Szerkezeti anyagok választéka és jellemzői

Szerkezeti anyagok választéka és jellemzői

fém

bioanyag műanyag

(a)

kerámia

Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

kompozit

1

Bioanyagok (szerves természetes anyagok) Organizmusok (élő szervezetek) által előállított (szénből, hidrogénből, oxigénből, nitrogénből, valamint néhány kisrendszámú elemből felépülő) kémiai vegyületekből állnak. Ezek a szerves molekulák (makromolekulák vagy óriásmolekulák) polimerek (poli = sok, meros = rész), vagyis a molekulaláncok egy-egy "aktivált" (kémiai kötések kialakítására hajlamosított) vegyület(molekula), mint monomer (-z-) többezerszeres ismétlődései: -z-z-z-z-z-z-z-z-z-z-z-z-z-z-z-z-z-z-z-….. A polimerek mérete a felépítésükben résztvevő monomeregységek számával, azaz a polimerizációs fokkal (P) ill. a molekulatömeggel (M=P·mmonomer) adható meg. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

2

élő szervezeteket alkotó anyagok nagy fokban polimerizált szerves vegyületek néhány alaptípusából épülnek fel: • a nukleinsavak (DNS, RNS) hordozzák - molekuláris formába "átírva" - az élő szervezet felépítésének és működésének öröklött alaptervét (a genetikai információt); • a fehérjék (proteinek) vegyi úton megvalósítják az egész felépítési és működési alaptervet; • a lipidek (zsírok, olajok, szteroidok, viaszok, kaucsukok, növényi festékanyagok) vízben nehezen, de szerves oldószerekben igen jól oldódó sejthártya-felépítő, hőháztartás-szabályozó és tartalék tápanyagok; • a poliszacharidok (összetett szénhidrátok) monoszacharidokból (egyszerű szénhidrátokból) épülnek fel. A monoszacharidok zöme a Cn(H2O)n általános képlettel jellemezhető, és erre vezethető vissza a szénhidrát elnevezés is. A poliszacharidok (cellulóz, keményítők, cukrok) egy része - mint tartalék tápanyag - a cukoranyag-cserében játszik fontos szerepet, míg másik része szilárdító anyag. Dr. Bagyinszki Gyula: 3 ANYAGISMERET

Bioanyagok felosztása

állati és növényi eredetű bioanyagok:

produktumok az állatok vagy növények által bizonyos rendszerességgel termelt szerves anyagok (pl. hernyóselyem, gyapot), melyeknek szakszerű elválasztása nem jár az élőlény elpusztításával, ezért környezetbarát, pontosabban élőlénybarát szerkezeti anyagoknak tekinthetők. kültakarók az állatok és a növények belső részeit a külvilágtól - a környezet hatásaitól eltakaró és védő szerves anyagok (pl. toll, parafa), melynek szakszerű elválasztása egyes esetekben az élőlény elpusztításával jár. A kültakarók lehetnek egészében (pl. prém), vagy részeiben (pl. bőr + szőr) is hasznosíthatók, ill. bizonyos esetekben újraképződők (pl. gyapjú). vázak az állatok és a növények állékonyságát biztosító szerves anyagok (pl. csont, fatörzs), melynek elválasztása rendszerint az élőlény elpusztításával jár együtt. Ez felveti annak igényét, hogy folyamatosan biztosított legyen az utánpótlás, azaz az utódnevelés ill. az újratelepítés. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

4

Állati eredetű bioanyagok A tenyésztett selyemhernyó gubójáról lefejtett gubószál a valódi selyem. Az igazgyöngy a gyöngykagylók által létrehozott CaCO3 képződmény. Idegen test behatolása váltja ki, hogy az élőlény a zavaró test köré gyöngyházréteget választ ki. a) A bőr a gerinces állatok kültakarója, mely három fő rétegből áll: felhám, irha, hájashártya. A prémes állatok kikészített szőrös bőre a prém. b) A szőr az emlősállatok jellegzetes szaruképződménye, melynek hossza, színe, minősége, stb. fajra jellemző. c) A gyapjú a juhfajták testét borító - általában összefüggő bundát alkotó - szőrzet. A gyapjúszálak jellemzője a pikkelyes szálfelület és a kör alakú keresztmetszet; bélüregük csupán a durva gyapjúszálaknak van. d) A toll a madarak testét fedő jellegzetes bőr-, ill. szaruképződmény. A kifejlett tollazat kétrétegű: laza szerkezetű, jó hőszigetelő pehelytollakból és külső fedőtollakból áll. Irhaképződmények a teknősök és a krokodilusok bőrcsontjai is, amelyek a hámrétegből fejlődött szarupajzsokkal összenőve az említett hüllők szilárd bőrpáncélját adják. e) Egyes emlősállatok időről időre levetett agancsai szintén az irhában fejlődő csontszövetből állnak. f) A hám és az irha együttesen vesznek részt az állat egész életén át megmaradó, de szakadatlanul növekvő szarvainak kialakításában is. g-j) A kagylók két teknőszerű félből álló héja és a csigák egy darabból álló háza külső váz, a gerinces állatok csontja ill. a „valódi” szivacsok „teste” belső váz. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

5

Növényi eredetű bioanyagok a) A vatta- vagy pamutrostok mikroszkópi képén a szál összelapult cső alakú, és a ,szabálytalanul csavarodott, keresztmetszete pedig általában vese, piskóta vagy bab alakú. b) Az indiai és a jávai kapok magtokjának belső faláról leválasztott magszálak mikroszkópi képe vékony falú csőhöz hasonló; a csőfal vékonyságát a szálak bélüregét kitöltő ágyazó folyadék légbuborékai érzékeltetik . c) A juta elemi sejtjei sokszög keresztmetszetűek, éles sarkokkal. d) A zöld vagy indiai rami és a fehér vagy kínai rami szárából nyert rostok lapos és hosszirányban csíkozott elemi sejtekből állnak. e) A lenrostok pektinnel összeragasztott, szögletes keresztmetszetű elemi sejtekből épülnek fel. f) A kenderrostok elemi sejtjeinek keresztmetszete 3...7 szögű, legömbölyített sarkokkal. g) A 45...90 cm hosszúságú durva, merev szizálrostok elemi sejtjei sokszögletűek, bélüregük nagy. h) A manilakender 1...2,5 m hosszú rostjait nagy bélüregű, ovális vagy szabálytalanul sokszögletű elemi sejtek alkotják Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

6

Bioanyagból készült termékek


7

A fa - mint biopolimer - szerkezeti szintjei lombos és tűlevelű haszonfák törzséből nyert szerkezeti anyag erősen anizotróp és inhomogén tulajdonságai nem csak a szerkezetétől, hanem nedvességtartalmától is függenek, amiket az abszolút száraz (≈0% nedvességtartalmú), vagy a légszáraz (≈12…15% nedvességtartalmú) állapotra vonatkozóan adnak meg. a) A külső makroszerkezetet pl. fűrésszel kialakított alak és méretek, majd gyalulással létrehozott felületminőség jelentheti. b) A belső makroszerkezet az évgyűrűs (keresztirányban), ill. szálas (hosszirányban) szerkezet, melyet bizonyos helyeken folytonossági hiányok (görcsök, repedések) szakít(hat)nak meg. c) A kvalitatív mikroszerkezet a heterogén (többfázisú) - egy évgyűrű metszetén megfigyelhető - farostok, melyek cellulóz rostokból, hemicellulózból, köztük lévő térrészben elfásodást okozó ligninből, továbbá sejtüregi vízből ill. levegőből állnak. d) A kvantitatív mikroszerkezetet a homogénnek tekinthető, nagy számú (30…200) cellulózszálból álló cellulózrost (köteg) jelenti, aminek mennyiségi aránya a fa szilárdságát határozza meg. e) A kristályrács-szerkezetet a cellulózrostot felépítő szalagszerű, egymástól viszonylag távol lévő cellulózszálak (glükózgyűrű-láncok) térbeli rendezettsége adja. f) A kristályrácselem-szerkezet a cellulózszálak hosszú szénláncainak legkisebb térben ismétlődő monoklin cellája. g) Az atomi kötésszerkezet a cellulóz láncmolekulát alkotó C6H10O5 képletű anhidrátglukóz monomer atomjainak kovalens kapcsolódási módja, ill. az egyes molekulaláncok közötti van der Waals kölcsönhatás és hidrogénkötés. h) Atomszerkezeten az 1-es rendszámú hidrogén (1s), a 6-os rendszámú szén (1s)2 (2s)2 (2p)2 és a 8-as rendszámú oxigén (1s)2 (2s)2 (2p)4 elektronkonfigurációit értjük. Dr. Bagyinszki Gyula: 8 ANYAGISMERET

Műanyagok (mesterséges szerves anyagok)

A műanyagok makromolekuláris szerkezetű, nagyrészt szerves szénvegyületekből álló, szintetikus úton (vegyi folyamatokkal) előállított (természetben nem előforduló), megmunkálható szerkezeti anyagok.

polimerizáció

polikondenzáció

poliaddíció Monomerekből polimerek létrehozását jellemző kémiai polireakciók három típusa különböztethető meg: a polimerizáció (homopolimerizáció vagy kopolimerizáció), a polikondenzáció (kismolekulájú reakciótermékek /H2O, HCl, NaCl/ keletkezésével) és a poliaddíció (funkciós csoportoknak az egyik monomerfajtától a másikhoz való átrendeződésével).. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

9

Műanyagok termoállapotai A termoplasztikus műanyagok az ún. üvegesedési hőmérséklet (Tü) alatt a üvegszerűen viselkednek, felette alakíthatók. Az amorf műanyagok Tü felett termoelasztikusan viselkednek, további melegítés során meglágyulnak és képlékenyen alakíthatók. A részben kristályos műanyagok az ún. kristálybomlási hőmérséklet (Tkr) Az elasztomerek üvegesedési hőmérséklete felett a kristályos részek is amorf olyan kicsi, hogy ridegedésük csak mélyen, a felhasználási hőmérsékletük alatt megy végbe. állapotba mennek át és az egész anyag meglágyul, plasztikusan Melegítéskor nincs jellegzetes lágyulásuk és (képlékenyen) alakítható lesz. olvadásuk, gumiszerű állapotukat a Az olvadási hőmérséklet (Tolv) felett degradálódási hőmérsékletükig megtartják. A duromerekben a molekulák kötöttsége nagy, viszkózus (sűrűnfolyós) állapotba mozgásuk korlátozott, ezért melegítéskor nem kerül a termoplaszt, majd a bomlási, lágyulnak és nem olvadnak, kemény állapotukat vagy degradálódási hőmérséklet (Td) felett molekulaláncai felbomlanak. a degradálódási hőmérsékletig megtartják, felette elbomlanak.


10

Műanyagok felosztása A műanyagok csoportosítását előállításuk bázisanyaga határozza meg, beszélhetünk természetes alapú és mesterséges alapú műanyagokról. A feldolgozhatóságukat is befolyásoló termoállapotaik szerint beszélhetünk hőre lágyuló műanyagokról (plasztomerekről, termoplasztokról), gumirugalmas műanyagokról (elasztomerekről, elasztoplasztokról) és hőre keményedő, pontosabban hőre nem lágyuló műanyagokról (duromerekről, duroplasztokról). Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

11

Fehérje alapú műanyagok Az állati fehérjék közül a kazeinnek van nagy jelentősége, amit lefölözött tejből állítanak elő oltóval, vagy savakkal kicsapatva. A galalit nevű műanyag természetes szaruhoz hasonló tulajdonságú, műszaru és elefántcsont, teknőspáncél, korall, türkiz, borostyánkő, márvány, stb. helyettesítésére használják. Kazeinből műselymet, gyapjúhoz hasonló műszálakat is előállítanak, valamint kiváló ragasztó-hatású hidegenyvet is készítenek, amellyel összeragasztott falemezek erősebbek a tömör fánál. Bőrhulladékokból, csontokból és vérfehérjékből is készítenek enyvet, továbbá zselatinhártyákat, ill. filmeket. A növényi fehérjék közül a zeint (szójabab-fehérjét, földimogyoró-fehérjét /arachist/ és kukoricafehérjét használják fel elsősorban műszálak előállítására. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

12

Kaucsuk alapú műanyagok A kaucsuknövények (kaucsukfa, gumifa, gumipitypang, quayulet) fehér színű tejszerű nedvében, a latexben finoman (diszperzen) eloszlott kolloid részecskék alakjában található a makromolekulákból álló kaucsuk (poliizoprén), amit kisebb kénmennyiséggel (1…10%) gumivá (elasztomerré), nagyobb kénmennyiséggel (13…45%) ebonittá (duromerré) lehet átalakítani. A vulkanizálásnak nevezett kénfelvétel növelt hőmérsékleten megy végbe a poliizoprén láncok kettős kötésein, aminek következtében, különböző térbeli irányokban kénhidak kötik össze a láncmolekulákat. Különféle olajokból (len-, repce-, ricinus- és cethalolajokból) kén vagy kénvegyületek hozzáadásával gumiadalék (töltőanyag), a faktisz (műkaucsuk) állítható elő. Lenolajból a gumi kénhídjaihoz hasonló szerepű oxigénhidak létesítésével linoxin készíthető, amihez természetes gyantákat, töltőanyagokat keverve, majd azt szövetre hengerelve linóleum nyerhető. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

13

Cellulózalapú műanyagok

Növényi rostokból pl. lúgos kémiai feltárással (inkusztráló anyagok: lignin, gyanta, viasz, zsír eltávolításával) nyerhető cellulóz feldolgozásakor: Az egyik esetben a cellulóz felületileg duzzad, vagy oldataiból alakul vissza cellulózzá és a feldolgozás közben járulékosan molekulái bizonyos mértékig eltördelődnek, azaz kisebbek a természetes cellulózénál, ekkor módosított cellulózról beszélünk, amelyből viszkóz műszálak, átlátszó fóliák, hártyák (pl. cellofán, transzparens fóliák), vulkánfíber, pergament, papír készíthetők. A másik esetben a cellulózt tartósan átalakítják valamilyen kémiai származékává, így a műanyag cellulóz-éterekből - metil-cellulóz (ragasztó- és légtéri bevonó anyag), etil-cellulóz (lakk- és víz alatti bevonatanyag), benzil-cellulóz (lakk-, bevonat- és fröccsöntő alapanyag) - vagy cellulózészterekből - cellulóz-nitrát (celluloid mint filmhordozó anyag, műbőr, lakk, ragasztószer, robbanószer), cellulóz-acetát (nem gyúlékony cellonfilm, csomagolófóliák, fröccsöntött termékek) - áll. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

14

Természetes alapú műanyagból készült termékek

poliizoprén természetes gumi

cellulóz-acetát Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

15

Hőre lágyuló mesterséges alapú műanyagok Általános rendeltetésűek: polietilén (LLDPE, LDPE, MDPE, HDPE, UHMWPE); poliproplén (PP); poli(vinil-klorid) (PVC); polisztirol (PS), sztirolakrilnitril (SAN), sztrirol-butadién (SB), akrilnitril-butadiénsztirol (ABS);

Különleges tulajdonságúak: hőállók ill. optikailag üvegszerűek poli(tetrafluor-etilén) (PTFE) vagy teflon; poli(vinilidén-fluorid) (PVDF); poli(vinil-fluorid) (PVF); poli(éter-éter-keton) (PEEK); poli(amid-imid) (PAI); poli(éter-imid) (PEI); poliszulfon (PSU); poli(éter-szulfon) (PESU); poli(fenilén-szulfid) (PPS); poli(metil-metakrilát) (PMMA) vagy plexi; polikarbonát (PC); Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

Nagyobb igénybevételűek: poliamidok (PA6; PA11; PA12; PA4.6; PA6.6; PA6.10; PA6.12); poli(oxi-metilén) (POM) vagy poliformaldehid; poli(etilén-tereftalát) (PET); poli(butilén-tereftalát) 16 (PBT).

Általános rendeltetésű műanyagból készült termékek 1.

polietilén

poli(vinil-klorid)

polipropilén


polisztirol

17

Általános rendeltetésű műanyagból készült termékek 2.

poliamid

akrilnitril-butadién-sztirol

poli(oxi-metilén) Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

poli(etilén-tereftalát) 18

Különleges tulajdonságú műanyagból készült termékek

poli(tetrafluor-etilén)

poli(metil-metakrilát)

poli(éter-éter-keton)


polikarbonát

19

Gumirugalmas műanyagok A termoplasztikus elasztomerek (TPE) átmenetet képeznek a plasztomerek és az elasztomerek között, amelyekben a térhálópontok rendeződött kristályos ill. amorf részek. Az amorf etilén-propilén termopolimerek (EPDM) öregedés-, ózon- és időjárásállók, továbbá vulkanizálhatósággal rendelkeznek. A poliuretánok (PUR) az amorf lineáris szerkezetűektől kezdve a térhálósokig, a mikrokristályos, a részben és az erősen kristályos változatokat is beleértve széles anyagcsoportot felölelő anyagok. Ennek megfelelően hőre lágyuló, hőre keményedő és termoplasztikus elasztomerként viselkedő poliuretánok fordulnak elő. A polisziloxánok vagy szilikonok (SIL) molekulaláncait nem C, hanem -Si-O- csoportok alkotják. E szervetlen láncú műanyagok víztaszítók, nem gyúlékonyak, hőállóságuk általában nagyobb, mint a Cláncú polimereké. A műgumik közül legnagyobb mennyiségben a kloropénkaucsukot (CR), a butadién-kaucsukot (BR) sztirolbutadién kaucsukot (SBR) alkalmazzák, ami ugyan kisebb nyúlású, de hőállóságával, időjárás-állóságával és savállóságával felülmúlja a természetes gumit. Az akrilnitril-butadién kaucsuk (NBR) a benzinnel és az olajokkal szembeni ellenálló-képességével tűnik ki. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

20

Gumirugalmas műanyagból készült termékek

kloropén-kaucsuk vagy neoprén

poliuretán

butadién-kaucsuk


szilikon

21

Hőre keményedő műanyagok

A fenol-formaldehid gyanták (PF) vagy fenoplasztok kemények, ridegek, oldószereknek, hőnek, égésnek ellenállók, kiváló elektromos szigetelők. Az amin formaldehid gyanták, vagy aminoplasztok közül a melaminok (MF) élelmiszersemlegesek is, a karbamidok (UF) könnyebbek. A furfurol gyanták (FP) elsősorban fémőntő formák kötőanyagai, ugyanis a fém öntésekor elszenesedve is képesek funkciójukat betölteni. A poliimid (PI) néhány óráig a 400…450 ºC-os, néhány hétig a 300…400 ºC-os és évekig a 250 ºC-os igénybevételt is elviselő műanyag. A főláncukban észter-kötéseket tartalmazó telítetlen poliésztergyantákból (UP) kemény, alaktartó, oldhatatlan és olvaszthatatlan, igen nagy hőmérsékleten lebomló polimer nyerhető, jármű-, építő- ill. vegyipari alkalmazásokra. Az aromás poliéterek közé tartozó epoxigyanták (EP) olvasztható, vagy mézszerű folyadékok formájára polimerizált, vagyis nem vagy csak részben térhálósodott állapotban kerülnek felhasználásra, amikor a térhálósodást olyan reagensek bekeverése váltja ki, melyek a kapcsolódásra képes gyököket aktiválják. Az alkidgyanták villamosipari alkalmazású, kis zsugorodású, nedvességre kevésbé érzékeny sztirolmentes sajtolóanyagok.


22

Hőre keményedő műanyagból készült alkatrészek

poliészter

fenol-formaldehid epoxi Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

23

A polietilén - mint szintetikus polimer - szerkezeti szintjei a) Külső makroszerkezet pl. jellemző méretű, ill. felületállapotú cső. b) Belső makroszerkezetét tekintve hab, tömör anyag, filcszerű, méhsejt-struktúrájú stb. lehet. c) Kvalitatív mikroszerkezetében pl. kristálymagokból sugarasan növekedett szferolitos kváziszemcsék láthatók amorf mátrixba ágyazva. d) A kvantitatív mikroszerkezet egy kváziszemcse (polietilénkristály) rendeződött lamella-kötegeit ill. azok geometriai paramétereit jelenti. e) A kristályrács-szerkezetet lamellába hajtogatott, hosszútávú rendezettségű, sok kristályrácselemet produkáló láncmolekulák alkotják. f) A kristályrácselem-szerkezet romboéderes, a molekulaláncok irányított elhelyezkedésével. g) A kötésszerkezet a monomer, ill. abból a molekulalánc felépítését, azaz a benne lévő atomfajták irányított kovalens kötését jelenti. A molekulaláncok között gyengébb (másodlagos) van der Waals kötőerők hatnak. h) Az atomszerkezet az 1-es rendszámú H és a 6-os rendszámú C (1s) ill. (1s)2 (2s)2 (2p)2 elektronkonfigurációit fejezi ki. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

24

FÉMEK

Az arany, az ezüst, a réz, a higany és a platinafémek a természetben tiszta állapotban is megtalálhatók. A legtöbb fém csak vegyületeiben (oxid, szulfid, karbonát, vagy klorid) fordul elő. E földkéregbeli vegyületek az ásványok, míg a fém kinyerése szempontjából értékes és értéktelen (meddő) ásványok keveréke az érc. A kibányászott ércekből a fémelőállítás – vagyis a fémkohászat folyamatának szakaszai: • ércelőkészítés: meddőtartalom csökkentése, kedvezőbb fémtartalmú érckoncentrátum előállítása, kohászatra alkalmas ércdarab-méret létrehozása; • fémkinyerés: fémnek a vegyületeiből való redukálása, elkülönítése kohászati piro-, hidro- vagy elektrometallurgiai módszerekkel; • fémfinomítás: a kinyert fém ill. újrafeldolgozható fémhulladék szennyezőtartalmának csökkentése, továbbá szükség szerinti ötvözése olvadt állapotban; • fémkristályosítás: fémolvadék megszilárdítása, dermesztése tuskóöntéssel, folyamatos öntéssel vagy öntvehengerléssel. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

25

Fémkristályosodás jellegzetességei A kristályosítás körülményei - különösen a hűtési vagy dermedési sebesség – jelentősen befolyásolják az anyag makroszkópikus, mikroszkópikus és szubmikroszkópikus szerkezetét és ezen keresztül tulajdonságait is: a) A túlhűtött olvadékban sok helyen keletkeznek kristályrácselemek, a fém polikristályos lesz. b) Leggyakrabban az olvadékot valamilyen hűtött formába öntik. - kívül finom szemcseméret alakul ki; - beljebb oszlopos kristályok jönnek létre; - legbelül dendrites szerkezet képződik. Nagyon kicsi hőmérséklet-gradiens esetén nagyméretű egykristályok növeszthetők; Nagyon nagy hőmérséklet-gradiens esetén szilárd fémüveg állítható elő. c) Az ötvözőket és/vagy szennyezőket tartalmazó olvadék kristályosodásakor a koncentrációkülönbség miatt mikrodúsulás lép fel. d-f) A kristályosodás során visszamaradó olvadék általában az oldott szennyezőkben és ötvözőkben egyre dúsul, s az anyag utoljára dermedő részén - a végtermékre nézve anizotrópiát okozó - makro(szkopikus) dúsulás is fellép. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

26

Fémek képlékeny alakváltozása

a-b) Az összalakváltozást csúszósíkokon bekövetkező - diszlokációk által segített elemi elmozdulások sorozata hozza létre. c) A rekrisztallizációs hőmérséklet alatt végzett képlékeny hidegalakítást a szemcsék alakjának és a csúszósíkok orientációjának megváltozása, valamint szálas szerkezet (szemcsehatár-menti szennyezések rendeződése) ill. textúra (szemcse-deformációval együttjáró kristálytani irányítottság) kialakulása kíséri. d) A lágyított állapotbeli diszlokációsűrűség képlékeny hidegalakítás hatására megsokszorozódik és a diszlokációk ilyen nagy számban már egymás mozgását akadályozzák, alakítási keményedést okozva. e) A rekrisztallizációs hőmérséklet felett végzett alakítás a melegalakítás, amit rekrisztallizációs kilágyulás kísér.


27

Fémek megújulása és újrakristályosodása

a) Hőmérséklet növelésével termikusan aktivált anyagszerkezeti folyamatok játszódnak le: b) Megújulás: diszlokációk "kioltódása" vagy átrendeződése és egyes kitüntetett helyeken való felhalmozódása; kisszögű (kvázi) szemcsehatárok kialakulása (poligonizáció); csíraként szolgáló mozaik blokkok képződése. c) Újrakristályosodás vagy rekrisztallizáció: A hőmérséklet további növelésével - a poligonális előszemcsék találkozásánál - rendezett, szilárd fázisban képződő kristálycsírák alakulnak ki. d-e) A szemcsehatárok konkáv oldalról atomok lépnek át a konvex oldalra. Az így mozgó és megszűnő szemcsehatárokkal durvaszemcsés mikroszerkezet alakul(hat) ki, ún. szekunder rekrisztallizáció játszód(hat) le, amit kerülni kell. f) Az újrakristályosodott szemcsék mérete annál kisebb, minél nagyobb volt az előzetes hidegalakítás mértéke. g) Az újrakristályosodás alakváltozó-képesség növekedést, keménység-, ill. szilárdságcsökkenést, vagyis kilágyulást eredményez.


28

Fémek állapotábrái (egyensúlyi diagramjai) a) Az állapotábrák (egyensúlyi diagramok) két- vagy többalkotós ötvözetekre - az ötvözőkoncentráció és a hőmérséklet koordináta-rendszerében - szemléltetik a lehetséges egyensúlyi állapotokat és a jellegzetes tulajdonságokkal bíró anyagváltozatokat: egyfázisú színfémeket és szilárd oldatokat, többfázisú átalakuló ötvözeteket és eutektikumokat. b) Ha egy fémben a hozzáadott ötvöző oldódik anélkül, hogy új fázis keletkezne, intersztíciós vagy szubsztitúciós szilárd oldatot kapunk. c) Az eutektikumok egy állandó hőmérsékleten dermednek meg, miközben egyszerre két fázis kristályosodik, jellegzetes elrendeződésű szövetszerkezetet eredményezve. d) egymást mind szilárd, mind olvadék állapotban korlátlanul oldó elemek (pl. Cu-Ni) állapotábrája; e) egymást sem szilárd, sem olvadék állapotban nem oldó elemek (pl. Fe-Pb) állapotábrája; f) egymást szilárd állapotban nem oldó, viszont AmBn vegyületet képező elemek (pl. Mg-Cu) állapotábrája; g) a képződő – az állapotábrát hasonló részekre osztó – vegyület bizonyos mértékig oldja az alkotókat (pl. Ni-Ti esetében). Gyakori, hogy az említett egyszerűbb típusokból koncentráció-intervallumonként "összetevődő" bonyolultabb állapotábrák adódnak. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

29

Fémek felosztása

A vasötvözetek tekinthetők viszonyítási alapnak. A ρ=4500 kg/m3-nél nagyobb sűrűségűek a nehézfémek, az azoknál könnyebbek a könnyűfémek. Nehézfémeken belül feketefémnek tekintjük a vasat és ötvözőit, színesfémnek nevezzük pl. a rezet, a cinket, az ólmot, az ónt és a nemesfémeket. A vashoz (Tolv=1538 °C) képest kisebb olvadáspontja (Tolv<1000 °C) van pl. a cinknek, az ólomnak, az alumíniumnak, a magnéziumnak, míg nagyobb olvadáspontú (Tolv>2000 °C) pl. a molibdén, a volfrám, a nióbium, a tantál. Értékük (ritkaságuk) és korrózióállóságuk alapján a vashoz képest nemesfémek az ezüst, az arany, a platina, a palládium. Ezek szerint megkülönböztethetünk: vasalapú fémes anyagokat azaz vasötvözeteket és nemvas fémeket.


30

Vasötvözetek Az acélok a vasnak karbonnal (szénnel) alkotott ötvözetei, melyekben a karbon (C) egyensúlyi körülmények között Fe3C (vaskarbid) vegyület formájában van jelen. Ezen Fe-Fe3C ötvözetek C-tartalma szerszám-acélok esetén 2,14%-nál, szerkezeti acélok esetében 0,76%-nál kisebbek. Ha ezeket az anyagokat az állapotábra szerinti γ-mezőbe felhevítjük (ausztenitesítjük) és ott hőn tartjuk, akkor a bennük található αszilárd oldat allotróp módon (térben középpontos köbösből felületen középpontos köbössé) átalakul és a keletkező ausztenitben az összes karbidfázis oldódik. Ha ezután lassan (kvázi egyensúlyi körülmények között) visszahűtjük, akkor diffúzió révén a karbidfázis (cementit) kiválik és az α-fázis (ferrit) is újra létrejön, az állapotábrának megfelelően. Az eutektikumhoz hasonló formáció is kialakul, azonban ez nem folyékony olvadékból, hanem szilárd oldatból keletkezik, így eutektoidnak nevezik.

A vasnak Fe3C vaskarbiddal alkotott ötvözeteit tartalmazó (metastabil) állapotábra jellegzetes pontjait az ábécé nagybetűi jelölik, hogy egyes állapotábra-vonalakra a hozzájuk tartozó pontokkal hivatkozhassunk (pl. DC-vonal, ES-vonal, PQvonal, GS-vonal, ECF-vonal, PSK-vonal).


31

Jellegzetes szövetelemek vasötvözetekben

Ausztenit (A): felületen középpontos köbös kristályrácsú, 1493 és 727 ºC között stabil, max. 2,14% C-t (1147 ºC-on) oldani képes, alakítható, szívós, nem mágnesezhető, γ -val jelölt szilárd oldat; Ferrit (F): térben középpontos köbös kristályrácsú, 912 ºC alatt előforduló, max. 0,022% C-t (727 ºC-on) oldani képes, mágnesezhető, α-val jelölt szilárd oldat; Cementit (C): romboéderes kristályrácsú, kb. 1252 ºC alatt előforduló, 6,69% C-t tartalmazó, kemény, rideg, Fe3C képletű intermetallikus vegyület, melynek a keletkezés körülményeitől függő változatai: - primer (I., elsődleges) cementit (I.C), mely 4,3%-nál nagyobb C-tartalmú ötvözetekben olvadékból, a korlátozott C-oldóképességet jelző DC-vonal alatt válik ki; - szekunder (II., másodlagos) cementit (II.C), mely 0,76 és 4,3% közötti C-tartalmú ötvözetekben ausztenitből, a korlátozott C-oldóképességet jelző ES-vonal alatt válik ki; - tercier (III., harmadlagos) cementit (III.C), mely 0,022 és 0,76% közötti C-tartalmú ötvözetekben ferritből, a korlátozott C-oldóképességet jelző PQ-vonal alatt válik ki;

ledeburit (L): olvadékból 1147 ºC-on képződő, 4,3% C-t tartalmazó, kemény, rideg, szobahőmérsékleten cementitből + perlitből álló eutektikum; perlit (P): ausztenitből 727 ºC-on képződő, 0,76% C-t tartalmazó, alakítható, szí-vós, ferrit + cementit lemezekből (rétegekből) álló eutektoid. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

32

Egyensúlyi átalakuláskor (lassú hűtéskor) képződő cementit és ferrit lemezekből álló perlit eutektoid mennyisége a karbontartalomtól függ, az acél 0,76% C-nál tisztán perlites (eutektoidos), 0,76% C alatt hipoeutektoidos (ferrit-perlites) acélokról, felette hipereutektoidos (perlit-cementites) acélokról beszélünk.

Acélok hőkezelése átalakulási diagram

edzés + megeresztés = nemesítés

Nem egyensúlyi – folyamatos hűtésre vonatkozó ausztenit-átalakulási diagramban értelmezhető – martenzites átalakulás karbonnal túltelített α-szilárd oldatot (martenzitet) eredményez, melynek térközepes köbös rácsa tetragonálissá torzult. Az edzést követő megeresztés során a martenzitből a karbid gömbszerű formájában kiválik és ún. szferoidit (finomszemcsés perlit) jön létre, szerszámacélokban kemény szekunder karbidok válnak ki. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

33

Különleges acélok

A hidegszívós acélok nagyon alacsony hőmérsékleten (pl. -195 °C-on) sem válnak rideggé, törékennyé. A melegszilárd acélok igen nagy (pl. 500 °C-os) hőmérsékleten sem vesztik el teherbíró képességüket. A melegalakító szerszámacélokban és a gyorsacélokban (nagysebességű forgácsolásra alkalmas, nagy élhőmérsékletet is kibíró szerszámacélokban) a megeresztés hatására kiváló szekunder karbidok egy jellegzetes keménységmaximumot eredményeznek az 500…600 °C-os hőmérséklettartományban, ami lehetővé teszi ilyen maximális hőmérsékleten való tartós alkalmazásukat. A Hadfield-acélban a 13% körüli Mn- és 1,2% C-tartalom ausztenites szerkezetet eredményez, amelyben az 1100 °C körüli izzítással a szekunder cementit oldatba vihető, és gyors hűtéssel ez az állapot befagyasztható. Ez a szívós anyag ütvekoptató (dinamikus) igénybevétel hatására felkeményedik, martenzitessé válik. A hidrogénnyomás-álló acélokban erős karbidképzőkhöz (Cr, Mo, V) kötik karbont, hogy ezt a karbidfázist a kis atomátmérőjű hidrogén nehez(ebb)en tudja bontani. A gyakorlatilag karbonmentes (C≤0,03%) ún. maraging (martenzites öregedő) acélok nemesítésénél a Ni, Co, Mo, Al és Ti ötvözés hatására nem karbonnal túltelített martenzit, hanem intermetalloid vegyületfázisok (pl. ún. nikkelmartenzit) jönnek létre, minek révén igen nagy szilárdság is elérhető. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

34

Öntöttvasak szövetszerkezete a karbon-, a szilícium- és a magnéziumtartalom ill. az „s” falvastagság ismeretében a Maurer-, a GreinerKlingenstein- és a Gillemot-öntöttvas diagramok alapján ítélhető meg:

Az öntöttvashoz adagolt ötvözők egy része a karbidos, másik része a gafitos szövetszerkezet kialakulását segíti elő. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

35

Öntöttvasfajták

Lemezgrafitos öntöttvas: a lassú dermedés során benne kialakuló "bemetsző hatású" lemezes (lamellás) grafit miatt a szakítószilárdsága a nyomószilárdságának csak mintegy negyede, alakíthatósága csekély (tehát rideg), viszont jó rezgéscsillapító képességgel rendelkezik. A grafit méretének és eloszlásának finomításával (modifikálással) a szakítószilárdság javítható. Gömbgrafitos öntöttvas: a grafit gömbös (globulitos) alakja az öntés előtti kis mennyiségű Mg vagy Ce adagolás ("beoltás") következménye. Ilyen módon már melegen alakítható, lemezgrafitosnál jobb szilárdsági és szívóssági jellemzőkkel bíró szerkezeti anyag adódik. Átmenetigarfitos vagy vermikuláris grafitformájú öntöttvas: ritka földfém és/vagy Mgbázisú szerekkel (esetleg kombinálva Ca, Ti vagy Al-mal) kezelt olvadék a gömb- és a lemezgrafitos öntöttvasak közötti tulajdonságú anyagot eredményez. A grafitkeletkezés mechanizmusa gömbgrafitos jellegű, míg az alaki jellemzők lemezgrafitos képet mutatnak. Temperöntvény: metastabil rendszerben kristályosodik, azaz először cementites (grafitmentes) fehér öntöttvas. A megdermedt öntvényben lévő cementit izzító kezelés során tempervassá és temperszénné bomlik el (Fe3C → 3 Fe + C). Oxidáló közegben végzett izzítás során a temperszén nagy része kiég, azaz az anyag karbonkoncentrációja csökken (az anyag dekarbonizálódik), és ún. fehér temperöntvény jön létre. Semleges közegű izzításkor temperszén-csomók alakulnak ki ferrit-perlites szövetbe ágyazódva, így az eredmény az ún. fekete temperöntvény. A temperöntvény-gyártás kihasználja az öntöttvas jó öntészeti tulajdonságait, majd a hőkezeléssel közelíti az acélok mechanikai és technológiai tulajdonságait. Kéregöntvény: felületi rétege karbidosan, belső magja grafitosan kristályosodik. Így kombinálhatók a kopásálló fehér (karbidos) öntöttvas és a kevésbé rideg szürke (grafitos) öntöttvas előnyei. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

36

Vasötvözetekből készült termékek 1.

kis karbontartalmú (C = 0,02…0,3%) acél

közepes karbontartalmú (C = 0,3…0,7%) acél

rozsdamentes acél


nagy karbontartalmú (C = 0,7…1,7%) acél

öntöttvas

37



38



39

Nemvas fémek: könnyűfémek: alumínium és ötvözetei Az alumínium (Al) nem mágnesezhető, a hő-, a fény- és más elektromágneses sugarakat jól reflektálja, a levegő oxigénjével reagálva felületén egy passziváló (védő) oxidréteg jön létre. Az arany, az ezüst és a réz után a negyedik legjobb elektromos vezető, ezért tömegesen készítenek belőle elektromos kábeleket. Kis szilárdságú, de kitűnően alakítható, fóliát, szalagot, lemezt, csövet, profilos szálanyagokat is gyártanak belőle. Az alumíniumnak Mg-, Cu-, Mn- és Znötvözéssel létrehozott alakítható ötvözetei a legjelentősebbek. Az alumíniumnak Si-ötvözéssel létrehozott eutektikus ötvözete (a szilumin) kiváló könnyűöntvény alapanyag (pl. robbanómotor dugattyúk öntéséhez). Az Al-Mg ötvözetek nagyon jó kémiai ellenálló-képességűek, az Al-Si-Cu ötvözetek hőkezelhetők és jól önthetők. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

40

Alumíniumon kívüli könnyűfémek A magnézium (Mg) ezüstfehér, jó hő- és elektromos vezető, gyúlékony, alacsony korrózióállóságú és szilárdságú, az egyik legkönnyebb, jól alakítható ill. jól önthető fém. A magnézium-ötvözetek elsősorban alumíniummal ötvözöttek, de tartalmazhatnak cinket vagy szilíciumot is. Ezekből készített alkatrészek kb. 30%-kal könnyebbek, mint a hasonló méretű fröccsöntött alumínium alkatrészek, miközben szilárdságuk közel azonos azokéval. A pirotechnikában (pl. tűzijáték) is alkalmazzák. A titán (Ti) a vashoz hasonlóan allotrópiát mutató, jó korrózió- ill. savállóságú, sűrűségéhez képesti nagy szilárdságú, jelentős hőállóságú, továbbá jó alakíthatóság és hegeszthetőség jellemzi. Miután nagy hőmérsékleteken és repülési sebességeknél a titán kiszorította az alumíniumot ill. ötvözeteit a repülőgép-gyártásból, ezért a titánt még a könnyűfémek közé sorolták. A berillium (Be) ezüstfehér színű, viszonylag nagy olvadáspontú, kemény, rideg könnyűfém. Szilárdsága tág határok között változik a szennyezettség mértékétől függően. Az ötvözetlen berilliumot pl. röntgencsövek sugáráteresztő ablakaihoz használják, míg ötvözeteit (pl. Al-mal) a repülőgépipar, atomenergetika használja. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

41

Könnyűfémekből készült termékek

alumíniumötvözet

magnéziumötvözet

titánötvözet Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

42

Nemvas fémek: színesfémek: réz és ötvözetei A réz (Cu = Cuprum) vörös színű (vörösréz), fényesen csillogó, jó hő- és elektromos vezető fém. Mind hideg, mind meleg állapotban jól alakítható, szilárdsága hidegalakítással jelentősen megnövelhető. A réz levegőn nem korrodál, viszont hosszú tárolás során a felületén homályos sötét oxidréteg (védőréteg) képződik. Nedves levegőben a felületén zöld rézkarbonát réteg, az ún. patina (nemes rozsda) alakul ki. Az ecetsav és a gyümölcssavak hatására mérgező rézrozsda keletkezik rajta.

Ha a rezet cinkkel ötvözzük, a sárgarezet kapjuk, ha ónnal, akkor az eredmény az (ón)bronz. Réz-cink-(Sn-Pb) ötvözet a "hamisarany"-ként ismeretes tombak is, max. 9% cinktartalommal. Bronzokat készítenek még Al-, Si-, Cd-, Cr-, Pb-, Ni-, Mn-, Zr-, Be-, Ag stb ötvözéssel is. Réznek cinkkel és nikkellel alkotott ötvözete az alpakka és az újezüst, ötvözőtartalomtól függően. Öntészeti célokra sárgarezet és különféle bronzokat is használnak. Igen tömör öntvények készítésére alkalmasak a Cu-Sn-Zn-(Pb) tartalmú vörösötvözetek. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

43

Rézen kívüli színesfémek

A cink (Zn = Zincum) vagy horgany kékesfehér színű, nagy hőtágulású, jó elektromos vezető, jól önthető fém. Légköri atmoszférában mattszürke, majd fehéres színű védőoxidréteg keletkezik a felületén. Többek között szárazelem burkoló-csészékhez, bádogos kellékekhez ill. acéltárgyakon tüzihorgany bevonatként alkalmazzák. Ötvözetei közül az Al-, Al-Cu- és Al-Cu-Mg- ötvözésűek fontosak, melyekből bonyolult alakú, mérethű munkadarabok készíthetők nyomásos öntéssel. Az ólom (Pb = Plumbum) kékesszürke színű, lágy, nagy sűrűségű (nehéz), jól alakítható, önthető, forrasztható, hegeszthető, legtöbb savval szemben ellenálló, a röntgensugarakat elnyelő fém. Felhasználják kénsavas akkumulátorokhoz, vegyipari berendezések belső burkolatához, csővezetékekhez, földalatti kábelköpenyekhez, radioaktív-sugárzásvédőkhöz, nyomdai klisékhez, lőszerekhez stb. A jól önthető, fehéres színű, jelentős térfogatváltozással járóan allotróp átalakulású, az ólomhoz hasonlóan már szobahőmérsékleten újrakristályosodó ónból (Sn = Stannum) ill. ötvözeteiből többek között élelmiszeripari tubusokat, védőbevonatokat, siklócsapágyfémet készítenek. Ónnak ólommal, bizmuttal alkotott eutektikuma az egyik legfontosabb lágyforrasz anyag, mely igen kicsi olvadáspontú. A szokásos környezeti klímában nem oxidálódó nemesfémek közül az ezüst a legjobb elektromos- és hővezető, az arany a legjobb korrózióállóságú, a platina nagy olvadás-pontú és ezáltal ívhúzással (ill. összehegedéssel) szemben ellenálló, a palládium viszonylag olcsó és jól alakítható. A lágy és rendkívül jól alakítható (akár 0,0001 mm vastagságú lemezzé hengerelhető) aranyat rendszerint az olcsóbb rézzel ötvözve használják és ötvözöttségét a karáttal fejezik ki. A színarany 24 karátos, míg pl. a 75% aranytartalmú szilárd oldat 0,75 ⋅ 24 Dr. Bagyinszki Gyula: 44 = 18 karátos. ANYAGISMERET

Színesfémekből készült termékek

rézötvözet

ólomötvözet

cinkötvözet


nikkelötvözet

45

Ötvözetlen acél – mint fém – szerkezeti szintjei A külső makroszerkezet pl. meleghengerléssel előállított "hosszú" termék profilos (L, ⊥, [, I ...) szelvénnyel, a nagy hőmérsékleten végzett alakítás miatt kisebb méretpontossággal és revés felülettel. A belső makroszerkezetet az acélgyártás módjától függő dúsulási helyek, makrozárványok és esetleg egyéb más folytonossági hiányok jellemzik. A kvalitatív mikroszerkezet jellegzetes ferrit-perlites szövetszerkezet, a C-tartalomtól függő lemezes perlit (a képen sötétebb) részaránnyal. A kvantitatív mikroszerkezetet pl. a ferrit (gyakorlatilag vas, mivel C=0,006 %) fázis szemcséinek, krisztallitjainak adatai jelentik. A kristályrács-szerkezet olyan kristályos rendezettség, melyet bizonyos helyeken rácshibák (üres rácshelyek, intersztíciós atomok, diszlokációk, ...) szakítanak meg. A kristályrácselem-szerkezetet az α-fázis térközepes köbös, ill. a perlitbeli lemezes Fe3C (vaskarbid) vegyületfázis romboéderes elemi cellája jelenti. Az atomi kötésszerkezet jellegzetes fémes kötés a rácspontokban "rögzített" pozitív fémionokkal és a köztük mozgó negatív "elektrongázzal". Az atomszerkezet a 6-os rendszámú karbon és a 26-os rendszámú vas (1s)2 (2s)2 (2p)2 ill. (1s)2 (2s)2 (2p)6 (3s)2 (3p)6 (3d)6 (4s)2 elektronkonfigurációi. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

46

KERÁMIÁK

Egyszerű definíciójuk: nemfémes szervetlen anyagok. A szerves anyagokkal szemben nincsenek bennük molekulák, hanem az atomok, ionok kristályos vagy amorf elrendeződést mutatnak, és kovalens, ionos, vagy ezek átmeneti kötése jellemzi őket. A fémekhez képest sokkal nagyobb elektromos ellenállást tanúsítanak, ezért általában jó szigetelők, és ellenállásuk – szemben a fémekkel – a növekvő hőmérséklettel csökken. Legnagyobb részük egyszerűbb vegyület, amelyeket a periódusos rendszer 3.-7. főcsoportjainak nemfémes atomjai képeznek. A nagy mennyiségben felhasznált keramikus (alap)anyagok jó része a természetben található szervetlen anyag. Az életet lehetővé tevő oxigéndús levegő-atmoszférában az elemek oxidáció révén stabilabb állapotba jutnak, ezért áll a földkéreg zömében oxidokból. Az anyagok "élete" - fizikai-kémiai szempontból - az oxidáció elleni küzdelem, míg a "halál" az oxidállapotba való visszatérés. (A fémes anyagok előállítása, a színfémek "kiszabadítása" oxidos vegyületeikből, ill. a korrózióvédelem /a gyors ill. az idő előtti oxidáció akadályozása/ is ezt a küzdelmet példázza.) Mint ahogyan a műanyagok, úgy a mesterséges keramikus anyagok is természetes vagy szintetikus nyersanyagokból állíthatók elő. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

47

Kerámiák felosztása

A kerámiákon belül is az oxidok részaránya

a legnagyobb, mint pl. SiO2, Al2O3, CaO. A hidrátok jelentősége sem elhanyagolható, hiszen a nagy mennyiségben felhasznált cement (ill. az abból készített beton) megkötését, teherviselő szerkezeti anyaggá válását hidrátképződés idézi elő. Az oxidokon kívüli vegyületek közül a karbidok, a nitridek, a boridok, a szilicidek, ... fontosak a gyakorlat szempontjából. A vegyületkerámiák (melyek egynél több atomféleségből épülnek fel) mellett használunk ún. egyatomos kerámiákat is, melyeket a periódusos rendszer 4. főcsoporta valamelyik elemének (C, Si, Ge) atomjai építenek fel. A klasszikus alkalmazási területek (építőanyag-, porcelán-, üvegipar) nagy tömegben gyártott (durva)kerámiái mellett egyre bővül az élet szinte minden területére betörő, változatos tulajdonságú műszaki finomkerámiák köre.


48

Természetes kerámiaanyagok általában kőzetek, azaz a külső földkéreg kristályos, vagy amorf ásványainak keverékei. Keletkezésük alapján beszélhetünk: - magmás (vulkanikus) kőzetekről: - mélységi kőzetek (gránit, szienit, diorit, gabbró); - kiömlő kőzetek (riolit, dácit, andezit, kvarcporfír, diabáz, melafír, bazalt); - telérkőzetek (rubin, zafír, topáz, stb. tartalmúak); - vulkáni tufák (riolittufák, dácittufák, andezittufák, bazalttufák); - üledékes (szediment) kőzetekről: - törmelékes üledékes kőzetek (kavics, sóder, homok, iszap, lösz, agyag); - összeálló-törmelékes üledékes kőzetek (breccsa, konglomerátum, homokkő); - vegyi üledékes kőzetek (mészkövek, dolomit, márga); - átalakult (metamorf) kőzetekről: márvány, szerpentin, gneisz, csillámpala, fillit, kloritpala, kvarcit, kvarcitpala, agyagpala.


49

Kristályos oxidkerámiák Az építészeti durvakerámiák (pl. tégla, cserép) 700...900 °C-os kiégetési hőmérséklete kedvező pórusos szerkezetet biztosít. Az építészeti finomkerámiákat (pl. mettlachi, csempe) 900...1300 °C-on kiégetve, új fázisok is létrejönnek. A kiégetési hőmérsékletet tovább növelve a porozitás szinte teljesen eltűnhet és a kristályos szerkezetű szemcséket növekvő mennyiségű amorf szilikát ágyazza körül. Vegyi hatásokkal szemben kiválóan ellenálló kerámia a porcelán, melynek kiégetése két lépcsőben történik (800...900 °C-on, majd 1300...1400 °C-on). A második kiégetés mázba mártás után végezhető. A szigetelőporcelánok kb. 50% kaolin, 25% kvarc és 25% földpát 1380…1440 ºC közötti hőmérsékleten való égetésével állíthatók elő. A kaolin a hőállóságot, a földpát az átütési szilárdságot, a kvarc a mechanikai szilárdságot javítja. A tűzálló anyagok olyan oxidkerámiák, amelyeknek különösen nagy a lágyulási vagy olvadási hőmérsékletük, a hőmérséklet-ingadozást jól bírják és kémiailag is ellenállóak. Ezek a kristályos SiO2-Al2O3 keverékek mentesek szilárd állapotbeli fázisátalakulásoktól. A samott-téglák (kb. 60% SiO2 + kb. 40% Al2O3) 1670 °C-ig alkalmazhatók a kemenceépítésben; a szilikatéglák (kb. 95% SiO2 + kb. 2% Al2O3 + kb. 3% CaO) agresszív közegeknek is ellenállnak 1700 °C-ig, míg a szillimanittéglák (kb. 36% SiO2 + kb. 63% Al2O3 + kb. 1% CaO) az 1900°C-ot is bírják. Fontos kristályos oxidkerámiák a fém (Me = Metallum) -oxidok: alumíniumoxid vagy korund (Al2O3), cirkóniumoxid vagy cirkon (ZrO2), magnézium-oxid (MgO), tórium-oxid (ThO2) és a fémoxid (MeO) -tartalmú, mágnesezhető ferritek (MeOFe2O3). Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

50

Kristályos hidrátok

Legnagyobb arányban természetes oxidkerámiák (kő, kavics, homok) víz jelenlétében végzett összecementezésével készülnek. A hidrátképződéssel kötő portlandcement őrölt agyagásványok 1350...1400 °C-on végzett izzításával (klinkerezéssel) készül, mely trikalcium-szilikátból (3CaO⋅SiO2, 40…50%), dikalcium-szilikátból (2CaO⋅SiO2, 25…35%), trikalcium-aluminátból (3CaO⋅Al2O3, 3…11%), tetrakalcium-ferritből (4CaO⋅Al2O3⋅Fe2O3, 7…15%) áll. A megkötött, hidratálódott cement porózus szerkezetű, húzó igénybevétellel szemben kis ellenállást tanúsító, de számottevő nyomószilárdságú, amit a bedolgozástól számított 28 napos kor-ban elérhető érték jellemez. A cementes zsákon látható szám: 250, 350, 450, 550 a 28 napos nyomószilárdság MPa-ban mért értékének tízszerese. A homok-cement-víz keverék a habarcs vagy malter, mely tartalmazhat mészkőből (CaCO3) égetéssel (-CO2) és oltással (+H2O) létrehozott meszet, azaz Ca(OH)2-t is. A kavics (kő)-homok-cement-víz elegye a beton. Szilárd anyag azáltal áll elő, hogy a cement-víz massza körbeveszi a homok-, kavics- vagy kőszemeket, majd megdermedve hidrátot képez. A hidrátok képződése idő- és vízigényes, néhány órától több hétig tartó folyamat, ezért pl. a friss betont bedolgozás és keményedés után napokig nedvesen kell tartani. Nagyon fontos a megfelelő kavics:cement:víz térfogatarány (pl.: 4:1:0,5) biztosítása, a kavicsméret megválasztása és az alapos tömörítés. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

51

Kristályos oxidkerámiákból készült termékek

terméskő

tégla

beton


alumíniumoxid

52

Üvegek, mint amorf kerámiák

Az olvasztással gyártott oxidkerámiák a köznapi értelemben ismert üvegek, melyekben túlnyomórészt szilícium-dioxid van. A tisztán SiO2-ból álló kvarcüveg olvadáspontja 1750 °C, ami különleges olvasztókemencét, így nagy gyártási költségeket igényel. Az olvadáspont (lágyuláspont) jelentősen, akár 780 °C-ra is lecsökkenthető pl. nátriumoxid, vagy kalciumoxid adagolásával, nátronüveg előállításával. Ilyen módon kisebb energiabefektetéssel, olcsó alapanyagokból és/vagy üveghulladékokból állíthatók elő tömeg-cikk sík- és öblösüvegek. Más oxidok (pl. PbO, K2O, B2O3, BaO) adalékolásával speciális tulajdonságú üvegek is gyárthatók. Az optikai üvegeket az n törésmutató jellemzi. Ha n < 1,6 kistörésű, ha n > 1,6 nagytörésű üvegről van szó. Az optikai szálak magja nagytörésű, a felülete kistörésű, így a fényt totálreflexióval tudják vezetni és a széles sávú információ-továbbításban nyernek felhasználást (kb. 6000 párhuzamos telefonvezeték optikai szálanként, 0,2 dB/km-nél kisebb csillapítással).


53

Amorf oxidkerámiákból készült termékek

nátronüveg

bórszilikátüveg

kvarcüveg


üvegkerámia

54

Nemoxid kerámiák: egyatomos kerámiák: félvezető kerámiák

dióda

A tiszta szilícium és germánium gyémántrácsban kristályosodó fontos félvezető alapanyag. A szennyezések hatására megjelenő új elektronállapotok teszik lehetővé a Ge és Si mikroelektronikai felhasználhatóságát. A három vegyértékű akceptor (befogadó) szennyezőatomoknak az alaprácshoz képest elektronhiányuk van, ezért képesek az alaprács egyes elektronjainak befogadására és a félvezető bipoláris tranzisztor tiltott sávjában - a vegyértéksáv közelében - hoznak létre üres energianívókat. Ekkor a vegyértéksáv elektronjai könnyebben gerjesztődnek (a megüresedett elektronállapotokba), mint tiszta félvezető esetén. Külső elektromos tér hatására meginduló áram domináns részét a vegyértéksávban visszamaradó pozitív töltésű lyukak – elektronokkal ellenkező irányban végbemenő – vándorlása jelenti, ezért ebben az esetben p- (pozitív) típusú félvezetőről beszélünk. Az öt vegyértékű donor (adományozó) szennyezőatomok révén (azokról leszakadva) az alapkristályhoz képest többletelektronok kerülnek a rácsba és könnyen delokalizálttá válnak. Ugyanis a tiszta félvezető tiltott sávjában - de a vezetési sáv közelében - jönnek létre könnyen gerjeszthető energiaállapotok, azaz aktiválás hatására többletelektronok léphetnek a vezetési sávba. Mivel a külső elektromos tér hatására meginduló áramot elsősorban a vezetési sáv elektronjai hozzák létre, ezért n- (negatív) típusú félvezetőről van szó.

Field Effect Transistor


55

Karbonalapú egyatomos kerámiák a-b) A gyémánt nagy nyomáson képződik, de létrejötte után atmoszférikus viszonyok között is megmarad kb. 4000 °C-ig. A természetes gyémánt-egykristály erősen anizotróp, kristálytani síkjai szerint megcsiszolva ékszer. A többi drágakőhöz hasonlóan metrikus karáttal mérik, mely 0,2 gramm anyagot jelent. c) A hexagonális kristályszerkezetű grafit - szemben a gyémánttal - elektromos vezetőként használható nagy hőmérsékleten is: pl. alumíniumkohászati elektródaként. Az amorf szénüveg könnyű, hőálló, nem korrodáló, izotróp, így alkalmas fékbetét, rakétafúvóka készítésére. d) A karbonszál és a műszaki korom - mint kétdimenziós kristályú anyag - főként alumínium- és műanyagbázisú kompozitok (pl. karbonszálas alumínium, koromszemcsés gumi) erősítőanyaga. e) A zárt gömbkosaras felépítésű fullerének közül pl. a C60-nak csonka ikozaéderes szerkezete van, amely futball-labdához hasonlít. Geometriája 20 hatszögből áll, amelyeket 12 ötszög köt össze úgy, hogy az ötszögek nem kapcsolódnak egymáshoz és minden hatszög váltakozva öt- és hatszögekhez kapcsolódik. f) A karbon-nanocsövek tűszerű, koaxiális grafit szubmikrocsövecskék több (max. 50) rétegű fallal. Átmérőjük 1…30 nm, hosszuk 1µm-ig terjed. Mindkét végüket ötszögeket tartalmazó fullerénszerű félgömb zárja. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

56

Oxidmentes vegyületkerámiák

a-b) A titánnitridben a 12-es fémes kötésű koordinációt 6-os kovalens kötésű koordináció váltja fel, az anyag igen keménnyé (kopásállóvá), de alakíthatatlanná (rideggé) válik. c) A szilícium-karbid (SiC) különleges keménysége révén csiszolóanyagként használatos, de készítenek belőle szilitrudakat (elektromos kemencék fűtőellenállásait) is. A bórkarbid (B4C) igen nagy keménységű, fekete, csillogó kristályait elsősorban szerszámélező eszközökhöz használják. A keramikus anyagok közül a szilícium-nitridnek (Si3N4) a legnagyobb a szilárdsága nagy hőmérsékleten, 900 °C felett meghaladja a fémes anyagokét is, de a sűrűsége jóval kisebb. A SIALON-ok [(SixAl1-x)(OyN1-y)4] tetraéderes szerkezetűek és a SiC-hoz, ill. a Si3N4-hez hasonló tulajdonságúak. d) A hexagonális lágy grafitot és a köbös kemény gyémántot "mintául véve", a hexagonális bórnitridből a szintetikus gyémánt gyártási eljárásához hasonlóan lehet készíteni igen kemény köbös bórnitridet, mely a gyémánttal szemben nem lép reakcióba vasalapú anyagokkal, nagysebességű (nagy hőmérsékletű) forgácsoláskor. e) A karbon-nitrid a gyémántszerkezetű β-Si3N4 egyik szilárd analógja, képlete β-C3N4, de van C3N4 és C2N módosulat is. f-g) A vegyületkerámiák között - a kemény karbidok, nitridek, boridok, szilicidek mellett - találhatunk ígéretes szupravezető anyagokat és a hagyományos mágneseket messze felülmúló állandó mágnesanyagokat, sőt alakemlékező anyagokat is.


57

Nemoxidos kerámiákból készült termékek

szilícium

alumíniumnitrid

szilíciumkarbid


szilíciumnitrid

bórkarbid

58

Üveg – mint kerámia – szerkezeti szintjei a) A "tükörsima" felületű, adott vastagságú síküveg formájában mutatja a külső makroszerkezetet, mely olvadékból viszkozitás-növekedés során alakítható ki. b) A belső makroszerkezeti folytonosságot "jól látható" repedések, gázüregek, esetleg szilárd zárványok szakíthatják meg. c) A kvalitatív mikroszerkezet az üveg amorf fázisa, melyben lassú hűtés vagy más ok miatt kristályok jelenhetnek meg. A képződött kristályokon való fényszóródás és -interferencia miatt homályossá, ill. átlátszatlanná (mattá) válik az üveg. d) Kvantitatív mikroszerkezetről akkor lehet beszélni, ha az amorf fázisban megjelennek különböző geometriájú kristályok. e) A kristályrács-szerkezetet, pontosabban annak hiányát laza térkitöltésű amorf anyag SiO2 (szilikát)tetraédereinek rövidtávú rendezettsége adja. f) A rövidtávú rendezettségben felfedezhetők kváziköbös, kristályrácselemnek tekinthető, torzult képződmények. g) A kötésszerkezet egy szilikát-tetraéder - mint primer alakzat - irányított kovalens kötéseit jelenti. h) Az atomszerkezet pedig a 8-as rendszámú oxigén (1s)2 (2s)2 (2p)4 és a 14-es rendszámú szilícium (1s)2 (2s)2 (2p)6 (3s)2 (3p)2 elektronkonfigurációi. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

59

KOMPOZITOK Összetett szerkezeti anyagok, amelyeket legalább két különböző, önmagában monolitnak (egyneműnek) tekinthető anyag társításával, előnyös tulajdonságaik kombinálása céljából hoznak létre. Bioanyagok - mint mátrixanyagok - esetén a kompozitgyártás elsődleges célja az anizotrópia csökkentése, az anyagtakarékosság és a környezeti hatásokkal szembeni ellenállás fokozása lehet. Műanyagbázisú kompozitok gyártását főként a szilárdságnövelés és a termikus stabilitás javítása motiválja. Fémmátrixú kompozitoknál a szilárdságnövelés, a kémiai ellenállás javítása és a hőállóság fokozása a fontos fejlesztési érv. Kerámia alapanyagú összetett anyagok készítését elsősorban a szívósságnövelés (ridegségcsökkentés) és a megmunkálhatóság javítása indokolja. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

60

Kompozitok morfológiája

A kompozitok morfológiailag (az alap- vagy mátrixanyaghoz társított adalékanyag alaki jellemzői szerint) négy fő csoportba sorolhatók be: - szemcsés (diszperziós) kompozitok, - szálas (hosszú vagy rövid szálas) kompozitok, - réteges (laminált) kompozitok, - bevonatos kompozitok.

Ezeken belül a makrokompozitok mellett mikrokompozitok is léteznek, azaz vannak olyan társított anyagok is, melyeknek egyes monolit összetevői csak mikroszkóppal észlelhetők, szabad szemmel már nem. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

61

Szemcsés kompozitok +


62

Példák szemcsés kompozitokra


63

Szálas kompozitok +


64

Példák szálas kompozitokra


65

Kompozit anyagú termékek

keményfém (volfrámkarbid + kobalt)

szilíciumkarbiddal erősített alumínium

üvegszállal erősített epoxi Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

karbonszállal erősített epoxi 66

Réteges kompozitok


67

Összetett kompozitok Repülőgépgyártás

Sportcikkgyártás Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

68

Bevonatos kompozitok


69

Szerkezeti anyagok választéka és jellemzői

Recommend Documents