Fémes szerkezeti anyagok
Fémek felosztása: • periódusos rendszerben elfoglalt helyük alapján, • sűrűségük alapján: - könnyű fémek, ha ρ<4,5 kg/ dm3, - nehéz fémek, ha ρ > 4,5 kg/ dm3. • olvadáspont alapján: - alacsony olvadáspontú fémek Tolv <1000o C, - közepes olvadáspontú fémek 1000o C < Tolv < 2000o C, - magas olvadáspontú fémek Tolv > 2000o C. • kémiai tulajdonságaik alapján: - passzíváló anyagok, - korrózióálló anyagok.
Hogy áll ellen különböző erőhatásoknak: • • • •
keménység, rugalmasság, alakíthatóság, szilárdság, stb.
Technológiai tulajdonságok: • önthetőség, • kovácsolhatóság, • edzhetőség, • hegeszthetőség, stb.
Fémek és ötvözeteik ötvözetek: fémeknek fémes vagy nem-fémes anyaggal alkotott szilárd oldata. Lényegesen javítja, megváltoztatja az alapanyag tulajdonságait, az alkotók mennyiséget %-osan adják meg. alapanyag lehet Fe, Al, Cu, Sn, Pb, stb. ötvözőfém lehet Cr, Ni, Mo, W, Co, V, stb. metalloidok: nem-fémek, de sajátságaik révén közel állnak hozzájuk és velük ötvözeteket alkotnak. Pl.: C, P, Si, S.
Vas alapú szerkezeti anyagok A vas tömegaránya nagyobb, mint bármelyik másik ötvözőelemé. Színvas szilárdsága csekély – mágneses tulajdonságai jelentősek (pl.: vasmag) ötvözet tulajdonsága széntartalomtól függ: • 0,1-2,06 s% széntartalom - acél, • 2,06-4,8 s% széntartalom - öntöttvas.
A vas szénoldó-képessége függ a hőmérséklettől:
• dermedés hőmérsékletén 2,06 s% C oldott állapotban, • további lehűlés – C oldóképesség csökken – C kiválik, a többi oldva marad. vasötvözetben a C előfordulhat: • oldott állapotban, • kivált állapotban, • vegyület formájában.
oldott C: növeli a vas keménységét, szilárdságát, edzhetőségét.
Állapotábra szerkesztése a lehűlési görbékből
Vas-szén állapotábra (ikerdiagram)
Jellegzetes szövetelemek
A szén kétféle alakban fordul elő: Szabad grafit: szürke, lágy anyag ridegséget növeli és az önthetőséget javítja, grafit lemezkék, kristályok szabálytalanul helyezkednek el.
Vaskarbidban kötött szén: a vaskarbid kristály (ezüst színű, nagyon kemény, rideg anyag). Temperszén: amorf szerkezetű 1000 C körüli tartós izzítás esetén vaskarbid bomlásból keletkezik határozatlan alakban fordul elő. A temperszenet tartalmazó vasfajták szívósak.
Hőkezelések A fémek jellemzőinek (mechanikai-, technológiai tulajdonságainak) megváltoztatása lehetséges: - ötvözéssel, - hőkezeléssel. A hőkezelések szakaszai: • felhevítés (anyagtól, eljárástól függő hőmérsékletre), • hőntartás (meghatározott ideig), • lehűtés (szobahőmérsékletre anyagtól, eljárástól függő hűtési sebesség)
Hőkezelési eljárások csoportosítása: • lágyító hőkezelések - keménység csökkentés - feszültség csökkentés, - ridegség csökkentés - lágyítás, - alakíthatóság növelése - normalizálás. • keményítő hőkezelések - keménység növelése - edzés, - kopásállóság növelése - felületi edzés, - nyúlás csökkentése, - alakíthatóság csökkentése. • szívósságnövelő hőkezelések - szakítószilárdság növelése - nemesítés, - nyúlás csak kicsit csökken. • különleges hőkezelések különleges tulajdonság elérése – pl.: alitálás.
Lágyító hőkezelések: •Feszültségcsökkentő hőkezelések: 500-600 °C, 1-2 óra, kemencében hűtés •Lágyítás: 680-780 °C,4-8 óra, kemencében, sósfürdőben, 600 °C alatti áramlás mentes levegőn történő hűtés •Normalizálás: 830-900 °C (GSE vonal fölé), 20-40 perc, kemencében vagy áramlásmentes levegőn
Keményítő hőkezelések:
•edzés + megeresztés: 800-1000 °C (kemencében vagy lépcsőzetesen), teljes keresztmetszetre, gyors hűtés (vízben) Saját meleggel, 160-250 °C hőmérsékletű olajban főzik
Szívósságot növelő hőkezelés: Nemesítés: kétszer hevítik: 1. A munkadarab anyagár jellemző edzési hőmérsékletre, teljes áthevülésig, gyors hűtés (vízben vagy olajban), 2. 450-650 °C megeresztési hőmérsékletre, teljes áthevülésig, lassú hűtés (kemencében). Különleges hőkezelések: Pl.: Alitálás: 850-1100 °C-ra hevítik alumínium (alumínium-oxid vagy alumínium-klorid) porral együtt dobozban, 8-12 óra, 0,1-1 mm Al-val telített réteg alakul ki, hőálló, rideg (9001000 °C-on izzítással csökkenthető).
Kéregedzések 1. lángedzés világítógáz – levegő – oxigén vagy acetilén – oxigén szúrólánggal hevítik a felületet rétegvastagság 1,5 – 2mm – fokozatos átmenet olcsó, de bonyolult darabokra nem alkalmazható. 2. indukciós edzés nagyfrekvenciás áram – skin hatás alapján, a kéregvastagság az alkalmazott frekvencia függvénye, 2 – 3mm 2,5 – 10kHz 0,2 – 2mm 400 – 500kHz hűtés: hűtőfolyadékba mártás v. permetezés.
3. betétedzés • cementálás –kéreg C tartalmának növelése (0,2%-nál kisebb C tartalmú acélok is!) – edzés, – megeresztés. alkalmazott közeg szerint lehet: - szilárd közegben: C tartalmú anyagban dobozzal együtt hevítik 850-950 oC-ra →0,1mm/óra, - folyékony közegben (cianidálás): nátriumcianid, nátriumkarbonát, nátriumklorid ömledéke, 830-870 oC 0,3-0,4mm/1-2óra, - gáznemű közegben: szénmonoxid, metán, propán, bután gáz, 850-950 oC.
• nitridálás (nitrálás) termokémiai kezelés, amelynek során bizonyos elemeket pl.: nitrogént, bórt, vanádiumot diffundáltatnak be, a nitrálásnak különös jelentősége van, a munkadarab felületébe nitrogén diffundál, nitrideket képez → nő a felületi réteg keménysége alacsony hőmérsékletű hőkezelés, acélban nitridképző elemek szükségesek (pl.: Al, Cr, Mn, stb.), 500-550 oC nitrálódoboz (ammónia gáz – ezen a hőmérsékleten bomlik); 1-2 óra alatt kemény, kopásálló réteg alakul ki.
Acélok (vas-szén ötvözet, 2,06s%-nál kisebb széntartalom – kovácsolható) Az acélok tulajdonságai ötvözőelemekkel befolyásolhatók. Az ötvözőelemek a vassal általában szilárdoldatot alkotnak: • ferritben jól oldódnak: Cr, Al, Ti , Ta, Si, Mo, V, W • austenitben jól oldódnak: Ni, C, Co, Mn, N
Vas-alapú szerkezeti anyagok (acélok) szabványos jelölése: • ötvözetlen acél (szénacél) – kisebb mennyiségben tartalmazhatnak egyéb elemeket - megnevezés szakítószilárdság szerint(kp/mm2~N/mm2) jele: A +szakítószilárdság pl.: A 37 - megnevezés széntartalom szerint (hőkezelhetők) jele: C +100xCtart.s%-ban pl.: C 45 • gyengén ötvözött acél – ötvözőelem tartalom < 5s% jele: 100xCtart.s% + ötvözőelem x szorzó pl.: 13CrMo44 (0,13%C, 1%Cr, 0,4%Mo) • erősen ötvözött acélok - ötvözőelem tartalom > 5s% jele: X +100xCtart.s% + ötv.tart.% pl.: X10CrNi188 (0,1%C, 18%Cr, 8%Ni)
Öntöttvas A 2,06s%-nál több szenet tartalmazó ötvözet az öntöttvas, utókezelés nélkül nem kovácsolható. Felhasználási területük szerint: Lemezgrafitos öv.: rideg, rosszul alakítható, kis szakítószilárdság, jó rezgéscsillapító, jó csúszási tulajdonságok, nagy nyomószilárdság (3-4-szer nagyobb mint a húzószil.) alkalmazás: motorblokk, hajtóműház, stb. Gömbgrafitos: hidegen korlátozottan alakítható, szilárdsága az acéléhoz hasonló, szívóssága jó, melegen alakítható, alkalmazás: hajtórúd, fogaskerék, dugattyú, fékbetét, stb.
Temperöntvény: temperálással szívóssá tett öntöttvas hőkezelés: 980-1060 °C → acéléhoz hasonló tulajdonságok (szívós, kovácsolható, forgácsolható), összetétel, temperálás módja alapján (törésfelület): - fehér temperöntvény: kulcsok, csavarok, szorítók, futóműalkatrészek, - fekete temperöntvény: hajtóműházak, fékdobok, forgattyústengelyek. Kéregöntvény: felületi réteg fehér – kemény, magja szürke – szívós, mangánbeötvözéssel és hirtelen hűtéssel (nagy igénybevételű felület, mag-szívósság) alkalmazás: kotrókanalak, kőzettörőlapok, vezetősínek.
Nem-vasalapú szerkezeti anyagok sűrűségük alapján: • könnyű fémek: ρ<4,5 kg/dm3 pl.: Al, Mg, Be, Ti, • nehézfémek: ρ>4,5 kg/dm3 pl.: Cu, Ni, Zn, Pb, Sn, • nemes fémek pl.: Au, Ag, Pt.
Könnyűfémek Alumínium (Al) ρ=2,7kg/dm3, Tolv=660oC, σB=9-12kp/mm2 öntve, σB=15-23kp/mm2 hengerelve előállítása: a Föld 7%-a alumínium vegyület 1. bauxit → timföld (kémiai eljárás) savas vagy lúgos eljárás: vízben oldható vegyületté alakítják az alumíniumoxidot (bauxit + sav vagy lúg), a Bauer-féle eljárás – 90%-a a világ timföldgyártásának. 2. olvadékelektrolízis megolvasztott timföldből – egyenáram, negatív sarok – fém Al válik ki (+ion), pozitív sarkon – oxigén (CO v. CO2), (4t bauxit → 2t timföld → 1t 99,5-99,9% Al + 16000-18000kWh)
Tulajdonságai: • erősen elektropozitív → könnyen oxidálódik, de Al2O3 jól tapad, véd (oxidációtól, szénsavtól, sósavtól, stb.) • hőt, villamos áramot jól vezeti (ha tiszta) • technológiai tulajdonságai – jól kovácsolható, hengerelhető (melegen-lágy marad, hidegen-kemény-500oC-on kiizzítva visszanyeri), dróttá húzható, – rugalmassága kicsi – maradó alakváltozás – ötvözik, – sűrűn folyós, erősen zsugorodik – öntés: minél gyorsabban hűl, annál tömörebb fémformákba, kokillákba öntik → finomabb szemcse; lassan hűl → durva kristályok, – kovácsolt, hengerelt – a hengerlés irányába rostos szerkezetű, selymes fényű.
ötvözetei:
• önthető (Al-Si, Al-Cu, Al-Cu-Ni, Al-Mg) • alakítható – nemesíthető (Al-Cu-Mg, Al-Mg-Zn, Al-Cu-Ni-Al-MgSi), – nem nemesíthető (Al-Mg, Al-Mg-Mn, Al-Mn) alkalmazások: gépkocsi-, repülőgépipar, építőipar (nyílászárók), műszeripar, háztartás, vegyipar, élelmiszeripar (korrózióálló), nyújtható – fóliák, elektronika – kondenzátor fegyverzet, serleg, műszerház – lágyalumínium, mélyhúzható.
Magnézium (Mg) Tolv=650oC, ρ=1,74kg/dm3, legkisebb a fémek között; • könnyen forgácsolható, • vékony védőréteg, de kell a korrózióvédelem! ötvözőelemei: Al, Zn, Mn, újabban: Si, Zr, Th • növelik szilárdságát, • csökkentik bemetszési érzékenységét, • növelik korrózióállóságát.
Az Al-ötvözethez képest: • előnyük: – fajsúlyuk lényegesen kisebb, – dinamikus igénybevételeknek jobban ellenáll (nagy maradó igénybevétel után törik), – kitűnően forgácsolható – de könnyen gyullad!
• hátrányuk: – korrózióállóságuk gyenge, – rosszabbak az öntészeti tulajdonságaik, a vezetőképességük, hővezetőségük, – olvadt állapotban gyúlékony.
• felhasználási területük: repülőgépipar (ajtók, pilótafülke), gépkocsigyártás, műszer-készülékgyártás, fényképezőgép házak, távcsőfoglalatok, stb.
Titán (Ti) ρ=4,51kg/dm3 A Földkéregben előforduló negyedik leggyakoribb fém. • tulajdonságai: – – – – –
vegytiszta titán szilárdsága az acéléhoz hasonló, nagy oxigénaffinitás – oxidréteg – korrózióálló, védőgázban, vákuumban jól hegeszthető, jól alakítható, lengő – melegszilárdsága nagy.
• alkalmazás: repülőgép- és rakétatechnika, kémiai berendezések (hőcserélők, elektródok), hajóépítés (tengervíz-álló alkatrészek), orvosi technika (biokompatibilis implantációk).
Nehézfémek
Réz (Cu) ρ=8,92 kg/m3 Tulajdonságai: - jól alakítható, - kiváló villamos- és hővezető, - jó korrózióálló, - jól hegeszthető, forrasztható, - hevítés hatására – hidrogén betegség.
Ötvözetei: Sárgaréz: Cu-Zn ötvözet Zn<30s% hidegen jól alakítható, rosszul forgácsolható, Zn≈46-50s% melegen jól alakítható, jól forgácsolható. különleges sárgarezek: - Ni v. Al szilárdság, keménység, szemcsefinomság javítására, - Mn, Sn melegszilárdság, tengervízállóság javítására.
Új ezüst (alpakka): Cu-Zn-Ni jó rugalmas tulajdonságok, korróziós tulajdonságok alkalmazás: membránanyag (szilfonmembránok is)
Bronzok: 60 %-nál több rezet tartalmazó ötvözetek ón-, alumínium-, ólom-, nikkel-, mangán-, berilliumbronzok, korrózióállóság és rugalmas tulajdonságok javulnak. Alkalmazás: - elektrotechnika (kábelek, huzalok, ellenállások, villanymotorok kommutátor lemezei, pontheg. elektródák), - sárgaréz (esztergált alkatrészek, Zn mélyhúzott alkatrészek), - új ezüst: híradástechnika – relérugók, membránok, - bronz: tribotechnika (csúszócsapágyak, csigakerekek, kavitációs és eróziós igénybevételű alkatrészek).
Nikkel (Ni) ρ=8,85 kg/m3 Tulajdonságai: - jól alakítható, - jó szívósságú, - korrózióálló, - 360°C Curie pontig ferromágneses, - kén bediffundálásával szemben érzékeny (hidegalakítás során hajlamos a felszakadásra, melegalakításkor, hegesztéskor a melegszakadásra, ún. kristályhatár ridegség)
Ötvözetei: Ni-Cu minden arányban ötvözhető alakítható: öntéssel, forgácsolással, forgácsmentes alakítással, forrasztható, hegeszthető, 30% Cu tartalmú ötvözetei korrózióállóak,
Ni-Cr max. 20% Cr tartalom növekszik a passzíválódási képesség, revementesség, melegszilárdság. Ni-Fe 29-75s% Ni tartalom mágnesesen lágy, nagy permeabilitás, Fe-Ni-Co mágnesesen kemény, nagy mágnesezhetőség.
Alkalmazás: Ni-alapú: nagy hőállóság – belsőégésű motorok szelepei, repülőgépek turbinalapátjai, vegyi üzemek berendezései, atomreaktorok, Ni-Fe: elektrotechnika – termoelemek, precíziós ellenállások.
Cink (Zn)
ρ=7,14 kg/dm3
Tulajdonságai: - jó önthető, jók az öntési tulajdonságai, - anizotróp alakítási tulajdonságok, - kitűnő légköri korrózióállóság. Ötvözetei: - finomhorgany (99,9-99,5% Zn) – jól önthető, - 3,5-6% Al, 1,6% Cu – szilárdsága nő, - 0,05% Mg – megakadályozza a kristályközi korróziót. Alkalmazás: - acél tüzi-horganyozása, - általános gépgyártás, - építőipar – ereszcsatorna, csatornák.
Ón (Sn)
ρ=7,28 kg/dm3 Tulajdonságai: - gyenge savakkal, lúgokkal szemben ellenáll, - alacsony újrakristályosodási hőmérséklet (13,2 °C alatt gyémántrácsú, 161 °C-ig tetragonális, magasabb hőmérsékleten rombos szerkezetű), – hidegalakításnál nincs felkeményedés, – nagy szakadási nyúlás. Ötvözetei: - 80% Sn, 12% Sb, 7% Cu, 1% Pb – csapágyfémek, - Sn-Pb forraszanyag. Alkalmazás: - ónötvözetek –tribotechnika, - szereléstechnológia – forrasztás, - használati tárgyak korrózióvédelme. - SnO - üvegfelületre felvíve - folyadékkristályos kijelzők.
Ólom (Pb):
ρ=11,34 kg/dm3
MÉRGEZŐ!!!
Tulajdonságai: - jól alakítható, - jól önthető, - jól hegeszthető, forrasztható, - kénsavval szemben állékony – ólomszulfát nem oldható! - nagy tömegszám - sugár védelem (γ-sugárzás)! Ötvözetei: Sb, Sn, As – növelik a szilárdságot és a korrózióállóságot. Alkalmazás: – Elektronikai, elektrotechnikai termékekben tilos 2006tól, néhány kivétel maradt – gépkocsiipar (akkumulátor elektródák), – vegyipar – tiszta állapotban.
Nemesfémek Arany (Au): ρ=19,3 kg/dm3 Tulajdonságai: - lágy, rendkívül nyújtható, ( aranyfüst 0,0001mm), - vegytiszta arany nem oxidálódik, - harmadik legjobb villamos vezető (ezüst és réz után), - savaknak és lúgoknak ellenáll (királyvíz – sósav, salétromsav keveréke – oldja!), Ötvözetei: szilárdsága növelhető Cu és Ag ötvözőanyaggal. Alkalmazás: - állami pénzkiadás fedezete, ékszerek, - kisteljesítményű érintkezők, IC-k belső bekötései.
Ezüst (Ag): ρ=10,5 kg/dm3 Tulajdonságai: - a legjobb villamos és hővezető fém, fajlagos vezetőképessége 62,7.106 S/m, - erősen nyújtható, huzalhúzásra alkalmas, - jól kovácsolható, - réznél lágyabb, aranynál keményebb fém, - salétromsav szobahőmérsékleten, kénsav csak magasabb hőmérsékleten oldja, - kénhidrogének jelenlétében a felületén ezüstszulfid keletkezik. Alkalmazás: - érmek anyaga, ékszerek, ötvözőanyag, - elektrotechnika – érintkezőanyag, - vegyipar – katalizátorok anyaga, - film- és fotóipar.
Platina (Pt): ρ=21,37 kg/dm3 Tulajdonságai: - villamos vezetőképessége gyenge, - melegszilárdsága nagy, - csak a királyvíz oldja, kémiai ellenálló-képessége nagy, - 0,0025mm-es lemezekké, Φ0,015mm-es huzalokká alakítható. Alkalmazás: - kémiai folyamatok katalizátora, - vegyipari berendezések anyaga, - elektrotechnika – korróziómentes érintkezők, ellenálláshőmérők, termoelemek, - üvegbe ágyazott huzalok (hőtágulása a lágyüveghez illeszkedik).
Gyémánt, grafit Gyémánt: Tulajdonságai: - rendkívül kemény (10.000HV), - magas olvadáspont (4100oC), - nagy fajlagos ellenállás, jó hővezetőképesség - kiváló kémiai ellenálló-képesség. Alkalmazása: - nagyteljesítményű vágószerszámok éle, - miniatűr csapágyak anyaga, - üvegmegmunkálás szerszámanyaga, - vékonyrétegként nagy disszipációjú áramkörök hordozója.
Grafit: Tulajdonságai: - szilárdsága, sűrűsége kisebb a gyémánténál, - nagyon magas op. (4100oC, védőgáz, vákuum) - grafitrácsok rétegei nyíró igénybevétel hatására egymáshoz képest könnyen elcsúsznak. Alkalmazás: - kenőanyag (magas hőmérsékleten is!), - atomreaktorokban – fékező, lassító anyag, - elektrotechnika – kollektorok.
