Járműszerkezeti anyagok Készítette: Dr. Zsoldos Ibolya, Dr. Hargitai Hajnalka ISBN 978-615-5391-48-4
Tartalom 1. Modul - Vasötvözetek és járműszerkezeti alkalmazásaik 1.1 lecke: Korszerű acélok és járműszerkezeti alkalmazásaik.......................................................................... 4 1. Bevezetés ................................................................................................................................................. 6 2. A korszerű acélok fejlesztésének elméleti alapjai .................................................................................... 7 3. Korszerű, új fejlesztésű acélok ............................................................................................................... 16 Felhasznált irodalom .................................................................................................................................. 22 Önellenőrző kérdések ................................................................................................................................. 22 1.2. lecke: Öntöttvasak és járműszerkezeti alkalmazásaik ............................................................................. 28 1. Bevezetés ............................................................................................................................................. 28 2. Öntöttvasak osztályozása .................................................................................................................... 30 2. Modul - Nemvas fémötvözetek és járműszerkezeti alkalmazásaik 2.1. lecke: Korszerű Al ötvözetek és járműszerkezeti alkalmazásaik ............................................................. 50 1. Színalumínium ........................................................................................................................................ 51 2. Alumínium ötvözetek .............................................................................................................................. 51 3. Alumínium ötvözetek hőkezelésének fémtani alapjai ............................................................................. 52 4. Ipari alumínium ötvözetek osztályozása ................................................................................................. 54 5. Alakítható alumínium ötvözetek ............................................................................................................. 54 6. Öntészeti alumínium ötvözetek .............................................................................................................. 58 Felhasznált irodalom .................................................................................................................................. 63 Önellenőrző kérdések ................................................................................................................................. 63 2.2. lecke: Magnézium ötvözetek és járműszerkezeti alkalmazásaik ............................................................. 68 1. Magnézium és ötvözetei ......................................................................................................................... 69 2. Magnézium ötvözetek felhasználása a gépjármű szerkezetekben. ....................................................... 70 3. Korszerű ötvözetek, mint gépjármű szerkezeti anyagok összehasonlítása ........................................... 74 Felhasznált irodalom .................................................................................................................................. 76 Önellenőrző kérdések ................................................................................................................................. 76
3. modul: Belsőégésű motorok szerkezeti anyagai .............................................................................. 78 3.1. lecke: Motorblokkok anyagai .................................................................................................................... 79 3.2. lecke: Vezérműtengelyek anyagai ............................................................................................................ 97
3.3 lecke: Szelepek szelepülékek anyagai .................................................................................................... 106
4. Modul: Műanyagok .......................................................................................................................... 124 4.1. lecke: Hőre lágyuló, hőre nem lágyuló polimerek tulajdonságai, alkalmazásuk .................................... 124 4.2. lecke: Műanyagok és kompozitjaik alapvető mechanikai tulajdonságainak vizsgálata. ......................... 159
5. modul: Polimer kompozitok ........................................................................................................... 179 5.1. lecke: Polimer kompozitok mátrix és erősítő anyagai ............................................................................ 180 5.2. lecke: Polimer kompozitok gyártása ....................................................................................................... 210
1. modul: Vasötvözetek és járműszerkezeti alkalmazásaik A modul célja, hogy bemutassa a járműszerkezetekben alkalmazott legfontosabb vasötvözetek szerkezetét, tulajdonságait a szilárdságnövelés lehetőségeit. Az első lecke célja az új, legkorszerűbb acélfajták szerkezetének, tulajdonságainak, fejlesztési technológiáinak, a szilárdságnövelés és könnyű megmunkálhatóság elvi alapjainak és járműszerkezeti alkalmazási területeinek megismerése. A második lecke célja pedig a korszerű öntöttvasak szerkezetének, tulajdonságainak, különböző típusainak, fő alkalmazási területeinek megismerése.
1.1. lecke: Korszerű acélok és járműszerkezeti alkalmazásaik Cél Az új, legkorszerűbb acélfajták szerkezetének, tulajdonságainak, fejlesztési technológiáinak, a szilárdságnövelés és könnyű megmunkálhatóság elvi alapjainak megismerése. Követelmények Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha képes:
kiválasztani a korszerű karosszériák anyagai számára előírt követelményeket, felsorolni a korszerű karosszériák szerkezetének a jellemzőit, meghatározni a Nádai-féle hatványtörvényt, meghatározni a képlékeny hidegalakításnak a szilárdságra vonatkozó hatását, meghatározni a martenzit fázis nagy szilárdságát okozó jelenségeket, meghatározni az oldódási keményedésnek, kiválasztani az oldódási keményedést leíró helyes összefüggést, kiválasztani a kiválásos keményedést kiváltó jellemzőt, kiválasztani a kiválásos keményedést leíró helyes összefüggést, meghatározni a legnagyobb szilárdságnövelő hatású tényezőt, kiválasztani a diszperz keményedés okát, felsorolni acélok esetében az egyes kiválások tulajdonságait, kiválasztani a Hall-Petch összefüggés helyes alakját és értelmezését, kiválasztani az erős szemcsefinomító hatású ötvözőket, meghatározni acélokban az ötvözőknek az átmeneti hőmérsékletre való hatását, meghatározni a acélok esetében az alakíthatóság és a szilárdság viszonyát, meghatározni a DP acélok szerkezetét, tulajdonságait, felsorolni a DP acélok hőkezelésének jellemzőit, meghatározni a TRIP acélok szerkezetét, tulajdonságait, felsorolni a TRIP acélokban képlékeny alakítás hatására végbemenő szilárdságnövelő jelenségeket, kiválasztani a TWIP acélok szövetszerkezetének jellemzőit, felsorolni a TWIP acélok szilárdságának és képlékenységének jellemzőit, okait, meghatározni a TWIP acélok szerkezetében az ikresedésre való hajlam okait.
Időszükséglet A tananyag elsajátításához körülbelül 90-100 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak
acélok szövetelemei: ferrit, ausztenit, bainit, martenzit acélok szilárdságnövelése oldódási keményedés kiválásos keményedés diszperziós keményedés szemcsefinomító mechanizmusok átmeneti hőmérséklet AHSS: fejlett, nagy szilárdságú acél DP: duál fázisú acél TRIP: fázisátalakulással kiváltott képlékenységgel rendelkező acél TWIP: ikresedéssel kiváltott képlékenységgel rendelkező acél
1. Bevezetés Tevékenység: Gyűjtse ki és jegyezze meg az új autókarosszériákkal kapcsolatos követelményeket, Jegyezze meg a nagy szilárdságú acélok jelentőségét a járműkarosszériákban. A 90-es évek második felében 35 nemzetközileg ismert acélgyártó cég, így a Salzgitter, ThyssenKrupp Stahl, Usinor, Voest-Alpine stb. megbízásából álló konzorcium vállalkozott arra, hogy közös projekt keretében megtervezzék, megépítsék és teszteljék az ún. ultrakönnyű acél autókarosszériát (lásd: Ultra Light Steel Auto Body: ULSAB). Az új karosszériára vonatkozó követelmények a következők voltak: nagy szilárdság, nagy merevség, biztonság, megbízhatóság, könnyű kivitelezhetőség és megfizethető ár. A megoldást a legújabb fejlesztésű, nagy szilárdságú acéltípusokból álló anyagcsalád, az ún. Advanced High Strength Steels (AHSS) felhasználásával alakították ki. Ezzel az volt a céljuk az acélműveknek, hogy bizonyítsák, a növelt szilárdságú, mikroötvözött szerkezeti acélok nagy lehetőséget biztosítanak a könnyűszerkezetes karosszériagyártásban. A karosszéria merevsége 80%-kal növekedett, és 25%-os tömegcsökkentést értek el. Ennek a technológiának az alkalmazásával a nyers karosszériagyártásban felhasznált, növelt szilárdságú acélok aránya az utóbbi években már elérte a 91%-ot. A mai korszerű autókarosszériák szerkezete összetett. A különböző terhelések elviselésére képes elemeket különböző szilárdságú, korszerű acélokból építik. Így adódik összességében a korábbi fejlesztésekhez képest elért tetemes tömegcsökkenés (ennek következményeként fogyasztáscsökkenés) és a megfizethető ár. Tevékenység: Figyelje meg az 1. ábrát! Hasonlítsa össze, hogy hol vannak nagy, közepes és kisebb szilárdságú vázelemek, jegyezze meg a kialakítás okait! Az 1. ábrán a Volvo S60 2012 évi, a Volvo V70 2011 évi és a VW Jetta 2011 évi karosszériák szerkezete látható. A különböző szilárdságú elemeket különböző színnel mutatjuk. Figyeljük meg a következőket:
Piros színnel mutatjuk a legnagyobb szilárdsággal rendelkező acél elemeket. Ezek általában a vázak oldalsó elemei. A nagy szilárdság itt elsősorban a biztonsági követelmények miatt fontos: ezek az elemek a jármű vezetője és utasai számára nyújtanak védelmet egy-egy esetleges ütközés esetén.
1. ábra: Korszerű karosszériák különböző szilárdságú elemekből épített szerkezete
Sárga, narancssárga színnel mutatjuk a közepes szilárdsággal rendelkező acél elemeket. Ezek általában a vázak oldalsó elemeihez csatlakozó részek. A nagyobb szilárdság itt is a biztonsági követelmények miatt fontos. Az egyes márkák között kisebb különbségek fordulnak elő abban, hogy az emberek biztonsága miatt legfontosabb oldalsó vázelemek mennyire jó minőségű acélból készülnek, de a tendencia, hogy az oldalsó vázelemek a legerősebb részei a karosszéria váznak, ma már általában minden esetben igaz. Kék színnel mutatjuk a kisebb szilárdságú vázelemeket, amelyek többnyire a váz első és hátsó részei. Esetleges ütközésnél ezeknek az elemeknek inkább energiaelnyelő szerepük van. Itt nem a nagy szilárdság az elsődleges szempont, hanem inkább az, hogy ezek a részek az ütközés energiáját az alakváltozásuk során képesek legyenek felvenni.
Ahhoz, hogy az autók tömegének jelentős részét kitevő karosszéria tömegcsökkentését a biztonsági követelmények fokozódásának egyidejű teljesítése mellett megvalósíthassuk, egyre nagyobb szilárdságú anyagok alkalmazására van szükség. Ismert tény azonban, hogy a szilárdság növelésével az anyagok alakíthatósága jellemzően csökken, ugyanakkor az alakíthatóság a karosszéria elemek gyártásának egyik kulcskérdése, tehát igen ellentmondásos követelmények között kell megfelelő egyensúlyt teremtenünk. A következőkben ennek az ellentmondásos fejlesztési követelménynek a feloldását célzó anyagtudományi fejlesztéseket tekintjük át röviden.
2. A korszerű acélok fejlesztésének elméleti alapjai Tevékenység: Jegyezze meg az acélok szilárdságát növelő megoldásokat! Szilárdságnövelő módszerek ötvözetlen acéloknál
Az acélok szilárdságnövelése alapvetően a kémiai összetétel, a diszlokációs szerkezet és a szövetszerkezet célszerű változtatásával érhető el. Tevékenység: Figyelje meg a 2. ábrát, jegyezze meg az ötvözetlen acéloknál a szilárdsági és a képlékenységi jellemzők tendenciáit a karbontartalomtól függően! Kémiai összetétel és diszlokációs szerkezet hatása Ötvözetlen acéloknál a kémiai összetétel változtatása a karbon-tartalom változtatását jelenti. A karbon-tartalomnak a mechanikai tulajdonságokra gyakorolt hatását a 2. ábrán mutatjuk.
2. ábra: Ötvözetlen acélok szilárdsági és alakváltozási jellemzőinek változása a karbontartalom függvényében Figyeljük meg a diagramon, hogyan alakulnak a karbon-tartalom növekedésével a szilárdsági, keménységi tulajdonságok (Rp0,2, Rm, HB) és az alakváltozási jellemzők (A, Z) trendjei (növekedés, csökkenés). Tevékenység: Jegyezze meg, mit mond ki a Nádai-féle hatványtörvény, írja fel és tanulja meg a formulát! Képlékeny hidegalakítással a diszlokációk számának növekedése, az alakított kristályok energiaszintjének növekedése következik be, képlékeny hidegalakítással tehát az alakított fém szilárdsági jellemzői a lágy állapothoz képest jelentősen növelhetők, ezt a jelenséget a Nádai-féle hatványtörvény írja le: ’ = K n ahol ’ a valódi feszültség, a valódi nyúlás, K az ún. felkeményedési együttható (az egységnyi valódi nyúlást eredményező valódi feszültség értéke), n pedig az ún. keményedési kitevő (jó közelítéssel az egytengelyű szakítóvizsgálat során meghatározható valódi egyenletes nyúlás értékével egyezik meg, azaz n = m). Szokás a képlékeny alakváltozás hatására bekövetkező szilárdságnövekedést a diszlokáció-sűrűség függvényében is megadni:
ahol a diszlokáció-sűrűség, k pedig a diszlokáció típusától függő anyagállandó. Szövetszerkezet hatása Tevékenység: Gyűjtse ki és jegyezze meg a hűlési sebesség hatását az acélok szövetszerkezetére! Saját szavaival fogalmazza meg, milyen jelenségek okozzák a nagyobb szilárdságot a martenzites fázisban! Szilárdságnövelés céljából az előzőeknél nagyobb lehetőség rejlik a szövetszerkezet változtatásában. Már a hőkezelés elméleténél is láttuk korábbi tanulmányaink során, hogy ugyanolyan összetételű acél mechanikai tulajdonságai tág határok között változnak a szövetszerkezet megváltozását eredményező különböző hűlési sebességek alkalmazása esetén. Az acélok hőkezelésének elméleténél, az auszteni-perlit átalakulásnál azt tanultuk, hogy a hűlési sebesség növelésével először a perlit lemezeinek a finomodása, később a bainites, végül a legnagyobb hűlési sebesség esetén a legnagyobb szilárdságú martenzites szövetszerkezet adódik. A martenzites átalakulás során többféle szilárdságnövelő mechanizmus játszik szerepet. Az ausztenit és a martenzit fajtérfogat különbsége és a kristálytani kötöttségek miatt nagymértékű alakváltozás megy végbe, amely a lágy állapotú ausztenit =106 cm-2 diszlokáció-sűrűségét az ausztenitben =1012 cm-2 nagyságrendre növeli. Ez olyan mértékű szilárdságnövekedést eredményez, mint amilyet kb. =0,6-0,8 értékű valódi nyúlást okozó képlékeny alakítással érhetünk el. Ennél jelentősen nagyobb szilárdságnövelő hatást okoznak a karbon atomok környezetében a diffúzió nélküli átalakulás következtében a martenzit rácsban való bentrekedés miatti rácstorzulások. Ez a hatás azonos az oldott ötvözőatomok által kiváltott oldódási szilárdságnövelő mechanizmussal, amelyet a következő bekezdésben, az ötvözött acélok szilárdságnövelő mechanizmusainak ismertetésénél tárgyalunk. Szilárdságnövelő módszerek ötvözött acéloknál Az ötvözetlen acélok esetében bemutatott szilárdságnövelő módszerek mellett az ötvözéssel további szilárdságnövelő hatások érhetők el. Az ötvözéssel kiváltott szilárdságnövelő hatás függ attól, hogy az ötvöző elem az alapanyaggal szilárd oldatot, vagy külön fázisként kiválásokat, vagy diszperz részecskéket képez. Ennek megfelelően beszélhetünk oldódási, kiválásos, vagy diszperziós keményedési mechanizmus által okozott szilárdságnövelő hatásokról. Oldódási keményedés hatása Tevékenység: Jegyezze meg mi váltja ki az oldódási keményedést! Figyelje meg a 3. ábrát, jegyezze meg a különböző méretű ötvöző atomok elhelyezkedésének szabályát!
Amennyiben az ötvöző az alapfémmel szilárd oldatot képez, akkor a szilárdságnövelő hatást az ún. oldódási keményedési mechanizmuson keresztül fejti ki. A 3. ábrán azt figyelhetjük meg, hogy az ötvöző atomok egy része a diszlokációk környezetében helyezkedik el. Az alapfém atomjánál kisebb atomok jellemzően az éldiszlokáció csúszósíkja felett (az ún. nyomott zónában), míg a nagyobb ötvöző atomok a csúszósík alatt (az ún. húzott zónában) helyezkednek el, ahogyan a 3. ábrán látható.
3. ábra: Oldott atomok az éldiszlokáció környezetében A diszlokációknak az idegen atomokkal dús környezetét Cottrell-atmoszférának nevezzük. A szilárdságnövelő hatás abban nyilvánul meg, hogy az oldott atomok gátolják a diszlokációk mozgását, ezen kívül az oldott atomok által okozott rácstorzulások további szilárdságnövelő hatással bírnak. Tevékenység: Írja fel és jegyezze meg az oldott atomok szilárdságnövelő hatására vonatkozó összefüggést! Az oldott atomok szilárdságnövelő hatását, amennyiben az ötvöző tartalom néhány százaléknál nem nagyobb, a =G2c összefüggéssel határozhatjuk meg, ahol az ötvözés hatására bekövetkező folyáshatár növekmény, G az alapanyag csúsztató rugalmassági modulusa, c az oldott ötvöző koncentrációja, pedig az ún. fajlagos ionátmérő különbség:
ahol d0 az alapfém ionjainak, d pedig az ötvöző ionoknak az átmérője. Kiválásos keményedés hatása Tevékenység: Jegyezze meg, mikor léphet fel kiválásos keményedés! Az oldódási keményedés által okozott szilárdságnövelésnél lényegesen nagyobb hatás érhető el az ún. kiválásos keményedési mechanizmussal, amely akkor jellemző, amikor az ötvöző az
alapfémmel (vagy az ötvözők egymással) vegyületet képez(nek). Az alapfémmel alkotott vegyületre példa a vaskarbid, Fe3C, illetve a vasnitrid, Fe2N, vagy Fe4N. Az ötvözők egymással alkotott vegyületeire példa a krómkarbid, Cr2C3, az alumíniumnitrid, AlN és a titánnitrid, TiN, továbbá az ún. kettős karbidok is szerepet játszhatnak: (Fe,Me)xCy (Me tetszőleges fém vegyjelét helyettesíti). Tevékenység: Írja fel és jegyezze meg a kiválásos keményedés hatására bekövetkező szilárdságnövekedésre vonatkozó összefüggést! A kiválásos keményedés hatására elérhető szilárdságnövekedést, amennyiben a kiválás és az alapkristály közötti határ még összefüggő (koherens fázishatár), a =2Gc kifejezéssel határozhatjuk meg. A kiválásos keményedés jóval hatásosabb az oldódási keményedésnél, egyrészt, mivel az összefüggésben a 2-es szorzó szerepel, másrészt, mivel az 1-nél mindig kisebb csak az első hatványon szerepel. A kiválásos keményedésnél a szilárdságnövelő hatást az okozza, hogy a fázishatárok akadályozzák a diszlokációk mozgását. Diszperz keményedés hatása Tevékenység: Tanulja meg, miért léphet fel a diszperziós keményedés! A kicsiny méretekben, diszperz módon szétszóródott, nem oldódó kiválások által okozott szilárdságnövekedést diszperziós keményedésnek nevezzük. A diszperz kiválásokat tartalmazó anyagban a mozgó diszlokációk nem tudnak áthatolni a kiválásokon, hanem megkerülik azokat. Ezt szemlélteti a 4. ábra, ahol a kiválások körül keletkező diszlokációgyűrűk is láthatók. Ennek a mechanizmusnak az első elméleti értelmezése Orowan magyar kutató nevéhez fűződik.
4. ábra: Kiválások körül keletkező diszlokációgyűrűk
Tevékenység: Írja fel és jegyezze meg a diszperziós keményedés hatására bekövetkező szilárdságnövekedésre vonatkozó összefüggést!
A diszlokációk mozgása annál nagyobb feszültséget igényel, minél közelebb vannak egymáshoz a diszperz, kivált részecskék. Hatásukat a szilárdságnövekedésre a
összefüggéssel jellemezhetjük, amelyben R a diszperz részecskék közötti távolság, b pedig a diszlokációk Burgers-vektorának abszolút értéke. A diszperziós keményedéssel elérhető szilárdságnövekedés nagysága összemérhető az oldódási keményedés hatásával, de alatta marad a kiválásos keményedéssel megvalósítható szilárdságnövelésnek. A diszperziós keményedéssel elérhető szilárdságnövekedés stabilitása attól függ, hogy a diszperz részecskék aránya a hőmérséklettel hogyan változik. Az Fe3C, Fe2N, Fe4N vegyületek mennyisége egy adott ötvözetben a hőmérséklet növekedésével csökken, azaz a vegyületek magasabb hőmérsékleten felbomlanak. Ez számos anyagnál túlöregedéshez és ennek következtében szilárdságcsökkenéshez vezet. Lényegesen stabilabb a diszperziós keményedés okozta szilárdságnövekedés az olyan ötvözők esetében, amelyeknél a diszperz részecskék aránya a hőmérséklet függvényében nem változik. Ilyen diszperz kiválások a SiO2 és az Al2O3, amelyek bizonyos fémekben oldhatatlanok. Szemcseméret hatása Tevékenység: Gyűjtse ki és jegyezze meg, milyen ötvözők, milyen módon segítik elő a szemcsefinomodást! Írja fel és jegyezze meg a Hall-Petch összefüggést! Az ötvözők számos esetben szemcsefinomító hatásukkal eredményezik a szilárdságnövekedést. Ez azzal magyarázható, hogy a diszlokációk a szemcsehatárokat nem tudják átszelni, következésképpen, minél finomabb a szemcseszerkezet, annál nagyobb a szilárdság. A szemcseméretnek a szilárdságra gyakorolt hatását a Hall-Petch összefüggés írja le:
ahol Rp a polikristályos anyag folyáshatára, R0 az egy szemcséből álló anyag folyáshatára, d a szemcseátmérő, k pedig anyagtól függő állandó. Tevékenység: Figyelje meg az 5. ábrát, hasonlítsa össze különféle fémek esetében a szemcseátmérő hatását a folyáshatár változására! Az 5. ábra a folyáshatár változását mutatja a szemcseméret függvényében, különböző anyagokra. Az ábrán megfigyelhető, hogy az acélok esetében van a legerősebb hatása a szemcseméretnek: az acélhoz tartozó egyenesnek a legnagyobb a meredeksége, azaz a legnagyobb változások itt léphetnek fel.
5. ábra: Folyáshatár változása a szemcseátmérő függvényében A finomszemcsés szerkezet nemcsak a szilárdsági jellemzők növekedése, hanem sokkal inkább az anyagok dinamikus igénybevételekkel szembeni ellenállását jellemző szívóssági tulajdonságai szempontjából is meghatározó, ezért a finomszemcsés kristályosodás biztosítása alapvető cél. Mivel a kristályosodási sebesség a hűtés sebességétől gyakorlatilag független, a kristályosodási képesség viszont jelentősen függ a hűtési sebességtől, ezért általában igaz, hogy a gyors hűtésnek és a túlhűtésnek köszönhetően sok növekedésre képes kristálycsíra keletkezik az ömledékben, ez az alapja a finomszemcsés kristályos szerkezet előállításának. A szemcsefinomítás mikroötvözéssel is elősegíthető. Acélok esetében a Nb, V, Ti és Al ötvözőknek van jelentős szemcsefinomító hatása. A szemcsefinomítás szempontjából kedvező, ha az ötvöző oldhatósága az ausztenitben csekély. Ebben az esetben ugyanis a szemcsehatárra kiválva akadályozzák elsősorban a krisztallitok növekedését. (Az ausztenit szemcsék méretének csökkenése azért fontos, mert az átalakulási termék mérete mindig kisebb az ausztenit szemcse méreténél.) A ferritszemcsék méretét a kiinduló ausztenit szemcse mérete mellett az is befolyásolja, hogy melegalakítást követően újrakristályosodott ausztenitből keletkeztek-e. A kritikus csíraméret az alakított ausztenit, mint kiinduló fázis esetén kisebb, ezért a melegalakítás a finomabb szemcseszerkezet szempontjából kedvező. A mikroötvözőknek az ausztenit újrakristályosodását akadályozó hatása annak tulajdonítható, hogy a melegalakítás kezdetén a mikroötvözők, valamint a C és a N is oldatban vannak. A hőmérséklet csökkenésével megkezdődik a kiválás. A kiválások jelenléte akadályozza az újrakristályosodást, minél több a kiválás, annál nehezebben indul meg az újrakristályosodás. Tevékenység: Figyelje meg a 6. ábrát, hasonlítsa össze a mikroötvözők kiválásának kezdeti hőmérsékleteit! A 6. ábra mutatja a négy leggyakoribb ötvöző esetében, hogy a mikroötvözők karbidjai, nitridjei milyen hőmérsékleteken kezdenek kiválni. A diagramok függőleges tengelyén a mikroötvöző koncentrációja van feltüntetve. A diagramok használatát gondoljuk át a nióbium mikroötvöző példáján (baloldali diagram):
A vízszintes tengelyen a karbon-tartalomnak kell lennie, hiszen nióbium-karbid kiválások fognak keletkezni. A függőleges tengelyen a nióbium mint mikroötvöző koncentrációja van feltüntetve. Adott nióbium és karbon-tartalom a diagram egy pontját jelöli ki. Ha pl. a 0,1% karbontartalomhoz és a 0,04% nióbium-tartalomhoz tartozó pontot megkeressük, akkor azt találjuk, hogy kb. a 9000C és az 12000C hőmérsékleteket jelölő görbék közti sáv közepére esik. Ennek megfelelően a nióbium-karbid kiválások keletkezése 9000C és 12000C között, kb. középen, azaz kb. 10500C-on indul meg.
6. ábra: Mikroötvözők kiválásának kezdeti hőmérsékletei Dinamikus igénybevétel, átmeneti hőmérséklet Tevékenység: Saját szavaival fogalmazza meg, mit jelent az átmeneti hőmérséklet, jegyezze meg a meghatározás módszerét! Az acélok szilárdsági jellemzői a hőmérséklet csökkenésével javulnak, míg a képlékenységi jellemzők romlanak. A felületen középpontos kristályrendszerű fémek (pl. Cu, Ni, Al) alakíthatóságukat bizonyos mértékig még a 0 K közelében is megtartják, míg a térben középpontos rendszerű fémek képlékenységüket a hőmérséklet csökkenésével gyakorlatilag teljesen elvesztik. Ezt a jelenséget elridegedésnek nevezzük. Az elridegedés nemcsak a hőmérséklettől, hanem a terhelés sebességétől és a feszültségállapottól is függ. Az elridegedési hajlamot az ún. ütve-hajlító vizsgálattal lehet elemezni. Ezzel a jelenséggel és a rá vonatkozó vizsgálattal korábbi tanulmányaink során már találkoztunk. Itt most röviden átismételjük a tudnivalókat. A vizsgálatnál 10x10 mm keresztmetszetű, bemetszett próbatestet az erre a célra szolgáló ütőművön (a Charpy-ingán) egyetlen ütéssel eltörjük. Különböző hőmérsékleteken elvégezve az ütve-hajlító vizsgálatot, a 7. ábrán látható jelleggörbe adódik. A jelleggörbén megfigyelhető, hogy magasabb hőmérsékleten a szívós viselkedésnek megfelelően a törési munka nagy, míg alacsonyabb hőmérsékleten a rideg viselkedésnek megfelelően a törési munka kicsi.
7. ábra: Törési munka változása a hőmérséklet függvényében acél esetében A ridegedési hajlamot az ún. átmeneti hőmérséklettel, egyezményes jelöléssel a „TTKV”-vel jellemezzük, amelynek tartalmi jelentése: a képlékeny állapotból a rideg állapotba való átmenet hőmérséklete. A TTKV-t vagy a 7. ábrán mutatott jelleggörbe inflexiós pontjaként határozzuk meg, vagy szabvány szerint azt a hőmérsékletet keressük, ahol a törési munka: KV=27J. Tevékenység: Saját szavaival fogalmazza meg, milyen hatása van a különböző ötvözőknek az átmeneti hőmérséklet alakulására! Figyelje meg és jegyezze meg (8. ábra) a karbontartalomnak az átmeneti hőmérsékletre gyakorolt hatását! Az acélok átmeneti hőmérsékletét jelentősen befolyásolja a kémiai összetétel. A karbon-tartalomnak az átmeneti hőmérsékletre gyakorolt hatását mutatjuk a 8. ábrán. Figyeljük meg a különböző karbontartalomhoz tartozó jelleggörbéket: jól látható, hogy 0,6%-os növekedés az átmeneti hőmérsékletet mintegy 1800C-kal emeli, azaz a karbon-tartalom intenzíven ridegítő hatású.
8. ábra: Átmeneti hőmérséklet változása a karbontartalom függvényében Tevékenység: A 9. ábra alapján jegyezze meg a Mn hatását az átmeneti hőmérséklet alakulására! Az acélok ötvözőinek jelentős része a karbonhoz hasonlóan befolyásolja az átmeneti hőmérsékletet. Alapvetően ellentétes hatása van azonban a Mn ötvözőnek. A mangán-tartalomnak az átmeneti hőmérsékletre gyakorolt hatását mutatjuk a 9. ábrán. Figyeljük meg a különböző mangán-
tartalomhoz tartozó jelleggörbéket: jól látható, hogy 2%-os mangán-tartalom növekedés az átmeneti hőmérsékletet mintegy 1800C-kal emeli, azaz a Mn a ridegedési hajlamot erősen mérsékli.
9. ábra: Átmeneti hőmérséklet változása a Mn-tartalom függvényében, acélok esetében Alakíthatóság, hegeszthetőség Tevékenység: Gyűjtse ki és saját szavaival fogalmazza meg az alakíthatóság és a szilárdság tendenciáit az acélokban! Saját szavaival fogalmazza meg a hegeszthetőség feltételét! Ismét hangsúlyozzuk, hogy az alakíthatóságot minden olyan változás rontja, amely a szilárdságot növeli. A karbontartalom növelése az alakíthatóságot a perlit mennyiségének növekedése miatt rontja. A többi ötvözőről általánosságban elmondhatjuk, hogy azok az ötvözők, amelyek az alapfémmel szilárd oldatot képeznek, kevésbé rontják az alakíthatóságot, mint amelyek kiválásos keményedéssel növelik a szilárdságot. A jó hegeszthetőség feltétele a martenzites átalakulás kezdeti hőmérsékletének nem túl alacsony értéke. A martenzit nagy keménysége ugyanis rontja a hegeszthetőséget. A növekvő karbontartalmú acélok egyre romló hegeszthetőségének egyik alapvető oka a karbontartalom növekedése miatt a martenzites átalakulás kezdeti hőmérsékletének a csökkenése. A növekvő C-tartalommal növekvő keménység és az ebből következő ridegség ugyancsak a hegeszthetőség romlását eredményezi.
3. Korszerű, új fejlesztésű acélok Tevékenység: Gyűjtse ki, jegyezze meg, milyen acélfajták azok, amelyek különösen nagy szilárdsággal és jó alakíthatósággal rendelkeznek! Figyelje meg a különféle acélfajták elhelyezkedését/tulajdonságait 10. ábra diagramján! Hasonlítsa össze a különféle acélok jellemzőit! Az acélfajtákat, különösen a karosszériákban felhasznált lemezanyagokat, szokás a 10. ábrán látható diagramban összehasonlítani.
10. ábra: Korszerű acélok csoportosítása Figyelje meg a diagramon a következőket:
A diagram vízszintes tengelyén a szakítószilárdság szerepel, amely az egyik alapvető, fontos mechanikai jellemző. A függőleges tengelyen a legmeghatározóbb képlékenységi mutató, a fajlagos nyúlás van feltüntetve, amely a megmunkálhatóságra utaló fontos tulajdonság. A korszerű karosszéria anyagok esetén mindkét jellemzőnek minél nagyobbnak kell lennie. Már többször kihangsúlyoztuk, hogy minden olyan módszer, amellyel a szilárdságot növelni tudjuk, rontja a képlékenységet. Ezért a legtöbb acélfajta a 10. ábra diagramjában egy hiperbola ívén helyezkedik el: IF, IS, Mild, CMn, HSLA és MART acélok. A legújabb fejlesztésű acélok esetében sikerült mégis olyan hőkezelési és technológiai megoldásokat találni, amelynek eredményeként mind a szilárdsági, mind pedig a képlékenységi mutatók egyaránt nagy értékűek. Ezek az acélfajták a DP (Dual Phase: duál fázisú), TRIP (Transformation-Induced Plasticity: fázisátalakulással kiváltott képlékenységgel rendelkező) és a TWIP (Twinning-Induced Plasticity: ikresedéssel előidézett képlékenységgel rendelkező) acélok. A tananyag további részében ezzel a három legújabb acélfajtával foglalkozunk. Áttekintjük, hogyan sikerült megoldani ezeknél a lemezanyagoknál, hogy a nagy szilárdság mellett a könnyű megmunkálhatóság is teljesüljön.
DP (Dual Phase: duál fázisú) acélok Tevékenység: Jegyezze meg a DP rövidítés magyar és angol jelentését! Gyűjtse ki, majd saját szavaival jellemezze a DP acélok szerkezetét és tulajdonságait!
A duál fázisú acélok a nevükből is következően kettős fázisú acélok: szövetszerkezetük lágy, jól alakítható ferritbe ágyazott, diszperz eloszlású martenzit-szigetekből áll. A duál fázisú acélok családját a HSLA (High Strength Law Alloyed: nagy szilárdságú, gyengén ötvözött) acéloknak a továbbfejlesztésével alakították ki. A kis széntartalmú HSLA acéloknál a viszonylag már jól kézben tartható megmunkálhatóságot (képlékenységet) a ferrites szövetszerkezet adja. Az ötvözők közül egyedül a Mn mennyisége számottevő: 1-1,7% között változik. Nyilvánvalóan szilárdságnövelés és az átmeneti hőmérséklet csökkentése céljából alkalmazzák. A többi ötvöző, a V, Nb, Ti és Al együttes mennyisége is 0,12% alatt van. Ezek az ötvözők segítik a HSLA acéloknak a finomszemcsés szerkezet kialakítását, amely, mint láttuk, szilárdságnövelő tényező. Tevékenység: Gyűjtse ki, majd saját szavaival fogalmazza meg, milyen speciális hőkezeléssel alakítják ki a DP acélokra jellemző szövetszerkezetet! A HSLA acélok továbbfejlesztésénél a szilárdságnövelést jellegzetes hőkezelési technológiával tovább fokozzák, amelyet áthúzókemencében, vagy sófürdőben, vagy a meleghengerlés utáni szabályozott hűtéssel végeznek. Mind a három esetben az a lényeg, hogy az + mezőben előre meghatározott ferrit/ausztenit arányt alakítanak ki: a kb. 10-20% finomszemcsés ausztenitet a jól alakítható ferrit szemcsék zárják körül. Ennek az aránynak a kialakításához tartozó hőmérsékletet interkritikus hőmérsékletnek nevezik. Az interkritikus hőmérséklet és a hőntartás helyes megválasztásával létrehozható a ferrit szemcsék közötti 10-20% ausztenit arány. Az interkritikus hőmérsékletről edzik az acélt, az edzés során az ausztenit szemcsékből martenzit keletkezik. A duál fázisú acélok szövetszerkezete tehát lágy, jól alakítható ferritbe ágyazott, diszperz eloszlású martenzit-szigetekből áll, amelyek mennyisége 10-20%, lásd 11. ábra. Figyeljük meg az ábrán, hogy a ferrit szemcseszerkezet (szürke szemcsék) összefüggő mátrixot alkot, ez a mátrix a jó alakíthatóságért felel. A mátrixba ékelődött kisebb martenzit szemcsék (fekete szemcsék) a szerkezet szilárdságát növelik.
11. ábra: DP acélok sematikus szövetszerkezete TRIP (Transformation-Induced Plasticity: fázisátalakulással kiváltott képlékenységgel rendelkező) acélok Tevékenység:
Jegyezze meg a TRIP rövidítés magyar és angol jelentését! Gyűjtse ki, majd saját szavaival jellemezze a TRIP acélok szerkezetét és tulajdonságait! Gyűjtse ki, majd saját szavaival fogalmazza meg, milyen jelenségek idézik elő a TRIP acéloknál képlékeny alakítás során a szilárdság növekedést! A TRIP acélok szövetszerkezetében az elsődleges ferrit mátrixba beágyazva maradék ausztenit szemcsék találhatók. A minimálisan 5%-ot kitevő maradék ausztenit mellett a nagy szilárdságot adó martenzit és bainit szemcsék is jelen vannak. Hőkezelés folyamán egy közbenső hőmérsékleten való hőntartással biztosítják, hogy valamennyi bainit is keletkezzen a szerkezetben. A TRIP acélok nagyobb Si és C tartalma miatt adódik a maradék ausztenit. A 12. ábrán látható a sematikus szövetszerkezet, amelyben megfigyelhetők a ferrit, bainit, martenzit és maradék ausztenit szemcsék.
12. ábra: TRIP acélok sematikus szövetszerkezete Képlékeny alakítás során a diszperz módon szétszóródott nagy szilárdságú martenzit szigetek kiválásos keményedési mechanizmuson keresztül fejtik ki szilárdságnövelő hatásukat, ahogyan ez a DP acéloknál is megfigyelhető volt. A TRIP acélokban azonban, ezen túlmenően, a maradék ausztenit terhelésnövekedés hatására fokozatosan átalakul martenzitté, ezzel még tovább fokozza a szilárdságnövelő tendenciát. Emiatt a fázisátalakulás miatt kapta az acélcsalád a nevét. A karbontartalom változtatásával szabályozható a maradék ausztenit martenzitté való alakulásának az ideje. Ha kisebb a karbontartalom, akkor a maradék ausztenit a képlékeny alakításnál azonnal átalakul, ezzel gyorsítja és könnyíti a képlékeny alakítást. Nagyobb karbontartalom esetén a maradék ausztenit stabilabb, még a képlékeny alakítás után is megmaradhat valamennyi ausztenit hányad, amely nagyobb terheléseknél, esetleg ütközésnél fejtheti ki hasznos hatását. A 13. ábrán HSLA, DP és TRIP acélok összehasonlító szakítódiagramját látjuk. Egyértelműen megfigyelhető a szilárdságnövekedés a DP acél és a TRIP acél esetében a HSLA acélhoz képest. Ezen kívül megfigyelhetjük még azt is, hogy a DP acél és a TRIP acél görbéjén nincs folyási szakasz, valamint lényegesen egyenletesebb a nyúlás folyamata, mint a HSLA acél görbéjén. A nyúlás mértéke a három görbe közül a TRIP acélnál a legnagyobb. A TRIP acélok a legjobban alakítható és legnagyobb szilárdságú acélok a három acélcsalád közül.
13. ábra: DP acélok, HSLA acélok, TRIP acélok jellemző szakítódiagramja A TRIP acélok különösen alkalmasak karosszériák szerkezeti elemeihez. Ütközés során az anyag deformálódik, energiát képes elnyelni, miközben a szilárdság a fázisátalakulások (azaz a maradék ausztenit szemcséknek martenzitté való alakulása) miatt megnövekszik. Különösen az oldalsó karosszéria elemek számára rendkívül előnyösek ezek az anyagok, mivel kellő védelmet nyújtanak ütközés során a járműben ülő utasok számára. TWIP (Twinning-Induced Plasticity: ikresedéssel előidézett képlékenységgel rendelkező) acélok Tevékenység: Jegyezze meg a TWIP rövidítés magyar és angol jelentését! Gyűjtse ki, majd saját szavaival jellemezze a TWIP acélok szerkezetét és tulajdonságait! Gyűjtse ki, majd saját szavaival fogalmazza meg, milyen jelenségek idézik elő a TWIP acéloknál képlékeny alakítás során a szilárdság növekedést! A TWIP acélok tekintélyes mennyiségű (17-24%) Mn ötvöző tartalmuk miatt szobahőmérsékleten is tisztán ausztenites szerkezetűek. Nagymértékű deformációra képesek, amely részben az ausztenites szerkezet miatt, részben pedig deformáció hatására a kristályszerkezetben az ún. ikerkristályok megjelenése miatt adódik. Az ikerkristályok határfelületei szilárdságnövelés szempontjából a szemcsehatárral azonos módon viselkednek. Az ikerkristályok határfelületeit is figyelembe véve a TWIP acélok szövetszerkezete rendkívül finomszemcséssé, esetenként már nanoszemcséssé is alakulhat, ahol a jellemző szemcseméretek 100 nm-nél kisebbek, és az ilyen szerkezet a szilárdság szempontjából a legkedvezőbb szövetszerkezet. Ezen túlmenően a TWIP acélok esetében kb. kétszer olyan hatékony szerepet játszik a terhelés hatására lejátszódó martenzites fázisátalakulás, mint a TRIP acélok esetében, és ez természetesen itt is erős szilárdságnövelő tényező. A szakítószilárdság a TWIP acéloknál az 1000 MPa értéket is meghaladhatja.
A Mn ötvöző mellett a TWIP acélok még 3% Al+Si ötvözőt is tartalmaznak. A tekintélyes mennyiségű ötvözők miatt a TWIP acélok fajsúlya is kisebb, mint a hagyományos acéloké, amely újabb járulékos haszon a járművek tömegcsökkentése szempontjából. Az ikresedésre való hajlamnak a TWIP acélok kristályszerkezetében az alábbi okai vannak:
A felületen középpontos köbös és a hexagonális kristályszerkezeteknél elméleti és kísérleti úton is kimutatták az ikerkristályok megjelenésére való hajlamot. Mivel a TWIP acélok ausztenites acélok, felületen középpontos köbös kristályszerkezetük van, tehát jellemző a szerkezetükre az ikerkristályok megjelenésére való hajlam. A Mn mellett az Al és Si ötvözők miatt kétféle martenzites átalakulásra van lehetőség a TWIP acéloknál. Az ausztenit először hexagonális martenzitté (ún. -martenzitté) alakul, csak későbbi fázisátalakulás során jön létre a végleges, jól ismert, térben középpontos kristályszerkezetű martenzit. Az első, - fázisátalakulás után a hexagonális martenzitnél még mindig jellemző az ikresedésre való hajlam.
Tevékenység: Figyelje meg a 14. ábrán a kristályszerkezet jelzett orientációját, jegyezze meg a szabályt! A 14. ábrán transzmissziós elektronmikroszkópos felvételeket látunk TWIP acélokban kimutatott ikerkristályokról. Figyelje meg, hogy a kristályorientáció az ikerkristályokat elválasztó határvonalak (piros vonalak a 14. ábrán) mentén megváltozik. A kristályszerkezet orientációja a határvonalra tükörszimmetrikus.
14. ábra: Ikerkristályok TWIP acélok szerkezetében
A TWIP acélok előnyei kiválóan hasznosíthatók a járműkarosszériákban. Az ütközéstesztek ezen anyagok esetében a legsikeresebbek, ezen kívül az alkalmazásukkal a tömegcsökkentés is számottevő. Ez az anyagcsalád jó példa a humán jólét és biztonság számára kifejlesztett új anyagokra.
Felhasznált irodalom
Tisza Miklós: Metallográfia, Miskolci Egyetem, 2002 Advanced High Strength Steel (AHSS), 2009, online: www.worldautosteel.org Multi Phase Twinning-Induced Plasticity (TWIP) Steel, 2011, online: http://www.keytometals.com/page.aspx?ID=CheckArticle&site=kts&NM=207 Ghasem Dini, Rintaro Ueji: Effect of Grain Size and Grain Orientation on Dislocations Structure in Tensile Strained TWIP Steel During Initial Stages of Deformation, Steel Research International, 83(4):374-378, 2012
Önellenőrző kérdések
1. kérdés WordForce Question:
Multiple_Response
2. kérdés Az alábbi megfogalmazást egészítse ki füzetében a hiányzó kifejezésekkel úgy, hogy a korszerű karosszériák szerkezetét helyesen jellemezze!
A mai korszerű autókarosszériák szerkezete összetett. A különböző terhelések elviselésére képes elemeket különböző szilárdságú, korszerű acélokból építik. WordForce Media:
Popup
3. kérdés Válassza ki, hogy az alábbi felsorolásból melyik írja le helyesen a Nádai-féle hatványtörvényt?
a) ’ = K n, ahol ’ a feszültség, a fajlagos nyúlás, K az ún. felkeményedési együttható, n pedig az ún. keményedési kitevő b) ’ = K -n, ahol ’ a valódi feszültség, a valódi nyúlás, K az ún. felkeményedési együttható, n pedig az ún. keményedési kitevő c) ’ = K n, ahol ’ a valódi feszültség, a valódi nyúlás, K az ún. felkeményedési együttható, n pedig az ún. keményedési kitevő
d) ’ = K -n, ahol ’ a valódi feszültség, a valódi nyúlás, K az ún. felkeményedési együttható, n pedig az ún. keményedési kitevő WordForce Question:
4. kérdés WordForce Question:
Multiple_Choice
Multiple_Choice
5. kérdés Az alábbi felsorolásból válassza ki, milyen jelenségek okozzák a martenzit fázis nagy szilárdságát (3at):
a) Ikerkristályok határainak a fázishatárokkal azonos szerepe van a szilárdságnövekedésben. b) Az ausztenit és a martenzit fajtérfogat különbsége és a kristálytani kötöttségek miatt nagymértékű alakváltozás megy végbe, amely a lágy állapotú ausztenit =106 cm-2 diszlokáció-sűrűségét az ausztenitben =1012 cm-2 nagyságrendre növeli. c) Nb, V, Al mikrorötvözők szemcsefinomító hatása. d) A karbon atomok környezetében a diffúzió nélküli átalakulás következtében a martenzit rácsban való bentrekedés miatti rácstorzulások. e) Az oldott karbonatomok által kiváltott oldódási szilárdságnövelő mechanizmus. WordForce Question:
Multiple_Response
6. kérdés WordForce Question:
Multiple_Choice
7. kérdés Az alábbi felsorolásból válassza ki az oldódási keményedést leíró helyes összefüggést:
a) =G2c, ahol az ötvözés hatására bekövetkező folyáshatár növekmény, G a súly, c az oldott ötvöző koncentrációja, pedig az ún. fajlagos ionátmérő különbség. b) =G2c, ahol az ötvözés hatására bekövetkező folyáshatár növekmény, G az alapanyag csúsztató rugalmassági modulusa, c az oldott ötvöző koncentrációja, pedig az ún. fajlagos ionátmérő különbség.
c) =G2c, ahol az ötvözés hatására bekövetkező folyáshatár növekmény, G az alapanyag csúsztató rugalmassági modulusa, c az oldott ötvöző koncentrációja, az -martenzit mennyisége. d) =G3c, ahol az ötvözés hatására bekövetkező folyáshatár növekmény, G az alapanyag csúsztató rugalmassági modulusa, c az oldott ötvöző koncentrációja, pedig az ún. fajlagos ionátmérő különbség. WordForce Question:
Multiple_Choice
8. kérdés WordForce Question:
Multiple_Choice
9. kérdés Az alábbi felsorolásból válassza ki a kiválásos keményedést leíró helyes összefüggést:
a) =G2c, ahol az ötvözés hatására bekövetkező folyáshatár növekmény G az alapanyag csúsztató rugalmassági modulusa, c az oldott ötvöző koncentrációja, pedig az ún. fajlagos ionátmérő különbség. b) =2Gc, ahol az ötvözés hatására bekövetkező folyáshatár növekmény, G az alapanyag csúsztató rugalmassági modulusa, c az oldott ötvöző koncentrációja, pedig az ún. fajlagos ionátmérő különbség. c) =G2c, ahol az ötvözés hatására bekövetkező folyáshatár növekmény, G az alapanyag csúsztató rugalmassági modulusa, c az oldott ötvöző koncentrációja, az martenzit mennyisége. d) =2G2 c, ahol az ötvözés hatására bekövetkező folyáshatár növekmény, G az alapanyag csúsztató rugalmassági modulusa, c az oldott ötvöző koncentrációja, pedig az ún. fajlagos ionátmérő különbség. WordForce Question:
Multiple_Choice
10. kérdés WordForce Question:
Multiple_Choice
11. kérdés
WordForce Question:
Multiple_Choice
12. kérdés Az alábbi megfogalmazást egészítse ki a hiányzó kifejezésekkel úgy, hogy a különböző kiválások tulajdonságait az acélok esetében helyesen jellemezze:
A diszperziós keményedéssel elérhető szilárdságnövekedés stabilitása attól függ, hogy a diszperz részecskék aránya a hőmérséklettel hogyan változik. Az Fe3C, Fe2N, Fe4N vegyületek mennyisége egy adott ötvözetben a hőmérséklet növekedésével csökken, azaz a vegyületek magasabb hőmérsékleten felbomlanak. Ez számos anyagnál túlöregedéshez és ennek következtében szilárdságcsökkenéshez vezet. Lényegesen stabilabb a diszperziós keményedés okozta szilárdságnövekedés az olyan ötvözők esetében, amelyeknél a diszperz részecskék aránya a hőmérséklet függvényében nem változik. Ilyen diszperz kiválások a SiO2 és az Al2O3, amelyek bizonyos fémekben oldhatatlanok. WordForce Media:
Popup
13. kérdés Az alábbi felsorolásból válassza ki a Hall-Petch összefüggés helyes leírását:
a)
ahol Rp a polikristályos anyag folyáshatára, R0 az egy szemcséből álló anyag folyáshatára, d a szemcseátmérő, k pedig anyagtól függő állandó.
b)
ahol Rp az egy szemcséből álló anyag folyáshatára, R0 a polikristályos anyag folyáshatára, d a szemcseátmérő, k pedig anyagtól függő állandó.
c)
ahol Rp az egy szemcséből álló anyag folyáshatára, R0 a polikristályos anyag folyáshatára, d a szemcseátmérő, k pedig anyagtól függő állandó.
d)
ahol Rp a polikristályos anyag folyáshatára, R0 az egy szemcséből álló anyag folyáshatára, d a szemcseátmérő, k pedig anyagtól függő állandó.
WordForce Question:
14. kérdés
Multiple_Choice
WordForce Question:
Multiple_Response
15. kérdés WordForce Question:
Multiple_Response
16. kérdés Az alábbi megfogalmazást egészítse ki füzetében a hiányzó kifejezésekkel úgy, hogy az alakíthatóság és a szilárdság viszonyát az acélok esetében helyesen jellemezze:
Az alakíthatóságot minden olyan változás rontja, amely a szilárdságot növeli. A karbontartalom növelése az alakíthatóságot a perlit mennyiségének növekedése miatt rontja. A többi ötvözőről általánosságban elmondhatjuk, hogy azok az ötvözők, amelyek az alapfémmel szilárd oldatot képeznek, kevésbé rontják az alakíthatóságot, mint amelyek kiválásos keményedéssel, tehát második fázis jelenlétével növelik a szilárdságot. WordForce Media:
17. kérdés WordForce Question:
Popup
Multiple_Response
18. kérdés Az alábbi megfogalmazást egészítse ki füzetében a hiányzó kifejezésekkel úgy, hogy a DP acélok speciális hőkezelését helyesen jellemezze:
Az xxx mezőben előre meghatározott ferrit/ausztenit arányt alakítanak ki: a kb. 10-20% finomszemcsés ausztenitet a jól alakítható ferrit szemcsék zárják körül. Az interkritikus hőmérséklet és a hőntartás helyes megválasztásával létrehozható a ferrit szemcsék közötti 10-20% ausztenit arány. Az interkritikus hőmérsékletről edzik az acélt, az edzés során az ausztenit szemcsékből martenzit keletkezik. WordForce Media: 19. kérdés WordForce Question:
Popup
Multiple_Response
20. kérdés Az alábbi megfogalmazást egészítse ki füzetében a hiányzó kifejezésekkel úgy, hogy a TRIP acélokban képlékeny alakítás hatására végbemenő szilárdságnövelő jelenséget helyesen jellemezze:
A TRIP acélokban a maradék ausztenit terhelésnövekedés hatására fokozatosan átalakul martenzitté, ezzel még tovább fokozza a szilárdságnövelő tendenciát. Ha kisebb a karbontartalom, akkor a maradék ausztenit a képlékeny alakításnál azonnal átalakul, ezzel gyorsítja és könnyíti a képlékeny alakítást. Nagyobb karbontartalom esetén a maradék ausztenit stabilabb, még a képlékeny alakítás után is megmaradhat valamennyi ausztenit hányad, amely nagyobb terheléseknél, esetleg ütközésnél fejtheti ki hasznos hatását. WordForce Media:
21. kérdés WordForce Question:
Popup
Multiple_Choice
22. kérdés Az alábbi megfogalmazást egészítse ki füzetében a hiányzó kifejezésekkel úgy, hogy a TWIP acélok rendkívüli szilárdságát és képlékenységét helyesen jellemezze:
Az ikerkristályok határfelületei szilárdságnövelés szempontjából a szemcsehatárral azonos módon viselkednek. Az ikerkristályok határfelületeit is figyelembe véve a TWIP acélok szövetszerkezete rendkívül finomszemcséssé alakulhat, amely a szilárdság szempontjából a legkedvezőbb szövetszerkezet. Ezen túlmenően a TWIP acélok esetében kb. kétszer olyan hatékony szerepet játszik a terhelés hatására lejátszódó martenzites fázisátalakulás, mint a TRIP acélok esetében, és ez természetesen itt is erős szilárdságnövelő tényező. WordForce Media:
23. kérdés WordForce Question:
Popup
Multiple_Response
2. lecke: Öntöttvasak és járműszerkezeti alkalmazásaik Cél A lecke célja a korszerű öntöttvasak szerkezetének, tulajdonságainak, különböző típusainak, fő alkalmazási területeinek megismerése. Követelmények Ön akkor sajátította el a tananyagot, ha képes: - felsorolni az öntöttvasak fő ötvözőit, - meghatározni a szürke- és a fehértöretű öntöttvasak jellemzőit, szövetszerkezetét, - össze tudja kapcsolni a Maurer- és a Greiner-Klingenstein-diagram megfelelő tartományait a nekik megfelelő szövetszerkezettel és szilárdsági jellemzőkkel, - felsorolni a szilárdságnövelés lehetőségeit öntöttvasak esetében, - felsorolni a különböző típusú öntöttvasakat, azok jellemzőit és alkalmazási területeit. Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 70 percre lesz szüksége. Kulcsfogalmak öntöttvas, fehértöretű öntöttvas, szürketöretű öntöttvas hipoeutektikus öntöttvas hipereutektikus öntöttvas Maurer-diagram Greiner-Klingenstein-diagram lemezgrafitos öntöttvas gömbgrafitos öntöttvas vermikuláris öntöttvas kéregöntvények temperöntvények túlhevítés, modifikálás 1. Bevezetés Tevékenység: Olvassa el a következő bekezdést és írja le jegyzetfüzetébe az öntöttvasak legfontosabb alkalmazási területeit. A klasszikus öntöttvas anyagok napjainkban a reneszánszukat élik. Az öntöttvasból változatos tulajdonságokkal rendelkező termékeket lehet előállítani, mely nagyban hozzájárult az alkalmazási területek kiszélesedéséhez. Az autóiparban az öntés elterjedten alkalmazott technológia, köszönhetően a termelékenységének, és hogy gyorsan, olcsón állíthatunk elő tömeggyártásban akár
bonyolult alkatrészeket is. A nagyszilárdságú gömbgrafitos, vagy acélöntvény alkatrészek helyettesíthetik az autóipari erőátviteli alkalmazásokban a korábban használt nemvas öntvényeket. A gépészmérnöki alkalmazásokban felfedezték a nagy merevségű és könnyű vasöntvények értékét a kovácsolt vagy hegesztett alkatrészek helyettesítésében is. A tananyag elsősorban az járműipari alkalmazásokra fókuszál, de emellett fontosnak tartja megemlíteni a vasöntvények egyéb mérnöki alkalmazási területeit is. Napjainkban a tipikus öntött alkatrészek az alábbiak:
a gépjármű motorok fő részei (motorblokk, főtengely, vezérműtengely, hajtórúd, henger, dugattyúgyűrű, stb.), a vasúti kerekek, a víz-, és gázszelepek, a szivattyúházak, a szivattyú járókerekek, a repülőgépek gázturbina-házai és a gázturbinák lapátjai használati tárgyak, szerelvények, stb.
Az 1. ábra egy négyütemű benzinmotor főbb részeit mutatja be, kiemelve közülük azokat az alkatrészeket, amelyek anyaga öntöttvas is lehet. Tevékenység: Jegyzetfüzetébe gyűjtse ki az 1. ábra alapján azokat a motor alkatrészeket, amelyek alapanyag öntöttvas is lehet! Keressen további öntöttvas motor alkatrész, vagy járműalkatrész alkalmazási példát az interneten.
1. ábra Egy négyütemű benzinmotor metszete a főbb alkatrészeivel [6] 2. Öntöttvasak osztályozása 2.1 Vasötvözetek felosztása Tevékenység: Korábbi tanulmányi alapján ismételje át a vas-karbon egyensúlyi diagramról tanult ismereteket. Tanulja meg ábrázolni a vas-karbon ikerdiagramot és a vasötvözetek felosztását a karbontartalom alapján. A vasötvözetek, köztük az öntöttvasak tárgyalásánál is kitüntetett szerepe van a vas-karbon egyensúlyi diagramnak (2. ábra). A vas-karbon ötvözetek egyensúlyi kristályosodása eredményeként metastabil, illetve stabil rendszer jöhet létre. A két diagramnak egy koordináta rendszerben való ábrázolását (un. ikerdiagram) a kidolgozóiról Heyn-Charpy diagramnak nevezték el. Tevékenység: Rajzolja le a jegyzetfüzetébe a 2. ábrán látható Heyn-Charpy-féle ikerdiagramot és tanulja meg a jellemző átalakulási hőmérsékletekkel és karbon koncentrációkkal együtt.
2. ábra A Heyn–Charpy-féle Fe–C ikerdiagram és a hozzá tartozó szövetdiagram, valamint a diagram jellemző pontjainak koordinátái A szaggatott vonal jelzi a stabil rendszer kialakulását, amelyben a karbon grafit formájában (elemi karbon) kritályosodik. Folyamatos vonallal jelzett diagramban a metastabil Fe- Fe3C rendszer jön létre. Jelentős különbséget jelent a két rendszer között a maximális karbon tartalom, ami a grafitos rendszer esetén 100%-ig mehet, a karbidos rendszernél viszont a vízszintes tengely 0%-tól a Fe3C vegyület C-tartalmáig, azaz 6,678%-ig ér. A karbon tartalom alapján történő felosztás szerint a 2,06%-nál kisebb C-tartalmú ötvözeteket acéloknak nevezzük, az ennél nagyobb C-tartalmú ötvözetek pedig a nyersvasak, illetve öntöttvasak. Az Fe-C ötvözetek, beleértve az acélokat és a nyersvasakat is alapvetően karbidosan kristályosodnak. További felosztással a 0,8% karbontartalom alatti acélokat hipoeutektoidos, e felettieket hipereutektoidosnak nevezzük. Hasonló logikával 4,26 % karbontartalom alatt hipoeutektikumos, e felett pedig hipereutektikumos öntöttvasakról beszélünk. A gyakorlatban a hipoeutektikumos öntöttvasakat alkalmazzák, a hipereutektikumos öntöttvasak kedvezőtlen tulajdonságaik miatt nem használatosak. 2.2 Vasötvözetek kristályosodása Tevékenység: gyűjtse ki, milyen ötvözőket tartalmaznak az öntöttvasak, olvassa el, majd saját szavaival fogalmazza meg a szürke- és a fehértöretű öntöttvas definícióját, a szövetszerkezetükre jellemző szövetelemeket.
Az öntészeti ötvözetek közül az öntöttvas a legolcsóbb. Az öntvényeknek több mint 70%-a öntöttvasból készül. Az öntöttvasak karbontartalma rendszerint 2-4,5% között váltakozik. Szinte mindig tartalmaznak szénen kívül szilíciumot, mangánt, foszfort és ként, ezért csak azokat az öntöttvasakat tekintjük ötvözötteknek, amelyek a fentieken kívül még egyéb ötvözőket, pl.: Cr, Ni, Mo, W és Ti-t is tartalmaznak. Ha az öntöttvas lassan hűl le, akkor a stabilis Fe-C állapotábra szerint grafit válik ki. Az ilyen öntöttvasak törete a grafit sötétszürke színe miatt szürke, ezért a lassan hűtött öntöttvasakat szürke öntvényeknek (szürke öntöttvasaknak) nevezzük. A gyorsan hűtött öntöttvas a metastabilis állapotábra szerint kristályosodik. Törete tehát fémes, mivel benne a szén ezüstös színű cementit (vaskarbid, Fe3C) alakban van jelen, ezért gyorsan hűtött öntöttvasakat fehér öntöttvasnak nevezzük. A lassan hűtött hipoeutektikus öntöttvas szövetszerkezetében primér grafitot és grafit eutektikumot és szekunder grafitot, a hipereutektikus öntöttvasban pedig primér grafitot és grafit eutektikumot találunk. A gyorsan hűtött öntöttvas szövetszerkezete mindig tartalmaz ledeburitot és perlitet (hipoeutektikus), ill. primér cementitet (hipereutektikus). Az olyan öntöttvasat, amely tartalmaz grafitot és cementitet (ledeburitot) is, feles öntöttvasnak nevezzük. A feles öntöttvas átmenet a fehér és a szürke öntöttvas között. Rendszerint a gyorsan hűtött öntvényekben a felülettől bizonyos távolságban képződik, ahol a hűlési sebesség kisebb, mint ami a tiszta fehér öntöttvas képződéséhez szükséges, de nagyobb, mint a szürke öntöttvasé. Az öntöttvasak kristályosodásának és átalakulásának lehetséges módjait és az ez alapján kialakuló szövetelemeket az 1. táblázat foglalja össze.
A HŰTÉS SEBESSÉGE
KRISTÁLYOSODÁS
ÁTALAKULÁS
SZÖVETELEMEK
karbidos
karbidos
lédeburit+perlit
karbidos+grafitos
karbidos
lédeburit+grafit+perlit
grafitos
karbidos
grafit+perlit
grafitos
karbidos+grafitos
grafit+ferrit+perlit
grafitos
grafitos
grafit+ferrit
1. táblázat Az öntöttvasak kristályosodásának és átalakulásának lehetséges módjai és az ez alapján kialakuló szövetelemek A karbon, a szilícium, és a lehűlési sebesség hatását az úgynevezett öntöttvas diagramokban foglalják össze. A Maurer diagram a karbon és szilíciumtartalom alapján mutatja be az öntöttvas szövetszerkezetét olyan kísérletek eredményeként, ahol azonos átmérőjű darabokon végezte a vizsgálatokat, tehát nem veszi figyelembe a hűtési sebesség hatását. 2.3 Vasötvözetek kristályosodása a Maurer diagram alapján Tevékenység: vázolja fel, tanulja meg a Maurer-diagramot, gyűjtse ki és jegyezze meg a különböző tartományoknak megfelelő jellemző szövetelemeket és szilárdságokat, olvassa el, majd saját szavaival fogalmazza meg, mi a szerepe a Si ötvözőnek az öntöttvasakban. Az öntöttvasak szövetszerkezetének kialakulását az ötvöző elemek is befolyásolják. Legnagyobb hatása a szénen kívül a szilíciumnak van. A C és Si hatását az öntöttvas szilárdságára a Maurerdiagram ábrázolja, amelyet a 3. ábrán láthatunk. A diagramon az elkülönített tartományok különböző szakítószilárdságú öntöttvasakat jelölnek. Tevékenység: olvassa le a Maurer-diagramról, milyen a szakítószilárdsága annak az öntöttvasnak, amelynek Si-tartalma 3%, C-tartalma pedig 4% olvassa le, milyen a szakítószilárdsága annak az öntöttvasnak, amelynek Si-tartalma 1,3%, C-tartalma pedig 2,7%
3. ábra: Maurer-diagram : a szürkevas szakítószilárdsága a C és Si-tartalomtól függvényében, A Maurer-diagramról a különböző szövetszerkezetek alakulása is leolvasható a C- és Si-tartalom függfényében, lásd 4. ábra. Tevékenység: Rajzolja le a füzetébe a Maurer diagramot és jelölje be rajta a különböző szövetszerkezet tartományokat. Olvassa le a Maurer-diagramról, milyen szövetszerkezete van annak az öntöttvasnak, amelynek Si-tartalma 3%, C-tartalma pedig 4%. Olvassa le, milyen szövetszerkezete van annak az öntöttvasnak, amelynek Si-tartalma 1,3%, C-tartalma pedig 2,7%.
4. ábra: Maurer-diagram : A szürkevas szövetszerkezete a C és Si-tartalomtól függvényében A Si az eutektikus pontot a magasabb hőmérsékletek és a kisebb szénkoncentrációk felé tolja el. A szén oldódását csökkenti a folyékony és szilárd vasban és ezzel a grafit kiválását idézi elő. A Si hatására csökken a dermedési hőköz, a szolidusz és a likvidusz távolsága, ami a jobb önthetőséget eredményezi. Az öntvények kristályosodásának menete, a grafitképződés mértéke a szén és a szilícium mennyiségének változtatásával irányítható. 2.4 Vasötvözetek kristályosodása a Greiner-Klingenstein diagram alapján Technológiai szempontból a Greiner-Klingenstein diagram (lásd 5. ábra) jobban hasznosítható, mint a Maurer-diagram, mert a szövetelemeket a C+Si és az öntvény falvastagságának (hűlési sebességének) függvényében tünteti fel. A diagramon a római számokkal jelzett tartományok jelentése megegyezik a Maurer-diagramon ismertetett tartományok jelentésével.
Tevékenység: Rajzolja le a füzetébe a Greiner-Klingenstein diagramot és jelölje be rajta a különböző szövetszerkezet tartományokat. Olvassa le a Greiner-Klingenstein -diagramról, milyen szövetszerkezete van annak az öntöttvasnak, amelynek Si-tartalma 2%, C-tartalma 3 %, az öntvény falvastagsága pedig 30, illetve 60 mm.
5. ábra Greiner Klingenstein diagram 2.5 Ötvözők hatása az öntöttvasakban Tevékenység: gyűjtse ki és tanulja meg, mi a hatása a Mn, P, Al, Cr, Ni, Cu ötvözőknek az öntöttvasakban, jegyezze meg az összetételnek az önthetőségre (zsugorodás) való hatását. A mangán hatása a szilíciuméval ellentétes a grafitképződést gátolja, karbidképző elem. Ellensúlyozására, ha szürke öntöttvasat akarunk gyártani, több Si-t kell adagolni. A kén grafitképződést gátló elem, a Mn-t szulfid alakjában leköti, és azzal zárványokat képez. Az öntöttvas hígfolyósságát erősen lerontja. A jó minőségű öntöttvasakban legfeljebb 0,1% kén engedhető meg. A foszfor az öntöttvasban kb. 0,3% mennyiségben oldódik, 0,3%-nái nagyobb P tartalom esetében vasfoszfidból (Fe3P), cementitből (Fe3C) és szilárd oldatból (Fe-C-P) álló hármas foszfid eutektikum, ún. steadit képződik. Ez utoljára dermed meg és így a krisztallitok határán fészkekben vagy hálószerűen helyezkedik el. A foszfor az öntöttvas hígfolyósságát, formakitöltő képességét növeli, ezért vékonyfalú öntvények, szobrok öntésekor nagyobb (0,4-0,8%) P-tartalmú öntöttvasakat használnak. A foszfor az öntöttvas szilárdsági tulajdonságait rontja, rideggé teszi, de növeli a
kopásállóságát. Ezért dugattyúgyűrűk, vasúti féktuskók anyagát gyakran ötvözik néhány tized % foszforral. Az öntöttvas szilárdságát az ötvözők lényegesen nem növelik, ellenben hőállóságát és korrózió állóságát egyes ötvözök jelentősen javítják. Hőállóságát az Al, Cr és Si növeli. A 20-24% Al-lal ötvözött öntöttvas kiváló hőállósága következtében kemence kazánajtók készítésére használható. Korrózió állóságát a Ni, Cr és Cu növeli. Az öntöttvasak öntészeti tulajdonságait az összetétel erősen befolyásolja. Optimális híg- folyóssága, a legjobb formakitöltő képessége az eutektikumos összetételű vasnak van. Az eutektikus ponttól eltérő összetételű, nagy hőmérséklet közben dermedő öntöttvasak dendrites kristályosodásra hajlamosak, és ezért a hígfolyósságuk is rosszabb. A szürke öntöttvas zsugorodása sokkal kisebb, mint a fehér öntvényeké, mivel a grafitkiválást térfogat növekedés kíséri. A szürke öntöttvas zsugorodása 0,5-1, 2%, a fehér öntöttvasé pedig 1,5-2,0%. A kisebb zsugorodási tényező azt jelenti, hogy dermedéskor kisebb szívódási üregek keletkeznek. A fehér öntöttvas kemény, rideg, könnyen törik, nem forgácsolható, így szerkezetekben, ahol bizonyos mértékű szívósság is követelmény, néhány kivételtől eltekintve nem használják. Alkalmazás esetén törekednek arra, hogy csak az öntvény felülete, kérge legyen fehér töretű, magja pedig szürke. Az ilyen öntvényeket kéregöntvényeknek nevezzük. 2.6 Öntöttvasak tulajdonságai Szürkeöntvények: lemezgrafitos, gömbgrafitos és vermikuláris öntöttvas Tevékenység: jegyzetelje ki és jegyezze meg a szürkeöntvények tulajdonságait, olvassa el, majd saját szavaival fogalmazza meg, mi a különbség az acél és a szürke öntöttvas szövetszerkezete között, olvassa el, majd saját szavaival fogalmazza meg, milyen értékes tulajdonságokkal jár a grafit jelenléte az öntöttvasban. A szürke öntöttvas szövetszerkezete az acél szövetszerkezetétől csak annyiban tér el, hogy a perlit mellett grafitot is tartalmaz. A grafit mennyisége az öntöttvasban 2-3 súlyszázalék, figyelembe véve fajsúlyát kb. 10 térfogatszázalék. A grafit lehetséges eloszlását és lemezes alakját a 6. ábra szemlélteti.
6. ábra: A grafit eloszlása lemezes szerkezetben a szürkeöntvényben A grafit szilárdsága csak kb. 120 N/mm2. A grafit azonban nemcsak térfogatával arányos százalékban csökkenti az öntöttvas szilárdságát, hanem a grafitlemezkék, mint bemetszések ridegítik az alapszövetet. A szürke öntöttvas szívóssága a grafit jelenléte miatt kicsi. A szürke öntöttvas csaknem nyúlás nélkül, ridegen törik. Szakítószilárdsága 150-300 N/mm2. A grafit jelenléte azonban több olyan értékes tulajdonságot biztosít a szürkeöntvényeknek, amelyek szerkezeti anyagként való felhasználásakor előnyt jelentenek. Ilyen tulajdonságok pl.: A kis rovás érzékenység: Az öntöttvasak külső bemetszésekkel szemben nem érzékenyek. A sima és bemetszett próbatestek kifáradási határa közel azonos. Az igen jó rezgéscsillapító képesség: A szürke öntöttvas egyike a legjobb rezgéscsillapító anyagoknak. A rezgéseket az alapanyagba ágyazott grafit lemezek veszik fel. Ezért szerszámgépállványok, motorok alkatrészéül kiválóan felhasználhatók. A nagy nyomószilárdság. A jó kopásállóság. A grafit kenőanyag tároló hatást fejt ki. A kopásállóság szempontjából a perlites alap a legmegfelelőbb. A foszfid eutektikum jelenléte a kopásállóságot fokozza. Ennek következtében a szürke öntöttvas igen alkalmas kopásnak kitett részek, csapágyak, hengerperselyek, féktuskók stb. gyártására.
Forgácsolással jól megmunkálhatóak.
Tevékenység: olvassa el, majd saját szavaival fogalmazza meg, milyen módszerekkel növelhető az öntöttvas szilárdsága, jegyzetelje ki, tanulja meg, milyen módszerekkel érik el a finom eloszlású grafit kiválásokat, jegyzetelje ki, tanulja meg, milyen alakzatokban fordulhatnak elő a grafit kiválások az öntöttvas szerkezetében. Az öntöttvas szilárdsága ötvözéssel a lemezes grafit jelenléte miatt lényegesen nem javítható. Ezért az ipari gyakorlatban szilárdság növelése céljából az öntöttvasakat nem ötvözik. Az öntöttvas szilárdsága növelhető a perlit mennyiségének növelésével. A tisztán perlites alapszövetű öntöttvasak szilárdsága a legnagyobb. Az öntöttvas szövetszerkezetének szabályozására legegyszerűbb módszer a C- és Si-tartalom megfelelő beállítása. Az öntöttvasak szakító szilárdságának értékeit a szén- és szilícium-tartalom függvényében a korábban ismertetett Maurer diagram szemlélteti (lásd 3-4. ábra). Az öntöttvasak szilárdságnövelésének lehetőségei Az öntöttvasak homogén perlites alapszövete hőkezeléssel is beállítható. Az öntöttvas edzhető. Nemesítéssel tetszés szerinti finomlemezes perlit létrehozható. A nemesítés a szilárdság mellett különösen a kopásállóságot javítja. Edzéskor azonban a lemezes grafit repedéseket okozhat, ezért a hevítés és hűtés sebességet, a hűtőközeget gondosan kell megválasztani. Az öntöttvasakat csak ritkán nemesítik, akkor is a kopásállóság növelése céljából, így pl. a hengerperselyeket, dugattyúgyűrűket. Az öntöttvasak szilárdsági tulajdonságainak javítása elsősorban a grafit alakjának, méreteinek, eloszlásának és mennyiségének szabályozásával lehetséges. Az ipari gyakorlatban használatos módszerek a következők: A folyékonyvas túlhevítése kb. 100°C-kal. A túlhevítés nagyon sok folyadékban meglevő grafit csirát oldatba visz. Ezzel nő az öntöttvas túlhűthetősége, ill. csökken a grafit kristályosodásának hőmérséklete. Az alacsonyabb hőmérsékleten kristályosodó grafit finomabb, apróbb lesz. A modifikálás a grafit eloszlás finomításának igen hatásos módja. A modifikálás művelete abból áll, hogy a folyékony öntöttvashoz közvetlenül csapolás után FeSi-ot és CaSi-ot (kálciumszilicid) adagolnak az üstbe. Ezek, mint kristályosodási középpontok, növelik a kristálycsirák számát, így a grafit finom kristályok alakjában válik ki. Modifikálással az öntöttvas szilárdsága jelentősen fokozható. Az elérhető szakítószilárdság 300-380 N/mm2. Lényeges nyúlása és képlékenysége azonban a modifikált öntöttvasnak nincs.
Nagyobb szilárdság és főleg nagyobb nyúlás érhető el a grafit alakjának megváltoztatásával. Ha a folyékony öntöttvashoz közvetlenül az öntés előtt néhány tized százalék magnéziumot vagy céziumot adagolunk, akkor a grafit lekerekített élű lemezkék, vagy gömbszerű alakban kristályosodik (lásd 7. ábra). A grafitot gömbszerű szemcsékben tartalmazó öntöttvasat gömbgrafitos öntöttvasnak nevezzük. A grafitot lekerekített élű lemezkék formájában tartalmazó öntöttvasat vermikuláris, vagy átmeneti öntöttvasnak nevezzük, mivel a grafitnak ez a fajta megjelenése átmenet a lemezes és a gömbszerű megjelenési forma között.
7. ábra: A gömbgrafit (bal felső ábra) és átmeneti alakjai A gömbgrafitos öntöttvas szilárdsági tulajdonságai a szürke öntöttvasét lényegesen felülmúlják. Szakítószilárdsága 400-600 N/mm2, nyúlása 2-10%, ütőmunkája 30-100 mN/cm. Szilárdsági tulajdonságai nemesítéssel, edzéssel és megeresztéssel még tovább javíthatók. A gömbgrafitos öntöttvas folyási határa kedvezően nagy. Míg a szénacélok folyáshatára R e0,2 = (0, 50,6)Rm , addig a gömbgrafitos öntöttvasaké Re0,2 = (0, 7- 0, 8)Rm . A gömbgrafitos öntöttvas kopásállósága igen jó, jobb, mint a szürke öntvényeké, rezgéscsillapító képessége azonban kisebb. A gömbgrafitos öntöttvas jól önthető. Zsugorodása nagyobb, mint a szürke öntöttvasaké, ezért a szívódási üregek is nagyobbak. Formázása nagyobb figyelmet igényel. Az öntvény vastagabb részeinél megfelelő méretű felöntéseket, tápfejeket szükséges alkalmazni.
Kiválóan alkalmazható belsőnyomásra igénybevett öntvények (szelepházak), nagy folyáshatárú és némileg szívós géprészek kopásnak kitett gépalkatrészek (fogaskerekek, kapcsolók, csapágyak, perselyek stb.) ismétlődő igénybevételnek kitett alkatrészek (forgattyús-tengelyek) készítésére. 2.7 Kéregöntvények Tevékenység: gyűjtse ki és jegyezze meg, milyen módszerekkel alakítják ki a kéregöntvényeknél a kemény, kopásálló kérget, milyen szövetszerkezet keletkezik. A kéregöntvények felülete cementites, ledeburitos szerkezetű, belseje, magja pedig szürketöretű. A felületén levő cementites, ledeburitos réteg az öntvény keménységet, kopásállóságát, magja pedig szívósságát biztosítja. A cementites-ledeburitos réteget gyors hűtéssel hozzák létre. Pl. fémformáknak, hűtővasaknak a formába való beépítésével. A kéregöntéssel készítik az egyes kisebb igénybevételnek kitett csillekerekeket, műanyagipari, malomipari, acélműi hengereket. A 8. ábrán szemléltetjük a kéregöntésű henger átmérője mentén mért keménységi értékeket. Tevékenység: olvassa le a diagramon mutatott példán, milyen kéregvastagságban haladja meg a keménység a 400 HB értéket.
8. ábra Keménységeloszlás kéregöntésű öntvényekben (Fig_6) A kéreg az átmeneti réteg és a szürke mag lehűléskor különbözőképpen zsugorodik, és így a különböző zsugorodásból jelentős feszültségek maradnak vissza az öntvényben. A hűtés körülményeit igen körültekintően kell megválasztani, nehogy a visszamaradó feszültségek következtében az öntvény megrepedezzen. 2.8 Temperöntvények Tevékenység: olvassa el, majd saját szavaival fogalmazza meg a temperáló hőkezelés definícióját,
jegyzetelje ki, tanulja meg, milyen összetételű öntöttvasak temperálhatók, olvassa el, majd saját szavaival fogalmazza meg a temperöntvények tulajdonságait.
Ha a cementites, fehér töretű öntöttvasat huzamosabb ideig kellően magas hőmérsékleten izzítjuk, akkor annak cementitje elbomlik és a stabilis Fe-C állapotábra szerint grafit válik ki. Ezt a magas hőmérsékleten (kb. 1000°C) végzett hőkezelést temperálásnak, az Fe3C bomlásból keletkezett grafitot temperszénnek és az ilyen módon hőkezelt öntvényt pedig temperöntvénynek nevezzük. A temperálás célja tehát a fehér öntöttvas lágyítása. A kivált grafit csomós vagy gömb alakú, és így a fémes alapanyag teherbírását és szívósságát kevésbé csökkenti, mint a szürkevasban levő lemezes grafit. A tempervas kismértékben szívós és alakítható. A temperöntvényeket jó mechanikai tulajdonságai és könnyű megmunkálhatóságuk következtében a gépiparban, járművek építésében elterjedten használják. Elsősorban apróbb, vékonyfalu öntvények, csőösszekötő idomdarabok, szerelvények, gépkocsik, vagonok stb. alkatrészek anyagául kiválóan alkalmas. Ezen kívül jó kopásállóak, így perselyek, csúszó alkatrészek készítéséhez is felhasználhatók. Az összes öntvénytermelés 4-6% temperöntvény. A temperöntvény összetételét úgy kell megválasztani, hogy öntés után a formában fehéren dermedjen meg. Szövete a dermedés után perlitből és ledeburitból álljon, ne tartalmazzon primer grafit kiválásokat. Ez csak akkor biztosítható, ha a temperöntvény kevés szenet és kevés szilíciumot tartalmaz. Széntartalma általában nem több mint 2,4-3,0%, szilíciumtartalma pedig 0,5-1,2%. Tehát minimális szén- és szilíciumtartalomra kell törekedni, hogy a primer grafit kiválást megakadályozzuk. Az ilyen kis C, és Si tartalmú öntöttvas a szürkevasnál rosszabban önthető. Hígfolyóssága kicsi, erősen zsugorodik, szívódásra és melegrepedésre hajlamos. Zsugorodása 2%. Ezért formázáskor a vastagabb öntvényrészek szívódását megfelelő méretű nyitott vagy zárt tápfejekkel kell meggátolni, az éles sarkokat le kell kerekíteni. Az éles sarkok külső felülete gyorsan lehűl, gyorsan dermed, ezért a belső sarkok közelében, az utoljára megdermedt részekben gyűlnek össze a szennyezők. Az utoljára megdermedt rész kisebb melegszilárdságú, mivel az alacsony olvadáspontú szennyezők főként a krisztallithatárok mentén szilárdulnak meg. Ez a szennyezett rész sok esetben a zsugorodásból eredő feszültségeknek nem tud ellenállni és megreped. Felhasznált irodalom: Irodalomjegyzék 1. Dr.-Ing. Jörg C. Sturm, Dipl.-Ing. Guido Busch, "Cast iron - a predictable material”: New capabilities in casting process simulation to assess iron casting production and properties, World Foundry Congress, Hangzhou, China in October 16-20, 2010., 2. Kardos Ibolya, Digitális képfeldolgozás és színes metallográfia alkalmazása gömbgrafitos öntöttvasak szövetszerkezetének jellemzésére, doktori értekezés, Miskolc, 2009 3. Dr. Hári László: Anyagszerkezettan és anyagvizsgálat, 2013, 4. Danyi József, Végvári Ferenc: Gépjárműgyártás, Fenntartás, egyetemi tananyag, Typotex Kiadó, 2011, ISBN 978-963-279-654-3
5. Elliott, R., Cast Iron Technology, Butterworth &Co. (Publishers) Ltd., ISBN: 9781483192307, 1988 6. Yamagata, H.: The Science and Technology of Materials in Automotive Engines, Woodhead Publishing, ISBN :9781855737426, 2005 7. Balla Sándor, Dr. Bán Krisztián, Dr. Dömötör Ferenc, Dr. Kiss Gyula, 8. Dr. Markovits Tamás, Vehovszky Balázs, Dr. Pál Zoltán, Weltsch Zoltán: Járműszerkezeti anyagok, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, 2011 Önellenőrző kérdések: 1. Az alábbi felsorolásból válassza ki a helyes megoldást, milyen ötvözőket tartalmaznak az öntöttvasak minden esetben? C, Si, Ni Mn, P, Cr Ni, Cr, Si Si, Mn, C 2. Válassza ki a helyes megoldásokat (2). Milyen jellemzők érvényesek a szürke és a fehér öntöttvasakra? Ha az öntöttvas lassan hűl le, akkor a stabilis Fe-C állapotábra szerint grafit válik ki. A lassan hűtött öntöttvasakat szürke öntvényeknek nevezzük. A gyorsan hűtött öntöttvas a metastabilis állapotábra szerint kristályosodik, a szén Fe3C alakban van jelen, a gyorsan hűtött öntöttvasakat fehér öntöttvasnak nevezzük. Ha az öntöttvas gyorsan hűl le, akkor a stabilis Fe-C állapotábra szerint grafit válik ki. A lassan hűtött öntöttvasakat szürke öntvényeknek nevezzük. A lassan hűtött öntöttvas a metastabilis állapotábra szerint kristályosodik, a szén Fe3C alakban van jelen, a gyorsan hűtött öntöttvasakat fehér öntöttvasnak nevezzük. 3. Válassza ki a helyes megoldást, milyen szövetelemek fordulnak elő a hipereutektikus fehér öntöttvasak szövetszerkezetében? primér grafit és grafit eutektikum primér grafit és grafit eutektikum ledeburit, perlit és cementit ledeburit és perlit 4. Válassza ki a helyes megoldást, mit mutat a Maurer-diagram? Az öntöttvasak szövetszerkezetét a C- tartalom változása szerint. Az öntöttvasak szövetszerkezetét Si- tartalom változása szerint. Az öntöttvasak szövetszerkezetét a C és Si ötvöző tartalom változása szerint.
Az öntöttvasak szövetszerkezetét a Cu és Si ötvöző tartalom változása szerint.
5. Az alábbi felsorolásban rendezze össze a Maurer-diagram különböző tartományainak megfelelő szövetszerkezeteket.
(Fig_kérdés_5.jpg) Írja megfelelő római szám jelöléseket (I, IIa, II, IIb, III) az alábbi felsorolásban a megfelelő helyre: Grafit, perli, ferrit: IIb Grafit, perlit: II Grafit, ferrit: III Ledeburit, perlit, grafit: IIa Ledeburit, perlit: I 6. Válassza ki a helyes megoldásokat (3), mi a hatása a Si ötvözőnek az öntöttvasakban? Grafit kiválást idézi elő Cementit kiválást idézi elő Rontja az önthetőséget Javítja az önthetőséget A grafitképződés mértékét befolyásolja A cementit kiválás mértékét befolyásolja 7. Válassza ki a helyes megoldást, mi a hatása a Mn ötvözőnek az öntöttvasakban? Grafit kiválást idézi elő Cementit kiválást idézi elő A grafitképződés mértékét befolyásolja Hőállóságot erősen javítja 8. Válassza ki a helyes megoldásokat (3), mi a hatása a P ötvözőnek az öntöttvasakban?
Javítja az önthetőséget Szívóssá teszi az öntöttvasat Szilárdságnövelő Kopásállóságot javítja Kopásállóságot rontja
9. Válassza ki a helyes megoldást, mely ötvözők javítják az öntöttvas hőállóságát? Al, Cr, Si P, Cr, Si Mn, Cr, Si Cu, Cr, Si 10. Válassza ki a helyes megoldást, mely ötvözők javítják az öntöttvas korrózióállóságát? Al, Cr, Cu Si, Cr, Cu Mn, Cr, Cu Ni, Cr, Cu 11. Válassza ki a helyes megoldást, hogyan befolyásolja az összetétel a zsugorodást az öntöttvasak öntésénél? A grafitkiválást térfogatcsökkenés kíséri, ezért a szürke öntöttvas zsugorodása sokkal kisebb. A grafitkiválást térfogat növekedés kíséri, ezért a szürke öntöttvas zsugorodása sokkal kisebb. A cementitkiválást térfogatcsökkenés kíséri, ezért a szürke öntöttvas zsugorodása sokkal kisebb. A cementitkiválást térfogat növekedés kíséri, ezért a szürke öntöttvas zsugorodása sokkal kisebb. 12. Válassza ki a helyes megoldást, mi a különbség az acél és a szürke öntöttvas szövetszerkezete között? A szürke öntöttvas a perlit mellett tartalmaz grafitot is. A szürke öntöttvas a martenzit mellett tartalmaz grafitot is. A szürke öntöttvas a cementit mellett tartalmaz grafitot is. A szürke öntöttvas a perlit mellett tartalmaz cementitet is. 13. Válassza ki a helyes megoldásokat (2), mely jellemzők igazak a grafitra? mennyisége az öntöttvasban kb. 10 térfogatszázalék mennyisége az öntöttvasban kb. 2-3 térfogatszázalék szilárdsága csak 120 N/mm2
szilárdsága csak 240 N/mm2
14. Válassza ki a helyes megoldásokat (5), milyen értékes tulajdonságokkal jár a grafit jelenléte az öntöttvasban? ridegség szívósság kis rovás érzékenység nagy szakítószilárdság jó elektromos vezetés jó rezgéscsillapító képesség nagy nyomószilárdság jó törési szilárdság jó kopásállóság jó forgácsolhatóság 15. Válassza ki a helyes megoldásokat (4), mely szilárdságnövelő módszereket szokás használni öntöttvasaknál? grafit mennyiségének növelése martenzites szerkezet beállítása a C és Si arányok helyes megválasztásával perlites szerkezet beállítása a C és Si arányok helyes megválasztásával diszperz grafit kiválások előidézése nemesítéssel mikroötvözők hozzáadása nitridálás túlhevítés, modifikálás grafit alakjának megváltoztatása 16. Válassza ki a helyes megoldást, hogyan hoznak létre gömbgrafitos és vermikuláris öntöttvas szerkezetet? lágyító hőkezeléssel képlékeny alakítással öntés előtt néhány tized százalék magnéziumot vagy céziumot adagolnak Si ötvözésével 17. Válassza ki a helyes megoldást, milyen formában van jelen a grafit a vermikuláris öntöttvasakban? lemezekben gömbszerű kiválásokban réteges szerkezetben
lekerekített élű lemezkék formájában
18. Válassza ki a helyes megoldásokat (2), mely tulajdonságokkal jellemezhető a gömbgrafitos öntöttvas? szakítószilárdsága lényegesen nagyobb, mint a szürke öntöttvasé folyáshatára kisebb, mint a szürke öntöttvasé kopásállósága jobb, mint a szürke öntöttvasé rezgéscsillapító képessége jobb, mint a szürke öntöttvasé önthetősége jobb, mint a szürke öntöttvasé 19. Válassza ki a helyes megoldást, milyen a szerkezete a kéregöntvényeknek? Felülete kopásálló cementites, ledeburitos, magja szívós, szürkegrafitos öntöttvas Felülete kopásálló grafitos, ledeburitos, magja szívós, cementites fehér öntöttvas Felülete szívós, grafitos ledeburitos, magja cementites, ledeburitos öntöttvas Felülete szívós cementites, ledeburitos, magja szürkegrafitos öntöttvas 20. Válassza ki a helyes megoldást, hogyan alakítják ki a kéregöntvények változó szerkezetét? A szívós, grafitos kérget gyors hűtéssel alakítják ki A cementites, ledeburitos kérget gyors hűtéssel alakítják ki A cementites, ledeburitos kérget lassú hűtéssel alakítják ki A szívós, grafitos kérget lassú hűtéssel alakítják ki 21. Az alábbi felsorolásból válassza ki a temperáló hőkezelés definícióját: Magas hőmérsékleten (kb. 1000°C) végzett hőkezelés, amely során az acélt huzamosabb ideig izzítják, annak cementitje elbomlik és a stabilis Fe-C állapotábra szerint grafit válik ki. Magas hőmérsékleten (kb. 1000°C) végzett hőkezelés, amely során a fehér töretű öntöttvasat rövid ideig izzítják, annak cementitje elbomlik és a stabilis Fe-C állapotábra szerint grafit válik ki. Magas hőmérsékleten (kb. 1000°C) végzett hőkezelés, amely során a fehér töretű öntöttvasat huzamosabb ideig izzítják, annak cementitje elbomlik és a stabilis Fe-C állapotábra szerint grafit válik ki. Magas hőmérsékleten (kb. 1000°C) végzett hőkezelés, amely során a fehér töretű öntöttvasat huzamosabb ideig izzítják, annak grafitja elbomlik és cementit válik ki. 22. Válassza ki a helyes megoldást, milyen összetételű öntöttvasak temperálhatók? A széntartalom általában több mint 2,4-3,0%, a szilíciumtartalom pedig 0,5-1,2%. Grafit kiválásokat tartalmazó öntöttvasak. Primer grafitot tartalmazó öntöttvasak.
Kis C és Si tartalmú öntöttvasak.
23. Válassza ki a helyes megoldásokat (3), mely tulajdonságokkal jellemezhetők a temperöntvények? Jól önthetőek Zsugorodásuk nagy Melegrepedésre nem hajlamosak Jól megmunkálhatóak Hőállóságuk jó Kopásállóak
2. modul: Nemvas alkalmazásaik
fémötvözetek
és
járműszerkezeti
A modul célja, hogy betekintést adjon a járműszerkezetekben alkalmazott könnyűfém szerkezeti anyagokról, az alumínium és magnéziumra, illetve ötvözeteikre fókuszálva. Az 1. lecke célja az alumínium és ötvözeteinek szerkezete, tulajdonságai, a hőkezelés, szilárdságnövelés és könnyű megmunkálhatóság elvi alapjainak, valamint autóipari alkalmazásainak bemutatása. A második lecke célja, hogy a hallgató megismerje a magnézium és ötvözeteinek szerkezetét, tulajdonságait, a hőkezelés, szilárdságnövelés és korrózióállóság javítás elvi alapjait, valamint autóipari alkalmazásait.
2.1. lecke: Korszerű Al ötvözetek és járműszerkezeti alkalmazásaik Cél A hallgató megismerje az alumínium és ötvözeteinek szerkezetét, tulajdonságait, a hőkezelés, szilárdságnövelés és könnyű megmunkálhatóság elvi alapjait, valamint a jellemző autóipari alkalmazásokat.
Követelmények Ön akkor sajátította el a tananyagot, ha képes:
meghatározni a színalumínium tulajdonságait, felsorolni a nagytisztaságú alumínium előállításának lépéseit, felsorolni az alumínium jellemző ötvözőit, csoportosítani az alumínium ötvözőit annak hatásaival, kiválasztani melyik ötvözővel nem képez eutektikumot az alumínium, csoportosítani rajz segítségével az alumínium állapotábrájának jellemző pontjait az elnevezésükkel, meghatározni alumínium ötvözetek esetén a szilárdságnövelő módszereket és ezek hatását, csoportosítani az alumínium ötvözeteket a jellemző tulajdonságaikkal, meghatározni az alakítható Al-Zn-Mg-Ti-ötvözetek öregedési jellemzőit, felsorolni azokat az eljárásokat, amelyeket a korszerű Al-ötvözet karosszéria anyagoknál a jó mechanikai és korrózióálló tulajdonságok elérése érdekében alkalmaznak, felsorolni a hengerfejekben alkalmazott Al-ötvözetek esetében felmerülő problémákat és a megoldás lehetőségeit, felsorolni a hengerfejekben alkalmazott Al-ötvözetek tuladonságait és a gyártás lépéseit.
Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 90 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak
alumínium ötvözetek szilárdságnövelése alakítható alumínium ötvözetek öntészeti alumínium ötvözetek alumínium ötvözetek nemesítése
1. Színalumínium Tevékenység: Gyűjtse ki, majd saját szavaival fogalmazza meg a színalumínium tulajdonságait, előállításának lépéseit, szerkezetének jellemzőit! Az alumínium a könnyűfémek csoportjába tartozik, felhasználás szempontjából a legfontosabb könnyűfém. A magyar ipar szempontjából különösen nagy jelentőségű, mivel érce, a bauxit az egyetlen fémes érc, amely ma is jelentős mennyiségben fordul elő. Az alumínium előállítása két lépésben történik. Első lépésben a bauxitból vegyi tisztítással nyerik a timföldet (Al2O3). A kriolittal kevert tímföldből, ezután kb. 1000 0C-on végzett elektrolízissel állítják elő a kohóalumíniumot, amelynek a tisztasága 99…99,7%. Az iparban felhasznált legtisztább alumínium az ún. „négy kilences Al”, amelynek Al tartalma 99,99%. Ezt a kohóalumíniumból ismételt elektrolízissel nyerik. Kétszer annyi energia szükséges az előállításhoz, mint a kohóalumínium esetében, ezért csak olyan esetekben használják, amikor a nagy tisztaság fontos követelmény. A nagytisztaságú alumíniumnak az arany és az ezüst után a legjobb a villamos vezetőképessége, ezért elektromos vezetékek anyagaként általánosan használják. A vezetőképesség az ötvöző tartalom arányával, az ötvöző anyagától függően lineárisan vagy négyzetesen romlik, ezért van szükség elektromosságban a nagytisztaságú alumíniumra. A tulajdonságok közül kiemelkedik a korrózióállósága, amelyet a felületen képződő, magas olvadáspontú, jól tapadó és kémiai hatásoknak jól ellenálló oxidhártya (Al2O3) indokol. A korrózióállóság egyes ötvözők hatására (pl. Cu, Fe) romlik, mert a felületét érő elektrolit hatására helyi galvánelem alakul ki. Az alumínium felületen középpontos, köbös rendszerben kristályosodik, ezért képlékeny alakíthatósága jó, mivel több csúszásra alkalmas (nagy atomsűrűségű) kristálytani síkja van. Nyúlása közel 50%-kal nagyobb, mint a lágyacélé. Sűrűsége az acélokhoz képest kicsi: 2,7 kg/dm3. Alacsony az olvadáspontja (660 0C), amely az öntészeti technológiáknál előnyös. Jó hővezető. Szilárdsága ugyanakkor rendkívül kicsi: folyáshatára, szakítószilárdsága és keménysége a lágyacélénak alig egynegyede, emiatt (valamint a magasabb ár miatt is) a szerkezeti anyagok között csak akkor lehet versenyképes, ha szilárdságát ötvözéssel javítjuk. 2. Alumínium ötvözetek Tevékenység: Gyűjtse ki, majd saját szavaival fogalmazza meg az alumínium ötvözetekben a különböző ötvözési célokat! Jegyezze meg a jellemző ötvözőket, az ötvözők jellemző hatásait! Hatásuk szerint az alumínium ötvözőket az alábbi fő csoportokba soroljuk:
Szilárdságnövelő ötvözők: Cu, Mg, Si. Korrózióállóságot fokozó ötvözők: Mn, Sb. Szemcsefinomító ötvözők: Ti, Cr.
Hőszilárdságot növelő ötvöző: Ni. Forgácsolhatóságot javító ötvözők: Co, Fe, Bi.
Az ötvözőelemekkel az alumínium a Si, Bi, Cd és Zn kivételével kemény, rideg fémes vegyületet alkot, pl. Al2Cu, Al3Mg2, Al3Fe. Az ötvözők egymással is képezhetnek vegyületet. Egyes ötvözők bizonyos esetekben gondosan kerülendő szennyezők is lehetnek. Legjobb példa erre a Cu, amely a legnagyobb szilárdságra nemesíthető Al-Cu-Mg ötvözetek fő ötvözője, a korrózióálló Al-Mg ötvözeteknek pedig a legveszedelmesebb szennyezője. A szennyezők között lényeges szerepet tölt be a Fe, amely jelentősen rontja a korrózióállóságot. Mindig szennyező az alumínium-oxidban kötött O és az olvasztás közben elnyelt H.
Tevékenység: Rajzolja fel a jellegzetes kétalkotós állapotábrákat! Keressen példákat, hogy mely ötvözetcsaládokra jellemzők a felrajzolt állapotábrák! Az alumínium a legtöbb ötvözővel szilárd oldatot képez, az oldás mindig korlátozott. A legjellemzőbb szilárd oldatok oldhatósági korlátjai: a Zn esetében 70% (eutektikum olvadáspontján: 400 0C-on), a Mg esetében 17% (4500C-on), a Cu esetében 5,7% (az eutektikum olvadáspontján), a Si esetében 1,65% (az eutektikum olvadáspontján). Az oldhatóság minden esetben csökken a hőmérséklettel. A kétalkotós állapotábrákra legtöbb esetben, így a fő ötvözők esetében is, jellemző az 1. ábra baloldalán látható eutektikum képződés (pl. Al-Cu, Al-Mg, Al-Si), de előfordul az 1. ábra jobboldalán látható, vegyület peritektikus képződésével jellemezhető állapotábra is (pl. Al-Cr).
1. ábra: Al-ötvözetek jellemző kétalkotós állapotábrái 3. Alumínium ötvözetek hőkezelésének fémtani alapjai Tevékenység: Gyűjtse ki, majd saját szavaival fogalmazza meg az alumínium ötvözetek nemesítésének lépéseit! Jegyezze meg az egyes lépésekre jellemző állapotokat, hőmérsékleteket, hűlési sebességeket, szövetszerkezeteket és tulajdonságokat! Az alumínium ötvözetek jellegzetes hőkezelése a nemesítés, amelynek célja az alumínium ötvözet szilárdságának növelése finom eloszlású kiválások biztosításával. A nemesítés tehát olyan kiválásos keményítő hőkezelés, amelynek eredményeként a jól alakítható -szilárd oldatos mátrixban diszperzen kiválások keletkeznek. Ezen kiválások az acéloknál tanult módon, a diszlokációk mozgásának akadályozásával, a kiválásos keményedési mechanizmussal növelik a szilárdságot.
A kiválásos keményítés első lépése a homogén -szilárd oldatot biztosító izzítás. Ennek a homogenizáló izzításnak a célja a kiválások teljes feloldása annak érdekében, hogy a hőkezelés későbbi fázisában a legkedvezőbb szilárdsági tulajdonságot eredményező finom eloszlású kiválásokat biztosítani tudjuk. A homogén -szilárd oldat biztosítása céljából ezért az ötvözetet a 2. ábrán T1-gyel jelölt hőmérsékletre (a korlátozott oldóképességet jelölő FC vonal fölé) hevítjük, és ott a homogén szilárd oldat kialakulásáig állandó hőmérsékleten tartjuk. A T1 hőmérsékletet a gyakorlatban az FC korlátozott oldhatósági vonal felett, de az eutektikus hőmérséklet alatt szokás megválasztani. Tevékenység: Tanulmányozza a 2. ábrát! Azonosítsa a nemesítés leírását az ábrával!
2. ábra: Al ötvözetek nemesítésének menete A homogenizáló izzítást követően az ötvözetet gyorsan (pl. vízzel) szobahőmérsékletre hűtjük. A gyors hűtés célja a kiválások keletkezésének ebben a szakaszban való megakadályozása, a túltelített -szilárd oldat létrehozása. A jelenség hasonlít az acélok edzésénél a túltelített ferrit (martenzit) kialakulásához. A következmény azonban az alumínium ötvözetek esetében alapvetően más: míg az acéloknál az -szilárd oldatban bent rekedt karbon atomok feszítő hatása miatt a keletkező martenzit az acélok legkeményebb, legnagyobb szilárdságú szöveteleme, az alumínium ötvözeteknél a gyors hűtéssel előállított túltelített -szilárd oldat keménysége és szilárdsága a lágyított és a nemesített állapot közötti értéknek felel meg. A nemesítés második fázisa a megeresztés, a tulajdonképpeni kiválásos keményítés. A jó szilárdsági tulajdonságok biztosításának feltétele, hogy minél finomabb, diszperz eloszlásban keletkezzenek a kiválások az alapmátrixban. Ha a homogén -szilárd oldatos mezőből lassan hűtve haladnánk át a korlátolt oldhatósági vonalon, a kiválások kevésbé finom és kevésbé egyenletes eloszlásban, jellemzően a szemcsehatároknál helyezkednének el. A durvább méretű kiválások a szilárdsági tulajdonságokat rontanák. Tehát a megeresztés utáni hűtést is gyorsan kell végezni. A megeresztést kikeményítésnek, vagy öregítésnek is nevezi a szakirodalom. Mivel a túltelített -szilárd oldat nem egyensúlyi fázis, a kiválások keletkezése (ennek eredményeképpen a szilárdságnövekedés) egyes ötvözetekben hosszú idő alatt szobahőmérsékleten
is bizonyos mértékben végbemegy, ezt a folyamatot természetes öregedésnek nevezzük. A természetes öregedéssel bekövetkező szilárdságnövekedés azonban rendkívül lassú, hónapokat, esetleg éveket igénylő folyamat, ezért a gyakorlatban a kikeményítést rendszerint a mesterséges öregítésnek nevezett, magasabb hőmérsékletű megeresztéssel végezzük. A megeresztés hőmérséklete a homogenizáló izzítás hőmérsékletének egynegyede. 4. Ipari alumínium ötvözetek osztályozása Tevékenység: Gyűjtse ki, majd jegyezze meg, hogyan osztályozzuk az alumínium ötvözeteket az állapotábrák alapján! Rajzolja fel a jellemző állapotábrát a különböző alumínium ötvözet csoportok megjelölésével! Olvassa el, majd saját szavaival fogalmazza meg, milyen módokon, milyen nagyságrendekkel növelhető az alakítható alumínium ötvözetek szilárdsága! Az ipari alumínium ötvözetek osztályozását az ötvözeteket jellemző egyensúlyi diagram alapján végezhetjük el. A telített -szilárd oldat összetételénél kisebb ötvöző mennyiséget tartalmazó ötvözetek (túlnyomórészt -szilárd oldatot tartalmazó ötvözetek) az ún. alakítható alumínium ötvözetek (a 3. ábrán az I. jelű tartomány), míg az ennél több ötvözőt tartalmazó ötvözetek az ún. öntészeti alumínium ötvözetek (a 3. ábrán a II. jelű tartomány).
3. ábra: Al-ötvözetek osztályozása 5. Alakítható alumínium ötvözetek Tevékenység: Gyűjtse ki és jegyezze meg, milyen alakítható Al-ötvözet rendszerek ismeretesek, és ezeknek milyen fő tulajdonságaik vannak! Olvassa el, majd saját szavaival fogalmazza meg, mi történik a természetes öregítés folyamán az ilyen jelenséget mutató Al-ötvözetek esetében!
Az alakítható Al-ötvözeteknél fő ötvözőként a Cu, Mg, Si és a Zn szerepelnek, mégpedig az eutektikus hőmérsékleten telített szilárd oldat összetételüknél kisebb mennyiségben, tehát maximum 5% Cu, 10% Mg, 1,5% Si és 4% Zn tartalma lehet az alakítható Al-ötvözeteknek. További járulékos ötvözőket adagolva egyes tulajdonságok tovább javíthatók, pl. 2% Ni a hőszilárdságot fokozza. 1-2% Mn a korrózióállóságot, főleg a tengervíz-állóságot javítja. A nem nemesíthető Al-ötvözetek közül a kétalkotós, hydronálium elnevezésű Al-Mg ötvözetek elsősorban tengervíz-állóságukról ismertek. Viszonylag kis szilárdságuk hidegalakítással növelhető (Rm=200-300MPa). Jó korrózióállóság jellemzi az Al-Mn nem nemesíthető ötvözeteket, amelyeket elsősorban élelmiszeripari célokra használnak (pl. tejszállító tartályok). Ezek kis szilárdságú Al-ötvözetek, alakítás nélküli szakítószilárdságuk nem haladja meg az Rm=150MPa értéket. Az alakítható, nemesíthető Al-ötvözetek három, vagy többalkotós ötvözetek. Egyik típusuk az AlCu-Mg alkotókat tartalmazó Dural ötvözetsor. A 4% Cu és 2% Mg tartalmú ötvözet a legnagyobb szilárdságra (Rm=500MPa-ra) nemesíthető. Ugyancsak nagy szilárdságra (Rm=400MPa-ra) nemesíthető a 4% Cu és 2% Ni tartalmú Al-Cu-Ni ún. hőszilárd Al-ötvözet. Mindkét nagy szilárdságú ötvözet fogyatékossága, hogy a szilárdságfokozás céljából alkalmazott Cu ötvöző hajlamossá teszi őket korrózióra. Tevékenység: Tanulmányozza a 4. ábrát! Figyelje meg a keményedés folyamatát! Jegyezze meg a változások trendjét! A természetesen öregíthető Al-ötvözetek jellegzetes képviselője az Al-Zn-Mg-Ti hegeszthető Alötvözet. A kb. 400 0C-ról végzett gyors hűtést követő pihentetés közben végbemenő keményedést a 4. ábra mutatja.
4. ábra: Al-Zn-Mg-Ti ötvözetek keményedési diagramja A hőkezelést követően az ötvözet egy-két napig még lágy, jól alakítható. Végleges szilárdságát 90180 nap után éri el. Szakítószilárdsága közel 400MPa-ra, folyáshatára 200MPa-ra növekszik, fajlagos nyúlása még így is jelentős, mintegy 20-22%. Jellemzője, hogy a hegesztés hőhatásövezete a hegesztés után ugyancsak természetes öregedéssel keményedik. Hátránya, hogy a Zn tartalom miatt korrózióra hajlamos.
Az Al-Si-Mg nemesíthető ötvözet 1,5% Si-ot és 1,5% Mg-ot tartalmaz. Szilárdsága, mivel nem tartalmaz rezet, csak kb. 300MPa-ra növelhető nemesítéssel, ugyanakkor korrózióállósága jó, ugyancsak a réz hiánya miatt. Bányabiztosító berendezések és villamos szabad vezetékek készítésére alkalmazzák. Alakítható alumínium ötvözetek felhasználása autó karosszériákban Tevékenység: Jegyezze meg az ötvözetek sorozatszámait! Olvassa el, majd saját szavaival fogalmazza meg, milyen eljárásokkal érik el az alábbi példákban szereplő karosszéria anyagok esetében a jó mechanikai, korrózióálló stb. tulajdonságokat! Az alakítható alumíniumlemezek ötvözeteinek vegyi összetételét az EN 573-3:1995 sz. szabvány tartalmazza. Az ötvözetek jelölésére elterjedten használják az anyagszámokat is. Az 1. táblázatban a szabvány szerinti sorozatokat foglaltuk össze.
1. táblázat: Alakítható alumíniumlemezek szabvány szerinti sorozatai Tevékenység: Gyűjtse ki és jegyezze meg a különféle Al-ötvözetek esetén a jellemző hőkezelési és hidegalakítási megoldásokat és ezek hatásait! Említettük, hogy az alumíniumlemezek tulajdonságaira az ötvözésen kívül jelentős befolyással vannak a hőkezelő és képlékeny alakító technológiák. Ezt néhány korszerű karosszéria lemezanyag példáján nézzük meg.
Az alumíniumlemez ötvözetek közül az úgynevezett természetesen keményedő 5000-es AlMg ötvözetek szilárdságnövekedését képlékenyalakítással, hengerléssel, a kikeményíthető, Al-Mg-Si típusú, 6000-es ötvözetek szilárdságát viszont hőkezeléssel biztosítják. Az utóbbiak szilárdságnövekedése meghatározott gyártási körülmények között speciális szárítási technológiával, mint melléktermék alakul ki. A szárítás hőmérsékletén végbemegy az ötvöző elemek vegyületeinek a kiválása, aminek következtében a szilárdság jelentősen növekszik. A jelentősen nagyobb szilárdságot a nemesíthető, Al-Cu típusú 2000-es és az Al-Zn típusú 7000-es ötvözetekkel lehet biztosítani, a szilárdságuk rendkívüli esetben a 700 MPa értéket
is elérheti. Az említett alumíniumötvözeteknél a biztonságos felhasználásához egy ellenőrzött gyártási folyamat lánc (meleghengerlés, hőkezelés) biztosítása szükséges. A következő, más anyagoknál is ismert kísérőjelenségek azonban fennállnak: ha nagy a szerkezeti anyag szilárdsága, korlátozott az alakíthatóság, és az alakíthatás során nagy a visszarugózás. Kedvező lehetőséget biztosít a karosszériagyártásnál a 2024 T6 ötvözet felhasználása, amelynek 400 MPa-nál nagyobb a szilárdsága, 20% a nyúlása és kedvező a mélyhúzási tulajdonsága. A minőségi jelben a T6 az oldó hőkezelésnek alávetetett és teljes mértékben mesterségesen öregített (kikeményített) állapotot jelöli. A 2024 T6 és a 7075 T6 ötvözetek mechanikai tulajdonságait a 2. táblázat tartalmazza.
2. táblázat: Példák karosszéria lemezanyagokra A 2. táblázatban szereplő alumíniumötvözeteknek nagy a szilárdsága, különösen a lemez vastagsága szerint kedvező a melegalakíthatósága. A szilárdsági tulajdonságok kedvezőek már 200–300°C hőmérsékleten végzett melegalakításnál is, amely műszakilag biztonságosan megoldható. Megfelelő technológiával a melegalakítás hőjét felhasználják a lemez kikeményítésére.
A növelt szilárdságú alumíniumötvözeteknek nagy az ötvözőfém-tartalma, azonban az 5000es és a 6000-es ötvözetek korrózióállósága – különösen a nagy (1,2–2,0%) réztartalmuk miatt – nem kedvező. Amennyiben az anyag korrózióvédelmét biztosítani kívánjuk, a korrózióvédelemre megfelelő technológia áll rendelkezésre, ez a kettőzött, plattírozott lemezgyártás. Ennél a nagy szilárdságú belső lemezt, a maganyagot a hengerléskor egy külső, korrózióálló felületi réteggel látják el. A maganyagot és a felületi réteget képező anyagot hengerléssel egyesítik, amelynek során a két anyagminőség között megfelelő kötés alakul ki.
Tevékenység: Figyelje meg az 5. és a 6. ábrát! Jegyezze meg milyen alkatrészek készülnek Al-ötvözetből és acélból? Alakítható alumínium ötvözetekből a könnyűszerkezetes gépkocsiknál különféle karosszéria elemeket készítenek, amely jelentősen hozzájárul a gépkocsik tömegcsökkenéséhez (acél karosszériákkal összehasonlítva). Az 5. ábrán a BMW 5-ös sorozathoz készített alumínium karosszéria mellső részt mutatjuk.
5. ábra: Alumínium ötvözetből (kék) és acélból (szürke) készült mellsőrész a BMW 5-ös sorozatnál A 6. ábrán a BMW 6-os sorozatnál felhasznált anyagok választékát (alumínium, SMC (Sheet Molding Compound, magyarul: lemezformájú kompozit előgyártmány), hőre lágyuló műanyag és acél) mutatjuk.
6. ábra: Anyagválaszték a BMW 6-os sorozatnál 6. Öntészeti alumínium ötvözetek Tevékenység: Gyűjtse ki, majd jegyezze meg milyen csoportokba soroljuk az öntészeti Al-ötvözeteket! Saját szavaival fogalmazza meg, hogy ezeknek milyen jellegzetességeik vannak! Az öntészeti Al-ötvözeteket három csoportba soroljuk: az ún. szilumin, a magnéziumos és a rezes csoport. A legkiválóbb önthető Al-ötvözetek a szilumin csoportba tartoznak. Jellegzetes képviselőik az AlSi és az Al-Si-Mg ötvözetek. Ezekre elsősorban az Al-Si eutektikus összetétel (Si=12%) jellemző, amelynek határozott olvadáspontja van: To=578 0C. Zsugorodásuk (1-1,15%) kisebb, mint a többi Al-ötvözeté (1,25-1,5%). Kokillaöntésnél még kisebb a zsugorodásuk: 0,5-0,8%, tehát kokillaöntésre kiválóan alkalmasak. Szilárdsági tulajdonságaik jobbak a többi öntészeti Alötvözetnél. Ismertek ettől eltérő (pl. AlSi7Mg), vagy többféle ötvözőt tartalmazó hipereutektikus (12%-nál nagyobb Si tartalmú) ötvözetek is.
A második öntészeti Al csoport, az Al-Mg ötvözetek a hydronálium néven ismert alakítható ötvözetek önthető változatai. Ide tartozik még az Al-Mg-Si és az Al-Mg-Mn ötvözetrendszer is. Valamennyi fajtára a jó korrózióállóság jellemző. A harmadik öntészeti Al-csoport fő típusai az Al-Cu és az Al-Cu-Ni ötvözetek. Ezek a legkevésbé hajlamosak az öntésnél a fogyási üregek (lunkerek) képződésére, jó hővezető képesség és bizonyos fokig jó hőállóság jellemzi a csoportot. Viszonylag jól megmunkálhatók, de forgácsolásnál kenődnek, a kenődés megszüntetésére 0,2% Si és 0,3% Mg ötvözőt alkalmaznak. A Ni tartalom a hőszilárdság fokozására szolgál. Az Al-Cu-Ni ötvözetekből öntik a motorhengerfejeket és a melegen dolgozó dugattyút. Az öntészeti ötvözetek szilárdsági tulajdonságai gyengébbek, mint az alakítható ötvözeteké. A szakítószilárdságot az öntés technológiája is befolyásolja: homokformába való öntésnél kisebb, mint kokillába, fémformába való öntésnél. Pl. az Al-Si ötvözetek szilárdsága homoköntésnél 150200 MPa, kokillaöntésnél 180-260 MPa. A nemesíthető Al-Cu-Ni és Al-Mg-Si szakítószilárdsága nemesítéssel akár 300 MPa-ig növelhető. Öntészeti alumínium ötvözetek felhasználása motorgyártásban Tevékenység: Gyűjtse ki, majd jegyezze meg, hogy az öntészeti Al-ötvözeteknek milyen alkalmazásaival találkozunk a motorgyártásnál! Tömege szerint a motor a gépkocsi legnagyobb egysége. A motor fő részeinél - forgattyús háznál és hengerfejnél - a méretek és a tömeg csökkentése a fejlesztők elsődleges célja. A motor teljesítményének a növekedésével párhuzamosan az alkatrészekkel szemben támasztott szilárdsági követelmények állandóan növekszenek. Ezért a motor legnagyobb igénybevételnek kitett fő részeinek - forgattyús háznak és hengerfejnek- a gazdaságos gyártása a fejlesztőmérnökök legfontosabb feladata. A korábban a motorblokkok gyártásához felhasznált, lemezgrafitos öntöttvasat jelenleg alumínium ötvözetekkel helyettesítik. A hengerfejgyártáshoz leggyakrabban felhasznált ötvözeteket az 3. táblázatban foglaltuk össze. A táblázatban közölt adatok kokillában öntött darabokra érvényesek.
3. táblázat: Hengerfejekben leggyakrabban használt Al-ötvözetek Állapot: T6: hőkezelésnek alávetett és teljes mértékben mesterségesen öregbített, F: öntött állapot
Az európai motorgyárakban felhasznált hengerfejek 90%-át, valamint a nagy sorozatban gyártott, erősen igénybevett, közvetlen befecskendezésű dízelmotorokhoz felhasznált hengerfejeket elsősorban kokillában héjmagok segítségével öntik. Ezeknél az alak bonyolultsága és a darab nagysága, illetve az üzem közben fellépő feszültségek miatt a vetemedések keletkezésének lehetősége jelentősen növekszik. Példaként megemlítjük az Audinak a V6- és a V8-TDI dízelmotorok hengerfejgyártásánál elvégzett, jelentős, anyagtechnológiával kapcsolatos fejlesztési munkáit. A hengerfej a motorban központi helyen, az égéstér közelében helyezkedik el. A hőmérséklet üzem közben (180-220) 0C között van, sőt, még ennél is nagyobb lehet. Ez azért figyelemre méltó, mert a szokásos technológiával gyártott, melegen kikeményített, öntött ötvözetek ebben a hőmérséklet-tartományban jelentős öregedési, lágyulási folyamaton mennek keresztül. A mechanikai tulajdonságok, mint a szakító szilárdság, a folyáshatár és a keménység jelentősen csökkennek, és ennek következtében ezeknél a tartós szilárdságra érzékeny övezeteknél repedések keletkezhetnek. A 7. ábra néhány szabványos alumínium ötvözet 225 oC hőmérsékleten, különböző idő után bekövetkező keménységcsökkenését mutatja, amely viszonylag gyorsan, rövid idő (50 óra) alatt bekövetkezik. Tevékenység: Figyelje meg a lágyulási folyamatot! Hasonlítsa össze a különféle Al-ötvözeteket! Kapcsolja össze a görbéket és táblázati adatokat a bemutatott példákkal!
7. ábra: Al-ötvözetek lágyulási görbéi Jellemző, hogy az AlSi10Mg jelű, átolvasztott (szekunder) ötvözetnél a legnagyobb a keménységcsökkenés, a többi ötvözetnél viszonylag kisebb. Ez az ötvözet viszont - többek között a nagyon jó [(140-170) W/mk] hővezető képesség miatt az Audi V6-TDI háromhengeres meghajtásnál nagyon jól megfelelt. A négyhengeres Audi V8-as motor meghajtásánál a még nagyobb követelmények miatt új ötvözeteket kellett kifejleszteni, ezek:
AlSi12CuNiMg primer ötvözet, a belőle gyártott alkatrésznek nagyon jó a repedésálló képessége. Hátránya viszont, hogy az öntés során nagyon nagy a meleg repedésre való hajlama, a megdermedés közben kialakuló belső feszültség repedést okoz az öntvényben. AlSi7MgCu primer ötvözet jó mechanikai tulajdonságokkal és repedésállósággal, nagyon jó az önthetősége. AlSi9Cu3 szekunder (átolvasztott) ötvözet, nagyon jók a mechanikai tulajdonságai és az önthetősége.
A három ötvözetből készített hengerfejek mechanikai tulajdonságait 225 oC hőmérsékleten, (230245) órás hőntartási időnél vizsgálták. A próbatesteket mindig a hengerfej égéstér felőli részéből vették. A 7. ábra szerint minden ötvözetnél jelentős szilárdságcsökkenést állapítottak meg. A rendkívülien korlátozott konstrukciós lehetőségek miatt, az anyagtechnológiai fejlesztéssel párhuzamosan a hőelvezetés optimalizálására újfajta hűtési rendszert fejlesztettek ki. A 8. ábrán mutatjuk az AlSi7Cu0,5 jelű ötvözetből gyártott, Audi 4,0.l-V8. TDI meghajtás előnagyolt hengerfejét, amelynek a tömege kb. 13 kg.
8. ábra: AlSi7Cu0,5 jelű ötvözetből gyártott, Audi 4,0.l-V8.TDI meghajtás előnagyolt hengerfej A motorblokkokat általában hipereutektikus alumínium-szilícium ötvözetekből öntik. A 4. táblázat a motorblokkok gyártásához felhasznált alumíniumötvözetek mechanikai tulajdonságait tartalmazza.
4. táblázat: Motorblokkokban használ Al-ötvözetek A táblázat „öntési technológia” sorából láthatjuk, hogy a motorblokkok nagy sorozatú gyártásánál valamennyi öntési eljárást alkalmazzák. A nyomásos öntési eljárásnak – összehasonlítva a homokés kokillaöntéssel – a legnagyobb a termelékenysége, mivel a teljes öntési folyamatot automatizálták. A 9. ábrán mutatjuk a Maybach és a DaimlerChrysler S osztályú gépkocsi motorblokkját, amelyet AlSi9Cu3 jelű ötvözetből készítenek. A blokk tömege az ágyazattal együtt kb. 38 kg.
9. ábra: Maybach és a DaimlerChrysler S.osztályú gépkocsi AlSi9Cu3 jelű ötvözetből gyártott motorblokkja A belsőégésű motorokban tribológiai szempontokból is kedvező, gyakran alkalmazott megoldás a hipereutektikus (Si>12%) alumínium-szilícium ötvözetből készített teljes forgattyúház, mellyel szemben vastartalmú réteggel bevont dugattyú fut. A 10. ábra hipereutektikus alumínium-szilícium ötvözetből készült motorblokkok felületét mutatja megmunkált állapotban. A felület kezelési technológia lényege, hogy hónolás után a primer szilícium kristályok körül elhelyezkedő lágyabb eutektikumot mechanikus vagy vegyi kezeléssel
mélyítik, ezáltal a futófelületet a nagy keménységű primer szilícium krisztallitok alkotják, a kenőanyag tapadásának kedvező mélyített üregekkel együtt válik tribológiai szempontból optimálissá a futófelület.
10. ábra: Hipereutektikus alumínium-szilícium ötvözetből készült motorblokk felületrészlet konfokális mikroszkóppal nagyított képe
Felhasznált irodalom
Tisza Miklós: Metallográfia, Miskolci Egyetem, 2002. E.R. Wallach: Materials Science: Alloys, University Lectures, University of Cambridge, Department of Metrials Science and Metallurgy, 2011-2012. Enyingi Kálmán: Forgattyús házak és hengerfejek gyártása alumínium ötvözetekből, Autótechnika 64-65., 2004/4, 54-55., 2004/6. Enyingi Kálmán: Korszerű szerkezeti anyagok a gépkocsigyártásban, Autótechnika 60-62., 2006/1 Enyingi Kálmán: Növelt szilárdságú alumínium- lemezek a gépkocsigyártásban, Autótechnika 64-65., 2006/7 Czinege Imre, Csizmazia Ferencné, Kozma István: Új lehetőségek a roncsolásmentes vizsgálati technikában, A jövő járműve, 174-181., 2011/01-02.
Önellenőrző kérdések 1. kérdés WordForce Question: 2. kérdés
Multiple_Response
Az alábbi megfogalmazást egészítse ki füzetében a hiányzó kifejezésekkel úgy, hogy a nagytisztaságú alumínium előállítását helyesen jellemezze:
Két lépésben történik az előállítás: a bauxitból vegyi tisztítással nyerik a timföldet (más néven: Al2O3), amelyből ezután 1000 0C-on végzett elektrolízissel állítják elő a kohóalumíniumot, amelynek a tisztasága kb. 99…99,7%. WordForce Media:
Popup
3. kérdés Az alumínium ötvözőinek milyen hatása van az ötvözet tulajdonságaira? A felsorolásnak megfelelő betűjelekkel (A-E) jelölje a kapcsolatot!
A. Szilárdságnövelő ötvöző B. Korrózióállóságot fokozó ötvöző C. Szemcsefinomító ötvöző D. Hőszilárdságot növelő ötvöző E. Forgácsolhatóságot javító ötvöző WordForce Question: 4. kérdés WordForce Question:
Gap_Fill
Multiple_Choice
5. kérdés Írja az alábbi ábrán piros színnel jelölt számokat az ábra alatt felsorolt elnevezések mellé úgy, hogy a korlátozott oldást mutató kétalkotós alumínium ötvözetek állapotábrájára jellemző elnevezéseket helyesen mutassák.
WordForce Question:
Gap_Fill
6. kérdés Az alábbi megfogalmazást egészítse ki füzetében a hiányzó kifejezésekkel úgy, hogy az alakítható Alötvözetek esetében alkalmazott szilárdságnövelő módszereket és a szilárdságnövelés nagyságrendjét helyesen jellemezze:
Cu, Mg, Si ötvözők, nemesítő hőkezelés, képlékeny alakítás együttes alkalmazásával mintegy négyszeresére növelhető a szilárdság. WordForce Media:
Popup
7. kérdés Melyik Al-ötvözetfajtára/fajtákra jellemzőek az alábbi tulajdonságok? Azon tulajdonság/tulajdonságok sorszámait írja le füzetébe, amelyek jellemzőek az adott Alötvözetfajtára. tulajdonságok
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
kis szilárdság nagy szilárdság nem nemesíthető nemesíthető természetes öregedésre való hajlam tengervíz-állóság korrózióra való hajlam korrózió állóság hőszilárd hegeszthető
WordForce Media:
ötvözetek
Al-Mg ötvözetek: Al-Mn ötvözetek: Al-Cu-Mg ötvözetek: Al-Cu-Ni ötvözetek: Al-Zn-Mg-Ti: ötvözetek:
Popup
8. kérdés WordForce Question:
Multiple_Response
9. kérdés WordForce Question:
Multiple_Response
10. kérdés Melyik öntészeti Al-ötvözetfajtára/fajtákra jellemzőek az alábbi tulajdonságok? Azon tulajdonság/tulajdonságok sorszámait írja le füzetébe, amelyek jellemzőek az adott öntészeti Al-ötvözetfajtára.
tulajdonságok
1. kis szilárdság 2. nagy szilárdság az öntészeti ötvözetekhez képest 3. nagy zsugorodás 4. kis zsugorodás 5. nemesíthető 6. viszonylag jól forgácsolható 7. korrózióra való hajlam 8. korrózió állóság 9. jó hőállóság 10. lunkerek képződésére legkevésbé hajlamosak WordForce Media:
ötvözetek
Al-Si ötvözetek: Al-Mg ötvözetek: Al-Cu ötvözetek:
Popup
11. kérdés Az alábbi megfogalmazást egészítse ki füzetében a hiányzó kifejezésekkel úgy, hogy a motor hengerfejekben alkalmazott Al-ötvözetek esetében felmerülő problémákat és a megoldásokat helyesen jellemezze:
A hengerfej a motorban központi helyen, az égéstér közelében helyezkedik el. A hőmérséklet üzem közben (180-220) 0C között van, sőt, még ennél is nagyobb lehet. Ez azért figyelemre méltó, mert a szokásos technológiával gyártott, melegen kikeményített, öntött ötvözetek ebben a hőmérséklettartományban jelentős öregedési, lágyulási folyamaton mennek keresztül. A mechanikai tulajdonságok, mint a szakítószilárdság, a folyáshatár és a keménység jelentősen csökkennek, és ennek következtében ezeknél a tartós szilárdságra érzékeny övezeteknél repedések keletkezhetnek. A legújabb motorfejlesztéseknél alkalmazott Al-ötvözeteknél a melegrepedésre való hajlam csökkentését oldották meg. WordForce Media:
Popup
12. kérdés Az alábbi megfogalmazást egészítse ki füzetében a hiányzó kifejezésekkel úgy, hogy motorblokkokban alkalmazott Al-ötvözetek tulajdonságait és a gyártás egyes lépéseit helyesen jellemezze:
A motorblokkok Al-ötvözetből való gyártásánál a nyomásos öntési eljárásnak a legnagyobb a termelékenysége, mivel a teljes öntési folyamatot automatizálták. A belsőégésű motorokban tribológiai szempontokból is kedvező, gyakran alkalmazott megoldás a hipereutektikus alumínium-szilícium ötvözetből készített teljes forgattyúház, mellyel szemben vastartalmú réteggel bevont dugattyú fut.
A felületkezelési technológia lényege, hogy hónolás után a primer szilícium kristályok körül elhelyezkedő lágyabb eutektikumot mechanikus vagy vegyi kezeléssel mélyítik, ezáltal a futófelületet a nagy keménységű primer szilícium krisztallitok alkotják, a kenőanyag tapadásának kedvező mélyített üregekkel együtt válik tribológiai szempontból optimálissá a futófelület. WordForce Media:
Popup
2.2. lecke: Magnézium ötvözetek és járműszerkezeti alkalmazásaik Cél A hallgató megismerje a magnézium és ötvözeteinek szerkezetét, tulajdonságait, a hőkezelés, szilárdságnövelés és korrózióállóság javítás elvi alapjait, valamint autóipari alkalmazásait.
Követelmények Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha képes:
meghatározni a magnézium ötvözetek tulajdonságait, alkalmazási lehetőségeit, megfogalmazni a magnézium ötvözetek esetében a szilárdságnövelés és korrózióval szemben való ellenállás javításának elvi lehetőségeit, felsorolni az autó szerkezetekben hasznosított korszerű magnézium ötvözetek fajtáit, meghatározni az autó szerkezetekben hasznosított korszerű magnézium ötvözetek tulajdonságait, meghatározni az autó szerkezetekben hasznosított korszerű magnézium ötvözetek alkalmazásának előnyeit.
Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 90 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak
magnézium ötvözet magnézium ötvözetek szilárdságnövelése magnézium ötvözetek korrózióállóságának javítása alakítható magnézium ötvözetek öntészeti magnézium ötvözetek
1. Magnézium és ötvözetei Tevékenység: Gyűjtse ki és jegyezze meg a magnézium tulajdonságait, szerkezetét, a magnézium ötvözetek fajtáit, fejlesztési irányait! A magnézium a gyakorlatban alkalmazott fémek közül a legkönnyebb, sűrűsége 1,7 kg/dm3. Olvadáspontja az alumíniuméval majdnem azonos: 650 0C. Kristályszerkezete tömött hexagonális, ennek a szerkezetnek képlékeny alakítás szempontjából egyetlen kedvező síkja van, amely az alapsík. Hidegen nehezen alakítható, az alakíthatóság magasabb hőmérsékleten némileg javul. A magnézium korrózióállósága az alumíniuménál gyengébb. Az oxigénhez nagy a vegyrokonsága, de a felületén képződött oxidhártya nem olyan tömör, mint az alumíniumnál, ezért a korróziós közegek könnyen áthatolnak rajta. Különösen érzékeny a nedvesség, sós víz, szervetlen savak és sók iránt. A magnéziumból és ötvözeteiből készült alkatrészeket ezért korrózió elleni védőbevonattal kell ellátni. A szín magnézium szilárdsága kicsi. Folyáshatára csak 70 MPa. Szilárdságát ötvözéssel növelik. Fő ötvözője az alumínium. Szokásos járulékos ötvözői a Zn és a Mn. Bár szilárdsága még ötvözött állapotban is kisebb, mint a nemesíthető alumínium ötvözeteké, a sűrűségre vonatkoztatott fajlagos szilárdsága jelentős, ezért a repülőgépipar és az űrtechnika egyik fontos anyaga. Éppúgy, mint az alumínium a magnéziummal, a magnézium az alumíniummal szilárd oldatot alkot, amint azt az 1. ábrán mutatjuk. Tevékenység: Figyelje meg az 1. ábrát! Vizsgálja meg a különféle szakaszokon a jellemző összetételeket! Azonosítsa a szakaszokat és alkalmazási területeiket!
1. ábra: Al-Mg teljes ötvözetrendszer állapotábrája
Az 1. ábrán a következőkre figyeljünk:
A magnéziumban az alumínium oldhatóságának felső határa az eutektikum hőmérsékletén (437 0C-on) 12,7% (az ábrán 100-12,7=87,3%-nál). Az oldhatóság szobahőmérsékleten kb. 3%-ra csökken. A 3-12% alumínium-tartalmú magnézium ötvözetekben lehűlés közben az Al12Mg17 fémes vegyület válik ki, amely fokozza az ötvözet keménységét. Az iparban használatos Mg-Al ötvözetek 3-9% Al-tartalmúak. A 3-6% Al-tartalmú ötvözeteket (az ábrán az I. jelű szakasz) alakított állapotban, a 4-9% Al-tartalmúakat (az ábrán a II. jelű szakasz) jellemzően öntvényként használják. A diagram baloldali részéről az alumínium ötvözeteknél már tanultunk: A IV. jelű szakasz az öntészeti, míg a V. jelű szakasz az alakítható alumínium ötvözeteknek felel meg. Végül a középső, III. jelű szakasznak megfelelő ötvözeteket a műszaki gyakorlatban nem hasznosítjuk a kedvezőtlen tulajdonságok miatt.
Tevékenység: Gyűjtse ki és jegyezze meg a magnézium keménységnövelő ötvözőit, az öntési technológia és a melegalakítás jellemzőit! Gyűjtse ki és jegyezze meg a korszerű magnézium ötvözetek fejlesztésének jellemzőit! A magnézium ötvözetek keménységet 0,5-1% Zn és 0,1-0,5% Mn ötvözéssel javítják. A magnézium gyúlékonysága miatt az öntés körülményes. A gyulladás megelőzésére a tégelyben megolvasztott ötvözetet sótakaróval védik. A homokformába ként kevernek, és felületét öntés előtt kénporral szórják be. Az öntvények tulajdonságai: Rm=100-120MPa, A=2-10%, HB=50-70. Az alakítható magnézium ötvözeteket 300-400C-on sajtolják vagy hengerlik. Melegalakításhoz való felhevítését légmentesen zárható kemencékben, vagy sófürdőben végzik. A sajtolt ötvözetek szakítószilárdsága: Rm=200-300MPa, nyúlása: A=10-20%, a keménység azonos az öntött ötvözetekével. A korszerű magnézium ötvözetek fejlesztésének két iránya figyelhető meg. Az egyik irány az elhanyagolhatóan kis mennyiségű szennyezőt tartalmazó ötvözetek jelentik. A másik csoporthoz tartoznak azok az ötvözetek, amelyek ritka földfémekből (pl. cérium) 5%-nál nagyobb mennyiséget tartalmaznak. Mindkét típusnál a korrózióállóságot jelentősen fokozó, védő MgO film keletkezik a felületen. További érdekes fejlesztési irányzat, amelynek eredményeként a magnézium ötvözetek szilárdságát keramikus anyaggal, pl. SiC erősítéssel növelik. Ez különösen a magasabb hőmérsékleten üzemelő szerkezetek esetén lehet kedvező.
2. Magnézium ötvözetek felhasználása a gépjármű szerkezetekben. Tevékenység: Gyűjtse ki és jegyezze meg a gépjárműalkatrészekhez alkalmazott magnézium ötvözetek gyártási megoldásait, alkalmazás jellemző okait!
Az acélok és alumínium ötvözetek mellett a gépkocsialkatrész-gyártásban jelentős szerepet játszanak a magnéziumötvözetekből nyomásos technológiával öntött, valamint a képlékenyen alakított (kovácsolt, sajtolt és hengerelt) félgyártmányok. A felhasználást korlátozza a nem kedvező hidegalakíthatóságuk. Az utóbbi évtized jelentős eredménye az eddig elhanyagolt gyártástechnológiai fejlesztés fellendülése, ennek következtében a gépkocsigyártásban felhasznált magnéziumötvözetek mennyisége jelentősen növekedett. A nagy érdeklődést elsősorban az váltotta ki, hogy a gépkocsik tömegét és ezzel a felhasznált üzemanyag mennyiségét a szigorú környezetvédelmi előírások érdekében feltétlenül csökkenteni kellett. A magnéziumnak az összes fémes szerkezeti anyagok között a legkisebb a sűrűsége, amely 40%-kal kisebb, mint a szintén könnyűfém alumíniumé. A gépkocsi gyáraknak a magnézium ötvözetek felhasználásával kapcsolatban korábban nem volt megfelelő ismeretük és tapasztalatuk, az utóbbi időkben azonban ezeket fokozatosan megszerzik, fejlesztik, ennek megfelelően a kedvezőtlen helyzet az egyre több Mg-ötvözet felhasználásának irányában változik. Tevékenység: Figyelje meg a 2. ábrán a magnéziumötvözetekből készített öntvények felhasználásának a trendjét! A 2. ábrán az Európában 1991 és 2007 közötti időszakban magnéziumötvözetekből nyomásos technológiával készített öntvényfelhasználást mutatjuk.
2. ábra: Mg-ötvözetből nyomásos technológiával készített öntvények felhasználás Európában Tevékenység: Gyűjtse ki és jegyezze meg a magnéziumötvözetek újrahasznosításának jellemzőit! Jegyezze meg a magnéziumötvözetek jellemző mechanikai tulajdonságait, ötvözőit és ezek hatásait! Gyűjtse ki és jegyezze meg a magnéziumötvözeteknek a járműszerkezetekben történő alkalmazásának jellemző területeit, okait, hatásait! A magnéziumötvözetek előnye, hogy az újrahasznosításuk sokkal egyszerűbb és gazdaságosabb, mint a szintén könnyű szerkezeti anyagoknak, a műanyagoknak. Az új és a korábban keletkezett
magnéziumhulladékok újrahasznosítása csak ismert minőségek esetén lehetséges. A legkedvezőbb a HP- (HP, High Purity, nagy tisztaság) ötvözetek felhasználása, mert a réz- és nikkel szennyezése az újrahasznosítást megnehezíti. Az újrahasznosítás növelésének fontos feltétele a darabok minőséget tanúsító jellel való megjelölése, amellyel az elhasznált elemek leszerelésekor a válogatást lényegesen megkönnyítenék. A magnéziumötvözetek átlagos szakítószilárdsága 100-200 N/mm2 között van. Nagyon kedvezőtlen a szívósságuk, a nyúlásuk, ezt a darabok méretezésénél figyelembe kell venni. A terhelés koncentrációját, különösen erősen igénybe vett daraboknál kerülni kell. Különféle ötvözőelemek segítségével a tulajdonságaikat változtatni tudjuk:
alumíniummal a szilárdság, mangánnal a hegeszthetőség és ónnal a képlékenyalakíthatóság növekszik.
Az acélok két versenytársának, az alumínium- és a magnéziumötvözeteknek a fejlesztése régebben háttérbe szorult, mégis ezeknek a könnyűfémeknek a gépkocsigyártásban való felhasználása régi hagyományra tekinthet vissza. A 30-as években tervezett és gyártott VW Bogár gépkocsi gyártásához már gépkocsinként 20 kg magnéziumot használtak fel. A Bogár gyártásának a befejezésével a magnézium, mint szerkezeti anyag, feledésbe merült, az utóbbi években látszik csak az újjászületése. Ma gépkocsinként kb. 3 kg-ot használnak fel, elsősorban a belső térben lévő elemeknek a készítéséhez. A felhasználásnál kedvezőtlen tényező az ötvözetek magas ára és a nem kedvező korrózióállóság. Az ötvözetek korrózióállóságának a növelésével a felhasznált mennyiséget lényegesen növelni lehet. Új fejlesztésekkel a szennyezők, mint a vas, a réz és a nikkel mennyiségének a csökkentésével az ötvözetek korrózióállóságát jelentősen növelni tudták, ezzel a magnéziumötvözetek egyik kedvezőtlen tulajdonságát szüntették meg. A 80-as évek elején fejlesztették ki, és azóta használják a jó korrózióálló AZ91 D jelű ötvözetet, amely a ma felhasznált teljes mennyiség 80%-át teszi ki. Néhány éve gyártják a nagyobb szívósságú AM20, AM50 és AM60 jelű ötvözeteket, különösen, ha a gyártott elemtől nagyobb biztonságot követelnek meg. A magnéziumötvözeteket a korlátozott képlékenyalakíthatóság miatt elsősorban nyomásos öntvényként használják fel. A magnéziumötvözetek kiváló öntési tulajdonsága, önthetősége, valamint a nyomásos öntéstechnológia kielégítő gazdaságossága miatt, a szériában gyártott gépkocsik elemeit a jövőben is főleg öntéstechnológiával készítik. A magnéziumötvözeteket elsősorban az ajtók és fedelek belső elemeinek a gyártásához használják. Ezek lehetnek lapos szelvényű termékből készített, hengerelt termékek, vagyis héjszerkezetek. A magnézium ajtót a BMW-nél AM50 A jelű ötvözetből készítik, külső alumíniumburkolattal. Ez a kivitel bizonyította, hogy a magnézium belső résszel készített ajtókonstrukciónál a termelékenység növekszik, a hozzáférhetőség javult és az ajtó gyártásánál egyszerű előszerelést tudnak megvalósítani. Ennek ellenére a felhasznált korrózióvédő anyagokkal együtt a gyártási költség viszonylag nagy, 60%-kal nagyobb, mint a hagyományos szerkezeti acélból készített ajtó. A tömegcsökkenés gépkocsinként, két ajtónál 14 kg, az acélból készített kivitellel szemben.
A műszertábla tartó gyártásánál a könnyűszerkezetes anyagok közül több megoldás van versenyben:
alumíniumötvözetekből sajtolt szelvény (szériában alkalmazzák a BMW Z8 típusú gépkocsinál), acélcső, ráhegesztett tartóval (szériában alkalmazzák a BMW 3-as és 5-ös sorozatnál), magnéziumötvözetből nyomásos öntéssel készített kivitel.
A választott gyártástechnológiával magnéziumötvözetből készített egységesített tartónál 35%-os tömegcsökkentést értek el. A 3. ábrán mutatott, AM60 B jelű magnéziumötvözetből készített műszertábla tartó tömege 3,7 kgmal kisebb, mint amelyet eddig (acélból és alumíniumból) a BMW szériában gyártott (a BMW Z8as, valamint a 3-as és 5-ös sorozatú) gépkocsiknál használtak.
3. ábra: Mg-ötvözetből készült műszertábla tartó (két nézetben) Jellegzetes felhasználási példa a belső térbe szerelt gépkocsielemként a kormánykerék és a kormányoszlop, amelyeket szériában gyártott gépkocsikhoz régóta magnéziumötvözetekből, nyomásos öntési technológiával készítenek. A 4. ábrán mutatjuk a VW Mini típusú gépkocsi kormánykerékvázát, amelyet AM60 B jelű, és a felső kormányoszlopot, amelyet AZ91 D jelű magnéziumötvözetből készítenek.
4. ábra: Mg-ötvözetből készült kormánykerék és kormányoszlop A magnéziumötvözeteket sok pozitív tulajdonságuk ellenére jelenleg a gépkocsi elemeknek csak szűk körében használják. A magnéziumötvözetek az alkatrészgyártásban versenyben állnak a többi, könnyűszerkezetes gépkocsik gyártásához felhasználható szerkezeti anyaggal: a növelt szilárdságú, mikroötvözött acélokkal, az alumíniumötvözetekkel és a műanyagokkal. A magnéziumötvözetek felhasznált mennyisége viszonylag kevés, kb. 0,5% körül van. Egyéb iparágakban, mint tv kamerák, fényképezőgépek, mobiltelefonok, laptopok, számítógépházak, speciális szerszámok, pl. fúró- és fűrészgépek házainak a gyártásához egyelőre még több magnézium ötvözetet használnak fel, mint az autó iparban.
3. Korszerű ötvözetek, mint gépjármű szerkezeti anyagok összehasonlítása Tevékenység: Gyűjtse ki és hasonlítsa össze a korszerű acélok, alumínium és magnézium ötvözetek tulajdonságait, környezetvédelemmel való kapcsolódásait, gyártásuk gazdaságosságát és mennyiségét! Miután megismertük a korszerű acélok, alumínium és magnézium ötvözetek jellemző tulajdonságait és gépjármű szerkezetekben előforduló alkalmazásait, az eddig tanultak alapján össze tudjuk hasonlítani ezeket. Összességében: a szilárdsági tulajdonságok egyértelműen az acéloknál a legjobbak. A megmunkálhatóság ma már mindhárom ötvözetrendszer esetében nagyon fejlett. Korrózióállóság szerint is találunk jó példákat mindhárom családból. Az alumínium és a magnézium ötvözetek a kis sűrűségükkel és alacsonyabb olvadáspontjukkal kínálnak jóval előnyösebb lehetőségeket az acéloknál. A járműgyártóknak a mai fejlett technikai körülmények között nemcsak az anyagjellemzőket és a megmunkálhatóságot, hanem a gazdaságpolitika és a fejlesztés feltételeit, a gyártási költségeket, a gyártott gépkocsik darabszámát, a darab tömegét, nem utolsó sorban a környezetre vonatkozó terhelő hatásokat is figyelembe kell vennie. A teljesség kedvéért további két tényezőt nézünk meg mi is, hogy a különböző alkalmazásokhoz az anyagválasztásokat jobban megértsük. Tevékenység:
Az 1. táblázat alapján végezze el a felsorolt anyagok összehasonlítását! Melyiket, mikor, hol célszerű alkalmazni? Milyen előnyök és hátrányok jellemzik az anyagokat? Az 1. táblázatban a könnyűfémekről mutatunk néhány adatot, a vas megfelelő adataival összehasonlítva. Mg
Al
Ti
Fe
Sűrűség (g/cm3)
1,74
2,7
4,51
7,87
Olvadáspont (0C)
650
660
1670
1535
Rugalmassági modulus (GPa)
45
70
120
210
tömött hexagonális
felületközepes köbös
tömött hexagonális
térközepes köbös
5x105
2x107
5x105
8x108
Befektetett energia (MWh/t)
112
70
130
15
Relatív költség
7,5
3,7
9
1
Kristályszerkezet (300 K) Éves termelés (tonna)
1. táblázat: Könnyűfémek tulajdonságainak összehasonlítása a vas tulajdonságaival Forrás: Polmear (3rd edition) Journal of Metals 54. (2002) 42-48.
A korábban említett összehasonlítások mellett meg kell említeni, hogy egy tonna nagytisztaságú fém előállításához befektetett energia (1. táblázat utolsó előtti sora) a vas esetében a legkevesebb, az alumínium és a magnézium esetében lényegesen több energiát használnak a gyártáshoz. Ezzel párhuzamosan az előállítási költség (1. táblázat utolsó sora) az alumínium esetében 3,7-szer, a magnézium esetében 7,5-szer annyi, mint a vas esetében. Tehát láthatjuk a számszerű adatokból is, hogy a könnyűfémek lényegesen drágábbak a vasnál. Ez az egyik alapvető oka annak, hogy a világ éves termelése lényegesen kevesebb a könnyűfémeknél, mint az acéloknál (1. táblázat 5.sora). Tevékenység: Az 5. ábra alapján végezze el a felsorolt anyagok összehasonlítását a szükséges energia befektetés és CO2 kibocsátás alapján? Mit tapasztalt? Vajon mennyire könnyű választani a különféle anyagok közül? Az 5. ábrán látható diagram vízszintes tengelyén a különböző szerkezeti anyagok 1 kg tömegének előállításához befektetett energia értékei vannak feltüntetve. A függőleges tengelyen 1 kg tömeg előállítása folyamán kibocsátott széndioxid mennyisége van feltüntetve, amely közismerten a környezetkárosítás egyik legfontosabb tényezője, hiszen tudjuk, hogy az üvegházhatás miatt kialakuló globális felmelegedés egyik legfontosabb oka a túlzott széndioxid termelés. Az eddig tanult három anyagcsoport esetében a gyártás során kibocsátott széndioxid tekintetében rendkívül nagy különbségeket látunk. Az acélok a diagram bal alsó részén helyezkednek el (low alloy steel, medium Carbon steel). Ötszörös, tízszeres kibocsátott széndioxid mennyiségeket olvashatunk le a diagramról az alumínium ötvözetek (Aluminium alloys) és a magnézium ötvözetek
(Magnesium alloys) esetében. Tehát környezetterhelés szempontjából az acélok ismét jóval kedvezőbbnek bizonyulnak a könnyűfém ötvözeteknél.
5. ábra: CO2 kibocsátás különböző anyagok előállítása során Összességében azt mondhatjuk, hogy a korszerű könnyűszerkezetes gépkocsik szerkezeti anyagai között az acélok ma is meghatározó szerepet játszanak, azonban az alumínium ötvözetek és a magnézium ötvözetek felhasználása is sok esetben indokolt. A korszerű könnyűszerkezetes gépjárművekben a három anyagcsalád jól kiegészíti egymást, ezen anyagcsaládoknak az alkalmasan választott kombinációival oldják meg a korszerű könnyűszerkezetes gépkocsik, a karosszériák anyagválasztását.
Felhasznált irodalom
Tisza Miklós: Metallográfia, Miskolci Egyetem, 2002. E.R. Wallach: Materials Science: Alloys, University Lectures, University of Cambridge, Department of Metrials Science and Metallurgy, 2011-2012. Enyingi Kálmán: Magnézium a gépkocsiban, Autótechnika 39-43., 2003/9.
Önellenőrző kérdések 1. kérdés WordForce Question:
Multiple_Response
2. kérdés Az alábbi megfogalmazást egészítse ki füzetében a hiányzó kifejezésekkel úgy, hogy a Mg-ötvözetek esetében alkalmazott szilárdságnövelő módszereket, a korrózióállóság javításának módjait, a gyúlékonyság kezelését helyesen jellemezze:
A 3-12% alumínium-tartalmú magnézium ötvözetekben lehűlés közben az Al12Mg17 fémes vegyület válik ki, amely fokozza az ötvözet keménységét.
A keménységet 0,5-1% Zn és 0,1-0,5% Mn ötvözéssel javítják. A magnézium gyúlékonysága miatt az öntés körülményes. A tégelyben megolvasztott ötvözetet sótakaróval védik. A homokformába ként kevernek, és felületét öntés előtt kénporral szórják be. A korszerű magnézium ötvözetek fejlesztésének két iránya figyelhető meg. Az egyik irány az elhanyagolhatóan kis mennyiségű szennyezőt tartalmazó ötvözetek jelentik. A másik csoporthoz tartoznak azok az ötvözetek, amelyek ritka földfémekből (pl. cérium) 5%-nál nagyobb mennyiséget tartalmaznak. Mindkét típusnál a korrózióállóságot jelentősen fokozó, védő MgO film keletkezik a felületen. WordForce Media:
Popup
3. kérdés WordForce Question:
Multiple_Response
4. kérdés WordForce Question:
Multiple_Response
3. modul: Belsőégésű motorok szerkezeti anyagai
1. lecke: Motorblokkok anyagai Cél Belsőégésű motorokban használatos motorblokkok anyagainak, technológiáinak megismerése. Követelmények Ön akkor sajátította el a tananyagot, ha képes: - saját szavaival jellemezni a motorblokkokban alkalmazott öntöttvasak szerkezetét, tulajdonságait, vázlatosan bemutatni az öntési technológiát, - saját szavaival jellemezni a motorblokkokban alkalmazott alumínium ötvözetek szerkezetét, tulajdonságait, - saját szavaival jellemezni a motorblokkokban alkalmazott perselyek, bevonatok anyagainak szerkezetét, tulajdonságait, - saját szavaival jellemezni a motorblokkok hengerfelületeinek topológiáját, tulajdonságait. Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 120 percre lesz szüksége. Kulcsfogalmak öntöttvas monolitikus motorblokk öntöttvas perselyes alumínium kompozit motorblokk hipereutektikus összetételű Al-Si monolitikus motorblokk öntöttvasak szövetelemei: perlit, grafit, eutektikum hipereutektikus Al-Si ötvözetek szövetelemei: Si, eutektikumok hónolás keresztrovátkás felületi mintázat felületi érdesség vermikuláris öntöttvas hővezetés hőátadás kopásállóság kenőanyag megtartó képesség
1. Öntöttvas monolitikus (persely nélküli) motorblokk Tevékenység:
gyűjtse ki és jegyezze meg a motorblokkban alkalmazott öntöttvas szövetelemeit,
gyűjtse ki és jegyezze meg a foszfor ötvöző megjelenési formáját és hatását. A monolitikus motorblokk teljes térfogata egyetlen fajta anyagból készül, leggyakoribb a perlites szerkezetű szürke öntöttvas motorblokk. A jellemző szövetszerkezetet mutatjuk az 1. ábrán.
1. ábra: Motorblokkban alkalmazott szürke öntöttvas szövetszerkezete
A szövetszerkezetben a szürke területek a perlit szövetelemek, helyenként a perlitre jellemző lemezes szerkezet is felismerhető, a fekete lemezkék a grafitlemezek, a világosszürke területek az ún. steaditek, vas-szén-foszfor eutektikus szövetelemek, Az öntöttvasakról szóló leckében említettük, hogy 0,3%-nál nagyobb P tartalom esetében vasfoszfidból (Fe3P), cementitből (Fe3C) és ferritből álló hármas (Fe-C-P) foszfid eutektikum, ún. steadit képződik. Ez utoljára dermed meg és így a krisztallitok határán fészkekben, vagy hálószerűen helyezkedik el. A steaditeknek a megjelenése az 1. ábrán jól megfigyelhető. A foszfor ötvöző az önthetőséget és a kopásállóságot javítja. A ferrit szövetelem a motorblokkok anyagában (különösen a felületek mentén) kerülendő. A ferrit karcolódásra, horzsolódásra hajlamossá teszi a felületet, és a karcolással, horzsolással keletkező réseknél előfordulhatnak a hengerből való nemkívánatos kifújások. Tevékenység:
gyűjtse ki és tanulja meg a motorblokk homoköntésének lépéseit, gyűjtse ki és tanulja meg a homokformához használatos anyagokat,
vázolja fel és tanulja meg egy henger öntéséhez szükséges homokforma szerkezetét. Az öntöttvas motorblokkokat homoköntéssel állítják elő. Az acélformába való öntés nagyon ritka, az acélforma élettartama túlságosan rövid ahhoz, hogy az eljárás kifizetődő legyen. A homokforma előkészítése nagy figyelmet igénylő feladat. Egyszerre több fészekben (formaüregben) történik az öntés. A fészkek előkészítése automatikusan, egy célberendezés segítségével történik. Az olvadt fémet azonnal a formákba öntik. A dermedés után a kibontás a forma szétrombolásával jár. A motorblokk üregeiből kifújják a homokot. Ezután a homokot újra felhasználják a következő öntési ciklus formaüregeinek előkészítéséhez. A homoköntés termelékenysége nagy. Két fő módszert alkalmaznak homoköntésre: Az ún. „zöld homoköntés” esetén az öntőformákat, fészkeket homok és agyag keverékéből átnedvesítve készítik elő. Az ún. „száraz homoköntés” esetén a homokhoz szintetikus kötőanyagot kevernek, amely hőhatásra vagy kémiai úton aktiválódik, és így erősebb, tömörebb öntőformát lehet kialakítani. A 2. ábrán példaképpen egy cső öntéséhez tartozó homoköntő forma vázlatát mutatjuk. A cső furatát kialakító magrész ugyancsak homokból készül. Az öntőformából kibontott rész modelljét a 3. ábrán mutatjuk. Nemcsak a henger nagy furatát, hanem pl. a hűtőfuratokat is a formaüreghez illesztett magrészek segítségével hozzák létre az öntés során.
2. ábra: Homokforma henger öntéséhez
3. ábra: Kibontott darab (öntvény a csatornamaradékokkal) a henger öntésénél
Tevékenység: gyűjtse ki és tanulja meg, milyen befejező műveletet alkalmaznak a hengerfelület készre munkálásánál, milyen lesz a hengerfelület, milyen szerepe van a felülettopológiának. A hengerfuratoknál nagyon fontos követelmény a méretpontosság. Az öntvényt utólagosan forgácsolással munkálják méretre. A befejező művelet a hónolás. A hónolással kialakított hengerfelületről mikroszkópos felvételt látunk a 4. ábrán. A hónoló szerszám keresztrovátkás mintázatot váj a felületbe. A rovátkák, mint apró hornyok jelenléte kedvező a motor működése közben a kenőanyag megtartása céljából.
4. ábra: A hengerfurat belső felülete hónolás után
Tevékenység:
gyűjtse ki és jegyezze meg a szilárd kenőanyagok nevét, gyűjtse ki és jegyezze meg, mi indokolja a grafitnak szilárd kenőanyagként való viselkedését, gyűjtse ki és jegyezze meg, az öntöttvas grafittartalma milyen előnyös következményekkel jár a forgácsolásnál és a motor működésénél.
A szürke öntöttvas grafittartalma szilárd kenőanyagként funkcionál mind a hengerfalak megmunkálásánál, mind pedig a motor működése közben a dugattyúval való súrlódásos kapcsolatban. A szilárd kenőanyagok jelenlétében kicsi a súrlódási erő folyékony kenőanyag alkalmazása nélkül is. Jól ismert szilárd kenőanyagok a grafiton kívül a MoS2, a WS2, az Sn és az Pb. A grafitnál a kis súrlódási erő abból adódik, hogy a grafit réteges kristályszerkezete miatt a kristálysíkok könnyen elcsúsznak egymáson, kis nyíró igénybevétel esetén is. Forgácsolás során a grafit csökkenti a súrlódást a szerszám és a szürke öntöttvas között, további előny az is, hogy a grafit rideg tulajdonsága miatt a forgács nem folytonos, következésképpen a szürke öntöttvasak forgácsolhatósága igen jó. A grafit szilárd kenőanyagként viselkedik, így megvédi a dugattyút és a dugattyúgyűrűt a berágódástól még nagyon kevés kenőolaj esetén is. Tevékenység: gyűjtse ki és jegyezze meg, hogy a hónolás utáni hengerfelületen milyen topológia a legelőnyösebb olajfogyasztás és kopásállóság szempontjából. A hónolás után keletkező rovátkás hengerfelületen az érdesség kicsi, éles sorjái akadályozzák a kenőfolyadék hatékonyságát. Ezért Mn-foszfáttal való maratással eltávolítják a felületről az éles sorjákat. Fontos szerepe van az érdesség profilnak is. Az 5. ábrán kétféle érdesség profilt mutatunk. Az 5.a. ábrán látható ún. normál érdesség profiltól különbözik az 5.b. ábrán látható ún. síkszerű profil, ahol közelítően sík szakaszokat is találunk. Tevékenység: hasonlítsa össze a két egymás alatti diagramot. Figyelje meg az alsó diagramon a síkszerű szakaszokat.
5. ábra: Kétféle érdesség profil a hengerfelületen hónolás után. a: normál profil, b: síkszerű profil. Egy függőleges osztás 1µm, egy vízszintes osztás 0,1mm.
A 6. ábra egy 1,9 l hengerűrtartalmú motor olajfogyasztásának értékeit hasonlítja össze.
6. ábra: Olajfogyasztás összehasonlítása különböző minőségű hónolt hengerfelületek esetén.
A 6. ábrán a normál érdesség profil esetében a kis felületi érdesség értéke Ra=0,12 µm, a közepes érték Ra=0,4 µm, a nagy érték Ra=0,62 µm. A síkszerű érdesség profil esetében a kis felületi érdesség értéke Ra=0,14 µm, a közepes érték Ra=0,32 µm, a nagy érték Ra=0,88 µm. Látszik, hogy akkor a legkedvezőbb az olajfogyasztás, amikor a hengerfelületen a felületi érdesség kicsi, valamint az érdesség profil normál típusú. Emellett azonban meg kell jegyezni azt is, hogy a kis felületi érdesség mellett a kopásállóság is kisebb. Amikor a hengerfal hőmérséklete magas, a síkszerű érdesség profil kopásállósága kiváló, viszont ebben az esetben nagy az olajfogyasztás. Tevékenység:
gyűjtse ki és jegyezze meg a hagyományos öntöttvasban megjelenő grafitszemcsék jellemző alakját, előnyös és hátrányos tulajdonságait, gyűjtse ki és jegyezze meg a gömbgrafitos öntöttvas tulajdonságait, hogyan idézik elő a gömbszerű megjelenést, gyűjtse ki és jegyezze meg a vermikuláris öntöttvasban megjelenő grafitszemcsék jellemző alakját, az öntöttvas tulajdonságait, hogyan idézik elő a megjelenést. Az anyagtudomány egyik folyamatos törekvése a szürke öntöttvas szilárdságának növelése úgy, hogy a szilárdságnövelés mellett más tulajdonságok ne romoljanak. A benzinmotorok hengereiben a nyomás 7-12 MPa között van, a nagyteljesítményű dieselmotorok esetében 20 MPa is előfordul. A hengerfalak mechanikai igénybevétele tehát nagy. A mechanikai terheléseket a hengerfalaknak magas hőmérsékleten kell kibírniuk, a hengerfalak hőterhelése is nagy. Az öntöttvas blokk a legelterjedtebb, többek között a nagy szilárdság miatt. A grafit alakja erősen befolyásolja a szilárdságot, ahogyan az öntöttvasakról szóló leckében már láttuk. A 7. ábrán vázlatosan mutatjuk a jellemző grafit alakzatokat. A hagyományos öntöttvasak, a lemezgrafitos öntöttvasak szerkezetében lemezszerű alakzatokban jelenik meg a grafit, lásd 7.a.ábra. Ha a folyékony öntöttvashoz közvetlenül az öntés előtt néhány tized százalék magnéziumot vagy céziumot adagolunk, akkor gömbgrafitos öntöttvasat kapunk, a grafit gömbszerű alakban kristályosodik, lásd 7.b.ábra,. A kettő közötti átmenet a lekerekített élekkel rendelkező lemezes forma, ebben az esetben az öntöttvasat vermikuláris öntöttvasnak nevezzük. Tevékenység: vázolja le füzetébe a következő jellemző grafitalakzatokat, hasonlítsa össze az ’a’ és a ’c’ mintázatokat, fogalmazza meg a hasonlóságot és a különbséget.
a b c 7. ábra: Grafit megjelenése az öntöttvasban. a: lemezgrafit, b: gömbgrafit, c: átmeneti, vagy vermikuláris grafit részecskék
A gömbgrafitos öntöttvasak szerkezetében a grafitszemcsék éles sarkainál adódó mikrofeszültségek nincsenek, ezért a szilárdságuk nagyobb, az alakíthatóságuk jobb, mint a lemezgrafitos öntöttvas esetében, azonban a hővezetés és a kopásállóság gyengébb. A vermikuláris öntöttvasakat fejlesztették ki a legkésőbb, ezzel a grafitszerkezettel sikerült elérni, hogy a mechanikai szilárdság nagy, miközben a lemezgrafitos öntöttvas előnyös tulajdonságai megmaradnak. A szilárdság 1,5-2-szer nagyobb, mint a lemezgrafitos öntöttvasnál, a merevség is jobb, a kifáradási szilárdság is közel kétszer jobb. A hővezetése a lemezgrafitos és a gömbgrafitos öntöttvas között van. Ezen tulajdonságok miatt a motorblokkok tervezésében a vermikuláris öntöttvas alkalmazásával kisebb falvastagságok megvalósítása válhatott valóra, ezzel együtt jelentős tömegcsökkentést értek el. A 8. ábrán a Mg adagolásának a grafit részecskék kialakulására való hatását mutatjuk. Az ábráról leolvasható, hogy ha a gömbgrafitos szerkezet kialakulásához szükséges mennyiségnél (kb. 0,03 %nál) kevesebb Mg-mal (kb. 0,01-0,02 %-kal) oltják a folyékony vasat az öntés előtt, akkor nyerik a vermikuláris öntöttvasat. Tevékenység: figyelje meg az alábbi diagramon az összetétel és a szerkezet kapcsolatát.
8. ábra: A Mg hatása a grafit kialakulására
2. Öntöttvas betétes alumínium motorblokk Tevékenység: gyűjtse ki és jegyezze meg az alumínium ötvözetek motorblokkban való alkalmazásának előnyeit és hátrányait az öntöttvas alkalmazásával szemben, Az alumínium öntvények szilárdsága gyengébb, mint az öntöttvasaké, sűrűségük azonban lényegesen kisebb, ezen kívül az öntöttvas ára és technológiája olcsóbb. Sportautókon kívül sokáig nem próbálkoztak alumínium motorblokkok öntésével, azt gondolták, hogy a kis szilárdság miatt túlságosan nagy méretekre lenne szükség. A mai körülmények között, a jó tervezés és a fejlett technológia következményeként az alumínium motorblokkok már általánosan elterjedtek, elsősorban azért, mert kb. 40 % tömegcsökkentést értek el az öntöttvas motorblokkokkal szemben, és a szilárdsági tulajdonságok is alig maradnak el az öntöttvastól. Az alumínium motorblokkok drágábbak, de a fogyasztás csökkenése miatt kifizetődő az alkalmazásuk. 2003-ban az Európában gyártott motorok 60 %-a már alumínium motorblokk volt. Az alumínium motorblokkoknak sok fajtáját gyártják, a fontosabb típusok: tisztán monolitikus motorblokk, monolitikus blokk bevonatolt hengerfelülettel, persellyel kombinált alumínium motorblokk. A motorblokkokban alkalmazott alumínium ötvözetek jó hővezetők, a hővezetési tényező kb. 150 W/(m∙K), kb. háromszorosa a szürke öntöttvasak hővezetési tényezőjének. Tehát az alumínium motorblokkokban kiváló hűtés alakítható ki, ehhez járul hozzá előnyként a kis tömeg. A hátrányos tulajdonságok ezzel szemben a kisebb szilárdság és a gyengébb kopásállóság. A hátrányos tulajdonságok kikerülésére nagyon gyakran öntöttvas perselyeket alkalmaznak az alumínium motorblokkokban. A kompozit motorblokkokat először 1903-ban a Wright testvérek fejlesztették ki repülőgépek számára, ott ugyanis a kis tömeg elsődleges követelmény. Tevékenység: gyűjtse ki és jegyezze meg, hogyan rögzítik az öntöttvas perselyt az alumínium motorblokkban A perselyes kompozit motorblokkoknak is több fajtája létezik. A legelterjedtebb fajta esetén öntéssel állítják elő a kompozit motorblokkot: a perselyeket a homokformába helyezik (rögzítésük a furatba helyezett maggal történik), ezután öntik a kialakított formaüregbe a folyékony alumíniumot. A persely körbeöntése az alumínium térfogat és a persely között erős kötést eredményez. Mivel az alumíniumnak nagyobb a hőtágulása, mint a persely anyagának (kb. kétszerese), ezért a lehűlés során az öntött alumínium rászorul a perselyre. Ennek következményeképpen a perselyben maradó nyomófeszültség adódik. Ez a maradó feszültség előnyös hatást fejt ki, amikor a motorban a hőmérséklet magas. Hő hatására ugyanis a külső alumínium térfogat tágulása nagyobb, mint a belső perselyé, és ezért, ha a maradó feszültség nem volna, magas hőmérsékleten a persely kilazulna az alumínium motorblokkból.
Tevékenység: gyűjtse ki és jegyezze meg, milyen célból, milyenre képezik az alumínium motorblokkokhoz alkalmazott öntöttvas persely külső felületét. A kompozit motorblokkos motorokban a perselyt közvetlenül nem hűtik. Az égés hőjét az alumínium térfogatán keresztül vezetik el, át kell vezetni tehát az öntöttvas és az alumínium határfelületén. A határfelületen azonban előfordulhatnak hézagok, amelyek rontják a hővezetést. A hézagok megelőzésére vagy kiküszöbölésére többféle technológiát ajánlanak. Az egyik ilyen technológia során pl. a formaüregben fixált vasöntvény perselyt előmelegítik, az alumíniumot pedig nagy elővigyázatossággal öntik a persely köré, úgy, hogy ne keletkezzenek örvények az öntés során. Az alumíniummal való jobb mechanikai kapcsolódás érdekében az öntöttvas persely külső felülete érdes, rücskös, ez figyelhető meg a 9. ábrán. A rücskös felület érdekében a persely öntő formaüregének adott részei durva szemcsés homokból készülnek.
9. ábra: Öntöttvas persely érdes, rücskös felülete
A 10. ábrán egy kettévágott kompozit henger látható. Az öntöttvas persely és az alumínium csatlakozásánál szabad szemmel nem látunk réseket, a kontaktus a kétféle anyag között hibátlannak tűnik. A rücskös felület is jól látható. A rücskös felület miatt a hőátadás a két anyag között lényegesen jobb az érintkező felületek méretének megnövekedése miatt.
Tevékenység: figyelje meg a henger és a persely érintkező felületét.
10. ábra: Kompozit henger metszete
A persely rögzítése a motorblokkban nemcsak körbeöntéssel történhet. Alkalmaznak másfajta technikákat is, ahol vagy a hengert szorítják rá a perselyre, vagy a perselyt duzzasztják bele a hengerbe. Tevékenység: gyűjtse ki és jegyezze meg, milyen anyagból készítik a perselyt az alumínium motorblokkokhoz. Az öntöttvas persely anyagszerkezete hasonló az öntöttvas monolitikus motorblokk részben ismertetett szerkezettel, általában vermikuláris szürke öntöttvas perselyeket alkalmaznak. A perselyeket is öntészeti úton, homoköntéssel állítják elő. Perselyek esetében ritkán, nagy méretek esetében alkalmaznak centrifugál öntést. Ezen kívül találkozunk olyan motorblokkokkal is, ahol a persely anyaga nem öntöttvas. Említésre méltó a porkohászati úton előállított alumíniumötvözet persely. Az alumíniumötvözet választása a jó hővezetés miatt előnyös. A gyengébb szilárdságot és a kopássállóságot pedig úgy javítják, hogy Al2O3, Si és Fe szemcséket kevernek a porokhoz a szinterezés előtt.
Perselyek helyett szokásos az alumínium motorblokkokban a hengerek felületeinek javítása különböző bevonatokkal. Leggyakrabban Cr, vagy SiC, esetleg BN szemcsékkel erősített Ni bevonatokat alkalmaznak. 3. Hipereutektikus összetételű Al-Si monolitikus motorblokkok Tevékenység: gyűjtse ki és jegyezze meg, milyen fajta, milyen tulajdonságú szövetelemekből áll a hipereutektikus összetételű Al-Si ötvözet szövetszerkezete, gyűjtse ki és jegyezze meg, miért, hogyan képezik ki a hipereutektikus összetételű Al-Si ötvözetből álló hengerfelületet. Ennél a technológiánál a motorblokk teljes térfogata hipereutektikus összetételű Al-Si ötvözet, a hengerfelületeket nem bevonatolják. A 11. ábrán hipereutektikus összetételű Al-Si ötvözet szövetszerkezetét mutatjuk. Tevékenység: figyelje meg a szövetszerkezeten a sötétebb Si szemcséket a világosabb eutektikus mátrixban.
11. ábra: Hipereutektikus összetételű Al-Si ötvözet szövetszerkezete
A hipereutektikus összetételű Al-Si ötvözet szövetszerkezetében Si szemcsék keverednek az eutektikus szemcsékkel. A Si szemcsék nagy szilárdságú, kemény, kopásálló szemcsék, az eutektikus
szemcsék azonban lágyabb tartományok. A hengerfelület forgácsolása után a felületet kémiai vagy mechanikai módszerrel maratják. Ennek következményeképpen a lágyabb eutektikus tartományok bemaródnak, a Si szemcsék stabilak maradnak. A kapott felület mikroszkopikus részlete a 12. ábrán látható. A Si szemcsék kiemelkedése és az eutektikus tartományok mélyedései jól láthatóak.
12. ábra: Si szemcsék kiemelkedése a hipereutektikus összetételű Al-Si hengerfalból maratás után
A dugattyú számára a kemény, kopásálló futófelületet a Si szemcsék adják, az eutektikus tartományok bemélyedései a kenőanyag megtartását segítik. Ezeknek az ötvözeteknek az öntése nehezebb, mint az öntöttvasaké, ezért a homoköntés helyett kokillaöntést alkalmaznak. Felhasznált irodalom: Hiroshi Yamagata: The science and technology of materials in automotive engines, Woodhead Publishing Limited and CRC Press LLC, 2005 Önellenőrző kérdések: 1. Az alábbi felsorolásból válassza ki, milyen szövetelemeket tartalmaz a monolitikus motorblokkokban alkalmazott öntöttvas? perlit, ferrit, Fe-C-P eutektikum perlit, ferrit, Fe-P eutektikum perlit, grafit, Fe-P eutektikum perlit, grafit, Fe-C-P eutektikum
2. Válassza ki a helyes megoldást! Milyen hatása van a foszfor ötvözőnek az öntöttvasakban? az önthetőséget és a kopásállóságot javítja az önthetőséget javítja, a kopásállóságot rontja az önthetőséget rontja, a kopásállóságot javítja szilárdságot növeli, de az önthetőséget rontja 3. Az alábbi technológiai műveletelemeket állítsa sorrendbe az 1-től 5-ig terjedő sorszámok helyes megadásával a monolitikus öntöttvas homoköntési technológiájához. a motorblokk üregeiből kifújják a homokot (4) a dermedés után a kibontás a forma szétrombolásával jár (3) formaüregek kialakítása (1) a homokot újra felhasználják a következő öntési ciklus formaüregeinek előkészítéséhez (5) az olvadt fémet a formákba öntik (2) 4. Válassza ki a helyes megoldásokat (2)! Milyen anyagokat használnak az öntöttvas monolitikus motorblokk öntési technológiájához a formaüregek kialakításánál? a homokhoz szintetikus kötőanyagot kevernek, amely hőhatásra vagy kémiai úton aktiválódik, kerámia alapanyagot, homok, agyag keveréket, hőálló acélokat.
5. Vázolja fel füzetébe egy henger öntéséhez szükséges homokforma és a formából kibontott darab szerkezetét, nevezze meg a részeit: ezt kell rajzolni:
6. Válassza ki a helyes megoldást! Milyen topológia jellemző a készre munkált hengerfelületre? hónolás után keresztrovátkás mintázat, amely a kenőanyag megtartás céljából előnyös simító marás után keresztrovátkás mintázat, amely a kenőanyag megtartás céljából előnyös hónolás után kis felületi érdesség, amely a kopásállóság céljából előnyös simító marás után kis felületi érdesség, amely a kopásállóság céljából előnyös 7. Az alábbi felsorolásból válassza ki, melyek a szilárd kenőanyagok? Sn, Pb, S, és grafit MoS2, grafit, Sn és Pb Al2O3, WS2, Sn és Pb WS2, grafit, Sb és Pb 8. Válassza ki a helyes megoldásokat (2)! Milyen hatása van a grafit ötvözőnek az öntöttvasban? Javítja a forgácsolhatóságot
Szívóssá teszi az öntöttvasat Szilárdságnövelő megvédi a dugattyút és a dugattyúgyűrűt a berágódástól Kopásállóságot javítja
9. Válassza ki a helyes megoldásokat (2)! Milyen topológia a legelőnyösebb olajfogyasztás és kopásállóság szempontjából a hónolás utáni hengerfelületen? olajfogyasztás szempontjából a kis felületi érdesség és a síkszerű érdesség profil a legelőnyösebb olajfogyasztás szempontjából a nagy felületi érdesség és a normál érdesség profil a legelőnyösebb Kopásállóság szempontjából a kis felületi érdesség nem előnyös Kopásállóság szempontjából a kis felületi érdesség előnyös 10. Válassza ki a helyes megoldást! Milyen alakzatokban jelenik meg a grafit a vermikuláris öntöttvasakban? poliéderes gömbszerű lemezek lekerekített végű lemezkék 11. Válassza ki a helyes megoldást! Milyen tulajdonságai miatt alkalmazhatók a vermikuláris öntöttvasak motorblokkokban? A gömbszerű grafitalakzat miatt jó a hővezetés és kopásállóság, nagy a szilárdság, jó az alakíthatóság. A lemezszerű grafitalakzat miatt örökli a lemezgrafitos öntöttvas jó hővezetését és kopásállóságát, a lekerekített végek miatt nagy a szilárdság, jó az alakíthatóság. jó a hővezetés és szívósság, nagy a szilárdság, jó az alakíthatóság jó a merevség és szívósság, nagy a szilárdság, jó az alakíthatóság 12. Válassza ki a helyes megoldást! Hogyan idézik elő a lemezgrafit alakjának módosulását az öntöttvasban? kb. 0,03 % Mg hozzáadásával gömbgrafitos, ennél kevesebb Mg hozzáadásával vermikuláris öntöttvasat nyernek. kb. 0,03 % Mg hozzáadásával gömbgrafitos, ennél kicsit több Mg hozzáadásával vermikuláris öntöttvasat nyernek. kb. 0,03 % Na hozzáadásával gömbgrafitos, ennél kevesebb Mg hozzáadásával vermikuláris öntöttvasat nyernek.
kb. 0,03 % Na hozzáadásával gömbgrafitos, ennél kicsit több Mg hozzáadásával vermikuláris öntöttvasat nyernek.
13. Válassza ki a helyes megoldásokat (2)! Milyen előnyökkel jár az alumínium ötvözetek motorblokkban való alkalmazása az öntöttvas alkalmazásával szemben? az alumínium ötvözetek szilárdsága jobb, mint az öntöttvasé az alumínium ötvözetek alkalmazásával 60% tömegcsökkentés érhető el motorblokkoknál az alumínium motorblokkok olcsóbbak az alumínium motorblokkok alkalmazásával csökken a fogyasztás az alumínium ötvözetek hővezetése jobb, ez a hűtés számára kedvező az alumínium ötvözetek kopásállósága jobb 14. Válassza ki a helyes megoldást! Hogyan rögzítik az öntöttvas perselyt az alumínium motorblokkban? A persely körbeöntése során, mivel az alumíniumnak kisebb a hőtágulása, mint a persely anyagának, ezért a lehűlés során az öntött alumínium rászorul a perselyre A perselynek a motorblokkba öntése során, mivel az alumíniumnak nagyobb a hőtágulása, mint a persely anyagának, ezért a lehűlés során az öntött alumínium rászorul a perselyre A persely körbeöntése során, mivel az alumíniumnak nagyobb a hőtágulása, mint a persely anyagának, ezért a lehűlés során az öntött alumínium rászorul a perselyre A perselynek a motorblokkba öntése során, mivel az alumíniumnak nagyobb a hőtágulása, mint a persely anyagának, ezért a lehűlés során az öntött alumínium rászorul a perselyre 15. Válassza ki a helyes megoldást! Milyenre képezik az alumínium motorblokkokhoz alkalmazott öntöttvas persely külső felületét? finom szemcsés homokból álló homokformában való öntés miatt a persely külső felülete sima lesz, amely előnyös a jobb hőátadás miatt finom szemcsés homokból álló homokformában való öntés miatt a persely külső felülete sima lesz, amely előnyös a jobb hővezetés miatt durva szemcsés homokból álló homokformában való öntés miatt a persely külső felülete rücskös lesz, amely előnyös a jobb hőátadás miatt durva szemcsés homokból álló homokformában való öntés miatt a persely külső felülete rücskös lesz, amely előnyös a jobb hővezetés miatt 16. Válassza ki a helyes megoldást! Miért kedvező a külső, rücskös felület az alumínium motorblokkokhoz alkalmazott öntöttvas perselyeknél? a megnövelt csatlakozó felület jobb hőátadást eredményez az alumínium blokk felé jobb lesz a hővezetés
jobb a merevség jobb a kopásállóság
17. Válassza ki a helyes megoldásokat (3)! Milyen anyagokból áll a hengerfelület az alumínium motorblokkoknál? gömbgrafitos öntöttvas persely vermikuláris öntöttvas persely lemezgrafitos öntöttvas persely Al2O3, Si és Fe szemcsékkel erősített szinterezett alumínium ötvözet persely Al2O3, Si és Fe szemcsékkel erősített szinterezett öntöttvas persely Cr, SiC, esetleg BN szemcsékkel erősített Ni bevonatok Cr, SiC, esetleg BN szemcsékkel erősített Ti bevonatok Cr, SiC, esetleg BN szemcsékkel erősített acél bevonatok 18. Válassza ki a helyes megoldást! Milyen szövetelemekből áll a hipereutektikus összetételű Al-Si ötvözet szövetszerkezete? kemény, kopásálló Si és lágy szilárd oldat szemcsékből lágy Al és kemény, kopásálló eutektikus szemcsékből lágy Si és kemény, kopásálló eutektoidos szemcsékből kemény kopásálló Si és lágy eutektikus szemcsékből 19. Válassza ki a helyes megoldást! Hogyan képezik ki a hengerfelületet a hipereutektikus összetételű Al-Si motorblokkokban? Maratás következtében a lágy eutektikus szemcsék helyén mélyedések keletkeznek, ezáltal jobb lesz a kenés Maratás következtében a lágy eutektoidos szemcsék helyén mélyedések keletkeznek, ezáltal jobb lesz a kenés Maratás következtében a lágy eutektoidos szemcsék helyén mélyedések keletkeznek, ezáltal jobb lesz a kopásállóság Maratás következtében a lágy eutektikus szemcsék helyén mélyedések keletkeznek, ezáltal jobb lesz a kopásállóság
2. lecke: Vezérműtengelyek anyagai Cél Belsőégésű motorokban használatos vezérműtengelyek anyagainak, technológiáinak megismerése. Követelmények Ön akkor sajátította el a tananyagot, ha képes: - felsorolni és jellemezni a vezérműtengelyeknél használatos anyagok esetén a szerkezetet és a tulajdonságokat, - jellemezni a vezérműtengelyeknél alkalmazott speciális technológiákat a homokba öntött, kovácsolt és szerelt kivitelezések esetében - felsorolni és jellemezni a bütykök szerkezetének és tulajdonságainak változásait a keresztmetszet különböző részeiben fémbetétes homokba öntés esetén. Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 75 percre lesz szüksége. Kulcsfogalmak magas krómtartalmú öntöttvas edzhető öntöttvas Cr-Mo ötvözésű acél krómkarbid, vaskarbid kiválások lemezgrafitos szövetelem perlit szövetelem keménységlefutás hőálló martenzites és ausztenites acél homokformába öntés fém formabetét kovácsolás cementáló hőkezelés szerelt vezérműtengely szinterezés hidroformázás
Tevékenység: jegyzetelje ki, tanulja meg a vezérműtengely gyártásához általában használatos anyagok fajtáit. A vezérműtengelyhez leggyakrabban használt anyagokat az 1. táblázatban tüntettük fel. 1. táblázat: Vezérműtengely anyagainak ötvözői (%) Anyag C Si Mn Cr Magas 3,2 2,0 0,8 0,8 krómtartalmú öntöttvas Edzhető öntöttvas 3,2 2,0 0,8 1,2 Cr-Mo ötvözésű 0,2 0,3 0,8 1,0 acél Szinterezett 0,9 0,2 0,4 4,5 ötvözet
Mo 0,2
Cu -
V -
W -
0,6 0,2
-
-
-
5,0
3,0
2,0
6,0
Az öntöttvasak (táblázat első két sora) esetében a megadott krómtartalom az edzhetőséghez szükséges. Az edzés során az öntöttvas kéregben nagy keménységű, nagy szilárdságú martenzites szövetszerkezet keletkezik. A Cr-Mo ötvözésű acélokból (táblázat harmadik sora) kovácsolással állítják elő a vezérműtengelyt. Kovácsolás után a kemény, kopásálló kérget cementáló hőkezeléssel biztosítják. A szinterezett ötvözetek (táblázat negyedik sora) szövetszerkezete is martenzites, króm- és vaskarbid diszperz kiválásaival erősítve. Vezérműtengelyek gyártásához leggyakrabban használt anyagok az öntöttvasak, ilyen vezérműtengelyre látunk példát az 1. ábrán.
1. ábra: Öntött vezérműtengely
Tevékenység: vázolja fel füzetébe, jegyezze meg az öntészeti úton előállított vezérműtengelyek gyártástechnológiai műveleteit. Az öntött és hőkezelt vezérműtengely egyedi gyártási folyamatát mutatja a 2. ábra.
2. ábra: Öntött vezérműtengely egyedi gyártási folyamata
Az ömledéket az olvasztókemencéből öntőüstben (hőszigetelő béléssel és takarással) az öntőformákhoz szállítják. Kézi öntésnél az öntőüst tartalmát néhány egymás mellett elhelyezett öntőformába öntik, ez a lépés kb. 5 percet vesz igénybe. Ha a dermedési hőmérséklet magas, akkor a formába öntést nagyon gyorsan kell végezni, elkerülve, hogy a dermedés már az öntőüstben megkezdődjön. Alacsonyabb dermedési hőmérsékletnél nem kell annyira ügyelni a gyors formába öntésre. Tevékenység: jegyzetelje ki, tanulja meg a homokba öntés sajátosságait, a homokba öntés során kialakuló szövetszerkezet sajátosságait.
A homokba öntés esetén lassú a dermedés, mivel a homok hővezető képessége gyenge. Ilyen lassú dermedési folyamat eredményeképpen a szövetszerkezet lemezgrafitos lesz (lásd 3.a. ábra), az öntvény kismértékben duzzad (térfogatnövekedés). A lemezgrafitos szövetszerkezet miatt a tengely szilárdsága elegendően nagy lesz, míg a keménység csekélyebb.
3. ábra: a: lemezgrafitos szövetszerkezet a tengely-részben, b: hőkezelt bütyök szövetszerkezete. A fehér tartományok cementitnek, a szürke területek pedig perlitnek felelnek meg, a keménység ebben az esetben kb. 50 HRC. Kritikus hűlési sebességnél gyorsabb hűtés esetén perlit helyett martenzit szövetelemek keletkeznek, ebben az esetben a keménység növekedhet akár 63 HRC értékig is.
Tevékenység: jegyzetelje ki, tanulja meg a bütykök fémbetétbe öntésének sajátosságait, valamint az így a kialakuló szövetszerkezet sajátosságait. A tengelyrésszel ellentétben a bütykök keménységének nagynak kell lennie, ezért a bütyköknél gyorshűtésre van szükség. Ha a dermedési folyamat gyors, akkor a karbontartalom nem grafit, hanem cementit (Fe3C) formájában válik ki, amely keménység szempontjából kedvezőbb, mint a grafitos szövetszerkezet. A gyorsabb hűtést úgy biztosítják, hogy a homokformában a bütykök pozíciójához egy-egy ugyancsak vasötvözetből készült formabetétet helyeznek. A fém formabetét gyorsabban vezeti el a hőt, mint a homok, ezért tud kialakulni a cementites szövetszerkezet. A formabetét alakjával és méretével a szövetszerkezet szempontjából optimálisan szabályozni lehet a hűlési sebességet. Tevékenység: olvassa el, majd saját szavaival fogalmazza meg, hogyan alakul a szövetszerkezet és a keménység a bütykök keresztmetszetében.
A 4.a. ábra egy bütyök metszetet mutat, a keménységmérések helyei 3 különböző irányban láthatóak. A kerületről kiindulva, a kéregben az oszlopszerű krisztallitok radiálisan orientálódtak, a középső rész szövetszerkezete azonban ettől különböző, lemezgrafitos szerkezet. A három különböző irányban mért keménység lefutási görbe a 4.b. ábrán látható. A kéregben a keménység 45-50 HRC értékig növekszik, a magban a keménység kb. 25 HRC. A magrész kisebb keménységének az az oka, hogy a hűlési folyamat során a magrész hűlési sebessége kisebb, mint a kéregé.
4. ábra: a: Keménységmérések helyei bütyök keresztmetszetben. b: Keménységlefutás a bütyök keresztmetszetében
Tevékenység: olvassa el, majd saját szavaival fogalmazza meg, milyen esetben, hogyan állítják elő a vezérműtengelyt Cr-Mo ötvözésű acélokból. A Cr-Mo ötvözésű acélokból kovácsolással állítják elő a vezérműtengelyt. Kovácsolás után a kemény, kopásálló kérget cementáló hőkezeléssel biztosítják. Többszelepes motorokban a szelepek száma nagy, következésképpen a bütykök közötti rések szűkek. Ebben az esetben a fentiekben ismertetett kombinált hűtéssel végrehajtott öntés nem alkalmazható, és ilyenkor használatos a kovácsolt, edzett acélból előállított vezérműtengely.
Tevékenység:
olvassa el, majd saját szavaival fogalmazza meg, milyen anyagokat és eljárásokat alkalmaznak a szerelt vezérműtengelyek előállításánál, jegyzetelje ki, tanulja meg a szinterezéssel készülő bütykök anyagösszetételét, tulajdonságait.
A szerelt vezérműtengelyeket több részből állítják össze: az üreges tengelyre (csőre) szerelik a bütyköket. Ilyen vezérműtengely fotóját látjuk az 5. ábrán.
5. ábra: Mechanikai kötéssel (hidroformázással) szerelt vezérműtengely
A tengely anyaga acél cső. A bütykök kopásálló, porkohászati úton, szinterezéssel előállított elemek. A szinterezés során a porokból sajtolt térfogat nem olvad át (a szinterezés hőmérséklete alacsonyabb az olvadáspontnál), ezért a szövetszerkezet alapvetően különbözik a hagyományos, öntészeti úton előállított darabokétól. A diszperz módon elkevert kemény karbid szemcsék nagyobb arányban vannak jelen, és ebből adódik a szinterezett bütykök jó kopásállósága. Az 1. táblázat szerint (4. sor) kis mennyiségű rézport is kevernek a szinterezendő térfogatba. A szinterezés során a réz az alacsonyabb olvadáspont miatt megolvad, erősebb kötést létesít a vasötvözet szemcséi között. A szerelt vezérműtengelyek előállítási költsége alacsonyabb, mint az öntött példányoké, a minőség is pontosabban tervezhető.
Tevékenység: vázolja fel füzetébe, jegyzetelje ki, tanulja meg, hogyan történik a bütyköknek a tengelyre szerelése. A bütykök tengelyre szerelését hidroformázással végzik, lásd 6. ábra.
6. ábra: Vezérműtengely összeállítása hidroformázással Az acélcső felülete érdes, recézett. A bütykök furataiba tolják a csövet, az érdesség miatt a rögzítés könnyebb. A tengely belső furatában nagy hidraulikus nyomás alkalmazásával duzzasztják a csövet, a duzzasztás eredményeképpen mechanikus kötés adódik a cső és a bütykök között. Szokásos még a bütykök zsugorításával való mechanikai kötés kialakítása is. Felhasznált irodalom: Hiroshi Yamagata: The science and technology of materials in automotive engines, Woodhead Publishing Limited and CRC Press LLC, 2005
Önellenőrző kérdések
1. Az alábbi felsorolásból válassza ki! Milyen anyagokat alkalmaznak vezérműtengelyek gyártásánál?
Kerámiák Alumínium ötvözetek Edzhető öntöttvasak Cr-Mo ötvözésű acélok Szerszámacélok Ni-alapú szuperötvözetek Szinterezett ötvözetek
2. Az alábbi technológiai műveletelemeket állítsa sorrendbe az 1-től 10-ig terjedő sorszámok helyes megadásával vezérműtengelyek öntési technológiájához.
formába öntés (4) öntőüstben a formához szállítás (3) utókezelések (10) csiszolás (8) forgácsolás (9) olvasztás elektromos kemencében (1) kibontás (5) csatornamaradék levágása (7) homokfúvás (6) homokforma kialakítása fém betétekkel (2)
3. Válassza ki a helyes megoldást! Milyen szövetszerkezet alakul ki vezérműtengelyek fémbetétekkel kombinált homokba öntésénél?
A tengely és a bütykök belső magja gömbgrafitos, a bütykök külső kérge cementites és perlites A tengely és a bütykök belső magja lemezgrafitos, a bütykök külső kérge cementites és perlites A tengely és a bütykök belső magja lemezgrafitos, a bütykök külső kérge martenzites A tengely és a bütykök belső magja gömbgrafitos, a bütykök külső kérge martenzites
4. Válassza ki a helyes megoldást! Milyen a keménységlefutás a vezérműtengely bütykök keresztmetszetében?
A középponttól kifelé haladva fokozatosan növekszik a keménység A középponttól kifelé haladva fokozatosan csökken a keménység A középponttól kifelé haladva egy kis- és egy nagykeménységű részt lehet elkülöníteni A középponttól kifelé haladva egy nagy- és egy kiskeménységű részt lehet elkülöníteni
5. Válassza ki a helyes megoldást! Milyen esetekben alkalmazzák célszerűen az acélok kovácsolását vezérműtengelyek gyártásánál?
Általánosan alkalmazott technológia Sportmotorok esetén Dieselmotorok esetén Többszelepes motorok esetén
6. Válassza ki a helyes megoldást! Mi az oka a szinterezett vezérműtengely bütykök jó kopásállóságának?
Betétedzéssel végzett hőkezelés
Speciális kopásálló bevonat A diszperz módon elkevert kemény karbid szemcsék nagyobb arányban vannak jelen Kerámia mátrix
7. Válassza ki a helyes megoldást! Hogyan rögzítik a bütyköket a tengelyre a szerelt vezérműtengelyek gyártásánál ? Csavarozással Hidroformázással duzzasztják a csőszerű tengelyt Alakos mechanikai kötéssel Hőkezeléssel 8. Válassza ki a helyes megoldást! Milyen anyagokból állítják össze a szerelt vezérműtengelyeket?
Acél csőre szerelt szinterezett bütykök Acél rúdra szerelt szinterezett bütykök Acél rúdra szerelt Ni-alapú szuperötvözet bütykök Acél csőre szerelt Ni-alapú szuperötvözet bütykök
9. Válassza ki a helyes megoldást! Milyen hőkezelést alkalmaznak a kopásálló kéreg kialakítására a Cr-Mo ötvözésű acélból készült vezérműtengelyeknél?
Cementálást Lángedzést Indukciós edzést Nitridálást
10. Válassza ki a helyes megoldást! Milyen hűtési körülmények között alakul ki a lemezgrafitos szövetszerkezet?
Gyors hűtésnél, pl. vízhűtésnél Gyors hűtésnél, pl. olajban való hűtésnél Lassú hűtésnél, pl. homokban való hűtésnél Lassú hűtésnél, pl. ha kikapcsolt kemencében magára hagyva hagyják kihűlni a darabot.
3. lecke: Szelepek szelepülékek anyagai Cél Belsőégésű motorokban használatos anyagok, hőálló acélok és más hőálló szelepanyagok szerkezetének, tulajdonságainak hőkezelésének, technológiáinak megismerése. Követelmények Ön akkor sajátította el a tananyagot, ha képes: - felsorolni a szelepekkel szemben támasztott műszaki követelményeket, - jellemezni a szelepeknél alkalmazott hőálló fémötvözetek és kerámiák valamint bevonatanyagok fajtáit, szerkezetét, tulajdonságait - jellemezni a hőállóság, kopásállóság, korrózióállóság céljából kifejlesztett egyedi technológiákat. Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 100 percre lesz szüksége. Kulcsfogalmak acélok szövetelemei: ferrit, ausztenit, martenzit hőállóság, kopásállóság, korrózióállóság hőálló martenzites és ausztenites acél nikkel szuperötvözet titán ötvözet szilíciumnitrid kerámia stellite: hőálló kobalt alapú ötvözet szövetszerkezet hőkezelés dörzshegesztés szinterezés Bevezetés Tevékenység: jegyezze fel és tanulja meg a motorok szelepeivel szemben támasztott követelményeket, a gyorsulási és hőmérsékleti terheléseket. A motorokban általában hengerenként két szelepre van szükség, a korszerű motorokban azonban már hengerenként négy (esetleg öt) szelepet is használnak, ezért a szelepek anyag- és technológiatervezése jelentős feladat. A szelepek gyorsulása általában 2000 m/s2 magas hőmérsékleten, ez a tény szintén az anyag és technológia jelentőségét emeli. A munkahőmérséklet a
gázbefújás oldali szelepeknél meghaladja a 400 0C-ot, míg a kifújás oldali szelepeknél a 850 0C-ot is eléri. Nagyteljesítményű motorokban ennél is magasabb hőmérsékleten kell dolgozniuk a szelepeknek. 1. Hőálló acél szelepek Tevékenység: jegyezze fel és tanulja meg a motorszelepekben általában használatos hőálló ötvözetfajtákat, a legfontosabb ötvözőket. A hőálló acélokat három csoportba soroljuk: ferrites, martenzites és ausztenites acélok. A ferrites hőálló acélok a motorszelepeknél nem jöhetnek számításba, mert a szilárdságuk magas hőmérsékleten nem elég nagy. A szelepekben leggyakrabban használatos anyagok felsorolását, összetételét, keménységét az 1. táblázatban látjuk. 1. Táblázat: Szelepekben használatos anyagok Anyag Martenzites acél Ausztenites acél Co alapú hőálló ötvözet, stellite
C (%) 0,4 0,5 1,2
Si (%) 2 0,3 1,1
Mn (%) 0,6 9 0,5
Ni (%) 0,6 4 3
Cr (%) 11 21 28
Mo (%)
Fe (%)
Keménység
1 1
maradék
30 HRC 35 HRC 57 HRC
maradék
3
1.1. Martenzites acélok alkalmazása szelepekben Tevékenység:
jegyezze fel és tanulja meg, milyen ötvözeteket használnak befújás és kifújás oldali a motorszelepekben, jegyezze fel és tanulja meg, milyen szövetszerkezet okozza a martenzites hőálló acélok jó kopásállóságát, milyen ötvözőket alkalmaznak az oxidáció elkerülésére, jegyezze fel és tanulja meg, mire kell figyelni a martenzites hőálló acélok hőkezelésénél, röviden ismertesse, milyen lépésekből áll a hőkezelés.
A magas hőmérsékleten szükséges nagy szilárdság mellett a korrózióállóság is fontos követelmény a szelepek anyagainál. A legtöbb esetben rozsdamentes acélt alkalmaznak, amely a kén korrodáló hatásának és az oxidációnak is ellenáll, magas hőmérsékleten is. A gázbefújás oldali szelepeknél általában martenzites acélt, míg a kifújás oldali szelepeknél a magasabb hőmérséklet miatt ausztenites hőálló acélt alkalmaznak (lásd 1. táblázat 1-2. sora). Az 1. sorban ismertetett összetétel esetén a kopásállóság rendkívül jó, közepesen magas (4000C körüli) hőmérsékleten is. A
szövetszerkezetben martenzites szemcsék között diszperz módon szétszóródó karbidszemcsék találhatók (az 1. ábrán a sötét, fekete szemcsék a karbidok). A 0,4% karbontartalom miatt nagy a keménység, a Cr, Mo és Si ötvözők miatt az acél nem oxidálódik. A költségek ennél az acélfajtánál mérsékeltek.
1. ábra: Martenzites hőálló acél szövetszerkezete
A hőkezelés nagy gondosságot igényel, ugyanis a hőálló acél szilárdsága nem csökkenhet a hőkezelés során. A hőkezelés során 1000C körüli hőmérsékletről nagy sebességgel hűtik, azután 7500C-ról történik a megeresztés, olajban való hűtéssel. Ezek a hőmérsékletek magasabbak az acélok esetében szokásos hőkezelési hőmérsékleteknél, erre azért van szükség, hogy a szilárdság nem csökkenjen a hőkezelés során.
1.2. Ausztenites acélok alkalmazása szelepekben Tevékenység:
jegyezze fel és tanulja meg, milyen a szövetszerkezete az ausztenites hőálló acéloknak, jegyezze fel és tanulja meg, milyen lépésekből áll a hőkezelés az ausztenites hőálló acéloknál. A 2. ábrán az 1. táblázat 2. sorában szereplő ausztenites acél szövetszerkezete látható. A szövetszerkezetben a nagy, világos szemcsék az ausztenit szemcsék, a kicsiny, diszperz módon szétszóródott szemcsék a karbid és nitrid szemcsék.
2. ábra: Ausztenites hőálló acél szövetszerkezete
A magas Cr és Ni koncentráció miatt szobahőmérsékleten is stabil az ausztenit mátrix. Az ausztenitnek martenzitté való átalakulása ennél az ötvözetnél nem történik meg sem alacsony, sem magasabb hőmérsékleten, tehát ezek az ausztenites acélok nem edzhetők. Az ausztenites mátrixban finoman, diszperz módon eloszlatott karbidok és nitridek miatt magas hőmérsékleten is nagy a szilárdság. A hőkezelés menete a következő:
hevítés és hőntartás 1100 0C-on, ezen a hőmérsékleten a karbid tartalom teljes mértékben feloldódik, gyors hűtés (elkerülve a karbidképződést), mesterséges öregítés 750 0C-ig hevítve, gyors hűtéssel, a keletkező karbidok diszperz eloszlatása céljából.
Tevékenység: jegyezze meg, hogyan alakul a martenzites és ausztenites hőálló acélok szilárdsága a hőmérséklet növekedésével, mi az oka az eltérő viselkedésnek? A 3. ábrán a martenzites és az ausztenites acélok szilárdságának hőmérsékletfüggését mutatjuk. A diagramon azt látjuk, hogy kb. 500 0C-ig a martenzites acél szilárdsága valamivel nagyobb, 500 0C felett megfordul a tendencia, az ausztenites acél szilárdsága kedvezőbb. A jobb hőállóságot az
ausztenites acéloknál nemcsak a diszperz eloszlású karbidok okozzák, hanem az is, hogy a felületközepes köbös kristályszerkezetű ausztenites szerkezetben az ötvözők diffúziós sebessége kicsi, ezért a hőkezelés során a mikroszerkezet alig változik, ellentétben a diffúziós átalakulással járó szerkezetváltozásokkal. Tevékenység: hasonlítsa össze a két hőálló acélfajta szilárdságát a hőmérséklet növekedésével.
3. ábra: Martenzites és ausztenites hőálló acélok szilárdságának hőmérsékletfüggése
Tevékenység:
jegyezze meg, miért jó megoldás a szelepeknél martenzites és ausztenites acélból készített hibrid szerkezet, jegyezze meg, hogy kötés kialakítására milyen anyagpárok esetén jó megoldás a dörzshegesztés, jegyezze meg, milyen hőkezelést kell alkalmazni a dörzshegesztés után hibrid szerkezetű szelepek technológiájánál. Az ausztenites acélok nem edhetők, nitridálással lehet javítani a kopásállóságot. A kopásállóság további javítására martenzites hőálló acélból készült szelepszárat építenek az ausztenites hőálló acélból készülő szelep fejrészhez, a kivitelezés általában dörzshegesztéssel történik (lásd 4. ábra).
4. ábra: Dörzshegesztés vázlata
A dörzshegesztés során az összeillesztett elemek közül az egyiket a közös tengely körül forgatják (a másik helyben marad), miközben nyomást alkalmaznak a két elem szorításához. A keletkező súrlódási hő hatására összehegednek a csatlakozó felületek. A dörzshegesztés során nincs átolvadás, szilárd fázisú mechanikai folyamat megy végbe. Az eljárás azonos, vagy különböző összetételű anyagpárok esetében is alkalmazható. Például Fe-Al anyagpár esetén a hagyományos hegesztési eljárások nem alkalmazhatók, mert a kötés túlságosan rideg lenne, a dörzshegesztéssel létrehozott kötés azonban nem rideg, így a dörzshegesztés jó megoldás Fe-Al anyagpárok kötésére. A dörzshegesztés jellemzően használatos megoldás nagy széntartalmú acélok és rozsdamentes acélok hegesztéséhez is a rideg kötés elkerülése céljából. A dörzshegesztés jó minőségű kötést eredményez, a termelékenység is jó, a költségek pedig alacsonyak. Az 5. ábrán dörzshegesztéssel készült, hibrid szerkezetű szelep fotóját és a dörzshegesztés környezetének szövetszerkezetét mutatjuk.
5. ábra: Ausztenites szelepfejhez dörzshegesztéssel kötött martenzites szárrész, valamint a szövetszerkezet a hegesztett kötés környezetében.
A szövetszerkezeten látszik, hogy a martenzites oldalon a hegesztett kötés környezetében ferrit szemcsék keletkeznek, amely a dörzshegesztés eredménye. (Az 5. ábrán a sötét függőleges vonal a
hegesztett kötésnek megfelelő réteg. A kötéstől balra látjuk az ausztenites részt, a jobb oldalon a martenzites részt. A jobb oldali martenzites részen a kötés környezetében a világos, nagyobb szemcsék a ferrit szemcsék.) Hőkezeléssel két lépésben, az ötvözők teljes oldásával, majd mesterséges öregítéssel szüntetik meg a ferrites szerkezetet.
Tevékenység: jegyezze meg a hibrid szelepek gyártásának főbb technológiai lépéseit. A szelepek gyártásának lépéseit a 6. ábrán mutatjuk.
6. ábra: Szelepgyártás lépései
A rúdanyagból való darabolás után (1-2) történik a kétféle hőálló részből (martenzites és ausztenites) való összeállítás dörzshegesztéssel (3). A fejrész felőli oldal ennél a lépésnél még hosszabb, mint a szárrész. A kétféle hőálló acélból álló rudat, a dörzshegesztésnél létrejövő kitüremkedést egyenletes átmérőre forgácsolják (4). A fejrészt elektromos hevítéssel (ellenállás hevítéssel) melegítik fel, majd zömítik a fejrészt (5). A kovácsoló szerszámban alakítják ki a fejrész
végleges formáját (6). A fejrész homlokfelületeit bevonatolják (7), majd az egész alkatrészt (8) kiegyenlítő hőkezelésnek vetik alá. A pontos méreteket forgácsolási műveletekkel valósítják meg (9-16), amely után nitridálás (17) és a fejrész edzése (18) következik. Végül a fejrész véglapját pontos méretre köszörülik (19).
Tevékenység:
jegyezze meg, milyen speciális hűtési módot alkalmaznak magas hőmérsékleten működő, kifújás oldali szelepeknél, jegyezze a meg, hogyan alakul ebben az esetben a 6. ábrán ismertetett technológia. A kifújás oldali szelepeknek magas hőmérsékleten kell működniük. A hőmérséklet kontrollálására jól bevált módszer, hogy a szelepet üregesre készítik. Az üregbe nátriumot töltenek. A nátrium szobahőmérsékleten szilárd, az olvadáspontja azonban nagyon alacsony: 980C. Működés közben az üregben a nátrium megolvad, és az olvadt fém jól elvezeti a hőt a fejrészből a szárrész felé. Ebben az esetben a 6. ábrán szemléltetett technológiai folyamat kiegészül egy művelettel: a dörzshegesztés előtt az üreget kiforgácsolják a kétféle (martenzites és ausztenites hőálló) rúdanyagból, az üregeket megtöltik nátriummal, és csak ezután következik a dörzshegesztés. A megolvadó betéttel hűtött szelepszerkezetet repülőgép motorokban már a második világháborúban sikerrel alkalmazták. Történetileg először 1925-ben az Egyesült Királyságban alkalmaztak higannyal töltött üreges szelepszerkezetet, az USA-ban alkalmaztak sóoldatos (KNO3, NaNO3) hűtést is.
1.3. A kopásállóság javítása Tevékenység:
jegyezze meg, milyen koptató terheléseknek vannak kitéve a motorszelepek, jegyezze fel, tanulja meg a szelepek kopásállóságának javítására alkalmazott kobalt alapú ötvözet, mint bevonatanyag szerkezetét, tulajdonságait. A hengerből távozó korom megtapadhat a szelepek felületén, és ez gátolhatja a szelepzáródást. A lerakódás elkerülésére a szelep elfordulásokat is végez, amelyet a szeleprugó összenyomódása és kirugózása generál. Az elfordulások során ledörzsölődik a megtapadt korom. A szelepfelületek közvetlenül érintkeznek a kifújt forró gázokkal, és ilyen körülmények között még az említett folyamatos dörzsölésnek, súrlódásnak is ki vannak téve a felületek, méghozzá kenőolaj alkalmazása
nélkül. A szelepek eddig ismertetett anyagai nem eléggé kopásállóak, a magas hőmérsékletű kopásállóságot a gyártási folyamat végén kell megvalósítani. A fejrész kopásállóságát a 6. ábra technológiai folyamatában a (7) lépésben oldják meg. A szelep felületét fokozatosan bevonják megolvasztott stellite réteggel. A stellite a nem mágneses, korrózióálló, hőálló kobalt alapú ötvözetek családjának a neve. Többféle felhasználási célra fejlesztették ki ezen ötvözetcsalád elemeit. Gyakran alkalmaznak stelliteket forgácsoló szerszámok anyagainál is, mivel a hőállósági és kopásállósági követelmények a szelepek anyagához hasonlóan a forgácsoló szerszámok anyagainál is fontosak. A 7. ábrán egy kifújás oldali szelep keresztmetszetét látjuk. A keménység a bevonatolt felületen (az ábrán a szelep jobb és baloldali szélén) kb. 57 HRC.
7. ábra: Bevonatolt homlokfelületű kifújás oldali szelep keresztmetszete.
Az 1. Táblázat harmadik sorában a stellite összetétele szerepel. A kobalt alapú hőálló ötvözetek hőállósága jobb, mint a Fe vagy Ni alapú hőálló ötvözeteké, de drágábbak is. A szelepek esetében a bevonatoláshoz kis mennyiségre van szükség, és az alkalmazás ebben az esetben kifizetődő. A szelep fejrész homlokfelületén kívül stellite bevonatot kap a szárvég is, amely szintén erős koptató hatásnak van kitéve a szelepvezetőn való csúszás miatt. A stellite-ek mellett léteznek más, nagy Ni és W tartalmú ötvözetek, amelyeknek a kopásállósága jobb. Pl. legújabban a Fe-1,8%C-12Mn20Ni-20Cr-10Mn összetételű ötvözetet erre a célra fejlesztették ki, és sikeresen alkalmazták szelepek esetében.
2. Ni-alapú szuperötvözetből készült szelepek Tevékenység: jegyezze meg, milyen előnyei és hátrányai vannak a nikkel szuperötvözetek alkalmazásának szelepanyagok esetében, mely nikkel szuperötvözeteket fejlesztették ki kimondottan motorszelepekhez. A Ni-alapú szuperötvözetek egyes fajtáit (pl. Inconel 751 vagy Nimonic 80A) kimondottan szelepek számára, a drága stellite bevonatok elkerülése céljából fejlesztették ki. A nagyteljesítményű motorokban a kifújás oldali szelepek készülnek Ni-alapú szuperötvözetekből. Ezeknek a Ni-alapú szuperötvözeteknek a szilárdsága magas hőmérsékleten is lényegesen nagyobb, mint a hőálló ausztenites acéloké, hátrány azonban, hogy nem kovácsolhatóak. A 2. táblázatban látjuk az Inconel 751 és Nimonic 80A kémiai összetételét és keménységi adatait. 2. Táblázat: Ni-alapú szuperötvözetek kémiai összetétele és keménysége Anyag Inconel 751 Nimonic 80A
C % 0,1 0,1
Si % 0,5 1,0
Mn % 1,0 1,0
Ni % maradék maradék
Cr % 15 20
Co % 2,0
Ti % 2,5 2,5
Al % 1,0 1,7
Fe % 7,0 5,0
Nb+Ta % 1,0 -
Keménység 38 HRC 32 HRC
A Ni-alapú szuperötvözetek elég erősek ahhoz, hogy a fejrészen a drága stellite bevonatolást elkerüljük. A szárvégeknél a kopásállóság azonban nem elegendő, ezért rövid martenzites hőálló acél szakaszt illesztenek a szárvégre, itt is dörzshegesztéssel.
3. Tömegcsökkentés szelepeknél 3.1. Kerámia szelepek Tevékenység: jegyezze meg, milyen előnyei és hátrányai vannak a Si3N4 kerámiák alkalmazásának szelepanyagok esetében. A gépjárművek szerkezetében, így a belsőégésű motoroknál is nagyon fontos fejlesztési cél a fogyasztás, valamint a környezetterhelés redukálását eredményező tömegcsökkentés. A nagyobb méretű (nagy átmérőjű) szelepek esetében alkalmazott tömegcsökkentés hatása számottevő lehet. A szilíciumnitrid, Si3N4 szelepeket folyamatosan, intenzíven fejlesztik. A Si3N4 sűrűsége kisebb, mint 3,2 g/cm3. Hajlítószilárdsága szobahőmérsékleten 970 MPa, 800 0C-on 890 MPa.
Összehasonlításképpen: az ausztenites hőálló acél szilárdsága 800 0C-on csak 400 MPa. 40%-os tömegcsökkenés adódik Si3N4 szelepek alkalmazása esetén (hőálló acélok helyett). A kerámiák azonban lényegesen ridegebb anyagok, mint az acélok, ezért a technológia tervezése ebben az esetben kiemelten fontos. A Si3N4 port először formákba öntik, azután magas hőmérsékleten sajtolják. A porozitás elkerülésére, a por tisztaságára és a finom szemcsézetre különös figyelmet fordítanak. A szelepeken kívül néhány más motorszerkezeti elemnél is sikerrel alkalmaznak kerámiákat. Pl. dugattyúk hőszigetelésénél, a kipufogógáz konverterek rácsaiban, a turbófeltöltő forgórészében, a szelepemelő karokban, valamint a dízelmotorok égésterében.
3.2. Titán ötvözetek Tevékenység: jegyezze meg, milyen előnyei vannak a titán ötvözetek alkalmazásának szelepanyagok esetében. A Toyota motorgyártó vállalata 1998-ban hozta forgalomba először a Ti-6%Al-4Sn-4Zr-1Nb-1Mo0,2Si-0,3O összetételű titán ötvözetből gyártott szelepeit, amely 5 % mennyiségben TiB (titánborid) erősítő részecskéket is tartalmazott. 40 % tömegcsökkentést értek el a szelepeknél, a szeleprugóknál ugyancsak ezt a kompozitot alkalmazva 16 % tömegcsökkentést értek el. A maximális fordulatszám 10 %-kal javult, a kopás 20 %-kal redukálódott. Porkohászati úton állították elő a rúdanyagokat, amelyekből kovácsolással alakították ki a szelep formáját. A kifújás oldali szelepekhez más titán ötvözetek is léteznek a kereskedelmi forgalomban. A Ti6%Al-2Sn-4Zr-2Mo-Si összetételű ötvözet esetében nincs szükség a költséges porkohászati technológiára, ehelyett hagyományos öntészeti úton készülnek a szelepek.
A Ti-ötvözeteknél is összetett a szelep szerkezete. A fejrészben a szövetszerkezet lemezes, tűkristályos (lásd 8.a ábra), ezért ennek a résznek a szilárdsága nagyobb, a szárrészben a szövetszerkezet homogén (lásd 8.b ábra).
a b 8. ábra: Ti ötvözetből készült szelep fejrészének (a) és szárrészének (b) szövetszerkezete
4. Szelepülékek anyagai
Tevékenység: jegyezze meg, milyen anyagokat alkalmaznak szelepülékekhez, mely ötvözők javítják a hőállóságot és a kopásállóságot. A szelepülék betétek pereme kúpos (lásd 9. ábra). A szelepülék az alumínium hengerfejhez van préselve, funkciója az égéstértől való légmentes zárás (tömítés), tehát követelmény a kifáradással szemben való ellenállás magas hőmérsékleten is. A motor működése közben a szelepülékeknél a hőmérséklet nem annyira magas, mint a szelepeknél, mivel nem érintkeznek közvetlenül az égéstérrel.
9. ábra: Befújás (bal) és kifújás oldali (jobb) szelepülék
A 3. táblázatban a szelepülékeknél leggyakrabban használatos anyagok kémiai összetételét, keménységét tüntettük fel. 3. Táblázat: Szelepülékek anyagai Anyag Kifújás oldal Befújás oldal
C % 1,5
Ni % 2,5
Cr % 8,0
Mo % 0,8
Cu % 18
W % 2,0
Co % 8,0
Fe (%)
Keménység
maradék
35 HRC
1,5
-
0,5
-
4,0
-
-
maradék
100 HRB
Az üzemanyagoknál korábban használatos ólom adalék a szelep és szelepülék közötti felületek között kenőanyagként funkcionált, ugyanis az ólom magas hőmérsékleten szilárd kenőanyagként képes viselkedni. Az ólmozatlan üzemanyagok használatánál már nincs meg ez a kenőanyag hatás, ezért a kenést a szelep és a szelepülék között újra kellett tervezni. Régebben öntöttvas szelepeket alkalmaztak, ma már a porkohászati úton előállított, szinterezett szelepülékek vannak elterjedve. A szinterezés magas Ni, Co, Cr és W tartalmú vasötvözet porokból
történik. A Ni, Co tartalom a hőállóságot javítja, a Cr és W tartalom segíti a karbidok diszperzióját a jó kopásállóság érdekében.
Felhasznált irodalom: Hiroshi Yamagata: The science and technology of materials in automotive engines, Woodhead Publishing Limited and CRC Press LLC, 2005
Önellenőrző kérdések 1. Az alábbi felsorolásból válassza ki a helyes megfogalmazást! Milyen terheléseknek vannak kitéve a szelepek?
Nagy nyomás, erős korróziós hatások, magas hőmérséklet Nagy gyorsulás, erős korróziós hatások, magas hőmérséklet (x) Nagy gyorsulás, ütésszerű terhelések, magas hőmérséklet Nyomó igénybevétel, ütésszerű terhelések, magas hőmérséklet
2. Az alábbi felsorolásból válassza ki a helyes megoldást! Milyen típusú acélötvözetek között fordulnak elő jó hőálló acélok?
Ferrites Ferrites és ausztenites Ferrites, martenzites és ausztenites (x) Martenzites és ausztenites
3. Válassza ki a helyes megoldást! Milyen ötvözőket alkalmaznak martenzites hőálló acélok esetén az oxidáció elkerüléséhez?
Cr, Mn és Si Cu, Mo és Si Cr, Mo és Ni Cr, Mo és Si (x)
4. Válassza ki a helyes megoldást! Milyen lépésekben hőkezelik a martenzites hőálló acélokat?
edzés után megeresztés, ugyanolyan hőmérsékleteken, mint általában az acéloknál edzés után megeresztés, alacsonyabb hőmérsékleteken, mint általában az acéloknál edzés után megeresztés, magasabb hőmérsékleteken, mint általában az acéloknál (x) edzés után megeresztés, nagyobb hűlési sebességgel, mint általában az acéloknál
5. Válassza ki a helyes megoldást! Milyen ötvözők okozzák, hogy az ausztenites hőálló acélok szerkezete szobahőmérsékleten is ausztenites?
Cr, Ni (x) Mn, Cr Mn, Ni Cr, Mo
6. Válassza ki a helyes megoldást! Mi a célja az ausztenites hőálló acélok esetében alkalmazott hőkezelésnek?
kemény, martenzites kéreg kialakítása szívós szerkezet kialakítása a karbidok diszperz eloszlatása a szerkezetben (x) edzéssel, megeresztéssel jó kopásállóság kialakítása
7. Válassza ki a helyes megoldást! Hogyan módosul a szilárdságuk a martenzites és az ausztenites hőálló acéloknak a hőmérséklet függvényében? Kb. 400 0C-ig a martenzites, ennél magasabb hőmérsékleten az ausztenites hőálló acélok szilárdsága nagyobb. Kb. 500 0C-ig a martenzites, ennél magasabb hőmérsékleten az ausztenites hőálló acélok szilárdsága nagyobb (x). Kb. 500 0C-ig a martenzites, ennél magasabb hőmérsékleten az ausztenites hőálló acélok szilárdsága kisebb. Kb. 400 0C-ig a martenzites, ennél magasabb hőmérsékleten az ausztenites hőálló acélok szilárdsága kisebb.
8. Válassza ki a helyes megoldást! Milyen a hibrid szelepek szerkezete? A szárrész ausztenites, a fejrész martenzites hőálló acél, a két részt dörzshegesztéssel kötik össze A szárrész martenzites, a fejrész ausztenites hőálló acél, a két részt összeszerelik A szárrész martenzites, a fejrész ausztenites hőálló acél, a két részt dörzshegesztéssel kötik össze (x)
A szárrész ausztenites, a fejrész martenzites hőálló acél, a két részt összeszerelik
9. Válassza ki a helyes megoldásokat (3 db)! Milyen anyagpárok közötti kötések kialakításához jó a dörzshegesztés? Fe-Ni ötvözetek Fe-Al ötvözetek (x) Nagy széntartalmú acélok és rozsdamentes acélok (x) Kis széntartalmú acélok és rozsdamentes acélok Ausztenites és martenzites hőálló acél (x) 10. Válassza ki a helyes megoldást! Miért kell hőkezelést alkalmazni ausztenites és martenzites hőálló acél dörzshegesztése után?
A varrat környezetében keletkezett ferrit szövetelemek eloszlatására (x) A varrat környezetében keletkezett martenzit szövetelemek eloszlatására A varrat környezetének feszültségmentesítésére A varrat környezetének szívósságfokozására
11. Az alábbi technológiai műveletelemeket állítsa sorrendbe az 1-től 10-ig terjedő sorszámok helyes megadásával hibrid szelepek gyártása esetében.
fejrész kialakítása kovácsolással (4) fejrész zömítése (3) fejrész véglap köszörülés (10) nitridálás (8) fejrész edzése (9) darabolás rúdanyagból (1) fejrész bevonatolás (5) forgácsolás (7) egész alkatrész kiegyenlítő hőkezelése (6) dörzshegesztés (2)
12. Válassza ki a helyes megoldást! Milyen jelenség okozza a hűtőhatást a belső furattal hűtött szelepeknél?
Hűtőfolyadékot áramoltatnak a belső furatokon keresztül, a hűtőfolyadék jól elvezeti a hőt a fejrészből a szárrész felé Cseppfolyós gázt töltenek a belső üregbe, amely jól elvezeti a hőt a fejrészből a szárrész felé Jobb hővezető képességű kerámiaport töltenek a belső üregbe, amely elvezeti a hőt a fejrészből a szárrész felé
Nátriumot töltenek a belső üregbe, az alacsony hőmérsékleten olvadó fém jól elvezeti a hőt a fejrészből a szárrész felé (x)
13. Válassza ki a helyes megoldást! Milyen koptatóhatásoknak vannak kitéve a szelepek?
A korom lerakódás elkerülésére a szelep elfordulásokat is végez, amelyet a szeleprugó összenyomódása és kirugózása generál (x). A szelep és a szelepülék közötti kenőanyagon keresztül történő súrlódó mozgás. A szeleprugó csúszik a szelepszáron A szelep fejrész és szárrész közötti súrlódás
14. Válassza ki a helyes megoldást! Milyen anyag a stellite?
Speciális, kopásálló kerámia Kopásálló DLC karbonszerkezet Nem mágneses, korrózióálló, hőálló kobalt alapú ötvözet (x) Hőálló, korrózióálló szuperötvözet
15. Válassza ki a helyes megoldásokat (2 db)! Milyen előnye és hátránya van a Ni szuperötvözeteknek szelepekben való alkalmazásnál?
Tömegcsökkentés érhető el Olcsó anyag A szilárdságuk magas hőmérsékleten is lényegesen nagyobb, mint a hőálló ausztenites acéloké (x) Rendkívül rideg anyagok, Kovácsolással könnyen megmunkálhatóak Nem kovácsolhatóak (x)
16. Válassza ki a helyes megoldásokat (3 db)! Milyen előnye és hátránya van a kerámiáknak szelepekben való alkalmazásnál?
Tömegcsökkentés érhető el (x) Olcsó anyagok A szilárdságuk magas hőmérsékleten is lényegesen nagyobb, mint a hőálló ausztenites acéloké (x) Szívós anyagok Rideg anyagok (x)
17. Válassza ki a helyes megoldást! Milyen fajta kerámiát alkalmaznak szelepek anyagaként?
Szilíciumnitrid (x) Alumíniumoxid Titánoxid Titánnitrid
18. Válassza ki a helyes megoldásokat (2 db)! Milyen előnyei vannak a titán ötvözeteknek szelepekben való alkalmazásnál?
Tömegcsökkentés érhető el (x) Olcsó anyagok A szilárdságuk magas hőmérsékleten is lényegesen nagyobb, mint a hőálló ausztenites acéloké (x) Könnyen megmunkálhatóak Könnyen hőkezelhetően
19. Válassza ki a helyes megoldást! Milyen anyokat használnak szelepülékeknél?
Magas Ni, Co, Cu és W tartalmú vasötvözetet Magas Si, Co, Cr és W tartalmú nikkel szuperötvözetet Magas Si, Co, Cr és W tartalmú nikkel szuperötvözetet Magas Ni, Co, Cr és W tartalmú vasötvözetet (x)
20. Válassza ki a helyes megoldást! Milyen technológiával állítják elő a szelepülékeket?
Öntészeti úton Szinterezéssel (x) Gyors prototípusgyártással Forgácsolással
4. Modul: Műanyagok A modul célja, hogy a hallgató megismerje a műanyagok helyét a szerkezeti anyagok között, a felépítésüket és típusait. Az 1. lecke bemutatja a hőre lágyuló és a hőre nem lágyuló műanyagok általános jellemzőit és néhány típus tulajdonságait, alkalmazási területeit. A 2. lecke betekintést ad a műanyagok és kompozitjaik alapvető mechanikai tulajdonságainak vizsgálati módszereibe.
1. lecke: Hőre lágyuló, hőre nem lágyuló polimerek tulajdonságai, alkalmazásuk Cél A lecke célja, hogy a hallgató megismerje a műanyagok felépítését és osztályozási lehetőségeit. A lecke bemutatja a hőre lágyuló és a hőre nem lágyuló műanyagok általános jellemzőit és néhány típus tulajdonságait, alkalmazási területeit. Követelmények Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha
szerkezeti anyagok felosztásáról önállóan ábrát tud készíteni, meg tudja fogalmazni, hogy mit nevezünk polimernek, fel tudja sorolni a polimerek felépítésének jellemzőit, meg tudja határozni a makromolekula fogalmát, meg tudja fogalmazni, hogy mit nevezünk műanyagnak, fel tudja sorolni a műszaki és a mindennapi életben leggyakrabban előforduló és a tananyagban ismertetett műanyag típusok rövidítését, jelentését, csoportosítani tudja a műanyagokat a hővel szembeni viselkedésül alapján, le tudja írni hogyan viselkednek hő hatására a hőre lágyuló műanyagok, felsorolásból ki tudja választani a hőre lágyuló műanyagok szerkezetének jellemzőit, meg tudja határozni, hogy milyen molekulaszerkezet jellemzi az amorf és a részben kristályos műanyagokat, le tudja rajzolni a molekulaláncok elhelyezkedését amorf, illetve részben kristályos műanyagokban, be tudja jelölni a sematikus szerkezeti ábrán, hogy hol értelmezzük a kristályos részeket, ki tudja választani több ábrából az amorf, illetve részben kristályos szerkezetet, ki tudja választani felsorolásból az amorf anyagok hővel szembeni viselkedésére jellemző állításokat, ki tudja választani felsorolásból az amorf és a kristályos polimereket, ki tudja választani felsorolásból a kristályos műanyagok jellemzőit, ki tudja választani felsorolásból a hőre nem lágyuló műanyagok jellemzőit,
meg tudja nevezni a hőre nem lágyuló műanyagok két osztályát, ki tudja választani több ábrából az elasztomerekre és a duromerekre jellemző láncmolekula elrendeződést, ki tudja választani több állítás közül a duromerek, illetve az elasztomerek jellemzőit, fel tudja sorolni a műanyagok kedvező tulajdonságait, fel tudja sorolni a műanyagok hátrányos tulajdonságait, ki tudja választani felsorolásból az egyes polietilén típusok jellemzőit, meg tudja fogalmazni a HDPE és az LDPE tulajdonságai közötti legfontosabb különbségeket, adott alkalmazási területhez felsorolásból ki tudja választani a megfelelő típusú műanyagot, adott típusú műanyaghoz felsorolásból ki tudja választani az alkalmazási területeket, adott műanyag típus tulajdonságait felsorolásból ki tudja választani.
Időszükséglet A tananyag elsajátításához körülbelül 100 percre lesz szüksége. Kulcsfogalmak polimer monomer makromolekula műanyag hőre lágyuló műanyag, hőre nem lágyuló műanyag, amorf szerkezet, kristályos szerkezet, elasztomer, duromer. LDPE (kis sűrűségű polietilén), HDPE (nagysűrűségű polietilén), PP (polipropilén), PA (poliamid), PET (polietilén tereftalát), PS (polisztirol), PC (polikarbonát), PMMA (plexi), PTFE (teflon), PVC (poli (vinil-klorid)).
Történeti áttekintés A műanyagokat ma már az élet minden területén használják, a csomagolóanyagoktól az űrtechnikai alkalmazásokig gyakorlatilag mindenhol megtalálhatjuk őket.
1. ábra Példák a műanyagokra alkalmazására Nézzük meg, hová is helyezhetjük a műanyagokat az időskálán a szerkezeti anyagok között!
Mint ismeretes a bronz az első mesterséges, ember alkotta anyag, és kb. 5000 évvel ezelőttre tehető a megjelenése (bronzkor).
A vas kicsit fiatalabb, kb. 4000 éves.
Az alumínium már közel azonos korú a műanyagokkal, 1821-ben fedezték fel és 1855-ben mutatták be a párizsi világkiállításon. Előállítása annyira bonyolult és költséges volt, hogy az ára az aranyéval vetekedett.
Tevékenység: A 2. ábrán figyelje meg, hogy hogyan változott az egyes szerkezeti anyagok fontossága az évezredek folyamán. Hasonlítsa össze az egyes anyagok arányát i.sz. előtt 10.000-
ben, az 1900-as évek közepén és napjainkban! Keresse ki, hogy az egyes műanyagok mikor jelentek meg, hová tehető a modern műanyag ipar fellendülésének kezdete!
2. ábra A szerkezeti anyagok relatív fontossága az emberiség életében napjainkig (az összes anyagfelhasználás 100%, a relatív fontosság ezen belül az alkalmazások arányát mutatja) A műanyagok a legfiatalabb szerkezeti anyagok, s bár az első szintetikus (mesterséges alapanyagból gyártott) műanyagot, a bakelitet 1907-ben Leo Bakeland állította elő, a műanyaggyártás és alkalmazás ugrásszerű növekedése csak a XX. század második felétől indult meg. Míg az 1900-as évek elején és közepén a szerkezeti anyagok között a fémeké volt a vezető szerep, napjainkban az egyes anyagok, illetve anyagösszetételek fontossága gyakorlatilag közel azonossá vált (lásd 3. ábra). A műanyagokkal kapcsolatos laboratóriumi kísérletek már az XIX. században megkezdődtek, és pár évtizeddel később természetes alapanyagból (cellulóz) kiindulva megindult az első műanyag (celluloid) tömeggyártása. Az 1950-es évek óta hatalmasat fejlődött – és napjainkban is erőteljesen fejlődik – a műanyagipar, és mára sokféle műanyagot állít elő, rendkívül nagy mennyiségben a legkülönbözőbb alkalmazási területekre. A műanyagok legfontosabb nyersanyagai a kőolaj, a földgáz és a kőszén, hiszen a műanyagok nagy része gyakorlatilag „szénhidrogén”, tehát az iparág szorosan kötődik a petrolkémiai és földgáziparhoz. Az 5. ábra azt mutatja, hogy a műanyagok megjelenésével, a műanyagipar exponenciális fejlődésének eredményeként hogyan változott az évek során a műanyagtermelés és az acélgyártás a szerkezeti anyagok volumenben (térfogatban, nem tömegben!) számított termelését nyomon követve 2000-ig.
Tevékenység: Nézze meg a 3. ábrát hasonlítsa össze a nyersvas- és a műanyaggyártás mutatószámait az 1970-es, -80-as években és az ezredfordulón! A feliratban található tömeg és térfogat értékeket tekintve is végezzen összehasonlítást a két anyagra vonatkozóan!
3. ábra A világ nyersacél- és műanyagtermelése 1950 óta (Forrás: http://www.otka.hu/index.php?akt_menu=3555) A 3. ábrán jól látszik, hogy a műanyagtermelést volumenben (térfogatban) kifejezve, messze meghaladja a nyersvasgyártás előállításának mértékét. Nem szabad elfeledkeznünk azonban arról, hogy a műanyagok sűrűsége körülbelül 1/8-ad része az acélénak, tehát tömegarányt tekintve természetesen a fémeké a vezető szerep. A műanyagok ma már nélkülözhetetlen szerkezeti anyagok, ezért megismerésük a mérnökképzésben elengedhetetlenül fontos. A 4-5. ábrák bemutatnak néhány autóipari alkalmazási példát.
4. ábra Műanyag tárcsa
A BASF által kifejlesztett, nagy teherbírású műanyagból készült tárcsa kerekenként három kilogrammos súlycsökkentést tesz lehetővé (4. ábra). Az eredetileg poliamid kompozit anyagoktól eltérően az új műanyag már hosszú, erősítő szálakat tartalmaz, amelyek jelentősen javítják a kompozit mechanikai tulajdonságait. Az eredmény egy kiváló hő- és kémiai ellenálló képességgel, ütésállósággal, illetve dinamikus terhelésekkel szembeni ellenálló képességgel rendelkező anyag, amely képes kitűnő tulajdonságait hosszú távon is megőrizni. Az 5. ábrán termoplasztikus elasztomerek autóipari alkalmazására mutatunk be példát.
5. ábra Termoplasztikus elasztomer autóipari alkalmazásai Tevékenység: Figyelje meg a következő ábrán, hogy a személyautóban milyen alkatrészeket gyárthatnak poliuretán habból!
5. ábra Poliuretán autóipari alkalmazásai
A BASF poliuretán termékei a világ szinte minden autótípusában, számtalan alkalmazásban megtalálhatóak: műszerfal, tetőburkolat, futómű (Cellasto®), kábelborítás, fejtámasz, kormány, váltógomb, ülés, lökhárító, ajtóborítás, stb.
1. A műanyagok besorolása, felépítése A műanyagok a nemfémes szerkezeti anyagok csoportjába tartoznak. Ide tartoznak a kerámiák is, amelyek szervetlen anyagok, míg a polimerek (köztük a műanyagok is) szén bázisú, szerves anyagok. A 6. ábra bemutatja a műanyagok elhelyezését a szerkezeti anyagok között. Tevékenység: Figyelje meg a 6. ábrán, hogy hol helyezkednek el a műanyagok a szerkezeti anyagok között Rajzolja le a füzetébe az ábrát, és jegyezze meg a struktúrát.
6. ábra A szerkezeti anyagok felosztása A műanyagok tehát mesterséges polimerek. A polimer szó jelentése magában hordozza a definíciót. A görög „poly meros” szó összetétel azt jelenti: sok rész. A polimerek nagyszámú ismétlődő egységből, monomerekből épülnek fel. A monomerek (molekulák) elsődleges kémiai kötéssel kapcsolódnak egymáshoz, így nagy molekulatömegű molekulaláncot, molekulalánc halmazt, hálózatot képeznek. Tevékenység: Figyelje meg a 7. ábrát. Jegyezze meg, hogy a műanyagok sok molekulából (monomerből) épülnek fel! Figyelje meg, hogy a polietilént felépítő etilén monomerek hogyan kapcsolódnak egymáshoz! Jegyezze meg, hogy molekulaláncok alakulnak ki!
7. ábra A makromolekula felépítése sematikusan, a polietilén felépítése etilén monomerből kiindulva Tevékenység: Olvassa el figyelmesen és tanulja meg, hogy melyek a polimer felépítésének jellemzői. A polimerek felépítésének jellemzői az alábbi pontokban összegezhetők: 1. makromolekula / makromolekulák összessége, 2. hosszúláncú vegyület, 3. ismétlődő építőegység: monomer, 4. elsődleges kémiai kötéssel kapcsolódnak, 5. léteznek természetes polimerek, 6. a mesterséges polimerek a műanyagok. Ma már a legtöbb terméken megtalálhatók az anyagjelölések (egy nyilak alkotta háromszög, a közepén egy számmal), amellyel elősegítik a műanyag hulladékok azonosítását, megkönnyítik szelektálhatóságát az újrahasznosítás előtt (8. ábra). Tevékenység: Tanulmányozza és írja le a füzetébe az egyes anyagok jelölését. Jegyezze meg, hogy melyek azok a műanyagok, amelyek konkrét számjelölést kaptak. 1 PET/PETE – Polietilén-tereftalát, üdítős, ásványvizes flakonok, poharak, háztartási- és tisztálkodószer flakonja 2 HDPE – Nagysűrűségű polietilén,
néhány
játékok, tejes flakonok, mosószerek, tisztítószerek, samponok, motorolaj flakonjai 3 V vagy PVC – Polivinilklorid, csövek, palackok, háztartási olaj palackja 4 LDPE – Kissűrűségű polietilén,
fóliák, zacskók 5 PP – Polipropilén, palackok, joghurtos dobozok, krémsajtok, egyéb tejtermékek dobozai, mustáros, ketchupos flakonok, műanyag edények, tálcák, kulacsok, háztartási szerek flakonjai 6 PS – Polisztirol, kávéspoharak, élelmiszeres dobozok, joghurtok dobozai, egyéb tejtermékek dobozai
8. ábra Az előforduló anyagjelölések műanyag termékeken (muanyag jeloles.jpg)
Az 1. táblázat a tananyagban előforduló, és a mindennapi, valamint a műszaki életben is gyakran alkalmazott műanyagok rövidítését és teljes nevét tartalmazza. Tevékenység: Tanulmányozza és jegyezze meg a táblázatban szereplő jelöléseket! Készítsen egy táblázatot erről a füzetébe, mert a rövidítésekkel a tananyag során többször találkozni fog! Nézzen szét a környezetében, flakonon, pl. háztartási gépeken keressen műanyagtípus jelöléseket és azonosítsa be őket az ismeretei alapján! Jelölés
Teljes név
ABS
Akrilnitril-butadién-sztirol
HDPE
Nagysűrűségű polietilén (high-density polyethylene)
LDPE
Kissűrűségű polietilén (low-density polyethylene)
LLDPE
Lineáris kissűrűségű polietilén
UP
Telítetlen poliészter
PA
Poliamid
PC
Polikarbonát
PE
Polietilén
PET
Poli(etilén-tereftalát)
PMMA
Poli(metil-metakrilát) - plexi
POM
Poli(oximetilén)
PP
Polipropilén
PS
Polisztirol
PTFE
Poli(tetrafluor-etilén) - teflon
PU, PUR
Poliuretán
PVC
Poli (vinil klorid)
SAN
Sztirol/akrilnitril kopolimer
PEEK
Poli(éter-éterketon)
1. táblázat A tananyagban előforduló műanyagok rövidítése és teljes neve 2. A műanyagok csoportosítása Tevékenység: Tanulja meg a műanyagok csoportosítási lehetőségeit. A műanyagokat több szempont alapján csoportosíthatjuk: Eredet szerint (természetes / mesterséges). Előállítás reakciótípusa szerint (polimerizáció, polikondenzáció, poliaddíció). Szerkezet (a molekulaláncok alakja) szerint. A hővel szembeni viselkedésük alapján, amely meghatározza a feldolgozhatóságot, alakíthatóságot az alábbi felosztást képezhetjük:
Hőre lágyuló műanyagok. Hőre nem lágyuló műanyagok.
9. ábra Hőre lágyuló és hőre nem lágyuló műanyagokból készült termékek 3. Hőre lágyuló műanyagok Tevékenység: Tanulja meg a hőre lágyuló műanyagok hővel szembeni viselkedésének jellemzőit és a lehetséges molekulaszerkezetek kialakítását. A hőre lágyuló műanyagok, ahogy a nevük is mutatja, hő hatására meglágyulnak, majd megolvadnak. Gondoljunk csak a műanyag tasakra, vagy akár az eldobható műanyag tálkákra hogy viselkednek forró tárgy közelében, eldeformálódhatnak, vagy megolvadhatnak akkor is, ha mikrohullámú sütőbe tesszük őket. A hőre lágyuló műanyagok láncmolekulákból állnak, amelyeket másodlagos kémiai kötések kapcsolnak össze (van der Waals féle erők, dipólus erők, hidrogénhidak) és a rendezettségtől függően lehetnek amorf, illetve részben kristályos szerkezetűek. Az amorf anyagok teljesen rendezetlen láncmolekulákból állnak (mint egy tál spagettiben a rendezetlen tésztaszálak), amíg a részben kristályos polimerekben a láncmolekulák bizonyos részeken szabályosan elrendeződnek, kiegyenesednek, és ezek a területek alkotják a kristályos hányadot a műanyagokban, amely soha nem 100%-os. A láncmolekulák elrendeződését egy amorf, illetve részben kristályos anyagban a 10. ábra szemlélteti sematikusan.
Tevékenység: Figyelje meg alaposan az alábbi ábrát és jegyezze meg, hogyan helyezkednek el a láncmolekulák az amorf és a részben kristályos műanyagok esetén. Keresse meg a részben kristályos anyagoknál a rendezett részeket a struktúrában!
10. ábra A láncmolekulák elrendeződése amorf és kristályos műanyagban Amorf műanyagok Az amorf anyagokra jellemző, hogy olvadásuk nem egy határozott hőmérsékleten, hanem egy adott tartományban megy végbe (például: PC:150..210C, PMMA: 130..170C). (Melegalakításra az amorf hőre lágyuló polimereket használjuk szívesebben, mivel ezek alakíthatósági hőmérséklettartománya szélesebb.) Az alábbi polimerek tipikusan amorf szerkezetű anyagok: PVC, PS, ABS, PMMA, PC. Részben kristályos műanyagok A részben kristályos műanyagok tehát, ahogy a 10. ábrán is látható, kétfázisú rendszerek, amorf, illetve kristályos részekből állnak. A részben kristályos polimerek jellemzői az alábbiak:
kristályossági fok <100%, hosszútávú rendezettség, nagy szilárdság, nehezen oldódnak, a tulajdonságokat meghatározza a kristályszerkezet, kristályossági fok.
A részben kristályos műanyagok körébe többek között az alábbi műanyagok tartoznak: LDPE, HDPE, PP, PA, PET. 4. Hőre nem lágyuló műanyagok Tevékenység: Tanulja meg a hőre nem lágyuló műanyagok hővel szembeni viselkedésének jellemzőit, típusait és a lehetséges molekulaszerkezetek kialakítását! A hőre nem lágyuló műanyagok legfontosabb jellemzői az alábbiak:
Szerkezetük irreverzibilis megváltoztatása nélkül már képlékeny vagy folyékony állapotba nem hozhatók. Feldolgozásuk során csak egyszer alakíthatók plasztikusan. Térhálós molekula elrendezéssel jellemezhetők, azaz nem csak a monomerek kapcsolódnak elsődleges kémiai kötéssel molekulaláncokká, hanem a molekulaláncok között is elsődleges kémiai kötések alakulnak ki. Ha a hőmérséklet a bomláspont fölé emelkedik a láncon belüli kötések sérülnek, a műanyag bomlik (szenesedik). A polimerláncok közötti kötések sűrűségétől, azaz a térháló sűrűségtől függően megkülönböztetünk: ritka térhálós polimereket, azaz elasztomereket és sűrűn térhálós polimereket, azaz duromereket. Tevékenység: Figyelje meg a következő ábrát és jegyezze meg, hogy a polimerláncok között milyen sűrűn helyezkednek el a keresztkötések a duromerek és az elasztomerek esetén!
11. ábra A láncmolekulák elrendeződése a hőre nem lágyuló műanyagokban Elasztomerek Tevékenység: Tanulja meg az elasztomerek jellemzőit és a példaként felsorolt műanyagok nevét! Ezek az anyagok rendkívül nagy rugalmassággal rendelkező gumiszerű anyagok. Jellemzőik:
ritka térháló (a főlánc néhány száz atomjára egy keresztkötés jut), az egész polimerháló mozoghat, rugalmasság,
pl.: PUR, szilikon, gumi.
12. ábra Példák elasztomerek, azaz ritkán térhálós műanyagok alkalmazására Duromerek Tevékenység: Tanulja meg a duromerek jellemzőit és a példaként felsorolt műanyagok nevét! Az első szintetikus műanyag, a bakelit is ebbe az anyagcsaládba tartozik. A polimerláncok térhálós szerkezetet képeznek, ahol minden irányban valódi vegyértékkötésekkel kapcsolódnak egymáshoz a monomerek, így térben három dimenziós háló alakul ki. A hővel szembeni viselkedésük irreverzibilis.
13. ábra Példák duromerek, azaz sűrűn térhálós műanyagok alkalmazására
A következő táblázat összefoglalja, és egyben összehasonlítja a különböző műanyagok szerkezetét, hővel szembeni viselkedését, alakíthatóságát és merevségét.
Tevékenység: Rajzolja le a füzetébe az alábbi táblázatot és tanulja meg a különböző műanyagok jellemzőit! Hőre lágyuló műanyagok
Hőre nem lágyuló műanyagok Elasztomerek
Duromerek
nem térhálós
ritkán térhálós
sűrűn térhálós
olvasztható
nem olvasztható
nem olvasztható
általánosan oldódó
nem oldódó
nem oldódó
képlékenyen alakítható
gumi-elasztikus
képlékenyen nem alakítható
nagy E-modulusz
kicsi E-modulusz
nagy E-modulusz
2. táblázat A hőre lágyuló és hőre nem lágyuló műanyagok jellemzői 5. A műanyagok tulajdonságai és a legfontosabb polimer típusok jellemzése A műanyagok a legújabbkor gyorsan fejlődő szerkezeti anyagai, amelyek számos előnyös tulajdonsággal rendelkeznek. Hátrányuk lehet a rossz hővezető képesség (szigetelő anyagként történő alkalmazáskor ez persze előnyös jellemző), de leginkább a gyenge hővel szembeni ellenálló képesség. A műanyagok előnyös tulajdonságai A műanyagok széleskörű alkalmazását számos kedvező tulajdonságaiknak köszönhetik: Sűrűségük rendkívül kicsi, ez előnyt jelent a járműgyártásban és a csomagolásban is. Kedvező siklási és kopási tulajdonságokkal rendelkeznek, ezért a siklócsapágyak alapanyagaként is alkalmazzák. Nagyfokú rezgéscsillapító hatásuk van, Kiváló elektromos- és jó hőszigetelő képességgel rendelkeznek. A műanyagok hátrányos tulajdonságai
Természetesen a műanyagoknak vannak olyan jellemzőik is, amelyek számos alkalmazásban hátrányt jelentenek: Fémekkel összehasonlítva kisebb szilárdsági jellemzőkkel, köztük szakítószilárdsággal rendelkeznek. Szobahőmérsékleten is nagy kúszási hajlammal rendelkeznek, azaz tartós terhelés alatt idővel folyamatosan nő a deformációjuk (például egy műanyag táska füle folyamatosan nyúlik a belepakolt élelmiszerek súlya alatt). Szintén jelentős a feszültség relaxáció is, amely során egy adott, állandó mértékű alakváltozás hatására az anyagban ébredő feszültségek csökkennek, ezért például a csavarkötések kilazulhatnak, oldódhatnak. Érzékenyek a hővel szemben és öregedésre hajlamosak (szilárdsági tulajdonságaik jelentősen csökkennek), pl.: hőmérséklet, víz, fény (UV sugárzás) hatására, illetve klimatikus hatások eredményeként megindul a polimerek bomlása (pl. bevásárló táska elporlik), megváltozik a polimerek kémiai szerkezete, megváltoznak tulajdonságai. 5.1 Műanyagok osztályozása a tulajdonságaik alapján Tevékenység: Olvassa el a bekezdést és jegyezze meg a műanyagok főbb csoportjainak nevét! A műanyagokat feloszthatjuk, illetve osztályozhatjuk a tulajdonságaik alapján is, illetve az alkalmazhatóságuk hőmérséklettartománya (Talk) alapján (14. ábra):
tömegműanyagok, műszaki műanyagok, nagyteljesítményű, vagy különleges tulajdonságú műanyagok.
Tevékenység: Másolja le a 14. ábrát a füzetébe! Tanulja meg az egyes osztályok nevét és minden szintről tanuljon meg 2-2 amorf és részben kristályos műanyagot a polimer piramisban elfoglalt helyükkel együtt!
14. ábra Műanyag piramis: műanyagok osztályozása a tulajdonságaik alapján A mérnöki gyakorlatban a műanyagok alkalmazása exponenciálisan nő, ma már a legtöbb alkalmazásban megtaláljuk ezeket az anyagokat. A fontosabb műanyagtípusok megismerése ezért egyik alapvető célja ennek a tananyagnak. Tevékenység: Ismételje át a főbb hőre lágyuló műanyagok nevét, jelölését! Ha kell, tanulja meg ismét a neveket és a jelöléseket! A következőkben az alábbi hőre lágyuló műanyagokkal foglalkozunk röviden: Különböző polietilén típusok (LDPE, HDPE, UHMWPE, HOPE), Polipropilén (PP), Poliamid (PA), Polisztirol (PS), Polikarbonát (PC), Plexi (PMMA), Teflon (PTFE), Poli (vinil-klorid) PVC. Tevékenység: Figyelje meg a 15. ábrát, amely a hazai műanyag feldolgozásának megoszlását mutatja, a főbb polimer típusok szerint 2010-ben. Jegyezze meg, hogy melyik az öt legnagyobb mennyiségben alkalmazott műanyag típus!
15. ábra Magyarország műanyag feldolgozása főbb polimer típusok szerint 2010-ben A hőre nem lágyuló műanyagok közül a duroplasztok családjába tartozó epoxi és telítetlen poliészter gyantákkal foglalkozunk részletesebben a műanyag kompozitok témakörében egy későbbi leckében. Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Gyűjtse ki és jegyezze meg a különböző polietilén típusok nevét és főbb jellemzőit! 5.2 Polietilén A polietilén az egyik legnagyobb mennyiségben gyártott, ún. tömegműanyag, legnagyobb felhasználója a csomagolóipar. Több típusa létezik, ezekből a három alapvető:
LDPE: kissűrűségű, (ρ: 0,92 g/cm3), HDPE: nagysűrűségű (ρ: 0,96 g/cm3), nagyobb szilárdságú, LLDPE: lineáris kis sűrűségű, amely szintén nagy szilárdságú.
Ezeken túl még két különleges típust kell megemlíteni:
UHMWPE: különlegesen nagy móltömegű, nagyszilárdságú, HOPE: nagymértékben orientált, legnagyobb szilárdságú típus.
Bár ezek a polietilén típusok azonos monomerből épülnek fel, eltérő gyártási technológiával készülnek, és jellegzetesen eltérő szerkezeti anyagcsaládot jelentenek. A tulajdonságaik széles skálán mozognak, ezért a különböző PE típusok mérnöki alkalmazása eléggé élesen szétválik. Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Gyűjtse ki és jegyezze meg az LDPE főbb jellemzőit és alkalmazási területeit! Kis sűrűségű polietilén (LDPE)
Az LDPE alkalmazási területei között szerepel a fóliagyártás, lágy tömlők, szigetelés. A telefon és egyéb távközlési és villamos átviteli kábelek legjobb szigetelő rétege, de alkalmazzák a radartechnikában is. Tevékenység: Figyelje meg a 16. ábrát! Jegyezze meg az LDPE műanyag tárgyakon elhelyezett jelölést! Keressen az interneten és az otthonában LDPE műanyagból készült tárgyakat!
16. ábra Alkalmazási példák az LDPE műanyagra A főbb jellemzői az alábbiak: -
kis szilárdság, áttetsző,
-
olvadáspont: ~110ºC
-
kis sűrűség (0,92g/cm3),
-
kisebb kristályossági fok (40-65%),
-
kis mértékben elágazó szerkezetű.
Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Gyűjtse ki és jegyezze meg a HDPE főbb jellemzőit és alkalmazási területeit! Nagysűrűségű polietilén A HDPE kitűnő szerkezeti anyag, készülnek belőle víz- és gázcsövek, de ezt használják különböző palackok, flakonok, hordók, csomagolóláda, rekesz, tömítések, zsugorszigetelés gyártására is. A korszerű gépkocsik üzemanyagtartálya is gyakorlatilag ebből az anyagból készül. Tevékenység: Figyelje meg az 17. ábrát! Jegyezze meg a HDPE műanyag tárgyakon elhelyezett jelölést! Keressen az interneten és az otthonában HDPE műanyagból készült tárgyakat!
17. ábra Alkalmazási példák a HDPE műanyagra
A fontosabb jellemzői az alábbiak, az LDPE-hez képest: -
nagyobb szilárdság,
-
nagyobb olvadáspont: 130ºC,
-
nagyobb sűrűség (0,96g/cm3),
-
nagyobb, 65-80% kristályosság.
Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Gyűjtse ki és jegyezze meg a PP műanyag főbb jellemzőit és alkalmazási területeit! 5.3 Polipropilén A polipropilén (PP) a polietilénhez (PE) képest nagyobb szilárdsággal és jobb hőállósággal rendelkezik. Széles körben használják, pl. a csomagolás, textilipar, írószerek, laboratóriumi berendezések, hangfalak, autóipari alkatrészek gyártásánál.
18. ábra Alkalmazási példák a PP műanyagra
A polipropilén részben kristályos műanyag, fontosabb jellemzői: Kristályossági foka kb. 60-70%. A PP olvadáspontja: 164-170°C. Hidegállósága rossz, 0°C alatt rideggé válik, ezért nem célszerű fagypont alatt alkalmazni olyan célokra, ahol nagyobb mértékű hajlékonyság szükséges. A polipropilén 120-130°C-ig a legtöbb célra még biztonsággal alkalmazható. A polipropilén a legjobban éghető műanyagok közé tartozik. Gyakran használják villamos szigetelési alkatrészek előállítására, az éghetőség csökkentésére égésgátló adalékot használnak. Jól sterilizálható, ezért egészségügyi berendezések, kórházi felszerelések alapanyaga. Jó víz- és vegyszerállóság jellemzi, forró vizet is jól tűrő háztartási cikkek, „mikrós” edények, mosógépalkatrészek, nagy keménységű lemezek, csövek, szálak anyaga. 5.4 Poliamid A műszaki műanyagok között a poliamidok mennyiségüket tekintve vezető helyet foglalnak el. A fő alkalmazási területek az autóipar, a villamosipar és a csomagolás. Ugyancsak jelentős szerepet töltenek be a gépiparban, az elektronikai iparban, az építőiparban, a bútorgyártásban és a sport- és szabadidőcikkek gyártásában.
19. ábra Alkalmazási példák a PA műanyagra
Tevékenység: Keresse meg az interneten, hogy mire használták az első poliamidot! Az első korszerű poliamid a poliamid-6.6 (PA6.6) (kereskedelmi nevén nejlon - nylon) volt. Fontosabb jellemzői:
Kitűnő mechanikai tulajdonságok (nagy szilárdság, jó ütésállóság), jó kopásállóság, előnyös súrlódási tulajdonságok (önkenő), nagy hőállóság, önkioltó képesség (lángállóság) jellemzi. Hátránya a nagy nedvszívó képesség, amely rontja a feldolgozhatóságot, ezért a termék adatlapjának előírásai alapján több órán át szárítani kell feldolgozás előtt. Szűk olvadási hőmérséklet tartomány jellemzi, a PA6.6 olvadáspontja 265C. Nem saválló. Alkalmazás: csapágyak és siklóelemek, orsók, fogaskerekek, villamos kapcsolóelemek, gépkocsi alkatrészek, benzinálló csövek stb.
Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Gyűjtse ki és jegyezze meg a PC műanyag főbb jellemzőit és alkalmazási területeit! 5.5 Polikarbonát Jellemzői: • • •
amorf hőre lágyuló műanyag, jó mechanikai tulajdonságok jellemzik, alkalmazás: védőburkolatok, CD lemezek, védőszemüveg, gépalkatrészek stb.
20. ábra Alkalmazási példák a PC műanyagra
Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Gyűjtse ki és jegyezze meg a PMMA műanyag főbb jellemzőit és alkalmazási területeit!
5.6. PMMA (plexi) Jellemzői:
amorf, üvegszerű polimer, vegyszerállósága gyenge, híg savaknak, lúgoknak ellenáll, színtelen, átlátszó, fényáteresztő képessége kiváló (99%), kitűnő a szilárdsága, ütésálló, szövetbarát.
Alkalmazás: optikai eszközök és a gyógyászatban protézisek, védőablakok, hullámosított kivitelben pedig az építőipar használja.
21. ábra Alkalmazási példák a PMMA műanyagra Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Gyűjtse ki és jegyezze meg a PTFE műanyag főbb jellemzőit és alkalmazási területeit! 5.7 PTFE (teflon) Jellemzői: hőre lágyuló, nagymértékben kristályos szerkezetű műanyag, nem ömlik meg, azaz nem lesz „folyékony”, mint a többi hőre lágyuló műanyag, bizonyos szilárdsággal rendelkező anyag, 400ºC körül elbomlik a polimerlánc. a legvegyszerállóbb anyag, nem ég, nem nedvesedik, aránylag hőálló ( +250°C fokig), kis súrlódási tényezője van, antiadhezív anyag (nem tapad semmihez), alkalmazás: bevonat, súrlódó felületek anyaga, korrózió elleni védelem.
22. ábra Alkalmazási példák a PTFE műanyagra
Önellenőrző kérdések A lecke tartalma alapján válaszoljon a kérdésekre! Ö1 Feladat: A füzetébe rajzolja le a szerkezeti anyagok felosztását kiindulva a SZERKEZETI ANYAGOK-tól a MŰANYAGOK-ig!
Ö2 Feladat: Írja le a füzetébe, hogy mit nevezünk műanyagnak és mit polimernek.
A műanyagok mesterséges polimerek. A polimerek monomerekből épülnek fel, elsődleges kémiai kötéssel kapcsolódnak egymáshoz, így nagy molekulatömegű molekulaláncot, molekulalánc hálózatot képeznek. Ö3 Feladat: Töltse ki értelemszerűen a következő táblázatot! A felsorolt műanyagok teljes neve mellé írja oda a rövidítéseiket (nagybetűk)! Teljes név
Rövidítés
Nagysűrűségű polietilén
HDPE
Akrilnitril-butadién-sztirol
ABS
Polikarbonát
PC
Poli(metil-metakrilát) - plexi
PMMA
Polipropilén
PP
Poliuretán
PU, PUR
Polisztirol
PS
Poli(etilén-tereftalát)
PET
Telítetlen poliészter
UP
Poliamid
PA
Poli(tetrafluor-etilén)
PTFE
Poli (vinil klorid)
PVC
Kissűrűségű polietilén
LDPE
Ö4 Feladat: Írja le a füzetébe, hogyan csoportosítjuk a műanyagokat a hővel szembeni viselkedésük alapján! Hőre lágyuló műanyagok Hőre nem lágyuló műanyagok Ö5 Feladat: Írja le a füzetébe, hogyan viselkednek a hőre lágyuló műanyagok a hőhatás következtében! A hőre lágyuló műanyagok hő hatására meglágyulnak, majd megolvadnak. Ö6 Feladat: Írja le/sorolja fel a füzetébe, hogy milyen szerkezetűek lehetnek a hőre lágyuló műanyagok? Amorf vagy részben kristályos szerkezetűek.
Ö7 Feladat: Írja le a füzetébe, hogy miből állnak az amorf műanyagok! Rendezetlen láncmolekulákból. Ö8 Feladat: Írja le/sorolja fel a füzetébe, hogyan helyezkednek el a láncmolekulák a részben kristályos műanyagokban! A láncmolekulák bizonyos részeken szabályosan elrendeződnek, kiegyenesednek, és ezek a területek alkotják a kristályos hányadot a műanyagokban. Ö9 Feladat: Rajzolja le a füzetébe a molekulaláncok elhelyezkedését amorf, illetve részben kristályos műanyagokban, és jelölje be, hogy hol találhatók kristályos részek.
Ö10 Feladat: A következő állítások az amorf anyagok hővel szembeni viselkedését írják le. Döntse el, hogy melyik állítás igaz, illetve melyik hamis!
olvadásuk egy adott, tág hőmérséklet tartományban megy végbe olvadásuk egy határozott hőmérsékleten, illetve szűk hőmérséklettartományban megy végbe
Ö11 Feladat: Döntse el, hogy az alábbi műanyagok az amorf vagy a részben kristályos műanyagok csoportjába tartoznak!
PVC amorf LDPE részben kristályos PET részben kristályos PA részben kristályos PMMA amorf Ö12 Feladat: A következő mondatok a részben ABS amorf kristályos anyagokra vonatkoznak. Döntse el, hogy HDPE részben kristályos melyik igaz, illetve melyik hamis! PC amorf PS amorf PP részben kristályos Olvadásuk nem egy határozott hőmérsékleten, hanem egy adott h tartományban megy végbe. Melegalakításra szívesebben használjuk. h A molekulaszerkezetre hosszútávú rendezettség jellemző. i Ebbe a csoportba tartoznak a PP és a PA. i Ö13 Feladat: A következő mondatok a hőre nem lágyuló műanyagokra vonatkoznak. Döntse el, hogy melyik igaz, illetve melyik hamis!
fonalmolekulákat másodlagos kémiai kötések kapcsolják össze. (h) lehetnek amorf, illetve részben kristályos szerkezetűek (h) szerkezetük irreverzibilis megváltoztatása nélkül már képlékeny vagy folyékony állapotba nem hozhatók (i) feldolgozásuk során csak egyszer alakíthatók plasztikusan.(i) hő hatására meglágyulnak, majd megolvadnak.(h) a molekulaláncokon belül, és a molekulaláncok között egyaránt elsőrendű kémiai kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz a monomerek. (i) térhálós molekula elrendezéssel jellemezhetők (i) ha a hőmérséklet a bomláspont fölé emelkedik a műanyag bomlik (szenesedik). (i) tipikusan képviselői: PVC, PS, ABS, PMMA, PC (h) tulajdonságokat meghatározza a kristályossági fok (h)
Ö14 Feladat: Írja le/sorolja fel a füzetébe a hőre nem lágyuló műanyagok két osztályát! Elasztomerek, duromerek. Ö15 Feladat: A következő állítások a duromerekre vonatkoznak. Döntse el, hogy melyik állítás igaz, illetve melyik hamis! sűrű térháló, három dimenziós szerkezetű, (i) az egész polimerháló mozoghat, (h) rugalmasság, (h) a polimerláncok térhálós szerkezetet képeznek (i) a bakelit is ebbe az anyagcsaládba tartozik (i) ritka térháló (h) minden irányban valódi vegyértékkötésekkel kapcsolódnak egymáshoz a monomerek, (i) A hővel szembeni viselkedésük irreverzibilis (i) Pl. PUR, szilikon, gumi. (h) Ö16 Feladat: Írja le/sorolja fel a füzetébe a műanyagok kedvező tulajdonságait (4 db)! kis sűrűség, kedvező siklási és kopási tulajdonságok, nagyfokú rezgéscsillapító hatás, kiváló elektromos- és jó hőszigetelő képesség. Ö17 Feladat: Írja le/sorolja fel a füzetébe a műanyagok hátrányos tulajdonságai (4 db)! kis szilárdsági jellemzők (szakítószilárdság) a fémekhez képest Szobahőmérsékleten is nagy kúszási hajlam, Jelentős a feszültség relaxáció. Érzékenyek a hővel szemben és öregedésre hajlamosak, pl. hőmérséklet, víz, fény hatására (például UV sugárzás), illetve klimatikus hatások eredményeként megindul a polimerek bomlása, megváltozik a polimerek kémiai szerkezete, megváltoznak tulajdonságai. Ö18 Feladat: Válassza ki az egyetlen helyes állítást! A polipropilén (PP) a polietilénhez (PE) képest nagyobb szilárdsággal, de gyengébb hőállósággal rendelkezik. A polipropilén (PP) a polietilénhez (PE) képest kisebb szilárdsággal, de jobb hőállósággal rendelkezik. A polipropilén (PP) a polietilénhez (PE) képest nagyobb szilárdsággal és jobb hőállósággal rendelkezik. A polipropilén (PP) a polietilénhez (PE) képest kisebb szilárdsággal és kisebb hőállósággal rendelkezik.
Ö19 Feladat: Összehasonlítva az LDPE-t és a HDPE-t döntse el, hogy az alábbi állítások közül melyek igazak illetve hamisak! Az LDPE-t a HDPE-hez képest…jellemzi. - Kisebb olvadáspont,(i) -
Kisebb szilárdság (i)
-
Kisebb kristályosság,(i)
-
Nagyobb olvadáspont,(h)
-
Nagyobb szilárdság,(h)
-
Kisebb sűrűség,(i)
-
Kevesebb elágazást tartalmaz a molekulalánc (h)
-
Nagyobb sűrűség,(h)
-
Nagyobb kristályosság,(h)
-
Több elágazást tartalmaz a molekulalánc (i)
Ö20 Feladat: Az alábbi termékek közül melyik készülhetett LDPE-ből? Ha alkalmas az adott feladatra, akkor írjon a táblázatba i-t, egyébként h-t! Termék Igaz/hamis (i/h) fóliagyártás
i
szigetelés
i
hegymászó kötél
h
víz- és gázcsövek
h
villamos átviteli kábelek legjobb szigetelő rétege
i
gépkocsik üzemanyagtartálya
h
Ö21 Feladat: Az alábbi termékek közül melyik készülhetett HDPE-ből? Ha alkalmas az adott feladatra, akkor írjon a táblázatba i-t, egyébként h-t! Termék Igaz/hamis (i/h) rekesz
i
víz- és gázcsövek
i
villamos átviteli kábelek legjobb szigetelő rétege
h
gépkocsik üzemanyagtartálya
i
csípőprotézisek és egyéb orvostechnikai célok
h
palackok, flakonok
i
Ö22 Feladat: Döntse el az alábbi állítások helyességét PA esetében! Ha helyes az állítás, akkor írjon a táblázatba i-t, egyébként h-t! Állítás igaz/hamis (i,h) fóliagyártás alapanyaga
h
jó kopásállóság jellemzi
i
CO2 visszatartás
h
Lángállóság is jellemzi
i
gépkocsi alkatrészek alapanyaga
i
kis nedvszívó képesség jellemzi
h
relatív nagy hőállóság
i
csapágyak alapanyaga
i
Modulzáró kérdések M1 Feladat: Az alábbi ábra a szerkezeti anyagok felosztását mutatja. Az ábrában a betűkkel jelzett helyekhez válassza ki a megfelelő anyagosztály számát. Írja a táblázatba a megfelelő számokat! 1-kerámiák 2-nemfémes szerkezeti anyagok 3-természetes polimerek
C
2
4-szerkezeti anyagok
D
1
5-műanyagok
E
7
6-fémes szerkezeti anyagok
F
3
7-szerves anyagok
G
5
M2 Feladat: A következő állítások a polimerekre és a monomerekre vonatkoznak. Jelölje be az alábbi felsorolásban, hogy az alábbi állítások közül melyek igazak! o A monomerek molekulalánc hálózatot képeznek. o A polimerek mesterséges műanyagok.
o A polimerek monomerekből épülnek fel. o A monomerek molekulaláncot alkotnak. o A polimereket műanyagok építik fel. o A polimereket mesterséges úton állítják elő. M3. Feladat: Mit nevezünk műanyagnak? Válassza ki az egyetlen helyes választ! o Monomerek sokasága. o Nagy molekulatömegű természetes polimerek. o Mesterséges polimerek. o Molekulalánc. M4 Feladat: A következő táblázat a műanyagok nevét és rövidített jelölését tartalmazza. Írja a rövidítések mellé a neki megfelelő név előtti számot (1…14)! Rövidítés
Szám
Név
ABS
14
1-Poliamid
HDPE
3
2-Poli(etilén-tereftalát)
LDPE
15
3-Nagysűrűségű polietilén
LLDPE
4
4-Lineáris kissűrűségű polietilén
UP
6
5-Poli(metil-metakrilát)
PA
1
6-Telítetlen poliészter
PC
11
7-Polisztirol
PE
12
8-Poliuretán
PET
2
9-Poli(tetrafluor-etilén)
PMMA
5
10-Poli (vinil klorid)
PP
13
11-Polikarbonát
PS
7
12-Polietilén
PTFE
9
13-Polipropilén
PU, PUR
8
14-Akrilnitril-butadién-sztirol
PVC
10
15-Kissűrűségű polietilén
M5 Feladat: A következő mondatok az amorf műanyagokra vonatkoznak. Döntse el, hogy melyik igaz, illetve melyik hamis! Olvadásuk nem egy határozott hőmérsékleten, hanem egy adott i tartományban megy végbe Ebbe a csoportba tartoznak a PVC és a PMMA i Melegalakításra szívesebben használjuk i A molekulaszerkezetre hosszútávú rendezettség jellemző h Ebbe a csoportba tartoznak a PA és a PP h M6 Feladat: A következő mondatok a hőre lágyuló műanyagokra vonatkoznak. Döntse el, hogy melyik igaz, illetve melyik hamis!
Tipikusan képviselői: PVC, PS, ABS, PMMA, PC. (i)
Szerkezetük irreverzibilis megváltoztatása nélkül már képlékeny vagy folyékony állapotba nem hozhatók. (h) Láncmolekuláikat másodlagos kémiai kötések kapcsolják össze. (i) Lehetnek amorf, illetve részben kristályos szerkezetűek. (i) Feldolgozásuk során csak egyszer alakíthatók plasztikusan.(h) Hő hatására meglágyulnak, majd megolvadnak.(i) Térhálós molekula elrendezéssel jellemezhetők. (h) A molekulaláncokon belül, és a molekulaláncok között egyaránt elsőrendű kémiai kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz a monomerek. (h) Tulajdonságokat meghatározza a kristályossági fok. (i)
M7 Feladat: A következő állítások az elasztomerekre vonatkoznak. Döntse el, hogy melyik állítás igaz, illetve melyik hamis! sűrű térháló, három dimenziós szerkezet, (h) Pl. PUR, szilikon, gumi, (i) az egész polimerháló mozoghat, (i) rugalmasság, (i) polimerláncok térhálós szerkezetet képeznek, (i) a bakelit is ebbe az anyagcsaládba tartozik. (h)
PMMA LDPE PET PA PMMA ABS HDPE PC PS PP
amorf részben kristályos részben kristályos részben kristályos amorf amorf részben kristályos amorf amorf részben kristályos
M8 Feladat: Döntse el, hogy az alábbi műanyagok az amorf vagy a részben kristályos műanyagok csoportjába tartoznak!
M9 Feladat: Döntse el, hogy az alábbi állítások közül melyek általánosan a műanyagok előnyös tulajdonságai! kis sűrűség, (i) kedvező siklási és kopási tulajdonságok, (i) jó elektromos vezetőképesség (h) Szobahőmérsékleten is nagy kúszási hajlam,(h) nagy szilárdsági jellemzők (h) környezeti hatásoknak ellenáll (h) kiváló elektromos- és jó hőszigetelő képesség (i) jelentős a feszültség relaxáció (h) nagy sűrűség, (h) nagyfokú rezgéscsillapító képesség. (i) M10 Feladat: Összehasonlítva az HDPE-t és a LDPE-t döntse el, hogy az alábbi állítások közül melyek igazak, illetve melyek hamisak! Az HDPE-t a LDPE-hez képest … jellemzi. - Kisebb szilárdság (h) - Nagyobb szilárdság,(i) - Kisebb olvadáspont,(h) - Nagyobb olvadáspont,(i) - Kisebb sűrűség,(h) - Nagyobb sűrűség,(i) - Kisebb kristályosság,(h)
-
Nagyobb kristályosság,(i) Kevesebb elágazást tartalmaz a molekulalánc (i) Több elágazást tartalmaz a molekulalánc (h)
M11 Feladat: Írja be a táblázat megfelelő sorába annak a polietilén típusnak a számát (1,2), amit a megadott célra használnak! 1 LDPE 2
HDPE
Alkalmazás
Műanyag (1,2)
fóliagyártás
1, 2
szigetelés
1, 2
víz- és gázcsövek
2
villamos átviteli kábelek legjobb szigetelő rétege
1
gépkocsik üzemanyagtartálya
2
lágy tömlők
1
palackok, flakonok
2
csomagolóláda
2
M12 Feladat: Döntse el az állítások helyességét a polipropilénre! Széles körben használják (i) Amorf műanyag (h) Részben kristályos műanyag (i) Hőállósága és hidegállósága egyaránt jó. (h) Hőállósága a polietilénnél jobb. (i) Szilárdsága a polietilénnél gyengébb. (h) Az egyik legjobban éghető műanyag. (i) Jól sterilizálható. (i)
2. lecke: Műanyagok és kompozitjaik alapvető mechanikai tulajdonságainak vizsgálata. 4. modul: Polimerek Cél A hallgató megismerje a műanyagok és kompozitjaik alapvető mechanikai tulajdonságainak vizsgálati módszereit, az egyes vizsgálatok során mérhető és számítható jellemzőket, anyagtulajdonságokat. Követelmények Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha önállóan fel tudja sorolni az igénybevétel típusokat az időbeni lefutásuk alapján, meg tudja fogalmazni a szakítóvizsgálat célját, meg tudja fogalmazni a szakítóvizsgálatok során alkalmazott igénybevétel jellegét, meg tudja nevezni a szakító vizsgálatok során mért jellemzőket (a regisztrált görbe paramétereit), fel tudja sorolni a szakítóvizsgálat eredményét befolyásoló tényezőket, meg tudja fogalmazni, hogy a vizsgálati sebesség, a hőmérséklet és a nedvességtartalom hogyan befolyásolja a szakítóvizsgálat eredményét, össze tudja párosítani az egy diagramban ábrázolt szakítógörbéket a különböző viselkedési jelleget mutató műanyagok csoportjaival, be tudja jelölni a szakítógörbe tengelyein a szabványos szilárdsági és alakváltozási jellemzők kiszámításához tartozó erő és megnyúlás értékeket, fel tudja sorolni a szakítóvizsgálat mérési eredményeiből meghatározható jellemzőket, fel tudja írni a szakítóvizsgálat mérési eredményeiből meghatározható jellemzők kiszámítására vonatkozó képletet, meg tudja nevezni a hárompontos hajlítóvizsgálatok során alkalmazott igénybevétel jellegét, meg tudja nevezni a hárompontos hajlítóvizsgálatok során mért jellemzőket (a regisztrált görbe paramétereit), fel tudja sorolni a hárompontos hajlítóvizsgálat mérési eredményeiből meghatározható jellemzőket, fel tudja írni a hárompontos hajlító vizsgálat mérési eredményeiből meghatározható jellemzők kiszámítására vonatkozó képletet, meg tudja fogalmazni a Charpy-féle ütve-hajlító vizsgálat célját, meg tudja nevezni a Charpy-féle ütve-hajlító vizsgálat során alkalmazott igénybevétel jellegét, meg tudja nevezni a Charpy-féle ütve-hajlító vizsgálatok során mért jellemzőket, fel tudja sorolni a Charpy-féle ütve-hajlító vizsgálat mérési eredményeiből meghatározható jellemzőket,
fel tudja írni a Charpy-féle ütve-hajlító vizsgálat mérési eredményeiből meghatározható jellemző kiszámítására vonatkozó képletet. Időszükséglet A tananyag elsajátításához körülbelül 90 percre lesz szüksége. Kulcsfogalmak Statikus igénybevétel Dinamikus igénybevétel Szakítóvizsgálat Szakítószilárdság Húzószilárdság Relatív nyúlás (deformáció) Rugalmassági modulus Hárompontos hajlító vizsgálat Hajlító szilárdság Határhajlító feszültség Charpy-féle ütve-hajlító szilárdság Bevezetés Tevékenység: Ismételje át a fémek igénybevételeiről és mechanikai vizsgálatainál tanultakat! Jegyezze meg a mechanikai igénybevételek időbeni lefutás alapján történő csoportosítását! A szerkezeti anyagokra ható mechanikai igénybevételeket az alábbi csoportosítás szerint rendszerezhetjük:
statikus, ha az igénybevétel időben állandó, vagy kvázi-statikus, ha az igénybevétel igen lassan, egyenletesen változik, dinamikus, ha a terhelés időben változik, hirtelen, ütésszerű, lökésszerű pl. motorok indítása, ütközés stb. ismételt igénybevétel (fárasztó), ha az igénybevétel időben változik, és sokszor ismétlődik. A leckében a három legalapvetőbb vizsgálati eljárást mutatjuk be: Húzóvizsgálat, Hárompontos hajlító vizsgálat, Charpy-féle ütve-hajlító vizsgálat. A vizsgálati módszerekre érvényes szabványok a Magyar Szabványügyi Testület honlapján megtalálhatók (www.mszt.hu). 1. Szakító(húzó)vizsgálat Tevékenység: Gyűjtse ki és jegyezze meg a szakítóvizsgálat során alkalmazott terhelő igénybevétel jellegét, a vizsgálat célját, az eredményeket befolyásoló tényezőket!
A szakítóvizsgálat során a próbatestet statikus egytengelyű húzó igénybevétellel terheljük. Rövid idejű mechanikai vizsgálat, amelynek célja elsősorban a gyártási körülmények megfelelőségének ellenőrzése, illetve minősítésre alkalmas anyagi mérőszámok meghatározása. Az eredmények csak szigorúan azonos vizsgálati feltételek mellett alkalmasak az összehasonlításra. Tevékenység: A szakítóvizsgálat szemléltetésére nézze meg az alábbi video anyagokat! Figyelje meg az igénybevétel módját és irányát, a próbatest geometriáját! http://www.youtube.com/watch?v=9N5SS8f1auI http://www.youtube.com/watch?v=I28m4FZzqro&feature=related A szakítóvizsgálat eredményét számos tényező befolyásolja: - Próbatest alakja, mérete, - meghatározott mérési körülmények (szakítási sebesség, hőmérséklet, nedvességtartalom) A próbatest alakja és méretei a vonatkozó anyagvizsgálati szabványban rögzítettek. Két próbatest típust alkalmaznak, egyik az un. piskóta alakú próbatest, kompozitokhoz viszont gyakran téglatest alakút használnak (1. ábra).
1. ábra Próbatest típusok: (a) piskóta próbatest hőre lágyuló polimerekhez (b) kompozit szakító próbatest (ISO 3167) A mérési eredményeket nemcsak a próbatest méretei, geometriája befolyásolják, de fröccsöntött próbatestek esetén a fröccsöntő szerszám kialakítás is meghatározó. A próbatest kialakítás két oldalról történő ömledék beáramlás esetén gyengébb lesz, azaz kisebb húzóerő hatására elszakad, mint az egyoldali beömlés esetén. Tevékenység: Figyelje meg a 2. ábrán az ömledékfront haladását egy- illetve két oldalról történő befröccsöntés esetén!
2. ábra Kétfészkes szerszámban előállított fröccsöntött próbatestek: (bal) egyenletes kitöltés, hibahely nélkül, (jobb) középen összecsapási hibahellyel terhelt próbatest a kétoldalról történő ömledékbeáramlás következtében (gyengébb kohéziós kapcsolat a két front között) Tevékenység: Ismételje át korábbi tanulmányaiból a szakítóvizsgálatról tanultakat! A vizsgálat során mérjük és regisztráljuk a hosszváltozás (l [mm]) függvényében fellépő húzóerőt (F [N]). A szakítóvizsgálat eredményeiből szilárdságot és deformációt számolunk, amelyeket aztán diagramban is ábrázolhatunk (3. ábra). Tevékenység: Nézze meg a 3. ábrán, hogy a műanyagok viselkedése milyen széles tartományban változhat (1-3 görbe)! Korábbi tanulmányai alapján idézze fel a rideg és a szívós viselkedésről tanultakat! Figyelje meg a műanyagok húzóvizsgálata során végbemenő változásokat a szakítódiagramon és a próbatest alakján!
3. ábra Műanyagok tipikus szakítógörbéi és egy általános szakítódiagram (szak dgr tipusok.jpeg)( szak dgr.jpeg) Tevékenység: Jegyezze meg a különböző viselkedési jellegű műanyagok csoportjait és jellemző példáit, valamint az általános szakítódiagram alapján az anyagok viselkedését a tönkremenetelig! A műanyagok viselkedése a merev, rideg jellegtől a lágy, rugalmasig széles határok között változhat (3. ábra):
merev, rideg anyagok, a hőre nem lágyuló műanyagok: pl. bakelit, gyanták, vagy olyan hőre lágyuló polimerek, amelyeknél a képlékeny alakváltozás korlátozott (pl. polisztirol, erősített polimerek) 2 szívós, képlékeny anyagok: különféle hőre lágyuló amorf és részben kristályos polimerek 2a) alakítási keményedést nem mutató műanyagok (pl. polioximetilén); 2b) alakítás közben keményedő műanyagok (pl. nylon); 3 lágy, rugalmas anyagok: a felhasználás hőmérsékletén nagyfokú gumirugalmassággal rendelkező hőre lágyuló polimerek, illetve elasztomerek (pl. polietilén, teflon). 1
A húzó igénybevétel hatására különböző viselkedést mutat az anyag a tönkremenetelig. A viselkedés egyes szakaszai- a 3. ábrán római számokkal jelölve - az alábbiak: I. Lineárisan rugalmas szakasz II. Lineárisan viszkoelasztikus III. Nemlineárisan viszkoelasztikus szakasz; IV. Nyakképződés (v. kontrakció); Folyás V. Állandósult folyás szakasza VI. Felkeményedés (a molekulaláncok rendeződése miatt kristályosodás történik) A szakítóvizsgálattal meghatározható jellemzők Tevékenység: Jegyezze meg a szakítóvizsgálattal meghatározható jellemzőket, illetve számításukat a szakítógörbe alapján! A szakítóvizsgálat során szilárdsági és alakváltozási jellemzőket határozunk meg, ezek az általános szakító diagramon bejelölve láthatjuk az alábbi ábrán. A szilárdság jellegű mérőszámokat a vizsgálat során regisztrált erő és a próbatest kiindulási keresztmetszete alapján számoljuk, általános képlet: 𝑭 [𝑵] 𝝈 [𝑴𝑷𝒂] = ∙ 𝑨 [𝒎𝒎𝟐 ] Tevékenység: Figyelje meg a 4. ábrán, hogy az egyes jelölt jellemzők a felvett szakítógörbe mely erő és nyúlás értékeihez taroznak!
4. ábra Általános szakítódiagram a jellemző szilárdsági és alakváltozási mérőszámokkal Folyáshatár: Y[MPa] • Az az első feszültség, ameddig a nyúlás a feszültség csökkenése nélkül növekszik. • A gyakorlatban bizonyos polimereknél fel sem lép a folyás jelensége, másoknál több 100%os folyási alakváltozás következhet be, amelyet a próbatesten nyakképződés és szerkezeti átalakulás követhet. Húzószilárdság: M[MPa] • A maximális erő és a kezdeti keresztmetszet hányadosa. • A maximális erő elérésekor az anyag a leggyengébb pontjában helyileg instabil állapotba kerül, ezen a helyen megkezdődik a keresztmetszet kontrakciója, helyi keresztmetszet csökkenése. Szakítószilárdság: B[MPa] • a szakadáskor mért erő és a kezdeti keresztmetszet hányadosa. Alakváltozási mutatószámok • Deformáció (relatív nyúlás) a maximális erőnél (M):
𝜺𝑴 = •
𝑳𝑴 − 𝑳𝟎 ∙ 𝟏𝟎𝟎 [%] 𝑳𝟎
Szakadási nyúlásból számított deformáció (B)
𝜺𝑩 =
𝑳𝑩 − 𝑳𝟎 ∙ 𝟏𝟎𝟎 [%] 𝑳𝟎
Kezdeti rugalmassági modulus: (E0) • A 0,05% és 0,25% relatív nyúlásértékhez () tartozó görbepontokon átmenő egyenes meredeksége:
𝑬=
∆𝝈 ∆𝜺
=
𝑭𝟎,𝟐𝟓 𝑭𝟎,𝟎𝟓 − 𝑨 𝑨
𝟎,𝟎𝟎𝟐𝟓−𝟎,𝟎𝟎𝟎𝟓
[𝑴𝑷𝒂],
ahol A a próbatest terhelt kiindulási keresztmetszete (terület).
5. ábra Általános szakítódiagram a jellemző szilárdsági értékkel és a rugalmassági modulus értelmezésével (rug modulus.jpeg) A szakítóvizsgálat eredményét befolyásoló jellemzők Tevékenység: Jegyezze meg, hogy mely paraméterek befolyásolják a szakítóvizsgálat eredményét. A szakítóvizsgálat eredményét befolyásolja többek között: a szakítási sebesség, a vizsgálati hőmérséklet és egyes polimereknél (pl. PA, PET, PC) a nedvességtartalom. Tevékenység: Jegyezze meg, hogyan változnak a szilárdság, nyúlás értékek és a rugalmassági modulusz a vizsgálati sebesség növekedésével! Szakítási sebesség hatása: • Nagyobb szakítási sebesség hatására merevebb viselkedés, nagyobb szilárdsági értékek. • Nyúlás értéke akár több 100%-os is lehet, kellően kis vizsgálati sebesség esetén. • Szokásos vizsgálati sebesség fémek, kompozitok esetén 1mm/perc, polimereknél 20-50 mm/perc (vagy akár 100 mm/perc). Tevékenység: Figyelje meg a 6. ábrán, hogy a vizsgálati sebesség növekedésével hogyan változik a maximális húzószilárdság, a szakadási nyúlás és a rugalmassági modulusz!
6. ábra Különböző vizsgálati sebességgel felvett szakítódiagramok
Tevékenység: Jegyezze meg, hogyan változnak a szilárdság, nyúlás értékek és a rugalmassági modulusz a vizsgálati hőmérséklet növekedésével! Vizsgálati hőmérséklet hatása: • kis hőmérséklet változás is jelentősen befolyásolja a merevséget, a szilárdságot, illetve a szakadási folyamat jellegét, • üvegesedési hőmérséklet (Tg) alatt ridegen, e felett (nagyrugalmas állapotban) szívósabban viselkednek és nagyobb szakadási nyúlás regisztrálható. Tevékenység: Figyelje meg a 7. ábrán, hogy a vizsgálati hőmérséklet növekedésével hogyan változik a maximális húzószilárdság, a szakadási nyúlás és a rugalmassági modulusz!
7. ábra Különböző vizsgálati hőmérsékleten felvett szakítódiagramok Tevékenység: Jegyezze meg, hogyan változnak a szilárdság, nyúlás értékek és a rugalmassági modulusz a polimer nedvességtartalmának növekedésével! Jegyezze meg a példaként felsorolt nagy nedvesség felvevő képességgel rendelkező polimerek típusát!
Nedvességtartalom hatása: • lágyító, • csökkenti a rugalmassági modulust, • csökkenti a szilárdságot, • növeli a szakadási nyúlást • pl. PA6, PET Tevékenység: Figyelje meg a 8. ábrán, hogy a poliamid nedvességtartalmának növekedésével milyen irányban és mértékben változik a maximális húzószilárdság és a rugalmassági modulusz!
8. ábra Különböző nedvességtartalmú poliamidok szakítódiagramjai
2. Hárompontos hajlító vizsgálat Tevékenység: A hárompontos hajlítóvizsgálat szemléltetésére nézze meg az alábbi videót! Figyelje meg a vizsgálati elrendezést és a fellépő deformációt! http://www.youtube.com/watch?NR=1&v=rVVfFEz5jgM&feature=endscreen Tevékenység: Jegyezze meg a terhelő igénybevétel jellegét, és hogy mit regisztrálunk a vizsgálat során! A hajlítóvizsgálat során a próbatestet statikus egytengelyű nyomó igénybevétellel terheljük. Ez egy állandó sebességű deformáció gerjesztés, azaz időben egyenletesen növelt lehajlást jelent. Tevékenység: Figyelje meg a 9. ábrán a vizsgálati elrendezést és korábbi tanulmányi alapján értelmezze a nyomatéki ábra szerkesztését!
9. ábra Műanyag próbatest hárompontos hajlító vizsgálata és a próbatest nyomatéki ábrája terhelés alatt A vizsgálat során a lehajlás függvényében regisztráljuk a próbatestben ébredő erőt. Tevékenység: Jegyezze meg a 10. ábra alapján, hogy milyen alakja van a hajlítógörbének és milyen paramétereket regisztrálunk a hajlító vizsgálat során!
10. ábra A hárompontos hajlító vizsgálat során regisztrált erő-lehalás diagram A hárompontos hajlítóvizsgálat során meghatározható mechanikai jellemzők: – a hajlító szilárdság, vagyis a töréskor elérhető maximális hajlító feszültség, – a határhajlító feszültség és – a hajlító rugalmassági modulus. Tevékenység: Jegyezze meg a hárompontos hajlító vizsgálattal meghatározható jellemzőket, illetve kiszámításukra vonatkozó képleteket. Határhajlító feszültség
Ha a hajlítás során a próbatestek nem törnek el a szabványban megadott határlehajlásig (ez az alátámasztási távolság 10%-a, 4 mm vastag próbatest esetén 6,4 mm), akkor a határlehajláshoz tartozó feszültségértéket, azaz a határhajlító feszültséget számítják. A meghatározás az alábbi képlet alapján történik:
𝐹∙𝑙 𝑀 3 𝐹∙𝑙 𝜎 [𝑀𝑃𝑎] = = 4 2 = ∙ 𝑎∙𝑏 𝐾 2 𝑎 ∙ 𝑏2 6 ahol: M: a maximális hajlító nyomaték K: a próbatest keresztmetszeti tényezője F: Terhelő erő maximális értéke, vagy a határlehajlásnál mért l: alátámasztási távolság a: a próbatest szélessége b: a próbatest vastagsága Kezdeti rugalmassági modulus (E) 0,05% és 0,25% relatív elmozdulás (lehajlás) értékekhez tartozó görbepontokon átmenő egyenes meredeksége:
𝑬=
∆𝝈 ∆𝜺
=
𝑭𝟎,𝟐𝟓 𝑭𝟎,𝟎𝟓 − 𝑨 𝑨
𝟎,𝟎𝟎𝟐𝟓−𝟎,𝟎𝟎𝟎𝟓
[𝑴𝑷𝒂],
Ahol A a próbatest terhelt kiindulási keresztmetszete (terület). 3. Charpy-féle ütővizsgálat bemetszett műanyag próbatesteken Tevékenység: A Charpy-féle ütővizsgálat szemléltetésére nézze meg az alábbi video anyagot! Figyelje meg a vizsgálat menetét és hogy milyen fizikai jellemzőt regisztrálunk a mérés során! http://www.youtube.com/watch?v=N276_xjl04g&feature=related Tevékenység: Jegyezze meg, hogy mi az ütővizsgálat célja, a vizsgálat elve! A vizsgálat azonos a fémeknél alkalmazott módszerrel. Az ütve hajlító vizsgálat célja az anyag dinamikus igénybevétellel szembeni ellenállásának meghatározása. A vizsgálat során a próbatestben elnyelt munka az ütőmunka. A szabványos méretű próbatesteket vizsgálhatjuk hornyolatlan, illetve hornyolt állapotban. Ez utóbbi esetén szabványos V alakú bemetszés készítenek a próbatesten. A vizsgálat elve, a kialakítandó bemetszés a 11. ábrán látható.
11. ábra A Charpy.féle ütővizsgálat elvi ábrája
Tevékenység: Jegyezze meg, hogy milyen jellemzőt mérünk a vizsgálat során, ebből mit határozunk meg és milyen képlettel! A vizsgálat során a próbatestben elnyelt energia értékét mérjük Joule [J]-ban kifejezve és ebből a Charpy-féle ütve-hajlító szilárdságot határozzuk meg, az alábbi képlettel:
𝑎𝑐 =
𝐸 [𝐽] ℎ[𝑚𝑚]∙𝑏𝑁 [𝑚𝑚]
∙ 103 [kJ/m2]
Ahol: h a próbatest vastagsága, bN pedig a bemetszésnél mért szélesség.
Önellenőrző kérdések A lecke tartalma alapján válaszoljon a kérdésekre! Ö1 Feladat: Írja le a füzetébe a mechanikai igénybevétel típusokat és jellemzőit az időbeni lefutásuk alapján!
statikus, ha az igénybevétel időben állandó, vagy kvázi-statikus, ha az igénybevétel igen lassan, egyenletesen változik, dinamikus, ha a terhelés időben változik, hirtelen, ütésszerű, lökésszerű pl. motorok indítása, ütközés stb., ismételt igénybevétel (fárasztó), ha az igénybevétel időben változik, és sokszor ismétlődik.
Ö2 Feladat: Írja le a füzetébe a szakítóvizsgálat célját és az igénybevétel jellegét! A szakítóvizsgálat célja elsősorban a gyártási körülmények megfelelőségének ellenőrzése, illetve minősítésre alkalmas anyagi mérőszámok meghatározása. A szakítóvizsgálat során a próbatestet statikus egytengelyű húzó igénybevétellel terheljük. Ö3 Feladat: Írja le a füzetébe a szakító vizsgálatok során mért jellemzőket (a regisztrált görbe paramétereit, név, mértékegység)! A vizsgálat során mérjük és regisztráljuk a hosszváltozás (l [mm]) függvényében fellépő húzóerőt (F [N]). Ö4 Feladat: Írja le a füzetébe a szakítóvizsgálat eredményét befolyásoló tényezőket! A szakítóvizsgálat eredményét befolyásolja többek között: a szakítási sebesség, a vizsgálati hőmérséklet és egyes polimereknél (pl. PA, PET, PC) a nedvességtartalom. Ö5 Feladat: Írja le a füzetébe, hogyan befolyásolja a vizsgálati sebesség a szakítóvizsgálat eredményét! • Nagyobb szakítási sebesség hatására merevebb viselkedés, nagyobb szilárdsági értékek jelentkeznek. • Nyúlás értéke akár több 100%-os is lehet, kellően kis vizsgálati sebesség esetén. Ö6 Feladat: Írja le a füzetébe, hogyan befolyásolja a vizsgálati hőmérséklet a szakítóvizsgálat eredményét! kis hőmérsékletváltozás is jelentősen befolyásolja a merevséget, a szilárdságot, illetve a szakadási folyamat jellegét,
üvegesedési hőmérséklet (Tg) alatt ridegen, e felett (nagyrugalmas állapotban) szívósabban viselkednek és nagyobb a szakadási nyúlás regisztrálható.
Ö7 Feladat: Írja le a füzetébe, hogyan befolyásolja a nedvességtartalom a szakítóvizsgálat eredményét! • lágyító hatása van, • csökkenti a rugalmassági modulust, • csökkenti a szilárdságot, • növeli a szakadási nyúlást. Ö8 Feladat: Párosítsa össze az egy diagramban ábrázolt szakítógörbék jelölését a különböző viselkedési jelleget mutató műanyagok csoportjaival!
A. B. C. D. 1 2a 2b 3
lágy, rugalmas anyagok alakítási keményedést nem mutató műanyagok merev, rideg anyagok alakítás közben keményedő műanyagok C B D A
Ö9 Feladat: Rajzoljon a füzetébe egy, az alakítás közben keményedő műanyagokra jellemző általános szakítódiagramot és jelölje be a szakítógörbe tengelyein a szabványos szilárdsági és alakváltozási jellemzők kiszámításához tartozó erő és megnyúlás értékeket! Válasz:
Ö10 Feladat: Írja le a füzetébe a szakítóvizsgálat mérési eredményeiből meghatározható jellemzőket a jelölésükkel és a mértékegységükkel együtt (6 db)! Folyáshatár: Y[MPa] Húzószilárdság: M[MPa] Szakítószilárdság: B[MPa] Deformáció (relatív nyúlás) a maximális erőnél (M) [%] Szakadási nyúlásból számított deformáció (B) [%] Kezdeti rugalmassági modulus: (E0) [MPa] Ö11 Feladat: Írja le a füzetébe a szakítóvizsgálat mérési eredményeiből meghatározható szilárdság (𝝈) kiszámítására vonatkozó általános képletet és a benne szereplő jelölések értelmezését! Szilárdság jellegű mérőszámok: 𝑭 [𝑵] 𝝈 [𝑴𝑷𝒂] = ∙ 𝑨 [𝒎𝒎𝟐 ] Ahol: F [N] erőérték A [mm2]: próbatest terhelt kiindulási keresztmetszete Ö12 Feladat: Írja le a füzetébe a szakítóvizsgálat mérési eredményeiből meghatározható alakváltozási jellemzők (𝜺𝑴 , 𝜺𝑩 ) kiszámítására vonatkozó általános képleteket és a benne szereplő jelölések értelmezését! Deformáció (relatív nyúlás) a maximális erőnél (M):
𝜺𝑴 =
𝑳𝑴 − 𝑳𝟎 ∙ 𝟏𝟎𝟎 [%] 𝑳𝟎
Szakadási nyúlásból számított deformáció (B)
𝜺𝑩 =
𝑳𝑩 − 𝑳𝟎 ∙ 𝟏𝟎𝟎 [%] 𝑳𝟎
Ahol: LM [mm]: a maximális erőnél a próbatest hossza LB [mm]: a próbatest hossza szakadáskor L0 [mm]: próbatest kezdeti hossza Ö13 Feladat: Írja le a füzetébe a szakítóvizsgálat mérési eredményeiből meghatározható rugalmassági modulusz (E) kiszámítására vonatkozó általános képletet és a benne szereplő jelölések értelmezését! A 0,05% és 0,25% relatív nyúlásértékhez () tartozó görbepontokon átmenő egyenes meredeksége:
𝑬=
∆𝝈 ∆𝜺
=
𝑭𝟎,𝟐𝟓 𝑭𝟎,𝟎𝟓 − 𝑨 𝑨
𝟎,𝟎𝟎𝟐𝟓−𝟎,𝟎𝟎𝟎𝟓
[𝑴𝑷𝒂],
Ahol A a próbatest terhelt kiindulási keresztmetszete.
Ö14 Feladat: Írja le a füzetébe a hárompontos hajlítóvizsgálatok során alkalmazott igénybevétel jellegét! A hajlítóvizsgálat során a próbatestet statikus egytengelyű nyomó igénybevétellel terheljük. Ez egy állandó sebességű deformáció gerjesztés, azaz időben egyenletesen növelt lehajlást jelent. Ö15 Feladat: Írja le a füzetébe a hárompontos hajlítóvizsgálatok során mért jellemzőket (a regisztrált görbe paramétereit)! A vizsgálat során a lehajlás függvényében regisztráljuk a próbatestben ébredő erőt. Ö16 Feladat: Írja le a füzetébe a hárompontos hajlítóvizsgálat mérési eredményeiből meghatározható jellemzőket! – a hajlító szilárdság, vagyis a töréskor elérhető maximális hajlító feszültség, – a határhajlító feszültség és – a hajlító rugalmassági modulus.
Ö17 Feladat: Írja le a füzetébe a hárompontos hajlító vizsgálat mérési eredményeiből meghatározható szilárdság kiszámítására vonatkozó képletet! Határhajlító feszültség:
𝐹∙𝑙 𝑀 3 𝐹∙𝑙 𝜎 [𝑀𝑃𝑎] = = 4 2 = ∙ 𝑎∙𝑏 𝐾 2 𝑎 ∙ 𝑏2 6 Ahol: M: a maximális hajlító nyomaték K: a próbatest keresztmetszeti tényezője F: Terhelő erő maximális értéke, vagy a határlehajlásnál mért l: alátámasztási távolság a: a próbatest szélessége b: a próbatest vastagsága Ö18 Feladat: Írja le a füzetébe a hárompontos hajlító vizsgálat mérési eredményeiből meghatározható rugalmassági modulusz kiszámítására vonatkozó képleteket! Kezdeti rugalmassági modulus (E): 0,05% és 0,25% relatív elmozdulás (lehajlás) értékekhez tartozó görbepontokon átmenő egyenes meredeksége:
𝑬=
∆𝝈 ∆𝜺
𝑭𝟎,𝟐𝟓 𝑭𝟎,𝟎𝟓
=
𝑨
−
𝑨
𝟎,𝟎𝟎𝟐𝟓−𝟎,𝟎𝟎𝟎𝟓
[𝑴𝑷𝒂],
Ahol A a próbatest terhelt kiindulási keresztmetszete.
Ö19 Feladat: Írja le a üzetébe a Charpy-féle ütve-hajlító vizsgálat célját! Az ütve hajlító vizsgálat célja az anyag dinamikus igénybevétellel szembeni ellenállásának meghatározása. Ö20 Feladat: Írja le a füzetébe a Charpy-féle ütve-hajlító vizsgálat során alkalmazott igénybevétel jellegét! Dinamikus igénybevétel Ö21 Feladat: Írja le a füzetébe a Charpy-féle ütve-hajlító vizsgálatok során mért jellemzőket! A vizsgálat során a próbatestben elnyelt energia értékét mérjük Joule [J]-ban kifejezve.
Ö22 Feladat: Írja le a füzetébe a Charpy-féle ütve-hajlító vizsgálat mérési eredményeiből meghatározható jellemző nevét! Charpy-féle ütve-hajlító szilárdság Ö23 Feladat: Írja le a füzetébe a Charpy-féle ütve-hajlító vizsgálat mérési eredményeiből meghatározható jellemző kiszámítására vonatkozó képletet! A vizsgálat során a próbatestben elnyelt energia értékét mérjük Joule [J]-ban kifejezve és ebből a Charpy-féle ütve-hajlító szilárdságot határozzuk meg, az alábbi képlettel:
𝑎𝑐 =
𝐸 [𝐽] ℎ[𝑚𝑚]∙𝑏𝑁 [𝑚𝑚]
∙ 103 [kJ/m2]
Ahol: h a próbatest vastagsága, bN pedig a bemetszésnél mért szélesség. Modulzáró kérdések M1 Feladat: A következő állítások a szakítóvizsgálatra vonatkoznak. Döntse el, hogy igaz, vagy hamis az adott állítás! • A szakítóvizsgálat során statikus igénybevételt alkalmazunk. I • Időben hirtelen változó egytengelyű igénybevételt alkalmaznak. H • A szakítóvizsgálat eredményét befolyásolja a szakítási sebesség. I • Nagyobb szakítási sebesség hatására kisebb szilárdsági értékeket kapunk. H • Nagyobb szakítási sebesség hatására merevebben viselkedik az anyag. I • A polimerek magasabb hőmérséklet hatására szívósabban viselkednek. I • A nedvességtartalom egyes poimereknél csökkenti a szilárdságot. I • M2 Feladat: Mit mérünk és regisztrálunk a műanyagok szakítóvizsgálata során? Döntse el, hogy igaz, vagy hamis az adott állítás! Keresztmetszet csökkenést.(H) Az átmérőt. (H) A próbatest hosszának változását. (I) A szilárdságot. (H) A deformációt. (H) A nyúlást. (I) A húzóerőt. (I) A vizsgálati sebességet. (H) M3 Feladat: Párosítsa össze az egy diagramban ábrázolt szakítógörbék jelölését a különböző viselkedési jelleget mutató műanyagok csoportjaival!
A. B. C. D. 1 2a 2b 3
lágy, rugalmas anyagok alakítási keményedést nem mutató műanyagok merev, rideg anyagok alakítás közben keményedő műanyagok C B D A
M4 Feladat: Hogyan számítjuk ki a szakítószilárdságot? Válassza ki a helyes választ!
A maximális erő és a kiindulási keresztmetszet hányadosa. A szakadásnál mért feszültség és a deformáció hányadosa. A szakadásnál mért erő és a kezdeti keresztmetszet hányadosa. I
M5 Feladat: Milyen jellemzőket mérünk a hajlítóvizsgálat során? Jelölje a 2 db igaz állítást. Hajlító feszültség Határlehajlás Próbatestben ébredő erő (I) Próbatestben ébredő feszültség Lehajlás (I) M6 Feladat: Milyen szilárdsági jellemzőt határozunk meg abban az esetben, ha nem törik el a próbatest a vizsgálat során? Jelölje az igaz állítást! Maximális hajlító feszültség Határhajlító feszültség (I) M7 Feladat: Mit mérünk a Charpy-féle ütve-hajlító vizsgálat során? Válassza ki a helyes megoldást!
A próbatest eltöréséhez szükséges erő értékét. A kalapács magasságát. A próbatestben elnyelt energia értéket.(I) A próbatest szilárdságát. M8 Feladat: Milyen jellemzőt számolunk a Charpy-féle ütve-hajlító vizsgálat során?
Ütőmunka Ütési energia Hajlítószilárdság Ütve-hajlító szilárdság (I)
5. modul: Polimer kompozitok A modul célja, hogy bemutassa a mérnöki gyakorlatban legáltalánosabban alkalmazott hőre lágyuló és hőre nem lágyuló mátrixú szálerősített műanyag kompozitokat. Az 1. leckében a hallgatók megismerik a jellemző műanyag mátrix anyagokat, és a társított erősítő anyagokat, amelyekkel a műanyagok teherviselő képessége jelentősen megnövelhető. A 2. lecke célja, hogy bemutassa a legfontosabb hőre nem lágyuló szálerősített műanyag kompozit anyagok előállítási, illetve gyártási technológiáit és alkalmazási példákkal áttekintést adjon a polimer kompozitok széleskörű felhasználási lehetőségeiről.
1. lecke: Polimer kompozitok mátrix és erősítő anyagai Cél A lecke célja, hogy bemutassa a mérnöki gyakorlatban legáltalánosabban alkalmazott hőre lágyuló és hőre nem lágyuló mátrixú szálerősített műanyag kompozitokat. A hallgatók megismerik a tipikus mátrix anyagokat, és a társított szálas anyagokat, amelyekkel a műanyagok teherviselő képessége jelentősen megnövelhető. Követelmények Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha önállóan
meg tudja határozni a kompozit anyag fogalmát; meg tudja határozni a hibridkompozit definícióját; meg tudja határozni a mátrix és az erősítőanyag funkcióját; fel tudja sorolni a hőre lágyuló és a hőre nem lágyuló műanyagok legfontosabb jellemzőit; fel tudja sorolni a szálerősítéses műanyagok tipikus erősítőanyagainak (üvegszál, szénszál, aramidszál, polietilénszál) jellemzőit; felsorolásból ki tudja választani a szénszálgyártás technológiai lépéseire vonatkozó állításokat; meg tudja határozni a szálerősítés előnyeit a mérethatás, illetve a fajlagos felület növekedése alapján; meg tudja nevezni és indokolni, hogy milyen alakú erősítőanyagok a leghatékonyabb erősítő rendszerek kompozitokban; meg tudja fogalmazni, hogy mit nevezünk alaki tényezőnek; az alaki tényező alapján definiálni tudja a rövidszálas, illetve hosszúszálas kompozitokat; meg tudja határozni a kritikus szálhossz fogalmát, fel tudja írni a Kelly-Tyson összefüggést, Kelly-Tyson összefüggés alapján le tudja írni a határfelületi tapadás és a kritikus szálhossz közötti kapcsolatot.
Időszükséglet A tananyag elsajátításához körülbelül 100 percre lesz szüksége. Kulcsfogalmak
kompozit szerkezet hibrid kompozit mérethatás
fajlagos felület üvegszál szénszál kevlár alaki tényező rövidszálas kompozit hosszúszálas kompozit kritikus szálhossz Kelly-Tyson összefüggés
Bevezetés Tevékenység: Keressen az interneten kompozit szerkezeteket, elsősorban műanyag kompozitból készült termékeket. A „kompozit szerkezet”, mint szerkezeti anyag, anyagösszetétel elsősorban a mesterségesen előállított anyagokat jelenti a legtöbb ember számára, pedig ez a struktúra a természet kreatív találmánya. A fa egy természetes kompozit anyag, ahol a kemény ligninbe ágyazva találhatók az erős és rugalmas cellulóz szálak, de jól példázza ezt a struktúrát maga a csont, amely az erős, lágy kollagén és a kemény, törékeny apatit társítása. A szálerősítéses műanyagokat (kompozit) széleskörűen alkalmazzák az ipar számos területén. Az 1960-as években a legnagyobb felhasználója még a tengerészet volt, mivel a műanyag kompozitok nemcsak kiváló mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, de nem mágnesezhetőek, azaz láthatatlanok a radarok számára, mindemellett a különösen korrozív tengeri környezettel szemben is ellenállóak. Fokozatosan a járműgyártásban is megjelentek, és oly mértékben megnövekedett az alkalmazások száma, hogy ma már ez az iparág a szálerősített műanyagok legnagyobb felhasználója. Tevékenység: Figyelje meg az ábrán a műnyag kompozitok alkalmazási területeit! Keressen az interneten további műanyag kompozit termékeket!
1 ábra. Műanyag kompozitok alkalmazási példái
Napjainkban ugyancsak nagy volumenben alkalmazzák ezeket az anyagokat a repülőgépiparban, a sporteszközök gyártásánál, a közlekedésben és újabban egyre fokozottabb mértékben az építőiparban is. Széleskörű felhasználásuk és nagyfokú elterjedésük elsősorban a következő kedvező tulajdonságaiknak köszönhetőek:
nagy fajlagos szilárdság (kis tömeg), jó fáradási tulajdonságok, ellenállnak a környezeti hatásoknak, ez kompenzálja a drága anyagárakat.
1. Kompozit /hibrid kompozit rendszer - definíciók Tevékenység: Tanulja meg a kompozit és a hibridkompozit definícióját, gyűjtse ki és tanulja meg az összetevők nevét és feladatait. 1.1 Kompozit Kompozitoknak nevezzük azokat az anyagtársításokat, többkomponensű (összetett) anyagokat, amelyek legalább egy befoglaló anyagból (mátrix) és egy erősítőanyagból állnak. A kompozitok továbbá többfázisú anyagok, azaz az alkotóik fázishatárokkal elválasztva, egymástól élesen elkülönülnek. A határfelület vastagsága a 2. ábrán eltúlzott, csak szemléltetésre szolgál, a valóságban ez atomnyi, molekulányi vastagságú. Tevékenység: Figyelje meg az ábrát és jegyezze meg a kompozit szerkezet összetevőit és hogy ezek élesen elkülönülnek egymástól.
2 ábra. Műanyag kompozitokok felépítése
A befoglaló anyag szilárdsága általában kisebb, míg az erősítőanyag többnyire nagyobb szilárdsággal és/vagy rugalmassági modulusszal rendelkezik. A kompozit szerkezetekben tehát a teherviselő komponens az erősítőanyag, a befoglaló mátrix feladata pedig, hogy védje az erősítő anyagot, és közvetítse, illetve elossza a terhelést a szálak között. Jól működő (hatékony) kompozit szerkezet létrehozásának alapvető kritériuma, hogy a komponensek között (azok határfelületén) a tapadás kellően erős legyen. Jó adhézió esetén az erősítő anyag és a befoglaló mátrix közötti együttműködés az igénybevétel magas szintjén is tartósan fennmarad. A komponensek közötti jó tapadás biztosítható az erősítőanyagok előzetes felületkezelésével, vagy megfelelő tapadásközvetítő anyagok (adalékok) hozzáadásával. A műanyagok erősítésére többnyire különböző szálakat, illetve szál-struktúrákat alkalmaznak (szőtt vagy nem szőtt kelme, textília, 3. ábra). Ezekről részletesen egy későbbi fejezetben lesz szó.
3. ábra Jellemző szál-struktúrák (roving, paplan, szövet)
A legáltalánosabban alkalmazott (hagyományos) erősítőszálak az üvegszál, szénszál, aramid szál (pl. Kevlár), illetve az ultra nagy molekulatömegű polietilén szál (pl. Dyneema). Tevékenység: Figyelje meg az ábrán a kompozitok lehetséges alkalmazási területeit és keressen az interneten műanyag kompozit termékeket.
4 ábra. Hagyományos műanyag kompozitok alkalmazások a)-d) szénszál erősítéses polimer kompozitok, e) szénszál, kevlár, illetve üvegszálas műanyag alkatrészeket is tartalmaz, f) kevlár erősítéses kompozit g) súrlódó alkatrészek Kevlar erősítéses műanyag kompozitból, h)-j) üvegszálas kompozitok
Az un. hagyományos erősítőszálak mellett ma már elterjedten alkalmaznak természetes erősítőanyagokat, különböző növényi szálakat (pl. len, kender, juta) és ásványi eredetű erősítőanyagokat, mint a bazaltszál műanyagok erősítésére (5. ábra). A növényi szálak előnye a kis sűrűségükben és rendkívül jó fajlagos szilárdsági jellemzőikben rejlik. A természetes szálak megújuló nyersanyagok, kisebb környezetterhelést jelentenek, mint a hagyományos, mesterséges erősítőanyagok. Tevékenység: Figyelje meg az ábrán a természetes szálakkal erősített kompozitok lehetséges alkalmazási területeit és keressen az interneten természetes szálas műanyag kompozit termékeket.
5. ábra. Növényi szálakkal (lenszállal) erősített műanyag kompozit termékek
1.1 Hibrid kompozit Ha a kompozit alkotói, a befoglaló mátrix vagy az erősítőanyag összetett, több alkotóból áll, akkor hibrid kompozitról beszélünk (6. ábra). Polimer mátrixú hibrid kompozitoknál például különböző mátrixok, polimer anyagok keverékében (blendek) van egyféle erősítőanyag, vagy egy adott mátrixban erősítő- és töltőanyag is van. Akkor is hibrid kompozitokról beszélünk, ha egyféle mátrixban többféle töltőanyag, illetve erősítőanyag van (6.a ábra). Tevékenység: Figyelje meg az ábrán a hibrid kompozitok lehetséges alkalmazási területeit és keressen az interneten hibrid kompozit termékeket.
6. ábra. Hibrid műanyag kompozit termékek
a)-b) Karbon/Kevlar szövet és kompozit (polikarbonát), c) kompozit ütő: 20% Kevlar-40%karbon-40% üvegszál, d) Karbon/kevlar/méhsejtszerkezet, e) Aramid/Bazalt szálas kompozit
A hibrid kompozitok előállítását a különböző típusú erősítőanyagok együttes alkalmazásával járó műszaki és gazdasági előnyök hívták életre. Többnyire üveg/szén vagy aramid/szén szálkeverékeket alkalmaznak (7. ábra).
7. ábra. Hibrid erősítő szövetek kompozit termékek gyártásához
A szénszálas kompozitoknak nő az ütésállósága üvegszál hozzáadásával, az ára pedig ezáltal nagymértékben csökken, amíg az üvegszálas kompozitoknak a hajlító rugalmassági modulusa növekszik jelentős mértékben szénszál hozzáadásával. Aramid/szén (karbon) hibrid szálerősítésű kompozitok alkalmazásával például kiváló kopási, súrlódási tulajdonságok érhetők el epoxi, poli(éter-éter-keton)(PEEK) és poliamid (PA) mátrixú kompozitokban acélfelületű súrlódó párral érintkezve. Definíció: A kompozitok két vagy több összetevőből álló társított anyagok, ahol az alkotók között jó az együttműködés (erős határfelületi tapadás / jó adhézió), és ez az igénybevétel magas szintjén is tartósan fennmarad.
2. Műanyag kompozitok mátrix anyagai Tevékenység: Gyűjtse ki és tanulja meg a műanyag kompozitok legelterjedtebben alkalmazott mátrix anyagait és ezek legfontosabb jellemzőit. A műanyag kompozitok mátrixanyagaként hőre lágyuló műanyagokat (amely az összes műanyag gyártás 85-90%-a), és hőre nem lágyuló (térhálós szerkezetű) polimereket egyaránt alkalmaznak (8. ábra).
Tevékenység: Idézze fel a következő ábrán szereplő műanyag osztályok tulajdonságait a korábbi leckékben tanultak alapján!
8. ábra Műanyag kompozitok mátrix anyagai
A hőre lágyuló műanyagokat / kompozitokat, ahogy azt a nevük is jelzi, képlékeny alakítással dolgozzák fel nagy hőmérsékleten. Nagy mennyiségben és széles körben alkalmazzák kompozit alapanyagként többek között a polipropilént és a poliamidot. A polipropilén (PP) egyike a legnagyobb mennyiségben felhasznált műanyagoknak, kompozitjaiból például gépkocsi alkatrészeket (ütköző, műszerfal, ventillátorlapát, stb.) gyártanak. Farosttal erősített polipropilénből járművek belső ajtóburkoló paneljét is gyártják, valamint a csomagolástechnikában alkalmazzák, míg az üvegszálas PP-t különböző gépipari alkatrészek alapanyagaként használják.
9. ábra. PP mátrixú kompozitok
A poliamidot (PA) kitűnő műszaki tulajdonságok jellemzik: nagy szilárdság, ütésállóság, jó kopásállóság, előnyös súrlódási tulajdonságok, nagy hőállóság, önkioltó képesség (lángállóság). A nagy nedvszívó képessége miatt feldolgozás előtt több órán át szárítani kell. Hátrányai közé tartozik továbbá, hogy nem saválló. Az üvegszálas poliamidot (PA66-30GF) jó vegyszerállóság (kőolaj, benzin) jellemzi.
10. ábra. Üvegszálas PA mátrixú kompozitok
A hőre nem lágyuló mátrixú anyagok esetében a térhálós szerkezetet szerszámban, visszafordíthatatlan kémiai reakcióval alakítják ki (reaktív technológia). Ez utóbbi kompozitokkal high-tech alkalmazások, azaz nagyobb teherbírású szerkezetek is előállíthatók. Tevékenység: Gyűjtse ki és tanulja meg a telítetlen poliészter és az epoxi gyanta jellemzőit. A nagyszilárdságú polimer kompozitok legjobb befoglaló mátrix anyagai a telítetlen poliészter (UP) és az epoxi gyanta (EP). Ezek az anyagok szobahőmérsékleten folyékony halmazállapotúak és kisebb viszkozitásuk révén jobban impregnálják erősítőszálakat. A hőre nem lágyuló polimer kompozitok tulajdonságait elsősorban az erősítőszál tulajdonságai határozzák meg. A poliészter gyanta jellemzői:
Mézsűrűségű, folyékony állagú. A keverék-oldat (35% sztirolban oldott poliészter oligomer) szobahőmérsékleten térhálósodik. A gélesedés magától beindul, a végtermék térhálós, hőre nem lágyuló nagyszilárdságú műszaki, szerkezeti anyag, amely polimerizációs láncreakcióban keletkezik, iniciátorral gyorsított rekcióban, Alkalmazása legtöbbször üvegszállal,- szövettel,- paplannal erősített kompozitként (pl. járműipar, vizi jármű gyártás, tartályok) (lásd 11. ábra).
11. ábra. Üvegszálas telítetlen poliészter (UP) mátrixú kompozitok
Az epoxigyanta jellemzői:
a kiváló tulajdonságokkal rendelkező gyantatípus, kiváló tapadóképessége miatt ragasztóként is hasznosítható, ellenálló a környezeti hatásokkal szemben, jó mechanikai tulajdonságok, kicsi zsugorodás, alkalmazása a számítástechnikától az űrtechnikáig sokrétű (pl. repülőgépgyártás, elektrotechnika, lásd 12. ábra).
12. ábra. Epoxi gyanta mátrixú kompozitok
A két fenti gyantatípuson kívül alkalmaznak egyéb gyantákat is (vinilészter, furán, akril stb.) különböző speciális tulajdonságok elérése érdekében, például a vegyszerállóság, hőállóság, vagy a kémiai ellenállóképesség növelésére.
3. Erősítő anyagok Tevékenység: Tanulja meg a kompozitok legfontosabb erősítőanyag típusait, és az erősítő anyagok megjelenési formáit. Az erősítőszálként szerves és szervetlen anyagokat egyaránt használnak. Ez utóbbi osztályba tartozik az üvegszál, szénszál és a fémszálak, míg a szerves szálak közé soroljuk pl. a természetes alapú növényi szálakat (pl. len, kender, pamut) és a szintetikus aramid (aromás poliamid) és polietilén szálakat. Az erősítőstruktúrák különböző megjelenési formában kerülnek kereskedelmi forgalomba: – Roving (köteg) vagy szalag (1D). – Szőtt vagy nem-szőtt és kötött textíliák (2D) (vágott üvegszál paplan, üvegszövet). – Vastag tűzött kelmék (3D).
Tevékenység: Figyelje meg az ábrán az erősítőszálak lehetséges megjelenési formáit és jegyezze meg a struktúrájukat!
13. ábra Erősítőszálak jellemző megjelenési formái: roving, paplan, szövet
Az általánosan alkalmazott erősítőszálak sűrűség értékeit, valamint a rugalmassági modulusz és szakítószilárdsági jellemzőket az 1. táblázat foglalja össze. Tevékenység: Hasonlítsa össze a táblázat adatai alapján a különböző erősítő anyagokat és állítsa őket sorrendbe a fajlagos, azaz a sűrűségre vonatkoztatott szilárdsági tulajdonságaik alapján. Sűrűség [g/cm3]
Rugalmassági modulus [GPa] 73 89..136 242 73-120
Szakítószilárdság [GPa] 2,0..3,0 2,35..3,8 3,8 2,3-3,6
Fajlagos szakadási hossz [km] 80 (96) 190 (230) 195 280..340
E-üvegszál 2,5 Aramidszál 1,45 Szénszál 1,8 Polietilénszál 0,97 (Spectra) Eutektoidos 7,8 210 4,0 35 (50) acélhuzal 1. táblázat Polimer kompozitok jellemző erősítőszálainak tulajdonságai
Tevékenység: Figyelje meg a 14. ábrán, hogy a műanyagok erősítésére alkalmazott szálak átmérője milyen arányban áll egy hajszáléval.
14. ábra. Műanyagok erősítésére használt szálak összehasonlításképpen egy hajszállal
A szálerősítés alkalmazásának indokoltsága Tevékenység: Gyűjtse ki és tanulja meg a szálerősítés alkalmazását indokoló hatásokat: mérethatás, fajlagos felület növelése, hajlékonyság! A szálerősítés alkalmazását több hatás is indokolja. Mérethatás Ha a kompozitban lévő szálak átmérőjét minimalizáljuk, akkor a hibahelyek előfordulásnak esélye, ezáltal a kompozit tönkremenetelének esélye is lecsökken. Az erősítő hatás tehát annál nagyobb, minél kisebb a szálátmérő (mérethatás). A szálak szilárdsága exponenciálisan növekszik és a 10 m alatti tartományban ugrásszerűen megnő, ezzel számottevően növelve az erősítés hatékonyságát (15. ábra). Tevékenység: Figyelje meg, hogy milyen szálátmérő tartományban növekedik meg ugrásszerűen a szakítószilárdság!
15. ábra. Műanyagok erősítésére használt szálak szakítószilárdsága a szálátmérő függvényében
Fajlagos felület A kompozit tulajdonságait döntő mértékben meghatározza a fázisok érintkező felületének a nagysága, azaz az erősítő anyag fajlagos felülete. A terhelésátadás a határfelületeken történik, a teherviselő elem az erősítőszál, tehát az érintkező felületek nagysága határozza meg a kompozitok teherviselő képességét is, ezáltal a szálerősítés hatékonyságát. Ha definiálunk egy R sugarú és L hosszúságú szálat (henger) V térfogattal és A felülettel, akkor a fajlagos felület az alábbi képlettel számítható ki: A/V = (2R2 + 2RL) / R2L = 2/L + 2/R Fenti egyenletből következik, hogy a fajlagos felület két esetben lesz a legnagyobb, ha: – L » R, azaz az erősítőanyag a lehető legkisebb átmérőjű hosszú szál, vagy – R » L, azaz az erősítőanyag vékony lapos korong (pl. lemezes csillám) A kompozitok erősítőanyagai tehát szál, vagy korong alakúak. Hajlékonyság A harmadik érv, amely a szálerősítés mellett szól, hogy a szálak hajlékonysága növekszik az átmérő csökkenésével. Üvegszál Tevékenység: Gyűjtse ki és tanulja meg az üvegszálas erősítés jellemzőit, alkalmazásának előnyeit és hátrányait.
Az üvegszál a legelterjedtebben alkalmazott erősítőanyag, egyfajta szilikát, amelyet 55-65% SiO2 és egyéb fémoxidok alkotnak. Egy kötegben (roving) kb. 1000 db, ~10m átmérőjű elemi szál van. Forgalmazzák még paplan, és szövet formában is (16. ábra).
16. ábra Üvegszálak jellemző kiszerelési formái: roving, paplan, szövet
A szálakat felületkezelik, írezik, amely védelmet nyújt a törékeny szálaknak a feldolgozás során, és egyben tapadásfokozó anyagként is működik a szál-mátrix határfelületen. Üvegszál előnyei:
A legolcsóbb erősítőanyagok közé tartozik, gyakorlatilag korlátlan mennyiségben rendelkezésre áll, UV stabil, vegyszerálló, elektromosan szigetel.
Hátrányai:
a feldolgozó gépekkel szembeni erős koptató hatás, viszonylag nagy sűrűség, törékenység, kis rugalmassági modulusz.
A 17. ábra alkalmazási példákat mutat be üvegszálas kompozitokra.
17. ábra Üvegszálas kompozitok Szénszál
Tevékenység: Gyűjtse ki és tanulja meg a szénszálas erősítés jellemzőit, alkalmazásának előnyeit és hátrányait, a grafitszál-gyártás lépéseit. A szénszálban a grafitos szerkezetet hasznosítjuk, ezáltal rendkívül nagy szilárdság és nagy modulusz jellemzi kis sűrűség mellett. A karbonszál gyártásakor az előterméket (un. prekurzor), először karbonizálják, majd grafitosíthatják. A mechanikai tulajdonságokat az előállítás során a hőmérséklettel és az idővel szabályozzák.
18. ábra Szén roving és szénszövet
A prekurzor lehet poliakrilnitril (PAN) szál, kátrányalapú szál, illetve regenerált cellulóz (viszkóz) szál (pl. műselyem). Magyarországon 1997 óta PAN-szál alapú grafitszálgyártás folyik. Az eljárás lépései az alábbiak: 1. stabilizálás: enyhe oxidáció max. 200-350 °C-on pár perces hőkezeléssel, amelyben a szál elszenesedik, de nem olvad meg. Az első lépésben létrejött termék az ún. oxidált szál, ami már felhasználható mint textilipari nyersanyag. 2. karbonizáció (pirolízis): 800 °C-ra történő hevítés, amelyben a szál 90 %-ban szénné alakul, nitrogén közegben. Ez a termék a szénszál. 3. grafitosítás: 1000–3000°C-on, szigorúan oxigénmentes közegben, feszített állapotban hevítik, kialakul a gyakorlatilag tiszta szénből álló grafitos szerkezet. A gyártási folyamat befejezéseként mind az oxidált szálakat, mind a szénszálakat a további feldolgozást segítő felületkezeléssel látják el. Az oxidált szál és a szénszál egyes jellemzőit a 2. táblázat mutatja be. Tevékenység: Hasonlítsa össze a 2. táblázatban szereplő tulajdonságokat a különböző típusú szálak esetén! Jegyezze meg a legfőbb eltéréseket! Oxidált szál
Szénszál
Széntartalom, %
62
> 95
Sűrűség, g/cm³
1,35–1,41 (típustól függően)
1,82
Szálátmérő, µm
13
7,2
Szakítószilárdság, MPa
260
3800
Rugalmassági modulus, GPa
8,5
242
Szakadási nyúlás, %
20–25
1,5
Hővel szembeni ellenállás
jó hőszigetelő
jó hővezető
Elektromos tulajdonságok
elektromosan szigetel
vezeti az elektromosságot
Lúgállóság
híg oldatban kitűnő, tömény oldatban gyenge
kitűnő
Savállóság
híg oldatban kitűnő, tömény oldatban jó
kitűnő
Nedvességfelvétel, %
6–10
< 0,1
2. táblázat Az oxidált szál és a szénszál egyes jellemzői
A szénszál tömeges alkalmazását kiváló mechanikai tulajdonságainak ellenére a magas ára korlátozza. A szénszálak legnagyobb mennyiségét az űrkutatás, a katonaság, a szélenergiahasznosítás, a járműgyártás és a sportszergyártás használja fel (Szénszállal erősített kompozitokból készülhetnek például kerékpár- és motorkerékpár-vázak, autókarosszéria-elemek, hajótestek, repülőgép- és űrhajó-alkatrészek, tengeri fúrótornyok szerkezeti elemei, nagynyomású tartályok, geotextíliák stb., 19. ábra).
19. ábra Szénszálas kompozitok Aramidszál
Tevékenység: Gyűjtse ki és tanulja meg az aramidszálas erősítés jellemzőit, alkalmazási példáit. Az aramidszálak aromás poliamidok, amelyeknek jó szilárdsági tulajdonságaik vannak, és rendkívüli hőállósággal rendelkeznek (pl. KEVLAR, TWARON, TECHNORA). Az aramidszállal erősített kompozitok:
rendkívül szívósak és jó ütésállósággal rendelkeznek, a nyírással szembeni ellenálló képességük is jó, pl. golyóálló mellényt, védősisakot készítenek belőlük, lángállóságukat hőálló kesztyűk gyártásában, illetve tűzálló védőruházat előállításánál használják ki, A KEVLAR márkájú szálak kitűnő szilárdsága igen jól hasznosul a gumi kompozitokban pl. a radiál-gumiabroncsokban (20. ábra).
20. ábra Kevlar (sárga színű anyag) alkalmazása gumiabroncsokban
Az aramidszálakat karbonszálakkal kombinálva gyakran alkalmazzák hibrid erősítőrendszerben.
21. ábra Aramid-karbon szálas kompozitok alkalmazásai
Polietilénszál (UHMWPE)
Tevékenység: Ismételje át az UHMWPE polimerről tanultakat a korábbi leckék alapján! Gyűjtse ki és tanulja meg az UHMWPE szálas erősítés jellemzőit, alkalmazási példáit. Az ultra nagy molekulatömegű (Ultra High Molecula Weight) polietilén szálat gélfázisú szálképzéssel gyártják, melynek során nagymértékű orientációt (irányítottság) valósítanak meg. A polietilénszálak (pl. Spectra, Dyneema):
kimagasló szilárdságú, kis sűrűségű (még a polimerek közt is) anyagok, hőállóságuk korlátozott (140°C) és más műanyagokkal nem igazán összeférhetőek (inkompatibilis), azaz erősített rendszerekben a szál-mátrix határfelületen nem alakul ki erős kötés, jó kapcsolat.
Alkalmazás:
implantátumok anyagaként ( nem szálas formában) és nagy energiaelnyelő képessége miatt ballisztikai alkalmazásokban (pl. golyóálló mellény).
22. ábra UHMWPE alkalmazásai implantátumokban
23. ábra UHMWPE golyóálló alkalmazásai Növényi szálak (len, kender, juta)
Tevékenység: Gyűjtse ki és tanulja meg a növényi szálas erősítés jellemzőit, alkalmazási példáit. A cellulózban gazdag szálak és rostok, pl. len, kender, juta, alkalmazása a műanyag kompozitok területén egyre növekszik. A cellulózszálak előnyei:
A természetes anyagok használatával együtt járó környezeti (megújuló nyersanyagforrás) és gazdasági előnyök, és kedvező tulajdonságok: o a nagy fajlagos szilárdsági jellemzők és o kis sűrűség.
A cellulózszálak hátrányos tulajdonságai:
a nagy nedvességfelvevő-képesség,
kis méretstabilitás,
200ºC felett erősen degradálódnak, ezért a kompozit előállítási, feldolgozási hőmérséklete korlátozott.
a hőmérséklet korlát behatárolja a mátrixanyagként alkalmazható hőre lágyuló műanyagok körét. Többnyire polipropilén mátrixú kompozitokat gyártanak növényi szálerősítéssel.
A cellulóz alapú szálak hidrofil jellegűek, így nagyfokú nedvességfelvételre képesek, és ez komoly gondot okoz a kompozitoknál, ahol a többnyire hidrofób, azaz víztaszító polimerrel kialakított társításban a szál-mátrix határfelületen kialakuló kölcsönhatások gyengék. A komponensek közötti megfelelő tapadás érdekében a szál-mátrix határfelületet módosítani kell (pl. kémiai adalékanyaggal).
4 Rövidszálas kompozitok – kritikus szálhossz Tevékenység: Tanulja meg a rövidszálas, illetve hosszúszálas kompozitok definícióját, a kritikus szálhossz fogalmát, és a Kelly-Tyson összefüggés értelmezését. A szálhosszúságtól függően megkülönböztetünk rövidszálas, illetve hosszúszálas kompozitokat. Ezek definiálására az ún. alaki tényezőt, az l/d (hossz/átmérő) viszonyszámot használjuk, amely a szál hosszának (l) és átmérőjének (d) a hányadosa.
24. ábra Hosszúszálas (bal) és rövidszálas (jobb) kompozitok Rövidszál erősítéses kompozitoknál az alkalmazott erősítőszál nagyszilárdságú és lehetőleg nagy fajlagos felületű kell, hogy legyen. Alkalmazásnak korlátot szab a szálhosszúság (vagy inkább szálrövidség), amely a terhelhetőséget alapvetően meghatározza. A szál és a polimer mátrix között, a határfelületen jó tapadást kell biztosítani, ugyanis a szál még alkalmas, legkisebb hossza, pontosabban az alaki tényező (l/d arány) ezzel a határfelületi tapadással hozható kapcsolatba. Fentiek értelmében meghatározható a kritikus szálhossz: amelynél rövidebb szál húzó igénybevétel alkalmával a mátrixból kihúzódik, és amelynél hosszabb szál a jó beágyazottság, a jó tapadás következtében maga szakad el a tönkremenetel pillanatában. Az összetett feszültségállapot jellemzésére különböző modelleket alkottak, a kritikus szálhosszúság (LC [mm]) és a szálátmérő (D [mm]) viszonyát az ún. „Kelly-Tyson” (1965) összefüggés írja le:
𝐿𝑐 𝐷
=
𝜎𝑓 2𝜏
,
ahol:
[MPa]a nyíróerő okozta feszültség a határfelületen, f [MPa]pedig a szál szakítószilárdsága. Tevékenység: Figyelje meg a következő ábrán, hogyan változik egy mátrixba ágyazott szál hossza mentén a szilárdság húzó igénybevétel hatására.
25. ábra Húzó igénybevétellel terhelt rövidszálas kompozit (bal), a szál-mátrix határfelületen ébredő feszültség (fm) és a kritikus szálhossz (Lc) kapcsolata (jobb) Húzó igénybevétel hatására a feszültség a szálban a z koordinátával lineárisan nő egy Lc kritikus határ-hosszúságig (25. ábra). A kritikus szálhosszúság változása a határfelületi nyírófeszültség függvényében jól nyomon követhető az alábbi táblázatban (*D= 7 μm tipikus szálátmérő esetén) Tevékenység: Az alábbi táblázatban figyelje meg, hogy miképp változik a kritikus szálhosszúság, azaz az erősítőszál még alkalmas legkisebb hossza, ha a határfelületi nyírófeszültség nő (azaz egyre jobb tapadás van a komponensek között).
[MPa]
5
25
50
100
250
Lc/D
175
35
18
9
4
Lc* [mm]
1,2
0,25
0,13
0,07
0,03
3. táblázat A határfelületi nyírófeszültség hatása a kritikus szálhossz értékére Ha az adhézió javul, azaz a szálak közötti tapadás (kölcsönhatás) erősödik, ezáltal a határfelületi nyírófeszültség ( nő, az alaki tényező csökken, azaz jobb határfelületi tapadás esetén kisebb szálhosszúsággal is ugyanaz az erősítő hatás érhető el (kváz-statikus szálirányú húzó igénybevétel
esetében). A szálerősítéses kompozitokban a szálelrendeződés különböző formákban valósulhat meg, ezt a 26. ábra mutatja be.
26. ábra Lehetséges szálelrendeződési formák kompozitokban a) folytonos szálerősítés, b) nem folytonos irányított szálerősítés, c) nem folytonos, véletlenszerű elrendeződés Önellenőrző kérdések Ö1 Feladat: Írja le egy papírra a kompozit anyag definícióját! A kompozitok két vagy több összetevőből álló társított anyagok, ahol az alkotók között jó az együttműködés (erős határfelületi tapadás/jó adhézió), és ez az igénybevétel magas szintjén is tartósan fennmarad. Ö2 Feladat: Írja le egy papírra, hogy mit nevezünk hibrid kompozitnak! Ha a kompozit alkotói, a befoglaló mátrix vagy az erősítőanyag összetett, több alkotóból áll, akkor hibrid kompozitról beszélünk Ö3 Feladat: Válassza ki az alábbi állítások közül az egyetlen igaz állítást hőre lágyuló műanyagokra! a. A hőre lágyuló polimerek mézszerűen folyó anyagok, és szobahőmérsékleten is jól impregnálják a szálakat. b. Az alakadás szobahőmérsékleten, képlékeny alakítással történik. c. A hőre lágyuló polimerek amorf anyagok. d. A hőre lágyuló polimerek feldolgozása ömledék állapotban, nagy hőmérsékleten történik . Ö4 Feladat: Válassza ki az alábbi állítások közül az egyetlen igaz állítást hőre nem lágyuló műanyagokra! a. Hőre nem lágyuló polimerek a hőmérséklet növelésével mézszerűen folyóssá válnak, és így a feldolgozhatóságuk javul. b. A térhálós szerkezetet az alakadás során, visszafordíthatatlan kémiai reakcióval alakítják ki.
c. Szobahőmérsékleten a nagyobb viszkozitásuk révén jobban impregnálják erősítőszálakat. d. A tipikus térhálós polimerek közé tartozik többek között a PP és az EP.
Ö5 Feladat: Döntse el az alábbi állítások helyességét (i/h) a szénszálgyártás technológiai lépéseire vonatkozóan! a. stabilizálás, azaz enyhe oxidáció max. 350°C-ig, amelyben a szál elszenesedik, de nem olvad meg (i). b. karbonizáció: a szál 90%-ban szénné alakul, nitrogén atmoszférában, (800°C) (i), c. grafitos izzítás: Oxigéndús környezetben egy fokozottabb égési folyamat eredményeként feszített állapotban kialakul a gyakorlatilag tiszta szénből álló grafitos szerkezet (1000–3000°C) (h) d. grafitosítás: 1000–3000°C-on, szigorúan oxigénmentes atmoszférában, feszített állapotban kialakul a gyakorlatilag tiszta szénből álló grafitos szerkezet. (i) Ö6 feladat: A következő feladatban soronként írja be annak erősítőszál típusnak a számát, amire az adott állítás teljesül. Üvegszál 1 Szénszál
2
Aramidszál
3
UHMWPE szál
4
Növényi szálak
5
Jó szilárdsági tulajdonságaik vannak, és rendkívüli hőállósággal rendelkeznek.
3
Megújuló nyersanyagforrás, nagy nedvességfelvevő-képesség jellemzi.
5
A legolcsóbb mesterséges erősítőanyagok közé tartozik.
1
Rendkívül nagy szilárdság és nagy modulusz jellemzi kis sűrűség mellett, alkalmazását magas ára korlátozza.
2
A feldolgozó gépeket erősen koptatja.
1
Hőállóságuk korlátozott (max. 140C).
4
Ide tartoznak a KEVLAR márkájú szálak.
3
Nagymértékben orientált szerkezetük van.
4
200ºC felett erősen degradálódnak (bomlanak).
5
Implantátumok anyagaként is alkalmazzák.
4
Ö7 Feladat: Írja le egy papírra, hogy mit jelent a mérethatás a szálerősítés esetén! Kompozit szerkezetekben a szálerősítő hatás annál nagyobb, minél kisebb a szálátmérő. A szálak szilárdsága exponenciálisan növekszik, 10m alatti tartományban ugrásszerűen megnő, ezzel számottevően növelve az erősítés hatékonyságát. Ö8 Feladat: Írja le egy papírra, hogy milyen alakú erősítőanyagok a leghatékonyabb erősítő rendszerek kompozitokban és miért! A kompozit tulajdonságait döntő mértékben meghatározza a fázisok érintkező felületének a nagysága. A kompozitok erősítőanyagai szál, vagy korong alakúak, mert ekkor a legnagyobb az erősítő anyag fajlagos felülete, és ezáltal az erősítés hatékonysága, mivel a kompozitokban a terhelés átadás a határfelületeken történik. Ö9 Feladat: Jelölje meg az egyetlen igaz állítást! Mit nevezünk alaki tényezőnek! a szál hosszának és átmérőjének a hányadosa. a szál átmérőjének és hosszának a hányadosa. a szál hosszának és keresztmetszetének a hányadosa. a szál keresztmetszetének és hosszának a hányadosa. Ö10 Feladat: Fogalmazza meg és írja le egy papírra, hogy mit nevezünk kritikus szálhosszúságnak a rövidszálas kompozitokban! Húzó igénybevétel hatására rövidszálas kompozitokban ennél rövidebb szál a mátrixból kihúzódik, ennél hosszabb szál pedig a jó beágyazottság, a jó tapadás következtében maga szakad el a tönkremenetel pillanatában. Ö11 Feladat: Írja le egy papírra a Kelly-Tyson összefüggést a (Lc, D, f) paraméterek felhasználásával és nevezze meg a képletben szereplő geometriai és szilárdsági jellemzőket!
Lc: kritikus szálhosszúság a nyíróerő okozta feszültség a határfelületen, f : a szál szakítószilárdsága.
𝐿𝑐 𝜎𝑓 = 𝐷 2𝜏
D: a szálátmérő Ö12 Feladat: Írja le egy papírra Kelly-Tyson összefüggés alapján, hogy miképp befolyásolja az adhézió, azaz a szál-mátrix tapadás az erősítés hatékonyságát kompozit rendszerekben! Jobb határfelületi tapadás esetén kisebb szálhosszúsággal is ugyanaz az erősítő hatás érhető el Ennek oka, hogy ha az adhézió javul, azaz a szálak közötti tapadás (kölcsönhatás) erősödik, ezáltal a határfelületi nyírófeszültség ( nő, és az alaki tényező csökken. Modulzáró kérdések M1 Feladat: Válassza ki az alábbi állítások közül a kompozit anyag helyes definícióját! a. A polimer kompozitok összetett anyagok, egy mátrixból és egyfajta erősítőanyagból állnak. b. Többfázisú, összetett anyagok, fázishatárokkal élesen elválasztva, a fázishatárokon jó adhézióval rendelkeznek . c. Többfázisú, összetett anyagok, fázishatárokkal élesen elválasztva, amely csak akkor valósulhat meg, hogy a határfelületen az alkotók nem tapadnak össze. d. Összetett anyagok, ahol a jó tapadás következtében az alkotókból egy új fázis keletkezik. M2 Feladat: Válassza ki az alábbi állítások közül a hibrid kompozit anyag helyes definícióját! a. Két egyfázisú anyag társításával egy többfázisú anyag, más szóval hibrid rendszer jön létre. b. Ha a kompozit alkotói, a befoglaló mátrix vagy az erősítőanyag összetett, több alkotóból áll. c. Ha a társítással létrejött rendszernek nemcsak egy tulajdonsága, hanem legalább egy javul. d. Hibrid kompozitnak nevezzük azokat a társításokat, ahol az epoxi gyantát szénszövettel erősítjük, vagy például az UP anyagot üvegszállal társítjuk. M3 Feladat: Válassza ki a felsorolásból az egyetlen állítást, amely igaz a polimer kompozitok tipikus erősítőanyagaira! a. csak szálas jellegűek, mert a fajlagos felület így lesz a legkisebb. b. kizárólag korong alakúak, mert a fajlagos felület ez által a legnagyobb. c. többnyire szálas jellegűek, mert a szálátmérő növekedésével nő a szálak szakítószilárdága. d. leginkább szálas jellegűek, többek között a fajlagos felület növekedése és a mérethatás is ezt indokolja. M4 Feladat: Döntse el az alábbi állítások helyességét (i/h) az üvegszálas erősítőanyagra vonatkozóan:
a. A legelterjedtebben alkalmazott erősítőanyag, mivel kis sűrűséggel és nagy rugalmassági modulussszal rendelkezik. (h) b. Az üvegszálak jellemző megjelenési formái: roving, paplan, szövet. (i) c. A szálakat felületkezelik, írezik, amely védelmet nyújt és egyben tapadásfokozóként is hat a kompozit komponensek között. (i) d. Az egyik legdrágább erősítőanyag, ez korlátozza az elterjedését. (h) e. Gyakorlatilag korlátlan mennyiségben rendelkezésre áll. (i) f. UV stabil, vegyszerálló és elektromosan szigetel. (i) M5 Feladat: Döntse el az alábbi állítások helyességét a kompozitok erősítőanyagaira vonatkozóant! (i/h) a. Az aramidszálak aromás poliamidok, jellemzőik a jó szilárdsági tulajdonságok, különleges hőállóság és jó ütésállóság. (i) b. A Dyneema nagy szilárdságú, kis sűrűségű anyag, de a hőállósága korlátozott (140°C) és más műanyagokkal nem jól összeférhető. (i) c. A természetes szálak kis sűrűséggel, jó mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, és gyakorlatilag minden hőre lágyuló műanyaggal társíthatóak. (h) d. Az aramidszálakat karbonszálakkal kombinálva gyakran alkalmazzák hibrid erősítőrendszerben. (i) M6 Feladat: Döntse el az alábbi állítások helyességét! Mit nevezünk kritikus szálhossznak? (i/h) a. amelynél hosszabb szál húzóigénybevétel alkalmával a mátrixból kihúzódik (h) b. amelynél rövidebb szál húzóigénybevétel alkalmával a mátrixból kihúzódik (i) c. amelynél rövidebb szál a jó beágyazottság, a jó tapadás következtében maga szakad el a tönkremenetel pillanatában. (h) d. amelynél hosszabb szál a jó beágyazottság, a jó tapadás következtében maga szakad el a tönkremenetel pillanatában. (i) e. és amelynél hosszabb szál a jó beágyazottság, a jó tapadás következtében kihúzódik a tönkremenetel pillanatában. (h) M8 feladat: A megadott összefüggésekből válassza ki a helyes Kelly-Tyson összefüggés helyes alakját! Megoldás:A A
𝐿𝑐 𝜎𝑓 = 𝐷 2𝜏
B
𝜎𝑓 𝐷 = 𝐿𝑐 2𝜏
C
𝐿𝑐 𝜏 = 𝐷 2𝜎𝑓
M9 feladat: A megadott geometriai és szilárdsági jellemzők számjelét párosítsa össze a Kelly-Tyson összefüggésben a megfelelő megnevezéssel! Lc 1 2 D
f
3 4
a nyíróerő okozta feszültség a határfelületen
3
a szál szakítószilárdsága
4
szálátmérő
2
kritikus szálhosszúság
1
M10 Feladat: A Kelly–Tyson összefüggés értelmezésével döntse el az alábbi állítások helyességét! (i/h) a. Ha az adhézió javul, akkor a határfelületi nyírófeszültség nő. (i) b. Ha a szálak közötti tapadás erősödik, akkor kisebb szálhosszúsággal is ugyanaz az erősítőhatás érhető el. (i) c. Ha a szálak közötti tapadás javul, akkor a határfelületi nyírófeszültség csökken.(h) d. Ha a határfelületi nyírófeszültség csökken, az Lc/D nő. (i)
2. lecke: Polimer kompozitok gyártása Cél A lecke célja, hogy bemutassa a legfontosabb hőre nem lágyuló szálerősített műanyag kompozit anyagok előállítási, illetve gyártási technológiáit. Konkrét alkalmazási példákkal áttekintést adjon a polimer kompozitok széleskörű felhasználási lehetőségeiről. Követelmények Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha önállóan
fel tudja sorolni a hőre nem lágyuló kompozitok mátrix és erősítő anyagait. meg tudja határozni a hőre nem lágyuló kompozitok réteges felépítésének előnyét. fel tudja sorolni a kompozit szerkezet tervezésének lépéseit. fel tudja sorolni a hőre nem lágyuló kompozitok szerkezetek különböző előállítási technológiáinak lépéseit. ki tudja választani felsorolásból az egyes hőre nem lágyuló kompozit gyártó technológiák előnyös és hátrányos jellemzőit. ki tudja választani felsorolásból az egyes kompozitgyártó technológiák jellemzőit és alkalmazási területeit. össze tudja párosítani az egyes kompozitgyártó technológiákat a sematikus ábrájukkal.
Időszükséglet A tananyag elsajátításához körülbelül 80 percre lesz szüksége. Kulcsfogalmak
Kompozit, kézi laminálás, szálszórás, vákuum zsákos eljárás, vákuum-injektálás, SMC, BMC, pultrúzió.
1. Hőre nem lágyuló kompozitok előállítása Tevékenység: Ismételje át korábbi leckék alapján a hőre nem lágyuló kompozitok mátrix anyagairól tanultakat! Gyűjtse ki és tanulja meg a hőre nem lágyuló mátrixú kompozitok lehetséges mátrix és erősítő anyagait, a kompozit szerkezetek kialakításának tervezési lépéseit, lehetséges technológiáit. A hőre nem lágyuló kompozitok mátrix anyagául általában epoxi, vinilészter és poliészter gyantákat alkalmaznak. Erősítőanyagaik elsősorban az üvegszál, szénszál és aramidszál. Elterjedten alkalmazzák ezeket a kompozitokat többek között az autóiparban, a repülőgépgyártásban, a hajógyártásban és az építészetben.
1 ábra. Hagyományos műanyag kompozitok alkalmazások a)-d) szénszál erősítéses polimer kompozitok, e) szénszál, kevlár, illetve üvegszálas műanyag alkatrészeket is tartalmaz, f) kevlár erősítéses kompozit g) súrlódó alkatrészek Kevlar erősítéses műanyag kompozitból, h)-j) üvegszálas kompozitok A hőre nem lágyuló kompozitok előnye a réteges felépítésben rejlik (2. ábra). Az egyes rétegekben a szálak irányítottsága egymáshoz képest eltérhet. Ennek köszönhetően a termék mechanikai tulajdonságai az igénybevétel erővonalai mentén minimális önsúly mellett optimalizálhatók.
2 ábra. Hőre nem lágyuló kompozit szerkezetek réteges felépítése, a szálorientációk szögének megadásával
A kompozit szerkezet tervezésének lépései az alábbiak: • A fő terhelési irányok meghatározása. • A rétegek méretezése. • A rétegrend kialakítása. • Egyéb gyárthatósági paraméterek: költségek, szériaszám, technológia meghatározása. Fenti lépések eredményeként kiválasztható a megfelelő gyártástechnológia. A hőre nem lágyuló kompozitok legfontosabb gyártási technológiái az alábbiak: kézi laminálás, szálszórás, vákuumzsákos eljárás, vákuum-infúzió (injektálás), sajtolás (BMC, SCM), pultrúzió. A technológia másik kulcs-kérdése: a térhálósítás kézbentartása (kontrollja) az oligomert (néhány száz monomerből felépülő „előpolimer”) és monomert is tartalmazó mátrix alapanyag teljes átalakulásáig/polimerizációjáig (konverziójáig). A termék tényleges műszaki teherbírása, fizikai és mechanikai tulajdonságai attól függnek, hogy az adott darabban mennyire közelítettük meg a teljes átalakulást (polimerizációt), a reaktív csoportok 100 %-os konverzióját. Néhány százalékos – sőt, akár néhány tizedszázalékos monomer maradék is jelentősen módosíthatja a kompozit mátrix Tg-jét (üvegesedési hőmérséklet) és így pl. ütésállóságát egy kitüntetett hőmérsékleten. A maradék, nem reagált monomer gyökeresen módosíthatja a termék „öregedését”, fizikai és mechanikai tulajdonságainak változását az időben stb.
Kézi laminálás
Tevékenység: Gyűjtse ki és tanulja meg a kézi laminálás technológiai lépéseit, az eljárás jellemzőit, előnyeit és hátrányait, alkalmazási területeit! Kézi technológia, elsősorban prototípus és kis sorozat gyártására alkalmazzák, akár több 10 réteg erősítőanyag összeépítésével. Műgyanta (pl. epoxi, poliészter, vinilészter) és erősítő, ill. vázanyagot (szőtt, nem szőtt, kötött struktúrák, minden száltípus (a vastag aramid szálak nehezen nedvesíthetők ezzel az eljárással)) rétegelnek egymásra. Az eljárás nem igényel speciális felszerelést, gépet, eszközt, ezért a legelterjedtebb eljárás. Például így készültek kb. 70 évvel ezelőtt a szövetségesek partraszállásakor felhasznált üvegszálas poliészter hajók (fémmentes szerkezetük érzéketlenné tette azokat a mágneses tengeri aknákkal szemben). (Az egyszemélyes sporthajóktól a családi yachton át az aknaszedő cirkálókig ma is a hajóipar a kompozitok egyik legnagyobb felhasználója.) Tevékenység: Figyelje meg az 3. ábrát és jegyezze meg, hogy milyen rétegekből és hogyan építik fel a kompozit struktúrát kézi laminálással!
1. 3 ábra Kézi laminálás 2. 3.
A technológia a következő videón látható. http://www.youtube.com/watch?v=qknfZcB-2QA 1. A fémből, fából, vagy akár gipszből készült szerszámban (sablonra, formára) a szerszám felöli oldalon formaleválasztó réteget alkalmaznak. A levegővel érintkező réteget érdemes oxigént nem eresztő fóliával borítani, hogy elkerüljük a felület „tapadósságát”, amelyet a tökéletlen térhálósodás okoz. 2. A laminálás felületi – látszó – rétegeit gyantában dús, esetleg színezett gél-bevonat (gel-coat) rétegből alakítják ki.
3. Ezt követően egymás után viszik fel a különféle szálerősítő rétegeket (pl.: üvegpaplan, üvegszövet), és a megfelelő viszkozitású (mézszerűen folyós állagú) gyantarétegeket. A gyantával történő átitatás kézzel, ecset, henger segítségével történik. 4. A légzárványokat kézzel görgőzik ki. 4. Bordák, fémbetétek, megvastagítások is beépíthetők a konstrukciós kialakítás igényeinek megfelelően és ezzel a módszerrel szendvicsszerkezet is készíthető. Amennyiben szükséges, ajánlott utólagos emelt hőfokú hőkezelés / térhálósítás alkalmazása. Előnyök: Gyakran használt, elterjedt technológia. Egyszerű, könnyen elsajátítható eljárás. Kis eszköz és szerszám költségű (ha szobahőmérsékleten térhálósodó gyantát használunk). Széles a felhasználható alapanyagok köre. Nagyobb száltartalom és hosszabb szálak, mint a szóró eljárásnál (lásd következő eljárás). Tetszőleges geometria megvalósítható. A termék felülete szép. Hátrányai: Költséges a munkaerő igénye miatt. A gyanta komponensek aránya, a laminátum száltartalma és minősége jelentős mértékben függ a dolgozó gyakorlatától. A száltartalom növelésével növekszik annak a kockázata, hogy zárvány keletkezik a termékben. Hosszú a ciklusidő. A kézi lamináláshoz használt kisebb molekulasúlyú gyanták környezet és egészségvédelmi szempontból ártalmasabbak (könnyebben áthatolnak a ruházaton stb.). Csak gyenge vagy közepes mechanikai tulajdonságok alakíthatók ki. Alkalmazás: szélturbina-lapátok, hajók, építészeti elemek.
4 ábra Kézi laminálás alkalmazási példái
Szálszórás
Tevékenység: Gyűjtse ki és tanulja meg a szálszórás technológiájának jellemzőit, alkalmazási területeit! A laminálási technológiához hasonló, de részben gépiesített elterjedten alkalmazott eljárás. Szórópisztolyból egyidejűleg szórják fel – akár függőleges felületre is – a vágott üvegszál-rovingot, valamint a katalizátorral és gyorsítóval kevert gyantát (elsősorban poliészter). Tevékenység: Figyelje meg az 5. ábrát és jegyezze meg, hogyan hozzák létre a kompozit struktúrát szórással!
5 ábra A szálszórás technológiája
Az erősítő szálat a kézi pisztoly vágja a beállított hosszúságra. A nyomás alatt bevezetett gyanta a pisztolyban keveredik a katalizátorral. A pisztolyból kilépő, egyenletes sugárban szétterülő gyantára ráül a vágott erősítő szál, és így kerül közvetlenül a szerszámra. A kitérhálósodás normál szobahőmérsékleten történik. Előnyök:
Kis raktározási költségek. Kis szerszámköltség.
Hátrányok:
A laminátumok gyantában dúsak és ez által túl súlyosak lehetnek. A kis száltartalom miatt a termékek mechanikai tulajdonságai korlátozottak. A szórásos eljáráshoz kis viszkozitású gyanta szükséges, ez negatívan befolyásolhatja a termék mechanikus/termikus tulajdonságait. A gyártáskor fennálló egészségkárosító hatás.
Tevékenység: Keressen az interneten olyan alkalmazásokat, ahol a szálszórás technológiáját alkalmazták a kompozit termék gyártásához! Közepes szériájú gyártást tesz lehetővé. Jellemző alkalmazási területei: a kis igénybevételnek kitett szerkezeti elemek: lakóautó panelek, teherautó burkolati panelek, fürdőkádak, zuhanytálcák. stb. Vákuumzsákos eljárás
Tevékenység: Gyűjtse ki és tanulja meg a vákuumzsákos technológia lépéseit, az eljárás jellemzőit, előnyeit és hátrányait, alkalmazási területeit! Ez a kompozitgyártó technológia hasonlít a kézi lamináláshoz, viszont itt a termék térhálósodása nyomás alatt történik, így nagyobb száltartalom, jobb minőség érhető el, mivel nincsenek légzárványok. Elsősorban epoxi és fenolgyanták a mátrixanyagok, erősítőanyagként pedig számos, egyébként nehezen nedvesedő, vastag erősítő szövet alkalmazható. Tevékenység: A vákuumzsákos technológia szemléltetésére nézze meg az alábbi video anyagokat! http://www.youtube.com/watch?v=5jSwx_EkJgM&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=LPXn038ahD4&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=aoQCZo_YfGY&feature=related Tevékenység: Figyelje meg a 6. ábrát és jegyezze meg, hogyan hozzák létre a kompozit struktúrát vákuumzsákos technológiával!
6 ábra A vákuumzsákos technológia
Első lépésben az erősítőrétegeket a szerszámba helyezik, majd feltöltik folyékony gyantával, és a szerszám felőli oldalról a laminátumot levákuumozzák.
A tépőszövetet azért alkalmazzák, hogy a laminátum feletti rétegei ne kössenek a termékhez. E fölött helyezkedik el a gyantavezető háló és a fölösleges gyantát felszívó nem szőtt réteg (pl. paplan), majd a vákuumfólia, amelyet légmentesen a kétoldalú ragasztó rögzít körbe a munkafelülethez. A vákuumfólia alatti levegőt a vákuum szivattyú szívja ki a rendszerből, megfelelő nyomás (~0,8 bar) alatt tartva a laminátumot a térhálósodás ideje alatt. Előnyök:
Nagyobb száltartalom, mint a kézi laminálásnál. Kisebb sztirol emisszió. Az erősítő struktúrák (roving, paplan, szövet) jobban és egyenletesebben átitatódnak gyantával. Reprodukálható, egyenletes termék minőség.
Hátrányok:
Extra költségek, a több, csak egyszer felhasználható réteg (tépőszövet, vákuumfólia, stb.) miatt. Szakképzett munkaerő szükséges.
Jellemző felhasználás: Széles körben használják, hajó és versenyautó elemek gyártásához. Tevékenység: Keressen az interneten olyan alkalmazásokat, ahol a vákuumzsákos technológiát alkalmazták a kompozit termék gyártásához! (angolul: vacuum bag)
7 ábra A vákuumzsákos technológiával készült karosszériaelemek
Vákuum- infúzió (injektálás)
Tevékenység: Figyelje meg a 8. ábrát és jegyezze meg, hogyan hozzák létre a kompozit struktúrát vákuum-infúziós (injektálás) technológiával!
8 ábra A vákuum-injektálás technológiája Tevékenység: Tanulja meg a vákuum-injektálás technológiai lépéseit, az eljárás jellemzőit, előnyeit és hátrányait, alkalmazási területeit! A technológia lépései: 1. A szerszámot formaleválasztóval kezelik. 2. Az erősítőrétegeket szárazon elhelyezik a szerszámban.
3. Bonyolult szerszám geometria esetén előformázzák és/vagy ragasztóanyaggal egymáshoz rögzítik a rétegeket, mert így sokkal könnyebben kezelhetők. 4. Az így elhelyezett rétegekre tépőszövetet helyeznek, hogy az e fölött elhelyezkedő rétegek ne kössenek a termékhez. 5. A tépőszövet fölé gyantavezető hálót is helyezhetnek, ami megkönnyíti a gyanta haladását. 6. A tépőszövetre kerül a vákuumfólia, amelyet kétoldalú ragasztószalaggal rögzítenek a szerszám felületéhez. 7. Két csatlakozási pont van. Az egyiken a tartályból érkező gyanta beáramlása történik, amíg a másikon vákuumozási pont van, amely egyrészt kiszívja a munkatérből a levegőt, másrészt áramlásra bírja a gyantát, amely a vákuum szívó hatására átnedvesítve az erősítőrétegeket, halad a szívócsonk felé. 8. Gyantaadagoló spirál alkalmazása is lehetséges, amelyet a vákuumfólia alatt a termék szélén vezetnek körbe, megkönnyítve a gyanta bejutását - ebben az esetben a szívó csonkot a termék közepén helyezik el. Nagy illetve bonyolult geometriájú termék esetén több adagoló csonkot alkalmazhatnak. A technológia megértését megkönnyíti a következő három videó. Tevékenység: A vákuum-infúziós technológia szemléltetésére nézze meg az alábbi video anyagokat és jegyezze meg a technológia lépéseit! http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=xVErb2-bnuw#! http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=f7BogBB0NI8#! http://www.youtube.com/watch?v=VodfQcrXpxc&feature=related Tevékenység: Figyelje meg a 9. ábrát és keressen az interneten vákuum-injektálással előállított termékeket!
9. ábra Vákuum-injektálás és az elkészült darab Előnyök:
Nagy száltartalom, egyenletes falvastagság és minőség Kicsi sztirol emisszió, kevésbé egészségkárosító hatású, mint a kézi laminálás vagy a szálszórás. Környezetbarát technológia (minimális káros anyag emisszió, minimális hulladék) Bármilyen méret gyártható. Viszonylag kisebb szerszám költség.
Hátrányok:
Jelentősebb szakképzettséget igényel. Csak kis viszkozitású gyanták alkalmazhatók. Csak az egyik felület lesz teljesen sima. Nagyon bonyolult szerszámgeometria esetén nem impregnált területek előfordulhatnak.
Alkalmazás: Kisebb méretű hajók, teher- és gépjárműalkatrészek gyártása. Tevékenység: Keressen az interneten olyan alkalmazásokat, ahol a vákuum-injektálás technológiát alkalmazták a kompozit termék gyártásához! (angolul: vacuum injection, vacuum infusion)
10 ábra A vákuum-injektálás technológiával készült termékek Sajtolás (BMC, SMC)
Tevékenység: Gyűjtse ki és tanulja meg a sajtolás előtermékeinek (BMC és SMC) fogalmát, a sajtolás technológiai lépéseit, az eljárás jellemzőit, előnyeit és hátrányait, alkalmazási területeit! A 11. ábra jellemző alkalmazási példákat mutat be a sajtolással előállított kompozitokra.
11. ábra Sajtolással előállított kompozit termékek (SMC előtermékből) A sajtolás kétrészes fűtött szerszámban végzett nyomásos eljárás (12. ábra), amelyet sorozatgyártásnál alkalmaznak (pl. a korszerű kamion–vezetőfülkék, autóbusz és személyautó karosszériaelemek).
12. ábra Sajtoló szerszám kompozit termékek gyártására (SMC előtermékhez) A sajtolásnál előgyártmány lehet (13. ábra): BMC: Bulk Molding Compound: „alaktalan” kompozit előimpregnátum („premix”) szálerősítésből és mátrix oligomerből, SMC: Sheet Molding Compound: lemezformájú kompozit előgyártmány („prepreg”) tekercs alakban tárolva. Főbb felhasználói a villamosipar és a járműipar.
13. ábra BMC és SMC előtermékek
A BMC jelentősége kisebb, míg az SMC előgyártmány (Prepreg) jelentősége nagyobb, ezért részletesebben ezt tárgyaljuk. SMC /prepreg A prepreg (elő-impregnált erősítő struktúra) hő és nyomás alatt, elő-katalizált gyantával (60-70%) átitatott szövet vagy nem szőtt erősítő szerkezet (30-40%), amelyet ha a gyártó által megadott kis hőmérsékleten tárolnak, hetekig sőt hónapokig megőrzi feldolgozhatóságát. A prepreget kézzel vagy géppel fektetik a szerszámba. A térhálósítás során, a prepreg-gyártó által megadott hőprofilnak megfelelően (130–150°C), nyomás alatt (~ 20–40 bar ) hőkezelik a terméket (melegítés, hőntartás, hűtés). Az SMC (prepreg) először ömledékállapotba kerül: „megfolyik”, kitölti a szerszámüreget, majd hamarosan – a kémiai iniciátor hatására – a viszkozitás újra növekedni kezd és kialakul a térhálós, szálerősített rendszer. Tevékenység: Figyelje meg a 14. ábrát és jegyezze meg, hogy milyen előtermékekből indulhatnak ki a sajtolás során! Keressen az interneten SMC és BMC előtermékből előállított alkatrészeket!
14. ábra Sajtolás SMC és BMC előtermékekből
Előnyök:
Nagy száltartalom, egyenletes termék minőség. Környezetbarát, tiszta technológia (minimális káros anyag emisszió, minimális hulladék). A gyantát speciálisan a termék céljainak megfelelően fejlesztik, nincs viszkozitás korlát. Automatizálható technológia.
Hátrányok:
Nagyobb alapanyagköltségek. Általában autokláv szükséges.
Jellemző felhasználás: Kisebb méretű hajók, teher- és gépjárműalkatrészek gyártása
15. ábra SMC előtermékek és az előállított kompozit termékek
Pultruzió
Tevékenység: Gyűtse ki és tanulja meg a pultrúzió technológiai lépéseit, az eljárás jellemzőit, előnyeit és hátrányait, alkalmazási területeit!
Tevékenység: A pultrúziós technológia szemléltetésére nézze meg az alábbi video anyagokat! http://www.youtube.com/watch?v=rcBcotLOwdk http://www.youtube.com/watch?v=LsPuI_xPe38&feature=related Az eljárás folytonos technológia, amely hosszirányú, folytonos szállal történő erősítést tesz lehetővé. A térhálósítás befejeztéig jelentős húzásnak van kitéve a termék. Tevékenység: Figyelje meg a 16. ábrát és jegyezze meg a pultrúzió technológiai lépéseit!
16. ábra. A pultrúzió technológiája A pultrúzió technológia lépései: A szálkötegeket először gyantafürdőn vezetik át, így gyantával átitatják (impregnálják), majd egy fűtött szerszámba vezetik - a szerszámforma a gyártandó profil alakjának megfelelő - és ott egyesítik őket. A térhálósítás (kikeményítés) itt megy végbe állandó hosszirányú feszítés mellett. A térhálósodás után a profilokat megfelelő hosszúságra vágják. A kompozit profilok a hosszirányú erősítésnek köszönhetően különösen nagy húzó- és hajlítószilárdsággal rendelkező terméket lehet előállítani. Hasonló elven kompozit lemezeket is gyártanak. A pultrúzión előnyei:
Nagyon gyors és gazdaságos eljárás. A termék száltartalma pontosan beállítható.
Az alapanyag költségek a szálak vonatkozásában alacsonyak, a gyári kiszerelésről direkt módon felhasználhatók. Nagy száltartalmat lehet elérni, jó mechanikai tulajdonságú termék gyártható. Mivel a szálak gyantával történő átitatása zárt térben történik, csekély a sztirol emisszió.
Hátrányok:
Csak állandó vagy közel állandó keresztmetszetű termékek gyártására alkamas. Az előállítás költségét megnöveli a szerszám fűtése.
Jellemző felhasználás: Tartók és gerendák tetőszerkezetekhez, hidakhoz, létrákhoz, vázszerkezetek. Tevékenység: Jegyezze meg a pultrúzióval gyártott elemek alkalmazási lehetőségeit és keressen az interneten további, pultrúzióval előállított termékeket!
17. ábra Pultrúzióval előállított cső és profiltermékek alkalmazása Önellenőrző kérdések: Ö1 feladat: Sorolja fel és írja le a füzetébe a hőre nem lágyuló kompozitok két legjellemzőbb mátrix anyagát és a három legelterjedtebb erősítőanyagot! Mátrix anyagok: epoxi és poliészter gyanta Erősítő anyagok: üvegszél, szénszál és aramidszál Ö2 feladat: Írja le a füzetébe, hogy milyen előnnyel jár a hőre nem lágyuló kompozitok réteges felépítése? A termék mechanikai tulajdonságai az igénybevétel erővonalai mentén minimális önsúly mellett optimalizálhatók. Ö3 feladat: Sorolja fel és írja le a füzetébe a kompozit szerkezet tervezésének lépéseit! • •
A fő terhelési irányok meghatározása A rétegek méretezése
• •
A rétegrend kialakítása Egyéb gyárthatósági paraméterek: költségek, szériaszám, technológia meghatározása.
Ö4 feladat: Döntse el, hogy az alábbi felsorolásból melyek az igaz (i) vagy hamis (h) állítások a kézi laminálás technológiájára vonatkozóan! Formaleválasztó réteg felvitele a szerszámra. (i) A munkafelületre vákuumfóliát helyeznek, amelyet légmentesen a kétoldalú ragasztó rögzít körbe a munkafelülethez. (h) Az erősítőrétegeket a szerszámba helyezik, majd feltöltik folyékony gyantával. (h) Különféle szálerősítő rétegek (pl.: üvegpaplan, üvegszövet) és a gyanta felvitele váltakozva. (i) A gyantával történő átitatás kézzel, ecset, henger segítségével. (i) A légzárványokat kézzel görgőzik ki. (i) Bordák, fémbetétek, megvastagítások is beépíthetők. (i) Szórópisztolyból egyidejűleg szórják fel a vágott üvegszál-rovingot, valamint az iniciátorral és gyorsítóval kevert gyantát. (h) Szendvicsszerkezet is készíthető. (i) Folytonos technológia, amely hosszirányú, folytonos szállal történő erősítést tesz lehetővé. (h) A felületen gyantában dús geal-coat réteg kialakítása.(i) 5. Ö5 feladat: Döntse el az állítások helyességét (i/h) az alábbi felsorolásból a vákuum injektálás technológiájára vonatkozóan! Kétrészes fűtött szerszámban végzett nyomásos eljárás. (h) Formaleválasztó réteget visznek fel a szerszámra. (i) A munkafelületre vákuumfóliát helyeznek, amelyet légmentesen a kétoldalú ragasztó rögzít körbe a munkafelülethez. (i) Különféle szálerősítő rétegek (pl.: üvegpaplan, üvegszövet) és a gyanta felvitele váltakozva. (h) A szerszám felőli oldalról a laminátumot levákuumozzák. (i) A gyantát adagoló csonkon keresztül juttatják az erősítő struktúrára. (i) Az erősítőrétegeket szárazon elhelyezik a szerszámban(i) A gyantával történő átitatás kézzel, ecset, henger segítségével. (h) Szórópisztolyból egyidejűleg szórják fel a vágott üvegszál-rovingot, valamint az iniciátorral és gyorsítóval kevert gyantát. (h) Szendvicsszerkezet is készíthető. (h) Folytonos technológia, amely hosszirányú, folytonos szállal történő erősítést tesz lehetővé. (h) Ö6 feladat: Döntse el az állítások helyességét (i/h) az alábbi felsorolásból sajtolás technológiájára vonatkozóan! Kétrészes fűtött szerszámban végzett nyomásos eljárás. (i)
A munkafelületre vákuumfóliát helyeznek, amelyet légmentesen a kétoldalú ragasztó rögzít körbe a munkafelülethez. (h) Különféle szálerősítő rétegek (pl.: üvegpaplan, üvegszövet) és a gyanta felvitele váltakozva. (h) A szerszám felőli oldalról a laminátumot levákuumozzák. (h) Sorozatgyártásnál alkalmazzák. (i) A gyantát adagoló csonkon keresztül juttatják az erősítő struktúrára. (h) Az erősítőrétegeket szárazon elhelyezik a szerszámban(h) A gyantával történő átitatás kézzel, ecset, henger segítségével. (h) A légzárványokat kézzel görgőzik ki. (h) Folytonos technológia, amely hosszirányú, folytonos szállal történő erősítést tesz lehetővé. (h) Kis- és közepes széria gyártására alkalmas. (h) Az előgyártmány lehet SMC, vagy BMC előimpregnátum. (i) Az előtermék hetekig (hónapokig) megőrzi feldolgozhatóságát megfelelő hőmérsékleten tárolva. (i) A térhálósítás szobahőmérsékleten, nagy nyomáson történik. (h)
6. Ö7 feladat: Döntse el az állítások helyességét (i/h) az alábbi felsorolásból a pultrúzió technológia jellemzőire! Az erősítőrétegeket szárazon elhelyezik a szerszámban (h) A gyantával történő átitatás kézzel, ecset, henger segítségével. (h) Folytonos technológia, amely hosszirányú, folytonos szállal történő erősítést tesz lehetővé. (i) Szórópisztolyból egyidejűleg szórják fel a vágott üvegszál-rovingot, valamint az iniciátorral és gyorsítóval kevert gyantát. (h) Szendvicsszerkezet is készíthető. (h) Az eljárással profiltermékeket gyártanak. (i) A térhálósítás szobahőmérsékleten, nagy nyomáson történik. (h) A térhálósítás befejeztéig jelentős húzásnak van kitéve a termék. (i) Különféle szálerősítő rétegek (pl.: üvegpaplan, üvegszövet) és a gyanta felvitele váltakozva. (h) A Kétrészes fűtött szerszámban végzett nyomásos eljárás. (h) A gyantát adagoló csonkon keresztül juttatják az erősítő struktúrára. (h) A technológiához szálkötegeket használnak, ezeket először gyantafürdőn vezetik át, így gyantával átitatják. (i) A térhálósítás (kikeményítés) fűtött szerszámban megy végbe állandó hosszirányú feszítés mellett. (i) Ö8 feladat: Döntse el az állítások helyességét (i/h) az alábbi felsorolásból a pultrúzió technológiára vonatkozóan!
Nagyon gyors és gazdaságos eljárás. (i) A gyantát speciálisan a termék céloknak megfelelően fejlesztik, nincs viszkozitás korlát. (h)
Egészségkárosító hatás a jelentős sztirol emisszió miatt. (h) A termék száltartalma pontosan beállítható. (i) Nagy száltartalmat lehet elérni, jó mechanikai tulajdonságú termék gyártható. (i) Mivel a szálak gyantával történő átitatása zárt térben történik, csekély a sztirol emisszió. (i) A termékek gyanta dúsak és ez által túl súlyosak lehetnek. (h) Megfelelő szakképzettséget igényel. (h) Csak állandó vagy közel állandó keresztmetszetű termékek gyártására alkamas. (i)
Ö9 feladat: Döntse el az állítások helyességét (i/h) az alábbi felsorolásból az SMC technológiára vonatkozóan!
Csak kis viszkozitású gyanták alkalmazhatók. (h) Nagy száltartalom, egyenletes termék minőség. (i) Kis alapanyagköltségek. (h) Általában autokláv szükséges. (i) Környezetbarát, tiszta technológia (minimális káros anyag emisszió, minimális hulladék). (i) Csak állandó vagy közel állandó keresztmetszetű termékek gyártására alkamas. (h) A gyantát speciálisan a termék céljainak megfelelően fejlesztik, nincs viszkozitás korlát. (i) Automatizálható technológia. (i) A termékek gyanta dúsak és ez által túl súlyosak lehetnek. (h) Megfelelő szakképzettséget igényel. (h) Egészségkárosító hatás. (h)
Ö10 feladat: Az egyes alkalmazási területekhez, példákhoz jelölje be az alkalmazható technológiákat. Lehet több jó megoldás is! kézi szálszórás vákuum- SMC Pultrúzió laminálás injektálás sajtolás Karosszéria X X elemek fürdőkádak X Tartók és X gerendák SzélturbinaX X X lapátok Kamion fülke X hajók X X X X építészeti elemek X Járműalkatrészek X X X X X Vázszerkeztek X Modulzáró kérdések: M1 feladat: A következő kérdés a hőre nem lágyuló kompozitokra vonatkozik. Válassza ki a helytelen állítást! a. Előnye a réteges felépítésben rejlik.
b. Mátrix anyagául általában epoxi, vinilészter és poliészter gyantákat alkalmaznak. c. Legfontosabb gyártási technológiáinak egyike a vákuumformázás. d. Elterjedten alkalmazzák ezeket a kompozitokat az autóiparban, a repülőgépgyártásban, a hajógyártásban és az építészetben. M2 feladat: Válassza ki a helytelen állítást a kézi laminálásra vonatkozóan! a. Kézi technológia, elsősorban prototípus és kis sorozat gyártására alkalmazzák. b. A berendezés, a szerszám és az alapanyag olcsó, viszont a mukaerő drága c. Hátránya, hogy csak gyenge vagy közepes mechanikai tulajdonságok alakíthatók ki. d. Hátránya, hogy a megvalósítható geometria erősen korlátozott. M3 feladat: Válassza ki a helytelen állítást a hőre nem lágyuló polimer kompozitok gyártására vonatkozóan! a. A kézi laminálást kis sorozat gyártására alkalmazzák. b. A szórás közepes szériájú gyártást tesz lehetővé. c. Vákuum injektálás során először az erősítő rétegeket a szerszámba helyezik. d. Vákuum injektálás második lépésében feltöltik a szerszámot folyékony gyantával, és a szerszámfeleket nagy nyomással magas hőmérsékleten összenyomják. M4 feladat: Válassza ki a helytelen állítást a hőre nem lágyuló anyagok sajtolására vonatkozóan! a. Kétrészes fűtött szerszámban végzett nyomásos eljárás. b. Alapanyként az extrúzióval előállított lemezt, vagy granulátumot használja. c. A BMC, SMC technológiát sorozatgyártásnál alkalmazzák. d. Az SMC lemezformájú kompozit előgyártmány („prepreg”) tekercs alakban tárolva. M5 feladat: Válassza ki a helytelen állítást a pultrúzióra vonatkozóan. a. Az eljárás az extrúzióhoz hasonlít, folytonos technológia, amely hosszirányú, folytonos szállal történő erősítést tesz lehetővé. b. A szálkötegeket először gyantával itatják át. c. A térhálósítás befejeztéig jelentős húzásnak van kitéve a termék. d. A térhálósítást követően az anyagot egy fűtött szerszámba vezetik, ahol a megfelelő formára alakítják. M6 feladat: Döntse el az állítások helyességét (i/h) az alábbi felsorolásból a kézi laminálás technológia jellemzőire vonatkozóan! Formaleválasztó réteg felvitele a szerszámra. (i) A munkafelületre vákuumfóliát helyeznek, amelyet légmentesen a kétoldalú ragasztó rögzít körbe a munkafelülethez. (h) Kétrészes fűtött szerszámban végzett nyomásos eljárás. (h) Az erősítőrétegeket a szerszámba helyezik, majd feltöltik folyékony gyantával. (h) Különféle szálerősítő rétegek (pl.: üvegpaplan, üvegszövet) és a gyanta felvitele váltakozva. (i) A gyantával történő átitatás kézzel, ecset, henger segítségével. (i) A légzárványokat kézzel görgőzik ki. (i) Bordák, fémbetétek, megvastagítások is beépíthetők. (i)
Szórópisztolyból egyidejűleg szórják fel a vágott üvegszál-rovingot, valamint az iniciátorral és gyorsítóval kevert gyantát. (h) Szendvicsszerkezet is készíthető. (i) Folytonos technológia, amely hosszirányú, folytonos szállal történő erősítést tesz lehetővé. (h) A felületen gyantában dús geal-coat réteg kialakítása.(i) Hajók, építészeti elemek készítésére is alkalmazzák. (i) Gépjárművek karosszéria elemeinek jellemző gyártási technológiája. (h) Vázszerkezetek gyártására is használják. (h)
7. M7 feladat: Döntse el az állítások helyességét (i/h) az alábbi felsorolásból az SMC technológiára vonatkozóan!
Automatizálható technológia. (i) A termékek gyanta dúsak és ez által túl súlyosak lehetnek. (h) Csak kis viszkozitású gyanták alkalmazhatók. (h) Nagy száltartalom, egyenletes termék minőség. (i) Olcsó alapanyag. (h) Általában autokláv szükséges. (i) Csak állandó vagy közel állandó keresztmetszetű termékek gyártására alkalmas. (h) Környezetbarát, tiszta technológia (minimális káros anyag emisszió, minimális hulladék). (i) A gyantát speciálisan a termék céljainak megfelelően fejlesztik, nincs viszkozitás korlát. (i) Megfelelő szakképzettséget igényel. (h) Gépjárművek karosszéria elemeinek jellemző gyártási technológiája. (i) Vázszerkezetek gyártására is használják. (h)
M8 feladat: Döntse el az állítások helyességét (i/h) az alábbi felsorolásból a vákuum injektálás technológia jellemzőire vonatkozóan! Kétrészes fűtött szerszámban végzett nyomásos eljárás. (h) Formaleválasztó réteget visznek fel a szerszámra. (i) A munkafelületre vákuumfóliát helyeznek, amelyet légmentesen a kétoldalú ragasztó rögzít körbe a munkafelülethez. (i) Különféle szálerősítő rétegek (pl.: üvegpaplan, üvegszövet) és a gyanta felvitele váltakozva. (h) A szerszám felőli oldalról a laminátumot levákuumozzák. (i) A gyantát adagoló csonkon keresztül juttatják az erősítő struktúrára. (i) Az erősítőrétegeket szárazon elhelyezik a szerszámban(i) A gyantával történő átitatás kézzel, ecset, henger segítségével. (h) A légzárványokat kézzel görgőzik ki. (h) Szórópisztolyból egyidejűleg szórják fel a vágott üvegszál-rovingot, valamint az iniciátorral és gyorsítóval kevert gyantát. (h) Szendvicsszerkezet is készíthető. (h)
Folytonos technológia, amely hosszirányú, folytonos szállal történő erősítést tesz lehetővé. (h) Közepes méretű hajók készítésére is alkamazzák. (i) Gépjárművek karosszéria elemeinek egyik jellemző gyártási technológiája. (i) Vázszerkezetek gyártására is használják. (h)
M9 feladat: Írja le a képeken mellé a megnevezésének számjelét! kézi laminálás, szálszórás, vákuum zsákos eljárás, vákuum-injektálás, SMC, BMC, 6. Pultrúzió 1. 2. 3. 4. 5.
kompozit technologiak modulzaro.jpg
A
1
B
3
C
5
D
6
E
4
szemléltetett
technológiák
betűjele
