Anyagtudomány:
hagyományos szerkezeti anyagok és polimerek A feldolgozás hatása a szerkezetre és a tulajdonságokra Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék BME Műanyag- és Gumiipari Laboratórium H ép. I. emelet
•Vázlat Bevezetés Fémek Fémek feldolgozása
Kerámiák Kerámiák módosítása
Általános megfontolások, feldolgozási eljárások összefoglalása Alakítási keményedés, mechanizmusok, ponthibák hatása Feldolgozási folyamatok, visszanyerés, átkristályosodás, szemcsenövekedés
Általános megfontolások, előállítás, formázás, szinterelés
Különféle módosítás egyes tulajdonságok befolyásolására
2
•Bevezetés
Csoportosítás, technológia Kiindulási anyag
Alaptulajdonságok
Szerkezet
Feldolgozás, Technológia A szerkezet átalakul a technológiától függően Megváltozott tulajdonságok
A feldolgozás hatása a szerkezetre és a tulajdonságokra
Optimális tulajdonságok
Termék Beavatkozási lehetőség
Ellenőrzési lehetőség
Mérhető mennyiség
3
•Általános megfontolások Alakítás módja feldolgozási eljárások
•
A szerkezeti anyagok feldolgozása • •
• •
Hidegen formázás (Fémek, kerámiák) Hideg állapotban mechanikai megmunkálás (faanyagok kerámiák, polimerek és fémek)
•
Meleg formázás (fémek, faanyagok, polimerek)
•
Olvadék vagy ömledék állapotban történő feldolgozás •
Öntés (fémek, polimerek)
•
Fröccsöntés (polimerek, fémek, kerámiák)
•
Extrudálás (polimerek, fémek, kerámiák)
A szerkezetet döntően befolyásolja a feldolgozási technológia Mindig fontos szempont a feldolgozás során befektetett hőmennyiség, és egyéb költségtényezők 4
•Fémek alakítása Hidegalakítás
•
•
Az alakítási eljárások során nagymértékű képlékeny alakváltozást szenved az anyag A diszlokációk mozognak, keletkeznek és kölcsönhatásba lépnek egymással •
•
• •
A kölcsönhatásuk következtében akadályozzák egymás mozgását Diszlokációk sűrűsége •
Jól hőkezelt anyag: 103-104 cm-2
•
Hidegen alakított termék: 109-1012 cm-2
Nagymértékű szilárdságnövelés érhető el A kristályszerkezet megváltozik 5
•Az alakítási keményedés Mechanizmusok
•
•
Az alakítási keményedés mérőszáma 𝜕𝜎 alakítási keményedés = 𝜕𝜀 Az összefüggés megadja, hogy adott Δε deformáció növekedéshez mekkora Δσ feszültségnövekedés szükséges
•
Eredő diszlokációk
•
Diszlokációk metszése
•
Feltorlódott, blokkolt hurkok
Hidegalakítás
6
•Alakítási keményedés Gyakorlat
•
Az alakítás mérőszáma a plasztikus deformáció mértéke 𝐴0 − 𝐴𝑑 𝐶𝑊% = 100 𝐴0
•
•
Az egyenletben szereplő A0 a kiindulási, míg Ad a végső keresztmetszet Kis széntartalmú acél szakító görbéi különböző mértékű hidegalakítást követően Callister, W. D. Materials Science and Engineering an Introduction 7th edition Wiley 2007 p.193.
7
•Alakítási keményedés Adatok
• •
1040 acél, bronz, réz alakítási keményedése Merevség nő de duktilitás csökken!
Callister, W. D. Materials Science and Engineering an Introduction 7th edition Wiley 2007 p.192.
8
•Polikristályos anyagok Hall-Petch összefüggés
•
•
• •
A kristályos fémekben az egyes kristályszemcsék határán a diszlokációk feltorlódnak K y o Hall-Petch összefüggés d •
A d az átlagos szemcseméret
•
σy a folyáshatár
•
σ0 egy anyagi konstans
•
K pedig az erősítési együttható
Nanokristályos anyagok Kovácsolás során például az anyagban mikrokristályos szerkezet alakul ki 9
•Hall-Petch összefüggés Magyarázat
•
A szemcsehatárokon a kristálysíkok orientációja változik • •
A diszlokációnak irányt kell váltani A szemcsehatáron található rendezetlenségek akadályozzák a diszlokációk csúszását
Van Vlack, A Textbook of Materials Technology 1st editioin 1973, p. 53
10
•Szemcseméret hatása Szilárdság növekedés
•
•
A folyási feszültség növekedése a szemcseméret csökkenésével (bronz) A szemcseméret csökkenése a szilárdság mellett a szívósságot is növeli.
H. Suzuki, The relationship Between the Structure and Mechanical Proerties of Metals iVol. II. 1963 p. 524. 11
•Kristályhibák Típusok
• •
Kristályhibák típusai Ponthibák •
Vakanciák
•
Intersticiális hibák
•
Szubsztitúciós hibák
•
Frenkel párok (besugárzás, Harwell, rekobináció)
•
Shottky hibák (ionkristály)
12
•Vakanciák koncentrációja Statisztikus megközelítés
• • • •
N rácspont legyen a kristályban n rácspont üresen marad (vakancia) Az n értékét próbáljuk meghatározni adott hőmérsékleten Állandó térfogaton és hőmérsékleten a rendszer egyensúlyi állapotát a szabadenergia minimuma adja meg
F U TS ,
•
dF 0
Az entrópiába azonban bele kell venni a konfigurációs entrópiát, vagyis hogy N rácspontban n darab üres helyet hányféleképpen tudunk elhelyezni
S So T k ln W N , n ,
N W n
13
•Vakanciák koncentrációja Hőmérsékletfüggés
•
Az előzőek alapján a rendszer teljes belső energiája a következőképpen adható meg
U U o T nE
•
•
Így a rendszer szabadenergiája
F U o T nE TSo T kT ln W N , n
Egyensúlyban az F n-szerinti deriváltja = 0, amiből következik a vakanciák száma (Stirling formula) •
Hőmérsékletfüggő
•
1 eV képződési energiát feltételezve
•
Szobahőmérsékleten n = 10-18
•
1000 K-en hozzávetőleg n = 10-5
E n e kT N
14
•Ponthibák deformációs tere Ponthibák hatása
•
• • • •
Deformációs tér és energia ik
xi xk V 3 ik 4 r 3 r2
US
1 1 3 V a 2 1 V
2
a – elemi cella mérete ν – Poisson szám ΔV – az ötvöző atom és a mátrixatom térfogatának különbsége
A vakanicák képződési energiája kb. 1 eV Az intersticiális hibáké pedig kb. 4-5 eV Kölcsönhatás a hidrosztatikus feszültség térrel Kölcsönhatás éldiszlokációkkal •
Hőtágulás
•
Hőmérséklet emelkedésével csökkenő merevség 15
•Szilárdoldatos keményítés Idegen atom hatása
• • •
Az idegen atom jelenléte növeli a merevséget, de csökkenti az ütésállóságot Az idegen atom a méretétől függően szétfeszíti, vagy összehúzza lokálisan a fémrácsot Akadályozza a diszlokációk mozgását • •
•
Acél széntartalma Magas hőmérsékleten oldott ötvözőanyag
Réz nikkel ötvözet Callister, W. D. Materials Science and Engineering an Introduction 7th edition Wiley 2007 p.190.
16
•Fémek feldolgozási eljárásai Tulajdonságok módosítása
• • • • •
•
•
Kovácsolás (hideg, meleg) Húzás (hideg) Hengerelés (hideg, meleg) Öntés (meleg) Egyéb A fémet akár többször felmelegítik és lehűtik az eljárás során SZERKEZET OPTIMALIZÁLÁS
17
•Lejátszódó folyamatok Hőkezelés hatása
•
•
•
A formázás során a befektetett energia egy része az anyagban tárolódik, egy része pedig a deformációra fordítódik Hőkezelés hatására lejátszódó folyamatok •
Visszanyerés (diszlokációk megszűnése és megváltozása)
•
Átkrsitályosodás (szerkezeti változás)
•
Szemcseméret növekedés
Ezen folyamatok ismétlése kiválóan alkalmas a szerkezet optimalizálására és rögzítésére 18
•Hőkezelés hatása •
Gyakorlati példa (bronz)
•
A folyamatok eltérő hőmérsékleten játszódnak le
•
•
•
Visszanyerés (alacsony hőmérséklet) relatíve kis hatás Átkristályosodás (közepes hőmérséklet) nagy hatás Szemcseméret növekedés (magas hőmérséklet)
Callister, W. D. Materials Science and Engineering an Introduction 7th edition Wiley 2007 p.197.
19
•Átkristályosodás Jellegzetességek
• • •
A legnagyobb hatású folyamat Általában Tm/2 - Tm/3 hőmérséklet tartományban A hőmérséklete függ a hidegalakítás mértékétől
Callister, W. D. Materials Science and Engineering an Introduction 7th edition Wiley 2007 p.198.
20
•Átkristályosodás Bronz
•
Eredeti
4s 580 °C-on
8s 580 °C-on 10 min és 700 °C
Részleges átkristályosodás Teljes átkristályosodás Szemcseméret növekedés
Callister, W. D. Materials Science and Engineering an Introduction 7th edition Wiley 2007 p.195-196. 21
•Gyakorlati példa •
Öntöttvas
•
Hőkezeléssel kérgezett öntöttvas idom •
Keménység 50-55 HRC (Rockwell keménység 120 ° gyémántkúp
500x Gallai Ferenc, Knorr Bremse Kft. Budapest
22
•Gyakorlati példa •
Öntött vas
•
Szövetszerkezeti hiba, ledeburit, 100x nagyítás •
Merev, rideg tulajdonságok
Gallai Ferenc, Knorr Bremse Kft. Budapest
23
•Gyakorlati példa •
C60 szénacél
•
Ferrit és perlit együttes jelenléte (kevés ferrite) •
Brinell hardness 740-768 MPa (10 mm WC golyó benyomódása)
1000x
500x
Gallai Ferenc, Knorr Bremse Kft. Budapest
24
•Gyakorlati példa •
Kovácsolás
•
A szemcseméret változása 200x nagyítás
Minta közepe
Minta széle
Gallai Ferenc, Knorr Bremse Kft. Budapest
25
•Gyakorlati példa •
Edzés
•
Indukciós edzés (elektromágneses indukció)
Távolság (mm) 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5
Gallai Ferenc, Knorr Bremse Kft. Budapest
Keménység (HV1) 822 819 765 721 665 617 552 530
26
•Kerámiák
Általános bevezetés
•
Feldolgozás •
Por gyártása
•
Alakadás
•
• •
Hőkezelés (szinterelés)
•
Utómunka
•
Minősítés
A kerámiák feldolgozásának legfontosabb lépése az alakadás Az alakadást követően nincs számottevő szerkezeti változás 27
•Kerámia porok
Alapanyagokkal szembeni követelmények
• • • • • • •
•
Homogén összetétel Minimális mennyiségű szennyeződés (esetleg nincs szennyeződés) Sztöchiometria Stabil fázisok (fázis diagram) Egységes gömb alakú szemcse Lehető legkisebb szemcseméret A technológiának megfelelően szűk szemcseméret eloszlás POROK KÉMIAI SZINTÉZISE 28
•Kerámia porok előállítása Csoportosítás
•
•
Alapanyag szerint •
Szervetlen vegyületek
•
Fémorganikus vegyületek
Előállítási módszer szerint •
Szilárdfázisú reakció
•
Oldatfázisú reakció
•
Gáz/gőzfázisú reakció
•
Szol-gél eljárások
•
Hidrotermális eljárások
29
•Kerámiaporok előállítása Nagy finomságú Al2O3 por előállítása
•
•
Alumínium alkoxidok hidrolízise és hőkezelése •
2Al + 6ROH → 2Al(OR)3 + 3H2
•
2Al(OR)3 + 4H2O → Al2O3xH2O +6ROH
•
Al2O3xH2O → hőkezelés → Al2O3 + H2O
Ammónium-alum pirolízise •
•
•
Al2(SO4)3x18H2O + (NH4)3SO4 → (NH4)2SO4xAl2(SO4)3x12H2O + 6H2O (NH4)2SO4xAl2(SO4)3x12H2O → pirolízis → Al2O3 + 2NH3 + 4SO3 + 13H2O
Ammónium-dawsonit pirolízise •
Alumínium só + NH4HCO3 → NH4AlCO3(OH)2
•
2NH4AlCO3(OH)2 → Al2O3 + 2NH3 + 2CO2 +3H2O 30
•Kerámiaporok előállítása
Szol-gél eljárás (fémorganikus vegyület)
31
•Kerámiaporok előállítása ZrO2 por előállítása
•
•
Ömledékből elektrokemencében •
90-99% tisztaság
•
ZrSiO4 + C
•
2000 °C felett
•
SiO képződés → elpárolog
Kémiai kicsapással •
99-99,9% tisztaság
•
Együttes kicsapás
•
Cirkónium sók vagy alkoxidok hidrolízise
•
Hidrotermális eljárással
32
•Kerámiaporok előállítása Si3N4 porok előállítása
•
Fém szilícium közvetlen nitridálása •
•
Szintézis termikus plazmában •
•
• •
3Si + 2N2 → Si3N4 (1250-1500 °C) 3SiCl4 + 4NH3 → Si3N4 + 12HCl (1400-1500 °C)
Szilícium-diimid előállítása és bontása •
SiCl4 + 6NH3 → Si(NH)2 + 4NH4Cl (90-100 °C)
•
3Si(NH)2 → Si3N4 +2NH3 (950-1000 °C)
A 2. és 3. módszernél amorf porok képződnek Kristályosítás nitrogénben, 1250-1500 °C-on
33
•Kerámiaporok előállítása Szilárd fázisú szintézis
•
BaOxFe2O3 előállítása
34
•Kerámiaporok előállítása Porok őrlése
•
Cél a szemcseméret és méreteloszlás beállítása
35
•Porok őrlése Sugármalom
36
•Porok előkészítése A formázás alapja
•
A formázás módszerétől függ
•
Nedves formázási módszerek • •
•
Porok eloszlatása alkalmas folyadékban (kolloid) Adalékanyagok: plasztifikáló-, stabilizálószerek, valamint kötő- és kenőanyagok
Száraz porok sajtolása •
Adalékanyagok: plasztifikálószerek, kötő- és segédanyagok…
37
•Kerámiipari kötőanyagok Kötőanyag
Vízoldhatóság
Hatása a viszkozitásra
Poli-(vinilalkohol)
+
Kicsi-közepes
Poli-(akrilamid)
+
Jelentős
Poli-(etilénoxid)
+
Kicsi-közepes
Poli-(metakrilsav)
+
Közepes-jelentős
Metilcellulóz
+
Jelentős
Nátrium-karboximetilcellulóz
+
Kicsi-jelentős
Keményítő
+
Kicsi-közepes
Dextrinek
+
Nagyon jelentős
Nátrium-alginát
+
Jelentős
Poli-(metilmetakrilát)
-
Közepes-jelentős
Poliszilazán
-
Közepes-jelentős 38
•Formázási eljárások Alaptípusok
•
•
„Lecsapolásos” öntés •
Folyékony és szilárd alkotók elválasztása
•
Leggyakoribb módja a szalagöntés
Állandó térfogatú formázási eljárások •
Gél-öntés
•
Préselés (extrudálás)
•
Fröccsöntés
•
Sajtolás (CP, CIP, HP, HIP)
39
•Sajtolás
Szemcsék tömörödése
40
•Hideg izosztatikus sajtolás
41
•Szinterelés
Általános megfontolások
•
•
•
A kerámia anyagok olvadáspontja > 1000 °C Formázott porelegy → magas hőmérsékletű hőkezelés (szinterelés) → tömör kerámia A szinterelés célja •
Részecskék összekapcsolása
•
A porozitás csökkentése
•
Végső fázisösszetétel és mikroszerkezet kialakítása
42
•Szinterelés Módok
•
•
A szilárd fázisú szinterelés •
0.5-0.9 Top (nincs olvadékfázis)
•
Mechanizmus: atomos diffúzió
Folyadékfázisú szinterelés • •
•
•
Top közelében Néhány % olvadékfázis, de az olvadás nem tölti ki a pórusokat Mechanizmus: oldódás-kiválás
Üvegesítés (vitrifikálás) •
Top felett
•
Jellemzően 25%-nál nagyobb olvadékfázis
•
Mechanizmus: az olvadék behatol a pórusokba és kitölti azokat → megszilárdulva üveges, vagy kristályos szerkezet
43
•Folyadékfázisú szinterelés A szemcsehatárok átalakulása
44
•A szemcseméret növekedése Kinetika
45
•Szinterelés
Kivitelezés a gyakorlatban
46
•Szinterelés
Meleg izosztatikus sajtolás (HIP)
47
•Felületi rétegek Bevonatok
•
•
Cél: felületi tulajdonságok módosítása •
Védő, módosító
•
Funkcionális réteg
Alkalmazások •
Optikai bevonatok
•
Tribológiai rétegek (csapágyak)
•
Tüzelőanyag cellák, ionvezetők )oxigén érzékelő)
•
Katalizátor rétegek
•
Mikroelektronikai eszközök: RAM, DRAM, stb.
48
•Rétegkialakítási módszerek •
•
•
Fizikai módszerek •
Termikus elpárologtatás és leválasztás (TED)
•
Pulzált lézersugaras leválasztás (PLD)
•
Molekulasugaras epitaxia (MBE)
•
Porlasztásos leválasztás (SD)
Kémiai módszerek •
Kémiai leválasztás oldatból (CSD)
•
Kémia leválasztás gőzfázisból (CVD)
Termikus szórás •
Lángszórás
•
Plazmaszórás 49
•Kémia leválasztás Gőzfázis (ipari példa)
50
•Rétegleválasztás Plazmaszórás
51
•Feldolgozás hatása Szemcseméret
• • •
•
MgO kerámia: szilárdság – szemcseméret A kerámia szilárdsága végső szemcsemérettől függ Befolyásoló tényezők •
Kiindulási szemcseméret
•
Alapanyag előkészítés
•
Hőkezelés körülményei
A szilárdságot befolyásoló egyéb tényezők •
Alapanyag tisztaság
•
Pórusok száma és eloszlása
•
Szemcsehatárok szerkezete 52
•Feldolgozás hatása Szennyezések
•
• •
• •
•
Al2O3 kerámiák: elektromos szigetelő •
Nagy ellenállás
•
Kicsi dielektromos állandó
Számos alkalmazás nagyobb vezetőképességet igényel Adalékolás •
Szilikátokkal
•
Csökken Tszinterelés
Mikroszerkezet: az Al2O3 szemcsék között üvegszerű szilikátfázis Csökkent ellenállás, jobb vezetőképesség Gyújtógyertya: 95 % Al2O3
53
•Feldolgozás hatása Kristályosítás viszonya
• •
•
•
Polikristályos AlN: az elméletinél rosszabb hővezetés Ok: szennyeződések •
Főleg oxigén
•
Fononokat szórja
Megoldás: Y2O3, vagy CaO adagolása •
Oxigénnyelők
•
Csökkentik az O2 tartalmat
Adalék •
Két fázist alkot az AlN szemcse felületén az oxigénnel
•
Ez a fázis a hármas ponton szegregálódik
54
