósság,keménység • Technológiai tulajdonságok: alakíthatóság, korrózióállóság • Elektromos tulajdonságok: villamos ellenállás => vezetőképesség • Ötvözetet két vagy több fém összeolvasztásával, vagy egymásban való oldásával kapunk. • Fő ötvöző fémek: Cu, Ni, W, V, Mg, Zn, Fe, Cr • Fő ötvöző, fémekhez közelálló elemek (metalloidok): C, Si • Fő ötvöző nem fémes elemek: S, P
6
Az ötvözetek fajtái • Három alapvető fajtája van. • Szilárd oldat: amikor az anyagok szilárd állapotban oldják egymást és atomjaik közös kristályrácsot hoznak létre. • Szubsztitúciós kristályrács: az ötvöző atomok mérete közel azonos az ötvözendő atom méretével • Intersztíciós kristályrács: az ötvöző atom mérete sokkal kisebb mint az ötvözendő atom mérete • Fémes vegyület: a vegyületek molekulái között ionos vagy kovalens kötés => szerkezetük eltér az alapfém szerkezetétől, ezért új tulajdonságokkal rendelkeznek • Eutektikum: megszilárdult krisztalitok => nem képeznek oldatot és kémiai kötést => alacsony az olvadáspontjuk és jól önthetők 7
Nyersvasgyártás Vasércek és jellemzőik: – Magnetit: kemény, tömör, nehezen kohósítható, vastartalma: 70% – Vörösvasérc: vörös színű, vastartalma: 20-60% – Barnavasérc: rozsda szín, vastartalma: 25-50% – Vaspát: vastartalma: 30-40%
8
salakképző anyag
A nagyolvasztó vázlatos felépítése
koksz
vasérc torok
torokgáz elvezetés hűtővíz bevezetés
torokzár
tűzálló bélés Akna 40m gőz elvezetés levegő befúvás az égéshez
levegő befúvás az égéshez
Φ12m nyugvó medence
salak nyersvas
9
Nyersvasgyártás • A bányászott vasérc => aprítása => dúsítása => pörkölése (S és H2O csökkentés) => kötőanyaggal való keverése => zsugorítása => adagolása a nagyolvasztóba. • A nagyolvasztóban a dúsított vasérc, a koksz és a salakképző anyag lefelé mozog. • A befúvott levegő az izzó kokszrétegen és „tölteten” keresztül a torok felé mozog és a torokgáz már elégethető, a földgázhoz hasonló energiatartalommal. • A lefelé mozgó vas a fűtőanyagból és a salakanyagból szenet, szilíciumot, mangánt, ként, foszfort vesz fel. • A nyugvóban megkezdődik a salakképződés, a vas megolvad és a salakkal együtt a medencébe csöpög. • A salak kisebb fajsúlyú, és az olvadék tetején marad, ezt folyamatosan távolítják el. • A nyersvasat a medence aljáról kb. 4 óránként csapolják le. 10
Az acélgyártás • Az acélgyártás lényege, hogy csökkentsék a nyersvas széntartalmát és a szennyező elemek mennyiségét, valamint az ötvöző elemek bevitelével javítsák a tulajdonságait. Max. széntartalom 2,6%. • A gyors acélgyártást un. konverterben végzik, amelynek lényege, hogy a folyékony nyersvasba oxigént vezetnek (ez az oxigén befúvás) ami a felesleges szenet elégeti, valamint a szennyező anyagokat (S, P, Mn, stb.) oxidálja. Egy adag elkészítési ideje 20-25 perc. • Bessemer-konverter => savas bélés => nagy Ni és P tartalom • Thomas-konverter => lúgos bélés => CaO adagolás • LD-konverter => hulladékvas beadagolási lehetőség, nagy tisztaság, kiváló mechanikai tulajdonságok
11
A Bessemer konverter vázlatos felépítése
csapágy
nyersvas töltet csapágy
oxigén ürítő kerék tengely tengely
Oxigén befúvás
szélkas
fenékfúvókák 12
Az öntöttvasak • Öntészeti szürkevas: kis szakító szilárdságú, rideg, törékeny anyagok. Jó korrózióállók, jól forgácsolhatók. Gépállványok, hajtóműházak, motorblokkok, tűzhely alkatrészek készítésére használják. Magnézium hozzáadásával nő a szilárdsága és kopásállósága. • Öntészeti fehérvas: (másnéven temperöntvény), két fajtája van: – Fehér temperöntvény: kis mértékben alakítható és forgácsolható. Vízvezeték szerelvények, kulcsok, mechanikai kapcsolóelemek készülnek belőlük. – Fekete temperöntvény: szívós, kemény, nehezen megmunkálható anyagok. Fékdobok, hajtóműházak, kapcsolóvillák (sebességváltókhoz) készítésére alkalmasak.
13
Ferromágneses anyagok • Két fajtájuk van: a lágy és a kemény mágnesek. • Lágymágnes anyagok: amelyek alkalmasak gyors és sokszori átmágnesezésre, de alaphelyzetben maguk nem mágnesesek, illetve tartósan nem mágnesezhetőek. – Típusai: tisztavas, szilíciumvas (Hipersil, Permalloy), vas-kobalt ötvözetek, porvasmagok (préselt-ferritek) • Keménymágnes anyagok: ezek az állandó mágnesek, amelyek átmágnesezése körülményes, alaphelyzetben mágneses tulajdonságot mutatnak és ezt a tulajdonságukat évtizedeken keresztül megőrzik. – Típusai: fémötvözetek, porkohászati úton előállítottak, mágnesporok, ferritek.
14
Az alumínium • • •
Előállítása: bauxitból=>timföld=>elektrolízis=>fémalumínium, tisztasága: 99%, szennyező elemei: Zn, Fe, Mn, Si. További elektrolízissel 99.99% tisztaság (négy-kilences tisztaság) érhető el ipari felhasználás céljára. Jellemzői: – Sűrűsége: 2700 kg/m3, olvadáspontja: 660Co, ρ=0.028 Ω*mm2/m, fehér színű, lágy, jól megmunkálható anyag. Levegőn oxidálódik, a felületén kialakult egybefüggő oxidréteg megóvja a további oxidációtól. Ellenáll a víz, szénsav, salétromsav és az élelmiszerek korrodáló hatásának (alumínium edények). Speciális eljárással hegeszthető. Forgácsolása az anyag puhasága miatt nem egyszerű művelet.
•
Felhasználása: – Az ipar minden területén villamos vezetőanyagként, élelmiszeriparban tárolóedények, fóliák, tubusok, csomagoló anyagok készítésére.
15
Az alumínium előállítása Egyenirányító
Transzformátor
Erőmű Energia szállítás
Folyékony alumínium Elektrolit Tisztítandó alumínium
Elektródák
16
Alumínium ötvözetek • •
• •
Fő ötvöző anyagai: Cu, Mg, Si, járulékos ötvözői: Ni, Mn. Al-Cu => dúralumínium, max. 5,6% Cu tartalommal => képlékenyen alakíthatók, rosszul önthetőek, nemesíthetők, nem korrózióállóak. Al-Cu-Mg => nagy szilárdság => repülőgép ipar, építészet, gépalkatrészek (BMW, Alfa Romeó futóművek). Al-Cu-Ni => jól önthetők, képlékenyen alakíthatók, nem korrózióállóak => belsőégésű motorok hengerfeje és dugattyúi. Al-Mg => hidronálium ötvözetek, max. 1-9% Mg => jó kémiai ellenálló képesség, polírozhatóság, nagy szilárdság => hajóépítés, járműipar. Al-Si => szilumin ötvözetek, max. 11,7% Si => hőkezelhető, hegeszthető, jól forgácsolható, jól önthető =>bonyolult alakzatú vékonyfalú öntvények készítéséhez használják.
17
Egyéb könnyűfémek •
Magnézium (Mg): γ=1730 kg/m3, op. 650oC a legkönnyebb anyag, érceiből, valamint tengervízből, sólerakódásokból állítják elő. Szakítószilárdsága kicsi, nem korrózióálló, nehezen önthető. Könnyen gyullad, vakító lánggal ég. Jól alakítható, önthető és forgácsolható. A tiszta Mg-ot a pirotechnikában alkalmazzák. Mg-Al-Zn: => nagy szilárdság, tartós ütő és nagy rezgési igénybevételnek kitett helyekre => lemezek, csövek, rudak készítésére.
•
Titán (Ti): acélszürke kemény fém, vörösizzáson kovácsolható, a szennyezések rideggé teszik. γ=4430 kg/m3, op. 1800oC, savakban nehezen oldódik, jól hegeszthető és alakítható. Szerszámacélok ötvözőeleme, sugárhajtóművek és rakéta alkatrészek nélkülözhetetlen anyaga.
18
A réz 1 •
•
A természetben érceiben fordul elő. Az ércet feldolgozás előtt pörköléssel oxidossá teszik (kén eltávolítás). A keletkező réz-oxid már kohósítható, így 98,5-99,5% tisztaságú réz állítható elő. A további finomítás elektrolízissel történik, így 99,99% tisztaság érhető el. A kohóréz az elektrolitban oldódik és a katódokon válik ki. Anódcsere 20-30 naponként, tehát a réz tisztítása lassú folyamat!
-
Tiszta réz a katód
+ DC energiaforrás
Elektrolit: CuSO4
Elektrolizáló kád Kohóréz lap az anód 19
A réz 2 •
• •
Vöröses színű, fényesen csillogó, lapközepes, köbös kristályszerkezetű, a legrégebben ismert fém. γ=8900 kg/m3, op. 1083Co, szakítószilárdsága: (22,6)*108 N/m2, ρ=0,0175 Ω*mm2/m. Felületén oxidréteg, patina (nemes rozsda) alakul ki, ami megvédi a további korróziótól. Az oxidáló savak oldják. Mechanikai tulajdonságai a vasnál kedvezőtlenebbek. Hidegen alakítható, rosszul önthető anyag, öntéskor porózussá válik. Képlékenyen jól alakítható, húzható, hengerelhető. Kemény és lágyforrasztással jól egyesíthető. Tiszta állapotában a villamos és az elektronikai ipar használja fel. Egyéb felhasználása, tároló edények, burkolatok, építészeti szerkezetek, alkatrészek gyártása. Tulajdonságait ötvözéssel javítják. Fő ötvöző elemei: Zn, Sn, Al. Járulékos ötvöző elemei: Ni, P, Pb, Mn, Cd, Be.
20
A rézötvözetek • •
• • • • • • •
A rézötvözetek villamos vezetőképessége rosszabb, mint a tiszta rézé. Cu-Zn sárgaréz: a jó villamos tulajdonságon túl jó mechanikai szilárdságú. Felhasználása: műszertengelyek csapágyazása, csőszegecsek, csatlakozó dugók és hüvelyek, kapcsolók érintkezői. Cu-Zn-Si sárgaréz keményforraszok: kis falvastagságú, vékony anyagok forrasztásához. Cu-Zn-Ni alpakka: ipari kapcsoló rúgók, lemez fogaskerekek, evőeszközök. Cu-Ni konstantán: ellenállásanyagként használják. Cu-Sn ónbronz: csavarok, perselyek, áramvezető alkatrészek, vezetékek. Cu-Al alumíniumbronz: rúgólemezek, csövek, szalagok alapanyaga. Cu-Ag ezüstbronz: jó villamos tulajdonságokkal rendelkezik, nagy villamos gépek tekercseléseihez, kommutátorokhoz alkalmazzák. Egyebek: foszforbronz, krómbronz, kadmium-bronz, berillium-bronz.
21
Egyéb színesfémek • • • • • • • • • • • •
Cink, Zn: galvánelemek, műszeralkatrészek készülnek belőle, továbbá a réz ötvözéséhez is használják. Ón, Sn: ónforraszokhoz, amelyek Sn-Pb összetétellel réz, sárgaréz, acél vagy ónozott tárgyak forrasztására alkalmas. Ólom, Pb: lágyforraszokhoz, olvadóbiztosítókhoz, régen kábelköpenyekhez. Molibdén, Mo: jó villamos vezető, izzólámpák és elektroncsövek izzószálának tartószerkezetéhez. Volfrám, W: op. 3410Co, ezért izzólámpák izzószálának anyaga. Kobalt, Co: ferromágneses anyag, aranyhoz ötvözve érintkezők anyaga. Nikkel, Ni: jó villamos vezető, katalizátorként és galván bevonatként , mérőellenállások készítésére használják. Kadmium, Cd: Az olvadóbiztosítók egyik ötvöző anyaga. Higany, Hg: diamágneses, korrózió álló folyékony fém, elektródaként használják. Platina, Pt: érintkezők, ellenállások, ellenállás-hőmérők elektródák alapanyaga. Ezüst, Ag: a legjobb villamos és hővezető anyag, rézzel ötvözve ipari ezüstöt kapunk. Arany, Au: jó villamos vezető, villamos érintkezők bevonatához alkalmazzák, nem oxidálódik, ritka fém, nem csak érceiben, hanem tiszta állapotában is előfordul. 22
Nemfémes anyagok • Csoportosításuk: – – – – – – – – –
Fa Papír Bőr Gumi Üveg Tűzálló anyagok Hő és hangszigetelő anyagok Villamos szigetelőanyagok Műanyagok 23
A fa • Elsődleges feldolgozása a fa kitermelése. • Másodlagos feldolgozása az igények szerinti darabolás (fűrészárú, deszka formájában). • Felhasználása a minőségétől függ. • A puha, könnyű fákat - a fenyő különböző fajtái - villamos vezeték oszlopok, bánya támok, állványok, épületszerkezetek, tetőszerkezetek, vasúti talpfák, stb. • A keményfákat - tölgy, bükk, kőris, akác – teherhordó szerkezeti elemként alkalmazzák, továbbá a bútoripar, épületasztalos ipar dolgozza fel. • A fa fajsúlya kicsi 500-750 kg/m3, rossz hővezető. Szálirányban jó a szakító és nyomószilárdsága. • A fa feldolgozásánál gyakorlatilag hulladék nem keletkezik, hiszen valamilyen formában feldolgozásra, hasznosításra kerül. 24
A papír • Nyersanyaga a tiszta cellulóz, amit gyapotból vagy fából nyernek. • Minősége az alapanyagtól és a segédanyagként felhasznált töltő és enyvező anyagoktól, valamint a gyártástechnológiától függ. • Ma már jelentős a hulladékpapír újrahasznosítás is. • Felhasználása: a villamos iparban szigetelőanyagként, kondenzátorok, kábelek, transzformátorlemezek szigetelésére. • Fontos, hogy jó szívóképességű legyen, egynemű legyen, és ne tartalmazzon öregedést okozó anyagot. • A papír telítésére olajat, lakkot, és parafint használnak. • A bakelizált papírt PABITNAK nevezik. Ez tk. többrétegű impregnált és nagy nyomással összesajtolt paír.
25
A bőr • Alapanyag a nyers állati bőr, amelyet sózással, vagy szárítással tartósítanak. • Leggyakoribb bőrfajták: szarvasmarha, bivaly, ló, sertés, kecske, birka bőrök. • A bőr további feldolgozása cserzéssel, kikészítéssel és színezéssel folytatódik. • Alkalmazása: gépszíjak, tömítőanyagok, védőfelszerelések. • Jellemzője: nagy rugalmasság, jó alakíthatóság. • Vízállósága impregnálással növelhető.
26
A gumi • Alapanyaga a kaucsuktej vagy más néven latex. • Ma már nagymértékben mesterséges kaucsukból készül a gumi. • Latex kaucsuk töltőanyagok (kréta, korom, kaolin, festékek) vulkanizáló anyag (kén)150Co-on sajtolás megtörténik a gumivá való átalakulás a kén térhálósító hatása miatt. • A kéntartalom határozza meg a gumi rugalmasságát, általában 23%. A 32,5% kéntartalom ebonitot eredményez, ami kemény és törékeny. • Szilárdsága kicsi, ezt textil, vagy fémhálóval javítják. • Alkalmazása: szigetelő anyagként, tömlőkhöz, ékszíjakhoz, gépjármű kerekekhez, stb. • A gumi idővel öregszik, törékennyé válik.
27
Az üveg • Az üveg szilárd állapotban amorf állapotú, nincs határozott olvadáspontja. • Alapanyaga a SiO2, amelyhez szódát Na2CO3, hamuzsírt K2CO3, glauber sót, krétát és márgát kevernek, és ezt a keveréket megolvasztják. Vegyi ellenállóságát Al és Br adalékolással javítják. • Megmunkálása fúvással (öblös üvegek), öntéssel (táblaüvegek), hengerléssel (üvegrudak), húzással (üvegszálak) történik. • Felhasználási területe: ablakok, lencsék, üvegszálak, orvosi műszerek, laboratóriumi és híradástechnikai eszközök. • Hőtágulása és szilárdsága az acélét megközelíti. • Jó villamos szigetelő, nagyfeszültségű távvezetékek oszlopain un. függőszigetelő láncokként alkalmazzák.
28
Tűzálló anyagok • Alapanyaguk: kerámia, samott, azbeszt, szilikát, dolomit, magnezit. • Követelmény velük szemben, hogy kicsi legyen a hőtágulásuk, ne repedjenek, a magas hőmérsékleteknek tartósan ellenálljanak, az olvadt fémek ne károsítsák a szerkezetüket. • Az iparban felhasznált hőmérsékleteken az olvadáspontjukat nem értelmezzük. • Néhány alkalmazása: – Samottégla nagyolvasztók és öntödei kemencék, valamint üvegolvasztó kádak bélésanyaga. – Magnezittégla villamos kemencék bélésanyaga – Dolomittégla konverterek bélésanyaga
29
Hő és hangszigetelő anyagok • Hőszigetelő anyagot két különböző hőmérsékletű tér elválasztására használunk. Jellemzője, hogy a hővezető képessége kicsi, szerkezete likacsos, üreges. • A szervetlen hőszigetelő anyagokat pl.: azbeszt, üvegszál magas hőmérsékleteken alkalmazzuk, a magas hőmérsékletű tértől való elválasztásra. • A szerves hőszigetelők pl.: fűrészpor, faforgács, polisztirol habok csak alacsony hőmérsékleteken alkalmazhatók, általában a hideg „kizárására”. • A hangszigetelő anyagok általában szerves anyagok, (parafa, gumi, gyapjú, állati szőrök, habosított műanyagok) amelyek a hangot jelentősen elnyelik, vagy felületükről visszaverik. • A lyukacsos szerkezetű anyagok a magas, a rugalmas anyagok a mély hangokat szigetelik. 30
Villamos szigetelőanyagok • Szigetelőanyagoknak nevezzük azokat az anyagokat, amelyek az áram útját elhatárolják. Ezzel együtt tökéletes szigetelőanyag nincs. • A szigetelőanyagok néhány fontos jellemzője: – – – –
• • • •
Vezetőképesség Villamos utóhatás (a dielektromos polarizáció következménye) Dielektromos tulajdonság (az atomok polarizációjának következménye) Villamos átütés
Fajtái: Szilárd: műanyagok, gumi Folyékony: olaj Légnemű: levegő, nemesgázok
31
Szilárd szigetelőanyagok • • • • • • •
Porcelán: kaolin+földpát+kvarc. Jó húzó és szakítószilárdságú, az erősáramú technikában alkalmazzák. Sztearit: villamos jellemzői nem túl jók, de mechanikai tulajdonságai kiválóak. Üveg: jó villamos szigetelők, amellett kiváló mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik. Csillám: jó a nagyfrekvenciás tulajdonsága és a hőállósága. A csillámból készül a mikanit, amely a kommutátor szeletek szigetelőanyaga. Azbeszt: többféle vegyi összetételű szálas anyag, 1500 Co-ig hőálló. Mérgező, ezért más anyagokkal helyettesítik. Természetes gyanták: szerkezetük amorf. Vegyszereknek ellenállnak. Sellak: az indiai fák és cserjék lakkpajzstetűjének a váladéka, általában leveles formában kerül forgalomba. Deneturált szeszben oldható. Villamos gépek tekercselésénél alkalmazzák szigetelő, kitöltő és rögzítő anyagként. 32
Folyékony szigetelőanyagok • Kizárólag ásványolaj alapú nagy tisztaságú olaj alkalmas a célra. • Alkalmazása: Nagyfeszültségű transzformátorok és kapcsolókészülékek belső szigetelőanyaga. • Előnyei: – – – – –
Nagy átütési szilárdság: 125 kV/cm Kicsi a dielektromos állandója Átütés után azonnal regenerálódik Minden résbe behatol Erősáramú kapcsoló érintkezőknél ívoltó hatása van
• Hátrányai: – Érzékeny a szennyeződésekre – Magas hőmérsékleten vegyileg bomlik – Gyúlékony 33
Légnemű szigetelőanyagok • Levegő és a nemesgázok. • A levegő jó szigetelő és jó hűtőközeg is. Átütési szilárdsága 21kV/cm. A por és egyéb szennyeződés csökkenti az átütési szilárdságot. • A hidrogén zárt rendszerű villamos gépek nagyon hatékony hűtőközege. • A hidrogén előnyei: – Kis sűrűsége miatt csökken a szellőztetési teljesítmény veszteség – A jó hővezetés miatt csökkenthetők a gép méretei – Zárlat esetén nem gyullad meg, mert a zárt rendszerben nincs oxigén
• A hidrogén hátrányai: – Levegővel robbanó elegyet alkot – A tömítettséget folyamatosan ellenőrizni kell – 30 MVA-nál nagyobb teljesítményű gépeknél gazdaságos 34
Műanyagok • •
A műanyagok monomerekből vagy polimerekből mesterséges úton előállított óriásmolekulák. Természetes alapú műanyagok: – Szénhidrátalapúak: viszkóz, nitrocellulóz, acetilcellulóz – Fehérje alapúak: a tejből előállított kazein – Kaucsuk alapúak: gumi, guttapercha
•
Mesterséges alapú műanyagok: – Polisztirol: színtelen, átlátszó műgyanta. Lemez, cső rúd formában kerül forgalomba. Sav és lúgálló, 70 Co-on lágyul. Stiroflex néven kondenzátorok alapanyaga. – Akrilgyanta: üvegszerű, átlátszó műgyanta, műszerházak készülnek belőle. – Szilikonok: hőmérsékleti és vegyi hatásoknak ellenáll, jó tömítőanyag. – Bakelit: fenolok és formaldehidek egyesítésével készül. A, B és C típusa van. Kemény, nem olvad, vegyi hatásoknak ellenáll. – Poliamidok: kemény és lágy PVC, teflon, polietilén. 35
Önellenőrző kérdések Hogyan csoportosítjuk az anyagokat? Hogy zajlik a fémek olvadása és dermedése? Milyen ötvözeteket ismersz? Hogyan készül a vas? (Vasgyártás folyamata) Mi az acél? Hol használják a vasat, acélt a villamos iparban? Írd le az alumínium gyártásának menetét! Hol és mire alkalmazzák az alumíniumot a villamos iparban? Írd le a réz előállításának folyamatát! Hol és mire alkalmazzák a rezet a villamos iparban? Milyen jellemzői vannak a felsorolt fémeknek? Acél, réz, alumínium Írd le a következő nemfémes anyagok jellemzőit és felhasználási területeit: fa, bőr, papír, üveg, gumi, műanyag! Mit tudsz a légnemű/szilárd/folyékony szigetelő anyagokról? 36
