KOMÓCSIN MIHÁLY GÉPIPARI ANYAGISMERET

KOMÓCSIN MIHÁLY

GÉPIPARI ANYAGISMERET

Miskolc 2001

Lektorálta:

Dr. Káldor Mihály egyetemi tanár, a műszaki tudomány doktora

© Dr. Komócsin Mihály, 1995, 2001 Grafikai munkák: Komócsin Péter Minden jog fenntartva, beleértve bárminemű sokszorosítás, másolás, elektronikus médiumban való feldolgozás és közlés jogát is a könyv egészére vagy annak egyes részeire.

ETO : 621.7./9, 669.017 ISBN : 963 04 8287 5

Első kiadás, 1995 Második kiadás, 1997 Harmadik, átdolgozott kiadás, 2001 Kiadja a COKOM Kft., Miskolc Nyomás és kötés: OFFICINA Press Kft., Szeged Felelős vezető: Dr. Kékes Tiborné Formátum: B5 Ívterjedelme: 25,5 (B5)

TARTALOM Előszó Bevezetés 0.

1.

Az ipari anyagok szerkezete és tulajdonságai 0.1

Az anyagok mikroszerkezete

12

0.2

A mikroszerkezet és a tulajdonságok kapcsolata

19

Fémek előállítása 1.1

Ásvány-előkésztés

25

1.1.1

26 26 27 31

1.1.2 1.2

2.

Ércdúsítás 1.1.1.1 Ércdúsítás fizikai eljárásai 1.1.1.2 Ércdúsítás kémiai eljárásai Ércdarabosítás

Fémkinyerés

32

1.2.1

A fémkinyerés elektrometallurgiai módszerei 1.2.1.1 Alumíniumkohászat

35 40

1.2.2

Fémek kinyerése pirometallurgiai módszerei 1.2.2.1 A nyersréz előállítása kéneskőből 1.2.2.2 A nyersvasgyártás

43 43 43

Fémek tisztítása és ötvözése 2.1

Konverteres acélgyártás

51

2.2

Elektroacélgyártás

60

2.3

Kemencén kívüli finomító eljárások

64

2.3 1

2.4

Az acél ötvözése és a gáztartalom csökkentése kicsapatással

65

2.3.2

Az acél kezelése szilárd anyag injektálásával

70

2.3.3

Az acél tisztítása szintetikus salakkal

72

2.3.4

Az acél vákuumozása

72

2.3.5

Az acél kezelése gázátfúvatással

74

Nagytisztaságú fémek előállítása

75

2.4.1

Finomítás elektrolízissel

75

2.4.2

A zónás átolvasztás

77

V

3.

A fémek és ötvözeteik kristályosítása 3.1

3.2

4

A kristályosodás

79

3.1.1

A hőmérséklet-különbség irányította kristályosodás

81

3.1.2

A koncentráció-különbség irányította kristályosodás

84

3.1.3

Az eutektikum kristályosodása

88

Kristályosító eljárások

89

3.2.1

Tuskóöntés

90

3.2.2

Folyamatos öntés és kristályosítás

94

3.2.3

Öntvehengerlés

96

Fémek és ötvözeteik 4.1

4.2

Egyfázisú fémes anyagok

97

4.1.1

A színfémek tulajdonságai

97

4.1.2

A színfémek tulajdonságainak módosítása

102

4.1.3

Szilárdoldatok 4.1.3.1 A szubsztitúciós szilárdoldatok 4.1.3.2 Az intersztíciós szilárdoldatok

112 112 140

Többfázisú fémes anyagok 4.2.1

4.2.2 4.2.2.1

4.3

VI

A fázisok minőségének és mennyiségének változtatása ötvözéssel 4.2.1.1 Szerkezeti acélok 4.2.1.2 Öntöttvasak A fázisok alakjának változtatása Temperöntvények 4.2.2.2 Nemesíthető acélok 4.2.2.3 Bénites szerkezetű acélok 4.2.2.4 Alakadó technológiákhoz kifejlesztett acélok 4.2.2.5 Szerszámacélok 4.2.2.6 Kiválásosan keményedő alumínium- és rézötvözetek

148 149 150 161 166 166 170 189 191 199 214

Kérgesített anyagok

225

4.3.1

Felületi edzés

225

4.3.2

Felületötvöző hőkezelés 4.3.2.1 Cementálás, betétedzés 4.3.2.2 Nitridálás, karbonitridálás 4.3.2.3 Boridálás

228 229 232 234

5

Kerámiák 5.1

Egyatomos kerámiák

235

5.2

Oxidmentes vegyületkerámiák

237

5.2.1

Keményfémek, cermetek, keramikus lapkák

238

5.2.2

Kerámia-bevonatok

242

5.3

6

Oxidkerámiák

242

5.3.1

Üvegek

243

5.3.2

Kristályos oxidkerámiák

245

5.3.3

Kristályos hidrátok

247

Polimerek 6.1

6.2

7

Műanyagok előállítása

251

6.1.1

Polimerek szerkezete

254

6.1.2

Műanyagok szerkezete

257

Műanyagok és tulajdonságaik

258

6.2.1

Hőre lágyuló műanyagok ( termoplasztok )

258

6.2.2

Hőre keményedő műanyagok ( duroplasztok )

262

6.2.3

Műkaucsukok ( elasztomerek )

264

Társított szerkezeti anyagok 7.1

Szemcsés adalékú társított anyagok

270

7.2

Szálerősítésű társított anyagok

272

7.3

Rétegelt társított anyagok

280

7.4

Bevont anyagok

281

8.

Anyagok károsodása, anyagkiválasztás 8.1

8.2

Anyagok igénybevétele és károsodása

284

8.1.1

Anyagok igénybevétele

284

8.1.2

Anyagok károsodása 8.1.2.1 Törés 8.1.2.2 Leromlás 8.1.2.3 Kopás 8.1.2.4 Korrózió

285 286 288 289 291

Anyagkiválasztás 8.2.1

Az anyagkiválasztás műszaki szempontjai

293 294

VII

VIII

8.2.2

Az anyagkiválasztás gazdasági szempontjai

296

8.2.3

Példák az anyagkiválasztásra

298

BÖHLER acélok

300

Melléklet

303

Irodalom

313

Fogalmak

315

Tárgymutató

325

Szabványmutató

354

Anyagmutató

355

Szabványjegyzék

361

Kérdések és feladatok

367

ELŐSZÓ AZ ELSŐ KIADÁSHOZ Világunk, az anyagok világa határtalanul gazdag, változatos és sokrétű. Ez a sokszínű világ - amely körülvesz bennünket és amelynek egyben részei is vagyunk -, átfogja az atmoszféra egyszerű atomjaitól a rendkívül összetett szerkezetű élő, szerves molekulákig az anyagok fajtáinak millióit. Látszólag az anyagoknak ez a rendkívüli változatossága fel sem fogható az emberi elme számára. Ma talán még így is van. Az anyagok szerkezetéről, tulajdonságairól egyre több ismeretre teszünk szert, ezért már napjainkban is mód nyílik arra, hogy mikró- és makroszkopikus szerkezetük ismeretében legfontosabb tulajdonságaikat meg lehessen határozni olyan anyagok esetében is, amelyeket még elő sem állítottak. Többszázezer év választja el az egyszerű kőszerszámot pattintó előembert napjaink, óriásmulekula-láncait tervező kutatóitól, de mégis ugyanaz a szándék köti őket össze: uralom az anyag felett. Alapvető különbség közöttük csupán az, hogy az előember csak használta azt, napjaink embere viszont meg is akarja ismerni és a közöttük lévő törvényszerűségeket szeretné meg is érteni. A mérnökök munkájuk eredményét az anyagok egy viszonylag szűk körében álmodják és valósítják meg. Ez a viszonylag szűk kör így is több ezer féle anyagot jelent. Meglehetősen reménytelen vállalkozás az ipari anyagoknak akár csak a legfontosabb tulajdonságait is észben tartani. Az ipari anyagok széles választékában az eligazodást azok az alapvető törvényszerűségek ismerete jelentheti, amelyek kapcsolatot teremtenek az anyag vegyi összetétele, szerkezete és tulajdonságai között. A mérnöki munkában nap, mint nap ki kell választani a gyártmányhoz leginkább megfelelő anyagokat, vagy előírt anyag-minőségekből el kell készíteni egy terméket. Ezek a napi feladatok csak úgy oldhatók meg sikeresen, ha a mérnök ismeri a tervezett, ill. felhasznált anyagok tulajdonságait, ezek módosításának lehetőségeit és viselkedésüket a gyártás során. A könyv terjedelmi-, és a szerző ismereteinek korlátai miatt nem vállalkozhat arra, hogy a műszaki feladatok megoldása során felvetődő minden kérdésre megoldási sémát adjon. Az azonban célja, hogy az anyag szerkezete és tulajdonságai közötti kapcsolat, vagyis fémfizikai és fémtani ismeretek alapján ismertesse a gépészeti gyakorlatban leginkább használatos anyagok körét azoknak a mérnököknek, ill. egyetemi-, főiskolai hallgatóknak, akik nem a szűken értelmezett anyagtudományi területen dolgoznak, ill. tanulnak. Abból a megfontolásból kiindulva, hogy a tisztelt Olvasó számára a könyv a gyakorlati feladatok megoldásához a legközvetlenebb segítséget nyújthassa, a fémfizikai és fémtani ismeretek csak az éppen szükséges mértékűek. Ez a megközelítés természetesen nem jelenthet igénytelenséget. Ezt elkerülendő a könyv végén található irodalomjegyzék, amely a további, elmélyült tanulmányozásra szolgáló, egy-egy szakterület alapvető szakirodalmát foglalja össze. A könyv még a szerkezeti anyagok köréből is válogatásra kényszerül, s mint minden válogatás, természetesen ez sem mentes a szubjektivizmustól. A válogatás minden bizonnyal tükrözi a gépészmérnök szerző szakmai tevékenységi körét. A könyv korlátai és fejlesztésének szükségessége nyilvánvalóak, amiben közrejátszott a rendelkezésre álló szűk idő is. E kényszerítő ok miatt kellett befejezni a kézirat összeállítását, nem pedig azért, mert minden lényeges kérdés teljes mélységű kidolgozásra került, mégkevésbé azért, mert a könyv elérte a tartalmi tökéletességet és tovább már nem csiszolható a tartalma, formája és nyelvezete.

IX

Remélhetőleg a könyv hasznos segítséget jelent az egyetemi oktatásban is azon gépészmérnök hallgatóknak, akik a könyvével azonos tartalmú tantárgyat tanulnak. Figyelemmel arra, hogy a könyv tankönyvül is szolgál, stílusában a közérthetőségre, a könnyű tanulhatóságra is igyekszik hangsúlyt fektetni. Ez szükségszerű egyszerűsíté-sekhez vezet, ami remélhetőleg nem jelent egyben pongyolaságot is. Az anyagok tárgyalási sorrendje, amely az egyszerűbbtől az összetettebb anyagok irányában halad, ezért gyakran nem a célszerűséget, hanem az ésszerűséget követi. Köszönettel tartozom egyetemi- és tanszéki kollégáimnak, akik feladataim egy részének átvállalásával megteremtették a könyv megírásának lehetőségét. Külön is szeretném megköszönni tanártársamnak, dr. Lizák Józsefnek a támogatását, aki a kézirat első olvasójaként tapasztalatával és széleskörű ismereteivel segítette a könyv megszületését. Hálás köszönettel tartozom dr. Káldor Mihály professzor úrnak, a műszaki tudomány doktorának lelkiismeretes lektori munkájáért és a könyv szakmai színvonalát javító tanácsaiért. Végül, de nem utolsó sorban azoknak a cégeknek mondok köszönetet, mint a Borsodi Ércelőkészítő Mű. Rt.-nek, a BŐHLER Kereskedelmi Kft-nek, a LINDE GÁZ Magyarország Rt.-nek, a MOL Rt.-nek, TÜV Rheinland EUROQUA Kft.-nek, a TÜV Rheinland Hungária-nak, akik hirdetéseikkel is támogatták a könyv megjelenését. Miskolc, 1995. július

ELŐSZÓ A MÁSODIK KIADÁSHOZ A könyv valamennyi példánya még a kiadás évében elfogyott. Talán lehet ezt a tényt úgy értelmezni, hogy a könyvet nemcsak az egyetemi- és főiskolai hallgatók, hanem az iparban dolgozó szakemberek is érdeklődéssel fogadták. Ezért örömmel készítettem elő egy új, nagyobb példányszámú, igényesebb kivitelű kiadást. Az új kiadás nemcsak néhány javítást és a szabvány változás miatti módosítást, hanem a tanulást segítő kérdésgyűjteményt is tartalmaz. Ezt a bővítést a Pro Renovanda Cultura Hungariae Alapítvány támogatása tette lehetővé. Bízom abban, hogy a hallgatók és egyben az üzemi szakemberek is hasznos segítséget találnak a könyv új, bővített kiadásában. Köszönet illeti az ALCOA-KÖFÉM Kft-t, a BŐHLER Kereskedelmi Kft-t, a Diósgyőri Acélmű Rt.-t, a DUNAFERR Acélművek Kft.-t, a LINDE GÁZ Magyarország Rt.-t, a Magyar Alumínium Rt.-t, a METALCONTROL Kft.-t, a TÜV Rheinland Hungária Kft.-t, a Zalakerámia Rt.-t, és a ZOLTEK Magyar Viscosa Rt.-t akik hirdetéseikkel is támogatták a könyv újbóli megjelenését. Miskolc, 1997. május

X

ELŐSZÓ A HARMADIK, ÁTDOLGOZOTT KIADÁSHOZ Magyarország csatlakozási szándéka az Európai Országok Közösségéhez az európai jogharmonizáció részeként jelentős változásokat hozott a szabványokban is. A Gépipari Anyagismeret c. könyv keresettségét az ipari szakemberek körében nem csekély mértékben az jelenti, hogy anyagjelölései, adatai követik a szabvány változásokat. Ezért az újra megjelenő kiadásokban ezt a frissítést mindenképpen el kell végezni. Az új kiadás nyújtotta lehetőségeket kihasználva egy jelentősebb, a korábbi kiadás mintegy harmadára kiterjedő átdolgozásra is sor került. Az átdolgozás során az elmúlt tíz évben az anyagtudományban elért új eredményeken, az anyagfelhasználás arányainak változásán túl külön figyelmet kívántunk szentelni a környezeti hatásokra, az anyag újrafeldolgozásának lehetőségeire és folyamataira. Az átdolgozás során az anyagismeret egyetemi és főiskolai szintű oktatásának tapasztalatait is hasznosítani kívántuk, hisz a könyv egyik alapvető célja, hogy segítse a felsőoktatás ilyen tartalmú tantárgyainak elsajátítását. Ebben a törekvésben jelentős és önzetlen segítséget kaptam Kovács Ferenc és dr. Scheffer József egyetemi kollégáimtól. Köszönet illeti a BŐHLER Kereskedelmi Kft-t, a FERROGLOBUS Thyssen Rt.-t, a GUARDIAN HUNGUARD Kft., a LINDE GÁZ Magyarország Rt.-t, a Magyar Alumínium Rt.-t, a METALCONTROL Kft.-t, a TÜV Rheinland Hungária Kft.-t, és a ZOLTEK Magyar Viscosa Rt.-t akik hirdetéseikkel is támogatták a könyv újbóli megjelenését. Bízom abban, hogy a hallgatók és egyben az üzemi szakemberek is hasznos segítséget találnak a könyv új, átdolgozott kiadásában. Miskolc, 2001. szeptember

Komócsin Mihály

XI

XII

BEVEZETÉS

„Az anyag a tudatunktól függetlenül létező objektív valóság, amelynek számtalan megjelenési formája van” definiálja az anyagot a Magyar Nagylexikon. Természetesen az ember maga is anyag, matéria. Mint a latin eredetű elnevezés szótöve a mater, anya szó is jelzi, az anyagot a mindent átfogó jellege határozza meg. Az anyag, amely az emberi léthez elengedhetetlen, amit az ember nyer ki a természetből, s alakít át olyanná, amely az igényeinek leginkább megfelelő, modern korunkban már hihetetlen formai gazdagságban áll rendelkezésre. Az anyagok igen sok szempont szerint csoportosíthatók. Egy ilyen csoportosítási szempont lehet valamely tulajdonság, pl. a halmazállapot, vagy az, hogy az anyag szerves, vagy szervetlen, de ilyen csoportosítási elv lehet az is, hogy az ember milyen típusú szükségleteinek kielégítésére használja azokat. Szinte bármilyen csoportosítást is választunk biztosan lesznek olyan anyagok, amelyek ilyen vagy olyan vonatkozásban akár több csoportba is sorolhatók. Ez utóbbi szempont szerinti csoportosításban az anyagok lehetnek: ⇒ létfenntartáshoz szükségesek, mint az élelmiszerek, ⇒ energiahordozók, mint a fosszilis tüzelőanyagok, ⇒ ipari anyagok, mint a fémek. A világ egy főre jutó anyagfelhasználása - olyan, a természetben ma még lényegében korlátozás nélkül rendelkezésre álló anyagok, mint a levegő és a víz kivételével - 2000-ben valamivel több mint 6 tonna volt. A felhasználási célnak megfelelő csoportosítás szerinti megoszlást szemlélteti az 1. diagram. Az 1. diagramból megítélhető, hogy az ember által „felhasznált”, pontosabban a természetből kivont, átalakított anyagok tömegüket tekintve legnagyobb mennyiségben ipari célokat szolgálnak. A mérnökök munkájuk során az ipari anyagokkal kerülnek kapcsolatba, a könyv ezen belül is elsősorban a szerkezeti anyagokkal foglalkozik. Az ipari célra használt anyagok köre, amely anyagfajták ezreit fogja át, az anyagot alkotó atomcsoportban levő atomok száma szerint további alcsoportokba rendezhető. A nagyszámú atomot tartalmazó vegyületek, a természetes és mesterséges szerves polimerek. A szervetlen anyagok néhány, legfeljebb tucatnyi atomot tartalmazó vegyületei képezik a második csoportot, amelyek közé sorolhatók például a kerámiák. Az ipari anyagok harmadik csoportjába tartoznak a jellemzően elemeket, esetleg nagyon egyszerű vegyületeket tartalmazó fémek és ötvözeteik.

BEVEZETÉS

energiahordozók 31%

ipari anyagok 46%

élelmiszerek 23%

1. diagram Anyagfelhasználási arányok Ennek a csoportosításnak megfelelően az ipari anyagok besorolhatók : ⇒ polimerek, mint a fa és a műanyagok, ⇒ kerámiák és egyszerű szervetlen vegyületek, mint a kő és a kvarcüveg, ⇒ fémes anyagok, mint a réz és az acél. A világ egy főre jutó ipari anyagfelhasználása 2000-ben már nem érte el a 4 tonnát. Az előző csoportosítás szerinti megoszlást szemlélteti a 2. diagram. polimerek 399 kg/fő

fémek 143 kg/fő kerámiák 2304 kg/fő

2. diagram Az ipari anyagok felhasználása A polimerek csoportján belül bár egyre csökkenő arányban, de még napjainkban is döntő többségében, mintegy 91%-os arányban természetes anyagokat, mint fát, természetes cellulózt, valamint növényi és állati eredetű szálakat hasz-

2

BEVEZETÉS

nálnak fel. A szintetikus gumi, a műanyagok egy főre jutó alkalmazása alig haladja meg évente a 36 kg-ot. A kerámiák és a velük rokon anyagok csoportjában az arányok nagyon hasonlóak. A cement-, üveg-, kőagyag-, cserép-, tégla-, porcelángyártás aránya a felhasznált kő, homok mennyiségéhez képest nem éri el a 10 %-ot. A fémek a természetben elemi formában gyakorlatilag egyáltalán nem fordulnak elő, ezért bár teljes tömegük az egyéb anyagcsoportokéhoz viszonyítva szinte elhanyagolható, mégis, ha csupán azokat az anyagokat tekintjük, amelyek lényeges emberi beavatkozáson esnek át, ezek körében a fémeknek van meghatározó jelentőségük. A 72 fémes elem közül a mindennapi életben nagyobb mennyiségben alig egy tucatnyit alkalmaznak. Az egyes fémek egy főre jutó termelését a 2000-es adatok alapján a 3. diagram szemlélteti. Hangsúlyozni kell, hogy a világátlag óriási különbségeket fed le régiók, de különösen az egyes országok ipari fejlettségétől függően.

vasötvözetek 129,6 kg/fő

alumínium 3,85 kg/fő réz 2,34 kg/fő cink 1,32 kg/fő egyéb 2,39 kg/fő

3. diagram A fémek termelési adatai A 3. diagram adataiból egyértelműen kitűnik, hogy tömegét tekintve a vas és ötvözetei a legnagyobb tömegben használt fémes anyag. A vas és ötvözetei után a legnagyobb mennyiségben gyártott fém az alumínium, a réz és az elsősorban ötvözőként használt cink. Ez a négy fém és ötvözetei képezi a fémfelhasználás több mint 98 %-át. A fémek alkalmazása átszövi az élet minden pillanatát, hirdetve az emberi munka, a tudás diadalát. Ezt az elfogultnak tűnő, patetikus állítást alátámasztja, hogy az emberiség nagy korszakainak határköveit az határozta meg, hogy mikor vált képessé a természetben található anyagokat a maga számára hasznos formájúvá átalakítani. Erre utal elnevezésében is a kő-, bronz- és vaskorszak. A homo sapiens azzal tudott kiemelkedni az állatvilágból, hogy képessé vált a természetben található javak - szükségletei szerinti - átalakítására. A több százezer éves első szakócák - a kőből pattintással készített balták -, a kézzel fogható tanújelei ennek az értelmi fejlődésnek. A szakóca pattintását tekinthetjük a legősibb

3

BEVEZETÉS

alakadó technológiának. Egyes kövek, mint a vulkanikus eredetű obszidián egy olyan fekete színű, kagylós törésű ásvány, amit az ősember pengének, nyílhegynek használt. Az obszidián kemény és jól pattintható anyag volt. Komoly értéket jelentett ez, hiszen lelõhelyei speciális vulkanikus területekhez kapcsolódnak. Az üveg története ezzel, a természetben talált üvegásvány (obszidián) felhasználásával kezdődött. Talán tízezer éve valamely ősünk észrevette, hogy a megfelelő alakúra formált agyag a tűz közelében megkeményedik és az így kiégetett cserépedényből a folyadék nem szivárog ki, sőt még izzó parázsra helyezve is szilárd marad. A lágy, jól formázható agyagból könnyen lehet a kívánt alakot kialakítani, ugyanakkor kiégetés után nagyon ellenálló anyag jön létre. A természetes eredetű, szervetlen anyagnak ez az eltérő tulajdonságokkal rendelkező másik anyaggá való, első tudatos átalakítása jelentette az anyagtechnológia, vagy más szóval az „anyagmérnöki” munka kezdetét. Az igényesebb kerámiatermékek csak úgy állíthatók elő, ha nem a parázsba ágyazva készülnek. Az igények növekedésével, a kerámia tárgyak előállítására szakosodott tevékenység, a fazekasság megjelenésével az alkalmi kemencéket felváltották a tartós, a tűztértől elválasztott munkaterű kétrészes kemencék. Egyiptomban megfigyelték, hogy bizonyos homokok alkalmazásakor a cserép felületét fénylő réteg burkolja be. A kétrészes kemencékben megteremtődött a lehetőség a többszörös kiégetésre, az esztétikailag szebb, mázas edények gyártására. Ezek a mázas edények voltak a kompozit anyagok „ősei”. A mázat alkotó, a cserép felületéről lecsorgó többlet anyag szép színes cseppecskéket alkotott, amit ékszerként lehetett viselni. Az első üveggyöngy leleteket Egyiptomban találták és korukat hétezer évesre becsülik. A régészeti leletek tanúsága szerint már hatezer évvel ezelőtt készítettek üvegmozaikokat és korsókat. Körülbelül hatezer éve a görög tudósok azt tanították, hogy minden anyag ugyanazon alapvető, oszthatatlan szubsztanciákból épül fel. Ez a vélekedés tekinthető az anyagtudomány eredetének. Bármilyen hosszú múltra tekint is vissza az anyagtudomány, sok-sok évezred telt el úgy, hogy az anyagok „előállítása”, gyártása, megmunkálása a megfigyelésekre, a felgyülemlett gyakorlati tapasztalatokra épült. Ilyen tapasztalati úton szerzett tudás vezethetett el a bronz felfedezéséhez. A fazekasság fortélyaiba beletanult ember véletlenül, talán hat és félezer évvel ezelőtt Cipruson, kétrészes kemencéjének építéséhez olyan kőzetet használt, amelynek egyik ásványa rézvegyület volt. A réz, szulfidos érceiből, mint a kalkozin (Cu2S) és a kovellin (CuS), nagyon egyszerűen kinyerhető. A tűztől felizzó érc kéntartalma a levegő oxigénjével érintkezve oxidálódik és füst formájában eltávozik. A tűz és a kénkiégés hője megolvasztja a rezet, ami becsorogva a hamu közé leülepszik, s a hamutakaró megóvja az esetleges oxidációtól. Az így megszilárdult rézcseppecskék azonban szabálytalan alakúak, így használatra gyakorlatilag alkalmatlanok voltak. Őseink azonban hamar rájöttek arra, hogyha a tűzhely aljára előzőleg elhelyeztek egy kívánt alakúra formázott cseréptálat, vagy homokból készített edénykét, az olvadt rézcseppecskék ebben gyűlnek össze, s kristályosodás során felveszik az edény formáját.

4

BEVEZETÉS

Ezzel az ember megtanulta a réz kohósítása mellett az öntés alapelemeit is. A réz eszközöket a ciprusiak, a görögök és az egyiptomiak is széleskörűen évezredeken keresztül használták, használati tárgyak, szerszámok és fegyverek készítésére. Azt, hogy az ón összeolvasztása a rézzel egy új, más tulajdonságú, a réznél lényegesen keményebb, nagyobb szilárdságú, ugyanakkor kisebb olvadáspontú, könnyebben önthető anyagot, a bronzot eredményezi, nem tudni hol és kik ismerték fel. A réz ércének és az ón ércének, a kassziteritnek, ami ón-dioxid, az összeolvasztása, vagyis a bronz előállítása mintegy ötezer évvel ezelőtt elvezette az emberiséget egy új korszakába, a bronzkorba. A bronz ugyanis az első olyan anyag, amely a természetben nem található, „mesterséges”, ember alkotta anyag. A vas első alkalmazásának Kínában és Indiában fellelt emlékei mintegy négyezer évesek. Ezeknek a régészeti leleteknek az anyaga vasban és nikkelben gazdag meteoritokból származott. A viszonylag nagy, 4...8 %-os nikkeltartalom megóvta a meteorit vasat az oxidációtól. Ezt igazolja, hogy mondákban visszamaradt ősi felfogás szerint a vas égi eredetű; az ég ajándékozta az emberiségnek. A Kalevalában a vas az ég gyermeke, a víznek és a tűznek testvére. De a vas félt testvérétől, ezért elrejtőzött a földbe, ahonnan Ilmarinen, az örök idők nagy kovácsa, kaparja ki és olvasztja meg műhelyében. "Egy napocska elteltével már a mocsárból kiásta, kitúrta a sáros földből, vitte a kovácsműhelybe. A kovács a tűzbe tette, kemencéjébe vetette. Fujtat egyszer, fujtat kétszer fujtat végre harmadszorra ömlik a vas, mint a kása mint a salak úgy megindul nyúlik, mintha tészta volna, kovács rakta roppant tűzbe a lobogó láng hevében." (Nagy Kálmán fordítása) Kr.e. 3000 körüli egyiptomi sírokban is találtak 7,5% Ni-tartalmú meteorvasból melegen kovácsolt vasgyöngyöket. A meteorvas előfordulása nagyon ritka. Ezért a vasötvözetek általánosabb alkalmazására csak azután kerülhetett sor, miután a földkéregben nagy gyakorisággal megtalálható vasércnek, az oxidos vegyületeknek a redukcióját az ember képes volt megoldani. Szemben a réz kohósításával, a vas előállítása vegyületeiből nem oldható meg a fatüzelésű tűzhelyen. A természetet járó, vadászó ember évezredekkel ezelőtt felfedezte, hogy egyes fekete kőzetek elégetve hosszantartó, nagy meleget adó, erős tüzet eredményeznek. Talán véletlenül, talán tudatosan, a tűzhely falazatául „barna követ”, vasércet választva megtalálta a vas-oxidok redukciójának technikáját. A parázsló kőszén nem teljes égése során keletkező szén-monoxid, érintkezve a vasérccel, attól

5

BEVEZETÉS

oxigént képes elvonni, vagyis redukálja. A kőszén égésekor keletkező hő, a lánghőmérséklet kevés ahhoz, hogy a vas megolvadjon. A redukálódott vasércből az oxigén a szén-monoxiddal vegyülve füst formájában távozik, hátrahagyva egy porózus szerkezetű, szilárd, néhány elemmel szennyezett vasat. A 2900 körül épített Cheops-piramis kövei közül viszont olyan vaskés került elő, amelyik nikkelmentes, tehát nem valószínű, hogy meteorvas. A későbbi századokból származó sírokban is számos vas használati eszköz volt. Az is bizonyos, hogy az ember hamarosan megszerette a vasat, és képes volt a "földből" is kinyerni és sokféleképpen hasznosítani. Az egyetlen nyitott kérdés, vajon hogyan sikerült évezredekkel ezelőtt a nagy olvadáspontú vasötvözetből a kívánt alakú terméket létrehozni. Ősi időkben a vasércből gödrökben, domboldalba vájt, agyaggal tapasztott üregekben - bucakemencékben - faszéntűzben, a faszén karbonjával redukálták a vaskristályokból és salakszemcsékből összeállt masszát, ún. nyers bucavasat. Ebben összekeveredve ugyan, de külön fázisban voltak a fémszemcsék és külön fázisban a salakszemcsék; őket a tapadáson kívül semmiféle más kötés nem tartotta össze. Mivel a karbont alig tartalmazó vaskristályok képlékenyek, ezért melegen való kovácsolás közben a salakszemcsék és salakerek - a kovácsolás hőmérsékletétől és a salak olvadáspontjától függően - vagy összetöredeztek és egy részük kipergett a bucából, más részük szétszóródva a vaskristályok közé záródott, vagy megolvadt és kovácsolás közben kifolyt, kispriccelt a fémtömbből. A "salaktalanított" vasbucából kovácsolták melegen vagy hidegen a használati eszközöket. Az időszámítás előtti 1400-as években Egyiptomban, a Közel-Keleten, Indiában, valamint a Földközi-tenger keleti medencéjében az emberek elkezdték az így előállított vasból a használati tárgyak, szerszámok és fegyverek készítését. A vasból készült tárgyak azonban nem tudták felvenni a versenyt az akkor általánosan elterjedt bronzból készült változataikkal. A versenyképes anyag a legalább 0,3 %-nyi karbont tartalmazó acél. Az időszámítás előtti 1000-as években a palesztinai Geraszban a vasrudakat faszénporba ágyazva ládaszerű kemencébe tették és regy héten át 1000 °C-on izzították, ezzel elkezdődött az acélgyártás egy ma is használatos technológia, a felületötvöző hőkezelés alkalmazásával. Ebben az időszakban az ember még képtelen volt olyan, közel 1500 oC-os hőmérsékletet létrehozni az egyszerű kis tűzhelyein, ami szükséges a vas megolvasztásához. Ezért a bronz termékek előállításánál megismert alakadó technológia, az öntés nem bizonyult használhatónak. Közel háromezer éven át, egészen a késői középkorig, érdemlegesen nem változott a vasgyártás technikája. Kialakultak a kizárólag vasredukcióra szolgáló tűzhelyek, a vasgyártó kemencék. Ezeket a kőfalazatú, zárt, gömbsüveg alakú, vagy a talajba süllyesztett kemencéket olyan helyre telepítették, ahol a szelek kellő oxigént juttattak a szén égéséhez, gyorsítva az égést és emelve ezzel a tűztér hőmérsékletét. A kemencében az izzó szén a vasérccel már közvetlen érintkezésbe is került. Ezzel a szén már nemcsak mint hőforrás, hanem mint közvetlen redukálószer is szerepet kapott.

6

BEVEZETÉS

Ezeknek a hatásoknak az együttes eredményeként, az ércből redukálódott vas apró cseppecskékben megolvadt, s lassacskán lecsurgott az izzó szénrétegen keresztül a kemence aljába, ahol az ércben előforduló meddő kőzet, a kemence falazatát alkotó mészkővel együtt egy kisebb olvadáspontú, ezért olvadt salakot alkotott. Az olvadt salak befedve a leülepedett és összegyűlt vascseppeket, megóvta a vasat az oxidációtól. A vascseppek az izzó szénrétegen átvezető útjuk során karbont oldottak, így jutott el az ó- és középkori ember egy új vasötvözethez, a forrasztott-acélhoz. Ez a hevítési módszer azonban nem tette lehetővé, hogy a kohó alján az acél olvadt állapotban legyen. A kemencébe rakott szén elégése után a kemence lehűlt és az aljából kikotorták a redukálódott fémet. Ezzel az eljárással, a direktredukcióval, nyert acél porózus szerkezetű volt, amire elnevezése, a vasszivacs is utal. A vasszivacs pórusaiban salakrészecskék maradnak, amelyek az acélt törékennyé teszik. A középkor híres damaszkuszi kard pengéi ennek ellenére mégis ebből az anyagból készültek. Az arab és spanyol mesterek a vasszivacsot széntűzben felmelegítették, majd sokszor átkovácsolták. Az átkovácsolás során a mindig újjá formálódó felületekről a salakrészecskék kipréselődtek és a kalapácsütések hatására a vasdarabkák összehegedtek, szemcsézetük finomodott. Ezzel az igen fáradságos, hosszadalmas, nagy tapasztalatot feltételező technológiával készültek a legjobb szerszámok és fegyverek. A nagy szaktudás-igény, a fáradságos, hosszadalmas megmunkálás miatt, a drága acéltermékek csak a kiváltságosok szűk köréhez juthattak el. Az 1300-as években Katalóniában megváltoztatták az évszázadok óta használt kemence konstrukcióját. A kemence torkát nem falazták be, továbbá a levegő befúvását már nem bízták a szél szeszélyére, hanem vízikerék hajtotta fújtatóval oldották meg. A bucagödrök és a bucakemencék több mint ötezer éven át szolgáltatták a földkerekség csaknem minden táján a kovácsolható vasat, miközben a kemenceépítés technikája és a technológiai módszer folyamatosan fejlődött. A fújtatóteljesítmény fokozása - vízikerék meghajtással - a kemencék magasítása és a hőkihasználás javulása következményeképp nőtt a kemencében uralkodó hőmérséklet. Ezekkel az apró újításokkal elérték, hogy az ércet, a faszenet nemcsak hideg állapotban lehetett beadagolni az új konstrukciójú kemencébe, a kohóba. A folyamatos üzemmel, így a hőveszteségek csökkentésével, a kellő mennyiségű levegő befúvatásával, ennek eredményeként az égés intenzifikálásával sikerült elérni a kohó hőmérsékletének jelentős növelését. A nagyobb hőmérsékletre felhevíthető kohóban a redukálódott vas nagyobb mennyiségű karbont tartalmazott. A vas karbontartalmának növekedésével egyidejűleg olvadáspontja is csökken, vagyis redukálódott vas megolvadt. Az olvadék további C-t és több-kevesebb Si-ot, Mn-t és P-t is oldott magában. Hígfolyós és csapolható lett. Tőle salakolvadék alakjában különültek el az érc nem redukálódott kísérőásványai. Az új technológia eredményeként egy új ötvözet, a 3...5 % karbontartalmú nyersvas termelése indult meg. Európában ez a fordulat a 14. század elejére tehető. A nyersvas, a nagy karbontartalom miatt rideg, kovácsolással gyakorlatilag nem alakítható vasötvözet. Nagy előnye viszont az acéllal szemben, hogy olvadás-

7

BEVEZETÉS

pontja mintegy 300 oC-al kisebb, egyszerűbb eszközökkel is újraolvasztható, majd célszerűen kialakított formába öntve, megszilárdítható. A középkor végén a kohászok felismerték, hogy a kohó falazatának anyaga jelentős befolyással van a nyersvas tulajdonságára. A mészkő falazatú kohókban termelt nyersvas salaktartalma kisebb. Ebből a tapasztalatból kiindulva, a kohóba szánt betétbe az ércen és a szénen kívül kis mennyiségű mészkövet is elkezdtek adagolni. A mészkő, a szilikátos meddővel vegyülve, alacsonyabb olvadáspontú, hígfolyósabb salakot képez. Az ilyen salak gyorsabban felúszik az olvadt vas felszínére, a nyersvas salaktartalma kisebb lesz. A salakképzők adagolása volt a nyersvasgyártásban az az utolsó lényeges lépés, amely elvezetett napjaink nyersvasgyártási technológiájához. A nyersvas és a belőle készülő öntöttvas-termékek már lényegesen olcsóbbak voltak, mint az acélgyártmányok, ezért széles körben elterjedtek. Az öntöttvas alkalmazási területe azonban az anyag rideg viselkedése miatt viszonylag szűk. Ahhoz, hogy a direktredukcióval előállított termék, az acél kiváló szilárdsági, szívóssági tulajdonságait elérhessék, a kohászoknak meg kellett oldani a nyersvas frissítését, karbontartalmának a csökkentését. Erre a feladatra a XVI-XVIII században több módszert is alkalmaztak. Az egyik megoldást az jelentette, hogy a darabokra tört nyersvas és faszén keverékével töltötték fel a kemencét. Levegőfelesleg mellett a faszén elégetésével újraolvasztották a fémet, s a többlet levegő oxigéntartalma kiégette az olvadt nyersvas karbontartalmának jó részét is. A vas a tűzben cseppenként olvadt meg. A lecsurgó vascseppek a fúvószéláram levegőjében oxidálódtak és a salakkal együtt a tűzhely alján gyűltek össze. Az oxidáció következtében a vas C-tartalma csökkent, olvadáspontja növekedett és - a viszonylag alacsony hőmérséklet miatt - képlékeny gomolya lett (gyakran nevezték lupának is). A gomolyát kovácsolással tisztították meg a bezáródott salakrészecskéktől. Egy korabeli acélműhely frisstűzből és közvetlenül mellé épített kalapácsból állt. A kalapács neve hámor volt, de rendszerint magát a műhelyt (frisstüzet és kalapácsot) értették a hámor elnevezés alatt. Az acélok iránti igény növekedését azonban nem tudta követni a frisstűzi eljárás, mert nem volt kellő mennyiségű, ehhez az eljáráshoz elengedhetetlen faszén. A nagy szennyezőtartalmú kőszén ugyanis nem kerülhet közvetlen érintkezésbe a frissítendő nyersvassal. Az olcsó, nagy tömegben rendelkezésre álló kőszén alkalmazását, az 1784-ben Henry Cort által szabadalmaztatott, kavaró eljárás oldotta meg. Ennél a frissítési eljárásnál a nyersvasat egy lángkemence tűzálló falazatú, sekély, tégelyszerű medencéjében helyezték el. A kőszenet levegőfelesleggel egy rostélyon elégetve, a képződő, meleg, oxigéndús füstgázt vezették rá a nyersvasra. Ezzel a megoldással megakadályozták hogy a kőszénben levő kén bejuthasson a nyersvasba. A füstgáz hőtartalma részben megolvasztja a betétet, az oxigénfelesleg kiégeti a nyersvasból a karbont. A karbontartalom csökkenésével az olvadáspont megnő, így a fürdőben a kis karbontartalmú acél kikristályosodik. A folyamat gyorsítása érdekében az izzó, részben megszilárdult fémet is tartalmazó olvadékot hosszú rudakkal forgatták. Innen ered az így gyártott acél elnevezése is, a kavartacél.

8

BEVEZETÉS

1855-ben egy angol feltaláló, Henry Bessemer tervezett egy billenthető, acélburkolatú, tűzálló anyaggal bélelt kemencét. A billenthető kemence, a konverter alján nagynyomású levegőt fúvatnak be. Az olvadt nyersvason átbuborékoló levegő kiégeti a felesleges karbont, szilíciumot, mangánt és csökkenti a foszfortartalmat is. A vasban oldott elemek oxidációja folyamán keletkező hő elegendő volt ahhoz, hogy a lefúvatott vas, a tulajdonképpeni acél akár 1600 °C-ra melegedjen és folyékony állapotban maradjon. A Bessemer eljárás forradalmasította az acélgyártást, mert az adagok kikészítési ideje majd századára csökkent, nem igényelt fűtőanyagot, s ezek együttes eredményeként az acél gyártása tömegszerűvé és olcsóvá vált. 1969-ben a francia Pireneusokban lévő Odeillo faluban megkezdte működését a világ legelső és egyben legnagyobb teljesítményű, napfűtésű olvasztókemencéje amely kb. 3800 °C hőmérséklet előállítására képes. Ebben a szennyeződéstől mentes fűtésű kemencében különösen nagy tisztaságú acélt is elő lehet állítani. Földünkön az alumínium a leggyakoribb fémes elem, mivel a földkéreg több mint 8 %-át az alumínium-oxid alkotja. Ennek ellenére az alumínium és ötvözetei lényegében az elmúlt százév jellemző terméke. A réznek, mint félig nemesfémnek az oxigén, illetve a kén iránti affinitása viszonylag gyenge. Ezért a réz kinyerése ilyen vegyületeiből egyszerűen, akár csak pusztán hevítéssel, termikus disszociációval is megoldható. A vas-oxid karbonnal 1000 oC feletti hőmérsékleten redukálható. Szemben ezekkel a fémoxidokkal, az alumínium affinitása az oxigénhez igen erős, ezért nincs egyetlen olyan, a természetben megtalálható elem sem, amellyel az alumínium az oxidjából redukálható lenne. A fém alumíniumot még 1827-ben alumínium-kloridot káliummal reagáltatva Wöhler állította elő. Ez a módszer azonban alkalmatlan ipari mennyiségű alumínium kinyerésre. Az első alumínium tömböt a franciák nagy büszkeségére Sainte-Claire Deville párizsi kutatómérnöknek sikerült előállítani 1854-ben, amikor a zászlódíszbe öltözött Párizs III. Napóleon császár elsőszülött fiának, a nagyreményű "Lulu hercegnek" a születését ünnepelte. Az első tárgy, amit Deville az alumíniumból előállított, egy gyermekcsörgő volt, amelyet a francia trón várományosának nyújtott át némi hátsó szándéktól vezettetve. Várakozásában nem is csalódott, hiszen a császár 65 ezer frankkal jutalmazta meg, amely abban az időben fantasztikusan nagy pénznek számított. Ugyanis a császár az ezüstösen csillogó csörgő láttán azt hitte, hogy az új fém az ezüstöt fogja helyettesíteni. Az 1855 évi párizsi világkiállításon mutatták be az "agyagból készült ezüst" 1 kg-os darabját, amely óriási szenzációt keltett. Az alumínium ára akkor még drágább volt az aranyénál. Az alumíniumból kezdetben - főleg a szép megjelenése és drágasága miatt - csak ékszereket készítettek és még sokáig nem tartották hasznos fémnek. 1886-ig az alumínium laboratóriumi különlegesség maradt. Az alumínium előállításának technológiája szemben a réz és a vas kohósításával a természetből már nem leshető el, nem elegendő az acélgyártásban megszerzett és nemzedékről nemzedékre átörökített tapasztalat, ehhez a mai értelemben vett tudományos gondolkodásra, felismerésre volt szükség.

9

BEVEZETÉS

Az alumínium nagyipari termelésének feltételei azonban csak 1866-ban teremtődtek meg. Ekkor Franciaországban P-L. Héroult, és tőle függetlenül az Egyesült Államokban C. M. Hall szabadalmaztatta azt az eljárást, amely az olvadt kriolitban oldott alumínium-oxid elektrolízisén alapul, és ami az alumínium-kinyerés napjainkban is alkalmazott eljárásának az alapelve. Az osztrák F. Bayer 1889-ben dolgozta ki a bauxit timfölddé való feldolgozásának ipari eljárását. 1900-ban a világ alumínium termelése már 8 tonna volt, ez a szám napjainkra 24 millió tonnára nőtt. Közvetlenül a II. világháborút megelőző évekig a kerámiák közül kizárólag a természetben nagy mennyiségben fellelhető, szilikát bázisú anyagokból gyártott anyagokat, mint az üveget, a cserepet, a porcelánt vagy a cementet alkalmazták. A kerámiáknak ezt a csoportját az emberiség már évszázadok óta, nagy mennyiségben használja. Gyökeres fordulatot jelentettek ezen a területen az 1933-ban kifejlesztett „ferritek”. A ferritekben, a vas(II)-oxid bázisú anyagokban, egyes vasatomokat kétvegyértékű elemekkel, például kobalttal, nikkellel, mangánnal helyettesítik. Ezekben a kerámiákban az örvényáramok miatti energiaveszteség elhanyagolhatóan csekély, mivel villamosan szigetelők. Ebből következően mágnesezettségük iránya rendkívül gyorsan megváltoztatható, mert az örvényáramok nem akadályozzák az átmágnesezést. Már 1950 óta a lágymágneses kerámia a mágneses információtárolás eszközeinek legfontosabb alapanyaga, ami nélkül a modern számítástechnika nem alakulhatott volna ki. A közelmúlt, napjaink és remélhetőleg a közeli jövő is, a keramikus anyagok területén rendkívül látványos és hasznos eredményeket hoz. Az eddigi eredmények közül csak példaként kiragadva, a távközlésben robbanásszerű fejlődést eredményező optikai szálak, a robbanó motorok területén a kerámia alkatrészek reményteli terjedését. Az ipari kerámiák terjedése igen gyors, s rövidesen átfogja az élet minden területét a gyógyászattól az iparig. A kerámiák előállításához szükséges alapanyagok óriási gazdagságban állnak rendelkezésre a természetben, ezért talán olcsóságuk miatt ez jelenti a legnagyobb lehetőséget a technika és az emberiség fejlődésére. A szintetikus polimerek, - a műanyagok -, talán a legjellemzőbb, ember alkotta anyagok, századunk termékei. Annak ellenére igaz ez a megállapítás, hogy J. W. Hyatt már 1869-ben felfedezte a celluloidot. A műanyagok előállításához szükséges ismeretek azonban e század elejére álltak össze egységes rendszerré. A legtöbb, napjainkban nagy tömegben használatos műanyag kifejlesztése a két világháború közötti időszakra esett. A tipikus fejlesztések elsősorban a korlátozott mennyiségben rendelkezésre álló természetes anyagok, mint a kaucsuk, gyapjú, selyem, bőr helyettesítését célozta. 1912-ben Frizt Klatte rakta le elsőként a PVC gyártásának technikai alapjait, de az anyag ipari termelése csak 1938-ban indult meg, miután sokoldalú felhasználási lehetőségeit felismerték. A mesterséges anyagok tömeges előállításának igénye az első világháború éveiben merült fel, néha azonban ezen igények a kutatás kezdeti stádiumában lévő műanyagipar és az általa előállított műanyagok teljesítőképességét jóval felülmúlták. Mindenesetre nagy lökést adott a szerves kémiai kutatásoknak. Századunk húszas éveiben indult el a polimer műanyagok pályafutása. Ezen kutatások keretében fedezte fel H. Staudinger német kémikus 1922-ben, hogy a szerves anyagok vázát nagyon hosszú molekulaláncok képezik. Ő javasolta

10

BEVEZETÉS

először a műanyagokra a "makromolekula" megnevezést. 13 év kellett ahhoz, hogy kutatási eredményeit elismerjék, majd 1953-ban munkájáért Nobel-díjat kapott. Annak ellenére, hogy a műanyagok legfontosabb alapanyagának, a szénhidrogéneknek az ára folyamatosan nő, még így is nagyságrenddel olcsóbb a műanyagok előállítása, de különösen feldolgozása, mint a helyettesített természetes anyagoké. Az anyagtechnika és az anyagtudomány történetének legfontosabb eseményei: ∼ i.e 4000 ∼ i.e 3000 ∼ i.e 2500 ∼ i.e 2000 ∼0 ∼ 1000 ∼ 1300 ∼ 1500 ∼1650 ∼1700 ∼1750 ∼1790 1820 1840 1850 1855 1860 1865 1870 1875 1880 1885 1890 1895 1900 1905 1910 1915 1920 1925 1930 1935 1940 1944 1948 1951 1954 1957

tégla bronz üveg meteorvas acél vasolvasztó kemence porcelán nyersvasgyártás kokszgyártás öntés homokformába lemezhengerlés kúpoló kemence portland cement gumi vulkanizálása vasbeton konverter forrószél előmelegítő nátronlúg celluloid oxigén cseppfolyósítása foszfordús nyersvas tisztítása alumínium elektrolízise folyékony kristály szintetikus viszkóza gyorsacél réz tisztítás elektrolízissel kiválásosan keményedő Al ötvözet PVC cellulóz acetát szintetikus metanol plexi poliuretán félvezetők számítógép üvegszál erősítésű kompozit folyamatos öntés optikai kábel szintetikus oxidkerámiák

Sumér birodalom Sumér birodalom, Ciprus Egyiptom India, Közel-Kelet India Katalánia Kína Európa Daniel Stupfelt Abraham Darby Henry Cort John Wilkinson Joseph Aspidin Charles Goodyear Joseph Monier Henry Bessemer Alfred Cowper Ernest Solvay John Wesley Hyatt Louis Paul Cailletet Sidney Gilchrist Thomas Paul Louis Héroult Otto Lehmann C. F. Cross és munkatársai F. W. Taylor, M. White Heinrich Wohlwill Alfred Wilm F. Klatte, F. Zacharias Kamille és Henry Dreyfus F. Fisher, H. Tropsch Wilhelm Bauer Otto Bayer Walter Schottky University of Pennsylvania USA US Steel Co. Narinder S. Kapany

11

BEVEZETÉS

1960 1962 1964 1966 1968 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1991

beültethető műanyag LED karbonszál erősítésű kompozit buborék memória félvezető üveg szupravezetés nitiol(nikkel-titán ötvözet)-motor fémes karakterű műanyag mélytengeri ércbányászat hőálló üveg optikai tranzisztor CD lemez floppy lemez szupravezető kerámiák kohászati plazma kemence optikai mikroprocesszor gyémánt előállítása szobahőmérsékleten C60 fullerénből 1992 C 13 izotópokat is tartalmazó, a természetes gyémántnál nagyobb sűrűségű és keménységű gyémánt előállítása 1993 enzim a károsodott növényi szálak helyreállítására

John Charney Nick Holonyak W. Johnson, N. Philipe Stanford R. Ovshinsky Bell Co. E. Banks University of Pennsylvania Schott Co. H. B. Gibbs és munkatársai Philips és Sony Co. Bednorz, G. és Müller, A. Krupp Co. AT & T Bell Laboratories Reguerd, N. General Electric Co.

Procter & Gamble Co.

A jelentős anyagtudományi felfedezések természetesen folytatódnak, hisz az elméleti ismeretek bővülése, az új feldolgozó technológiák fejlesztése már napjainkra is számos olyan új anyagot hozott létre, amelyekről néhány évtizede még csak nem is álmodhattunk.

12

AZ IPARI ANYAGOK SZERKEZETE ÉS TULAJDONSÁGAI

A tervező- és a gyártó mérnököt az vezérli, hogy terméke a fogyasztó igényeit a legteljesebben kielégítse. Ezek az igények éppúgy vonatkoznak a termék használati értékére, mint az árára. A használati érték egyik mértékadó eleme az élettartam, amely a termék anyagának a használat során fellépő igénybevétellel szembeni ellenálló képességét jelenti. Az is kézenfekvő, hogy a termék ára az alapanyag árán kívül a megmunkálás költségeit is magában foglalja, amely nem kis mértékben függ az anyag tulajdonságaitól. Az anyag tágabb értelemben diszkrét- és folytonos formában van jelen. A diszkrét megjelenési formát az anyag részecskéi jelentik, míg a részecskék közötti kapcsolat folytonos, ami különböző mezők formájában van jelen. Az anyag tulajdonságait alapvetően e két forma együttese határozza meg. A részecske tulajdonságait meghatározó egyik tényező a részecskét alkotó atom, annak magja, illetve az elektronhéjának szerkezete, vagyis a szubatomi szerkezet. A másik, lényeges befolyással bíró tényező a szerkezet, hogy az atomok között milyen kapcsolatok alakulnak ki, s ezek a kapcsolódó atomi részecskék hogyan rendeződnek már azonosítható tulajdonságú mikroszerkezetté, majd a mikroszerkezetek hogyan alkotják a makroszkopikus méretű anyagot. Az anyag építőelemei, a részecskék, mint az ionok, atomok, molekulák. A részecskék között a tömegeik vonzása és elektromos terük révén kölcsönhatás lép fel, ami mezőket hoz létre. A mezőben levő részecskék közötti erőhatás a sokelemű rendszerben a potenciális energiával jellemezhető. Az erőhatás létrehozta erőtér intenzitása nagyon függ a távolságtól, vagyis hatása szubatomi, mikroszkopikus, vagy makroszkopikus lehet. Newton-törvény szerint a részecskék közötti tömegvonzásból származó erő a tömegközéppontjaik közötti távolság négyzetével fordítottan arányos. A Coulomb-törvény szerint a villamos töltéssel rendelkező részecskék közötti erő egyenesen arányos a töltések nagyságával és fordítottan arányos a töltésközéppontjaik távolságának négyzetével. A részecskék állandó mozgásban is vannak, ezért kinetikai energiával is rendelkeznek. A részecskék alkotta rendszer egyensúlya, az állapottényezők - a hőmérséklet, a nyomás - által meghatározott potenciális- és kinetikai energia öszszegének minimumánál jön létre. A részecskék között akkor létesül tartós kapcsolat, ha a különálló részecskék összes energiája nagyobb, mint az egymáshoz kötött részecskékből álló rendszeré. A két energia különbsége a kötési energia. Ha a részecskék egymástól viszonylag távol vannak, a sűrűség kicsi, akkor a két energiafajta közül a kinetikai energia a meghatározó. Ezért a részecskék gyakorlatilag szabadon mozoghatnak. Ebben az energetikai állapotban az anyag gáz

13


halmazállapotú. Gázállapotban a részecskék nagy mozgékonyságúak, ebből következően még az eltérő anyagú részecskék eloszlása is viszonylag egyenletes a gáztérben. A gázok a rendelkezésükre álló teret teljesen kitöltik, s ha a tér változik, annak változását követik, vagyis összenyomhatók, értelmezhető belső szerkezettel nem rendelkeznek. Gázhalmazállapotban a részecskék között ható intermolekuláris erők nagyon gyengék, a kötési energia néhány kJ/mol nagyságrendű. Ha a részecskék egymáshoz viszonylag közel helyezkednek el, a sűrűség nagy, akkor a két energiafajta közül a potenciális energia a meghatározó. Ezért a részecskék gyakorlatilag egy rögzített középpont körül rezegnek. Ebben az energetikai állapotban az anyag szilárd halmazállapotú. A szilárd halmazállapotban a részecskék helyváltoztató képessége nagyon csekély, ezért az anyag alaktartó, nagyobb térfogatokban is rendezett szerkezetű. Ha a szilárd anyagot eltérő részecskék alkotják, akkor ezek eloszlása az időben egyáltalán nem, vagy csak igen lassan változik. A folyadékállapotban sem a kinetikai-, sem a potenciális energia nem domináns. A részecskék közötti távolság - a nem elhanyagolható nagyságú potenciális energiának köszönhetően - az állapottényezők által meghatározottan adott, vagyis a sűrűség állandó. A számottevő kinetikai energia viszont lehetővé teszi a folyadékokban, hogy a részecskék szomszédaikat gyakran cserélhessék. Ez a mozgás, az eltérő részecskéket tartalmazó oldatokban, időben viszonylag gyors összetételbeli kiegyenlítődéshez, homogenizálódáshoz vezet. A folyadékok részecskéi képesek legördülni egymáson, szomszédaikat változtatni, ezért nem alaktartók, de távolságaik állandósága miatt gyakorlatilag összenyomhatatlanok. A folyadékot alkotó anyagban rövid távú rendezettség érvényesül. Az anyag halmazállapota az anyagot alkotó részecskék anyagi minőségén kívül függ az állapottényezőktől is. A hőmérséklet növelése növeli az anyag energiáját, ezen belül elsősorban a kinetikai energiát. Vagyis, amint az közismert, a hőmérséklet növelésével a szilárd anyag megolvasztható, majd elgőzölögtethető. A nagyobb nyomás, az anyag potenciális energiáját és ezért a folyadék megszilárdulási hőmérsékletét csökkenti és forráspontját növeli.

0.1

Az anyagok mikroszerkezete

A részecskék közötti potenciális energia nagyságát elsősorban az elektrosztatikus térerő határozza meg. Ez adja a magyarázatát annak, hogy a telített, szimmetrikus elektronhéjú, sem elektron felvételre, sem leadásra nem hajlamos nemesgázok nem vegyülnek, sőt még molekulákat sem alkotnak. Azonban a nemesgázokban is kialakul rövid és hosszú távú rendezettség, vagyis van folyékony és szilárd állapotuk is. A nemesgázok szimmetrikus, telített elektronhéja miatt olvadáspontjuk és forráspontjuk kicsi, közeli az abszolút zérushoz, ahol a részecskék mozgása teljesen megszűnik. Az ilyen, kifelé elektromosan teljesen semleges részecskék között is kialakul elektrosztatikus erő, amely van der Waals féle erőként ismert. A van der Waalsféle erő megértését segíti az 1. ábra.

14


1. ábra A van der Waals féle erő Az 1. ábrán látható, hogy amikor az elektronok a mag egyik oldalán egy-egy pillanatra túlsúlyba kerülnek, a részecske egy pillanatra polarizálódik. Ez ennek következtében a szomszédos részecskékben egy kis elektromos momentumot gerjeszt. A részecskék pillanatnyi polarizációja gyenge elektrosztatikus erőt, a van der Waals-féle erőt hozza létre. Minél több az egy részecskéhez tartozó elektronok száma, annál könnyebben polarizálható az elektronhéj, vagyis annál nagyobb a van der Waals-kötés kötési energiája. Minél nagyobb egy elem rendszáma, annál több elektron van az atomban, ezért annál nagyobb a kötési energia. Jól példázza ezt a nemesgázok rendszámával együtt növekvő olvadáspontja; He: 3 K, Ne: 24 K, Ar: 83 K. A van der Waals-erő valamennyi részecske között fellép, de fordítottan arányos a távolság hatodik hatványával, így egyéb elektrosztatikus erők fellépte esetén elhanyagolható nagyságú. A van der Waals-kötés energiája viszonylag csekély, néhány kJ/mol. Számos szerves anyag kötése szilárd állapotban a van der Waals erőből származik.

H

F

2. ábra A hidrogén-fluorid dipólusmolekula Vegyületek esetében gyakran tartós dipólusok jönnek létre. Jellemző dipólus-molekulák a hidrogénnek valamely erősen elektronegatív atommal - például a fluorral, az oxigénnel vagy a nitrogénnel, alkotott vegyülete. Az elektronegatívabb atom jobban vonzza a közös elektronokat, ezért a kötés a hidrogén irányában pozitívabb. Ilyen vegyületekben, mint a 2. ábrán bemutatott HF-ban a hidrogénnek a közös elektronja miatt majdnem olyan erősségű elektromos tere van, mint egy protonnak.

15


A szomszédos hidrogén-fluorid molekulára a változó erősségű, de mindig fellépő polarizáció miatt számottevő vonzóerő hat. Az ezen erő által létrehozott kötés a hidrogénkötés. Ennek megfelelően a HF molekulák gyakran asszociált formában vannak jelen (H6F6, H4F4, H2F2). A hidrogénkötést - amely igen jellemző a hőre lágyuló műanyagokra -, sematikusan a 3. ábra szemlélteti. A kötés energiája, amely arányos a vegyület forráspontjával, még az állandó dipólusú részecskék esetén is viszonylag csekély, néhány tized MJ/mol, amit a hidrogén-fluorid 294 K és a víz 373 K fokos forráspontja is igazol.

3. ábra A hidrogénkötés A másodlagos kötéseknél, mint a van der Waals- és a hidrogénkötésénél lényegesen nagyobb, közel egy MJ/mol kötési energiájú a fémes kötés. A fémes kötésű atomok vegyértékelektronjai az egyes atomoktól elszakadva, egy, a fémes anyag képezte rendszer egészéhez tartozó, elektronfelhőt alkotnak. A „megmaradt” fémionok szimmetrikus, zárt elektronhéjjal rendelkeznek és szorosan illeszkednek egymáshoz. A zárt elektronhéj miatt az egyes fémionok elektromos tere független az iránytól, csupán a távolságtól függ. Ez a gömbszerű jelleg, a tér optimális kitöltésének kényszere miatt a fémes kötésű ionok a tér három irányában szabályosan ismétlődő rendben helyezkednek el. Ebben a rendezett térbeli ion-hálóban viszonylag szabadon mozoghatnak a közös elektronok, elektronfelhőt alkotva. A pozitív ionok között taszító erők lépnek fel. A tömött szerkezetből adódóan, eltávolodásukat a környezetükben levő további ionok taszító ereje, valamint a közöttük elhelyezkedő elektronfelhő akadályozza. A részecskék szabályos, periodikus, három-dimenziós rendszere a kristályrács, amelynek alapeleme az elemi cella az a legkisebb egység, amelynek sokszorozódásával épül fel a kristályszerkezet. A cellát sokszor elemi rácsnak is nevezik. Az elemi cellák hét főcsoportján belül, számos alcsoportba sorolható gazdagságot rejt a kristályos anyagok világa. Az ismétlődő rendezettségű fémes kötést szemlélteti a 4. ábra. Az ábrázolt kristályszerkezet elemi cellája egy kocka, amelynek csúcspontjaiban és térátlóinak metszéspontjában egy-egy gömbbel jelképezett ion helyezkedik el. Az ionokat véletlenszerűen elhelyezkedő, de átlagosan ugyanolyan sűrűségben - a 4. ábrán kicsiny fekete körökkel ábrázolt -, elektronok alkotta felhő veszi körül. A 4. ábrán látható, térben középpontos kockarács a fémek esetében igen gyakori. Ilyen rácsszerkezete van többek között az α- és a δ-vasnak, a vanádiumnak, a krómnak, a molib-

16


dénnek és a volfrámnak. A másik igen gyakori rács - a fémek esetében -, a felületen középpontos elemi cellákból felépülő kockarács. Ilyen rácsszerkezetű például az alumínium, a réz, a nikkel, a γ-vas és valamennyi nemesfém is.

4. ábra A fémes kötés Az atomok külső héjon levő vegyérték elektronjaikat - ha nem a részecskék egészével osztják meg -, mint a fémes kötésnél, hanem csak egy- vagy egynéhány szomszédjukkal, akkor kovalens kötés jön létre. A kovalens kötésben a kötést alkotó részecskéknek közös elektronpárjaik vannak. Ezek a közös elektronok olyan pályán keringenek, amely a kötésben résztvevő ionokat beburkolja. A kötő elektronok mindkét atomhoz tartoznak amint az a 2. ábrán látható, hidrogén-fluorid kötésben megvalósul. A közös elektronpályából adódóan a kovalens kötés irányított kötés, vagyis a képződött molekula dipólusos. A kötő elektronpárokkal az atomok külső héjai telítetté válnak. A kovalens kötések többszáz kJ/mol-os, akár néhány MJ/mol-os energiája kellően nagy ahhoz, hogy viszonylag nagy hőmérsékleten is összetartsa a kötést alkotó részecskéket. Ha a részecskék eltérőek, akkor ezeket vegyületeknek nevezik. Miközben a kovalens kötésű vegyületek nagy kötési energiával és ezért nagy stabilitással rendelkeznek, a kovalens vegyületek közötti összetartó erők általában viszonylag gyengék. Természetesen ez a megállapítás igaz az ugyanolyan részecskék alkotta molekulákra is. Például a hidrogén, a nitrogén, vagy az oxigén molekulák kovalens kötése révén létrejövő nemesgáz konfiguráció magyarázza a molekulán belüli erős és a molekulák közötti gyenge, másodlagos kötéseket, és ezáltal ezeknek az anyagoknak a kis - H2: 21 K-es, N2: 77 K-es és az O2: 90 K-es -, forráspontját. Olyan esetekben amikor a kovalens kötés nemcsak egy-, vagy néhány atom között teremt kapcsolatot vegyületet alkotva, hanem a kölcsönös kapcsolódások révén átszövi az egész teret, kovalens kötésű kristályos anyag jön létre. A kovalens kristályokban a kötés nagy energiája a nagymértékű stabilitásban is megnyilvánul, amit jól példáz a gyémánt 3700 oC-os olvadáspontja. A kovalens kötés az összes atomra kiterjed, nincsenek bennük elkülöníthető egyedi molekulák, vagy molekulacsoportok. Voltaképpen az atomoknak ez a rendszere egyetlen óriás molekulának tekinthető. Erre mutat példát az 5. ábrán a kovalens kötésű karbon, a gyémánt. A kötésen belül tetraéderesen minden karbonatom négy, szomszédos atommal hoz létre egy-egy elektronpár alkotta kovalens kötést. Az ábrán a kötések hálózatát vastag, az elemi cellákat vékony vonalak jelzik.

17


5. ábra A gyémánt rácsszerkezete Az ionos kötés olyan vegyületekben lép fel, ahol a vegyületet alkotó egyik atom külső elektronhéjáról egy vagy több elektron a másik atom külső elektronhéjára megy át. Ezzel az elektronátadással mindkét atom teljesen betöltött elektronhéjat alakít ki. Szemben a kovalens kötéssel - ahol elektronátadás nem történik, csupán a kötést alkotó atomoknak kölcsönösen vannak olyan elektronjaik, amelyek közös pályán mozognak -, az ionos kötésben az átadott elektron kizárólag az átvevő atom saját elektronpályáján kering. Az így létrejövő ionok között ellentétes töltéseik miatt elektrosztatikus vonzóerő lép fel. A töltéseket - statisztikai átlagban - egy gömb felületén egyenletesen eloszolva képzelhetjük el, ahol a gömb sugara az ionsugárnak felel meg. Az elektromos tér ezért minden irányban egyenlően hat, amiből következik, hogy az ionos kötés nem irányított. Az ionos kötés energiája nagy, általában MJ/mol nagyságrendű, ami az ionvegyületek nagy stabilitásához vezet. Az ionos vegyületek a kötés jellegéből adódóan erősen polarizáltak, ionjaikat a lehető legnagyobb számú ellentétesen töltött ion veszi körül, ami térben rendezett, ionrács kialakulásához vezet. Az ionrácsos kristályokra jellemző, hogy egyes kitüntetett síkok mentén elmozdulásra szinte képtelenek, emiatt ezekben az irányokban könnyen hasadnak, más síkok mentén elcsúszás létrejöhet. A rácson belül az iont körülvevő legközelebbi szomszédjainak száma, a koordinációs szám, amely alapvetően meghatározza az elemi cella típusát. A 6. ábrán példaként a CaO rácsszerkezete látható, amelynek koordinációs száma hat, elemi cellája egyszerű kocka, sarokpontjain felváltva kalcium- (az ábrán világos kör), illetve oxigén ion (az ábrán sötétebb kör) helyezkedik el. Azok az ionvegyületek, amelyek ugyanolyan rácsszerkezetet alkotnak és ionrádiuszaik nem több, mint 15 %-kal térnek csak el egymástól, közös kristályokat képesek alkotni. Ez a tulajdonságuk az izomorfia. A tökéletes izomorfia esetén a kristály tetszőleges arányban tartalmazhatja a két ionvegyületet. A földkéreg szilikátjai, a kohászatban képződő szilikátos salakok néha rendkívül bonyolult összetételűek, mert ezekben számos kation helyettesítheti egymást izomorf módon. A fémes kötésű rácsszerkezetekben sok esetben a fémion egy másik fém ionjával helyettesíthető. Az ilyen anyagok a helyettesítéses, vagy más néven szubsztitúciós szilárdoldatok.

18


6. ábra A CaO rácsszerkezete A szilárdoldatokban a két- vagy többfajta, méretében csak kismértékben eltérő ion statisztikus rendezetlenségben oszlik el a rácspontok között. Az ilyen szubsztitúciós szilárdoldatok nagyon gyakoriak az ötvözetekben. A rács mérete az oldó- és az oldott ion átmérőjének arányától függően nőhet, vagy csökkenhet. A 7. ábra a felületen középpontos kockarácsú réz, valamint a 24 tömeg % cink tartalmú réz-cink szubsztitúciós szilárdoldat szerkezetét és méretváltozását mutatja be. A méretváltozás a szubsztitúciós szilárd oldatokban a Vegard-szabály szerint viszonylag jól becsülhető: aö - aA = β CB(aB - aA), (1) ahol: aö ....... az ötvözet rácsparamétere, nm, aA ....... az oldó fém rácsparamétere, nm, aB ....... az oldott fém rácsparamétere, nm, CB ...... az oldott fém koncentrációja, atom %, β......... a rácsrendszertől függő állandó (pl. egyszerű kockarácsnál β=1).

7. ábra A Cu és a Cu-Zn (sárgaréz)szubsztitúciós szilárdoldat rácsszerkezete Olyan esetekben, amikor az oldott ion csak az oldó fém rácsának kitüntetett helyeit foglalja el, rendezettrácsú szilárd oldat jön létre. Például az 50-50 atom % tartalmú Fe-Ni ötvözetben a felületen-középpontos rács lapátlóinak metszés-pont-

19


jaiban helyezkedik el a nikkel illetve a vas. Az elhelyezkedésük sajátos, mert az egyik elemi cellának mind a hat lapján, míg a vele szomszédos cellánál csak négy lapon található vas, illetve nikkel ion. Ha az oldott anyag atom-, vagy ionsugara lényegesen kisebb, mint az oldó anyagé, akkor az oldott atom nem helyettesíti a rácsban az oldó anyagot, hanem a rács kitöltetlen tereiben, más néven hézagaiban helyezkedik el. Az ilyen beékelődéses, vagy interstíciós szilárd oldat mindig a rácsméret növekedésével jár. Fémeknek a viszonylag tömött, fémes kötésű rácsában interstíciósan csak a viszonylag kis méretű hidrogén, a berillium, a bór, a karbon, a nitrogén és az oxigén képes oldódni, de ezek is kizárólag atomos állapotban. Ezek az interstíciósan oldott atomok a fém szoros illeszkedésű rácsát eltorzítják, energiaszintjét jelentős mértékben növelik. A 8. ábra a felületen középpontos kockarácsú vasban interstíciósan oldott karbonatom egyik lehetséges elhelyezkedését szemlélteti.

8. ábra Interstíciósan oldott karbon a felületen középpontos kockarácsú γ-vasban Ha az ötvözetekben a feltételek a szilárdoldatok kialakulására kedvezőtlenek, akkor gyakran az alkotók intermetallikus vegyületekbe rendeződnek. Az intermetallikus vegyületek eltérnek az alkotók kristályszerkezetétől és azokhoz kapcsolódva általában bonyolult szerkezetű rácsokat alkotnak. Az intermetallikus vegyületek rácsának szerkezetét még bonyolultabbá teszi az a tény, hogy az őket körülvevő fémet kisebb-nagyobb mértékben oldják is, így összetételük nem meghatározott, hanem csupán egy összetétel-tartománnyal jellemezhető. A réz, az alumínium, az ón, a magnézium számos intermetallikus vegyületet alkot, amelyeknek gyakorlati szerepe jelentős. Az intermetallikus vegyületek szerkezetük szerint is számos alcsoportba sorolhatók. Ezek közül csak a továbbiakban tárgyalásra kerülő anyagok jelentősebb vegyületeit említjük meg. Ha az interstíciósan oldott elemek a rendelkezésre álló helyeket maradéktalanul kitöltik, akkor szabályos, a rendezetlen állapothoz képest kisebb energiájú, ezáltal stabilabb szerkezet, az interstíciós vegyület keletkezik. A fémek karbonnal, nitrogénnel és bórral alkothatnak interstíciós vegyületeket. Ha a vegyületet alkotó elemek kis rácstorzulást okoznak, egyszerű ionrács (pl. TiC), ellenkező esetben mint pl. az Fe3C-nél általában bonyolult szerkezetű rács jön létre. A kötések típusai alapján is csoportosíthatók a szerkezeti anyagok:

20


Fémes kötés

Ionos kötés

Fémek

Kovalens kötés

Másodlagos kötések

Polimerek

Kerámiák Mesterséges anyagok

Félvezetők

Természetes anyagok pl. Acél

pl. Üveg

pl. Kavics

pl. Fa

pl. Gumi

Társított (kompozit) anyagok

0.2

A mikroszerkezet és a tulajdonságok kapcsolata

Az anyagnak azt a jellemzőjét, ahogy a külső hatásokra reagál, anyagtulajdonságnak tekintjük. Az anyagot érő külső hatások igen sokfélék lehetnek. Az erő hatással szembeni ellenállása az anyagnak a mechanikai tulajdonságokkal jellemezhető. A mágneses vagy elektromos térben az anyag viselkedését a mágnesesés villamos tulajdonságok írják le. A vegyi hatásokkal szembeni ellenállás az anyagtulajdonságok harmadik nagy csoportját képezik. E három, a mérnöki gyakorlatban kiemelkedő anyagtulajdonság-csoport mellett, természetesen minden másfajta külső hatásnak egy-egy tulajdonság-csoport felel meg. Ilyenek lehetnek az optikai-, hőtani tulajdonságok, stb. Az anyag szerkezete - ezen belül az eddig tárgyalt mikroszerkezet -, valamint az anyag tulajdonságai között szoros a kapcsolat. Általánosabb értelemben a szilárd halmazállapotú anyag, ami a műszaki gyakorlatban használatos szerkezeti anyagoknál nagyon jellemző, kristályos és amorf szerkezetű lehet. A kristályos szerkezetben az egyes részecskék periodikusan ismétlődő, az elemi cellák által meghatározott rendben helyezkednek el. A kristályos szerkezetet másodlagos-, kovalens-, ionos- vagy fémes kötés hozza létre. A halmazállapot változásakor, megolvasztáskor vagy kristályosodáskor, alapvető változás következik be a kristályos anyagokra jellemző hosszú távú rendezettségben. A műanyagokat alkotó polimer óriásmolekulákat általában másodlagos, van der Waals-féle, a bipoláris- és a hidrogénkötések kapcsolják össze. A kötések jellegéből adódóan a polimerek villamosan szigetelők. A polimer óriásmolekulában, amely a monomernek nevezett kisebb molekuláris egységekből épül fel, a monomerek százai vagy akár ezrei kapcsolódnak egymáshoz, általában láncszerű vagy térbeli szerkezetet alkotva. A monomerek közötti kötés általában kovalens. A polimer tulajdonságait a monomer és a monomerek közötti kapcsolódás módja határozza meg. A polimerkémia termékeit - kihasználva a szinte végtelen változatosságukat - napjainkban

21


már nem egyszerűen csak alkalmazzák, hanem egy adott feladat kielégítésére tervezik. A makromolekulák tulajdonságát négy tényező határozza meg. Ez a monomer típusa, a láncok hossza, a rendezettsége és a láncok közötti kötés fajtája. A polimer keménysége, szívóssága a lánc hosszával növekszik. Még hatásosabban növelhető a keménység és a szilárdság, ha a láncok között kémiai kötések létesülnek, háromdimenziós térhálóvá formálva a polimereket. Ezek a hőre keményedő műanyagok, vagy más néven duroplasztok. A hőre lágyuló műanyagokban, a termoplasztokban, a polimer láncok kémiailag különállóak. Az apoláris molekulák között csak a van der Waals-erő ébred, ami kis hőállóságot, nagy alakíthatóságot és gyenge oldószerállóságot ad. A polárisabb, - kevésbé szimmetrikus töltéseloszlású- monomerekkel növelhető a molekulák közötti vonzóerő, aminek következtében kevésbé oldható válik az anyag. Az egyetlen kristályt alkotó anyagok, az egykristályok anizotrópok, vagyis bizonyos tulajdonságai az egyes irányokban különbözőek. Az amorf szerkezetű szilárd anyagokban, mint a szilikátüvegben, a gumiban vagy a megkötött szintetikus ragasztókban, hasonlóan a folyadékokhoz, csak rövid távú rendezettség érvényesül, ezért izotrópok. Izotrópok a nagyszámú kristályból álló, úgynevezett sokkristályos anyagok is. Az amorf szerkezetű anyagok megszilárdulása - szemben a kristályos szerkezetű anyagokkal -, nem köthető egy adott hőmérséklethez, továbbá a megszilárdulást nem kíséri a tulajdonságok ugrásszerű változása. A kristályos vagy amorf szerkezet nem az egyes anyagokhoz eredendően hozzárendelt tulajdonság. Elvileg bármely anyag megszilárdítható amorf szerkezetben is. Ez az olvadékának kellően nagy sebességű hűtésével érhető el. A hűtés, szemben a hevítéssel lényegesen korlátozottabb sebességű lehet. Ezért a gyakorlatban használatos hűtőközegekkel az anyagok csak szűk körénél érhető el az amorf szerkezet. Az általánosan ismert és széleskörűen alkalmazott szilikátüvegek mellett egyre több területen nyernek alkalmazást a fémüvegek és az amorf szerkezetű műanyagok, mint a polisztirol, vagy a polimetilmetakrilát (ld. 6.2.1. pont). Meg kell jegyezni, hogy az általában amorf szerkezetű anyagból, például a szilikátüvegből, is előállítható kristályos szerkezetű változat. A kötési energia a kovalens kötésű kristályokban a legnagyobb. A nagy kötési energiából adódik, hogy a kristály egyes részecskéinek eltávolítása a rácshelyekről nagy energiát emészt fel. Ebből következően ezekre a kristályokra jellemző a nagy keménység, ami alatt az az ellenállás értendő, amit az anyag fejt ki egy idegen test behatolásával szemben. Ahhoz, hogy a rácsszerkezeten belül egy atomsor elcsúszhasson az alatta levőn - például a gyémántnál -, ugyancsak a nagy 356 kJ/mol kötési energiából, a rács merevségéből adódóan, olyan nagy erőt kell kifejteni, ami nagyobb, mint a vele 60o-os szöget bezáró atomsorokat összetartó erő. A kovalens kötések nagyfokú irányítottsága miatt a kovalens rácsú anyagok maradó alakváltozásra képtelenek, vagyis a terhelésből származó feszültséget az alakváltozás nem csillapítja. Ebből következően, az atomkapcsolódások egy határfeszültségig megmaradnak, majd e határ fölött a kötések nagy keresztmetszeteken katasztrofális gyorsasággal széttörnek. A síkokat alkotó részecskéket egymástól eltávolítani képes energia hatására, az első néhány részecske szétválasztását köve-

22


tően képződő mikrorepedés rohamosan, további lényeges energia-befektetés nélkül, növekszik, ami a kristály egy adott síkmenti hasadásához vezet, vagyis az ilyen anyagok ridegen viselkednek. A rideg állapotú anyagok a nyomó igénybevétellel szemben kiemelkedően nagy, a húzó igénybevétellel szemben mérsékelt, a nagy, dinamikus igénybevétellel szemben csekély ellenállással rendelkeznek. A kovalens kötésű elemi cellák a villamos töltéseit tekintve semlegesek, mert az elektronok nagy kötési energiával szigorúan hozzárendeltek atom-, illetve molekula párokhoz. Ebből következően, ezek az anyagok villamosan szigetelők. Ezt a tulajdonságot lehet kihasználni a részlegesen kovalens kötésű kristályos szilíciumoxid kerámiákban, a szigetelők gyártására használt ipari porcelánokban. A vegyi hatásokkal szembeni ellenállás - kivéve az oldódást -, nem elsősorban a kristályos szerkezetnek, hanem a szerkezetet alkotó részecskéknek az ellenállásától függ. A kovalens kötésű kristályok oldódása elhanyagolható. A példaként bemutatott gyémánt, oxidáló környezetben viszonylag csekély, míg a szilícium-oxid részecske saját kovalens kötésének köszönhetően nagy ellenálló képességgel rendelkezik. Ebből következően az üveg bár szerkezete amorf, de az alkotó szilíciumdioxid stabilitásának köszönhetően hatásosan ellenáll nemcsak az oldószereknek, hanem az oxidáló- és a redukáló hatásoknak is. Abban az esetben, ha a kovalens kötés a teret alkotó részecskék közül csak meghatározott irányúakra terjed ki, egyazon vegyi összetételnél is nagyon különböző tulajdonságú anyag jön létre. Erre példa a karbon egy másik kristályos módosulata a grafit (egy további módosulat a fullerén ld. 48. ábra ). A 9. ábrán látható grafit rácsban a karbon az egyik kristálytani síkban szabályos hatszög csúcsain helyezkedik el. Ebben a síkban az atomok közötti távolság 0.141 nm. Közöttük, hasonlóan a gyémánthoz, kovalens kötés létesül. Az egymástól 0.34 nm távolságra levő, viszonylag távoli sejt-szerű síkok között azonban nem kovalens, hanem van der Waals-féle kötés ébred.

9. ábra A grafit rácsszerkezete A kovalens kötésnek megfelelően a grafit olvadáspontja nagy, az egyes rétegek ridegek, míg a rétegeket összetartó gyenge, másodlagos kötések miatt a rétegek egymástól kis energia-befektetés árán eltávolíthatók. A rétegek egymáson való könnyű csúszása, a nagy olvadáspontja teszi a grafitot nagyon jó kenőanyaggá. Az ionos kötésű kristályrácsokban legalább kétfajta ion szerepel az egyik anion, amelynek töltése negatív, a másik a pozitív töltésű kation. Az ionkristályok rácsenergiája főleg az ellentétes töltésű ionok egymásra kifejtett vonzásából ered.

23


Ezek a kristályok többnyire nagyon stabilak, erre utal nagy olvadáspontjuk, ridegségük, ami az egyes ionoknak a rácson belül elfoglalt, kitüntetett helyzetéből ered. A rácsot alkotó ionpárok kötési energiája, a legtöbb ionkristálynál, egyes irányokban kisebb, ezért ezeknek a kristályos anyagoknak a keménysége kisebb, mint a kovalens kötésűeké. Nagyon sok vegyület esetében a kristályrácson belül az ionos kapcsolatok mellett, kovalens kötések is létesülnek. Az ilyen kristályok tulajdonságait illetően átmenetet képeznek a kovalens- és az ionkristályok között. Az ionkristályokban a villamos vezetés kizárólag a viszonylag nagyméretű ionok vándorlásával valósul meg, vagyis villamos vezetőképességük kicsi. Az ionos kötésű szilárd anyagok számottevő mértékben csak poláris molekulákból álló oldószerekben oldódnak. Az ionok és az oldószer-molekulák közti vonzásnak akkorának kell lennie, hogy legyőzze a kristályban levő ionok közötti vonzást. Ezért a víz az ionos kötések nagy részét korlátozottan oldja. Példaként olyan ismert ionos kötéseket lehet megemlíteni, mint a CaO vagy a NaCl. Az ionkristályok, az őket alkotó stabilis vegyületeknek köszönhetően, az oxidáló hatásokkal szemben viszonylag nagy ellenálló képességgel rendelkeznek. A fémes kötésű kristályokban a vegyértékelektronok egy elektronfelhőt alkotnak a zárt elektronhéjjal rendelkező, ezért gömbbel jól modellezhető ionok alkotta rácsszerkezetben. A fémes kötés a kémiai elemek többségét alkotó fémekre jellemző. A fémes elemek nagy változatossága miatt a kötési energia széles sávot fog át, ami a fémek nagyon eltérő olvadáspontjában is megnyilvánul. A legkisebb olvadáspontú, 245 K, a higany, legnagyobb olvadáspontú, 3683 K, a volfrám. Hasonlóan az olvadásponthoz, a fémek keménysége is széles tartományban változik. Ez a tulajdonságuk szoros összefüggésben van nagy alakváltozó képességükkel, ami annak köszönhető, hogy a rácsszerkezet ionjai könnyen elmozdulhatnak egymáson a kötés gyengülése nélkül. Ugyanis a fémrács egyik atomsíkját eltolva a másikon, a rácspontok környezete, szemben az ionos vagy a kovalens kötésű rácsokéval, változatlan marad. A fémek, a nagyszámú szabadelektronjuknak köszönhetően kiváló villamos vezetők, amit a rézből, alumíniumból vagy ezüstből készült vezetékanyagoknál használnak ki. Olyan fémrácsokban, ahol akár interstíciósan, akár szubsztitúciósan oldott elemek is vannak, a villamos vezetőképesség romlik. A fémek viselkedése a vegyi hatásokkal szemben nagyon különböző, hisz a platina közismert passzivitásával szemben az alkáli fémek rendkívüli aktivitása állítható. A fémes rács kötési energiája viszont kellően nagy ahhoz, hogy oldódásuk híg oldatokban csak mérsékelt legyen. A fémek igen eltérő tulajdonságaik révén, az igények nagyon széles körének kielégítésére alkalmasak, ezért a kerámiák és a műanyagok térhódítása ellenére még napjainkban is alapvető szerkezeti anyagoknak tekinthetők.

24

1. FÉMEK ELŐÁLLÍTÁSA

Az arany, az ezüst, a réz, a higany és a platinacsalád tagjai néha elemi állapotban is megtalálhatók a természetben. A többi fém elemi formában nem, csupán vegyületeikben fordul elő. A leggyakoribb fémvegyületek főként oxidok, de gyakoriak a szulfidok, a karbonátok és a kloridok is. A földkéregben megtalálható vegyületek az ásványok. A fémkinyerés szempontjából értékes és értéktelen (meddő) ásványok keveréke az érc. A fémek kinyerésére - mai technikai lehetőségeink miatt - a Föld egészének csak egy kis része, mindössze a 30...40 km mélységig terjedő földkéreg, a légkör, a litoszféra, valamint a vízkészlet, a hidroszféra áll rendelkezésre. A hidroszféra a fémeket oldott sók, elsősorban kloridok és szulfidok formájában, a litoszférához viszonyítva sokkal kisebb koncentrációban tartalmazza. A földkéreg átlagos fémtartalmát az 1. TÁBLÁZAT mutatja be. A FÖLDKÉREG ÁTLAGOS FÉMTARTALMA

1. TÁBLÁZAT Fém alumínium vas magnézium titán mangán króm nikkel cink réz

Átlagos koncentráció a földkéregben, tömeg % atom % 8.13 5.92 5.61 1.76 2.09 1.49 0.74 0.28 0.10 0.03 0.04 0.01 0.008 0.003 0.007 0.003 0.006 0.002

Az ásványok a természetben az átlagost sokszorosan meghaladó koncentrációban is előfordulnak a dúsulások révén kialakult érctelepeken. Az érctelepeket három jellegzetes dúsulási folyamat hozza létre: ⇒ hordalék képződés során, ⇒ mállási folyamatok révén, ⇒ hidrotermálisan. A hordalékképződés létrehozta dúsulások olyan helyeken fordulnak elő, ahol a szétaprózódott kőzetet - közöttük a fémes ásványokat is -, a vízáramlás magával ragadja, majd a kisebb sebességű szakaszokon, a folyó kanyarulatokban

25


vagy a tengerparton, a torlatokban lerakja. A hordozó kőzetnél nagyobb sűrűségű ásványok leülepednek, és ezáltal dúsulnak. Ilyen érctelepeket alkotnak a nagyobb sűrűségű fémek és ásványok, mint a nemesfémek, valamint a színes- és nehézfém vegyületek. Némiképp hasonlóan jöttek létre a mállási folyamatok révén a bauxit- és nikkelérc-telepek. A mállási folyamatot a hőmérséklet viszonylag nagy napi ingadozása hozhatja létre. A hőmérséklet-ingadozás hatására a kőzetben repedések keletkeznek. Ha az így feltárt hordozó kőzet - például a szilikátos kőzetek - szilárdabbak, jobban ellenállnak a mállasztó hatásnak, akkor az apróbb szemcsézetű fémes ásványokat a csapadék kimossa, majd elszállítja. Az ásványtartalmú vizes elegy, a mélyedésekben összegyűlve, a víz elpárolgása után mállásos érctelepeket hoz létre. Ezeket az érceket általában külszíni fejtéssel is ki lehet termelni. A dúsulások harmadik formájának - a hidrotermális érctelepek - létrejöttében is meghatározó szerepe van a víznek. Az eddig ismertetett két dúsulási folyamattal szemben, itt az oxidos és a szulfidos fémes vegyületek oldódnak a vízben. Ilyen oldódásra kedvező feltételek jellemzően két módon jöhetnek létre. Az egyik, a magmás kőzetek képződésének utolsó szakaszában lép fel, amikor a kőzet kihűlése során a magmán belül nagy nyomáson, 300-500 oC-os oldat marad vissza. A másik lehetőséget a vulkáni tevékenység jelenti, amikor is a vulkáni kőzet repedéseibe behatoló víz felmelegszik, oldja a kőzetben diszperzen eloszlott fémeket tartalmazó vegyületeket. A hőmérséklet, illetve kisebb mértékben a nyomás csökkenésével a víz oldóképessége csökken. Ha az oldat a magmás kőzet üregeiben, hasadékaiban összegyűlve hűl le, az oldat túltelítetté válik a vegyület kiválik hidrotermális teléreket létrehozva. Ezek a telérek elsősorban vas- és mangán-oxidokat, illetve hidroxidokat valamint a réz, a nikkel, az ón, az ólom, a kobalt szulfidos vegyületeit tartalmazzák. A tengerfenéken működő vulkánok esetén a kiömlő nagy hőmérsékletű, fémekben gazdag oldatból a fémeket tartalmazó vegyületek a hidegebb tengervízzel érintkezve kicsapódnak. Ennek a folyamatnak van meghatározó jelentősége a tengerfenéki mangán, nikkel rögök képződésében. A telérek ásványvagyonának kitermelése általában mélyművelésű bányászattal valósítható meg. 2. TÁBLÁZAT

AZ ÉRCEK MŰREVALÓSÁGA ÉS ÁTLAGOS FÉMTARTALMA Fém vas mangán titán alumínium magnézium króm cink réz nikkel

26

Műrevalóság alsó határa, tömeg % ≈35 ≈25 ≈20 ≈15 ≈10 ≈5 ≈2 ≈0.5 ≈0.2

Kitermelt ércek átlagos fémtartalma, tömeg % 45...65 25...50 30...50 20...30 12...15 10...25 6...20 1.5...5 1...5


Az érctelepeket létrehozó dúsulási folyamatok az egyes fémek nagyon eltérő koncentrációját eredményezik. A fémek előfordulási gyakorisága, az ércek dúsulási mértéke mindenkor meghatározza azt a fémtartalmat, amelynél még gazdaságos a kitermelése. Erről a határról, a „műrevalóságról”, valamint a kitermelt ércek átlagos fémtartalmáról ad áttekintést a 2. TÁBLÁZAT. A fémek dúsulási folyamatából adódóan az érctelepek általában több fém ásványát is tartalmazzák. Az ilyen komplex ércekből a több fajta fém kinyerése mérsékli a költségeket, ezáltal a műrevalóság határa csökken. Az érc kitermelésekor elkerülhetetlen, hogy ne keveredjék a kísérő kőzetekkel. Ezek a kísérő anyagok, valamint az ércnek az adott fémet nem tartalmazó további ásványai alkotják a meddőt. Az a folyamat, amelynek során a fémeket kinyerik érceikből, több, jellegzetes műveletsorra tagolható. ⇒ Az érc kitermelését követően az első munkafázis a meddőtartalom csökkentése, az ércdúsítás, valamint a kohósításra alkalmas szemcseméret létrehozása, az ásvány-előkészítés. ⇒ A második lépés, az extraktív metallurgia, vagy más néven kémiai metallurgia, amelynek során a fémet kinyerik vegyületeiből. ⇒ Harmadik munkafázisban, a finomítás során a kohósított, illetve az újrafeldolgozásra kerülő fém szennyezőtartalmát csökkentik, továbbá a kívánt tulajdonságok elérése érdekében szükség szerint ötvözik. ⇒ A fém finomítását általában olvadt állapotban végzik. A kohászati eljárás befejezéseként az olvadék megszilárdítása, a kristályosítás zárja a folyamatot. A fémhulladékok újrafeldolgozása napjainkban az érckészletek csökkenése, a költségek csökkentése és a környezet megóvása érdekében egyre nagyobb jelentőségre tesz szert. A fémek alkotta hulladékok különösen alkalmasak az újrahasznosításra. Három, az iparban legnagyobb tömegben felhasznált fém termelésén belül az ércekből kinyert mennyiség arányát mutatja be a 3. TÁBLÁZAT. 3. TÁBLÁZAT

AZ ÉRCEIBŐL ELŐÁLLÍTOTT FÉM ARÁNYA A TELJES TERMELÉSBŐL Fém alumínium vas réz

1.1

Érceiből előállított fém aránya, % 70 65 60

Ásvány-előkészítés

Az ércekben a fémásványok gyakran diszperz eloszlásban fordulnak elő. Az ásvány-előkészítés első lépése a feltárás, amikor a kibányászott ércet olyan kis

27


szemcseméretűre aprítják, hogy az ércet alkotó ásványok zömmel elkülönüljenek egymástól. Az apró, többé-kevésbé homogén szemcsék elválasztása a meddőtől, az érc dúsítása - a nagy fajlagos felületnek köszönhetően - viszonylag egyszerű fizikai-, illetve ha szükséges, akkor további kémiai módszerekkel megvalósítható. Az ásvány-előkészítés harmadik, lényeges művelete a darabosítás, a dúsított érc olyan szemcseszerkezetének a kialakítása, amely a további metallurgiai folyamatokhoz a legkedvezőbb.

1.1.1

Ércdúsítás

A töréssel majd a malomban őrléssel finomra aprított, továbbá a szemcsenagyság szerint osztályozott, megfelelő méretű ércből az ásványok fizikai módszerekkel elválaszthatók, illetve kémiai módszerekkel dúsíthatók. A fizikai és kémiai dúsító eljárásokkal előállított koncentrátumból a fém kinyerése vegyületeiből gazdaságosabbá tehető. 1.1.1.1 Ércdúsítás fizikai eljárásai Az érdúsítás fizikai eljárásai a meddő és a fémásvány valamely fizikai tulajdonságának eltérésén alapulnak. A dúsításkor a szétválasztás leggyakrabban a: ⇒ sűrűség különbség, ⇒ mágneses permeabilitás, ⇒ felületi feszültség-különbség alapján érhető el. A sűrűség szerinti szétválasztáshoz arra van szükség, hogy a szemcsék periodikusan mozogjanak. A közel megegyező méretű szemcsékből álló anyagban a nagyobb sűrűségűek, nagyobb mozgási energiájuk révén az üledék alján, míg a kisebb sűrűségűek annak tetején helyezkednek el. Ezen a fizikai elven működnek az aranymosó szérek. A szér kissé lejtősen elhelyezett, durva szövettel burkolt lap, amelyen teljes szélességben, - vékony rétegben - víz folyik. A szér rezgetése révén a nagy sűrűségű aranyszemcsék a szérlap felületéhez egyre közelebb kerülnek, ahol az áramlási sebesség a tapadás miatt kicsi. Az aranyat tartalmazó zagy a vízzel egyirányban lassan csúszik le a szérről. A zagy tetején az áramlási sebesség nagy, ami a meddőt gyorsan lesodorja a szérről. Az aranyszemcsék a durva szöveten megtapadnak, ahonnan időszakosan összegyűjtik. A mágneses szeparálással a mágnesezhető fémes vegyületek, mint az erősen mágneses magnetit (Fe3O4), vagy a gyengén mágnesezhető hematit (Fe2O3) választhatók el a nem mágnesezhető meddő ásványoktól. A flotálás azon a fizikai tulajdonságon alapul, hogy a folyadékok a különböző anyagok felületét eltérően nedvesítik. A jól nedvesedő, hidrofil anyagok a velük érintkező folyadék molekuláira nagyobb vonzóerőt fejtenek ki, mint a folyadékban a szomszédos molekulák, így azok a felülethez tapadnak. Ezzel ellentétes tulajdonságúak a hidrofób anyagok. A hidrofób anyagokhoz a gázrészecskék folya-

28


dék jelenlétében nagy felületen képesek tapadni. A flotálás során a jól és rosszul nedvesedő anyagokat lehet úgy szétválasztani, hogy a hidrofilek a folyadékban maradnak, míg a hidrofóbok a hozzájuk tapadó gázbuborékok felhajtó erejének hatására felemelkednek a folyadék felületére. A flotáción alapuló szétválasztáshoz azonban nem elegendő csupán az, hogy a buborékok felúsztassák a szemcséket a felületre, s ott a felületi feszültség hatására szétpukkanjanak. Arra is szükség van, hogy a buborékok habot képezve megmaradjanak és a felületen is tartsák a szétválasztott terméket. Ezt a folyadék legtöbbször víz - felületi feszültségét csökkentő, habképző anyagok adagolásával érik el, amelyek poláris és nempoláris részből álló szerves anyagok. Poláris részük a vízzel érintkezik, nem poláris részük a gáz, - legtöbbször levegő - felé fordul, ezzel szétválasztva a vizet a gázfázistól. A felületen összegyűlt - fémvegyületeket hordozó -, habot a felületről le lehet szedni, míg a meddő a flotáló berendezés alsó elfolyóján át távozik a rendszerből. A flotálást általában a fémveszteségek csökkentése érdekében több fokozatban hajtják végre. Az utolsó flotált habból víztelenítéssel jutnak hozzá az érckoncentrátumhoz. A flotálás az egyik legelterjedtebb dúsítási eljárás. Ez az elterjedtség annak tudható be, hogy nagyon jó hatásfokkal lehet használni szulfidos ércek - mint a réz-, a nikkel-, az ólom-, az ón-, a cink-, a molibdén ásványok - dúsítására. 1.1.1.2 Ércdúsítás kémiai eljárásai Az ércdúsítás vegyi reakciókra épülő, kémiai eljárásai a fémtartalom növeléséhez a hőenergiát alkalmazó pirometallurgiai eljárások, valamint a fémtartalmú, vagy a fémet nem tartalmazó ásványok oldatba vitelén alapuló hidrometallurgiai eljárások tartoznak. A két, leggyakrabban alkalmazott pirometallurgiai ásvány-előkészítési eljárás a kiégetés vagy más néven a kalcinálás és a pörkölés. A kiégetés során az ércet további anyag adagolása nélkül, de általában levegő jelenlétében olyan hőmérsékletre hevítik, hogy az ércben levő vegyületek részlegesen, vagy teljesen elbomoljanak. A bomlás során a fém, vagy fémvegyület szilárd állapotban marad. A keletkező reakciótermékek viszont gáz formájában eltávolíthatók a rendszerből növelve ezzel a visszamaradó koncentrátum fémtartalmát. A kémiai reakciók mellett fizikai folyamatok is végbemennek, az érc elveszíti fizikailag kötött adszorbeálódott, valamint esetleg vegyileg is kötött nedvességét. A kiégetés során a fő kémiai reakció a termikus disszociáció, amely akkor következik be, amikor a közölt hő hatására a vegyületet alkotó atomok rezgése a kötésen belül olyan nagy mértékűvé válik, hogy a kinetikus energia meghaladja a kötésenergiát. A kiégetés gyakran más pirometallurgiai eljárások első szakaszában a folyamat részeként is végbemegy. Önálló műveletként elsősorban kis kötési energiájú hidroxidok, karbonátok, vagy magasabb rendű oxidok esetében alkalmazzák. A pörkölés során az ércet egyéb reagensekkel együtt hevítik azért, hogy az érc nemfémes összetevőinek mennyiségét csökkenteni lehessen a végbemenő re-

29


akciók révén. A pörkölés legjelentősebb alkalmazása a flotálással dúsított, mintegy 20-25 % réztartalmú koncentrátum fémtartalmának további növelésénél, a kéneskő előállításánál van. A kitermelt rézércek döntő többsége a réz és a vas közös szulfidja, a kalkopirit (CuFeS2). A kalkopirit sztöchiometriailag meghatározható réztartalma kevesebb mint 35 tömeg %, szemben a kalkozinnak (Cu2S), a réz szulfidjának 80 %os réztartalmával. A kalkopiritet oxigéndús közegben hevítve a (2) szerinti reakció megy végbe: 4 [CuFeS2] +7 O2 ⇔ 2 [Cu2S]olv +[FeS]olv + [Fe3O4]olv + 5 SO2 .

(2)

A (2) reakcióegyenletben - továbbá a későbbiekben is -, a reakcióban résztvevő elemeknek, illetve vegyületeknek a rendszeren belüli halmazállapotát és fázisát a zárójelek, alsó indexek, illetve ezek hiánya jelöli:

[ ] ...... a fémfázist alkotó szilárd anyag, ( )....... a salakfázist alkotó szilárd anyag, ....... gáz. Az egyenlet bal- és jobboldalát összekötő kétirányú nyílnak, ⇔, jelentése az, hogy a reakció minden pillanatban balról jobbra és jobbról balra is végbemegy. A reakciótérben uralkodó nyomás és hőmérséklet határozza meg a reakció irányát. Ha energetikai egyensúly alakul ki a rendszert alkotó összetevők között az adott állapottényezők mellett, akkor a reakciók ugyanazzal a sebességgel mennek végbe balról jobbra és jobbról balra, vagyis a rendszert alkotó összetevők aránya nem változik. Ha az állapottényezők megváltoznak, akkor megváltozik a két oldal közötti energiaszint és ennek megfelelően a rendszert alkotó összetevők aránya is követi ezt a változást. Ennek megfelelően egyensúlyi helyzetet feltételezve, a baloldali és a jobboldali reakciótermékek arányát az állapottényezők határozzák meg. A (2) reakcióegyenlet szerint balról jobbra végbemenő folyamat lényege, hogy a kalkopirit kéntartalmának közel kétharmadát kén-dioxid formájában ki lehet vonni torokgázzal. A torokgáz kén-dioxid tartalmát tisztítás után alapanyagul használják a kénsavgyártáshoz. A gáz elvezetése a rendszerből egyben lehetetlenné teszi, hogy a képződött fémes termék visszaalakuljon szulfidos formájúvá. A pörkölés során olvadt, három vegyület oldatából álló fémes fázis marad vissza. A folyamathoz elengedhetetlen 1200...1300 oC-os hőmérséklet eléréséhez, illetve fenntartásához szükséges energia nagy részét a kén és a vas kiégése szolgáltatja. Az olvadékból a vas bázikus oxidja a savas kémhatású homokkal kicsapatható egy, a fémfázis számára már oldhatatlan komplex vegyület, szilikát formájában a (3) reakcióegyenlet szerint: 6[Cu2S]olv + 3[FeS]olv + 3[Fe3O4]olv + 10(SiO2) ⇔ 6[Cu2S]olv + 2[FeS]olv + 10(FeSiO3)olv + SO2. (3)

Az oldhatatlan, olvadt salakfázis sűrűsége kisebb, mint a fémet tartalmazó olvadéké, emiatt annak felszínére felúszik, ahonnan időszakosan le lehet csapolni. A csapolt salak mindig magával ragad fémet is, de a salak réztartalma általában elhanyagolható, ezért újrafeldolgozásra nem kerül. A fémet hordozó olvadék, a kéneskő réztartalma meghaladja az 50 tömeg %-ot.

30


A kéneskő előállítása többféle technikai megoldással és berendezéssel lehetséges. Széles körben alkalmazzák az előmelegített, nagysebességű levegővel lebegtetett ércpor pörkölést, az úgynevezett röptében olvasztó berendezést. A kéneskő előállítás másik tipikus berendezése a réz kohósítási folyamatát szemléltető 10. ábrán látható lángkemence.

10. ábra A réz kohósításának folyamata A hidrometallurgiai ércdúsító eljárás, a lúgzás során az ércet vizes oldatokkal kezelik. A kezelés célja, hogy a vízhez adagolt anyagok a fémtartalmú ásványt vízben oldható vegyületekké alakítsák át. A lúgzáshoz csak híg oldatokat alkalmaznak azért, hogy a meddő oldódását elkerüljék. A fémvegyületet tartalmazó oldatot a szilárd meddőtől ülepítéssel és szűréssel lehet elválasztani. Egy oldószerben az anyag oldhatósága a hőmérséklettől és kismértékben a nyomástól is függ. Ezért az oldatot lehűtve, vagy a víz egy részét elpárologtatva az oldat túltelítetté válik. A túltelített oldatból az értékes fémvegyületet csíraképző anyag adagolásával ki lehet kristályosítani. A kristályosítást gyorsítja, ha a kristályosodó szemcsék környezetéből keveréssel a fémvegyületben elszegényedő oldatot eltávolítják. A keverés hatására a kristályosodó szemcse környezetében az oldat mindig az átlagos koncentrációjú. Ez a művelet a kikeverés. A legismertebb hidrometallurgiai ércdúsítás - a Bayer eljárás -, a timföld (Al2O3) előállítása bauxitból. A Bayer rendszerű timföldgyártás során az őrölt ércet, a bauxitot vizes mosással az agyagszerű meddőtől megtisztítják, majd forgódobos kemencében kiszárítják. Az így előkészített bauxitot nátronlúg vizes oldatához adagolják. A nátronlúgos oldatban a bauxit alumíniumtartalma a (4) összefüggés szerint oldódik, és nátrium-aluminát lúg keletkezik:

[Al(OH)3] +(NaOH)old ⇔ [NaAl(OH)4]old.

(4)

31


11. ábra A timföldgyártás folyamata

32


Heterogén rendszerben az oldódás, a szilárd- és a folyadék fázis érintkezési felületén következik be. Az oldódás több részfolyamat együtteseként megy végbe, amelyek: ⇒ a reagáló anyag adszorpciója a szilárd fázis felületén, ⇒ vegyi reakció a szilárd fázis felületén levő reakcióképes anyaggal, ⇒ a reakciótermék deszorpciója a szilárd fázis felületéről, ⇒ a reakciótermék eltávolodása a felülettől, ⇒ a reagáló anyagban elszegényedett, felülethez közeli oldat feldúsulása. Az oldódás sebességét a felsoroltak között a leglassúbb folyamat sebessége határozza meg. Ez az esetek többségében a reakciótermék elszállítása a felület környezetéből, ami diffúzióval megy végbe. A reakcióképes érintkezési felületek növelése, vagyis a szilárd anyag fajlagos felületének növelése a darabosított szemcse méretének csökkentésével lehetséges. A felülethez közeli koncentrációkülönbség kiegyenlítődést hatásosan gyorsítja a keverés, továbbá a diffúziós tényező növelésével a hőmérséklet emelése. A timföldgyártás során a kellő oldódási sebesség érdekében a lúg hőmérséklete 180...230 oC. Ez a hőmérséklet folyadék állapotban csak az atmoszferikusnál nagyobb nyomáson érhető el. Ezért a lúgzást nagyobb nyomáson hajtják végre. Az oldat szétválasztását az oldhatatlan meddőtől a - vörösiszaptól - az ülepítőben végzik. A vörösiszap többszöri mosás, majd szűrés után meddőhányóra kerül. A timföldgyártás folyamatát a 11. ábra szemlélteti. Az aluminátlúgot a lebegő szemcséktől szűréssel választják szét. Az aluminátlúg hőmérsékletét hűtőtoronyban 100 oC-ra csökkentik és vízzel hígítják. A túltelítetté váló oldatban a (4) reakcióegyenlet jobbról balra játszódik le. A kristályos alumínium-hidroxid kiválását csíraképző oltóanyaggal és keveréssel gyorsítják meg az 50...55 oC-os kristályosítóban. A még jelentős mennyiségű, oldott alumínium-hidroxidot tartalmazó oldatot bepárolják és a rendszerbe visszavezetik. A timföldgyártás utolsó lépéseként az alumínium-hidroxidot kalcinálják. A kalcinálás során az (5) reakció megy végbe: (5) 2 [Al(OH)3] olv ⇔ [Al2O3] +3 (H2O)olv . A keletkezett szilárd alumínium-oxid finom, porszerű anyag, amely az alumínium kohósításának alapanyaga.

1.1.2

Ércdarabosítás

Az ércdúsítás során előállított koncentrátumok általában legfeljebb milliméter méretű szemcsékből álló porok. Az olyan fémkinyerési módszereknél, ahol az extrakció oldatban megy végbe - mint a timföld kohósításakor -, ott ez a szemcseméret az oldódáshoz kifejezetten előnyös. Az olvadékból való redukció során a kiinduló szilárd anyag szemcsemérete gyakorlatilag érdektelen. A nyersvasgyártáskor a befúvatott levegő, továbbá a felszálló füstgázok a por alakú vasérc koncentrátumot képesek magukkal ragadni és ezért a vastartalmú por a torokgázzal el tudna eltávozni a nagyolvasztóból. Ez jelentős fémveszteséget okozna. Ennek elkerülésére a vasérc koncentrátumot darabosítják, agglomerálják. A darabosítás során az érckoncentrátumnak nemcsak a mérete növelhető meg, ha-

33


nem összekeverhetők a salakképző anyagokkal, sőt bizonyos redukciós folyama-tok is bekövetkeznek. Ezeknek a redukciós folyamatoknak az eredményeként az igen drága koksz felhasználása a nagyolvasztóban, csökkenthető. Az ércdarabosítás további előnye, hogy a nagyolvasztóba kerülő adag egyenletesebb összetételű, ami további energia-megtakarítást eredményez. A darabosító eljárások két nagy csoportba sorolhatók, nevezetesen a zsugorító pörkölésre és a pelletezésre. A zsugorító pörkölés első művelete az érckoncentrátum, a mészkő- és a szénpor nedves keverése. A keveréket mozgó rostélyra adagolják, amelyet átvezetnek egy kemencén, ahol a felmelegedett keveréken keresztül levegőt fúvatva a szén- vagy kokszpor begyullad. A levegő mennyisége azonban nem elegendő a teljes égéshez. Kezdetben, a keletkező szén-monoxid a például a (6) reakció szerint, majd a hőmérséklet növelésével maga az izzó szénpor részlegesen redukálja a vasércet, a (7) reakcióegyenletnek megfelelően: 3 [Fe2O3] + CO ⇔ 2 [Fe3O4] + CO2 , 3 [Fe2O3] +[C] ⇔ 2 [Fe3O4] + CO.

(6) (7)

Az ércben visszamaradt kísérőásvány, a szilícium-dioxid a mésszel komplex szilikát formájában vegyül, amely a vas-oxiddal viszonylag alacsony, 1260 oC olvadáspontú eutektikumot alkot. Az 1300...1350 oC hőmérsékletre felmelegedő keverékben ez az olvadt eutektikum a szilárd vas-oxid szemcséket összeköti. Ez a folyamat szinterelésként ismert. Az így kialakult porózus szerkezetű összetapadt keveréket levegő átfúvatásával gyorsan lehűtik. Az összesült, porózus agglomerátum törése, majd rostálása jelenti a zsugorító pörkölés utolsó műveletét. A pelletezés a kisebb szemnagyságú, már nem zsugorítható méretű érckoncentrátumok darabosítására használatos. A lényegi különbség a zsugorító pörköléshez képest, hogy a pellethez nem adagolnak sem salakképző anyagot sem szénport. A szemcsék közötti kötést ragasztó anyag, mint bentonit vagy vízüveg hozza létre. A kötőanyaggal nedvesített ércszemcsék az agglomeráló forgó dobban vagy tányéron görögve egymáshoz tapadnak, és a kívánatos 20...30 mm-es szemcseméretet elérve készül el, a nyers pellet. Kiégetése, amely a kívánatos szilárdságot hívatott megvalósítani, 1250...1300 oC hőmérsékleten általában gáztüzelésű kemencében érhető el.

1.2

Fémkinyerés

A fémvegyületekben feldúsított érckoncentrátumból a fémet extraktív metallurgiai módszerekkel nyerik ki. A legcélszerűbb, leggazdaságosabb fémkinyerési eljárást a fém fizikai- és kémiai tulajdonságai, az ásványt alkotó vegyület fajtája, a koncentrátum fémtartalma, valamint a meddő tulajdonságai határozzák meg. Az extraktív metallurgiában alkalmazott eljárások az elektrolízisen alapuló elektrometallurgiai és pirometallurgiai módszerek csoportjába sorolhatók.

34

1. FÉMEK ELŐÁLLÍTÁSA Az extraktív metallurgia alapja a fémeknek az egyik leglényegesebb tulajdonsága, az egyes elemekkel szemben tanúsított vegyi aktivitása. Az extraktív metallurgiai műveletek során a legfontosabb jellemző az a kötési energia, amely a feldolgozandó vegyület atomjait tartja össze. Néhány nemesfém, mint az arany a természetben fémes formában is található, így kinyerése pusztán egy fizikai dúsítási folyamatot igényel. Ezektől a ritka kivételektől eltekintve, a fémkinyerés nem más, mint a fémnek a vegyületeiből való redukálása. A kohászati folyamatok döntő többsége állandó, atmoszferikus nyomáson megy végbe. Ha valamely rendszer egy mólnyi mennyiségével állandó nyomáson hőt közölnek, akkor az energianövekedés a moláris entalpia (∆H) növekedésében nyilvánul meg. A rendszer moláris entalpiájának egy része, a szabadentalpia (∆G), munkává átalakítható, a fennmaradó rész - az entrópia (∆S) és a hőmérséklet szorzata -, a kötött energia. Az entalpia, a szabadentalpia közötti kapcsolatot írja le a (8) összefüggés. ∆H = ∆G + T∆S (8) A szabadentalpia további két részre osztható a (9) összefüggés szerint, a tetszőleges kiinduló és a normál állapot között maximálisan munkává alakítható energiára, valamint a normál és az egyensúlyi állapot közötti energiára, a normál szabadentalpiára. ∆G = ∆Go + RTlnI, (9) ahol: ∆G...... a szabadentalpia, J/mol, ∆Go..... a normál szabadentalpia, J/mol, R......... az egyetemes moláris gázállandó, 8.314 J/molK, T......... a hőmérséklet, K, I.......... az egyensúlyi állandóhoz hasonló, aktivitások hányadosa, amely: normál állapotban I = 1, amikor ∆G =∆Go, egyensúlykor I = K, amikor ∆G =0, vagyis:

∆H ∆G = ∆Go + RTlnI RTlnI

T∆S

∆Go = -RTlnK

kiinduló állapot

normál állapot egyensúlyi állapot I=1 I=K Ha halmazállapot-változás nem következik be, a reakció entalpiája és entrópiája gyakorlatilag állandó, ezért a normál szabadentalpia a (10) összefüggés szerint egyenesen arányos a hőmérséklettel :

∆Go =∆H0 - T∆S0 .

(10)

A hőmérséklet növekedésekor a rendszer a forráspontot elérve, az anyag entrópiája a gázfázis megjelenése, a rendezetlenség növekedése miatt lényegesen

35

1. FÉMEK ELŐÁLLÍTÁSA megnő, ami a ∆Go - T függvényben töréspontot és az egyenes meredekségének növekedését okozza. Az ásvány-előkészítés során előállított érckoncentrátum - az iparban legnagyobb mennyiségben használt fémek esetében - e fémeknek az oxidos vegyületeiből áll. A 4. diagram a kohászati gyakorlatban lényeges oxidok moláris normál szabadentalpiájának hőmérséklettől való függését mutatja be. Ha valamely vegyület szabadentalpiája egy adott hőmérsékleten illetve nyomáson kisebb mint nulla, akkor ott a vegyület stabilis. Egy több komponensű rendszerben reakció akkor mehet végbe, ha a reakció eredményeként a rendszer szabadenergiája csökken. Ennek megfelelően a 4. diagram adataiból látható, hogy a higany az egyetlen olyan fém, amely oxidjából hevítéssel redukálható, kiizzítható. Szabadentalpia, kJ/mol O2 0 1

-100

2 3

-200

5

4

-300

6 7

-400 -500

8

9

-600

12

11

10

-700 13

-800

15

14

-900 -1000 -1100 -1200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Hőmérséklet, C fok

1 2 3 4 5 6 7 8

.......2 Hg + O2 ⇔ 2 HgO ...... 4 Cu + O2 ⇔2 Cu2O ...... 2 Ni + O2 ⇔ 2 NiO ...... 12 Fe + 9 O2 ⇔ 6 Fe2O3 ....... S + O2 ⇔ SO2 ....... 2 H2 + O2 ⇔ 2 H2O ....... 2 Fe + O2 ⇔ 2 FeO ....... C + O2 ⇔ CO2

9 10 11 12 13 14 15

....... 2 Mn + O2 ⇔ 2 MnO ....... 2 C + O2 ⇔ 2 CO ....... Si + O2 ⇔ SiO2 ....... Ti + O2 ⇔ TiO2 ....... 4/3 Al + O2 ⇔ 2/3 Al2O3 ....... 2 Mg + O2 ⇔ 2 MgO ....... 2 Ca + O2 ⇔ 2 CaO

4. diagram A kohászati gyakorlatban lényeges oxidok moláris normál szabadentalpiájának hőmérséklet függése

36

1. FÉMEK ELŐÁLLÍTÁSA Ha egy olyan rendszert vizsgálunk, amelyben több elem, illetve ezek oxidjai találhatók, akkor azok az elemek, amelynek oxidjai kisebb szabadentalpiával rendelkeznek azon a hőmérsékleten, a másik elem oxidját redukálni képesek. Vagyis olyan, az oxigén iránt kisebb affinitással rendelkező fémek, mint a réz, a nikkel a hidrogénnel redukálhatók, mert a hidrogén-oxid szabadentalpiája kisebb, mint a felsorolt fémek oxidjaié. A vas redukciója karbonnal csak mintegy 800 oC hőmérséklet felett lehetséges (4. diagramon ahol a szabadentalpia-görbék metszik egymást). E hőmérséklet felett a szén-monoxid szabadentalpiája kisebb, mint az ezen a hőmérsékleten legstabilisabb vas-oxigén vegyületé a vas(II)-oxidé, az FeO-é. A 4. diagram alapján megítélhető, hogy a nagy kötési energiával rendelkező oxidok, mint az alumínium-, a magnézium-, vagy a titán oxidja a használatos redukáló szerek közül a karbonnal is csak jóval az iparszerűen alkalmazható hőmérséklet felett lehetséges. A nagy kötési energiájú magnézium, titán és alumínium kinyerésére ezért a pirometallurgiai módszerek helyett elektrometallurgiai módszereket alkalmaznak.

1.2.1

A fémkinyerés elektrometallurgiai módszerei

Az elektrometallurgiai eljárások körében a fémet vegyületének oldatából vagy olvadékából nyerik ki. Az elektrometallurgiai eljárások alapvető folyamata az elektrolízis. Az elektrolízis során az ionokat összetartó kötések felbontásához szükséges energiát az elektromos tér energiája szolgáltatja. Az oldatokban az oldó anyag nagyobb dielektromos állandója révén lecsökken az oldott anyag részecskéit összetartó elektrosztatikus erő nagysága, így a disszociálódott molekulákból ionok jönnek létre. Az elektrolízis folyadékban, az elektrolitban megy végbe, amely villamosan töltött részecskéket, ionokat tartalmaz. A fémek esetében az ionok már szilárd állapotban is rendelkezésre állnak, de a rácsot alkotó erők az ionok vándorlását olyan mértékben akadályozzák, hogy esetleges mozgásuk elektrokémiai szempontból elhanyagolható. Folyadék állapotban viszont az ionvándorlással, de különösen az elektronáramlással szemben csekély ellenállást mutatnak, így kiváló elektrolitok. Az elektromos teret az elektrolitokba merülő, ellentétes töltésű elektródok hozzák létre. Kellően nagy térerősség esetén az elektrolit villamosan töltött részecskéi, az ionok a töltésükkel ellentétes katód, illetve az anód irányába vándorolnak. A negatív ionok az anionok az anódon, a pozitív ionok a kationok - mint a fémek és a hidrogén -, a katódon válnak ki. Például a hidrogén kation a katódon elektronfelvétel mellett rekombinálódik atommá, majd az atomok egyesülésével molekulává. Ahhoz, hogy az elektrolízis - a töltött részecskék vándorlása az elektrolitban -, folyamatosan fenntartható legyen, az anódról a többlet elektront el kell vezetni, illetve a katód folyamatos elektron ellátásáról gondoskodni kell. Ezért az anód és a katód anyagának egyaránt villamosan vezetőnek kell lennie. Az anód anyaga maga is aktív szereplője lehet az elektrolízisnek. Az elektrolízissel való fémtisztítás az oldható anód elvére épül. Fémtisztításkor a szennyezőt tartalmazó fém képezi az anódot, amelynek fémionjai oldódva az elektrolitban, majd a katódon kiválva a tisztított fémet alkotják. Számos anyag elektrolízisekor az anódon leváló ion a katód anyagával reakcióba

37

1. FÉMEK ELŐÁLLÍTÁSA lép. Ilyenek a fogyó anódok, amelyekre jellemző példát a későbbiekben tárgyalásra kerülő alumínium elektrolízise ad. A fém és a saját ionjait tartalmazó oldat között akkor lép fel potenciálkülönbség, az elektródpotenciál, ha a fém kémiai potenciálja más az oldatban és más a fémes fázisban. A fémion abba a fázisba megy át, ahol kémiai potenciálja kisebb. A fémion oldódásának vagy kiválásának moláris szabadentalpia-változásból számítható a (11) összefüggés szerint az elektródpotenciál:

ahol:

ahol:

∆G = ∆Go + RTlnI =- εMeνF , εMe = -(∆Go + RTlnI)/ νF ,

(11)

εMe...... az Me fém elektródpotenciálja, V, ν......... az átvitt elektronok móljai, F......... a Faraday állandó, As/mol. Ha az aktivitás egységnyi, vagyis : I =1, akkor εMe =εoMe,

εoMe...... az Me fém normálpotenciálja, V.

Mindig csak két elektród közötti potenciálkülönbség mérhető. Ahhoz, hogy valamely elektród potenciáljának számértékét meg lehessen adni, vonatkoztatási alapul a hidrogénelektródot választották, amelynek egyezményes normálpotenciálja nulla volt. Valamely elektródból, valamint a hidrogén elektródból álló, egységnyi aktivitású rendszerben mérhető feszültség a standard-elektródpotenciál. A valóságban végbemenő elektrokémiai folyamatokban a rendszert alkotó anyagok aktivitása nem egységnyi. Az aktivitást is figyelembe vevő elektródpotenciál kifejezése például a fém elektródra a Nernst törvény szerint a (12) összefüggéssel írható le: RT C Meν + (12) ln ε =εo + νF C Me ahol: εo........ az Me fém standard-elektródpotenciálja, V, CMeν+ .. az Meν+ ion koncentrációja az elektrolitban, mol/m3, CMe...... az Me fém koncentrációja az elektródon, mol/m3. 4. TÁBLÁZAT

NÉHÁNY

ELEKTRÓDFOLYAMAT STANDARD ELEKTRÓDPOTENCIÁLJA

Elektródreakció Na+ + e- = Na Mg2+ + 2e- = Mg Ti2+ + 2e- = Ti Al3+ + 3e- = Al Zr4+ + 4e- = Zr Mn2+ + 2e- = Mn Cr2+ + 2e- = Cr Zn2+ + 2e- = Zn Cr3+ + 3e- = Cr Fe2+ + 2e- = Fe

38

ε0, V -2.71 -2.38 -1.75 -1.66 -1.53 -1.03 -0.90 -0.76 -0.74 -0.44

Elektródreakció Cd2+ + 2e- = Cd Ni2+ + 2e- = Ni Sn2+ + 2e- = Sn Fe3+ + 3e- = Fe 2H+ + 2e- = H2 Cu2+ + 2e- = Cu Cu+ + e- = Cu Ag+ + e- = Ag Au+ + e- = Au F2+ + 2 e- = 2F

ε0, V -0.40 -0.25 -0.14 -0.04 0.00 0.34 0.52 0.80 1.68 2.87

1. FÉMEK ELŐÁLLÍTÁSA Feltételezve, hogy az elektród aktivitása egységnyi, továbbá hogy a hőmérséklet 25 oC, a konstansok behelyettesítésével a (13) összefüggéssel írható le az elektródpotenciál: ε =εo −

0 .0592

(13) lg C Meν + . ν Az elektrometallurgiában és a fémbevonatolásban, a galvanizálásban, valamint a nemfémes díszítő-, vagy védőréteg készítésében, az eloxálásban meghatározó elektródfolyamatok standard elektródpotenciálját a 4. TÁBLÁZAT foglalja össze. Mind az elektrolízis során, mind pedig a galvánelemekben elektrokémiai folyamatok zajlanak le a katódon és az anódon egyaránt. Az elektrolízishez szükséges legkisebb feszültség, illetve a galvánelem elektromotoros ereje a katód és az anód elektródpotenciáljának különbségeként számítható a (14) összefüggés szerint: (14) U =εk - εa , ahol: U........ az elektromotoros erő, V, εk ....... a katód elektródpotenciálja, V, εa ....... az anód elektródpotenciálja, V. Ha az elektrolízis során az anód oldható, akkor az áramkörben folyó áram erőssége Ohm-törvénynek megfelelően arányos a katód és az anód közötti feszültségkülönbséggel, a kapocsfeszültséggel: U I= e, (15) Re ahol: I ....... az áramerősség, A, Ue ....... az elektrolízis kapocsfeszültség, V, Re ...... az elektrolit ellenállása, Ω. Az oldhatatlan anódos elektrolízisnél oxidos elektrolitot feltételezve - ami olvadék elektrolízis esetén jellemző -, a fejlődő oxigén körbeveszi az oldhatatlan anódot, ami az elektrolízis megindulása után oxigénanódként viselkedik. Az így keletkező oxigénanód és a fémes katód galvánelemet alkot, amit az elektrolizáló kapocsfeszültségnek le kell győznie. A rendszerben mindaddig nem folyik áram, amíg a kapocsfeszültség nem nagyobb a keletkező galvánelem elektromotoros erejének maximumánál, a bomlásfeszültségnél. Az oldhatatlan anódos elektrolízisnél az áramerősség a kapocsfeszültség és a galvánelem elektromotoros erejének különbségével arányos a (16) összefüggés szerint:

I=

Ue −U g Re

,

(16)

ahol:

Ug ....... a galvánelem elektromotoros ereje, V. Az elektrolízis során a Faraday törvény szerint az elektródokon kiváló ionok száma az átfolyó elektronok számával arányos. Ennek alapján meghatározható az a minimális töltés, amely 1 kilogrammnyi fém elektrolíziséhez szükséges. Ez a mutató

39

1. FÉMEK ELŐÁLLÍTÁSA az ezüstnél 0.25 kAh/kg, a réznél 0.84 kAh/kg, míg az alumíniumnál - összefüggésben a vegyület nagy kötési energiájával -, kiemelkedően nagy, 2.98 kAh/kg. 1.2.1.1

Alumíniumkohászat

Az alumíniumot oxidjából elektrolízissel választják le. Az Al2O3, a timföld olvadáspontja nagy (2045 oC), ezért a gyakorlatban nem olvadékát, hanem olvadt kriolitban (Na3AlF6) való oldatát használják elektrolitként. Az alumínium standard elektródpotenciálja, mint az a 4. TÁBLÁZAT adataiból látható -1.66 V, ezért vizes oldatából nem lehet előállítani, mert ekkor az alumínium helyett hidrogén válik ki a katódon. Az olvadt kriolit villamos vezetőképessége nagy, így az elektrolízis hővesztesége kicsi. A kriolit olvadáspontja 1010 oC. A timföldtartalom változásával módosul az oldat olvadáspontja. Mintegy 15 %-os timföldtartalomnál a rendszernek 935 oC-os olvadáspontú eutektikuma van. A timföldtartalom növekedésével az olvadáspont rohamosan nő, 20 %-os timföldtartalomnál már 1050 oC. Az alumíniumkohókban az elektrolit timföldtartalmát 6...8 %-os határok között tartják. A kohósításra kerülő timföld, valamint a kriolit összetételéről ad tájékoztatást az 5. és a 6. TÁBLÁZAT. 5. TÁBLÁZAT A TIMFÖLD ÖSSZETÉTELE Összetevők Tömeg %

Al2O3 98.6...98.8

6. TÁBLÁZAT

Na2O 0.3...0.5

Fe2O3 0.02...0.04

TiO2 ≤ 0.01

ZnO2 ≤ 0.01

MnO2 ≤ 0.01

A KRIOLIT ÖSSZETÉTELE Összetevők Tömeg %

Na3AlF6 96.5...96.8

SiO2 0.3...0.5

Fe2O3 0.1...0.3

SO4 0.5...1.5

Az alumínium elektrolízise során az anódon kiváló oxigén és az elektrolit nagy hőmérséklete és agresszivitása miatt csak néhány anyag jöhet számításba elektródként. A gyakorlatban a koksz vált be a leginkább. Az alumínium előállítása 15...60 m2 alapterületű 1...1.5 m mély, acél köpenyű, vastag, grafit téglákkal burkolt elektrolizáló kádakban megy végbe, amely bélés egyben a katód szerepét is betölti. A 950...980 oC-os hőmérsékletű elektrolitba merül be a petrolkémiai alapanyagokból gyártott kokszanód. Az elektrolitban az olvadt kriolit és az oldott timföld disszociált állapotban van. A kriolit és a timföld disszociációja a (17) és (18) összefüggés szerint megy végbe: Na3AlF6 ⇔ 3 Na+ + Al 3+ + 6 F -, (17) Al2O3 ⇔ 2 Al 3+ + 3 O 2-. (18) Az elektroliton átvezetett egyenáram hatására a cella alján levő koksz-bélésen, mint katódon folyékony alumínium válik le a (19) összefüggés szerint:

2 Al 3+ + 6 e- ⇔ 2 Al.

(19)

A nagyobb sűrűségű alumínium összegyűlik a kád alján és a továbbiakban katódként funkcionál. Az anionok az anódon válnak le a (20) összefüggés szerint:

40

1. FÉMEK ELŐÁLLÍTÁSA 3 O 2- - 6 e- ⇔ 3 O.

(20)

A kokszanódon a kiváló oxigén a karbonnal reakcióba lép a (21) reakcióegyenlet szerint: 6 O +3 C ⇔ 3 CO2 . (21) A (21) szerinti reakció hőtermelése révén, mérséklődik az elektrolízis villamosenergia-igénye, de egyben gondoskodni kell a keletkező széndioxid elvezetéséről és minden kg alumínium elektrolíziséhez 0.5...0.6 kg kokszanód pótlásról is. Az elektroliton egy szilárd kéreg keletkezik, amelyet timfölddel takarnak. Ez a fürdőbe adagolandó timföld előmelegítését és az elektrolit hőszigetelésének javítását egyaránt szolgálja. Az alumínium elektrolízise folyamatos üzemet tesz lehetővé. Ehhez 2...4 óránként timföld adagolásával pótolni kell a szétbontott alumínium-oxidot, ami a kéreg áttörésével valósul meg. Az olvadt alumíniumot a kád fenekéről egy-két naponta vákuum szivattyúval csapolóüstbe gyűjtik. Időszakosan a gázfázisként távozó fluorid veszteséget, ami egy kilogramm alumíniumra vetítve 1...5 g alumínium-fluorid (AlF3) adagolásával kell pótolni. A timföld kohósítását a 12. ábra szemlélteti.

12. ábra Az alumínium kohósítása Az elektrolizáló kádak teljesítménye az áramerősségtől függ. Mint arra az előzőkben utaltunk, 1 kA erősségű árammal óránként 0.335 kg alumínium állítható elő timföldből. A gazdaságos termelés érdekében a szokásos méretű alumínium

41

1. FÉMEK ELŐÁLLÍTÁSA kohóban a 200…400 kádat 50...250 kA-es árammal táplálják, az éves termelés 100..300 000 tonna. A kádakat a veszteségek csökkentése érdekében sorba kapcsolják. Az egy kádba vezetett feszültség 4...5 V. Ennek kisebbik része, 1.67 V fordítódik az alumínium-oxid bontására (ld. 4. TÁBLÁZAT), míg az elektrolit ellenállásán 1.3...1.5 V feszültségesésnek megfelelő villamos energia alakul át hővé. A további feszültségesés a villamos áramkör átmeneti ellenállásain és a vezetékeken lép fel. A tápfeszültségtől függően 1 kg alumínium elektrolíziséhez ennek megfelelően napjainkban mintegy 15...17 kWh (50...60 MJ) energia szükséges. Megjegyzendő, hogy az 1950es években ehhez még 20…22 kWh energiára volt szükség. A csapolóüstöt a gyűjtőkemencébe ürítik. A kemencében a különböző kádakból kikerülő, eltérő összetételű olvadékok homogenizálódnak. Az olvadék pihentetése során a lebegő kriolit részecskék, vagy az anódból, illetve katódból származó kokszdarabkák felúsznak, továbbá az oldhatóságot meghaladó hidrogén kiválik. A kohóalumínium általában 99.5…99,7 % tisztaságú. A kohóalumíniumban a timföld és a kriolit alumíniumnál pozitívabb elektródpotenciálú elemei (ld. 4. TÁBLÁZAT), mint a vas, cink, mangán, szilícium leválasztódnak és szennyezik az alumíniumot. A kohóalumínium jellemző vegyi összetétele a 7. TÁBLÁZAT adatainak felel meg. 7. TÁBLÁZAT Elem Tömeg %

A KOHÓALUMÍNIUM JELLEMZŐ ÖSSZETÉTELE Al 99.5...99.7

Fe 0.1...0.2

Si 0.08...0.15

Cu 0.03...0.1

Zn 0.03...0.1

Ti 0.05...0.15

A kohóalumínium vastartalma szennyeződés, - ami szemben a többi elemmel, amelyeket sok esetben ötvözőként, szándékoltan is adagolnak az alumíniumba -, a kezelőszerszámokból jut a fürdőbe. A kohóalumínium szennyezői miatt még sok esetben nem kohászati végtermék, hanem a felhasználási célnak megfelelő további tisztítási, illetve ötvözési műveleteknek kell alávetni. Egy tonna alumínium előállításához szükséges alapanyagok mennyiségéről a 8. TÁBLÁZAT tartalmaz adatokat : 8. TÁBLÁZAT

EGY TONNA ALUMÍNIUM ELŐÁLLÍTÁSÁHOZ SZÜKSÉGES ALAPANYAGOK, T Bauxit 4.8...5.2

1.2.2

Mész 0.2...0.3

Szóda 0.2...0.3

Kriolit 0.04...0.06

Koksz 0.5...0.6

A fémkinyerés pirometallurgiai módszerei

Az ércelőkészítés pirometallurgiai eljárásaival szemben, a fémkinyeréshez alkalmazott pirometallurgiai kezelések során a fém el is különül az elegy többi alkotórészétől. Szilárd állapotban is előállítható fém a fémvegyületekből, ha a metallurgiai eljárás során képződő reakciótermék gáz halmazállapotú. A fémeket pirometal-

42

1. FÉMEK ELŐÁLLÍTÁSA lurgiai úton mégis leggyakrabban olvasztással állítják elő. Ennek során a fém és az egyéb alkotók egymásban nem, vagy kevéssé oldódó olvadékban gyűlik össze. Az olvadékban, a sűrűség-különbség miatt a fém és a szilárd- vagy folyékony reakciótermékek elkülönülnek egymástól, illetve a gázhalmazállapotúak eltávoznak. A pirometallurgiai módszerek nemcsak a legnagyobb múltra visszatekintő eljárások, de egyben napjainkban is ezekkel a módszerekkel állítják elő a fémek döntő többségét, több mint 600 millió tonnát. A pirometallurgiai fémkinyerési eljárások széles köréből két jellemzőt, a réz oxidáló- és a vas redukáló olvasztását mutatjuk be. 1.2.2.1

A nyersréz előállítása kéneskőből

A réz(I)-szulfidot nagy koncentrációban tartalmazó kéneskőből a réz oxidációval kinyerhető. A 4. diagram 2-es és 5-ös jelű görbéjét összevetve látható, hogy a kén oxigén iránti affinitása nagyobb, mint a rézé, és a szabadentalpia különbsége a két oxidnak a hőmérséklet növekedésével nő. A réz kinyerése a kéneskőből ezért olvadt állapotban, 1150...1200 OC-os hőmérsékleten folyik a (22) bruttó reakció szerint: (Cu2S)olv + O2 ⇔ 2 [Cu]olv + SO2. (22) Az oxidáló olvasztást konverterben végzik, az oxigén forrása az olvadékra fúvatott levegő. Az oxidáció során keletkező kéndioxidot elvezetik. A kén az olvadt rézben 1.2 tömeg %-ban oldódik, ahonnan kiégethető a (23) reakció szerint:

[S] + O2 ⇔ SO2.

(23)

A kéntartalom csökkenésével azonban egyre nagyobb mennyiségű oxigén oldódik a rézben. Az oxigén és a kén oldhatósági szorzatát atmoszferikus nyomásnál a nyersréz gyártásának hőmérsékletén a (24) összefüggés írja le:

[S %]*[O %] =0.025.

(24)

A csapolt réz hőmérsékletének csökkenésével az oldhatóság jelentős mértékben csökken, ami kéndioxid kiválásával jár. A kristályosodó rézből kiváló gáz egy része már nem képes eltávozni és pórusok formájában befagy. A nyersréz 98.5...99.5 tömeg % rezet, a fennmaradó részben oxigént, ként, az érctől függően aranyat, ezüstöt, nikkelt, kobaltot, szelént és tellúrt tartalmazhat. A szennyezők eltávolítása, a nemesfémek kinyerése végett a nyersrezet finomítják. 1.2.2.2

A nyersvasgyártás

A világ acéltermelése 2000-ben mintegy 788 millió tonna volt. Ennek szinte elhanyagolható része, 31 millió tonna direkt redukcióval, jelentősebb része, 337 millió tonna hulladékvas újrafeldolgozásával készült, meghatározó része 576 millió az ércek kohósításával előállított nyersvasból származott. A nyersvasgyártáshoz vasércet, hulladék vasat, vastartalmú ipari melléktermékeket is használnak alapanyagul, de a vasérc-koncentrárumok, mint a pellet és a szinter számos előnye miatt a többi alapanyag felhasználását szinte teljesen

43

1. FÉMEK ELŐÁLLÍTÁSA kiszorította. A pelletek és a vasérc-zsugorítványok jellemző összetételéről a 9. TÁBLÁZAT nyújt áttekintést. 9. TÁBLÁZAT

A PELLETEK ÉS A VASÉRC-ZSUGORÍTVÁNYOK ÖSSZETÉTELE Összetevők, tömeg % Fe2O3 FeO CaO SiO2 MgO Al2O3 MnO FeS P

Pellet 84...97 0.5...2.0 0.5...1.0 1.5...6.5 0.5...2.0 0.3...1.5 0.1...0.2 0.02...0.04 0.005...0.01

Vasérc-zsugorítvány 60...68 10...15 8...12 6...12 1.5...4 1.5...2 0.1...0.4 0.04...0.08 0.02...0.04

A nyersvasgyártáskor az alapvető hőforrás a karbon oxidációja. A vas kohósítása különleges követelményeket támaszt a fűtőanyaggal szemben. A felhasznált fűtőanyagnak nemcsak kis szennyezőtartalmúnak, jó gázáteresztő képességűnek, porózus szerkezetűnek kell lennie, hanem nagy szilárdságúnak is, hogy a nemritkán 30...40 m magas betét nyomását elbírja. A nyersvasgyártáshoz szinte kizárólag kokszot és nagyon ritkán faszenet használnak. A koksz a kőszén 1000...1100 OC-os száraz lepárlásával előállított kis illóanyagtartalmú, nagy, 28...30 MJ/kg fűtőértékű tüzelő- és redukáló anyag. A kohászati koksz jellemző összetételét mutatja be a 10. TÁBLÁZAT. 10. TÁBLÁZAT Összetevők Tömeg %

A KOHÁSZATI KOKSZ ÖSSZETÉTELE C 78...83

H2O 4...8

FeS 0.5...2

SiO2 4...5

Al2O3 2...3

CaO 0.3...0.6

Fe2O3 2...2.5

A nyersvasgyártásban a szilárd betétanyagok harmadik, lényeges csoportja a koksszal és az érckoncentrátummal az adagba jutó meddő olvadáspontját lecsökkenteni hívatott salakképzőké. Salakképzőként mészkövet, valamint dolomitot használnak. A salakképzők jellemző összetételét a 11. TÁBLÁZAT tartalmazza. 11. TÁBLÁZAT Összetevők, % mészkő dolomit

A SALAKKÉPZŐK ÖSSZETÉTELE CaO 54...55 30...32

MgO 0.8...1 20...22

SiO2 0.2...0.3 0.5...1.5

Al2O3 0.2...0.3 0.2...0.3

Fe2O3 0.5...0.8 0.5...1

CO2 43...44 45...47

A vas redukciójának a legfontosabb berendezése a nagyolvasztó, amely egy folyamatosan működő aknás kemence. Itt folyik a vas és a kísérő elemeinek redukciója, illetve oldódása, az érc meddőjének a kokszhamunak, valamint a salakképzőknek a megolvasztása hígan folyó salakká. A modern nagyolvasztó több mint 10 m átmérőjű, 40 méternél magasabb, acél köpenyű, akár 1 m vastag tűzálló anyaggal bélelt, jóval az ezer köbmétert meghaladó térfogatú kemence. A tűzálló falazat anyaga a legnagyobb hőmérsékletű me-

44

1. FÉMEK ELŐÁLLÍTÁSA medence környezetében grafit, másutt samott. A folyamatos üzem csak úgy érhető el, hogy a kemence páncélzatát csőkígyókban folyó víz hűti. A legnagyobb hazai, nagyolvasztó 1000 m3-es és Dunaújvárosban a DUNAFERR Rt.-nél üzemel. torokgáz elvezetés

torokgáz-vezeték torokzáró kúpok

⇑ 200 OC elegy

tűzálló falazat 300 OC

⇑ forrószél-vezeték hűtőspirál

⇑

nyersvas csapoló csapoló-vezeték

elegy

⇓

⇑

levegő salak csapoló

⇓

⇑

®

⇑ ⇑

acél köpeny forrószél 500 OC

⇑

⇓

salak

700 OC

levegő

⇑

nyersvas

950 OC fúvókák

1200 OC 1600 OC

grafit falazat

beton alap 13. ábra A nagyolvasztó Az olvasztó legfelső részén helyezkedik el a torokzár és az adagoló. A torokzár feladata az atmoszféra távoltartása a kohótértől úgy, hogy a szilárd állapotú

45

1. FÉMEK ELŐÁLLÍTÁSA betétanyagok betölthetők legyenek. A betét szállítását általában tartályos felvonóval oldják meg. A billentőn a betét a tartályból bezúdul az adagolóba, amely kopásálló réteggel burkolt, s ahonnan a kemence falazatot kímélő módon lehet adagolni az anyagot a nagyolvasztóba. A medencefalazat felső részében helyezkednek el a fúvókák, amelyeken keresztül áramlik be a nagyolvasztóba a léghevítőkben előmelegített, 1000...1200 O C hőmérsékletű, 100...200 m/s sebességű forrószél. Ugyancsak a medence felső részén, a forrószél-körvezeték alatt található a salak csapolónyílása. A vas csapolónyílása a medence alján van kiképezve. A nagyolvasztó sematikus képe a 13. ábrán látható. A nyersvasgyártáshoz szükséges hő alapvető forrása a szén oxidációja. A fúvósíkban belépő levegő oxigénje érintkezve a koksz karbon tartalmával jelentős hőfejlődés -10 MJ/kgC - mellett oxidálódik a (25) reakcióegyenlet szerint:

2[C] + O2 ⇔ 2 CO.

(25)

A (25) reakció miatt a nagyolvasztóban közvetlenül a kemencetér felett elhelyezkedő égéstérnek a hőmérséklete a legnagyobb, nem ritkán megközelíti a 2000 O C-t. Ezen a hőmérsékleten még kellő oxigén jelenlétében sem megy végbe a karbon teljes oxidációja széndioxiddá, mert ahogy az a 4. diagram 8-as és 10-es jelű görbéje jelzi, hogy kb. 700 OC hőmérséklet felett a szén-monoxid szabadentalpiája kisebb. Ugyancsak a 4. diagram 7-es, 9-es, 10-es, valamint 11-es jelű görbéi szerint a nagy hőmérsékletű, 1300...1500 OC-os olvasztási zónában a koksz karbontartalma a (26) a (27) és a (28) reakcióegyenlet szerint közvetlenül képes redukálni a vas-, a mangán- és kisebb mértékben a szilícium oxidjait.

[FeO] +[C] ⇔ [Fe] + CO, (MnO) +[C] ⇔ [Mn] + CO, (SiO2) +2 [C] ⇔ [Si] +2 CO.

(26) (27) (28)

A (25...28) reakció során keletkezett nagy hőmérsékletű szén-monoxid áthaladva a szilárd, porózus betéten, hőtartalmának nagy részét átadja a kisebb hőmérsékletű elegynek. A 4. diagram adataiból látható, hogy 700 OC hőmérséklet alatt a széndioxid stabilisabb, mint a szén-monoxid, ezért az elegy, ilyen kisebb hőmérsékletű redukciós zónájában a (29) reakció szerinti közvetett (indirekt) redukció megy végbe, a szén-monoxid és a nagyobb szabadentalpiájú Fe2O3 (2-es görbe) között:

[Fe2O3] + CO ⇔ 2 [FeO] + CO2.

(29)

Ebben a redukciós zónában a - 10. TÁBLÁZAT tanúsága szerint döntően a koksszal az elegybe kerülő - vizet a szén-monoxid még képes redukálni a (30) reakcióegyenlet szerint, míg a forrólevegővel a fúvósíkon bekerülő nedvességet közvetlenül a karbon redukálja a (31) reakcióegyenlet szerint: H2O + CO ⇔ H2 + CO2, (30)

H2O +[C] ⇔ H2 + CO.

46

(31)

1. FÉMEK ELŐÁLLÍTÁSA A (30) és a (31) reakció során képződő hidrogén maga is részt vesz a vas indirekt redukciójában: [Fe2O3] + H2 ⇔ 2 [FeO] + H2O. (32) Ebben a - 400...800 OC hőmérsékletű -, redukciós zónában a salakképzőként adagolt mészkő és a dolomit disszociál a (33) és a (34) reakció szerint:

(CaCO3) ⇔ (CaO) + CO2, (MgCO3) ⇔ (MgO) + CO2.

(33) (34)

A (25...34) reakcióegyenletek szerint képződő, gáz halmazállapotú reakciótermékek keveredve a befúvatott levegő nitrogéntartalmával, áthaladnak az elegyen, lehűlnek és a nagyolvasztó tetején a torokgáz vezetéken távoznak. A torokgáz szilárd részecskéket is magával ragad, amitől a gázt megtisztítják. A leválasztott szállópor nagy fémtartalmú és az érc-agglomerátum gyártásához újra felhasználható. A torokgáz a hőtartalmán kívül vegyi energiát is hordoz, mert benne éghető összetevők is vannak, mint ez a torokgáz összetételét bemutató 12. TÁBLÁZAT adataiból látható. 12. TÁBLÁZAT

A TOROKGÁZ ÖSSZETÉTELE Összetevők tömeg %

N2 56...66

CO 20...25

CO2 10...14

H2 3...4

A torokgáz fűtőértéke viszonylag csekély, 2.7...3.6 MJ/m3, de a léghevítők fűtésére viszonylag egyszerűen hasznosítható, s nagy mennyisége (1300...2000 m3/t nyersvas) miatt jelentős energiahasznosítást tesz lehetővé. A koksszal, a vasérc koncentrátummal - a dúsítási eljárások ellenére -, még számottevő egyéb ásvány kerül a nagyolvasztóba. A 10. és a 11. TÁBLÁZAT adataiból látható, hogy az érc és a koksz kísérő ásványai közül a legnagyobb mennyiségben, (3...10 %-ban), a szilícium-dioxid kerül az elegybe, ezért a kohósalakok döntően szilikátok. A szilícium-dioxid olvadáspontja - hasonlóan a meddőben szintén, (1..2 %ban) jelenlevő alumínium-oxidéhoz - viszonylag nagy, 1750 OC. Az olvadáspont csökkentése, a szennyezőtartalom mérséklése, a vasveszteség elkerülése érdekében a nagyolvasztóba salakképző anyagokat, mészkövet, dolomitot adagolnak. A salakképző karbonátjai a (33) és a (34) reakció szerint disszociálnak. A kalcium-oxid olvadáspontja (2600 OC), valamint a magnézium-oxid olvadáspontja (2900 OC) is kifejezetten nagy, ezért szilárd állapotban maradnak vissza. A meddő és a salakképzők oxidjai mindaddig, amíg szilárd állapotban vannak, olyan kis felületen érintkeznek egymással, hogy közöttük érdemleges kölcsönhatás nem lép fel. A meddő ásványok, de a koksz hamuja is az égési zónában FeOba van ágyazva. A szilícium-dioxid olvadt állapotban oxigén anionokat képes felvenni, savas tulajdonságú, a vas(II)-oxid olvadt állapotban oxigén anionokat tesz szabaddá, bázikus tulajdonságú. A savas szilícium-dioxid és a bázikus vas(II)-oxid egymással komplex vegyületet, szilikátot alkot a (35) reakcióegyenlet szerint: 2 [FeO]olv + (SiO2) ⇔ (Fe2SiO4)olv. (35) A keletkező szilikát olvadáspontja mindössze 1230 OC. Hasonló komplex vegyület képződik az alumínium-oxid jelenlétében is. Az Al2O3 - SiO2 - FeO primer salakrendszer likvidusz hőmérséklete 40 % FeO tartalomnál 1200 OC alatti.

47

1. FÉMEK ELŐÁLLÍTÁSA Az olvadt primer salakba ágyazottan az erős bázikus salakképzők adszorbeálódnak és kiváltják a gyengén bázikus FeO tartalmat a komplexekből a példaként bemutatott (36) reakcióegyenlet szerint: (Fe2SiO4)olv + (CaO)⇔ 2 [FeO]olv +(CaSiO3)olv. (36) A nagyolvasztó salakok leggyakoribb komplexeiről és olvadáspontjukról ad áttekintést a 13. TÁBLÁZAT. 13. TÁBLÁZAT A NAGYOLVASZTÓ SALAKOK KOMPLEX VEGYÜLETEI ÉS OLVADÁSPONTJUK Összetevők, tömeg % CaO∗SiO2 3 CaO∗2 SiO2 CaO∗2 SiO2∗Al2O3 2 CaO∗SiO2∗Al2O3 2 CaO∗SiO2∗MgO

CaO 48.3 58.4 20.2 40.9 35.8

SiO2 51.7 41.6 43.2 21.9 38.4

MgO

Al2O3

36.6 37.2 25.8

Olvadáspont OC 1544 1478 1700 1580 1500

Ahhoz, hogy a nyersvasgyártás során megfelelő olvadáspontú salak képződjön anélkül, hogy jelentős mennyiségű vas(II)-oxid megkötődne, a 13. TÁBLÁZAT adataiból látható, hogy a SiO2 tartalom másfél-kétszeres mennyiségű CaO és/vagy MgO adagolására van szükség. A 11. TÁBLÁZAT szerint mind a mészkő, mind a dolomit tömegének közel fele szén-dioxid, ezért a szükséges salakképző mennyiség a SiO2 tartalom három-négyszerese. A fajlagos salakmennyiség, a meddő mennyisége, összetétele szerint elég tág, 300...600 kg/t nyersvas határok között változik. A salak lényegesen kisebb sűrűségű, mint a medencében összegyűlő olvadt fém, ezért felúszik a fém felszínére, ahonnan 2...3 óránként salakolóüstbe csapolják. A kohósalakból cementet, hőszigetelő, útburkoló és talajjavító anyagot gyártanak. Az égési zónában a vasban oldódik a (27) és a (28) reakcióegyenlet szerint redukálódott szilícium és mangán, továbbá a karbon. A vasnak a szilícium-, a mangán-, de különösen a karbontartalma csökkenti az olvadáspontját. Ennek következtében a kezdetben lassú, szilárd állapotban végbemenő diffúziós oldódási folyamat a vas olvadásával felgyorsul. Az olvadt, kísérő elemeket oldott vas átcsorog az izzó, szilárd állapotú elegyen, a salaktakarón, majd a medence alján gyűlik össze. A foszfor a nagyolvasztó elegyéből gyakorlatilag teljes mennyiségben a nyersvasba redukálódik a (37) reakcióegyenletnek megfelelően:

(P2O5)olv + 5 [C] ⇔ 2 [P] +5 CO.

(37)

A nyersvas foszfortartalmát csak foszforszegény betétanyagok használatával lehet mérsékelni. A nagyolvasztóba jutó kén legnagyobb részét a koksz hordozza vas-szulfid (FeS) formájában. A koksz kéntartalmának nagyobbik része a (38) reakcióegyenletnek megfelelően oxidálódik és a keletkező kén-dioxid az egyéb gázokkal a torok irányába áramlik: 2 (FeS) +3 O2 ⇔ 2 [FeO] +2 SO2, (38) SO2 +2 [C] ⇔ 2 CO + S, (39) [Fe] + S ⇔ [FeS]olv. (40)

48


A felszálló kén-dioxid az izzó kokszon áthaladva a (39) reakció szerint redukálódik, majd a gőz állapotú kén a vassal (40) reakció szerint vegyül és oldódik a fémfázisban. A (38), a (39) és a (40) reakcióegyenletek szerint pusztán oxidációval a nyersvas kéntartalma érdemlegesen nem csökkenthető. A kéntartalom csökkentésének lehetősége akkor teremtődik meg, ha a rendszer olyan (Me) anyagot tartalmaz, amelynek kén iránti affinitása nagyobb, mint a vasé, továbbá a képződő kénvegyület a vas számára gyakorlatilag oldhatatlan, a salakfázisban viszont jól oldódik. A kéntelenítő reakció elvileg általános alakban a (41) egyenlet szerint írható le:

[FeS]olv. + [Me]olv.⇔ [Fe]olv. + (MeS)olv.

(41)

Szabadentalpia, kJ/mol -100 -200

1

-300 -400

2

-500

3

-600 4

-700

5

-800 -900 -1000

6 7

-1100 -1200

8 0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000


1 2 3 4

.......2 Fe + S2 ⇔ 2 FeS ...... 2 Mn + S2 ⇔ 2 MnS ...... 2 Fe + O2 ⇔ 2 FeO ...... 2 Mn + O2 ⇔ 2 MnO

5 .......2 Mg + S2 ⇔ 2 MgS 6 ....... 2 Ca + S2 ⇔ 2 CaS 7 ....... 2 Mg + O2 ⇔ 2 MgO 8 ....... 2 Ca + O2 ⇔ 2 CaO

5. diagram A kohászati gyakorlatban legfontosabb kéntelenítő elemek oxidjainak és szulfidjainak képződési szabadentalpia-változása a hőmérséklet függvényében Azok az elemek, amelyek a vas-szulfidnál negatívabb standard szabadentalpiájú szulfidokat képeznek, mint a Ca, Mg és a Mn egyben erős oxidképzők is. A legfontosabb kéntelenítő elemek oxidjának és szulfidjának képződési szabadentalpia-változását a hőmérséklet függvényében a 6. diagram mutatja be.

49

1. FÉMEK ELŐÁLLÍTÁSA Az 5. diagram alapján megítélhető, hogy a nagyolvasztó erősen oxidáló környezetében a szulfidképzés szempontjából jelentős fémek elemi formában nem juttathatók a fémfázisba, mert onnan gyakorlatilag kiégnének. A nagyolvasztóban salakképzők, a kokszhamu és az érc kísérő ásványai révén az olvadt salak nagy mennyiségben tartalmazza a kalcium-, a magnézium- és a mangán-oxidjait.

[FeS]olv. + (MeO) ⇔ [FeO]olv. + (MeS).

(42)

A (42) egyenlet szerinti reakció telített, egységnyi aktivitású rendszerekben a 6. diagramból leolvashatóan -, nem mehet végbe. Példa erre az oxidok-szulfidok közötti legkisebb szabadentalpia-változású kalcium reakciója, ahol a szabadentalpia változása pozitív, vagyis : ∆GOΣ= (∆GO(CaS)+∆GO(FeO)-∆GO(FeS)-∆GO(CaO) ) > 0. A (42) reakcióegyenlet egyensúlyi állandója : − ∆GΣO a(CaS)a[FeO] (43) = K = exp RT a[FeS]a(CaO) ahol:

a(CaS) ....... a CaS aktivitása a salakban, a(CaO) .......a CaO aktivitása a salakban, a[FeS] ........az FeS aktivitása a fémben, a[FeO] ....... az FeO aktivitása a fémben. A (43) összefüggés szerint a kéntelenítés akkor végezhető el, ha az FeO koncentrációja, aktivitása a fémfázisban kicsi, míg a CaO koncentrációja a salakban nagy. A kis vas(II)-oxidtartalom karbon jelenlétében érhető el a (44) reakcióegyenletnek megfelelően:

[FeS]olv. + (CaO) + [C] ⇔ [Fe]olv. + (CaS) + CO.

(44)

Ez a feltétel - a megfelelő karbontartalom - a nagyolvasztó medencéjében összegyűlt nyersvas esetében fennáll, ezért ha a salak tartalmaz szabad CaO-t, a kéntartalom jelentős része salakba vihető. Az 1300...1400 OC hőmérsékletű nyersvasat 6...8 óránként csapolják. A nyersvastermelés mintegy 90%-a acélgyártáshoz használatos alapanyag, a fennmaradó rész öntödei célokra szolgál. Az acélgyártáshoz használt fehérnyersvas és az öntödei célú szürkenyersvas összetételéről tájékoztat a 14. TÁBLÁZAT. 14. TÁBLÁZAT

A NYERSVASAK ÖSSZETÉTELE

Összetevők, tömeg % C Si Mn P S oxidok

Fehérnyersvas 3.8...4.2 0.6...1.3 0.5...1.5 0.1...0.25 0.02...0.07 0.1...0.5

Szürkenyersvas 3.5...4.5 0.8...3.6 0.5...1.5 0.1...1.2 0.02...0.06 0.1...0.5

A két nyersvasminőség közötti alapvető különbség a szilícium- és foszfortartalomban van, amelyre a táblázat árnyékolt mezői is felhívják a figyelmet. Az öntödei nyersvas töretén - amiből elnevezése, a szürkenyersvas is származik - grafit lemezkék láthatók. A karbon grafit formában való kiválását a nagyobb szilíciumtarta-

50

1. FÉMEK ELŐÁLLÍTÁSA lom elősegíti. A foszfortartalom növelése az öntöttvasnak az öntés szempontjából fontos, viszkozitási tulajdonságait javítja.

14. ábra A vas kohósítása A nyersvas - nagy karbon- és szennyezőtartalma miatt - rideg, ezért közvetlen felhasználásra nem alkalmas. A kívánt tulajdonságok elérése érdekében a nyersvasat a ridegséget okozó kísérő- és szennyező elemektől meg kell tisztítani és szükség

51

1. FÉMEK ELŐÁLLÍTÁSA szerint ötvözni kell. A nyersvas tisztítási folyamata lényegében az acélgyártás. A nyersvas- és acélgyártás folyamatát - a vas kohósítását - a 14. ábra szemlélteti. Egy tonna nyersvas előállításához szükséges alapanyagok mennyiségi adatait foglalja össze a 15. TÁBLÁZAT. 15. TÁBLÁZAT Agglomerátum 1.8...2.0

52

EGY TONNA NYERSVASHOZ SZÜKSÉGES ALAPANYAGOK MENNYISÉGE, T Koksz 0.4...0.5

Salakképző 0.1...0.2

Levegő 2.0...2.5

Víz 40...60

2. FÉMEK TISZTÍTÁSA ÉS ÖTVÖZÉSE

A nyersréz, a kohóalumínium és a nyersvas számos olyan kísérő elemet, szennyezőt tartalmaz, amely a fém használati tulajdonságait rontja. A szennyezőtartalom csökkentése a fémek tisztítása, vagy más néven a rafinálás, a fémek kohósításának fontos szakasza. A kívánt használati tulajdonságok elérése érdekében a fémeket gyakran más elemekkel ötvözik. A fémtisztítást és az ötvözést általában egy kohászati munkafázisban végzik el, de el is különülhet. Hasonlóan a fémkinyerési folyamatokhoz a fémtisztítási szakaszban is a pirometallurgiai és az elektrometallurgiai eljárások szerepe a meghatározó. A fémtisztítási folyamatok körébe sorolhatók nemcsak az extraktív metallurgia során kinyert fém továbbfeldolgozása, hanem a fémhulladékok újrafeldolgozása is. A különlegesen kis szennyezőtartalmú fémek és ötvözeteik tisztításában a metallurgiai eljárások mellett a fizikai módszerek alkalmazása is jelentős szerepet kap.

2.1

Konverteres acélgyártás

A konverteres acélgyártás - szemben a nyersvasgyártással - nem redukciós, hanem oxidációs folyamat. A konverteres acélgyártás feladata a folyékony nyersvas karbon-, mangán-, szilícium-, foszfor- és kéntartalmának megváltoztatása úgy, hogy az megfeleljen a gyártandó acél kívánt minőségének. A konverteres acélgyártás során az alapvető kémiai reakció az oxidáció, ezért gyakran nevezik magát az eljárást is „frissítésnek”. A frissítési folyamatban az oxigént a folyékony nyersvasban oldott, oxidálandó elemekhez kell vezetni, ahol a vas számára oldhatatlan oxidokat alkotnak. Az oldhatatlan, gáz állapotú oxidok buborékok formájában távoznak, míg az egyéb oxidok koagulálódnak és kisebb sűrűségük révén a fémolvadék felszínére emelkednek, ahonnan a salakban oldódva, vagy abba ágyazódva, eltávolíthatók. A szélfrissítéses acélgyártás nagy történelmi múltra tekint vissza. Az első, levegő átfúvatásos konvertert 1855-ben Henry Bessemer készítette. A „Bessemer acél” a konverter savas falazata miatt nagy kén- és foszfortartalmú (0.06...0.09 %). A korszerű konverteres acélgyártó eljárások az említett hátrányok kiküszöbölésére napjainkban már bázikus falazatú konvertert és ipari tisztaságú oxigént alkalmaznak. A nagyolvasztóból a nyersvasat speciális vasúti kocsira szerelt üstökbe csapolják, majd átvontatva az acélműbe, homogenizáló kemencébe öntik. Az 50...100

53

2.FÉMEK TISZTÍTÁSA ÉS ÖTVÖZÉSE

m3-es nyersvaskeverőben a különböző adagokból származó nyersvas összetétele és hőmérséklete kiegyenlítődik. A frissítéses konverteres acélgyártás elnevezését a központi berendezéséről, a konverterről kapta. A konverter egy billenthető, acél köpenyű, általában magnezit tűzálló anyaggal bélelt, 30...150 m3-es hasznos térfogatú, billenthető kemence. A gyakorlatban ennek a kemencetípusnak számos változata használatos. Ezek közül az egyiknek, az LD típusú konverternek a keresztmetszeti képe a 15. ábrán látható. vízhûtéses oxigén lándzsa

füstelszívó harang

dolomit tégla

vizsgáló nyílás fordító csap

salak acélköpeny acél magnezit tégla

dolomit tégla

15. ábra Az LD konverter A oxigénes konverterben, szemben a Bessemer-, vagy a Thomas eljárással bármilyen összetételű nyersvas feldolgozható acéllá. A konverteres acélgyártás jellegzetessége, hogy a frissítés során külső energiaforrásra általában nincs szükség. A nyersvas hőmérséklete, összetétele - a kiégetendő elemek mennyisége - meghatározza az acél energiatartalmát. Az acél elérendő vegyi összetétele viszont determinálja a minimális csapolási hőmérsékletet. A túlzottan nagy hőmérséklet elkerülésére a konverterbe a nyersvason kívül acélhulladékot is adagolnak. Az acélhulladék mennyiségét a hőmérleg határozza meg. A szokásos acélhulladék-mennyiség 150...200 kg/t acél. Némiképp még növelhető előmelegítéssel az acélhulladék aránya. Az acélhulladékot adagolják először annak elkerülésére, nehogy a konverterbe bezúduló nyersvas a konverter-fenék burkolatát tönkre tegye. A oxigénes konverterben oxidációval a kéntartalmat nem lehet érdemlegesen csökkenteni. Ehhez, továbbá a szilícium oxidációjával képződő reakció-termék

54


eltávolításához kalcium-oxidra van szükség. A fürdő nagyobb hőtartalma, így a nagyobb acélhulladék arány elérése érdekében nem mészkövet, hanem égetett meszet alkalmaznak salakképzőként. A mésszel szemben a legfontosabb követelmény, hogy kéntartalma ne haladja meg a 0.05 tömeg %-ot. A képződő salak olvadáspontját hatásosan lehet csökkenteni, a nagy bázicitás fenntartása mellett is - mint az a 13. TÁBLÁZAT adataiból látható - magnézium- és alumínium-oxid, vagyis dolomit és bauxit adagolásával. A szokásos salakképző-mennyiség 80...120 kg/t acél. A salakképzőket a nyersvas beöntése után, általában szakaszosan adagolják a konverterbe. Az utolsó salakképző adagot a fúvatás befejezése előtt 3...4 perccel juttatják a konverterbe. A konverteres acélgyártás lényege az oxidáció, vagyis a nyersvasból a „felesleges elemek” kiégetése, aminek feltétele az oxigén befúvatás. A konverterbe felülről - mint az a 15. ábrán bemutatott konverter esetében - esetleg alulról, porózus téglákon keresztül fúvatják a fémfürdőre, vagy fémfürdőbe az ipari tisztaságú, (99.7...99.9 %) oxigént. Az oxigént a fémfürdő teljes egészében elnyeli. Az oxigén nyomása 1.0...1.2 MPa. A felülről fúvatott oxigénsugár sebessége meghaladja a hangsebességet, ami nagy energiája révén a fémfürdőt apró cseppekre fújja szét. Az apró fém- és salakcseppek az oxigénnel nagy felületű gáz/salak/fém emulziót képeznek. Az oxigénes acélgyártáshoz szükséges fajlagos oxigénmennyiség az adag és a kívánt acél összetételétől függően 40...80 m3/t acél tartományban változik. A konverterben az oxigénes acélgyártás műveleti sorrendjét a 16. ábra szemlélteti. A fémes fázisban oldott elemek oxidációját a nagy fajlagos reakciófelület gyorsítja, amit csak fokoz a karbon kiégése során keletkező szén-monoxid buborékok kiváltotta heves keveredés. A fürdőre fúvatott oxigén csak kis mennyiségben képes oldódni a fémben a (45) egyenlet szerint: O2 ⇔ 2 [O]. (45) A vas oxigénoldó képessége 1600 OC-on 0.23 tömeg %. Az oldott oxigén reakciósebessége nagyságrendekkel nagyobb, - ezért jelentősége az oxigénes acélgyártásban meghatározó -, mint a molekuláris gázfázisúé, amely csak a fém-gázfázis határán képes reakcióba lépni a fémmel a (46) reakcióegyenlet szerint: O2 +2 [Fe] ⇔ 2 (FeO)olv.

(46)

A (46) egyenlet szerinti reakció feltételeit két körülmény is javítja. Az egyik, hogy a fémfürdőben a vas aktivitása nagy, hiszen a fürdő 93...94 %-át vas alkotja, így az oxigénmolekula közel két nagyságrenddel nagyobb valószínűséggel kerül kapcsolatba vasatommal, mint bármely más, a fémfürdőben oldott atommal. Valamely reakciót a keletkező reakciótermék felhalmozódása, aktivitásának növekedése is akadályozhatja. A (46) reakcióegyenlet szerint képződő vas(II)-oxid azonban nemcsak a salakban, hanem a fémfürdőben is oldódik a (47) egyenletnek megfelelően: (47) (FeO)olv. ⇔ [FeO] olv.

55


Acélhulladék adagolása

Salakképzõk adagolása, frissítés

Nyersvas beöntése

Acél- és salak csapolása

16. ábra A konverteres acélgyártás főbb folyamatai A fémoxidnak a fém és a salak közötti megoszlását egyensúlyi helyzetben a (48) egyenlet szerint megoszlási tényező jellemzi: a[MeO ] (48) LMeO = = f (T ) . a(MeO ) ahol: a[MeO]......... az MeO aktivitási tényezője a fémes fázisban, a(MeO)......... az MeO aktivitási tényezője a salakfázisban, L MeO........... a megoszlási tényező.

56


A megoszlási tényező kizárólag a hőmérséklet függvénye és a vas(II)-oxid esetében a hőmérséklet növekedésével közel lineárisan növekszik, 1500 OC-on 0.009 és 1700 OC-on 0.02 értékű, vagyis a fémfürdő 2 tömegszázaléknyi vas(II)-oxidot képes egyensúly esetén oldatban tartani. Ha az oxid tényleges eloszlása a fém és a salak között a megoszlási tényezőnél kisebb, akkor oxidáció, ha nagyobb, akkor redukció következik be a salak-fém rendszerben. A szilícium minden nyersvas feltétlen kísérő eleme. A nyersvas szilíciumtartalma a 14. TÁBLÁZAT adataiból látható, hogy viszonylag széles (0.6...1.3 tömeg %) tartományban változik. A fémfürdőben oldott szilíciumot az ugyancsak oldott oxigén, valamint a vas(II)-oxid a fúvatás első perceiben gyakorlatilag teljesen kiégeti a (49) és a (50) reakcióegyenlet szerint: [Si] +2 [O] ⇔ (SiO2)olv., (49) [Si] +2 [FeO] olv. ⇔ (SiO2)olv. +2 [Fe] olv. (50) A szilícium kezdeti, heves oxidációja nagyban hozzájárul a fürdő hőmérsékletének a gyors emelkedéséhez - a salakképzők megolvadásával -, a salak kialakulásához. A keletkezett, savas kémhatású szilícium-dioxid a bázikus, salakképzőként adagolt mésszel komplex szilikátos salakot alkot az (51) reakcióegyenletnek megfelelően: (SiO2)olv. +2 (CaO) ⇔ (Ca2SiO4)olv. (51) A karbon a nyersvas elmaradhatatlan összetevője. A folyékony nyersvas karbontartalmát elsősorban hőmérséklete határozza meg. A nyersvas karbon-tartalma csapoláskor a 14. TÁBLÁZAT adataiból látható, hogy 3.5...4.5 tömeg % tartományban változik. Az egyes csapolt nyersvas adagok eltérő összetételűek. Az összetétel- és hőmérséklet-különbségek kiegyenlítődése érdekében a csapolt nyersvasat homogenizáló kemencébe gyűjtik, ahol a különböző adagok keverednek. A nyersvas homogenizálása során, ha a hőmérséklet csökken, akkor a nyersvasból grafit válik ki, ami a levegőben lebegő, grafitszemcsékben jelentkezik, szennyezve a környezetet. Az acél karbontartalma alapvetően megszabja az acél felhasználási tulajdonságait. Ebből következően az oxigénes konverteres acélgyártás egyik legfontosabb feladata az elkészült acélban a kívánt értéknek megfelelő, legszűkebb tűrési tartományon belül tartani a karbontartalmat. Az oxigénes acélgyártás során az oxigénsugár a fürdőbe csapódva a salak és a fém egy részét apró cseppekre porlasztja. Ez, az apró cseppek-gáz alkotta emulzió az oxigénes acélgyártás jellegzetessége, aminek nagy jelentősége van az oxidációs folyamatokban. A fúvatás első szakaszában, ami 1...2 perc időtartamú, az oxigén a fürdőben levő elemek közül elsősorban a szilíciumot oxidálja, s így a szilícium mintegy elvonja az oxigént a karbon elől. A karbon érdemleges mértékű kiégése a szilíciumtartalom jelentős csökkenése után indul meg az (52), az (53) és az (54) reakcióegyenlet szerint: [C] +[O] ⇔ CO, (52) 2[C] + O2 ⇔ 2 CO, (53)

57


[C] +[FeO] ⇔ CO +[Fe] olv..

(54)

Az oxidáció során képződő szén-monoxid a füstelszívó rendszeren keresztül távozik, ahol száraz, vagy nedves porleválasztón leválasztják azokat a szilárd részecskéket, amelyeket a távozó gáz magával ragad. A konvertergáz portartalma elsősorban vas(III)-oxidból áll és mennyisége 150...400 g/m3 tartományban változik. A gáz mennyisége 60...70 m3/t acél. A konvertergáz összetétele a fúvatás során változik, de több mint fele szén-monoxid, és jelentős mennyiségű szén-dioxidot is tartalmaz. A gáz fizikai és kémiai energiáját általában hasznosítják, például az acélhulladék előmelegítésére. A mangán minden nyersvas feltétlen kísérő eleme. A nyersvas mangántartalma a 14. TÁBLÁZAT adataiból láthatóan tág (0.5...1.5 tömeg %) tartományban változik. A fémfürdőben oldott mangán az ugyancsak oldott oxigénnel, valamint a vas(II)-oxiddal a fúvatás során az (55) és az (56) egyenlet szerint reakcióba lép:

[Mn] +[O] ⇔ (MnO),. [Mn] +[FeO] ⇔ (MnO) +[Fe] olv.

(55) (56)

A fémfürdőben levő mangán nagyobbik része már a fúvatás első szakaszában oxidálódik. A keletkező mangán(II)-oxid szilárd állapotú és nagyrészt a salakba emelkedik. Az (56) egyenlet egyensúlyi állandója: a(MnO ) 6440 (57) lg K (MnO ) = lg = − 2.95 a[Mn ]a( FeO ) T Az (57) egyenletből látható, hogy a mangán azért az első szakaszban ég ki, mert akkor még kisebb a fürdő hőmérséklete (nagyobb az egyensúlyi állandó), a salakképzők jelentős része még szilárd állapotú, ezért nagy a vas(II)-oxid aktivitása. A szilícium és a karbon jelentős mértékű kiégésével ezek az említett körülmények megváltoznak, és az (56) reakció jobbról balra megy végbe, vagyis mangán redukálódik a fürdőbe a salakból. A fúvatás utolsó szakaszában, amikor már kicsi a fürdőben az oxigén iránt nagy aktivitással rendelkező elemek, - mint a szilícium és a karbon - mennyisége, a (46) szerinti vaskiégés gyorsul fel. A salakképzők megolvadásával a korábban a szilikátokban kötött vas(II)oxid is felszabadul, aktívvá válik. A nagyobb vas(II)-oxid mennyiség és aktivitás következtében az (56) reakció ismét balról jobbra megy végbe a mangánt oxidálva. Az összetett folyamatok miatt, a maradó mangántartalom pontos szabályozása sokszor nem oldható meg. Ilyenkor a kívánt mangántartalmat a frissítési folyamatot követő ötvözéssel lehet beállítani. Viszonylag kis mennyiségű kén is érzékelhetően növeli a nagyobb hőmérsékletű igénybevételnél az acél repedési hajlamát. Ilyen melegtörés léphet fel, például a hegesztés vagy a melegalakítás során. A kén a vassal 1189 OC hőmérsékleten olvadó FeS alakú szulfidot alkot. A vas-szulfid szilárd állapotban gyakorlatilag oldhatatlan a vasban, viszont vele 985 OC-on olvadó eutektikumot alkot. A kén káros hatása ebből a két tényből következik, ugyanis az acél kristályosodásakor az oldhatatlan szulfid a még olvadt fémes fázisban folyamatosan dúsul és kis olvadáspontja miatt a szulfid-eutektikum utoljára szilárdul meg, ezért a szemcsehatárokon helyezkedik el. Ha az acélt a feldolgozása során, 1000...1200 OC hőmérsékletre he-

58


vítik, akkor a szemcséket burkoló szulfid megolvad, s viszonylag csekély igénybevétel hatására is a szemcsék a folyadékfilmen elcsúsznak, és kristályosodási repedés keletkezik, vagy törés következik be. A kén az acélba legnagyobb mennyiségben a nyersvasból kerülhet, de a kén forrása lehet a nagy kéntartalmú tüzelőanyaggal égetett mész is. A nyersvas kéntartalma a 14. TÁBLÁZAT adatai szerint láthatóan tág (0.02...0.07 tömeg %) tartományban változik. A kén-dioxid képződéskor a szabadentalpia változása sokkal nagyobb mint a szilícium-dioxidé, szén-monoxidé vagy akár a vas(II)-oxidé. Ezért a konverteres acélgyártás során a kéntartalomnak csak csekély hányada távolítható el kiégetéssel. A vas-szulfid tartalom erősen bázikus salakokkal csökkenthető a (42) általános egyenlet szerint. Amint az a reakció egyensúlyi állandóját kalcium esetére leíró (43) összefüggésből látható, a hőmérséklet, a salak mésztartalmának, vagy mennyiségének növelése, valamint a fürdő oldott oxigéntartalmának csökkentése egyaránt javítja a kéneltávolítás feltételeit. A konverterben az adag kéntartalma a kiinduló érték negyedére, ötödére csökkenthető. A foszfor az acél ridegedését okozza, ezért a nyersvas acéllá rafinálásának fontos feltétele a fehérnyersvas 0.1...0.25 tömeg %-os foszfortartalmának csökkentése. A foszfor elégethető foszfor-pentoxiddá, de a salakból a szabad foszforpentoxidot számos stabilisabb oxidképző, mint a karbon, a szilícium vagy az (58) egyenlet szerint például a mangán képes redukálni: 5 [Mn] +(P2O5) ⇔ 5 (MnO) +2 [P].

(58)

A foszfor eltávolítása csak úgy oldható meg, ha a foszfor redukciója megakadályozható azáltal, hogy a foszfor-pentoxidot a salakban komplex vegyület formájában megkötik. Ez az összetett reakció az (59) összefüggés szerint megy végbe: 2 [P] +5 (FeO) olv. + 4 (CaO) ⇔ ((CaO)4 P2O5) olv. + 5 [Fe] olv.

(59)

Az (59) reakcióegyenletből következik, hogy a foszfortalanítás csak a frissítés utolsó fázisában mehet végbe, amikor már a salakban elegendő szabad CaO és FeO áll rendelkezésre. A konverterben, a leírt eljárással a foszfortartalom a 0.02...0.04 tömeg %-os mértékre csökkenthető. Amikor nagy karbontartalmú és igen kis foszfortartalmú acélt kell gyártani, a salakot lehúzzák, így nagy mennyiségű foszfor távolítható el a konverterből, majd új salakot képeznek. A konverteres acélgyártásban - a korábban ismertetett kén- és foszfortartalom csökkentésen kívül is -, a salaknak számos feladata van. A bázikus salak gyors kialakulása megakadályozza, hogy a fúvatás kezdeti szakaszában képződő, erősen savas szilícium-dioxid reakcióba lép a konverter bázikus tűzálló falazatával. A salak jelentősen csökkenti a fúvási veszteséget, a hőveszteséget és védi a fémfürdőt a környező gáztér káros hatásával szemben. A szokásos 15...20 perces fúvatási idő után, az acél csapolásra kész. Először az acélt, majd a konverterben maradó salakot öntik ki. A csapolt acél az eddig tárgyalt karbonon, mangánon, szilíciumon, kénen és foszforon kívül, oxidokat és oldott elemi oxigént, nitrogént és hidrogént is tartalmaz.

59


17. ábra A konverteres acélgyártás rendszere

60


A szokásos, oxigénes konverterben gyártott acél összetételről nyújt áttekintést a 16. TÁBLÁZAT. 16. TÁBLÁZAT

AZ OXIGÉNES KONVERTERBEN GYÁRTOTT ACÉL ÖSSZETÉTELE

C, Si, Mn, P, S, O, N, H, tömeg % tömeg % tömeg % tömeg % tömeg % tömeg %* tömeg %* tömeg %* 0.03...1.5 0.03...0.1 0.3...0.5 0.01...0.05 0.01...0.05 0.15...0.80 0.02...0.035 0.0001...0.0003 * csapoláskor.

Az egy tonna, oxigénes konverterben gyártott acélhoz szükséges anyagok mennyiségét foglalja össze a 17. TÁBLÁZAT. 17. TÁBLÁZAT

EGY TONNA OXIGÉNES KONVERTERBEN GYÁRTOTT ACÉLHOZ SZÜKSÉGES ANYAGOK MENNYISÉGE, KG Nyersvas 800...900

Acélhulladék 200...150

Mész 80...120

Oxigén 60...120

A konverteres acélgyártás folyamatát és rendszerét a 17. ábra szemlélteti. A konverteres acélgyártás során a nyersvas nagyon gyorsan frissíthető acéllá, de a felhasználható acélhulladék aránya, mint az a 17. TÁBLÁZAT adataiból látható, csak legfeljebb 20 %. A háztartásokban, az iparban, a szolgáltatásban a világon minden évben közel 800 millió tonna fémhulladék képződik. Ilyen tömegű hulladék azon túl, hogy megengedhetetlen környezetszennyezést okozna, hihetetlen energiapazarlást is jelentene. A vas, az alumínium és a réz érceiből való előállításához szükséges energiáról ad áttekintést a 18. TÁBLÁZAT. 18. TÁBLÁZAT

A FÉMEK ÉRCEIKBŐL VALÓ ELŐÁLLÍTÁSÁHOZ SZÜKSÉGES ENERGIA, GJ/t Nyersvas 18...20

Alumínium 60...80

Réz 200...280

Az acélhulladékok feldolgozásához olyan acélgyártó eljárásra van szükség, amelynél a hulladék megolvasztásához szükséges hőenergiát az adag külső forrásból kapja. Korábban erre a szénpor vagy szénhidrogén tüzelésű Siemens-Martin eljárás szolgált. Az eljárás fő hátrányai a hosszú adagidő, a környezetszennyező technológia és a gyártott acél nagy szennyezőtartalma. Napjainkban a SiemensMartin eljárást kiszorította az elektroacélgyártás.

2.2

Elektroacélgyártás

Az elektroacélgyártáskor a szilárd betét megolvasztásához szennyezést nem okozó energiaforrást, a villamos energiát használják. A villamos energia vagy közvetlenül az átfolyó áram, vagy közvetett, mágneses indukció keltette áram szi-

61


lárd-, folyékony-, vagy gáznemű anyag ellenállásán alakul át hővé. Ennek megfelelően - bár nagyon eltérő mértékben -, alkalmaznak grafit elektródos ellenállás-fűtésű, indukciós és ívkemencét. Az elektroacélok döntő többségét ívkemencében állítják elő. Az ívkemence hengeres acél köpenyű, tűzálló falazattal bélelt, homorú fenékrészű kemence, amelynek boltozata acélkeretbe foglalt tűzálló téglákból épült és elfordítható illetve leemelhető az acélhulladék berakásához. A kemencék billenthetők és általában 50...250 t befogadóképességűek. A villamos ívkemencék energia-ellátásához háromfázisú, 220...750 V feszültségű, 20...200 kA erősségű váltóáramot használnak. A kemencék villamos teljesítménye a 10...200 MW tartományban van. Itt említendő meg, hogy a Mátrai Erőmű, - amely a legnagyobb hazai hőerőmű - teljesítménye 800 MW. A három fázis, amely a hálózat egyenletes terhelése miatt elengedhetetlen - három, egymáshoz képest 120O-ra elhelyezett elektródot feltételez. Az elektródok anyaga a jó villamosvezetőképesség és a nagy olvadáspont kívánalma miatt grafit, átmérője 200...600 mm. A villamos ívkemencék betétanyaga - ritka kivételtől eltekintve -, szilárd halmazállapotú. Az egy-egy fázisra kötött elektródok közötti áramkör a folyamat indításakor a szilárd betéten keresztül záródik. A nagy zárlati áram hatására az elektródszilárd betét közötti nagy átmeneti ellenállásokon jelentős hő képződik, amely a salak és a fém kis részének elgőzölgéséhez, illetve megolvadásához vezet.

18. ábra Az ívkemence

62


A megolvadt, illetve elgőzölgött anyag távozásával az elektród felületéről, megszűnik a közvetlen kapcsolat a betét és az elektródok között. A képződött rést a forró gázok és fémgőzök töltik ki. A nagyhőmérsékletű gáztérben a fémrészecskék nagyobb, az egyéb részecskék kisebb mértékben ionizált formában vannak jelen. Az ionok, amelyek elektron hiánnyal ill. elektron többlettel jellemezhetők, maguk is áramlanak, és energiát szállítanak, de képesek rekombinálódásukkal az elektronok „továbbítására”, vagyis a részben ionizált gáz villamosan vezető, szemben az atomos vagy molekuláris állapotú gázokkal, amelyek villamosan szigetelők. Az ívkemence szokásos kialakítását a 18. ábra mutatja be. Az ionizált gázoszlopon keresztül az ívkemence áramköre továbbra is zárva marad és kialakul a villamos ív. A még szilárd állapotú betétrészek közötti átmeneti ellenállás szintén nagy, így ezeken az érintkezési felületeken alakul át nagyrészt a betétben a villamos energia hővé. Ez a szilárd betét gyors megolvadásához vezet. Kialakul az ívkemence normál üzeme, amelynek során az áramkör az elektródok és a fémfürdő közötti villamos íveken, valamint magán a fürdőn keresztül záródik. A részlegesen ionizálódott gáz villamos ellenállása - a kisebb vezető keresztmetszet, a nagyobb fajlagos ellenállás miatt -, nagyságrenddel nagyobb, mint akár az elektródoké, akár az olvadt fémfürdőé. Ezért a villamos energia nagy része az ívben alakul át hővé. Az előzőek értelmében belátható, hogy az ívoszlopban a maximális hőmérséklet elérheti a 15 000 OC hőmérsékletet is. Már 4 000...5 000 OCos hőmérséklet felett a levegőt alkotó gázok, - mint a nitrogén, az oxigén, a hidrogén - termikusan disszociálódnak, a közöttük levő kötések felszakadnak, és ezért az ívtérben atomos formában vannak jelen. Az ívkemence fémes betétanyaga zömében acélhulladék, ritkábban folyékony és/vagy szilárd nyersvas. A külső energiaforrásnak, a villamos ívnek köszönhetően a betét acélhulladék-nyersvas, szilárd-folyékony aránya nagyon tág határok között, tetszés szerint változtatható. A gyártott acél minőségét alapvetően meghatározza az acélhulladék szennyezettsége. Ezért különös figyelmet érdemel a hulladék gondos válogatása. Az égetett mész az elektroacélgyártás legfontosabb salakképzője. A kemence berakásakor 10...20 kg/t acélnak megfelelő mennyiségű mész kerül a kemence aljára. A mésszel szemben a legfontosabb követelmény, hogy kéntartalma ne haladja meg a 0.05 tömeg %-ot. Salakfolyósításra leggyakrabban folypátot (CaF2), esetleg timföldet alkalmaznak. Az ívkemencében - ritka kivételtől eltekintve -, az oxidációs szakasz után a képződött salakot lehúzzák és egy tonna acélhoz 25...35 kg mészből és 6...8 kg folypátból új salakot alakítanak ki. Az acél frissítéséhez oxigénre van szükség. Az oxigén forrása vasérc, az acélhulladékból származó rozsda, a kohászati reve vagy a legfeljebb 0.5 % szennyezőtartalmú ipari oxigén lehet. Frissítésre az az érc alkalmas, amely a vasat Fe2O3 alakban tartalmazza továbbá SiO2 tartalma kisebb, mint 3 %. Az ipari oxigént az ajtón keresztül benyúló lándzsával fúvatják be 1...1,2 MPa nyomáson. A szükséges oxigén mennyiség 10...25 m3/t acél. A frissítési szakaszban az oxigénes konverteres acélgyártásnál megismert folyamatok zajlanak le, nevezetesen a (49) és (50) reakcióegyenlet szerint a szilí-

63


cium, és az (52), az (53) valamint az (54) reakcióegyenlet szerint a karbon kiégése megy végbe. A keletkező SiO2-ot az (51) reakcióegyenlet szerint a mész salakba viszi. Az oxidációs, frissítési szakasz végén, amely az adag megolvadása után mintegy 30...50 perc múlva következik be, a fürdő hőmérséklete 1650 OC körüli. A nagy, az oxigénes acélgyártásét lényegesen meghaladó, hőmérséklet miatt - ld. (57) öszszefüggést - jelentős mangán kiégéssel nem lehet számolni. Az oxidáció során különösen fontos a foszfortartalom csökkentése, amelynek az (59) reakcióegyenlet szerinti feltételei igen kedvezőek. Az oxidációs periódusban az acélhulladék esetleges szerves szennyezőtartalma is kiég. A szerves szennyeződések és a karbon kiégésekor a fürdőben gázfázisú égéstermékek képződnek, amelyek buborékok formájában felemelkednek és a fürdő „fövését” hozzák létre. A gázbuborékok homogenizálják a fürdő vegyi összetételét és hőmérsékletét, az oldott gáztartalom egy részét eltávolítják, valamint a lebegő, az acélban oldhatatlan oxidációs termékeket magukkal ragadják és a salakba viszik. Az oxidációs periódus során a foszfortartalom döntő része a salakba kerül, ahonnan a redukciót elkerülendő, a salak lehúzásával eltávolítható. A salaklehúzást követően, a kikészítési szakasz első lépéseként a fürdőbe kokszport vagy elektród törmeléket juttatnak olyan mennyiségben, hogy a fém karbontartalma feleljen meg a gyártandó acélénak. A karbon kis része a fürdő oldott vas(II)-oxid tartalmát csökkenti az (54) reakcióegyenlet szerint. A buborékok eltávozása után új salakot képeznek, amely megvédi a fürdőt a további oxidációtól és elvégezhető a kéntartalom csökkentése, a fürdő oxigén-, illetve vas(II)-oxid tartalmának csökkentése a dezoxidálás, valamint szükség szerint az egyes elemek ötvözése is. A friss salak, amelynek egyetlen kémiailag aktív alkotója a mész, kiváló feltételeket teremt a kéntelenítésre és a dezoxidálásra. A dezoxidálók, mint a ferroszilícium és a kokszpor szokásos mennyisége 3 kg/t acél, arányukat az acél karbontartalma határozza meg. A nagyobb karbontartalmú acéloknál a dezoxidálókon belül nagyobb a koksz aránya. A salakképzők adagolásával csökken a fémfürdő hőmérséklete, ezért romlik a karbonoldódás feltétele. Ennek következtében a salak maga is tartalmaz szabad karbont. A 4. diagram adataiból látható, hogy a (60) reakcióegyenlet szerint kis koncentrációban képes karbidokat alkotni: 3(C) + (CaO) ⇔ CO + (CaC2).

(60)

A karbidos salak javítja az acél kéntartalmának csökkentését a (61) reakcióegyenlet szerint: 3 [FeS] + (CaC2) + 2 (CaO) ⇔ 2 CO +3 (CaS) +3 [Fe].

(61)

A redukáló szakasz kezdetén a fémfürdő oxigéntartalma 0.35...1 tömeg % (350...1000 ppm), ami a dezoxidálást követően lecsökkenthető 35...180 ppm szintre a (49) és az (50) reakcióegyenletnek megfelelően. A képződő szilícium-dioxid az erősen bázikus salakba kerül az (51) reakcióegyenlet szerint. A redukciós szakasz időigénye a hőmérséklet beállítással mintegy 30...45 perc. Az adag szokásos teljes kikészítési ideje így, 1...2 óra. A kemencében az elektroacélgyártáskor a dezoxidáláson kívül az ötvözésre is lehetőség van. A jel-

64


lemző megoldás a korszerű acélművekben a kemencén kívüli ötvözés. Ezért az ötvözést külön pontban tárgyaljuk. Az acélt általában a salakkal együtt csapolják az öntőüstbe az oxidáció és a szennyeződés csökkentése érdekében. A csapolt acél az eddig tárgyalt karbonon, mangánon, szilíciumon, kénen és foszforon kívül oxidokat és oldott elemi oxigént, nitrogént és hidrogént is tartalmaz. Az elektroacélgyártáskor az ívben a betétanyagok nedvességtartalmából, valamint szerves szennyeződéseiből atomos hidrogén, a kemenceteret betöltő levegőből atomos nitrogén keletkezik. Ezek, az atomos állapotú gázok képesek oldódni az acélban. Az elektroacélgyártáskor viszonylag nagy mennyiségű oldott nitrogéntartalommal kell számolni, mint az az elektroacélok szokásos összetételét bemutató 19. TÁBLÁZAT adataiból látható. 19. TÁBLÁZAT

AZ ELEKTROACÉLOK ÖSSZETÉTELE

C, Si, Mn, P, S, O, N, H, tömeg % tömeg % tömeg % tömeg % tömeg % tömeg %* tömeg %* tömeg %* 0.1...1.5 0.05...0.4 0.3...0.5 0.01...0.02 0.005...0.02 0.01...0.05 0.02...0.06 0.0003...0.0005 * csapoláskor.

Az egy tonna elektroacélhoz szükséges anyagok mennyiségét foglalja össze a 20. TÁBLÁZAT. 20. TÁBLÁZAT EGY TONNA ELEKTROACÉL ELŐÁLLÍTÁSÁHOZ SZÜKSÉGES ANYAGOK, KG Nyersvas 0...600

Acélhulladék 450...1050

Mész 35...55

Folypát 6...8

Dezoxidáló 3...4

Oxigén 0...20

Egy tonna elektroacél előállításához 0.7...0.9 GJ villamos energia szükséges. Összevetve a 18. TÁBLÁZAT adataival látható, hogy az acélhulladékok újrafeldolgozásával huszadannyi energia-befektetéssel lehet acélt előállítani, mint nyersvasból. Konverteres- és az elektroacélgyártással készült acél kielégíti az úgynevezett alapacélokkal szemben támasztott követelményeket. Ezek az acélok képezik a teljes acélfelhasználás mintegy felét. A minőségi- és nemesacélokat további tisztítással, illetve ötvözéssel lehet előállítani.

2.3

Kemencén kívüli finomító eljárások

A konverteres és az elektroacélgyártás feladata olyan alapacél előállítása, amely az általános követelményeket elégíti ki. Az acélgyártás gazdaságossága az adagok kikészítési idejének csökkentésével, az adagok nagyságának növelésével érhető el. Az általánostól eltérő tulajdonságokat nyújtó, minőségi- és nemesacélok az alapacéloktól ötvöző- és szennyezőtartalmukban térnek el. A kívánt összetétel elérése sajátos műveleteket, a szokásostól eltérő eszközöket igényel. Az általánostól

65


eltérő tulajdonságokat nyújtó acélok típusválasztéka nagyon gazdag. Ez egyben azt is jelenti, hogy nagyon ritkán van szükség egy-egy adagnyi - 50....200 tonnányi -, nagytisztaságú és/vagy ötvözött acélra. Annak érdekében, hogy a kisebb mennyiségű, lényegesen nagyobb kikészítési idejű, speciális műveleteket igénylő acélok ne vegyék igénybe az alapacélok gyártására szolgáló kemencék kapacitását, kemencén kívüli finomító eljárásokat, úgynevezett üstmetallurgiai módszereket alkalmaznak. Az üstmetallurgia gyűjtőfogalma alá tartoznak mindazok - a csapolás során, az üstben vagy az öntés közben -, végrehajtott műveletek, amit a folyékony acéllal végeznek azzal a céllal, hogy ötvözzék vagy tisztítsák azt. Szinte lehetetlen általános érvénnyel definiálni az egyes káros, kísérő elemeknek azt a mennyiségét, amelynél az acéltisztítás megfelelő, illetve amely tisztítási mérték költsége a használati tulajdonságokban megtérül. Ezt leginkább az acélból készült termék feldolgozási technológiája, felhasználási területe, az elhasználódásában, illetve a tönkremenetelében legnagyobb szerepet játszó igénybevétel (ld. 8.1 pont) határozza meg. A kis kéntartalom különösen fontos az acélöntvények esetén, de viszonylag csekély a jelentősége, ha az acél alakadó technológiája a hideg képlékenyalakítás, továbbá, ha a termék nincs kitéve korróziós igénybevételnek. Ellenkező esetben, mint például a gépkocsi karosszériák esetében a kéntartalom minimális értéken tartása a hosszabb élettartam miatt kiemelkedő fontosságú. A kis foszfortartalom a hegesztéssel feldolgozásra kerülő acéloknál lényeges követelmény, de kisebb a jelentősége öntvényeknél, ha a mértékadó igénybevétel jellemzően statikus. Dinamikusan igénybevett acélöntvények ridegen törnek, ha a foszfortartalmuk számottevő. Az acél csekély oldott nitrogéntartalma fontos ha a belőle készült termék széles hőmérséklet-tartományban használatos, beleértve a szobahőmérséklet alatti alkalmazást is. Ha az igénybevétel statikus és a használat kizárólag szoba-hőmérsékleten vagy afölött történik, az acélok szokásos nitrogéntartalma a használati tulajdonságokat nem rontja. A hidrogéntartalom növekedésével az átmeneti hőmérséklet nő. Ezért a negatív hőmérsékleten üzemelő szerkezetek, berendezések anyagának egyik legkárosabb szennyezője a hidrogén. A tartósan nagy üzemi hőmérsékletnek kitett berendezéseknél például a hőcserélőknél, a hidrogéntartalomnak nincs érdemleges jelentősége. A zárványoknak, mint például az oxidoknak a mennyisége és eloszlása determinálja a golyóscsapágyak minőségét, de nincs jelentős hatással az általános célú kovácsolt termékek használati tulajdonságaira. A legtöbb célra kielégítő tisztaságúnak tekinthető az acél, amelynek a szennyezőtartalma nem haladja meg a 21. TÁBLÁZATBAN megadott értékeket. 21. TÁBLÁZAT A NAGYOBB TISZTASÁGÚ ACÉLOK MEGENGEDETT SZENNYEZŐI, TÖMEG PPM P 50

66

S 50

O 30

N 5

H 1.5


Az üstmetallurgiai technológiákkal az ötvözés, de különösen a tisztítás, nemcsak olcsóbban, de nagyobb megbízhatósággal végezhető el, mint az acélgyártó kemencékben, a hagyományos metallurgiai módszerekkel és eszközökkel. A kemencén kívüli tisztító eljárások köre rendkívül gazdag. A leggyakoribb üstmetallurgiai módszerek: ⇒ az ötvözés, a gáztartalom csökkentése kicsapatással, ⇒ a szilárd anyag injektálása, ⇒ a szintetikus salakos kezelés, ⇒ a gázátfúvatás, ⇒ a vákuumozás.

2.3.1 Az acél ötvözése és a gáztartalom csökkentése kicsapatással A folyékony acélban az oldott oxigén, - gyakorlatilag a vas(II)oxid -, valamint a nitrogéntartalom csökkentésének viszonylag egyszerű és hatásos metallurgiai módszere, ha az oldott elemet, illetve vegyületet az acélban oldhatatlan vegyületté alakítják át, kicsapatják. A kicsapatásos reakciók akkor mehetnek végbe viszonylag gyorsan, ha a reagensek is oldódnak az acélban, vagyis maga a reakció a fémes fázisban megy végbe. Ennek viszont az a következménye, hogy a keletkező, oldhatatlan vegyületek, a kondenzált reakciótermékek diszperz eloszlásban képződnek. A konverteresés az elektroacélok csapoláskori összetételét bemutató 15. és 19. TÁBLÁZAT adataiból látható, hogy az oldott szennyezők mennyisége csekély, ha teljes mennyiségüket ki is lehetne csapatni, a keletkező kondenzátumok összes mennyisége sem érné el az 0.1 tömeg %-ot. A diszperz eloszlás és a kis mennyiség miatt az oldhatatlan vegyületeknek csak kis hányada képes felúszni a salakba, jelentős részük lebeg az olvadt acélban. Az acél dezoxidálására természetesen csak olyan elemek alkalmasak, amelyek az acélban levő koncentrációjuk mellett is nagyobb affinitást mutatnak az oxigén iránt, mint a fémfürdő abszolút többségét alkotó vas. A 4. diagramból látható, hogy a karbonon kívül, elvileg számos elem használható az acél dezoxidálására, mint például a mangán, a szilícium, az alumínium, a titán, a magnézium vagy a kalcium. A magnéziumnak és a kalciumnak az acél likvidusz hőmérsékleténél kisebb forráspontja és a szobahőmérséklethez közeli gyulladási hőmérséklete, a hagyományos adagolási módszerekkel lehetetlenné teszi a fürdőbe juttatásukat. Az alumínium és a titán használata ritkább, csak a minőségi- és nemesacélok gyártásakor használatos. Ezért az acélmetallurgiában az általánosan alkalmazott dezoxidáló elemek a mangán és a szilícium. A dezoxidálás reakcióegyenlete általános alakban a (62) összefüggéssel írható le: [FeO] +[Me] ⇔ (MeO) +[Fe]. (62) A (62) reakció egyensúlyi állandója: a(MeO )a[Fe ] , K [FeO ] = a[Me ]a[FeO ]

(63)

67


amiből az acél oldott oxidtartalma egyszerűbben kifejezhető, mert a vas aktivitása és a vasban oldhatatlan kondenzált termék aktivitása gyakorlatilag egységnyi, ezért: (64) K[FeO] =1 / a[FeO] a[Me] A (64) összefüggés szerint az oldott vas(II)-oxid és a dezoxidáló elem koncentrációja közötti kapcsolatot szemlélteti 1600 OC hőmérsékleten a 7. diagram. 1000

Oxigén, ppm Mn

C Si

100

10

1 0,001

Ca

Zr

0,01

0,1

Ti

Al

1

Koncentráció, %

6. diagram Az acél oxigéntartalma a dezoxidáló elemek koncentrációjának függvényében A 6. diagramból megállapítható, hogy csak nagy karbontartalmú (C ≥ 0.6%) acélok esetén lehet elkerülni a dezoxidálást, ha a 21 TÁBLÁZAT szerinti oxigénszint szükséges. Ennél kisebb karbontartalmú acélok esetén hatékony dezoxidáló lehet a szilícium. A mangán csak kifejezetten kis karbon- (C ≤ 0.15%) és nagy mangántartalomnál lehet dezoxidáló. Ha nagyon kis oxigéntartalom elérése a cél, akkor alumíniumot, vagy ennél hatásosabb dezoxidálót, mint cirkóniumot, titánt vagy kalciumot kell alkalmazni. Termodinamikai megfontolások alapján látszólag a legjobb megoldás, ha a dezoxidálást kizárólag az olcsó és erős redukálószerrel, az alumíniummal végzik. A keletkező alumínium-oxid azonban a dezoxidálás hőmérsékletén szilárd állapotú és ebből következően a felemelkedési sebessége a fürdő felszínére nagyon csekély. A dezoxidáció során keletkezett salak-részecske emelkedési sebességét alapvetően a kondenzálódott termék méretével és alakjával lehet befolyásolni, mert a sűrűségkülönbségek adottak, a viszkozitás a hőmérséklet növelésével csak csekély mértékben csökkenthető. A tárcsa alakú kondenzálódott termék emelkedési sebessége még a harmadát sem éri el a gömb alakúénak. Az olvadt kondenzátum gömb alakú, ezért arra kell törekedni, hogy a dezoxidálás során keletkező reakció-

68


termék is folyékony legyen a gáztalanítás hőmérsékletén. Mind a részecske mérete növelhető, mind az olvadáspontja csökkenthető, ha a dezoxidálást több elemmel végzik. Például mangánnal és szilíciummal végezve kisebb, 1270 OC olvadáspontú komplex-szilikát képződik a (65) reakcióegyenlet szerint: (SiO2) +(MnO) ⇔ (SiMnO3)olv..

(65)

Hasonlóan kis olvadáspontú, így gyorsan salakba emelkedő terméket ad a kalciummal és szilíciummal végzett dezoxidálás az (51) reakcióegyenlet szerint, vagy az oxigénnek kalciummal, szilíciummal és/vagy alumíniummal végrehajtott csökkentés is (ld. 13. TÁBLÁZAT). Ezek az előnyök vezettek a komplex dezoxidálószerek alkalmazásához. A dezoxidáló elemeket gyakran a vassal alkotott ötvözeteikben használják. Ezek a dezoxidáló elemben gazdag ferroötvözetek kisebb költséggel állíthatók elő, mint elemi formában. A leggyakoribb dezoxidálószerek a FeMn, FeSi, FeTi, FeMnSi, CaSi, CaSiAl, CaSiMnZr, MnTiAl. A kicsapásos dezoxidálás három részfolyamat eredményeként jön létre: ⇒ dezoxidáló oldódása az acélban, ⇒ oxidcsírák képződése, ⇒ csírák növekedése, emelkedésre képes részecskék kialakulása. Az oxidrészecskék növekedése jórészt az oxidcsírák összetapadása révén jön létre. Az emelkedésre képes, néhány µm méretű részecskék kialakulása időigényes folyamat, amit számottevően gyorsít, ha a részecskék találkozási valószínűségét a fürdő mozgásával, keveréssel növelik. Az oldott nitrogén hasonló módon távolítható el, mint az oxigén. A nitrogén eltávolítása a fürdőből azonban nagyobb nehézséget okoz, mint az oxigéné. A nehézség két okra vezethető vissza. Az egyik, hogy a nitrogéntartalom - még az ívben végbemenő termikus disszociáció miatt nagymennyiségű nitrogént oldó elektroacélokban is -, általában közel egy nagyságrenddel kisebb, mint az oxigéntartalom, ezért a nitridek mennyisége, így a nitrides részecskék mérete is kisebb. A másik ok, hogy a nitrideket alkotó elemeknek az oxigén iránti affinitása lényegesen nagyobb, amint az a 7. diagramból látható. Annak ellenére, hogy az acélfürdő hőmérsékletén számításba vehető nitridképző elemek - mint az alumínium, titán és cirkónium -, erős oxidképzők is, mégis a fürdőbe adott mennyiségük egy része nitridek formájában válik ki. Ennek magyarázata abban keresendő, hogy ezek az elemek az oldatban a nitrogén/oxigén atomok számának arányában vagy nitrogénnel, vagy oxigénnel kerülnek kapcsolatba. Az alumínium-, titán- és a cirkónium-nitridek lényegesen nagyobb olvadáspontúak, mint az olvadt acél hőmérséklete, ezért szilárd formában válnak ki. A nitridek, hasonlóan az oxidrészecskékhez, összetapadással növekednek. Ha nitrid oxigénnel kerül kapcsolatba, akkor természetesen a fém az oxigénnel vegyül, és a nitrogén visszaoldódik a fürdőbe. Ez a folyamat azonban a szilárd-folyadék fázis határán következik be, így a nitrid részecske belsejében az oxigén-nitrogén csere nem mehet végbe. Ezáltal a nitrogén egy része eltávolítható. A reakciók során gyakran nemcsak nitridek hanem karbonitridek is keletkeznek. A nitrogén csökkentés feltételei az oxigéntartalom csökkenésével javulnak.

69


Szabadentalpia, kJ/mol 100

3

1

0

5

2

-100 -200

4 7

6 8

10

11

9

-300

12

13

-400 -500 -600

14

15 16

-700

17

-800 -900 -1000 -1100 -1200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000


.......8 Fe + N2 ⇔ 2 Fe4N ...... 4 Mo + N2 ⇔ 2 Mo2N ...... 2 Cr + N2 ⇔ 2 CrN ...... 4 Cr + N2 ⇔ 2 Cr2N ....... 12 Fe + 9 O2 ⇔ 6 Fe2O3 ....... 1.5 Si + N2 ⇔ 0.5 Si3N4 ....... 2 V + N2 ⇔ 2 VN ....... 3 Ca + N2 ⇔ Ca3N2 ....... 2 B + N2 ⇔ 2 BN

1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 11 12 13 14 15 16 17

........ 2 Fe + O2 ⇔ 2 FeO ....... 2 Al + N2 ⇔ 2 AlN ....... 2 Ti + N2 ⇔ 2 TiN ....... 2 Zr + N2 ⇔ 2 ZrN ....... Si + O2 ⇔ SiO2 ....... Ti + O2 ⇔ TiO2 ....... 4/3 Al + O2 ⇔ 2/3 Al2O3 ....... 2 Ca + O2 ⇔ 2 CaO

7. diagram A legfontosabb nitridképző elemek oxidjainak és nitridjeinek képződési szabadentalpia-változása a hőmérséklet függvényében Az ötvözéshez és a gáztartalom hatásos csökkentéséhez az elemeket oldatba kell vinni. A vas ötvözői közül számos - mint a titán, a cirkónium, a króm, a vanádium, a nióbium, a molibdén, a tantál és a volfrám -, az acélfürdő hőmérsékletén szilárd halmazállapotú. Szilárd állapotban az oldódás igen lassú. Ezért az ötvöző és dezoxidáló elemeket általában ferroötvözetek formájában alkalmazzák, amelyek már kisebb hőmérsékleten is olvadt állapotban vannak. Például a molibdén olvadáspontja 2617 OC, a mintegy 40 % molibdéntartalmú ferromolibdén olvadáspontja viszont, csak kb. 1500 OC. Az ötvözőket a kisebb kiégési veszteségek érdekében dezoxidálást követően adagolják az üstbe. A dezoxidálók adagolási sorrendjének is jelentősége van. A szilíciumot az üstben levő acélhoz adagolják, míg az alumíniumot leginkább öntéskor a kokillába teszik. Ezzel elérhető, hogy az alumínium egy kis része a nitrogén megkötésére fordítódjon.

70


2.3.2

Az acél kezelése szilárd anyag injektálásával

A hagyományos, mangánnal, szilíciummal és alumíniummal végzett kicsapatásos dezoxidálás után is marad vissza kis mennyiségű oldott oxigén, és lényegesen nagyobb mennyiségben kedvezőtlen alakú, kis méretű ezért felúszásra képtelen, lebegő oxid, szulfid. Az acél maradék-szennyezői eltávolításának egyik legkorszerűbb módja a szilárd anyag injektálása az olvadt acélba. Ezzel a módszerrel az adagolt anyagok kiégési vesztesége csökken, az ötvözés hatékonysága javul és olyan anyagok is a fürdőbe juttathatók, amelyek hagyományos módszerrel nem, vagy csak nagy veszteségek árán érhető el. Az injektálás egy, a fürdőbe merülő lándzsán keresztül nagy nyomással befúvatott gázzal történik. A gáz magával ragadja a szilárd, aprószemcsés reagens anyagot. A fürdőbe jutó, 0.6...1.6 MPa nyomású gáz- és szemcsesugár mozgási energiája heves keveredést vált ki a fürdőben, javítva ezzel az oldódás és a kémiai reakciók végbemenetelének feltételeit, így növelve a reakciósebességet. A szilárd anyag injektálása különösen előnyös olyan anyagok esetében, amelyek: ⇒ lényegesen kisebb sűrűségűek mint a fürdő, pl. a Ca, Mg, Al, Ba, ⇒ lényegesen kisebb forráspontúak, mint a fürdő hőmérséklete, pl. a Mg, Ca, ⇒ lényegesen nagyobb olvadásponttal rendelkeznek, mint a fürdő hőmérséklete, pl. a W, Mo, ⇒ nagy oxigén iránti affinitással rendelkeznek, mint a Ca, Mg, Ce, La, Nb. A gyakran injektált anyagok néhány tulajdonságát a 22. TÁBLÁZAT foglalja össze. 22. TÁBLÁZAT

A GYAKORIBB INJEKTÁLT ANYAGOK NÉHÁNY TULAJDONSÁGA

Jellemző olvadáspont, OC forráspont, OC sűrűség, g/cm3 oxid képződési hő, kJ/mol O2 oxid olvadáspont, OC oxid sűrűsége, g/cm3 szulfid képződési hő, kJ/mol S szulfid olvadáspont, OC szulfid sűrűsége, g/cm3

Ca 839 1491 1.55 1574 2950 3.4 950 2400

Mg 649 1105 1.74 1471 2825 3.65 703 2200 2.84

Ce 798 3257 6.77 1222 1690 6.9 988 2450 5.93

La 920 3454 6.16 1191 2315 6.51 792 2100 4.99

W 3410 5660 19.3 280

Mo 2617 4612 10.2 320

7.14 160

180

A nagy olvadáspontú elemeket (W, Mo) és ezek ferroötvözeteit kis szemnagyságban (0.1...0.8 mm) injektálják a fürdőbe. A kis szemnagyság, vagyis nagy fajlagos felület, továbbá a hordozó gáz keverő hatása, vagyis a homogenizálódás elősegítése együttesen gyorsabb oldódást eredményez. Az alkáli-földfémek és a ritkaföldfémek mint az a 22. TÁBLÁZAT , valamint a 6. diagram adataiból látható, igen hatékonyan képesek az oldott kén- és az oxigén-

71


tartalmat csökkenteni. Az alapvető különbség e két csoport között a tisztítás mechanizmusában van. Az alkáli-földfémek forráspontja kisebb, mint az acélfürdő hőmérséklete, ezért gőzfázisba kerülnek és a fürdőben felemelkedő gőzbuborékokból gyors oldódás és a (66) és a (67) reakcióegyenlet szerint, nagyon hatékony oxid- és szulfidképződés megy végbe mind a kalcium, mind a magnézium esetében: Ca +[O] ⇔ (CaO), Ca +[S] ⇔ (CaS).

(66) (67)

Az acélfürdőben oldódott alkáli-földfémek a lebegő salakrészecskékkel reagálhatnak, redukálva a kisebb stabilitású oxidokat. A reakciók során képződő alkáliföldfém-oxidok erősen bázikus kémhatásúak és a fürdőben lebegő oxidokkal komplex vegyületeket képeznek az (51) reakcióegyenlet szerint. A komplexek egymással könnyen koagulálnak és nagyobb méretüknek, kedvezőbb, gömbhöz közeli alakjuknak és kis sűrűségüknek köszönhetően gyorsan képesek felúszni a fürdő felszínére, eltávozva ezzel a fémes fázisból. A ritkaföldfémek olvadt állapotban vannak jelen a fémfürdőben, és az oxigénnel, valamint a kénnel alkotott vegyületeik, amint az a 22.TÁBLÁZAT adataiból látható, szilárd állapotúak és sűrűségükben alig térnek el a fémfürdőétől. E tulajdonságaik miatt a ritkaföldfém-oxidok és -szulfidok gyakorlatilag az acélban maradnak diszperz eloszlásban. Ezek a salakzárványok, szemben a szilikátokkal, illetve a mangán-szulfiddal, az acél hengerlésének hőmérsékletén ridegek, ezért a hengerelt termék anizotrópiájára alig hatnak. Az alkáli-földfémek és a ritkaföldfémek injektálásával az acél oldott oxigénés kéntartalma néhányszor tíz ppm nagyságrendűre csökkenthető le.

2.3.3

Az acél tisztítása szintetikus salakkal

A szintetikus salakos kezelés lényege, hogy külön eljárással, „szintetikusan” - az acélban oldódó szennyezőket csak igen kis mennyiségben tartalmazó - salakot juttatnak az olvadt acélba. Ez a szintetikus, CaO-SiO2-Al2O3 rendszerű salak az acél FeO, FeS és MnS tartalmát a (35) és a (44) reakcióegyenletek szerint hatékonyan csökkenti. A visszamaradó zárványok apróbbak, finomabb eloszlásúak lesznek.

19. ábra A szintetikus salakos kezelés módszerei

72


A szintetikus salakos kezelés hagyományos módszere amikor a megolvasztott salakot beöntik az üstbe és az acélt lehetőleg vékony sugárban erre csapolják. A tisztítás hatásfoka annál jobb, minél nagyobb felületen érintkezik egymással a fém- és a salakfázis. Az érintkezési felületet növeli a fürdő keverése, de különösen, ha a salakot injektoron át juttatják az acélolvadékba. A két módszert szemlélteti a 19. ábra. A szintetikus salakkal kezelt acél kisebb szennyező- és salakzárvány tartalma jobb mechanikai tulajdonságokban, különösen a szívósság növekedésében jelentkezik.

2.3.4

Az acél vákuumozása

Az acélban három, döntően az atmoszférából származó gáz jelenlétével kell számolni, nevezetesen az oxigénnel, a nitrogénnel és a hidrogénnel. Az oxigén az acél fő összetevőjével a vassal - az acélban viszonylag nagy mennyiségben oldódó - vas(II)-oxid vegyületet alkot. Az oxigén a vasban - lényegesen kisebb mennyiségben -, elemi formában is képes oldódni. A nitrogén nagyobb részt elemi formában, kisebb részben vas-nitrid formájában van jelen az olvadt vasban. A hidrogén az acél összetevőivel nem vegyül, viszont a vasban az oxigénnél és a nitrogénnél nagyobb mértékben képes oldódni. Az olvadt vasban az oldott egyensúlyi gáztartalom a hőmérsékletnek, az adott gáznak a fémben kifejtett aktivitásának és az olvadék feletti gáztérben az adott gáz parciális nyomásának függvénye. E kapcsolat a Sievers-törvényen alapul, amelyet az oldott hidrogén mennyiségére a (68) egyensúlyegyenlet ír le: K′ (68) [H] = H p H 2 .

γ [H ]

A (68) összefüggésből megállapítható, hogy az oldott gáztartalom adott fürdőkezelési hőmérséklet esetén, a gáztérben levő gáz parciális nyomásától függ. A vákuumos fémolvadék kezelés erre a fizikai törvényre alapul. Amennyiben csökken a gáztér nyomása, ezzel arányosan csökken az egyes gázkomponensek parciális nyomása, ezáltal az oldott gáztartalom is. A vasnak az oxigén iránti, nem elhanyagolható affinitása miatt, az oldott oxigéntartalom a gyakorlatban alkalmazott vákuum mellett, érdemben közvetlenül nem csökkenthető. Mennyiségét csökkenteni lehet olyan redukáló anyaggal, amelynek oxidációs terméke gáz. Az oxigéntartalom csökkenése vákuumban a szén-monoxid képződéssel megy végbe az (52) reakcióegyenlet szerint, mivel vákuumban a reakció egyensúlyi állandója a karbon aktivitás miatt megnő. A karbon megnőtt aktivitása miatt a fémes fázisban levő ill. az üst falazatot alkotó viszonylag stabilis oxidok, mint a SiO2 és az Al2O3 is képesek redukálódni. Eközben a képződő CO eltávozik a rendszerből és a szilícium, illetve az alumínium oldódik az acélban. Ugyancsak a vákuumozás következtében változhat az olvadék vegyi összetétele, mert a kisebb forráspontú elemek, mint acél esetében a Pb, Mn, Sn egy része elpárolog. Megjegyzendő, hogy a forráspont-különbség teremt lehetőséget sárgaréz hulladékokból vákuumban a réz kinyerésére is.

73


üst vákuumozás

sugár vákuumozás

felszívás

indukciós keverés

átcsorgatás

cirkuláció

gázöblítés

vákuum öntés

felszívás

hevítés

ASEA-SKF eljárás

CLU eljárás

20. ábra Vákuumozási módszerek A vákuumozás nyújtotta lehetőségek kihasználására számos technológiai változat alakult ki a vákuumozás módszere és technológiája szerint. A leggyakrabban alkalmazott vákuumozási módszerekről nyújt áttekintést a 20. ábra. A vákuumozási technológiákkal az acél gázszennyezőinek mennyiségét a 21. TÁBLÁZATBAN megadott értékekre lehet lecsökkenteni.

2.3.5

Az acél kezelése gázátfúvatással

Ha az acélfürdőn keresztül gázt áramoltatnak, akkor több, igen kedvező fizikai folyamat játszódik le. A feltörő buborékok hatékonyan megkeverik az olvadékot, csökkentve ezzel a fürdő hőmérsékleti- és vegyi összetételbeli inhomogenitását. A másik kedvező hatás, hogy a fürdőben az 1.1.1.1 pontban megismert flotáláshoz hasonló folyamat játszódik le. A buborékok felületén a kisméretű, lebegő hidrofób salakrészecskék megtapadnak, így a buborékra ható felhajtó erőnek köszönhetően a felszínre jutnak. A harmadik kedvező hatás, lényege abban rejlik, hogy az acélban oldott gázok, mint a hidrogén, illetve a nitrogén parciális nyomása a buborékban nagyon csekély, ezért a fémből ezeknek a gázoknak egy része a buborékba diffundál és a buborékkal együtt, távozik. Az acélok tisztítására többnyire az acélban nem oldódó argont használják. Ha az acél ridegtörési hajlamával, illetve ezzel összefüggésben nitrogéntartalmával szemben a követelmények nem túlzottan nagyok, akkor az argonnál lényegesen olcsóbb nitrogént használják öblítő gázként. Abban az esetben, ha igen csekély karbontartalmú (C≤0.03%) acél előállítása a cél, akkor az argonhoz, esetleg vízgőzhöz, mint hordozógázhoz kisebb mennyiségű aktív komponenst, oxigént is kevernek a 21. ábrán bemutatott kialakítású üstben. A tisztításhoz felhasznált gáz mennyisége egy tonna acélhoz 1...4 m3.

74


21. ábra A gázátfúvatás módszerei Az öblítő gázt lándzsán, vagy porózus tűzálló falazaton keresztül juttatják a fürdőbe. A két módszert szemlélteti a 21. ábra. Homogenizáláshoz a lándzsás befúvatáskor képződő nagyobb méretű buborékok, a zárvány felúsztatáshoz a tűzálló téglán átfúvatott, nagyobb fajlagos felületű, kisebb buborékok az alkalmasabbak. A gáztartalom csökkentése a buborék felületétől és az olvadékban való tartózkodás idejétől, vagyis a felúszási sebességtől függ.

2.4

Nagytisztaságú fémek előállítása

Az elektrotechnikai ipar a villamos vezetőkhöz, a lágymágnesek és a félvezetők gyártásához nagy, legalább 99.99 %-os, tisztaságú fémeket igényel. A hagyományos fémkinyerő és tisztító kohászati technológiákkal ilyen csekély szennyezőtartalom nem érhető el. A fémek további tisztítására az ipari gyakorlatban az elektrolízis és a zónás átolvasztás terjedt el.

2.4.1

Finomítás elektrolízissel

A kohóalumíniumot, illetve az alumínium hulladékot háromréteges olvadék elektrolízissel tisztítják. A rafinálásra szolgáló kád szerkezetét tekintve gyakorlatilag a timföld elektrolíziséhez használttal (ld. 12. ábra) megegyezik. Az egyetlen érdemi különbség, hogy a kád alját képező grafittömbökre kötik rá a pozitív pólust, a bemerülő kokszrúd viszont a katód. A kád medencéjében három, egymástól elkülönülő olvadékréteg van. Legalul, anódfémként, a sűrűség növelése érdekében rézzel ötvözött, tisztítandó alumínium, középütt az elektrolit amely bárium-kloridban oldott kriolit és nátrium-klorid, míg felül a finomított alumínium olvadt katódként. Az alumíniumnál nagyobb standard elektródpotenciállal rendelkező fémek, (ld. 4.TÁBLÁZAT) mint a Cu, Fe, Sn, Si, Cr, Zn, Mn nem oldódnak az elektrolitban, hanem az anódfémben maradnak. Az alumíniumnál kisebb standard elektród-potenciállal rendelkező fémek, mint a Na, Ca, Mg, Ti oldódnak az elektrolitban, de a katódon nem tudnak kiválni. Ezáltal a tisztítandó, anód szerepét betöltő szennyezett alumínium olvadékból az alumínium az elektrolitba oldódik, majd onnan a tisztított, katód szerepét betöltő alumínium olvadékba jut.

75


A rendszerből a szennyeződéseket az elektrolit frissítésével és az anód részleges cseréjével, távolítják el. Az anódötvözetből a Fe, Mn, Si, Ti az elektrolitban dúsul olyan mértékben, hogy meghaladja az oldhatóságot, és ekkor üledék formájában kiválik. A megtisztított, 99.99 %-os tisztaságú alumíniumot néhány naponként vákuum szivattyúval lecsapolják. A tisztítás energia szükséglete 72...80 MJ/kg. A nyersréz illetve a rézhulladék tisztítását oldható anódos eljárással végzik. Az anódot, a tisztítandó rézből öntött lemez képezi. A katódon a szennyezőktől mentes réz a vékony, (0.3...0.8 mm-es) már tisztított induló lemezen válik ki. Elektrolitul kénsavas réz-szulfát vizes oldata szolgál. Az elektrolizáló kád számos cellát tartalmaz. A kád keresztmetszeti képét a 22. ábra mutatja be.

szennyezett kohóréz

+ pólus tisztított katódréz elektrolit vezeték

- pólus

áramvezető sín

22. ábra Rézrafináló kád keresztmetszeti képe Az elektrolitos tisztítás során az anód és a katód között áthaladó, 0.2...0.3 V feszültségű egyenáram hatására az anódról a réz és a réznél kisebb standard elektródpotenciállal rendelkező elemek, mint a vas, nikkel az arzén kerül az elektrolitba. Az elektrolitos rafinálás kezdetén először a kisebb standard elektródpotenciállal rendelkező fémek kezdenek oldódni. Eközben az anódban lecsökken, míg az anód felületéhez közeli elektrolit rétegben megnő a szennyezők koncentrációja, így a szennyezők tényleges elektródpotenciálja pozitívabbá válik. A réz oldódása akkor következik be, ha a szennyezők elektródpotenciálja megegyezik a rézével. A réznél nagyobb standard elektródpotenciállal rendelkező elemek, mint az arany, platina, ezüst, szelén és a tellúr nem oldódik az elektrolitban, hanem az

76


anódiszapban gyűlik össze a kád alján. Ebből következően a réz tisztítása, szemben más fémek tisztításával, kettős célú, hiszen a kivált szennyeződések is értéket képviselnek, ezért így az anódiszap maga is termék. Az anódréz szennyezőinek egy része, az ólom és az antimon a kénsavas elektrolittal reakcióba lép és oldhatatlan szulfáttá alakul, s szintén az anódiszap részét képezi. Az elektrolitból a réznél kisebb standard elektródpotenciállal rendelkező elemek, mint a vas, és a nikkel a katódon nem válik ki. Az arzén elektródpotenciálja csak kissé tér el a rézétől. Mindaddig, amíg az elektrolitban a rézion koncentrációja nagy, az arzéné kicsi, a katódon a réz válik ki. Az elektrolízis előrehaladtával az elektrolit rézion koncentrációja csak csekély mértékben változik, mert az átfolyó áram az anódról gyakorlatilag ugyanannyi rezet választ le, mint amennyi kiválik a katódon, de az arzénion koncentráció nő. Az arzén kiválás, - így a katódréz szennyeződés megakadályozására -, az elektrolitot időnként cserélni kell. A szennyeződésekben feldúsult elektrolitot tovább feldolgozzák, kinyerve belőle a hasznosítható réz-, nikkel- és vastartalmat. A réz elektrolízises tisztítása rendkívül időigényes folyamat. Egy ciklus - két anódcsere közötti idő - 20...30 nap. Eközben két-három alkalommal cserélik a katód-lemezt. A ciklus végén az anód maradványokat, ami a kezdeti tömeg 15...20 %a, újraolvasztják, az elektrolitot lecserélik, és az anódiszapot összegyűjtik és hidrometallurgiai úton kinyerik belőle az értékes elemeket.

2.4.2

A zónás átolvasztás

A különlegesen nagy, 99.999 %-os tisztaságú fémek előállítására a leghatékonyabb módszer, a zónás átolvasztás. Az eljárás lényege, hogy a kísérő elemek kisebb mértékben képesek oldódni a szilárdfázisban, mint az olvadékban. Ezért a viszonylag lassú kristályosodáskor, amikor a szilárd, szennyezett fém az olvadékkal érintkezik, a megszilárdult, tisztított fém összetétele a szolidusz vonalnak megfelelő koncentrációjú, míg az olvadéké a likvidusz görbe által meghatározott összetételnek felel meg. A szilárd- és folyékony fázis kísérőelem tartalmának aránya (69) összefüggés szerinti megoszlási hányados: c k0 = B ( sz ) , (69) cB ( f ) ahol:

k0 .......megoszlási hányados, cB(sz) ..B elem koncentrációja a szilárd fázisban, cB(f) ....B elem koncentrációja a folyadék fázisban. A zónás átolvasztáskor a tisztítás annál nagyobb mértékű, minél kisebb k0 értéke, vagyis a likvidusz és a szolidusz görbe meredeksége minél inkább eltér egymástól. A 23. ábra szerinti kristályosodás csak akkor jöhet létre, ha a kristályosodási sebesség olyan kicsiny, hogy a diffúzió képes kiegyenlíteni a kristályosodási fronttal együtt haladó, filmszerű réteg és az olvadék közötti koncentráció-különbsé-

77


get. Ennél nagyobb kristályosodási sebesség esetén a határrétegben az oldott anyag koncentrációja dúsul és a tisztítás mértéke romlik. Értelemszerűen, a szenynyezettebb olvadékból egyre kevésbé tiszta fém kristályosodik ki. A szilárd/folyékony zónát úgy állítják elő, hogy a tisztítandó anyagból készült rudat egy keskeny sávban megolvasztják, majd ezt az olvadt részt a fűtőelem mozgatásával lassan végigvezetik a rúd teljes hossza mentén. Az olvadék haladási irányában a kísérőelem-tartalom egyre nő. Az oldott kísérőelemek a rúd végén dúsulnak. A szennyezőkben dús részt a rúdról levágják.

T likvidusz szolidusz

c B sz

cB f

A%

B%

koncentráció 23. ábra A megoszlási hányados értelmezése az egyensúlyi diagram alapján Többször megismételve a zónás átolvasztást, a kívánt tisztaság érhető el. A zónás átolvasztás kivitelezésére számos eljárás alakult ki, amelyek csupán a hőforrás típusában térnek el egymástól. A tisztítás hatékonysága növekszik, ha az olvadékban az anyagáramlás nemcsak diffúzióval megy végbe, hanem keveredés is megvalósul. Ezt az indukciós hevítés biztosítja. A nagy hőmérsékletre hevült olvadék szennyeződését az atmoszférából vákuumban, vagy semleges védőgázban való hevítéssel lehet elkerülni. Az indukciós hevítésre mutat példát a 24. ábra.

24. ábra Indukciós hevítésű zónás átolvasztás

78

3. FÉMEK ÉS ÖTVÖZETEIK KRISTÁLYOSÍTÁSA

Az elhanyagolható mennyiségű fémporgyártástól eltekintve, a kohászati eljárásokkal a kívánt összetételben előállított fémeknek és ötvözeteiknek a további megmunkáláshoz alkalmas alakját öntéssel alakítják ki. Az iparban alkalmazott fémes anyagok gyakorlatilag mindig többalkotósak, vagyis ötvözetek. A többalkotós ötvözetek az alkotók milyenségétől, mennyiségétől és a kristályosodás körülményeitől függően lehetnek homogének vagy heterogének, azaz egy- vagy többfázisúak. A kristályosítás körülményei, különösen a hűtési sebesség jelentősen befolyásolja az anyag szubmikroszkopikus, mikroszkopikus és makroszkopikus méretben értelmezett rendeződését, ezáltal szerkezetét és tulajdonságait. Az elsődleges kohászati technológiák termékeit a nyersvascipót, a fémport, a bugát, a tuskót másodlagos kohászati eljárással, mint öntéssel, meleg- és hideghengerléssel, kovácsolással, sajtolással, extrudálással dolgozzák fel kohászati végtermékké. A gazdaságos gyártás érdekében lehetőleg a végtermékek alakja és mérete a belőle készülő termék alakját és méretét a legjobban közelítse meg. A másodlagos kohászati technológiák végtermékei, a gépipari alapanyagok keresztmetszetüket tekintve lehetnek kör-, négyzet-, téglalap-, szabályos sokszög szelvényű rudak, lemezek, szalagok, csövek, huzalok, profilok, bonyolult alakú zsugorított, kovácsolt, sajtolt, öntött termékek. Az extraktív metallurgiát - az elsődleges kohászati előállítást -, követő kristályosítással általában nem végfelhasználásra alkalmas formájú anyagot állítanak elő, ezt szinte mindig valamilyen alak- és tulajdonságmódosító technológia követi, mégis a kohászati késztermék kristályosításakor kialakult szerkezet alapvetően meghatározza a belőle készült végtermék szerkezetét, így tulajdonságait is.

3.1

A kristályosodás

A kristályosodás, - az olvadékokban viszonylag szabadon mozgó ionok meghatározott felületeken való megkötődése -, két, jól elkülöníthető részfolyamatra osztható. Az első részfolyamat, a csíraképződés, a rövid távon rendezett ioncsoportok létrejötte, a másik, a kristály növekedése, amely a csírák rövidtávú rendeződését, a szilárd anyag hosszú távú rendeződésévé terjeszti ki. A két részfolyamat nagyon szoros összefüggésben áll egymással. Értelemszerűen mindkét részfolyamatot a környezeti körülmények, mint a nyomás és a hőmérséklet továbbá az anyagi minőség határozza meg.

79


Az olvadék hőmérsékletének csökkenésével a rendszer energiája csökken és egyre gyakoribbak lesz az olyan ionrajok kialakulása, amelyekben az ionok helyzete egymáshoz viszonyítottan rendezett. Az olvadékban megjelenő atomrajok térfogatával arányos mennyiségű szabadentalpiának, és az új rendezetten elhelyezkedő részecskék alkotta felület kialakításához szükséges energiának egyensúlyban kell lennie. Minden hőmérséklethez hozzárendelhető egy kritikus méret, a kritikus csíraméret, amelynél kisebb méretű csoportosulások instabilisak, megszűnhetnek. A csiraképződés mechanizmusából adódik, hogy a stabilis kristálycsírák kialakulásának ott van a legnagyobb valószínűsége, ahol már eleve rendelkezésre áll stabilis részecske-csoportosulás. Például az olvadékkal érintkező szilárd anyag felületén - heterogén csírák - vagy a folyadékban már meglevő szilárd részecskék homogén csírák - környezetében, illetve ott, ahol a hőmérséklet a legkisebb. Mindkét feltételnek - a szokásos kohászati folyamatokat feltételezve - a kristályosító, például a kokilla fala felel meg leginkább.

a.

b. 25. ábra A túlhűtés hatása a kristálycsírákra

c.

Ha az olvadék hőmérséklete a szilárd/folyékony rendszer stabilitását jelentő hőmérséklet, az olvadáspont alá csökken, a rendszer túlhűtötté válik. A túlhűtéssel

80


csökken a csírák mérete és számuk nő. A túlhűtés mértéke természetesen a határoló felület hőmérsékletétől és hővezető képességétől függ. A csírák száma, mérete, és a túlhűtés mértéke közötti kapcsolatot sematikusan szemlélteti a 25. ábra. Amint az a 25. ábra alapján látható, a túlhűtés növekedésével a kritikus csíraméret csökken, a rendszerben a csírák száma exponenciálisan nő. A nagyobb túlhűtéskor 25/a. ábra egyre nagyobb számú csíra segíti a kristályosodást. Mindazok a részecske csoportosulások, amelyeknek görbületi sugara kisebb az adott hőmérsékleten stabilis, kritikus csíra görbületi sugaránál, megolvadnak, mert szabadentalpiájuk nagyobb, mint az olvadéké. Ha a görbületi sugár ennél nagyobb, növekedésnek indulnak. A kristálynövekedés, a kristályosodási folyamat csak akkor haladhat előre, ha a rendszer a kristályosodási front környezetében túlhűtött. Kellő túlhűtéssel elkerülhető, hogy a kristályosodáskor felszabaduló energiának az a része, amely már nem szükséges az új felület képződéséhez, olyan mértékben felmelegítse a már megszilárdult anyagot, hogy az elveszítse stabilitását, vagyis megolvadjon. A többkomponensű rendszerekben, a kristályosodott réteg összetétele eltér az olvadékétól. Az összetételbeli különbség egyben energiatartalom-különbséget is jelent, ami a kristályosodás módjában is eltérést okozhat. A kristályosodási folyamat ennek megfelelően jellemző csoportokba sorolható: ⇒ a kristályosodást a hőmérséklet-különbség irányítja, ha az összetétel-változás csekély és ezért érdemi változást a kristályosodási folyamatban nem okoz, ami a színfémekre jellemző, ⇒ a kristályosodási folyamat fő irányítója a koncentráció-különbség, ha az összetétel-változás a szilárd/folyékony fázis határán számottevő, ami a szilárd oldatokra jellemző, ⇒ az eutektikum kristályosodása a kristályosodás egy speciális esete, amikor a kristályosodás során az olvadék az összetétel-változása miatt válik túlhűtötté.

3.1.1 A hőmérséklet-különbség irányította kristályosodás A gyakorlatban a kristályosításkor az olvadékot valamilyen formába öntik, aminek külső felületét a körülvevő, szobahőmérsékletű levegő, ritkábban vízpermet hűti. A formába öntéskor az olvadéknál lényegesen kisebb hőmérsékletű fala a formának, később a forma külső felületének hűtése számottevő hőelvonást jelent, ami az olvadék belseje irányában, a forma felületére merőleges irányban növekvő hőmérséklet-gradienst hoz létre. A hővezetés ennek a gradiensnek az irányában folyik. Feltételezve, hogy a gradiens iránya az X tengely, továbbá, hogy ∆t idő alatt a szilárd/folyékony fázishatár ∆l távolságban halad előre, így az egységnyi felületen (F):

∆V = F ∆l.

(74)

térfogatú anyag szilárdul meg. A kristályosodás során az entalpia változása révén L látens hő szabadul fel: (75) L = Holv - Hszil,

81


ahol:

Holv....az olvadék entalpiája, J/m3, Hszil....a szilárd fázis entalpiája, J/m3, L.........latens hő, J/m3.

Az egységnyi felületen, egységnyi idő alatt kiváló hőmennyiséget valamint a folyadék oldalról odavezetett hőt a szilárd/folyadék határán a szilárdfázis vezeti el. A Fourier-féle hővezetés általános differenciálegyenletéből az egyensúly a (76) öszszefüggés szerint írható le: ∂T ∂T ∆l λszil , (76) szil -λolv olv = L ∂x ∂x ∆t ahol: λolv.........az olvadék hővezető képessége, W/mK, λszil.........a szilárd fázis hővezető képessége, W/mK, ∂ T/ ∂ x..a hőmérséklet-gradiens a hőelvonás irányában, K/m, ∆l/∆t......a kristályosodási front sebessége, m/s. Az olvadékban a hőmérséklet-gradiens lényegesen kisebb, mint a szilárd fázisban mert az olvadéknak nagyobb a hővezető-képessége, és a konvekció is van. A (76) összefüggés elemzéséből következik, hogy a kristályosodási sebesség akkor nagy, ha a szilárd fázisban a hőmérséklet-gradiens nagy. Ez a feltétel a kristályosodás kezdetén áll fenn, amikor az olvadék a forma viszonylag hideg falával érintkezik. Ekkor nagyszámú csíra keletkezik a 26/a. ábrán bemutatott módon. A nagyszámú csíra egyben nagyszámú, véletlen orientációjú kristály növekedését is jelenti. Ennek következtében a kristályosodott szövet rendkívül finom szemcsékből áll, mert a gyorsan növő kristályok ugyanis összeérve, egymás növekedését akadályozzák, és a kristályosodás mindig új és új csírákon indul újra. A kristályosodó felület ilyen esetben gyakorlatilag minden pontjában egyenletesen halad előre, a kristályosodási front síkszerű. A nagy sebességű kristályosodás során a szilárd/folyadék fázis határoló felülete egyre távolabb kerül a forma kisebb hőmérsékletű falától. Az olvadék ezzel egyidejűleg fel is melegíti a formát. A kristályosodási front nagyobb távolsága és a forma felmelegedése következtében a szilárd fázis hőmérséklet-gradiense csökken és így a hőáram is kisebb. A kisebb hőáram miatt a szilárd/folyadék fázis határoló felületének túlhűtöttsége csökken. A kisebb túlhűtés következtében a kristály növekedésre képes felületén a görbületi sugárnak nagyobbnak kell lenni, mint a kritikus csíra sugara. Ezeknek a hatásoknak a következtében jelentőséget kap a fejlődő kristály orientációja. Az ilyen, a 26/b. ábrán látható termodinamikai feltételek között azok a kristályok tudnak a többiek rovására növekedni, amelyek kristálytani orientációjából adódó legkedvezőbb növekedési irány, a legkisebb mértékben tér el a hőmérsékletgradiens irányától. Így alakul ki az irányított, kompetitív típusú kristályosodás, amely a még számottevő túlhűtés esetén oszlopos kristályok kialakulásához vezet. A tűszerű kristályok növekedését segíti az a tény is, hogy az olvadékba benyúló oszlopok csúcsánál a nagyobb mennyiségű olvadék kristályosodása miatt kiváló látens hő nagyobb mértékben csökkenti a túlhűtést, ezáltal az olvadékban negatív hőmér-

82


séklet-gradiens alakul ki, ami a kristály növekedését ebben az irányban meggyorsítja és egyben a hő egy részét az olvadék más részébe vezeti. A szilárd fázisban az ilyen növekvő kristálycsúcsok környezetében értelemszerűen megnő a hőmérséklet-gradiens azokhoz a szilárd részekhez képest, amelyeknél a kristály növekedési sebessége ennél kisebb. Ennek az a következménye, hogy a kezdeti egy tengely irányú hőelvonás helyett a növekvő oszlopos kristályok közvetlen környezetében a hőelvonás kéttengelyűvé, ezáltal nagyobbá válik, ami szintén az oszlopos kristályok növekedését segíti.

túlhűtés T Tegyens.

T Tegyens. fal

túlh űtés T Tegyens. szilárd kéreg

fal

a.

szilárd kéreg olvadék

olvadék

túlhűtés

fal

olvadék

b.

c. 26. ábra A hőmérséklet-különbség irányította kristályosodás

A kristályosodás előrehaladtával, a kristályosodási front egyre távolodik a forma külső, „hűtött” felületétől, ezáltal a túlhűtés mértéke a kristályosodási front környezetében jelentősen csökken. A túlhűtés csökkenésével a növekedésre képes görbületi sugár megnő, az oszlopos kristály környezetében az olvadékban jellemzővé válik a negatív hőmérséklet-gradiens, így a kéttengelyű hővezetés. A kéttengelyű hővezetés miatt az oszlopok tengelyére merőleges irányban oldalágak jelennek meg, amint az a 26/c. ábrán látható. A csekély túlhűtés következtében a kritikus sugár meglehetősen nagy, ezért a kristályosodási fronton viszonylag kevés növekedésre képes dudor tud kialakulni. Ezek közül a dudorok közül azok növekednek a leggyorsabban, amelyek sugara az energiaminimumnak megfelelő, vagyis az adott hőmérsékletnek értelmezett kritikus méretű csíra átmérőjével egyezik meg. E törvényszerűségeknek megfelelően ezek a kristályok lesznek a meghatározók, vagyis szabályos, jellegzetes képződmény, a dendrites szövetszerkezet alakul ki. Abban az esetben, ha a forma hűtőhatása jelentős, vagy a rendszert intenzíven hűtik, a már megszilárdult fázisban a hőmérséklet-gradiens nagy, a kristályoso-

83


dási front környezetében nagyobb mértékű túlhűtés jön létre, számos kristálycsíra áll rendelkezésre, akkor a létrejött szövetszerkezet finomszemcsés lesz. A nagyon kicsiny hőmérséklet-gradiens és csekély túlhűtés esetén az olvadékban mozgó ionoknak kellő idő áll rendelkezésükre, hogy elfoglalják a kristály növekedési síkján vagy síkjain a kristálytanilag szabatos helyüket. A nagytisztaságú olvadékokból ilyen végtelen lassúnak tekinthető kristályosodási sebességgel, egy már meglevő kristálycsírán növeszthetők a nagyméretű egykristályok. A hőmérséklet-gradiens, a hűlési sebesség, a túlhűtés növekedésével az olvadékban levő ionok szabályos beépülésére egyre kevesebb idő áll rendelkezésre, egyre több rendezetlenség, például üres rácshely képződik az egyre kisebb méretű és egyre inkább eltérő orientációjú kristályokban. Nagyon gyors hűtés, nagyon nagy hőmérséklet-gradiens esetén a kristályszerkezetnek megfelelő rendeződésre nem jut idő, az olvadék folyadék rövidtávon rendezett szerkezetének megfelelő rendeződését megőrizve befagy, szilárd, amorf szerkezetet hozva létre. Az ilyen nagy, nagyobb mint 100 000 K/s hűtési sebességgel állítják elő például az fémüvegeket. A rendkívül gyors hűtés csak igen vékony, 10…100 µm rétegben folyadék hűtésével vagy fémgőz lecsapódásakor érhető el. Ennek megfelelően a napjainkban előállított, mintegy 10 000 t fémüveg szalag, fólia, szál és szemcse formájában áll a felhasználók rendelkezésére.

3.1.2 A koncentráció-különbség irányította kristályosodás A gyakorlatban használatos fémek olvadéka legtöbbször oldott állapotban különféle elemeket esetleg vegyületeket tartalmaz. Az oldatok kristályosodása eltérhet a 3.1.1. pontban leírt, hőmérséklet-különbség irányította kristályosodástól. Az eltérés annál számottevőbb, minél nagyobb az olvadék szolidusz és likvidusz hőmérséklet különbsége. Nagy szolidusz-likvidusz hőmérséklet-különbség hatására a kristályosodást már nem a hőmérséklet-különbség irányítja, hanem a koncentrációkülönbség. Egy c0 átlagos koncentrációjú oldat kristályosodása, amelynek a szilárd/folyékony határfelület környezetében a hőmérséklet eloszlását a 27/a. ábra, állapotábra részletét a 27/b. ábra szemlélteti, - egyensúlyi kristályosodást feltételezve -, csekéllyel az átlagos, c0 összetételnek megfelelő likvidusz hőmérséklet alatt a szolidusz hőmérsékletnek megfelelő, cs összetételű fázis kiválásával kezdődik. Ennek következtében a kristályosodási front előtti olvadék az oldott anyagban a likvidusz hőmérsékletnek megfelelő, 27/c. ábra szerinti, cl koncentrációra dúsul. A további kristályosodást ez a koncentráció-változás megakasztja, mert a kristályosodáshoz a tényleges hőmérsékletnél lényegesen kisebb, Tszolcl hőmérsékletűnek kellene lennie a kristályosodási front felületének. A szilárd/folyadék határfelület és az olvadék átlagos koncentráció-különbsége miatt, a határfelület közvetlen környezetében a diffúzió, ettől távolodva, az olvadék áramlása elszállítja a dúsult komponenst. A koncentráció-eloszlást a fürdőben, valamint ennek időbeni változását, a 28/c. ábrán a vékony vonalak jelzik.

84


A tényleges koncentrációnak megfelelő likvidusz hőmérsékleteket (kettős nyíllal jelzett mutatóvonalakkal szerkesztett) a 28/b. ábra Teff hőmérsékletjelző vonala szemlélteti. A diffúzióval egyidőben a rendszer hűl, ami a kristályosodási front hőmérsékletének csökkenésében is jelentkezik. Amint az a 28/b. ábrán látható, abban a pillanatban, amikor a kristályosodási front felülete megegyezik az ott található koncentrációhoz tartozó Teff effektív likvidusz hőmérséklettel, nemcsak újraindul a kristályosodás, hanem ∆l távolságban gyorsan előre is halad. Ebben a zónában, a konstitucionális túlhűtés tartományában, az olvadék hőmérséklete kisebb, mint az ott levő olvadék koncentrációjához tartozó Teff effektív likvidusz hőmérséklet, vagyis az olvadék túlhűtött. A kristályosodási front előrehaladásával, vagyis az olvadék kristályosodásával az előzőkben leírtak szerint az olvadék oldott anyagban ismét dúsul. Vagyis a kristályosodás ismét lelassul vagy megáll. Ez a folyamat a rendszer teljes megszilárdulásáig ismétlődik azzal az eltéréssel, hogy amint az olvadék térfogata a megszilárdultéhoz viszonyítva már nem tekinthető végtelen nagynak, az olvadék átlagos koncentrációja a kezdeti c0-hoz képest megnő.

a ábra

o

hõmérséklet C Tlik

likvidusz

szolidusz

Tszol

A cs

b ábra

hõmérséklet C

o

A távolság a kristályosodási fronttól

cs

c0 koncentráció %

cl

B

c0

olvadék

cl

B koncentráció % c ábra 27. ábra A koncentráció-különbség irányította kristályosodás Abban az esetben, ha többkomponensű rendszer valamely összetevőjére nézve korlátozott oldóképességű, és a kristályosodási front előtt - a leírt dúsulási folyamat miatt - az oldottanyag koncentrációja túllépi az oldhatóságot, az olvadékban új fázis jelenik meg. Hasonló folyamat megy végbe akkor is, ha a kristályosodási front előtt dúsult oldott anyagok a nagyobb koncentrációjuk révén egymással már

85


képesek reakcióba lépni és a reakció terméke oldhatatlan. Ilyenek például fémek esetében az oxidok, szulfidok és a nitridek. A kiváló fázis, a túltelítetté vált anyagtól függően, szilárd-, folyékony- vagy gáz halmazállapotú lehet. A kristályos szerkezetű szilárd halmazállapotú új fázis megjelenése csak akkor lehetséges, ha az adott anyagra és az adott hőmérsékletre jellemző kritikus csíraméret létrejöhet.

a ábra

o

o

hőmérséklet C

hőmérséklet C túlhűtés

Teffektív

Tlik T1

b ábra

likvidusz

szolidusz Tszol

∆l túlhűtött zóna

A cs

cs

A távolság a kristályosodási fronttól

c0 c1

cl

koncentráció %

B

c0 c1 olvadék

cl

B koncentráció %

c ábra 28. ábra A koncentrációs túlhűtés

Ha a kiváló szilárd fázis kristályszerkezetét tekintve megegyezik az oldóanyag kristályszerkezetével akkor ezek a szilárd részecskék kristálycsírák szerepét tölthetik be az oldóanyag kristályosodásakor, s finomabb szemcsézetű szövet jön létre. Ha a kivált szilárd részecskék ennek a feltételnek nem felelnek meg, akkor a kristályosodási front maga előtt tolja ezeket a lebegő részecskéket. Abban az esetben ha a méretük, alakjuk és sűrűség-különbségük alapján az emelkedési sebességük megfelelő, az olvadék felszínére úsznak fel. Hasonlóan képes eltávozni a kiváló folyékony- vagy gáz halmazállapotú fázis is az olvadékból. A folyékony-, de különösen a gáz halmazállapotú kivált anyag, a kristályosodási front előtt haladva könnyen egyesül, az emulgeált folyadék-, vagy a gázbuborék sugarának növekedése valószínűbbé teszi az olvadék felszínére való felúszását. Kiválás nélküli dúsulás esetén a konstitucionális túlhűtés és a kristályosodás jellege, valamint a szövetszerkezet közötti kapcsolatot szemlélteti a 29. ábra.

86


A 29. ábra alapján látható, hogy a konstitucionális túlhűtés növekedése az oldalágak kifejlődésének, a dendrites kristályosodásnak kedvez. Eltérést jelent a kizárólag hőmérséklet-különbség irányította kristályosodással szemben, hogy a dendrites kristályosodáskor a dendritágak között levő olvadék és a fürdő között a koncentráció kiegyenlítődés megnehezül, bizonyos feltételek mellett lehetetlenné válik. Az oldott anyag dúsulása a növekvő kristályok között elősegíti a kristályosodás dendritessé válását. hõmérséklet oC

hõmérséklet oC

hõmérséklet oC

távolság a kristályosodási fronttól

a. ábra dendrites kristályosodás

b. ábra oszlopos kristályosodás

c. ábra síkszerű kristályosodás

29. ábra A túlhűtés és a szövetszerkezet közötti kapcsolat A szilárd oldatok kristályosodásakor szemben a színfémek kristályosodásával, nemcsak a hőmérséklet-eloszlásnak, a hővezető képességnek, valamint a kristályosodáskor felszabaduló látens hő mennyiségének van meghatározó szerepe a kristályosodás-, így a szövetszerkezet jellegére, hanem az olvadék összetételének, az oldott anyag diffúziós tényezőjének és a fürdő keveredésének is. Minél kisebb az olvadékra jellemző szolidusz-likvidusz hőmérséklet közötti különbség, minél nagyobb az oldott anyag diffúziós tényezője, minél intenzívebb keveredés megy végbe az olvadékban, továbbá minél nagyobb a hőmérséklet-gradiens a szilárd és olvadék fázisban, annál kisebb a valószínűsége a konstitucionális túlhűtés kialakulásának. A több alkotót tartalmazó olvadék kristályosodásakor, mint az előzőkben leírt mechanizmus alapján látható, a kristályosodási front környezetében az olvadék összetétele eltér az átlagos összetételtől. Az eltérő összetétel miatt, különbség van egy adott krisztallit először és utoljára kristályosodó része között, vagyis dúsulás lép fel. Figyelemmel arra, hogy ez a koncentráció különbség kristály méretű, legfeljebb néhány milliméter távolságban jelentkezik, ezt a dúsulást mikrodúsulásnak nevezik. A mikrodúsulás mértéke értelemszerűen függ a kristályosodási mechanizmustól,

87


ezért a különböző kristályosodási formákban igen eltérő, mint az a 30. ábrán látható.

30. ábra A mikrodúsulás és a kristályosodás típusa közötti kapcsolat A több összetevőt tartalmazó olvadékból, a kristályosodási sebesség növekedésével az oldottanyag koncentrációja meghaladja a szilárd fázisban az egyensúlyi oldhatóság értékét. A jelenség azzal van összefüggésben, hogy a kristályosodási sebesség növekedése csökkenti a kristályosodási front előtt a feldúsult oldottanyag elszállítására rendelkezésre álló időt. A kristályosodási front előtt a nagyobb oldottanyag tartalom, valamint az olvadék részecskéinek gyors ráépülése a kristályfelületekre, mintegy magukkal ragadva az oldott részecskéket is együttesen azt eredményezi, hogy az egyensúlyinál nagyobb arányban épül be az oldottanyag a szilárd fázisba. Ennek következtében a kristályosodási sebesség növekedésével ugyanazon típusú kristályosodás mellett is mérséklődik a mikrodúsulás mértéke. De ez a folyamat teszi lehetővé az egyensúlyi kristályosodásnál értelmezett oldhatósági határok kitolódását, vagyis olyan ötvözetek létrehozását, amelyek nagyobb mennyiségű elemet tartanak oldatban mint az egyensúlyi.

3.1.3 Az eutektikum kristályosodása Az eutektikus ötvözetek esetében olvadt állapotban az alkotók kölcsönösen -, szilárd állapotban azonban nem, vagy csak korlátozottan oldják egymást. Az eutektikus ötvözetek további jellemzője, hogy pontosan meghatározott összetételnél adott, minimális, úgynevezett eutektikus olvadáspontjuk van. Az eutektikum kristályosodásakor az olvadáspontot elérve a rendszerben egyensúlyi helyzet áll be. Az egyensúlyi helyzetű olvadékból az eutektikumot alkotó fázisok kristályosodása egymás mellett, egyidejűleg megy végbe. Az egyik alkotó kristályosodásával ugyanis, a visszamaradó olvadék a többi összetevő vonatkozásában dúsul, ami a likvidusz hőmérséklet növekedésével jár, vagyis ezáltal az eutektikus hőmérsékletű rendszer túlhűtötté válik. A túlhűtés következtében az olvadékból a dúsult összetevő kristályosodása is megkezdődik.

88


Az eutektikus rendszert alkotó összetevők közül természetesen az kristályosodik elsőként, amely kevésbé hajlamos a túlhűtésre. Amennyiben az egyik alkotó csíraképződési hajlama erős, a kristályosodáskor sok csíra keletkezik, az eutektikum szövetszerkezete finomszemcsés lesz. Amennyiben a felületi feszültség nagy, akkor a második fázis globuláris, ellenkező esetben tűszerű lesz. Csekélyebb csíraképződési hajlam mellett, ha a szilárd fázis és az olvadék közötti felületi feszültség nagy, a fejlődő kristályok oszloposak lesznek. Ha a felületi feszültség kicsi, az eutektikum egyik kristályosodó fázisa lemezszerű. Ha az eutektikus összetételű olvadék oszlopos, vagy lemezszerű kristályok formájában szilárdul meg, a kristályosodás sebességének növekedése az oszlopok átmérőjének, illetve a lemezek vastagságának és a közöttük levő távolságnak a csökkenését, a szerkezet finomodását eredményezi.

3.2

Kristályosító eljárások

A 3.1 pont alapján megítélhető, hogy az extraktív metallurgia végterméke, a szilárd állapotú, kívánt összetételű fém -, a további feldolgozás az alakadó- és tulajdonságmódosító technológiák számára kiinduló gyártmány tulajdonságai a kristályosítás körülményeinek változtatásával érdemben befolyásolhatók. A kristályosítás befejeztével az anyag összetételét általában egyáltalán nem, szerkezetét csak jelentős ráfordítások árán lehet változtatni. Ezért a késztermék kívánt tulajdonságainak, előállítási költségeinek minimalizálása érdekében, nagy figyelmet kell fordítani a kristályosítási eljárás, ezen belül a technológia kiválasztására. A fémolvadékok kristályosítása néhány, tömegszerűségét nézve, elhanyagolható eljárástól - mint az egykristály-, fémüveg-, és fémporgyártástól -, eltekintve tuskóöntéssel, folyamatos öntéssel vagy öntvehengerléssel történik. Amint az a 3. diagram adataiból kitűnik, a fémfelhasználás 98 % -át a vasötvözetek, az alumínium és a réz teszi ki. A vasötvözetek döntő többségét, 2000ben 715 millió tonnát, vagyis a világ acéltermelésének 84,7 %-át folyamatos öntéssel a fennmaradó hányadot kokillában kristályosítják, az alumínium esetében is hasonló a tuskóöntés aránya, de a félfolyamatos öntés mellett nem elhanyagolható az öntvehengerlés sem. A réz kohászatában a tuskóöntésnek kisebb szerepe van. A katódrezet újra olvasztva, nagyobb részét öntvehengerléssel, kisebb hányadát cső vagy rúd formájában folyamatos öntéssel kristályosítják.

3.2.1 Tuskóöntés Az acél tuskóöntésekor az olvadékot vastag falú, öntöttvas anyagú kokillában kristályosítják. A kokilla lekerekített, általában négyzet szelvényű, szemben levő oldalfalai kis szöget zárnak be egymással, hogy a lehűlt tuskóról a kokillát viszonylag egyszerűen le lehessen húzni. Az öntés végezhető alulról és felülről.

89


a. ábra

b. ábra

31. ábra Alsó- és felső tuskóöntés Az alsó öntéskor (31/a. ábra) az olvadék a tölcséren és az alaptábla csatornáin keresztül áthaladva, egyenletesen és lassan, 4...5 mm/s sebességgel emelkedve tölti fel a kokillát. Alsó öntéskor egyidejűleg több, 4...12 kokillába öntik a fémet. A felső öntés során (31/b. ábra) egyetlen kokillát töltenek és az olvadékszint emelkedési sebessége közel egy nagyságrenddel nagyobb, mint alsó öntés esetén. A felső öntésű tuskó felülete rosszabb, mert a becsapódó folyadéksugár szétfröccsen és a cseppecskék feltapadnak a kokilla falára, ami felületi hibákhoz vezethet. A gyors öntés és emiatt a gyorsabb hűtés következtében a tuskó felületén termikus feszültségek okozta repedések keletkezhetnek. Előnye a felső öntésnek, hogy nem igényel öntőtölcsért, elkerülve ezzel a tölcsér tűzálló falazatának eróziója okozta exogén salakzárványosságot. A több alkotót tartalmazó olvadékok kristályosodásakor, mint az a 3.1.2. pontban leírt kristályosodási mechanizmusból látható, a kristályosodás során viszszamaradó olvadék az oldott anyagban egyre dúsul, s a tuskó utoljára dermedő részén, a termikus centrumban, jelentős koncentráció-változást, dúsulást okoz. Szemben a mikroszkopikus dúsulásokkal, amely néhány µm, legfeljebb néhány mm távolságon belül jelent összetételbeli eltérést, az előzőkben leírt folyamat következtében a tuskó széle és közepe között lép fel jelentős, makroszkopikus dúsulás. A koncentráció-különbség arányát az átlagos összetételhez viszonyítva a dúsulás mértékének tekintik. A dúsulás mértéke, a tuskó legkisebb keresztmetszeti mérete, a szolidusz-likvidusz hőmérséklet közötti különbség, valamint a kiinduló átlagos koncentráció (c0) között egyenes arányosság áll fenn. Acéloknál dúsulásra leginkább hajlamos az oldott gáztartalom, a kén, a foszfor és a karbon. Alumíniumban a legnagyobb dúsulás az arzén, a hidrogén, a vas, a réz esetében fordul elő.

90


A makroszkopikus dúsulás a tuskóöntés egyik legnagyobb problematikáját jelenti, mert szemben a mikrodúsulásokkal, amelyek a kis diffúziós utak miatt homogenizáló izzítással a kristályosodást követően is mérsékelhetők és a kész gyártmány tulajdonságaira érdemi hatásuk nincs, a makroszkopikus dúsulások gyakorlatilag a kristályosodást követően alig csökkenthetők. A makrodúsulás a késztermékben anizotrópiát okoz. A nagyon gyors és a nagyon lassú kristályosodási sebességnél a makroszkopikus dúsulás mértéke kisebb. Ennek magyarázata az, hogy a gyors kristályosodáskor, mint az a 30. ábrából látható, a szilárd fázisban az oldott anyag mennyisége meghaladhatja az oldhatóságot is. A lassú kristályosodáskor a kialakuló dendrit oldal-ágak a bezáródó olvadék térfogatokban megakadályozzák az olvadék koncentráció-különbségének diffúzióval, de különösen a keveredéssel való kiegyenlítődését. A fémek gázoldó képessége olvadt állapotban közel egy nagyságrenddel nagyobb, mint a kristályosodási hőmérsékletnek megfelelő szilárd fázisban. Természetesen egy megfelelően tisztított fémolvadék oldott gáztartalma meg sem közelíti az oldhatósági határt, de a kristályosodáskor a visszamaradó olvadék gáztartalma mindig növekszik míg végül a túltelítetté váló oldatból a gáztartalom buborékok formájában kiválik. A szilárd fázis jelenléte kedvez a buborék képződésének, ezért a túltelített oldatból a buborékok legnagyobb valószínűséggel a szilárd/folyékony fázis határán képződnek és a hidrofób tulajdonságnak megfelelően a felülethez tapadnak. Ha a kristályosodási sebesség nagy, a megszilárduló fémben az egyensúlyinál nagyobb mennyiségű gáz marad oldott állapotban. Ilyen esetben a kiváló gáz mennyisége viszonylag csekély, a síkszerű fázishatáron kiváló apró buborékokat a kristályosodási front maga előtt tolva, az olvadék belsejébe juttatja. Eközben a buborékok a folyamatos gázkiválás és a buborékok egyesülése miatt, egyre növekednek. A buboréktérfogat növekedésével arányosan nő a felhajtó erő, ami egy kritikus átmérőnél már képes leküzdeni a felületi feszültségből származó, a szilárd fázishoz tapasztó erőt. A felülettől így elszabadult buborék az olvadék felszínére törekszik, s ott a kristályosodó rendszerből távozik. Ha a rendszer felülete befagy, ezek a nagyobb méretű buborékok a szilárd felső kéreg alatt gyűlnek össze, egymással egyesülve egyre nagyobbá válnak, végül gömb alakú pórust képeznek. Ha a kristályosodási sebesség gyors, de a kristályosodási front tagolt, mint a 29. ábra szerinti oszlopos kristályosodásnál, a piciny pórusok beékelődhetnek a növekvő oszlopok közé, ahol a gyorsan növekvő kristályok közé befagyva, de még mindig növekedve, tömlő alakú pórust hoznak létre. Ha a kristályosodási sebesség lassú, a kristályosodás a 29. ábra szerinti dendrites kristályosodással megy végbe. A dendritek növekedési iránya jó közelítéssel párhuzamos a legnagyobb hőmérséklet-gradiens irányával, vagyis merőleges a kokilla falára. Ez irányított, sugaras szemcseszerkezethez vezet. Lassú kristályosodáskor a szilárd fázisban csak az egyensúlyi oldhatóságnak megfelelő gáztartalom marad vissza, ami viszont nagyobb mértékű gázkiválással jár együtt. Ennek következtében a gáztartalom nagy része buborékok formájában képes elszakadni a kris-

91


tályosodási fronttól, kisebbik része mikropórusok formájában befagy a dendrit oldalágai közé. A kokillába öntött tuskó kristályosodási folyamatát szemlélteti a 32. ábra.

32. ábra A kokillába öntött tuskó kristályosodási folyamata A nagyobb keresztmetszetű tuskókban a sugaras, dendrites réteg vastagsága olyan nagy is lehet, hogy a magban már az egyes irányokban a hőmérsékletgradiens nem, vagy csak lényegtelen mértékben tér el. Ilyen körülmények között a kristályosodási sebesség nagyon lassú, az olvadékban szabadon lebegő kristálycsírák képződnek, amelyek megközelítően minden irányban azonos méretű szemcsék formájában kristályosodnak meg. Az acél kristályosításakor egy sajátos folyamat megy végbe. Ez azzal van összefüggésben, hogy a dúsuló karbon- és oxigéntartalom az olvadékban reakcióba lép egymással és a vasban oldhatatlan szén-monoxid képződik az (52) összefüggésnek megfelelően. Ha az olvadék számottevő oldott oxigént, vagy vas(II)-oxidot tartalmaz, mert dezoxidálásra nem került sor, vagy az csak csekély mértékű volt, akkor a kristályosodást élénk gázképződés kíséri. A szén-monoxid kiválás a fürdő heves mozgását, „fövését” okozza. Az ilyen acélt csillapítatlannak, vagy más néven meg nem nyugtatott acélnak nevezik. Ha az olvadék erősen dezoxidált, az oldott oxigéntartalom csekély (O≥0.005%), a kristályosodást szén-monoxid kiválás nem kíséri. Az ilyen acél csillapított vagy más néven megnyugtatott. Ha az acél csak részlegesen dezoxidált, akkor az acélt félig csillapított. Csillapítatlan acélok kristályosításakor a számottevő buborékképződés a fürdő heves mozgását hozza létre, ami a hőmérséklet- és a vegyi összetétel különbség kiegyenlítődését, az oldott gáztartalom csökkenését eredményezi. A felszálló buborékok, hasonlóan a 2.3.5. pontban leírt gázátfúvatásos tisztításhoz, az oldott gáztartalom és a lebegő szilárd részecskék egy részét is magával ragadja. A csillapítatlan tuskóban a kristályosodási fronttól az áramlás mindig elszállítja a dúsulásra hajlamos elemek nagy részét, ezért az utoljára dermedő magrész ezekben az elemek-

92


ben igen gazdag is lehet. Az olyan dúsulást, amelynél a mag a dúsulásra hajlamos elemekben gazdagabb, normális dúsulásnak nevezik. A csillapított acélok kristályosodásakor a dendritek közötti olvadék hőmérséklete valahol a szolidusz- és a likvidusz hőmérséklete között van. Ennek a résznek a kristályosodásakor 1...1.5 %-os térfogatcsökkenés következik be, amit az oldott anyagban dúsabb, odaáramló olvadék pótol. Ezért a dendritek között oldott anyagban gazdag szemcsehatárok alakulnak ki. Az utoljára dermedő magrészben ilyen dúsulás nem lép fel, ezért az előző bekezdésben megismert normális dúsulással szemben, a csillapított acélok tuskóiban fordított dúsulás fordul elő. A kristályosodás és az ezt követő lehűlés során a kristályt alkotó részecskék rezgési amplitúdója csökken, ezáltal sűrűsége nő, ami az anyag zsugorodásában jelentkezik. A kristályosodáskor és az azt követő lehűléskor az egyes fémek sűrűségének változásáról ad áttekintést a 23. TÁBLÁZAT.

a. ábra csillapítatlan acél

b. ábra félig csillapított acél

c. ábra csillapított acél

33. ábra A különböző csillapítottságú acéltuskó keresztmetszete A csillapított acél kokillába való öntésekor a zsugorodás miatt a tuskóban szívódási üreg képződik, mint az a 33.c. ábrán látható. A csillapítatlan acélból öntött tuskó fogyási üregét kompenzálja (33.a. ábra) a gázzárványok mennyisége. 23. TÁBLÁZAT Fém vas alumínium

FÉMEK SŰRŰSÉGÉNEK VÁLTOZÁSA Kristályosodáskor, % 0.8 1.3

Szobahőmérsékletre való lehűléskor, % 7.0 6.5

93


réz

1.9

4.1

A 33. ábrán bemutatott metszeti képen a különböző mértékben csillapított acélok tuskóinak jellegzetes pórus és zárvány eloszlása is látható. A tuskófej, valamennyi jellegzetes tuskóhibát tartalmazza úgy mint: ⇒ szívódási üreg (csövesség), ⇒ porozitás, ⇒ zárványosság, ⇒ dúsulás, ⇒ irányított, durvaszemcsés szerkezet. A kokillát leemelve, a lehűlt, ezáltal a kokilla faltól elvált tuskóról a tuskófejet levágják, eltávolítva ezzel a hibákkal leginkább terhelt anyagtérfogatot. A csillapított tuskók tömegének 12..15 %-át, a csillapítatlan tuskóknak 8..10 %-át távolítják így el, visszajuttatva hulladékként az acélgyártásba. A szívódási üreg, a porozitás és a salakzárványok mennyisége csökkenthető, ha a kokillára tűzálló anyaggal bélelt, ezért rossz hővezető képességű toldatot, úgynevezett sapkát helyeznek el. A toldat térfogata a tuskó térfogatának 10...15 %-a. A kristályosodás során a toldatban végig olvadt állapotban marad az acél, ezért a fogyás a tuskóban mindig pótlódik, a szívódási üreg kizárólag a sapkában marad vissza. Ezzel a megoldással valamelyest javítható a tuskó kihozatala, csökkenthető az újrafeldolgozandó hulladék mennyisége.

3.2.2 Folyamatos öntés és kristályosítás A folyamatos öntés a kristályosítás korszerűbb eljárása, mint a kokillába végzett öntés, mert: ⇒ az intenzív hűtés miatt a dendrites kristályosodás elkerülhető, ⇒ a gyors kristályosodásnak köszönhetően lényegesen kisebb a makrodúsulás és a porozitás, ⇒ a kristályosítás során a zsugorodás okozta fogyást a folyamatosan meglevő olvadék pótolja, ezáltal a levágási veszteség nincs, jobb a kihozatal, ⇒ az öntés folyamatossá tehető és automatizálható, ⇒ a kristályosított buga profilja és mérete viszonylag tág határok között változtatható, alkalmazkodva ezzel a további feldolgozási műveletek igényeihez. A folyamatos öntés számos, felsorolt előnye mellett az egyik hátránya, hogy az intenzívebb hőelvonás miatt számolni kell a termikus feszültségek kiváltotta repedések keletkezésének veszélyével. Másik hátránya a csillapítatlan acélok öntésekor jelentkezik, nevezetesen a kristályosodáskor a heves gázkiválás megzavarhatja az öntési folyamatot és jelentős mennyiségű porozitással kell számolni a bugában. A folyamatos öntés elrendezését tekintve lehet vízszintes íves, vagy függőleges. A függőleges elrendezésű folyamatos öntést a 34. ábra szemlélteti.

94


öntőüst acélsugár

öntővályú kristályosító hűtő fúvókák tartó-vonszoló hengerek oxy-acetilén vágóberendezés

billentő

buga 34. ábra A folyamatos öntés Az öntőüstből az olvadt fémet egy átmeneti tárolóba, az öntővályúba vezetik, ahonnan az, az öntőnyílás szabaddá tétele után a vízzel hűtött kristályosító(k)ba jut. A folyamat kezdetén a kristályosító alját a kristályosító rúddal lezárják, majd az öntőnyílást felszabadítva, az olvadék a félig zárt kristályosítóba folyik, ahol elkezd megszilárdulni. A kristályosító rudat egyenletes sebességgel lassan süllyesztik, s vele mozog a kristályosító is. A gyors hőelvonás következtében kialakul egy szilárd kéreg, ami a kristályosodást kísérő zsugorodás miatt elválik a kristályosító falától. A fémrúdnak a már megszilárdult kérgű szakaszáról a kristályosítót a süllyesztési sebességnél sokkal gyorsabban, felfelé elmozdítják. Ezzel mintegy kihúzzák a fémrudat a kristályosítóból.

95


Az öntés során a kristályosító ilyen periodikusan ismétlődő mozgást végez, miközben a buga egyenletes sebességgel halad lefelé. A kristályosító alternáló mozgásának amplitúdója 20...40 mm. A kristályosítóból kilépő anyag helyét az öntővályúból befolyó olvadék folyamatosan pótolja. A szál a kristályosítót elhagyva, szilárd kérgű, de magjában még olvadt. A teljes keresztmetszet kristályosodása a hűtőfúvókák zónájában következik be, ahol vízpermetet fújnak rá. Az így már kellő szilárdsággal rendelkező bugát tartó-vonszoló hengerek továbbítják. A hengerek alatt a velük együtt mozgó vágóberendezés a szálat a kívánt, általában 6 m hosszra darabolja. Az alumínium kristályosításakor széles körben alkalmazzák a félfolyamatos öntést, amelynek elve mindenben megegyezik a 34. ábrán bemutatottéval, azzal a különbséggel, hogy az öntés csak egyetlen buga hosszig tart. Ekkor megszakítják, az elkészült bugát elszállítják, majd az öntési folyamatot újra kezdik. A félfolyamatos öntés hátránya, hogy minden elkészült bugában létrejön a szívódási üreg, amit vágással kell eltávolítani, bár meg kell jegyezni a levágott rész aránya lényegesen kisebb, mint a tuskóöntés esetén.

3.2.3 Öntvehengerlés Az alumínium, de különösen a réz félkészgyártmányok egyre nagyobb hányadát az öntés és a meleghengerlés műveletét egyesítő, öntvehengerléssel állítják elő. Az eljárás előnye, hogy műveletek összevonása révén csökkenthetők a gyártási költségek. Öntvehengerléssel szalag, illetve huzal gyártható. Az öntvehengerlő berendezésnél a kristályosító szerepét forgó, viszonylag nagyméretű dob látja el. A henger palástjára olyan profilú hornyot munkálnak, amely megfelel a gyártandó termék keresztmetszetének. Az olvadt fémet bevezetik az öntőforma szerepét betöltő horonyba, ahol a forgó dob az olvadékot magával ragadja. A dobon egy acélszalag van átvetve, amely a fém kifolyását megakadályozza. A fém, a dob elfordulása közben megszilárdul az intenzív - vízzel való -, hűtés hatására. A mintegy 200...250o-os elfordulás után a megszilárdult huzal kellő szilárdsággal rendelkezik ahhoz, hogy a tároló dobra felcsévélhető legyen. A szalag gyártására alkalmas öntvehengerlő berendezés annyiban tér el a huzalgyártásra szolgálótól, hogy a kristályosító a lánctalpas járművek lánctalpára emlékeztet. A hűtőtömbök mintegy láncszemek kapcsolódnak össze a kétpár hajtóés feszítőkerekek között. A láncok egymással szemben haladva az öntőcsatorna vonalában két párhuzamos síkot formáznak. Az így kialakított térbe befolyó fém - a hűtött tömbök hőelvonása következtében -, megszilárdul. A felületén szilárd anyagot a mozgó tömbök magukkal vonszolják. A szalag áthaladva a kristályosítón feltekercselhetővé válik.

96

4. FÉMEK ÉS ÖTVÖZETEIK

A fémek és ötvözeteik szerepe kiemelt a szerkezeti anyagok között. Ez a kiemelt szerep nemcsak annak tulajdonítható, hogy a 109 elem közül 74 fém, hanem annak is, hogy az elemek és vegyületeik oldata, elegye az ötvözetek, a kiinduló anyagok tulajdonságainak rendkívül széles tartományát képesek átörökíteni, sőt azt túl is haladni. Az elmúlt századok során az ötvözetek ezreit fejlesztették ki annak érdekében, hogy optimalizálják az anyag tulajdonságait a további feldolgozási technológiák, a használati tulajdonságok, a ráfordítások szempontjából. Ennek köszönhetően a fémek és ötvözeteik jelentősége az ipari anyagok sorában a 60-as évekig folyamatosan nőtt. Egy adott összetételű kohászati késztermék tulajdonságai az alakadó technológia igényeinek és az adott anyagból készülő termék igénybevételének megfelelően változtathatók. A leginkább alkalmazott tulajdonságmódosító eljárás a hőkezelés. A hőkezelések jelentős részét a terméket gyártó üzemek végzik. Ezért minden gépészmérnök számára fontos az alapvető hőkezelési technológiák megismerése.

4.1

Egyfázisú fémes anyagok

Az egyfázisú fémes anyagok - egyes, mikroszkopikusan elkülöníthető részei, a szemcsék, kémiai összetételükre és tulajdonságaikra nézve egyneműek, homogének. Ebbe a csoportba sorolhatók értelemszerűen a színfémek, továbbá a szilárdoldatot alkotó ötvözetek.

4.1.1 A színfémek tulajdonságai Az egyetlen kristály alkotta anyag számos tulajdonsága, közöttük a mechanikai tulajdonságok, mint a szakítószilárdság, vagy a szakadási nyúlás, nagymértékben függ a terhelő erő és a kristálytani síkok által bezárt szögtől. A gyakorlatban használt fémeknél ilyen mértékű eltérés a mechanikai tulajdonságok irányfüggőségében nem figyelhető meg, mert ezek sok kristályból épülnek fel, amelyek irányítottsága a makroszkopikus méretű anyagban általában közel ugyanolyan valószínűséggel fordul elő a tér bármely irányában. Ezért a sokkristályos anyag elvileg izotróp, tulajdonságai iránytól függetlenek. Azonban a gyakorlatban használt termékek anyaga magán viseli az alakadó-, vagy tulajdonságmódosító technológia hatását, amikor a kristályok valamely irány szerinti irányítottsága nem véletlenszerű, vagyis valamilyen, pl. öntési, alakítási textúrával rendelkezik.

97


A színfémek, bár ugyanazokból az alkotóelemekből épülnek fel, egyes tulajdonságaikban a mikroszerkezetük, - a szemcséik eltérő mérete, alakja és irányítottsága - miatt különbözhetnek egymástól. Az eltérés annak tulajdonítható, hogy - az egykristályoknak az ipari gyakorlatban rendkívül ritka kivételétől eltekintve - az anyag kristályosodása sok csírán indul meg. A kristályok zavartalan, szabályos növekedése - amint az a 3.1. pontban leírtakból kitűnik -, csak addig folytatódhat, amíg a növekedésük során össze nem érnek. A találkozás helyén a kristály növekedése megszűnik és a még meglevő olvadék irányában folytatódik. Ennek az anomáliának a következtében az egy-egy kristály alkotta szemcsék nem tökéletesen szabályos felületűek. A szemcsehatárok a kristálynövekedés befejezésekor kialakult határfelületei a kristályoknak. Ha az anyagot különböző összetételű, eltérő fázisú kristályok alkotják, vagyis az anyag heterogén, akkor a különböző fázisú kristályokat fázishatár választja el. A fázishatárok a többségében eltérő orientációjú kristályokat választják el egymástól, ezért a fázishatárokon - hasonlóan a szemcsehatárokhoz -, szükségszerű, mint az a 35. ábrán látható, hogy a rendezetlenség, és ezáltal az energiaszint is lényegesen nagyobb, mint a szemcsék belsejében.

35. ábra A fázishatárok Ha az egyik kristály elemi celláinak ionjai egyben a vele határos, másik kristály elemi celláinak elemeit is képezik, a kristályok kapcsolódása összefüggő, de a két kristály más elemekből épül fel, a fázishatár koherens, ellenkező esetben inkoherens. A koherens- és az inkoherens fázishatárt szemlélteti a 35. ábra. Az inkoherens fázishatárnál az eltérő orientáció miatt, az olyan irányfüggő folyamatokkal szembeni ellenállás, mint a szakadás, vagy a villamos vezetés megváltozik. A szemcseméret csökkenése együtt jár egy adott térfogatban a szemcsehatár illetve a fázishatár összes felületének növekedésével, ami egyben az anyag energiájának növekedését, a minimális energiaszinttől való nagyobb eltérést is jelenti. Színfémeknél a szemcseméret úgy csökkenthető, illetve a szemcseszám úgy növelhető, ha a kristályosodás egyidejűleg több csírán indul meg. Ez a feltétel általában a kristályosodó rendszer nagyobb mértékű túlhűtésével érhető el, ami egyben a kristály gyorsabb növekedésével, így a 3.1. pontban leírtak szerint nagyobb mértékű rács-rendezetlenséggel is jár. A rendezetlenségek, így a rácsé is, energianövekedéssel és ezért egyes tulajdonságok változásával jár.

98


A szemcseméret csökkenése, a velejáró szemcsehatár-, valamint a rácsrendezetlenség-növekedés hatására bekövetkező szakítószilárdság-, de különösen a folyáshatár növekedés jól látható a vas esetében a 8. diagramon. Szakítószilárdság, folyáshatár, MPa

1000 szakítószilárdság 100

10 0,001

folyáshatár

0,01

0,1

1

10

100

Szemcseméret, mm

8. diagram A szemcseméret hatása a vas szilárdsági jellemzőire A szemcseméret és a folyáshatár közötti kapcsolatot általános alakban, viszonylag tág szemcseméret tartományban a Hall-Petch egyenlet (73) írja le: ReH = Ro + k/d 0.5,

ahol:

(73)

ReH.....folyáshatár, MPa, Ro......szilárdsági konstans, MPa, k........konstans, MPa/mm-0.5, d........szemcseméret, mm. A kellő tisztaságú színfémek előállítása, amint az a 2.3. és a 2.4. pontokban leírtakból kitűnt, körülményes és ezért költséges kohászati eljárásokat igényel. A színfémek szilárdsági tulajdonságai - amiről áttekintést a 24. TÁBLÁZAT ad -, nem különlegesek. Hasonló, vagy lényegesen jobb tulajdonságok érhetők el az olcsóbban előállítható ötvözetekkel. Ezért a színfémek szerkezeti anyagként való alkalmazása ritka. A vékony, - néhány század, vagy ezred milliméter vastagságú, illetve átmérőjű - lemezek, a fóliák, valamint huzalok, kizárólag nagy alakváltozó képességű anyagból állíthatók elő gazdaságosan. Ezért az ipari tisztaságú alumínium és réz egyik jellegzetes alkalmazási területe ezeknek a termékeknek a gyártása. 24. TÁBLÁZAT Fém vas alumínium réz

SOKKRISTÁLYOS FÉMEK MECHANIKAI TULAJDONSÁGAI Szakítószilárdság, MPa Folyáshatár, MPa Szakadási nyúlás, % 150...170 60...80 30...40 40...45 15...20 40...50 200...250 35...45 55...60

99


A nagytisztaságú réz, az alumínium és a vas elektronikai-elektrotechnikai iparban lényeges fizikai tulajdonságai, mint a villamos vezetőképességük - szemben a mechanikai tulajdonságaival -, viszont különlegesek. Elektron-szerkezetükből adódóan az ezüstnek, a réznek, az aranynak és az alumíniumnak legnagyobb a villamos vezetőképessége. E fémek előfordulási gyakorisága (1. TÁBLÁZAT) és ezzel összefüggésben előállítási költsége, így az ára is, nagyon eltérő, ezért villamos vezetékanyagként nagy mennyiségben csak a nagytisztaságú alumíniumot és a rezet használják. A tisztaság a villamos vezetékanyagok igen fontos tulajdonsága, mert az ötvözők, a szennyeződések, az idegen fázisok, valamint a rácshibák egyaránt növelik a villamos ellenállást és a mágnesezettség megváltozásakor fellépő hiszterézis veszteséget jelző koercitív erőt. A felsorolt, a szerkezet rendezetlenségét növelő hatások, a villamos vezetéskor az elektronok „áramlását” akadályozzák, növelik az elektronütközések gyakoriságát, így a villamos ellenállást is. A 9. diagram az alumínium és a réz tisztasága, valamint fajlagos villamos ellenállása közötti kapcsolatot mutatja be. 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8

Fajlagos villamos ellenállás 293 K-en, nohm x m alumínium

réz

0

0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09

0,1

Szennyeződés, %

9. diagram A szennyezők hatása a réz és az alumínium fajlagos villamos ellenállására A fémek egyes szennyezőinek eltérő erősségű hatása van a fajlagos villamos ellenállásra, mint az az alumínium esetében a 25. TÁBLÁZAT a réz esetében a 26. TÁBLÁZAT adataiból kitűnik. 25. TÁBLÁZAT SZENNYEZŐK Fajlagos villamos ellenállásnövekedés, nΩm

100

HATÁSA AZ ALUMÍNIUM FAJLAGOS VILLAMOS ELLENÁLLÁSÁRA

0,1 % Fe 0.65

0,1 % Si 0.71

0,1 % Cu 0.77

0,1 % Zn 0.24

0,1 % Ti 5


26. TÁBLÁZAT SZENNYEZŐK Fajlagos villamos ellenállásnövekedés, nΩm

HATÁSA A RÉZ FAJLAGOS VILLAMOS ELLENÁLLÁSÁRA

0,1 % Ag 0.11

0,1 % Zn 0.32

0,1 % Ni 1.57

0,1 % Be 2.24

0,1 % P 9

Az alumínium- és ötvözeteinek jelölésére az MSZ EN 573, - azonosan más országok EN szabványaival -, vegyjeles és számjeles alakot alkalmazza. A vegyjeles megadás elsősorban az anyagminőség előírására, míg a számjeles alak - ami a gépi adatfeldolgozásra alkalmasabb számjegyekből áll - kizárólag a pontos, kereskedelmi és műszaki specifikációra szolgál. Az MSZ EN 573 szerinti vegyjeles megadáskor az alumíniumra utaló Al jelet egy szóköz után a fő ötvözőelem, vagy elemek vegyjele követ. A vegyjelet általában az illető elem százalékos tartalmára utaló számjegy követi. A számjegy az ötvöző névleges tartalmának a legközelebbi egész számra, vagy 5/10-re, - az 1 %-nál kisebb tartalom esetében pedig a -, 1/10-re kerekítése. Az ötvözetlen alumínium esetében a számjegy a névleges alumíniumtartalom százalékos értéke. Ha az alumíniumhoz kis mennyiségű elemet ötvöznek, akkor ennek az elemnek a vegyjelét szóköz nélkül kell a tisztasági fokhoz fűzni. Ha az előző előírások nem elegendők az egyes anyagok megkülönböztetésére, akkor zárójelbe foglalt további betűk használhatók: pl. (A), (B) stb. Az elektrotechnikai felhasználás esetén, utalva valamely ötvöző- vagy szennyezőelem szigorúbb határértékére, E betűjel alkalmazható. Az MSZ EN 573 az alumíniumot és ötvözeteit vegyi összetételük szerint nyolc csoportba sorolja. A vegyjeles megadáskor a jel felépítése alumíniumnál és ötvözeteinél: kezdőjel elektrotechnikai felhasználás esetén használandó és csak H jel lehet főjel alumínium és ötvözeteire utaló .DO jel fő ötvöző vegya fő ötvöző vegyjele pl. FX jele összetétel

az ötvöző, illetve az alumínium százalékos középértéke kerekítve pl. az ötvözőtartalom 3.55...4.45%

további a további ötvözők vegyjele, a névleges tartalom ötvözők csökkenő sorrendjében pl. pl.VLPJ réz-szilícium-magnézium ötvözésű megkülönböztető jel

HDOFXVLPJD

Néhány jellemző, az MSZ EN 573 szerint gyártott, műszaki tisztaságú alumínium megengedett legnagyobb szennyezőtartalmát, fajlagos villamos ellenállását a 27. TÁBLÁZAT foglalja össze.

101


27. TÁBLÁZAT

AZ MSZ EN 573 SZERINTI MŰSZAKI TISZTASÁGÚ ALUMÍNIUMOK

MSZ EN je- Max. fajl. villamos le ellenállás, nΩm Al 99.99 27.2 Al 99.98 27.6 Al 99.90 28.7 Al 99.85 29.5 Al 99.8 31 Al 99.7 32 EAl 99.7 30 Al 99.5 33.5 EAl 99.5 32.5 Al 99.35 38 Al 99.0 40 * Al 99.0(A) 41 *

Almin. % 99.99 99.98 99.9 99.85 99.8 99.7 99.7 99.5 99.5 99.35 99.0 99.0

Simax. %

Femax. %

0.006 0.006 0.01 0.006 0.07 0.006 0.1 0.12 0.15 0.15 0.20 0.25 0.10 0.25 0.25 0.40 0.10 0.40 Si+Fe ≤ 0.65 Si+Fe ≤ 1.0 Si+Fe ≤ 1.0

Cumax. %

Znmax. %

Timax. %

0.006 0.003 0.006 0.03 0.03 0.03 0.02 0.05 0.05 0.05 0.05 0.10

0.006 0.015 0.03 0.03 0.06 0.07 0.04 0.07 0.05 0.10 0.10 0.10

0.002 0.003 0.01 0.02 0.02 0.03 0.02 0.05 0.02 0.06 0.15 0.15

mangántartalom max. 0.3 %

A réz számottevő részét nagy villamos vezetőképessége miatt az elektronikai-elektrotechnikai iparban használják fel, de jelentős mennyiségüket egyéb ipari célra képlékenyalakítással és hegesztéssel dolgozzák fel. Az MSZ EN 1652 szabvány szerinti minőségeket a 28. TÁBLÁZAT foglalja össze. 28. TÁBLÁZAT

AZ MSZ EN 1652 SZERINTI MŰSZAKI TISZTASÁGÚ RÉZ

MSZ EN jele Cumin. % Bimax. % Omax. % Pbmax. % Cu-ETP Cu-FRTP Cu-OF Cu-DLP Cu-DHP

99.90 99.90 99.95 99.90 99.90

0.0005 0.0005 0.0005 -

0.060 0.100 -

0.005 0.005 0.005 -

P%

Egyéb

Egyébmax. %

0.005…0.013 0.015…0.040

0.03 0.05 0.03 0.03 -

Ag Ag, Ni Ag Ag, Ni -

Villamos vezetékanyagul három típus szolgál. Az Cu-OF jelű, oxigénmentes minőség, amelynek minimális réztartalma 99.95 %, minimális fajlagos villamos vezetése 58 MS/m vagy másként kifejezve a maximális fajlagos villamos ellenállása 17.24 nΩm. A Cu-ETP (elektrolízissel finomított) és a Cu-FRTP (tűzi eljárással finomított) jelűek, amelyek a legalább 99.9 % réz mellett oxigént is tartalmaznak. A képlékeny hidegalakítás és a hegesztés céljára foszforral dezoxidált, oxigénmentes rezet használnak. Ezek az idézett szabvány szerinti Cu-DLP (kis maradó foszfortartamú) és Cu-DHP (nagy maradó foszfortartamú) minőségek, amelyek egyaránt legalább 99.9 % réztartalmúak, s egymástól egyre növekvő foszfortartalmukban és ezzel arányosan növekvő fajlagos villamos ellenállásukban térnek el.

4.1.2 A színfémek tulajdonságainak módosítása A színfémek tulajdonságaira - a szennyezőkhöz hasonló -, hatása van a szemcsehatárnak és a rácshibáknak. Addig, amíg a szennyezőtartalom csak költsé-

102


ges műveletekkel a kohászati előállítás során csökkenthető, a szemcseméret és a rácshibák mennyisége a kohászati gyártást követően, sokszor igen egyszerűen is változtatható. Mint az ismeretes, a képlékeny alakváltozás a feszültség hatására végbemenő diszlokáció mozgással jön létre. A diszlokációk mozgása során számuk - a források működése révén - állandóan gyarapszik, üres rácshelyek, egyéb rácshibák jönnek létre, vagyis a hidegalakítás mértékének növekedésével a rendezetlenség, a díszlokáció-sűrűség és ezzel arányosan a rendszer energiatartalma nő. A képlékenyalakítás hatására bekövetkező rendezetlenség, hasonlóan a szennyeződések miatti rendezetlenséghez, növeli a villamos ellenállást. A 10. diagram a fajlagos keresztmetszet-csökkenés, valamint az alumínium és a réz fajlagos villamos ellenállása közötti kapcsolatot szemlélteti. 30

Fajlagos villamos ellenállás 293 K-en, nohm x m

28

alumínium

26 24 22 20 18

réz

16 14 12

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

Alakítás mértéke, %

10. diagram Az alakítás hatása a réz és az alumínium fajlagos villamos ellenállására A képlékeny hidegalakítás során a sokszorozódó diszlokációk az egymáson elcsúszó síkok mozgásával szemben egyre több akadályt jelentenek. Az akadályok leküzdése - vagyis a képlékeny alakváltozás -, egyre nagyobb feszültséget igényel. Ez a jelenség a fémek alakítási keményedéseként ismert. A keményedés a szilárdsági jellemzők növekedésében és az alakváltozási jellemzők csökkenésében is megnyilvánul. A 11. diagram az alumínium, a réz és a vas folyáshatára, valamint a fajlagos keresztmetszet-csökkenés közötti kapcsolatot mutatja be. A képlékeny hidegalakítás kiváltotta diszlokáció-sűrűség növelése az egyik lehetséges eljárás a fémes anyagok szilárdságának, keménységének, abrazív kopással (ld. 8.1.2.3 pont) szembeni ellenállásának növelésére. A kopásnak kitett villamos érintkezőknél, mint például a kommutátoroknál, a jó villamos vezetőképességet megőrizve, sokszoros élettartam-növekedés érhető el az alakítással keményített réz alkalmazásával. Természetesen, az alakítást kísérő keményedés nemcsak a

103


színfémekben lép fel, hanem minden más ötvözetben is, amelyben számottevő alakváltozásra képes fázis van. A díszlokációk számának gyarapodása egyre inkább akadályozza az alakváltozást, ami a szakadási nyúlás csökkenésében nyilvánul meg. A 12. diagram az alumínium, a réz és a vas szakadási nyúlása, valamint az alakítás mértéke közötti kapcsolatot mutatja be. 180

Folyáshatár, MPa

160

vas

140 120

réz

100 80 60 40

alumínium

20 0

0

5

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Alakítás mértéke, %

11. diagram Az alakítás hatása a réz, az alumínium és a vas folyáshatárára 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

Szakadási nyúlás, %

réz alumínium vas

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

Fajlagos keresztmetszet-csökkenés, %

12. diagram Az alakítás hatása a réz, az alumínium és a vas szakadási nyúlására A 11. és a 12. diagramot együttesen szemlélve látható, az az általánosnak mondható kapcsolat, hogy a szilárdsági jellemzők növekedésével az alakváltozó képesség csökken. Az alakítás mértékének növekedését kíséri a szilárdságnak a növekedése, az alakváltozó képesség csökkenése és e kettő együttes hatásaként a keménység növekedése.

104


A képlékeny hidegalakítást egyben a szemcsék alakjának változása is kíséri. A nyomott térfogatokban rövidülés, a húzott térfogatokban megnyúlás jön létre, amint az a 36. ábrán látható szövetképek összehasonlításából látható.

alakítás előtt

alakítás után 36. ábra Az alakítás hatására bekövetkező szemcsetorzulás

A nagy tisztaságú vas ipari alkalmazásának leglényegesebb területe a lágymágnesek, vasmagok gyártása. A lágymágnesekkel szemben támasztott követelmény a nagy telítési indukció és a nagy permeabilitás mellett a kis hiszterézis veszteség és a kis koercitív erő. A vasban levő kísérő-, illetve szennyező elemek hasonlóan a szemcsehatárhoz, rontják ezeket a mágneses tulajdonságokat. Ezeknél az anyagoknál, - szemben a szokásos alkalmazásokkal -, a rendezett, kedvező orientációjú izotróp szerkezet előnyösebb, mert a domének mozgásával szemben így kisebb ellenállás lép fel. A lágymágnesként használt, MSZ 8628 szerinti anyagok tisztasága legalább 99.5 tömeg %. Jelölésükben az RFe anyagminőség jele után következő szám pl. 40, 60, 80, 100 vagy 120 a legnagyobb koercitív térerősségre utal A/m egységben. Az alakadó technológiák sorában a képlékeny hidegalakítás jelentős szerepet tölt be, de gyakran az alakítást kísérő tulajdonságváltozások, mint elektromos vezetékek villamos ellenállásának növekedése, mélyhúzott termékek alakváltozó képességének kimerülése, vagy a húzott rudak megmunkálásakor a forgácsolási ellenállás növekedése, nem kívánatos. A felhasználási cél függvényében más-más tulajdonság lehet kiemelt fontosságú. Ezért a réz és ötvözeteinek állapotára vonatkozó egységes európai jelölési rendszert dolgoztak ki, amelyet az MSZ EN 1173 foglal össze. Az állapot és a tulajdonságok jelölésére szolgáló betűjeleket, amelyeket az adott tulajdonság garantált számszerű értéke követ, a 29. TÁBLÁZAT mutatja be. A képlékenyalakítás okozta szerkezet és ezáltal a tulajdonság-változás módosítására a tulajdonság módosító technológiákat, közülük is elsősorban a hőkezelést alkalmazzák. A hőkezelés az eljárások igen széles körét fogja át, kiaknázva azt a lehetőséget, hogy számos tulajdonság módosítható a felhasználási cél mind

105


teljesebb kielégítése érdekében. Mintegy példaként csupán a vasötvözetek hőkezelésének eljárásainak gazdag választéka:

106


A hőkezelés elvi alapját az adja, hogy a rendszerek, - így egy fémes szerkezet is -, a minimális energiaszintre törekszik. A minimálisnál nagyobb fajlagos felülettel rendelkező szemcsék, a szemcsehatárok, a rácshibák, a diszlokációk mind a rendszer energiáját növelik. 29. TÁBLÁZAT A RÉZ ÉS ÖTVÖZETEINEK TULAJDONSÁGÁRA ÉS ÁLLAPOTÁRA UTALÓ, MSZ EN 1173 SZERINT JELÖLÉSE MSZ EN jele

A garantált tulajdonság

A B D G H M R Y

Fajlagos szakadási nyúlás Hajlítóvizsgálattal megállapított rugalmassági határ Tömb, garantált mechanikai tulajdonságok nélkül Szemcseméret Keménység (HB vagy HV) Gyártási állapotban, garantált mechanikai tulajdonságok nélkül Szakítószilárdság Folyáshatár

Mint az ismeretes az abszolút nulla fok hőmérsékleten minden részecske abban a pozícióban van nyugalmi helyzetben, amely az adott környezetben a legkisebb energiaszintet jelenti számára, vagyis ahol a ráható erők eredője zérus. Hőközlés hatására a rendszer energiája nő, ami a részecskék forgó-rezgő mozgásának kinetikai energiáját növeli. A hőkezelés, mint termikusan aktivált folyamat szempontjából a rezgő mozgásnak van kiemelkedő jelentősége, mert a rezgő rendszert alkotó részecskék, kölcsönhatásuk révén folytonosan energiát adnak le és vesznek fel szomszédaiktól. A leadott és felvett energia csak statisztikusan, a rendszer egészére nézve van egyensúlyban egymással. Egy-egy részecske egy-egy pillanatban nagyon eltérő energiával rendelkezik, egy, a rendszer egészére értelmezett állapottényezők által meghatározott széles energiasávban. A nagyon sok részecskéből álló rendszerek energiaviszonyainak vizsgálatával a statisztikus fizika foglakozik, aminek segítségével meghatározható a részecskék átlagos energiája éppúgy, mint egy tetszőlegesen választott energia-szintnél nagyobb energiával rendelkező részecskék száma. Ahhoz, hogy egy részecske le tudja győzni a szomszédok vonzását, W munkát kell végeznie, vagyis legalább ekkora energiával kell rendelkezzék. Egy N elemű rendszerben T hőmérsékleten a (74) összefüggésnek megfelelően n számú részecske elégíti ki ezt a feltételt: W ), (74) n = N exp (kT ahol: n........a W energiával rendelkező részecskék száma, db, N.......a rendszert alkotó részecskék száma, db, k.........Boltzmann állandó, k = 1.38* 10-23 J/K, T.........hőmérséklet, K, W........küszöbenergia, J.

107


Az energiának a részecskék közötti statisztikus eloszlásából adódóan egy kristályos szerkezetben mindig vannak a kristályban olyan részecskék, amelyek kis energiájuk miatt alig mozdulnak ki ideális, egyensúlyi helyzetükből, míg vannak pillanatnyilag az átlagosat sokszorosan meghaladó energiával rendelkezők is, amelyek képesek elszakadni szomszédaiktól. Legkönnyebben természetesen azok a részecskék képesek erre, amelyeknek nincs jelen minden lehetséges szomszédja. Ilyen eset fordul elő az anyag felületén, a szemcsehatárokon és az üres rácshelyeknél, a vakanciáknál. A részecskék termikus energia kiváltotta mozgása a vakanciák megszűnését, de ezáltal újak keletkezését (vakancia mozgást), a szemcsehatár rendezetlenségeinek csökkenését, ezáltal a szemcsehatár vándorlását okozza. A vakancia mozgása és találkozása díszlokációval a diszlokáció megszűnésével vagy átrendeződésével, az egyensúlyi energia állapothoz való közeledéssel, a feszültségek leépülésével jár. Természetesen, környezeti hőmérsékleten is végbemegy az előbb vázolt folyamat, de sebessége nagyon csekély, mert kis hőmérsékleten a (74) összefüggés szerint csak nagyon kis számú részecske rendelkezik a folyamathoz szükséges energiával. A környezeti hőmérsékleten, mintegy spontán bekövetkező, rendkívül lassú folyamat következménye a szilárdsági tulajdonságok csökkenése, az úgynevezett ernyedés vagy más néven relaxáció. A hőmérséklet szándékos, szabályozott emelésével - hőkezeléssel -, a folyamat az ipari gyakorlatban is hasznosítható sebességűre gyorsítható. Ugyanis, ha egyidejűleg nagyobb arányban van jelen a rendszerben olyan részecske, amelynek energiája nagyobb, mint a részecske vándorlásához szükséges küszöbenergia, a rendeződésben egyidejűleg több részecske vesz részt, a rendszer egészére nézve egy kívánt mértékű rendeződés rövidebb idő alatt érhető el. A hőmérséklet növelésével a következő folyamatok mennek végbe: ⇒ vakanciák „diffúziója” és „feloldódása” a krisztallithatárokon és a diszlokációkban, ⇒ díszlokációk átrendeződése, ⇒ kisszögű krisztallithatárok kialakulása, ⇒ szemcsék újrakristályosodása, ⇒ az új, nagyszögű krisztallithatárok mozgása, ⇒ szemcsék egyesülése, szemcsenövekedés. A vakanciák és a diszlokációk átrendeződése során egyes kitüntetett helyeken az éldiszlokációk sűrűsödnek, aminek következtében a folyamat végén a szemcsékben a feltorlódott éldiszlokációk kisszögben érintkező, kvázi szemcsehatárokat, így poligonális szerkezetet hoznak létre. E folyamatok együttesét megújulásnak vagy poligonizációnak nevezik utalva a mechanikai tulajdonságok változására. A megújulás során az anyag szilárdsági jellemzői érdemben még nem csökkennek, de alakváltozó képessége a diszlokációsűrűség számottevő csökkenése miatt már érzékelhetően nő. A nagyobb hőmérsékleten végrehajtott hőkezelés során a poligonális szubszemcsék találkozásánál, leginkább csúcsaiban, - ahol az energia leginkább meghaladja az egyensúlyit - a nagyobb belsőenergia hatására rendezett részecske-cso-

108


portok, szilárd fázisban képződött kristálycsírák képesek kialakulni. E csírákon a rendeződés révén felszabaduló energia, - mint a folyamat hajtóereje -, gyorsan növeli a kristályokat. A csírák számától és a felszabaduló energia nagyságától függ az újrakristályosodott szerkezet szemnagysága. A hőkezelés, az újrakristályosító izzítás során a szemcse torzítottsága megszűnik és általában lényegesen finomabb szövetszerkezet alakul ki, mint az a hőkezelést megelőzően volt. Az alakított szerkezetben a diszlokációkban, vakanciákban, szemcsetorzulásban és egyéb rendezetlenségekben tárolt energia felszabadulásával a fém szilárdsági jellemzői, keménysége csökken, alakváltozó- és villamos vezetőképessége számottevően nő. Az újrakristályosításhoz szükséges hőmérsékletet meghaladó hőmérsékletű hőkezeléskor az egymással kis szöget bezáró szemcsék, a 37. ábrán sematikusan bemutatott mechanizmussal, egyesülnek, illetve növekednek.

poligonális szerkezet

szemcse összenövés

elemi cellák rendezõdése "elfordulása"

szemcsehatár vándorlás

37. ábra A szemcsenövekedés a rácsorientáció átrendeződésével és szemcsehatár vándorlással A szemcsék egyesülése, a szemcsedurvulás azok között a szemcsék között indul meg, amelyek kristályainak orientációja nagyon közel esik egymáshoz, úgynevezett kisszögű szemcsehatárral érintkeznek. Az ionok rövidtávú diffúziójával az elemi cellák kismértékben átrendeződnek és a szomszédos szemcsék orientációja egyre hasonlóbbá válik. Az azonos orientációjú szemcsék között a szemcsehatár megszűnik, csökkentve ezzel a rendszer energiáját, majd a szemcsék konvex határairól a részecskék átvándorolnak a szomszédos szemcse konkáv felületére, ahol a részecskére a szomszédai nagyobb vonzást gyakorolnak. Ez gyakorlatilag a szemcsehatárok görbületi középpontjai irányába való vándorlását jelenti. A szemcsehatár vándorlása során egyre több kisszögű orientációval rendelkező szemcse egyesül, végül kialakul egy nagy-, vagy más néven durvaszemcsés

109


szerkezet. A hidegen alakított fémek különböző hőmérsékleten végrehajtott hőkezelése során a szövetszerkezetben és a mechanikai tulajdonságokban bekövetkező változások jellegét mutatja be a 38. ábra. 106,65 99,54 92,43

fajlagos nyúlás

85,32 78,21 71,1 63,99

szakítószilárdság

56,88 49,77 42,66 35,55

folyáshatár

28,44 21,33 14,22

villamos ellenállás

7,11 0 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100 105 110 115 120

Hőmérséklet. fok C

megújulás

újrakristályosodás

szemcsedurvulás

38. ábra Az alakított szerkezet és tulajdonságai az izzítási hőmérséklet függvényében Az újrakristályosodás korábbiakban leírt mechanizmusából következik, hogy az újrakristályosodás sebessége, így az időszükséglete is szoros kapcsolatban van a hőmérséklettel. Az újrakristályosodás hajtóereje is a szabadenergia, a folyamat termikusan aktivált. Ebből következik, hogy az újrakristályosodáshoz szükséges idő és hőmérséklet közötti kapcsolatot leíró (75) függvény azonos alakú a (74) összefüggés szerinti Arrheniusz típusú egyenlettel: C t = K exp ( ) (75) T ahol: t........az újrakristályosodás időszükséglete, s, K.......az anyagtól függő állandó, s, C........az anyagtól és az alakítás mértékétől függő állandó, OC, T.........hőmérséklet, OC.

110


Az újrakristályosodás mértéke, a hőkezelés hőmérséklete, valamint ideje közötti kapcsolatot szemlélteti azonos mértékben alakított vas esetében a 13. diagram. 100

Újrakristályosodás mértéke, %

90 80 70 60 50 40 30

900 fok C

800 fok C

700 fok C

600 fok C

20 10 0 0,01

0,1

1

10

100

Hőntartás ideje, s

1000 10000 újrakristályosítási idő

13. diagram Az újrakristályosító izzítás hőmérsékletének és idejének hatása az újrakristályosodás mértékére Az újrakristályosodásnak, vagy a szemcsedurvulásnak, amint az a 13. diagram-ból látható, nincs olyan határozott átmenete, mint a színfémek olvadásának vagy forrásának. Ezért az az idő, vagy az a hőmérséklet, ami az újrakristályosodáshoz vagy a szemcsedurvuláshoz szükséges, csak úgy adható meg, ha ehhez a változás valamilyen mértékét rendelik hozzá. Amint az a 13. diagramból látható, a függvénynek inflexiós pontja van az 50 %-os újrakristályosodási mérték környezetében, vagyis a folyamat sebessége itt még nagy, ezért alkalmas az egyezményes értékként való megadásra. Az így értelmezett újrakristályosítási, a szemcsedurvulási hőmérséklet nemcsak az anyagtól, hanem az alakítás mértékétől is függ. Az alakítás növeli az anyag belsőenergiáját, így a küszöbenergia átlépéséhez, - amely feltétele az újrakristályosodás megindulásának -, kisebb energia-befektetésre, kisebb hőkezelési hőmérsékletre van szükség. Az alakítási mérték és az újrakristályosítási hőmérséklet közötti kapcsolatot mutatja be - ugyanolyan hőntartási idők mellett - a vas, a réz és az alumínium esetére a 14. diagram. A késztermék kívánt tulajdonságai a termék anyagának ismeretében - az előzőkben kifejtettek szerint - az előzetes képlékeny hidegalakítás mértékének, és a hőkezelés két lényeges technológiai adatának, a hőmérsékletnek és a hőntartási időnek a célszerű meghatározásával érhető el.

111


1000

Hőmérséklet, fok C

900 800 700

vas

600

réz

500 400

alumínium

300 200 100 0

0

5

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Fajlagos keresztmetszet-csökkenés, %

14. diagram A fajlagos keresztmetszet-csökkenés hatása az újrakristályosodási hőmérsékletre

4.1.3 Szilárdoldatok Az egyfázisú fémes anyagok, homogén szerkezetüknek köszönhetően jól ellenállnak a korróziós hatásoknak. A színfémek nagy korrózióállósága, - hasonlóan olyan tulajdonságokhoz, mint a nagy alakváltozó-képesség, vagy a villamos vezetőképesség -, csak kis szennyezőtartalom esetén érvényesül. A kellő tisztaságú színfémek előállítási költsége nagy, ugyanakkor mechanikai jellemzőik viszonylag szerények. A színfémek tulajdonságainak módosítási lehetőségei is, - mint az az előző pontból kitűnt -, mérsékeltek. A korrózióval szembeni ellenállás megőrzése, a nagyobb szilárdság, a kisebb előállítási költségek olyan ötvözéssel érhetők el, amelyek homogén, egyfázisú szilárdoldatot eredményeznek. Az ötvözés lényegesen kitágítja e fémes anyagok mechanikai tulajdonságainak tartományát, amit a színfémeknél leírt eljárásokkal, képlékeny hidegalakítással, valamint hőkezeléssel is lehet szélesíteni. A szilárdoldatokban az atomok, ionok az oldófém rácsában interstíciósan vagy szubsztitúciósan oldott formában vannak jelen. 4.1.3.1

A szubsztitúciós szilárdoldatok

A szilárd állapotban a korlátlan oldhatóságnak meglehetősen szigorú feltételei vannak. Az ismert ilyen rendszerekben a két fém atomsugara legfeljebb 15 %-al térhet el egymástól Ennél kisebb eltérés esetén is csak részleges oldhatóság érhető el, ha a rácstípusaik eltérőek, vagy az elektronhéj szerkezetük nagyon különböző. A teljes oldhatóság igen ritka és csak az oldó- és oldott anyag nagymértékű hasonlósága esetén fordul elő. Az Al, Cu, Fe esetében az atom-sugarakról, a rácsszerkezetről és az oldhatóságról ad áttekintést a 30. TÁBLÁZAT.

112


30. TÁBLÁZAT

SZUBSZTITÚCIÓS SZILÁRDOLDATOT ALKOTÓ ELEMEK JELLEMZŐI

Oldó fém atomsugara, nm

Oldott Atomsugara, Rácsszerkezete Oldhatóság, max. Oldhatóság, 20 OC-on tömeg % elem nm tömeg % Mn 0.112 komplex köbös 3 3 Si 0.1176 gyémánt 21.5 14 Ni 0.1246 (fkk) 24 10 Cr 0.1249 (tkk) 100 100 α vas 0.1269 térben középpontos Co 0.125 hexagonális 100 75 kocka (tkk) V 0.131 (tkk) 24 24 W 0.1367 (tkk) 35.5 7 Mo 0.137 (tkk) 32 4 Al 0.1432 (fkk) 36 15 Ti 0.146 hexagonális 9 2 Mn 0.112 komplex köbös 100 Si 0.1176 gyémánt 3.7 Cr 0.1249 (tkk) 100 γ vas 0.1241 felületen Co 0.125 hexagonális 100 középpontos kocka W 0.1367 (tkk) 5.5 (fkk) Mo 0.137 (tkk) 2 Ti 0.146 hexagonális 1.2 Al 0.1432 (fkk) 0.9 Mn 0.112 komplex köbös 1.8 0 Si 0.1176 gyémánt 1.65 0 Cu 0.1278 (fkk) 5.7 0.05 alumínium 0.1432 Zn 0.1374 hexagonális 70 0.1 (fkk) Mg 0.161 hexagonális 17.4 2.9 Be 0.110 hexagonális 2.7 0.2 Mn 0.112 komplex köbös 100 8 réz 0.1278 Ni 0.125 (fkk) 100 100 (fkk) Zn 0.1390 hexagonális 39 33 Al 0.1432 (fkk) 10 8 Ag 0.1444 (fkk) 7 2 Cd 0.1490 hexagonális 3.7 1 Sn 0.1509 tetragonális 15.8 0.8 A szubsztitúciós szilárdoldatban az oldott részecske a 0.1. pontban leírtak szerinti rácstorzulást okoz. A rácstorzulás mértéke, mint az az (1) összefüggésből következik, az oldott- és oldó fémion sugarának különbségétől, az oldott ion, vagy atom koncentrációjától függ. A rácstorzulás és a szilárdsági jellemzők között szoros kapcsolat áll fenn. A kapcsolat jellegét szemlélteti réz esetén a 15. diagram. A szubsztitúciós szilárdoldatok átörökítik az oldó fém, az alumínium, a réz és a vas legjellemzőbb tulajdonságait, a jó korrózióállóságot, a kiváló szakadási nyúlást, de egyes mechanikai tulajdonságaikban meg is haladják a színfémekét.

113


500

Szakítószilárdság, MPa berillium

450 400

alumínium

ón

350

nikkel

300

cink

250 200

0

2

4

6

8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

Tömeg % 15. diagram A szubsztitúciósan oldott elemek hatása a réz szakítószilárdságára A réz- és ötvözeteinek jelölésére az MSZ EN 1412, – azonosan más országok EN szabványaival -, vegyjeles és számjeles alakot alkalmazza. A vegyjeles megadás elsősorban az anyagminőség előírására, míg a számjeles alak - ami a gépi adatfeldolgozásra alkalmasabb rögzített számú és elhelyezésű jelekből áll - kizárólag a pontos, kereskedelmi és műszaki specifikációra szolgál. A számjegyes megadásnál a szabvány a rezet és ötvözeteit vegyi összetételük szerint tíz csoportba sorolja. A jel felépítése réznél és ötvözeteinél: főjel rézre és ötvözeteire utaló F jel termék jel

termékre utaló jel pl. .F öntvény, vagy Z alakított, vagy V hegesztő hozaganyag

ötvözetcsoport sorozatszám 000-tól 999-ig pl. anyagjel pl.D ill. E ötvözetlen réz, vagy F ill. G gyengén (<5%) ötvözött, vagy O ill. P sárgaréz, vagy N ónbronz

FZO A vegyjeles megadáskor a rézre utaló Cu jelet a fő ötvözőelem, vagy elemek vegyjele követi. A vegyjelet az illető elem százalékos tartalmára utaló számjegy követi. A számjegy az ötvöző névleges tartalmának a legközelebbi egész számra kerekítése. Ha a rézben az ötvöző névleges értéke kisebb, mint 0,75 %, akkor az ötvözőnek csak a jele szerepel a megnevezésben. A legismertebb és egyben a legnagyobb tömegben alkalmazott rézötvözet a réznek a cinkkel alkotott szilárdoldata, a sárgaréz. A rézben a cink szobahőmérsékleten is jól oldódik. Az oldhatósági határa 450 OC-on 39 %, szobahőmérsékleten

114


80

400

70

350 300

60 hővezetési tényező

50

200

40

150

30 villamos ellenállás

20

100 50

10 0

250

Hővezetési tényező, W/mK

Fajlagos ellenállás, mohm x m

az oldhatóság 33 %. Ennél nagyobb cinktartalomnál egy elektronvegyület megjelenése mellett kétfázisúvá válik. A sárgaréz széleskörű használatát az indokolja, hogy ára - az olcsó ötvöző miatt - kisebb (ld. 120. TÁBLÁZAT) mint a rézé, szilárdsága és nyúlása, korrózióval szembeni ellenállása viszont nagyobb. A sárgaréz azonban sok területen nem tudja pótolni a rezet, mert villamos- és hővezető-képessége kisebb. Szobahőmérsékleten a kapcsolat jellegét szemlélteti réz esetén a 16. diagram.

0

5

0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Zn, %

16. diagram A fajlagos villamos ellenállás és hővezetési tényező változása a cinktartalom függvényében A sárgaréz kiválóan feldolgozható a legjellemzőbb alakadó technológiákkal, mint öntéssel, meleg- és hideg képlékenyalakítással, hegesztéssel, valamint forgácsolással. Az MSZ EN 1652 szerinti sárgarezek névleges cinktartalmát és mechanikai jellemzőit a 31. TÁBLÁZAT foglalja össze. A réz-cink ötvözetek figyelemreméltó tulajdonsága, hogy az alapfémhez képest nagyobb szilárdsága mellett a szakadási nyúlása is növekszik a cinktartalom növekedésével. A 31. TÁBLÁZATban szereplő CuZn 37 ötvözet szilárdsága nagyobb, mint a kisebb cinktartalmúaké, de alakváltozó képessége már nem nő. Ennek magyarázatát az adja, hogy a rézben a cink 20 OC-on maximálisan 33 %-ban képes oldódni, mint az a 30. TÁBLÁZAT adataiból kitűnik. Így a CuZn 37 ötvözet már túltelített szilárdoldat, amelyből egyensúlyi lehűlés során egy új, keményebb, de kisebb alakváltozó képességű fázis válik ki. A szilárdoldatot alkotó sárgarezek alkalmazása az ipar és a mindennapi élet igen széles körét fogják át, a dísztárgyaktól a vízvezeték szerelvényeken, csöveken át a lőszerhüvelyek gyártásáig. A legfeljebb 10 % cinket tartalmazó sárgarezek, amelyek tombak néven ismertek -, jól alakíthatók, ugyanakkor a villamos ellenállásuk még nem sokkal nagyobb, mint a rézé ld. 16. diagram. A nagyobb szilárdságú CuZn 37 ötvözet a kötőelemek tipikus alapanyaga. Nagyon lényeges tulajdonsága a rézötvözeteknek, különösen a sárgarezeknek, hogy megakadályozzák a mikroorganizmusok szaporodását, így az olyan tárgyak, amelyeket sok ember érint, pl. kilin-

115


csek, vagy olyan eszközök, amelyek fertőződhetnek mikro-organizmusokkal, mint pl. háztartási főzőedények a rézből készülnek. 31. TÁBLÁZAT Jele

Anyagszám

CuZn5

CW500L

CuZn10

CW501L

CuZn15

CW502L

CuZn20

CW503L

CuZn30

CW505L

CuZn33

CW506L

CuZn37

CW507L

CuZn40

CW509L

SÁRGAREZEK MECHANIKAI TULAJDONSÁGAI Állapot jel R230 R270 R340 R240 R280 R350 R260 R300 R350 R410 R230 R320 R400 R480 R270 R350 R410 R480 R280 R350 R420 R500 R300 R350 R410 R480 R550 R340 R400 R470

Zn, % 5

10

15

20

30

33

37

40

Rm, MPa 220…280 270…350 > 340 240…290 280…360 > 350 260…310 300…370 350…420 > 410 270…320 320…400 400…480 > 480 270…350 350…430 410…490 > 480 280…380 350…430 420…500 > 500 300…370 350…440 410…490 480…560 > 550 340…420 400…480 > 470

A min., % 45 19 8 45 20 8 45 25 12 48 28 12 50 33 15 50 31 13 48 28 12 43 23 12

A sárgarezek igen gyakran több elemmel is ötvözöttek. Az ötvözőelemek egymás hatását - meghatározott tulajdonságok javítása érdekében – erősítik, ugyanakkor csökkentik a rézben a cink oldhatóságát. Guillet dolgozott ki összefüggést a cinkegyenérték számítására. A különböző egyenértékek, így cinkegyenérték is az egyes elemek hatását hasonlítja adott esetben az oldhatóság szempontjából a cinkkéhez. Abban az esetben, ha a (76) összefüggéssel számolt cink egyenérték nagyobb, mint 37 %, akkor az ötvözet már nem egyfázisú. Ezekkel az ötvözetekkel a 4.2. pont foglalkozik.

116


ZnE %=(Zn + 10Si + 6Al + 2Sn + Pb + 0,9Fe + 0,8Ni + 0,5Mn) %.

(76)

A rézötvözetekben a nikkel ötvözés szilárdságnövelő hatása erőteljesebb, mint a cinkké. A nikkel azonban lényegesen drágább ötvöző, mint a cink. Ezért a réz-nikkel ötvözeteket elsősorban ott alkalmazzák, ahol a kupronikkel nagyobb szilárdsága, de különösen a nagyobb keménysége, a nagy fajlagos villamos ellenállása és a kiváló korrózióállósága kihasználható. Az MSZ EN 1652 szerinti réz-nikkel ötvözetek névleges összetételét és mechanikai jellemzőit a 32. TÁBLÁZAT foglalja össze. A nagyobb hidegalakításnak kitett ötvözetek a 12. és 13. diagramnak megfelelően nagyobb szilárdsággal, de ugyanakkor kisebb alakváltozó képességgel rendelkezik. 32. TÁBLÁZAT Jele CuNi25

RÉZ-NIKKEL ÖTVÖZETEK ÉS MECHANIKAI TULAJDONSÁGAIK

Anyagszám Állapot jel Ni, % Fe, % Mn, % CW350H R290 24…26 < 0,3 < 0,5 R340 R380 CuNi9Sn2 CW351H R450 8.5…10.5 < 0,3 < 0,3 R500 R560 CuNi10Fe1Mn CW352H R300 9…11 1…2 0.5…1 R320 CuNi30Mn1Fe CW354H R350 30…32 0.4…1 0.5…1.5 R410

Rm, MPa > 290 340…410 380…470 450…530 500…580 560…650 > 300 > 320 350…420 > 410

A min., % 40 10 4 30 15 35 14

A CuNi10Fe1Mn ötvözet kopásállósága miatt pénzérmék gyártásához használatos, de kedvező korrózióállósága és hegeszthetősége miatt nyomástartó edényekhez, kazánokhoz, vízmelegítőkhöz és szerkezetek gyártásához is használatos. A nagyobb nikkeltartalmú CuNi25 típus fékcsövekhez, klímaberendezések gyártásához használják. A 30 % nikkellel ötvözött CuNi30Mn1Fe típusok kiválóan ellenállnak az eróziós és kavitációs kopásnak (ld. 8.1.2.3. pont), valamint a tengervíz okozta korróziónak. Ezért ezekből az ötvözetekből készülnek például a kondenzátorok csövei vagy a hajócsavar. A 44 % nikkelt tartalmazó, (CuNi44Mn1) villamos mérőellenállás, a konstantán fajlagos ellenállása mintegy hússzorosa a rézének, olvadáspontja 200 OC-kal haladja meg a rézét. A rézötvözeteket gyakran alkalmazzák dekoratív megjelenésük miatt. Csupán az arany és a réz az a két fém, amelynek színe gyökeresen eltér az összes többi fémétől. A rézötvözetek színe a barnától a vörösön keresztül a fehérig ötvözéssel változtatható. A cinktartalom növelése egyre sárgábbá, a nikkelötvözés egyre fehérebbé teszi az ötvözetet. Kifejezetten esztétikus megjelenése miatt alkalmazzák, pl. evőeszközök gyártására az ezüsthöz megtévesztően hasonló színű és attól sűrűségében sem jelentősen eltérő, CuNi12Zn24 ötvözetet, ami alpakka, vagy újezüst néven közismert. A mangán ötvözése a bronzokat elegáns barna tónusúvá teszi. A réz szilárdságának jelentős növekedése érhető el alumínium-ötvözéssel. A nagy szilárdság és az ezzel együtt járó keménység és kopásállóság jelenti a rézalumínium ötvözetek, az alumíniumbronzok, legfőbb előnyét, amelyet a gépalkatrészek, csapágyak, csigakerekek, szelepülékek, szivattyúk gyártásában aknáznak ki.

117


Az MSZ EN 1653 szerinti egyfázisú alumínium-bronzok összetételét és mechanikai tulajdonságait a 33. TÁBLÁZAT foglalja össze. 33. TÁBLÁZAT

ALUMÍNIUMBRONZOK MECHANIKAI TULAJDONSÁGAI

Jele Anyagszám Al, % CuAl 8Fe3 CW303G 6.5...8.5 CuAl 9Ni3Fe2 CW304G 8...9.5 CuAl 10Ni5Fe4 CW307G 8.5…11

Ni, % <1 2…4 4…6

Fe, % 1.5…3.5 1…3 3…5

Rm, MPa > 480 > 490 > 620

A min., % 30 20 14

A rézötvözetek csoportjából - a kisebb szolidusz hőmérsékletüknek köszönhetően -, a kiváló öntési tulajdonságaik, nagy szilárdságuk és jó korrózióállóságuk révén a réz-ón ötvözetek, más néven az ónbronzok tűnnek ki. Ezt az ötvözetet az emberiség már ötezer éve ismeri és használja. Kezdetben a 10 %-nál kisebb óntartalmúakból szerszámok, a nagyobb óntartalmúakból öntött dísztárgyak, napjainkban villamosipari- és vegyipari alkatrészek, csapágyperselyek készülnek ónbronzból. Az MSZ EN 1652 szerinti egyfázisú ónbronzok összetételét és mechanikai tulajdonságait a 34. TÁBLÁZAT foglalja össze. 34. TÁBLÁZAT

118

ÓNBRONZOK MECHANIKAI TULAJDONSÁGAI Jele

Anyagszám

CuSn4

CW450K

CuSn5

CW451K

CuSn6

CW452K

CuSn8

CW453K

Állapot jel R290 R390 R480 R540 R610 R310 R400 R490 R550 R630 R690 R350 R420 R500 R560 R640 R720 R370 R450 R540 R600 R660 R740

Sn, %

3.5…4.5

4.5…5.5

4.5…5.5

4.5…5.5

Rm, MPa 290…390 390…490 480…570 540…630 > 610 310…390 400…500 490…580 550…640 630…720 > 690 350…420 420…520 500…590 560…650 640…730 > 720 370…450 450…550 540…630 600…690 660…750 > 740

A min., % 50 13 5 40 10 4 55 20 10 60 23 15 7 -


A rézötvözetek, de különösen az ónbronzok kiválóan ellenállnak a légköri korróziónak. Ez a tulajdonság annak köszönhető, hogy a réz felületén oxigént és vizet is tartalmazó környezetben egy összefüggő, tömör, a további károsodást megakadályozó „patina” alakul ki. A zöldes színű patinaréteg dekoratív és emeli a köztéri bronzszobrok keltette esztétikai élményt. Szobahőmérsékleten, - a rézzel ellentétben, amely fél tucat elemmel képes érdemleges mennyiségben szilárdoldatot alkotni -, amint az a 30. TÁBLÁZAT adataiból kitűnik, az alumínium kizárólag a magnéziumot képes számottevő mennyiségben szilárdoldat formájában oldani. A magnéziumtartalom növekedésével növekszik a szilárdoldatot alkotó rács torzulása, ezáltal a szilárdsági jellemzői és a keménysége. A szilárdság növekedésével az ötvözetek szakadási nyúlása csökken, amint az a 35. TÁBLÁZAT adataiból látható. 35. TÁBLÁZAT Jele Al Mg0.5Mn Al Mg1(C) Al Mg2 Al Mg3 Al Mg4 Al Mg5

ALUMÍNIUM-MAGNÉZIUM ÖTVÖZETEK MECHANIKAI TULAJDONSÁGAI Mg, % 0.2...0.6 0.7...1.1 1.7...2.4 2.6...3.6 3.5...4.5 4.5...5.6

Mn, % 0.1...0.3 ≤ 0.15 0.1...0.5 ≤ 0.5 0.2...0.7 0.1...0.6

Rm min., MPa 80 100 150 180 220 240

Rp0.2 min., MPa 30 40 60 80 100 110

A min., % 18 17 16 15 14 14

Az alumínium-magnézium ötvözeteket az MSZ EN 573 előírásai szerinti összetételben gyártják. Az alumínium-magnézium ötvözetek az idézett szabvány 5000-es sorozatát alkotják. Ezek közül néhány jellemző alumínium-magnézium ötvözet főbb ötvözőtartalmát és az ezekből sajtolt rudak mechanikai jellemzőit a 35. TÁBLÁZAT foglalja össze. A 35. TÁBLÁZAT és a 30. TÁBLÁZAT magnézium oldhatóságára vonatkozó adatainak összevetéséből látható, hogy az alumínium-magnézium ötvözetek egy része túltelített szilárdoldat. Az alumínium-magnézium ötvözetek nagyobb szilárdságúak, mint az alumínium, de lényegesen kisebb alakváltozó képességűek. Összehasonlítva más alumíniumötvözetekkel - mivel az alakadó technológiák hőhatására fázisátalakulás nem következik be -, kiemelkedően jó hegeszthetőséggel, továbbá tengervízállósággal rendelkeznek. Ezt az ötvözetet hydronálium néven is ismerik. E tulajdonságok miatt a legjellemzőbb felhasználása ennek az ötvözetcsoportnak a hajó-, és a hegesztett alumíniumszerkezetek gyártása területén van, de jelentős mennyiséget használ fel a járműipar is. A vas - az alumíniummal és a rézzel ellentétben -, a kristályosodást követően, szilárd állapotban kétszer átkristályosodik. Az anyagok egy csoportjának ez a sajátossága az allotrópia, ami azt a fogalmat fedi, hogy az anyag a hőmérséklet függvényében több, stabilis kristályszerkezettel rendelkezik. Mint ismeretes, a vas olvadékából térben középpontos kockarácsban δvassá kristályosodik. Egyensúlyi lehűléskor 1394 OC-on felületen középpontos koc-

119


karácsú γ-vassá, ausztenitté alakul át, ami 912 OC-on ismét átkristályosodik térben középpontos kockarácsú α-vassá, ferritté. A felületen középpontos kockarácsú vas, az ausztenit térkitöltése 74 %, a ferrité 68 %, ezért az ausztenit 9 %-kal nagyobb sűrűségű, mint a felületen középpontos kockarácsú ferrit, emiatt a γ ⇒ α átalakulás térfogat növekedéssel jár. Egy olyan elemi cellának, amelyet számos további cella vesz körül, a γ ⇒ α átalakulással járó térfogat-növekedését a környező cellák akadályozzák, ami nyomó-feszültséget hoz létre. Nagyobb nyomáson, - származzon ez akár a környező cellák gátló hatásából, akár külső forrásból -, a hűléskori átalakulás során további energia-elvonásra van szükség. Egyensúlyi, vagyis végtelen lassú hűléskor, az egyes elemi cellák átalakulása nem akadályozott, ilyenkor a cellák között nem alakul ki nyomás. Az egyensúlyitól eltérő hűléskor, az energia-elvonás csak túlhűtéssel érhető el, ami az átalakulási hőmérséklet csökkenésében jelentkezik, amint azt a 17. diagram szemlélteti. Igen nagy külső nyomás hatására a vas - kisebb hőmérsékleten is -, a nagy sűrűségű hexagonális rácsszerkezetűvé kristályosodik át. Hőmérséklet, fok C 900 800

felületen középpontos köbös

700 600 500 400 300

térben középpontos köbös

200

hexagonális

100 0

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Nyomás, GPa

17. diagram A vas egyensúlyi fázisai a hőmérséklet és a nyomás függvényében A kristályban ébredő feszültség nemcsak termikus- vagy külső eredetű lehet, hanem származhat az interstíciósan vagy a szubsztitúciósan oldott alkotók rácstorzító hatásából is. Ha az oldódás során a képződő elemi cella mérete csökken, akkor ez a kristályban húzó, ellenkező esetben nyomófeszültséget hoz létre. Az oldódásból adódó húzófeszültség a γ ⇒ α átalakulást elősegíti, míg a nyomófeszültség azt akadályozza. A δ ⇒ γ átalakulás, szemben az előzőkben leírt γ ⇒ α átalakulással térfogatcsökkenéssel jár. Ezért, ha az elemi cellában húzófeszültség ébred, akkor a δ ⇒ γ átalakulás megnehezül. Ezért egyes, a vassal szubsztitúciósan szilárdoldatot alkotó ötvözők, a térben középpontos kockarácsú vas átalakulását nehezítik, vagyis a ferritet stabilizálják, ezeket ferritképző ötvözőknek tekintik, míg mások a γ-vas stabilitását növelik, vagyis ausztenitképzők.

120


A vas legfontosabb ferritképzői: (γ mezőt szűkítő, α mezőt akár szobahőmérsékletig nyitó) a: Cr, V, (γ mezőt szűkítő, α mezőt részben nyitó) a: Si, W, Mo, Al, Ti, (γ mezőt szűkítő, α mezőt nem nyitó) a: B, Nb, Ta, Zr, legfontosabb ausztenitképzői: (γ mezőt tágító) a: C, Cu, N, H, (γ mezőt akár szobahőmérsékletig nyitó,) a: Ni, Mn, Co. 400 380 360 340 320 300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100

Szakítószilárdság, MPa szilícium nikkel titán molibdén mangán

króm volfrám

alumínium

vanádium 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15 16 17 18

Tömeg % 18. diagram A ferrit szakítószilárdságának változása az oldott ötvözők mennyiségének függvényében

A vassal szilárdoldatot alkotó elemek tehát nemcsak azáltal fejtik ki hatásukat, hogy oldódásukkal rácstorzulást okoznak, hanem azzal is, hogy befolyásolják a vas egyes, allotróp módosulatainak stabilitását. Természetesen valamely elem oldhatóságát a vas esetében erőteljesen befolyásolja az is, hogy az oldó elemi cella felületen- vagy térben középpontos kockarácsú-e. A felületen középpontos kockarácsú vasban a maximális üres hely mérete nagyobb, mint a térben középpontoséban, ezért a kis méretű, interstíciósan oldódó elemek oldhatósága nagyobb. Az oldhatóságnak ezt a meglehetősen komplex hatását tükrözik a 30. TÁBLÁZAT adatai. A táblázat tartalmazza a γ- illetve az α-vasban az egyes elemek oldhatóságát szobahőmérsékleten, továbbá tartalmazza a maximális oldhatóságot is. Azok az anyagok, amelyek a tömegszázalékot tekintve minden más elemhez képest vasból tartalmaznak a legtöbbet, a vasötvözetek. Az ipari vasötvözetek, szinte kizárólag mindig többfázisúak, ezért a ferritben, vagy az ausztenitben oldott elemek hatása ezeknek a fázisoknak a tulajdonság-módosításán keresztül is érvé-

121


nyesül. A ferrit szakítószilárdságának változását néhány, vele szilárdoldatot alkotó ötvöző esetén, a 18. diagram szemlélteti. A gyakorlatban használatos vasötvözetek mindig tartalmaznak karbont is. Ha a karbontartalom nem haladja meg a 2.11 %-ot, akkor a vasötvözetet acélnak nevezik. Az ennél nagyobb karbontartalmú vasötvözetek az öntöttvasak. A legnagyobb mennyiségben használt ötvözet az acél. A világon az évente termelt acél mennyisége meghaladja a 750 millió tonnát. A gyártott acéltípusok száma meghaladja az ezret. Az eligazodást az acélok széles választékában segíti MSZ EN 10020 előírásainak megfelelő csoportosítás; a fő minőségi osztályok, az összetétel- illetve az acél meghatározó tulajdonságai és alkalmazási területük alapján.

Ötvözetlenek azok az acélok, amelyekben bármely elemnek a szabványban előírt adagösszetétel alsó határértéke kisebb, mint a 36. TÁBLÁZATban megadott határértékek. Az ettől eltérő összetételű acélok az ötvözött acélok. Az ötvözetlen acélokat az idézett szabvány három további csoportba sorolja: ⇒

⇒ ⇒

alapacélok, azok az acélok, amelyeknél a hőkezeltségi állapot vagy egyéb minőségi követelmények nincsenek előírva, Rm ≤ 690 MPa, ReH ≤ 360 MPa, A ≤ 26 %, TTKV ≥ 20 OC, C ≥ 0.1 %, P,S ≤ 0.045 %, továbbá a mangán- és szilíciumtartalmon kívül nincs egyéb ötvözőelem előírva. ötvözetlen minőségi acélok, azok az acélok, amelyek az alapacéloktól és a nemesacéloktól különböznek. ötvözetlen nemesacélok, azok az acélok, amelyeknél TTKV ≤ -50 OC, P,S ≤ 0.025 %, Cu ≤ 0.1 %, Co,V ≤ 0.05 %, garantált felületi keménység, villamos vezetőképesség, vagy egyéb sajátos tulajdonság van előírva.

36. TÁBLÁZAT

AZ ÖTVÖZETLEN ÉS ÖTVÖZÖTT ACÉLOK KÖZÖTTI HATÁRÉRTÉKEK

Elem Tömeg %

Al 0.1

B 0.0008

Bi 0.1

Co 0.1

Cr 0.3

Cu 0.4

Mn 1.65

Mo 0.08

Nb 0.06

Elem Tömeg %

Ni 0.3

Pb 0.4

Se 0.1

Si 0.5

Te 0.1

Ti 0.05

V 0.1

W 0.1

Zr 0.05

Az ötvözött acélokat az idézett szabvány két csoportba sorolja:

122


⇒

ötvözött minőségi acélok, azok az acélok, amelyek szilíciummal és/vagy alumíniummal ötvözöttek az előírt mágneses tulajdonságok elérése érdekében, vagy eleget tesznek a következő feltételek valamelyikének ReH ≥ 360 MPa, TTKV ≤ -50 OC, Cu ≥ 0.3 %, vagy ötvöző-, illetve kísérőelemtartalma kielégíti a 37. TÁBLÁZAT-ban megadott határértékeket. Az ötvözött minőségi acélokat a felhasználási területük szerint további alcsoportokba sorolják. Ezek a hegeszthető finomszemcsés szerkezeti acélok, elektrotechnikai acélok, sín-, szádfallemez és bányatámacélok, hidegalakításra szánt finomszemcsés acélok, valamint a rézötvözésű acélok. Hegeszthető finomszemcsés szerkezeti acélok azok az ötvözött acélok, amelyek 16 mm vastagságig 380 MPa feletti folyáshatárral rendelkeznek, ütő-munkájuk hosszirányú V-bemetszésű ISO-próbatesten 50 OC-on mérve eléri a 27 J értéket. Elektrotechnikai acélok azok, amelyeket a mágneses veszteség vagy a mágneses indukció, polarizáció vagy permeabilitás legkisebb értékére előírt követelmények kielégítése érdekében csak szilíciummal és alumíniummal ötvöznek. Ötvözött sín-, szádfallemez és bányatámacélok azok az ötvözött acélok, amelyekre előírt mechanikai jellemzőket 36. TÁBLÁZAT-ban megadottnál nagyobb mennyiségű ötvözőelemmel érik el. Hidegalakításra kifejlesztett finomszemcsés acélok azok az ötvözött acélok, amelyek olyan szemcsefinomító ötvözőelemeket tartalmaznak, mint a B, Nb, Ti, V és/vagy Zr, illetve szövetszerkezetük ferritbe ágyazott, 10…35 %-nyi, finom eloszlású martenzitet tartalmaz. Légköri korróziónak fokozottan ellenálló, rézzel ötvözött acélok amelyek kizárólag réztartalmukban haladják meg a 36. TÁBLÁZAT-ban megadott ötvözőelem tartalmat.

37. TÁBLÁZAT Elem Tömeg % ⇒

AZ ÖTVÖZÖTT MINŐSÉGI ÉS NEMESACÉLOK KÖZÖTTI HATÁRÉRTÉKEK Cr 0.5

Cu 0.5

Mn 1.8

Mo 0.1

Nb 0.08

Ni 0.5

Ti 0.12

V 0.12

Zr 0.12

ötvözött nemesacélok, azok az acélok, amelyek ötvözőtartalma meghaladja a 36. TÁBLÁZAT-ban megadott határértékeket és nem tartoznak az ötvözött minőségi acélok csoportjába. Ebbe az osztályba sorolják a korrózióálló, a hő- és kúszásálló acélokat, a golyóscsapágy- és szerszámacélokat a speciális szerkezeti- és a különleges fizikai tulajdonságokkal rendelkező acélokat. Az ötvözött nemesacélokat vegyi összetételük alapján három csoportba sorolják. Korrózióálló acélok azok az ötvözött acélok, amelyek legfeljebb 1.2 %-os karbon- és legalább 10.5 %-os krómtartalommal rendelkeznek. Két alcsoportjuk a 2.5 %-nál kisebb, illetve az ennél nagyobb nikkeltartalmú acélok.

123


Gyorsacélok, amelyek az egyéb elemek mellett vagy azokon kívül molibdénből, volfrámból vagy vanádiumból legalább kettőt, összesen legalább 7 % mennyiségben, továbbá legalább 0.6 % karbont és 3…6 % krómot tartalmaznak. Egyéb ötvözött acélok, azok az ötvözött acélok, amelyek az előzőekben leírt két csoportba nem sorolhatók. Az acélminőségek megadására az EN 10027-1 szerinti rövid- és az EN 10027-2 szerinti számjelet alkalmazza. A rövid jel elsősorban az anyagminőség előírására, míg a számjel - ami a gépi adatfeldolgozásra alkalmasabb arab számjegyekből áll - kizárólag a pontos, kereskedelmi és műszaki specifikációra szolgál. A rövid jel felépítése a fizikai tulajdonságokra garantált acéloknál: kezdőjel

csak J jel lehet és kizárólag az öntvényeknél használandó

főjel(ek) a meghatározó alkalmazási terület(ek) jele pl.V szerkezeti acél fő tulajdonságjel

fő tulajdonság garantált értéke pl. folyáshatár

JVMJZFX egy elem garantált összetételjel mennyiségének tízszerese pl.FX0.5% Cu tartalom

alkalmazási terület pl.Z kiegészítő felidőjárásálló használásjel kiegészítő tulajdonság pl.J kiegészítőjel csillapítás kiegészítő tulajdonságjel

egy tulajdonság garantált értéke pl.M ütőmunka adott hőmérsékleten

Az EN 10027-1 szabvány az acélokat felhasználási céljuk szerint két csoportra osztja. Az első csoportba azokat sorolja, amelyeknél a felhasználó számára valamilyen fizikai-, mechanikai tulajdonság garantálása a legfontosabb. A másik csoportot azok az acélok alkotják, amelyeknek a vegyi összetétele garantált. Az EN 10027-2 szabvány szerint az anyagokat háromelemű kóddal kell azonosítani anyagjel anyag főcsoport jele pl. acél acélcsoport jele sorszám

124

acélcsoport jele pl. korrózióálló acélok, amelyek Ni ≤ 2.5 % és nem tartalmaznak Mo, Nb, Ti-t csoporton belüli sorszám pl.


Az EN 10027 szerinti acéljelölési rendszer részleteit a 1. melléklet tartalmazza. A vasötvözetek közül mindössze két - de annál jelentősebb -, család tartozik a szubsztitúciós szilárdoldatok csoportjába. Az egyik a krómmal erősen ötvözött ferrites szerkezetű-, a másik a krómmal és nikkellel erősen ötvözött, ausztenites szerkezetű korrózióálló acél. A krómmal ötvözött korrózióálló acélok korrózióállóságukat annak köszönhetik – egyes típusok homogén szerkezetén kívül -, hogy az acél felülete összefüggő, oxigénben dús krómoxid hártyával fedett, amely áthatolhatatlan az oxigén számára. Ehhez az acélnak legalább 11 tömeg % oldott krómot kell tartalmaznia. Ez a krómtartalom kisebb a króm-oxidból sztöchiometriailag számítható mennyiségnél, de az oxid keletkezése során a szilárdoldatból vegyületbe távozó króm részlegesen diffúzióval pótlódik, így a hártya krómtartalma mindig meghaladja az alapfém krómtartalmát. Az oxidréteg spontán kialakulása oxigént tartalmazó közegben passziválódásként ismert. A krómmal ötvözött korrózióálló acélokat borító oxidhártya vékony, mindössze néhány nm. A korrózióálló acélok, amelyek a szerkezeti acélok után az egyik legnagyobb tömegben - évi 18 millió tonna - és egyben legszélesebb körben alkalmazott vasötvözetek igen gazdag választékban állnak a rendelkezésre. Áttekinthetőségük érdekében a korrózióálló acélokat az EN 10088 elsősorban szövetszerkezetük és legfontosabb tulajdonságaik alapján csoportokra és alcsoportokra osztja a következők szerint: • ferrites és félferrites korrózióálló acélok, amelyekben a karbontartalom nem haladja meg a 0.08 %-ot. A kis karbontartalom a nagy hőmérsékletről még gyors hűtés esetén sem vezet számottevő keménység növekedéshez. A ferrit legyen az akár α-fázisú, akár δ-fázisú, mágnesezhető. Ezek az acélok nagy alakváltozó képességgel rendelkeznek, különösen kis szelvény vastagságok esetében. A 0.15 %-nál nagyobb kéntartalmú ötvözetek kiválóan forgácsolhatók, de ez egyben a korrózióállóság csökkenését is okozza. Ezeket az acélokat általában rúd formájában gyártják. A ferrites korrózióálló acélok hegesztésekor egyedüli nehézségként a szemcsedurvulási hajlammal kell számolni. Egyes típusok részben martenzitesekké is edzhetők, ezeket félferrites típusoknak nevezik. • martenzites korrózióálló acélok, amelyeknek a karbontartalma a 0.08…1.0 % tartományban van. Ezeknek az acéloknak a szilárdsága, keménysége edzéssel növelhető. A martenzites szerkezet mágnesezhető és rideg. A szívósság javítható a felhasználás előtti megeresztéssel. Néhány típus kéntartalma meghaladja a 0.15 %-ot, a forgácsolhatóság javítása érdekében. Vannak speciális célra, például golyóscsapágy gyártás céljára kifejlesztett típusok is. • kiválással keményedő korrózióálló acélok mechanikai tulajdonságai hőkezeléssel számottevően javíthatók a korrózióállóság megőrzése mellett. A szilárdság növekedés a martenzitből kiváló intermetallikus vegyületekkel érhető el a kikeményítő hőkezelés során.

125


• ausztenites korrózióálló acélok két meghatározó ötvöző eleme a króm és a nikkel. Ezeknek az acéloknak a szövete vagy kizárólag ausztenitből áll, vagy kis mennyiségű ferritet is (δ-fázis) tartalmaz. Az ausztenit nem mágnesezhető. Egyes típusokban instabilis ausztenit is jelen lehet, ami hideg képlékenyalakítás, és/vagy szobahőmérséklet alá hűtés hatására martenzitté alakulhat át. Az ausztenites szerkezetű acélok kiváló korrózióállósággal rendelkeznek, de szilárdsági jellemzőik hőkezeléssel nem javíthatók. Ha nagyobb szilárdság elérése a cél, akkor ezt nitrogén ötvözésével, vagy hideg képlékeny alakítással lehet elérni. Az ausztenites acélokban ha felhasználásuk, vagy alkalmazásuk során 800…900 OC feletti hőmérsékletre hevülnek, mint például ömlesztő hegesztésükkor, lassú lehűlés esetén króm-karbid kiválás következik be a szemcsehatárok mentén, elszegényítve a szemcsehatár környezetét oldott krómban. A krómban szegény része a szemcsének már nem képes ellenállni a savaknak, vagy egyéb korrozív közegnek és egy gyors lefolyású szemcsehatár korrózió megy végbe. Az ausztenites acélok hegesztésekor a szemcsehatár korrózió veszélyén kívül más nehézséggel nem kell számolni. A hegesztett kötések szemcsehatár korróziója úgy kerülhető el, ha sikerül megakadályozni króm-karbid képződését, így a króm elszegényedését. Az acél vegyi öszszetételével ezt két úton lehet elérni. Az egyik lehetőség, hogy az acél olyan elemeket is tartalmaz kellő mennyiségben, mint a titán vagy a nióbium, amelyek nagyobb affinitást mutatnak a karbon iránt, ezért a jelen lévő karbont ezek az elemek kötik meg. Ezeket az acélokat stabilizált korrózióálló acéloknak nevezik. A másik lehetőség az acél karbontartalmának jelentős csökkentése, amit az extra kis karbontartalmú korrózióálló acéloknál alkalmaznak. Az extra kis karbontartalmú acélok olcsóbbak mint a stabilizált korrózióálló acélok, de szilárdságuk, különösen nagyobb hőmérsékleten kisebb. • ausztenit-ferrites (duplex) korrózióálló acélok nagyobb króm- és kisebb nikkeltartalommal készülnek, ami 40..60 % ferritet eredményez az ausztenites alapszövetben. A ferrittartalomnak köszönhetően szilárdságuk nagyobb, mint az ausztenites típusoknak. Különösen feszültségkorrózióval szemben mutatnak nagy ellenállást. • kúszásálló acélok általában a nagyobb karbontartalmú korrózióálló acélok • hőálló acélok azok a ferrites vagy ausztenites típusok, amelyek nagyobb karbontartalmúak és kiválóan ellenállnak a revésedésnek, kedvező szilárdsági tulajdonságaikat nagyobb hőmérsékleten is megtartják. A korrózióálló acélok ötvözőinek legfontosabb hatása a következőkben foglalható össze: A króm alapötvöző, mert a részvételével kialakuló passzív hártya a korrózióállóság és hőállóság szempontjából nélkülözhetetlen. Ferrit és karbidképző és egyben szemcsefinomító hatású. Ha a króm mennyisége meghaladja a 26 %-ot, nagyon nehezen alakíthatóvá válik.

126


A nikkel az ausztenitet is tartalmazó korrózióálló acélok alapötvözője, mert erős ausztenitképző, így stabilizálja az ausztenitet. Ellenállóbbá teszi az acélt az általános és a helyi korrózióval szemben. Növeli az acél szívósságát. A mangán gyenge ausztenitképző, amely szulfidképző hatása miatt csökkenti a kristályosodási repedési hajlamot. A szokásos mennyisége a korrózióálló acélokban nem haladja meg a 2 %-ot. A szilícium a ferritet stabilizálja, növeli az acélok korróziós ellenállását, különösen nagyhőmérsékleten a reveképződést, de elősegíti a szemcsedurvulást. Nagy hőmérsékleten gátolja a karbonizációt, vagyis a karbon leadásra képes közegből a karbon felvételt. Rontja a melegalakíthatóságot és hegesztéskor hajlamossá teszi az acélt kristályosodási repedésre. A szokásos mennyisége a korrózióálló acélokban nem haladja meg az 1 %-ot. A molibdén ferrit- és karbidképző. Az általános korrózióval szembeni ellenállás javításán túl a lyukkorrózióval szemben is ellenállóvá teszi az acélt, mert a krómhoz hasonlóan összefüggő oxidhártyát képezhet. Növeli a szilárdságot és a kúszással szembeni ellenállást, mert karbidja diszperz módon válik ki. Kénnel, szelénnel együtt ötvözve javítja a forgácsolhatóságot, de rontja a melegalakíthatóságot. A réz gyenge ausztenitképző. Javítja a feszültségkorrózióval szembeni ellenállást és a kiválásosan keményíthető korrózióálló acélok fontos ötvözője. Az alumínium erős ferrit- és nitridképző. Nitrogénnel együtt ötvözve hatékonyan növeli az acél szilárdságát, csökkenti a szemcsedurvulási hajlamot és javítja a hő- és reveállóságot. Az EN 10088 szerinti, ferrites korrózióálló krómacélok ötvözőit, mechanikai jellemzőit a 38. és 39. TÁBLÁZAT tartalmazza. A táblázat adataiból látható, hogy a krómnak és a karbonnak - aminek hatásáról a következő alpontban lesz szó -, köszönhetően a ferrites korrózióálló krómacélok nagyobb szilárdságúak. A korrózióálló acélok MSZ szerinti jelrendszere lényegében már megegyezik az EN szabványokban alkalmazottéval. A 38. és 39. TÁBLÁZAT adataiból látható, hogy a ferritben oldott krómtartalom növekedésével, - összhangban a 18. diagramon bemutatott szilárdító hatással -, az acél szilárdsági értékei növekednek. Összevetéskor a szakítószilárdság értékében megfigyelhető számottevő eltérést az magyarázza, hogy a 18. diagramban a vason kívül csak az oldott elem, esetünkben a króm hatása van feltüntetve, míg a 38. és 39. TÁBLÁZATban acél, vagyis karbont is tartalmazó vasötvözet adatai szerepelnek. Az előzőkből látható, hogy a karbon igen erős szilárdság növelő, ezért általában hasznos ötvözője az acéloknak. Ráadásul, az acélgyártás során, - mint arról a 2.3.4. pontban szó volt - a 0.08 %-nál kisebb karbontartalmú acélok gyártása csak speciális, argon-oxigén átfúvatásos kezeléssel oldható meg. A korrózióálló acélok esetében a karbon azonban sajátos nehézségeket okoz. A ferrites króm-, és az ausztenites króm-nikkel acélok korrózióállóságukat homogén szerkezetüknek és a felületük nagy oxigén- és krómtartalmának köszönhetik. A karbon igen erős ausztenit stabilizáló, amint az az egyes ötvözők króm- és nikkelegyenérték függvényében a szövetszerkezetre gyakorolt hatását bemutató, 19. (Schaeffler) diagram-

127


ból látható. A króm- és nikkelegyenérték arra az elvre épül, hogy az acél egyes ötvözőinek az ausztenit-, illetve ferrit stabilizáló hatását súlyozottan összegzi. A rövid jel felépítése a vegyi összetételre garantált acéloknál: kezdőjel kizárólag az öntvényeknél használandó és csak főjel

.

J jel lehet

[ bármely elemmel legalább 5 %-ban ötvözött acél

karbontartalom karbontartalom középértékének százszorosa pl. jele ötvözők vegyjele

az ötvözők vegyjele** a mennyiségük sorrendjében pl.FUQL króm-nikkel ötvözet összetétel

***

az ötvözők (egy-, négy-, tíz-, százezerszeres) mennyiségének középértéke egész számra kerekítve, csökkenő sorrendben, kötőjellel elválasztva pl.

-

J[FUQL -

*

Ha egyetlen ötvöző mennyisége sem haladja meg az 5 %-ot és Mn ≥ 1%, nincs jel Gyorsacéloknál nincs vegyjel, az értékek megadásának sorrendje : W-Mo-V-Co *** Összetétel szorzók : 4x(Cr, Co, Mn, Ni, Si, W) 10x(Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr) 100x(C, N, P, S) 1000x(B) **

A 19. diagramból látható, hogy már csekély karbontartalom is számottevően csökkenti a ferrit stabilitását. Annak érdekében, hogy az acél homogén ferrites szerkezete a karbon jelenlétében is megmaradjon, 0.01 % C tartalom hatását 0.9 % Cr ötvözéssel kell ellensúlyozni. Ez a nagyobb króm-szükséglet indokolja a 38. és 40. TÁBLÁZAT szerinti acélok nagyobb ötvözöttségét. A karbon jelenléte a ferrites króm-, és az ausztenites króm-, illetve krómnikkel acélokban a szemcsehatár korrózió veszélyét is magában hordozza. A króm erős karbidképző és a vasban oldott karbonnal a króm a (77) reakcióegyenlet szerint a vasban oldhatatlan karbidot alkot. 6[C] +23[Cr] ⇔ = (Cr23C6).

(77)

A 3.1.2. pontban leírt mikrodúsulási mechanizmusból következően, a szemcsehatáron és annak környezetében nagyobb a karbontartalom, mint a szemcse belsejében. Ennek következtében a króm-karbid képződése, de különösen annak koncentrálódása, kiválása, legkönnyebben és egyben legvalószínűbben a szemcsék határán megy végbe. A Cr23C6 karbid krómtartalma 94 tömeg %, ezért 0.1 % karbon 1.67 % krómot köt meg, ami a karbid környezetében elszegényíti krómban a szemcsét. A szemcsehatáron kiváló króm-karbid ebből következően két szempontból is erősen rontja a korrózióállóságot. Az egyik hatás, hogy a szemcsehatáron kivált új fázis, a króm-karbid a szemcse anyagával elektrolit jelenlétében galvánelemet képez (ld. 8.1.2.4. pont). A másik hatás az, hogy a krómban elszegényedett

128


szemcsehatár környezete elveszti a nagy krómtartalom biztosította passzivitását. E két hatás együttese okozza a szemcsehatár korróziót. 38. TÁBLÁZAT EN 10088-1 SZERINTI KORRÓZIÓÁLLÓ FERRITES KRÓMACÉLOK FŐ ÖTVÖZŐI EN jele

EN száma X2CrNi12 1.4003 X2CrTi12 1.4512 X6CrNiTi12 1.4516 X6Cr13 1.4000 X6CrAl13 1.4002 X2CrTi17 1.4520 X6Cr17 1.4016 X3CrTi17 1.4510 X3CrNb17 1.4511 X6CrMo17-1 1.4113 X6CrMoS17 1.4105 X2CrMo17-1 1.4513 X2CrMoTi18-2 1.4521 X2CrMoTiS18-2* 1.4523 X6CrNi17-1 1.4017 X6CrMoNb17-1 1.4526 X2CrNbZr17 1.4590

Cr, % 10.50…12.50 10.50…12.50 10.50…12.50 12.00…14.00 12.00…14.00 16.00…18.00 16.00…18.00 16.00…18.00 16.00…18.00 16.00…18.00 16.00…18.00 16.00…18.00 17.00…20.00 17.50…19.00

Mo, %

1.4605

0.030 17.00…18.00

X2CrTiNb18

1.4509

0.030 17.50…18.50

Egyéb ötvöző, % Ni=0.3…1.0 Ti=6∗(C+N)…1.0 Ti=0.05…0.35 és Ni=0.5…1.5 Al=0.1…0.3 Ti=0.30…0.60

0.90…1.40 0.20…0.60 1.00…1.50 1.80…2.50 2.00…2.50

0.08 16.00…18.00 0.08 16.00…18.00 0.80…1.40 0.030 16.00…17.50

X2CrAlTi18-2

X2CrMoTi29-4 1.4592 *

korábbi Cmax, MSZ jele % 0.030 0.030 0.08 KO 1 0.08 0.08 0.025 ≈KO 3 0.08 ≈KO 4Ti 0.05 0.05 ≈KO 6 0.08 0.08 0.025 0.025 0.030

0.025 28.00…30.00 3.50…4.50

Ti=4∗(C+N)+0.15…0.8 Nb=12∗C…1.0 Ti=0.30…0.60 S=0.15…0.35 Ti=4∗(C+N)+0.15…0.8 Ti=0.30…0.80 és S=0.15…0.35 Ni=1.2…1.6 Nb=7∗(C+N)+0.1…1.0 Nb=0.35…0.55 és Zr> 7∗(C + N) + 0.15 %. Ti=4∗(C+N)+0.15…0.8 és Al=1.7…2.0 Nb=3∗C+0.3…1.0 és Ti=0.10…0.60 Ti=4∗(C+N)+0.15…0.8

(C + N) ≤ 0.040 %,

A (77) reakcióegyenlet szerinti króm-karbid képződése csak nagyobb hőmérsékleten, 600...700 OC-on és ott is csak hosszabb idő alatt mehet végbe. A kohászati késztermék gyártásakor, az acélt viszonylag gyorsan hűtve, a króm-karbid képződése, de különösen annak szemcsehatáron való kiválása elkerülhető. Ha az ilyen, nem egyensúlyi állapotú acélt a feldolgozása során jelentős hőhatás éri - például termikus vágás vagy ömlesztő hegesztés során -, a karbid kiválása végbemegy, és az acél elveszti korrózióval szembeni fokozott ellenállását. Az eredeti, karbidmentes állapot csak költséges hőkezelési művelet, az oldó izzítás és az ezt követő gyors - úgynevezett ausztenites - hűtés alkalmazásával érhető el. A karbid-hálót megszüntető hőkezelés lényegét az adja, hogy olyan nagy hőmérsékletre kell az acélt felhevíteni, ahol a karbid már elveszíti stabilitását és a széteső vegyület alkotói diffúzióval ismét szilárdoldatba mennek, aminek ismételt képződését a gyors lehűtés akadályozza meg. A ferrites és az ausztenites króm-, illetve króm-nik-

129


kel ötvözésű korrózióálló acélok króm-karbidja 1080...1100 szüntethető meg.

O

C-os oldó izzítással

Nikkelegyenérték, tömeg % = Ni % + 10xC%+0,2/C % + 30xN + 0.5xMn % 30 karbontartalom 28 26 ausztenit 24 22 0,10 0,35 20 0,04 18 ausztenit 0,05 16 martenzit 0,06 14 0,08 ausztenit 12 ferrit 0,20 martenzit 10 ausztenit 8 martenzit 6 ferrít martenzit 4 ferrit ferrít ferrit 2 martenzit 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Krómegyenérték, tömeg % = Cr % + Mo % + 1.5xSi % + 0.5xNb % 19. diagram A korrózióálló acélok módosított Schaeffler-féle szövetszerkezeti diagramja

A nagyobb méretű kész gyártmányok ilyen nagyobb hőmérsékletű hőkezelése sok esetben kivitelezhetetlen, de ha meg is valósítható, rendkívül költséges művelet. Lényegesen egyszerűbb megoldás a króm-karbid képződésének a megelőzése. A feldolgozás, vagy a használat során ismételten nagyobb hőmérsékletre felhevülő korrózióálló acélokban a króm-karbid képződését két módon lehet elkerülni. Az egyik lehetőség, hogy az acél karbontartalmát igen kis, 0.03 % alatti értékre csökkentik, mivel a karbidképződés a karbon hiánya miatt is elkerülhető. A másik lehetőség, hogy az acél olyan, un. stabilizáló ötvözőket tartalmaz, amelyeknek a karbon iránti vegyrokonsága még a króménál is erősebb. Az ilyen, stabilizáló ötvözők, mint a titán, a nióbium, a tantál és a molibdén megkötik a karbont, megakadályozva ezzel a korrózióállóság szempontjából káros króm-karbid képződését, vagyis elkerülve ezzel a szemcsehatár króm-elszegényedését. A titánból legalább a karbontartalom ötszörösét, nióbiumból és cirkóniumból hétszeresét kell ötvözni az acélba a króm-karbid képződésének megakadályozásához. A titán egyben igen erős oxid- és nitridképző is, mint az a 7. diagram adataiból kitűnik. Ezért a titánnal stabilizált acélban elkerülhetetlen az oxidos- és nitrides zárványok jelenléte. Ezek a zárványok a hengerlés hatására elnyúlnak és a termék felületén egyenetlenséget, esztétikai hibát okoznak. A nióbiummal végzett stabilizálás során ilyen fajta hibára vezető zárványok nem keletkeznek.

130


39. TÁBLÁZAT

EN 10088-2 SZERINTI KORRÓZIÓÁLLÓ FERRITES KRÓMACÉL LEMEZEK ÉS SZALAGOK MECHANIKAI TULAJDONSÁGAI

EN jele X2CrNi12 X2CrTi12 X6CrNiTi12 X6Cr13 X6CrAl13 X6Cr17 X3CrTi17 X3CrNb17 X6CrMo17-1 X2CrMoTi18-2 X2CrTi17 X2CrMoTi17-1 X6CrNi17-1 X6CrMoNb17-1 X2CrNbZr17 X2CrAlTi18-2 X2CrTiNb18 X2CrMoTi29-4

EN száma 1.4003 1.4512 1.4516 1.4000 1.4002 1.4016 1.4510 1.4511 1.4113 1.4521 1.4520 1.4513 1.4017 1.4526 1.4590 1.4605 1.4509 1.4592

Korábbi Rm, MPa MSZ jele 450...650 380...560 450...650 KO 1 400...600 400...600 ≈KO 3 450...600 ≈KO 4Ti 420...600 420...600 ≈KO 6 450...630 400...600 380...530 400...550 650...750 480...560 400...550 500...650 430...630 550...700

Rp0.2min., Amin., % Hegesztéskor szemcsehatár MPa korrózióval szemben ellenálló 280 20 nem 210 25 nem 280 23 nem 220 19 nem 210 17 nem 240 18 nem 230 23 igen 230 23 igen 260 18 nem 280 20 igen 180 24 igen 200 23 igen 480 12 igen 280 25 igen 230 23 igen 280 25 igen 230 18 igen 430 20 igen

A ferrites krómacélok korrózióállósága a karbontartalom növekedésével csökken, a krómtartalom növekedésével nő. A kisebb krómtartalmúak a kevésbé agresszív közegeknek, mint a víz, a gőz képesek ellenállni, így felhasználási területük is ennek felel meg. Tipikus alkalmazásuk a háztartási- és orvosi eszközök, sebészeti szerszámok gyártása. A nagyobb krómtartalmú ferrites acélokból készülnek a gyenge savakkal érintkező tej-, szappan- és söripari berendezések. A stabilizált korrózióálló acélok, - mint a 39. TÁBLÁZAT-ban szereplő, a hegesztést követően is korrózióálló tulajdonságokat mutató típusok -, ömlesztő hegesztéssel is feldolgozhatók. Meg kell jegyezni, hogy a ferrites korrózióálló acélok szemcséi 1000 OC felett gyors növekedésnek indulnak, amelyek a hűléskor - szemben a hagyományos ferrites acéllal -, a ferrites krómacéloknál nem finomodnak, mert nem megy végbe átkristályosodás, az acélok a teljes hőmérséklet-tartományban térben középpontos kocka-rácsúak maradnak. Az így bekövetkező szemcsedurvulás a ferrites krómacélok mechanikai tulajdonságait számottevően rontja, ami hőkezeléssel sem szüntethető meg. Az EN 10088 szerint gyártott ausztenites korrózióálló acél fő ötvözőit a 40. legfontosabb mechanikai tulajdonságát a 41. TÁBLÁZAT foglalja össze.

TÁBLÁZAT,

A króm mellett nikkellel is erősen ötvözött acélok az ausztenites szerkezetű korrózióálló acélok. Mint a 19. diagram alapján látható, a homogén ausztenites szerkezet a krómtartalom növekedésével mintegy 18 % krómtartalomig egyre kevesebb nikkel ötvözésével érhető el. A nikkel lényegesen drágább ötvöző, (ld. 97.

131


TÁBLÁZAT)

mint a króm. Ezért az ausztenites korrózióálló acélokhoz a korrózió-állósághoz minimálisan szükséges 12 %-nál nagyobb, 18 % körüli krómot ötvöznek. 40. TÁBLÁZAT EN 10088-1 SZERINTI KORRÓZIÓÁLLÓ AUSZTENITESTES KRÓMACÉLOK FŐ ÖTVÖZŐI

EN jele X10CrNi18-8 X2CrNiN18-7 X2CrNi18-9 X2CrNi19-11 X2CrNiN18-10 X5CrNi18-10 X8CrNiS18-9 X6CrNiTi18-10 X6CrNiNb18-10 X4CrNi18-12 X1CrNi25-21 X2CrNiMo17-12-2 X2CrNiMoN17-11-2

EN száma 1.4310 1.4318 1.4307 1.4306 1.4311 1.4301 1.4305 1.4541 1.4550 1.4303 1.4335 1.4404 1.4406

korábbi Cmax, % MSZ jele ≤ 0.150 ≤ 0.030 ≤ 0.030 KO 41LC ≤ 0.030 ≤ 0.030 ≈KO 33 ≤ 0.070 KO 36S ≤ 0.100 KO 37Ti ≤ 0.080 KO 37Nb ≤ 0.080 ≤ 0.060 ≤ 0.020 ≤ 0.030 ≤ 0.030

Cr, %

X5CrNiMo17-12-2 X1CrNiMoN25-22-2

1.4401 1.4466

≤ 0.070 16.50…18.50 ≤ 0.020 24.00…26.00

X6CrNiMoTi17-12-2 X6CrNiMoNb17-12-2 X2CrNiMo17-12-3 X2CrNiMoN17-13-3

1.4571 KO 35Ti 1.4580 1.4432 1.4429

≤ 0.080 ≤ 0.080 ≤ 0.030 ≤ 0.030

X3CrNiMo17-13-3 X2CrNiMo18-14-3 X2CrNiMoN18-12-4

1.4436 ≤ 0.030 16.50…18.50 1.4435 KO 38LC ≤ 0.050 17.00…19.00 1.4434 ≤ 0.030 16.50…19.50

X2CrNiMo18-15-4 X12CrMnNiN17-7-5

1.4438 KO 42LC ≤ 0.030 17.50…19.50 1.4372 ≤ 0.150 16.00…18.00

X2CrMnNiN17-7-5

1.4371

≤ 0.030 16.00…17.00

X12CrMnNiN18-9-5

1.4373

≤ 0.150 17.00…19.00

X3CrNiCu19-9-2 X6CrNiCuS18-9-2

1.4560 1.4570

≤ 0.035 18.00…19.00 ≤ 0.080 17.00…19.00

16.00…19.00 16.50…18.50 17.50…19.50 18.00…20.00 17.00…19.50 17.00…19.00 17.00…19.00 17.00…19.00 17.00…19.00 17.00…19.00 24.00…26.00 16.50…18.50 16.50…18.50

16.50…18.50 16.50…18.50 16.50…18.50 16.50…18.50

X3CrNiCu18-9-4 1.4567 ≤ 0.040 17.00…19.00 X3CrNiCuMo17-11-3-2 1.4578 ≈KO 33 ≤ 0.040 16.50…17.50

132

Ni, %

Egyéb ötvöző, %

6.00…9.50 6.00…8.00 N=0.10…0.20 8.00…10.0 10.0…12.0 8.50…11.5 N=0.12…0.22 8.00…10.5 8.00…10.0 S=0.15…0.35 9.00…12.0 9.00…12.0 11.0…13.0 20.0…22.0 10.0…13.0 Mo=2.00…2.50 10.0…12.0 Mo=2.00…2.50 és N=0.12…0.22 10.0…13.0 Mo=2.00…2.50 21.0…23.0 Mo=2.00…2.50 és N=0.10…0.16 10.5…13.5 Mo=2.00…2.50 10.5…13.5 Mo=2.00…2.50 10.5…13.0 Mo=2.50…3.00 11.0…14.0 Mo=2.50…3.00 és N=0.12…0.22 10.5…13.0 Mo=2.50…3.00 12.5…15.0 Mo=2.50…3.00 10.5…14.0 Mo=3.00…4.00 és N=0.10…0.20 13.0…16.0 Mo=3.00…4.00 3.50…5.50 Mn=5.5…7.5 és N=0.05…0.25 3.50…5.50 Mn=6.00…8.00 és N=0.15…0.20 4.00…6.00 Mn=7.50…10.5 és N=0.10…0.20 8.00…9.00 Cu=1.50…2.00 8.00…10.0 S=0.15…0.35 és Cu=1.40…1.80 8.50…10.5 Cu=3.00…4.00 10.0..11.0 Cu=3.00…3.50 és


Mo=2.00…2.50 40. TÁBLÁZAT FOLYTATÁSA EN 10088-1 SZERINTI KORRÓZIÓÁLLÓ AUSZTENITESTES KRÓMACÉLOK FŐ ÖTVÖZŐI

EN jele

EN korábbi Cmax, % Cr, % Ni, % Egyéb ötvöző, % száma MSZ jele X1NiCrMoCu31-27-4 1.4563 ≤ 0.020 26.00…28.00 30.0…32.0 Cu=0.70…1.50 és Mo=3.00…4.00 X1NiCrMoCu25-20-5 1.4539 ≤ 0.020 19.00…21.00 24.0…26.0 Cu=1.20…2.00 és Mo=4.00…5.00 X1CrNiMoCuN25-25-5 1.4537 ≤ 0.020 24.00…26.00 24.0…27.0 N=0.17…0.25 és Cu=1.00…2.00 és Mo=4.70…5.70 X1CrNiMoCuN20-18-7 1.4547 ≤ 0.020 19.50…20.50 17.5…18.5 N=0.18…0.25 és Cu=0.50…1.00 és Mo=6.00…7.00 X1CrNiMoCuN25-20-7 1.4529 KO 45ELC ≤ 0.020 19.00…21.00 24.0…26.0 N=0.15…0.25 és Cu=0.50…1.50 és Mo=6.00…7.00

Az ausztenites korrózióálló acélok egészen kiemelkedő szívósággal rendelkeznek és ezt a tulajdonságukat igen kis hőmérsékletig megtartják. Az elridegedéssel szembeni igen nagy ellenállásukat a kis hőmérsékleten üzemelő berendezések anyagaként is hasznosítják. Az ausztenites acélok igen gazdag választékban állnak rendelkezésre, ezért további alcsoportokra bontásuk szükséges. A karbon- és egyéb ötvözőelem tartalmuknak megfelelően az ausztenites korrózióálló acélok alcsoportjai: ∗∗ molibdén mentes ausztenites korrózióálló acélok egy szerencsés kompromisszumot jelentenek az ár és a korrózióállóság között. Nehezebben forgácsolhatók mind a ferrites, mind a martenzites acéloknál. Ezért hasonlóan azokhoz, van olyan típusa, amelynek kéntartalma meghaladja a 0.15 %-ot, de ez a korrózióállóság számottevő csökkenését okozza. ∗∗ molibdénnel ötvözött ausztenites korrózióálló acélok különösen a klórion okozta lyukkorrózióval szemben különösen ellenállók. A nagyobb kéntartalom lerontja a molibdén ötvözés kedvező hatását. A nitrogén leadására képes gázközegekben üzemelő és a salétromsavnak kitett acélokban a molibdén ötvözés nem kívánatos. ∗∗ extra kis karbontartalmú ausztenites korrózióálló acélok karbontartalma nem haladja meg a 0.03 %-ot. Az ilyen kis mennyiségű karbon végig oldatban marad az ausztenitben, ezért nem vegyül a krómmal, króm-karbid kiválást okozva. ∗∗ stabilizált ausztenites korrózióálló acélok titán és/vagy nióbium tartalma megakadályozza a króm-karbid képződését és kiválását a szemcsehatár mentén a hőkezelés és/vagy a hegesztés során. A képződő titán- és/vagy nióbium-karbid kedvező hatása, hogy növeli az acél szilárdságát egészen 600 OC-ig.

133


∗∗ teljesen ausztenites korrózióálló acélok nagyobb króm- és molibdéntartalma társulva a nagyobb nikkel- és nitrogéntartalom eredményezte homogén ausztenites szerkezettel kitűnő korrózióállóságot eredményez még igen agresszív közegekben is. 41.

TÁBLÁZAT

EN 10088-1

SZERINTI KORRÓZIÓÁLLÓ AUSZTENITESTES KRÓMACÉLOK MECHANIKAI TULAJDONSÁGAI

EN jele X10CrNi18-8 X2CrNiN18-7 X2CrNi18-9 X2CrNi19-11 X2CrNiN18-10 X5CrNi18-10 X8CrNiS18-9 X6CrNiTi18-10 X6CrNiNb18-10 X4CrNi18-12 X1CrNi25-21 X2CrNiMo17-12-2 X2CrNiMoN17-11-2 X5CrNiMo17-12-2 X1CrNiMoN25-22-2 X6CrNiMoTi17-12-2 X6CrNiMoNb17-12-2 X2CrNiMo17-12-3 X2CrNiMoN17-13-3 X3CrNiMo17-13-3 X2CrNiMo18-14-3 X2CrNiMoN18-12-4 X2CrNiMo18-15-4 X2CrNiMoN17-13-5 X1CrNiSi18-15-4 X12CrMnNiN17-7-5 X2CrMnNiN17-7-5 X12CrMnNiN18-9-5 X1NiCrMoCu31-27-4 X1NiCrMoCu25-20-5 X1CrNiMoCuN25-25-5 X1CrNiMoCuN20-18-7 X1CrNiMoCuN25-20-7

EN Korábbi száma MSZ jele

Rm, MPa

1.4310 1.4318 1.4307 1.4306 1.4311 1.4301 1.4305 1.4541 1.4550 1.4303 1.4335 1.4404 1.4406 1.4401 1.4466 1.4571 1.4580 1.4432 1.4429 1.4436 1.4435 1.4434 1.4438 1.4439 1.4361 1.4372 1.4371 1.4373 1.4563 1.4539 1.4537 1.4547 1.4529

600...950 650...850 520…670 520…670 550…750 520…720 500…700 520…720 520…720 500…650 470...670 530…680 580...780 530…680 540...740 540…690 520...720 550…700 580…780 550...700 550…700 570…770 550...700 580…780 530...730 750…950 650...850 680…880 500...700 530…730 600…800 650…850 650…850

KO 41LC ≈KO 33 KO 36S KO 37Ti KO 37Nb

KO 35Ti

KO 38LC KO 42LC KO 43ELC

KO 45ELC

Rp0.2min., Amin., % Hegesztéskor szemMPa csehatár korrózióval szemben ellenálló 250 40 nem 330 40 igen 240 45 igen 200 45 igen 270 40 igen 210 45 nem 190 35 nem 200 40 igen 200 40 igen 220 45 nem 200 40 igen 220 40 igen 280 40 igen 220 40 nem 250 40 igen 220 40 igen 220 40 igen 220 40 igen 280 35 igen 220 40 nem 220 40 igen 270 35 igen 220 35 igen 270 35 igen 220 40 igen 330 45 nem 280 45 igen 320 45 nem 220 40 igen 220 35 igen 290 40 igen 300 35 igen 300 40 igen

Az ausztenites króm-nikkel ötvözetcsoportba tartozó acélok - szemben a ferrites szerkezetűekkel -, számottevően kisebb folyáshatárral, de lényegesen na-

134


gyobb szakadási nyúlással rendelkeznek. Olyan alkalmazásoknál, ahol a mechanikai igénybevétel is jelentős, például nyomástartó edényeknél, a méretezés alapjául szolgáló folyáshatár értéke a szükséges falvastagságon keresztül a gyártmány tömegét, így árát is érzékenyen befolyásolja. A szakítószilárdság és részben a folyáshatár is növelhető a szubsztitúciósan oldódó króm, mangán és molibdén ötvözéssel, de ezzel csak csekély növekedés érhető el és ez is igen költséges. Az ausztenit folyáshatára jelentősen növelhető például az interstíciósan oldódó nitrogén ötvözésével, mint az az X2CrNiMo17-12-2 és X2CrNiMoN17-11-2, vagy az X2CrNiMo17-12-3 és X2CrNiMoN17-13-3 acélok mechanikai tulajdonságainak összevetéséből is látható. Az ausztenites króm-nikkel ötvözetcsoportba tartozó acélok nemcsak kiváló korrózióval szembeni ellenállásukkal és nagy alakváltozó-képességükkel tűnnek ki, hanem ausztenites szerkezetüknek köszönhetően - szemben a ferrites szerkezetű acélokkal -, kis hőmérsékleteken sem ridegednek el. A kriogén berendezések, mint a levegőbontók, vagy vegyipari rendszerek üzemi hőmérsékletén a ferrit, az ausztenittel ellentétben, elridegedik. Az ausztenites szerkezetű, krómmal és nikkellel erősen ötvözött acélok a legtöbb szilárd-, folyékony- és gáz halmazállapotú korrozív anyaggal szemben ellenállóak, kedvező mechanikai tulajdonságúak, melegen-, valamint hidegen kiválóan alakíthatóak, hegesztésük nem igényel a szokásosnál nagyobb felkészültséget és forgácsolhatóak. E tulajdonságok ezt az anyagcsoportot nélkülözhetetlenné teszik a vegyipari gépgyártásban, a tengeri hajógyártásban és a járműipar felsorolhatatlanul számos területén. Az ausztenites korrózióálló acélok felület-kikészítéssel rendkívül esztétikus megjelenést nyújtanak a termékeknek, amit pótlólagos védelem nélkül is gyakorlatilag korlátlan ideig megőriznek. Ez a tulajdonságuk igen népszerűvé teszi alkalmazásukat a közszükségleti-, háztartási cikkek gyártásában és az építőiparban. A rendkívül széles alkalmazási területekhez, a számos feldolgozási technológiához leginkább megfelelő tulajdonságú ötvözet az ausztenites korrózióálló acélok igen gazdag választékát igényli. Ezt a változatosságot tükrözi a 41. TÁBLÁZAT. Ennek is köszönhető, hogy a korrózióálló acélok termelése dinamikusan növekszik. A korróziónak egy sajátos, de a gyakorlatban meglehetősen köznapi fajtája, a nagy hőmérsékletű gázok károsító hatása az ipari berendezésekre. A nagy hőmérsékletű levegő képes oxidálni a vasat. Az ötvözetlen acélok kisebb hőmérsékleten még viszonylag jól ellenállnak a levegő oxidáló hatásának, mert a felületükön egy jól tapadó, összefüggő reve képződik. A reve, az Fe3O4, azonban képes az oxigén átadására a (78-80) reakcióegyenlet-sorozattal leírt mechanizmus alapján: 2[Fe] + O2 ⇔ 2(FeO) (78) 6(FeO) + O2 ⇔ 2(Fe3O4) (79) 4(Fe3O4) + O2 ⇔ 6(Fe2O3). (80) Az acél felületén oxigénnel érintkezve oxidáció során vas(II)-oxid képződik. További oxigén és vas felvétellel a vas(II)-oxid Fe3O4 vegyületet alkot. Az Fe3O4 és az FeO részlegesen oldják egymást. A felületen az oxigénnel érintkező Fe3O4 ismételt oxigén felvétellel Fe2O3-á alakul. Összefoglalva, az FeO réteg közvetítésével vas, az Fe2O3 közvetítésével oxigén kerül az Fe3O4 rétegbe, így az oxidációs folya-

135


mat a rétegek kialakulása után is fennmarad. Az oxidációs folyamatot szemlélteti a 39. ábra. A koncentráció-különbség okozta diffúzió miatt-, a folyamat újra és újra kezdődik. Ha a diffúzió viszonylag lassú, az egyre vastagodó oxidréteg miatt olyannyira lelassul, hogy mintegy passziváló réteg szerepét tölti be. A hőmérséklet növekedésével a diffúzió rohamosan gyorsul, ezáltal a reveréteg kvázi védő hatása megszűnik. Különösen gyorssá válik a folyamat, ha a rideg reveréteg valamilyen mechanikus hatás miatt feltöredezik, megsérül.

Fe

FeO

Fe 3O4 Fe2O3 O2

e-

O2 e-

e-

39. ábra A vas nagyobb hőmérsékletű oxidációs folyamatának vázlata

Revésedésállónak tekinthető egy anyag addig a hőmérsékletig, amíg az oxidációs sebesség nem haladja meg az 1 g/m2 értéket óránként, továbbá a hőmérséklet 50 OC-os növekedése esetén sem nagyobb ennek duplájánál. Az ötvözetlen acélok 500 OC-os hőmérsékletig viszonylag jól ellenállnak a levegő oxidáló hatásának, de ennél nagyobb hőmérsékleten, vagy a levegőnél agresszívabb közegnek, mint a füstgázoknak már nem. A króm-oxid, - szemben a revével -, nem közvetíti az oxigént az acél belseje felé, ugyanakkor az erősen agresszív kén-dioxid tartalmú füstgázoknak is ellenáll. A homogén szerkezetű, allotróp átalakuláson át nem eső ötvözeteknél, az oxidréteg feltöredezésével sem kell számolni. A krómmal erősen ötvözött, ferrites, illetve ausztenites szerkezetű acélok egyaránt alkalmasak a nagy hőmérsékleten fellépő korrózióval szembeni ellenállásra. A szobahőmérséklethez közeli hőmérséklet-tartományban alkalmazott, a 38. és a 40. TÁBLÁZAT-ban bemutatott ferrites és ausztenites króm illetve króm-nikkel ötvözésű acélok revésedéssel szembeni ellenállása nagyobb mennyiségű króm-, továbbá szilícium- és alumínium ötvözésével fokozható. Ennek alapját az adja, hogy a felületet érő oxigén elsősorban a felületen levő, ötvöző króm-, szilícium- és alumínium ionok kötik meg. A keletkező vas-oxid komplex vegyületeket alkot az előbb felsorolt oxidokkal, ezért a vas-oxid oxigén közvetítő szerepet nem tud ellátni, vagyis a nagy olvadáspontú ionos vegyületek, a króm-, a szilícium- és az alumínium-oxid védő szerepet tölt be. A szilícium, valamint az alumínium szerepe fontos ezért a revésedésálló acélokban. A szilícium revésedéssel szembeni ellenállást növelő hatása mintegy háromszor erősebb, mint a krómé, az alumíniumé pedig mintegy négyszerese a króménak. A hőálló acélok összetételét és mechanikai tulajdonságait az MSZ EN

136


10095 szabvány írja elő. A ferrites szövetszerkezetű acélok adatait a 42. és 43. TÁBLÁZAT, az ausztenites szerkezetűekét a 42. és 43. TÁBLÁZAT foglalja össze. A 38. TÁBLÁZAT adataiból látható, hogy a ferritben oldott krómtartalom jelentősen növeli a megengedhető üzemi hőmérsékletet. Összehasonlítva a H 12 és H 17 ötvözeteket, szembetűnő, hogy számottevő krómötvözés váltható ki az olcsóbb szilícium és alumínium ötvözésével. 42. TÁBLÁZAT EN jele

REVÉSEDÉSÁLLÓ FERRITES KRÓMACÉLOK EN 10095 SZERINTI LEGFONTOSABB ÖTVÖZŐI

X3CrAlTi18-2

EN korábbi Cmax, % Cr, % száma MSZ jele 1.4736 0.04 17...18

X10CrAlSi13 X10CrAlSi18 X10CrAlSi25 X15CrNiSi25-4 X18CrN 28

1.4724 1.4742 1.4762 1.4821 1.4749

43. TÁBLÁZAT EN jele

H 12 H 13 H 14 H 15 H 17

0.12 0.12 0.12 0.20 0.20

Ni, %

Si, %

Al, %

Egyéb ötvöző, %

≤ 1.0 1.7…2.1 Ti=0.2+4(C+N) ≤0.8 12...14 0.7...1.4 0.7...1.2 17...19 0.7...1.4 0.7...1.2 23...26 0.7...1.4 1.2...1.7 24…26 3.5…5.5 0.8...1.5 26...29 N = 0.15..0.25 ≤ 1.0 -

REVÉSEDÉSÁLLÓ FERRITES KRÓMACÉLOK EN 10095 SZERINTI MECHANIKAI TULAJDONSÁGAI EN

korábbi Rm,min Rp0.2min.,

száma MSZ jele MPa X10CrAlSi13 1.4724 H 12 450 X10CrAlSi18 1.4742 H 13 500 X10CrAlSi25 1.4762 H 14 520 X15CrNiSi25-4 1.4821 H 15 500 X18CrN 28 1.4749 H 17 500

MPa 250 270 280 400 280

Amin. % 15 15 10 16 15

1 %-os kúszáshatár, Max. üzemi min.MPa 700 OC 800 OC 900 OC hőm., OC 8 4 2 850 8 4 2 950 8 4 2 1100 8 4 2 900 8 4 2 850

A ferrites revésedésálló acélok a nagy kéntartalmú gázokkal szemben jobb ellenálló képességűek, mint az ausztenites acélok. Hátrányuk viszont, hogy két hőmérséklet-tartományban is elridegednek, továbbá 1000 OC hőmérséklet felett a szemcsedurvulás rohamossá válik. A nagyobb krómtartalmú (Cr ≥ 21 %), ferrites acélokban a 400...540 OC-os hőmérséklet-tartományban diffúzióval rövid távú, stabilis krómion átrendeződés következik be a szilárdoldatban. A folyamat leggyorsabban 475 OC-on következik be, ezért ezt a jelenséget 475 OC-os elridegedésnek nevezik. Az átalakulás során képződő, kemény, rideg rendezett rács koherens kapcsolatban van az ágyazó mátrixszal, de rácsparamétere attól eltér, ezért a rácstorzulással is növeli a ridegedést. A rendeződés 600 OC fölé hevítéssel, vagy 250...300 OC-on 1...2 órás hőntartással megszűnik.

137


A nagy krómtartalmú ferrit másik elridegedése egy fémes vegyület, az FeCr, képződésével van összefüggésben. A σ-fázis kemény, amit a szemcsék belsejében mikrotűk formájában kiváló, nagy, 1000...1600 HV keménységű, nagyobb sűrűségű, 52 % krómot tartalmazó FeCr vegyület okoz. A vegyület 550...900 OC hőmérséklettartományban stabilis, de a képződés sebessége a 750...800 OC-on a leggyorsabb. A vegyületképződéshez szükséges króm koncentrálódása diffúzióval megy végbe, ami a hőmérsékleten kívül az oldó rács méretétől is függ. A ferrit rács - szemben az ausztenit rácsával -, nagyobb diffúziós sebességet tesz lehetővé, amit a ferritben oldott további elemek befolyásolnak. Kedvezőtlen, hogy a revésedésállóságot jelentősen növelő alumínium, de különösen a szilícium javítja a σ-fázis képződésének a feltételeit. A σ-fázis 900 OC hőmérsékleten elveszti stabilitását és diffúzióval a króm eloszlása ismét egyenletessé válik a szilárdoldatban. A folyamat a hőmérséklet némi növelésével gyorsítható, így a σ-fázis ridegítő hatását 1000 OC hőmérsékleten végzett oldó izzítással, majd ezt követő gyors hűtéssel meg lehet szüntetni. A 40. ábrán, a vas-króm-nikkel háromalkotós egyensúlyi diagram 650 OC-os hőmérsékletnek megfelelő metszetén tanulmányozható az egyes alkotók hatása a σ-fázis képződésére.

40. ábra A vas-króm-nikkel háromalkotós egyensúlyi diagram 650 OC-os metszete

A 40. ábra és a 42. TÁBLÁZAT adatainak elemzéséből következik, hogy a ferrites revésedésálló acélok közül az X10CrAlSi13 típus a kis krómtartalom miatt nem hajlamos a σ-fázis okozta elridegedésre, viszont a nagy hőmérsékleten fellépő korrózióval szemben ennek következtében kevésbé is ellenálló. Különösen kis ellenállást tanúsít ez a típus a nitrogéntartalmú gázokkal szemben. Kemencék, kazánok építésére használatos. A X10CrAlSi18, X10CrAlSi25 és X18CrN 28 típusok elridegedésre kissé hajlamosak ezért használatuk ott célszerű, ahol a gyártmány nincs kitéve lényeges hőmérséklet-ingadozásnak és üzemeltetési hőmérsékletük meghaladja a σ-

138


fázis stabilitásának felső határát a 850...900 OC-ot. Tipikus alkalmazási területük a nagy hőmérsékletű só- vagy fémolvadékok - mint rézötvözetek -, tárolására szolgáló tartályok. 44. TÁBLÁZAT

REVÉSEDÉSÁLLÓ, EN 10095 SZERINTI

AUSZTENITES KRÓM-NIKKEL

ACÉLOK LEGFONTOSABB ÖTVÖZŐI

EN jele

EN korábbi Cmax, % Cr, % Ni, % Si, % száma MSZ jele X6CrNiSiNCe19-10 1.4818 0.08 18…20 9…11 1.0…2.0 X6NiCrNbCe32-27 1.4877

0.08

26…28 31…33

X6NiCrSiNCe35-25 1.4854

0.08

24…26 34…36 1.2…2.0

H9

0.10 0.10 0.12

24...26 19...22 ≤ 1.5 17...19 9...12 ≤ 1.0 20…22 10…12 1.4…2.5

1.4876 1.4886 1.4887 1.4864 1.4833 1.4828 H 8 1.4841 H 10

0.12 0.15 0.15 0.15 0.15 0.20 0.20

19…23 17…20 20…23 15...17 22…24 19…21 24...26

X8CrNi25-21 1.4845 X8CrNiTi18-10 1.4878 X9CrNiSiNCe21-11-2 1.4835 X10NiCrAlTi32-21 X10NiCrSi35-19 X10NiCrSiNb35-22 X12NiCrSi35-16 X12CrNi23-13 X15CrNiSi20-12 X15CrNiSi25-21 45. TÁBLÁZAT

30…34 33…37 33…37 33…37 12…14 11…13 19...22

REVÉSEDÉSÁLLÓ, EN 10095 SZERINTI

-

≤ 1.0 1.0…2.0 1.0…2.0 1.0…2.0 ≤ 1.0 1.5…2.0 1.5…2.5

Al, %

Egyéb ötvöző, %

-

Ce=0.03…0.08 és N=0.12…0.20 Ce=0.05…0.10 és Nb+Ta=0.6…1.0 Ce=0.03…0.08 és N=0.12…0.20 5C≤ Ti≤ 0.8 Ce=0.03…0.08 és N=0.12…0.20 0.15…0.6 Ti=0.15…0.60 Nb+Ta=0.6…1.0

AUSZTENITES KRÓM-NIKKEL

ACÉLOK MECHANIKAI TULAJDONSÁGAI

koEN rábbi EN jele száma MSZ jele X8CrNi25-21 1.4845 H 9 X8CrNiTi18-10 1.4878 X9CrNiSiNCe21-11-2 1.4835 X10NiCrAlTi32-21 1.4876 X12NiCrSi35-16 1.4864 H 7 Ni X12CrNi23-13 1.4833 X15CrNiSi20-12 1.4828 H8 X15CrNiSi25-21 1.4841 H 10

Rm,min MPa

≥ 500 510…710 ≥ 600 540…740 ≥ 550 500…700 ≥ 550 550…800

Rp0.2min., Amin. MPa % 210 195 310 245 230 210 230 230

50 45 40 30 50 26 30 30

1 %-os kúszáshatár, Max. min.MPa üzemi 700 OC 800 OC 900 OC hőm., OC 45 18 10 1000 43 16 800 60 50 50 45 53

30 25 20 18 23

12 8 10 10

800 900 1000 900 1000

Az ausztenites szerkezetű acélokban a σ-fázis képződése nem kizárt, de lényegesen lassabban megy végbe, mint a ferrites típusokban. Az ausztenites típusok további előnye, hogy szemcsedurvulásra is kevésbé hajlamosak és hatásosan képesek ellenállni a nitrozus gázok károsító hatásának.

139


Az ausztenites revésedésálló acélok kúszáshatára - mint az a 43. és a 45. adatainak összehasonlításából kitűnik -, lényegesen nagyobb. Olyan esetekben, amikor a korrózió mellett még mechanikai igénybevételnek is ki van téve a szerkezet - a nikkelötvözés miatt drágább (ld. 120. TÁBLÁZAT) -, ausztenites acélok alkalmazása gazdaságosabb lehet. TÁBLÁZAT

Abban az esetben, ha az acélban a nikkeltartalom - amint az a 40. ábrából látható -, meghaladja a 30 %-ot, akkor semmilyen krómtartalom mellett sem képződik σ-fázis. Ezt az tulajdonságot használják ki olyan esetekben, amikor az acél nagy hőmérséklet-ingadozásnak van kitéve például az X12NiCrSi35-16 ötvözetnél, amit elsősorban a gázturbina alkatrészek gyártásában alkalmaznak. Az X15CrNiSi20-12 típusú acél kiválóan ellenáll nitrogéntartalmú, oxigénszegény gázzal szemben. Ezek a tulajdonságok és a többi típushoz viszonyított alacsonyabb ár miatt széleskörűen alkalmazzák hőkezelő berendezések anyagaként. Az X8CrNi25-21 és az X15CrNiSi25-21 típusokat a nagy mechanikai igénybevételnek kitett alkatrészek, vegyi- és ásványolaj-ipari berendezések szerelvényeihez alkalmazzák. 4.1.3.2

Az interstíciós szilárdoldatok

Ha egy atom olyan helyre ékelődik be, ahol az ideális, rendezett kristályban nincs rácspont, akkor interstíciós szilárdoldat keletkezik. Az interstíciós szilárdoldatokban általában az oldó anyag és az interstíciós atom eltér egymástól, de interstíciósan oldottnak kell tekinteni színfémek rendezetlenül elhelyezkedő atomjait is. Frenkel feltételezése szerint a rácsban egyes atomok olyan nagy termikus energiával is rendelkezhetnek, hogy a szabályos pozíciójukat elhagyva interstíciós pozíciót vesznek fel, maguk mögött üresen hagyva helyüket, vakanciát hozva létre. A Frenkel feltételezés szerint tehát egyidejűleg két, pontszerű hiba, egy interstíciós atom és egy vakancia keletkezik. A hibák lényegesen gyakoribbak, mint az a Frenkel féle feltételezéssel magyarázható, mert a Frenkel-hiba keletkezéséhez igen nagy energiára van szükség. Wagner és Schottky az üres rácshelyek keletkezését úgy magyarázza, hogy a kristályhatáron meglevő hibahelyekre épül be a kristály belsejéből egy-egy atom eközben, üres rácshelyet hagy maga mögött. Ennek a mechanizmusnak az energiaigénye lényegesen kisebb, ezért valószínűsége sokkal nagyobb. Mind a Frenkel, mind a Wagner és Schottky feltétel szerinti rácshibák keletkezése a termikus energiára vezethető vissza, termikusan aktivált folyamat, ezért a termikus hibák koncentrációja a hőmérséklettel exponenciálisan nő a (81) összefüggés szerint: W n0 = N exp () (81) kT ahol: n0.......az üres rácshelyek, vagy interstíciós atomok száma, db, N....... a rendszerben levő összes rácshelyek száma, db, k.........Boltzmann állandó, k = 1.38* 10-23 J/K, T.........hőmérséklet, K,

140


W........egy üres rácshely, vagy egy interstíciós atom képződéséhez szükséges energia, J.

Ha a fémet lassan, az egyensúly folyamatos fenntartása mellett hűtik le, akkor ezek a hibák a szemcsehatárok, diszlokációk mentén rendeződnek, megsemmisülnek és a hibahelyek koncentrációja a mindenkori hőmérséklettel meghatározott. Gyors hűléskor az egyensúly kialakulásának leírt folyamata nem tud végbemenni, a rendezetlenségek befagynak. Meg kell említeni, hogy a termikusnál lényegesen nagyobb, koncentráltabb energia elnyelődéskor - mint amilyen a neutronsugárzás -, nagyszámú atom kerül interstíciós helyzetbe, ami termikusan nem, vagy csak kismértékben tud rendeződni. Az alumínium, a réz és a vas viszonylag tömött rácsszerkezetének, a kis rácshézagnak köszönhetően néhány, szobahőmérsékleten normál nyomáson gázhalmazállapotú elem kivételével, szinte egyetlen más elemmel sem alkot interstíciós szilárdoldatot. Az interstíciós szilárdoldat akkor sem jöhet létre, ha a fém - a méretét tekintve egyébként oldódni képes elemmel - inkább vegyületet, mintsem szilárdoldatot alkot. Ilyen eset fordul elő az acél és az alumínium esetében az oxigénnel, illetve az alumínium esetében a nitrogénnel. Az oxigén és a nitrogén például az alumíniummal nagy képződési szabadentalpiával rendelkező AlN, illetve Al2O3 vegyületet alkot (ld. 7. diagram). Az interstíciós oldódásban akkor is jelentős változás következik be, ha két - egyébként oldható elem -, egymással és az oldó fémmel alkot vegyületet, mint acéloknál a bór és a karbon pl. Fe23(BC)6 formájában. Az interstíciósan oldódó elem mennyisége értelemszerűen függ az oldott atom méretétől, a rácsban meglevő legnagyobb hézag méretétől és ezek számától. Az egyensúlyi oldhatóság egyszerű számítással (a legnagyobb hézagok száma/atomok száma a rácselemben) nem határozható meg, mert az interstíciósan oldott elemek nemcsak annak az egyetlen cellának a méretét torzítják, amelyben oldódnak, hanem a környezőkét is, így módosítják az elméleti oldhatóság értékét. Például az ausztenitben maximálisan 2.11 tömeg % karbon képes oldódni 1148 OC-on, vagyis 21 rácselemben a 84 vasion mellett 8 karbonatom található, ebből következően hozzávetőleg minden harmadik elemi cella tartalmaz egy karbonatomot. Az alumínium, réz és vas esetében, az interstíciós oldódás szempontjából számításba vehető elemek kovalens atomsugaráról, a rácselemben rendelkezésre álló legnagyobb hézag méretéről, néhány jellemző hőmérsékleten az oldhatóságról ad áttekintést a 46. TÁBLÁZAT. Az allotróp átalakulástól eltekintve a rácsparaméter, így a rácshézag mérete is a kisebb hőmérsékleteken kisebb, ebből következően az oldhatóság is csökken. Abban az esetben, ha a szilárdoldat olyan gyorsan hűl le, hogy az oldatból az oldhatatlanná vált elem diffúzióval nem tud kiválni, túltelített szilárdoldat jön létre. Hűléskor az oldhatatlanná vált hidrogén a fém felületén képes kilépni, megszüntetve ezzel a túltelítettséget. A fém belsejéből a koncentráció-különbség hatására a hidrogénatomok a kisebb hidrogéntartalmú felület irányába vándorolnak. A hidrogén diffúziója viszonylag könnyen végbemehet, mert amint az a 46.TÁBLÁZAT adataiból látható, a hidrogén olyan kicsiny méretű, hogy - az α-vastól eltekintve - a rácsban kellő hely áll a rendelkezésére, így az egyik cellából a másikba kis energia-

141


befektetés árán képes átjutni. A vázolt mechanizmus alapján érthető, hogy a hidrogén eltávozása a fémből a hűlés sebességén kívül attól is függ, hogy milyen vastagságú a termék, mekkora úton tud eljutni az oldott hidrogén a felületre. 46. TÁBLÁZAT

AZ INTERSTÍCIÓS SZILÁRDOLDATOT ALKOTÓ ELEMEK JELLEMZŐI

Legnagyobb Oldott Atomátmérő, Oldhatóság, Oldhatóság, Max. oldhatóság Oldhatóság, hézag, nm elem nm olvadék tö- szilárd max. hőmérséklete, 20 OC-on OC tömeg % meg % tömeg % H 0.092 0.0002 727 nyomokban α vas 1 db.0.0727 N 0.140 0.0013 727 0.0008 (tkk) C 0.142 0.022 727 0.008 H 0.092 0.0027 0.0004 1394 γ vas 2 db.0.1067 N 0.140 0.135 0.028 1394 (fkk) C 0.142 6.67 2.11 1148 B 0.154 0.1 1394 alumínium H 0.092 0.64 0.05 660 nyomokban 2 db 0.119 réz H 0.092 0.0005 0.0002 1085 0.00002 2 db.0.1059 N 0.140 nyomokban

A szokásos kohászati alakítások során, egyrészről az anyag alakváltozása, másrészről a viszonylag lassú hűlés miatt a kohászati késztermékekben hidrogénben túltelített szilárdoldat nem alakul ki. Az oldhatósági határáig telített olvadék nagyon gyors hűlésekor, mint amilyen ömlesztő hegesztésekkor fordul elő, a nagy mennyiségű hidrogén a diffúziója során a nagyobb hézagokkal rendelkező helyeken - például a szemcsehatárok mentén -, az üres helyeket kitölti. Ha egy ilyen helyen két hidrogénatom találkozik, molekulává egyesül. A hidrogénmolekula sugara többszöröse a hidrogénatom sugarának, ezért további diffúzióra képtelen. Ha nagyobb számú hidrogénmolekula gyűlik össze a mikropórusokban, akkor nyomásuk akár a fém folyáshatárát is elérheti. A hidrogén kedvezőtlen hatása még gyors hűlés esetén is elkerülhető, ha közvetlenül a lehűlést követően a diffúziót gyorsítandó, 100...300 OCon, a vastagságtól függően 1...10 órán keresztül hőn tartják az anyagot. A túltelített szilárdoldatban az interstíciósan oldott nitrogén jelentős rács-torzulást, ezáltal az egyensúlyitól eltérő energiaállapotot hoz létre. A rendszernek a minimális energiára törekvése a hajtóereje annak a kiválásnak, amely során a túltelített oldatból az oldott gáz diffúzióval távozik. A szobahőmérsékleten a vasban a karbon vagy a nitrogén diffúziós tényezője tizenkét nagyságrenddel kisebb, mint a hidrogéné, amint az a 47. TÁBLÁZAT adataiból látható. A túltelített, torzított rácsú szilárdoldatból a kiválni igyekvő karbon, vagy nitrogén, ha a kristályon belül szűken értelmezett környezetében van olyan hely, ahol a rácshézag nagyobb, akkor oda diffundál. Ilyen hely lehet egy diszlokáció. A nagyobb hézagokban az oldott elem kisebb energiájú helyzetet foglal el, ezért egyrészt az atomok ilyen helyekre diffundálnak, másrészt a további diffúzió lehetősége ezzel megszűnik. A diszlokációk környezetében elhelyezkedő karbon és nitrogén a diszlokáció mozgását gátolja, az anyagot ridegíti. A folyamat szobahőmérsékleten lassan,

142


hónapok, sokszor évek alatt következik be, ezért ezt a jelenséget öregedésnek nevezik.

143


47. TÁBLÁZAT Hőmérséklet, OC 20 100 200 300 400 500 700 900 1000 1100

NÉHÁNY ELEM DIFFÚZIÓS TÉNYEZŐJE VASBAN Fázis

α-vas

γ-vas

H 1.5 x 10-3 4.4 x 10-3 1.0 x 10-2 1.7 x 10-2 2.5 x 10-2 3.3 x 10-2 4.9 x 10-2 6.3 x 10-2 1.8 x 10-2 3.3 x 10-2

Diffúziós tényező, mm2/s C N 10-15 10-15 10-12 10-12 -9 1.0 x 10 1.7 x 10-9 -8 4.3 x 10 5.3 x 10-8 5.9 x 10-7 6.0 x 10-7 4.1 x 10-6 3.6 x 10-6 -5 6.1 x 10 4.4 x 10-5 -4 3.6 x 10 2.3 x 10-4 3.0 x 10-5 1.4 x 10-5 -4 2.5 x 10 9.6 x 10-5

Fe 10-40 10-31 10-24 10-19 10-16 10-14 10-11 9 x 10-8 2 x 10-10 3.5 x 10-9

A diszlokációk blokkolásának legszembetűnőbb hatása a dinamikus igénybevétellel szembeni ellenállás csökkenése, az átmeneti hőmérséklet emelkedése, a folyáshatár növekedése. Különösen az oldott nitrogéntartalom emeli az átmeneti hőmérsékletet, ezért már az acélgyártás során törekedni kell a kis nitrogéntartalom elérésére. Megoldást jelent a nitrogén megkötése stabilis nitridek formájában, amelyek nem oldódnak a ferritben, így diffúzióra képtelenek. A nitridek szabadentalpiájáról ad áttekintést a 7. diagram. Az öregedésre nem hajlamos acélok ennek megfelelően cirkóniummal, titánnal, alumíniummal, bórral vagy vanádiummal mikroötvözöttek. Az acélok hűlésekor a leírt folyamatok mellett egy másik - a tulajdonságokban minőségi változást eredményező -, γ ⇒ α átalakulás is végbemegy. Az ausztenit karbonoldó-képessége az átalakulás hőmérsékletén több mint egy nagyságrenddel nagyobb, mint a ferrité. Ha az átalakuló ausztenitben oldott karbontartalom meghaladja a ferrit maximális karbonoldó-képességét, akkor egyensúlyi átalakulást feltételezve, a kis karbontartalmú ferrit mellett egy másik, a már nem oldható karbont magába foglaló, nagy karbontartalmú fázisnak, karbidnak, vagy grafitnak kell megjelenni. Az új fázis megjelenése, hasonlóan az olvadékok kristályosodásához (ld. 3.1. pontot), a kristálycsíra képződésével kezdődik. A csíraképződés elengedhetetlen feltétele a túlhűtés, amivel elérhető, hogy az ausztenit szabad energiája nagyobb legyen, mint a belőle képződő fázisoké. A túlhűtés mértékének növekedésével a szabadenergia különbség egyre nő, ami egyre nagyobb késztetést jelent a γ ⇒ α átalakuláshoz. A karbont egyenletes eloszlásban tartalmazó ausztenitből egy kis- és egy nagy karbontartalmú fázis képződése szükségessé teszi a karbonatomok mozgását, a diffúziót. A diffúzió időszükséglete az átalakulás hőmérsékletén - a Fick-törvénynek megfelelően -, a koncentráció-különbségtől (a két fázis karbontartalmának arányától), diffúzió úthosszától (szemcsemérettől), valamint a diffúziós tényezőtől függ. A karbon diffúziós tényezője a vasban - mint az a 47. TÁBLÁZAT adataiból látható -, még ferritben is viszonylag csekély, ami a hőmérséklet csökkenésével a II. Fickegyenletnek meg-felelően exponenciálisan még tovább csökken.

144


Az ausztenites szerkezetű, vasat és karbont tartalmazó acél, igen gyors lehűtésekor nincs elegendő idő arra, hogy a diffúzió kellő mennyiségű karbont tudjon egy helyre koncentrálni ahhoz, hogy nagy karbontartalmú karbid-kristálycsíra alakulhasson ki. A kristálycsíra képes lenne megindítani az új fázis szemcséjének növekedését és ezáltal a koncentráció különbség irányította gyors karbondiffúziót. Ennek elmaradása a lehűlés során a felületen középpontos kockarácsú vasnak, az ausztenitnek, olyan méretékű instabilitását okozza, hogy a rács, benne az oldott karbonatomokkal átbillen térben középpontos kockarácsúvá. A 30. TÁBLÁZAT adataiból látható, hogy a térben középpontos kockarácsban levő hézag még a felületen középpontos kockarácsban a karbon számára rendelkezésre álló helynél is kisebb. Ezért a „befagyott” karbon a kockarácsot tetragonálissá torzítja. Az így létrejött, torzult rácsú ferrit tulajdonságaiban olyannyira eltér az α-vasétól, hogy attól elnevezésében - martenzit -, is megkülönböztetik. A martenzites átalakulás tehát a diffúziót nélkülözi, és a rácsot alkotó atomok egyszerű átrendeződésével anélkül megy végbe, hogy az atomok relatív helyzete megváltozna. Ebből következően az átalakulás sebessége sokszorosa a diffúzióval kísért átalakulásokénak. A martenzites átalakulás során a felületen középpontos kockarácsból (a 41. ábrán vékony vonallal jelölve) a térben középpontos kockarács (a 41. ábrán vastag vonallal jelölve) úgy alakul ki, hogy egyidejűleg atomsíkok rendeződnek át, vagyis mozdulnak el új kristálytani síkokat képezve, amint azt a 41. ábra szemlélteti. Az átalakulás egyidejűleg nem terjed ki a kristály, de különösen nem, - mint az az előzőkből kitűnik -, a sok kristályt tartalmazó anyag egészére. Az egyetlen kristályban az átalakult és az átalakulás előtt álló részek között a kapcsolatot a mindkét részhez tartozó, szemikoherens határ választja el egymástól. Ez a folyamat lényegét tekintve képlékeny alakváltozás. Ez egyben azt is jelenti, hogy a martenzites átalakulás során a diszlokáció-sűrűség igen nagymértékben nő.

41. ábra A martenzites átalakulás során a felületen középpontos kockarács átrendeződése térben középpontos kockarácsúvá

Egy ausztenitszemcse átalakulása martenzitté a térfogat növekedésével jár, ami a környező ausztenit szemcsékben nyomófeszültséget hoz létre, így - a 4.1.3.1. pontban leírtaknak és a 17. diagramnak megfelelően -, mintegy stabilizálja az ausztenitet. Az így stabilizálódó ausztenitnek a martenzitté alakulásához további

145


szabadentalpia-különbségre, vagyis túlhűtésre van szükség. Ennek elmaradása a megmaradó ausztenit diffúziós átalakulásához, illetve a maradék-ausztenithez vezet. Az Ms az a hőmérséklet, amelynél a martenzites átalakulás megkezdődik, az Mf hőmérsékletnél az ausztenit martenzites átalakulása megáll. 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 -50 -100


Ms

Mf 0

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

1

1,1 1,2

Karbontartalom, %

20. diagram A karbontartalom hatása a martenzites átalakulás kezdeti, Ms és befejező Mf hőmérsékletére

Az ausztenitben oldott karbontartalom növekedésével az Ms és az Mf hőmérséklet csökken, a martenzit rácstorzulása nő. A vasat és karbont tartalmazó ötvözetek Ms és Mf hőmérsékletének karbontartalomtól függő változását mutatja be a 20. diagram. Az átalakult martenzit mennyisége csak a hűtés véghőmérsékletétől függ és független a hőntartás idejétől. Valamely Ms és Mf hőmérséklet-közbe hűtött és ott hőntartott acélban az adott hőmérsékletnek megfelelő mennyiségű ausztenit alakul át. Az ausztenit meghatározott időtartamú hőntartás után nem martenzites, hanem lassan, diffúziós úton alakul át. Az átalakulás mértékét a hűtési hőmérséklet függvényében a 21. diagram szemlélteti. A nagy karbontartalmú ausztenit átalakulásakor olyan nagy nyomás is felléphet, hogy az Mf hőmérsékleten sem tud az átalakulás teljes körűen végbemenni és maradék-ausztenitet képezve kétfázisú ötvözet jön létre. Amint az a 20. diagram alapján látható, kb. 0.6 %-nál nagyobb karbontartalom esetén az Mf hőmérséklet kisebb, mint a szobahőmérséklet. Ezért a szobahőmérsékletig való hűtéskor az Mf hőmérséklethez tartozó mennyiségnél nagyobb menynyiségű ausztenit marad vissza.

146


100

Martenzit, %

80

maradék ausztenit

60 40 20 0

0

0,1 0,2 Mf 0,3 0,4 20 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

1

1,1 Ms 1,2


21. diagram A hűtés hőmérsékletének hatása a martenzites átalakulás mértékére

Az ausztenit 21 rácselemében a 84 vasion között legfeljebb 8 karbonatom található, amiből a teljes martenzites átalakulást követően 42 térközepes rácselem képződik. Ebből következően legfeljebb minden ötödik elemi cella tartalmaz egy karbonatomot. Az oldott karbon a legnagyobb rácsparaméter változást természetesen azokban a rácselemekben okozza, ahol a karbonatom elhelyezkedik, de az ezekkel határos rácselemek akadályozzák ezt a torzulást és ezek rácsparamétere is megváltozik. A martenzites szerkezetet alkotó rácselemek átlagos torzulása attól függ, hogy mennyi az oldott karbontartalom, mint az a 22. diagramból látható. 0,3 0,298

Rácsméret, nm

Keménység, HV c

0,296 0,294

keménység

1400 1200 1000

0,292

800

0,29

600

0,288 0,286 0,284 0,282

400 a

200

0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 Karbontartalom, %

22. diagram A karbontartalom hatása a tetragonális, martenzites rácselem hosszabbik (c) és két rövidebb (a) rácsméretére, valamint a martenzit keménységére

147


A martenzites átalakulás kísérte rácsátrendeződés az anyag felületén levő kristályok egy részének kiemelkedésével, más részének a korábbi határoló sík alá süllyedésével jár. Az így kialakuló „domborzat”, aminek lényege a 41. ábrán a kontúrvonal törésein figyelhető meg, a martenzites átalakulás egy jól érzékelhető bizonyítéka. Ezzel összefüggő történelmi tény, hogy a középkor híres acéljának a damaszkuszi pengének a természetes minőségi védjegye a felületén párhuzamosan futó, a martenzites átalakulás okozta rovátkák, a „Mohamed lajtorjája” volt. A martenzites átalakuláshoz elengedhetetlen nagy túlhűtés csak gyors hűtéssel érhető el. A gyors hűlés során a 4.1.2. pontban leírt, az ausztenitesítési hőmérsékleten termikusan keletkezett nagyszámú vakanciának csak egy kis része szűnik meg. A nagyszámú vakancia társulva a rácsátbillenéses átalakulás kísérte nagy diszlokáció-sűrűséggel, valamint az oldott karbon rácstorzító hatásával együttesen a martenzitnek a ferritét sokszorosan meghaladó keménységet kölcsönöznek. Érthetően, a martenzites szövetű acél keménysége, szilárdsága és a rácsban bennszorult karbon mennyisége között szoros kapcsolat van, amit a 22. diagram szemléltet. A karbontartalom növekedésével egyre több elemi cella tartalmaz interstíciósan oldott karbont, vagyis a martenzites cellák hatása egyre kevesebb, karbont nem tartalmazó cellára terjed ki. Ennek következtében a karbontartalom növekedését egyre kisebb keménység-növekedés kíséri. Ehhez társul, hogy a 0.5...0.6 %-nál nagyobb karbontartalmú acélokban - az előzőkben leírtak szerint -, egyre nagyobb a maradék-ausztenit mennyisége, ami tovább csökkenti az elméletileg elérhető keménységet. A nagy karbontartalom mellett jelentős mangánötvözéssel elérhető, hogy az acél szobahőmérsékleten is homogén, túlhűtött ausztenitből álljon. Ezek az ausztenites mangánacélok, amelyeket gyakran az első előállító után Hadfield-acélnak is neveznek, a dinamikusan ható koptató igénybevételnek (ld. 8.1.2.3. pont) egészen kiválóan képesek ellenállni. Az MSZ 520 előírásai szerint gyártott ausztenites nagy mangántartalmú kopásálló acél vegyi összetételét a 48. TÁBLÁZAT tartalmazza. Az ausztenites mangánacél olyan dinamikus igénybevétellel társult koptatással szemben - amilyen vasúti váltóknál, földmunkagépek karmainál, kőtörők pofáinál fellép -, azért rendelkezik olyan kiváló ellenállással, mert a dinamikus hatásokat az ausztenites szerkezet – nagy, 40%-ot meghaladó alakváltozó képességének köszönhetően - kiválóan elviseli, és a felületén a nagy helyi nyomás okozta képlékeny alakváltozás hatására az ausztenit átalakul a stabilis, martenzites szerkezetté. A felületen levő nagy keménységű martenzit viszont a kopással szemben tanúsít nagy ellenállást. Az ilyen acélból készült gyártmánynak a felületén az üzemeltetése során a martenzites réteg mindig újra képződik, biztosítva ezzel a nagy élettartamot. 48. TÁBLÁZAT

AZ AUSZTENITES MANGÁNACÉL LEGFONTOSABB ÖTVÖZŐI

MSZ jele

EN jele

C., %

Mn, %

Simax, %

X 120 Mn 13

X 120 Mn 13

1...1.3

12...14

0.7

Meg kell jegyezni, hogy a martenzites átalakulás nemcsak azoknál a fémeknél valósítható meg, amelyeknek vannak allotróp módosulatai, mint a vas, titán, kobalt vagy a mangán, hanem ritka kivételként réz ötvözeteknél is, amelyek közül gya-

147


korlati jelentőségű az EN 1653 szerint gyártott alumíniumbronz. A lágyított állapotban jól alakítható alumíniumbronzok homogén szerkezetükből adódó jó korrózió-állóságuknak és alumíniumötvözésből származó kopásállóságuknak köszönhetően a kopásnak kitett élelmiszeripari-, vegyipari és nyomástartó berendezések gyártásánál gyakran alkalmazott anyagok, amelyek edzett állapotban a szerkezeti acélok szakítószilárdságához hasonló szilárdsággal rendelkeznek. Az alumíniumbronzból gyártott lemezek és szalagok ötvözőit és néhány mechanikai jellemzőjét a 49. TÁBLÁZAT tartalmazza. 49. TÁBLÁZAT

AZ EN 1653 SZERINT ALUMÍNIUMBRONZOK LEGFONTOSABB JELLEMZŐI

Jele CuAl8Fe3

Anyagszám CW303G

CuAl9Ni3Fe2 CuAl10Ni5Fe4

CW304G CW307G

Állapot jel Al, % Egyéb, % Rm, MPa A min., % R450 6.5…8.5 Fe=1.5…3.5 > 450 30 R480 > 480 30 R490 8…9.5 Fe=1…3 és Ni=2…4 > 490 20 R590 8.5…11 Fe=3…5 és > 590 14 R620 Ni=4…6 > 620 14

A martenzites szövetszerkezet a nagy keménysége és szilárdsága mellett kis alakváltozó képességű, rideg. Ezért az ausztenites állapotnak megfelelő hőmérsékletről való gyors hűtés, az edzés, csak ritkán jelenti egy termék utolsó tulajdonság-módosító kezelését. Az edzett szerkezet legfőbb előnyét, a nagy keménységet gyakorlatilag megőrző, de az alakváltozó képességet és különösen a szívósságot javító hőkezelés a megeresztés már az anyagot heterogénné teszi. Ezért az edzést és a nagyobb hőmérsékletű megeresztést, mint együttesen alkalmazott hőkezelést, a nemesítést, valamint a nemesítéssel feldolgozott acélokat a következő alfejezetben tárgyaljuk.

4.2

Többfázisú fémes anyagok

Az egyfázisú fémes anyagok - a színfémek és a szubsztitúciós szilárd oldatot alkotó ötvözetek -, homogén szerkezetüknek köszönhetően, kiemelkednek a fémes anyagok köréből a korrózióval szembeni jó ellenálló képességükkel, a nagy szakadási nyúlásukkal továbbá a kellő szívósságukkal, amit kis hőmérsékleten is megtartanak. Az egyfázisú fémes anyagok nagyszerűen megfelelnek a képlékeny hidegalakítás támasztotta követelményeknek. Ezekhez a tulajdonságokhoz társul a színfémek kiváló villamos vezetési tulajdonsága és a krómmal erősen ötvözött homogén ferrites- és ausztenites szerkezetű acélok nagyhőmérsékletű oxidációval szembeni ellenállása. A felsorolt előnyök mellett azonban kedvezőtlen az egyfázisú fémes anyagok viszonylag nagy ára, továbbá a szilárdságuk, a keménységük, az ezekkel öszszefüggő használati tulajdonságaik, mint a kopásállóság azonban meglehetősen átlagosak. Az anyagnak valamely tulajdonsága egyes felhasználások során kifejezetten kedvező, más esetekben káros. Például a színfémek nagy olvadáspontja kedvező a nagyhőmérsékletű alkalmazások esetében, miközben az öntést nehezíti, vagy a nagy alakváltozó képesség kívánatos a képlékeny hidegalakításhoz, de nagymértékben nehezíti a forgácsolást. Ebből a szempontból szerencsés, ha az

148


anyag tulajdonságai széles tartományban módosíthatók és így az adott felhasználási célnak leginkább megfelelő választható ki. Az egyfázisú fémes anyagok tulajdonságai a 4.1. pontban áttekintett szemcseméret szabályozással, hideg képlékenyalakítással, oldó ötvözéssel továbbá hőkezeléssel módosíthatók, a felhasználási célnak és a belőlük készülő termékek végső formáját megadó, alakadó technológiák igényeinek megfelelően. Ezek a tulajdonság-módosítási lehetőségek meglehetősen korlátozottak. Az egyfázisú fémes anyagok alkalmazását sok területen viszonylag költséges előállításuk, így áruk korlátozza. Az egymástól kémiai összetételükben és így tulajdonságaikban eltérő fázisokból álló, többfázisú fémes anyagok esetében a tulajdonságok módosításának lehetősége az egyfázisú anyagoknál alkalmazottakon kívül, számos új lehetőséggel gazdagodik, ezáltal megsokszorozódik. A többfázisú fémes anyagok mikroszerkezete, - hasonlóan a kompozitok makroszerkezetéhez - határozza meg tulajdonságaikat. A szerkezet, amely felöleli az alkotó fázisok minőségét, mennyiségét és morfológiáját, a többfázisú fémes anyagoknál széles tartományban változtatható. A többfázisú ötvözetekben a fázisokat, illetve azok arányát ötvözéssel, a fázisok morfológiai jellemzőit - mint a szemcsék méretét, alakját, eloszlását, elhelyezkedését és orientációját - általában alakítással és hőkezeléssel lehet módosítani. A széles körben használatos vas-, réz- és alumíniumötvözetek ismertetését a szerkezet, illetve szerkezet-módosító technológia és az ehhez kapcsolódó legfontosabb tulajdonság(ok) szerinti csoportosításban tárgyaljuk. Elsőként azokat az ötvözeteket tekintjük át, amelyeknek kívánt tulajdonságait elsősorban az ötvözés eredményezi, majd azokat, amelyekhez más szerkezet-módosító eljárásra is szükség van. A többfázisú ötvözeteket - szemben az egyfázisúakkal -, elsősorban olyan gyártmányok előállítására használják, ahol a fellépő igénybevétel jellemzően mechanikai, továbbá olyan területeken, ahol az elsődleges követelmény valamely alakadó technológia által megkívánt tulajdonságok minél teljesebb kielégítése.

4.2.1 A fázisok minőségének és mennyiségének változtatása ötvözéssel A többfázisú ötvözetekben az ötvözetet alkotó fázisok tulajdonságai - ha nem is kizárólagosan -, de mégis meghatározó módon módosítják az ötvözetet alkotó alapfém, az ágyazó mátrix tulajdonságait. Számos ötvözet tulajdonsága a keverési elv alapján, az alkotó fázisok mennyiségének és tulajdonságának egyszerű súlyozott összegzésével kiadódik. Elsősorban ez olyan ötvözeteknél fordul elő, ahol a fázisok tulajdonsága hasonló. Más esetekben, ahol lágy és kemény, szívós és rideg fázisok együttese alkotja az ötvözetet, a mennyiségi arányokon kívül a fázisok elrendeződése is jelentős befolyású. A fázisok elrendeződésének változása akár minőségi változáshoz is vezethet, ilyen esetekben ezért egyszerű addícióval az ötvözet tulajdonságai nem határozhatók meg. A rideg, kemény fázisok az ipari fémek

149


lágy szövetében gömb-, tű- vagy lemez-alakúak. A lágy, nagy alakváltozó képességű alapszövettel bíró ötvözet általában kisebb nagyobb mértékben alakítható. A rideg ágyazó szövetű ötvözet viszont maga is kis alakváltozó képességű. 4.2.1.1

Szerkezeti acélok

A vas a karbonnal - metastabilis kristályosodáskor -, Fe3C formájában, 6.69 % karbontartalmú, 1227 OC-on olvadó interstíciós vegyületet, cementitet alkot. A vas-karbid az ausztenittel 4.3 % karbontartalmú, 1148 OC-on olvadó eutektikumot, ledeburitot hoz létre. A ledeburit cementit és ausztenit elegye, amelyben az ausztenit csak 727 OC-ig stabilis. Ennél nagyobb karbontartalmú olvadékokból primeren kristályosodik ki az eutektikummal együtt a cementit. A cementit - mint a 0.2. pontban jellemzett interstíciós vegyületek általában -, kvázi ionrácsot alkot, amely szerkezetéből adódóan nagy keménységű, HV ≈ 900, és igen rideg. Az eutektikus összetételnél kisebb karbontartalmú ötvözetekből primeren ausztenit és/vagy δ-ferrit válik ki. Az ausztenit maximális oldóképességét meg nem haladó karbontartalmú (C ≤ 2.11 %) ötvözet az acél. Az ausztenit hőmérsékletének csökkenésével karbonra vonatkozó oldóképessége az ausztenit stabilitásának alsó hőmérsékletéig, 727 OCig, csökken. Egyensúlyi lehűléskor, a hipereutektoidos, túltelített ausztenitből endotermás folyamat során karbon válik ki, szekunder cementitet képezve. A 0.77 %-os karbontartalmú ausztenitből a szilárd fázisban az eutektikus kristályosodási mechanizmusnak megfelelően egy eutektoid, a perlit keletkezik. Egyensúlyihoz közeli kristályosodáskor a perlit egymást váltakozva követő α-vas és Fe3C lemezkékből áll. A további lehűléskor a ferrit karbonra vonatkozó oldóképessége - amint az a 46 TÁBLÁZAT adataiból látható -, csökken és a túltelített ferritből csekélyke mennyiségű tercier cementit válik ki. A metastabilisan (Fe-Fe3C rendszerben) kristályosodott vas-karbon ötvözet mechanikai tulajdonságainak változását a karbontartalom függvényében a 23. diagram szemlélteti. A 23. diagramon látható, hogy a keménység a karbontartalom, pontosabban a vaskarbid-tartalom alapján egyszerű arányossággal számítható a ferrit HV ≈ 95 és a cementit HV ≈ 900 értékéből. A kis karbontartalmú, ferrit-perlites acélok szilárdsága a perlittartalom növekedésével szintén arányosan nő, mert a perlitben levő cementit lemezkék igen hatékonyan akadályozzák a diszlokációk mozgását. A 0.8 %nál nagyobb karbontartalmú, hipereutektoidos acélok szilárdsága azonban nemcsak nem nő, hanem a perlitszemcséket körülvevő, szekunder cementit alkotta háló megjelenése miatt egyre csökken. A 2.11 %-nál nagyobb karbontartalomnál a szilárdsági jellemzőket egyre inkább a rideg, alakváltozásra képtelen, de nagy keménységű cementit tulajdonságai határozzák meg. A karbontartalom növekedésével a szakadási nyúlás - mint általában a szilárdság növekedésekor -, csökken, mert az alakváltozásra képes ferrit mennyisége is csökken.

150


1000

Keménység, HV, szakítószilárdság, Rm, MPa

fajlagos nyúlás, A, %

900 800


keménység

700 600 500 400

40

300

30

200

20

100 0

10

szakadási nyúlás 0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

6,5

7

Karbontartalom, %

szekunder cementit

100 % ferrit

primer cementit perlit

ledeburit

0% 100 % α-vas vas-karbid 0% 23. diagram A karbontartalom hatása a vas-karbon ötvözet szövetszerkezetére, a fázisok arányára és a mechanikai tulajdonságaira A hidak, épületszerkezetek, csőtávvezetékek, hajók, vasúti szerelvények építése, a gépgyártás óriási mennyiségben igényli az olcsó, mégis kedvező mechanikai tulajdonságú, nagy folyáshatárú és nagy alakváltozó képességű anyagot. Ezeknek az igényeknek a kis karbontartalmú ferrit-perlites szerkezetű acélok felelnek meg leginkább. Ebből az acéltípusból a világon több mint félmilliárd tonnát gyártanak évente, ami a teljes fémfelhasználás felét is meghaladja. Rendkívül széleskörű alkalmazását segíti, hogy ezeket az acélokat igen változatos formában állítja elő a kohászat. Gyártanak ebből az acélból melegen hengerelt rúd- és idomacélt, durva-, közép és finom lemezt, széles- és abroncsacélt, szalagot, huzalt, kovácsolt termékeket mint rúdacélt valamint számos más formájú kohászati végterméket, többek között acélöntvényeket is. A kis karbontartalmú, ferrit-perlites acélok szerkezeti acélok néven is ismertek. Az általános rendeltetésű szerkezeti acélokat az MSZ EN 10025 előírásai sze-

151


rint gyártják. Ezeknek az acéloknak a jellemzésére szolgáló legfontosabb adatokat a 50. TÁBLÁZAT foglalja össze. Az általános rendeltetésű acélok jellemző felhasználási területe a mechanikai igénybevételnek kitett szerkezeteknek és gépalkatrészeknek gyártása. Az általános rendeltetésű acélokból készült szerkezeti elemek, alkatrészek gyártását általában olyan alakadó-technológiákkal végzik, amelyek jelentős hőhatással nem járnak. Ezért ezeknek az acéloknak a leglényegesebb, így garantált értékei a mechanikai jellemzők, mint a folyáshatár, szakítószilárdság, szakadási nyúlás és az ütőmunka. Ezeket az acélokat az MSZ EN 10025 előírásai szerint gyártják. A szerkezeti acélok feldolgozásának egyik jellegzetes technológiája a hegesztés. Az ömlesztő hegesztés során az alapanyagnak a varrat melletti része nagy hőmérsékletre hevül. A hegfürdővel határos un. hőhatásövezetben az acél hoszszabb-rövidebb ideig olyan nagy hőmérsékletre melegszik, hogy ott a 4.1.2. pontban leírt szemcsedurvulás, továbbá fázisátalakulás következhet be. 50. TÁBLÁZAT

AZ MSZ EN 10025 SZERINTI ÁLTALÁNOS RENDELTETÉSŰ ÖTVÖZETLEN SZERKEZETI ACÉLOK LEGFONTOSABB JELLEMZŐI

MSZ EN jele Korábbi max. C, max. Mn, max. Si, min. ReH, Rm, MPa min. A5, Vizsg. hő- min. MSZ jele % % % mérséklet KV, % MPa OC J S 235 JR N Fe 235 B 0.17 235 340...470 24 20 27 S 235 JO N Fe 235 C 0.17 235 340...470 24 0 27 S 235 J2 N Fe 235 D 0.17 235 340...470 24 -20 27 S 275 JR N Fe 275 B 0.21 275 410...540 20 20 27 S 275 JO N Fe 275 C 0.20 275 410...540 20 0 27 S 275 J2 N Fe 275 D 0.20 275 410...540 20 -20 27 S 355 JR N Fe 355 B 0.24 1.6 0.55 355 470...630 20 20 27 S 355 JO N Fe 355 C 0.20 1.6 0.55 355 470...630 20 0 27 S 355 K2 N Fe 355 D 0.20 1.6 0.55 355 470...630 20 -20 40 E 295 N Fe 490-2 295 470...610 18 E 335 N Fe 590-2 335 570...710 14 E 360 N Fe 690-2 360 670...830 10 A felhevülés során a szemcsedurvulás mérséklésére, a tulajdonságok romlásának megelőzésére a hegesztés céljaira készülő acélok alumíniummal, és/vagy nióbiummal, vanádiummal, titánnal, cirkóniummal mikroötvözöttek. Az alumínium megkövetelt minimális mennyisége 0.015 %, amely a 0.15...0.5 % szilícium mellett garantálja az acél nagyfokú csillapítottságát. A mikroötvözők együttes mennyisége nem haladhatja meg a 0.15 %-ot, de ki kell elégíteni a (82) összefüggés szerinti feltételt, mert ez garantálja, hogy oldott nitrogéntartalom nem marad vissza, és emiatt öregedés nem következik be.

Al V Nb + 2Ti + + < 0.015 %. (82) 2 4 7 A mikroötvözők erős nitrid- és/vagy karbidképzők. A legfontosabb karbidok képződési szabadentalpia-változása a hőmérséklet függvényében a 24. diagramon látható. N≤

152


A 8. diagram és a 24. diagram adatainak összevetéséből látható, hogy az acélgyártás során a fürdőbe adagolt mikroötvözők elsősorban oxidokat alkotnak. Ha a fürdő mikroötvöző-tartalma nagyobb, mint az a mennyiség ami az oxigén megkötéséhez szükséges, akkor a mikroötvözők más elemmel, például nitrogénnel vagy a karbonnal vegyülnek, illetve szilárd oldatot alkotnak a vassal. A kis oxigéntartalmat az acél 0.15...0.6 % szilíciumtartalma mellett -, az alumíniummal végzett további csillapításával érik el. A túltelítetté váló ferritből ha nincs jelen karbid-, vagy nitridképző, akkor a kiváló nitrogén és a karbon a vassal alkot vegyületet. A vegyületek képződése a 4.1.3.2. pontban ismertetett öregedéshez vezethet. Amint az a 8. diagram és a 24. diagram adataiból látható, ezek a vasvegyületek kevéssé stabilisak és szemben a mikroötvözéshez használt elemek karbidjaival és nitridjeivel már viszonylag kis hőmérsékleten is bomlanak. Szabadentalpia, kJ/mol 1

0 -10

2

-20

6

3 -30 4

-40

5 7 8

-50 -60

9

-70

12

-80

13

11

10

-90 -100

1 2 3 4 5 6 7

14 0

100

200

300

400

500

600

700

800

900 1000 1100 1200

Hőmérséklet, C fok 8 ........ 4/3 Al + C ⇔ 1/3 Al4C3 9 ....... 3/2 Cr + C ⇔ 1/2 Cr3C2 10 ....... 7/3 Cr + C ⇔ 1/3 Cr7C3 11 ....... 23/6 Cr + C ⇔ 1/6 Cr23C6 12 ....... B + C ⇔ BC 13 ....... Zr + C ⇔ ZrC 14 ....... Ti + C ⇔ TiC 24. diagram Karbidok képződési szabadentalpia-változása a hőmérséklet függvényében

.......3 Fe + C ⇔ Fe3C ...... 3 Mn + C ⇔ Mn3C ...... 7/3 Mn + C ⇔ 1/3 Mn7C3 ...... 2 Mo + C ⇔ Mo2C ....... W + C ⇔ WC ....... 2 H2 + C ⇔ CH4 ....... V + C ⇔ VC

153


A mikroötvözők, amelyek karbidokat és nitrideket, illetve ezek komplexeit a karbo-nitrideket hozzák létre, nemcsak az öregedés és az elridegedés veszélyét hárítják el, hanem jelentősen csökkentik a szemcsedurvulást is. A 4.1.2. pontban ismertetett szemcsedurvulás ugyanis, a szemcsehatár vándorlásával valósul meg, amit a szemcsehatáron kivált, diszperz eloszlású stabilis karbidok és nitridek hatékonyan akadályoznak. A szemcsék belsejében kivált, diszperz eloszlású karbidok és nitridek, valamint ezek komplex vegyületei akadályt jelentenek a diszlokáció mozgással szemben is, ezáltal növelik a szilárdsági jellemzőket, különösen a folyáshatárt. A hegesztett szerkezetek céljaira kifejlesztett és az MSZ EN 10113 előírásai szerint gyártott, melegen hengerelt, hegeszthető, finomszemcsés szerkezeti acélok legfontosabb jellemzőit a 51. TÁBLÁZAT foglalja össze. A mechanikai jellemzők némileg eltérőek a névleges vastagság függvényében. A táblázatban a 16 mm alatti névleges vastagságú termékekre előírt értékek szerepelnek, az ütőmunka értékek hosszirányú V-bemetszésű próbatestre vonatkoznak. Szemben a karbonötvözéssel, a mikroötvözéssel elért szilárdság-növekedéskor lényegesen kisebb mértékben csökken az alakváltozó képesség, sőt a szívósság még növekszik is. A nikkel ötvözésével a 18. diagramnak megfelelően a ferrit szilárdsága nő. A nikkelötvözés egy további kedvező hatása, hogy a ferrit szívósságát növeli, átmeneti hőmérsékletét csökkenti, mint az a növelt folyáshatárú S420 és S460 típusjelzésű acélok esetében látható. 51. TÁBLÁZAT

MELEGEN HENGERELT HEGESZTHETŐ, FINOMSZEMCSÉS SZERKEZETI ACÉLOK LEGFONTOSABB JELLEMZŐI

MSZ EN max. C., Mn, % max. Ni, max. CE, min. ReH, Rm, MPa min. A, Vizsgálati min. KV, % J jele % % MPa % hőmérséklet OC S275M 0.13 0.3 0.34 275 360...510 24 -20 40 ≤1.5 S275ML 0.13 0.3 0.34 275 360...510 24 -50 27 ≤1.5 S275N 0.18 0.50...1.4 0.3 0.4 275 370...510 24 -20 40 S275NL 0.16 0.50...1.4 0.3 0.4 275 370...510 24 -50 27 0.3 0.39 S355M 0.14 355 450...610 22 -20 40 ≤1.6 0.3 0.39 S355ML 0.14 355 450...610 22 -50 27 ≤1.6 S355N 0.20 0.9...1.65 0.5 0.45 355 470...630 22 -20 40 S355NL 0.18 0.9...1.65 0.5 0.45 355 470...630 22 -50 27 S420M 0.16 0.6 0.45 420 500...660 19 -20 40 ≤1.7 S420ML 0.16 0.6 0.45 420 500...660 19 -50 27 ≤1.7 S420N 0.20 1.0...1.7 0.8 0.50 420 520...680 19 -20 40 S420NL 0.20 1.0...1.7 0.8 0.50 420 520...680 19 -50 27 S460M 0.16 0.7 0.46 460 530...720 17 -20 40 ≤1.7 S460ML 0.16 0.7 0.46 460 530...720 17 -50 27 ≤1.7 S460N 0.20 1.0...1.7 0.8 460 550...720 17 -20 40 S460NL 0.20 1.0...1.7 0.8 460 550...720 17 -50 27

154


Az ömlesztő hegesztést követő gyors hűlés rideg, alakváltozásra képtelen, martenzites szövetszerkezet kialakulásához vezethet. A hegesztés során nem a gyártmány teljes tömege melegszik fel, hanem csak a hegesztett kötés környezete, vagyis egyenlőtlen a hőmérséklet-eloszlás, és így egyenlőtlen hőtágulás illetve zsugorodás lép fel. Az egyenlőtlen hőtágulás a hegesztett kötés hidegebb és melegebb részei között akadályozott, ami feszültséget kelt. Az alakváltozásra gyakorlatilag képtelen martenzites szövetben a hegesztés keltette számottevő húzófeszültség repedéshez vezethet. A hegesztett kötésekben az így keletkező repedések elnevezése, az edződési repedés, is utal a keletkezés mechanizmusára. Az edződési repedés veszélye a martenzitképződés feltételeinek rontásával mérsékelhető, ami elsősorban a karbontartalom és az edződés szempontjából a karbonhoz hasonló hatású ötvözők mennyiségének korlátozásával érhető el. A kisebb karbontartalom nemcsak a martenzites rács torzulását, hanem egyben az ausztenit stabilitását is csökkenti és - amint az a 20. diagramból látható -, az Ms hőmérséklet is nő. Ezen hatások együttese az edződési repedésképződés veszélyét is csökkenti. Az acél egyes ötvözőinek hatását az edződési repedésképződésre az ötvözetlen- és a gyengén ötvözött acélok esetében a karbonhoz viszonyítva határozzák meg a (83) összefüggés szerinti (CE ) karbonegyenértékkel: CE %=(C +

Mn Cr + Mo + V Ni + Cu + + ) %. 6 5 15

(83)

Azoknál az acéloknál, ahol a jellemző feldolgozási technológia a hegesztés, az acélnak nemcsak mechanikai tulajdonságait, vegyi összetételét, hanem a megengedhető legnagyobb karbonegyenértéket is garantálják a gyártók, mint az az 52. TÁBLÁZAT adataiból is látható. A hegesztési nehézségek elkerülése érdekében a karbontartalmat korlátozni szükséges, ez viszont a szerkezeti acélok legfontosabb használati tulajdonságának, a folyáshatár növelésének is határt szab. Ha a szilárdság további növelése azzal az egyszerű és olcsó módszerrel, amit a vas-karbid mennyiségének növelése jelent - a hegesztés támasztotta igények miatt - nem lehetséges, akkor szubsztitúciósan a ferritben oldódó, ezáltal annak szilárdságát - a 4.1.3.1. pontban leírt mechanizmussal - növelő ötvözést kell alkalmazni. Lényegében ezt a folyáshatárt növelő módszert használják fel a hegesztéssel feldolgozásra kerülő acélok mangánnal végzett ötvözésekor. Meg kell jegyezni, hogy a mangán azon kívül, hogy a ferritben oldódik, vas-karbiddal komplex karbidokat is képez, amelyek stabilisabbak mint a cementit. A nyomástartó berendezések gyártásához használt acélokkal szemben támasztott igen fontos követelmény a hegeszthetőség mellett, a termék megbízhatósága. Ennek garantálásához az acél szennyezőit csökkentik. Ezekben az acélokban a kis oxigéntartalmat a különleges csillapítással érik el, amit garantál, hogy a fémesen oldott alumíniumtartalomnak ki kell elégíteni az Al ≥ 0.02 % feltételt, továbbá a dúsulásra hajlamos kén- és foszfortartalom megengedhető értéke lényegesen kisebb. Az 52. TÁBLÁZAT a betonacélok, az általános rendeltetésű-, a hegesztett szerkezetek-, valamint a nyomástartó berendezések gyártásához használatos acélokra jellemző maximális szennyezőtartalmat mutatja be.

155


52. TÁBLÁZAT

SZERKEZETI ACÉLOKRA JELLEMZŐ SZENNYEZŐTARTALOM MSZ EN jele max. S, % max. P, % B235 S235JON 2 C 22 S275N P235GH P235NL2

0.055 0.045 0.035 0.030 0.025 0.015

0.055 0.045 0.035 0.035 0.030 0.025

Az MSZ EN 10028 és az MSZ EN 10207 előírásai szerint a nyomástartó berendezések gyártásához használatos acélok legfontosabb jellemzőit az 53. TÁBLÁZAT foglalja össze. 53. TÁBLÁZAT

NYOMÁSTARTÓ BERENDEZÉSEK GYÁRTÁSÁHOZ HASZNÁLATOS ACÉLOK LEGFONTOSABB JELLEMZŐI

MSZ EN je- max. C., Mn, % le % SPH235J2 P235GH* SPH265J2 P265GH* SPHL275J5 P275N* P295GH* P355GH* P355N* P460N* * **

0.16 0.16 0.20 0.20 0.16 0.18 0.20 0.22 0.20 0.20

0.4...1.2 0.4...1.2 0.5...1.5 0.5...1.4 0.5...1.5 0.5...1.4 0.9...1.5 1.0...1.7 0.9...1.7 1.0...1.7

Si, % Ni, % egyéb,** min. Re, Rm, MPa min. A, Vizsgálati min. % MPa % hőmér- KV, J séklet, OC 235 360...480 26 -20 28 ≤ 0.35 235 360...480 25 0 27 ≤ 0.35 ≤ 0.30 M≤ 0.70 265 410...530 22 -20 28 ≤ 0.40 410...530 23 0 27 ≤ 0.40 ≤ 0.30 M≤ 0.70 265 275 390...510 24 -50 28 ≤ 0.40 275 390...510 24 0 27 ≤ 0.40 ≤ 0.50 T≤ 0.05 460...580 22 0 27 ≤ 0.40 ≤ 0.30 M≤ 0.70 295 510...650 21 0 27 ≤ 0.60 ≤ 0.30 M≤ 0.70 355 355 490...630 22 0 27 ≤ 0.50 ≤ 0.50 T≤ 0.12 460 570...730 17 0 27 ≤ 0.60 ≤ 0.80 T≤ 0.22

ezeket a minőségeket kisebb átmeneti hőmérséklettel is gyártják T = Nb+Ti+V, M = Cr+Cu+Mo+Ni

MSZ EN jele P...NH P...NL1 P...NL2

max.S, % 0.025 0.020 0.015

min. KV, J max.P, hosszirányú próbatestre keresztirányú próbatestre % -50 OC -40 OC -20 OC 0 OC 20 OC -50 OC -40 OC -20 OC 0 OC 20 OC 0.030 40 47 55 20 27 31 0.030 27 34 47 55 63 16 20 27 34 40 0.025 30 40 65 90 100 27 30 40 60 70

A szénhidrogének szállítására szolgáló távvezetékek építésekor - amelyek lényegében a nyomással terhelt szerkezeteknek egy speciális fajtája -, varratos vagy varratnélküli csöveinek egyesítéséhez csaknem kizárólag ömlesztő hegesztést használnak. Az akár kontinenseket összekötő, több ezer kilométer hosszúságú csőtávvezetékek építésekor a 800...1600 mm átmérőjű csövek gyártásához több millió tonnányi acélra van szükség. Ezekkel az acélokkal szemben alapvető követelmény

156


a nagy folyáshatár mellett az edződési repedés veszélyének elkerülése. E kettős követelményt, amint az az MSZ 3770 szerinti acélcsövek jellemzőit összefoglaló, 54. TÁBLÁZAT adataiból látható, mikroötvözéssel lehet kielégíteni. Az acélok csillapítását 0.15...0.5 % szilíciumötvözéssel érik el. A hegesztés miatt a (83) összefüggés szerinti (CE ) karbonegyenérték maximális értéke is elő van írva. Az 51. TÁBLÁZAT-ban bemutatott általános rendeltetésű és az 54.TÁBLÁZATban összefoglalt, EN 10208 szabvány szerinti hegesztett távvezetéki csövek gyártásához kifejlesztett acélok összehasonlításából jól látható, hogy ugyanolyan tulajdonságot a hegesztéssel feldolgozásra kerülőknél lényegesen kisebb mennyiségű karbon-ötvözéssel érik el. A kisebb karbontartalmú acél szakadási nyúlása egyben némileg nagyobb is. 54. TÁBLÁZAT EN jele

Korábbi MSZ jele

SPIRÁLVARRATOS ACÉLCSÖVEK LEGFONTOSABB JELLEMZŐI

L245NB L290NB

DX 42

max. C. , % 0,16 0,17

L360NB

DX 52

0,20

L415NB

DX 60

0,21

max. Egyéb ötvöző, % max.CE, min. ReH, Rm, MPa min. A, % MPa Mn, % % 1.1 0.42 1.2 290 410...540 24 0.42 V ≤ 0.05, Nb ≤ 0.05, Ti ≤ 0.05 1.6 360 500...640 22 0.45 V ≤ 0.10, Nb ≤ 0.05, Ti ≤ 0.04 1.6 420 520...690 18 0.4 V ≤ 0.15, Nb ≤ 0.05, Ti ≤ 0.04

Az extraktív metallurgiai eljárás, a nyersvasgyártás során - mint az az 1.2.2.2. pontban összefoglaltakból kitűnik -, a vasat jelentős energia-befektetés árán oxidos érceiből nyerik ki. A termék, az acélból készült tárgy, a használatba vétel után a környezetből folyadék közvetítésével, vagy anélkül, oxigént vehet fel és viszszanyeri eredeti, stabilisabb, oxidos állapotát. Ezzel, a korróziós folyamattal azonban az alkatrész, vagy a szerkezet teherviselő keresztmetszete, mérete csökken, elhasználódik. A vas korróziója különösen vizes oldatokban gyorsul fel, Fe2(OH)6, vas(III)-hidroxidot, rozsdát létrehozva. Az acél felületén vizes oldattal érintkezve elektrokémiai folyamat megy végbe (ld. 8.1.2.4. pont). A 4. TÁBLÁZAT adataiból látható, hogy a vas standard elektródpotenciálja -0.44 V, vagyis a legalább részben disszociált víz hidrogén-ionjainak töltését átveheti a vas, vas (II) ionok képződése közben. A vasionok a hidroxil ionokkal vas(II)-hidroxiddá egyesülnek, amelyek a vízben részben oldódnak. Az oldatban a vas(II)-hidroxidot a vízben oldott oxigén tovább oxidálja vas(III)-hidroxiddá, amely már a vízben oldhatatlan, ezért ott kicsapódva egy réteget képez. A képződött rozsdaréteg porózus szerkezetű. A porózus szerkezet nem akadályozza - még vastag réteg esetében sem -, a további rozsdásodást, sőt a pórusokban a további oxidációhoz szükséges vizet is képes tárolni. A rozsdásodáskor a folyamatok a (84) reakcióegyenletek szerint mennek végbe. Ha a vizes oldat savas, akkor a rozsdásodás még gyorsabb lesz, mert megnő a hidrogénion koncentrációja. Fe +2 H + ⇔ Fe 2+ + H2, Fe +2 H2O ⇔ Fe 2+ +2 OH -+ H2,

157


Fe 2+ +2 OH - ⇔ Fe(OH)2, 4 Fe(OH)2 + O2 + 2 H2O ⇔ 4 Fe(OH)3.

(84)

A rozsdásodás folyamatát a 42. ábra szemlélteti.

Fe

Fe(OH)2 Fe(OH)3 H 2O

Fe 2 + H+

O2

O2

O2 e-

e-

e-

acél

víz

levegõ

42. ábra A rozsdásodás folyamatának vázlata Az igen költséges felületkezelések ellenére a korrózió okozta károsodás évente tízmillió tonnákban mérhető. Ezért az olyan acélvázas magasépítmények, mint a csarnokok, a villamos távvezetéki tartóoszlopok, a kültéri létesítmények, amelyek az időjárás korróziós károsításának vannak kitéve célszerűen a légköri korróziónak fokozottan ellenálló acélból készülnek. Ezeket az acélokat az MSZ EN 10155, 55. TÁBLÁZATban összefoglalt, előírásai szerint gyártják. 55. TÁBLÁZAT

LÉGKÖRI KORRÓZIÓNAK FOKOZOTTAN ELLENÁLLÓ SZERKEZETI ACÉLOK LEGFONTOSABB JELLEMZŐI

EN jele S235JOW S235J2W S355JOWP S355J2WP S355JOW S355J2G1W S355J2G2W S355K2G1W S355K2G2W *

Korábbi MSZ jele LK 37 C* LK 37 D*

LK 52 B

max. C. , % 0.13 0.13 0.12 0.12 0.16 0.16 0.16 0.16 0.16

max. Cr, % Cu, % Mn, % 0.6 0.4...08 0.25...0.55 0.6 0.4...08 0.25...0.55 1.0 0.3...1.25 0.25...0.55 1.0 0.3...1.25 0.25...0.55 1.5 0.4...0.8 0.25...0.55 1.5 0.4...0.8 0.25...0.55 1.5 0.4...0.8 0.25...0.55 1.5 0.4...0.8 0.25...0.55 1.5 0.4...0.8 0.25...0.55

min. ReH, MPa 235 235 355 355 355 355 355 355 355

Rm, MPa min. A, % 360...490 24 360...490 24 490...630 21 490...630 21 490...630 21 490...630 21 490...630 21 490...630 21 490...630 21

mikroötvözött

Az időjárásálló acélok rézzel és/vagy krómmal, nikkellel, illetve foszforral gyengén ötvözött acélok. Hatásukat ezek az ötvözők úgy fejtik ki, hogy a belőlük készült termékek korróziójakor a felületen dúsulnak és - néhány év alatt -, passziváló réteget képeznek, amely a további légköri korróziót számottevően lassítja. A passziváló hatás a réz-, króm- és nikkel foszfátos, szulfátos, hidroxidos vegyületeinek kö-

158


szönhető, amelyek fokozatosan elzárják a rozsda pórusait, megakadályozva ezzel, hogy a vizes oldatok közvetlen érintkezésbe kerüljenek a fémfelülettel. A légköri korrózióval szemben fokozottan ellenálló acélokat leginkább a hegesztett szerkezetek gyártásához használják. A passziválás szempontjából lényeges ötvözők mindegyike a (83) összefüggés szerint növeli az edződési repedés veszélyét, amit a karbontartalom csökkentésével kompenzálnak. Az egyik legnagyobb tömegben alkalmazott társított (kompozit) anyag, a vasbeton, amely a húzó igénybevétellel szembeni ellenállását a beágyazott acélszálnak, illetve -hálónak köszönheti. A betonacélokkal szemben elsősorban szilárdsági követelményeket támasztanak, de a feldolgozás során gyakran hajlítják és hegesztik is ezeket az acélokat. Ebből következően a betonacélok követelményeit tartalmazó MSZ 339 e két alakadó technológia szempontjából lényeges jellemzőkre is tartalmaz előírásokat. A betonacélok legfontosabb jellemzőit az 56. TÁBLÁZAT foglalja össze. 56. TÁBLÁZAT MSZ jele

BETONACÉLOK LEGFONTOSABB JELLEMZŐI

EN jele max. C., max. Mn, % % B 38.24 B 235 0.22 B 38.24 B B 235 0.22 B 50.36* B 350 0.24 1.7 B 60.40 B 390 B 60.50S B 490 0.23 1.6 B 60.50 B 490 0.23 1.6 B 75.50 B 490 *

Si, %

min. 0.1 max. 0.6 max. 0.7 max. 0.7

min. ReH, MPa 235 235 350 390 490 490 490

Rm , MPa 370 370 490 590 590 590 740

min. A, Hideghajlítás % tüske ∅ szöge, o 25 180 d 25 180 d 23 180 2d 14 90 3d 14 180 3d 18 180 3d 10 90 4d

mikroötvözött

Az egyik legjobb anyaghasznosítású és legkisebb fajlagos energia igényű alakadó technológia az öntés. Ez az ősi technológia az anyagtudomány és a technika fejlődésére építve, - kiküszöbölve az öntés klasszikus hátrányait -, nevezetesen az öntött termék szerkezeti inhomogenitásait, makro- és mikroüreg képződéseket, a modern ipar egyre fontosabb technológiájává válik. A hátrányok kiküszöbölésében a célszerű anyagösszetételnek és az öntést követő hőkezelő eljárásoknak is jelentős szerepe van. A könnyebb áttekinthetőség végett a fémes öntvényeket célszerű öszszetételük, hőkezeltségük alapján csoportosítani. Az ötvözetlen acélöntvények anyaga, összetétele, hőkezelése és egyéb tulajdonságai sok esetben megegyeznek a hengerelt és kovácsolt acélokéival. A jobb önthetőség kedvéért a kifejezetten öntvénygyártásra szánt acélok nagyobb mennyiségben tartalmaznak szilíciumot és a kristályosodási repedés elkerülésére kisebb a kéntartalmuk. Az ötvözetlen acélöntvényeket három minőségi csoportban gyártják az MSZ 8276 előírásai szerint. Az első minőségi csoportba az általános rendeltetésű öntvények tartoznak. Az ehhez a csoporthoz tartozó öntvények anyagát a szakítószilárdság és a szakadási nyúlás alapján minősítik. Az anyagminőségjelében az acélöntvényre utaló Aö jelet követő számjel a garantált szakítószilárdságot jelenti MPa-ban. A második csoportba a statikus terhelésnek kitett gyártmányok

159


anyagául szolgáló öntvények tartoznak. Ezeknek az öntvényeknek nemcsak a szakítószilárdsága és a szakadási nyúlása garantált, hanem a folyáshatára (ReH vagy Rp0.2) is. Az ilyen acél jelölése F betűjellel egészül ki. A harmadik minőségi csoportba tartozó acélöntvényeket ismétlődő vagy dinamikus igénybevételnek kitett gyártmányokhoz alkalmazzák. Az ehhez a csoporthoz sorolt öntvények minősítése kiegészül ütve-hajlítóvizsgálattal is. Az ilyen acélöntvények jele további K betűjellel bővül.

A harmadik minőségi csoportba tartozó ötvözetlen acélöntvények garantált mechanikai jellemzőit és tájékoztató vegyi összetételét az 57. TÁBLÁZAT tartalmazza.

160


Az első és a második csoportba sorolt acélöntvényekre vonatkozó előírások az 57. TÁBLÁZAT-ban összefoglaltaktól annyiban térnek el, hogy rájuk a folyáshatár, illetve az ütőmunka előírás nem vonatkozik. 57. TÁBLÁZAT ÁLTALÁNOS RENDELTETÉSŰ ACÉLÖNTVÉNYEK LEGFONTOSABB JELLEMZŐI MSZ jele EN jele Aö 400FK Aö 450FK Aö 500FK Aö 550FK Aö 600FK *

GE 200 N GE 240 N GE 280 N GE 320 N GE 350 N

C., %

Mn, %

Si, %

0.11...0.2 0.21...0.3 0.31...0.4 0.41...0.5 0.51...0.6

0.4...0.9 0.4...0.9 0.4...0.9 0.4...0.9 0.4...0.9

0.2...0.52 0.2...0.52 0.2...0.52 0.2...0.52 0.2...0.9

min. ReH, Rm, MPa min. A, min. KV*, J MPa % 200 400 25 30 240 450 22 25 280 500 20 23 320 550 17 21 350 600 15 20

O

Vizsgálati hőmérséklet 20 C

A nyomástartó berendezések gyártásához szükséges, gyakran hegesztéssel egyesített, fokozottabb követelményeket kielégítő ötvözetlen acélöntvényekre vonatkozó előírásokat az MSZ EN 10213 szabvány rögzíti. Ezen acélöntvények legfontosabb jellemzőit az 58. TÁBLÁZAT foglalja össze, amelyből azonos mechanikai tulajdonságok mellett a kisebb karbontartalom érdelem figyelmet. 58. TÁBLÁZAT ÖTVÖZETLEN, NYOMÁSTARTÓ BERENDEZÉSEK GYÁRTÁSÁHOZ ALKALMAZOTT ACÉLÖNTVÉNYEK LEGFONTOSABB JELLEMZŐI

MSZ EN Anyagszám C., % Mn, % jele GP240GH 1.0619 0.18...0.23 0.5...1.2 GP240GR 1.0621 0.18...0.23 ≤ 1.2 GP280GH 1.0625 0.18...0.25 0.8...1.2 *

Si, % ≤ 0,6 ≤ 0,6 ≤ 0,6

min. ReH, MPa 240 240 280

min. Rm, min. A, min. KV*, MPa % J 420…600 22 35 420…600 22 27 480…640 22 35

O

Vizsgálati hőmérséklet 20 C

4.2.1.2

Öntöttvasak

Az öntéssel a kész gépalkatrészek mérete, illetve az alakja általában igen jól megközelíthető. Az öntvények viszonylag csekély anyagveszteséggel, olcsón gyárthatók. Az öntés ezért nemcsak a legősibb, de egyben az egyik legperspektivikusabb alakadó technológia is. A világ öntvénytermelése közel 100 millió tonna, aminek mintegy két-harmada vasöntvény. A vasöntvényeket rendkívül széles területen alkalmazzák a dísztárgyaktól a robbanómotorok blokkjain át a precíziós gépalkatrészekig. Természetesen a vas, az alumínium, a réz és valamennyi ötvözete önthető, mégis mindhárom fém egyes ötvözetei különösen alkalmasak az öntésre. A vas 1538 OC-os olvadáspontját a karbontartalom számottevően csökkenti. Az eutektikus összetételű öntöttvas olvadáspontja mindössze 1154 OC. Az olvadáspont csökkenése kedvez az öntésnek, mert ezáltal nemcsak egyszerűbb berendezéseket igényel, de csökken a zsugorodás és ebből következően az öntvényben a termikus feszültség is. A jellemző feldolgozási technológia alapján nevezték el a 2.08 %-nál nagyobb karbon-

161


tartalmú stabilisan kristályosodott, rendszerint kísérő-, szennyező és nyomelemeket is tartalmazó vasötvözeteket öntöttvasaknak. A 4.2.1.1. pontban leírt metastabilis kristályosodáskor a 4.3 C %-nál nagyobb karbontartalmú öntöttvasak, a hipereutektikus-, az ennél kisebb karbon-tartalmúak a hipoeutektikus öntöttvasak. A megszilárdulás hőmérsékletén a hipereutektikus öntöttvasak az eutektikum mellett primer cementitet, a hipoeutektikusok ausztenitet is tartalmaznak. Az ausztenitből a további lehűlés során szekunder cementit válik ki, majd 727 OC-on a 0.77 % karbontartalmúra csökkent ausztenit perlitté alakul át. A metastabilisan kristályosodott öntöttvasak, amint az a 23. diagramból látható, rendkívül kemények, ridegek. A töretük színe alapján fehéröntvénynek nevezett öntöttvasak nagy keménységét olyan gyártmányoknál használják ki, ahol a koptató igénybevétel a meghatározó. Ilyen, ritka alkalmazása a fehéröntvényeknek a köszörűkorongok szabályozására szolgáló szerszám. A fehéröntvényeket csaknem kizárólag a 4.2.2.1. pontban tárgyalt temperöntvények gyártásához alapanyagként használják. A fehérvasöntvényeket az MSZ 8279 előírásai szerint gyártják, jelölésük, Föv, kizárólag az öntvény típusára utal. Az előírt legkisebb keménységük nem lehet kisebb, mint HV 400. Az öntöttvas használati tulajdonságai javulnak, ha a nagy keménységű, de ugyanakkor igen rideg cementites szövet kizárólag a felületen helyezkedik el, míg a keresztmetszetet döntően a grafitos szerkezetű, kevésbé rideg szürkeöntvény alkotja. Ezeket az öntöttvasakat - szerkezetükre utaló elnevezésük szerint -, kéregöntvényeknek nevezik. A kéregöntvényeket jellemzően a szobahőmérséklet környezetében működő, például gabona- és papírmalmok hengereinek gyártásához használják. Az ilyen kemény, ledeburitos öntöttvasak gyakorlatilag csak köszörüléssel munkálhatók meg. A kéregöntvények MSZ 8279 szerinti megnevezése Köv kizárólag a szerkezetükre utal, keménységüknek nagyobbnak kell lenni, mint HV 350. A stabilisan (Fe-C rendszerben) kristályosodó öntöttvasakban a ledeburit helyett 4.26 % karbontartalmú grafitos eutektikum képződik 1154 OC-on. A hipereutektikumos, stabilisan kristályosodó öntöttvasban a kristályosodás primer grafitképződéssel indul meg, ami az olvadékban szinte korlátozás nélkül növekedhet nagyméretű lapokká. Az ilyen nagy, összefüggő felületekkel tagolttá váló szerkezetű öntöttvas a gyakorlatban nem használatos. A grafit - szemben a cementittel -, lágy fázis ezért a szürkeöntvények lényegesen kisebb keménységűek. A grafit a 0.2. pontban leírt kristályszerkezetének köszönhetően a tömött síkokban rideg, ezek a síkok viszont egymáson könnyen csúsznak el. A grafitnak ez a tulajdonsága a szürkeöntvényeket a kiváló forgácsolhatóságukkal emeli ki a fémötvözetek köréből. A szürkeöntvényeket elsősorban ott alkalmazzák, ahol a termékre nyomó-igénybevétel hat. Ahol az igénybevétel csekély és csak a termék geometriai méreteivel, alakjával szemben támasztanak követelményeket, az olcsó alapanyag és az öntés - más alakadó technológiákhoz képest -, mérsékeltebb költsége miatt az élet számos területén a szürkeöntvények nélkülözhetetlenek. Ezek a tulajdonságok magyarázzák, hogy a vasöntvények 80...90 %-a ilyen, hipoeutektikus szürkeöntvény.

162


Az öntöttvasakban kristályosodáskor a karbont tartalmazó két fázis, a cementit és a grafit közül a grafit a stabilisabb. Ennek ellenére a csupán vasat és karbont tartalmazó rendszerekben, még lassú hűlésekor is, a karbon cementit formájában kristályosodik ki. A magyarázatát ennek az adja, hogy a grafitcsíra csak sokkal nagyobb túlhűtésnél alakul ki, ráadásul a növekedési sebessége is lényegesen alatta marad a karbidénak. Azt, hogy az öntöttvas stabilisan, grafit kiválással vagy metastabilisan, karbidok képződésével kristályosodik-e, a hűlési sebességen kívül a kísérő és ötvöző elemek mennyisége is befolyásolja. Számos elem befolyásolja a kristályosodást, de a legerősebb hatást az eutektikum karbontartalmának változása jelenti. Ha az eutektikum karbontartalma az ötvöző elemek hatására nagyobb, akkor a grafit kiválás feltételei romlanak, ezért a karbidképző elemek a karbidos átalakulást segítik. A grafitos kristályosodást az erősségük csökkenő sorrendjében segíti a karbon, a szilícium, az alumínium, 0.4 %-ig a titán, a nikkel, a réz, a foszfor és a kobalt. A karbidos kristályosítás lehetőségét növeli ugyancsak csökkenő sorrendben a bór, a cérium, a magnézium, a kén, a vanádium, a króm, a molibdén és a mangán. Az öntöttvasak leggyakoribb kísérő- és ötvöző elemeinek hatását az eutektikum egyensúlyi karbontartalmára (Ceut) a (85) összefüggés adja meg: Ceut %= 4.26 - 0.317 Si % - 0.33 P % + 0.027 Mn %

(85)

Az öntöttvasak tulajdonságát nagymértékben meghatározza, hogy összetétele hipo- vagy hipereutektikus-e. Ennek megítélésére a tényleges karbontartalomnak és az eutektikum egyensúlyi karbontartalmának (Ceut) a (86) összefüggés szerinti hányadosa - a telítési szám -, szolgál: T = C % /Ceut %.

(86)

Abban az esetben, ha a T > 1, az öntöttvas hipereutektikus, ha T = 1, akkor eutektikus, ha T < 1, akkor hipoeutektikus. Az öntöttvasak szövetszerkezetének változását a karbon- és szilíciumtartalom függvényében a 25. un. Laplanche-diagram szemlélteti homokformába történő öntés esetére. Ha az öntés során ennél gyorsabb hűtést, például fémkokillát alkalmaznak, akkor a 25. diagram szövetszerkezeteket elválasztó vonalai a nagyobb karbon- és szilíciumtartalom irányába tolódnak el. A diagramon láthatók a különböző telítettséget jelző vonalak is. Az öntöttvasban levő kén ha vas-szulfid formájában marad vissza, a cementittel és a vassal alig 900 OC fölött kristályosodó eutektikumot alkot. Ez az alacsony olvadáspontú eutektikum utoljára dermed meg és így a szemcsék határán kiválva hártyát alkot. Ez a hártya - még kis mennyiségben is -, nagy felületeken megakadályozza a szemcsék összenövését és közöttük az erős, fémes kapcsolat kialakulását. Az öntvény kristályosodását követő hűlés során, a zsugorodáskor, az ilyen, még olvadt fázissal burkolt szemcsék egymástól eltávolodva üregeket képeznek. Ha a szemcsék között keletkező hézag csak részben, vagy egyáltalán nem töltődik fel olvadékkal, akkor az ilyen, éles bemetszések a további lehűlés során a gyenge szemcsehatárok mentén egyre tovább terjednek és makroszkopikus méretű repedésekké nőnek.

163


5

Karbontartalom, %

4,5

grafit + ferrit

hipere utektik us

4

hipoe utektik us

3,5 3

T = 1.2 perlit + ferrit + grafit

perlit + grafit

2,5 ledeburit + perlit

2

T=1 T = 0.8 T = 0.6

1,5 1 0,5 0

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

Szilíciumtartalom, %

25. diagram A karbon és a szilícium hatása az öntöttvas szövetszerkezetére A repedéseknek ezt a típusát - a keletkezés körülményeire utalva -, kristályosodási repedésnek nevezik. Ez a kristályosodási repedés, vagy az anyag egy tulajdonságára utaló elnevezés szerint, a vöröstörékenység elkerülhető, ha a kén nem vas-, hanem lényegesen nagyobb olvadáspontú, ugyanakkor kisebb képződési szabadentalpiával (5. diagram) rendelkező mangán-szulfid formájában van megkötve. Ezért az öntöttvasak a kéntartalmuktól függően mindig tartalmaznak 0.2...0.5 % mangánt. A szürkeöntvények legfőbb ötvözője az igen erős grafitosító hatású szilícium. A kevésbé igénybevett termékek előállítására az MSZ ISO 185 szerint gyártott lemezgrafitos öntöttvasat használják. A lemezgrafitos öntöttvasaknál a garantált szakítószilárdságot írják elő, amit az 59. TÁBLÁZAT foglal össze. Az öntvény szabványos jele (GG) utal az öntvény típusán kívül, a külön öntött próbadarabból forgácsolt próbatest garantált minimális szakítószilárdságra is. 59. TÁBLÁZAT

164

LEMEZGRAFITOS SZÜRKEÖNTVÉNYEK MSZ ISO jele

min. Rm, MPa

Keménység, HB

GG-100 GG-150 GG-200 GG-250 GG-300 GG-350

100 150 200 250 300 350

100…150 140…190 170…210 180…240 200…260 220…280


A grafitlemezkék, bár arányuk a térfogatban nem több, mint 6...8 %, mégis éles bemetsző hatásukkal az ágyazó ferrites vagy perlites szövet szilárdságát, de különösen szívósságát radikálisan csökkentik. Az öntöttvas szilárdságának növelésére több lehetőség is kínálkozik - mint az alapszövet perlittartalmának növelésével, a szemcsenagyság és a grafit mennyiségének csökkentésével -, de a szívósság javításához az egyetlen érdemi út a grafitlemezek széttördelése, illetve felváltása a lényegesen kisebb bemetsző hatást okozó gömbgrafittal. A gömbgrafit, a lemezes grafittól eltérően nem egykristály, hanem sok-kristály, amelyet a csirából több irányban növekedésnek indult kristálynyalábok alkotnak. Az ilyen növekedés a gyors hűtéskor jelentkezik, ami viszont a metastabilis átalakulásnak is kedvez. A hagyományos összetételű öntöttvasakban ezért csupán a hűlés szabályozásával a gömbgrafit nem hozható létre. A gömbgrafit létrejöttéhez az olvadékból kikristályosodó grafit felületi feszültségét meg kell növelni. Ennek alapvető feltétele, hogy a felületaktív elemek, mint az oxigén és a kén mennyiségét minimális szinten kell tartani. A magnézium mindkettővel nagy olvadáspontú, nagy képződési hővel rendelkező vegyületet alkot, mint az a 5. diagramból és a 22. TÁBLÁZAT adataiból látható. A kedvező szilárdsági és szívóssági tulajdonságú gömbgrafitos vasöntvények, amelyeket az MSZ EN 1563 előírásai szerint gyártanak, a 3...4 % karbon és hasonló mennyiségű szilíciumot tartalmaznak. A gömbgrafitos öntöttvasak legfontosabb garantált mechanikai jellemzőit és az 50 mm alatti falvastagságú öntvények tájékoztató vegyi összetételét a 60. TÁBLÁZAT tartalmazza. Az öntvény szabványos jele utal az öntvény típusán (GJS) kívül, a garantált minimális szakítószilárdságra és a szakadási nyúlás legkisebb értékére, valamint a az üzemi hőmérsékletre (RT… szobahőmérséklet, LT…kis hőmérséklet) is. 60. TÁBLÁZAT MSZ EN jele GJS 350-22-LT GJS 350-22-RT GJS 350-22 GJS 400-18-LT GJS 400-18-RT GJS 400-18 GJS 400-15 GJS 450-10 GJS 500-7 GJS 600-3 GJS 700-2 GJS 800-2 GJS 900-2

GÖMBGRAFITOS ÖNTÖTTVASAK LEGFONTOSABB JELLEMZŐI Ágyazó min. Rp02, min. Rm, min. A, szövet MPa MPa % ferrit 220 350 22 ferrit 220 350 22 ferrit 220 350 22 ferrit 240 400 18 ferrit 250 400 18 ferrit 250 400 18 ferrit 250 400 15 ferrit-perlit 310 450 10 ferrit-perlit 320 500 7 ferrit-perlit 370 600 3 perlit 420 700 2 perlit 480 800 2 perlit + 600 900 2 martenzit

HB

Vizsgálati min. KVátl, hőmérséklet J O -40 C 12 23 OC 17

≤ 160 -20 OC 23 OC

12 14

130…175 135…180 160…210 170…230 190…270 225…305 245…335 270…360

A gömbgrafitos öntöttvasak szilárdsági jellemzőikben elérik, sőt némiképp meg is haladják az ötvözetlen szerkezeti acélokat, de ehhez az öntött, durva szem-

165


cseszerkezetből és a grafit szemcsékből adódóan lényegesen kisebb nyúlás társul. Jelentős előnye a gömbgrafitos öntöttvasaknak, hogy az igen tagolt, bonyolult térbeli alakzatú termékek is legyárthatók öntéssel, s kellő darabszám mellett előállításuk így gazdaságosabb, mint más technológiákkal, például forgácsolással. A gömbgrafitos öntöttvasakat legnagyobb mennyiségben a jármű- és az olajipar használja motorblokkok, nagyméretű szerelvények gyártásához.

4.2.2 A fázisok alakjának változtatása A többfázisú ötvözetekben az ötvözetet alkotó fázisok alakja és viszonylagos elhelyezkedése -, jelentősen befolyásolja az anyag tulajdonságait. Mint a szürkeöntvények példája is igazolja, lényegében ugyanolyan vegyi összetételű, azonos mennyiségű, de más - lemezes vagy gömb -, alakú fázisok alapvetően megváltoztatják az ötvözet alakváltozó képességét és szilárdságát. Az ötvözetet alkotó fázisok mérete, alakja és eloszlása szilárd fázisban végbemenő folyamatok, átalakulások, reakciók révén módosítható. Az a technológia, amellyel az adott összetételű anyag fázisainak összetételét, alakját, elhelyezkedését szilárd állapotban - a felhasználási igényeknek megfelelő irányban módosítják -, a hőkezelés. 4.2.2.1

Temperöntvények

A nagyon előnyős mechanikai tulajdonságú, a közel gömb alakú grafitot tartalmazó öntöttvas nemcsak ötvözéssel érhető el, hanem hőkezeléssel, a temperálással is. A temperöntvény előállításához kiindulásul olyan fehéröntvényt használnak, amelynek karbontartalma kellően nagy a jó önthetőségi tulajdonságok eléréséhez, de még elkerülhető a primer, lemezes grafit képződése. E két ellentétes követelményt egyaránt kielégítő öntvény szövetét nagyobbrészt a ledeburit (T≈0.6) alkotja. A temperálás elvi alapja, hogy amint az a 24. diagramon látható, a vas-karbid szabadentalpiája mintegy 850 OC-ig pozitív, vagyis képes elbomlani a (87) reakcióegyenlet szerint: Fe3C ⇒ 3 Fe + C (87) Ha a hőmérséklet lényegesen meghaladja az A1 hőmérsékletet, akkor a bomlás felgyorsul, mert a kiváló karbon képes oldódni a perlit átalakulásával képződött ausztenitben, vagyis képes eltávozni a bomlás környezetéből. A bomlás okozta karbon-dúsulás a reakció lefolyását akadályozza. Ha a karbid közvetlen környezetéből a karbon diffúzióval képes eltávozni, a bomlást akadályozó körülmény elhárul. A hőmérséklet növelése a karbon diffúziójának a feltételét azzal teremti meg, hogy az ausztenit karbonoldó képessége meghaladja a perlit átalakulásakor keletkező ausztenit karbontartalmát (C ≈ 0.77 %). A cementit bomlása során az ausztenitben már oldhatatlan mennyiségű karbon, kicsiny grafit szigetecskéket alkot. A primeren kristályosodott grafittól való megkülönböztetésül az így keletkező grafitot temperszénnek nevezik.

166


A temperszenet és ferritet tartalmazó szövet töretének színe sötét, ezért ezek az öntöttvasak fekete temperöntvényként ismertek. A perlites tempervas szövetszerkezetét az anyagminőségtől függően vagy perlit, vagy az ausztenit egyéb átalakulási terméke alkotja. A fehér tempervas szövete a falvastagságtól függ. Vastagabb termékeknél a felület ferritet, a mag perlitet és temperszenet tartalmaz. A fehér tempervasat oxidáló atmoszférában, 980...1050 OC-on, több napon keresztül végzett hőkezeléssel lehet előállítani. Az oxigén, amely például a szén-dioxid disszociációjából származik, az öntöttvas felületén levő karbonnal a (25) reakcióegyenlet szerint szén-monoxidot alkot. A felület így karbonban elszegényedik, dekarbonizáció megy végbe. A hőkezelés nagy hőmérsékletén a vas-karbid bomlása során kiváló karbon a mag és a kéreg közötti koncentráció-különbség miatt a magból a kéreg irányába diffundál, ahonnan az oxigénnel szén-monoxidot képezve eltávozik. A kifehéredett (karbonban elszegényedett) réteg vastagsága a hőkezelés időtartamától függ. A magrészben a vas-karbid bomlása során kiváló karbon temperszén formájában válik ki. A vas-karbid bomlásának - mint termikusan aktivált folyamatnak -, az aránya is a (75) összefüggésben megismert Arrhenius típusú egyenlettel írható le. Ennek megfelelően egy adott arányú bomlás eléréséhez szükséges idő a hőmérséklet növelésével exponenciálisan csökkenthető. A vas-karbid bomlásának mértéke, a temperálás ideje és hőmérséklete közötti kapcsolat jellegét mutatja be a 26. diagram. 100

Karbidbomlás mértéke, %

90 80 70 60 50 40 30

1000 fok C

980 fok C

20

950 fok C

920 fok C

880 fok C

10 0 1

10

100

1000

10000

Hőntartás ideje, perc

26. diagram A hőntartási idő és hőmérséklet hatása a karbidbomlásra A temperálás során a cementit bomlását és a karbon oldását, illetve -kiválását általában 940...960 OC-on 10...20 órás hőntartással érik el. Az ennél nagyobb hőmérsékleten végzett temperálás ugyan gyorsítja a folyamatot, de ezen a hőmér-

167


sékleten a darab szilárdsága olyan mértékben csökken, hogy nagyobb méretű daraboknál a hőkezelés során számottevő alakváltozás következhet be. A temperált öntöttvasat, amely ausztenitből és temperszénből áll, levegőn 180...200 OC/h sebességgel hűtve, a hőmérséklet csökkenésével egyre inkább karbonban túltelítetté váló ausztenitből az ausztenit átalakulásáig, további karbon válik ki. A kiváló karbon növeli a temperszén mennyiségét, majd az eutektoidos összetételű ausztenit perlitté alakul át. Az így előállított perlites temperöntvényt ismételten felhevítik 680...710 OC-ra, ahol 6...8 órán keresztül hőntartják, majd nyugvó levegőn hűtik le. Ez a hőkezelési ciklus, a megeresztés, a termikus feszültségek csökkentésén kívül a perlit cementitjének gömbösítését is szolgálja egyben. 1000

Hőmérséklet, fok C 20 o C/óra

900 800

400 o C/óra

700 600 500

100 oC/óra

400

100 oC/óra

300

150 o C/óra

200 100 0

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Idő, óra

27. diagram A perlites tempervasat eredményező hőkezelés elvi hőmérséklet-idő diagramja Minden hőkezelés hevítésből, hőntartásból és hűtésből álló ciklusból, vagy ciklusokból áll. A hőkezelési technológia lényegében az egyes ciklusok hőmérsékletének és a hőmérséklet-változás sebességének tervezéséből, illetve előírásából áll. A technológia szemléletesen megjeleníthető a hőmérséklet-idő diagramokkal. Perlites temperöntvényt eredményező hőkezelés elvi hőmérséklet-idő diagramja a 27. diagramon látható. 61. TÁBLÁZAT

FEHÉR TEMPERVASAK SZILÁRDSÁGI JELLEMZŐI MSZ ISO jele min. Rp02, MPa min. Rm, MPa GTW 350 GTW 380 GTW 400 GTW 450

200 220 260

350 380 400 450

min. A, %

max.HV

4 12 5 7

230 200 220 220

A fehér-, a fekete és a perlites tempervasak mechanikai tulajdonságaival szemben támasztott követelményeket az MSZ ISO 5922 írja le. E szabványnak

168


megfelelően a tempervasak (GT) minőségének megjelölésére betű és számjegyekből álló jelkombináció szolgál. A fehér tempervasak betűjele W, a feketéké és a perlites tempervasaké pedig S. A betűjelet követő két számjegy a 12 mm átmérőjű próbatest legkisebb szakítószilárdságaként MPa-ban előírt értéket jelenti. Az MSZ ISO 5922 előírásai szerint gyártott fehér tempervasak legfontosabb garantált jellemzőit az 61. TÁBLÁZAT foglalja össze. A ferrites szövetet temperálással is el lehet érni. Ez megvalósítható, ha a perlit cementitjét is felbontják. Ezt két hőkezelési szakaszban lehet elérni. Az első szakaszban a már leírt módon az eutektikum-, majd második szakaszban a perlit cementitjének karbontartalmát kell temperszénné átalakítani. Ezen lassú oldódási és diffúziós folyamatok miatt a hőkezelés ismét igen időigényes, amit a 700..710 OCra való lassú hűtéssel, majd ott 30...50 óra hőntartással lehet elérni, vagy az első szakasz hőmérsékletéről a 28. diagram 1. jelű görbéje szerint igen lassan, szabályozottan kell hűteni 700 OC-ra. 1000

Hőmérséklet, fok C 1

900 800

5o C/óra

200o C/óra

700

o

2

600 500

100 o C/óra

400

100 oC/óra

300

100 oC/óra

200 100 0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Idő, óra

28. diagram A ferrites temperöntvény hőkezelésének elvi hőmérséklet-idő diagramja A fekete- és a perlites tempervasak mechanikai tulajdonságaival szemben támasztott követelményeket is az MSZ ISO 5922 írja le, amit a 62. TÁBLÁZAT foglal össze. 62. TÁBLÁZAT

FEKETE- ÉS PERLITES TEMPERVAS SZILÁRDSÁGI MSZ ISO jele min. Rp02, MPa min. Rm, MPa GTS-350 GTS-450 GTS-550 GTS-650 GTS-700

200 270 340 430 530

350 450 550 650 700

JELLEMZŐI

min. A, %

HV

10 6 4 2 2

≤ 150 150...200 180...230 210...260 240...290

169


4.2.2.2

Nemesíthető acélok

Hőkezeléssel nemcsak grafitból, hanem vas-karbidból is lehetséges igen kis átmérőjű, diszperz eloszlású, gömb alakú fázist létrehozni. A gömbszerű karbidokat tartalmazó szerkezetet az acélban több fajta hőkezeléssel is el lehet érni. Az egyik lehetőség, hogy a lemezes cementitet tartalmazó acélt, hasonlóan a ferrites temperöntvény hőkezelésének 28. diagramon bemutatott 2. jelű hőmérséklet-idő diagramjához, A1 hőmérséklet alatt hosszasan hőntartják, s ezalatt a cementit lemezkék gömbökké formálódnak. Az egyébként több napot igénylő folyamat gyorsabban végbemegy, ha a kiinduló perlitben finomabb a cementit-lemezkék mérete. Az ilyen szövetszerkezet a szemcsés perlit. Ha az acélt nyolcszor...tízszer, éppen csak A1 hőmérséklet fölé hevítik, majd gyorsan A1 hőmérséklet alá hűtik, a folyamat rövidebb idő alatt végbemegy. Igen lényeges, hogy a felhevítés csak csekéllyel az A1 hőmérséklet fölé történjen és csak igen rövid ideig tartson, mert az ekkor fel nem bomlott, visszamaradó vas-karbid jelenti a további felhevítési-lehűlési ciklusok során a kristálycsírát a cementit, pontosabban a gömb alakú karbidok növekedése számára. Az ismertetett eljárással, ha körülményesen is, de elérhető a gömbszerű karbidokat tartalmazó szerkezet, de az így elért szemcsés perlites acélénál lényegesen nagyobb szilárdságú és szívósabb szövet a szferoidit, amelyet a ferritbe ágyazott gömbszerű karbidok alkotnak. A szferoiditos szövetszerkezetű acél mechanikai tulajdonságai, különösen szívóssága és kifáradási tulajdonságai, kiemelkedően jók. A szferoiditos acél folyáshatára is - hasonlóan más szövetekéhez -, a diszlokációk szabad úthosszától függ. Ezért a folyáshatára éppúgy, mint a keménysége, szakítószilárdsága annál nagyobb, minél nagyobb mennyiségű és minél nagyobb keménységű karbid ágyazódik be a ferritbe. A szilárd oldatoknál megismert módszerekkel változtatható magának a ferritnek a tulajdonsága is. Az acél mechanikai jellemzői, - adott tulajdonságú ferrit és ugyancsak adott mennyiségű és minőségű karbid mellett is-, befolyásolhatók a karbidok méretével és eloszlásával. Ezekkel a lehetőségekkel a szferoiditos acél egyes tulajdonságai igen széles tartományban változtathatók. A szferoiditos szerkezet létrehozására az edzésből és az ezt követő megeresztésből álló komplex hőkezelési eljárást, a nemesítést alkalmazzák. Amint az a 4.1.3.2. pontban leírtakból már ismert, a martenzit az interstíciósan oldott karbon rácstorzító hatása miatt tetragonális rácsú, kemény, továbbá ha a karbontartalma meghaladja a 0.15..0.2 %-ot, igen rideg is. Ezért az ennél nagyobb karbontartalmú, martenzitesre edzett acélt - edzett állapotban -, szinte sehol nem alkalmazzák a gyakorlatban. A martenzites szerkezetű acélban nagy feszültségek halmozódnak fel, amit három, nagyon különböző hatás együttese hoz létre.

170


Az egyik ok, hogy a martenzit csak gyors hűtéskor, gyors hőelvonáskor keletkezik. A hőelvonás kizárólag a felületről valósítható meg a felület és a környezet ami általában hűtőközeg -, közötti hőátadással. Az anyag hőtartalma csak hővezetéssel juthat a felületre. A hővezetéshez azonban elengedhetetlen a hőmérséklet-különbség. A vezetéssel elszállítható hőmennyiség még a nagy hővezetési tényezőjű fémeknél is meglehetősen korlátozott. Ezért edzéskor a felület és a mag közötti nagy hőmérséklet-különbség jelentős termikus feszültséget kelt. Az így keletkező termikus feszültségek teljesen nem szűnnek meg a szobahőmérsékletre való hűlésig. 900

Hőmérséklet, fok C kéreg hűlés

800 700

perlit

500

300 200

ferrit

mag hűlés

600

400

Ac3 A c1

Ms

bénit Mf

martenzit

100 0 0,1

1

10

100

1000

10000

Idő, min.

Hagyományos, folyamatos hűtésű edzés 900

Hőmérséklet, fok C kéreg hűlés

800 700

perlit

500

300 200

ferrit

mag hűlés

600

400

Ac3 A c1

Ms

bénit Mf

martenzit

100 0 0,1

1

10

100

1000

10000

Idő, min.

lépcsős edzés (martemperálás) 29. diagram Az edzés és a martemperálás hőmérséklet-idő diagramja

171


A martenzites szerkezetű acélban levő nagy feszültség másik oka az ausztenit szemcsének az átalakulását kísérő térfogat-növekedése, amelyet a szomszédos szemcsék akadályoznak, így bennük feszültség ébred. E feszültségekhez társul az interstíciósan oldott karbon rácstorzítása. Az edzéskor fellépő feszültségek közül a termikus feszültség érdemlegesen csökkenthető, ha lépcsős edzést, más néven martemperálást végeznek. Ennek lényege, hogy a hűtőközeg hőmérséklete nagyobb, mint az Ms hőmérséklet. Az ausztenitesítési hőmérsékletről a hűtést ebben a közegben végzik, majd a hűlést követően még rövid ideig, lehetőleg a mag és a kéreg közötti hőmérséklet-különbség kiegyenlítődéséig itt tartják. Ezt követően lényegesen kisebb hűlési sebességgel - általában nyugvó levegőn -, hűtik Mf, vagy szobahőmérsékletig. A hagyományos és a lépcsős edzés hűlési szakaszának időbeni lefolyását szemlélteti a 29. diagram. Az edzett acélban a martenzit túltelített szilárd oldat ezért és a felhalmozódott feszültség miatt, a martenzit meglehetősen instabilis fázis. A martenzit stabilisabb szerkezetté - α-vassá és vas-karbiddá -, azonban csak energia-befektetés, hevítés révén alakul át. Ezt a hőközlést, a folyamat lényegére utalóan megeresztésnek nevezik. Már 100...120 OC-on néhány óra hőntartás után diffúzióval kiválik az oldott karbontartalom nagy része. Ha az acél karbontartalma kicsi (C ≤ 0.2 %), akkor a ferrit oldhatóságát meghaladó, így kiválásra képes karbon mennyisége olyan kevés és a diffúzió sebessége olyan lassú, hogy a karbon nagyobbrészt rácshibákba vándorol, ami csekély keménység növekedést hoz létre. Ha az acél karbontartalma meghaladja a C > 0.2 %-ot, akkor a karbon a vassal, Fe5C2 összetételű, hexagonális rácsot alkotó vegyületet hoz létre, az úgynevezett ε-karbidot. A karbon kiválásával a martenzit korábbi tetragonális rácsa közel szabályos kockává válik. Ez a változás igen gyorsan végbemegy 180...200 OC-on. A karbon kiválása során a martenzit rácstorzulása, így keménysége is számottevően csökken, de az acél keménységében ez nem okoz változást, mert ezt a keménység csökkenést kompenzálja az ε-karbid képződése kiváltotta keménység növekedés. Nagyobb hőmérsékleten végzett megeresztéskor (Tmeg > 200 OC) az ε-karbid a karbon diffúziója révén Fe3C összetételű, igen finom eloszlású vas-karbiddá alakul. Eközben a martenzit karbontartalma egyre inkább a ferrit egyensúlyi karbontartalmához közelít. A karbon kiválást természetesen allotróp átalakulás nem kíséri, hiszen a martenzit lényegében karbonban túltelített ferrit. Ezek a változások már érdemlegesen csökkentik az acél keménységét. Ha a megeresztési hőmérsékletet tovább növelik, illetve a hőntartás ideje jelentősen nő, akkor a diszperz eloszlású cementit kezdetben kis korongocskákat alkot, majd az A1 hőmérséklethez közelítve, a megeresztési hőmérsékletet, a korongok egyre kevesebb számú, egyre nagyobb átmérőjű gömbbé koagulálnak. Az edzett acél keménységének, a kivált karbidok alakjának és méretének változását a megeresztési hőmérséklet függvényében a 30. diagram mutatja be.

172


600

Keménység, HV

500

0.39 % C

0.18 % C 400 300 C < 0.2 % karbon kiválás C > 0.2 %ε karbid kiválás

200

. . . . ....

vaskarbid korong kiválás

100 0

vaskarbid gömbösödés 0

100

200

300

400

500

600

700

800

o

Hőmérséklet, C

30. diagram A martenzit keménysége a megeresztési hőmérséklet függvényében 1 órás hőntartás után A gépalkatrészek gyártásához használatos nemesíthető acélok karbon-tartalma általában meghaladja a 0.2 %-ot, mert ilyen karbontartalom mellett már nagy szilárdság és szívósság hozható létre. Csak a 0.2 %-ot meghaladó karbon-tartalmú acéloknál érhető el olyan tulajdonságváltozás, amely indokolhatja a hőkezelést. Az MSZ EN 10083 előírásai szerint gyártott ötvözetlen acélok ∅16...40 mm tartományra érvényes legfontosabb jellemzőit a 63. TÁBLÁZAT foglalja össze. 63. TÁBLÁZAT

ÖTVÖZETLEN, NEMESÍTHETŐ ACÉLOK LEGFONTOSABB JELLEMZŐI

MSZ EN jele

C., %

Mn, %

2 C 22 2 C 25 2 C 30 2 C 35 2 C 40 2 C 45 2 C 50 2 C 55 2 C 60

0.17...0.24 0.22...0.29 0.27...0.34 0.32...0.39 0.37...0.44 0.42...0.50 0.47...0.55 0.52...0.60 0.57...0.65

0.40...0.70 0.40...0.70 0.50...0.80 0.50...0.80 0.50...0.80 0.50...0.80 0.60...0.90 0.60...0.90 0.60...0.90

Cr+Mo +Ni, % min. Re, MPa ≤ 0.63 290 ≤ 0.63 320 ≤ 0.63 350 ≤ 0.63 380 ≤ 0.63 400 ≤ 0.63 430 ≤ 0.63 460 ≤ 0.63 490 ≤ 0.63 520

Nemesített Normalizált Lágyított Rm, MPa min. A, min. KV, min. Re, max.HV % J MPa 470...620 22 50 210 156 500...650 21 45 230 156 550...700 20 40 250 170 600...750 19 35 270 183 630...780 18 30 290 197 650...800 16 25 305 207 700...850 15 320 217 750...900 14 330 229 800...950 13 340 241

Az acélokat három különböző kéntartalommal gyártják. Az 1... jelűeknél S ≤ 0.045 %, a 2... jelűeknél S ≤ 0.035 %, a 3... jelűeknél S = 0.02... 0.04 %.

173


A nemesíthető ötvözött- és ötvözetlen acélok mindig teljesen csillapítottak, amit a legfeljebb 0.4 % szilíciumtartalom garantál. A nemesíthető acélok általában előírt maximális kén- és foszfortartalma (S, P ≤ 0.035 %) lényegesen kisebb, mint az általános rendeltetésű szerkezeti acéloké (ld. 52. TÁBLÁZAT), mert a nagyobb hőmérsékletű hőkezelés során, ha kellő idő áll rendelkezésre, ezek a szennyezők képesek dúsulni, ami jelentősen csökkenti a szívósságot. A hőkezelésnek, mint tulajdonság-módosító technológiának nagy előnye, hogy általában egy termék gyártási műveletei közé is beilleszthető. Ezzel az anyagnak mindig a legkedvezőbb állapotában végezhető el az adott művelet. Például egy tengely gyártásakor az alakadó esztergálást az acél kilágyított-, illetve normalizált forgácsolásra legalkalmasabb -, állapotában végzik, a használati tulajdonságokat nyújtó nemesítés után a méretre munkálást viszont köszörüléssel végzik. 40

Maradék ausztenit, %

35 30 25 20 15 10 5 0

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

Karbontartalom, %

31. diagram A maradék-ausztenit mennyisége az átalakuló ausztenit karbontartalmának függvényében Amint az a 20. diagram adataiból látható, a martenzites átalakulás kezdőés befejező hőmérséklete jelentős mértékben csökken a karbontartalom növekedésével. A kis karbontartalmú acélok edzését követően is mindig marad vissza csekély mennyiségű ausztenit, de ennek hatása az acél tulajdonságaira elhanyagolható. Ezzel szemben a közel eutektoidos összetételű, vagy ennél nagyobb karbon-tartalmú acéloknál az edzett, szobahőmérsékletű szövet már nem tekinthető homogénnek, mert jelentős mennyiségű, át nem alakult ausztenitet is tartalmaz. A maradékausztenit és a karbontartalom közötti kapcsolatot a 31. diagram mutatja be. A maradék-ausztenit az edzést követően igen lassan, diffúziós úton átalakul. Az átalakulás következtében térfogat-növekedés mellett a kemény, martenzites szövetben lágyabb bénitszemcsék jelennek meg. Mind a lágy ferrites foltok, mind a térfogat növekedés káros lehet például a gördülő csapágyaknál. A megeresztés során a maradék-ausztenit a 200...300 OC -os hőmérsékleten rövid idő alatt átalakul,

174


ezért a maradék-ausztenit a nemesítésre kerülő acéloknál kevésbé jelent nehézséget. Edzéskor a martenzites szerkezet akkor keletkezik, ha olyan mértékű túlhűtést sikerül elérni, amelynél a γ ⇒ α átalakulás diffúzió nélkül megy végbe. Nagy túlhűtést vagy igen gyors hűtéssel, vagy ötvözéssel, az ausztenit stabilitásának növelésével lehet elérni. A hűtési sebesség növelésének azonban gátat szab egyrészről maga a hűtőközeg-, másrészről az anyag hővezető képessége. A hűtő felülettől távolodva, az acél belsejében egyre kisebb és kisebb a hűlési sebesség. Ezért a nagyobb keresztmetszetű termékek edzésekor a felülettől a mag irányába haladva, az ausztenit egyre kisebb mértékben alakul át martenzitté. Ilyen esetekben a szövetszerkezet egyre nagyobb mennyiségben a maradék-ausztenit kisebb keménységű bomlástermékét tartalmazza. Az átedződő szelvény meghatározására szolgáló technológiai próba - a véglapedző (Jominy) vizsgálat -, vízzel hűtött próbatestjében 700 OC-on a hűlési sebesség és lehűtött próba keménységének változását mutatja, a véglaptól mért távolság függvényében a 43. ábra. o

Kem énység, HV

Hűlési sebesség, C /s

800

400

700

350

600

300

500

Cr 2 acél keménysége

400

250 200

300

150

200

100

100 0

50

hűlés i sebess é g 0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 90 100

Távo lság a v églaptól, m m

víz 43. ábra A hűlési sebesség és a keménység a véglaptól mért távolság függvényében Az intenzív hűtés tovább növeli a martenzit és a martenzites szövet egyébként is nagy feszültségét. A lényegesen gyorsabban hűlő, ezáltal kisebb hőmérsékletű kéreg zsugorodását a sokkal lassabban hűlő- és ezáltal kevésbé összehúzódó mag akadályozza. Ez az egyenlőtlen hűlés a kéregben jelentős húzófeszültséget kelt, ami akár edzési repedéshez is vezethet.

175


A termikus feszültségek mérsékelhetők a mag és a kéreg hőmérsékletkülönbségének csökkentésével. Csökken a hőmérsékletkülönbség, ha nő a hővezetésre rendelkezésre álló idő, vagyis a hűlési sebesség csökken. Kisebb hűlési sebesség is elegendő a martenzites átalakuláshoz, ha ötvözéssel csökkenthető az Ms/Mf hőmérséklete illetve, az átalakulás lappangási idejének növelhető. Az ötvözők jelenléte a nemesíthető acélokban azonban számos tulajdonságukat befolyásolja. Az ötvözők hatását a 64. TÁBLÁZAT mutatja be. Azt a legkisebb hűlési sebességet, amelynél az ausztenit maradéktalanul martenzitesen alakul át, felső kritikus hűlési sebességnek, azt, amelynél a szövetszerkezetben éppen megjelenik a martenzit, alsó kritikus hűlési sebességnek tekintik. A gyakorlatban használatosabb egy jobban mérhető és ezért érzékelhetőbb jellemző, az átedzhető átmérő. Az átedzhető átmérő annak a rúdnak az átmérője, amelynél egy adott hűtőközeg esetén a középvonalában a szövete 50 % martenzitet tartalmaz. 64. TÁBLÁZAT Tulajdonság Hűlési sebesség Karbidképződés Keménység Kopásállóság Nyúlás Ütőmunka Forgácsolhatóság Kúszásállóság Nitridálhatóság

A NEMESÍTHETŐ ACÉLOK LEGFONTOSABB ÖTVÖZŐINEK HATÁSA Mn

Si

Cr

Ni

Mo

V

Al

W

Co

⇓⇓ Ο ⇑ Ο Ο Ο Ο Ο Ο

⇓ ⇓ ⇑ ⇑ ⇓ ⇓ ⇓ ⇑ ⇓

⇓⇓ ⇑⇑ ⇑⇑ ⇑ ⇓ ⇓ ⇓ ⇑ ⇑⇑

⇓⇓ ⇓ ⇑ ⇓⇓ ⇑ ⇑⇑ ⇓ ⇑ ⇓

⇓⇓ ⇑⇑ ⇑ ⇑⇑ ⇓ ⇑ ⇓ ⇑⇑ ⇑

⇓⇓ ⇑⇑ ⇑ ⇑⇑ Ο ⇑ ⇓ ⇑⇑ ⇑

⇓ ⇓ Ο Ο ⇓ ⇓ Ο ⇑⇑ ⇑⇑

⇓⇓ ⇑⇑ ⇑ ⇑⇑ ⇓ Ο ⇓ ⇑⇑ ⇑

⇑ Ο ⇑ Ο ⇓ ⇓ ⇓ Ο ⇓

⇑⇑ erősen növeli, ⇑ növeli, Ο nem befolyásolja, ⇓ csökkenti, ⇓⇓ erősen csökkenti

A nemesített, ötvözetlen acélok szilárdsága a darab szelvényének vastagságától is függ, mert a szelvényvastagság növekedésével a nemesített szferoiditos szerkezet a keresztmetszet egyre kisebb hányadát teszi ki. Az edzett acél keménysége és lényegében szilárdsága is, annak az ausztenitnek az oldott karbontartalmától függ, amelyből a martenzit keletkezik, vagyis majdnem független az egyéb ötvözőktől. Ezért a nemesíthető acélok ötvözésének egyik alapvető célja a kritikus hűlési sebesség csökkentése. A kisebb kritikus hűlési sebességnél a nagyobb keresztmetszetű darabok edzése is elvégezhető, ami a termék szilárdságát, szívósságát növeli ugyanakkor az edzési repedés keletkezésének valószínűsége is csökken. A felső- és az alsó kritikus hűlési sebesség az ötvözőtartalom függvényében a (88) és a (89) empirikus összefüggéssel számítható: lg vkritalsó = 4.58-0.01 C-0.47 Mn-0.76 Ni-0.29 Cr-0.44 Mo-2 Mo0.5-0.19 V-0.15 Al, lg vkritfelső = 8.1 - 4.2 C - 1.03 Mn - 0.57 Ni - 0.52 Cr - 0.71 Mo - 0.19 V - 0.15 Al, ahol:

176

(88) (89)


vkritfelső.... a felső kritikus hűlési sebesség, OC/s, vkritalsó…..az alsó kritikus hűlési sebesség, OC/s. A (88) és a (89) összefüggésből és a 64. TÁBLÁZAT-ból látható, hogy a kritikus hűlési sebességet hatékonyan csökkenti nemcsak a karbon, hanem a mangán, a króm, a molibdén, a vanádium és a nikkel is. 65. TÁBLÁZAT

ÖTVÖZÖTT, NEMESÍTHETŐ ACÉLOK LEGFONTOSABB JELLEMZŐI

MSZ EN jele

C, %

28 Mn 6 38 Cr 2 46 Cr 2 34 Cr 4 37 Cr 4 41 Cr 4 25 CrMo 4 34 CrMo 4 42 CrMo 4 50 CrMo 4 51 CrV 4* 36 CrNiMo 4 34 CrNiMo 6 30 CrNiMo 8 36 NiCrMo 16

0.25...0.32 0.35...0.42 0.42...0.50 0.30...0.37 0.34...0.41 0.38...0.45 0.22...0.29 0.30...0.37 0.38...0.45 0.46...0.54 0.47...0.55 0.32...0.40 0.30...0.38 0.26...0.34 0.32...0.39

*

Mn, %

1.1...1.65 0.50...0.80 0.50...0.80 0.60...0.90 0.60...0.90 0.60...0.90 0.60...0.90 0.60...0.90 0.60...0.90 0.50...0.80 0.70...1.1 0.50...0.80 0.50...0.80 0.30...0.60 0.30...0.60

Cr, %

≤ 0.4 0.4...0.6 0.4...0.6 0.9...1.2 0.9...1.2 0.9...1.2 0.9...1.2 0.9...1.2 0.9...1.2 0.9...1.2 0.9...1.2 0.9...1.2 1.30...1.7 1.80...2.2 1.60...2.0

Mo, %

≤ 0.1

Ni, %

≤ 0.4

0.15...0.3 0.15...0.3 0.15...0.3 0.15...0.3 0.15...0.3 0.15...0.3 0.30...0.5 0.25..0.45

0.9...1.2 1.30...1.7 1.80...2.2 3.6...4.1

min. Re, MPa 490 450 550 590 630 660 600 650 750 780 800 800 900 1050 1050

Nemesített Rm, MPa min. A, % 700...850 15 700...850 15 800...950 14 800...950 14 850...1000 13 900...1100 12 800...950 14 900...1100 12 1000.1200 11 1000.1200 10 1000.1200 10 1000.1200 11 1100.1300 10 1250.1450 9 1250.1450 9

vanádiummal ötvözött V = 0.10...0.25 %

A nemesíthető acélok szilárdsági jellemzőit az ötvözők ellenére is alapvetően a karbontartalom határozza meg. A gyakorlat megkövetelte igények minél teljesebb kielégítése érdekében a nemesíthető acélok egyes ötvöző-csoportjaiban kisebb- és nagyobb karbontartalmú, szívósabb és keményebb, kopásállóbb változatok is rendelkezésre állnak. Ugyancsak gyártanak olyan nemesíthető acélokat, amelyek kéntartalma nemcsak felülről, hanem alulról is korlátozott. Ezeknek az acéloknak a típus-jelében az S betűjel szerepel és a kéntartalma S = 0.02..0.04 %. Az MSZ EN 10083 szerinti ötvözött nemesíthető acélok jellemzőit a 65. TÁBLÁZAT foglalja össze. A nemesíthető acélok két alapvető ötvözője a mangán és a króm. Az átedzhetőség, a szilárdsági- és szívóssági tulajdonságok javítása kizárólag az olcsó mangánötvözéssel korlátozott, mert a mangán erőteljesen csökkenti az Mf hőmérsékletet és ezzel növeli a maradék-ausztenit mennyiségét. A közel 2 % mangánt tartalmazó ötvözetek már levegőn hűtve is edződnek, ezért a forgácsoláshoz szükséges lágyított állapot csak hőkezeléssel érhető el. A 28 Mn 6 típusú, mangánötvözésű nemesíthető acélokat, amelyek jól ellenállnak az abrazív kopásnak, általában egyszerű, mezőgazdasági eszközök, szerszámok gyártásához használják.

177


A króm és a nikkel nagyon hatásosan növeli az átedzhetőséget, amint az a 32. diagramon bemutatott, ugyanolyan karbontartalmú C 35, a 37 Cr 4 króm-ötvözésű valamint a 36 NiCrMo 16 króm-nikkel-molibdén ötvözésű acél keménység-eloszlásának összehasonlítása alapján látható. A króm, ezen kívül, erősebb karbidképző, mint a vas - amint az a 24. diagram adataiból kiolvasható -, vagyis a vas-karbid helyett, illetve mellett stabilisabb króm-karbid is képződik. 1000

Keménység, HV

900 800 700 600 36 NiCrMo 16

500 400 37 Cr 4

300 200

2 C 35

100 0

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Távolság a véglaptól, mm

32. diagram Az ötvözők hatása a keménységre a véglaptól mért távolság függvényében A krómötvözésű nemesíthető acélok elsősorban olyan, kisebb méretű kopásnak is kitett gépalkatrészeknek - mint a dugattyúrudak, csapok, csuklók -, az anyaga, amelyeknél elsősorban a szilárdsági jellemzők a meghatározók. A krómmal és/vagy mangánnal ötvözött acélok megeresztését követő hűtés során a ferritben foszfordúsulás léphet fel, ami a ferrit átmeneti hőmérsékletének nagymértékű növekedésében, az anyag ridegedésében, az ütőmunka csökkenésében jelentkezik. A dúsulás mértéke a hőmérséklet és az idő függvénye, mert a dúsulás diffúziós folyamat során jön létre. Az elridegedés akkor következik be, ha az acél hosszasan 500...570 OC hőmérséklet-tartományban tartózkodik, vagy ennél nagyobb hőmérsékletről ebben a hőmérséklet-tartományban lassan hűl. Ezt a szívósság csökkentő folyamatot megeresztési ridegedésként tartják számon. A ridegedés elkerülhető, ha a megeresztés hőmérséklete nem haladja meg az 500 OC-t, illetve ha az acélba - mint a 30 CrNiMo 8 és a 36 NiCrMo 16 típusoknál -, legalább 0.3 % molibdént is ötvöznek. A krómhoz hasonlóan, karbidképző a vanádium is. A vanádium-karbid képződési szabadentalpiája a hőmérséklet növekedésével nő, szemben a króm különböző karbidjaival (ld. 24. diagram), ezért nagyobb hőmérsékleteken kevésbé állékony. A szilárd fázisban, a szobahőmérséklethez közeli hőmérséklet-tartományban azonban az egyetlen karbonatomot tartalmazó VC vegyület képződésének nagyobb a valószínűsége, mint a sok vagy több karbonatomot igénylő króm karbidoknak. A króm-vanádium ötvözésű acélok jellemző alkalmazási területe a közepes

178


méretű, nagy igénybevételű, fárasztó- és koptató igénybevételnek egyaránt kitett alkatrészek és szerszámok, például a villáskulcsok. 66. TÁBLÁZAT

ÖTVÖZÖTT, NEMESÍTHETŐ ACÉLOK CÉLSZERŰ ALKALMAZÁSA

A

FOLYÁSHATÁR ÉS AZ ÁTMÉRŐ FÜGGVÉNYÉBEN

min. ReH, MPa 300 350 400 450 500 550

d ≤ 16

2 C 25 2 C 22 2 C 35 2 C 30 2 C 40 2 C 50 2 C 45 2 C 55 38 Cr (S) 2

600 650 700

750 800 900

1000 1050

46 Cr (S) 2 28 Mn (S) 6 34 Cr (S) 4 25 CrMo (S) 4

átmérő,mm 16 < d ≤ 40 40 < d ≤ 100 2 C 25 2 C 35 2 C 22 2 C 35 2 C 45 2 C 30 2 C 45 28 Mn (S) 6 2 C 40 2 C 50 34 Cr (S) 4 2 C 60 37 Cr (S) 4 2 C 55 46 Cr (S) 2 41 Cr (S) 4 28 Mn (S) 6 37 Cr (S) 4 25 CrMo (S) 4 41 Cr (S) 4 42 CrMo (S) 4

50 CrMo 4 36 CrNiMo 4 51 CrV 4 37 Cr (S) 4 42 CrMo (S) 4 50 CrMo 4 36 CrNiMo 4 41 Cr (S) 4 36 CrNiMo 4 34 CrNiMo 6 34 CrMo (S) 4 51 CrV 4 42 CrMo (S) 4 34 CrNiMo 6 30 CrNiMo 8 50 CrMo 4 36 CrNiMo 4 51 CrV 4 34 CrNiMo 6 30 CrNiMo 8 36 NiCrMo 16

100 < d ≤ 160 100 < d ≤ 160

25 CrMo (S) 4 25 CrMo (S) 4 34 CrMo (S) 4 34 CrMo (S) 4 42 CrMo (S) 4 42 CrMo (S) 4 50 CrMo 4 36 CrNiMo 4 51 CrV 4 34 CrNiMo 6

34 CrNiMo 6

50 CrMo 4 36 CrNiMo 4 34 CrNiMo 6 51 CrV 4 34 CrNiMo 6 30 CrNiMo 8

30 CrNiMo 8

30 CrNiMo 8

Olyan gyártmányok, amelyek jelentős ütésszerű igénybevételnek is ki vannak téve, a krómon és a molibdénen kívül, nikkellel is ötvözöttek. A nikkel, hasonlóan a mangánhoz - bár kisebb mértékben -, stabilizálja az ausztenitet. A viszonylag drága nikkel ötvözése az átedzhető átmérőn kívül, elsősorban a szívósságot növeli számottevően, különösen a szobahőmérsékletnél kisebb hőmérsékleteken, ami részben a szemcsedurvulást gátló hatásának köszönhető. A nemesíthető acélok közül a kiválasztást segíti a 66. TÁBLÁZAT, amely az átmérő és folyáshatár szerint rendezve tartalmazza a nemesíthető acélokat.

179


A nemesítés technológiájának tervezésekor az edzés és az azt követő megeresztés 33. elvi hőmérséklet-idő diagram adatait kell előírni. 1000

Hőmérséklet,

900 Ac3 800

Tedz.

700 c1 A felhevítési sebesség

600

Tmegereszt.

500

1

kritikus hűtési sebesség

400

2

300

300 fok C

200 100

t edz.

t fesz. csökkentés

t megereszt.

0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

idő, perc

33. diagram A nemesítés elvi hőmérséklet-idő diagramja Az edzési hőmérsékletre hevítés idejét a darab méretének és tagoltságának figyelembevételével a lehető legnagyobb értékűre célszerű választani. Az egy mm átmérőre vonatkozó fajlagos érték ötvözött acélra 60...70 OC/s, ötvözetlen acélra 65...80 OC/s. Az edzési hőmérsékletet a karbidok gyors oldódása érdekében minél nagyobbra célszerű választani. Az edzési hőmérséklet növelésének azonban határt szab a szemcsedurvulás veszélye. A szemcsedurvulás úgy kerülhető el, ha az acélban az edzési hőmérsékleten is marad vissza annyi oldatlan karbid, amely a szemcse növekedését megakadályozza. A szabvány, illetve a gyártó általában javaslatot tesz az edzési hőmérsékletre, ennek hiányában a (90) empirikus összefüggéssel számítható: Tedz. = 935 - 230 C - 16 Ni - 10 Mn + 10 Cr + 45 Si + 30 Mo + 100 V + 13 W + 80 Al (90) Az edzési hőmérsékletről a gyors hűtést olyan hűtőközeg alkalmazásával kell végezni, amely 50%-nyi martenzitet eredményez a darabnak a felülettől legtávolibb pontjában is. Az edzett acél felhevítését a megeresztési hőmérsékletre lassabban kell végezni, mint az edzési hőmérsékletre, mert a martenzites szerkezet fokozottan hajlamos repedésképződésre. A megeresztési hőmérsékletet, amely mindig Ac1 alatti, a gyártmánnyal szemben támasztott igénybevétel szerint kell meghatározni. A megeresztési hőmérséklet és a mechanikai tulajdonságok közötti kapcsolatot a 34. diagram szemlélteti.

180


Keménység, HV szakítószilárdság, Rm, MPa folyáshatár, ReH, MPa

ütőmunka, J fajlagos nyúlás, %

1500 1400

ütőmunka

1300 1200 1100 1000


900 800

folyáshatár

700

fajlagos nyúlás

600 500 400

keménység

300 200 100 0

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

Megeresztési hőmérséklet, fok C .

34. diagram A nemesítés során a tulajdonság-változások jellege A megeresztés időtartama legalább 30 perc, általában 1 óra, de a hőmérséklet és a hőntartási idő egymás rovására növelhető, illetve csökkenthető az Arrheniusz típusú egyenletből származó, Hollomon-Jaffe féle (91) összefüggés szerint: p = T ( ln t + K ),

(91)

ahol: p..........megeresztési paraméter, K, T..........hőmérséklet, K, t..........a megeresztés időszükséglete T1 hőmérséklet esetén, óra, K.........az anyagtól függő állandó, K = (17.7 - 5.8 C %). A megeresztési hőmérsékletről általában nyugvó levegőn hűtik a darabot. Ha ez a megeresztési ridegedés miatt kedvezőtlen mechanikai jellemzőket adna, akkor a darabot gyorsan, vízben vagy olajban hűtik le, majd 300 OC-on, feszültségcsökkentő izzítást kell végezni. A rugók alapanyagával szemben támasztott, egyik legfontosabb követelmény, az igen nagy folyáshatár annak érdekében, hogy a rugó minél nagyobb terhelést vehessen fel alakváltozás nélkül. A másik, ugyancsak fontos követelmény, hogy a rugó a nagy szilárdság mellett is rendelkezzék kellő alakváltozó képességgel ahhoz, hogy az esetleges túlterhelésekor ne ridegen törjön, hanem a terhelés egy részét alakváltozás formájában nyelje el. A 34. diagram alapján látható, hogy a megeresztési hőmérséklet növekedésével kezdetben - mintegy 200 OC-ig -, a folyáshatár nő, s a hőmérséklet további növelésekor a folyáshatár csökkenése sokkal

181


kisebb arányú, mint a szakítószilárdságé, vagyis az ReH/Rm arány növekszik. E tulajdonságok teszik lehetővé, hogy a nemesíthető acélok egy sajátos, de igen jelentős alkalmazási területe a rugók gyártása. A mechanikai tulajdonságok optimuma a rugóacéloknál a kisebb hőmérsékletű, 400...500 OC-os megeresztéssel érhető el. A szilícium - amint az a 18. diagram adataiból látható -, a ferritben oldódva a rácsot erősen torzítja és ezáltal igen jelentősen növeli a szilárdságot. Ezt a hatást aknázzák ki az MSZ 2666 előírásai szerint gyártott nemesíthető rugóacélok egyik csoportjánál, amelyet a szilíciummal ötvözött acélok alkotják. A szilíciummal ötvözött, nemesíthető rugóacélok legfontosabb jellemzőit a 67. TÁBLÁZAT foglalja össze. A szilíciummal ötvözött rugóacélokat elsősorban a kisebb vastagságú lap-, lemez-, és csavarrugók gyártására használják. Az egyéb ötvözésű rugóacélokat nagyobb átedzhetőségüknek köszönhetően, elsősorban a vastagabb, a vanádium ötvözésűeket a jellemzően ismétlődő igénybevételnek kitett járműrugók gyártására használják. 67. TÁBLÁZAT

SZILÍCIUMMAL ÖTVÖZÖTT, NEMESÍTHETŐ RUGÓACÉLOK JELLEMZŐI

MSZ jele

C., %

Mn, %

38 Si 7 55 Si 7 61 Si 7 61 SiCr 7 60 SiMn 5

0.34...0.42 0.52...0.60 0.57...0.65 0.57...0.65 0.55...0.65

0.50...0.8 0.60...0.9 0.60...0.9 0.70...1.0 1.0...1.4

Si, %

Cr, %

Nemesített min. Rp0.2, min. Rm, min. A, MPa % MPa 1.4...1.7 1030 1250 6 1.5...2.0 1130 1320 6 1.5...2.0 1180 1370 6 1.5...1.8 0.20...0.4 1180 1370 6 1.0...1.5 1180 1370 6

Az MSZ 2666 előírásai szerint gyártott nemesíthető rugóacélok másik csoportját azok az acélok alkotják, amelyeknél az általános felhasználási célra gyártott nemesíthető acélokhoz (63. TÁBLÁZAT) viszonyítva nagyobb karbontartalommal érik el a nagyobb folyáshatárt. Ezeknek az acéloknak a legfontosabb jellemzőit foglalja össze a 68. TÁBLÁZAT. 68. TÁBLÁZAT

*

ÖTVÖZÖTT, NEMESÍTHETŐ RUGÓACÉLOK LEGFONTOSABB JELLEMZŐI

MSZ jele

C., %

Cr, %

60 Cr 3 60 CrB 3* 60 CrMoV 3 51 CrV 4 52 CrMoV 4

0.56...0.64 0.56...0.64 0.56...0.64 0.47...0.55 0.48...0.56

0.70...1.0 0.70...1.0 0.70...1.0 0.60...1.0 0.70...1.0

Mo, %

V, %

Nemesített min. Rp0.2, min. Rm, min. A, MPa MPa % 1180 1370 5 1180 1370 6 0.25...0.35 0.10...0.25 1180 1370 6 1125 1320 7 0.15...0.25 0.07...0.15 1300 1450 8

bórral mikroötvözött B ≥ 0.0005 %

Amint az a 7. és a 24. diagramból következik, a bór erős nitrid-, de különösen erős karbidképző. A bór nagyon hatékonyan növeli az átedzhetőséget azáltal, hogy az ausztenit szemcsehatárán dúsulva akadályozza a ferrit képződését. Az

182


acélgyártáskor csak nagyon gondos, pontosan szabályozott ötvözéssel érhető el - a bórnak az oxid-, karbid- és nitridképző hajlama miatt -, hogy az ausztenit átalakulásának akadályozásához szükséges 10...30 tömeg ppm elemi, szabad bór rendelkezésre álljon, de mennyisége ezt ne haladja meg. A nagyobb mennyiségű bór ugyanis már boro-karbid (Fe23(CB)6) formájában kiválik, ami az ausztenit szemcsével inkoherens határral érintkezik és a ferritképződést segítve, rontja az átedzhetőséget. A finom karbidkiválások ugyanakkor jelentősen növelik az acél ütőmunkáját, szívósságát. A bór kedvező hatása még viszonylag kis, C ≤ 0.2 %, karbontartalmú szerkezeti acéloknál is kihasználható a szilárdsági értékeket javító nemesített állapot eléréséhez. A nagyszilárdságú, nemesített szerkezeti acélokat az MSZ EN 10137-2 szabvány előírásai szerint gyártják. A jellemző vegyi összetételt a 68. TÁBLÁZAT, a mechanikai jellemzőket a 69. TÁBLÁZAT tartalmazza. 68. TÁBLÁZAT

NAGY FOLYÁSHATÁRÚ, NEMESÍTETT SZERKEZETI ACÉLOK VEGYI ÖSSZETÉTELE

EN jele xxxx xxxxL xxxL1

max. C, % max. Mn, max. P, % % 0.025 0.2 1.7 0.02 0.015

69. TÁBLÁZAT

max. S, max. Ni, max. B, max. Zr, max. V, max. Nb, % % % % % % 0.015 2.0 0.005 0.15 0.12 0.06 0.010 0.010

NAGY FOLYÁSHATÁRÚ, NEMESÍTETT SZERKEZETI ACÉLOK MECHANIKAI JELLEMZŐI

MSZ EN jele S460Q S500Q S550Q S620Q S690Q S890Q S960Q

Anyagszám 1.8908 1.8924 1.8904 1.8914 1.8931 1.8940 1.8941

min. ReH, MPa 460 500 550 620 690 890 960

Rm, MPa min. A, % 550...720 590...770 640...820 700...890 770...940 940...1100 980...1150

17 17 16 15 14 11 10

Vizsgálati hő- min. KV, J mérséklet, OC -20 27 -20 27 -20 27 -20 27 -20 27 -20 27 -20 27

* megjegyzés: az adott minőségeket L és L1 minőségben is gyártják, amelyek kisebb S és P tartalmuknak köszönhetően kisebb hőmérsékleten (L = -40 OC-on, L1 = -60 OC-on) is rendelkeznek 27 J ütőmunkával.

A korrózióval szemben ellenálló, nemesíthető acélok fő ötvözője a króm, hasonlóan mint az a 4.1.3.1. pontban tárgyalt, szilárdoldatot alkotó korrózióálló acélok esetében. Az alapvető különbséget, értelemszerűen a nagyobb karbontartalom jelenti. Az MSZ EN 10088-2 előírásai szerint gyártott, martenzites korrózióálló acélok legfontosabb jellemzőit foglalja össze a 70. és 71. TÁBLÁZAT. Az X12Cr13 acélt orvosi eszközök, mint fogók, az X20Cr13 acélt nagy mechanikai igénybevételnek kitett tengelyek, csapok, kések, szikék az X30Cr13 acélt rugók, mérőműszerek, az X40Cr13 acélt műanyag-alakító szerszámok, az X17CrNi16-2 acélt szivattyúelemek, szelepek és más nagy igénybevételnek kitett alkatrészek gyártására alkalmazzák.

183


70. TÁBLÁZAT

MARTENZITES KORRÓZIÓÁLLÓ ACÉLOK ÖTVÖZŐI

MSZ EN jele X12Cr13 X20Cr13 X30Cr13 X39Cr13 X46Cr13 X50CrMoV15 X70CrMo15 X39CrMo17-1 X105CrMo17 X90CrMoV18 X17CrNi16-2

EN száma 1.4006 1.4021 1.4028 1.4031 1.4034 1.4116 1.4109 1.4122 1.4125 1.4112 1.4057

korábbi MSZ jele

C. , %

Cr, %

0.08…0.15 11.50…13.50 KO 11 0.16…0.25 12.00…14.00 KO 12 0.26…0.35 12.00…14.00 ≈KO 13 0.36…0.42 12.50…14.50 0.43…0.50 12.50…14.50 0.45…0.55 14.00…15.00 0.65…0.75 14.00…16.00 0.33…0.45 15.50…17.50 KO 14 0.95…1.20 16.00…18.00 0.85…0.95 17.00…19.00 ≈KO 16 0.12…0.22 15.00…17.00

Mo, %

Egyéb, %

0.50…0.80 V = 0.10…0.20 0.40…0.80 0.80…1.30 0.40…0.80 0.90…1.30 V = 0.07…0.12 Ni = 1.50…2.50

71. TÁBLÁZAT MARTENZITES KORRÓZIÓÁLLÓ ACÉLLEMEZEK MECHANIKAI JELLEMZŐI NEMESÍTETT ÁLLAPOTBAN

MSZ EN jele

EN száma X12Cr13 1.4006 X20Cr13 1.4021 X30Cr13 1.4028 X39Cr13 1.4031 X46Cr13 1.4034 X50CrMoV15 1.4116 X39CrMo17-1 1.4122 X17CrNi16-2 1.4057

korábbi Rp0,2, MPa MSZ jele ≥ 400 KO 11 ≥ 450 KO 12 ≥ 600 ≈KO 13

≈KO 16

≥ 680

Rm, MPa

min. A, %

550…750 650…850 800…1000 ≤ 760 ≤ 780 ≤ 850 ≤ 900 880…1080

15 12 10 12 12 12 12 11

A vasban korlátlanul oldódó nikkel ötvözésével az ausztenit stabilitása megnő. A 19. un. Schaeffler-diagramból látható, ha az acél számottevő krómot nem tartalmaz, akkor 8 %-nál kisebb nikkeltartalom esetén az acél szövetszerkezete, ferritet és martenzitet fog tartalmazni. Az ilyen összetételű acélok nemesítésekor a karbid igen diszperz formában válik ki, amely a ferritben oldott nikkel 18. diagramon bemutatott szilárdságnövelő hatásához társulva, igen szívós szerkezetet eredményez. A finom szemcseszerkezet, a ferrit nagy szilárdsága és a kis mennyiségű karbid diszperz eloszlása együttesen az ütőmunkát növeli. Ezért olyan területeken mint a hűtő-, a vegyipari berendezések, levegőbontó rendszerek (ld. 73. TÁBLÁZAT), arktikus viszonyok között üzemelő szerkezetek -, ahol lényegesen a 0 OC alatti hőmérsékleten is az anyagnak ellen kell állni dinamikus igénybevételnek, a nikkellel ötvözött, nemesített hidegszívós acélokat alkalmazzák. Az MSZ EN 10028/4 előírásai szerint gyártott hidegszívós acélok legfontosabb jellemzőit a 72. TÁBLÁZAT foglalja össze. A molibdén ötvözése a megeresztési ridegedés elkerülését, a vanádium ötvözése az átedzhetőség további növelését szolgálja.

184


72. TÁBLÁZAT

NEMESÍTETT HIDEGSZÍVÓS ACÉLOK LEGFONTOSABB JELLEMZŐI

MSZ EN jele max. C.,% 11MnNi5-3 0.14 13MnNi6-3 0.16 15NiMn6 0.18 12Ni14 0.15 12Ni19 0.15 X8Ni9 0.1 X7Ni9 0.1 *

min. ReH, MPa 0.15…0.8 0.7…1.5 285 0.15…0.8 0.85…1.7 355 1.3…1.7 0.8…1.5 355 3.25...3.75 0.3…0.8 355 4.75...5.25 0.3…0.8 390 8.5…10 0.3…0.8 585 8.5…10 0.3…0.8 585 Ni, %

Mn, %

Rm, MPa min. A, vizsgálati hőmér% séklet OC 420…530 24 -60 490…610 22 -60 490…640 22 -80 490…640 22 -100 530…710 20 -110 680…820 18 -196 680…820 18 -196

min. KV, J 27 27 27 27 27 50 80

molibdénnel ötvözött, Mo = 0.15...0.25 %

73. TÁBLÁZAT Gáz Propán

Szén-dioxid Acetilén Etán

GÁZOK CSEPFOLYOSÍTÁSÁHOZ HASZNÁLATOS BERENDEZÉSEK ACÉLJAI

Hőmérséklet, °C párolgási üzemi - 42,1 - 50 - 60 - 78,5 - 83,6 - 88,6

- 80

-100 Etilén

Acél Normalizált hidegálló acél Ti-ötvözésű finomszemcsés hidegszívós acél Nemesített hidegszívós acél 11MnNi5-3, 13MnNi6-3

Folyáshatár, ReH, MPa 210…260 290...460 360…420 240…290

3 5% Ni-ötvözésű 15NiMn6

355

5% Ni-ötvözésű 12Ni19

390

9% Ni-ötvözésű

585

-103,8 -120

Metán Oxigén Nitrogén

-161,4 -183,0 -195,8

Hidrogén Hélium

-252,8 -268,9

-196 -253

X8Ni9, X7Ni9

Cr-Ni ötvözésű ausztenites acél

200-300

A rugalmassági határt meghaladó feszültség hatására az anyagban diszlokációk mozgásba jönnek, amely a 4.1.2. pontban tárgyalt keményedéshez vezet. Ha a húzóterhelés állandó és a keményedés hatását csökkentő folyamat sebessége csekély, akkor a keményedés miatt a diszlokációk mozgása megszűnik. A szobahőmérsékletnél nagyobb hőmérsékleten üzemelő berendezéseknél azonban, az ugyancsak a 4.1.2 pontban tárgyalt megújulási jelenség is fellép, ami a keményedés hatását megszünteti és ismételt alakváltozás következik be. Ez a tartósan húzóigénybevétellel terhelt szerkezeteknél fellépő - folyamatosan végbemenő keményedés-megújulás-alakváltozás-keményedés okozta -, alakváltozás a tartósfolyás, vagy más szóval kúszás. Ha a terhelés olyan nagy, hogy a kúszási folyamat megindul, akkor a kúszás hatására bekövetkező nyúlás, illetve a nyúlás sebessége az idő

185


függvényében a 35. diagram szerinti jellegzetes alakú függvénynek megfelelően változik. 25

Nyúlás, %,

Nyúlás sebessége, %/év

10 9

20

8 nyúlás

7

15

6 5

10

4 3 nyúlási sebesség

5

2 1

állandósult kúszás szakasza 0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0

idő, év

35. diagram A kúszás okozta nyúlás és a nyúlási sebesség az idő függvényében A 35. diagramnak megfelelően, a terhelés hatására a nyúlás sebessége kezdetben egyre csökken, majd felvesz egy állandósult értéket. Ezt a legnagyobb időtartamú szakaszt tekintik az állandósult kúszás szakaszának, ahol az alakváltozás okozta keményedés és a megújulás egymással egyensúlyban van. Végül az egyre nagyobb mértékű megnyúlás, egyre csökkentve a teherviselő keresztmetszetet, növeli a feszültség értékét, aminek hatására a nyúlás ismét felgyorsul, ez a folyamat végül is szakadáshoz vezet. A megújulás termikusan aktivált folyamat, ezért a kúszás állandósult szakaszában az Arrheniusz-típusú egyenletből származó, Larson-Miller féle (92) összefüggés szerint az ugyanolyan mértékű alakváltozáshoz tartozó hőmérséklet-idő értékek jó közelítéssel egymásba átszámíthatók: ahol:

T1( ln t1 + C ) = T2( ln t2 + C )

.

(92)

T1........ hőmérséklet, K, T2........ hőmérséklet, K, t1........ adott feszültségnél adott alakváltozáshoz tartozó idő T1 hőmérséklet esetén, óra, t2........ adott feszültségnél adott alakváltozáshoz tartozó idő T2 hőmérséklet esetén, óra, C......... az anyagtól függő állandó. A kúszás kezdeti, átmeneti szakaszában a diszlokáció-források aktívak és nagyobb számú diszlokáció keletkezik, mint amennyi megszűnik. Ez a jelenség a diszlokációknak a kristályhatáron való torlódására vezethető vissza. Különösen hatásosak az alakváltozás sebességének csökkentésére az alapszövetbe ágyazott,

186


diszperz eloszlású idegen fázisok. A szobahőmérsékletet meghaladó hőmérsékleten üzemelő szerkezetek gyártásához használatos un. melegszilárd acélok kúszással szembeni ellenállása növelhető, egyrészt az alapszövet folyáshatárának növelésével, másrészt a diszperz eloszlású fázisokkal. A finom eloszlású fázisok nemesítéssel hozhatók létre. A melegszilárd acélokat ezért - ritka kivételtől eltekintve - nemesített állapotban alkalmazzák. Amint az a 18. diagramból megítélhető, a ferrit szilárdságát és ezzel kúszással szembeni ellenállását, igen hatékonyan lehet növelni molibdén ötvözéssel. A molibdén, szemben más, a ferrit szilárdságát jelentősen növelő ötvözőkkel - mint a szilíciummal, a mangánnal, vagy a nikkellel - a 30. TÁBLÁZAT adataiból láthatóan nagyobb atomsugarú mint a vas, és így diffúziója a vasban igen lassú. A ferritben oldott molibdén kis diffúziós sebességének köszönhetően, a nagyobb hőmérsékletű, tartós üzemeltetés során is csak kevéssé dúsul fel, így a diszlokációk mozgását akadályozó hatása is hosszasan érvényesül. A karbidok képződési szabadentalpiáját összefoglaló 24. diagram szerint a molibdén közepesen erős karbidképző, ezért - különösen hosszabb üzemeltetés esetén -, fennáll a veszélye, hogy a ferritből a molibdén karbidképződéssel kiválik. Ezek a karbidok is mérséklik természetesen a kúszás sebességét, de célszerűbb az acél karbontartalmát a molibdénnél erősebb karbidképzőkkel megkötni. Ezáltal ugyanis, a kúszással szembeni ellenállás növelésének mindkét mechanizmusát, a ferrit szilárdságának növelését valamint a karbidok alkotta fázisok diszlokációk mozgását blokkoló hatását is, ki lehet aknázni. Ezért a melegszilárd acélok tipikus ötvözői a molibdén mellett a stabilis karbidokat képző elemek, mint a króm és a vanádium. A melegszilárd acélok kúszással szembeni ellenállásukat nem kis mértékben annak köszönhetik, hogy a ferrites alapú szövetükben - a nemesítés során képződött -, diszperz eloszlású karbidok vannak jelen. Az üzemi hőmérséklet növekedésével azonban, ezek a karbidok egyre rövidebb idő alatt képesek nagyobb méretű gömbökké formálódni. A hőmérséklet további növelésekor, a kisebb stabilitású karbidokból a karbidképző elemek oldódhatnak a ferritben, a visszamaradó karbon grafitosodása mellett. A karbidok nagyobb szemcsévé való összeállása, vagyis a diszperzitás csökkenése, de különösen a karbidok oldódása és a grafitosodás, szigorú határt szab az egyes melegszilárd acélok megengedhető üzemi hőmérsékletének. A melegszilárd acélok jellemző alkalmazási területe a kazán- és az energetikai gépgyártás mellett, a petrolkémiai ipar, ahol a nyersolaj feldolgozása során a szénhidrogének szétválasztását a szobahőmérsékletet lényegesen meghaladó hőmérsékleten végzik. Ilyen alkalmazáskor számolni kell atomos állapotú hidrogén jelenlétével. Az atomos állapotú hidrogén koncentrációját nemcsak a közeg hidrogéntartalma, hanem a nagyobb hőmérséklet, illetve a nyomás is növeli. Az acél felületén adszorbeálódott hidrogén, az acél karbontartalmával képes vegyülni a (93) és a (94) reakcióegyenlet szerint.

[C] +4 H ⇔ CH4 , [Fe3C] +4 H ⇔ CH4 +3[Fe].

(93) (94)

A reakciók végterméke, a gázállapotú metán, a felületről eltávozik, megteremtve ezzel a lehetőségét a további hidrogén adszorpciónak. A (93) és a (94) reak-

187


ciók következtében az acél felülete karbonban elszegényedik. A dekarbonizáció következtében az acél felülete és belseje között koncentráció-különbség alakul ki. Nagyobb hőmérsékleten az acél belsejéből karbon képes diffundálni a karbonban elszegényedett felületre. Ezzel ismételten megteremtődik a feltétele a (93) és a (94) egyenlet szerinti reakcióknak. Lényegében a folyamat hasonló, mint a 4.2.2.1 pontban leírt fehér tempervas előállításakor. A különbséget a kisebb hőmérséklet és ezáltal a folyamat kisebb sebessége jelenti. Tartós, nagy hőmérsékletű üzemeltetés során, a dekarbonizáció hatására az acél karbontartalma jelentősen csökken, ami a szilárdsági jellemzők nagymértékű csökkenéséhez és a szerkezet tönkremeneteléhez vezet. A hidrogén okozta károsodást fokozza, hogy még nagy hőmérsékleten is amint az a különböző elemek diffúziós tényezőit tartalmazó 47. TÁBLÁZAT adataiból látható -, a hidrogén diffúziós tényezője a vasban legalább öt nagyságrenddel nagyobb, mint a karboné. Ezért a felületen adszorbeálódott hidrogén abszorbeálódva az acélban ott viszonylag gyorsan képes diffundálni. Ezért a (93) és a (94) egyenlet szerinti reakciók nemcsak a korlátozott kiterjedésű felületen, hanem magában az acélban is végbemehetnek. A keletkező metán, illetve a 4.1.3.2. pontban leírt mechanizmussal molekulává egyesülő hidrogén mikropórusok formájában a szemcsék határán összegyűlve kiválik. 74. TÁBLÁZAT MSZ EN jele

MELEGSZILÁRD ÉS HIDROGÉNNYOMÁS-ÁLLÓ ACÉLOK VEGYI ÖSSZETÉTELE

Korábbi MSZ jele 16Mo3 16Mo3, Mo 45.47 13CrMo4-5 13CrMo 4-5, Cr5Mo 45.47 11CrMo 9-10 11CrMo 9-10 10CrMo 9-10 10CrMo 9-10, 12Cr10MoVNi 12Cr10MoVNi 16CrMo 9 3 16 CrMo 9 3 12CrMo 20 5 12 CrMo 20 5 17CrMoV 10 17 CrMoV 10 20CrMoV 13 5 20 CrMoV 13 5 24CrMo 10 24 CrMo 10 21CrVMoW12 21 CrVMoW 12

C. , %

Cr, %

Mo, %

0.12...0.20

≤ 0.30

0.25...0.35

V, %

W, %

Ni, % ≤ 0.30

0.08...0.18 0.70...1.15 0.40...0.60 0.09...0.15 0.08...0.14 0.17...0.23 0.12...0.20 0.08...0.15 0.15...0.20 0.17...0.23 0.20...0.28 0.18...0.25

2.0...2.5 2.0...2.5 10...12 2.0...2.5 4.5...5.5 2.7...3.0 3.0...3.3 2.3...2.6 2.7...3.0

0.90...1.1 0.90...1.1 0.80...1.2 0.30...0.40 0.45...0.55 0.20...0.30 0.50...0.60 0.20...0.30 0.35...0.45

0.25...0.35

0.30...0.80

0.10...0.20 0.45...0.55 ≤ 0.80 0.75...0.85 0.3...0.45

Tovább fokozza a hidrogén okozta károsodást, hogy a karbon diffúziója miatt, egyre több rácshely válik üressé. Az ilyen vakanciákban kiváló molekuláris hidrogén nyomása a szemcsehatárokat szétfeszíti. Ezekben a mikrorepedésekben a hidrogén nagyságrendekkel gyorsabban képes az acélba jutni. A már ilyen mértékig károsodott acél tönkremenetele rohamossá válik. A hidrogén okozta - az előzőekben leírt károsítása -, úgy előzhető meg, ha az acélban a karbon olyan karbidok formájában van megkötve, amelynek képződési szabadentalpiája kisebb, mint a metáné.

188


A 24. diagramból látható, hogy azok a stabilis karbidokat képző ötvözők, amelyek az acélok szilárdságát nagyobb hőmérsékleten növelik, egyben elhárítják a metán képződésének, és ezzel a hidrogén károsításának veszélyét is. Ezért a hidrogén károsításának ellenálló úgynevezett hidrogénnyomás-álló acélok, egyben a nagyobb hőmérsékleten üzemelő berendezések anyagai is. 75. TÁBLÁZAT

MELEGSZILÁRD ÉS HIDROGÉNNYOMÁS-ÁLLÓ ACÉLOK MECHANIKAI JELLEMZŐI

MSZ EN jele 16Mo3 13CrMo4-5 11CrMo 9-10 10CrMo 9-10 12Cr10MoVNi70.47 16 CrMo 9 3 12 CrMo 20 5 17 CrMoV 10 20 CrMoV 13 5 24 CrMo 10 21 CrVMoW 12

Nemesített min. ReH, Rm, MPa min. A5, MPa % 270 440...590 24 295 450...600 20 310 520...670 18 300 480...630 18 490 690...840 14 345 540...640 20 390 590...755 17 440 640...780 17 620 780...930 14 440 640...780 17 540 690...830 16

min. Rp02, MPa 105 órás időszilárdság 300 400 500 450 OC 500 OC OC OC OC 200 170 140 239 101 240 210 160 285 137 250 230 200 221 135 230 205 185 221 135 390 360 290 310 235 285 215 108 270 220 155 108 390 330 260 118 510 440 365 127 350 295 118 510 470 147

Ebből kiindulva az MSZ EN 10028/2 szerint gyártott kazán-, az MSZ 2295 szerint gyártott hidrogénnyomás-álló acélok valamint az MSZ 4747 szerint gyártott melegszilárd acélcsövek vegyi összetételét együtt, a 74. TÁBLÁZAT, legfontosabb mechanikai jellemzőit pedig a 75. TÁBLÁZAT foglalja össze. 4.2.2.3

Bénites szerkezetű acélok

Az igen lassú, egyensúlyinak tekinthető lehűléskor - amint az a 4.2.1.1. pontban leírtakból már ismert -, az ausztenit átalakulása részben diffúzióval, ferritperlites vagy hipereutektoidos acéloknál perlit-cementites szövetszerkezet keletkezik. Az igen gyors lehűléskor - ami ugyancsak ismert a 4.2.2.2. pontban leírtakból -, a γ ⇒ α átalakulás diffúziómentesen, rácsátbillenéssel martenzites szövetszerkezet jön létre. A két, szélsőséges lehűlési sebesség közötti lehűléskor, de különösen izotermás hőkezelés során az 550 OC...MS hőmérsékletközben az ausztenit egy harmadik módon is átalakulhat. Az ilyen, alapvetően diffúziós átalakulás során a képződő ferrit az egyensúlyit lényegesen meghaladó mennyiségben tart oldva karbont, s a kiváló vas-karbid is eltér a cementittől, mert összetétele nem Fe3C. A lényeges eltérések miatt az ausztenitnek ezt a harmadik fajta átalakulása során képződött szövetet bénitnek nevezik. A bénites átalakuláskor a csíra mindig ferritkristály, ami tűalakú.

189


Attól függően, hogy az átalakulás az Ms hőmérséklethez közeli, vagy annál lényegesen nagyobb hőmérsékleten megy végbe, a keletkező bénit szerkezetében, és tulajdonságaiban inkább az edzett, illetve inkább a lágyított szövethez hasonlít. Az Ms hőmérséklethez közeli hőmérsékleten keletkező bénit az úgynevezett alsó bénit szerkezete nagyon finom ferrit tűkből és Fe2C...Fe20C9 összetétel tartományban változó összetételű, piciny, korong alakú karbidokból áll. Az Ms hőmérsékletet lényegesen meghaladó hőmérsékleten keletkező bénit ferritje tű alakú, de a karbid már apró cementit lemezkék formájában válik ki. A perlites és a bénites átalakulás közötti különbséget sematikusan szemlélteti a 44. ábra.

44. ábra A perlites és a bénites átalakulás A homogén bénites szerkezet legbiztonságosabban azzal a hőkezeléssel érhető el, ahol az acélt olyan hűtőközegben - általában sófürdőben -, hűtik le, amelynek hőmérséklete az 550 OC ... MS hőmérsékletközben van. Ebben a fürdőben kell tartani az acélt mindaddig, amíg az ausztenit átalakulása megáll. Ezt követően a már kialakult bénites szerkezetű acél tetszőleges sebességgel hűthető le. A hűlési sebesség meghatározásakor a megengedhető termikus feszültségek nagyságára és az esetleges megeresztési ridegségre kell tekintettel lenni. Az ilyen hőkezelés, az izotermás edzés, elnevezésében is utal a hőntartásra. A bénites szerkezetet eredményező izotermás edzés vagy más néven ausztemperálás lényegét szemlélteti a 36.

190


diagram, amely egy 51 CrV 4 minőségű acél átalakulási diagramjába berajzolt lehűlési görbe. O

900

Hőmérséklet, C

Ac3

800

Ausztenesítési hőmérséklet 880 OC

A c1

ferrit

700 perlit

600 500

bénit

Ms

400 300

martenzit

200 100 0

0.1

1

10

100 1 óra

Idő, perc

1000 1 nap

10000

36. diagram Az 51 CrV 4 minőségű acél izotermás edzése A bénites szerkezetű acél - a karbonban túltelített, apró ferrittűinek és a diszperz eloszlású karbidjainak köszönhetően -, nagy szilárdságú, nagy rugalmassági határú, nagy szívósságú és még némi alakváltozásra is képes. Ezek a mechanikai tulajdonságok különösen kedvezőek rugók esetében. Ezért olyankor, ha a rugó keresztmetszete nagy, teljes keresztmetszetében nem edzhető át, így nem is nemesíthető, az izotermás edzés az általánosan alkalmazott hőkezelés. Az izotermás edzés előnye a nemesítéssel szemben, hogy nagy keresztmetszetekben is a teljes keresztmetszet mentén ugyanolyan tulajdonság érhető el. További előnyt jelent, hogy a művelet egyetlen felmelegítéssel végezhető el és a hőkezelés során fellépő termikus feszültségek is lényegesen kisebbek, mint edzéskor. A kisebb feszültségeknek köszönhetően a deformáció és így a repedés képződésének a veszélye az izotermásan edzett acéloknál mérsékeltebb. Meg kell említeni, hogy izotermás edzéshez csak azok az acélok alkalmasak, amelyeknél az ausztenit átalakulása a bénites átalakulás hőközén nem kezdődik meg hamarabb, mint amennyi idő alatt erre a hőmérsékletre le lehet sófürdőben hűteni a darabot. 4.2.2.4 Alakadó technológiákhoz kifejlesztett acélok Egy anyagnak valamely alakadó technológiával végzett feldolgozása során mutatott viselkedése az anyag alkalmazásának egy fontos jellemzője. A forgácsolhatóság, a hegeszthetőség, az önthetőség, a hidegalakíthatóság az anyag számos tulajdonságának az adott alakadó technológia szempontjából lényeges jellemzőinek összessége. Az anyagok tulajdonsága szerkezetüknek - ötvözéssel, hőkezeléssel

191


vagy meleg-, illetve hidegalakítással elért -, módosításával változtatható a feldolgozási technológia igényeinek figyelembevételével. Az alakadó technológiák sorában kiemelkedő jelentőségű a forgácsolás. A szabályos élgeometriájú szerszámmal végzett forgácsoláskor valamely anyag forgácsolhatóságának megítélésében lényeges tulajdonság a: ⇒ fajlagos forgácsolási erő, amely az anyagnak a forgács leválasztással szembeni ellenállását jelzi, és az 1 mm2 keresztmetszetű forgács leválasztásához szükséges forgácsolóerőt jelenti, ⇒ szerszám éltartama, amely az anyagnak a kopással szembeni ellenállását, súrlódási tulajdonságait jelzi a működési hőmérsékletén, ⇒ forgács darabos vagy folyó jellege, amely az anyagnak a forgácsolási hőmérsékleten a ridegségét jelzi, ⇒ megmunkált felület érdessége, amely az anyagnak a forgácsolási hőmérsékleten az alakváltozó- és felhegedési képességét jelzi. A forgácsolhatóság szempontjából az az anyag kedvező, amelynek keménysége lényegesen kisebb, mint a forgácsoló szerszámé, alakváltozó képessége nem túl nagy és olyan fázisokat is tartalmaz, amely a forgácsképződés hőmérsékletén a leválasztott anyagban a törését elősegíti, azaz a forgács darabolódik és rövid. Ennek e jelentősége abban van, hogy a forgácsoló automaták, a gyártósorok, és a gyártási rendszerek felügyelet szegény működtetésének egyik feltétele a képződött forgács elszállítása a munkahelyről. Ez az úgynevezett folyó- (hosszú) forgács esetén nehézséget jelent. A forgácsolhatóság hőkezeléssel, általában normalizálással illetve a szerszámacélok esetében általában lágyítással javítható. A kifejezetten forgácsoló megmunkálás céljaira kifejlesztett, úgynevezett automataacélokban azonban a kívánt tulajdonságokat ötvözéssel érik el. Az automataacélok jellegzetes ötvözői a kén, az ólom, a tellúr és a szelén. Az a mechanizmus, amely szerint a kén javítja a forgácsolhatóságot, alapvetően eltér a többi, felsorolt elemétől. A kén a leghagyományosabb és a legolcsóbb ötvözőeleme az automataacéloknak. A kén az acélban a legalább négy-ötszörös mennyiségben jelen levő mangánnal szulfidokat alkot. A mangán-szulfid olvadáspontja 1610 OC, ami meghaladja az acélét, ezért egyenletes, diszperz eloszlásban helyezkedik el a szövetben. Forgácsoláskor a szulfidzárvány akadályozza a diszlokációk mozgását és az anyag ebben az alakított mikrotérfogatban erősen keményedik, rideggé válik és a leválasztott anyag apró, darabos forgácsot alkot. Az ólom, a bizmut, a tellúr és a szelén a vasban oldhatatlan, a vassal és az acél ötvöző- illetve kísérő elemeivel nem vegyül. Az acél kristályosodásakor a bizmut, a tellúr és az ólom - kis olvadáspontjuk miatt -, olvadt állapotban, emulgált aprócseppek formájában van jelen. Ezek az elemek a forgácsolhatóságot azáltal javítják, hogy a forgácsoláskor az alakítás hatására a forgácstőben kialakuló viszonylag nagy (500...800 OC) hőmérsékleten megolvadnak. Meg kell említeni, hogy a forgácsolhatóság javítása érdekében nemcsak az acélba, hanem egyes, nagy cinktartalmú sárgarezekbe is ötvöznek 1...3 %-nyi ólmot. A felsorolt négy elem olvadás- és forráspontját valamint sűrűségét a 76. TÁBLÁZAT foglalja össze.

192


76. TÁBLÁZAT

AZ AUTOMATAACÉLOK Elem szelén bizmut tellúr ólom

JELLEGZETES ÖTVÖZŐINEK NÉHÁNY FIZIKAI TULAJDONSÁGA

Olvadáspont, OC Forráspont, OC Sűrűség, g/cm3 217 690 4.82 271 1560 9.8 450 1390 6.2 328 1740 11.3

A szelén és a tellúr, bár kiválóan javítják a forgácsolhatóságot, mégis lényegesen ritkábban alkalmazzák ötvözőként, mint az ólmot. A szelént és a tellúrt kizárólag a 2.3.2. pontban ismertetett injektálással lehet ötvözni az acélba, mert forráspontjuk kisebb, mint az acél olvadáspontja. Az ólomötvözés előnye az egyszerűbb eljárás mellett az is, hogy nagy sűrűsége miatt kevésbé befolyásolja ugyanolyan koncentráció esetén az acél mechanikai tulajdonságait, mint a nála nyolcszor kisebb sűrűségű, vagyis nyolcszor nagyobb térfogatú szulfid. Az ólom azon túl, hogy a forgácstőben megolvadva széttördeli a forgácsot, rákenődve a szerszámélre csökkenti a súrlódást és megakadályozza ezzel az acél felhegedését a szerszámra, vagyis az élsisakképződést. 77. TÁBLÁZAT

SZERKEZETI-, BETÉTBEN EDZHETŐ- ÉS NEMESÍTHETŐ

AUTOMATAACÉLOK

MECHANIKAI TULAJDONSÁGAI ÉS FŐ ÖTVÖZŐI

EN jele

MSZ jele

11SMn30 AS 4 11SMn37 AS 5 11SMnPb30 APb 1 11SMnPb37 APb 2 10S20 ABS 1 10SPb20 ABPb 15SMn3 35S20 ANS 1* 46S20 ANS 2* 35SPb20 36SMn14 36SMnPb14 38SMn28 38SMnPb28 44SMn28 44SMnPb28 46SPb20 *

C, %

Mn, %

S, %

≤ 0.14 ≤ 0.15 ≤ 0.14 ≤ 0.14 0.07..0.13 0.07..0.13 0.12..0.18 0.32..0.39 0.42..0.50 0.32..0.39 0.32..0.39 0.32..0.39 0.35..0.40 0.35..0.40 0.40..0.48 0.40..0.48 0.42..0.52

0.9…1.3 1…1.5 0.9…1.3 1…1.5 0.7…1.1 0.7…1.1 0.9…1.3 0.7…1.1

0.27..0.33 0.34..0.40 0.27..0.33 0.34..0.40 0.15..0.25 0.15..0.25 0.08..0.18 0.15..0.25 0.15..0.25 0.15..0.25 0.10..0.18 0.10..0.18 0.24..0.33 0.24..0.33 0.24..0.33 0.24..0.33 0.15..0.25

0.7…1.1 1.3…1.7 1.3…1.7 1.2…1.5 1.2…1.5 1.3…1.7 1.3…1.7 0.7…1.1

Pb, %

0.2..0.35 0.2..0.35 0.2..0.35

Rm min., MPa 460 490 460 490 460 460

Rp0.2 min., MPa 375 390 375 390

A min., %

580 660

365 410

16 13

8 8 8 8 9 9

0.15..0.35 0.15..0.35 0.15..0.35 0.15..0.35 0.15..0.35

nemesítve

Az automataacélok előnye a nagyobb forgácsolási sebességű tömeggyártásnál válik nyilvánvalóvá. Hátrányuk, hogy a forgácsoláskor kedvező tulajdon-

193


ságok a szívósság és az alakváltozó képesség csökkenése árán érhető el. Ezért a nagy igénybevételnek kitett, nagy üzembiztonságot feltételező alkatrészek szerkezeti elemek gyártásához az automataacélok alkalmatlanok. Az automataacélok legjellemzőbb alkalmazási területe a csavarok és a csavaranyák gyártása. Az alkalmazási kör bővítése érdekében számos acél-csoportnak van olyan tagja, amelyet kifejezetten forgácsolási célra fejlesztettek ki. Rendelkezésre állnak kis karbontartalmú szerkezeti -, betétben edzhető -, nemesíthető - és korrózióálló acél változatok is. Az EN 10087 előírásai szerint gyártott, szerkezeti- és betétben edzhető automataacélok legfontosabb jellemzőit a 77. TÁBLÁZAT foglalja össze. Az EN 10088-1 szerinti korrózióálló ferrites automataacélok fő ötvözőit 78. TÁBLÁZAT mechanikai tulajdonságait 79. TÁBLÁZAT tartalmazza. 78. TÁBLÁZAT

EN 10088-1 SZERINTI KORRÓZIÓÁLLÓ AUTOMATAACÉLOK MECHANIKAI TULAJDONSÁGAI ÉS FŐ ÖTVÖZŐI

EN jele

EN korábbi Cmax, % Cr, % Mo, % száma MSZ jele X6CrMoS17 1.4105 ≤ 0.08 16.00…18.00 0.20…0.60 X2CrMoTiS18-2* 1.4523 ≤ 0.030 17.50…19.00 2.00…2.50 X8CrNiS18-9

1.4305 KO 36S

X6CrNiCuS18-9-2 1.4570 X12CrS13 X29CrS13 X14CrMoS17 *

1.4005 1.4029 1.4104

≤ 0.100 17.00…19.00 ≤ 0.080 17.00…19.00 0.08…0.15 12.00…14.00 0.25…0.32 12.00…13.50 0.10…0.17 15.50…17.50

Egyéb ötvöző, %

S=0.15…0.35 Ti=0.30…0.80 és S=0.15…0.35 S=0.15…0.35 és Ni = 8.00…10.0 S=0.15…0.35 és Cu=1.40…1.80 és Ni = 8.00…10.0 S=0.15…0.35 ≤ 0.60 S=0.15…0.35 0.20…0.60 S=0.15…0.35

(C + N) ≤ 0.040 %,

79. TÁBLÁZAT

EN 10088-1 SZERINTI KORRÓZIÓÁLLÓ AUTOMATAACÉLOK MECHANIKAI TULAJDONSÁGAI

EN jele

EN száma X6CrMoS17 1.4105 X2CrMoTiS18-2 1.4523 X8CrNiS18-9 1.4305 X6CrNiCuS18-9-2 1.4570 X12CrS13 1.4005 X29CrS13 1.4029 X14CrMoS17 1.4104

Korábbi Rm, MPa Rp0.2min., Amin., % MSZ jele MPa 430...630 250 20 430...600 280 15 KO 36S 500…700 190 35 500…710 185 35 650…850 450 12 850…1000 650 9 KO3S 650…850 500 12

Az egyik legtermelékenyebb alakadó technológia a képlékeny hidegalakítás. Az alakítás során a 4.1.2. pontban leírt alakítási keményedés lép fel, aminek következtében az anyag alakváltozó képessége egyre csökken, s ha ez kimerül, az alakítás során szakadás lép fel. Ez - mint a korábbiakból már ismert -, úgy kerülhető el,

194


hogy az anyagok tulajdonságaiban az alakítás hatására bekövetkező változásokat újrakristályosító izzítással megszüntetik. 80. TÁBLÁZAT

KÉPLÉKENY HIDEGALAKÍTÁSHOZ KIFEJLESZTETT ACÉLOK ÖSSZETÉTELE

EN jele

MSZ jele

C, %

Mn, %

Si, %

C10KD C15KD 16MnCr5KD 18CrMo4KD C21KD C35KD C45KD 34Cr4KD 37Cr4KD 41Cr4KD 25CrMo4KD 34CrMo4KD 42CrMo4KD 40NiCrMo2KD

C 10 Z C 15 Z BC 3 Z BCMo 1 Z C 22 Z C 35 Z C 45 Z Cr 1 Z Cr 2 Z Cr 3 Z CMo 1 Z CMo 3 Z CMo 4 Z NCMo 3 Z

0.07..0.13 0.12..0.18 0.13..0.19 0.15..0.21 0.18..0.24 0.32..0.39 0.42..0.50 0.30..0.37 0.34..0.41 0.38..0.45 0.22..0.29 0.30..0.37 0.38..0.45 0.37..0.44

0.30..0.60 0.30..0.60 1.0..1.3 0.60..0.9 0.30..0.60 0.50..0.80 0.50..0.80 0.60..0.90 0.60..0.90 0.50..0.80 0.50..0.80 0.50..0.80 0.50..0.80 0.70..1.0

≤ 0.40 ≤ 0.40 ≤ 0.40 ≤ 0.40 ≤ 0.40 ≤ 0.40 ≤ 0.40 ≤ 0.40 ≤ 0.40 ≤ 0.40 ≤ 0.40 ≤ 0.40 ≤ 0.40 ≤ 0.40

30CrNiMo8KD

NCMo 6 Z

0.26..0.33 0.30...0.60 ≤ 0.40

DC01 DC03 DC04 DC05 DC06

Fe P01 Fe P03 Fe P04 Fe P05 Fe P06

≤ 0.12 ≤ 0.10 ≤ 0.08 ≤ 0.06 ≤ 0.02

≤ 0.60 ≤ 0.45 ≤ 0.40 ≤ 0.35 ≤ 0.25

Cr, %

0.80...1.1 0.85…1.15

0.90...1.2 0.90...1.2 0.90...1.2 0.90...1.2 0.90...1.2 0.90...1.2 0.40..0.60 1.8...2.2

S, P % Egyéb ötvöző, % ≤ 0.035 ≤ 0.035 ≤ 0.035 ≤ 0.035 Mo=0.15...0.25 ≤ 0.035 ≤ 0.035 ≤ 0.035 ≤ 0.035 ≤ 0.035 ≤ 0.035 ≤ 0.035 Mo = 0.15..0.3 ≤ 0.035 Mo = 0.15..0.3 ≤ 0.035 Mo = 0.15..0.3 ≤ 0.035 Ni = 0.4...0.70 Mo = 0.15..0.3 ≤ 0.035 Ni = 1.8...2.2 Mo = 0.3..0.5 ≤ 0.045 ≤ 0.035 ≤ 0.030 ≤ 0.025 ≤ 0.020 Ti ≤ 0.30

Az egy fokozatban elérhető alakítási mérték növelhető, az alakítási fokozatok közötti újrakristályosító izzítások száma csökkenthető, ha az anyag képlékeny tulajdonságai - mint a szakadási nyúlás, illetve a kontrakció értéke nagy. Vagyis a képlékeny hidegalakítás éppen ellentétes követelményt támaszt az acél alakváltozó képességével szemben, mint a forgácsolás. Kedvező a hidegalakítás szempontjából, ha az alakítási szilárdság és a folyáshatár kis értékű, mert ez csökkenti az alakító szerszámra ható erőt, így az alakító berendezéstől elvárt teljesítmény nagyságát, valamint az alakító szerszámra ható igénybevételt. A képlékeny hidegalakítás céljára kifejlesztett acélok előbbiekben felsorolt tulajdonságai kedvezőbbek, mint a hasonló, de általános rendeltetésű acéloké. Ezeknél az acéloknál nem a szakítószilárdság, illetve a folyáshatár minimuma garantált, mint a teherviselő szerkezetek acéljainál, hanem ezeknek a megengedhető maximuma. A hideg képlékenyalakítással készülő kötőelemek gyártásához használatos ötvözetlen- és gyengén ötvözött acélhuzalok lágyított állapotára az MSZ 6251, a

195


mélyhúzás céljára kifejlesztett lemezekre, - amelyeket például a gépkocsi karoszszériák gyártására használnak -, az MSZ EN 10130 szerinti vegyi összetételét a 80. TÁBLÁZAT, az előírt legfontosabb mechanikai jellemzőket a 81. TÁBLÁZAT foglalja öszsze. 81. TÁBLÁZAT

KÉPLÉKENY HIDEGALAKÍTÁSHOZ KIFEJLESZTETT ACÉLOK MECHANIKAI TULAJDONSÁGAI

MSZ EN jele Anyagszám Rm max., MPa C10KD 1.1122 440 C15KD 1.1132 480 16MnCr5KD 1.7131 560 18CrMo4KD 560 C21KD 1.1152 500 C35KD 1.5511 570 C45KD 1.1192 600 34Cr4KD 1.7033 610 37Cr4KD 1.7034 620 41Cr4KD 630 25CrMo4KD 600 34CrMo4KD 1.7220 620 42CrMo4KD 1.7225 640 40NiCrMo2KD 1.6546 650 30CrNiMo8KD 1.6580 700 * DC01 1.0330 270…410 DC03 1.0347 270…370 DC04 1.0338 270…350 DC05 1.0312 270…330 DC06 1.0873 270…350 *

Rp0.2, MPa A min., % Z min, % 65 65 60 60 60 60 57 55 55 55 55 55 55 55 55 140…280 28 140…240 34 140…210 38 140…180 40 120…180 40

a gyártást követő hat hétig garantált jellemzők.

A képlékeny hidegalakítás céljára szolgáló lemezek (DC csoport) acéljainak legkedvezőbb alakváltozási tulajdonságai akkor érhetők el, ha a szövet gyakorlatilag ferrites. A nagy tisztaságú vas pl. DC05 vagy az DC06 előállítása kizárólag a 2.3.4. pontban leírt, igen költséges argon-oxigén gázátfúvatásos tisztítással állítható elő. A nem különlegesen kis karbontartalmú acéloknál a szerkezet homogenitása úgy növelhető, ha a kísérő elemeket ausztenites állapotban oldatba viszik és gyors lehűtéssel legalább részben megakadályozzák a kiválásukat. Az így túltelítetté váló ferritből azonban a 4.1.3.2. pontban leírt mechanizmussal az oldott elemek idővel képesek - még szobahőmérsékleten is -, kiválni, ami a homogén szerkezet megbomlásához, a kedvező alakváltozó képesség romlásához, öregedéshez vezet. Erre utal a 81. TÁBLÁZAT DC01 acéljánál szereplő megjegyzés, hogy ezek a tulajdonságok kizárólag a gyártást követő 6 héten belül garantáltak. Az öregedés, ezzel a tulajdonságok időbeli változása elkerülhető, ha az acél stabilis karbidok és nitridek képzésére alkalmas elemeket - például az DC06 acél esetében titánt -, tartalmaz. A hegesztett szerkezetek gyártására szolgáló acélok egy csoportjának ismertetésére már a 4.2.1.1. pontban sor került. A korszerű, hegesztés céljaira kifej-

196


lesztett acélok egy másik csoportja a nagy folyáshatárú, perlitszegény, vagy perlitmentes acélok. A nagy folyáshatárú acélok fontos felhasználási területe a könnyűszerkezetek építése. Ugyanolyan igénybevételnél kisebb vastagságú, így kisebb tömegű szerkezetek állíthatók elő ezekből az acélokból. A tömeg-megtakarítás csökkenti az anyagköltséget és sok esetben ez a feldolgozási költségek csökkenéséhez is vezet. A mozgó berendezéseknél, földmunkagépeknél, járműveknél javítható a hasznos és teljes tömeg viszonya, ami az üzemeltetési költségeket csökkenti. A kisebb falvastagság legfontosabb előnye, hogy a vékonyabb lemezeknél kisebb a többtengelyű feszültség-állapot kialakulásának a veszélye, így kisebb lesz a szerkezetek ridegtörési hajlama, jobban ellenáll a dinamikus igénybe-vételeknek. Ezek az acélok a vízi, vasúti- és közúti járművek, gépészeti emelő- és szállító berendezések, acél- és hídszerkezetek nélkülözhetetlen anyagává váltak. A hegesztett szerkezetek gyártói olyan acélokat igényelnek, amelyeken megbízható hegesztett kötéseket lehet készíteni, amelyek a szobahőmérséklet alatti üzemi hőmérsékleteken is kellő szívóssággal rendelkeznek. Az acélok szilárdságának, folyáshatárának növelése legegyszerűbben a karbontartalom, vagyis a rideg vas-karbid mennyiségének növelésével érhető el. A cementit mennyiségének növekedése, vagyis a nagy alakváltozó képességgel rendelkező ferrit mennyiségének csökkenése a szívósság csökkenéséhez és ugyanolyan alakváltozás mellett nagyobb mértékű keményedéshez, ridegedéshez vezet. Ezért a hegesztéssel feldolgozásra kerülő acélokban a karbontartalom általában nem haladja meg a 0.22 %-ot, illetve a karbonegyenérték a 0.55 %-ot. A folyáshatár jelentősen növelhető változatlan vegyi összetétel mellett is, amint az a 9. diagram alapján látható -, a szemcseméret csökkentésével. A szemcseméret csökkentésének további kedvező hatása, hogy nő az ütőmunka értéke és csökken az átmeneti hőmérséklet is. A szemcseszerkezet finomítása hőkezeléssel, például normalizálással vagy a hidegalakítást követő újrakristályosítással viszonylag egyszerűen csökkenthető. Az ilyen, finomszemcsés acélok alkotják a 53. TÁBLÁZATban bemutatott, növelt folyáshatárú acélok csoportját. A hőkezeléssel elért finom szemcsézet azonban a hegesztett kötés hőhatásövezetének az 1100 OC fölötti hőmérsékletre hevült térfogataiban az ausztenit szemcsenövekedése miatt eldurvul. A szemcsenövekedés jelentősen mérsékelhető, ha az ausztenit szemcse-határán finom eloszlásban idegen fázis, például az ausztenitben oldódó vas-karbidnál stabilisabb karbid, nitrid illetve karbonitrid található. Ezek az idegen fázisok, mint csírák szerepelnek az ausztenit átalakulásánál és a levegőn történő lehűlésnél finomszemcsés ferrit-perlites szövetszerkezet alakul ki. Ilyen módszerrel maximum 500 MPa folyáshatárú finomszemcsés acél állítható elő. A szemcsedurvulás megakadályozása stabilis karbid és nitridképző elemek ötvözését igényli, ami a karbonegyenérték növekedését, a hegeszthetőség romlását okozza. Ennek elkerülésére a nagy folyáshatárú acélok karbontartalmát csökkentik. A kis karbontartalomhoz viszonyítva számottevő mennyiségű stabil karbidképző a karbont megköti, így gyakorlatilag a szövet vas-karbidtól, ezért perlittől mentes lesz. A korszerű nagy folyáshatárú, jól hegeszthető acélok kiváló szilárdsági és szívóssági tulajdonságait a két szilárdságnövelő mechanizmus együttes alkalmazá-

197


sával érik el. A különlegesen finom szemcseméretet szabályozott véghőmérsékletű hengerléssel, termomechanikus kezeléssel érik el. A nagy szilárdságot és a finom szerkezet nagyobb hőmérsékletű stabilitását karbid- és nitridképző elemek ötvözésével biztosítják. A termomechanikus kezelés lényege az, hogy összekapcsolják az alakítás és a hőkezelés tulajdonság javító mechanizmusait. Ezt például úgy oldják meg, hogy a hengerlés hőmérsékletét a szokásos 1100...1200 OC-os hőmérsékletről 850...900 OC-ra csökkentik, ami jelentősen megnöveli a hengerléshez szükséges nyomást. A nagyobb nyomáson az ausztenit kisebb hőmérsékleten is stabilis. Az alakító hengerekből kilépő anyagban a nyomás megszűntével az ausztenit jelentősen túlhűtött, ezért nagyon sok csírán egyszerre indul meg a kristályosodás. Így extra finom szemcséjű lesz az acél. A hengerelt termék szabályozott hűtésével érhető el a kis szemnagyság megőrzése és a kis hőmérsékleten is nagy szívósság. 82. TÁBLÁZAT

HEGESZTETT SZERKEZETEK TERMOMECHANIKUSAN HENGERELT ACÉLJAINAK VEGYI ÖSSZETÉTELE

EN jele

max. C., max. Mn, % % P355M 0.14 1.6 P355ML 0.14 1.6 P420M 0.16 1.7 P420ML 0.16 1.7 P460M 0.16 1.7 P460ML 0.16 1.7 *

max. P, % 0.025 0.02 0.025 0.02 0.025 0.02

max. S, max. Ni, % % 0.020 0.50 0.015 0.50 0.020 0.50 0.015 0.50 0.020 0.50 0.015 0.50

*

Al, % 0.02…0.12 0.02…0.12 0.02…0.12 0.02…0.12 0.02…0.12 0.02…0.12

max. Ti, max. V, max. Ce, % % % 0.05 0.10 0.39 0.05 0.10 0.39 0.05 0.10 0.43 0.05 0.10 0.43 0.05 0.10 0.45 0.05 0.10 0.45

Nb +Ti + V ≤ 0.15 %, N ≤ 0.02 %,

Ezeket a termomechanikusan kezelt az acélokat, - amelyek az angol elnevezésükből (high strength low alloy) képzett betűszó alapján HSLA acélként is ismertek -, az MSZ EN 10028/5-96 előírásainak megfelelően gyártják. Az acél felhasználási céljának megfelelően a megengedhető karbonegyenértéket is maximálják. Ezek az acélok szilíciummal és legalább 0.02 % alumíniummal különlegesen csillapítottak. A nagy folyáshatárú, jól hegeszthető perlitszegény, vagy perlitmentes acélok jellemző vegyi összetételét a 82. TÁBLÁZAT a mechanikai jellemzőit a 83. TÁBLÁZAT tartalmazza. 83. TÁBLÁZAT

HEGESZTETT SZERKEZETEK TERMOMECHANIKUSAN HENGERELT ACÉLJAINAK LEGFONTOSABB MECHANIKAI JELLEMZŐI

EN jele

min. ReH, MPa P355M 355 P355ML2 355 P420M 420 P420ML2 420 P460M 460 P460ML2 460

Rm, MPa min. A5, Vizsgálati hőmér- min. KV, J % séklet, OC 450...610 22 -20 31 450...610 22 -50 27 500...660 19 -20 27 500...660 19 -50 27 530...720 17 -20 27 530...750 17 -50 27

4.2.2.5 Szerszámacélok

198


Az anyagok megmunkálásához használt eszközökre, a szerszámokra ható igénybevétel igen sokrétű. Ennek ellenére szinte valamennyi szerszámanyaggal szemben támasztott alapkövetelmény, a kopásállóság. A kopásállóság maga is egy meglehetősen komplex sajátossága az anyagnak, de a szerszámok működő felületén fellépő alapvetően abrazív kopás (ld. 8.1.2.3.) kapcsolata a keménységgel igen szoros. A szerszám anyagával szemben minimális követelmény, hogy a működési hőmérsékletén a keménysége lényegesen nagyobb legyen, mint a vele megmunkált illetve alakított anyagé. A kopás igen nagy keménységű anyagoknál is jelentős lehet, ha a szerszámanyag egészére a rideg szerkezet a jellemző, mert ekkor a felületi réteg gyors kifáradásával, szemcsék kitöredezésével kell számolni. A gyakorlatban használatos szerszámok anyaga ezért mindig legalább kétfázisú. Az egyik ezek közül - az ágyazó fázis, vagy más néven mátrix -, nagy szívósággal kell rendelkezzék, amely elviseli a szerszámra ható statikus vagy dinamikus húzó-, hajlító-, nyíró-, csavaró igénybevételt, megakadályozza a kemény szemcsék kitöredezését. A másik fázisnak - amely beágyazódik a szívós alap fázisba -, nagy keménységűnek kell lenni. A nagy keménység - amint az a 0.2. pontban összefoglaltakból kitűnik -, leginkább a kovalens és az ionos kötésű kristályrácsot alkotó anyagok sajátossága. A kötés nagy energiája amely a hőmérséklet növekedésével is csekély mértékben csökken, nagy hőmérsékleten is erős kötést ad, vagyis az anyagnak olvadáspontja is nagy. Az interstíciós vegyületek, mint a karbidok a nitridek és a boridok a kovalens és az ionos közötti átmeneti kötéssel rendelkeznek. Ezek az interstíciós vegyületek - amelyeknek legfontosabb jellemzőit a keménység növekvő sorrendjében a 84. TÁBLÁZAT tartalmazza -, kiválóan növelik az acél keménységét, így kopásállóságát is. A 84. TÁBLÁZAT adatai alapján látható, hogy a cementit kellően nagy keménységű, de képződési szabadentalpiája csekély, így a karbid viszonylag könnyen képes elbomlani. Nagy előnye, hogy a csupán karbont tartalmazó acél előállítása olcsó. A 22. és a 23. diagramon látható, hogy a karbontartalom növelésével a keménység monoton növekszik. Szerszámanyagul azokat az ötvözetlen acélokat alkalmazzák, amelyek karbontartalma legalább 0.45 %. A szerszámacélok mindig csillapítottak, szilíciumtartalmuk 0.15...0.35 %, kén- és foszfortartalmuk nem haladja meg a 0.025 %-ot. A szerszámacélok ötvözetlen vagy ötvözött nemesacélok. A belőlük gyártott szerszámok igen széles hőmérséklet-tartományban igen sokféle igénybevételnek lehetnek kitéve. A szerszámacélokkal szemben ezért a felhasználási célnak megfelelően nagyon különböző követelményeket támasztanak. A követelmények sokszínűségét az acélgyártók a szerszámacélok nagyon széles választékával igyekeznek kielégíteni. A széles választék közötti eligazodást, a műszaki célszerűség és gazdaságosság szempontjait figyelembe vevő kiválasztást segíti, hogy a szerszámacélokat a felhasználásuk alapján is szokás csoportosítani. A gyártott és forgalmazott szerszámacélok nem mindegyike szabványosított. A nem szabványos típusok tulajdonságait, javasolt felhasználási területét, hőkezelési adatait a gyártók ismertetőkben, szállítási bizonylataikon adják meg. A könyv csak a leggyakoribb, szabványos típusokat tekinti át a felhasználási cél szerinti csoportosításban.

199


84. TÁBLÁZAT

INTERSTÍCIÓS VEGYÜLETEK LEGFONTOSABB JELLEMZŐI Vegyület Cr3C2 Fe3C Fe4N Mn3C CrN AlN Mn7C3 NbN W2C VN ZrN Cr7C3 Mn23C6 Mo2C TiN TaC WC Cr23C6 NbC ZrC VC Si3N4 TiC SiC B4C BN

Szabadentalpia Olvadáspont, Keménység OC HV 1000 OC-on, kJ/mol -65 1890 800 -2 1320 900 60 1000 -10 1520 1100 -10 1500 1100 -300 -30 1410 1200 -280 2200 1400 -38 2750 1500 -90 2170 1500 -220 3000 1500 -68 1700 1600 -45 1380 1800 -38 2600 1950 -170 2950 2000 -148 3880 2000 -32 2800 2180 -72 1550 2200 -75 3480 2500 -80 3420 2800 -50 2800 2950 -180 2170 3000 -88 3150 3200 -50 2820 3500 -67 2500 3700 -75 2730 ≈5000

A felhasználási cél szerint megkülönböztetnek: ⇒ hidegalakító szerszámacélokat, ⇒ melegalakító szerszámacélokat, ⇒ forgácsoló szerszámacélokat. Az egyes csoportokon belül további megkülönböztetésre ad lehetőséget a fő ötvöző(k) szerinti besorolás. Hangsúlyozni kell azonban, hogy hasonlóan a csoportosítások többségéhez, a szerszámacélok felhasználás szerinti csoportosítása sem pontos, igen gyakori az átfedés az egyes csoportok között. Az ötvözetlen szerszámacélokat igen kiterjedten alkalmazzák az iparban a szobahőmérsékleten, vagy ahhoz közeli hőmérsékleten működő, különböző vágó, fúró, maró, fűrész szerszámokhoz, mezőgazdasági kéziszerszámokhoz, gépek vágó szerszámaihoz, őrlő berendezésekhez. A kisebb karbontartalmúakból elsősorban olyan szerszámokat pl. késeket gyártanak, amelyeknél a keménység mellett a szívósságnak is fontos szerepe van. A nagy karbontartalmúakból viszont kemény és

200


kopásálló szerszámokat készítenek mint például reszelők, amelyeknél a szívósság csak másodlagos jelentőségű. Az MSZ EN ISO 4957 előírásai szerint gyártott ötvözetlen szerszámacélok legfontosabb jellemzőit a 85. TÁBLÁZAT tartalmazza. 85. TÁBLÁZAT EN jele C45U C70U C80U C90U C105U C120U

ÖTVÖZETLEN SZERSZÁMACÉLOK LEGFONTOSABB JELLEMZŐI

Korábbi MSZ Anyagszám jele S 45 1.1730 S 60 S 71 1.1520 S 81 1.1525 S 91 1.1535 S 101 S 111 1.1545 S 121 1.1555 S 131

C., %

Mn, %

0.42...0.50 0.57...0.65 0.65...0.74 0.75...0.84 0.85...0.94 0.95...1.04 1.05...1.14 1.15...1.24 1.25...1.40

0.60...0.80 0.60...0.80 0.15...0.30 0.15...0.30 0.15...0.30 0.15...0.30 0.15...0.30 0.15...0.30 0.15...0.30

Edzett min. HV 600 700 850 850 850 940 940 940 1000

Lágyított max.HV 190 190 185 190 195 200 210 215 220

Az ötvözetlen szerszámacélokat többnyire hengerelt, illetve kovácsolt kör, négyzet vagy lapos szelvényű rudak illetve tárcsák formájában, nyers, hántolt vagy köszörült felülettel szállítják. Az ötvözetlen szerszámacélokat edzéskor az A3, illetve az A1 hőmérséklet fölé, karbontartalmuktól függően 760...820 OC-ra hevítik. Az edzési hőmérséklettartományát a karbontartalom függvényében a 45. ábra mutatja be.

45. ábra Ötvözetlen szerszámacélok edzési hőmérséklete a karbontartalom függvényében Az ötvözetlen szerszámacélokat az edzési hőmérsékleten viszonylag rövid ideig, az anyagvastagságtól függően 3...30 percig (1 perc/mm) hőntartják, majd vízben esetleg sós vízben - amellyel elkerülhető a gázhártya-képződés -, gyorsan lehűtik. Az edzett ötvözetlen szerszámacél rideg és törésre hajlamos, ezért az edzést követően rövid időn belül meg kell ereszteni. A megeresztés hőmérséklete

201


150...300 OC. Az alsó hőmérséklet-tartományban az acél szívóssága gyorsan nő anélkül, hogy a keménysége csökkenne. Ennél nagyobb hőmérsékletű megeresztéskor a szívósság tovább nő, de ezzel együtt jár a keménység csökkenése. A megeresztés időtartama a vastagságtól függ, 3..5 perc/mm. Az így megeresztett szerszámban az idők során még egy alakváltozással járó ernyedés is végbemegy. A későbbi méret- és alakváltozás elkerülhető, ha a megeresztés időtartama 6...8 óra, mert ezalatt egy mesterséges öregedésre is sor kerül. Az ötvözetlen szerszámacél elvi hőmérséklet-idő diagramját a 37. diagram mutatja be. Az ötvözetlen szerszámacélok alkalmazásának két korlátja is van. Az egyik a csekély átedzhető átmérő, a másik, a martenzit csekély hőállósága, amely miatt az ötvözetlen szerszámacélok csak kis hőmérsékleten használhatók. Mindkét korlátot ötvözéssel hidalják át. Azokat a nagyobb igénybevételnek kitett, nagyobb méretű szerszámokat, amelyekkel az anyagmegmunkálás szobahőmérsékleten történik, hidegalakító szerszámacélból, a 200 OC feletti hőmérsékleten dolgozó szerszámokat melegalakító szerszámacélból, míg a nagyteljesítményű forgácsoláshoz szükséges szerszámokat gyorsacélból készítik. A hidegmegmunkáló szerszámokat jellemzően hideg anyagok forgács nélküli alakítására, mint hideg folyatására, húzására, hajlítására, vágására stb. alkalmazzák. Ezért ezeknek a szerszámoknak szívós maggal és kemény felülettel kell rendelkezniük. Ezeket a tulajdonságokat a martenzites alapszövetbe ágyazott kemény karbidokkal lehet elérni. 1000


900 c3 A

Tedz.

800 Ac1 700

felhevítési sebesség

600 500

kritikus hűtési sebesség

400 300

150... 300 fok C

200

tedz.

100 0

0

10

tmegeresztés 20

30

40

50

60

70

80

idő, perc

37. diagram Az ötvözetlen szerszámacélok hőkezelésének elvi hőmérséklet-idő diagramja A hidegalakító szerszámacél ötvözői alapvetően három feladatot látnak el. Az ötvözők egyrészt növelik az átedzhetőséget, amivel a szerszám szívóssága, szi-

202


lárdsága nő, másrészt karbidokat képezve növelik a kopásállóságot, harmadrészt javítják az ágyazó martenzit megeresztésállóságát. A hidegalakító szerszámacél felhasználási területe rendkívül széles, ezért az ilyen acélok választéka is bőséges. Az MSZ EN ISO 4957 előírásai szerint gyártott hidegalakító szerszámacélok vegyi öszszetételét a 86. TÁBLÁZAT tartalmazza. A hazai gyártású, szabványos hidegalakító szerszámacélok ötvözetrendszerük és részben felhasználásuk szerint is négy csoportba sorolhatók: ⇒ ⇒ ⇒ ⇒

eutektoidos mangánacélok (70MnMoCr8, 90MnCrV8), króm-volfrám ötvözésű acélok (50WCrV8, 60WCrV8, 95MnWCr5), krómmal gyengén ötvözött hipereutektoidos acélok (102Cr6), krómmal erősen ötvözött ledeburitos acélok (X153CrMoV12, X210Cr12, X210CrW12-1).

A mangánötvözésű hidegalakító szerszámacélok kritikus hűlési sebessége, - amint az a (88) és (89) összefüggésekből megítélhető - jelentősen csökken. Vagyis viszonylag csekély mangán ötvözéskor is jelentősen nő az átedzhetőség, illetve adott méret esetén csökkenthető a hűlési sebesség. Az acél keménységét az ágyazó martenzites szöveten kívül a viszonylag nagy mennyiségű mangán-karbidoknak köszönheti. 86. TÁBLÁZAT MSZ EN jele 70MnMoCr8** 90MnCrV8 50WCrV8 60WCrV8 95MnWCr5 102Cr6 105V X153CrMoV12* X210Cr12 X210CrW12-1 * **

ÖTVÖZÖTT, HIDEGALAKÍTÓ SZERSZÁMACÉLOK VEGYI ÖSSZETÉTELE Anyagszám 1.2824 1.2842 1.2549 1.2550 1.2510 1.2067 1.2833 1.2379 1.2080 1.2436

C, % 0.65...0.75 0.85...0.95 0.45...0.55 0.55...0.65 0.90...1.00 0.95...1.10 1.00...1.10 1.45...1.60 1.90...2.20 2.00...2.30

Si, % 0.10...0.50 0.10...0.40 0.70...1.00 0.70...1.00 0.10...0.40 0.10...0.40 0.10...0.30 0.10...0.60 0.10...0.60 0.10...0.40

Mn, % 1.80...2.50 1.80...2.20 0.15...0.45 0.15...0.45 1.05...1.35 0.15...0.45 0.10...0.40 0.20...0.60 0.20...0.60 0.30...0.60

Cr, % 0.90...1.20 0.20...0.50 0.90...1.20 0.90...1.20 0.40...0.65 1.35...1.65 11...13 11...13 11...13

V, %

W, %

0.05...0.20 0.10...0.20 1.70...2.20 0.10...0.20 1.70...2.20 0.05...0.20 0.40...0.70 0.10...0.20 0.70...1.00 0.60...0.80

Mo = 0.7...1.0 % Mo = 0.9...1.4 %

Amint az a 87. TÁBLÁZAT adataiból látható a mangán-ötvözésű hidegalakító szerszámacélok edzési hőmérséklete kifejezetten alacsony, aminek köszönhetően edzéskor és megeresztéskor csekély az alakváltozása. Ezt a kedvező tulajdonságot lehet kihasználni a tagolt felületű, jelentősen eltérő keresztmetszetű vagy a fokozott méretpontosságot igénylő szerszámok gyártásakor. Amint az a 24. diagram adataiból látható, a mangán karbidjainak viszonylag kicsiny a stabilitása, ezért akárcsak a köszörülés keltette hő hatására is könnyen elbomlik, ami a martenzit megeresztődéséhez társulva a keménység megengedhetetlen mértékű csökkenéséhez vezet. Ezért a mangánötvözésű szerszámacélok a forgácsolószerszámok gyártására alkalmatlanok, de általánosan használják kivágó- és mélyhúzó szerszámok, ollók késeinek, famegmunkáló szerszámok valamint idomszereknek a gyártására.

203


87. TÁBLÁZAT

ÖTVÖZÖTT, HIDEGALAKÍTÓ SZERSZÁMACÉLOK LEGFONTOSABB HŐKEZELÉSI ADATAI ÉS KEMÉNYSÉGE

MSZ EN jele Korábbi Anyag- Lágyítási MSZ jele szám hőmérséklet OC

Edzési hő- Átedzhető ∅, ha a Megeresztett mérséklet hűtőközeg OC olaj levegő min. HV

70MnMoCr8 90MnCrV8 50WCrV8

750...790 880...920

60WCrV8 95MnWCr5 102Cr6 105V X153CrMoV12 X210Cr12 X210CrW12-1

M1 ≈ W5 W6 K4 K8 K1

1.2824 1.2842 720...760 1.2549 740...760 1.2550 1.2510 1.2067 1.2834 1.2379 1.2080 1.2436

760...780 840...890 760...800 800...840 760...800 820...860 770...800 780...820 800...850 1020...1050 940...970 800...850 1010...1030

Lágyított max. HV

60 30

850 620

229 229

40 60 30

660 870 870 790 850 800 870

241 241 223 223 255 248 255

100 100 120

30 40

A mangánötvözésű hidegalakító szerszámacélokat edzéskor A3 hőmérséklet fölé, 750...780 OC-ra hevítik lassabban, mint az ötvözetleneket, majd rövid ideig az anyagvastagságtól függően 3...30 percig (1 perc/mm) hőntartják, és olajban esetleg sófürdőben lehűtik. A megeresztés hőmérséklete 150...250 OC. Az alsó hőmérséklet-tartományban az acél szívóssága gyorsan nő anélkül, hogy a keménysége csökkenne. Nagyobb hőmérsékletű megeresztéskor a keménység rohamosan csökken. A króm-volfrám ötvözésű (50WCrV8, 60WCrV8, 95MnWCr5) hidegalakító szerszámacélokban a króm és a volfrám karbidjai keményebbek és egyben nagyobb hőmérsékleten is stabilisabbak, mint a mangáné, ugyanakkor - bár kevésbé mint a mangán -, növelik az átedzhető átmérőt. Az 50WCrV8 és a 60WCrV8 típusú szerszám-acélok ennek ellenére kisebb keménységűek, de szívósságuk kiemelkedően jó. Ez a kisebb karbontartalomnak a következménye. A karbon nagy része ezekben az acélokban döntően karbidok formájában kötött, ezért az ágyazó martenzit karbontartalma csekély, úgynevezett lágy martenzit. Ezeket az acélokat ütésszerűen igénybevett szerszámok, mint kalapácsok, vágók, lyukasztók gyártásához használják. A hipereutektoidos króm-volfrám ötvözésű (95MnWCr5) hidegalakító szerszámacélba mangánt is ötvöznek az átedzhetőség fokozására. A nagyobb karbontartalomnak köszönhetően keménységük nagyobb, és a volfrám-karbid hőállósága miatt kis- és közepes teljesítményű forgácsoló szerszámok - mint csiga- és menetfúrók, fémfűrészek és marók -, gyártásához is alkalmas. A króm-volfrám ötvözésű hidegalakító szerszámacélokat - amelyek nem hajlamosak szemcsedurvulásra -, edzéskor - az ötvözők A3 hőmérsékletet növelő hatása miatt -, lényegesen nagyobb hőmérsékletre, 800...900 OC-ra hevítik két-, esetleg három lépcsőben. A szakaszos felhevítésre azért van szükség, mert a nagyobb ötvözőtartalom miatt romlik az acél hővezető képessége, nő a hőtágulási együtthatója, ezért a termikus feszültségek mérséklése érdekében nemcsak lassabb felhe-

204


vítésre, hanem még akárcsak rövid időtartamú hőntartásokra is szükség van a hőmérséklet kiegyenlítődése érdekében. A nagyobb hőmérsékletű hőntartások egyben a karbidok oldódását is segítik. Az edzés hőmérsékletén a szakaszos felhevítésnek köszönhetően rövid, 6...10 perces hőntartási idő is elegendő A hűtés olajban esetleg sófürdőben történik. A megeresztés hőmérséklete 200...230 OC. A közepesen ötvözött, hidegalakító szerszámacélok hőkezelésének elvi hőmérséklet-idő diagramját a 38. diagram szemlélteti. 1000


900

Ac3

800

Tedz.

Ac1

700

Hőkiegyenlítés

600 500 400

Kemencében

Olajban

Sófürdőben

300 200

Feszültségcsökkentő hőkezelés

100 0

0

5

10

15

Kívánt keménységtől függő hőmérséklet Levegőn

Edzés

Megeresztés 20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

idő, perc

38. diagram A közepesen ötvözött hidegalakító szerszámacélok hőkezelésének elvi hőmérséklet-idő diagramja A krómmal gyengén ötvözött, hipereutektoidos (102Cr6) hidegalakító szerszámacélban a króm szerepe elsősorban az átedzhetőség növelése. A viszonylag nagy mennyiségű karbonnak csak kis része kötött króm-karbid formájában. Gondos előgyártással és hőkezeléssel elérhető, hogy a kisebb mennyiségű króm-karbid igen finom eloszlásban helyezkedjék el a szövetben. Ennek köszönhetően ezeknek az acéloknak köszörülés után a felületi érdessége kiváló. Jellemző felhasználási területük - mint a pengék, kések, dörzsárak gyártása -, is ehhez kötődik. A 102Cr6 minőségű acélból, GO 3 típusjelzéssel az MSZ 17789 előírásai szerint készülnek a kiváló felületi érdességet igénylő golyóscsapágyak, ezért ezt a típust gördülőcsapágy-acélnak is nevezik. A 102Cr6 típusú krómötvözésű hidegalakító szerszámacél hőkezelése megegyezik a króm-volfrám ötvözésűekével. A krómmal erősen ötvözött (X153CrMoV12, X210Cr12, X210CrW12-1) hidegalakító szerszámacélok ledeburitos szerkezetűek, mert a nagy 11...13 %-os krómötvözés a γ−mezőt jelentős mértékben, 1 % karbontartalom alá, szűkíti. Ezekben az acélokban a kristályosodás karbideutektikum képződésével fejeződik be. Ez hálót képez, ame-

205


lyet a kristályosodást követő nagymértékű melegalakítással kell összetörni, felaprózni, mert a nagyméretű, hálós eloszlású karbidok lerontanák az acél szívósságát. Az eutektikus karbidok részaránya a karbon- és az ötvözőtartalom függvénye. A krómmal erősen ötvözött ledeburitos hidegalakító szerszámacélok szövetében a karbidok aránya eléri a 25 %-ot. A nagy mennyiségű, Cr7C3 karbid kiváló kopásállóságot, a krómötvözés mély átedzhetőséget ad. Ezeknek a tulajdonságoknak megfelelően a ledeburitos krómacélok a nagyteljesítményű, nagy méretű hideg képlékenyalakító szerszámok gyártásának jellemző anyagai. A ledeburitos krómacélok hőkezelésének sajátossága a már megismert közepesen ötvözött hidegalakító szerszámacélok hőkezelésével szemben, hogy az edzési hőmérséklet lényegesen nagyobb. Ez a karbidok oldatba viteléhez elengedhetetlen. Ha az edzési hőmérséklet a szükségesnél kisebb, akkor a karbidok oldódása elmarad az optimálistól, ami keménység csökkenésben jelentkezik, ha viszont a szükségesnél nagyobb, akkor a szemcsék gyorsan eldurvulnak és a szövet sok maradék-ausztenitet fog tartalmazni. A kisebb méretű ledeburitos krómacélok levegőn hűtve is teljes keresztmetszetben átedződnek. A ledeburitos hidegalakító szerszámacélokból készülnek a fejező bélyegek, menetmángorló szerszámok, üregelő- és mélyhúzó szerszámok. Az ötvözött szerszámacélok másik nagy csoportját a melegmegmunkáló szerszámacélok alkotják. Azoknál a szerszámoknál, amelyek üzemi hőmérséklete meghaladja a 200 OC-t, a keménység és kopásállóság növelése már nem oldható meg a vas- és mangánkarbidokkal, mert ezek a szerszám tartós üzemeltetése során koagulálnak, növekednek, illetve részben elbomlanak. A szerszám üzemi hőmérsékletén megkívánt kopásállóság, mérettartósság, szívósság, valamint a szerszám felmelegedése és lehűlése során ismételten fellépő termikus feszültségek - a termikus fáradás -, elviselése már csak stabilisabb karbidképző elemek megfelelő mennyiségű ötvözésével érhető el. A melegmegmunkáló szerszámacélok ötvözői alapvetően két feladatot látnak el. Az ötvözők egyrészt akadályozzák a szemcsedurvulást és növelik az átedzhető átmérőt, amivel a szerszám szívóssága, szilárdsága nő, másrészt karbidokat képezve növelik a kopásállóságot. A melegmegmunkáló szerszámacélok megkívánt szívóssága csak viszonylag kis (C≤0.6%) karbontartalomnál érhető el. A melegmegmunkáló szerszámacélok felhasználási területe igen széles, amit a három ötvözetcsoportba sorolható acélok elégítenek ki. Az MSZ EN ISO 4957 előírásai szerint gyártott melegmegmunkáló szerszámacélok vegyi összetételét a 88. TÁBLÁZAT tartalmazza. A melegmegmunkáló szerszámacélok ötvözetrendszerük és részben felhasználásuk szerint is három csoportba sorolhatók: ⇒ nikkel-króm ötvözésű (55NiCrMoV7) acélok, ⇒ króm-volfrám-vanádium ötvözésű acélok (38CrCoWV18-17-17, X30WCrV9-3, X35CrWMoV5-1,), ⇒ króm-molibdén-vanádium ötvözésű acélok (X32CrMoV12-28, X40CrMoV5-1, X37CrMoV5-1, 50CrMoV13-15, X38CrMoV5-3).

206


88. TÁBLÁZAT EN jele

MELEGMEGMUNKÁLÓ ACÉLOK VEGYI ÖSSZETÉTELE

Anyag szám 38CrCoWV 18-17-17 1.2661 X30WCrV9-3 1.2581 X35CrWMoV5-1 1.2605 X32CrMoV12-28 1.2365 X40CrMoV 5-1 1.2344 50CrMoV13-15 1.2355 X37CrMoV5-1 1.2343 X38CrMoV5-3 1.2367 55NiCrMoV7 1.2714

C, % 0.25...0.35 0.25...0.35 0.32...0.40 0.28...0.35 0.35...0.42 0.45…0.55 0.33...0.41 0.35...0.40 0.50...0.60

Cr, %

Ni, %

2.00...2.70 2.50...3.20 4.75...5.50 2.70...3.20 4.80...5.50 3.00...3.50 4.80...5.50 4.80...5.20 0.80...1.20 1.50..1.80

Mo, %

1.25...1.60 2.50...3.00 1.20...1.50 1.30...1.70 1.10...1.50 2.70...3.20 0.35...0.55

V, %

W, %

0.20...0.40 4.0..5.0 0.30...0.50 8.5…9.5 0.20...0.50 1.1…1.6 0.40...0.70 0.85...1.15 0.15…0.35 0.30...0.50 0.40...0.60 0.05...0.15

A nikkel-króm ötvözésű (55NiCrMoV7) melegmegmunkáló szerszámacélok kritikus hűlési sebessége, - amint az a (88) és a (89) összefüggésekből látható - a nikkel-, és a molibdén ötvözésnek köszönhetően, jelentősen csökken. Ezek az acélok még átlagos méreteknél is légedzésűek, amint az a 83. TÁBLÁZAT adataiból látható. Ezt a kedvező tulajdonságot lehet kihasználni a tagolt felületű, jelentősen eltérő keresztmetszetű, illetve nagyméretű kovács- és sajtoló-szerszámok gyártásakor. Az nikkel-króm ötvözésű acélok a melegmegmunkáló szerszámacélok körében a legolcsóbbak. Ezért igen kedveltek a nagyobb tömegű szerszámok gyártásánál, ahol a szerszám hőmérséklete nem haladja meg a 300 OC-t. Ezen acélok hőkezelése igen hasonló a 38. diagramon bemutatott közepesen ötvözött acélok hőmérsékletidő diagramjához. A különbséget a lényegesen nagyobb megeresztési hőmérséklet adja. Az NK típusú acélok megeresztési hőmérséklete 450...500 OC. Gyakran a maradék-ausztenit teljes átalakítása érdekében a megeresztést meg kell ismételni. A meleg-megmunkáló szerszámacélok legfontosabb hőkezelési adatait a 89. TÁBLÁZAT tartalmazza. 89. TÁBLÁZAT

MELEGMEGMUNKÁLÓ ACÉLOK LEGFONTOSABB HŐKEZELÉSI ADATAI ÉS KEMÉNYSÉGE

Korábbi Lágyítási Edzési hő- Átedzhető ∅, ha Meg- Lágyított MSZ hőmérséklet mérséklet a hűtőközeg eresztett max. HV OC OC jele olaj levegő min. HV 38CrCoWV 18-17-17 W 3 780...850 980...1080 400 50 500 235 X30WCrV9-3 W2 810…830 1080…1150 510 240 X35CrWMoV5-1 850…880 1000…1050 510 229 X32CrMoV12-28 K 14 710…750 1010...1050 470 229 X40CrMoV 5-1 K 13 800...840 1000...1050 200 550 235 50CrMoV13-15 780...850 1000...1050 570 223 X37CrMoV5-1 K 12 800...840 1000...1050 560 229 X38CrMoV5-3 850...880 980...1020 480 240 55NiCrMoV7 NK 2 680...720 830...870 300 45 460 248 EN jele

A króm-volfrám-vanádium ötvözésű (38CrCoWV18-17-17, X35CrWMoV5-1, X30WCrV9-3) melegmegmunkáló szerszámacélok a króm- és a volfrám-karbidoknak köszön-

207


hetően nagyobb hőmérsékleten is megtartja keménységét. Ezek az acélok 600...650 OC-os hőmérsékleten is alkalmazhatók. A jó átedzhetőség a krómötvözésnek köszönhető. Ezeket az acélokat nagy áruk miatt csak kisebb méretű szerszámokhoz, leginkább szerszámbetétek gyártásához, alkalmazzák. Ilyen szerszámok üzemelnek a rúd- és csősajtolásnál, melegsorjázáskor, süllyesztékes kovácsoláskor és zömítéskor. A króm-volfrám-vanádium ötvözésű melegmegmunkáló szerszámacél edzési hőmérséklete hozzávetőlegesen 1000 OC, mert csak itt érhető el a stabilis krómés volfrámkarbidok oldatba vitele. Az erősen ötvözött acél rossz hővezető képessége és nagy hőtágulása miatt a felhevítést a 39. diagramnak megfelelően három-négy lépcsőben célszerű elvégezni. Az edzési hőmérsékletről levegőn vagy olajban hűtött acél szövete martenzites. A melegmegmunkáló szerszám megkívánta szívósság az acél megeresztésével érhető el. Megeresztéskor már 200...220 OC-on néhány óra hőntartás után diffúzióval kiválik az oldott karbontartalom nagy része. A kiváló karbon egy része a vasnál erősebb karbidképzőkkel vegyületet alkot.

1200


1100

Ausztenitesítés

1000

Tedz

900

A3

800

A1

700 600

Olajban

500 Feszültségcsökkentő hőkezelés

400 300

Levegőn

Sófürdőben

200 100 0

Megeresztés

Edzés 0

20

40

60

80

100

120

140

160

Megeresztés a kívánt keménységre 180

200

220

240

idő, perc 39. diagram A melegmegmunkáló szerszámacélok hőkezelésének elvi hőmérséklet-idő diagramja A vanádium, - amint az a 24. diagram adatai alapján látható -, kisebb hőmérsékleteken kisebb képződési szabadentalpiával rendelkezik mint a króm vagy a volfrám. A 84. TÁBLÁZAT adataiból viszont az olvasható ki, hogy a vanádium-karbid keménysége (HV ≈ 2950) lényegesen nagyobb, mint volfrám-, vagy a króm-karbi-

208


doké. A karbon kiválása során a martenzit rácstorzulása, így keménysége is számottevően csökken. A vanádiummal, krómmal és/vagy volfrámmal ötvözött acél keménységében a martenzit megeresztődése nem okozza a keménység érdemleges csökkenését, mert ezt kompenzálja a keménységnek a diszperz karbid-képződés kiváltotta növekedése. Nagyobb hőmérsékleten végzett megeresztéskor (Tmeg > 300 OC) a karbidképződés még jelentősebbé válik és egyre nagyobb mennyiségű, igen finom eloszlású karbid alakul ki. Ennek hatására az acél keménysége nő. Ez a folyamat lényegében a 4.2.2.6. pontban részletesen tárgyalt kiválásos keményedés. Ha a megeresztési hőmérsékletet tovább növelik, akkor a diszperz eloszlású karbidok kezdetben kis korongocskákat alkotnak, majd az A1 hőmérséklethez közelítve a megeresztési hőmérsékletet, a korongok egyre nagyobb méretű gömbbé alakulnak. A diszperzitás csökkenése már a keménység csökkenését okozza. A vanádiummal, krómmal és/vagy volfrámmal ötvözött melegmegmunkáló szerszámacélok, valamint a közel ugyanolyan karbontartalmú ötvözetlen acél keménységének változását a megeresztési hőmérséklet függvényében a 40. diagram mutatja be. A diagram alapján jól látható, hogy a melegmegmunkáló szerszámacélok megeresztési hőmérsékletét lényegesen nagyobbra (Tmeg>500 OC) célszerű választani, mint az ötvözetlen acélét. 700

Keménység, HV

X40CrMoV5-1

600 X32CrMoV12-28 500

X30WCrV9-3 C 40

400 300 200 100 0

0

50

100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 Hőmérséklet, fok, C

40. diagram A melegmegmunkáló szerszámacélok valamint az ötvözetlen acél keménységének változása a megeresztési hőmérséklet függvényében 1 órás hőntartás után A melegmegmunkáló szerszámacélok harmadik csoportját képező krómmolibdén-vanádium ötvözésű szerszámacélokat (X32CrMoV12-28, X40CrMoV 5-1, X37CrMoV5-1, 50CrMoV13-15, X38CrMoV5-3) a lényegesen drágább króm-volfrám ötvözésű acélok helyettesítésére fejlesztették ki. Igen kedvező szívóssági és a termikus

209


kifáradásnak jól ellenálló tulajdonságaik miatt a legelterjedtebb melegmegmunkáló szerszámacélok. Különösen alkalmasak fémek nyomásos öntéséhez, mert az olvadt fém okozta eróziónak is jól ellenállnak. További előnyük, hogy légedződésűek, ezért alak- és méretváltozásuk mérsékelt. Hőkezelésük gyakorlatilag minden paraméterében egyező, vagy nagyon hasonló, mint az előzőkben tárgyalt 38CrCoWV18-17-17 típusú acélé. A nagyobb vanádium tartalmuknak köszönhetően, különösen az X38CrMoV5-3 és az X40CrMoV5-1 típusú acélnál a kiválásos keményedés még erőteljesebb. Forgácsoló megmunkáláskor a forgácsolási sebesség növekedésével a szerszámra ható mechanikai és koptató igénybevételnek egyre nagyobb hőmérsékleten kell megfelelnie. Ennek a követelménynek a kielégítésére egy külön acélcsaládot, a gyorsacélokat fejlesztették ki. A gyorsacélok a forgácsolás során a szerszám működő élén, illetve felületén a súrlódás következtében akár 600 OC-ig is megőrzik keménységüket és kopásállóságukat. Kiváló tulajdonságaiknak köszönhetően már nemcsak forgácsoló, hanem egyéb, például képlékenyalakító szerszámok is készülnek, főként a molibdén ötvözésű, gyorsacélokból. Széles körű alkalmazásuknak köszönhetően napjainkban a világ gyorsacél termelése megközelíti a negyedmillió tonnát. A gyorsacélok keménysége, szilárdsága, szívóssága és ezzel összefüggő használati tulajdonságaik elsősorban az acélban levő karbidok típusától, mennyiségétől, ezek méretétől, eloszlásától és a szemcsékhez viszonyított elhelyezkedésüktől függ. A gyorsacélok karbontartalma (C = 0.7...1.4 %) számottevő, hiszen jelenlétük a kopásállósághoz nélkülözhetetlen karbidok képződéséhez, az ágyazó szövet kellő szívósságához is elengedhetetlen. A mangán és a szilícium rontja a gyorsacél hőállóságát, de nélkülözhetetlenek az acél csillapításához. Ezért mennyiségüket (Mn, Si ≤ 0.4 %), hasonlóan a kénéhez és a foszforéhoz (P, S ≤ 0.03 %), korlátozzák. A gyorsacélok kopásállóságát a szívós alapszövetbe ágyazott karbidok adják. Azt a követelményt, hogy a gyorsacélok kopásállóságukat nagy hőmérsékleten is megtartsák, azok a karbidok elégítik ki, amelyek kellően kicsiny képződési szabadentalpiával rendelkeznek, keménységük nagy, oldódásuk az alapszövetben csak nagy hőmérsékleten következik be. Ennek megfelelően a 84. TÁBLÁZAT adataival összhangban, a gyorsacélok fő ötvözői a vanádium, a króm, a volfrám és a molibdén. A króm hatásosan növeli az átedzhető szelvényvastagságot, karbidjai az edzés hőmérsékletén oldódnak, majd a megeresztéskor a diszperz formában kiváló Cr23C6 összetételű króm-karbid a keménységet növeli. A króm ezért minden gyorsacélban jelentős (Cr = 3.5...4.5 %) mennyiségben megtalálható. A vanádium nemcsak erős karbidképző a megeresztési hőmérsékleten, de egyben igen kemény VC karbidokat is alkot. A vanádium ötvözésének eredményeként a gyorsacélok kiválásosan keményedők. A vanádium kis atomszámú, ezért a VC karbid képzéséhez több mint háromszor annyi karbonra van szükség mint ugyanolyan számú Cr23C6, WC vagy Mo2C képzéséhez. (A VC-ben a karbon tömegszázalékban 19 %, a WC-ben 6.1 %, Mo2C-ben 5.8 %, a Cr23C6-ban 5.7 %). Ezért a vanádiummal erősebben ötvözött acélok nagyobb karbontartalmúak.

210


A molibdén és a volfrám a gyorsacélnak egymást helyettesítő ötvözői. Atomszámuk arányának megfelelően 1 % volfrám mintegy 0.6 % molibdénnel helyettesíthető. Mindkettő erős karbidképző, s még az edzési hőmérsékleten sem megy maradéktalanul szilárd oldatba. A visszamaradó, oldatlan karbid kedvező hatása, hogy akadályozza az ausztenit szemcsedurvulását, de egyben csírát képez a lehűléskor képződő karbidszemcséknek. Ennek következtében, különösen a volfrám-karbidok, nagyobb méretűek, ami a gyorsacél szívósságát csökkenti. A gyorsacél szívóssága - a megfelelő hőkezelés eredményezte -, rendkívül finom szemcseszerkezettel biztosítható. A finom szerkezet úgy érhető el, ha az edzést és a megeresztést megelőzően az acélban a primer karbidok mérete kicsi, és a megeresztés után a kiváló karbidok diszperzen oszlanak el a szövetben. A gyorsacélok a nagy mennyiségű ötvöző miatt rossz hővezetők. Ez nemcsak a hőkezelés során a nagyobb termikus feszültségek, a hosszabb felhevítési időtartamok miatt jelent nehézséget, hanem a szerszám használatakor is. Ugyanis a forgácsoláskor keletkező hőt részben a szerszámtestnek kell elvezetni a vágóélről. A hővezetési tulajdonságok javításával csökken a szerszámél hőmérséklete, így kopása is, és ennek eredményeként a szerszám éltartama nő. A gyorsacélok kobalt ötvözésének a keménység növelésén túl az a célja, hogy javítsa az acél hővezetését és jelentősen csökkentse a megeresztés során diszperz kiválású karbidok növekedését. Az MSZ EN ISO 4957 előírásai szerint gyártott gyorsacélok vegyi öszszetételét a 90. TÁBLÁZAT mutatja be. 90. TÁBLÁZAT EN jele

HS0-4-1 HS1-4-2 HS1-8-1 HS2-9-1-8 HS2-9-2 HS3-3-2 HS6-5-2 HS6-5-2-5 HS6-5-3 HS6-5-3-8 HS6-6-2 HS6-5-4 HS10-4-3-10 HS18-0-1

GYORSACÉLOK VEGYI ÖSSZETÉTELE

Korábbi Anyag MSZ száma jele

R 11

R6 R8

R 12 R 13 R 14 R3

1.3325 1.3326 1.3327 1.3247 1.3348 1.3333 1.3339 1.3243 1.3344 1.3244 1.3350 1.3351 1.3207 1.3355

C. , %

Cr, %

Mo, %

V, %

W, %

0.77…0.85 0.85…0.95 0.77…0.87 1.05...1.15 0.95…1.05 0.95…1.03 0.80...0.88 0.87...0.95 1.15…1.25 1.23…1.33 1.00...1.10 1.25...1.40 1.20...1.35 0.73...0.83

3.90...4.40 3.60...4.30 3.50...4.50 3.50...4.50 3.50...4.50 3.80...4.50 3.80...4.50 3.80...4.50 3.80...4.50 3.80...4.50 3.80...4.50 3.80...4.50 3.80...4.50 3.80...4.50

4.0...4.5 4.1...4.8 8.0...9.0 9.0...10.0 8.20…9.20 2.50…2.90 4.70...5.20 4.70...5.20 4.70...5.20 4.70...5.30 5.50...6.50 4.20...5.00 3.20...3.90

0.90..1.10 1.70...2.20 1.00...1.40 0.90..1.30 1.70...2.20 2.20...2.50 1.70...2.10 1.70...2.10 2.70...3.20 2.70...3.20 2.30...2.60 3.70...4.20 3.00..3.50 1.00...1.20

0.8...1.4 1.2...2.0 1.2...1.9 1.5…2.1 2.7…3.0 5.9...6.7 5.9...6.7 5.9...6.7 5.9...6.7 5.9...6.7 5.2...6.0 9.0...10.0 17.2...18.7

Co, %

7.8...8.5

4.7...5.2 8.0…8.8

9.5...10.5

A gyorsacélok kiemelkedően kedvező tulajdonságai legalább olyan mértékben köszönhetők az alapanyag megfelelő melegalakításának és a helyesen végrehajtott hőkezelésnek, mint az ötvözésnek. A gyorsacélok átalakulásakor a perlites átalakulás lappangási ideje 10...20 perc, a bénites átalakulásé még ennél is sokkal hosszabb, és a 350...500 OC-os tartományban az ausztenit átalakulása akár több

211


napig is eltarthat. Ez alkalmassá teszi a gyorsacélokat arra, hogy hűtéskor ezen a hőmérsékleten hőn lehessen tartani, amivel a termikus feszültségek csökkenése érhető el. Az ausztenites állapotú gyorsacél a karbidoldódás miatt szükséges nagy edzési hőmérsékletről sófürdőben, olajban vagy levegőn hűtve edzett szerkezetű lesz. A felület dekarbonizálódásának elkerülése érdekében előnyösebb olajban vagy sófürdőben hűteni, mint levegőn. A sófürdőben végrehajtott hűtés teszi lehetővé a lépcsős edzést, vagyis a hűtés megszakítását a 450...550 OC-os hőmérséklet-tartományban. A gyorsacélok hőkezelésének legfontosabb adatait a 91. TÁBLÁZAT tartalmazza. 91. TÁBLÁZAT EN jele HS0-4-1 HS1-4-2 HS1-8-1 HS2-9-1-8 HS2-9-2 HS3-3-2 HS6-5-2 HS6-5-2-5 HS6-5-3 HS6-5-3-8 HS6-6-2 HS6-5-4 HS10-4-3-10 HS18-0-1

GYORSACÉLOK LEGFONTOSABB HŐKEZELÉSI ADATAI ÉS KEMÉNYSÉGE

Korábbi MSZ Anyagjele száma

R 11

R6 R8

R 12 R 13 R 14 R3

1.3325 1.3326 1.3327 1.3247 1.3348 1.3333 1.3339 1.3243 1.3344 1.3244 1.3350 1.3351 1.3207 1.3355

Lágyítási hőmérséklet OC

Edzési hőmérséklet OC

Megeresztett min. HV

Lágyított max. HV

750…780 760…790 790…820 770...820 780…810 760…790 800...850 770...820 870…900 870…900 800...850 800...850 770...840 800...850

1180...1220 1180...1220 1180...1220 1180...1220 1190...1230 1180...1220 1190...1230 1200...1240 1160…1180 1140…1180 1180...1220 1200...1240 1210...1250 1240...1280

760 780 800 1100 800 800 1000 1000 830 900 1020 1020 1020 950

260 270 280 285 280 280 255 269 280 300 269 300 300 255

Hűtés után a gyorsacél martenzitet, az ausztenitesítéskor fel nem oldott szekunder karbidokat és számottevő mennyiségű maradék-ausztenitet tartalmaz. A maradék-ausztenit mennyisége különösen az erős ausztenit-stabilizáló hatású kobalt ötvözése esetén jelentős. A maradék-ausztenit mennyisége az edzési hőmérséklet növelésével is növekszik. A gyorsacélok hőkezelésének elvi hőmérséklet-idő diagramját a 41. diagram mutatja be. Az edzést követő hőkezeléskor - amely lényegét tekintve megeresztés -, a martenzitből karbon válik ki. A karbonban szegényedő martenzit keménység csökkenését nem kompenzálja a keletkező karbidok keménység növelő hatása. A 400 OC feletti hőmérsékleteken két folyamat játszódik le egyidejűleg. Egyrészt egyes karbidok - pl. króm karbidjai (ld. 84. TÁBLÁZAT) -, nagyobb keménységű karbidokká alakulnak át, másrészt a karbidképződés folyamatosan elszegényíti ötvözőkben a maradék-ausztenitet is. Ebből következően lehűtéskor az ötvözőkben elszegényedett ausztenit elveszti stabilitását és martenzitté alakul át, növelve ezzel is az acél keménységét. A maradék-ausztenit teljes átalakításához, vagyis a legnagyobb ke-

212


ménység eléréséhez legalább kétszer-, de nemritkán háromszor kell megismételni az edzést követő felhevítés-hűtés ciklust. 1300


1200

Tedz

Ausztenitesítés

1100 1000 Levegőn

900 800

Megeresztés a legnagyobb keménységre

700 600

Megeresztés a kívánt keménységre

Feszültségcsökkentő hőkezelés

500 400

Sófürdőben

300 Feszültségcsökkentő hőkezelés

200 100 0

0

Olajban Edzés

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 idő, perc

41. diagram A gyorsacélok hőkezelésének elvi hőmérséklet-idő diagramja Keménység, HV, MPa 1200

HS2-9-1-8

1100

HS6-5-3

1000 900 800

C 100

HS18-0-1

700 600 500 400 300 200 100 0

0

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 Hőmérséklet, fok, C

42. diagram A gyorsacélok valamint a közel azonos karbontartalmú ötvözetlen szerszámacél keménysége a megeresztési hőmérséklet függvényében 1 órás hőntartás után

213


A gyorsacélok és a közel ugyanolyan karbontartalmú ötvözetlen szerszámacél keménységének változását a megeresztési hőmérséklet függvényében a 42. diagram mutatja be. A diagram alapján jól látható, hogy a gyorsacélok megeresztési hőmérsékletét lényegesen nagyobbra (Tmeg>500 OC) célszerű választani, mint az ötvözetlen szerszámacélét. A gyorsacélokat elsősorban forgácsolószerszámok, mint fúrók, dörzsárak, marók, fogazószerszámok, menetvágók, fűrészek és finommechanikai szerszámok gyártásához használják. További számottevő alkalmazási területe a HS6-5-2-5 és HS2-9-1-8 típusú gyorsacéloknak a nagy igénybevételű, folyató- és húzóbélyeg, finom-kivágó hideg képlékenyalakító szerszámok gyártása is. A nagyobb keménységű anyagok forgácsolásához használatos szerszámokat a szívós, nagy hőmérsékleteket is elviselő HS18-0-1 illetve HS10-4-3-10 típusú gyorsacélból gyártják. 4.2.2.6 Kiválásosan keményedő ötvözetek A kiválásos keményítés azon alapul, hogy az egyes ötvözeteknél a hőmérséklet csökkenésével az ötvözőelem oldhatósága is csökken, és a kiválást új fázis létrejötte kíséri. Gyorsan lehűtve az ötvözetet arról a hőmérsékletről, ahol a szövete egyensúlyban homogén, túltelített szilárd oldat jön létre. A túltelített szilárd oldat termodinamikailag instabilis. A heterogén, többfázisú rendszer energiája kisebb, így a túltelített szilárdoldat energiaközléssel, vagy anélkül az új fázis kiválásával a termodinamikailag stabilabb állapotba hozható. Amennyiben a folyamat a szobahőmérsékleten is reális időtartamon belül végbemegy, akkor ez a természetes-, ha nem, akkor a folyamat a mesterséges öregítés. Az öregítés, a fázisátalakulás szabályozásával az ötvözet tulajdonságai tág határok között változtathatók. Lényegét tekintve ugyanolyan mechanizmussal, kiválásosan keményíthetők az előző pontban tárgyalt szerkezeti-, szerszám-, és a korrózióálló acélok egy csoportja is. Ennek ellenére a legáltalánosabban alkalmazott és legismertebb kiválásosan keményített anyagok az alumínium- és a rézötvözetek. A kiválásos keményítést eredményező hőkezelésnek az első lépése az ötvözet olyan hőmérsékletre hevítése és ott hőntartása, ahol az ötvözőket lehetőleg teljesen oldatba lehet vinni. Ezt, a - homogenizáló hőkezelés eredményeként létrejött -, egyenletes ötvöző-eloszlást a szerkezetben a gyors hűtés stabilizálja, ugyanakkor az edzési hőmérsékletnek megfelelő nagy vakancia-sűrűséget befagyasztja. Hasonlóan az acéloknál megismert, martenzitet eredményező hőkezeléshez ezt is edzésnek nevezik. A kiválással megfelelő eloszlású- és összetételű fázisok jönnek létre egy lényegesen kisebb hőmérsékletű, de hosszabb idejű hőntartással. A kiválásos keményítés elvi hőmérséklet-idő függvénye, a kiinduló, az edzés utáni és a kiválásokat tartalmazó szövetképei a 43. diagramon láthatók. Az edzés után az oldott anyag mikroszkopikus méretekben egyenletesen, de szubmikroszkopikusan egyenlőtlenül oszlik el.. Ennek az egyenetlen eloszlásnak az a magyarázata, hogy az oldott anyag elsősorban azokon a kristálytani síkokon helyezkedik el, ahol a legkisebb rácstorzulást okozza. Az ilyen szubmikroszkopikus dúsulási síkok 1..2 atom sorból állnak és a síkon mindkét irányban 20...30 atomátmérő kiterjedésűek (ld. 46. a) ábra). A kiválásos keményedési folyamat mechaniz-

214


musának felismerői neve alapján ezeket a néhány atomnyi távolságra kiterjedő dúsulásokat Guinier-Preston (GP) zónáknak nevezik. A GP zónák az alapfémmel gyakorlatilag koherensek. Rácsszerkezetük az alapfémével azonos, rácsállandójuk csak a zónahatáron tér el, s ott is csak az egyik tengely irányában. Ezért csak a zónahatáron van csekély rácstorzulás. A GP zónák a szerkezetben csak rugalmas torzulást okoznak. A zónák a csúszósíkok folytonosságát nem szakítják meg, csak mozgását némiképp akadályozzák. Ez csupán a keménység kismértékű növekedésében és az alakváltozó képesség csökkenésben jelentkezik.

túltelített szilárd oldat, éldiszlokációval

a)

Guinier-Preston zóna

intermetallikus vegyület

b) 46. ábra A kiválásos keményítés egyes szakaszai

1000

c)


900 800

Thomogenizálási

700 600 500 400

Tmegeresztési

300 200

0

öregítés

homogenizálás

100 0

10

20

30

Θ α

40

50

60

70

80

idő, óra

α+Θ′′+Θ′ α

43. diagram A kiválásos keményítés elvi hőmérséklet-idő diagramja és az egyes hőkezelési műveletek után a szövetképek

215


A megeresztés során a nagy vakancia-sűrűségnek köszönhetően az oldott atomok diffúziós vándorlásával a GP zónákban egyre több oldott atom gyűlik össze. Nemcsak a zóna vastagsági mérete nő 10...100 atomátmérőnyi (néhány nm) méretűre, hanem az oldó valamint az oldott atomok aránya is egyre inkább közelít az intermetallikus vegyületnek megfelelő arányhoz, kiválások jönnek létre(ld. 46. b) ábra). Ezek a Θ′′ kiválások tetragonális rácsúak, amelyeknek egy rácsmérete eltér az alumínium rácsparaméterétől, amint azt a 47. ábra szemlélteti. 404 pm

404 pm

404 pm

404 pm

404 pm

404 pm

384 pm

290 pm

Al Cu

túltelített szilárd oldat

404 pm

Θ′′ kiválás 404 pm

Θ′ (torzult Al2Cu) vegyület 607 pm

404 pm

487 pm

607 pm Θ vegyület (Al2Cu) 47. ábra Az Al-Cu rácsa az öregítés (kikeményítés) egyes szakaszaiban

216


A Θ′′ kiválások mennyiségének növekedésével az oldott elemek közötti kapcsolat egyre erősebbé válik, ami az alapfém és a Θ′′ kiválások közötti koherencia gyengüléséhez, a határon az alapfém rácstorzulásának növekedéséhez vezet. A Θ′′ kiválások megjelenése, a keménység és a szilárdság jelentős növekedésében, a koherencia romlása az alakváltozó képesség csökkenésében jelentkezik, hiszen az inkoherens határon a diszlokáció mozgása blokkolódik. A Θ′′ kiválások növekedésének határt szab, hogy az inkoherencia növeli a határ- így a rendszer energiaszintjét. A szilárdság növekedés azért jelentős, mert a Θ′′ kiválások viszonylag kis méretűek és diszperz eloszlásúak. A Θ′′ kiválásokon belül az oldó és az oldott elemek intermetallikus vegyületekké rendeződése a képződési szabadentalpiájuknak megfelelően csökkenti a rendszer energiáját. Az intermetallikus vegyületek képződésükkor még torzult rácsúak, megkülönböztetésül a Θ egyensúlyi intermetallikus vegyületektől, ezeket Θ′vel jelölik. A torzult rácsú Θ′ vegyületek - amelyben az atomok aránya már közel ugyanolyan, mint az intermetallikus vegyületben -, növekedni képesek, ezért a közöttük levő távolság növekszik. A kiválás diszperzitásának csökkenésével a diszlokációk mozgása egyre kevésbé akadályozott, ezért a keménység és a szilárdság csökkenni kezd. Hőmérséklet, fok C


α Θ

Θ

Θ′ GP II

GP I

Réztartalom, %

Θ′ GP II

GP I

Idő, óra

44. diagram Az Al-Cu kétalkotós állapotábra részlete és a kiválások elvi hőmérséklet-idő diagramja A megeresztési hőmérséklet növelésével, vagy a megeresztés idejének előrehaladtával az intermetallikus vegyület torzulása is csökken és már minden rácsméretében eltérő, komplex, térben középpontos tetragonális rácsú fázissá alakul. Ebből következően a Θ-fázis már inkoherens az alapfémhez. Az inkoherencia miatt a diszlokációk a kiválásokon nem haladnak át, hanem kihajlanak, miközben a rácstorzulástól mentesült alapszövetben csak kis ellenállással találkoznak. A ke-

217


ménység és a szilárdság csökken. A keménység csökkenése akkor gyorsul fel, ha az intermetallikus vegyületek alkotta szemcsék gyors növekedésnek indulnak. A folyamat egyes állomásait szemlélteti a rézzel ötvözött alumínium esetében a 47. ábra. A kiválásosan keményedő ötvözetek legjellemzőbbek alumíniumötvözetek sorában. Az alumínium számos ötvözője - amint az a 30. TÁBLÁZAT adataiból látható - kiválóan alkalmas kiválásos keményítésre. Ilyen ötvözők a réz, a magnézium, a szilícium, lítium és a cink. A keletkező intermetallikus vegyületek: Al2Cu, Al2CuMg, Al2Mg3Zn3, MgZn2, Al3Li, AlLi, Al2CuLi, Mg2Si. Az egyik jellegzetes kiválásosan keményedő ötvözet a rézzel ötvözött alumínium. A réztartalom, a megeresztési hőmérséklet, valamint a megeresztés idejének hatását az átalakulási termékekre a 44. diagram szemlélteti. E diagramnak az alapján látható, hogy a réztartalom növekedésével egy adott átalakulási termék kiválásához szükséges hőmérséklet növekszik. Ugyancsak a 44. diagram alapján látható, hogy a kiválás hőmérséklet-idő függvénye minimummal (orrponttal), rendelkezik. A 45. diagramból kiolvasható, hogy az elérhető legnagyobb keménység, az intermetallikus vegyületek lehetséges mennyiségének - vagyis a nagyobb réztartalomnál -, növekszik. Kezdetben ugyancsak nagyobb keménység érhető el a hoszszabb idejű megeresztéssel, mindaddig, amíg a Θ′′ kiválások növekedésnek nem indulnak. 120 110

1 nap

Keménység, HV 4 % Cu megeresztés 190 fok C

1 hónap

4 % Cu megeresztés 130 fok C

100 90 80


70 60 50 40


30 20 10 0 0,1

1

10

100

1000

Idő, óra

45. diagram Az Al-Cu ötvözet kiválásos keményítése során a keménység változása a réztartalom, a hőmérséklet és az idő függvényében A 44. diagram elemzéséből látható, hogy a kiválásos keményítés során a megeresztési hőmérséklet és a megeresztési idő változtatásával a kiválásosan ke-

218


ményített ötvözetben a GP zónák, a Θ′′, a Θ′, illetve a Θ intermetallikus vegyület aránya nagyon eltérő lehet. Ezek közül egy- vagy több akár hiányozhat is. A 46. diagram alapján látható, hogy a megeresztési hőmérséklet növekedése jelentősen csökkenti a megeresztéshez szükséges időtartamot, de ezzel az elérhető maximális szilárdság értéke is csökken. 500

1 nap

Folyáshatár, MPa megeresztés 200 fok C

450

megeresztés 150 fok C

1 hónap megeresztés 120 fok C

400 350 300 250 200 150 100 megeresztés 260 fok C

50 0 0,1

24

1

Szakadási nyúlás A , %

10

100

Idő, óra 1 nap

22

1000

1 hónap megeresztés 120 fok C

20 18


16 14 12 10 8 6



4 2 0 0,1

1

10

100

1000

Idő, óra

46. diagram Az AlCu4Mg1 ötvözet kiválásos keményítése során a folyáshatár és a szakadási nyúlás változása a megeresztés hőmérsékletének és az idejének függvényében A GP zónák, a Θ′′, a Θ′, illetve a Θ intermetallikus vegyület igen eltérő keménysége, szilárdsága, illetve alakváltozó képessége, az eloszlás diszperzitásának

219


különbsége miatt az ötvözet tulajdonságainak változása a megeresztési hőmérséklet, illetve megeresztési időtartam függvényében egyszerű összefüggésekkel nem jellemezhető. A kapcsolat összetettségét jelzi a 46. diagram, amely az AlCu4Mg1 ötvözet folyáshatárának és szakadási nyúlásának változását mutatja be a megeresztési hőmérséklet és a megeresztés időtartama függvényében. A diagrammok alapján látható, hogy a hőkezelési paraméterek, a hőmérséklet és az időtartam célszerű megválasztásával a mechanikai tulajdonságok a felhasználási célnak megfelelően széles tartományon belül változtathatók. A kiválásosan keményített alumíniumötvözetek hőkezelésének első lépéseként a homogenizáló izzítást kevéssel szolidusz hőmérséklet (500...550 OC) alatti rövid hőntartással, majd gyors - rendszerint vízben való -, lehűtéssel hajtják végre. A kiválásos keményítést a kívánt tulajdonságoknak megfelelő hőmérsékleten végzett néhány (4...16) órás hőntartással, majd kemencében, vagy nyugvó levegőn való lehűtéssel érik el. A kiválással keményíthető, vagy más néven nemesíthető alumínium-ötvözetek, az intermetallikus vegyületek összetételéből következően a magnézium mellett rézzel és/vagy szilíciummal valamint cinkkel ötvözöttek. Ezeket az ötvözeteket Magyarországon az MSZ EN 573 előírásai szerinti összetételben gyártják. Az AlCu(Mg) ötvözetek a 2000-es sorozatot, az AlMgSi(Cu) ötvözetek a 6000-es sorozatot, valamint az AlZnMg(Cu) ötvözetek a 7000-es sorozatot alkotják. A szabványos összetételű, kiválással keményíthető alumíniumötvöze-tek közül néhány jellemző ötvözetnek a vegyi összetételét a 92. TÁBLÁZAT foglalja össze. 92. TÁBLÁZAT

KIVÁLÁSSAL KEMÉNYÍTHETŐ ALUMÍNIUMÖTVÖZETEK VEGYI ÖSSZETÉTELE

MSZ EN jele AlMgSi AlSi1Mg0.8 AlSi1MgMn AlSi1MgCuMn AlCu2.5Mg AlCu4Mg1 AlCu5.5MgMn AlCu2.5NiMg AlCu4SiMg AlZn5.5Mg1.5 AlZn5Mg1Zr AlZn8MgCu

Si, % 0.30...0.70 0.80...1.20 0.70...1.30 0.70...1.30 ≤ 0.80 ≤ 0.50 ≤ 0.20 0.50...1.30 0.50...1.20 ≤ 0.25 ≤ 0.10 ≤ 0.40

Cu, % ≤ 0.10 ≤ 0.10 ≤ 0.10 0.50...1.10 2.20...3.00 3.80...4.90 5.20...6.00 1.80...2.80 3.90...5.00 ≤ 0.25 ≤ 0.05 1.20...1.90

Mn, % ≤ 0.03 ≤ 0.10 0.40...1.00 0.40...1.00 ≤ 0.20 0.30...0.90 0.15...0.50 ≤ 0.50 0.40...1.20 ≤ 0.10 ≤ 0.05 ≤ 0.50

Mg., % 0.35...0.80 0.60...1.00 0.60...1.20 0.40...1.00 0.20...0.50 1.20...1.80 0.20...0.45 0.60...1.20 0.20...0.80 1.20...1.80 0.70...1.40 2.10...3.10

Zn, % Egyéb, % ≤ 0.10 ≤ 0.20 ≤ 0.20 0.10...0.70 ≤ 0.25 ≤ 0.25 ≤ 0.10 ≤ 0.20 Ni = 0.6...1.4 ≤ 0.25 5.00...6.00 Zr=0.08...0.18 4.50...5.50 Zr=0.12...0.15 7.20...8.40 Zr ≤ 0.25

Az alumínium és ötvözetei mechanikai tulajdonságai nagymértékben függnek fémtani állapotuktól is. Ezért a megjelölésükben erre utaló, ISO jel is szerepelhet. Az ISO jelölési rendszer öt féle betűjelzést és szükség szerint további pontosító számjelzést is alkalmaz. A betűjelzések értelmezése: F...........gyártási állapotú,

220


H...........hidegalakítással keményített állapotú, O...........lágyított állapotú, W.......... hőkezelt instabil (edzett) állapotú, T........... hőkezelt stabil (nemesített) állapotú. A kiválásosan keményíthető alumíniumötvözetből gyártott lemezek, szalagok és tárcsák mechanikai jellemzőit a 93. TÁBLÁZAT tartalmazza. 93. TÁBLÁZAT

KIVÁLÁSSAL KEMÉNYÍTHETŐ ALUMÍNIUMÖTVÖZETEKBŐL KÉSZÜLT LEMEZEK MECHANIKAI JELLEMZŐI

MSZ EN jele

Lágy (O) Rm, MPa min. A, % AlMgSi 16 ≤ 147 AlSi1Mg0.8 15 ≤ 147 AlSi1MgCuMn ≤ 147 15 AlCu4Mg1 12 ≤ 235 AlCu5.5MgMn ≤ 245 12 AlZn5.5Mg1.5 AlZn5Mg1Zr *

Nemesített (T) HV* min. ReH, MPa min. Rm, MPa min. A, % 30 177 255 11 35 196 275 12 35 196 275 12 70 265 392 13 75 284 431 12 275 343 10 265 314 8

HV* 70 95 95 100 110 100 95

tájékoztató érték

A nemesíthető alumíniumötvözetek az egyfázisú alumíniumötvözetekhez viszonyítva lényegesen nagyobb szilárdságúak, de ugyanakkor a korrózióval szembeni ellenállásuk kisebb. A tulajdonságaikból adódóan a kiválással keményíthető alumíniumötvözetek tipikus alkalmazási területe a teherviselő szerkezetek, gépalkatrészek, ezen belül is elsősorban a járműipar. Az egyes ötvözetek közötti választáskor - a szilárdsági jellemzők mellett -, az alakadó technológiákhoz való alkalmasság a mértékadó. A kiválásosan keményíthető alumíniumötvözetből gyártott sajtolt- és húzott rudak garantált mechanikai jellemzőit a 94. TÁBLÁZAT tartalmazza. 94. TÁBLÁZAT

KIVÁLÁSSAL KEMÉNYÍTHETŐ ALUMÍNIUMÖTVÖZETEKBŐL KÉSZÜLT RUDAK MECHANIKAI JELLEMZŐI

MSZ EN jele

AlMgSi AlSi1Mg0.8 AlSi1MgMn AlSi1MgCuMn AlCu4Mg1 AlCu5.5MgMn AlCu4SiMg AlZn8MgCu *

min. ReH, MPa 60 60 70

Lágy (O) Rm, MPa min. A, % 15 ≥ 90 17 ≥ 100 14 ≥ 120 ≤ 250 ≤ 250

14 14

HV* 35 40 40

min. ReH, MPa 160 200 250 230 260 270 290 390

Nemesített (T) min. Rm, min. A, MPa % 220 12 275 12 290 10 290 14 380 12 390 14 400 12 490 7

HV* 70 80 90 80 110 105 95 130


221


A kiválásosan keményíthető alumíniumötvözetből gyártott kovácsdarabok garantált mechanikai jellemzőit a 95. TÁBLÁZAT tartalmazza. 95. TÁBLÁZAT

KIVÁLÁSSAL KEMÉNYÍTHETŐ ALUMÍNIUMÖTVÖZETEKBŐL KÉSZÜLT KOVÁCSDARABOK MECHANIKAI JELLEMZŐI

MSZ EN jele min. ReH, MPa AlMgSi1 80 AlSi1Mg0.8 80 AlSi1MgCuMn 80 AlCu2.5Mg 80 AlCu4Mg1 90 AlCu2.5NiMg 80 AlCu4SiMg 100 AlZn5.5Mg1.5 AlZn8MgCu *

Kovácsolt (F) min. Rm, min. A, MPa % 130 13 130 13 130 13 180 9 200 7 170 6 206 6

HV* 40 40 40 50 60 45 60

min. ReH, MPa 140 250 260 220 250 210 280 290 400

Nemesített (T) min. Rm, min. A, MPa % 250 10 300 6 310 6 350 12 400 8 370 8 390 7 330 7 510 5

HV* 75 85 85 85 105 100 115 95 130


A cinkkel, magnéziummal és rézzel egyaránt ötvözött alumínium kivételével valamennyi kiválással keményíthető alumíniumötvözet jól alakítható hidegen és melegen egyaránt. Az AlMgSi, AlMgSi1, AlCu2Mg2NiSi. AlCu2SiMn, valamint az AlZn6Mg2Cu ötvözetek jól forgácsolhatók. A csupán magnéziumot és szilíciumot tartalmazó ötvözetek különösebb nehézség nélkül hegeszthetők. Külön figyelmet érdemel, hogy a cinkötvözésűek szobahőmérsékleten is képesek az edzett szerkezetből kiválásra, vagyis hidegen keményedők, önnemesedők. A felhevítés hatására képződött szilárd oldat még viszonylag lassú lehűtéskor is túltelített marad. Ez a tulajdonság igen kedvező hegesztett szerkezetek gyártásakor, mert a kellő szilárdság utóhőkezelés nélkül is elérhető. Az AlMgSi ötvözetek a legnagyobb mennyiségben gyártott, nemesíthető ötvözetek. Más ötvözetekhez viszonyított kedvező alakváltozó-képességük miatt a sajtolt profilok, nyílászárók, edények, palackok tipikus alapanyaga. Alkalmazásuk elsősorban az építőiparban és a tömegcikk gyártásban jellemző. Jól polírozható és eloxálható. Az AlCuMg ötvözetek, a kedvező szilárdsági jellemzők mellett, lágyított állapotban jól alakíthatók. Tipikus alkalmazási területük a kötőelemek és csövek gyártása. Jelentős mennyiséget alkalmaz a repülőgépipar. Az AlZnMg(Cu) ötvözetek nagy folyáshatárukkal tűnnek ki a nemesíthető alumíniumötvözetek sorából. Az AlZn6Mg2Cu ötvözet szilárdsága meghaladja a szerkezeti acélokét. A kiemelkedően kedvező szilárdsághoz jó forgácsolhatóság társul, ami a gépelemek, - mint tengelykapcsolók, tengelyek, fogaskerekek -, gyártásában, kriogén technikában alkalmazott tartályok anyagaként és a repülőgépiparban meghatározó jelentőségű. A rézötvözetek nemesíthetősége nikkel-foszfor, króm, cirkónium, valamint a berillium ötvözéssel érhető el. A felsoroltak közül számottevő ipari alkalmazása a

222


berillium- és a cirkóniumbronzoknak van. A berilliumbronzok fontos ötvözője a kobalt és/vagy a nikkel, mert a kiváló meglehetősen bonyolult szerkezetű intermetallikus vegyület nemcsak berilliumot és rezet, hanem kobaltot és/vagy nikkelt is tartalmaz. A cirkónium bronzokban az intermetallikus vegyület a Cu3Zr. Az MSZ 705 előírásai szerint gyártott, kiválással keményíthető rézötvözetek vegyi öszszetételét a 96. TÁBLÁZAT tartalmazza. 96. TÁBLÁZAT

KIVÁLÁSSAL KEMÉNYÍTHETŐ RÉZÖTVÖZETEK VEGYI ÖSSZETÉTELE ÉS LEGFONTOSABB JELLEMZŐI NEMESÍTETT ÁLLAPOTBAN

MSZ jele

Cr, %

Be, %

Ni+Co, %

Zr, %

Ti, %

min. ReH, min. vill. MPa ell. nΩm CuCr1Zr 0.40...1.20 0.10...0.25 400 23.8 CuBe1.7NiTi 1.60...1.85 0.20...0.40 0.10...0.25 1030 83.3 CuBe2Co 1.80...2.10 0.20...0.50 930 71.4 CuCo2.5Be 0.40...0.70 690 38.5

min. HV 130 340 330 170

A krómmal-cirkóniummal ötvözött bronz szilárdsága és keménysége nem haladja meg lényegesen az egyéb rézötvözetekét, de azt nagy hőmérsékleteken is megtartja. Ennek a kedvező tulajdonságának és jó villamos vezető képességének köszönhetően ezt az ötvözetet olyan, nagyobb hőmérsékleten működő alkatrészek gyártásához használják, mint az ellenállás-hegesztő gépek elektródjai. A berilliumbronzok nagy folyáshatára, nagy kopásállósága és jó korrózióállósága kedvező a rugók, kommutátorok és ütéskor is szikramentes szerszámok gyártásához. 97. TÁBLÁZAT

NAGY FOLYÁSHATÁRÚ, KIVÁLÁSSAL KEMÉNYÍTETT SZERKEZETI ACÉLOK VEGYI ÖSSZETÉTELE

EN jele xxxx xxxxL

Mn, % max. P, max. S, max. Ni, N, % max. Cu, max. V, max. Nb, % % % % % % 0.025 0.015 0.03…0.12 0.3…1.8 2.0 0.015 2.0 0.10 0.06 0.02 0.010 C, %

98. TÁBLÁZAT

NAGY FOLYÁSHATÁRÚ, KIVÁLÁSSAL KEMÉNYÍTETT SZERKEZETI ACÉLOK MECHANIKAI JELLEMZŐI

MSZ EN Anyagszám min. ReH, jele MPa S500A 1.8980 500 S550A 1.8991 550 S620A 1.8993 620 S690A 1.8995 690

Rm, MPa min. A, Vizsgálati hőmér- min. KV, J % séklet, OC 600...770 17 -20 30 650...820 16 -20 30 710...880 15 -20 30 760...930 14 -20 30

A nagy folyáshatárú, jól hegeszthető perlit-szegény, vagy perlitmentes acélok jellemző ötvözője a nióbium, a vanádium és a réz. A nióbium nitrideket, karbonitrideket alkot, már 0.02 %-ban is erős szemcsefinomító és szilárdságnövelő hatású. A folyáshatárt csak normalizált állapotban növeli, mert megeresztéskor a nitrid és a karbid egy része elbomlik, a nitrogén és a karbon oldatba megy és így hatása meg-

223


szűnik. A vanádium - amint az a 7. diagramból látható -, nitridképző és mint ilyen szemcsefinomító és szilárdságnövelő hatású. Folyáshatárt növelő hatása nagyobb, mint a nióbiumé, s ez a hatása megeresztett állapotban is érvényesül. A szokásos mennyisége 0.03...0.10 %. Hatása 0.009...0.015 % nitrogéntartalommal együtt igen kedvező. A finomszemcsés szerkezet és a szabályozott hőmérsékletű hengerlés során létrejövő diszperz kiválások jelentősen növelik a folyáshatárt, amelyben a vanádium-nitrid kiválás szilárdságot növelő és a nióbium szemcsefinomító hatása a meghatározó. A kiválásosan keményített, nagy folyáshatárú szerkezeti acélokat az MSZ EN 10137-3 szabvány előírásai szerint gyártják. A jellemző vegyi összetételt a 97. TÁBLÁZAT, a mechanikai jellemzőket a 98. TÁBLÁZAT tartalmazza. 99. TÁBLÁZAT KIVÁLÁSSAL KEMÉNYEDŐ KORRÓZIÓÁLLÓ ACÉLOK VEGYI ÖSSZETÉTELE MSZ EN jele X3CrNiMo13-4 X4CrNiMo16-5-1 X5CrNiCuNb16-4

Anyagszám 1.4313 1.4418 1.4542

X7CrNiAl17-7 X8CrNiMoAl15-7-2 X5CrNiMoCuNb14-5

1.4568 1.4532 1.4594

100. TÁBLÁZAT

C, %

Cr, %

Ni, %

Egyéb, %

≤ 0.05 12.00…14.00 3.50…4.50 0.30…0.70 N ≤ 0.020 15.00…17.00 4.00…6.00 0.80…1.50 ≤ 0.06 N ≤ 0.020 ≤ 0.07 15.00…17.00 3.00…5.00 ≤ 0.60 5∗C
KIVÁLÁSSAL KEMÉNYEDŐ KORRÓZIÓÁLLÓ ACÉL MECHANIKAI JELLEMZŐI

MSZ EN jele

Anyag- Gyártmány* Hőkezeltségi min. Rp0.2, szám állapot** MPa AT C P1300 1150 P900 700 X5CrNiCuNb16-4 1.4542 P1070 1000 P950 800 P P850 600 SR630 X7CrNiAl17-7 1.4568 C AT P1450 1310 X8CrNiMoAl15-7-2 1.4532 C AT P1550 1380 *

Mo, %

Rm, MPa ≤ 1275 ≥ 1300 ≥ 900 1070…1270 950…1150 850…1050 ≤ 1050 ≤ 1030 ≥ 1450 ≤ 1100 ≥ 1550

min. A, % 5 3 6 10 12 14 19 2 20 2

**

C...hidegen hengerelt szalag, P...melegen hengerelt lemez. AT…ausztenitesre hőkezelt, P…kiválásosan keményített, SR…feszültségmentesített

Az utóbbi évtizedben fejlesztettek ki kiválással keményített korrózióálló acélokat. Ezek az acélok korrózióállósága mérsékeltebb, mint a hagyományos ausztenites szerkezetű társaiké, de folyáshatáruk, szakítószilárdságuk azokét többszörösen meghaladják. Ezekben az acélokban a szerkezeti acéloknál megismert,

224


kiválásos keményedést lehetővé tevő, Nb, V, Cu ötvözők mellett az alumínium is szerepet játszik. Az alumínium a nikkellel intermetallikus vegyületet (NiAl, Ni3Al) hoz létre, hasonlóan az alumínium ötvözeteknél az alumínium rézzel alkot intermetallikus vegyületéhez. A kiválással keményített korrózióálló acélok vegyi összetételét a 99. TÁBLÁZAT, az MSZ EN 10088-2 szabvány szerint gyártott, kiválással keményített korrózióálló szalagok és lemezek mechanikai jellemzőit különböző hőkezeltségi állapotban a 100. TÁBLÁZAT tartalmazza. A kiválásosan keményített korrózióálló acélok szokásos kikeményítési (öregítési) hőmérséklete általában 480…580 oC. A legnagyobb szakítószilárdság 8…24 órás öregítés után érhető el. A szakítószilárdság növekedése, amint az a 100. TÁBLÁZAT adataiból látható, az alakváltozó képesség csökkenésével jár együtt. A szabványosított összetételű acélok mindegyike lágyított (kiválást nem tartalmazó) állapotban ausztenites szerkezetűek. Megjegyzendő, hogy kapható kereskedelmi forgalomban, nem szabványosított ferrites és martenzites szerkezetű kiválással keményíthető változatok is. A lágyított állapotban, ausztenites szerkezetű acélok ebben az állapotban jól alakíthatók.

4.3

Kérgesített anyagok

A termékekre ható igénybevétel sok esetben összetett. A mechanikai igénybevétel mellett a gyártmányt a felületén korróziós vagy hőhatás is éri. Igen gyakori, hogy a terméknek kopásállónak és egyben a dinamikus igénybevétellel szemben is ellenállónak kell lennie. A kopásállóság megkövetelte keménység, valamint a dinamikus igénybevételhez szükséges megfelelő szívósság egyidejűleg igen nehezen kielégíthető követelmény. A koptató igénybevétel kizárólag a termék felületén hat, míg a dinamikus terhelés viszont a teljes keresztmetszetet veszi igénybe. Kézenfekvő, hogy e két követelményt egyidejűleg olyan, heterogén makroszerkezetű anyaggal elégítsék ki, amelynek felülete kemény, kopásálló, míg a magja szívós. Azok a tulajdonságot módosító technológiák, amelyek eltérő tulajdonságú, például kemény kérget és szívós magot eredményezhetnek, a kérgesítő eljárások. Ezeknek az eljárásoknak a sorába a hideg képlékenyalakító eljárások, mint a görgőzés vagy a sörétezés, valamint hőkezelési eljárások tartoznak. Hőkezeléssel a kemény kéreg elérhető a szilárd állapotú anyag felületén keresztül, diffúzióval való ötvözésével, a felületötvöző hőkezelésekkel, valamint pusztán a kéregre kiterjedő felületi edzéssel.

4.3.1 Felületi edzés A felületi edzés lehetőségét az teremti meg, hogy martenzit kizárólag ausztenitből keletkezhet, mert az ausztenit rendelkezik számottevő karbon oldódhatósággal. Abban az esetben, ha a darabnak csupán a kérgét hevítik fel olyan hőmérsékletre, ahol az α ⇒ γ átalakulás végbemegy, akkor még gyors hűtéskor és kis keresztmetszetű darabnál is a martenzit csak itt keletkezik. A mag ausztenites átalakulása a hevítéskor úgy kerülhető el, ha a kéreg hevítése nagy energia-sűrűséggel történik, így nem áll elegendő idő a rendelkezésre, hogy a kéregből a hő jelentős

225


része a hővezetéssel a magba távozzék. A felhevítésre vagy nagy energia-sűrűségű sugarat, vagy a villamos ellenálláson keletkező Joule hőt lehet alkalmazni. A nagy energiájú sugárzás lehet részecske sugár - mint az elektronsugaras felületkezeléskor -, lehet monokromatikus fénysugár - mint a lézersugaras hevítéskor -, de a legköznapibb és leggyakrabban alkalmazott megoldás a hősugárral illetve hőátadással való hevítés. Ez utóbbi megoldást alkalmazzák a lángedzéskor. A lánggal való hevítés feltétele, hogy a láng energia-sűrűsége nagy (≥ 100 W/mm2) legyen, továbbá a hőátadás hatékonyságának érdekében a láng hőmérséklete lényegesen haladja meg a hevítendő darabon elérendő hőmérsékletet. E két feltételt egyidejűleg a fűtőgázok közül legjobban az acetilénnel lehet kielégíteni. A hozzávetőlegesen ugyanolyan mennyiségű oxigént és acetilént tartalmazó gázkeverék elégetésekor a láng hőmérséklete meghaladja a 3000 OC hőmérsékletet, ami a hőátadáshoz kedvező feltételeket teremt. A lángedzés előnye, hogy viszonylag egyszerű eszközökkel végrehajtható, a láng erősségének, vagy a hevített felülettől való távolságának változtatásával a felhevítés sebessége, időtartamával a felhevített kéreg vastagsága jól szabályozható. A hevítésnek hatásosabb módja, ha a bevezetett energia hővé magában a munkadarabban alakul át. Ezzel az energiaveszteségek, a környezet hőterhelése, a szükséges energia-sűrűség (≥ 10 W/mm2) jelentősen csökkenthető. Ha egy vezetőn keresztül áramot vezetnek, az elektronok mozgásának akadályozása - a villamos ellenállás miatt -, az elektronok mozgási energiájának egy része hővé alakul, Joule-hő formájában. Ha az áram egyenletesen oszlik el a teljes keresztmetszetben, akkor azt a célt, hogy csupán a kéreg kerüljön olyan hőmérsékletre, ahol az α ⇒ γ átalakulás végbemegy, nem lehet elérni. De ezt a villamos hevítést lehet alkalmazni olyankor, ha egy darabnak a hossza - és nem keresztmetszete -, irányában kell eltérő tulajdonságokat létrehozni. Például egy kúpos rúd két végét rácsatlakoztatva az áramforrás két pólusára a kisebb átmérőjű, így nagyobb ellenállású része a rúdnak jobban felmelegszik, ausztenites állapotba kerül, szemben a nagyobb keresztmetszetű részekkel. A keresztmetszet mentén egyenlőtlen felhevítés nagyfrekvenciás árammal érhető el. Mint az a Maxwell-indukciós-törvényéből ismeretes, az áram frekvenciájának növekedésével a kéreg áramsűrűsége egyre inkább meghaladja a mag áramsűrűségét. A felületi edzéshez használatos áram frekvenciája 0.01...5 MHz, amivel elérhető, hogy a felhevített kéreg vastagsága akár 1 mm alatti is lehet. A felületi edzéskor általában nem közvetlenül a darabba vezetik be a villamos áramot, hanem induktorral nagyfrekvenciás váltakozó mágneses mezőt hoznak létre, amelybe elhelyezett villamosan vezető anyagú munkadarabban örvényáram keltődik, amely a villamos ellenálláson hővé alakul. Az induktor alakjának meglehetősen hűen kell követnie a munkadarab alakját, mert a darab felülete és az induktor közötti légrés mérete az áram nagyságát, így a felhevítést befolyásolja. Ez a kötöttség - az indukciós felületi edzés számos előnye mellett -, hátrányt is jelent, egyrészről mert más-más munkadarabhoz más-más induktorra van szükség, másrészről túlságosan tagolt felületű darabok indukciós hevítése nem oldható meg. Az indukciós edzés során a hevítés igen gyors, amivel elkerülhető a felület oxidációja. To-

226


vábbi előnye, hogy a frekvencia változtatásával szabályozható a felhevített réteg vastagsága. A szabályozáskor villamos jellemzőket kell változtatni, ami nagyfokú reprodukálhatóságot eredményez, továbbá könnyen automatizálható, gyártósorba szervezhető. A berendezés nagy beszerzési ára, az egyes munkadarabokhoz szükséges induktorok költsége egyaránt csak sorozat- illetve tömeg-gyártásban teszi gazdaságossá alkalmazásukat. A nagy energiasűrűségű sugarak, mint a plazma-, a lézer- és az elektronsugár a hagyományos energiaforrások energiasűrűségének több nagyságrenddel nagyobb koncentrációját teszik lehetővé a hevítendő felületbe becsapódó részecskék kinetikai energiájának hővé alakítása során. Az elektron- és a lézer sugár ezen túlmenően azzal a kedvező tulajdonsággal is rendelkezik, hogy jól fókuszálható és igen pontosan mozgatható villamos vagy optikai lencsékkel. Ezért szemben az induktorokkal a berendezés univerzális, nem igényli, hogy más-más munkadarabhoz más-más eszköz álljon rendelkezésre. A nagy, - 1…10 kW/mm2-es -, energiasűrűség rendkívül gyors felhevítést (104…106 K/s) eredményez és a fókuszálhatóságnak köszönhetően igen csekély anyagtérfogatokat hevít fel. Ennek következtében a felhevített térfogathoz viszonyítottan igen nagy térfogatú „hideg” munkadarab gyors lehűtést (103…104 K/s) hoz létre. A felületi edzéskor csupán a kéregben megy végbe az α ⇒ γ átalakulás, ezért a magtól megkívánt mechanikai tulajdonságok a felületi edzést megelőző hőkezeléssel, például normalizálással, de gyakrabban nemesítéssel állíthatók elő. A felületi edzés során a mag szívóssági tulajdonságai nem romlanak, sőt az esetek többségében a kéregből származó nyomófeszültség még csökken is. A felületi edzéskor a kéreg igen gyorsan hevül fel az ausztenitesítési hőmérsékletre és gyakorlatilag hőntartás nincs. A karbidok oldódása, ami diffúzióval valósul meg, időigényes folyamat. Az oldódás, mint termikusan aktivált folyamat a hőmérséklet növekedésével egyre inkább gyorsul. A nagy energiasűrűségű eljárásoknál a hevített réteg részben meg is olvad, majd a kristályosodás során és ezt követően kiváló karbidok rendkívül diszperz eloszlásúak, ami társulva a rendkívül gyors hűlési sebesség miatti nagy rácshiba sűrűséggel kiemelkedően nagy keménységet eredményez. A hagyományos energiaforrású felületi edzésnél a karbidok mind teljesebb oldódása érdekében a kéreg hőmérsékletét lényegesen, 200...300 OC-kal az ausztenitesítési hőmérséklet fölé hevítik. A felhevítési hőmérséklet némileg csökkenthető, ha az anyag előzetesen nemesített állapotú, vagyis a karbidok finom szemcsézettel, diszperz eloszlásban vannak jelen a szövetben. A felületi réteg felhevítését azonnali gyors, vízhűtés követi. A felhevítéskor ausztenites állapotúvá vált réteg a gyors hűtéskor martenzitesre edződik. Az edzett kéreg és az átalakulást nem szenvedett mag közötti átmenet folytonos. A felületi edzéskor a kéreg- és a mag vegyi összetétele megegyezik, ezért a maradó feszültségek kisebbek, mint a felületötvöző hőkezelésekkor. Ugyanakkor felületi edzéskor a felhevítés is helyi jellegű, ezért a termikus feszültségek kisebbek, ami a kisebb maradó alakváltozásban is megnyilvánul.

227


A felületi edzést követően a martenzites kéreg az anyagminőségtől függően kemény és rideg. Az esetleges repedésveszély csökkentése és a maradék ausztenit átalakítása érdekében a munkadarabot feszültségcsökkentő hőkezelésnek kell alávetni 180...200 OC-os hőmérsékleten 1...2 óra hőntartással. A megeresztés eredményeként a maradék-ausztenit átalakulása miatt a kéreg kopásállósága nő, a mag szívóssága javul. A nemesíthető acélokat alkalmazzák legszélesebb körben a felületi edzéshez, de alkalmazható ez a technológia a szerszámacélok illetve a szürkeöntvények felületi keményítéséhez is. A felületi edzést elsősorban a kopásnak és dinamikus igénybevételnek kitett alkatrészek, mint tengelyek, fogaskerekek, hajtókarok, csapszegek, perselyek, kerekek gyártásakor alkalmazzák.

4.3.2 Felületötvöző hőkezelések A kéreg vegyi összetételének célszerű változtatásával a munkadarab felületének valamely igénybevétellel szembeni ellenállása javítható. A felületötvözés három részfolyamatra bontható: ⇒ az atomos állapotú ötvöző elem adszorpciója (megtapadása) a munkadarab felületén, ⇒ adszorbeálódott elem abszorpciója (bejutása) a felületi rácshibákba, ⇒ anyagtranszport a felületről oldódással és/vagy vegyületképződéssel. A felületötvözés sebességét, az összetétel változtatását, a három részfolyamat sebessége közül a leglassabb határozza meg. Ez ritka kivételtől eltekintve a diffúzió. A felületötvöző hőkezelés során leggyakrabban karbont és/vagy nitrogént, ritkábban bórt, alumíniumot, krómot, szilíciumot, cinket juttatnak a munkadarab felületi rétegébe. Ezek közül a karbon, a nitrogén és a bór interstíciós vegyületet, az alumínium intermetallikus vegyületet, a króm, a szilícium pedig szilárd oldatot alkot. A felületötvöző hőkezelés során a munkadarabot olyan szilárd, folyékony vagy gáznemű közegbe helyezik el, amely nagy koncentrációban tartalmazza az ötvözendő elemet. A közeg és a munkadarab felülete közötti nagy összetételbeli különbség hatására a felületen adszorbeálódott ötvözőelem bediffundál a kéregbe. A diffúzió feltételei javulnak a hőmérséklet növelésével, ennek azonban határt szab, egyrészről a felület oxidációja, másrészt a mag hőkezeléssel elért kedvező tulajdonságainak romlása. Az alitálás során az alumínium diffúziójával, az alumíniumban dús rétegben FeAl2 intermetallikus vegyületben gazdag zóna alakul ki, amely jól ellenáll a revésedésnek és a kéntartalmú gázoknak. Hasonló céllal ötvöznek szilíciumot a szilikáláskor. A 950…1000 oC-on végzett néhány órás kezelést követően néhány tized mm vastag, savakkal szemben is ellenálló, szilíciumban dús, rideg réteg alakul ki. A kromáláskor a felületbe diffundáló króm növeli a korrózióval szembeni ellenállást és a keménységet. Ugyancsak a korrózióállóságot növeli a cink diffúziójával létrehozott horganydiffúziós eljárás is.

228


A felületi réteg keménységének növelése a célja a leggyakoribb felületötvöző hőkezeléseknek, a karbon diffúziójával végzett cementálásnak, a nitrogén ötvözést eredményező nitridálásnak, valamint a bórt a felületi rétegbe juttató hőkezelésnek, a boridálásnak. 4.3.2.1 Cementálás, betétedzés A legszélesebb körben alkalmazott felületötvöző hőkezelés a cementálás, amelynek során a kis karbontartalmú acél kérgébe karbon diffundál. Ezt követően a cementált darabot megedzik. A karbonban dúsult réteg keménysége az edzés következtében jelentősen növekszik. A cementálást és az ezt követő edzést együttesen alkalmazó hőkezelés a betétedzés. A cementálás során a szilárd, folyékony vagy gáznemű cementáló közegből a karbon az acél felületén adszorbeálódik. Ha a réteg karbonoldó képessége nagyobb, mint a tényleges karbontartalma, akkor a felületen levő karbon abszorbeálódik. A karbonban feldúsult, vékony felületi rétegből a karbon a koncentráció-különbség hatására egyre mélyebb rétegbe diffundál. Az α−vas karbonoldó képessége nagyon kicsiny, a maximális karbonoldhatósága 0.022 %. A ferrittel szemben az ausztenit - amint az a 46. TÁBLÁZAT adataiból látható -, közel két nagyságrenddel nagyobb mennyiségben képes karbont oldani. Ezért a cementálás kizárólag olyan hőmérsékleten hajtható végre, ahol a cementálandó acél ausztenites szerkezetű. A kezdeti, viszonylag gyors karbon-felvétel után a folyamat lelassul, sőt ha a felületen az ausztenit karbontartalma eléri az oldhatóság határát, akkor a karbon abszorpció megszűnik, ezért a cementáláshoz elengedhetetlenül szükséges folyamat a felületről a karbon diffúziója a mag irányába. A diffúzió sebessége - amint az a 47. TÁBLÁZAT adataiból látható -, a hőmérséklet növekedésével jelentősen gyorsul. A cementálási hőmérséklet növelésének határt szab, hogy az ausztenit szemcséi növekedésnek indulnak és a hosszú, 5...15 órás hőntartás során eldurvulnak. Figyelemmel azokra a folyamatokra, amelyeket a hőmérséklet jelentősen befolyásol, az optimális hőmérséklet-tartomány viszonylag szűk, a cementálást általában, 900...940 OC-on hajtják végre. A cementált kéreg vastagsága a cementálás időtartamától, valamint a cementáló közegtől függ. A kapcsolatot szemlélteti a 47. diagram. Szilárd közegben való cementáláskor a munkadarabot egy ládában faszén porral veszik körül, majd a ládát légmentesen lezárják. A porszemcsék közé zárt levegő oxigénje az izzó faszénnel szén-monoxidot fejleszt, ebből a fém felületén karbon kiválásával szén-dioxid keletkezik. Az így keletkező CO2 a faszénnel érintkezve ismét CO-vá redukálódik, fenntartva ezzel a folyamatos karbon transzportot a faszén és a munkadarab felülete között. Folyékony közegű cementáláskor a hagyományos hőkezelő sófürdőket alkalmazzák, amelybe karbon leadására képes adalékot kevernek. Korábban erre vörös vérlúg sót, nátrium-cianidot alkalmaztak, de napjainkban már a cián mentes cementálófürdők terjedtek el. Napjainkban a cementálást általában gázközegben végzik, mert nem igényel külön előkészítő műveleteket, mint a szilárd közegben végzett cementáláskor, a folyamat jól szabályozható és a cementálást követően a hőkezelés megszakítás nélkül folytatható. Cementáló-közegként gáz-, vagy folya-

229


dék állapotú szénhidrogént alkalmaznak. Ez lehet földgáz, PB gáz vagy metán. A folyamat hatékonyabbá tehető hordozó gáz alkalmazásával amelyet metilalkohol-ból (metanol) állítanak elő és acetonnal vagy etilacetáttal dúsítanak. 2

Rétegmélység, mm sófürdő

1,8 1,6 1,4

gázközeg

1,2 szilárd

1 0,8 0,6 0,4 0,2 0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

idő, óra

47. diagram A cementált kéreg vastagsága a cementáló közeg és az idő függvényében ha a hőkezelési hőmérséklet ugyanolyan A cementált alkatrészeket edzeni kell, hogy a kb. 0.8 % karbontartalomra dúsult réteg a kívánt keménységet és kopásállóságot elérje. Számos hőkezelési eljárást dolgoztak ki a mag- és a kéreg kívánt tulajdonságainak elérése érdekében. Ezek közül a legelterjedtebbeket a 48. diagram mutatja be. Gáz- vagy folyadék állapotú közegben végzett cementálásnál az edzés végrehajtható közvetlenül a cementálás hőmérsékletéről vagy 840...860 OC-ra való visszahűtés után olajhűtéssel. A közvetlen edzés során a magnak - cementálás során eldurvult szemcseszerkezete miatt -, a mechanikai tulajdonságai nem kedvezőek. Gyakori egy, a mag és a kéreg edzése közé egy izotermás hűtés beiktatása is. Ennek eredményeként szívós mag jön létre. Az egyszeri edzés a két ismertetett megoldás közötti átmenetet jelenti. A betétedzés utolsó hőkezelési művelete a megeresztés, amelyet 160...200 OCon hajtanak végre és elsősorban a kéreg feszültségcsúcsainak leépítésére, valamint a maradék-ausztenit átalakítására szolgál. A betétedzés mindazokkal az acélokkal elvileg elvégezhető, amelyek karbon felvételére képesek. A mag és a kéreg közötti számottevő tulajdonság-különbség azonban lényegesen eltérő karbontartalomnál érhető el és a karbonfelvétel is annál gyorsabb, minél kisebb az acél karbontartalma. Ezért betétedzéshez jellemzően a kis karbontartalmú (C≤0.25%) acélokat használják. A betétedzés céljára külön acélcsoportot fejlesztettek ki, amelynek jellemzőit az EN 10084 alapján a 101. TÁBLÁZAT tartalmazza. A betétben edzhető acélok mindig csillapítottak, amit a legfeljebb 0.4 % szilíciumtartalom garantál. A betétben edzhető acélok általában előírt maximális kén- és foszfortartalma (S,P≤0.035%) lényegesen kisebb, mint az általános rendeltetésű szerkezeti acéloké (ld. 45. TÁBLÁZAT), mert a cementálás során ezek a szennyezők képesek dúsulni, ami a szívósságot jelentősen csökkenti.

230


Közvetlen edzés Hőmérséklet, fok C

1000

T cementálás

900

A c3-mag

800

A c3-felület

700 600 500 400 300

cementálás + edzés

200

T megeresztési

100 0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

idő, óra

Egyszeri edzés 1000


900

Tcementálás

T edz. kéreg

800

A c3-mag

700

Ac3-felület

600 500

edzés

400 300

Tmegeresztési

cementálás

200 100 0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

idő, óra

Izotermikus átalakulással végzett edzés 1000

Hőmérséklet, fok C T cementálás

900

Tedz. kéreg

A c3-mag

800

A c3-felület

700 600

edzés

500 400

izotermás átalakulás

cementálás

300

T megeresztés

200 100 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

idő, óra

48. diagram A cementált kéreg és a mag edzésének elvi hőmérséklet-idő diagramja

231


101. TÁBLÁZAT EN jele C10 C15 C16 16MnCr5* 16MnCrB5** 17Cr3* 20MnCr5* 28Cr4 18CrMo4* 20MoCr3* 20MoCr4* 10NiCr5-4 15NiCr13 16NiCr4* 18NiCr5-4 17CrNi6-6 18CrNiMo7-6 17NiCrMo6-4* 14NiCrMo13-4

BETÉTBEN EDZHETŐ ACÉLOK LEGFONTOSABB JELLEMZŐI LÁGYÍTVA

MSZ megfelelő C 10 C 15 BC 3 ≈BC 2

≈BCMo 1 ≈BCMo 2 BNC 2 ≈BNC 5 BNCMo 1 BNCMo 2

C, %

Mn, %

0.07...0.13 0.30...0.60 0.12...0.18 0.30...0.60 0.12...0.18 0.60...0.90 0.14..0.19 1.00...1.30 0.14..0.19 1.00...1.30 0.14..0.20 0.60...0.90 0.17...0.22 1.00...1.40 0.24…0.31 0.60…0.90 0.15...0.21 0.60...0.90 0.17...0.23 0.70...1.00 0.17...0.23 0.70...1.00 0.07...0.12 0.60...0.90 0.14...0.20 0.40...0.70 0.13...0.19 0.70...1.00 0.16…0.21 0.60...0.90 0.14...0.20 0.50...0.90 0.15...0.21 0.50...0.90 0.14...0.20 0.60...0.90 0.11...0.17 0.30...0.60

Cr, %

0.8…1.1 0.8…1.1 0.7…1.0 1.0...1.3 0.9...1.2 0.9..1.2 0.3..0.6 0.3..0.6 0.9...1.2 0.6...0.9 0.6...1.0 0.9...1.2 1.4...1.7 1.5...1.8 0.8...1.1 0.8...1.1

Mo, %

Ni, %

0.15..0.25 0.40..0.50 0.40..0.50 1.20...1.50 3.00..3.50 0.80...1.10 1.20..1.50 1.40..1.70 0.25..0.35 1.40..1.70 0.15..0.25 1.20..1.50 0.10..0.25 3.00..3.50

max. HV 131 143 156 207 207 174 217 217 207 217 207 192 229 217 223 229 229 229 241

Az acélokat két különböző kéntartalommal gyártják. Az R kiegészítő jel esetén S = 0.02 ... 0.035 %, E kiegészítő jel esetén S ≤ 0.035 %. * S kiegészítő jel esetén S = 0.02 ... 0.04 %, ** B=0.0008…0.005%

Az ötvözött, betétben edzhető acélok mindegyike az átedzhetőség javítása érdekében krómmal ötvözött. A hasonló célú mangánötvözés hátránya, hogy a mangántartalom növekedésével nő a kéregben a maradék-ausztenit mennyisége, ami csökkenti a keménységet és a különösen a kopásállóságot. A krómon kívül molibdénnel is ötvözött típusok a megeresztési elridegedéssel szemben jobban ellenállóak. A nikkel ötvözéssel a betétben edzhető acélok szemcsedurvulási hajlama mérsékelhető, amivel a mag nagyobb szívóssága érhető el. A betétben edzhető acélokat, legnagyobb mennyiségben, a gépgyártó- és járműipar használ fel. A betétedzést leginkább fogaskerekek, tengelyek, hajtókarok, kerekek, csuklók, fúrólapok, tengelycsapok, csapágyperselyek, gömbcsapágy gyártásakor alkalmaznak, ahol a koptató igénybevétel mellett a termékeknek a kifáradás és a dinamikus hatásokkal szembeni ellenállásra is alkalmasnak kell lennie. 4.3.2.2 Nitridálás, karbonitridálás A nitridáláskor az acél vékony felületi rétegébe nitrogén, karbonitridáláskor ezzel egyidejűleg karbon is diffundál. A nitrogén a vassal és/vagy az acél egyes ötvözőivel nitrid vegyületeket alkot. A 84. TÁBLÁZAT adatai alapján látható, hogy a nitridek keménysége nagy. A nitrideket, karbidokat és karbonitrideket tartalmazó kéreg ezért kemény, az acél ötvözőinek függvényében HV 250...1000 keménységű. A

232


nagy keménységnek köszönhetően a felület kopásálló, kifáradással szembeni ellenállása jó, sőt a nitridált kéreg a korrózióval szemben is ellenállóbb. A nitridálás során a folyékony vagy gáznemű nitrogént leadó közegből az acél felületén atomos állapotú nitrogén adszorbeálódik. Napjainkban a nitridálást leginkább gázközegben, ammóniában végzik. Az atomos állapotú nitrogén képes ab-szorbeálódni a termék vékony kérgében. A szokásos 500...600 OC-os hőmérsékleten a hosszú, 10...90 órás gáznitridálás alatt a nitrogén a nagyon vékony felületi rétegből mintegy 0.2...0.8 mm mélységig képes diffundálni. A nitridált kéreg lényegében két, elkülöníthető rétegből tevődik össze. A felületen és ahhoz nagyon közeli mélységben döntően nitrid vegyületekből áll, míg ez alatt egy vastagabb réteg helyezkedik el, ahol a vasban a nitrogén interstíciósan oldott formában van jelen. A 47. TÁBLÁZAT adatai alapján látható, hogy a nitrogén diffúziós tényezője a hőmérséklet növekedésével lényegesen nő, ezért a nitridált kéreg vastagsága elsősorban a nitridálás hőmérsékletétől, mintsem annak időtartamától függ. P

P

A karbonitridáláskor a gáz a nitrogénen kívül karbon leadására képes gázt, például szén-dioxidot és/vagy szén-monoxidot is tartalmaz. A korszerű karbonitridáló technológiákhoz speciális összetételű gázkeverékeket alkalmaznak. A karbonitridáláskor a felületbe diffundáló karbon elsősorban karbonitrideket alkot a vassal esetleg az acél egyes ötvözőivel. A karbonitridálást lényegesen rövidebb idő alatt hajtják végre mint a nitridálást. A szokásos karbonitridálási hőmérséklet 560...600 O C, időtartama 1...3 óra. P

P

A nitridálás, illetve a karbonitridálás előtt, a mag megkívánt tulajdonságainak eléréséhez az acélt előzetesen hőkezelni kell. A hőkezelés célja a teljes keresztmetszetben finomszemcsés szövetszerkezet előállítása. A finom szerkezet nemcsak a szívóssági tulajdonságokat javítja, hanem kedvezőbbé teszi a diffúzió feltételeit is. A nitridálás, illetve karbonitridálás után, a munkadarabot 180...200 OCos hőmérsékletig a kemencével együtt hűtik le, csökkentve ezzel a termikus feszültségeket. Erről a hőmérsékletről már levegőn hűl a darab. A nitridálás illetve karbonitridálást követően, szemben a cementálással a kérget már sem hőkezelésnek, sem köszörülésnek nem kell alávetni, elegendő csupán polírozni, szuperfiniselni vagy hónolni. Ebből következően a munkadarabot a nitridálás illetve nitrocementálás előtt készméretre kell gyártani, annak figyelembevételével, hogy a nitrogén, illetve a karbon diffúziója miatt a kéreg térfogata 1...2 %-kal növekszik. P

102. TÁBLÁZAT

P

NITRIDÁLÁSRA KIFEJLESZTETT ACÉLOK JELLEMZŐI NEMESÍTVE

MSZ C, % Mn, % Cr, % jele 31 CrMo 12 0.28...0.35 0.40...0.70 2.80..3.30 34 CrAlMo 5 4 0.30...0.37 0.50...0.80 1.00..1.30 41 CrAlMo 7 4 0.38...0.45 0.50...0.80 1.50..1.80

Mo, %

Al, %

min. Re, Rm, MPa min. A, MPa % 0.30..0.50 800 1000.1200 11 0.15..0.25 0.80..1.20 600 800...1000 14 0.25..0.40 0.80..1.20 700 900...1000 12 B

B

B

B

Valamennyi acél, az öntöttvasak sőt más fémek is nitridálhatók. Gyakran nitridálják a szerszámacélokat, de nitridálnak nemesíthető korrózióálló acélokat is. A nitridálást azonban jellemzően a betétben edzhető- és nemesíthető acéloknál alkalmazzák. A nitridálás céljára külön acélcsoportot is kifejlesztettek, amelynek jellemzőit az MSZ 17779 alapján az ∅ 100 mm-es átmérőig a 102. TÁBLÁZAT tartalmazza.

233


A nitridálás céljára kifejlesztett acélok mindig csillapítottak, amit a legfeljebb 0.5 % szilícium ötvözéssel érnek el. Ezeknek az acéloknak a maximális kén- és foszfortartalma S, P ≤ 0.03 %. Az átedzhetőség javítására a nitridálás céljára kifejlesztett acélok krómmal és molibdénnel ötvözöttek. A molibdén ötvözéssel ezek az acélok a megeresztési ridegedéssel szemben ellenállóak. A nitridálás céljára kifejlesztett acélok közül két típus alumíniummal is ötvözött. Az alumínium a nitrogénnel igen stabilis, a króménál nagyobb keménységű nitridet alkot. A kéreg keménysége az alumíniummal ötvözött típusoknál HV 950, a 31 CrMo 12 típusnál HV 800. 103. TÁBLÁZAT

A KÉRGESÍTŐ ELJÁRÁSOKKAL KÉSZÍTETT KÉREG JELLEMZŐI Tulajdonság

Keménység, HV HV 610 érték felülettől mért távolsága, mm Dinamikus igénybevétellel szembeni ellenállás Vetemedés Keménység csökkenés kezdeti hőmérséklete, OC P

P

betétedzés 670...800 0.4...1.5 nagy nagy 150

Kérgesítő eljárás kéregedzés nitridálás 500...800 600...1100 0.5...10 0.1...0.5 közepes kicsi mérsékelt kicsi 150 400

A nitridálást és a nitrocementálást a kopásra és kifáradásra igénybevett alkatrészek gyártásán kívül széleskörűen alkalmazzák a szerszámgyártásban is. A nitridálás eredményeként a kopásállóságon kívül a korrózióállóság is javul, ami a műanyagipari fröccsöntő és extrudáló szerszámok élettartamát növeli meg. A különböző kérgesítő eljárások sok esetben egymással helyettesíthetők. A felületi edzéssel, betétedzéssel és nitridálással létrehozott kéreg jellemzőit a 103. TÁBLÁZAT tartalmazza. 4.3.2.3 Boridálás A boridálás során a szilárd, folyékony vagy gáznemű bórt leadó közegből a bór az acél kérgébe diffundál. A boridálás hőmérsékletét alulról a bórleadó közeg bomlási hőmérséklete, felülről az acél szemcsedurvulási hőmérséklete korlátozza. A folyadék közeget, bóraxfürdőt alkalmazó boridáláskor gyakran elektrolízissel is gyorsítják a bór diffúzióját. A boridálás során intermetallikus vegyület képződik, amely a felületen FeB, a kéregben Fe2B összetételű. A boridált réteg rendkívül kemény, ≈ HVM 2000. A kéreg a keménységét nagy hőmérsékletig, mintegy 850 OC-ig megtartja. A szokásos kéregvastagság nem haladja meg a 0.1 mm-t. B

B

P

P

A boridálást követő hőkezelés célja az eldurvult szövetszerkezetű mag finomítása. Ennek megfelelően nemesítést alkalmaznak, az edzést ekkor olajban végzik. A megeresztést az acél összetételétől függően 300...450 OC hőmérsékleten hajtják végre. A boridálást általában az abrazív kopásnak kitett alkatrészek és melegen dolgozó szerszámok élettartamának növelésére alkalmazzák. P

234

P

5. KERÁMIÁK

Az egyre intenzívebb anyagtudományi kutatások és anyagmérnöki fejlesztések eredményeként, napjainkban a műanyagok, kerámiák és a különböző anyagok kompozitjai nemcsak az újonnan felmerülő igényeket elégítik ki, hanem egyes hagyományos alkalmazási területeken a fémeket ki is szorítják. A kerámiák az anyagok igen széles körét fogják át, hisz a szervetlen anyagok közül mindent kerámiának tekintenek, ami nem fém. A fémek és a kerámiák közötti különbségek a szerkezetük különbségével magyarázható. A szilárd állapotú fémes anyagokat fémes kötés létrehozta kristályos szerkezet jellemzi. Ennek következtében villamos ellenállásuk kicsi, ami hőmérsékletük növekedésével általában egyre nő. A kerámiákban ionos és kovalens kötés, illetve ezek átmenete a jellemző, ezért a villamos vezetéssel kapcsolatos tulajdonságaik éppen ellentétesek a fémekével. A kerámiákban érvényesülő interatomos erőknek köszönhetően kiválóan ellenállnak vegyi hatásoknak, általában kemények, ridegek és nagy olvadáspontúak. A kerámiákat a szerves anyagoktól nemcsak összetételük, hanem szerkezetük is megkülönbözteti. A szerves anyagokat molekulák alkotják, amelyeket erős kovalens kötések tartják össze, míg a molekulák között gyenge, Van der Waals erők érvényesülnek. A kerámiákban viszont nincsenek jól elkülöníthető molekulák, hanem a részecskék hosszabb távon is szabályos, kristályos vagy szabálytalan térbeli elrendeződést alkotnak. A kerámiák döntő többsége vegyület, de szerkezetük, tulajdonságaik alapján a kerámiák körébe tartozónak kell tekinteni, például az egyatomos szerkezetű karbont, a gyémántot és a grafitot, vagy a molekuláris szerkezetű fullerént is. A kerámiák másik nagy csoportját a fémes és nemfémes elemek vegyületei alkotják. Jellemző tulajdonságaik, alkalmazási körük alapján a vegyületkerámiákat szokásos két további csoportra osztani: oxid kerámiákra és az oxidmentes kerámiákra. Az oxidmentes kerámiák, a karbidok, nitridek, boridok és szilicidek.

5.1

Egyatomos kerámiák

A karbon, a szilícium és a germánium alkot elemi formában is használatos keramikus anyagot. Ezek közül a gépipari gyakorlatban a karbon alkotta egyatomos kerámiák használata a legelterjedtebb. Az 5. ábrán bemutatott szerkezetű gyémánt csak igen nagy nyomáson stabilis, de atmoszferikus viszonyok között ez az instabilis szerkezet rövid ideig még 4000 OC hőmérsékletig is megmarad. Spontán átalakulása grafittá csak 1500 OC felett indul meg, aminek sebessége igen csekély, több év. A természetben csak igen

235

5. KERÁMIÁK

ritkán adódnak olyan körülmények, amelyek a természetes gyémánt létrejöttét lehetővé teszik, ezért igen ritka, s emiatt igen drága. A gyémánt egykristály, amely az ékszeripar alapanyaga, szabályos rácsszerkezetének köszönhetően kiváló fényáteresztő. A mesterségesen, 2000 OC hőmérséklet felett, 55 GPa-nál nagyobb nyomáson előállított, illetve 1000 oC-on gyémánt csírákon néhány GPa nyomású karbontartalmú atmoszférából növesztett szintetikus, sokkristályos gyémánt lényegesen olcsóbb, valamint ipari célokra még alkalmasabb is, mint az egykristályos természetes változata, mert polikristályos szerkezete miatt az egy adott síkon megindult repedés terjedését a kristályhatár akadályozza. A gyémánt - kovalens kötés létrehozta kristálya -, kiválóan ellenáll a nem oxidáló vegyi hatásnak, nem oldódik az általánosan használt oldószerekben, de elsősorban kiemelkedően nagy (HV ≈ 10 000) keménysége az, amely kiemeli az öszszes többi anyag sorából. Ipari alkalmazása a kemény anyagok forgácsolásához, kőzetfúráshoz és dróthúzáshoz használatos szerszámok gyártásában számottevő. A finom gyémántszemcséket polírozáshoz, fémbe ágyazva köszörüléshez használják. A világ gyémánttermelése meghaladja a 6 tonnát évente, aminek több mint kétharmadát az ipar használja fel, és nagyobbik hányadát mesterségesen állítják elő. A karbon másik allotrop módosulata a grafit a 9. ábrán bemutatott hexagonális rácsszerkezetben kristályosodik, ahol az alapsíkokon belül a karbon túlnyomórészt kovalens kötéssel kapcsolódik, míg az egyes síkok között lényegesen gyengébb, Van der Waals - fémes kötés átmenetére hasonlító kötése van. Ebből következően, az alapsíkok irányában a villamos vezetőképessége mintegy két nagyságrenddel nagyobb, - a rézéhez hasonló nagyságú -, mint arra merőlegesen. Ezért a grafit, szemben a gyémánttal, villamos vezetőként is alkalmazható ott, ahol nagy hőmérséklet is fellép, mint ívkemencéknél, vagy elektrolizáló kádaknál. A grafit nem ereszti át a fényt, színe szürkés-fekete. A grafit nagy olvadáspontját kiaknázva, széleskörűen használják nagy hőmérsékleten üzemelő vegyipari-, kohászati berendezések - például a nagyolvasztó -, bélésanyagaként. Grafitbélést alkalmaznak atomreaktorokban is, moderátorként a gyors neutronok fékezésére. A grafitot természetes előfordulásainak tisztításával, de nagyobb részt mesterségesen, 2700 oCon kokszból állítják elő. A világ grafit felhasználása meghaladja az évi 1 millió tonnát. Nem mennyisége, hanem a kompozit-anyagok gyártásában betöltött egyre jelentősebb szerepe miatt növekvő figyelem fordul a karbonszálak felé. A karbonszálakat szerves szálaknak (cellulóz, poliakril) semleges gázban végrehajtott termikus bontásával, 1500 Co-on pirolízissel állítják elő. A karbonszálak szakítószilárdsága nagy 1700...4500 MPa, rugalmassági modulusa kiemelkedően nagy, 200...500 GPa. A karbonszál gyártás igen dinamikusan növekszik, 2000-ben a világon kb. 18 ezer tonnát gyártottak. A porózus szerkezetű „aktív szén”, amelyet gázok (gázálarc, cigaretta), vagy folyadékok (cukor-, borderítő, víz) szűrőjeként alkalmaznak, rendezetlen szénatomokból és grafitkristályokból álló szénváz, amelynek fajlagos felülete nagyon nagy (1000 m2/g), ami kiváló adszorpciós képességet eredményez. A világ évi aktív szén felhasználása meghaladja a fél millió tonnát.

236

5. KERÁMIÁK

A műszaki gyakorlatban nagy tömegben évi 5 millió tonnát meghaladó mennyiségben -, társított anyagok (pl. kerék abroncs) adalékául és festékanyagul-, alkalmazott karbon módosulat a korom, amely hidrogént, oxigént és ként is tartalmaz kötött formában. A koromban a karbon grafit formájában gömb alakban összeláncolódott (10...500 nm) átmérőjű halmazokban helyezkedik el. A karbon harmadik allotrop módosulata az 1985-ben felfedezett fullerén, amely zárt térbeli szerkezetű, pl. a 48. ábrán bemutatott gömb alakú molekulák. A C60, futball-labda alakú (buckminster-) fullerén 12 db. ötszögben és 20 db. hatszögben elhelyezkedő 60 szénatomból épül fel. A grafit és a gyémánt számos elemi cellája alkotja a rácsot, míg a fullerének diszkrét, egyedülálló részecskék, akár molekuláknak is tekinthetők, ezért jelölésükben a „molekulát” alkotó karbonatomok számát adják meg. Szemben a gyémánttal és a grafittal, számos szerves oldószerben oldódik, de hasonlóan a gyémánthoz, villamosan szigetelő. A karbongőzből vákuumban való kondenzáció során keletkezik, ebből a grafitkoromból szerves oldószeres extrakcióval nyerhető ki. Alkalmazási körük még nem teljesen feltárt, de számos lehetőséggel kecsegtet. A fémekkel sószerű anyagokká fulleridekké redukálhatók pl. a Cs3C60 cézium-fullerid 40 K hőmérsékletig szupravezető tulajdonságú. Atomok ill. atomcsoportok közvetítésével a fullerén-molekulák bonyolult szerkezetű, nagyobb molekulákká kapcsolhatók össze.

48. ábra A C60, futball-labda alakú (buckminster-) fullerén A fullerénekből már szobahőmérsékleten is lehet, igaz nagy 20 GPa nyomáson mesterséges gyémántot előállítani.

5.2

Oxidmentes vegyületkerámiák

A legfontosabb, oxidmentes kerámiák, a karbidok és a nitridek, valamint ezek komplex vegyületei. Tulajdonságaik lényegében már ismertek a 4.2.2.5. pont és a 84. TÁBLÁZAT adatai alapján. Nagyrészt kovalens kötésűek, ezért olvadáspontjuk és keménységük nagy, amit viszonylag nagy hőmérsékleten is megőriznek.

237

5. KERÁMIÁK

A vegyületkerámiák - amelyek interstíciós vegyületek -, ridegek, ezért a homogén szerkezetű vegyületkerámia termékek igen törékenyek. A vegyületkerámiák nagy hőmérsékleteken is megőrzött keménysége és ezért kopásállósága úgy használható ki, illetve a ridegsége okozta hátránya úgy hárítható el, hogy egy szívós alapanyagon ezekből a vegyületekből felületi réteget képeznek, vagy a kemény szemcséket egy szívós anyagba ágyazzák. A 4.2.2.5. pontban tárgyalt szerszámacélok esetében, ilyen kemény szemcséket ágyaz be a nemesített állapotú acél, vagy ilyen kemény réteget lehet létrehozni acéloknál a 4.3.2.2. pontban tárgyalt felületötvöző hőkezelésekkel. Az acélokban az endogén kerámiaszemcsék létrehozásának lehetősége az oldhatóság, a termodinamikai feltételek és a metallurgiai nehézségek miatt, korlátozott. Ha a kemény, interstíciós vegyület alkotta szemcséket nem olvasztással ágyazzák be, akkor ezek, az előzőkben felsorolt korlátok feloldhatók, vagy jelentősen tágíthatók. Az ilyen „álötvözetek” a keményfémek. A felületötvöző hőkezelés során, az intermetallikus vegyületet alkotó elemek közül legalább az egyik már jelen van az acélban. A kerámia bevonatok készítésekor magát a vegyületet juttatják fel a kezelt felületre.

5.2.1

Keményfémek, cermetek, keramikus lapkák

A keményfémek nagy olvadáspontú, nagy keménységű karbidok (WC, TiC, TaC, NbC); a cermetek a Ti, Ta, Nb, W és Mo nitridjeinek, karbo-nitrideinek, valamint boridok, szilicidek és nagy szilárdságú és szívósságú fémek (Co, Ni, Cr) porának keverékéből porkohászati úton előállított termékek. A porkohászat olyan alakadó technológia, amelynek során a porkeveréket a kívánt termék alakjának megfelelő, de a zsugorodás miatt nagyobb méretű formába sajtolják. A sajtolt előgyártmányt a fő összetevők olvadáspontjánál kisebb, de nagy hőmérsékleten redukáló (H2), karbont leadó (CH4), semleges (Ar, N2) védőgázban vagy vákuumban izzítják. Az izzítás során az érintkező fémszemcsék között, a fémionok diffúziója révén, fémes kötés jön létre, a korábban elkülönült szemcsék öszszehegednek. Az izzítás időtartamának növelésével a korábban 40…45 %-ban pórust tartalmazó szerkezetben az ágyazó fém körbefogja a kemény szemcséket, a porozitása egyre csökken, a termék zsugorodik, a keményfém szilárdsága egyre nő. A végtermék porozitása gyakorlatilag teljesen megszüntethető, ha az izzítást nagynyomású, 50…100 MPa-os argon atmoszférában végzik. A keményfémek és cermetek előállításához 0.2…10 µm méretű szemcséket használnak. Az ágyazó fém pl. a kobalt mennyiségének növelésével a keményfémek hajlítószilárdsága, dinamikus hatásokkal szembeni ellenállása - amely a szerszámok mechanikai igénybevételének szab határt -, érdemlegesen nő, de ezzel a keménység és a kopásállóság csökken. A hajlítószilárdság növelhető szemcseméret csökkentésével is anélkül, hogy ezzel a keménység csökkenne. A szemcsemé-

238

5. KERÁMIÁK

retnek a vágóél kialakításakor is nagy jelentősége van. Csak mikron alatti méretű szemcsék esetén képzelhető el pl. 0.2 mm átmérőjű, a mikroelektronikai alkatrészek gyártásában használatos csigafúrók gyártása. A keményfémek fő összetevője, amely a kopásállóságot még nagy hőmérsékleten is biztosítja a WC, amit a kobalt kiválóan nedvesít. Részben helyettesíthető a drága WC titán-karbiddal, aminek a keménysége még nagyobb is, de hővezető képessége lényegesen rosszabb. A tantál és a nióbium karbidja a keményfém hőállóságát és hősokkal szembeni ellenállását javítja. A keményfémet legnagyobb mennyiségben húzószerszámok betéteként, papíripari kések gyártásához, forgácsolószerszámok, mint esztergakések, marók váltólapkájaként használják. A keményfémek a felhasználáshoz szükséges alakjukat a sajtolás, majd az ezt követő izzítás során nyerik el. Ha feltétlenül szükséges, akkor a keményfémeket szikraforgácsolással lehet megmunkálni. A keményfémek élezésére még a keményfémek karbidjánál is keményebb, szilíciumkarbid, köbös bórkarbid vagy gyémánt szemcséjű köszörűkorongot használnak. 104. TÁBLÁZAT KEMÉNYFÉMEK

*

MSZ jele

WC, %

TiC, %

DA 10* DA 20 DA 30* DA 25 DA 40 DU 20 DR 10 DR 20 DG 10 DG 20 DG 30 DG 40 DG 50

57.5 69.0 69.0 69.5 77.0 80.0 91.0 91.3 94.0 88.0 85.0 81.0 75.0

18.0 15.0 11.4 6.5 4.0 4.5 1.2 1.0

ÖSSZETÉTELE ÉS LEGFONTOSABB MECHANIKAI JELLEMZŐI

TaC, % NbC, % 7.5 7.0 9.6 14.5 8.0 7.0 1.5 1.2

7.5

Co, % 9.0 9.0 9.5 9.5 11.0 8.5 6.3 6.5 6.0 12.0 15.0 19.0 25.0

Hajlítószilárdság min. R, MPa 1200 1400 1600 1800 2000 1370 1400 1670 1450 1700 1760 1850 2200

HV 1510...1610 1510...1590 1480...1530 1500...1550 1350...1450 1500...1600 1650...1750 1480...1560 1450...1550 1200...1300 1050...1200 930...1030 775...830

Ni = 0.5 % tartalommal

Magyarországon a kobaltágyazású keményfémeket gyártják az MSZ 3426 előírásai szerint. A keményfémek összetételét és legfontosabb mechanikai jellemzőit a 105. TÁBLÁZAT foglalja össze. A keményfém és kerámikus forgácsoló és képlékenyalakító szerszámanyagok tulajdonságait az MSZ ISO 513 írja le. A bevonatolt és bevonat nélküli keményfémek és kerámiák kopásállósága és keménysége közötti kapcsolatot a 49. ábra szemlélteti. Az MSZ ISO 513 szerinti képlékenyalakító szerszámok, forgácsoló szerszámok keményfém- és keramikus lapkákáinak tulajdonságait és jellemző alkalmazási körét a 105. és 106. TÁBLÁZAT foglalja össze.

239

5. KERÁMIÁK

49. ábra A forgácsoló szerszámanyagok 105. TÁBLÁZAT KEMÉNYFÉM KÉPLÉKENYALAKÍTÓ SZERSZÁMOK TULAJDONSÁGAI ÉS JELLEMZŐ ALKALMAZÁSI KÖRÜK

240

MSZ ISO jele G05

A keményfém növekvő szívóssága

A keményfém növekvő kopásállósága

Tulajdonság

G10 G20 G30 G40 G50 G60

Alkalmazási kör Dróthúzókövek, sajtolófúvókák, sajtolómatricák ásványi anyagokhoz, csúszó vezetékek, -gyűrűk Dróthúzókövek, húzógyűrűk ≤ 20 mm átmérőjú rudakhoz és csövekhez, tömítőgyűrűk, idomszerek Húzógyűrűk 35 mm átmérőig, vágólapkák és –bélyegek sajtolószámok por alakú anyagokhoz, szelepülékek > 35 mm átmérőjű húzógyűrűk, kivágóbetétek, ollókések, domborító szerszámok, szegecselő hengerek Kivágó- és domborító szerszámok, szívósabb vágószerszámok Matricák, kalapácsfejek, hajlítószerszámok, melegsajtók szerszámai Hidegsajtoló szerszámok gördülőtestek gyártásához, matricák, kalapácsfejek, hajlítószerszámok

5. KERÁMIÁK

106. TÁBLÁZAT KEMÉNYFÉM-LAPKÁK TULAJDONSÁGAI ÉS JELLEMZŐ ALKALMAZÁSI KÖRÜK

107. TÁBLÁZAT

MSZ ISO jele

Növekvő előtolás

A keményfém növekvő szívóssága

Növekvő vágósebesség

A keményfém növekvő kopásállósága

Tulajdonság

P01 P05 P10 P20 P25 P30 P40 P50 M10 M20 M30 M40 K01 K05 K10 K20 K30 K40

KERÁMIA LAPKÁK

Főcsoport

Al2O3 (∼K01) Knoop keménység 23 000 Nyomószilárdság 4 000 min. Rp, MPa Hajlítószilárdság 350 min. R, MPa

Alkalmazható eljárás Finomesztergálás, -fúrás

Acél, P acélöntvény, temperöntFolyamatos forgávény, csot adó anyaausztenites gokhoz acél

Esztergálás, vésés, gyalulás, marás

M

Acél, acélöntvény, temper- Esztergálás, vésés, gyaFolyamatos és tölulás, marás redezett forgácsú és gömbgrafitos öntvény, anyagokhoz Öntöttvas, kéregöntvény, Esztergálás, vésés, gyaTöredezett forgá- edzett acél, lulás, marás, fúrás, ürecsot adó anya- nemvasfémek, gelés gokhoz műanyagok, fa

K

ÖSSZETÉTELE ÉS LEGFONTOSABB JELLEMZŐI

Al2O3 (∼K05) 20 000

Al2O3 diszperziós kerámiák Al2O3 Al2O3+ TiC Al2O3+ZrO2 (∼K10) (∼K01) (∼K01) 18 000 24 000 20 000

Si3N4 kerámiák Si3N4 Si3N4 (∼K10) (∼K15) 8 000 11 000

3 500

3 000

4 500

5 000

1 100

1 500

280

240

380

550

200

300

Al2O3 kerámiák Tulajdonság

Forgácsolt anyag

Kiválóan tűri a váltakozó Kéregöntvények, edzett mechanikus és termikus Szürkeöntvények, betétben edzett vagy nemesített acélok igénybevételt, ezért öntés nemesített acélok nagy forgáAlkalmazási kör nagy forgácsolási se- vények nagyoló esztercsolási sebesség melletti eszterbességű finomeszter- gálására és marására is gálására gálására vagy marására alkalmas akár hűtőfolyadék nélkül is. A cermetek ridegebbek, mint a keményfémek, de nagyobb hőterhelhetőségüknek és keménységüknek köszönhetően nagy, 1200 MPa-t is elérő szakítószilárdságú anyagok símító forgácsolására is alkalmasak. Fémes anyagtartalmuk csekély, ezért még nagyképlékenységű anyagok, - mint az ausztenites acélok -, nagy-

241

5. KERÁMIÁK

sebességű forgácsolásakor sem kell tartani a forgács és a szerszám összehegedésétől, az élsisak képződéstől. A keramikus lapkákat anyaguk szerint az MSZ EN ISO 1832 három csoportba sorolja, vannak tisztán alumínium-oxid alkotta kerámiák (CA), titán-, volfrám és tantál karbidjai, karbonitridjeivel kevert, alumínium oxid bázisú diszperziós kerámiák (CM) és szilícium-nitrid kerámiák (CN). Ezeknek a keramikus lapoknak a jellemző tulajdonságait és alkalmazási területét foglalja össze a 107. TÁBLÁZAT. A gyémántéval azonos típusú rácsban kristályosodó bór-nitrid keménysége csak kevéssel marad el a gyémántétól. A nagy kristályokból szinterezéssel előállított bornitrid lapkák (BN) keménységüket 1200 oC-ig megőrzik, de ridegek. Ezért dinamikus igénybevételnek nem lehet kitenni, de egyenletes terhelésnél, pl. símító esztergálásnál igen nagy forgácsolási sebesség engedhető meg. Hasonló tulajdonságú a mesterségesen előállított, polikristályos szerkezetű, 0.5…0.8 mm szemcseméretű gyémánttal bevont (DP) lapkák tulajdonsága és alkalmazási köre is. Ezekkel a lapkákkal nemvasfémek, polimerek és kompozitok forgácsolásakor 200…1000-szer hosszabb élettartam érhető el, mint a hagyományos keményfémekkel.

5.2.2

Kerámia-bevonatok

A kerámia-bevonatok a kerámiák előnyös tulajdonságát a nagy keménységet és kopásállóságot használják ki, azt a kedvezőtlen tulajdonságát viszont, hogy a hőt rosszul vezetik azzal küszöbölik ki, hogy csupán vékony réteget hoznak létre. A bevonat képzésére titán-nitridet, titán-karbonitridet, cirkónium-karbonitridet, ritkábban alumínium-oxidot alkalmaznak. A kerámia-bevonatok készítésekor leggyakrabban a vegyületet alkotó elemeket elgőzölögtetik. A munkadarabot erős villamos tér egyik pólusára kötik. A gőzfázist, illetve a részben ionizálódott állapotú anyagot, a villamos tér a bevonandó felületre irányítja, ahol az becsapódik. A munkadarab hőmérséklete a bevonat képzése során 500...800 OC-ra hevül fel. A szokásos rétegvastagság nem haladja meg a néhány µm-t. Az ionbombázás során nemcsak egy igen vékony interstíciós vegyületréteg alakul ki, hanem a becsapódó ionok igen nagy nyomófeszültséggel terhelt kérget is képeznek. A kerámiával bevont szerszámok igen nagy teljesítményű forgácsoláskor is nagyon hosszú élettartamúak.

5.3

Oxidkerámiák

A földkéreg több mint 92 %-át az öt legnagyobb arányban előforduló elem az oxigén, a szilícium, az alumínium, a vas és a kalcium alkotja. A szilícium és az alumínium oxidja képezi a földkéreg 56 %-át. Ezek alapján érthető, hogy az ember először ezeket, a környezetében nagy mennyiségben található anyagokat használta élete, munkája megkönnyítésére. Napjainkban is ezek az anyagok adják a 2. diagram adatainak megfelelően az ipari célra alkalmazott anyagok döntő többségét. Az oxidkerámiák két legfontosabb alapanyagához, a SiO2-hoz és az Al2O3-hoz, vala-

242

5. KERÁMIÁK

milyen bázikus oxidot CaO-t, K2O-t, Na2O-t, Na2B4O7-t vagy MgO-t adagolva, igen különböző tulajdonságú anyaghoz jutunk. A 49. diagramon az Al2O3 - SiO2 - CaO háromalkotós rendszerben láthatók a legnagyobb tömegben gyártott oxidkerámiák. SiO2 üveg 20 üvegszál 30

10

70

samott

30 20 korund, váltó lapka 10

90 0

porcelán

40

80

CaO

80

50

50

70

mész

90

60

40 portland cement 60

szilika tégla

10

20

30

40 50 60 70 80 90 100 49. diagram Az Al2O3 - SiO2 - CaO háromalkotós rendszer

Al2O3

Az esetek többségében az oxidkerámiák nyersanyagait a kibányászott ásványok, mint a kvarc, a kaolin, a hamuzsír, a bórax, a földpát, a márga, a homokkő, eleve már apró szemcsék formájában tartalmazza, de egyes esetekben a tisztított ásványt még aprítani vagy őrölni is szükséges, a további feldolgozó műveletekhez. Az oxidkerámiákat alkotó oxidok nagy kötési energiájuk miatt nagyon stabilis vegyületek, nagy olvadásponttal rendelkeznek. Ezért, szemben a fémekkel, az oxid-kerámiáknál az olvasztás inkább ritka, mintsem általános feldolgozási technológia. Az olvasztással gyártott oxidkerámia termékek az üvegek. A kemény, nagy nyomószilárdsággal rendelkező oxidszemcsék összeköthetők a formázást követő kiégetéssel és/vagy szinterezéssel is. Ezek a termékek az igen nagy mennyiségben gyártott kristályos oxidkerámiák. A víz hozzáadásával összefüggő tömör anyaggá - hidrátokká -, átalakuló oxidkerámiák a cementek.

5.3.1

Üvegek

Az üveget legnagyobb mennyiségben a szilícium-dioxid alkotja. A kizárólag szilícium-dioxidból álló kvarcüveg olvadáspontja igen nagy, 1750 OC. A nagy olvadáspont miatt különleges olvasztókemencét igényel, ami a gyártási költségeket jelentősen növeli. Ez a többletköltség csak akkor érvényesíthető, ha a kvarcüveg sa-

243

5. KERÁMIÁK

játosságait, a hirtelen hőmérsékletváltozásra való érzéketlenséget, ami a laboratóriumi eszközöknél fontos követelmény, vagy a nagyobb keménység, ami az optikai lencsék karcállósága szempontjából lényeges, ki lehet használni. A kvarcüveg nagy olvadáspontját az magyarázza, hogy a szilícium-dioxid tetraéderes zárt szerkezetet alkot, amint az - egyszerűsített, síkbeli ábrázolással - a 48. ábrán látható. A kvarcüveg szerkezete, meglehetősen laza, ezért a hőmérséklet-változás hatására sűrűségét gyakorlatilag alig változtatja, ezért hőtágulása igen csekély.

Na+ kristályos kvarc

kvarcüveg

O2Si4+ nátronüveg

50. ábra A kristályos kvarc és az üvegek struktúrái A kvarcüveg olvadáspontja nagymértékben, akár 780 OC-ra is csökkenthető, ha a kvarc zárt szerkezetét nátrium-, és/vagy kalciumionokkal felbontják. A 25 % nátrium-oxidot tartalmazó üvegek vízben oldhatók, vizes oldatuk a vízüveg. Kalcium-oxid hozzáadásával a vízben való oldhatóság megszűnik, de nő a kristályosodási hajlam. Ezt a szilícium-dioxid és a nátrium- illetve kalcium-oxid keverék egyidejű hevítésével érik el. Ezek a nátronüvegek kis energia-befektetéssel olcsó alapanyagokból és/vagy az üveghulladék újrafeldolgozásával állíthatók elő. A viszonylag kis olvadáspont miatt a nátronüveg feldolgozása nem igényel különleges szerszámanyagokat az öblösüveg gyártásakor. A síküvegek gyártása az ilyen, kis olvadáspontú alapanyagból viszonylag egyszerű, mert optikai értelemben is sík üveg gyártható a kb. 1000 OC hőmérsékletű ónfürdő felszínén. Az ónfürdő felszínén a szükséges mennyiségben rácsapolt üveg a nehézségi erő hatására igen egyenletes vastagságban terül szét. A fürdő kisebb hőmérsékletű részén az üveg viszkozitása már olyan mértéken csökken, hogy a felszínről óvatosan elvonszolható. A síküvegek gyártása folyamatos technológia. Hasonló összetételű alapanyagot használnak az öblösüvegek gyártásához is, de ezeket általában színezik. A kobalt liláskék, a króm oxidja zöld, vagy sárga színt ad, a mangán lilás színt kölcsönöz az üvegnek. A kvarc ásvány gyakori kísérő ásványa a vasoxid, ami zöld színűvé teszi az üveget. A fehér üvegek gyártásakor az alapanyagokat a vasoxid tartalomtól meg kell tisztítani. A nátrium- és a kalcium-oxidok helyett vagy mellett más oxidok adalékolásával az adott felhasználási célnak legjobban megfelelő tulajdonságú üvegek állíthatók elő. A leggyakrabban alkalmazott üvegek összetételéről, tulajdonságairól a 108. TÁBLÁZAT ad áttekintést. A laboratóriumi üvegeszközök anyaga a vycor, amely bór-trioxidos adalékának köszönhetően a kvarcüvegnél kisebb olvadáspontú, ezért egyszerűbben formázható, miközben hőtágulása nem növekszik jelentősen.

244

5. KERÁMIÁK

108. TÁBLÁZAT

ÜVEGEK ÖSSZETÉTELE ÉS JELLEMZŐ TULAJDONSÁGA

Elnevezése SiO2, % Na2O., % CaO., % Al2O3, % B2O3, % kvarcüveg > 99.5 vycor 96 4 pyrex 81 3.5 2.5 13 nátronüveg 74 16 5 1 üvegszál 55 16 15 10 ólomkristály 54 1 4

Egyéb, %

MgO = 4 MgO = 4 PbO = 37 K2O = 4

Jellemző tulajdonság nagy olv. pont, kis hőtágulás kis hőtágulás hősokkal szemben ellenálló kis olvadáspont könnyen alakítható nagy sűrűség, nagy optikai reflexió

A háztartási főzőedények anyaga a pyrex, amely a hirtelen hőmérsékletváltozásokra kevésbé érzékeny. Ezt a tulajdonságát annak köszönheti, hogy a bórionok a nátrium- és az alumíniumionok fellazította, ezért kisebb olvadáspontú üvegekben a teret jobban kitöltik, csökkentve ezzel a hőtágulási tényezőt. Az üvegszálak gyártására a kis hőmérsékleten is viszonylag nagy viszkozitást eredményező alumínium-, kalciumoxiddal valamint bór-trioxiddal adalékolt üvegeket használnak. Ebből az üvegből készítik az 1...100 µm átmérőjű üvegszálakat, amelyek felülete gyakorlatilag mentes a kerámiára általában jellemző felületi hibáktól, ezért a húzószilárdságuk megközelíti nyomószilárdságukat. Ezeket a szálakat alkalmazzák a nagyszilárdságú, üvegszál-erősítésű kompozitok gyártásához. Az ólom-oxiddal készített üvegek nemcsak nagyobb sűrűségűek, hanem nagy fénytörésűek is, ezért optikai eszközök, valamint dísztárgyak gyártására használják. Az oxidüvegeken kívül tágabb értelemben az üvegek közé tartoznak a kalkogenik üvegek is, amelyek amorf As2Se3 vegyületek, amelyek félvezetők ill. fényelektromos vezetők, s mint ilyenek a fénymásoló és printerek nélkülözhetetlen anyagai.

5.3.2

Kristályos oxidkerámiák

A kristályos oxidkerámiák gyártásakor az alkotóelemeket nem olvasztással, hanem lényegét tekintve alakzáró kötéssel egyesítik. A finom, porszerű anyagot vízzel elegyítve, az egyes szemcsék viszonylag könnyen elcsúsznak a közöttük levő folyadékfilmen. Ilyen állapotban a kerámia jól alakítható, s a kívánt formára hozható. A tömegtermékek, mint a tégla, a cserép, jellemző alakadó technológiája az extrudálás, illetve a sajtolás. A megfelelő alakra hozott termékből először a víz nagy részét a gyors vízelvétel okozta repedések elkerülése érdekében lassan szárítják. A szárítás után a kerámia már kellő szilárdsággal rendelkezik ahhoz, hogy a további műveletekhez szükséges anyagmozgatást károsodás nélkül elviselje. A kiszárított kerámiát a termékkel szemben támasztott követelményeknek megfelelően 700...900 OC-os hőmérsékleten kiégetik. A szárítás és a kiégetés során a kerámia szerkezetének változását az 51. ábra szemlélteti.

245

5. KERÁMIÁK

víz

oxid

nyers kerámia termék

szárított kerámia

kiégetett kerámia

51. ábra A kerámiák szárítása és kiégetése során végbemenő szerkezeti változás A víz eltávozásával a kerámiatermékből a szemcsék közelebb kerülnek egymáshoz, ami méretcsökkenéssel jár. A kiégetés során az eltávozó víz helyének egy részén az egyszerű oxidkerámiákban, mint az építőanyagul szolgáló cserépben és téglában, valamint a tűzálló falazatok anyagául szolgáló kerámiákban pórusok maradnak vissza. A pórusos szerkezet révén ezek a kerámiák kiváló hang- és hőszigetelő képességgel, nagy kötési energiájú oxidjai miatt nagy hőállósággal rendelkeznek. A leggyakoribb tűzállóanyagok összetételét, az alkalmazhatóságuk felső hőmérsékletét a 109. TÁBLÁZAT tartalmazza. Az oxidkerámiák egyik jellemző alkotója a kaolin. A kaolin - az alumíniumhidroszilikát (Al2(Si2O5)(OH)4) -, amelynek szerkezetét az 52. ábra szemlélteti. 109. TÁBLÁZAT

TŰZÁLLÓ TÉGLÁK ÖSSZETÉTELE ÉS ALKALMAZHATÓSÁGUK FELSŐ HŐMÉRSÉKLETE

Elnevezése SiO2, % CaO, % Al2O3, % Max. hőmérséklet, oC szilikatégla 95 3 2 1700 samott-tégla 60 40 1670 szilimanittégla 36 1 63 1900

OH-

Al3+

O2- Si4+

vízréteg 52. ábra A kaolin szerkezete

A kaolin agyag vizezésekor a rétegek közé víz jut be. A vízfelvétel széles határok között lehetséges, így belőle a gyúrható állapotú agyagtól egészen a hígan folyó iszapig tetszőleges állagú alapanyag is képezhető. A kaolin, vagy a kaolinba ágyazott oxidos elegy igen jól formázható, sima egyenletes felületek alakíthatók ki belőlük.

246

5. KERÁMIÁK

A kizárólag kaolint, vagy jelentős mennyiségű kaolint tartalmazó kerámiák kiégetését nagyobb hőmérsékleten, 900...1300 OC-on végzik. Az ilyen hőmérsékletű izzításkor már nemcsak egyszerű fizikai folyamatok mennek végbe, hanem új fázisok is létrejönnek. A kiégetési hőmérséklet növelésekor a kerámia porozitása és ezzel a törékenysége csökken. Ez a tulajdonság jól kihasználható az építészeti finomkerámiáknál, mint a csempe vagy a mettlachi. A kiégetési hőmérsékletet tovább növelve a porozitás szinte teljesen eltűnik, és a kristályos szerkezetű szemcséket egyre nagyobb mennyiségű amorf szerkezetű szilikát ágyazza körül. A nagyobb hőmérsékletű kiégetést általában egy 800...900 OC-os kiégetés előzi meg. Az ilyen - a vegyi hatásokkal szemben kiválóan ellenálló kerámia -, a porcelán, amit kémiai ellenállása miatt laboratóriumi eszközök gyártásán kívül, a gyógyászatban is eredményesen alkalmaznak. A porcelánt adalékanyagokkal lehet színezni ezért a háztartási eszközök gyakori alapanyaga. A háztartásokon kívül, nagy mennyiségben alkalmazzák a porcelánt elsősorban villamos szigetelők anyagaként is, amelyek a kaolinon kívül alumínium-oxidot is tartalmaznak a hőállóság növelése érdekében. A kerámiák villamosan kiváló szigetelő tulajdonságukat annak köszönhetik, hogy a kovalens kötésekben az elektronok helyhez kötöttek. A kristályos kerámiák kemények és ridegek, de közülük is kitűnik a kristályos alumínium-oxid, a korund. A kemény korundszemcséket csiszoló-anyagként, valamint köszörűkő anyagaként nagy mennyiségben használja az ipar.

5.3.3

Kristályos hidrátok

Néhány kerámia, mint a trikalcium-szilikát (3CaO∗SiO2), a dikalcium-szilikát (2CaO∗SiO2), a trikalcium-aluminát (3CaO∗Al2O3), a tetrakalcium-aluminátferrit (4CaO∗Al2O3∗Fe2O3) víz hozzáadásával hidratációs termékké, például kristályos kalciumhidroxiddá vagy amorf szerkezetű kalcium-szilikáthidráttá alakulnak át. Az átalakulást sűrűség növekedése kíséri. A térfogatcsökkenés mérsékelhető, vagy elkerülhető néhány tized % gipsz (CaSO4) hozzáadásával. A hidrátok képződése időigényes, néhány órától több hónapig tartó folyamat, a keletkező kristályok kis méretűek, méretük nem haladja meg az 1 µm-et. A hidrátok képződéséig a hidrátképző finom por vizes elegye jól alakítható, akár kötőanyagként, akár formázott termékként. Ezeknek a hidrátoknak a kiinduló anyaga a cement. A portland cementet, amely az építőanyagok egyik legfontosabb kötőanyaga, főleg mész, homok és agyag finom őrleményének 1350...1400 OC-on végzett izzításával, majd a termék őrlésével állítják elő. A cementgyártásra gyakran használják fel a kohászati eljárások során képződő salakot is. Ezek a kohósalakcementek. A tűzálló aluminát cementek timföldből és mészkőből készülnek. A hidratálódott, megkötött cement porózus szerkezetű, húzó igénybevétellel szemben kis ellenállású, de nyomószilárdsága számottevő, 25...55 MPa. A cementet az alkalmazása szempontjából legfontosabb tulajdonságai jellemzik, nevezetesen a kötési idő valamint a nyomó szilárdsága. Mindkét tulajdonság szoros kapcso-

247

5. KERÁMIÁK

latban áll a cementpor szemnagyságával. A cementpor jellemző szemcsemérete a 0.5...30 µm tartományban van. A cementet vízzel valamint homokkal és/vagy kaviccsal keverve kapjuk a habarcsot, illetve a betont. Ha adalékanyagul a cementhez a víz mellett salakot vagy pernyét kevernek, kisebb sűrűségű, porózus szerkezetű, jó hang- és hőszigetelő tulajdonságú salak- vagy pernyebetont kapnak. A beton kiváló nyomószilárdsága kihasználható a csekély húzószilárdságának növelésére ha a betonba előfeszített acélszálakat ágyaznak be. Ezekből a társított-, vagy más néven kompozit anyagokból készített termékek a vasbeton szerkezetek.

248

6. POLIMEREK

A polimerek lényegében molekulacsoportok alkotta láncok, amelyek - eredetüket tekintve-, lehetnek élő organizmusok termelte természetes anyagok vagy mesterségesen előállított műanyagok. A polimerek óriási választékban állnak az emberiség rendelkezésére. A nagy változatosság mellett is a polimerekre jellemző, hogy: • nagy az ellenállásuk vegyi hatásokkal szemben, • hő- és villamos vezetőképességük kicsi, • kis sűrűségűek, • nagyon vékony ill. nagyon kis átmérőben is előállíthatók. A természetes polimerek nagy részét - mint a fát vagy az állati eredetű szálas/rostos anyagokat, mint a bőröket, szőröket -, az emberiség a kezdetektől használja. Más rostokat, mint a gyapotot vagy a selymet, az emberiség csak a fejlődésének magasabb szintjén tudta használatba venni. Ezek az anyagok a természetben megtalálható formában, az emberi felhasználásra közvetlenül még nem voltak alkalmasak. Ahhoz, hogy használati tárgy készülhessen belőlük, a természetben található formát feldolgozással célszerűen át kellett alakítani. A szálak/rostok hosszú, kis keresztmetszetű anyagok, amelyek molekulái, esetleg kristályai párhuzamos elrendezésűek, ezért jól hajlíthatók és szakítószilárdságuk is viszonylag (100....1000 MPa) nagy. A polimerek kis atomszámú vegyületeknek, a monomereknek szálas, elágazó vagy térben hálós elrendeződése. Minden növényi rost és a természetes polimerekből álló legfontosabb rostos anyagok fő alkotórésze a cellulóz (C6H10O5), amelyekből 1 000...15 000 alkot láncszerűen makromolekulát. A növények évente 1300 millió tonna cellulózt termelnek. Már az 1800-as évek végén sikerült a természetben megtalálható szerves anyagokból természetes polimereket kivonni és ezzel új tulajdonságú anyagokat előállítani, mint a gumit és a celluloidot. A műanyagok - szemben a természetes polimerekkel -, szintetikus úton előállított anyagok. Az első mesterséges polimert, a bakelitet 1909-ben fedezték fel. Számos műanyagot, mint a nylont, az akrilt, a polietilént a második világháború során fejlesztettek ki a nem elégséges mennyiségben rendelkezésre álló természetes anyagok mint a hernyóselyem, a gyapjú pótlására. A kémia és a szerves technológia fejlődésének eredményeként napjainkban az ismert szerves vegyületek száma meghaladja a 10 milliót, amelyek már nemcsak helyettesítő anyagok, amelyek a természetes anyagok körében ismeretlen tulajdonságokkal rendelkeznek. Napjainkban mintegy 210 millió tonna műanyagot gyártanak, s az Amerikai Egyesült Államokban a műanyagipar mintegy kétmillió munkavállalót foglalkoztat.

249

6. POLIMEREK

Számos polimer mint a polipropilén, vagy a polisztirén kizárólag karbon és hidrogén atomokat tartalmaz. Más monomerek oxigén, - mint a poliészter -, klór, mint a polivinilklorid -, fluor, – mint a teflon-, nitrogén, - mint a nylon - vagy kén – mint a gumi - beépülésével alkotnak polimert. A szervetlen polimerekben a láncalkotó elem a szilícium. A polimerek építőelemeinek, a monomereknek, a gyártásához legnagyobb mennyiségben metánt, etánt, propánt, butánt, alkoholt, benzolt, formaldehidet, fenolt, acetilént használnak, amelyeket ásványolajból, földgázból, szénből és vízből állítanak elő. A monomerek gyártására legnagyobb mennyiségben használt szerves vegyületek a karbon-karbon közötti kettős vagy hármas kötést tartalmazó, nyílt láncúvagy a karbonatomok alkotta hattagú gyűrűs szerkezetű aromás szénhidrogének. A műanyaggyártásban leggyakrabban alkalmazott nyílt láncú- és aromás gyűrűs szénhidrogének vegyi összetételét és sematikus szerkezetét a 110. TÁBLÁZAT tartalmazza. 110. TÁBLÁZAT

MONOMEREK Elnevezése Képlete etilén

propilén

Szerkezete

C2H4

C3H6 H

H

H

C

C

H

H

H

H

C

C

H

C

H

H tetrafluor-

CF2

etilén

acetilén

C2H2

benzol*

C6H6

H

F

F

C

C

F

F

C

C

H

H C H

C

C

H

H

C

C

H

C H *

A benzol egyszerűsített jelölése.

250

6. POLIMEREK

A karbon négy elektronja a hozzá kapcsolódó hidrogénatom vagy atomok egy-egy elektronjával, a fennmaradó elektronok viszont a szomszédos karbon egykét vagy három elektronjával egyszeres, kétszeres vagy háromszoros kovalens kötést alkot. A továbbiakban az egyszeres kötést a −, a kétszeres kötést a =, a háromszoros kötést a ≡ jel szimbolizálja.

6.1

Műanyagok előállítása

A makromolekulák a monomerekből vegyi folyamatok során képződnek, amelyek lehetnek: ⇒ polimerizáció, ⇒ poliaddíció, ⇒ polikondenzáció. A polimerizáció során a vegyületek kettős, illetve hármas kötéseit felbontják, aktiválják, az így létrehozott monomereknek a szabad, reakcióképes vegyértékeit monomerek egymásba kapcsolásával telítik. Amint az a polietilén példáján keresztül bemutatható, a polimerizáció három részfolyamatból áll: ⇒ a kezdő reakcióból, amely szabadgyök-katalizátoron, vagy aktiválási energia bevitelével reakcióképes gyök vagy ion képzése után a többes kötés felbontása, ⇒ a növekedési reakcióból, amely a monomerek kapcsolódásával megy végbe, ⇒ végül a megszakító reakcióból, amelynek során a nyílt láncokat atomokkal lezárják. A normál környezeti körülmények között gáz állapotú etilént inicializátorra (R∗) vezetve, az etilénből monomer képződik úgy, hogy az egyik karbon az inicializátor szabad vegyértékéhez kötődik, ezzel a kettős kötés felbomlik, a másik karbon viszont telítetlenné válik: H R∗ + C H

H

H

H

C ⇒ R

C

C

H

H

H

A monomer inicializátorral ellentétes oldalán levő karbon villamos töltése nincs lekötve, ezért hozzá újabb etilén kapcsolódik, a monomer polimerizálódik:

R

H

H

H

C

C

+ C

H

H

H

H

H

H

H

H

C ⇒R

C

C

C

C

H

H

H

H

H

251

6. POLIMEREK

A kellő polimerizációs fok elérése után a nyitott kötéseket lezárják, például hidrogénnel: H H H H H H H H R

C

C

C

C

H

H

H

H

+H ⇒R

C

C

C

C

H

H

H

H

H

A lineáris szerkezetű polietilén makromolekula lineáris polimer, amelynél a karbonatomok középpontját összekötő képzeletbeli egyenesek hajlásszöge 109o illetve 71o, a monomerek ismétlődési távolsága 0.154 nm. A karbonatomok és a hidrogénatomok kötései az egymást követő hidrogén atomok esetében 120o-os szöget zárnak be, amint az az 53. ábrán látható. C

H

monomer 53. ábra A polietilén monomer és a polimer láncszerkezete A polimerizáció sebessége gyors. Egy-egy makromolekula akár több ezer, akár tízezer monomerrel növekszik másodpercenként. A polikondenzáció során a különböző típusú monomerek összekapcsolódásakor néhány atomos reakciótermék válik ki (például víz, vagy ammónia) és energia felszabadulása mellett polimer keletkezik. Ha a polimert két, vagy többfajta monomer alkotja, akkor a műanyagot kopolimernek tekintik. A polikondenzáció során minden egyes monomer képződéséhez és a monomerek kapcsolódásához vegyi reakcióra van szükség, ezért a folyamat lényegesen lassabb, mint a polimerizáció. Olyan esetekben, mint például a felületbevonás műanyag réteggel, például a festéskor (oldatos polikondenzáció), a látszólagos hátrány kifejezetten előnyös. A polikondenzációs folyamatban résztvevő reagenseknek, illetve arányuknak változtatásával a folyamat sebessége a felhasználási célnak megfelelően változtatható. Az oldatos polikondenzáció során, amely szobahőmérsékleten is végbemegy, az oldószer elpárolog és a párolgása közben magával ragadja a polikondenzáció során keletkezett reakcióterméket a vizet. De oldatos polikondenzációval állítják elő a poliamidok és a kevlar is. A polikondenzációra példaként a fenolplasztok gyártása szolgálhat, amelynek során fenol és formaldehid lép reakcióba egymással:

252

6. POLIMEREK

OH

OH

C

C

H

C

C

H

C

C

H H

H +

H C

+

H

C

C

H

H

C

C

H

C

C O

H

H

fenol

formaldehid

fenol

A reakció során a fenol egy-egy hidrogénje a formaldehid oxigénjével reakcióba lép, vizet alkotva, miközben a molekulák összekapcsolódnak: OH

OH

C

C

H

C

C

H

H

C

C

H

H

C

C

H

H

C

C

H

C C

C

⇓

H

H

H2O Az összekapcsolódás több irányból is lehetséges, vagyis szemben a polietilénnel, nemcsak láncszerű, hanem a képződő fenolplasztoknál térhálós elrendezés is létrejön: OH

OH CH2

CH2

HO OH A polikondenzációval állítják elő a poliésztereket, a poliamidokat, az aminoplasztokat. A poliaddiciós műanyagoknál a többfajta monomer között egyes atomok többnyire a hidrogén -, az egyik fajta monomerről a másikra megy át. Az ily módon szabaddá váló vegyértékek ezután a két monomert összekapcsolják. A poliaddíció-

253

6. POLIMEREK

val előállított műanyagoknak nincs C - C főláncuk, hanem különböző atomok például C, O, N, S vagy Si atomok alkotják a kötést. A poliaddíció során melléktermék nem keletkezik, hasonlóan a polimerizációhoz, de két anyag reagál egymással, mint a polikondenzációs folyamatoknál. A poliaddíció sebessége hasonló, mint a polikondenzációé, ezért gyanták, lakkok, ragasztók alapanyaga is készíthető ezzel az eljárással. A poliaddíció általánosan az nA + nB ⇒ (AB)n egyenlettel írható le. Például a poliaddícióval képződő poliuretánnál a két reagens a diizócianát és kétértékű alkohol. A poliuretánlánc szerkezete: uretán monomer N

H

C O

H

N

(CH2)6

N

O

C

O

C

(CH2)4

O

O

H

H O

(CH2)4

N

(CH2)6

N

H

C

O

C

O

O

(CH2)4

O

A poliaddícióval készülő legfontosabb műanyagok a poliuretánokon kívül az epoxigyanták és a szilikonok.

6.1.1

Polimerek szerkezete

A műanyagok tulajdonságait - hasonlóan más anyagokhoz -, elsősorban szerkezetük határozza meg. A szerkezet adta tulajdonságok függnek: • a primer szerkezettől, vagyis a monomereken belüli vegyi kötésektől, • a monomerek közötti kötések erősségétől, a polimerek térbeli szerkezetétől, vagyis a szekunder szerkezettől, valamint • a polimerek közötti kapcsolatoktól, a tercier szerkezettől. A műanyagoknál leggyakrabban előforduló fővegyérték kötések kötési energiáját a 111. TÁBLÁZAT tartalmazza. A kötési energia növekedésével a vegyi hatásokkal szembeni ellenállás nő, a kötés nagyobb hőmérsékleten bomlik el. 111. TÁBLÁZAT Kötés H-S H-N H-C H - Cl H-H H-O H-F C-C C=C C≡C

254

MŰANYAGOKNÁL LEGGYAKORIBB KÖTÉSEK ENERGIÁJA Kötési energia, kJ/mol kötés 348 389 418 432 436 464 565 348 611 837

Kötés C-O C=O C-N C=N C≡N C-S C - Cl C-F N-N O-O

Kötési energia, kJ/mol kötés 360 737 306 615 892 272 330 440 163 197

6. POLIMEREK

Ha a monomereknek két reakcióképes végcsoportja van, akkor lineáris polimer, ha ennél több, akkor hálószerű, térbeli polimer képződhet. A polimerek közötti kapcsolatot vegyi- vagy fizikai mellékvegyérték kötések, amilyenek a Van der Waals, vagy hidrogén kötések teremtik meg. Ha a makro-molekulák között is vegyi-, kovalens kötés létesül, mint a monomerek között, akkor, egy részben vagy teljesen térhálósított, alaktartó műanyag jön létre. Ha pusztán másodlagos kötések kötik össze a polimereket, akkor a polimerek egymáshoz képest viszonylag könnyen elmozdulnak, az ilyen műanyagok jól alakíthatók. A makromolekulák láncának hossza mentén, az atomoknak vagy atomcsoportoknak az elrendeződése szerint, megkülönböztetnek izotaktikus, szindio-taktikus és ataktikus alakzatokat.

izotaktikus

szindiotaktikus 54. ábra Izotaktikus és szindiotaktikus monomer elhelyezkedés

Az izotaktikus szerkezeteknél az oldalcsoportok csak az egyik oldalon, a szindiotaktikusoknál az oldalcsoportok váltakozva egyik, majd másik oldalon helyezkednek el, amint az az 54. ábrán látható. Az ataktikus alakzatok esetén az oldalcsoportok elhelyezkedése statisztikusan rendezetlen. Az ataktikus szerkezetek ezért nem hajlamosak kristályosodásra. A nem ataktikus molekulaalakzatok esetén kisméretű, vagy az egész anyagra kiterjedő kristályos tartományok képződhetnek. Az egyfajta monomerből felépülő polimer homopolimer. A több fajta monomerből felépülő polimerekben az egyes monomerek véletlenszerűen helyezkedhetnek el, ezek a statisztikus kopolimerek. Más polimerekben a monomerek kisebb csoportokba rendeződhetnek. Rendeződés megvalósulhat úgy, hogy a két fajta monomer felváltva követi egymást, ezek az alternáló kopolimerek. Az egy fajta monomerek kisebb csoportokat alkothatnak, amelyek periodikusan ismétlődve követik egymást a blokk kopolimer alkotta polimerben. Ha a polimerláncot egyfajta monomer alkotja és ehhez csatlakozik a másik fajta monommer, vagy monomer csoport, akkor ez az oltott kopolimer. A kopolimerizáció során tervezhetően állítható elő alternáló-, blokk- vagy oltott kopolimer. Az eltérő szerkezet eltérő tulajdonságokat eredményez. Ez a művelet hasonló a metallurgiában megismert ötvözéshez. Analógia az alternáló és blokk kopolimer és a szilárd oldat között húzható, míg az oltott kopolimer a második fázist eredményező ötvözéshez hasonlítható.

255

6. POLIMEREK

homopolimer

statisztikus kopolimer

alternáló kopolimer

blokk kopolimer

oltott kopolimer 55. ábra Kopolimerek változatai

256

6. POLIMEREK

6.1.2

Műanyagok szerkezete

A lineáris polimereknek lehetnek elágazódásai, illetve a polimerek helyenként az elágazódásoknál össze is kapcsolódhatnak. A polimerek jellegzetes szerkezeteit mutatja be vázlatosan az 56. ábra. A lineáris vagy térhálós polimerláncok hálózatokat képeznek. Az elsődleges szerkezet mellett a másodlagos szerkezetnek, amely az egyes polimerláncok hosszát, alakját és kapcsolódásait jelenti -, is jelentős szerepe van a műanyagok tulajdonságaiban.

láncszerű polimer

elágazó polimer

részben térhálósított polimer

térhálós polimer 56. ábra A polimerek vázlatos szerkezete

A kristályos szerkezetű műanyagoknál a polimer láncokat alkotó monomerek egymáshoz képest is szabályos ismétlődéssel helyezkednek el. Ez a szabályosan ismétlődő elemi cella sok esetben lényegesen összetettebb, mint a fémeknél vagy a kerámiáknál megismert elemi cellák. A kristályos szerkezetű műanyagokra példaként látható az 57. ábrán bemutatott polietilén kristály.

elemi cella

57. ábra A kristályos polietilén szerkezete

257

6. POLIMEREK

A makromolekula fajtája, illetve a makromolekulákba beépülő idegen atomok, a makromolekula alakja, nagysága, elhelyezkedése befolyásolja a: ⇒ szekunder kötéseket, ezáltal a kristályosodási hajlamot, ⇒ sűrűséget, ⇒ mechanikai- és a termikus tulajdonságokat, ⇒ vegyi- és villamos jellemzőket, ⇒ duzzadási és oldódási jellemzőket.

6.2

Műanyagok és tulajdonságaik

A lineáris polimereket az óriásmolekulák közötti erők tartják össze, amelyek sokkal gyengébbek, mint a láncokon belüli vegyi kötések. Ezek a kötések is kellő összetartó erőt jelentenek a láncok között. Mechanikai igénybevétel hatására a makromolekulákban az atomok távolsága csak nagyon kis mértékben változik, vagyis az anyag rugalmatlanul, ridegen viselkedik. A műanyag ilyen állapotát üvegszerűnek tekintik, szerkezete rendezett, sok esetben kristályos. A gyengébb intermolekuláris kötések viszonylag kis energianövekedés hatására, vagyis kis hőmérsékleten is lazulnak. A fellazuló kötések már kis feszültség hatására is képesek egymáson elmozdulni, majd a terhelés megszűntével részben, vagy egészben kezdeti helyzetüket visszanyerni. Ez a rugalmas állapot, a polimer szerkezete jellemzően amorf, vagyis a polimer láncok egymáshoz képest rendezetlenül helyezkednek el. Azt a hőmérsékletet, amelynél a műanyag a rideg üvegszerű állapotból a rugalmasba vált, Tü átmeneti hőmérsékletnek nevezik. A hőmérséklet további növelésekor, az olvadási hőmérsékletet elérve, a makromolekulák közötti kötések szétesnek. A láncok szétválása, egymáshoz viszonyított szabad mozgása, egyben azt is jelenti, hogy az anyag viszkózusan folyóssá válik, jól alakítható. Az ilyen tulajdonságú anyagok a hőre lágyuló műanyagok vagy más néven termoplasztok. A hálósodott polimerek láncai minden irányban erősebb vegyi kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz. A hőközlés hatására a makromolekulát alkotó atomok a kötésen belül egyre nagyobb amplitúdójú rezgést végeznek, de egymáshoz viszonyított helyüket nem hagyják el. Sok esetben, a nagyobb rezgés következtében a korábban rendezetlen helyzetet elfoglaló atomok is rendeződnek, újabb vegyi kötések jönnek létre. Ezek az anyagok a hőre keményedő műanyagok vagy más néven duroplasztok. A részlegesen hálósodott (amikor a főlánc néhány tucat vagy néhány száz atomjára egy keresztkötés jut) polimerek, más-más láncait alkotó atomok erő hatására el tudnak távolodni egymástól, majd az erő megszűntével a kiinduló helyzetüket veszik fel ismét. Ezek az anyagok a gumik vagy más néven az elasztomerek.

6.2.1

Hőre lágyuló műanyagok (termoplasztok)

A termoplasztok amorf, vagy részben kristályos polimer anyagok, olyan lineáris vagy elágazó óriásmolekulákkal, amelyek csupán másodlagos kötéssel (mellékvegyértékkel) kapcsolódnak egymáshoz.

258

6. POLIMEREK

A leggyakoribb hőre lágyuló műanyagok szerkezeti képletét és jellemző tulajdonságaikat a 112. TÁBLÁZAT foglalja össze. A hőre lágyuló műanyagok felhasználásuk szerint három fő csoportba sorolhatók: ⇒ általános rendeltetésű termoplasztok, ⇒ szerkezeti termoplasztok, ⇒ különleges célú termoplasztok. Az általános rendeltetésű termoplasztok, a polietilén (PE), a polivinilklorid (PVC), a polipropilén (PP) és a polisztirol (PS) adják a teljes műanyagtermelés 70%át, közel 150 millió tonnát. A műanyagok csak további feldolgozó műveletekkel tehetők felhasználásra alkalmas termékké. A leggyakoribb feldolgozó technológiák: ⇒ az extrudálás, termékei; fóliák, lapok, csövek, profilok, ⇒ a sajtolóformázás, a fröccsöntés, termékei; idomok, épület- és bútorelemek, csomagolóanyagok, ⇒ az üregfúvás, termékei; palackok, kannák, hordók, tartályok, ⇒ a rétegezés, bevonatképzés, termékei; padló és falburkolatok, műbőrök, ⇒ a társított anyagok gyártása, termékei; szemcse- és szálerősítéses lemezek, tartályok, jármű karosszéria elemek, ⇒ a habosítás, termékei; táblák, tömbök és alakos termékek. Azoknál a polimereknél, amelyeknél az üvegesedési hőmérséklet nagy, és alakítással kívánják feldolgozni, gyakran plasztifikátort alkalmaznak. Ezek az adalékok kis méretű molekulák, amelyek szétválasztják egymástól a polimer láncokat. Abban az esetben, ha ezek a molekulák illékonyak, akkor a késztermékből eltávozva csupán a gyártás során érvényesül a nagy alakváltozó képesség, a késztermékben már nem. A polimerekbe a termék kívánt tulajdonságának eléréséhez a gyártás során adalékanyagokat juttatnak. Ezek egy csoportja a műanyagok leromlását befolyásolja (ld. 8.1.2.2). Ezekkel az öregedésgyorsító vagy lassító adalékokkal csökkenthető a műanyag sugárzás- ill. oxigén iránti érzékenysége vagy fordítva elősegíthető a műanyag gyors lebomlása. A polimerek többsége átlátszó, opálos vagy fehéres színű. A jobb megjelenés, a fogyasztói igények kielégítése érdekében a műanyagokba színezékeket adagolnak. Ezek jelentős része diszperziós anyag, mint a korom, a különböző fémvegyületek, illetve pigmentek. A polimerek sajátossága, hogy viszonylag kis hőmérsékleten, 200…500 oCon bomlanak és többségükben éghetők. Égésük és bomlásuk során toxikus gázokat képeznek, ezért épületszerkezeti elemek-, burkolóanyagok-, berendezési tárgyak gyártásához csak olyan polimerek alkalmazhatók, amelyek az adalékolt gyulladásgátlók és égéscsökkentők révén az egyre szigorodó előírásoknak megfelelnek. Általában egy adott műanyaghoz több fajta adalékot is alkalmaznak.

259

6. POLIMEREK

112. TÁBLÁZAT

HŐRE LÁGYULÓ MŰANYAGOK SZERKEZETI KÉPLETE ÉS JELLEMZŐ TULAJDONSÁGAI

Elnevezése

Szerkezeti képlete

polietilén

H

H

(PE)

C

C

H

H

H

H

C

C

H

CH3

polivinilklorid

H

H

amorf

(PVC)

C

C

1.30...1.58

H

Cl

polisztirol

H

H

(PS)

C

C

polipropilén (PP)

polimetilmetakrilát

CH3

C

C

H

COOCH3

polioximetilén

H

(POM)

C

30...40

100...600

175

35...45

40...80

212

40...55

1...2

170

50...80

2...10

160

70...90

25...60

185

40...55 %-ban kristályos szerkezetű 80...100

20...80

270

100...350

335

0.90...0.91

amorf, merev rideg áttetsző 1.04...1.05

H

(PMMA)

Szakadási Olvadási hőmérnyúlás, % séklet, OC lágy : lágy : 100...650 115 kemény : kemény : 10...120 137

60...70 %-ban kristályos,

H

amorf, merev, kemény, karcolásálló, 1.17...1.20 < 75 %-ban kristályos szerkezetű 1.10...1.15

O

H poliamid

H

H

(PA)

N

(CH2)6

N

C

(CH2)4

C

O

1.08...1.12

O

politetrafluor-etilén

F

F

(PTFE)

C

C

F

F

260

Szerkezet, sű- Rm, MPa rűség, t/m3 40...55 %-ban lágy : kristályos, 8...32 kemény : 0.91...0.97 22...40

< 70 %-ban kristályos szerkezetű, kis súrlódású

15...20

6. POLIMEREK

A polisztirol kivételével az általános rendeltetésű termoplasztok alkalmasak fóliák gyártására. A műanyagtermékek köréből a fóliák jelentősége kiemelkedő. A teljes műanyagtermelés közel 35 %-át az élelmiszer-, az építő- és a könnyűipar csomagolóeszközeinek előállítására használják. A polietilén a legegyszerűbb láncszerkezetű polimer, hisz a csak karbonból és hidrogénből áll továbbá a karbonláncban minden karbonhoz két-két hidrogén csatlakozik (ld. 112. TÁBLÁZAT). Az egyszerű, szimmetrikus szerkezet ellenére a polietilén tulajdonságai széles skálán változtathatók a polimer szálak sűrűségének és kapcsolódásának változtatásával. A polietilénből nagy mennyiségben gyártanak fröccsöntött és extrudált termékeket. A víz-, csatorna- és gázvezetékek extrudált csöveinek gyártásához nagy sűrűségű, néhány milliónyi monomert tartalmazó, az 56. ábrán bemutatott láncszerű, lineáris (KPE) polietilént használnak. Savakkal, lúgokkal szembeni kiváló ellenállása miatt csöveket, szállító tartályokat, tároló edényeket polietilénből és kemény (nagyobb sűrűségű) PVC-ből állítanak elő. A polietilén kiváló nagyfrekvenciás szigetelőanyag is, ezért a villamos vezetékek gyártásában jelentős mennyiségben használják. Az elágazó szerkezetű, néhány ezer vagy tízezer monomerből álló polietilén a bevásárló szatyrok anyaga. A polietilén anyagú termékek a napfény hatására öregednek. Az ibolyántúli sugárzás következtében az anyag elveszti a kedvezô tulajdonságait, rideggé és törékennyé válik. A háztartási gépek, gépkocsik egyes alkatrészei, gyermekjátékok, számítógép burkolatok, illetve a műanyag háztartási eszközök is nagyobb részt polietilénből készülnek. A lágy PVC a könnyű- és díszműipar, a belsőépítészet fontos alapanyaga. Tömlők, padlóburkolatok, kárpitozások, dekorációs anyagok készülnek belőle. A kemény polivinil-klorid jól hegeszthető, ezért is kedvelt szerkezeti anyag. Tartályok, vegyipari készülékek, ipari szigetelő habok gyártásához alkalmazzák. A polipropilént viszonylag nagy szilárdsága, amit 90 OC-ig megtart, valamint ütésállósága miatt, palackok, sterilizálandó egészségügyi eszközök, szerelvények, akkumulátor-burkolatok készítésére és kompozitok mátrix anyagaként alkalmazzák. A polisztirol kemény, kissé rideg, de üvegszerűen átlátszó és jól színezhető, ezért széleskörűen alkalmazzák a világítástechnikai eszközök, járműalkatrészek gyártására. A habosított polisztirol a csomagolóanyagok, az építőipari-, hűtéstechnikai szigetelő anyagok alapanyaga. A termoplasztok közül gépelemek és szerkezetek anyagaként elsősorban a részben kristályos szerkezetű, szaruszerű műanyagok, mint a poliamid (PA) vagy a polioximetilén (POM) alkalmasak. A poliamid jól forgácsolható, rezgéscsillapító hatása kiemelkedő, kellően kopásálló és olajokban nem oldódik. E tulajdonságainak köszönhetően számos gépalkatrész, mint fogaskerék, szíjtárcsa, szivattyú járókerék, kisebb igénybevételnek kitett siklócsapágy készül belőle. Egyben kiváló szálanyag is, ami nylonként ismert. Szálformában védőruházat alapanyaga, tömítő- és szigetelőanyag. A polioximetilén nagyobbrészt kristályos szerkezetű, a poliamidnál ridegebb, keményebb, ezért a nagyobb koptató igénybevételnek kitett gépelemekhez, mint bütykös tárcsákhoz, csavarokhoz, tengelyekhez, háztartási gépek hajtóművének alkatrészeihez szolgál alapanyagul.

261

6. POLIMEREK

A különleges célú termoplasztok valamely tulajdonságával kiemelkednek a műanyagok sorából. A polimetil-metakrilát (PMMA) vagy más néven plexiüveg kis sűrűségű, kemény, szívós, jó fénytörési tulajdonságú, ezért kiválóan alkalmas a törékeny üveg helyettesítésére repülőgépiparban, vagy a lencsék, a szemüvegek gyártásában. Amint az a 111. TÁBLÁZAT adataiból látható, a karbon egyszeres kötései közül a fluorral alkotott kötése a legnagyobb kötési energiájú. Ezért az etilén monomerben a hidrogént fluorral helyettesítve, egy korrózióval szemben igen ellenálló, nagyobb hőmérsékleten is stabilis műanyagot, a politetrafluor-etilént (PTFE), vagy kereskedelmi nevén a teflont kapjuk. Ez az anyag kiválóan alkalmas siklócsapágyak, tömítések, szigetelések, tömlők, szűrők gyártására, hőnek kitett felületek bevonására. A teflon-bevonás nagy szerepet kap a repülőgépiparban, az űrkutatásban és a folyadékot taszító tulajdonsága miatt a háztartási eszközök valamint a gépkocsi karosz-szériák bevonó anyagaként.

6.2.2

Hőre keményedő műanyagok (duroplasztok)

A duroplasztok olyan műanyagok, amelyekben a polimerek kémiai kötésekkel a térben hálósan kapcsolódnak össze. A hálós szerkezetet két- vagy több, elágazó szerkezetű polimer előtermék keverékének aktivizálásával érik el. A kémiai aktivitást hőhatással - termikusan -, vagy szobahőmérsékleten katalizátorral hozzák létre. A kialakult hálós szerkezetek hevítéskor nem lágyulnak és nem olvadnak meg, ezért keménységüket egészen a vegyület széteséséig, a bomlási hőmérsékletig megtartják. A legfontosabb hőre keményedő műanyagok szerkezeti képletét és jellemző tulajdonságaikat a 113. TÁBLÁZAT foglalja össze. A hőre lágyuló műanyagokhoz képest lényegesen kisebb, a teljes műanyagtermelés 15 %-át teszi ki a hőre keményedő műanyagok csoportja. A lényegesen kisebb mennyiségű felhasználást az magyarázza, hogy a hőre keményedő műanyagok körülményesebben dolgozhatók fel késztermékké, mint a termoplasztok. Igen sok esetben maga a duroplaszt önmagában nem, vagy csak igen korlátozottan használatos. A hőre keményedő műanyagokat főként kötőanyagként, a társított (kompozit) anyagok gyártásánál alkalmazzák. A hőre keményedő műanyagok közül legnagyobb mennyiségben a fenol-formaldehideket (fenol plasztokat) gyártják. A fenol-formaldehid kemény, rideg, oldószereknek jól ellenáll. Legfeljebb 120 OC-os hőmérsékletig alkalmazhatók. A fenolformaldehid műgyantát olyan, kisebb méretű gyártmányok előállításához használják, ahol villamos szigetelő képessége, viszonylag nagy keménysége kiaknázható. Így ebből a műgyantából állítanak elő villamos csatlakozó- és panel elemeket, sablonokat, dekorációs tárgyakat. Spirituszban oldható és oldott állapotban vízzel hígítható, ami a lehetővé teszi faenyvként, farostlemezek gyártásában való alkalmazását. A karbamid- és a mellamin-formaldehidek hasonló tulajdonságúak mint a fenol-plasztok, de jobban színezhetők, ezért hasonló célú, de igényesebb megjele-

262

6. POLIMEREK

nésű tárgyak állíthatók elő belőlük. A mellamin-formaldehidek kiválóan alkalmasak burkolatok, fedőrétegek készítésére, amit a bútorgyártásban lehet kiaknázni. 113. TÁBLÁZAT

HŐRE KEMÉNYEDŐ MŰANYAGOK SZERKEZETI KÉPLETE ÉS JELLEMZŐ TULAJDONSÁGAI

Szerkezeti képlete

Elnevezése fenol-formaldehid

OH

OH

CH2

(PF)

Sűrűség, Rm, MPa Keménység, Bomlási hőmért/m3 HV séklet, OC

1.24...1.32 35...65

120...130

150

1.15...1.20 30...50

100...110

100

1.50...1.58 50...60

115...125

130

1.05...1.10 40...50

100...110

170

OCH2 C CH2 O C 1.10...1.12 70...80

90...100

180

karbamid-formaldehid (UF) melamin-formalde-

NH2

NCH2

C O

C

NCH2

NH2

H2C

N

hid

O

CH2

C

(MF) N

N

N

C

C

N

N poliészter-gyanta

O H

O

(UP)

C C

C O R O

CH2

epoxi-gyanta (EP)

HC

H

O

R OCH2 C CH2 O C OH

O

A nyomás nélkül is keményedő, „öntőgyanták” telítetlen poliészterek, az epoxi gyanták mechanikai- és vegyi hatásokkal szemben 120 OC-ig állóképesek. Az általában két komponensből álló gyantát jó villamos szigetelő tulajdonsága miatt, elsősorban a villamosiparban az áramkörök szigetelő kitöltéséhez használják. További jellegzetes ipari alkalmazása az öntőminták készítése. Fémekhez ragasztó-

263

6. POLIMEREK

ként, kompozitokban ecseteléssel is felhordható kötőanyagként, továbbá vegyálló burkolatok készítésére is használatos. A poliészterek műszálak előállítására és társított anyagok gyártására használatosak, ahol üveg- vagy karbonszállal illetve üvegszövettel erősítve akár 1000 MPa szakítószilárdságú anyag is készíthető velük. Csupán érdekességként érdemes megjegyezni, hogy egyes baktériumok is képesek poliésztert előállítani. A poliészterek tulajdonságai adalék anyagokkal a kívánt tulajdonságnak megfelelően módosíthatók, továbbá színezhetők.

6.2.3

Műkaucsukok (elasztomerek)

A műkaucsukok lineáris polimerei a térben szabálytalan alakzatokban, - cérnaszálakból álló gombolyagként -, helyezkednek el. A makromolekulák kapcsolódásai ritkák, ezért a két kapcsolódási hely között levő monomerek meglehetősen szabadon képesek elmozdulni. Szerkezetüket vázlatosan szemlélteti az 56. ábra részben térhálósított polimert bemutató részlete. A műkaucsuk, a poliizoprén makromolekulái a növekvő erő hatására a gombolyag jellegből egyre inkább rendezett, párhuzamos szálas szerkezetűvé válnak anélkül, hogy a makromolekulákat összekapcsoló vegyi kötések felbomlanának. Ezek a kötések a terhelés megszűntével visszarántják a makromolekulákat az eredeti helyzetükbe. Ennek a rugalmas viselkedésnek tudható be a műanyagok e csoportjának elnevezése, az elasztomer. Az elasztomerek térben részlegesen hálósított szerkezete olyan atomok vagy atomcsoportok hozzáadásával jön létre, amelyek a polimerekben a monomer egy-egy atomját felváltják és a két polimert összekapcsolják. Az ilyen kötések általában nagyobb hőmérsékleten jönnek létre, ezért magát a folyamatot gyakran vulkanizálásnak nevezik. A leggyakoribb hálóképző anyagok a kén, az aminok és a peroxidok. H

H CH3 H H

C

C

C

H

C

H

H

H CH3 H

H

H CH3 H H

C

C

C

C

H

H C

C

C

C

C

C

H

H

H CH3 H

H

C

C

H

C

C

C

C

C

H

H

H

H CH3 H

H CH3 H

H

H

H

H CH3 H

C

C

C

C

C

C

C

H

H

H CH3 H H

H

H

C

C

+4S H C

H

H

C

C

C

C

H

H CH3 H H

H C

C

C

H CH3 H

C

H

C

C

C H

+4S H C

H

H

H CH3 H

H

C

C

C

C

C

C

H

H

H CH3 H

C

C

H

H CH3 H H o

C

C

H

C

C

H

H

C

C

H CH3 H H

H C

C

C

H CH3 H

A 120…150 C-on végrehajtott vulkanizálás folyamata - a kén alkotta hidak létrejötte -, nyomon követhető a természetes gumi, a poliizoprén részleges térháló-

264

6. POLIMEREK

sításakor, amelynek első lépéseként, példaként, három poliizoprén lánchoz ként adagolnak. Nagyobb mennyiségű kén hozzáadásával a kötések száma, így a gumi szilárdsága, kopásállósága nő, de eközben a molekulák közötti hézagok száma, ezért a rugalmassága csökken. Az elasztomerek felhasználása évről-évre nő. Az ezredfordulón mintegy 5 millió tonna volt az évenkénti termelés. A műkaucsukok gyakran tartalmaznak töltőanyagokat, mint kormot vagy kvarcszemcséket. Ezek az adalékok a polimer képezte hézagokban helyezkednek el, növelve ezzel az elasztomer sűrűségét és a másodlagos kötéseik révén a szilárdságát is. Az elasztomer anyagok vázolt viselkedése nemcsak szobahőmérsékleten, hanem negatív hőmérsékleten is jellemző, mert üvegesedési hőmérsékletük nagyon kicsi, jóval kisebb, mint a jellemző felhasználási hőmérsékletük. Az elasztomerek hevítéskor nem olvadnak és határozott lágyulásuk sincs, rugalmas viselkedésüket megtartják egészen a bomlási hőmérsékletükig. A legfontosabb műkaucsukok szerkezeti képletét és jellemző tulajdonságaikat a 114. TÁBLÁZAT foglalja össze. 114. TÁBLÁZAT

ELASZTOMEREK SZERKEZETI KÉPLETE ÉS JELLEMZŐ TULAJDONSÁGAI Szerkezeti képlete

Elnevezése poliuretán (PUR)

H

Rm, MPa

Szakadási nyúlás, %

Alkalmazási hőmérséklet, OC

30...35

400...600

- 40... + 80

3...5

500...600

- 80 ... + 180

1...2

500...2500

- 30 ... + 70

4...5

400...500

- 30 ... + 70

H

R1 N C O R 2 O C N O O R1 ... diizocianát R2 ... glikol

szilikon (SIL)

CH3

CH3

Si

O

CH3 sztirol-butadiengumi (SBR)

H H

H H

Si CH3 H H

C C C C C C H H

H

nitrol-akrol-

H H

H H H

H

butadien-gumi

C C

C C C

C

(NBR)

N C C N N

C

A térhálós poliuretán kopásálló, viszonylag nagyszilárdságú, kiváló rezgéscsillapító hatású elasztomer, amely a repedés terjedésének kiválóan ellenáll. Mintegy 80 OC-ig ellenáll a víz és az olaj oldó hatásának, ezért szerelvények tömítéséhez, karmantyúk gyártásához használják. A kisebb sűrűségű, habosított kemény po-

265

6. POLIMEREK

liuretánt rezgés-, hő- és hangcsillapító hatása miatt igen elterjedten alkalmazzák a csővezetékek hőszigetelésére, továbbá járművekhez hangszigetelőként, szűrőként és rezgéscsillapítóként. A habosított lágy poliuretánt betétanyagként a bútor-, a csomagolóanyag- és a könnyűipar további számos ága használja. Poliuretán burkolatúak a fedett sportpályák is. A poliizoprénben levő kettős karbonkötések hő hatására felbomlanak egyes kötéssé és képződik két szabad vegyérték, amely a kénnel lekötődik: H

H CH3 H H

C

C

C

C

C

C

H H

S

H S H

H H

C

C

C

C

H H

H

H CH3 H

H

H CH3 H

H

C

C

C

C

C

C

C

C

H H CH3 H H H H H CH3 H

H S H

S

H H H CH3 H H H H CH3 H

C

C

C

C

C

C

C

C H H

C

C

C

C

C

C

C

H CH3 H H H H

H CH3 H H CH3 H

H H

S

S

H H H H

H CH3 H H

H H

S

S

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C C

H

H CH3 H H

H

H

H CH3 H

H

H CH3 H

H

H CH3 H

C

C

C

C

C

C

C

C

H

C

C

C

H

C

A szilikonok lineáris polimerként is használatosak. A lineáris szerkezetű szilikonok különböző viszkozitású folyadékok formájában állnak rendelkezésre. Különleges tulajdonságuk, hogy viszkozitásuk - szemben számos más folyadékkal -, igen széles (- 70...+ 150 OC) hőmérséklet-tartományban gyakorlatilag változatlan, ezért kiválóan alkalmasak kenőanyagként, hidraulikus berendezésekhez működtető folyadékként. A szilárd szilikonok a lakkgyanták alapanyagai, amit kiváló villamos szigetelő tulajdonságuk miatt villamos huzalok gyártásakor alkalmaznak. A szilikonok akár folyadék-, akár szilárd halmazállapotúak, jó víztaszítók, ezért nemcsak autó- és bőrápolásra, hanem textíliák impregnálására is kiválóan alkalmasak. A szilárd állapotú szilikon víztaszító tulajdonságát jól lehet hasznosítani szabadtéri burkolatoknál. A szilikonok nem gyúlékonyak, ezért a folyadék állapotúak jól alkalmazhatók hűtésre, illetve kenésre olyan jelentős hőhatással járó technológiai folyamatoknál, ahol a hagyományos szénhidrogén olajok már lángra lobbannának. A szilárd állapotú szilikonok égéssel szembeni ellenállása nagy előnyt jelent a bánya és egyéb fokozott veszélyességű munkahelyeken, a villamos kábeleket itt szilikonnal szigetelik. A szilárd szilikonok kiváló szigetelőanyagok extrém hőmérsékleteknél a - 90 ...+ 200 OC hőmérséklet-tartományban. A természetes gumit a nagymértékű rugalmasság és a jó kopásállóság jellemzi. Az olaj viszont oldani képes, öregedésre hajlamos és 100 OC feletti hőmérsékleten már nem alkalmazható. Ezeket a hátrányokat egyes szintetikus gumifajtákkal lehet kiküszöbölni. A műgumik közül legnagyobb mennyiségben a sztirol-butadien-gumit alkalmazzák. Ez az elasztomer kevésbé nyúlékony, de hőállóságával, az időjárással szembeni állóképességével, és savállóságával felülmúlja a természetes gumit. Jellemző felhasználási területe a gépkocsiabroncsok, tömlők, tömítések gyártása, to-

266

6. POLIMEREK

vábbá a szállítószalagok előállítása, amelyek általában textilszál erősítésű kompozit anyagok. A nitrol-akrol-butadien-gumi a benzinnel és az olajokkal szembeni állóképességével tűnik ki. Tömítések, tömlők, olajálló padlóburkolatok készülnek ebből az anyagból. Néhány, nagyobb mennyiségben gyártott termoplaszt, duroplaszt és elasztomer üvegesedési-, lágyulási- és bomlási hőmérsékletét, az alkalmazhatóság legnagyobb hőmérsékletét, valamint a szerkezetük változását a hőmérséklet függvényében összefoglalóan az 58. ábra szemlélteti. A műanyagok előállításához számottevő (90...130) MJ/t energiára van szükség. Az előállított műanyag 8...15 év után kikerül a használatból. A műanyagban jelentős mennyiségű energia tárolódik. Nemcsak ezért, hanem nagyfokú környezetszennyező hatása miatt is rendkívül fontos hogy a műanyag maradékokat és hulladékokat újra feldolgozzák.

termoplasztok

duroplasztok

elasztomerek

üvegszerű állapot

Hőmérséklet,OC teflon polietilén polioximetilén polipropilén poliamid polivinilklorid polisztirol PMMA

-100

0

100

Á Á Á Á

7

Á Á Á

7 7 Á Á

poliészterek epoxi gyanták PF

7 Á Á

sztirol-gumi poliuretán szilikon elasztikus állapot

200

7 Á

7

7 Á

7 Á

viszkózus állapot

Á gyakorlati alkalmazás határa

7 bomlás

58. ábra A műanyagok szerkezetének változása a hőmérséklet függvényében A hőre lágyuló, válogatott, egynemű, viszonylag tiszta műanyag hulladék közvetlenül visszavezethető a feldolgozó folyamatba. A többi műanyagnál egy előkezelést kell alkalmazni. Az előkezelés során a polimereket részben vagy egészben monomereire bontják, amelyek szétválasztás, tisztítás után alapanyagként szolgálnak. A műanyag hulladékok hasznosításának egy további lehetősége a pirolízis, amelyet 400...700 Co-on oxigén kizárásával vagy csak csekély oxigén jelenlétében bontanak fel. A keletkező gáznemű (metán, etán, etilén stb.) és cseppfolyós (benzol, toluol, naftalin stb.) felhasználható, a szennyeződések általában szilárd állapot-

267

7

6. POLIMEREK

ban maradnak vissza. A pirolízis fenntartásához a felszabaduló energiának mintegy fele szükséges, a többi energia egyéb célra hasznosítható.

268

7. TÁRSÍTOTT SZERKEZETI ANYAGOK

Az anyagoknak sokszor egyidejűleg többféle igénybevétellel szemben is ellenállónak kell lenniük. Az anyagok egyes igénybevétellel szembeni ellenállásának javítását azonban gyakran más tulajdonságaik romlása kíséri. Az anyagoknak az előző fejezetekben bemutatott tulajdonságváltoztatási lehetőségei tágak ugyan, de mégis korlátozottak. A fő anyagcsoportok az adott csoportra jellemző alapvető tulajdonságokkal rendelkeznek. Például a nagy kopásállóságú, keménységű anyagok, mint amilyenek a kerámiák, igen ridegek, a bennük meglevő, vagy a terhelés hatására keletkező repedés szinte ellenállás nélkül áthalad a teljes keresztmetszetükön. A polimerek makroszerkezetüknek köszönhetően viszont, nagy ellenállást tanúsítanak a repedések terjedésével szemben, de szilárdságuk, keménységük csekély. Kézenfekvő, hogy két vagy több anyag társításával olyan új anyagot - kompozitot -, állítsanak elő, amely az összetevők kedvező használati tulajdonságait például a repedés terjedésével szembeni nagy ellenállást és a kopásállóságot egyesíti. A rideg kerámiaadalékban képződő repedésterjedés a kompozit ágyazóanyagában lefékeződik, így a kompozitban törés nem következik be. A kompozit anyagok létrehozása nem új ötlet, hisz az emberiség évszázadok óta alkalmaz olyan kompozitot, mint a meszes-habarcs vagy a mázas cserépedény. Ráadásul az anyagok társításának „ötlete” még csak nem is az embertől, hanem az élővilágtól származik, hiszen számos élőlény például a fák maguk is, természetes kompozitból épülnek fel. A fának mindössze 40...60 %-át teszi ki a cellulóz, a fennmaradó részt a cellulózszálakat „összekötő” lignin, illetve hemicellulóz alkotja. A lignin molekulák a cellulóz- és a hemicellulóz molekulákkal térbeli hálót hoznak létre, aminek köszönhető a fa viszonylag nagy nyomószilárdsága. A fa rostirányában mért nagy szakítószilárdsága a cellulóz szálas szerkezetéből adódik. A cellulózszálakra merőleges irányban a szakítószilárdság még huszada sincs a szálirányú szilárdságnak. A fa ilyen nagymértékű anizotrópiáját egy belőle képzett kompozit anyaggal, a rétegelt lemezzel lehet kiegyenlíteni. A rétegelt lemeznél az egyes rétegekben a cellulózszálak egymásra merőlegesen helyezkednek el. A rétegeket ragasztással kötik össze. A nedvesség hatására a fa a méretét változtatja, dagad. A méretváltozás a rostirányban csekély, az erre merőleges irányban számottevő. A rétegelt lemezekben viszont az egymásra merőleges szálirányú rétegek a nedvesség okozta méretváltozást akadályozzák. Ez a kedvező tulajdonság azonban csak addig tartható fenn, amíg a gátolt elmozdulásból származó feszültség el nem éri a rostra merőleges irányban értelmezett szilárdságot, mert ekkor a rétegelt lemezek egyes rétegeiben szálirányú repedések keletkeznek. A rétegelt lemezeknek ezt a hátrányát küszöböli ki egy másik kompozit - a farostlemez -, amelynél a két felületi réteg közé apró

269


szálaira foszlatott faanyagot és kötőanyag keverékét sajtolják. A rostok szálirányának véletlenszerű elhelyezkedése gyakorlatilag tökéletes izotrópiát kölcsönöz az anyagnak. A fából készített kompozitok harmadik fajtáját alkotják a felületi réteggel ellátott bútorasztalos faárúk, amelyeknél az olcsó, jól megmunkálható fűrészárúra drága, de igen esztétikus megjelenésű, trópusi fafélékből készült vékony réteget ragasztanak. A fa esetében bemutatott kompozitok igen változatos szerkezetűek és ennek köszönhetően igen eltérő tulajdonságúak. Ezért a kompozitok egyik célszerű rendezési szempontja lehet a morfológia. A kompozitokat morfológiájuk szerint négy csoportba lehet sorolni, attól függően, hogy a társított anyag milyen formában kerül az ágyazóanyagba. Ennek a csoportosításnak megfelelően a társított anyagok lehetnek: ⇒ szemcsések, ⇒ szálasak, ⇒ rétegeltek, ⇒ felületi réteggel bevontak. A kompozitok morfológiai csoportjait az 59. ábra szemlélteti.

szemcsés adalékú kompozit

szálas kompozit

rétegelt kompozit

felületi réteggel bevont kompozit 59. ábra A kompozitok morfológia szerinti fő csoportjai

A szerkezet szerinti csoportosítás mellett, a kompozitok tulajdonságát alapvetően meghatározza az ágyazó- és a beágyazott anyag fajtája. Ennek megfelelően, a társított anyagok variációi szinte korlátlanok, az alkalmazott anyag- és szerkezet kombinációk száma évről-évre ugrásszerűen gyarapszik.

7.1

Szemcsés adalékú társított anyagok

A szemcsés kompozitok olyan anyagok, amelynél a fém, a kerámia vagy a polimer ágyazóanyag fém, kerámia vagy polimer szemcséket fog közre. A fém

270


ágyazatban elhelyezkedő fémek vagy fémes vegyületek, lényegüket tekintve, maguk is kompozit anyagok. Tágan értelmezve tehát, a 4.2. pontban tárgyalt többfázisú ötvözetek is lényegében kompozit anyagok. A többfázisú ötvözetekben, vagy a keményfémekben a szemcsék igen kicsinyek, néhány µm méretűek, szemben az általános felfogásban szemcsés kompozitnak tekintett anyagok lényegesen nagyobb szemcséivel. A másik alapvető különbség a többfázisú ötvözetek és a szemcsés kompozitok között az előállítási technológiájukban rejlik. Ebben a pontban a nagyobb méretű szemcséket tartalmazó kompozitokat tárgyaljuk. A szemcsés kompozitokban a szemcsék mennyisége elérheti akár a 80 %ot is. A szemcsés adalékú kompozitoknál a szemcse anyaga legtöbbször kerámia. Ezt az magyarázza, hogy a kerámiák számos tulajdonsága, - mint szilárdságuk, keménységük, a nagy ellenállásuk hő- és vegyi hatásokkal szemben -, az élet számos területén jelentkező igényeket a legjobban képesek kielégíteni. További előnyük, hogy sűrűségük kisebb, mint a fémeké és természetben nagy mennyiségben fordulnak elő, ezért általában olcsóak. A kerámiák még szélesebb körű alkalmazását a ridegség - a repedés terjedésével szembeni kis ellenállás -, és ezzel összefüggésben az korlátozza, hogy a fémeknél és polimereknél leginkább használatos alakadó technológiák, mint a forgácsolás, a képlékeny hidegalakítás, a hegesztés, nem, vagy csak igen-igen korlátozottan alkalmazható. A kompozitoknál az ágyazóanyag minden esetben viszonylag egyszerűen alakítható, ezért a kerámiák kedvező használati tulajdonságai megőrizhetők, miközben az alakadás nehézségei elháríthatók. A szemcsék anyaga, mennyisége, mérete és alakja a kompozitok tulajdonságait jelentősen befolyásolja. A legnagyobb mennyiségben (évi mintegy 3 milliárd tonna) készített szemcsés kompozit, a beton. A beton ágyazóanyaga az 5.3.3. pontban ismertetett cement, amelyhez szemcsés kvarcot kevernek, homok vagy kavics formájában. A cement, a kvarc és a víz keveréke jól formázható, a kívánt alakra hozható, amely alakot a kötést követően a beton tartósan megőriz. Az adalék nemcsak a beton szilárdságát növeli, hanem még olcsóbbá is teszi azt. A kemény, rideg szemcsék, mint például a gyémánt fémbe ágyazva, kiválóan alkalmas köszörűkorongok gyártására, ahol az esetlegesen fellépő dinamikus hatásokat az ágyazófém rugalmas alakváltozása veszi fel. Kevésbé igényes célra korund szemcséket keménygumiba ágyazva olyan köszörűtárcsát lehet gyártani, amely akár a kéziköszörűk használatakor fellépő hajlító igénybevételt is képes elviselni. Ugyancsak nagy mennyiségben használt kompozit az aszfalt, amely a hoszszú karbonláncú bitumen és zúzott kő keveréke. A kőadalék a kopásállóságot, a bitumen az alakíthatóságot kölcsönzi az aszfaltnak. A műanyagokhoz is gyakran kevernek szemcsés adalékanyagot. Sok esetben az adalékolás célja a drágább anyag kiváltása. Ilyen adalékot, például falisztet, kőörleményt, azbeszt zúzalékoz vagy rongyvagdalékot ágyaznak a bakelit előállításakor a 6.2.2. pontban ismertetett fenol-formaldehid gyantába, amelyet a villamos szigetelők, dugaszoló aljzatok, kapcsolók, gépelemek gyártásához használnak.

271


A kopásállóság növelése a cél, amikor a villamosan jó vezető grafitba bronz szemcséket ágyaznak. Az ilyen kompozitok előnyös tulajdonságai olyan csúszó villamos érintkezőknél használhatók ki, mint a szénkefék. A kopásállóság mellett, jobb hővezetés érhető el az azbeszt-betonba ágyazott acél szemcsékkel, amit tárcsás tengelykapcsolók betéteinél használnak ki.

7.2

Szálerősítésű társított anyagok

Szálerősítésként a fém- vagy műanyag ágyazóanyag szilárdságának növelésére nagyszilárdságú szálakat használnak. Műanyag mátrixú kompozitból a világon évente mintegy 3 millió tonnányit állítanak elő. A kerámia ágyazóanyag szakítószilárdságának növelésére acélhuzalt, illetve rudat alkalmaznak. A legismertebb talán, de mindenképp a legnagyobb mennyiségben használt szálerősítésű kompozit a vasbeton, amelynek ágyazó anyaga, a beton, maga is kompozit, így a vasbeton három komponenses kompozit. A beton szakítószilárdsága csekély, mintegy tizede csupán a nyomószilárdságának. A szakítószilárdság növelésére az úgynevezett vasalás, az acélszálak beágyazása szolgál. A makroszkopikus méretű szálak lehetővé teszik, hogy a vasbeton gyártásakor az acélszálak előfeszítésével a betonban terheletlen állapotban nyomófeszültség keletkezik. A húzó terheléskor először ez a maradó nyomófeszültség csökken, ezért a feszített vasbeton szakítószilárdsága nagyobb, mint a hagyományos vasbetoné. A szálerősítésű kompozitok szilárdsága úgy növelhető, ha az ágyazó anyag a terhelést a szálaknak át tudja adni. Ennek alapvető feltétele, hogy az ágyazó- és beágyazott anyag felülete között az erőátadáshoz elengedhetetlen jó tapadás jöjjön létre. A jó tapadás hosszú távú megőrzése érdekében, vagyis annak elkerülésére, hogy a szálak kilazuljanak, illetve kihúzódjanak, szemben a szemcsés adalékú társított anyagokkal, a szálerősítésű kompozitoknál lényeges, hogy az ágyazóanyag és a szálak hőtágulási együtthatója hasonló legyen. Az erőátadást szemlélteti vázlatosan az ágyazóanyag és a szál között a 60. ábra.

σ

⇐

ágyazó anyag

szál

σ

⇒

60. ábra Erőátadás a szálerősítéses kompozitokban A szálerősítéses társított anyagokban a szálaknak és az ágyazó anyagnak a terhelést - célszerű megoszlásban -, együtt kell viselniük. Ezért a kompozitok mechanikai tulajdonságait nagymértékben befolyásolja a szálak anyaga, mennyisége, átmérője, hossza, elrendezése és elhelyezkedése. A szálerősítés ezen befolyásoló körülményeit szemlélteti a 60. ábra.

272


Ahhoz, hogy az ágyazó anyag a terhelést megoszthassa a szálakkal, megfelelő erősségű és hosszú kapcsolatra van szükség közöttük. Azt a minimális kapcsolódási hosszat, amelynél nagyobb hosszúság esetén már a szál teljes értékűen vehet részt a terhelés elviselésében - egyszerű egyensúlyi feltételből levezethetően -, a szál átmérője, szakítószilárdsága és az ágyazó anyaggal alkotott kötésének nyírószilárdsága határozza meg a (95) összefüggés szerint: ahol:

lkrit = σszál d/4τágyazóanyag,.

(95)

lkrit ...............a minimális kapcsolódási hossz, mm, σszál .............a szál szakítószilárdsága, MPa, d ................a szál átmérője, mm, τágyazóanyag. .a szál és az ágyazóanyag közötti kötés nyírószilárdsága, MPa. Általában a szálerősítéses kompozitok esetében a szükséges kapcsolódási hossz az átmérő 20...150 szerese. Ha a kapcsolódási hossz éppen egyenlő az lkrit hosszal, akkor a szál terhelhetőségének fele van kihasználva. A kapcsolódási hossz növekedésével a kihasználtsági fok konvergál az egyhez. Ha a kapcsolódási hossz kisebb, mint az lkrit, akkor a szál terhelhetőségének kihasználtsága csekély, az ilyen kompozitokat tűkristály vagy más néven whisker erősítésű társított anyagoknak nevezik. Ha a tűk kellő közelségben helyezkednek el egymáshoz némi átfedéssel (ld. 61. ábra), akkor közöttük kölcsönhatás alakul ki és legalább részben úgy viselkednek, mint a hosszabb szálakkal erősített anyagok. Ha a szál a kompozit hosszával egyező és keresztmetszete állandó, akkor az a szálirányú erő, amelynél a kompozit elszakad, a (96) összefüggéssel számítható: ahol:

Fszak. = σkompozit A kompozit =σágyazóanyag Aágyazóanyag +σszál Aszál ,

(96)

Fszak .............a szálirányú szakítóerő, N, σkompozit.........a kompozit szakítószilárdsága, MPa, σágyazóanyag....az ágyazóanyag szakítószilárdsága, MPa, σszál ..............a szál szakítószilárdsága, MPa, A kompozit...... a kompozit keresztmetszete, mm2, Aágyazóanyag.. az ágyazóanyag keresztmetszete, mm2, Aszál ............ a szál keresztmetszete, mm2. Feltételezve, hogy bármely, a szakadást előidéző erőnél kisebb terhelés esetén a szál és az ágyazóanyag nyúlása azonos, továbbá az alakváltozás rugalmas, a Hook-törvény alapján a (96) összefüggésből származtatható a kompozit rugalmassági modulusa a (97) összefüggés szerint: ahol:

Ekompozit = Eágyazóanyag Cágyazóanyag +Eszál Cszál ,

(97)

Ekompozit.........a kompozit rugalmassági modulusa, MPa, Eágyazóanyag....az ágyazóanyag rugalmassági modulusa, MPa, Eszál ..............a szál rugalmassági modulusa, MPa, Cágyazóanyag... az ágyazóanyag aránya a kompozitban, Cszál ............ a szál aránya a kompozitban.

273


szálak elrendezése

szálak hossza

szálak alakja

szálak mennyisége

szálak elhelyezkedése

szálak átmérője

61. ábra Kompozitokban a szálerősítés elhelyezése, a szálak mennyisége, mérete és alakja

274


A (97) összefüggésből következik, hogy a kompozit rugalmassági modulusa, így szilárdsága is annál nagyobb, minél nagyobbak a kompozitot alkotó anyagok rugalmassági modulusai, illetve minél nagyobb arányban van a kompozitban a nagyobb rugalmassági modulusú szál (ld. 105. TÁBLÁZAT). Ha a húzó terhelés nem szálirányú, hanem arra merőleges, a kompozit terhelhetősége lényegesen kisebb, mert a Cszál aránya keresztmetszetről keresztmetszetre változik (ld. 56. ábra) és a kompozit szilárdságát a leggyengébb keresztmetszet határozza meg. Ha a szálak elhelyezkedése a mátrixon belül szabályos, akkor a leggyengébb keresztmetszet előre számítható és a rugalmassági modulus meghatározható a (98) összefüggés szerint: Ekompozit = Eágyazóanyag Eszál /(Eszál Cágyazóanyag + Eágyazóanyag Cszál) .

(98)

Véletlenszerű, de párhuzamos szálelrendezés mellett számolni kell annak a lehetőségével is, hogy található a kompozitban olyan keresztmetszet, amelyben szál egyáltalán nem található, emiatt a szilárdságot az ágyazó anyag szilárdsága határozza meg. Az egyirányú szálerősítés okozta anizotrópia megszüntethető hálós, szövött vagy véletlenszerű szálelrendezéssel (ld. 61. ábra). A szálerősítéses társított anyagok gyártásához használatos tűkristályok jellemző átmérője néhány µm, a szálaké a nagyobb szilárdság és a felületi hibamentesség érdekében néhány század mm, a huzaloké a néhány tized mm-től a néhány cm átmérőig terjed. Az átmérő növekedésével az anyag egyre inkább sokkristályos viselkedést mutat, ami a sűrűség, rugalmassági modulus, de különösen a szakítószilárdság csökkenésében jelentkezik. A kompozitok gyártásához leggyakrabban használatos erősítő anyagokat és jellemző tulajdonságaikat a 115. TÁBLÁZAT foglalja össze. 115. TÁBLÁZAT Forma

tűkristály

szálak

huzalok =

KOMPOZITOK ERŐSÍTŐANYAGAI ÉS JELLEMZŐ TULAJDONSÁGAIK Anyag karbon szilícium-karbid szilícium-nitrid alumínium-oxid aramid üveg karbon bór alumínium-oxid szilícium-karbid acél molibdén volfrám

Sűrűség, Rm, GPa Fajlagos= E, GPa t/m3 szilárdság 2.2 15...20 6.8...9.1 690 3.2 15...20 4.7...6.3 480 3.2 10...14 3.1...4.4 380 3.9 14...28 3.6...7.2 500 1.5 3...4.1 2.1...2.8 124 2.5 3...4.9 1.2...1.9 77 1.8 1.5...5.5 0.8...3.0 480 2.3 8...10 3.5...4.3 550 3.2 1.8...2.1 0.6...0.7 170 3.0 3...4 1.0...1.3 425 7.8 3...4 0.4...0.5 210 10.2 1...1.5 0.1...0.15 360 19.3 4...5 0.2...0.3 400

Olvadáspont, OC 3500 2620 2170 2050 280 1300 3500 2300 2050 2620 1400 2617 3410

fajlagos szilárdság = szakítószilárdság/sűrűség

275


A kompozitokhoz szükséges szálak gyártása magas technológiai színvonalat feltételez. Az üvegszál gyártásakor az olvadt üveget számos platina csövecskét magában foglaló szerszámon keresztül áramoltatják ki, amelyek belső átmérője néhány század mm. A szerszámból kilépő vékony szál gyorsan szilárdul, de a teljes megszilárdulás előtt egy, a kifolyási sebességnél nagyobb kerületi sebességgel forgó dobra vezetik. A sebességkülönbség hatására a még viszonylag nagy viszkozitású üveg nyúlik és a dobra már a kívánt néhány µm átmérőjű, kellő szilárdságú szál fut fel. A már megdermedt, de még meleg szálakra egy igen vékony (< 1µm), műanyag védőréteget visznek fel, elkerülendő, hogy a további feldolgozás során a szál gyakorlatilag hibamentes felülete megsérüljön. Ezek a szálak a későbbiek során akár kötegekké sodorhatók, akár pászmákká fonhatók, akár szövetté szőhetők. A szálakanyagok közül az üvegszál a legolcsóbb mind tömegre, mind fajlagos szilárdságra vonatkoztatva. Radaráteresztő képességének köszönhetően egy sajátos alkalmazása a lopakodó harci járművek gyártása. A karbonszálakat szerves műszálakból állítják elő. A kiinduló műszálat például a poliacrilonitril vagy a cellulóz szálat nyújtják, miközben hevítik 200…300oC hőmérsékleten. A hevítés során a monomerek közötti gyenge másodlagos kötések bomlanak fel. Az ezt követő pirolízis során a termék kívánt rugalmassági moduluszától függően 1000…2500 oC hőmérsékleten vákuumban, vagy semleges védőgázban izzítják, amikor maga a monomer vegyi kötése is felbomlik. A kötést alkotó hidrogén, oxigén vagy nitrogén elillan, míg a visszamaradó, korábban zegzugos láncot alkotó karbon a húzás hatására párhuzamos szálakká rendeződik, rendezett kristállyá válik. Minél rendezettebb, egyirányú kristályos szerkezet alakul ki, annál nagyobb szilárdság és rugalmassági modulusz érhető el. A karbonszálakat ha nem ágyazzák be, - de gyakran még a kompozitok gyártásához is -, fém, kerámia vagy műanyag bevonattal látják el. A fém bevonatok esetén a kiváló felületi simaság társul egy kedvező keménységgel továbbá elősegíti fém mátrixokban a nedvesítést. Rövid ideig tartó nagyhőmérsékletű igénybevételekkel ill. oxidációval szemben a karbonszálat kerámia bevonattal védik. Kis hőmérsékletű korróziós károsítással szemben a lényegesen olcsóbb műanyag bevonat is megfelel. A bórszálak tulajdonképpen maguk is kompozit anyagok, mert gyártásuk során a bórt 1200 OC körüli hőmérsékletű gőzfázisából kondenzálják egy hidegebb volfrámszálra. A bór igen reakcióképes, ezért felületét SiC-al vonják be. A polimerekben, amint az az 5. fejezetben látható, a szénláncok általában lazán összefonódnak vagy bonyolult térbeli szerkezetet alkotva, kikristályosodnak. Ebből a szerkezetből következik, hogy a polimerek viszonylag kis szilárdsággal rendelkeznek. Ha egy szindiotaktikus polimerben az összes szénlánc párhuzamosan helyezkedik el, akkor a szálak irányában a polimer rendkívül szilárddá és merevvé válik. A szálerősítő anyagként alkalmazott műanyag, az aramid (kevlar) szálak nagy szilárdságukat (ld. 115. TÁBLÁZAT) ennek a szerkezetnek köszönhetik. Az aramid szálerősítésű anyagok kis önsúlyukkal, kiváló kopásállóságukkal és fáradással szembeni nagyfokú ellenállásukkal tűnnek ki. Ezek a tulajdonságok magyarázzák alkalmazásukat a repülőgépgyártásban. Figyelemre méltó az aramid szálak viszonylagosan nagy lángállósága. Hátránya viszont, hogy nedvesség felvételére ké-

276


pes. Víztartalma elérheti a 3%-ot is. A másik, utóbbi években kifejlesztett, a kompozitokban használatos polimer szál az ultra nagy molekulasúlyú polietilén (UHPE), amely a szokásos polimerek molekulasúlyát több nagyságrenddel meghaladja. Ezek a szálak már a szobahőmérsékletet kissé meghaladó hőmérsékleten is a terhelés hatására kúszásnak indulnak. De kitűnnek kiváló dinamikus igénybevétellel szembeni ellenállásukkal, kis sűrűségükkel. Tulajdonságaikat és alkalmazási körüket talán jól jellemzi, hogy UHPE-ből készülnek a 25…40 rétegű golyóálló mellények. A társított anyagok szilárdsága elsősorban az erősítő anyagtól függ, de az ágyazóanyag tulajdonságának is jelentős a befolyása. A társított anyag kiemelkedően jó szakítószilárdsága kizárólag az erősítő és az ágyazóanyag optimális „együttműködése” révén érhető el. Ha ugyanis egy szálkötegben a terhelés hatására egyetlen szál elszakad, akkor ez a szálköteg szakadásához vezethet, mert a változatlan terhelést kevesebb számú szálnak kell elviselnie, a szálakban a feszültség nő. Abban az esetben, ha a szálak be vannak ágyazva, egy esetleges szálszakadás nem, vagy csak igen csekély mértékben növeli a szálakban ébredő feszültséget. Ennek a magyarázata az, hogy a szakadt szál környezetében az ágyazó anyag rugalmas- vagy akár képlékeny alakváltozása révén áthidalja a szakadást és a szakadt szál hossza mentén ébredő csúsztatófeszültséggel a terhelést átvezeti a sértetlen szálba. Az ágyazóanyag minőségét elsősorban a vele képzett kompozit alkalmazási hőmérséklete határozza meg. Általában szobahőmérséklethez közeli hőmérséklet tartományban hőre lágyuló műanyagokat, elasztomereket, ezt meghaladóan 200 OC hőmérsékletig hőre keményedő műanyagokat alkalmaznak ágyazó anyagként. A polimer ágyazatú kompozitok jellemzői a kis önsúly, a vegyi hatásokkal szembeni fokozott ellenállás. A műanyag ágyazatú kompozitokból szinte tetszőleges alakú, és méretű termékek gyárthatók. Az acél szál erősítéses elasztomer anyagú kompozitok általánosan ismert példája a gépkocsi köpeny. A hőre lágyuló műanyag alapú kompozitok két jellegzetes képviselőjének tulajdonságait foglalja össze a 116. TÁBLÁZAT. A poliamid (nylon 6/6) alapú kompozitok jól ellenállnak az alkáli elemeknek és a sóoldatoknak, de megtámadják az erős savak és az oxidáló közegek. A polipropilén mátrixú, üvegszál erősítéses kompozitok ellenállóak savakkal, szerves és alkáli só oldatokkal szemben. 116. TÁBLÁZAT

HŐRE LÁGYULÓ MŰANYAG ALAPÚ, ÜVEGSZÁL-ERŐSÍTÉSES KOMPOZITOK JELLEMZŐ MECHANIKAI TULAJDONSÁGAI

Ágyazó anyag Nylon 6/6 Nylon 6/6 Polipropilén Polipropilén

Üvegszál Sűrűség, aránya, % t/m3 0 1.13 30 1.48 0 0.89 20 1.04

Rm , Nyomószi- E, GPa Ütőmunka, MPa lárdság, MPa J 80 105 8.4 1 160 180 3.0 2 35 25 0.7 2 45 175 3.8 2

Nyúlás, % 60 2 200 3

A duroplasztok - amint az a 6.2.2. pontból ismert -, nagyobb hőállósággal rendelkeznek. Ebbe a csoportba tartozik például az üvegszál-erősítésű poliészter, amely a korszerű társított anyagok előhírnöke volt. Ezt az anyagot gyakran alkal-

277


mazzák hajók, gépkocsi karosszériák vagy egyéb nagyméretű burkolatok, vegyipari-, élelmiszeripari tartályok sporteszközök gyártásánál, mivel nemcsak az önsúly csökken, hanem a gyártási költség is azáltal, hogy a speciális alakítószerszám alkalmazása elkerülhető. Külön előnye, hogy színezhető és akár ecseteléssel is felhordható a felületre ahol egyes típusok akár 60…80 oC hőmérsékleten egy órán belül polimerizálódnak. Savakkal, gyenge alkáli és szerves oldószerekkel szemben kiválóan ellenáll, de erős alkális oldószerekhez nem ajánlott. A nem irányított elhelyezkedésű üvegszállal erősített epoxi-gyanta és a poliészter ágyazatú kompozit mechanikai jellemzőinek változását mutatja be az üvegszál arányának függvényében a 117. TÁBLÁZAT. Az ágyazóanyag nagyobb hőállósága egyben a kompozit nagyobb hőmérsékletű alkalmazását is lehetővé teszi. Az epoxi-gyanták igen ellenállók a vízzel és az alkáli- valamint szerves oldószerekkel szemben, gyengén állnak ellen viszont a savaknak és az oxidálószereknek. 117. TÁBLÁZAT

HŐRE KEMÉNYEDŐ MŰANYAG ALAPÚ, ÜVEGSZÁL-ERŐSÍTÉSES KOMPOZITOK JELLEMZŐ MECHANIKAI TULAJDONSÁGAI

Ágyazó Üvegszál Sűrűség, anyag aránya, % t/m3 Epoxi-gyanta 0 1.20 Epoxi-gyanta 20 1.35 Epoxi-gyanta 30 1.43 Epoxi-gyanta 40 1.52 Epoxi-gyanta 80 2.08 Poliészter 0 1.31 Poliészter 20 1.78 Poliészter 30 1.85 Poliészter 50 2.00

Rm , Nyomószi- E, GPa Ütőmunka, Nyúlás, MPa lárdság, MPa J % 60 160 2.3 12...16 90...115 110 160 6.0 2 4...6 130 170 8.6 2 3...5 160 180 11.6 2.5 3...5 560 310 28.0 18 1.6 6 65 2.1 0.6 50 40 160 11.9 4 0.4 90 170 11.9 6 1.0 160 220 15.9 8 1.7

A légcsavaros repülőgéptestek gyártásához az epoxi-gyantába ágyazott karbonszál-erősítésű kompozitokat használják. Ez a kompozit a repülőgép testet érő rezgések okozta fáradásnak lényegesen jobban ellenáll, mint a fémek, ugyanakkor súlya csak töredéke egy hasonló célú fém szerkezetének. Egy nemesített acél, egy kiválással keményített alumínium ötvözet és egy epoxi-gyantába ágyazott karbonszál-erősítésű kompozit kifáradási- és szakítószilárdsága közötti arányokról ad áttekintést a 118. TÁBLÁZAT. A táblázat adataiból látható, hogy azonos, 107 ismétlődő húzó igénybevételt elviselni képes szerkezet ha nem acélból, hanem alumíniumból készül, akkor a tömege csak az acélénak 67 %-a, ha kompozitból készül, csupán 7 %-a. 118. TÁBLÁZAT ACÉL, ALUMÍNIUM ÖTVÖZET ÉS EPOXI-GYANTÁBA ÁGYAZOTT KARBONSZÁLERŐSÍTÉSES KOMPOZIT KIFÁRADÁSI- ÉS SZAKÍTÓSZILÁRDSÁGA KÖZÖTTI ARÁNY 25CrMo4 Igénybevételi AlCu4Mg2 ciklus száma Rm=420 MPa Rm=700 MPa 105 50% 55% 107 38% 45%

278

Kompozit, karboszál 60%, epoxi 40% Rm=1300 MPa 90% 85%


A 119. TÁBLÁZAT-ban összefoglalt, kiemelkedően kedvező mechanikai tulajdonságú epoxi-gyanta alapú karbonszál-erősítéses kompozitokat előnyösen tudják alkalmazni közúti- és tengeri járművek, repülőgép fékek, sportszerek gyártásában. 119. TÁBLÁZAT

EPOXI-GYANTA ALAPÚ, KARBONSZÁL-ERŐSÍTÉSES KOMPOZITOK JELLEMZŐ MECHANIKAI TULAJDONSÁGAI

Ágyazó Karbonszál Karbonszál Terhelés iránya a Sűrűség, anyag aránya, % átmérő µm karbonszálhoz t/m3 Epoxi-gyanta 50 10 45O-os szög 1.60 Epoxi-gyanta 50 1 45O-os szög 1.50 Epoxi-gyanta 60 1 párhuzamos 1.50

Rm, MPa

E, GPa

600 750 1300

74 100 130

A karbonszál erősítéses kompozitok hőtágulási együtthatója két nagyságrenddel kisebb, mint a fémeké. Ezt a kedvező tulajdonságot használják ki, amikor a rakéták gyártásához, űrantennák, nagy méretű teleszkópok építéséhez, optikai és nagyfrekvenciás (GHz) precíziós műszerek gyártásához használják. A műanyag mátrixú karbonszálas kompozitok igen jó rezgéscsillapító hatásúak, ezért ipari robotok karjai, gépkocsi alkatrészek, audió eszközök, hangszórók készülnek belőle. A 200 OC-nál nagyobb de 500 OC-nál kisebb hőmérsékleten üzemelő, szálerősítéses anyagból készült szerkezeteknél az ágyazó anyag fém, általában alumínium, titán vagy magnézium. Hőállóság mellett, a fémágyazat előnye a nagyobb szilárdság és az esetleges károsodáskor a biztonságnak az alakítási keményedés nyújtotta növekedése. A fém-ágyazatoknak azonban két hátrányuk is van. Az egyik, hogy a műanyagokhoz képest a sűrűségük nagy, míg a másik hátrányt a kompozitok bonyolultabb és körülményesebb előállítása jelenti. A legkézenfekvőbb módszer - a szálak fémolvadékba mártással való bevonása -, azzal a kockázattal jár, hogy a szálak a nagy hőmérsékletű fémmel reakcióba lépnek. Ha a reakció csupán egy vékony rétegre terjed ki, akkor még javíthatják is a fém és a szál közötti kötés szilárdságát. A túlzottan vastag réteg a kötés gyengüléséhez, vagy akár a szálak bomlásához is vezethet. A vegyi reakciók okozta kockázat csökkentése érdekében egyre jobban terjednek a kisebb hőmérsékletű kompozit kialakítási eljárások, mint a gőzölés vagy a szinterelés. Még ezeknél a technológiáknál is előfordulhatnak kiterjedt felületi reakciók az alumínium- vagy magnézium ágyazat és a karbon-, továbbá bórszálak között. Emiatt a karbon-, továbbá a bórszálakat gyakran előre bevonják valamilyen vegyi gáttal, megakadályozandó a nemkívánatos reakciókat. A bevonatok egyben erősebb kapcsolatot is eredményeznek a szál és az ágyazó anyag között. A fémalapú kompozitokat a szuperszonikus repülőgépek külső burkolatának előállításánál széleskörűen alkalmazzák. Az 500 OC-nál nagyobb hőmérsékletű alkalmazásoknál már a fém-ágyazatú társított anyagok is alkalmatlanok. Erre a célra olyan kompozitokra van szükség, amelyek ágyazóanyaga is hasonló tulajdonságú, mint maga az erősítő szál. Ezek a kerámia ágyazású anyagok, amelyeknél a szálak szerepe az, hogy megakadályozzák az esetleges repedések terjedését. Ha egy kerámiaágyazatban a repedés a ter-

279


jedése során egy erősítő szálhoz ér, akkor vagy irányt változtat, vagy kimozdítja a szálat az ágyazatból. Mindkét folyamat energiát igényel, ezért lassítja a repedés növekedését. Ha az ágyazatban repedések is vannak, még akkor sem szükségszerű a törés - mint a hagyományos kerámiákban -, mert a szálak áthidalhatják a repedéseket. A kerámiaágyazat nagy hőállóságot kölcsönöz ezeknek a társított anyagoknak. A szilícium-karbid szálakkal erősített bórszilikát üveg vagy az alumíniumoxid, szilícium-nitrid, szilícium-karbid vagy a grafit ágyazatok az 1000 OC-t meghaladó hőmérsékleten is megőrzik szilárdságukat. Jellemző alkalmazási területük a gázturbina alkatrészek, űreszközök burkolatának legnagyobb igénybevételű részei. Az alumínium-ágyazatú, szálerősítéses kompozitok mechanikai jellemzőinek változását mutatja be a szál arányának függvényében a 120. TÁBLÁZAT. 120. TÁBLÁZAT

ALUMÍNIUM ALAPÚ, SZÁLERŐSÍTÉSES KOMPOZITOK JELLEMZŐ MECHANIKAI TULAJDONSÁGAI

Szál anyaga ∅ 145 µm bórszál

∅ 145 µm bórszál szilícium-karbid bevonatú ∅ 100 µm bórszál ∅ 100 µm bórszál nitridált

szál aránya, térfogat % 45 55 35 55 60 20 40 55 65

Rm, MPa 1400 1800 800 1300 1400 500 1400 1250 1550

Nagyobb átmérőjű erősítőszálak a huzalok. Elsősorban acélhuzal erősítést alkalmaznak olyan köznapi, kompozit anyagú tárgyakban, mint az elasztomer anyagú, textil- vagy acélszállal átszőtt gépkocsi köpeny, a kerámia alapanyagú drótüveg vagy a karbonszállal erősített grafit ágyazatú fékbetét.

7.3

Rétegelt társított anyagok

A rétegelt kompozit anyagok síkok mentén kapcsolódnak egymáshoz és előállításuk gyakran kapcsolódik magához az alakító eljáráshoz. A rétegelt anyagok elsősorban olyan területeken kerülnek alkalmazásra, ahol a hordozó anyag valamely felületre ható igénybevételnek nem tud megfelelően ellenállni. A két leggyakoribb felületi igénybevétel a kopás és a vegyi hatás. A szerves anyagok - mint a papír -, híg savas oldatok - mint a gyümölcslevek, vagy a tej -, korrózív hatásának, valamint a folyadékok szivárgásának nem képesek ellenállni. A néhány század mm vastagságú alumíniumréteggel bevont (kasírozott) papír viszont képes ellenállni ezeknek a folyadékoknak, ezért tárolásukra kiválóan alkalmas.

280


62. ábra Egymással síkok mentén kapcsolódó rétegekből álló bordázott lemez Igen gyakori a korrózióval szemben kevésbé ellenálló fémlemezek bevonása korrózióálló réteggel. Ezek az anyagok plattírozott lemezként ismertek. A plattírozáskor a viszonylag kis folyáshatárú (ld. 41. TÁBLÁZAT), ausztenites szerkezetű Cr-Ni ötvözésű, korrózióval szemben nagy ellenállással rendelkező, de drága anyagból hengerléssel - esetleg robbantásos hegesztéssel -, legfeljebb 2 mm vastag réteget hoznak létre a lényegesen nagyobb folyáshatárú és olcsóbb ötvözetlen vagy gyengén ötvözött alaplemezen. A plattírozott lemezek alkalmazásával nemcsak jelentős költségeket lehet megtakarítani a homogén, korrózióálló lemezek helyettesítésével, hanem ez még a súlyt is csökkenti az alaplemez lényegesen nagyobb folyáshatárának köszönhetően.

7.4

Bevont anyagok

A bevonatok az anyag felületével szemben támasztott követelményeket mint dekoratív megjelenés, reflexió képesség, kopás- és korrózióállóság -, hívatottak kielégíteni. Általánosabb értelemben a felületbevonó eljárások sorába tartozik a 4.3. pontban ismertetett kérgesítő és az 5.2.2. pontban ismertetett oxidmentes kerámia bevonatok készítése is. Az alapvető eltérés a felsorolt technológiák és az e pontban tárgyalt felületbevonó eljárások között az, hogy, amíg az előzőkben bemutatott eljárások során a diffúzió révén a felület és az alapanyag között folyamatos átmenet alakul ki, addig a felületbevont anyagoknál ilyen átmeneti réteg nincs, vagy a réteg igen elhanyagolható vastagságú és jelentőségű. A leggyakrabban alkalmazott bevonatok, anyagukat tekintve műanyagok. A műanyag-bevonattal nemcsak a korrózióval szembeni ellenállás javítható, hanem a bevonó anyagba kevert színezőanyagokkal a termék megjelenése is esztétikusabbá tehető. A bevonat a felületre vihető bemártással, ecseteléssel, felszórással vagy elektrosztatikus úton. A legnagyobb mennyiségben használt bevonó polimerek használati tulajdonságait és jellemző alkalmazási területeit a 121. TÁBLÁZAT foglalja össze. Kerámia-bevonat a zománc, amely a szilikát-oxidos alapanyagon kívül a felülethez való kötődés elősegítésére különböző fémoxidokat, továbbá folyósító anyagként bóraxot vagy szódát tartalmaz, valamint tartalmazhat színezőanyagot is. A zománcot 850...920 OC hőmérsékleten olvasztják rá a hordozó anyagra üvegszerű, vékony réteget képezve ezzel. A zománckészítés viszonylag nagy hőmérséklete miatt, kizárólag fémeket és kerámiákat vonnak be ezzel az anyaggal. A ke-

281


rámiák zománcozása elsősorban esztétikai célt szolgál, de egyben a zománc általában kopásállóbb, mint maga a hordozó kerámia. Leggyakrabban acél- és öntöttvas tárgyakat látnak el zománc bevonattal. A zománc a fém-felülettel - a zománcozás nagy hőmérsékletén -, komplex szilikátokat alkot. Ezek a vegyi kötések kiváló tapadást eredményeznek. A zománcozás akkor lesz tartós, ha a hőtágulási együtthatója némileg nagyobb, mint a hordozó fémé, mert így a zománcozott tárgy felmelegítésekor a zománcrétegben nem repedést okozó húzó-, hanem nyomófeszültség ébred. A zománcozott fémtárgyaknál, mint számos háztartási eszköznél, vagy berendezésnél - például forróvíz-tároló, fürdőkád vagy tűzhely -, a szükséges szilárdságot az acél, illetve öntöttvas nyújtja, míg a keramikus zománc a korrózióvédelem és a díszítés feladatát látja el. 121. TÁBLÁZAT Bevonat anyaga

FELÜLETBEVONÓ MŰANYAGOK ÉS JELLEMZŐ TULAJDONSÁGAIK Szárítás

Vízállóság Legnagyobb Rugalmas- Tapadása Jellemző felhőmérséklet, sága a fémhez használás OC akril 20 OC-on jó 85 jó jó autó karosszéria alkid 20 OC-on gyenge 95 gyenge kiváló autó zománc fenol-epoxi kemencében kiváló 200 jó kiváló vill. szigetelő fluor-karbon beégetéssel kiváló 260 kiváló kiváló főzőedények fenol hőhatással kiváló 170 gyenge kiváló hőnek kitett alkatrészek nylon 20 OC-on gyenge 120 gyenge kiváló siklócsapágyak polisztirol 20 OC-on jó 80 gyenge gyenge vill. tekercsek vinil-klorid 20 OC-on jó 60 kiváló kiváló bútor poliuretán 20 OC-on jó 100 jó gyenge bútor szilikon hőhatással kiváló 180 kiváló jó hőnek kitett alkatrészek sztirol-butadién 20 OC-on kiváló 70 kiváló jó sporteszközök Fémbevonatokat elsősorban fémeken, de kisebb mennyiségben műanyagokon és kerámiákon is készítenek. Az üvegre felhordott fémbevonat, a foncsor, a fém fényvisszaverő tulajdonságát használja ki a tükrök gyártásakor. A mártó, tűzi fémbevonatoláshoz a bevonat anyaga ón, ólom, cink esetleg alumínium lehet. A hordozó anyag legtöbbször acél. A bevonat olvadékát tartalmazó fürdőbe merítve, majd onnan kiemelve a darabot, vékony, azon jól tapadó fémréteg marad vissza. A tűzi horganyzott-, ónozott lemezek kiváló korrózióállóságuk és viszonylagos olcsóságuk miatt a gépkocsigyártásban, az élelmiszeriparban és az építészetben igen gyakran használt anyagok. Az acél légköri korrózióval szembeni védelmét jelenti olyan tömegtermék rézbevonata, mint amilyen a lőfegyverek hüvelyének anyaga. Villamosan szigetelő műanyagon, - poliészter lapon -, képzett villamosan vezető réz, vagy ezüstbevonatú kompozit az egyre nagyobb tömegben gyártott nyomtatott áramkörök alapanyaga.

282

8. ANYAGOK KÁROSODÁSA, ANYAGKIVÁLASZTÁS

Az eszközök, gépek, berendezések, szerkezetek alkatrészeinek, elemeinek rendkívül változatos feladatot kell ellátniuk. Használatuk, működésük, üzemeltetésük során sokféle igénybevételnek vannak kitéve. Ezek az igénybevételek az eszközök, gépek, berendezések, szerkezetek anyagát károsítják. Általánosan egy termék károsodottnak tekinthető, ha teljesen használhatatlanná válik, ha még használható ugyan, de nem képes az eredeti funkcióját megfelelően ellátni, vagy ha nem biztonságos a további használata. A károsodás megengedhető mértékének idő előtti elérése nemcsak az élettartam indokolatlan rövidülését okozza, hanem váratlansága folytán súlyos balesetek, és/vagy károk forrása is lehet. A károsodás előrehaladásának sebessége az igénybevételen kívül, természetesen attól is függ, hogy az anyag - amelyből az adott eszköz, alkatrész vagy szerkezeti elem készült -, miként képes ellenállni a fellépő igénybevételeknek. Ezért, valamely feladatra műszaki- és gazdasági szempontokat is figyelembevevő helyes anyagkiválasztás csak az anyagot érő igénybevétel és az ebből származó károsodás megfontolt elemzése útján érhető el. Valamely eszköz, alkatrész vagy szerkezeti elem anyagának tulajdonságait nemcsak az előállításához használt alapanyag vegyi összetétele, mikro- és makroszerkezete határozza meg, hanem legtöbbször az a technológia is, amellyel a terméket a kívánt alakúra, méretűre, felületűre munkálják meg. A technológia a feszültség állapot, a mikroszerkezet, esetleg az összetétel változtatásán keresztül fejti ki hatását. A technológia és a tulajdonság változás kapcsolata nyilvánvalóan igaz a hőkezelésre, amelynek kifejezetten az a célja, hogy a kiinduló anyag tulajdonságait megváltoztassa. Egyértelmű ez a tulajdonság-változás az öntés vagy a porkohászati technológiák esetében, hiszen ezeknek az alakadó eljárások során az anyag eredeti szerkezete megszűnik és egy új, öntött vagy szinterelt szerkezet jön létre. Részben az öntéshez hasonló folyamat megy végbe ömlesztő hegesztéskor is, hiszen a hegesztett kötés varrata is olvadt állapotba kerül. A lényegi különbség az öntés és a hegesztés között abból ered, hogy a hegesztett kötés varraton kívüli része szilárd állapotban marad. A varrathoz közeli, jelentős hőmérsékletre hevült anyagnak - a kötés hőhatásövezetének -, a szerkezete általában, de feszültségi állapota minden esetben megváltozik. A melegalakító technológiák - mint a kovácsolás vagy a sajtolás -, az anyag szemcseszerkezetében hoz létre jelentős változást. A hideg képlékenyalakítás okozta szerkezet- és tulajdonság-változásokról már a keményedés és a szemcse-

283


torzulás kapcsán a 4.1.2. pontban esett szó. Látszólag - az eddig felsorolt technológiákkal szemben -, a forgácsoló megmunkálásnak nincs hatása az anyag tulajdonságaira. A forgács-leválasztáskor fellépő erő - és hőhatás azonban az anyag felületi rétegének feszültségállapotát és ezáltal tulajdonságait számottevően módosítja. Ebből következően, valamely alakadó technológiá(k)val elkészült gyártmánynál figyelembe kell venni a tulajdonságoknak a feldolgozás során létrejött változásait is.

8.1

Anyagok igénybevétele és károsodása

Az eszközök, alkatrészek vagy szerkezeti elemek használatuk, működésük, üzemelésük során nemcsak mechanikai értelemben vett külső terhelésnek vannak kitéve, hanem általában változik hőmérsékletük, és a körülvevő környezet is igénybe veszi őket. A hőmérséklet-változással együtt járó tágulásukat vagy zsugorodásukat általában gátolják a hozzájuk kapcsolódó elemek. A gátolt alakváltozás a feszültség-állapot megváltozásához vezet, amely még a külső terheléssel nem rendelkező alkatrészeknél is úgynevezett termikus igénybevételt okoz. Az ilyen módon keletkező feszültséget saját feszültségnek nevezik. Ugyancsak független a külső terheléstől az önsúlyból származó igénybevétel, amelyet járulékos igénybevételnek neveznek megkülönböztetésül a funkcionális, vagy hasznos terheléstől. A környezet az anyagok felületét, illetve felületi rétegét veszi igénybe. Ez az igénybevétel származhat az anyaggal érintkező valamely agresszív közegtől, élő szervezettől, de maga a légkör és a napsugárzás is kisebb-nagyobb mértékben károsítja az anyagot.

8.1.1

Anyagok igénybevétele

Az eszközök, gépek, berendezések, szerkezetek alkatrészeinek, elemeinek anyagát időben állandó, vagy változó, az egész térfogatra és/vagy csak a felületre kiterjedő igénybevétel terheli. Az igénybevétel időbeli lefolyásának jellemző fajtáit az 57. ábra szemlélteti. Az igénybevételek két csoportba sorolhatók attól függően, hogy az anyag teljes térfogatára kiterjednek-e vagy csak a felületre korlátozódnak. A térfogatra ható igénybevételek lehetnek: ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒

húzó, nyomó, hajlító, nyíró, csavaró.

A térfogatra ható igénybevétel iránya szerint lehet egy- vagy többtengelyű, illetve összetett. A felületre ható igénybevételek lehetnek: ⇒ termikus, ⇒ vegyi, ⇒ elektrokémiai,

284


⇒ ⇒ ⇒ ⇒

áramló közeg okozta, koptató, korpuszkuláris sugárzás okozta, biológiai.

statikus igénybevétel

i g é n y b e v é t e l

mérséklődő igénybevétel

idő szabályosan ismétlődő igénybevétel

dinamikus igénybevétel

statikus igénybevételhez társult változó igénybevétel

idő

idő

idő változó igénybevétel

idő

idő

63. ábra Igénybevétel időbeli lefolyásának főbb fajtái Ezek az igénybevételek külön-külön vagy bármely kombinációjukban okozhatják az anyag károsodását.

8.1.2

Anyagok károsodása

Az eszközök, gépek, berendezések, szerkezetek alkatrészei, elemei használatuk, működésük, üzemelésük során számos olyan hatásnak vannak kitéve, amelyek működésüket, használatukat és élettartamukat hátrányosan befolyásolja.

285


A legjelentősebb károsodási fajták a: ⇒ ⇒ ⇒ ⇒

törés, leromlás, kopás, korrózió.

Az anyagkárosodás jelentőségét érzékelteti, hogy csupán a kopás és a korrózió minden évben mintegy 100 millió DM veszteséget okoz Németországban. 8.1.2.1 Törés A törés az anyagot alkotó ionok, atomok vagy molekulák közötti kapcsolat folytonosságának makroszkopikus méretű megszűnése, amelyet olyan mértékű mechanikai igénybevétel okoz, amely meghaladja a szilárd test belsejében a részecskék között ható kötőerőket. A törés bekövetkezése három részfolyamatra bontható: repedés keletkezése, repedés növekedése (stabilis szakasz) és a repedés terjedése (instabilis szakasz). A törés jellegének megállapítására szolgál: ⇒ a képlékeny alakváltozás mértéke a repedés terjedésekor (jelentős-, csekély-, nincs képlékeny alakváltozás), ⇒ a repedés terjedésekor elnyelt energia mennyisége (nagy energia - szívós anyag, csekély energia - rideg anyag), ⇒ a repedésterjedés sebessége (gyors vrep. ≈ 1000 m/s, közepes vrep. ≈ 1 m/s, lassú vrep. ≈ 1 mm/s), ⇒ a törés mechanizmusa (képlékeny alakváltozás kísérte szemcse kiszakadások, hasadás síkok mentén), ⇒ a töret felületének morfológiája (a törési felület szemcséken áthaladó transzkrisztallin törés, vagy a szemcsehatárok mentén létrejövő interkrisztallin törés), ⇒ a törési felület feszültség-tenzorhoz viszonyított helyzete alapján (normálsík törés, ha a törési felület merőleges a legnagyobb normálfeszültségre; csúszósík törés, ha ezzel párhuzamos). Meg kell említeni, hogy az anyagok töréssel szembeni ellenállása nem kizárólag az anyagtól, hanem az állapottényezőktől - a hőmérséklettől, a feszültségállapottól és ennek időbeni változásától - is függ. Bármely anyagnál az állapottényezők függvényében mindegyik felsorolt jellegű törés bekövetkezhet. A törés kialakulásának jellemző típusait a szakítás példáján keresztül vázlatosan az 64. ábra mutatja be. A törést kiváltó ok szerint szokás megkülönböztetni: ⇒ túlterhelés okozta törést, ⇒ ismétlődő igénybevétel okozta törést, ⇒ kúszás okozta törést.

286


A túlterhelés okozta törést a viszonylag gyors, vagy a hirtelen mechanikai igénybevétel-növekedés hozza létre. A törés egyaránt végbemehet képlékenyen vagy ridegen, illetve a kettő közötti átmenettel.

⇑

⇑

⇑

⇓

⇓

⇓

transzkrisztallin törés

interkrisztallin törés

képlékeny törés

⇑

⇓ kontrakció kísérte törés

⇑

⇓ csúszótörés

64. ábra Töréstípusok Akkor kíséri a törést képlékeny alakváltozás, ha az anyag a maximális csúsztatófeszültség síkjában alakváltozásra képes. A képlékeny alakváltozást elősegíti, ha a feszültségállapot háromtengelyű nyomó, a hőmérséklet viszonylag nagy és az igénybevétel-növekedés sebessége mérsékelt. A ridegtöréskor makroszkopikus méretű képlékeny alakváltozás nem következik be. Ilyenkor az anyagnak a legnagyobb húzófeszültségre merőleges felületén a terhelés, az anyagot alkotó részecskék közötti kohéziós erőket legyőzve, azokat egymástól eltávolítja. A törés rideggé válik, ha az igénybevétel növekedése igen gyors, a hőmérséklet kicsi és az anyagban a feszültségállapot egyre inkább háromtengelyű húzó-feszültségállapothoz közelít. A fémek közül a felületen középpontos, kockarácsúakra a képlékeny-, a hexagonális rácsszerkezetűekre inkább a ridegtörés a jellemző. A vasbázisú ötvözetek többsége térben középpontos, kockarácsú. Rájuk szobahőmérsékleten többé kevésbé a képlékeny-, az ez alatti úgynevezett átmeneti hőmérsékletnél kisebb hőmérsékleteken, a ridegtörés a jellemző. Hasonlóan viselkednek a polimerek is annál a hőmérsékletnél, ahol a polimer szerkezete üvegszerűvé válik. A kerámiákra a ridegtörés a jellemző, csupán az olvadáspontjukhoz nagyon közeli hőmérsékleten mutatnak képlékeny viselkedést. Az ismétlődő mechanikai igénybevétel hozza létre a fáradásos törést, amely egy időben előrehaladó, lokalizált szerkezeti változás. A mechanikai igénybevétel származhat a terhelésből, de a változó hőmérséklet okozta gátolt hőtágulás váltakozásból is. A repedés terjedésre képes méretűvé általában nagyszámú terhelés-

287


ismétlődés után nő csak. A repedés terjedése kezdetben lassú, majd a teherviselő keresztmetszet csökkenése, - így a ténylegesen ébredő feszültség növekedése -, miatt egyre gyorsul, végül a lecsökkent keresztmetszet a túlterhelésre jellemző módon eltörik. A kifáradási folyamat során a mikrorepedések elsősorban ott jönnek létre, ahol az anyagban többtengelyű húzófeszültség-csúcsok alakulnak ki. Ezek eredhetnek geometriai okokból, mint hirtelen keresztmetszet-változás, megmunkálás során keletkezett bemetszések, használat közbeni korróziós károsodások, de származhatnak az anyag inhomogenitásából is, például eltérő fázisú szemcsék határán, mint a fémbe ágyazódó salakzárványok esetén. Az ismétlődő igénybevételkor, a repedés mikrokörnyezetének feszültségállapota lényegesen eltér a keresztmetszet egészétől, ahol a feszültség nem éri el a folyáshatárt. Ezért a repedés növekedésre képessé válhat. A repedés a főfeszültség irányával kb. 45o-os szöget bezáró síkban növekszik. A terjedésre képes makroszkopikus méretű repedés az igénybevétel irányára merőlegesen, csúszási alakváltozás kíséretében nő. A repedés terjedési sebessége csekély (0.1... 100 000 µm/ciklus) mindaddig, amíg a keresztmetszet egészére nézve a feszültség, az egyre csökkenő keresztmetszetben el nem éri a szakítószilárdság értékét. A kúszás okozta törést a mechanikai igénybevétel kiváltotta - a 4.2.2.2. pontban tárgyalt -, tartós folyás hozza létre. A tartós folyás a hőre lágyuló műanyagoknál már a szobahőmérséklethez közeli hőmérsékleten is jellemző, a fémeknél ez csak többszáz fokos, a megújulást (ld. 4.1.2. pont) lehetővé tevő hőmérséklet felett lép fel. Kerámiák közül csak az üvegeknél és ezeknél is csak viszonylag nagy hőmérsékleten figyelhető meg kúszás okozta törés. 8.1.2.2 Leromlás A leromlás az anyagban igen lassan végbemenő kémiai és/vagy fizikai folyamatok következménye, amelyek az anyag tulajdonságainak többnyire kedvezőtlen változását okozzák. A leromlás változatlan körülmények között is végbemehet. Jellemzőbb viszont, hogy valamilyen energiaközlés - mint hőenergia, sugárzás vagy részecske becsapódás -, váltja ki, vagy gyorsítja fel az anyag termodinamikailag instabil állapotának stabilizálódását, ami a feszültségállapot-, szövet- vagy fázisváltozásban, esetleg a vegyi összetétel módosulásában jelentkezik. A leromlás az egyes anyagcsoportokban eltérő mechanizmussal, más-más tulajdonság megváltozását okozza. A fémeknél az öregedésként ismert folyamat során legtöbbször a túltelített szilárd oldatból atomok kiválásával molekulák képződnek, amelyek a mechanikai tulajdonságok jelentős változásához vezetnek. A folyamat a 4.1.3.2. pontban ismertetett mechanizmus szerint megy végbe. A mechanikai rezgések, mint a rugalmas hanghullámok, rezonancia esetén, kellően nagy intenzitásúak lehetnek ahhoz, hogy a képlékeny alakváltozásra képes anyagokban a 4.1.2. pontban ismertetett ernyedést kiváltva a helyi feszültségcsúcsok megszűnjenek. A részecskék becsapódásának következménye nagymértékben függ az anyag szerkezetén kívül, a részecske méretétől és energiájától. Fémek esetében elsősorban az atomenergetikai iparban üzemelő, neutron-sugárzásnak kitett berendezéseknél következhet be a tulajdonságok számottevő romlása. A becsapódó, nagy energiájú

288


neutronok egyrészt a 4.1.3.2. pontban ismertetett Frenkel-féle hibapárokat hoznak létre, másrészt az elnyelődési úthosszuk mentén energiájuk hővé alakul, ami megújulást, újrakristályosodást és/vagy fázisátalakulást okozhat. A sugárzás hatására megnő a rácsrendezettlenség, az interstíciósan elhelyezkedő részecskék száma gyarapszik. A neutron-sugárzás okozta leromlás mindezek együttes következményeként elsősorban az átmeneti hőmérséklet és a folyáshatár növekedésében, az alakváltozó képesség radikális csökkenésében, a ridegedésben jelentkezik. A polimerek károsodását szobahőmérsékleten az oxigén és/vagy az ibolyántúli sugárzás okozza. A sugárzás hatására a polimert alkotó monomerek közötti kapcsolat megszakad, depolimerizáció megy végbe. Ennek következtében a polimer szál rövidül, szilárdsága, de különösen nyúlása csökken. Oxigén jelenlétében a folyamat felgyorsul, mert a folyamat részleges reverzibilitása megszűnik azáltal, hogy a depolimerizációval szabaddá váló elsődleges, vegyi kötések az oxigén láncba épülésével lezárulnak. Több polimer-fajta, amelyek főláncában kettős karbonkötések vannak - például többek között a természetes- és mesterséges, sztirolbutadién gumiban (ld. 6.2.3. pont) -, különösen érzékenyek az ózonra. Az ózon hatására a főlánc széthasad a következők szerint:

R

H

H

C

C

H R′ + O3 ⇒ R

H

C

C O

O

H R′ ⇒ R

C

H O + R′

C

O +O

O

A kerámiákban a leromlás kiválásokkal és agglomerációval megy végbe. Ennek látható nyoma például az építőanyagok „kivirágzása”, ami általában sók kiválását jelzi. 8.1.2.3 Kopás A kopás az egymással érintkező anyagok relatív elmozdulásakor fellépő súrlódás miatt következik be. A kopás maga a szilárd anyagok felületének anyagvesztesége, amelyet kizárólag, vagy más igénybevétellel társult mechanikai igénybevétel okoz. A sűrűséggel, vagy a szilárdsággal szemben a kopásállóság nem az anyag jellemző tulajdonsága, hanem egy, a súrlódó anyagokat is magába foglaló rendszerre jellemző mutató. A kopás az érintkező felületek között - a súrlódási energia átalakulása és az anyagban való elnyelődése közben -, az erőhatás révén létrejött kapcsolat következménye. A kopást előidéző mechanizmusok a következő csoportokba sorolhatók: ⇒ felületi fáradás, ⇒ abrázió, ⇒ kemiszorpció, ⇒ adhézió. A felületi kifáradást az ismétlődő, gyakran váltakozó nyomó igénybevétel hatására fellépő Hertz-feszültség váltja ki. Az anyag kifáradása következtében repedések, majd kitöredezések lépnek fel a felületen.

289


Abrazív kopás az érintkező felületek egyenetlenségei, barázdák, karcok alakzáró kapcsolódása okozta mikroforgácsok, szemcsék leválása során jön létre. A kemiszorpciós kopás akkor következik be, ha a súrlódás okozta mechanikai igénybevételhez vegyi hatás is társul. A kémiai reakciók révén a felületen egy, az alapanyagtól eltérő tulajdonságú, a kopásnak kevésbé ellenálló réteg alakul ki, amely az igénybevétel hatására a felületről gyorsan leválik. Adhéziós kopás akkor jön létre, ha a súrlódó felületek között helyi kötések létesülnek. Az összehegedt felületrészekről az anyagrészecskék az igénybevétel hatására kitépődnek. A kopás mértékére a kapcsolatban álló felületek minőségén, az anyagok tulajdonságain kívül hatással van a mozgás jellege, kinematikája keltette igénybevétel, ami lehet: ⇒ csúszás, ⇒ gördülés, ⇒ ütközés, ⇒ lengés, ⇒ abrázió, ⇒ erózió, ⇒ kavitáció. Az eróziót áramló közegek felületi súrlódása váltja ki. Kavitációs kopást az áramló folyadékból a nagynyomású gáz-kiválások koptató hatása hozza létre. Befolyásolja még a kopás mértékét az igénybevétel időbeli lefolyása (ld. 63. ábra) vagyis statikus-, dinamikus-, rezgő- szabályos szakaszos és szabálytalan mozgás kiváltotta kopás, továbbá a mozgó rendszer állapottényezői, mint a hőmérséklet, a sebesség, a terhelés és az igénybevételi idő. A kopással szembeni ellenállás, mivel nemcsak az anyagnak, hanem az egész mozgó rendszernek a jellemzője, ezért egyetlen mutatószámmal nem minősíthető. A kopási folyamat bonyolultsága abban rejlik, hogy a kopási mechanizmusok a használat során külön-külön, együttessen, sőt egymást felváltva is jelentkezhetnek. Ezért leggyakrabban összehasonlító vizsgálatok döntik el, egy új anyag alkalmazásának előnyeit és hátrányait. Az összehasonlító vizsgálatkor egy adott feladathoz korábban alkalmazott anyag ismert kopással szembeni viselkedését hasonlítják össze az új, ismeretlen anyag viselkedésével. A kopással szembeni védelem az előzőek szerint nem korlátozódhat csupán a kopásnak kitett anyagok tulajdonságainak helyes kiválasztására. Ennek ellenére, néhány általánosnak mondható elv fogalmazható meg a kopásnak kitett eszközök, alkatrészek, szerkezeti elemek anyagának kiválasztásához. A fáradásos kopás mérsékelhető nagy felületi keménységű, de ugyanakkor nagy szívósságú anyagok alkalmazásával, amely tulajdonságok általában kérgesítéssel (ld. 4.3. pont) érhetők el. Az abrazív kopás csökkenthető, ha a kopás szempontjából fontosabb anyag (pl. a szerszám) lényegesen keményebb, mint a kopást okozó anyag. Ha ez nem érhető el, akkor igen szívós anyagot kell alkalmazni.

290


A kemoszorpció veszélye esetén a fémek helyett műanyagokat, kerámiákat, vagy ilyen bevonattal ellátott fémeket (ld. 7.4. pont) célszerű alkalmazni. Az adhézió okozta kopási károsodás elkerülhető, ha az ugyanolyan anyagpárosítások pl. a fém-fém kapcsolódás helyett bármely más anyagcsoport párosítást (pl. műanyag-fém vagy kerámia-fém) alkalmaznak. Ha feltétlen indokolt a fém-fém párosítás, akkor többfázisú fémes anyagot célszerű használni, amely lehetőleg ne felületen középpontos kockarácsú legyen. 8.1.2.4 Korrózió A korrózió valamely anyag és a környezete között fellépő olyan kémiai vagy elektrokémiai reakció, amely az anyag valamely jellemzőjét érzékelhető mértékben befolyásolja. Az anyagok és környezetük között végbemenő korróziós reakciók fázishatár reakciók, vagyis az anyag felülete és a vele érintkező gáz- vagy folyadék állapotú korróziós közeg között zajlik le. A korrózió különösen fém-tárgyakon okoz nagy károkat, de a kerámiák is korrodálódhatnak. Például a nátron-üveget az alkáli fémek vizes oldata megtámadhatja és ez akár repedés keletkezéshez is vezethet. A cementet a szulfátionokat tartalmazó oldatok támadják igen agresszíven. E példák ellenére a korróziós károsodások csaknem kizárólag a fémeknél fordulnak elő, s az évente gyártott fém mennyiségének mintegy tíz százaléka a korrózió áldozatául esett fém pótlására fordítódik. A vegyi hatás igen gyakran a szobahőmérsékletet meghaladó hőmérsékleten éri az anyagot, aminek károsítását még mechanikai igénybevétel is fokozza. A korrózió jellemző megjelenési formái: ⇒ általános korrózió, ⇒ elektrokémiai korrózió, ⇒ réskorrózió, ⇒ lyukkorrózió, ⇒ szemcsehatár korrózió, ⇒ feszültségkorrózió, ⇒ eróziós korrózió. Általános a korrózió akkor, ha a felületen a korrozív közeg egyenletes mennyiségben képez vegyületet. Egyenletes korrózió, rozsda alakul ki például párás környezetben az acél felületén (ld. 4.2.1.1.). Hasonlóan, általános korróziót okoz a kemencék füstgázzal érintkező felületén a revésedés. Ha a korrozív közeg nem gáz, mint a két előzőkben említett példánál, hanem folyadék, akkor az általános korróziónál a felületen a korrozív közeg egyenletes mennyiségben viszi oldatba az anyagot. Az oldódás során különböző mértékben oldható vegyületek keletkeznek, amelyet a közeg kisebb-nagyobb mértékben képes elszállítani. Az általános korrózió sebességét, és így a károsodás mértékét jelentősen befolyásolja az a körülmény, hogy a korrózió során keletkező reakciótermék képes-e elzárni a korrozív közegtől a korrózióval még nem befolyásolt fémet. Például az alumínium a korrózióval szembeni ellenállását annak köszönhetik, hogy a felületeken képződő korrodált réteg tömör (szemben a rozsdával) és jól tapadó (szemben a revével). A réz vízzel és

291


széndioxiddal alkotott korróziós terméke a patina kissé gyengébb védelmet jelent, mint az alumínium esetében az oxidréteg. Az általános korrózió a korróziós károsodásnak leginkább ellenőrizhető és nyomon követhető formája. Számos anyag és korrozív közegre rendelkezésre áll az évenkénti korróziós vastagság csökkenés, amire a korrozív közegben üzemelő berendezések tervezésekor a tervezett élettartamnak megfelelő korróziós vastagság-pótlékot figyelembe veszik. A fémek és ötvözeteinek elektrokémiai korróziójakor ugyanazok a folyamatok mennek végbe, mint egy galvánelemben. Ha két fém folyadékkal, mint elektrolittal érintkezik, akkor galvánelemet alkot. Ekkor a kisebb standard elektródpotenciállal rendelkező fém (ld. 4. TÁBLÁZAT) ionjai oldatba mennek, az anyag korrodálódik. A korrózióval szemben védekezni lehet teljes térfogatában korrózióálló anyagok alkalmazásával, de lényegesen olcsóbb és kielégítő megoldást jelent a bevont anyagok alkalmazása. A korrózióval szemben ellenálló fémmel - mint ón vagy cink - bevont acéllemezek (ld. 7.4. pont) egyenértékűek mindaddig, amíg a bevonat sértetlen, összefüggő fizikai védelmet nyújt. A réteg sérülése után, elektrolittal érintkezve egyenértékűségük megváltozik. Az ón standard elektródpotenciálja nagyobb mint a vasé. Ezért a vas elektrokémiai korróziója megindul. Ha viszont a kisebb standard elektródpotenciálú cinkréteg sérül meg, akkor a szabaddá vált acél felületére megindul a cinkionok vándorlása, ami egy ideig még megvédi az acélt a korróziótól. Két, különböző fém érintkezésekor kialakulhat elektrokémiai korrózió. Bronz csavar és alumínium lemez között, vagy pl. réz- és acélcső érintkezési helyén jelenik meg. Az ilyen helyeken megvalósuló csatlakozások fokozott korróziós hajlamát eleve számításba kell venni, a csavarozással kialakított kötéseknél a különnemű anyagokat a egymástól el kell szigetelni. Amennyiben ez elmarad, az anódos rész annál gyorsabban korrodál, minél nagyobb a két elektródapotenciál között fellépő különbség. Nemcsak két különböző fémnél, hanem a többfázisú ötvözeteknél is felléphet elektrokémiai korrózió. Ha egy kétfázisú fém - amilyenek az ötvözetlen acélok folyadékkal, mint elektrolittal érintkezik, akkor a ferrit anódként, a cementit katódként működik. Ekkor a ferritből vasionok lépnek ki az elektrolitba. Mikroszkopikus méretű galvánelemek egyfázisú fémekben is létrejöhetnek, ha az egyes szemcsék feszültségállapota és/vagy diszlokáció-sűrűsége eltérő. De a krisztallithatárról is könnyebben mennek oldatba az ionok, így maga a szemcsehatár is anódként szerepelhet. A korrózió egy igen gyors, és ezért is különösen veszélyes típusa a szemcsehatár korrózió (ld. 4.1.3.1. pontot). A korrodálódott szemcsehatár - mintegy repedés -, törékennyé teszi a fémet, sőt a korrózió előrehaladtával akár egyes szemcsék ki is pereghetnek a felületről. A szemcsehatár korrózió nemcsak az ausztenites szerkezetű, krómmal ötvözött acélok sajátossága, hanem hasonló folyamat megy végbe a kiválásosan keményedő Cu-Al ötvözetekben (ld. 92. TÁBLÁZAT) is. A feszültségkorrózió, a jelentős belsőfeszültséggel terhelt szerkezetekben amilyenek például a hegesztett kötés -, lép fel. A feszültségkorrózió is egy veszélyes típusa a korróziós károsodásnak. Ennek oka az, hogy a szívós, még nagy alak-változást is törés nélkül elviselő anyagoknál a korrózió révén létrejövő, finom repedés-háló radikálisan csökkenti az anyag mechanikai igénybevétellel szembeni ellenállását. A

292


kialakuló repedés illetve a töret felület gyakran szemcséken is áthalad, transzkrisztallin jellegű. Lyuk-, vagy pontkorrózió esetén a korrózió mélysége nagy, kiterjedése pedig minimális. Gyakran tűszúrásszerű a kilyukadás. A lyukkorrózió az alkáli fémionokat tartalmazó vizes oldatok esetében fordul elő. Az elektrolitba kilépő fémionok az oldat negatív ionjaival reakcióba lépnek. Ha az elektrolitban az alkáli koncentráció állandóan fennmarad, akkor a korróziós folyamat egyre gyorsul, a lyuk növekvő felülete miatt. oxigénben szegény réteg

oxigénben gazdag réteg Fe++

rozsda

korróziós ionáram OHkatód

katód anód

korróziós elektronáram

65. ábra Elektrokémiai korróziós folyamat egy vízcsepp alatt Ha a korróziót okozó közeg - az elektrolit -, áramlik, akkor az áramlás egyrészt a reakcióterméket képes elszállítani a felületről, másrészt az elektrolit is állandóan felfrissül. E két hatás együttese felgyorsítja a korróziót. Megkülönböztetésül a nyugvó elektrolit okozta lényegesen lassabb korróziótól, ezt a folyamatot eróziós korróziónak nevezik. A réskorrózió lényegében az eróziós korrózió ellentettje, amikor egy majdnem zárt térben megy végbe a korrózió, ahol a negatív ionok koncentrációja a korrózió előrehaladtával egyre csökken. A réskorróziót mutatja be az 59. ábra.

8.2

Anyagkiválasztás

A műszakilag megfelelő és ugyanakkor a minimális költségre törekvő anyagkiválasztás kizárólag iterációval érhető el. Az anyagkiválasztás rendkívül sokrétű szempontjait alapvetően két csoportba lehet sorolni, nevezetesen: ⇒ műszaki szempontok, ⇒ gazdasági szempontok, A döntési hierarhiában mindenképp a műszaki szempontoké az elsődleges szerep, mivel ha egy termék funkcióját nem, vagy nem a megkívánt biztonsággal, vagy nem az elvárható élettartamig képes ellátni, bármennyire is gazdaságos legyen az előállítása, a piac előbb-utóbb ezt a terméket elutasítja.

293


A műszaki szempontok elsődlegessége mellett is hangsúlyozni kell, hogy a műszakilag mégoly tökéletes terméket is csak akkor ésszerű gyártani, ha annak előállítási költségét a piac az árban elismeri. A termékek döntő többségénél ezért az anyagkiválasztás optimum feltétele a termék előállítási költségének és használati tulajdonságainak ésszerű összhangja. Ez az összhang azonban meglehetősen komplex kölcsönhatás révén jön létre. Az előállítási költségben a két legfontosabb összetevő: az anyag- és a gyártási technológia költsége. Ezekből következően, az anyagkiválasztás nem korlátozódhat az anyagköltség minimalizálására, mert sok esetben az olcsó alapanyag kiválasztása csekély élettartamot, kis használati biztonságot vagy nagy ráfordításigényű gyártástechnológiát von maga után.

8.2.1

Az anyagkiválasztás műszaki szempontjai

Egy ipari termék - amely valamely szükségletet hívatott kielégíteni -. megtervezésekor az ellátandó feladatból kell a mérnöknek kiindulnia. A termék funkciója egyben meghatározza fő méreteit, alakját, felületi minőségét. A méret, az alak, a felületi minőség továbbá a gyártandó darabszám, az úgynevezett sorozatnagyság számos alakadó technológia alkalmazhatóságát kizárja. Például egy többszáz m3es, nagy méretű tartály gyártásakor az öntés szinte elképzelhetetlen éppúgy, mint a kisméretű üdítőitalos dobozok gyártásához. A forgácsolási technológiáknak jelent korlátozást a termék alakja, mint például a gázpatronok gyártásakor. A felület megkívánt minősége szab korlátot az alkalmazható alakadó technológiáknak, olyan típusú termékek gyártásakor, mint például a gördülőcsapágy. A gyártandó darabszám a készülék és célszerszám költségei miatt korlátozhatja a gyártási technológia kiválasztását. A méret, az alak, a felületi minőség, a sorozatnagyság, továbbá a szóba jöhető technológia ismeretében már kijelölhetők olyan anyagcsoportok, amelyekhez tartozó anyagokból a termék legyártható. A gyártási technológiák - amint arról az acélok esetében vázlatosan a 4.2.2.4. pontban már szó esett -, az alakadó technológiák jól körülhatárolható anyagtulajdonságokat feltételeznek. Az anyagok kiválasztását némileg egyszerűsítheti, hogy a termék anyagától alapvetően két fajta tulajdonságot követelnek meg ezek a: ⇒ valamely funkcióhoz kötődő tulajdonságok, ⇒ mechanikai tulajdonságok. A nem mechanikai tulajdonságok, mint a villamos-, mágneses-, vagy optikai jellemzők, sok esetben az anyagkiválasztás meghatározó, akár kizárólagos szempontjai is lehetnek. Ha a termék meghatározó igénybevétele mechanikai, akkor a kiválasztáskor a statikus és a dinamikus igénybevétellel szembeni ellenállás mellett lényeges szempont, hogy a tulajdonságokat a termék teljes élettartama alatt meg is őrizze. Ennek érdekében ismerni kell, hogy a mechanikai igénybevétel mellett milyen egyéb károsodást okozó, például korróziós vagy koptató hatás lép fel. A mechanikai igénybevétel esetén, ismerni kell az igénybevétel fajtáján (ld. 8.1.1. pont) kívül annak időbeli lefolyását is (ld. 63. ábra). A statikus terheléskor alapvető követelmény, hogy az igénybevételt a termék maradó alakváltozás nélkül viselje el, va-

294


gyis a benne ébredő feszültség a használat során ne érje el a folyáshatár értékét. Sok esetben még a rugalmas alakváltozás mértéke is korlátozott lehet. Az ismétlődő-, valamint dinamikus igénybevételkor a megfelelő teherbíráson (kifáradási határ) kívül, kellő szívóssággal is - amit részben az ütőmunka, vagy a törési szívósság jellemez-, kell rendelkeznie az anyagnak. Az anyagkiválasztáskor igen lényeges műszaki szempont a biztonság. A biztonság - avagy a katasztrofális károsodás csekély valószínűsége -, a tervezéskor figyelembe vett biztonsági tényezőn kívül függ a tervezéskor alapadatként használt, garantált anyagjellemző tényleges értékétől, illetve annak a gyártás és a használat során bekövetkező változásától. A mechanikai igénybevételre méretezett termékek anyagának, tervezésekor figyelembe veendő garantált értékeit a szabványok, az alapanyag szállításkori állapotának megfelelő jellemzőiket a gyártói műbizonylatok tartalmazzák. Az alakadó technológiák - pl. a hegesztés vagy a képlékenyalakítás -, ezeket az anyagjellemzőket lényegesen megváltoztatják, aminek utólagos vizsgálata nem, vagy csak nagy költségek árán valósítható meg. Ezt a látszólagos ellentmondást a technológia előzetes alkalmassági vizsgálata, illetve a termékre vonatkozó, megengedhető eltérések, hibák előírása oldja fel. A döntően mechanikailag igénybe vett anyagok szilárdsági méretezésekor, illetve ellenőrzésekor használatos biztonsági tényező valamely garantált határfeszültség, például szakítószilárdság, folyáshatár vagy kifáradási határ és a termékben ténylegesen ébredő legnagyobb redukált feszültség hányadosa. A tervezéshez használatos biztonsági tényező értékét a konstruktőr az igénybevétel fajtája, a tönkremenetellel járó kár- vagy veszély nagysága, az anyag károsodáskori tulajdonságai (pl. fémeknél az alakváltozás kiváltotta szilárdságnövekedés) alapján, anyag- és költségtakarékosság figyelembevételével állapítja meg. 122. TÁBLÁZAT Alkalmazás épület szerkezetek acélszerkezetek általános gépszerkezetek fogaskerekek acél csővezeték drótkötél

BIZTONSÁGI TÉNYEZŐK JELLEMZŐ ÉRTÉKEI szakadás 1.1...1.5 2.2...2.6 2.0...4.0 2.5...3.5 2.0...3.0 8.0...20.0

Károsodás fáradt törés alakváltozás kihajlás, horpadás 1.5...2.0 1.5...1.7 3.0...4.0 2.0...3.5 1.3...2.0 2.2...3.0 1.4...1.8 3.5...5.0

A biztonsági tényezők nagyságának érzékeltetésére a 122. be néhány jellemző értéket.

TÁBLÁZAT

mutat

Az anyag-főcsoportok közötti választásban egyre nagyobb jelentőségű, hogy a termék anyaga a használatot követően újra feldolgozható e, milyen mértékben „zöld”, azaz környezetbarát. A termék igénybevételének, tervezett élettartamának, megkívánt biztonságának ismeretében általában már kellő információ áll rendelkezésre ahhoz, hogy a számításba jöhető fő anyagcsoportok között választani lehessen. Az egyes anyagtípusok közötti választáskor már elkerülhetetlen a termék költségeinek elemzése.

295


8.2.2

Az anyagkiválasztás gazdasági szempontjai

Egy ipari termék előállításának önköltsége négy fő költségelemből tevődik össze: ⇒ fejlesztési-, tervezési költségek, ⇒ anyagköltségek, ⇒ technológiai költségek, ⇒ igazgatási általános költségek. A fejlesztési és tervezési költségek a gyártmány sorozatnagyságától független, állandó költségek. Az igazgatási költségek időarányos költségek, így a gyártott mennyiségtől és részben a gyártás termelékenységétől is függnek. A gyártási költségek nagyobbrészt változó, a darabszámtól függő költségek. A technológiai költségek fő elemei: ⇒ bérköltségek és járulékaik, ⇒ energiaköltségek, ⇒ amortizációs költségek, ⇒ tőke költségek, ⇒ készülék- és szerszámköltségek. A technológiai költség elemei közül a készülék- és szerszámköltség kivételével, - amelyek jellemzően a sorozatnagyságtól független, állandó költségek -, a költségek a gyártott darabszámtól függnek, hasonlóan az anyagköltségekhez. Az állandó költségek miatt az ugyanolyan technológia esetén a sorozatnagyság növelésével az egy darabra jutó ráfordítások csökkennek. Kis darabszám esetén a csekély szerszám- és készülékköltség is jelentősen megnövelheti a technológiai költséget. Egyedi, vagy kis darabszámú termék gyártása során az alakadó technológia kiválasztásánál lényeges szempont, hogy a költségeket ugrásszerűen megnövelő egyedi készülékre, vagy célszerszámra ne legyen szükség. A gyártás készülékezése a gyártás mellékidő szükségletét, a célszerszámok alkalmazása a főidőt és ennek megfelelően az idő alapú költségeket, mint bér-, vagy általános költségeket csökkenti. Egyszerű számítással meghatározható az a minimális darabszám, amelynél az egyedi készülék- és szerszám költségek megtérülnek. A sorozatnagyságnak tömeggyártás irányába való növekedése, a fő- és mellékidők csökkenése révén célgépek, automaták alkalmazását, nagyobb termelékenységű, de nagyobb beruházási igényű technológiák alkalmazását teheti indokolttá. Az anyagköltségek két fő összetevője az: ⇒ anyag beszerzési ára, ⇒ anyagmozgatási és tárolási költségek. Az anyagköltségek alapvetően mennyiség arányosak. Az iparban használatos anyagok közül néhány jellemző anyag árát a 123. TÁBLÁZAT mutatja be súly és térfogat egységben.

296


123. TÁBLÁZAT NÉHÁNY, AZ IPARBAN HASZNÁLATOS ANYAG ÁRA 1996-BAN ÉS 2001-BEN Anyag ipari gyémánt arany szilícium egykristály szilícium polikristályos ferroszilícium (75 %-os) ezüst kobalt volfrám ferrovolfrám (80...85 %-os) szilícium-karbid szemcsék ferromolibdén (70 %-os) ferrovanádium (80 %-os) nikkel titán szivacs ferrokróm (75 %-os) sárgaréz (60/40) 2 mm-es lemez réz tömb sárgaréz (60/40) tömb cink tömb alumínium tömb gyorsacél kovácsolt rúd ausztenites acél 2 mm-es lemez ferromangán (75 %-os) szerszámacél (100Cr 6) buga szerszámacél (100Cr 6) ∅ 10...45 ötvözetlen acél ( C 45) buga szürkeöntvény pogácsa acélhulladék epoxy gyanta műgumi PVC polisztirol polietilén aramid szál (kevlon) keményfa palló fenyőfa palló nátron-üveg karbonszál üvegszál cement

Ár, USD/t Ár, USD/m3 Ár, USD/t Ár, USD/m3 1996-ban 2001-ben 420 000 000 1 550 000 000 190 000 000 750 000 000 11 000 000 205 000 000 9 300 000 174 000 000 10 000 000 23 300 000 8 000 000 19 100 000 900 2 100 1 060 2 470 800 620 160 000 1 680 000 140 000 1 470 000 62 000 550 000 26 000 231 000 28 300 545 000 9 500 335 000 14 500 7 500 1 400 4 500 1 100 3 800 15 000 4 800 13 000 8 200 7 760 69 000 4 720 42 000 5 400 24 300 4 000 18 000 4 400 960 3 800 31 500 1 700 14 100 2 480 22 100 1 500 12 500 1 650 13 700 1 360 12 100 1 050 7 500 750 5 360 1 650 4 470 1 270 3 440 3 200 25 500 1 600 13 000 2 700 21 000 1 100 10 400 500 425 500 3 900 300 2 300 520 4 050 410 2 950 390 3 000 190 1 470 330 2 400 105 760 140 95 6 000 7 500 4 000 5 000 1 400 1 700 1 100 1 500 1 000 1 400 480 650 1 300 1 360 520 550 1 100 1 000 510 460 25 000 37 500 550 400 650 520 350 200 380 215 75 165 70 155 42 000 78 000 35 000 63 000 1 400 3 300 1 900 4 700 70 190 60 165

297


8.2.3

Példák az anyagkiválasztásra

Az anyagkiválasztás meglehetősen komplex szempontjai talán jobban áttekinthetők két gyakorlati példa kapcsán. Elsőként egy igen köznapi tárgynak, a pohárnak a gyártásán keresztül kísérjük nyomon azokat a szempontokat, amelyek a pohár alapanyagának kiválasztását motiválhatják A pohár funkciója közismert, igénybevétele, a benne tárolt folyadék enyhe korróziós hatása révén, rendeltetésszerű használatkor alapvetően felületi. A pohár célszerű gyártási technológiáját az alapanyag és darabszám egyaránt befolyásolja. A különböző anyagok alkalmazhatóságának elemzési szempontjait és az átfogó megállapításokat a pohár esetében a 124. TÁBLÁZAT foglalja össze. A táblázatból látható, hogy ugyanazt a funkciót ellátó tárgyat igen különböző anyagból is elő lehet állítani. A különböző anyagú poharak más-más előnyös használati tulajdonságokkal rendelkeznek. Az anyag megváltoztatása egyben jelentős különbséget okoz a gyártási költségekben. Végül a piac dönti el, hogy a nagyobb gyártási költségek és az előnyös tulajdonságok összhangban vannak-e. 124. TÁBLÁZAT

A KÜLÖNBÖZŐ ANYAGÚ POHARAK ÖSSZEHASONLÍTÁSA

Szempont élettartam lehetséges károsodás

Ezüst Cr-Ni acél nagyon nagy nagyon nagy korrózió nincs

megbízhatóság újrahasznosítás sajátos tulajdonság

nagyon nagy igen értékhordozó

anyagköltség kis sorozatú gyártási technol. nagy sorozatú gyártási tech. kis sorozatú gyártási költség nagy sorozatú gyártási költség költség

nagyon nagy domborítás mélyhúzás nagyon nagy mérsékelt nagyon nagy

Üveg nagy törés

Műanyag Papír mérsékelt kicsi csekély horpadás, elridegedés oldódás nagyon nagy mérséklet nagy kicsi részben részben nem részben baktériumölő csiszolható kis súlyú egyszer hatású használatos nagy mérsékelt kicsi kicsi fémnyomás fúvás hajtogatás mélyhúzás sajtolás fröccsöntés préselés nagy nagy mérsékelt nagy mérsékelt kicsi kicsi nagy mérsékelt kicsi kicsi

A második példa az egyik legelterjedtebben használt gépelem, a fogaskerék anyagának kiválasztását mutatja be. A különböző anyagok alkalmazhatóságának elemzési szempontjait és az átfogó megállapításokat a fogaskerék esetében a 125. TÁBLÁZAT foglalja össze.

125. TÁBLÁZAT

298

A KÜLÖNBÖZŐ ANYAGÚ FOGASKEREKEK ÖSSZEHASONLÍTÁSA


Szempont megengedhető terhelés élettartam lehetséges károsodás megbízhatóság méretkorlátozás újrahasznosítás sajátos tulajdonság anyagköltség gyártási technológia felület kikészítés költség

Fa

Öntöttvas

Nemesített Nitridált acél Műanyag acél kicsi mérsékelt nagy nagyon nagy mérsékelt kicsi mérsékelt nagy nagyon nagy nagy biológiai-, és kifáradás kifáradásos kopás adhéziós kopás kopás kopás kicsi mérsékelt nagy nagy mérsékelt nincs nagyobb mé- kisebb ménincs kisebb méretek retek retek nem részben részben részben nem vetemedés durva felület csendes kicsi mérsékelt nagy mérsékelt kicsi forgácsolás öntés forgácsolás fröccsöntés csiszolás nincs hőkezelés, köszörülés, forgácsolás köszörülés nitridálás kicsi mérsékelt nagy nagy kicsi

A harmadik példa a különböző anyagú gépkocsi karosszériákat hasonlítja össze a 126. TÁBLÁZAT-ban. 126. TÁBLÁZAT

A KÜLÖNBÖZŐ ANYAGÚ GÉPKOCSI KAROSSZÉRIÁK ÖSSZEHASONLÍTÁSA

Szempont

Fa (Morris Mini)

Acél (Lada)

megengedhető terhelés

kicsi

nagy

élettartam

nagy

mérsékelt

biológiai kicsi igen vetemedés mérsékelt forgácsolás mérsékelten

korrózió nagy részben mérsékelt mélyhúzás igen

mérsékelt

kicsi

lehetséges károsodás megbízhatóság újrahasznosítás sajátos tulajdonság anyagköltség gyártási technológia tömeggyártásra való alkalmasság költség

Horganyzott Alumínium lemez ötvözet (Opel) (Audi A6) nagy mérsékelt

Kompozit (Forma1)

nagyon nagy nagy nagyon nagy nagyon nagy korrózió nagy nagy nagy részben igen nem kis önsúly kis önsúly közepes nagy csekély mélyhúzás mélyhúzás rétegelés igen igen nem mérsékelt

nagy

nagy

299

ACÉLOK EN 10027 SZERINTI JELÖLÉSI RENDSZERE

Az EN jelölési rendszer az acélminőségek megadására az EN 10027-1 szerinti rövid jelet és az EN 10027-2 szerinti szám jelet alkalmazza. A rövid jel elsősorban az anyagminőség előírására, míg a számjel - ami a gépi adatfeldolgozásra alkalmasabb arab számjegyekből áll - kizárólag a pontos, kereskedelmi és műszaki specifikációra szolgál. Az EN 10027-1 szabvány az acélokat felhasználási céljuk szerint két csoportra osztja. Az első csoportba azokat sorolja, amelyeknél a felhasználó számára valamilyen fizikai, mechanikai tulajdonság garantálása a legfontosabb. A másik csoportot azok az acélok alkotják, amelyeknek a vegyi összetétele garantált. A rövid jel felépítése a tulajdonságokra garantált acéloknál : kezdőjel

csak J jel lehet és kizárólag az öntvényeknél használandó

főjel(ek) a meghatározó alkalmazási terület jele pl.V szerkezeti acél fő tulajdonságjel

fő tulajdonság garantált értéke pl. folyáshatár

JVMJZFX összetételjel egy elem garantált mennyiségének tízszerese pl.FX 0.5 % Cu tartalom kiegészítő felhasználásjel kiegészítőjel kiegészítő tulajdonságjel

alkalmazási terület pl.Z időjárásálló

kiegészítő csillapítás

tulajdonság

pl.J

egy tulajdonság garantált értéke pl.M ütőmunka adott hőmérsékleten

301

MELLÉKLET

M.1 TÁBLÁZAT

TULAJDONSÁGRA GARANTÁLT ACÉLOK JELEI

Főjel

Leírás

Fő tulajdonságjel

S P L E B Y R H

szerkezeti acélok acélok nyomástartó berendezés gyártására csőacélok gépacélok betonacélok acélok előfeszített betonszerkezetekhez sínacélok nagy szilárdságú acélból hidegen hengerelt lapos termék hideghúzásra lapos termék hidegen hengerelt termékhez lapos termék melegen hengerelt termékhez lapos termék tetszőlegesen hengerelt termékhez ónozott acél csomagoló anyag elektrotechnikai acél

garantált folyáshatár, MPa garantált folyáshatár, MPa garantált folyáshatár, MPa garantált folyáshatár, MPa jellemző folyáshatár, MPa garantált szakítószilárdság, MPa garantált szakítószilárdság, MPa garantált folyáshatár, vagy szakítószilárdság, MPa speciális jellemző

DC DD DX T M

M.2 TÁBLÁZAT

ELEKTROTECHNIKAI ACÉLOK JELEI Jel

Leírás

A B E N S P

nem irányított szemcsézetű acél ötvözetlen, végső hőkezelés nélküli acélok ötvözött, végső hőkezelés nélküli acélok szokványos, irányított szemcsézetű acél kis veszteségű, irányított szemcsézetű acél nagy permeabilitású, irányított szemcsézetű acél

VIZSGÁLATI HŐMÉRSÉKLETEK JELEI

M.3 TÁBLÁZAT Jel R O 2 3 4 5 6

302

közepes Rockwell-keménység wattveszteség (W/kg) százszorosa, majd vastagság (mm) százszorosa, majd M.2. táblázat szerinti kiegészítőjel

Vizsgálati hőmérséklet, OC + 20 0 - 20 - 30 - 40 - 50 - 60

MELLÉKLET

M.4 TÁBLÁZAT

TULAJDONSÁGRA GARANTÁLT ACÉLOK KIEGÉSZÍTŐ TULAJDONSÁGJELEI Jel

Leírás

G J K L

megkülönböztetés egy vagy két kiegészítő számjeggyel 27 J garantált ütőmunka (M.3 TÁBLÁZAT) hőmérsékleten 40 J garantált ütőmunka (M.3 TÁBLÁZAT) hőmérsékleten 60 J garantált ütőmunka (M.3 TÁBLÁZAT) hőmérsékleten

TULAJDONSÁGRA GARANTÁLT ACÉLOK KIEGÉSZÍTŐ FELHASZNÁLÁSJELEI

M.5 TÁBLÁZAT

Jel

Leírás

B C D E F H L M N O P Q R S T X W

acél gázpalackok gyártásához különleges hidegalakíthatóságú tűzi-mártó eljárással bevont zománcozott kovácsolt nagy hőmérsékletű alkalmazásokhoz kis hőmérsékletű alkalmazásokhoz termomechanikusan hengerelt normalizált, vagy szabályozott hőmérsékleten hengerelt tengeri fúrótornyok építéséhez szádlemez nemesített nyomástartó berendezések számára, szobahőmérsékletre hajóépítéshez csőgyártáshoz nagy- és kis hőmérsékletre időjárásálló valamely elem vegyjele, amelyet a tartalom tízszeresének megfelelő egyjegyű szám követ

M.6 TÁBLÁZAT

ANYAG FŐCSOPORT JELEK Jel 0 1 2

Leírás nyersvasak és ferroötvözetek acélok nemvas nehézfémek

303

MELLÉKLET

A rövid jel felépítése a vegyi összetételre garantált acéloknál : kezdőjel kizárólag az öntvényeknél használandó és csak

J jel lehet

főjel anyag alcsoport jele pl.[ bármely elemmel legalább 5 %-ban ötvözött acél *

karbontartalom karbontartalom középértékének százszorosa pl. jele ötvözők vegyjele

az ötvözők vegyjele** a mennyiségük sorrendjében pl.FUQL króm-nikkel ötvözet összetétel

***

az ötvözők (egy-, négy-, tíz-, százezerszeres) mennyiségének középértéke egész számra kerekítve, csökkenő sorrendben, kötőjellel elválasztva pl.

-

J[FUQL- *

Ha egyetlen ötvöző mennyisége sem haladja meg az 5 %-ot és Mn ≥ 1% nincs jel Gyorsacéloknál nincs vegyjel, az értékek megadásának sorrendje : W-Mo-V-Co *** Összetétel szorzók : 4x(Cr, Co, Mn, Ni, Si, W) 10x(Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr) 100x(Ce, N, P, S) 1000x(B) **

Az EN 10027-2 szabvány szerint az anyagokat három elemű kód segítségével kell azonosítani : anyagjel anyag főcsoport jele pl. acél acélcsoport jele sorszám

304

acélcsoport jele pl. korrózióálló acélok, amelyek Ni ≤ 2.5 % és nem tartalmaznak Mo, Nb, Ti-t csoporton belüli sorszám pl.

MELLÉKLET

M.7 TÁBLÁZAT

ACÉLCSOPORT JELEK

Jel

Leírás

00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 15 16 17 18 20 21 22 23 24 25 26 27 28 32 33 35 36 37 38 39 40 41 43 44 45 46 47

alapacélok általános rendeltetésű acélok, ha Rm < 500 MPa nem hőkezelésre szánt egyéb szerkezeti acélok, ha Rm < 500 MPa acélok ha középértékben C < 0.12 % vagy Rm < 400 MPa acélok ha középértékben 0.12 ≤ C < 0.25 % vagy 400 ≤ Rm < 500 MPa acélok ha középértékben 0.25 ≤ C < 0.55 % vagy 500 ≤ Rm < 700 MPa acélok ha középértékben 0.55 % ≤ C vagy 700 MPa ≤ Rm acélok növelt P- vagy S-tartalommal acélok különleges fizikai tulajdonságokkal acélok egyéb felhasználásra acélok különleges fizikai tulajdonságokkal szerkezeti-, nyomástartóedény-, és gépacélok, amikor C < 0.50 % szerkezeti-, nyomástartóedény-, és gépacélok, amikor C ≥ 0.50 % szerkezeti-, nyomástartóedény-, és gépacélok, amikor C < 0.50 % szerszámacélok szerszámacélok szerszámacélok szerszámacélok Cr ötvözésű szerszámacélok Cr-Si, Cr-Mn, Cr-Mn-Si ötvözésű szerszámacélok Cr-V, Cr-V-Si, Cr-V-Mn, Cr-V-Mn-Si ötvözésű szerszámacélok Cr-Mo, Cr-Mo-V, Mo-V ötvözésű szerszámacélok Cr-W, W ötvözésű szerszámacélok Cr-W-V, W-V ötvözésű szerszámacélok W ötvözésű szerszámacélok, kivéve 24, 25 és 27 csoportba tartozókat Ni ötvözésű szerszámacélok egyéb szerszámacélok gyorsacélok Co ötvözéssel gyorsacélok Co ötvözés nélkül golyóscsapágyacélok acélok különleges mágneses tulajdonságokkal, Co ötvözés nélkül acélok különleges mágneses tulajdonságokkal, Co ötvözéssel acélok különleges fizikai tulajdonságokkal, Ni ötvözés nélkül acélok különleges fizikai tulajdonságokkal, Ni ötvözéssel korrózióálló acélok ha Ni < 2.5 % és nincs Mo, Nb vagy Ti ötvözés korrózióálló acélok ha Ni és Mo < 2.5 % és nincs Nb vagy Ti ötvözés korrózióálló acélok ha Ni ≥ 2.5 % és nincs Mo, Nb vagy Ti ötvözés korrózióálló acélok ha Ni ≥ 2.5 % és van Mo, de nincs Nb és Ti ötvözés korrózióálló acélok különleges adalékokkal vegyileg ellenálló és nagy hőszilárdságú Ni ötvözetek hőálló acélok ha Ni < 2.5 %

305

MELLÉKLET

M.7 TÁBLÁZAT FOLYTATÁSA

ACÉLCSOPORT JELEK

Jel

Leírás

48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 62 63 65 66 67 68 69 70 71 72 73 75 76 77 79 80 81 82 84 85 87 88 89

hőálló acélok ha Ni ≥ 2.5 % acélok különleges tulajdonságokkal nagyhőmérsékleten Mn-Si-Cu ötvözésű szerkezeti acélok Mn-Si, Mn-Cr ötvözésű szerkezeti acélok Mn-Cu, Mn-V, Si-V, Mn-Si-V ötvözésű szerkezeti acélok Mn-Ti, Si-Ti ötvözésű szerkezeti acélok Mo, Nb, Ti, V, W ötvözésű szerkezeti acélok B, Mn-B ötvözésű szerkezeti acélok, amikor Mn < 1.65 % Ni ötvözésű szerkezeti acélok Cr-Ni ötvözésű szerkezeti acélok, amikor Cr < 1.0 % Cr-Ni ötvözésű szerkezeti acélok, amikor 1.0 ≤ Cr < 1.5 % Cr-Ni ötvözésű szerkezeti acélok, amikor 1.5 ≤ Cr < 2.0 % Cr-Ni ötvözésű szerkezeti acélok, amikor 2.0 ≤ Cr < 3.0 % Ni-Si, Ni-Mn, Ni-Cu ötvözésű szerkezeti acélok Ni-Mo, Ni-Mo-Mn, Ni-Mo-Cu, Ni-Mo-V, Ni-Mn-V ötvözésű szerkezeti acélok Cr-Ni-Mo ötvözésű szerkezeti acélok, amikor Mo < 0.4 % és Ni < 2.0 % Cr-Ni-Mo ötvözésű szerkezeti acélok, amikor Mo < 0.4 % és 2.0 ≤ Ni < 3.5 % Cr-Ni-Mo ötv. szerk. acélok, ha Mo<0.4 % és 3.5≤ Ni<5.0 % vagy Mo≥ 0.4 % Cr-Ni-V, Cr-Ni-W, Cr-Ni-V-W ötvözésű szerkezeti acélok Cr-Ni ötvözésű szerkezeti acélok, kivéve 57...69 csoportba tartozó acélok Cr és Cr-B ötvözésű szerkezeti acélok Cr-Si, Cr-Mn, Cr-Mn-B, Cr-Si-Mn ötvözésű szerkezeti acélok Cr-Mo-B ötvözésű szerkezeti acélok, és Cr-Mo ha Mo < 0.35 % Cr-Mo ötvözésű szerkezeti acélok ha Mo ≥ 0.35 % Cr-V ötvözésű szerkezeti acélok, amikor Cr < 2.0 % Cr-V ötvözésű szerkezeti acélok, amikor Cr ≥ 2.0 % Cr-Mo-V ötvözésű szerkezeti acélok Cr-Mn-Mo, Cr-Mn-Mo-V ötvözésű szerkezeti acélok Cr-Si-Mo, Cr-Si-Mn-Mo, Cr-Si-Mo-V, Cr-Si-Mn-Mo-V ötv. szerkezeti acélok Cr-Si-V, Cr-Mn-V, Cr-Si-Mn-V ötvözésű szerkezeti acélok Cr-Mo-W, Cr-Mo-W-V ötvözésű szerkezeti acélok Cr-Si-Ti, Cr-Mn-Ti, Cr-Si-Mn-Ti ötvözésű szerkezeti acélok nitridálható acélok a felhasználó által nem hőkezelt acélok a felhasználó által nem hőkezelt, nagy szilárdságú hegeszthető acélok a felhasználó által nem hőkezelt, nagy szilárdságú hegeszthető acélok

306

MELLÉKLET

FÉMEK ÉS ÖTVÖZETEIK CR ISO 15608:2000 SZERINTI JELÖLÉSI RENDSZERE M.8 TÁBLÁZAT Főcsoport 1

2

3

4

5

FÉMEK ÉS ÖTVÖZETEIK CR ISO 15608 SZERINTI JELÖLÉSI RENDSZERE

Alcsoport Típus Acélok, amelyek folyáshatára: ReH ≤ 460 MPa, és vegyi összetétele kielégíti: C ≤ 0,25%, Si ≤ 0,60%, Mn ≤ 1,7%, Mo ≤ 0,70%, S ≤ 0,045%, P ≤ 0,045%, Cu ≤ 0,40%, Ni ≤ 0,50%, Cr ≤ 0,30% (öntvényre Cr ≤ 0,40%), Nb ≤ 0,05%, V ≤ 0,12%, Ti ≤ 0,05%, 1.1 Acélok, amelyek folyáshatára: ReH ≤ 275 MPa 1.2 Acélok, amelyek folyáshatára: 275 MPa < ReH ≤ 360 MPa 1.3 Normalizált, finomszemcsés acélok, amelyek folyáshatára: ReH > 360 MPa 1.4 Légköri korrózióval szemben fokozottan ellenálló acélok, amelyek vegyi összetétele meghaladja az 1. főcsoporthoz megadott értékeket Termomechanikusan kezelt, finomszemcsés acélok, amelynek folyáshatára: ReH > 360 MPa 2.1 Termomechanikusan kezelt, finomszemcsés acélok, amelynek folyáshatára: 360 MPa < ReH ≤ 460 MPa 2.2 Termomechanikusan kezelt, finomszemcsés acélok, amelynek folyáshatára: ReH > 460 MPa Nemesített és/vagy kiválással keményedő nem korrózióálló acélok, amelynek folyáshatára: ReH > 360 MPa 3.1 Nemesített nem korrózióálló acélok, amelynek folyáshatára: 360 MPa < ReH ≤ 690 MPa 3.2 Nemesített nem korrózióálló acélok, amelynek folyáshatára: ReH > 690 MPa 3.3 Kiválással keményedő nem korrózióálló acélok, amelynek folyáshatára: ReH > 690 MPa Vanádiummal kissé ötvözött Cr-Mo-(Ni) acélok, amelyek vegyi összetétele kielégíti: Mo ≤ 0,70%, V ≤ 0,10%, 4.1 Acélok Cr ≤ 0,30% és Ni ≤ 0,70%, 4.2 Acélok Cr ≤ 0,70% és Ni ≤ 1,50%, Vanádium mentes Cr-Mo acélok C ≤ 0,35% karbontartalommal 5.1 Acélok 0.75% < Cr ≤ 1.5% és Mo ≤ 0,70% tartalommal 5.2 Acélok 1.5% < Cr ≤ 3.5% és 0.7% < Mo ≤ 1.2% tartalommal 5.3 Acélok 3.5% < Cr ≤ 7.0% és 0.4% < Mo ≤ 0.7% tartalommal 5.4 Acélok 7.0% < Cr ≤ 10% és 0.7% < Mo ≤ 1.2% tartalommal

307

MELLÉKLET


FÉMEK ÉS ÖTVÖZETEIK JELÖLÉSI RENDSZERE

Főcsoport Alcsoport Típus 6 Vanádiummal ötvözött Cr-Mo-(Ni) acélok 6.1 Acélok 0.3% < Cr ≤ 0.75%, Mo ≤ 0,7% és V ≤ 0.35% tartalommal 6.2 Acélok 0.75% < Cr ≤ 3.5%, 0.7% < Mo ≤ 1,2% és V ≤ 0.35% tartalommal 6.3 Acélok 3.5% < Cr ≤ 7.0%, Mo ≤ 0,7% és 0.45% < V ≤ 0.55% tartalommal 6.4 Acélok 7.0% < Cr ≤ 12.5%, 0,7% < Mo ≤ 1.2% és V ≤ 0.35% tartalommal 7 Ferrites, martenzites vagy kiválásosan keményedő korrózióálló acél C ≤ 0,35% és 10.5% < Cr ≤ 30% 7.1 Ferrites korrózióálló acél 7.2 Martenzites korrózióálló acél 7.3 Kiválásosan keményedő korrózióálló acél 8 Ausztenites korrózióálló acél 8.1 Ausztenites korrózióálló acél Cr ≤ 19% tartalommal 8.2 Ausztenites korrózióálló acél Cr > 19% tartalommal 8.3 Ausztenites korrózióálló acél 4.0% < Mn ≤ 12.0% tartalommal 9 Nikkellel ötvözött acél Ni ≤ 10,0% tartalommal 9.1 Nikkellel ötvözött acél Ni ≤ 3,0% tartalommal 9.2 Nikkellel ötvözött acél 3.0% < Ni ≤ 8.0% tartalommal 9.3 Nikkellel ötvözött acél 8.0% < Ni ≤ 10.0% tartalommal 10 Ausztenites-ferrites (duplex) korrózióálló acél 10.1 Ausztenites-ferrites (duplex) korrózióálló acél Cr ≤ 24% tartalommal 10.2 Ausztenites-ferrites (duplex) korrózióálló acél Cr > 24% tartalommal 11 Az 1-es csoportba tartozó acélok, de 0.25% < C ≤ 0.5% tartalommal 11.1 A 11-es csoportba tartozó acélok, de 0.25% < C ≤ 0.35% tartalommal 11.2 A 11-es csoportba tartozó acélok, de 0.35% < C ≤ 0.5% tartalommal 21 Alumínium, legfeljebb 1%-nyi ötvöző vagy szennyező tartalommal 22 Nem hőkezelhető alumínium ötvözetek 22.1 Alumínium-mangán ötvözetek 22.2 Alumínium-magnézium ötvözetek Mg ≤ 1.5% tartalommal 22.3 Alumínium-magnézium ötvözetek 1.5% < Mg ≤ 3.5% tartalommal

308

MELLÉKLET

22.4

Alumínium-magnézium ötvözetek Mg > 3.5% tartalommal


FÉMEK ÉS ÖTVÖZETEIK JELÖLÉSI RENDSZERE

Főcsoport Alcsoport Típus 23 Hőkezelhető alumínium ötvözetek 23.1 Alumínium-magnézium-szilícium ötvözetek 23.2 Alumínium-cink-magnézium ötvözetek 24 Alumínium-szilícium ötvözetek Cu ≤ 1,0% tartalommal 24.1 Alumínium-szilícium ötvözetek Cu ≤ 1,0% és 5.0% < Si ≤ 15% tartalommal 24.2 Alumínium-szilícium-magnézium ötvözetek Cu ≤ 1,0%, 5.0% < Si ≤ 15% és 0.1% < Mg ≤ 0.8% tartalommal 25 Alumínium-szilícium-réz ötvözetek 5.0% < Si ≤ 14%, Cu > 1,0%, és Mg ≤ 0.8% tartalommal 26 Alumínium-réz ötvözetek 2.0% < Cu ≤ 6.0% tartalommal 31 Réz 32 Réz-cink ötvözetek 32.1 Kétalkotós réz-cink ötvözetek 32.2 Komplex réz-cink ötvözetek 33 Réz-ón ötvözetek 34 Réz-nikkel ötvözetek 35 Réz-alumínium ötvözetek 36 Réz-nikkel-cink ötvözetek 37 Rézötvözetek, amely nem sorolható a 31…36 csoportba, de ötvözőtartalma nem több, mint 5% 38 Rézötvözetek, amely nem sorolható a 31…36 csoportba, de ötvözőtartalma több, mint 5% 41 Nikkel 42 Nikkel-réz ötvözetek (Ni-Cu) Ni ≥ 45% és Cu ≥ 10% 43 Nikkel-króm ötvözetek (Ni-Cr-Fe-Mo) Ni ≥ 40% 44 Nikkel-molibdén ötvözetek (Ni-Mo) Ni ≥ 45% és Mo ≤ 32% 45 Nikkel-vas-króm ötvözetek (Ni-Fe-Cr) Ni ≥ 30% 46 Nikkel-króm-kobalt ötvözetek (Ni-Cr-Co) Ni ≥ 45%, Co ≥ 10% 47 Nikkel-vas-króm-réz ötvözetek (Ni-Fe-Cr-Cu) Ni ≥ 45% 48 Nikkel-vas-kobalt ötvözetek (Ni-Fe-Co-Cr-Cu) Ni ≥ 45% 51 Titán 51.1 Titán O2 < 0.20% tartalommal 51.2 Titán 0.20% < O2 ≤ 0.25% tartalommal 51.3 Titán 0.25% < O2 ≤ 0.35% tartalommal 51.4 Titán 0.35% < O2 ≤ 0.40% tartalommal 52 Alfa titán ötvözetek (Ti-0.2Pd; Ti-2.5Cu; Ti-5Al-2.5Sn; Ti-8Al-1Mo-1V; Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo; Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo)

309

MELLÉKLET

53

Alfa–béta titán ötvözetek (Ti-3Al-2.5V; Ti-6Al-6V-2Sn; Ti-7Al4Mo) M.8 TÁBLÁZAT FOLYTATÁSA FÉMEK ÉS ÖTVÖZETEIK JELÖLÉSI RENDSZERE Főcsoport Alcsoport Típus 54 Béta és béta közeli titán ötvözetek (Ti-10V-2Fe-3Al; Ti-13V-11Cr-3Al; Ti-11.5Mo-6Zz-4.5Sn; Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr) 61 Církónium 62 Církónium 2.5% Nb tartalommal 71 Szürkeöntvény előírt keménységgel/szakítószilárdsággal 72 Gömbgrafitos öntöttvas előírt mechanikai tulajdonságokkal 72.1 Gömbgrafitos öntöttvas előírt szakítószilárdsággal, egyezményes folyáshatárral, nyúlással/Brinnel keménységgel 72.2 Gömbgrafitos öntöttvas előírt ütőmunka értékkel 73 Temperöntvény 73.1 Fehér temperöntvény hegesztési célra 73.2 Fehér temperöntvény 73.3 Fekete temperöntvény 74 Ausztemperált szívós öntötöttvas 75 Ausztenites öntöttvas 75.1 Ausztenites gömbgrafitos öntöttvas meghatározott vegyi összetétellel 75.2 Ausztenites gömbgrafitos öntöttvas 75.3 Ausztenites lemezgrafitos öntöttvas 76 A 71…75 csoportba nem tartozó öntöttvasak 76.1 Kopásálló öntöttvas

310

FOGALMAK

abrazív kopás

az anyag felületén a vele érintkező közegben lévő szilárd részecskék miatt fellépő kopás

abszorpció

gázok oldódása folyadékban vagy szilárd anyagban

acél

vas karbonnal alkotott ötvözete, amelyben a vas tömeghányada minden más elemnél nagyobb és a karbontartalom nem haladja meg a 2 %-ot

adszorbció

szilárd anyag felületén fizikai jellegű kötéssel folyékony vagy gáz állapotú anyag megkötődése

agglomeráció

porok, szemcsés anyagok összetapadása

alakítási textúra

a képlékenyalakítás hatására kialakuló, az alakítás irányában torzult szemcseszerkezet

alitálás

olyan termokémiai kezelés, amelynek során a felületi réteg alumínium tartalma nő

allotróp átalakulás

fázisátalakulás, amelynek során megváltozik az anyag kristályszerkezete

amorf

rendezetlen térbeli eloszlású, nem kristályos anyag

anion

negatív töltésű ion

anizotrópia

kristályos anyagok azon sajátossága, hogy egyes tulajdonságaik különböző irányokban eltérőek

ásvány

a földkéreg valamely egynemű, természetes eredetű anyaga

átedzhető átmérő

olyan rúdnak az átmérője, amelynek középvonalában a meghatározott feltételekkel végzett edzés után a martenzittartalom 50 %

átmeneti hőmérséklet

az a hőmérséklet, amelynél az anyag törése a szívós jellegűből rideggé változik

atom

valamely elemnek kémiai módszerekkel tovább már nem bontható legkisebb részecskéje

ausztenit

a vas felületen középpontos kockarácsú szilárd oldata

bázis

olyan anyag, amely savval sót és vizet képez

bénit

az ausztenit átalakulásakor keletkező metastabilis szövetelem, amely ferritből és finom karbidkiválásokból áll

313

FOGALMAK

betétedzés

cementálás vagy nitrocementálás és az ezt követő edzés

biztonsági tényező

valamely határfeszültség (pl. folyáshatár, kifáradási határ stb.) valamint a legnagyobb ténylegesen fellépő feszültség aránya

bomlásfeszültség

a galvánelem legnagyobb elektromotoros ereje

boridálás

termokémiai kezelés amelynek során a felületi réteg bórban dúsul

bronz

réz ötvözete

cementálás

termokémiai kezelés amelynek során a felületi réteg karbonban dúsul

cementit

Fe3C összetételű vas-karbid

darabosítás

az aprítással ellentétes célú művelet, amellyel a kohósításhoz előnyösebb méretű anyag állítható elő

dekarbonizáció

termokémiai kezelés amelynek során a felületi réteg karbonban szegényedik

dendrit

faágra emlékeztető kristályos képződmény

direktredukció

a vasérc oxigéntartalmának csökkentése közvetlenül karbonnal

domén

ferromágneses vagy ferroelektromos anyagban olyan tartomány, amelyben minden elemi dipólus egyező irányú

duroplaszt

hő hatására lágyuló műanyag

dúsítás

fizikai és/vagy kémiai eljárás valamely érc fémtartalmának növelése érdekében

edzés

ausztenitesítés, majd olyan sebességgel végzett hűtés, hogy az ausztenit döntő többsége martenzitté alakuljon át

edzési repedés

akkor keletkezik, ha az edzés során az anyagban ébredő termikus húzófeszültségek meghaladják az anyag szilárdságát

edződési repedés

hegesztett kötés hőhatásővezetében/varratában martenzitképződés miatt keletkező repedés

elektródpotenciál

az elektrolit és az elektród határfelületén fellépő potenciálkülönbség

elektrolit

olvadt vagy oldott állapotú vegyület(ek), amely villamosan vezető

elektrometallurgia

a kohászatnak az az ága, amelyeknél a fémet elektrolízissel vonják ki vegyületeiből

314

FOGALMAK

elemi cella

a kristály legkisebb egysége, amely hordozza a kristály minden jellemző tulajdonságát

eloxálás

alumínium felületének oxidálása elektromos úton

emulzió

egymásban nem oldódó folyadékok szabad szemmel egyneműnek tűnő elegye

ernyedés

szobahőmérsékleten vagy ahhoz közeli hőmérsékleten az anyagot alkotó részecskék hoszabb időt igénybe vevő rendeződése a kisebb energiaszintnek megfelelő állapotba, amelyet a tulajdonságok változása kísér

erózió

kimaródás, amelyet áramló közeg a súrlódással okoz a vele érintkező anyagban

eutektikum

hűtés során ömledékből keletkező két szilárd fázis elegye

eutektoid

hűtés során homogén szilárd oldatból egyidőben keletkező két új fázis elegye

exogén

külső eredetű

extraktív metallurgia

fém kinyerését célzó kohászati eljárás

fázishatár

két különböző fázis közös felülete

fehéröntvény

karbont csak karbid formájában tartalmazó öntöttvas

fekete temperöntvény

ferrit-perlites alapszövetbe ágyazott temperszénből álló öntöttvas

feltárás

az ércek feldolgozása során valamilyen eljárással az érc fémes ásványtartalmának szabaddá tétele a további feldolgozás érdekében

fémes kötés

olyan kötés, amelyben az atomok az anyag teljes egészéhez tartozó elektronokat adnak le, amelyek csaknem szabadon mozognak az anyagban, az így létrejött pozitív ionokat a szabad elektronok keltette negatív töltésű villamos tér tartja össze

ferrit

a vas térben középpontos kockarácsú szilárd oldata

ferroötvözet

vas és valamely ötvöző elem(ek) szilárd oldata, amelyben az ötvöző elem nagy, általában a vasét meghaladó mennyiségben van jelen

feszültségcsökkentő izzítás

olyan hőmérsékleten végzett izzítás, amely nem jár szövetszerkezet változással, de érdemlegesen csökkenti a maradó feszültségeket

finomítás

olyan kohászati művelet, amelynek során a fémből a nem kívánatos elemeket vagy vegyületeket részlegesen vagy teljesen eltávolítják

315

FOGALMAK

galvanizálás

fémbevonat készítése elektromos úton

heterogén csíra

az olvadék vegyi összetételétől eltérő összetételű részecske csoportosulás, amely alkalmas arra, hogy az olvadékból rá részecskék épüljenek

hidrofil

vizzel könnyen nedvesíthető anyag

hidrofób

vizzel nem nedvesíthető anyag

hidrogénkötés

hidrogént és kis méretű, erősen elektronegatív atomot tartalmazó vegyületek közötti, poláris kötés

hidrometallurgiai eljárás

a kohászati eljárások azon csoportja, amelynél a fém kinyerését vagy tisztítását vizes oldatokból villamos energia felhasználásával végzik

hipereutektoidos acél

olyan acél, amelynek karbontartalma meghaladja az eutektoidnak megfelelő karbontartalmat

hipoeutektikus öntöttvas

olyan öntöttvas, amelynek karbontartalma kisebb, mint az eutektikumnak megfelelő karbontartalom

homogén csíra

magából az olvadékból keletkező csíra

hőkezelés

a munkadarab, vagy annak egy része hőmérsékletének időben szándékolt változtatása amelyet járulékosan más fizikai és/vagy vegyi hatással is kísér a kívánt szövetszerkezet és tulajdonságok elérése érdekében

inkoherens fázishatár

két fázis közös határa amelyben nem minden rácspont szabályos rácspontja mindkét fázisnak

intersztíciós szilárd oldat

olyan szilárd állapotú ötvözet, amelyben az ötvöző atomok az alapfém rácshézagaiba épülnek be

ion

villamos töltéssel rendelkező részecske, amely villamosan semleges atomból vagy molekulából elektron(ok) leadásával vagy beépülésével keletkezik

ionos kötés

olyan kötés, amelyben a kötésben résztvevő elektronpozitív atom(ok) egy vagy két elektront leadnak, amelyeket az elektronnegatív atom(ok) megkötnek, ezáltal a villamosan ellentétes töltésű részecskék között elektrosztatikus erő lép fel

izomorfia

vegyileg különböző anyag kristály formája hasonló

izotermás edzés

a szobahőmérsékletet meghaladó, állandó hőmérsékleten végrehajtott hőkezelés, amelynek során az ausztenit bénitté alakul át, majd az ezt követő hűtés szobahőmérsékletre

izotróp

minden irányban azonos tulajdonságú anyag

316

FOGALMAK

kavitációs kopás

az anyag felületén a vele érintkező áramló folyadékban képződő buborékok kiváltotta gyors nyomásváltozás miatt fellépő kopás

keményfém

nagy olvadáspontú elemek karbidjait tartalmazó, porkohászati úton előállított álötvözet

keménység

szilárd anyagnak valamely szilárd test behatolásával szembeni ellenállása

kemiszorpció

szilárd anyag felületén kémiai jellegű kötéssel folyékony vagy gáz állapotú anyag megkötődése

kéneskő

a rézérc dúsításának terméke, amely a szennyeződésektől eltekintve réz(I)- és vas(II)-szulfidból álló szulfidfázis

kéregöntvény

olyan öntöttvas, amelynek felülete metastabilisan, magja stabilisan, (grafitosan) kristályosodik

kérgesítő eljárás

olyan hőkezelési vagy alakítási eljárás, amelynek eredményeként a kezelt felület tulajdonsága a megváltozott feszültségállapot és/vagy szövetszerkezet miatt lényeges mértékben módosul

kifáradás

az anyag ismételt igénybevétele miatt bekövetkező törés

kikeverés

olyan hidrometallurgiai eljárás, amelynek célja a túltelített oldatból az oldott anyag egy részének kikristályosítása

kiválásos keményedés

olyan keménységnövekedés, amelyet a túltelített szilárd oldat valamely alkotójának, (vagy alkotóinak) kiválása eredményez

koherens fázishatár

két fázis közös határa amelyben minden rácspont szabályos rácspontja mindkét fázisnak

kohó

fémeknek érceikből való kinyerésére használatos kemence

kokilla

olyan, fémből, többnyire öntöttvasból készült öntőforma, amely többszöri felhasználásra alkalmas

koksz

kőszénből oxigénmentes környezetben lepárlással nyert porózus szerkezetű fűtőanyag

komplex vegyület

bonyolult összetételű vegyületek, amelyek disszociációjukkor nem teljesen esnek szét alkotóelemeikre, a keletkező komplex ionok az egyszerű ionokhoz képest új kémiai minőséget jelentenek, fontos jellemzőjük a koordinációs szám

koncentrátum

dúsított, tisztított érc

317

FOGALMAK

konstitucionális túlhűtés

az ötvözetek kristályosodásakor a kristályosodott felület és a felület-közeli olvadék közötti lényeges összetétel-különbség miatt kialakuló túlhűtés

konverter

tűzálló falazattal bélelt, buktatható tartály, amelyben olvadt állapotú fémet tisztítanak

koordinációs szám

egy atom legközelebbi szomszédjainak száma

korrózió

az anyag károsodása, amelyet a környezetével való kölcsönhatás okoz

kovalens kötés

olyan kötés, amelyben a kötést meghatározott pályán mozgó, közös elektronok létesítik

kötési energia

az az energia, amely a kötés felbontásához szükséges

kőzet

a földkérget alkotó, ásványok alkotta képződmény

kristály orientáció

a kristálytani síkok normálisai

kristályosítás

olvadékból vagy oldatból szabályos rend szerint (kristályos formában) az anyag megszilárdítása

kristályosodási repedés

kristályosodási hőmérsékletnél némileg kisebb hőmérsékleten fellépő húzófeszültség hatására keletkező repedés olyan anyagban, amely szemcséit a szemcséénél kisebb olvadáspontú vegyületek burkolják

kristályrács

kiterjedés nélküli pontok szabályos térbeli rendje

kristálytani sík

a rácspontokat tartalmazó sikok illetve egymással párhuzamos síkrendszerek

kritikus csíraméret

az ömledék kristályosodásakor a szilárd fázis legkisebb, növekedésre képes méretű eleme

kromálás

termokémiai kezelés amelynek során a felületi réteg krómban dúsul

kúszás

olyan alakváltozás, amely a folyáshatárnál kisebb feszültség hatására tartós terhelésnél következik be

lángedzés

a munkadarab felületének, vagy egy részének lánggal való felmelegítése, majd edzett szövetszer-kezetet eredményező hűtése

ledeburit

az Fe-Fe3C rendszerben keletkező eutektikum

lúgzás

olyan hidrometallurgiai eljárás, amelynek célja az érc fémtartalmának oldatba vitele

makroszkopikus dúsulás

fémöntvények egymástól távoli pontjai (pl. kéreg és mag) közötti kémiai összetételbeli különbség

maradék-ausztenit

szobahőmérsékleten az edzést követően át nem alakult ausztenit

318

FOGALMAK

martemperálás

ausztenitesítést követő hűtés olaj-, vagy sófürdőben azzal a céllal, hogy a martenzitképződést megelőzően a darab egyes részei közötti hőmérsékletkülönbség mérséklődjön és a martenzit a szobahőmérsékletre való lehűlés folyamán keletkezzék

martenzit

ausztenit diffúzió mentes átalakulásával keletkező torzult α−rácsú vas-karbon ötvözet

meddő

az érc fémásványt nem tartalmazó része

megeresztés

az edzett munkadarab felmelegítése A1-nél kisebb hőmérsékletre, majd hőntartás után a kívánt tulajdonságnak megfelelő sebességű hűtése

megeresztési ridegedés

az acél megeresztésekor kiválás miatt bekövetkező szemcsehatár gyengülések miatt az alakváltozó képesség jelentős csökkenése

megoszlási tényező

a szilárd- és a folyadékfázis koncentrációinak hányadosa

megújulás

az újrakristályosodást megelőző folyamat, amely csak nagy érzékenységű vizsgálattal kimutatható szerkezeti változásokat okoz, de a mechanikai tulajdonságokat már érdemlegesen megváltoztatja

mesterséges öregítés

a szobahőmérsékletnél nagyobb hőmérsékleten végzett öregítés

mikrodúsulás

ötvözetek szemcséin belül megfigyelhető kémiai összetételbeli különbség

mikrorepedés

szemcse méretű anyagfolytonossági hiány

monomer

egyszerű vegyület, amely ugyanolyan vagy más molekulákkal képes reagálni polimereket képezve

morfológia

kolloid (1...500 µm nagyságú részecskékből álló) rendszer alkotóinak alakja, eloszlása, elhelyezkedése

nemesítés

az edzés és az ezt követő nagy hőmérsékletű megeresztés a kívánt mechanikai tulajdonságok (általában nagy szívósság, de még megfelelő szilárdság) elérése céljából

neutron

villamos töltéssel nem rendelkező részecske, amely a protonnal az atommag alkotórésze

nitridálás

termokémiai kezelés amelynek során a felületi réteg nitrogénben dúsul

oldat

olyan szilárd vagy folyékony állapotú keverék, amely más, szilárd-, folyékony- vagy gázállapotú anyagot tartalmaz úgy, hogy az oldott anyag jelenléte mikroszkópikusan sem mutatható ki

319

FOGALMAK

oldó izzítás

olyan izzítás, amelynek célja a kiválások szilárd oldatba vitele.

öntöttvas

vas-karbon ötvözet, amelyben a karbontartalom meghaladja a 2 %-ot

öregedés

túltelített szilárd oldatú, vagy hidegen képlékenyen alakított ötvözet tulajdonságainak szobahőmérsékleten, ahhoz közeli hőmérsékleten hosszabb időtar-tam alatt végbemenő változása

ötvözet

olyan többalkotóból álló anyag, amelyben a többségben lévő anyag fém

ötvöző hőkezelés

amelynek során arra alkalmas közegben végzett hőntartással a munkadarab felületi rétege egy vagy több elem diffúziójával összetételében megváltozik

passzivitás

egy fém korrózióval szemben nemesebben viselkedik, mint ahogy azt a standardpotenciálok sorában elfoglalt helyzete indokolná

perlit

az Fe-Fe3C rendszerben keletkező eutektoid

perlites tempervas

perlites alapszövetbe ágyazott temperszénből álló öntöttvas

pirolízis

nagyobb molekulájú, bonyolult szerkezetű anyag átalakítása kisebb molekulájúvá nagyobb hőmérsékleten

pirometallurgia

a kohászati eljárások azon csoportja, amelynél a fém kinyerését vagy tisztítását nagyobb hőmérsékleten végzik

plattírozott lemez

olyan termék, amelyet a korrózióval vagy a kopással szembeni ellenállásának növelése érdekében fémmel, vagy ötvözettel vonnak be

poliaddició

olyan polimerizáció, amikor a monomerek molekula kiválás nélkül egyesülnek

polikondenzáció

olyan polimerizáció, amikor a monomerek kis molekulájú melléktermékek kiválásával egyesülnek

polimer

óriásmolekulájú szerves anyag

polimerizáció

kémiai láncreakció, amelynek során kisebb molekulájú anyag óriásmolekulájúvá alakul

polimorfia

valamely elemnek vagy vegyületnek többféle formában való kristályosodása

porkohászati eljárás

porok sajtolása, majd izzítása kevéssel az olvadáspont alatt miközben a porszemcsék között kötés jön létre

320

FOGALMAK

pörkölés

érc izzítása a kohósításra való előkészítés során

proton

pozitív elektromos töltésű stabilis elemi részecske, amely a neutronnal együtt az atommag alkotó-része

rafinálás

az anyag tisztítása szennyező- vagy nemkívánatos összetevőitől

reakció egyensúlyi állandó

a vég- és kiindulótermékek aktivitásának hányadosa

redukálószer

vegyületből az oxigén elvonására képes anyag

rendezettrácsú szilárd oldat

kétkomponensű ötvözet, amelyben az egyes alkotók szabályos rendben helyezkednek el egymáshoz képest és atomszázalékos összetételük egész szám

reve

nagy hőmérsékleten keletkező oxidréteg vasbázisú ötvözetek felületén

rideg

képlékeny alakváltozásra képtelen anyag

rozsda

kisebb hőmérsékleten keletkező, vizet is tartalmazó oxidréteg vasbázisú ötvözetek felületén

rövidtávú rendezettség

néhány atomátmérőnyi távolságban érvényesülő szabályosság

sárgaréz

réz cinkkel alkotott ötvözete

sav

olyan hidrogéntartalmú anyag, amely bázissal és fémekkel reakcióba lép miközben a fém a sav hidrogénjének helyére beépül

sokkristály

mikroszkopikus méretű kristályok halmaza alkotta szilárd anyag

stabilizáló ötvöző

a krómnál a karbonhoz nagyobb vegyrokonságot mutató elem

szekunder cementit

szilárd fázisban kiváló, Fe3C összetételű vas-karbid

szemcsehatár

két különböző szemcse közös felülete

szemcsehatár korrózió

a kristályhatár mentén végbemenő korrózió

szferoidit

közel gömb alakú karbid

szilikálás

termokémiai kezelés amelynek során a felületi réteg szilíciumban dúsul

szilikát

szilíciumot tartalmazó vegyület

szinterezés

finom szemcséjű anyag izzítása kevéssel az olvadáspont alatt miközben a szemcsék között kötés jön létre

321

FOGALMAK

szövetszerkezet

a szilárd állapotú anyag szemcséi alkotta térbeli szerkezet

szubsztitúciós szilárdoldat

olyan szilárd állapotú ötvözet, amelyben az ötvöző atomok helyettesítik az alapfémet a rácsban

szürkeöntvény

stabilisan kristályosodott öntöttvas

tartósfolyás

olyan alakváltozás, amely a folyáshatárnál kisebb feszültségnél tartós terheléskor következik be

telér

az alapkőzet ásvánnyal kitöltött, hosszan elnyúló hasadéka

temperálás

finom fázisok kiválását és/vagy gömbösödését célzó izzítás

temperszén

vaskarbid bomlásával képződő grafit

termikus disszociáció

hő hatására bekövetkező bomlás

termoplasztok

hő hatására keményedő műanyag

transzkrisztallin

szemcsén áthaladó


olyan nem egyensúlyi állapotú anyag, amelyben az oldott anyag mennyisége meghaladja az egyensúlyi oldhatóság határát

tűkristály

néhány µm átmérőjű, de annál több nagyságrenddel hosszabb kristály

újrakristályosító izzítás

hidegen alakított ötvözet izzítása az újrakristályosodás hőmérséklete alatt azzal a céllal, hogy az anyag alakítása elötti tulajdonságait legalább részlegesen visszanyerje a szövetszerkezet lényeges változása nélkül

üvegfém

amorf szerkezetű fém amely szerkezetet gyors hűtéssel érnek el

Van der Waals kötés

másodlagos kötés, amelyet elektromos dipólusok vonzása hoz létre

vasszivacs

vasérc szilárd állapotú redukciójával nyert kis karbontartalmú kohászati félgyártmány

vegyület

több elem atomjaiból álló anyag, amelynek tulajdonságai eltérnek az alkotó elemek tulajdonságaitól

vegyületkerámia

oxigént nem tartalmazó keramikus anyag

villamos ív

gázközegben végbemenő tartós villamos kisülés

vulkanizálás

kémiai folyamat, amelynek során a kaucsuk térhálós gumivá alakul át

zárvány

szilárd anyagba a megszilárdulása során beépülő idegen anyag

322

FOGALMAK

abrazív kopás

az anyag felületén a vele érintkező közegben lévő szilárd részecskék miatt fellépő kopás

abszorpció

gázok oldódása folyadékban vagy szilárd anyagban

acél

vas karbonnal alkotott ötvözete, amelyben a vas tömeghányada minden más elemnél nagyobb és a karbontartalom nem haladja meg a 2 %-ot

adszorbció

szilárd anyag felületén fizikai jellegű kötéssel folyékony vagy gáz állapotú anyag megkötődése

agglomeráció

porok, szemcsés anyagok összetapadása

alakítási textúra

a képlékenyalakítás hatására kialakuló, az alakítás irányában torzult szemcseszerkezet

alitálás

olyan termokémiai kezelés, amelynek során a felületi réteg alumínium tartalma nő

allotróp átalakulás

fázisátalakulás, amelynek során megváltozik az anyag kristályszerkezete

amorf

rendezetlen térbeli eloszlású, nem kristályos anyag

anion

negatív töltésű ion

anizotrópia

kristályos anyagok azon sajátossága, hogy egyes tulajdonságaik különböző irányokban eltérőek

ásvány

a földkéreg valamely egynemű, természetes eredetű anyaga

átedzhető átmérő

olyan rúdnak az átmérője, amelynek középvonalában a meghatározott feltételekkel végzett edzés után a martenzittartalom 50 %

átmeneti hőmérséklet

az a hőmérséklet, amelynél az anyag törése a szívós jellegűből rideggé változik

atom

valamely elemnek kémiai módszerekkel tovább már nem bontható legkisebb részecskéje

ausztenit

a vas felületen középpontos kockarácsú szilárd oldata

bázis

olyan anyag, amely savval sót és vizet képez

bénit

az ausztenit átalakulásakor keletkező metastabilis szövetelem, amely ferritből és finom karbidkiválásokból áll

313

FOGALMAK

betétedzés

cementálás vagy nitrocementálás és az ezt követő edzés

biztonsági tényező

valamely határfeszültség (pl. folyáshatár, kifáradási határ stb.) valamint a legnagyobb ténylegesen fellépő feszültség aránya

bomlásfeszültség

a galvánelem legnagyobb elektromotoros ereje

boridálás

termokémiai kezelés amelynek során a felületi réteg bórban dúsul

bronz

réz ötvözete

cementálás

termokémiai kezelés amelynek során a felületi réteg karbonban dúsul

cementit

Fe3C összetételű vas-karbid

darabosítás

az aprítással ellentétes célú művelet, amellyel a kohósításhoz előnyösebb méretű anyag állítható elő

dekarbonizáció

termokémiai kezelés amelynek során a felületi réteg karbonban szegényedik

dendrit

faágra emlékeztető kristályos képződmény

direktredukció

a vasérc oxigéntartalmának csökkentése közvetlenül karbonnal

domén

ferromágneses vagy ferroelektromos anyagban olyan tartomány, amelyben minden elemi dipólus egyező irányú

duroplaszt

hő hatására lágyuló műanyag

dúsítás

fizikai és/vagy kémiai eljárás valamely érc fémtartalmának növelése érdekében

edzés

ausztenitesítés, majd olyan sebességgel végzett hűtés, hogy az ausztenit döntő többsége martenzitté alakuljon át

edzési repedés

akkor keletkezik, ha az edzés során az anyagban ébredő termikus húzófeszültségek meghaladják az anyag szilárdságát

edződési repedés

hegesztett kötés hőhatásővezetében/varratában martenzitképződés miatt keletkező repedés

elektródpotenciál

az elektrolit és az elektród határfelületén fellépő potenciálkülönbség

elektrolit

olvadt vagy oldott állapotú vegyület(ek), amely villamosan vezető

elektrometallurgia

a kohászatnak az az ága, amelyeknél a fémet elektrolízissel vonják ki vegyületeiből

314

FOGALMAK

elemi cella

a kristály legkisebb egysége, amely hordozza a kristály minden jellemző tulajdonságát

eloxálás

alumínium felületének oxidálása elektromos úton

emulzió

egymásban nem oldódó folyadékok szabad szemmel egyneműnek tűnő elegye

ernyedés

szobahőmérsékleten vagy ahhoz közeli hőmérsékleten az anyagot alkotó részecskék hoszabb időt igénybe vevő rendeződése a kisebb energiaszintnek megfelelő állapotba, amelyet a tulajdonságok változása kísér

erózió

kimaródás, amelyet áramló közeg a súrlódással okoz a vele érintkező anyagban

eutektikum

hűtés során ömledékből keletkező két szilárd fázis elegye

eutektoid

hűtés során homogén szilárd oldatból egyidőben keletkező két új fázis elegye

exogén

külső eredetű

extraktív metallurgia

fém kinyerését célzó kohászati eljárás

fázishatár

két különböző fázis közös felülete

fehéröntvény

karbont csak karbid formájában tartalmazó öntöttvas

fekete temperöntvény

ferrit-perlites alapszövetbe ágyazott temperszénből álló öntöttvas

feltárás

az ércek feldolgozása során valamilyen eljárással az érc fémes ásványtartalmának szabaddá tétele a további feldolgozás érdekében

fémes kötés

olyan kötés, amelyben az atomok az anyag teljes egészéhez tartozó elektronokat adnak le, amelyek csaknem szabadon mozognak az anyagban, az így létrejött pozitív ionokat a szabad elektronok keltette negatív töltésű villamos tér tartja össze

ferrit

a vas térben középpontos kockarácsú szilárd oldata

ferroötvözet

vas és valamely ötvöző elem(ek) szilárd oldata, amelyben az ötvöző elem nagy, általában a vasét meghaladó mennyiségben van jelen

feszültségcsökkentő izzítás

olyan hőmérsékleten végzett izzítás, amely nem jár szövetszerkezet változással, de érdemlegesen csökkenti a maradó feszültségeket

finomítás

olyan kohászati művelet, amelynek során a fémből a nem kívánatos elemeket vagy vegyületeket részlegesen vagy teljesen eltávolítják

315

FOGALMAK

galvanizálás

fémbevonat készítése elektromos úton

heterogén csíra

az olvadék vegyi összetételétől eltérő összetételű részecske csoportosulás, amely alkalmas arra, hogy az olvadékból rá részecskék épüljenek

hidrofil

vizzel könnyen nedvesíthető anyag

hidrofób

vizzel nem nedvesíthető anyag

hidrogénkötés

hidrogént és kis méretű, erősen elektronegatív atomot tartalmazó vegyületek közötti, poláris kötés

hidrometallurgiai eljárás

a kohászati eljárások azon csoportja, amelynél a fém kinyerését vagy tisztítását vizes oldatokból villamos energia felhasználásával végzik

hipereutektoidos acél

olyan acél, amelynek karbontartalma meghaladja az eutektoidnak megfelelő karbontartalmat

hipoeutektikus öntöttvas

olyan öntöttvas, amelynek karbontartalma kisebb, mint az eutektikumnak megfelelő karbontartalom

homogén csíra

magából az olvadékból keletkező csíra

hőkezelés

a munkadarab, vagy annak egy része hőmérsékletének időben szándékolt változtatása amelyet járulékosan más fizikai és/vagy vegyi hatással is kísér a kívánt szövetszerkezet és tulajdonságok elérése érdekében

inkoherens fázishatár

két fázis közös határa amelyben nem minden rácspont szabályos rácspontja mindkét fázisnak

intersztíciós szilárd oldat

olyan szilárd állapotú ötvözet, amelyben az ötvöző atomok az alapfém rácshézagaiba épülnek be

ion

villamos töltéssel rendelkező részecske, amely villamosan semleges atomból vagy molekulából elektron(ok) leadásával vagy beépülésével keletkezik

ionos kötés

olyan kötés, amelyben a kötésben résztvevő elektronpozitív atom(ok) egy vagy két elektront leadnak, amelyeket az elektronnegatív atom(ok) megkötnek, ezáltal a villamosan ellentétes töltésű részecskék között elektrosztatikus erő lép fel

izomorfia

vegyileg különböző anyag kristály formája hasonló

izotermás edzés

a szobahőmérsékletet meghaladó, állandó hőmérsékleten végrehajtott hőkezelés, amelynek során az ausztenit bénitté alakul át, majd az ezt követő hűtés szobahőmérsékletre

izotróp

minden irányban azonos tulajdonságú anyag

316

FOGALMAK

kavitációs kopás

az anyag felületén a vele érintkező áramló folyadékban képződő buborékok kiváltotta gyors nyomásváltozás miatt fellépő kopás

keményfém

nagy olvadáspontú elemek karbidjait tartalmazó, porkohászati úton előállított álötvözet

keménység

szilárd anyagnak valamely szilárd test behatolásával szembeni ellenállása

kemiszorpció

szilárd anyag felületén kémiai jellegű kötéssel folyékony vagy gáz állapotú anyag megkötődése

kéneskő

a rézérc dúsításának terméke, amely a szennyeződésektől eltekintve réz(I)- és vas(II)-szulfidból álló szulfidfázis

kéregöntvény

olyan öntöttvas, amelynek felülete metastabilisan, magja stabilisan, (grafitosan) kristályosodik

kérgesítő eljárás

olyan hőkezelési vagy alakítási eljárás, amelynek eredményeként a kezelt felület tulajdonsága a megváltozott feszültségállapot és/vagy szövetszerkezet miatt lényeges mértékben módosul

kifáradás

az anyag ismételt igénybevétele miatt bekövetkező törés

kikeverés

olyan hidrometallurgiai eljárás, amelynek célja a túltelített oldatból az oldott anyag egy részének kikristályosítása

kiválásos keményedés

olyan keménységnövekedés, amelyet a túltelített szilárd oldat valamely alkotójának, (vagy alkotóinak) kiválása eredményez

koherens fázishatár

két fázis közös határa amelyben minden rácspont szabályos rácspontja mindkét fázisnak

kohó

fémeknek érceikből való kinyerésére használatos kemence

kokilla

olyan, fémből, többnyire öntöttvasból készült öntőforma, amely többszöri felhasználásra alkalmas

koksz

kőszénből oxigénmentes környezetben lepárlással nyert porózus szerkezetű fűtőanyag

komplex vegyület

bonyolult összetételű vegyületek, amelyek disszociációjukkor nem teljesen esnek szét alkotóelemeikre, a keletkező komplex ionok az egyszerű ionokhoz képest új kémiai minőséget jelentenek, fontos jellemzőjük a koordinációs szám

koncentrátum

dúsított, tisztított érc

317

FOGALMAK

konstitucionális túlhűtés

az ötvözetek kristályosodásakor a kristályosodott felület és a felület-közeli olvadék közötti lényeges összetétel-különbség miatt kialakuló túlhűtés

konverter

tűzálló falazattal bélelt, buktatható tartály, amelyben olvadt állapotú fémet tisztítanak

koordinációs szám

egy atom legközelebbi szomszédjainak száma

korrózió

az anyag károsodása, amelyet a környezetével való kölcsönhatás okoz

kovalens kötés

olyan kötés, amelyben a kötést meghatározott pályán mozgó, közös elektronok létesítik

kötési energia

az az energia, amely a kötés felbontásához szükséges

kőzet

a földkérget alkotó, ásványok alkotta képződmény

kristály orientáció

a kristálytani síkok normálisai

kristályosítás

olvadékból vagy oldatból szabályos rend szerint (kristályos formában) az anyag megszilárdítása

kristályosodási repedés

kristályosodási hőmérsékletnél némileg kisebb hőmérsékleten fellépő húzófeszültség hatására keletkező repedés olyan anyagban, amely szemcséit a szemcséénél kisebb olvadáspontú vegyületek burkolják

kristályrács

kiterjedés nélküli pontok szabályos térbeli rendje

kristálytani sík

a rácspontokat tartalmazó sikok illetve egymással párhuzamos síkrendszerek

kritikus csíraméret

az ömledék kristályosodásakor a szilárd fázis legkisebb, növekedésre képes méretű eleme

kromálás

termokémiai kezelés amelynek során a felületi réteg krómban dúsul

kúszás

olyan alakváltozás, amely a folyáshatárnál kisebb feszültség hatására tartós terhelésnél következik be

lángedzés

a munkadarab felületének, vagy egy részének lánggal való felmelegítése, majd edzett szövetszer-kezetet eredményező hűtése

ledeburit

az Fe-Fe3C rendszerben keletkező eutektikum

lúgzás

olyan hidrometallurgiai eljárás, amelynek célja az érc fémtartalmának oldatba vitele

makroszkopikus dúsulás

fémöntvények egymástól távoli pontjai (pl. kéreg és mag) közötti kémiai összetételbeli különbség

maradék-ausztenit

szobahőmérsékleten az edzést követően át nem alakult ausztenit

318

FOGALMAK

martemperálás

ausztenitesítést követő hűtés olaj-, vagy sófürdőben azzal a céllal, hogy a martenzitképződést megelőzően a darab egyes részei közötti hőmérsékletkülönbség mérséklődjön és a martenzit a szobahőmérsékletre való lehűlés folyamán keletkezzék

martenzit

ausztenit diffúzió mentes átalakulásával keletkező torzult α−rácsú vas-karbon ötvözet

meddő

az érc fémásványt nem tartalmazó része

megeresztés

az edzett munkadarab felmelegítése A1-nél kisebb hőmérsékletre, majd hőntartás után a kívánt tulajdonságnak megfelelő sebességű hűtése

megeresztési ridegedés

az acél megeresztésekor kiválás miatt bekövetkező szemcsehatár gyengülések miatt az alakváltozó képesség jelentős csökkenése

megoszlási tényező

a szilárd- és a folyadékfázis koncentrációinak hányadosa

megújulás

az újrakristályosodást megelőző folyamat, amely csak nagy érzékenységű vizsgálattal kimutatható szerkezeti változásokat okoz, de a mechanikai tulajdonságokat már érdemlegesen megváltoztatja

mesterséges öregítés

a szobahőmérsékletnél nagyobb hőmérsékleten végzett öregítés

mikrodúsulás

ötvözetek szemcséin belül megfigyelhető kémiai összetételbeli különbség

mikrorepedés

szemcse méretű anyagfolytonossági hiány

monomer

egyszerű vegyület, amely ugyanolyan vagy más molekulákkal képes reagálni polimereket képezve

morfológia

kolloid (1...500 µm nagyságú részecskékből álló) rendszer alkotóinak alakja, eloszlása, elhelyezkedése

nemesítés

az edzés és az ezt követő nagy hőmérsékletű megeresztés a kívánt mechanikai tulajdonságok (általában nagy szívósság, de még megfelelő szilárdság) elérése céljából

neutron

villamos töltéssel nem rendelkező részecske, amely a protonnal az atommag alkotórésze

nitridálás

termokémiai kezelés amelynek során a felületi réteg nitrogénben dúsul

oldat

olyan szilárd vagy folyékony állapotú keverék, amely más, szilárd-, folyékony- vagy gázállapotú anyagot tartalmaz úgy, hogy az oldott anyag jelenléte mikroszkópikusan sem mutatható ki

319

FOGALMAK

oldó izzítás

olyan izzítás, amelynek célja a kiválások szilárd oldatba vitele.

öntöttvas

vas-karbon ötvözet, amelyben a karbontartalom meghaladja a 2 %-ot

öregedés

túltelített szilárd oldatú, vagy hidegen képlékenyen alakított ötvözet tulajdonságainak szobahőmérsékleten, ahhoz közeli hőmérsékleten hosszabb időtar-tam alatt végbemenő változása

ötvözet

olyan többalkotóból álló anyag, amelyben a többségben lévő anyag fém

ötvöző hőkezelés

amelynek során arra alkalmas közegben végzett hőntartással a munkadarab felületi rétege egy vagy több elem diffúziójával összetételében megváltozik

passzivitás

egy fém korrózióval szemben nemesebben viselkedik, mint ahogy azt a standardpotenciálok sorában elfoglalt helyzete indokolná

perlit

az Fe-Fe3C rendszerben keletkező eutektoid

perlites tempervas

perlites alapszövetbe ágyazott temperszénből álló öntöttvas

pirolízis

nagyobb molekulájú, bonyolult szerkezetű anyag átalakítása kisebb molekulájúvá nagyobb hőmérsékleten

pirometallurgia

a kohászati eljárások azon csoportja, amelynél a fém kinyerését vagy tisztítását nagyobb hőmérsékleten végzik

plattírozott lemez

olyan termék, amelyet a korrózióval vagy a kopással szembeni ellenállásának növelése érdekében fémmel, vagy ötvözettel vonnak be

poliaddició

olyan polimerizáció, amikor a monomerek molekula kiválás nélkül egyesülnek

polikondenzáció

olyan polimerizáció, amikor a monomerek kis molekulájú melléktermékek kiválásával egyesülnek

polimer

óriásmolekulájú szerves anyag

polimerizáció

kémiai láncreakció, amelynek során kisebb molekulájú anyag óriásmolekulájúvá alakul

polimorfia

valamely elemnek vagy vegyületnek többféle formában való kristályosodása

porkohászati eljárás

porok sajtolása, majd izzítása kevéssel az olvadáspont alatt miközben a porszemcsék között kötés jön létre

320

FOGALMAK

pörkölés

érc izzítása a kohósításra való előkészítés során

proton

pozitív elektromos töltésű stabilis elemi részecske, amely a neutronnal együtt az atommag alkotó-része

rafinálás

az anyag tisztítása szennyező- vagy nemkívánatos összetevőitől

reakció egyensúlyi állandó

a vég- és kiindulótermékek aktivitásának hányadosa

redukálószer

vegyületből az oxigén elvonására képes anyag

rendezettrácsú szilárd oldat

kétkomponensű ötvözet, amelyben az egyes alkotók szabályos rendben helyezkednek el egymáshoz képest és atomszázalékos összetételük egész szám

reve

nagy hőmérsékleten keletkező oxidréteg vasbázisú ötvözetek felületén

rideg

képlékeny alakváltozásra képtelen anyag

rozsda

kisebb hőmérsékleten keletkező, vizet is tartalmazó oxidréteg vasbázisú ötvözetek felületén

rövidtávú rendezettség

néhány atomátmérőnyi távolságban érvényesülő szabályosság

sárgaréz

réz cinkkel alkotott ötvözete

sav

olyan hidrogéntartalmú anyag, amely bázissal és fémekkel reakcióba lép miközben a fém a sav hidrogénjének helyére beépül

sokkristály

mikroszkopikus méretű kristályok halmaza alkotta szilárd anyag

stabilizáló ötvöző

a krómnál a karbonhoz nagyobb vegyrokonságot mutató elem

szekunder cementit

szilárd fázisban kiváló, Fe3C összetételű vas-karbid

szemcsehatár

két különböző szemcse közös felülete

szemcsehatár korrózió

a kristályhatár mentén végbemenő korrózió

szferoidit

közel gömb alakú karbid

szilikálás

termokémiai kezelés amelynek során a felületi réteg szilíciumban dúsul

szilikát

szilíciumot tartalmazó vegyület

szinterezés

finom szemcséjű anyag izzítása kevéssel az olvadáspont alatt miközben a szemcsék között kötés jön létre

321

FOGALMAK

szövetszerkezet

a szilárd állapotú anyag szemcséi alkotta térbeli szerkezet

szubsztitúciós szilárdoldat

olyan szilárd állapotú ötvözet, amelyben az ötvöző atomok helyettesítik az alapfémet a rácsban

szürkeöntvény

stabilisan kristályosodott öntöttvas

tartósfolyás

olyan alakváltozás, amely a folyáshatárnál kisebb feszültségnél tartós terheléskor következik be

telér

az alapkőzet ásvánnyal kitöltött, hosszan elnyúló hasadéka

temperálás

finom fázisok kiválását és/vagy gömbösödését célzó izzítás

temperszén

vaskarbid bomlásával képződő grafit

termikus disszociáció

hő hatására bekövetkező bomlás

termoplasztok

hő hatására keményedő műanyag

transzkrisztallin

szemcsén áthaladó


olyan nem egyensúlyi állapotú anyag, amelyben az oldott anyag mennyisége meghaladja az egyensúlyi oldhatóság határát

tűkristály

néhány µm átmérőjű, de annál több nagyságrenddel hosszabb kristály

újrakristályosító izzítás

hidegen alakított ötvözet izzítása az újrakristályosodás hőmérséklete alatt azzal a céllal, hogy az anyag alakítása elötti tulajdonságait legalább részlegesen visszanyerje a szövetszerkezet lényeges változása nélkül

üvegfém

amorf szerkezetű fém amely szerkezetet gyors hűtéssel érnek el

Van der Waals kötés

másodlagos kötés, amelyet elektromos dipólusok vonzása hoz létre

vasszivacs

vasérc szilárd állapotú redukciójával nyert kis karbontartalmú kohászati félgyártmány

vegyület

több elem atomjaiból álló anyag, amelynek tulajdonságai eltérnek az alkotó elemek tulajdonságaitól

vegyületkerámia

oxigént nem tartalmazó keramikus anyag

villamos ív

gázközegben végbemenő tartós villamos kisülés

vulkanizálás

kémiai folyamat, amelynek során a kaucsuk térhálós gumivá alakul át

zárvány

szilárd anyagba a megszilárdulása során beépülő idegen anyag

322

TÁRGYMUTATÓ A, Á abszorpció, 188, 229, 315 acél -átmeneti hőmérséklete, 66, 143, 154, 156, 178, 197, 287, 289, 315 -csillapítása, 155 -csillapított, 92, 174, 198, 199, 210, 230, 234 -dezoxidálása, 67, 157 -félig csillapított, 92, 93 -foszfortartalmú, 59 -frissítése, 63 -gázszennyezői, 74 -gyártása, 9 -hengerelt, 72 -hulladék, 54, 55, 58, 61-65, 297 -hűlése, 143 -karbontartalma, 57, 130, 172, 187, 188, 230 -keménysége, 147, 172, 176, 199, 203, 209, 212 -kéntartalma, 64 -kristályosodása, 58, 92, 192 -különleges fizikai tulajdonságokkal, 123 -légköri korrózióval szembeni védelme, 282 -nemesítése, 184 -oldott oxidtartalma, 68 -összetétele, 55, 73, 234 -ötvözése, 67 -ötvözői, 232 -perlites szerkezetű, 170 -repedési hajlama, 58 -ridegedése, 59 -ridegtörési hajlama, 74 -szakadási nyúlása, 157 -szemcsedurvulása, 234 -szennyezői, 155 -szferoiditos, 170 -szilárdsága, 127, 189, 197 -szívóssága, 127, 202, 204, 206 -szövetszerkezete, 208 -tisztítása, 66, 72, 74 -tönkremenetele, 188 -tulajdonságai, 174 -ütőmunkája, 183 -vákuumozása, 73 acél kezelése -gázátfúvatással, 74 -szilárd anyag injektálásával, 71 acélban, -oldhatatlan anyag, 67 -oldódó szennyező, 72 acélcső, 157, 189 -spirálvarratos, 157 acélfürdő, 72, 73, 74 -hőmérséklete, 69, 70, 72

acélgyártás, 6, 9, 50, 52-57, 59-61, 65, 67, 94, 127, 143, 153, 183 acélgyártó eljárás, 61 acélgyártó kemence, 67 acélhuzal gyengén ötvözött, 196 acélöntvény, 66, 151, 159, 161 -ötvözetlen, 159 acélvázas magasépítmény, 158 acetilén, 226, 250 adag, -kéntartalma, 59 -kikészítési ideje, 9, 61, 65 -megolvadása, 64 adalék, 229, 245, 259, 264, 265, 271 adalékanyag -szemcsés, 271 adalékolás, 271 adhézió, 289, 291 adszorbció, 29, 33, 187, 188, 228 -acél felületén, 229 affinitás -karbon iránti, 130 -kén iránti, 9, 49 agglomeráció, 33, 289 agglomerátum, 34, 47 agresszív közeg, 131, 284 agyag, 4, 246, 247 -alakítható állapotú, 246 -formázható, 4 ágyazat, 271, 279, 280 ágyazó -fém, 279 -kerámia, 272 -mátrix, 137 ágyazó martenzit -karbontartalma, 204 -megeresztésállósága, 203 ágyazóanyag, 269, 270, 272-275, 277-279 -minősége, 277 -rugalmas alakváltozása, 271 -szilárdsága, 272 akril, 282 aktív komponens, 74 aktivitás, 24, 35, 38, 39, 50, 55, 58, 68, 73, 323 -vasé, 55, 68 Al2Cu, Al2CuMg, Al2Mg3Zn3 216, 218 alakadó technológia, 4, 66, 105, 115, 119, 149, 162, 191, 192, 221, 245, 271, 294, 295 alakítás, 103-105, 110, 111, 192, 194, 198, 315 alakítás hatása, 104 alakítási -mérték, 104, 110, 111, 195 -szilárdság, 195 -textúra, 97 alakítási keményedés, 103, 194, 195, 279 alakíthatóság, 22, 271

323

TÁRGYMUTATÓ

alakító -eljárás, 280 -szerszám, 195, 278 alakított -anyag, 109, 111, 199 alakváltozás, 22, 103, 104, 142, 144, 147, 168, 181, 185187, 197, 202, 203, 273, 287, 292, 295, 320, 324 -csúszási, 288 -gátolt, 284 -okozta keményedés, 186 -rugalmas, 295 -sebessége, 187 alakváltozó képesség, 22, 24, 99, 104, 105, 108, 115, 117, 119, 125, 147, 148, 150, 151, 154, 155, 166, 181, 192, 194-197, 215, 217, 219, 225, 259, 287, 289 -kimerülése, 105 alakzáró kötés, 245 alapanyag, 10, 11, 13, 30, 33, 40, 42, 43, 50, 52, 79, 115, 152, 162, 211, 222, 236, 244, 246, 247, 254, 261, 281, 282, 283, 290, 294, 295, 298 alapfém, 125, 149, 217, 318 alaplemez, 281 alapszövet, 126, 165, 187, 210, 217 -perlittartalma, 165 alapszövetbe ágyazott, 187, 202, 317, 322 Al-Cu ötvözet -kétalkotós állapotábra, 217 -kiválásos keményítése, 218 alitálás, 228, 315 alkáli fém, 24, 291 -ion, 293 alkalmazási terület, 8, 99, 122, 135, 139, 178, 182, 187, 194, 214, 221, 222, 235, 240, 241, 277, 280, 281 alkatrész, 157, 283 alkid, 282 alkohol, 250 -kétértékű, 254 alkotó, 20, 43, 79, 87, 88, 90, 120, 138, 245 állandó dipólusú részecskék, 16 allotróp átalakulás, 136, 141, 172, 315 allotróp módosulat, 121, 147 allotrópia, 119 AlN, 70, 141, 200 aluminátlúg, 33 alumínium, 3, 9-11, 17, 20, 24-27, 33, 37, 38, 40-42, 47, 48, 55, 61, 67-71, 73, 75, 76, 89, 94, 96, 99-101, 103, 104, 111, 113, 117-119, 123, 127, 136-138, 141-143, 152, 153, 161, 163, 198, 214, 216, 218, 220, 222, 225, 228, 234, 242, 245-247, 275, 278-280, 282, 291, 292, 297, 310, 311, 315, 317 -elektrolízise, 11, 33, 38, 40, 41, 42 -előállításához szükséges alapanyagok, 42 -hulladékot, 75 -intermetallikus vegyületet, 228 -ion, 245 -ipari tisztaságú, 99, 102 -kinyerése, 37 -klorid, 9 -kohósítása, 40 -ötvözése, 136, 137

326

-tisztítandó, 75 alumíniumbronz, 117, 148 -mechanikai tulajdonságai, 118 -összetétele, 148 alumíniumkohó, 40 alumínium-magnézium ötvözet, 119 alumíniummal -csillapított acél, 198 -ötvözött, 123, 234 alumínium-oxid, 9, 10, 31, 33, 36, 40-42, 44, 47, 48, 55, 68, 70, 72, 73, 136, 141, 241-243, 245-247, 275, 280, -bontása, 42 -szilárd, 33 alumíniumötvözet, 101, 119, 149 aminok, 264 ammónia, 233, 252 amorf, 21- 23, 84, 245, 247, 258, 260, 315, 324 anion, 23, 37, 40, 47, 315 anizotrópia, 22, 72, 91, 269, 275, 315 anód, 37, 39, 40, 42, 75, 76, 77, 292 -fém, 75 -iszap, 77 -réz szennyezői, 77 antimon, 77 anyag -alkalmazása, 191, 290 -ára, 296, 297 -entrópiája, 35 -károsodása, 283, 285, 286 -kifáradása, 289 -mikroszerkezete, 14 -nedvesedő, 29 -nemesített állapotú, 227 -részecskéi, 290 -szervetlen, 1, 235 -természetes eredetű, 11 -tulajdonságai, 13, 21, 97, 149, 166, 283, 284, 288, 290, 294, 295 -viselkedése, 290 anyagfelhasználás, 1, 2 anyagkiválasztás, 283, 290, 293, 294, 296, 298 -gazdasági szempontjai, 296 -műszaki szempontjai, 294 anyagmegmunkálás, 202 aprószemcsés, 71 arany, 25, 28, 35, 43, 76, 100, 117, 297 argon, 15, 74, 181, 238 arzén, 76, 77, 91 ásvány, 4, 25-29, 31, 34, 47, 50, 243, 244, 320 -fémé, 25-28, 31 -molibdéné, 29 ásvány-előkészítés, 27, 28, 29, 36 ásványolaj, 250 aszfalt, 271 ataktikus szerkezet, 255 átalakulás, 120, 137, 143, 144-147, 163, 166, 172, 174-176, 189-191, 225-227, 247 -bénites, 190, 191, 211 -diffúziómentes, 189 -diffúziós, 145, 189

TÁRGYMUTATÓ

-hőmérséklete, 120, 143 -karbidos, 163 -metastabilis, 165 -térfogat-növekedéssel, 120 átalakulási diagram, 191 átedzhetőség, 175-179, 182, 184, 202-208, 210, 232, 234, 315 átfúvatásos kezelés, 127 átkristályosodás, 119, 120, 131 átmágnesezés, 10 átmeneti ellenállás, 42, 62, 63 atom, 1, 13, 16-18, 20, 23, 29, 37, 69, 112, 140-142, 144, 216, 217, 251-253, 255, 258, 264, 286, 288, 317, 318, 324 -átmérő, 112, 113, 141, 142, 187, 214, 216, 323 -csoport, 237, 255, 264 -kapcsolódás, 22 -kiválása, 288 -külső héja, 17 -távolsága, 258 atomenergetikai berendezés, 236, 288 atomos állapotú 20, 63, 65, 187, 228, 233, 252 -gáz, 65 -hidrogén, 187 -nitrogén, 233 ausztemperálás, 191 ausztenit, 120, 126, 127, 135, 138, 143-147, 150, 155, 162, 166-168, 174-177, 179, 182, 184, 189-191, 197, 198, 206, 207, 211, 212, 225, 228, 229, 315, 316, 318, 320, 321 -átalakulása, 145, 168, 183, 189-191, 197, 211, 225, 315 --martenzitté, 145 --perlitté, 162, 168 -karbontartalma, 166, 174, 229 -rács, 138 -stabilitása, 150, 175, 184 -térkitöltése, 120 -túlhűtött, 147 -túltelített, 168 ausztenit stabilizáló elem, 120, 121, 127, 145, 179 ausztenit szemcse -durvulása, 211 -határa, 182 -növekedése, 197 ausztenites, 125-129, 131, 133-137, 139, 140, 144, 147, 148, 185, 196, 212, 224-227, 229, 241, 281, 292, 297, 300, 301 -állapot, 148, 196, 226 -szerkezet, 137 ausztenites acél, 126, 133, 137, 140, 241 -CrNi ötvözésű, 127, 134, 135, 139 -- revésedésálló acél kúszáshatára, 140 -mangán ötvözésű, 147 ausztenites korrózióálló acél, 131, 133 -összetétele, 126, 131, 133, 135 ausztenitesítés, 212 ausztenitesítési hőmérséklet, 147, 172, 227 autó karosszéria, 282 automataacél, 192, 193, 194 automaták, 192, 296

B bakelit, 271 bárium, 71 -klorid, 75 bauxit, 10, 26, 31, 55 -alumíniumtartalma, 31 Bayer eljárás, 31 bázicitás, 55 bázikus -falazatú konverter, 53 -jelleg, 30, 47, 48, 53, 57, 59, 64, 72, 243 -kémhatás, 72 -oxid, 243 -salak, 48, 59, 64 beágyazott szemcse, 159, 270, 272 bélés, 40 belsőenergia, 108, 111 belsőfeszültség, 292 bemetszés, 163, 288 bemetsző hatás, 165 bénit, 190, 315 -ferritje, 190 bénites szerkezetű acél, 189-191 bentonit, 34 benzol, 250, 268 berillium, 20, 222 -ötvözés, 222 berilliumbronz, 223 Bessemer-eljárás, 9, 11, 53, 54 betét, 46, 62 betétanyag, 8, 44, 46, 48, 61-63, 65, 266 betétben edzhető acél, 193, 194, 230, 232, 233, 300 betétedzés, 229, 230, 232, 234, 316 beton, 248, 271, 272 -ágyazóanyaga, 271 -szilárdsága, 271, 272 betonacél, 155, 159, 304 beültethető műanyag, 12 bevonás, 242, 279 -fémlemezeké, 281 -hőnek kitett felületeké, 262 bevonat, 239, 242, 262, 276, 279, 281, 282, 292 -cink, 292 -fém, 282 -horganyzott, 282 -kerámia, 238 -oxidmentes kerámia, 281 -polimer, 281 -réz, 282 -tűzi fémbevonat, 282 -zománc, 282 bevont szerszám, kerámiával, 242 bevont anyag, 281 -alkalmazása, 292 -fém, 291 bitumen, 271 bizmut, 192, 193

327

TÁRGYMUTATÓ

biztonsági tényező, 295, 316 bomlás, 29, 166, 167, 267, 324 -vas-karbidé, 167 -vegyületé, 262 bomlási feszültség, 39 bomlási hőmérséklet, 234, 262, 265, 267 bór, 12, 20, 70, 77, 101, 107, 121-123, 128, 141-143, 152, 153, 158, 159, 163, 182, 183, 228, 229, 232, 234, 242, 245, 275, 276, 304-306, 308, 313, 314 -karbid, 200 bórax, 234, 281 borid, 199, 235, 238 boridálás, 229, 234, 316 -hőmérséklete, 234 boridált réteg, 234 bór-trioxid, 245 bőr, 10, 249 bronz, 3-6, 11, 223, 272, 316 buborék, 29, 53, 55, 64, 74, 75, 91-93, 319 -képződés, 91, 92 -memória, 12 buga, 79, 94, 96, 297 -profilja, 94 burkolat, 261, 263, 278 bután, 250 bútor, 266, 282 bütykös tárcsa, 261

C CaSi, CaSiAl, CaSiMnZr, 69 CD lemez, 12 cella, 16, 20, 21, 23, 76, 109, 120, 141, 142, 147, 257 celluloid, 10, 11, 249 cellulóz, 11, 236, 249, 269, 276 -acetát, 11 -szálas, 269 -természetes, 2 cement, 3, 10, 11, 48, 243, 247, 248, 271, 291, 297 cementálás, 229, 230, 233, 316 -gázban, 229 -hőmérséklete, 229 -időtartama, 229 -közege, 229, 230 cementált -acél, 229-231 -alkatrészek, 230 -kéreg vastagsága, 229, 230 cementit, 150, 155, 162, 163, 166, 167, 170, 172, 189, 190, 197, 199, 292, 316 -gömbösödése, 168, 170 -karbontartalma, 169 -lemezes, 150, 170, 190 -szekunder, 150, 162, 323 -tercier, 150 cementites szövet, 162, 189 cérium, 163

328

cink, 3, 19, 25, 26, 29, 38, 42, 75, 100, 101, 113-117, 218, 220, 228, 282, 292, 297, 311 -ásvány, 19 cinkkel ötvözött -alumínium, 222 -réz, 193 cirkónium, 38, 68-70, 121-123, 128, 129, 153, 183, 220, 222, 223, 242, 306 cirkónium karbid, 153, 200 cirkónium nitrid, 70, 200 cirkóniummal ötvözött réz, 223

Cs csap, 178, 183 csapágypersely, 118, 232 csapolás, 66 csapolóüst, 42 csapolt acél -hőmérséklete, 54, 59, 65 -összetétele, 67 csapolt réz hőmérséklete, 43 csapszeg, 228 csavar, 194, 261 csavarrugó, 182 csempe, 247 csepp, 55, 57, 90 cserép, 3, 4, 10, 245, 246 csiga, 204 csillapítás, 153 csillapítatlan acél, 93, 94 -öntése, 94 -öntött tuskó, 93, 94 csillapított acél, 93, 94, 174, 198, 199, 230, 234 -kristályosodása, 93 -öntött tuskó, 93, 94 csíra, 69, 79-83, 89, 98, 109, 165, 190, 198, 211, 236, 318 -homogén, 80 -kritikus méretű, 80-82, 86, 320 -növekedése, 69 -oxid, 69 csíraképző, 31, 33 csíraképződés, 79, 80, 89, 143 csomagolóanyag, 259, 261, 266 cső, 45, 79, 89, 115, 156, 157, 222, 259, 261 -varratnélküli, 156 csősajtolás, 208 csőtávvezeték, 151, 156, 266 csukló, 178, 232 csúszás, 290 csúszósík, 215

D darabosítás, 28, 33, 34, 316 darabosító eljárások, 34 dekarbonizáció, 167, 188, 212, 316

TÁRGYMUTATÓ

dendrit, 87, 91, 93, 316 dendrites kristályosodás, 87, 91, 94 dendrites réteg, 92 dezoxidálás, 64, 67-71, 92 - kicsapatással, 69 dezoxidáló elem, 64, 67-70 -komplex, 69 dezoxidált acél, 92, 102 diffundál, 74, 142, 167, 232 diffúzió, 33, 77, 78, 84, 85, 91, 109, 125, 129, 136-138, 141144, 166, 172, 175, 187-189, 208, 216, 225, 227-229, 233, 281, 321, 322 -bóré, 234 -cinké, 228 -feltételei, 228, 233 -folyamata, 169, 178 -karboné, 144, 172, 188, 229, 233 -krómé, 228 -rétegbe, 229 -sebessége, 138, 142, 187 -úthossza, 91, 143, 145, 174 diffúzióra képtelen, 142, 143 diffúziós tényező, 33, 87, 142, 143, 188, 233 -vasban, 143 diizócianát, 254 dinamikus hatásokkal szembeni ellenállás, 232 dipólus, 15, 17, 324 diszlokáció, 103, 107-109, 141-144, 147, 150, 154, 170, 185-187, 192, 217, 292 -átrendeződése, 108 -blokkolása, 143 -mozgása, 103, 150, 154, 185, 187, 192 -sűrűség, 108 -száma, 104 diszperz eloszlás, 26, 27, 67, 72, 154, 170, 172, 184, 187, 191, 192, 209, 217, 219, 227 diszperz eloszlású -fázis, 187 -karbid, 154, 187, 191, 209 disszociált, 37, 40, 47, 157 dísztárgy, 115, 118, 161, 245 dolomit, 44, 47, 48, 55 domén, 105 dörzsár, 205, 214 dróthúzás, 236 drótüveg, 280 dugaszoló aljzat, 272 dugattyúrúd, 178, 300 duroplaszt, 22, 258, 262, 267, 277, 316 durva szemcsés szerkezet, 94, 109 durvulás, 206, 229 dúsítás, 28, 29, 47, 316 -fizikai módszerrel, 35 -kémiai módszerrel, 28 dúsulás, 25-27, 33, 78, 85-87, 90, 91, 93, 94, 158, 166, 178, 214, 215 -fordított, 93 -foszforé, 178 -karbonban, 229 -makroszkopikus, 90, 91, 94, 320

-mértéke, 27, 91, 178 -normális, 93 -oldott anyagé, 87 dúsulásra hajlamos, 91, 93, 155

E, É edény, 4, 222 edzés, 125, 148, 170-172, 174-177, 180, 191, 201-204, 210-212, 214, 225, 227, 229-231, 234, 315, 316, 320, 321 -hőmérséklete, 180, 201, 203, 205, 206, 208, 210-212, 214 -izotermás, 191, 318 -lépcsős, 171, 172, 212 edzett szerkezet, 148, 212, 222 edződési repedés, 155, 157, 159, 175, 176, 316 égetett mész, 55, 59, 63 egyensúly, 80, 107, 186, 214 egyensúlyi -állandó, 35, 50, 58, 59, 67, 73, 323 -feltétel, 273 -helyzet, 56, 108 -karbontartalom, 163 -kristályosodás, 84 -lehűlés, 115, 119, 150 -oldhatóság, 92 egyensúlyi fázis vasé, 120 egyfázisú -alumíniumötvözet, 221 -anyag, 149 -fémes anyag, 97, 112, 148, 149 egykristály, 22, 84, 89, 98, 165, 236, 297 egyszeres kötés, 251 -karboné, 262 elasztomer, 258, 264, 265, 266, 267, 277, 280 -sűrűsége, 265 -szerkezeti képlete, 265 éldiszlokáció, 108 eldurvult szövetszerkezet, 230, 234 elegy, 46-48 elektroacél, 62, 65, 67, 69 -alapanyagai, 65 -gyártása, 61, 63-65 -összetétele, 65 elektród, 37-39, 62-64, 75, 316 -folyamat, 39 elektródpotenciál, 38-40, 42, 76, 77, 292, 316 -standard, 38-40, 75-77, 157, 292 -szennyezőké, 76 -vasé, 157 elektrokémiai folyamat, 38, 39, 157 elektrolit, 37-42, 75-77, 128, 292, 293, 316 -ellenállása, 42 elektrolitos tisztítás, 76 elektrolizáló kád, 40, 41, 76, 236 elektrolízis, 10, 11, 34, 37, 39-42, 75, 77, 102, 234, 316 -oldhatatlan anódos, 39

329

TÁRGYMUTATÓ

-oldható anódos, 76 -rézé, 11 -timföldé, 75 elektrometallurgia, 34, 37, 39, 53 elektron, 15-17, 23, 38, 39, 63, 100, 226, 247, 251, 317, 320 -felhő, 16, 24 -felvétel, 37 -hiány, 63 -kötő, 17 -mozgása, 226 -negatív atom, 15 elektronhéj, 15, 16, 24, 112 elektronhéj szerkezet -nemesgázé, 17 elektronsugaras felületkezelés, 226 elektronütközés gyakorisága, 100 elektrotechnikai felhasználás, 75, 100-102 elem -diffúziós tényezője, 188 -szubsztitúciósan oldott, 24, 114 elemi cella, 16-18, 20, 21, 23, 109, 120, 121, 141, 146, 147, 237, 257, 317 élettartam, 13, 66, 103, 147, 242, 283, 285, 294, 295, 298, 299 elgőzölgés, 62 ellenállás, 21-23, 37, 42, 62, 63, 98, 100-103, 105, 112, 115, 126, 127, 136, 138, 143, 147, 187, 223, 234, 269, 271, 277 -dinamikus igénybevétellel szembeni, 143, 277, 294 -égéssel szembeni, 266 -húzó igénybevétellel szembeni, 159 -időjárással szembeni, 266 -kifáradással szembeni, 233 -kopással szembeni, 192, 290 -korrózióval szembeni, 112, 115, 127, 135, 136, 221, 228, 281, 291 -kúszással szembeni, 127, 187 -mechanikai igénybevétellel szembeni, 292 -nitrogéntartalmú gázzal szembeni, 138 -olajjal szembeni, 267 -revésedéssel szembeni, 136 -töréssel szembeni, 286 -vegyi hatásokkal szembeni, 21, 23, 235, 249, 254 -villamos, 23, 147, 217, 281 ellenálló képesség, 23, 24 elnyelődési úthossz, 289 eloszlás, 14, 57, 66, 94, 138, 166, 321 -karbidé, 154, 187, 191, 206, 209 eloxálás, 39 előmelegítés, 58 elpárolgás, 31 elridegedés, 133, 137, 154, 178, 298 elridegedési veszély, 154 élsisakképződés, 193 elszegényedés karbonban, 167, 188 emulzió, 57, 317 endogén, 238 energia -aktiválási, 251 -állapot, 142

330

-átalakulás, 289 -befektetés, 22 -fajta, 13, 14 -felszabadulás, 81, 109, 252, 268 -forrás, 61 -hasznosítás, 47 -hordozó, 1 -hő, 29, 61, 288 -igény, 140 -kémiai, 47 -kinetikai, 13, 14, 28, 29, 107 -közlés, 288 -minimum, 83 -növekedés, 35, 258 -potenciális, 13, 14 -rácsé, 24 -sűrűség, 227 -szint, 30, 98, 107, 317 -tárolt, 109 -tartalom, 81 -termikus, 108, 140 -veszteség, 226 -villamos, 41, 42, 61, 63, 65, 318 entalpia, 35, 81, 82 -moláris, 35 entrópia, 35 építészeti finomkerámia, 247 építőanyag, 246, 247, 289 epoxigyanta, 254, 263, 267, 278, 279, 282, 297 épületszerkezet, 151 érc, 4, 5, 7, 8, 25-29, 31, 34, 43, 44, 47, 50, 63, 316, 317, 319-321, 323 -agglomerátum, 47 -darabosítás, 33, 34 -dúsítás, 27, 29, 31, 33 -előkészítés, 42 -fémtartalma, 26 -készlet, 27 -kitermelése, 27 -koncentrátum, 29, 33, 34, 36, 44 -oxidos, 157 -por, 31 -rézé, 30 -szulfidos, 4, 29 -telep, 25, 26, 27 ernyedés, 108, 202, 288, 317 erózió, 90, 290, 317 erő -interatomos, 235 -koercitív, 100 -kohéziós, 287 -kötő, 286 -taszító, 16 erősítő szál, 279, 280 eszköz, 116, 131, 177, 183, 199, 261, 279, 283-285, 290 esztergakés, 239 esztergálás, 174 etán, 250 etilén, 250, 251, 260, 262, 267

TÁRGYMUTATÓ

eutektikum, 34, 40, 58, 81, 88, 89, 150, 162, 163, 169, 317, 320 -karbidé, 206 -kristályosodása, 81, 88, 150 eutektikus, 88, 89, 150, 161-163, 206 -összetétel, 150 -rendszer, 89 eutektoid, 150, 317, 322 eutektoidos, 168, 174, 203 -mangánacél, 203 exogén, 90, 317 extrakció, 33 extraktív metallurgia, 27, 34, 35, 53, 79, 89, 157, 317 extrém hőmérséklet, 266 extrudálás, 79, 259 extrudáló szerszám, 234 ezüst, 9, 24, 25, 40, 43, 76, 100, 297

F fa, 2, 90, 92, 241, 249, 269, 270, 297, 300 fajlagos -felület, 28, 33, 55, 71, 75, 107, 236 -oxigénmennyiség, 55 -salakmennyiség, 48 -villamos ellenállás, 63, 100, 101, 102, 103, 117 falazat, savas, 53 faliszt, 271 farostlemez, 269 faszén, 6, 7, 8, 44, 229 fázis, 30, 33, 38, 59, 62, 69, 77, 81, 82, 84-86, 88, 89, 91, 100, 104, 115, 121, 126, 128, 138, 139, 140, 143, 144, 149, 151, 162, 163, 166, 172, 187, 192, 197, 199, 214, 217, 247, 317-319, 324 -alakja, 149, 166 -átalakulás, 119, 152, 214, 288, 289, 315 -határ, 81, 98, 291, 317, 318, 319 -karbontartalma, 143 -képződés, 138, 139, 143, 214 -kiválás, 84, 214 -lágy, 162 -okozta elridegedés, 138 -stabilitása, 139 fázisok aránya, 151 fedőréteg, 263 fegyver, 5, 6, 7 fehér -nyersvas, 50, 59 -öntvény, 162, 166 -tempervas, 167, 169, 188 fékbetét, 280 fékcső, 117 fekete temperöntvény, 167 feldolgozó technológia, 12, 97, 259 felhasználási terület, 3, 66, 89, 123, 131, 151, 152, 197, 199, 203, 205, 206, 266 felhegedés, 192 felhevítés, 205, 208, 226, 227

felhevítési -hőmérséklet, 227 -időtartam, 211 felhevítési-lehűlési ciklus, 170 felhevített kéreg vastagsága, 226, 227 felhevülés, 152 félkészgyártmány, 96 felső öntés, 90 feltárás, 27, 317 felület, 17, 19, 20, 29, 47, 73, 81, 82, 113, 119, 121, 135, 136, 144, 147, 158, 162, 188, 228, 229, 233, 234, 287, 289-291, 315 -érdessége, 192, 205 -keményítése, 228 -képződés, 81 -minősége, 290, 294 -oxidációja, 227, 228 felületbevonás, 270 felületen középpontos kockarács, 19, 20, 120, 121, 144, 291, 315 felületi -edzés, 225-228, 234 -fáradás, 289 -feszültség, 28, 29, 89, 91, 165 -feszültség-különbség, 28 -hiba, 90 -rácshiba, 228 -réteg, 227-229, 232, 233, 238, 269, 270, 284, 316, 320323 -tapadás, 28, 91 felületötvöző hőkezelés, 6, 225, 227-229, 238 félvezető, 11, 75, 245 fém, 1, 3, 7-9, 16, 18-20, 24-30, 34-39, 42, 43, 48, 50, 53, 55-57, 61, 62, 64, 69, 73-79, 84, 86, 89-91, 93, 95-97, 99, 100, 103, 109, 110, 112, 113, 117, 141, 142, 147, 149, 161, 171, 210, 229, 233, 235, 237, 238, 243, 257, 263, 270-272, 276, 278, 279, 281, 282, 287, 288, 291, 292, 295, 300, 316-320, 322-324 -előállítása, 25 -előállítása ércből, 61 -előfordulási gyakorisága, 27, 100 -felszíne, 48 -finomítása, 27 -gázoldó képessége, 91 -keménysége, 24 -kinyerés, 25, 27, 28, 34, 35, 37, 42 -elektrometallurgiai módszerei, 37 -eljárások, 33, 34, 43, 53 -pirometallurgiai módszerei, 42 -szennyezett, 77 -termelése, 27 -tisztítás, 37, 53 fémbe ágyazott, 236 -gyémánt, 271 -salakzárvány, 288 fémbevonatolás, 39 fémes anyag, 2, 3, 16, 79, 97, 103, 112, 148, 149 fémes elem, 3, 24 fémes kötés, 16-18, 20, 21, 24, 235, 236, 238, 317 fémes kötésű

331

TÁRGYMUTATÓ

-ionok, 16 -kristály, 18, 24 -rács kötési energiája, 24 fémes szerkezet, 313 fémes vegyület, 26, 28, 138, 271 -mágnesezhető, 28 -szulfidos, 26 fémfázis, 30, 38, 49, 50, 55, 56, 58, 67, 72, 73 -ban oldott elem, 55 fémfürdő, 55, 57, 59, 63, 64, 67, 72 -hőmérséklete, 64 fémfürdőben, 55, 57, 58, 72 -oldott anyag, 55 -oldott mangán, 58 fémfűrész, 204 fémgőz, 63 fémkokilla, 163 fémoxid, 9, 56, 281 fémötvözet, 79, 162 fémpor, 79, 89 fémréteg, 282 fémszemcse, 6, 238 fémtartalom, 30, 320 fémüveg, 22, 84 fémvegyület, 25, 29, 31, 34, 42, 259 -ben elszegényedő oldat, 31 -szilárd, 29 fenol, 250, 252, 253, 262, 263, 271, 282 fenolplaszt, 252 -térhálós, 253 fényáteresztő, 236 fénytörési tulajdonság, 245, 262 ferrit, 120-122, 125-128, 135, 138, 143, 144, 147, 150, 151, 153, 154, 165, 167, 170, 172, 178, 182, 184, 187, 189, 190, 196, 197, 229, 292, 315, 317 -átmeneti hőmérséklete, 178 -képződése, 182 -kristály, 190 -oldhatósága, 172 -stabilizáló elem, 120, 128, 183 -szilárdsága, 121, 122, 154, 187 -szívóssága, 154 -túltelített, 150, 153, 172, 196 -tű, 190 ferritben oldott -króm, 127, 137 -elem, 127, 137, 138, 184, 187 ferrites -revésedésálló acél, 137, 138 -szerkezetű acél, 131, 137, 169, 187 -temperöntvény, 169, 170 ferrites korrózióálló krómacél, 127, 131 - korrózióállósága, 131 - mechanikai tulajdonságai, 131 ferrit-perlites szerkezetű acél, 151 -szilárdsága, 150 ferro-ötvözet, 69, 70, 305 -króm, 138, 297 -mangán, 69, 297 -szilícium, 69, 297

332

-titán, 69 -volfrám, 297 -FeB, 234 festés, 252 feszültség, 22, 28, 29, 38, 39, 42, 89, 90, 94, 103, 108, 120, 155, 161, 168, 170-172, 176, 181, 185, 186, 190, 191, 197, 205, 206, 258, 269, 277, 283, 284, 286, 288, 294, 316, 320 -csúsztató, 277, 287 -kristályban, 120 feszültségállapot, 284, 287, 288, 292, 319 feszültségcsökkentő hőkezelés, 228 feszültségcsúcsok, helyi, 288 Fick-törvény, 143 filmszerű réteg, 77 finom eloszlású fázis, 187, 197, 205 finom lemez, 151 finom szemcseszerkezet, 86, 197, 198, 211, 227, 233 finomítás -alumíniumé, 75 -elektrolízissel, 75 -fémé, 27, 317 finommechanikai szerszám, 214 finomszemcsés acél, 123, 197, 309 fizikai módszer, 28, 53 floppy lemez, 12 flotálás, 28, 29, 30, 74 flotáló berendezés, 29 fluor, 15, 262 fluorid, 16, 17, 41 fogaskerék, 222, 228, 232, 261, 295, 298, 299 fogazószerszám, 214 fogyási üreg, 93 fólia, 99, 259, 261 folyadék, 4, 9, 11, 14, 28, 29, 33, 37, 40, 43, 62, 63, 66, 67, 69, 77, 78, 80-82, 84, 86, 91, 135, 157, 228-230, 234, 262, 266, 291, 298, 315, 319, 321 -felület, 29 folyadék állapot, 14, 230, 266, 291 folyadék részecskéi, 14 folyamatos hűtés, 171 folyáshatár, 99, 103, 124, 135, 142, 143, 151, 152, 154, 155, 157, 160, 161, 170, 179, 181-183, 187, 195, 197, 198, 219, 220, 222-224, 281, 288, 289, 294, 295, 303, 304, 309, 316 -növelése, 155 -vasé, 104 folyékony -acél, 66 -fázis, 77, 81, 91 -kristály, 11 -nyersvas, 53, 57 -karbontartalma, 57 folyósító anyag, 281 folypát, 63 forgács leválasztása, 192 forgácsolás, 115, 148, 166, 174, 177, 192, 194, 195, 202, 210, 211, 242, 271, 284, 294, 299 forgácsolási -ellenállás, 105

TÁRGYMUTATÓ

-hőmérséklet, 192 forgácsolhatóság, 125, 127, 133, 191, 192, 193, 222, 261 forgácsoló -erő, 192 -szerszám, 192, 203, 204, 214, 239 -acél, 200, 203 forma, 13, 81, 82, 83, 249, 319 -felülete, 81 -hűtőhatása, 81, 83 formaldehid, 250, 252, 253, 262, 263, 271 forráspont, 14, 17, 35, 73, 193 forrószél, 11, 46 -előmelegítő, 11 foszfor, 48, 51, 53, 59, 65, 91, 163, 210, 222 -eltávolítás, 59 -redukció, 59 -tartalom, 9, 48, 51, 53, 59, 64, 66, 102, 155, 174, 199, 230, 234 foszforszegény, 48 főlánc, 258, 289 földgáz, 250 földkéreg átlagos fémtartalma, 25 földmunkagép, 147, 197 földpát, 243 főzőedény, 116, 282 Frenkel-hiba, 140, 289 frissítés, 8, 53, 54, 58, 59, 61, 63 fullerén, 23, 237 fúró, 200, 214 fúvósík, 46 fürdő, 8, 41, 42, 55, 57- 59, 63, 64, 67-69, 71-75, 84, 87, 92, 153, 190, 244, 282 -hőmérséklete, 58, 64, 71, 73 -mozgása, 92 -oldott oxigéntartalma, 59 -vegyi összetétele, 64 fürdőbe adagolt mikroötvöző, 153 fürdőkád, 282 fűrész, 200, 214 füst, 4, 6 füstgáz, 33, 136 fűtőanyag, 9, 44 fűtőgáz, 226

G galvánelem, 39, 128, 292 -elektromotoros ereje, 39 galvanizálás, 39 gáz -átfúvatás, 67, 75 -elvezetés, 30 -képződés, 92 -keverék, 233 -kiválás, 91, 92, 94 -komponensek, 73 -parciális nyomása, 73 gázáteresztő képesség, 44

gázfázis, 29, 41, 55 gázfázisú reakciótermék, 64 gázhalmazállapotú, 14, 43, 62, 188, 228, 229, 233, 234, 267, 321 gázkiválás, 91 gázközeg, 229, 233, 324 gázpatron, 294 gázrészecske, 28 gáztartalom, 64, 67, 70, 73, 75, 91-93 -oldott, 64, 73, 91, 93 gáztér, 14, 59, 63, 73 -nyomása, 73 gázturbina, 140, 280 gázzárvány, 93 gépalkatrész, 117, 161, 173, 221, 261 -gyártása, 173 gépelem, 222, 261, 272, 298 gépészeti emelő, 197 gépkocsi -karosszéria, 66, 278, 299 -köpeny, 266, 277, 280 germánium, 235 gömb alakú, 68, 91, 166, 170, 237, 323 -karbid, 170 -pórus, 91 gömbgrafit, 165, 166 gömbgrafitos öntöttvas, 165, 166 görbületi sugár, 81-83 gördülés, 290 gördülőcsapágy, 66, 174, 205, 294 -acél, 123 görgőzés, 225 gőzfázis, 49, 72, 131, 242 -kondenzációja, 276 gőzölés, 279 grafit, 23, 40, 45, 51, 57, 62, 143, 162, 163, 165, 166, 170, 235-237, 272, 280, 324 -csíra, 163 -lemezes, 51, 165 -képződése, 166 -mennyisége, 165 -olvadáspontja, 23 -primer, 166 -rácsszerkezete, 23 -szemcse, 57, 166 grafitbélés, 236 grafitosító hatású, 164 grafitosodás, 162, 163, 187 Guinier-Preston zóna, 215, 216, 219 gumi, 22, 258, 289 -sztirolbutadien, 267 -természetes, 264, 266 -vulkanizálása, 11

Gy gyanta, 254, 263, 278 gyapjú, 10, 249

333

TÁRGYMUTATÓ

gyapot, 249 gyártási rendszer, 192 gyártási technológia, 262, 294 -kiválasztása, 294 gyémánt, 12, 17, 18, 22, 23, 113, 235-237, 239, 242, 271, 297 -rácsszerkezete, 18 gyorsacél, 11, 202, 210-214, 297, 300, 307 -átalakulása, 211 -hőállósága, 210 -hőkezelése, 213 -karbontartalma, 210 -keménysége, 210 -kiválásos keményítése, 210 -kopásállósága, 210 -megeresztési hőmérséklete, 214 -összetétele, 211 -szívóssága, 211 gyulladási hőmérséklet, 67 gyűrűs szerkezetű aromás szénhidrogén, 250

H hab, 29 habarcs, 248 Hadfield-acél, 147 hajó, 119, 151, 278 hajócsavar, 117 hajógyártás, 135 hajtókar, 228, 232 halmazállapot, 1, 21, 30, 35 -változása, 21 háló, 129, 206, 269 hálóképző, 264 hálós szerkezet, 159, 258, 262 hangszigetelő, 266 hármas kötés, 250, 251 hártya, 125, 126, 163 hasadás, 286 határréteg, 78 háztartási eszköz, 61, 135, 247, 262, 282 háztartási főzőedény anyaga, 245 háztartási gép, 261 hegesztés, 58, 66, 102, 115, 129, 131, 133, 152, 155, 157, 161, 197, 271, 281, 283, 295 -támasztotta követelmény, 155 hegesztés céljaira kifejlesztett acél, 66, 152, 155, 197 hegesztett -alumíniumszerkezet, 119 -kötés, 126, 155, 197, 283, 292, 316 -szerkezet, 154, 155, 159, 197, 222 -távvezetéki cső gyártásához kifejlesztett acél, 157 hegeszthető acél, 198, 222, 308 hegeszthető finomszemcsés szerkezeti acél, 123 hegeszthetőség, 155, 191, 197 hélium, 15 hematit, 28 hemicellulóz, 269

334

hengerelt termék, 72, 151, 154, 159, 198, 201, 224, 300, 304, 305 hengerlés, 130, 198, 224, 281 -szabályozott véghőmérsékletű, 198 Hertz-feszültség, 289 heterogén, 33, 79, 80, 98, 148, 214, 225, 318 -csíra, 80 -makroszerkezet, 225 hevítés, 9, 22, 36, 74, 78, 168, 172, 180, 225-227, 244, 262, 265, 276 -indukciós, 226 -lézersugaras, 226 -nagyfrekvenciás árammal, 226 -szakaszos, 204 -villamos, 226 hevítési -idő, 180 -módszer, 7 hiba, 245 -pontszerű, 140 hibahely, 140 -koncentrációja, 141 hideg folyatás, 202 hidegalakító szerszámacél -ledeburitos, 206 hidegen alakított, 110, 324 hidegen keményedő, 222 hidegszívós acél, 184, 185 hidrát, 243, 247, 248 hidratációs termék, 247 hidrofil anyag, 28 hidrofób anyag, 28, 74, 91, 318 hidrogén, 10-12, 15-17, 20, 31, 33, 35-38, 40, 42, 46, 47, 59, 61, 63, 65, 66, 73, 74, 91, 107, 121, 137, 139, 141143, 153, 157, 158, 187-189, 221, 237, 238, 250, 252255, 260-262, 264-266, 276, 289, 301, 304, 305, 313, 314, 318 -molekula, 142 -oldott, 73, 142 -tartalom, 66 hidrogén károsításának -ellenálló, 189 -veszélye, 189 hidrogénatom, 141, 142, 250, 251, 252 -kötései, 252 -sugara, 142 hidrogénelektród, 38 hidrogén-fluorid, 15, 16, 17 hidrogénkötés, 16, 318 hidrogénnyomás-álló acél, 188, 189 hidrometallurgiai, 29, 31, 77, 318, 319, 320 -eljárás, 29, 77 -ércdúsító eljárás, 31 hidroszféra, 25 hidroxid, 26, 29, 158 hidroxil, 157 hídszerkezet, 151, 197, 264 híg oldat, 31 híg savas oldat, 280 higany, 24, 25, 36

TÁRGYMUTATÓ

hipereutektikus, 162, 163 hipereutektoidos, 150, 189, 203, 204, 205, 318 -acél, 150 hipoeutektikus, 162, 163, 318 -öntöttvas, 162 -szürkeöntvény, 162 homogén szerkezet, 79, 97, 125, 136, 174, 238 -megbomlása, 196 homogenizálás, 57, 75 -gázzal, 64 homogenizáló -hőkezelés, 214 -izzítás, 91, 220 homogenizálódás, 14, 42, 71 homok, 3, 30, 247, 248, 271 homokkő, 243 hónolás, 233 Hook-törvény, 273 hordozógáz, 74 horganydiffúziós eljárás, 228 hosszú távú rendeződés, 79 hő, 6, 9, 29, 35, 46, 62, 71, 81-83, 87, 123, 127, 129, 152, 171, 203, 211, 226, 242, 249, 266, 271, 316, 320, 324 -képződési, 165 -közölt, 29 -látens, 81, 82, 87 hőálló acél, 126, 136, 300, 307, 308 hőálló üveg, 12 hőállóság, 22, 202, 204, 246, 266, 277, 278, 279, 280 hőátadás, 171, 226 hőcserélő, 66 hőelvonás, 81, 82, 83, 94, 95, 171 hőfejlődés, 46 hőforrás, 6, 44, 78 hőkezelés, 6, 97, 105, 107-112, 125, 126, 129-131, 133, 148, 149, 159, 166-170, 173, 174, 177, 189-192, 197, 198, 205, 207, 211, 212, 214, 227-229, 233, 234, 283, 299, 304, 307, 314, 318, 322 -célja, 233, 234 -hőmérséklete, 111 -időtartama, 167 -izotermás, 189 -technológiai adatai, 220 hőkezelési -eljárás, 170, 225, 230 -művelet, 129, 215, 230 -technológia, 97 hőkezelő berendezés, 140 hőkezeltségi állapot, 122, 221, 224, 225 hőközlés, 107, 172, 258 hőmérséklet -eloszlása, 84, 87 -gradiens, 81, 82, 83, 84, 87, 92 -ingadozás, 139, 140 -kiegyenlítődése, 205 -különbség, 57, 81, 83, 84, 87, 171, 172 --irányította kristályosodás, 81, 83, 84, 87 -tartomány, 66, 131, 136-138, 178, 199, 202, 204, 212, 266 -változás, 168, 244, 245, 284

hőmérséklet-idő diagram, 170, 207 hőntartás, 137, 145, 167-170, 172, 173, 191, 201, 204, 205, 208, 209, 213, 214, 220, 227-229, 321, 322 -ideje, 111, 145, 167, 172, 181, 205 hőszigetelés, 41 hőtágulás, 208, 244, 245 -egyenlőtlen, 155 -gátolt, 287 hőtágulási tényező, 205, 245, 272, 279, 282 hőterhelés, 226 hővezetés, 81, 82, 83, 171, 226, 272 hővezetési tényező, 211 -fémeké, 171 hővezető képesség, 81, 82, 87, 94, 175, 205, 208, 211, 239 -olvadéké, 82 hulladék, 43, 61, 63, 73, 94, 267 -fémé, 27, 53, 61 -rézé, 76 -újrafeldolgozandó, 94 -üvegé, 244 -vasé, 43 huzal, 79, 96, 99, 151, 266, 275, 280 húzóbélyeg, 214, 239 húzófeszültség, 120, 155, 175, 287, 288, 320 hűlés, 84, 142, 143, 147, 155, 163, 165, 172, 175- 177, 190, 203, 207, 227 -egyenlőtlen, 175 -sebessége, 79, 84, 142, 163, 172, 175-177, 190, 203, 207, 227 -szabályozása, 165 hűtés, 22, 84, 90, 94, 96, 125, 126, 129, 145, 146, 148, 163, 165, 168, 171, 172, 175, 178, 180, 198, 205, 212-214, 225, 227, 230, 316-318, 321 -intenzív, 94, 175 hűtéstechnikai szigetelő anyag, 261 hűtő, 175, 184 hűtőközeg, 171, 172, 175, 176, 180, 190, 204, 207

I idegen fázis, 100, 197 idomacél, 151 idomszer, 204 időjárásálló acél, 158 igénybevétel -csavaró, 199 -dinamikus, 23, 66, 147, 160, 184, 225, 228, 242, 277, 294 -fajta, 295 -felületre ható, 284 -hajlító, 271 -húzó, 23, 159, 185, 248, 272, 275, 278 -időbeli lefolyása, 284, 290 -ismétlődő, 182, 286, 288 -kifáradás, 234 -koptató, 147, 162, 179, 210, 225, 232, 261 -korróziós, 66

335

TÁRGYMUTATÓ

-mechanikai, 134, 140, 152, 183, 225, 238, 286-292, 294, 295 -nyomó, 23, 105, 242, 289 -háromtengelyű, 287 -statikus, 159, 294 -térfogatra ható, 284 -termikus, 241, 284 -ütésszerű, 204 impregnálás textíliáké, 266 indukciós -edzés, 226 -hevítés, 78, 226 induktor, 226 inhomogenitás, 74, 288 injektálás, 71, 193 inkoherencia, 217 inkoherens, 98, 183, 217, 318 -fázishatár, 98, 183 interkrisztallin, 286, 287 intermetallikus vegyület, 20, 125, 215-220, 223, 225, 228, 234, 238 -összetétele, 220, 238 intermolekuláris -erő, 14 -kötés, 258 ion, 13, 16-19, 23, 24, 37-39, 63, 79, 80, 84, 98, 109, 112, 113, 136, 157, 251, 286, 292, 293, 315, 318, 319 -becsapódása, 242 -bóré, 245 -cinké, 292 -diffúziója, 238 -fémé, 16, 18, 38, 113, 238, 293 -pozitív, 16, 37, 317 -rézé, 77 -sugár, 18, 19, 20 -szulfát, 291 -vasé, 141, 146, 157, 292 ionbombázás, 242 ionvegyület, 18, 136 ívkemence, 62, 63, 236 -fémes betétanyaga, 63 -üzeme, 63 izomorf, 18 izomorfia, 18, 318 izotermás, 191 -edzés, 191 -hőkezelés, 189 izotróp, 22 izotrópia, 270 izzítás, 109, 111, 129, 238, 239, 247, 317, 322, 324 -időtartama, 238

I jármű, 197, 266 járműrugók, 182 Joule-hő, 226

336

K kád, 40-42, 75-77 kalapács, 204 kalcinálás, 29, 33 kalcium, 18, 36, 47, 49, 50, 55, 59, 67, 68, 70-72, 75, 242, 244, 247 -fluorid, 63 -hidroxid, 247 -oxid, 18, 19, 24, 36, 44, 47-50, 57, 59, 64, 70, 72, 243, 245, 246 -rácsszerkezete, 18, 19 -szulfid, 49, 50, 64, 72 kálium, 9 -oxid, 243, 245 kalkopirit, 30 kalkozin, 4, 30 kaolin, 243, 246, 247 -szerkezete, 246 kapcsoló, 272 karbamid, 262, 263 karbid, 64, 126, 128-130, 133, 143, 144, 150, 152-155, 163, 166, 167, 170, 172, 178, 180, 183, 184, 187, 189, 190, 196-199, 203-206, 209-212, 223, 227, 232, 235, 237, 280, 317, 323 -bomlása, 167 -diszperz eloszlású, 184, 211 -hálós eloszlású, 206 -keménysége, 212, 238 -kiválás, 183 -képződés, 64, 128, 129, 130, 172, 187, 210, 212 -oldódása, 187, 205, 206, 227 -primer, 211 -szemcse, 211 -szívós alapszövetbe ágyazott, 210 -típusai, 210 karbidképző, 126-128, 163, 178, 182, 187, 197, 206, 208, 210, 211 -ötvöző, 163, 187, 206 karbon -felvétel, 230 -grafitosodása, 187 -kiégése, 64 -kiválás, 166-168, 208 -kötés, 266 -leadás, 229, 233, 238 -megkötés, 197 -oldott, 20, 128, 143-147, 170, 172, 176, 208 -oxidációja, 44 -szabad, 64 karbonát, 25, 29, 47 karbonegyenérték, 154, 155, 157, 197 karbonitrid, 69, 197, 232, 233 karbonitridálás, 232, 233 -hőmérséklete, 233 karbonoldó képesség -rétegé, 229 karbonszál, 12, 236, 276, 278, 279, 297

TÁRGYMUTATÓ

-szilárdsága, 236 karbonszállal erősített, 280 karbontartalmú fázis képződése, 143 karmantyú, 265 károsodás, 119, 158, 188, 245, 279, 283, 291, 294, 295, 298, 299 -építőanyagé, 289 -fajtái, 286 -hidrogén okozta, 188 katalizátor, 262 kation, 18, 23, 37 katód, 37, 39, 40, 42, 75-77, 292 kaucsuk, 10, 324 kavaró eljárás, 8 kavitáció, 290 kazán, 138, 187, 189 kemence, 4, 6, 7, 9, 11, 12, 31, 34, 42, 44, 46, 53, 54, 57, 62-64, 66, 138, 220, 282, 291, 319 -falazata, 7, 46 -forgódobos, 31 -gyűjtő, 42 -homogenizáló, 53, 57 -ív, 62, 63 -konstrukció, 7 -láng, 8, 31 -plazma, 12 -típus, 54 -vasolvasztó, 11 -villamos teljesítménye, 62 kemencén kívüli -finomító eljárás, 65, 66 -ötvözés, 65 kemény anyagok forgácsolásához, 236 kemény felület, 202 kemény kéreg, 225 kemény poliuretán -habosított, 266 kemény réteg, 238 kemény szemcse, 238 keményedés, 103, 185, 186, 194, 197, 209, 283 keményfém, 238-241, 271, 319 -élezése, 239 -hajlítószilárdsága, 238 -karbidjai, 239 -összetétele, 239 keményített állapotú, 221 kémiai aktivitás, 64, 262 kémiai eljárás, 29 kémiai ellenállás, 247 kémiai kötés, 22, 262 kémiai metallurgia, 27 kémiai potenciál, 38 -fémé, 38 kemoszorpció, 291 kén -eltávolítása, 59 -forrása, 59 -gőzfázisú, 49 -mennyisége, 165 kén-dioxid, 30, 48, 49, 59, 136

-tartalom, 136 kenés, 266 kéneskő, 30, 31, 43, 319 -előállítás, 30, 31 kenőanyag, 23, 266 kénsavgyártás, 30 kéntelenítés, 50, 64 kéntelenítő, 49, 50 -elem, 49 -reakció, 49 képlékeny alakváltozás, 103, 144, 147, 277, 286-288, 323 -mértéke, 286 képlékeny hidegalakítás, 66, 102, 103, 105, 111, 112, 115, 126, 148, 149, 192, 194-197, 221, 271, 283 -mértéke, 103, 111 képlékeny hidegalakítással készülő kötőelem, 196 képlékeny hidegalakító -eljárás, 225 -szerszám, 202, 206, 210, 214, 239, 240 -szerszámacél, 200, 202-206 -felhasználási területe, 203 -ötvözői, 203 képlékeny viselkedés, 287, 322 képlékenyalakítás, 66, 103, 105, 126, 295, 315 kerámia, 1-4, 10, 12, 23, 24, 235, 238, 239, 241-243, 245247, 257, 269-272, 276, 279-282, 287, 289, 291, 313, 324 -alkatrész, 10 -bevonat, 238 -egyatomos, 235 -gyártása, 10, 246 -kiégetése, 247 -porozitása, 247 -szemcse, 238 -szerkezete, 246 -szupravezető, 12 -zománcozása, 282 kerámiaágyazat, 280 kéreg, 41, 91, 95, 167, 172, 175, 176, 225-228, 230-234, 242, 320 -edzése, 230 -feszültségcsúcs leépítése, 230 -hevítése, 225 -hőmérséklete, 227 -keménysége, 234 -kopásállósága, 228 -térfogata, 233 -vastagság, 234 -vegyi összetétele, 228 -zsugorodása, 175 kéregöntvény, 162 kerék, 228, 232 kérgesítő eljárás, 225, 234 kés, 183, 201, 205, 239, 300 kétfázisú ötvözet, 145, 199, 292 kettős kötés, 251 keveredés, 55, 78, 87 keverék, 244, 321 kéziköszörű, 271 kicsapatás, 67

337

TÁRGYMUTATÓ

kiégetés, 4, 29, 59, 243, 246, 247 kifáradás, 232, 288, 299, 319 -termikus, 206 kifáradási határ, 295, 316 kihozatal, tuskóé, 94 kikeverés, 31, 319 kikristályosodás, 276 kis karbontartalmú acél, 8, 126, 174, 196, 229 kísérőásvány, 34 kísérőelem, 77, 78, 123 kisszögű szemcsehatár, 108, 109 kitöredezés, 199, 289 kiválás, 38, 77, 92, 126, 133, 163, 172, 214, 216, 217, 218, 224, 225, 289, 290, 321, 322 -diszperz karbidok, 211 -edzett szerkezetből, 222 kiválásos keményítés, 209, 210, 214, 215, 218-220, 225, 319 kiválással keményedő, 11, 214, 218-225, 292, 310 -Al ötvözet, 11, 218, 219, 221, 222 --hőkezelése, 220 --vegyi összetétel, 220 -Cu ötvözet vegyi összetétele, 223 -ötvözet, 218 kivált szennyeződés, 77 klímaberendezés, 117 klorid, 25 koagulálódás, 53 kobalt, 10-12, 26, 43, 113, 121, 122, 128, 148, 163, 176, 211, 212, 223, 236, 238, 239, 244, 267, 297, 306, 307, 311, 313 kobalt ötvözés, 211, 212 kohászati -alakítás, 142 -berendezés, 236 -eljárás, 27, 42, 53, 79, 99, 157, 247, 317, 318, 322 -folyamat, 28, 35, 80 -késztermék, 42, 79, 97, 129, 142, 151 -koksz, 44 -technológia, 75, 79 koherencia, 217 koherens, 98, 137, 215, 319 kohó, 7, 8, 42, 319 -falazat anyaga, 8 -hőmérséklete, 7 kohóalumínium, 42, 53, 75 -vastartalma, 42 kohósalak, 47, 48 kohósítás, 5, 27, 41, 44, 52 -foszfordús nyersvasé, 11 -timföldé, 33, 41 -vasé, 9, 44, 52 kokilla, 70, 80, 89, 90, 92, 93, 94, 319 kokillába öntött tuskó kristályosodása, 92 koksz, 34, 40, 42, 44, 46, 47, 48, 49, 64, 319 -gyártása, 11 -hamuja, 44, 47, 50 -kéntartalma, 48 kokszanód, 40, 41 kokszpor, 34, 64

338

kommutátor, 103, 223 komplex vegyület, 30, 47, 48, 59, 72, 136, 154, 237, 319 kompozit, 4, 11, 12, 149, 159, 235-237, 242, 245, 248, 259, 261, 262, 264, 269-280, 282 -erősítőanyag, 275 -fémalapú, 279 -karbonszál erősítésű, 12 -kerámia ágyazású, 279 -makroszerkezete, 149 -morfológiája, 270 -rugalmassági modulusa, 273, 275 -szál erősítésű, 272, 273, 275, 279, 280 -szemcsés adalékú, 270, 271, 272 -textilszál erősítésű, 267 -üvegszál erősítésű, 11 koncentráció -kiegyenlítődés, 87 -különbség, 33, 78, 81, 84, 85, 90, 91, 136, 141, 143, 167, 188, 229 -irányította kristályosodás, 84, 85 koncentrátum, 28-30, 33, 34, 319 -fémtartalma, 29, 34 kondenzált reakciótermék, 67, 68 kondenzátor cső, 117 kondenzátum, 67 konstantán, 117 kontrakció, 195, 287 konverter, 9, 11, 43, 53-57, 59-61, 63, 65, 67, 320 -gáz, 58 konverteres acélgyártás, 53-57, 59-61, 63 -folyamata, 56 -rendszere, 60 koordinációs szám, 18, 319, 320 kopás, 103, 117, 148, 177, 178, 199, 228, 280, 281, 286, 289, 290, 299, 315, 319 -abrazív, 103, 177, 199, 234, 289, 290, 315 -adhéziós, 290 -fáradásos, 290 -kavitációs, 117, 290 -mértéke, 290 kopásállóság, 46, 117, 147, 148, 177, 199, 201, 203, 206, 210, 223, 225, 230, 232-234, 238-242, 261, 265, 266, 269, 271, 272, 282, 289 kopási -folyamat, 290 -károsodás, 291 -mechanizmus, 289, 290 kopásnak kitett anyag, 103, 148, 290 kopással szembeni viselkedés, 290 kopolimer, 252 koptató, 147, 162, 179, 210, 225, 232, 261, 285, 290, 294 korom, 265 korrózió, 117, 119, 123, 126, 128, 129, 131, 135, 140, 148, 158, 223, 286, 291-293, 298, 299, 320, 323 -általános, 127, 291 -elektrokémiai, 291-293 -eróziós, 291, 293 -feszültség, 291, 292 -légköri, 158 -lyuk, 291, 293

TÁRGYMUTATÓ

-rés, 291, 293 -sebessége, 291 -szemcsehatár, 126, 128, 129, 131, 291, 292, 323 -tengervíz okozta, 117 -vasé, 157, 292 korrózióálló acél, 124-127, 130, 131, 133, 135, 183, 184, 214, 224, 225, 306, 307, 309 -termelése, 135 korrózióálló anyag alkalmazása, 292 korrózióállóság, 112, 113, 117, 118, 125-128, 130, 131, 133, 134, 224, 228, 234, 281, 282 korróziós, -folyamat, 157, 293 -károsodás, 288, 291, 292 -közeg, 291, 293 korróziós károsodás, 291 korrózióval szemben ellenálló, 131, 134, 183, 292 korund, 247, 271 kovácsdarab, 222 kovácsolás, 6, 7, 8, 79, 283 kovácsolt, 5, 66, 79, 151, 159, 201, 297, 300, 305 -termék, 151 kovalens kötésű, 17, 22-24, 237 kovellin, 4 kő, 2, 3, 271 költség -állandó, 296 -általános, 296 -amortizációs, 296 -anyag, 197, 294, 296, 298, 299 -bér, 296 -beruházási, 296 -célszerszám, 294 -elemek, 296 -előállítási, 89, 112, 293, 294 -energia, 296 -feldolgozási, 197 -gyártási, 96, 243, 278, 296, 298 -időarányos, 296 -igazgatási, 296 -készülék, 296 -megmunkálási, 13 -szerszám, 296 -színfémé, 112 -takarékosság, 295 -tárolási, 296 -tervezési, 296 -tőke, 296 -üzemeltetési, 197 könnyűszerkezet, 197 környezetbarát, 295 környezetszennyezés, 61 környezetszennyező, 61 kőszén, 5, 8, 44 köszörűkorong, 162, 247, 271 -gyémánt szemcséjű, 239 köszörülés, 162, 174, 203, 205, 233, 236, 299 köszörűtárcsa, 271

kötés, 6, 15-18, 20-24, 29, 34, 37, 63, 126, 155, 197, 199, 235, 236, 251, 254, 255, 258, 262, 264, 265, 271, 273, 276, 279, 283, 290, 317, 318, 320, 322-324 -energiája, 13-18, 22-24, 29, 35, 37, 246, 254, 262, 320 -felbontása, 251 -fővegyérték, 254 -ionos, 18, 23, 24, 199, 318 --energiája, 18 -kovalens, 17, 18, 22-24, 235-237, 247, 251, 255, 320 -mellékvegyérték, 255 -nyitott, 252 -szekunder, 258 -szilárdsága, 279 -típusa, 20 kötőanyag, 34, 247, 262, 264, 270 kötőelem, 115, 196, 222 kőtörő pofái, 147 közepesen ötvözött hidegalakító szerszámacél, 205 -hőkezelése, 205 kőzet, 4, 5, 7, 25, 26, 27, 320 kriolit, 10, 40, 42, 75 -összetétele, 40 kristály, 11, 17, 18, 22-24, 31, 43, 79, 81-84, 87, 89, 91, 93, 97, 98, 108, 109, 120, 140, 142, 144, 147, 162, 163, 165, 242, 247, 249, 317, 318, 320, 323, 324 -cella, 98 -határ, 140, 187 -ion, 23, 24 -ionrácsos, 18 -kovalens kötésű, 22 -növekedés, 81, 98 --sebessége, 83 --síkja, 84 -nyaláb, 165 -orientáció, 82, 84, 98 -oszlopos, 82, 83, 87, 91 -polietilén, 257 kristálycsíra, 80, 84, 86, 92, 109, 143, 144, 170 -képződése, 80, 143 kristályos -anyag, 16, 21, 24, 315 -hidrát, 247 -kerámia, 247 -kvarc, 244 -műanyag, 257 -oxidkerámia, 245 --gyártása, 245 -polietilén szerkezete, 257 kristályos szerkezet, 21-23, 86, 108, 235, 247, 257, 260, 261, 276 kristályosítás, 27, 31, 79, 81, 89, 90, 92, 94, 96, 163, 320 -fémeké, 79, 89 -kokillában, 89, 90 -körülményei, 79, 89 kristályosító, 33, 80, 95, 96 -eljárás, 89 -rúd, 95 kristályosodás, 4, 21, 59, 77, 79, 81-96, 98, 119, 127, 150, 159, 162-164, 192, 198, 206, 227, 244, 255, 258, 320, 322

339

TÁRGYMUTATÓ

-eutektikumé, 163 -grafitképződéssel, 162, 163 -metastabilis, 150, 162 -módja, 81 -oldóanyagé, 86 -olvadéké, 82, 85, 87 -oszlopos, 91 -öntvényé, 163 -sebessége, 89 -stabilis, 162 -színfémeké, 87 kristályosodási -folyamat, 81, 92 -forma, 88 -front, 77, 81-88, 91-93 -síkszerű, 82 -hajlam, 258 -hőmérséklet, 91 -mechanizmus, 88, 90 -repedés, 59, 127, 159, 164, 320 -sebesség, 77, 82, 84, 88, 91, 92 kristályosodott -réteg, 81 -szövet, 82 kristályrács, 16, 23, 24, 320 kristályszerkezet, 16, 119, 162 -szilárd fázisé, 86 kristálytani orientáció, 82 kristálytani sík, 23, 97, 144, 214, 320 krisztallit, 87 -határ, 108 kritikus hűlési sebesség, 176, 177, 203 kritikus sugár, 83, 91 króm -hatása, 127 -karbidja, 126, 128, 129, 130, 133, 153, 178, 200, 205, 206, 209, 210 -koncentrálódása, 138 -nitrid, 70, 200 kromálás, 228 krómban elszegényedett szemcsehatár, 129 króm-molibdén-vanádium ötvözésű szerszámacél, 209 króm-nikkel-molibdén ötvözésű acél, 178 króm-oxid, 125, 136 krómötvözésű, 125, 131, 178, 205, 232, 292 -nemesíthető acél, 178 króm-vanádium ötvözésű acél, 178 króm-volfrám ötvözésű acél, 203-205, 209 króm-volfrám-vanádium ötvözésű acél, 206-208 kúpoló kemence, 11 kupronikkel, 117 kúszás, 186, 187, 286, 288, 320 -sebessége, 187 kúszásálló acél, 126 kültéri létesítmény, 158 küszöbenergia, 107, 108, 111 kvarc, 243, 244, 271 kvarcüveg, 2, 243-245 -olvadáspontja, 243, 244 -szerkezete, 244

340

L, Ly laboratóriumi üvegeszköz, 245, 247 lágy ferrites folt, 174 lágy martenzit, 204 lágy poliuretán -habosított, 266 lágy PVC, 261 lágy szövet, 150 lágyítás, 192 -hőmérséklete, 207, 212 lágymágnes, 75, 105 -kerámia, 10 lágyulás, 265 lakk, 254 lánc -hossza, 22 -karboné, 276 -nyílt, 251 -polimeré, 257, 259 láng hőmérséklete, 6, 226 lángedzés, 226, 320 lantán, 71 Larson-Miller, 186 ledeburit, 150, 162, 166, 320 ledeburitos krómacél, 206 -hőkezelése, 206 légedződésű, 207, 210 léghevítő, 46 légkör, 25, 284 légköri korrózió, 158 légköri korrózióval szemben fokozottan ellenálló acél, 158, 159 lehűlés, 93, 94, 115, 119, 126, 142, 144, 150, 162, 163, 189, 196, 211, 220, 321 -levegőn, 197 lemez, 12, 76, 77, 79, 89, 99, 131, 148, 150, 182, 196, 221, 224, 225, 259, 269, 281, 292, 297, 299, 322 lencse, 244, 262 lépcsős edzés, 171, 172, 212 leromlás, 197, 286, 288, 289 levegő, 31, 65 levegőbontó, 135 lignin, 269 likvidusz hőmérséklete, 48, 67, 84, 85, 87, 89, 91, 93 litoszféra, 25 lőszerhüvely, 115, 282 lúg, 31, 33 lúgzás, 31, 320 lyukasztó, 204 lyukkorrózió, 291, 293

M mag, -hőkezelése, 228, 234 -szívóssága, 225, 228

TÁRGYMUTATÓ

mágneses, 10, 21, 28, 61, 105, 123, 226, 294, 307 -indukció, 61, 123 -mező, 226 -permeabilitás, 28 -szeparálás, 28 -tulajdonság, 105, 123, 307 mágnesezhető, 28, 125, 126 -fémes vegyület, 28 magnetit, 28 magnezit, 54 magnézium, 20, 25, 26, 36-38, 47, 49, 50, 55, 67, 71, 72, 75, 101, 113, 119, 163, 165, 218, 220, 222, 279, 310, 311 magnézium-oxid 36, 44, 47-49, 243, 245 -olvadáspontja, 47 makromolekula, 11, 22, 249, 251, 252, 255, 258, 264 -alakja, 258 -kapcsolódása, 264 -lánc, 255 -tulajdonsága, 22 makroszkopikus -dúsulás, 90, 91, 320 --mértéke, 91 mállási folyamat, 25, 26 mangán -kiégés, 64 -szulfid, 49, 72, 164, 192 -olvadáspontja, 192 mangán-karbid, 200, 203, 206 mangánötvözésű -hidegalakító szerszámacél, 203, 204 - edzése, 204 -nemesíthető acél, 177 -szerszámacél, 203 maradék-ausztenit, 145, 147, 174, 175, 177, 206, 207, 212, 228, 230, 232, 320 -átalakulása, 228, 230 -mennyisége, 177 maradó alakváltozás, 22, 227, 294 maradó feszültség, 227, 317 -nyomó, 272 márga, 243 maró váltólapkája, 239 martemperálás, 171, 172, 321 martenzit, 123, 125, 126, 144-147, 165, 170-173, 175, 176, 180, 184, 202-204, 209, 212, 214, 225, 321 -keménysége, 146 -képződés, 155, 316 -megeresztődése, 203 martenzites -alapszövetbe ágyazott kemény karbidok, 202 -átalakulás, 144, 145, 146, 147, 174, 176 -kéreg, 228 -korrózióálló acél, 183, 184 -réteg, 147 -szerkezetű acél, 147, 170, 172 -szövet, 147, 148, 155, 174, 175, 189, 203 martenzitesre edzett acél, 170, 227 másodlagos kötés, 16, 17, 23, 255, 258, 276 mátrix, 149, 199, 261

mázas cserépedény, 269 mechanikai igénybevételnek kitett szerkezet, 140, 152 -szilárdsági méretezése, 295 mechanikai rezgések, 288 meddő, 7, 25, 27, 28, 29, 31, 33, 34, 44, 47, 48, 321 -oldódása, 31 -olvadáspontja, 44 -szilikátos, 8 -tartalom, 27 medence, 6, 8, 45, 46, 48, 50, 75 falazata, 46 megengedhető üzemi hőmérséklet, 137 megeresztés, 125, 148, 168, 172, 174, 178, 180-182, 202205, 207, 209- 212, 216, 217-223, 228, 230, 234, 321 -hőmérséklete, 172, 173, 178, 180, 181, 202, 204, 205, 207, 209, 210, 213, 214, 217, 218, 220 -ideje, 217, 218 -időtartama, 181, 202, 220 megeresztési elridegedés, 178, 181, 184, 191, 232, 234, 321 megeresztődés, 209 megnyúlás, 105, 186 megolvadás, 57, 58, 62, 63, 81, 192 megolvasztás, 21, 44 megoszlási tényező, 56, 57, 77, 78, 321 megszakító reakció, 251 megszilárdulás, 162, 276 megszilárdult fázis, 83 megújulás, 108, 185, 186, 288, 289, 321 melegalakítás, 58, 206, 283 meleghengerlés, 96 melegmegmunkáló acél vegyi összetétele, 207 melegmegmunkáló szerszám, 206-209 melegmegmunkáló szerszámacél, 200, 202, 206-209 - hőkezelése, 208 - ötvözői, 206 -felhasználási területe, 206 melegsorjázás, 208 melegszilárd acél, 187 -kúszással szembeni ellenállása, 187 melegszilárd acélcső, 189 melegtörés, 58 melléktermék, 43, 254 mélyhúzott, 105 menetfúró, 204 menetvágó, 214 mérettartósság, 206 mérőműszer, 183 mesterséges öregítés, 202, 214, 321 mész, 34, 55, 57, 59, 63, 64, 247 mészkő, 7, 8, 34, 44, 47, 48, 55 metallurgiai módszer, 34, 67 metán, 188, 189, 230, 250, 267 -képződés, 189 metastabilisan kristályosodott öntöttvas, 162 meteorvas, 5, 6, 11 mettlachi, 247 mezőgazdasági eszköz, 177, 200 Mf hőmérséklet, 145, 172, 176, 177, 263 Mg2Si, MgZn2, 218

341

TÁRGYMUTATÓ

mikrodúsulás, 88, 90, 91, 321 -mechanizmusa, 128 -mértéke, 88 mikroötvözés, 154, 157 -cirkóniummal, 152 -ötvözők, 152, 153, 154 -vanádiummal, 143 mikropórus, 92, 142, 188 mikrorepedés, 23, 288, 321 mikroszerkezet, 13, 21, 98, 283 -és a tulajdonságok kapcsolata, 21 mikroszkopikus, 13, 79, 90, 97, 214, 292, 323 mikrotűk, 138 minőségi acél, 122, 123 módosulat, 23, 236, 237 molekula, 13, 15-17, 22-24, 28, 235, 237, 249, 253, 255, 259, 265, 269, 286, 288, 322 -apoláris, 22 -folyadék, 28 -poláris, 24 molekuláris szerkezetű, 235 molekulává egyesülés, 142, 188 molibdén, 29, 70, 71, 113, 121-124, 127-130, 132, 133, 135, 153, 156, 163, 173, 176-178, 180, 182, 184, 185, 187, 188, 194, 195, 203, 206, 207, 209-211, 224, 232-234, 238, 275, 306-311, 313 molibdén-karbid, 153, 200, 210 monomer, 21, 22, 249-255, 257, 261, 262, 264, 276, 289, 321, 322 -gyártása, 250 -ismétlődési távolsága, 252 -kapcsolódása, 251, 252 -kötései, 254 -polimerizációja, 251 morfológia, 149, 270, 321 -kompozitoké, 270 motorblokkok, 166 Ms hőmérséklet, 145, 155, 172, 176, 189, 190 műanyag, 2, 3, 10-12, 21, 22, 24, 183, 235, 241, 249, 252, 254, 255, 257-259, 261, 262, 264, 267, 271, 272, 276279, 281, 282, 291, 316, 324 -előállítása, 250, 251 -fémes karakterű, 12 -háztartási eszközök, 261 -hőre keményedő, 258, 262, 263, 277 -hőre lágyuló, 16, 22, 258-260, 262, 277, 288 --szerkezeti képlete, 260 -kötés energiája, 254 -kristályos szerkezetű, 257 -lágy PVC, 261 -poliaddiciós, 253 -szerkezete, 257, 263, 267 -termelés, 259, 261, 262 -tulajdonságai, 254 műanyagalakító szerszám, 234 műgumi, 266, 297 műkaucsuk, 264, 265 műrevalóság, 27 műszál, 276

342

N nagy alakváltozó képességű anyag, 99 nagy keménységű anyag, 199 nagy tisztaságú, 66, 84, 100 -alumínium, 100 -fém előállítása, 75 -réz, 100 nagyhőmérsékletű alkalmazás, 66, 148, 189 nagyolvasztó, 33, 44-48, 50, 53, 236 nagyolvasztó salak, 48 nátrium, 31, 38, 40, 75, 229, 244, 245 nátrium-aluminát lúg, 31 nátrium-klorid, 24, 75 nátrium-oxid, 40, 243, 245 nátronlúg, 11, 31 -vizes oldata, 31 nátronüveg, 244, 245 negatív hőmérsékleten üzemelő szerkezet, 66 nehézfém vegyület, 26 nemesacél, 65, 67, 122, 123, 199, 300, 313 nemesfém, 9, 17, 26, 35, 43 -kinyerése, 43 nemesgáz, 14, 15 nemesítés, 148, 170, 174, 180, 181, 187, 191, 227, 234, 321 -technológiája, 180 nemesített -acél, 175, 238 -állapotú, 184, 187, 223, 238 -hidegszívós acél, 184, 185 nemesíthető -acél, 173, 174, 176-179, 182, 183, 228, 233, 300 --ötvözése, 176 -alumíniumötvözet, 221, 222 -korrózióálló acél, 233 -rugóacél, 182 nemfémes elemek vegyületei, 235 nempoláris, 29 Nernst törvény, 38 neutron, 236, 289 -fékezése, 236 -sugárzás, 141 nikkel, 5, 10, 12, 17, 19, 20, 25, 26, 29, 36-38, 43, 76, 77, 101, 102, 113, 117, 121-139, 148, 154, 156, 158, 163, 173, 176-179, 184, 185, 187, 188, 194, 195, 198, 206, 207, 220, 222-225, 232, 238, 239, 281, 297, 298, 306311 nikkelegyenérték, 127 nikkelérc, 26 nikkel-króm ötvözés, 206, 207 nikkelötvözés, 117, 123, 131, 140, 154, 184, 232 nióbium, 70, 71, 121, 122, 123, 124, 126, 128, 129, 130, 133, 139, 156, 157, 183, 198, 223, 224, 225, 238, 239, 306, 307, 308, 312 nióbium-karbid, 200, 238, 239 nióbium nitrid, 200 nitiol, 12

TÁRGYMUTATÓ

nitrid, 69, 73, 86, 130, 143, 152-154, 182, 196, 197, 199, 223, 232, 233, 235, 237, 242, 275, 280 -keménysége, 232 -szabadentalpiája, 143 nitridálás, 229, 232, 233, 234, 299, 321 nitridálható, 233 nitridált kéreg, 233 nitridképző, 70, 127, 130, 153, 183, 197, 198, 224 -elem, 70, 197, 198 nitrocementálás, 234, 316 nitrogén, 12, 15, 17, 20, 47, 59, 61, 63, 65, 66, 69, 70, 73, 74, 107, 121, 126, 128, 129, 132, 133, 135, 137, 139143, 152, 153, 161, 194, 198, 223, 224, 228, 229, 232234, 238, 250, 254, 260, 263, 265, 273, 276, 302, 304306 -kiválás, 153 -megkötése, 143 -oldódása, 69 -oldott, 65, 143, 152 -ötvözése, 229 nitrogént leadó közeg, 233 normál szabadentalpia, 35, 36 -oxidé, 36 normálfeszültség, 38, 286 normalizálás, 192, 197, 227 normalizált, 174, 223, 305 növelt folyáshatárú acél, 197 növényi rost, 249

Ny nyersolaj feldolgozása, 187 nyersréz, 43, 53, 76 -előállítása, 43 -finomítása, 43 nyersvas, 7-9, 11, 43, 44, 47, 48, 50-55, 57- 59, 61, 63, 65 -alapanyagai, 52 -gyártás, 8, 11, 33, 43, 44, 46, 48, 50, 53, 157 --technológia, 8 -kéntartalma, 59 -mangántartalma, 58 -minőség, 51 -összetétele, 50, 54 -redukció, 48 -salaktartalma, 8 -tulajdonságai, 8 nyersvascipó, 79 nyersvaskeverő, 54 nylon, 250, 277, 282 nyomásos öntés fémé, 210 nyomással terhelt szerkezet, 156 nyomástartó berendezés, 134, 148, 155, 156, 161, 305 nyomófeszültség, 120, 145, 227, 272, 282 nyomószilárdság, 243, 245, 248, 269, 272 nyúlás, 97, 99, 104, 107, 150, 152, 159, 165, 166, 186, 195, 260, 265 -sebessége, 186

O, Ó olaj, 204, 207, 265, 266, 321 olajálló burkolat, 267 oldat, 14, 19, 20, 24, 26, 29, 31, 33, 37, 38, 40, 57, 69, 70, 84, 88, 91, 94, 133, 141, 142, 148, 153, 157, 196, 206, 208, 214, 223, 291-293, 320, 321 -kristályosodása, 84, 87 -szétválasztása, 33 -túltelített, 26, 31, 91 -vegyületé, 30, 97 oldatba vitel, 206 oldatlan karbid, 180, 211 oldhatatlan -karbid, 128 -komplex vegyület, 30 -meddő, 33 -oxid, 64 -szulfát, 77 -szulfid, 58 -vasban, 68, 92, 128, 192 -vegyület, 67 oldható vegyület, 31 oldhatóság, 31, 42, 43, 76, 85, 88, 91, 92, 112, 115, 116, 121, 141, 142, 172, 187, 229, 238, 244, 324 -határa, 88, 91, 114, 142 -magnéziumé, 119 -ötvözőé, 214 -vasban --oxigéné, 55 -vízé, 26 oldhatóságig telített olvadék, 142 oldó -anyag, 20 -elemi cella, 121 -fém, 19, 113, 141 -rács, 138 oldó izzítás, 129, 138, 322 oldódás, 23, 24, 33, 44, 69, 70-72, 76, 120, 121, 141, 180, 187, 206, 210, 227, 291, 298, 315 -fémioné, 38 -híg oldatban, 24 -jellemzői, 258 -karboné, 7, 64, 229 -korlátlan, vasban, 184 -nitrogéné, 69 -sebessége, 33 oldóképesség oldószer, 23, 31, 237, 262 oldószerállóság, 22 oldott -atom, 20, 55, 141, 216 -elem, 9, 20, 24, 55, 59, 65, 67, 114, 121, 127, 141, 142, 196, 217 -gáztartalom, 64, 73, 91, 93 -hidrogén, 73, 142 -karbon, 20, 128, 143, 144, 145, 146, 147, 170, 172, 176, 208

343

TÁRGYMUTATÓ

-nitrogén, 65, 143, 152 -oxigén, 55, 57, 58, 59, 65, 67, 71, 72, 73, 92, 157 -ötvöző, 121 -só, 25 -szennyező, 67 oldott anyag, 84, 85, 88, 90, 93 -dúsulása, 87 -elszállítása, 88 -koncentrációja, 78, 85, 88 oldott egyensúlyi gáztartalom, 73 oldott karbon, vasban, 128 olló kése, 204 ólom, 26, 29, 73, 77, 117, 122, 128, 192, 193, 245, 282, 306 ólomkristály, 245 ólomötvözés, 193 olvadáspont -fémé, 111 -kvarcüvegé, 243, 244 -magnéziumoxidé, 47 -mangán-szulfidé, 192 -meddőé, 44 -oldaté, 40 -salaké, 6, 55 -szilícium-dioxidé, 47 -szilikáté, 48 -timföldé, 40 olvadék -ból kristályosodó grafit, 165 -fázis, 87 -feletti gáztér, 73 -fémé, 53, 73, 84, 89, 91, 139, 279 -gáztartalma, 91 -hőmérséklete, 80, 85, 93 -koncentrációja, 85 -kristályosodása, 82, 85, 87, 90, 143 -oldott gáztartalma, 91 -összetétele, 87 -szennyeződése, 78 -vasé, 119 olvadék megszilárdulása, 27 olvadt -acél, 67, 71, 72 -hőmérséklete, 69 -állapot, 7, 27, 43, 47, 70, 72, 88, 91, 94, 192, 283 -fázissal burkolt, 163 -fém, 48, 58, 63, 95, 96, 210 -fémfázis, 58 -katód, 75 -kondenzátum, 68 -réz, 43 -salak, 7, 30, 50 -sűrűsége, 30 -vas, 8, 73 olvasztás, 43, 238, 243, 245 olvasztási zóna, 46 ón, 5, 20, 26, 29, 38, 73, 75, 113, 118, 282, 292, 311 ónérc, 5 ónbronz, 118, 119 -mechanikai tulajdonságai, 118 ón-dioxid, 5

344

ónfürdő, 244 ónozott lemez, 282 optikai, 10-12, 21, 227, 244, 245, 279, 294 -eszköz, 245 -jellemző, 294 -kábel, 11 -mikroprocesszor, 12 -szál, 10 -tranzisztor, 12 óriásmolekula, 21, 258 orvosi eszköz, 131 oxid, 5, 9, 10, 23, 25, 26, 29, 34, 36, 37, 40, 42, 43, 47, 48, 50, 53, 55, 57-59, 64, 65, 67, 68, 71-73, 86, 125, 130, 135, 136, 153, 183, 235, 242-244, 246 -képződése, 53, 153 -magasabb rendű, 29 -normál szabadentalpiája, 36 -stabilitása, 72 oxidáció, 4, 5, 7, 8, 43, 46, 48, 49, 53-55, 57, 58, 64, 65, 135, 148, 276 -sebessége, 136 -szilíciumé, 57 -terméke, 64, 73 oxidációs folyamat, 53, 57, 64, 136 oxidáló atmoszféra, 167 oxidcsíra, 69 oxidképző, 50, 59, 69 oxidkerámia, 11, 235, 242, 243, 246 oxidmentes kerámia, 235, 237 oxidréteg, 125, 136, 292, 323 oxidszemcse, 243 oxigén -átadás, 135 -befúvás, 55 -cseppfolyósítása, 11 -iránti affinitás, 71 -lándzsa, 71, 75 -megkötése, 153 -oldott, 55, 57- 59, 65, 67, 72, 73, 92, 157 -reakciója karbonnal, 41 -tartalom, 8, 64, 68, 69, 72, 73, 92, 153, 155 oxigénanód, 39 oxigéndús közeg, 30 oxigénes acélgyártás, 55, 57, 63 oxigénes konverter, 54, 61 oxigénes konverterben gyártott acél összetétele, 61 oxigénsugár, 55, 57 ózon, 289

Ö,Ő öblítő gáz, 74, 75 öblösüveg, 244 ömlesztő hegesztés, 131, 155, 156 önnemesedő, 222 öntés, 5, 6, 11, 51, 66, 70, 74, 79, 81, 89, 90, 93, 94, 95, 96, 115, 148, 159, 161, 162, 163, 166, 283, 294, 299 -félfolyamatos, 89, 96 -folyamatos, 11, 89, 94, 95

TÁRGYMUTATÓ

-formába, 3, 13, 16, 25, 35, 50, 51, 63, 69, 73, 81, 112, 151, 184, 233, 235, 237, 249, 270, 320 -homokformába, 11, 163 -tuskóé, 89, 90, 91, 96 önthetőség, 5, 118, 159, 161, 166, 191 öntödei nyersvas, 51 öntőforma, 96, 263 öntőnyílás, 95 öntőtölcsér, 90 öntöttvas, 8, 51, 90, 122, 161-167, 233, 282, 312, 313, 317319, 322, 324 -lemezgrafitos, 164 -metastabilisan kristályosodott, 162 -szilárdsága, 165 -temperált, 168 öntőüst, 65, 95 öntővályú, 95, 96 öntvehengerlés, 89, 96 öntvény, 66, 114, 124, 128, 159, 161-166, 241, 303, 306 -kristályosodása, 163 -minősítése, 160 -temper, 162, 166, 169, 170, 241, 312, 317 öregedés, 143, 152-154, 196, 202, 266, 288, 322 öregítés, 214, 216, 225, 321 őrlő berendezés, 201 örvényáram, 226 összetételbeli kiegyenlítődés, 14 összetételbeli különbség, 81, 228, 320, 321 összetétel-változás, 81, 228 ötvözés -hatékonysága, 71 -karboné, 154 -krómmal, 137, 205, 206, 208 -mangánnal, 147, 177, 203, 232 -molibdénnel, 133, 185, 207, 211, 232, 234 -vanádiumé, 184, 210 ötvözet, 7, 11, 12, 19, 79, 88, 97, 115-117, 119, 122, 125, 128, 135, 140, 145, 148-151, 166, 177, 214, 219-223, 271, 278, 299, 300, 306, 307, 310-312, 318, 320-324 -szakadási nyúlása, 119 -tulajdonságainak változása, 220 ötvözetlen -acél, 122, 135, 136, 159-161, 173, 174, 176, 180, 199, 209, 292, 297 -keménysége, 209 -acélöntvény, 159 -minőségi acél, 122 -nemesacél, 122 -szerkezeti acél, 165 -szerszámacél, 200, 201, 202, 213, 214, 300 -edzése, 201 ötvözetrendszer, 203, 206 ötvöző, 70, 100, 101, 120, 121, 127, 128, 130, 131, 148, 155, 158, 159, 164, 176-178, 183, 189, 194, 203, 204, 206, 214, 218, 223, 225, 306 -mennyisége, 121, 155 -oldhatósága, 214 -oldott, 121 -szubsztitúciósan oldott, 120 -vasé, 70

ötvözőelem, 101, 114, 122, 123, 126, 133, 163, 192, 214, 228, 317 ötvözött -acél, 66, 122-124, 128, 131, 135, 155, 158, 178, 180, 182, 196, 207-209, 310 -alaplemez, 281 -minőségi acél, 123 -nemesacél, 123 -nemesíthető acél, 177 -rugóacél, 182

P palack, 222, 259, 261 papír, 280 papírmalom, 162 parciális nyomás, 73, 74 passziválás, 159 passziváló, 136, 158 passzivitás, krómtartalom biztosította, 129 pellet, 34, 43, 44 pelletezés, 34 penge, 205 pénzérme, 117 perlit, 150, 165-170, 189, 197, 223, 322 -átalakulása, 166 -szemcsés, 170 perlites átalakulás, 211 perlites tempervas, 167, 168, 169, 322 -mechanikai tulajdonságai, 168, 169 perlitmentes acél, 197, 198, 223 perlitszegény acél, 197, 198 perlitszemcse, 150 perlittartalom, 150 peroxid, 264 persely, 228 pirolízis, 236 pirometallurgiai eljárás, 29, 34, 37, 42, 43, 53 platina, 24, 76, 276 plattírozás, 281 plattírozott lemez, 281 plexi, 11, 262 pogácsa, 297 poliaddíció, 251, 254 poliamid, 253, 260, 261, 267, 277 poliészter, 253, 263, 267 polietilén, 251, 252, 257, 259-261, 267, 277, 297 -kristály, 257 -lineáris szerkezetű, 252 poligonális szerkezet, 108 poligonizáció, 108 poliizoprén, 264, 266 polikondenzáció, 251, 252, 253, 322 -folyamata, 252, 254 polimer, 1, 2, 10, 21, 22, 242, 249, 250, 252, 254, 255, 257259, 261, 262, 264, 265, 267, 269-271, 276, 277, 287, 289, 321, 322 -elágazó szerkezetű, 262

345

TÁRGYMUTATÓ

-lánc, 252, 257, 259 -- szétválása, 258 -lineáris, 252, 255, 257, 258, 264, 266 -monomerei, 250 -szerkezete, 254, 258, 287 -szindiotaktikus, 276 -térhálós, 258, 264 -természetes, 249 -tulajdonságai, 21 polimerizáció, 251, 252, 254, 322 -foka, 252 polimetilmetakrilát, 22, 260 polioximetilén, 260, 261, 267 polipropilén, 250, 259, 260, 261, 267, 277 polírozás, 233, 236 polisztirol, 22, 259, 260, 261, 267, 282, 297 -habosított, 261 poliuretán, 11, 254, 265, 267, 282 -szerkezete, 254 polivinilklorid, 250, 259, 260, 267 pontszerű hiba, 140 por, 33, 240, 247 -szálló, 47 por alakú, 33, 240 porcelán, 10, 11, 23, 247 porcelángyártás, 3 porkeverék, 238 porkohászati technológia, 238, 283, 300, 319, 322 porozitás, 94, 238, 247 portland cement, 11, 247 pórus, 7, 43, 91, 94, 157, 246 -tömlő alakú, 91 potenciálkülönbség, 38, 316 pörkölés, 29, 30, 31, 34, 323 primeren, 150, 166 propán, 250 propilén, 250 proton, 15 pyrex, 245

R rács, 17, 19, 20, 22-24, 37, 98, 112, 119, 137, 138, 140-142, 144, 147, 155, 172, 182, 237, 242, 324 -állandó, 215 -átbillenés, 147, 189 -átrendeződés, 147 -elem, 141, 146 -elemi, 16 -energiája, 24 -fémé, 24 -ferrité, 138 -hexagonális, 120, 236, 287 -ionos kötésű, 18, 20, 150 -kocka, 17, 144 -kovalens kötésű, 22, 24 -méret, 20, 146, 216, 217 -orientáció, 109

346

-paraméter, 19, 137, 141, 146 -pont, 19, 24, 140, 318, 319 -rendezetlenség, 99 -szerkezet, 16, 18, 19, 20, 22, 23, 24, 112, 215 -tetragonális, 170, 172, 216 -típus, 112 -torzulás, 20, 113, 119, 120, 121, 137, 145, 147, 170, 172, 209, 214, 217 -martenzites, 155

R rácselem, térközepes, 146 rácshely, 22, 84, 141, 188 rácshézag, 141, 142, 265 -mérete, 141 rácshiba, 100, 102, 103, 107, 140, 172 rácsparaméter - alumíniumé, 216 ragasztó, 22, 34, 254 reagens, 67, 71, 254 reakció -egyensúlyi állandója, 67, 73 -feltételei, 55 -hőtermelése, 41 -kalcium, 50 -sebessége, 55, 71 -termék, 29, 30, 33, 42, 47, 55, 67, 69, 252, 291 redukálódott -fém, 7 -vas, 6, 7 redukálószer, 6, 37, 44, 73, 323 redukált feszültség, 295 redukció, 5, 33, 46, 57, 64, 72, 73 -direkt, 7, 8 -hidrogénnel, 37 -indirekt, 47 -vasé, 47 -mangáné, 59 -oxidból, 9, 36, 37 -vasé, 6, 37, 43, 44 redukciós -folyamat, 34 -zóna, 46, 47 reflexió képesség, 281 rekombinálódás, 63 relaxáció, 108 rendezetlenség, 103 rendezetten, 80 rendszer -egyensúlya, 13 -energiája, 80, 107, 109, 214, 217 repedés, 26, 59, 90, 94, 155, 157, 159, 164, 175, 176, 191, 236, 245, 265, 269, 271, 280, 286, 287-289, 291, 292, 316, 320 -keletkezése, 94, 228, 288, 291 -terjedése, 265, 269, 280, 286-288 -terjedési sebessége, 286, 288

TÁRGYMUTATÓ

-termikus feszültség okozta, 90 repedés képződés, termikus feszültségek okozta, 90 reprodukálhatóság, 227 repülőgéptest, 278 réskorrózió, 291, 293 részecske, 13-17, 21-23, 37, 42, 47, 58, 63, 69, 80, 81, 86, 88, 93, 107-109, 113, 226, 227, 235, 237, 286-288, 317, 318, 321, 323 -mérete, 69 -oxid, 69 -vándorlása, 108 reszelő, 201 réteg -alumíniumban dús, 228 -karbonoldó képessége, 229 -keménysége, 229 -korrodált, 291 -korrózióálló, 281 -olvadék, 75 -oxid, 125, 136, 292, 323 -rozsda, 157 -szálirányú, 269 -vastagság, 242 rétegelt lemez, 269 rétegelt társított anyag, 270, 280 reve, 63, 135, 136, 291, 323 reveréteg, 136 revésedés, 126, 291 revésedésálló acél, 136 revésedéssel szembeni ellenállás, 136, 138 réz, 2-5, 9, 11, 17, 19, 20, 24-27, 29-31, 36-38, 40, 42, 43, 61, 73, 75-77, 89, 91, 94, 96, 99-105, 107, 111-119, 121123, 127, 128, 133, 141, 142, 148, 149, 156, 158, 161, 163, 194, 216, 218, 220, 222-225, 282, 291, 292, 297, 303, 306, 308, 311, 316, 319, 323 -alakítással keményített, 103 -ipari tisztaságú, 76 -katód, 77 -kohósítása, 5, 31, 73 -oxid, 36 -tisztasága, 100 -tisztítás elektrolízissel, 11 réz(I)szulfid, 4, 30,43 réz-alumínium ötvözet, 117 rézbevonat, 282 réz-cink ötvözet, 19, 115, 311 rézérc, 30 rezgéscsillapító, 261, 265, 279 rézhulladék tisztítása, 76 réz-nikkel ötvözet, 117 réz-ón ötvözet, 118 rézötvözet, 114, 117-119, 139, 214, 222, 223 -nemesítése, 222 réztartalom, 30, 102, 218 rézzel ötvözött, 75, 123, 218 -alumínium, 218 rideg állapotú, 23, 258, 286 ridegedés, 135, 137, 178, 181, 184, 197, 289 -elkerülése, 184 ridegség, 24, 192, 238, 271

ridegséget okozó, 52, 138 ridegtörési hajlam, szerkezeté, 197 ritkaföldfémek, 71, 72 robbanómotor, 10 robbanómotor blokk, 161 rongyvagdalék, 271 rost, 249, 269 rozsda, 63, 157, 159, 291, 323 rozsdásodás, 157, 158 röptében olvasztó berendezés, 31 rövidtávú rendezettség, 14, 22, 79 rövidülés, 105 rúd, 78, 79, 89, 95, 105, 119, 125, 151, 201, 208, 221, 226, 272, 297 rúdacél, 151 rugalmas -alakváltozás, 215, 295 -állapot, 258 -viselkedés, 264, 265 rugalmasság, 265, 266 rugalmassági határ, 107, 185, 191 rugalmassági modulus, 236, 273, 275, 276 rugó, 181, 183, 191, 223 rugóacél, 182

S sablon, 262 sajtolás, 79, 239, 245, 283, 298 sajtolt, 79, 119, 221, 222, 238 -előgyártmány, 238 -profil, 222 -rúd, 119 salak, 5-8, 18, 30, 44, 46, 48, 50, 55-59, 62-65, 67-69, 72, 73, 247, 248 -csapolt, 30 -képződés, 48, 57 -komplex szilikátos, 57 -mésztartalma, 59 -nagyolvasztóé, 48 -olvadáspontja, 6, 55 -szilikátos, 18 -viszkozitása, 8 salakfázis, 30, 49, 56, 73 salak-fém rendszer, 57 salakképző, 8, 34, 44, 47, 48, 50, 55, 57, 58, 63, 64 -adagolása, 8 -oxid, 47 -összetétele, 44 salakolóüst, 48 salakrészecske, 7, 72, 74 salakzárvány, 72, 94 -tartalom, 73 salakzárványosság, 90 samott, 45, 246 sárgaréz, 19, 73, 114, 115, 116, 297, 323 -mechanikai tulajdonságai, 116 savállóság, 266

347

TÁRGYMUTATÓ

savas kémhatású, 30, 47, 57 Schaeffler-féle diagram, 127, 130, 184 sebészeti szerszám, 131 selyem, 10, 249 Siemens-Martin eljárás, 61 Sievers-törvény, 73 siklócsapágy, 262, 282 síküveg, 244 -gyártása, 244 SiO2, 30, 36, 40, 44, 46, 47, 48, 57, 63, 64, 69, 70, 72, 73, 242, 243, 245, 246, 247 -tartalom, 48, 63 só, 139, 277, 321 só kiválás, 289 SO2, 30, 36, 43, 49 sófürdő, 190, 191, 204, 205, 212 sokkristályos fém -mechanikai tulajdonságai, 99 sörétezés, 225 söripari berendezés, 131 sporteszköz, 278, 282 stabilizáló ötvöző, 130 stabilizált korrózióálló acél, 126, 131 -titánnal, 130 standard elektródpotenciál, óné, 292 sugár, 74, 81, 83, 226, 227 -monokromatikus fény, 226 sugárzás, 226, 259, 285, 288, 289 -ibolyántúli, 261, 289 súrlódás, 192 súrlódó, 289, 290 sűrűség, 12-14, 16, 26, 28, 30, 40, 43, 48, 53, 71, 75, 86, 93, 103, 120, 138, 144, 147, 193, 214, 226, 227, 244, 245, 247-249, 258, 260-262, 265, 271, 275, 276, 279, 289, 292

Sz szabadenergia, 36, 110, 143 szabadentalpia, 35-38, 43, 46, 49, 50, 59, 70, 80, 81, 141, 145, 152, 153, 164, 166, 189, 199, 208 -karbidé, 152, 178, 187 -kén-dioxidé, 59 -képződési, 141, 164, 178, 189, 199, 208, 210, 217 -különbség, 145 -nitridé, 143 -változás, 50, 59 szabadgyök-katalizátor, 251 szabadtéri burkolat, 266 szakadás, 98, 186, 195, 295 szakadási nyúlás, 104, 107, 113, 115, 119, 134, 148, 150, 152, 157, 159, 165, 219, 220 -vasé, 104 szál, 2, 10, 12, 84, 96, 159, 245, 249, 261, 270, 272- 277, 279, 280, 289, 297 -bomlása, 279 -bór, 276, 279 -elrendezés, 275

348

-erősítés, 259, 272, 273, 275, 276, 279, 280 -gyártása, 276 -köteg, 277 -szerves, 236 -üveg, 11, 245, 276, 277, 278, 297 -volfrám, 276 szalag, 79, 84, 96, 131, 148, 151, 221, 224, 225 szálas anyag, állati eredetű, 2, 249 szálerősítés acélhuzallal, 272, 280 szállítóberendezés, 197 szállítótartály, 261 szállítószalag, 267 számítógép, 11, 261 száraz lepárlás, 44 szárítás, 245 szelén, 43, 76, 192, 193 szelep, 184 szélfrissítéses acélgyártás, 53 szemcse, 28, 29, 31, 33, 34, 59, 82, 84, 92, 97, 98, 105, 107-109, 128, 138, 145, 149, 154, 163, 166, 172, 180, 188, 197, 199, 206, 210, 218, 238, 243, 245-247, 259, 270-272, 286, 288, 290, 292, 297, 321, 323 -alakja, 105 -anyaga, 128 -bénit, 174 -egyesülés, 108, 109 -finom, 82, 198 -kiszakadás, 286 -korund, 271 -kvarc, 265 -mérete, 27, 28, 33, 34, 71, 98, 99, 103, 143, 149, 165, 197, 198, 238 -növekedés, 108, 109, 197 szemcsedurvulás, 109, 111, 127, 131, 137, 140, 152, 154, 179, 180, 197, 204, 206 -hőmérséklete, 111 szemcsedurvulási hajlam, 232 szemcsedurvulást gátló, 179 szemcsefinomító, 123, 126, 223 szemcsehatár, 58, 93, 98, 99, 102, 105, 107-109, 126, 128131, 133, 141, 142, 154, 163, 188, 286, 288, 291, 292, 321, 323 -képződés, 93 -korrodálódott, 292 -nagyszögű, 108 -szemikoherens, 144 -vándorlása, 154 szemcsehatár korrózió, 126, 128, 129, 131, 291, 292, 323 szemcsék, gyémánt, 236 szemcsés kvarc, 270, 271 szemcseszerkezet, 28, 184, 197, 283, 315 -finomítása, 7 -finomítása hőkezeléssel, 197 -sugaras, 92 szemcsetorzulás, 105, 284 szemüveg, 262 szén, 5-8, 34, 37, 46, 48, 55, 58, 59, 73, 92, 167, 229, 233, 236, 250 szén-dioxid, 34, 36, 41, 44, 46-48, 58, 167, 229, 233 -disszociációja, 167

TÁRGYMUTATÓ

szénhidrogén, 11, 61, 156, 187, 250, 266 szénkefe, 272 szénlánc, 276 szén-monoxid, 5, 34, 36, 37, 46-50, 55, 57-59, 64, 73, 92, 167, 229, 233 szénpor, 34, 61 szennyező, 37, 43, 53, 66, 67, 72, 76, 100-102, 174, 230 -elem, 52, 101, 105 -eltávolítása, 43 -koncentrációja, 76, 78 -oldott, 67 -szerves, 64, 65 szennyeződés, 42, 64, 65, 76, 77, 100, 103, 268 szerelvény, 151, 166, 261, 265 szerkezet -amorf, 22, 84 -homogén ausztenites, 131, 134 -homogén bénites, 190 -homogén ferrites, 128 -homogenitása, 196 -izotaktikus, 255 -izotróp, 97, 105, 318 -kristályos polietiléné, 257 -kvarcüvegé, 244 -martenzites, 146, 147 -poligonális, 108 -polikristályos, 236, 242, 297 -polimeré, 252, 258, 287 -poliuretáné, 254 -porózus, 6, 7, 34, 44, 157, 236, 248, 319 -primer, 254 -rácsé, 16, 18, 19, 20, 22, 23, 24, 112, 215 -rendezetlensége, 100 -ridegtörési hajlama, 197 -szálas, 249, 264, 269, 270 -szekunder, 254 -szferoiditos, 170, 176 -szívós, 184 -tercier, 254 -térhálós, 249, 257, 262, 265 -üvegé, 244 -változása, 246, 287, 321 szerkezeti acél, 150, 156, 222, 300 szerkezeti anyag, 1, 20, 21, 24, 97, 99 szerkezeti elem, 194, 284, 290 szerszám -anyaga, 199, 244 -betét, 208 -él, 193, 210 --hőmérséklete, 211 -éltartama, 192, 211 -gyártás, 177, 207, 234, 236 -szívóssága, 206 -test, 211 -üzemi hőmérséklete, 206 szerszám kőzetfúráshoz, 236 szerszámacél, 123, 192, 199-209, 228, 233, 238, 300-302, 307 szerves anyag, 10, 29, 235, 249, 280 szétválasztás, 28, 29, 267

szferoidit, 170, 323 szferoiditos szerkezet, 170, 176 szferoiditos szövetű acél, 170 -- folyáshatára, 170 szigetelő, 237, 247, 261-263, 266, 282 -gyártására, 23 szíjtárcsa, 261 szike, 183 szikraforgácsolás, 239 szikramentes szerszám, 223 szilárd anyag injektálása, 67, 71 szilárd betét, 44, 61, 62, 63 szilárd fázis, 33, 77, 82, 83, 86, 88, 89, 91, 92, 109, 150, 166, 178, 317, 320, 323 -hőmérséklet-gradiense, 82 -kristályszerkezete, 86 szilárd halmazállapot, 14 szilárd halmazállapotú -fém, 235 -szilikon, 266 szilárd oldat, 19, 20, 81, 87, 97, 112, 113, 115, 119-122, 140-142, 148, 153, 170, 172, 183, 211, 214, 222, 228, 255, 315, 317, 318, 322, 323 -képződése, 20 -szubsztitúciós, 18, 19, 112, 113, 125 -túltelített, 115, 119, 141, 142, 172, 214-216, 288, 319, 322, 324 szilárd részecske, 47, 58, 80, 86, 93, 315 szilárd/folyadék -fázis, 82 -határ, 84 -rendszer, 80 szilárdító hatás, 127 szilárdság, 5, 22, 34, 96, 103, 104, 112, 115, 117-119, 125127, 133, 147, 148, 150, 154, 155, 165, 166, 168, 170, 173, 176, 181, 182, 184, 187, 189, 191, 195, 197, 198, 203, 206, 210, 217-219, 221, 222, 224, 238, 245, 248, 261, 265, 269, 271, 272, 275-277, 279, 280, 282, 289, 304, 308, 316, 321 -húzó, 245 -szálirányú, 269 szilárdságnövelés, 117, 184, 198, 223 -mechanizmusa, 198 szilicid, 235, 238 szilícium, 7, 9, 23, 34, 36, 42, 46-48, 50, 51, 53, 54, 57-59, 61, 64, 65, 67-71, 73, 75, 76, 100-102, 113, 121-123, 127, 128, 136-139, 152, 156, 159, 161, 163-165, 176, 180, 182, 187, 195, 198, 203, 210, 218, 220, 222, 228, 234, 235, 242-244, 250, 254, 265, 275, 280, 297, 306308, 311, 323 szilícium oxidációja, 54 szilícium-dioxid, 23, 34, 46, 47, 57, 59, 64, 243, 244 -olvadáspontja, 47 -stabilitása, 23 szilícium-karbid, 200, 239, 275, 276, 280, 297 szilícium-nitrid, 70, 200, 241 szilikát, 8, 10, 18, 26, 30, 34, 47, 48, 57, 58, 69, 72, 247, 281, 323 -amorf szerkezetű, 247 -komplex, 34, 57, 282

349

TÁRGYMUTATÓ

-olvadáspontja, 48 szilikatégla, 246 szilikátüveg, 22 szilikon, 254, 265, 266, 267, 282 szilimanittégla, 246 szindiotaktikus alakzat, 255 színezőanyag, 281 színfém, 78, 87, 97-99, 102, 111-113, 140, 148 -előállítási költsége, 112 -kristályosodása, 87 -olvadáspontja, 111 -szilárdsági tulajdonságai, 99 -tulajdonságai, 97, 102, 112 szinter, 43, 283 szinterelés, 34, 279 szintetikus -gumi, 3, 266 -metanol, 11 -oxidkerámia, 11 -salak, 67, 72, 73 -viszkóza, 11 szintetikus salakos kezelés, 67, 72, 73 szivattyú, 117 szivattyú járókerék, 261 szivattyúelem, 184 szívódási üreg, 93, 94, 96 -tuskóban, 93 szívós alapszövetbe ágyazott karbidok, 210 szívós anyag, 238, 286, 290 szívós mag, 202, 225 szívós szerkezet, 184 szívósság, 22, 73, 125, 127, 133, 148, 154, 165, 170, 173, 174, 176, 178, 179, 183, 194, 197, 198, 201-204, 206, 208, 210, 225, 230, 232, 240, 241, 295, 321 szóda, 281 szolidusz, 77, 84, 87, 91, 93, 118, 220 szőr, 249 szövetszerkezet, 82-84, 86, 87, 89, 105, 109, 110, 126, 127, 147, 148, 150, 151, 155, 162-165, 167, 169, 170, 174, 175, 176, 184, 189, 190, 192, 196, 197, 205, 206, 208, 210, 211, 214, 215, 227, 288, 317, 318, 324 -dendrites, 83 -martenzites, 147, 148, 155, 174, 175, 189, 203 -öntvényé, 166 -szferoiditos acélé, 170 sztirolbutadién gumi, 267 szubsztitúciós szilárdoldat, 18, 19, 112, 113, 125 szubsztitúciósan oldódó, 135 -ötvöző, 24, 114, 120 szulfid, 25, 30, 43, 48-50, 58, 59, 71, 72, 86, 163, 164, 192, 193 szulfidképződés, 50, 72 szuperfiniselés, 233 szuperszonikus repülőgép külső burkolata, 279 szupravezető kerámia, 12 szürkenyersvas, 50, 51 szürkeöntvény, 162, 164, 166, 228, 297, 324 -lemezgrafitos, 164 szűrő, 262

350

T talajjavító anyag, 48 tantál, 70, 130, 239, 242 tantál-karbid, 200, 238, 239 tárcsa, 201, 221 tárcsás tengelykapcsoló, 272 társított szerkezeti anyag, 269 tartály, 139, 222, 259, 261, 278, 294, 320 tartósfolyás, 185, 288, 324 taszító erő, ionoké, 16 távvezeték, 156 teflon, 250, 262, 267 tégla, 3, 11, 245, 246 teherviselő szerkezet, 195, 221 telér, 26 telítési indukció, 105 telítési szám, 163 tellúr, 43, 76, 192, 193 temperálás, 166, 167, 169, 324 temperöntvény, 162, 166, 169, 170, 241, 312, 317 temperszén, 167, 168, 169, 317, 322, 324 tengely, 183, 222, 228, 232, 261 tengelykapcsoló, 222 tengervíz okozta korrózió, 117 tengervízállóság, 119 térben középpontos kockarács, 16, 119, 120, 121, 144, 317 térben középpontos tetragonális rács, 217 térháló, 22 térhálósítás, 265 természetes -anyag, 11 -cellulóz, 2 -gumi, 264, 266 -polimer, 249 termikus disszociáció, 9, 29, 63, 69, 236, 324 termikus energia, 108 termikus fáradás, 206 termikus feszültség, 90, 94, 161, 168, 171, 172, 176, 190, 191, 205, 206, 211, 212, 227, 233 termikus feszültség okozta repedés, 90 termikus igénybevétel, 241, 284 termikusan aktivált folyamat, 107, 140, 167, 227 termodinamikai, 82, 238 termomechanikus kezelés, 198 termoplaszt, 22, 258, 261, 262, 267, 324 -különleges célú, 259, 262 -szerkezeti, 259 Thomas eljárás, 54 timföld, 31, 33, 40, 41, 42, 63, 75, 247 -disszociációja, 40 -elektrolízise, 75 -gyártás, 31-33 -kohósítása, 33, 41 -kohósításra kerülő, 40 -olvadáspontja, 40 -összetétele, 40

TÁRGYMUTATÓ

-tartalom, 40 tisztítás, 11, 30, 53, 65-67, 72-78, 93, 196, 236, 267 -energia szükséglete, 76 -hatásfoka, 73, 78 -mechanizmusa, 72 -mértéke, 66, 78 -rézhulladéké, 76 tisztítási folyamat, 52 titán, 12, 25, 26, 36-38, 42, 67-70, 75, 76, 100, 113, 121124, 126, 128-130, 133, 137, 139, 147, 153, 156, 157, 163, 185, 194-196, 198, 223, 238, 239, 242, 279, 297, 301, 306-308, 311, 312 -dioxid, 36, 37, 40, 70 -karbid, 20, 153, 200, 238, 239, 241 -nitrid, 70, 200 -szivacs, 297 torokgáz, 30, 33, 47 -fűtőértéke, 47 -összetétele, 47 torokgáz vezeték, 47 torokzár, 45 többfázisú ötvözet, 79, 121, 148, 149, 166, 271, 291, 292 többkomponensű rendszer, 81, 85 tölcsér, 90 töltőanyag, 265 tömítés, 262, 266, 267 tömlő, 262, 266, 267 törékenység acélé, 7 törés, 28, 34, 59, 192, 202, 269, 280, 286-288, 292, 295, 298, 315, 319 -bekövetkezése, 286 -csúszósík, 286, 287 -fáradásos, 287 -ismétlődő igénybevétel okozta, 286 -jellege, 286 -kúszás okozta, 286, 288 -mechanizmusa, 286 -normálsík, 286 -oka, 286 -rideg, 66, 181, 287 -típusa, 287 -túlterhelés okozta, 286, 287 törési felület, 167, 286 törési szívósság, 295 transzkrisztallin, 286, 287, 324 tulajdonság -fémeké, 97, 102, 112 -változása, 105, 173 -időbeli, 196 tulajdonságmódosító technológia, 89, 97, 105 túlhűtés, 80-87, 89, 98, 120, 143, 145, 147, 163, 175, 320 -koncentrációs, 86 -konstitucionális, 85-87, 320 -mértéke, 81, 83, 143 túlhűtött, 80-82, 85, 89, 147, 198 -ausztenit, 147 túltelített -ausztenit, 168 -ferrit, 150, 153, 172, 196 -hidrogénben, 142

-oldat, 31, 91, 142, 319 -szilárd oldat, 115, 119, 141, 142, 172, 214-216, 288, 319, 322, 324 tuskó, 79, 90, 92-94 -felülete, 90 -kihozatala, 94 -szívódási üreg, 93 tuskófej, 94 tuskóhiba, 94 tuskóöntés, 89, 90, 91, 96 tű, 273 tű alakú, 190 tűkristály, 273, 275, 324 tűzálló anyag, 9, 44, 54, 94, 246 tűzálló falazat, 8, 9, 44, 54, 59, 62, 75, 90, 94, 246, 320 tűzálló tégla, 62, 75 -összetétele, 246

U, Ú, Ü, Ű újrafeldolgozás, 27, 30, 43, 53, 65, 298, 299 -fémé, 27 -üveghulladéké, 244 újrakristályosítási hőmérséklet, 111 újrakristályosító izzítás, 111, 195, 324 -hőmérséklete, 111 újrakristályosodás, 109-111, 197, 289, 321 -hajtóereje, 110 -hőmérséklete, 112 -ideje, 110 -mértéke, 111 -szemcséé, 108 újrakristályosodott szerkezet szemnagysága, 109 utóhőkezelés, 222 üdítőitalos doboz, 294 üledék, 28, 76 ülepítő, 33 üres rácshely, 84, 103, 108, 121, 140, 141, 142 -keletkezése, 140 űreszköz burkolata, 280 űrkutatás, 262 üst, 53, 66, 70, 73, 74 üst falazat, 73 üstmetallurgiai technológia, 66, 67 ütésállóság, 261 üveg, 3, 4, 10-12, 23, 243-245, 262, 264, 275, 276, 288, 291, 297 -adalékolt, 245 -bórszilikát, 280 -félvezető, 12 -összetétele, 244, 245 -szerkezete, 244 -szövet, 264 -viszkozitása, 244 üvegesedési hőmérséklet, 259, 265 üveghulladék újrafeldolgozása, 244 üvegszál, 11, 245, 276-278, 297 -gyártása, 276

351

TÁRGYMUTATÓ

V, W vágó szerszám, , 200, 201, 204 vágóél, 211 vakancia, 108, 109, 140, 147, 188, 214, 216 vákuum szivattyú, 41, 76 vákuumozás, 67, 73, 74 Van der Waals kötés, 324 vanádium, 16, 38-40, 42, 62, 70, 76, 81, 113, 121-123, 128, 153, 154, 156, 157, 163, 176-178, 180, 182-184, 187, 188, 198, 203, 206-211, 223, 225, 302, 306-308 -karbid, 153, 178, 200, 208, 210 -karbid képződési szabadentalpiája, 178 -nitrid, 70, 200, 224 vanádium ötvözésű acél, 143, 152, 177, 182, 209, 210 vas -aktivitása, 55, 68 -egyensúlyi fázisai, 120 -elektrokémiai korróziója, 292 -folyáshatára, 104 -indirekt redukciója, 47 -kohósítása, 9, 52 -korróziója, 157 -olvadéka, 119 -oxigénoldó képessége, 55 -ötvözői, 70 -redukáló olvasztása, 43 -redukciója, 37, 44 -szakadási nyúlása, 104 -szennyezett, 6 vasban -korlátlanul oldódó, 184 -oldhatatlan, 68, 92, 128 --karbid, 128 -oldott karbon, 128 vasbázisú ötvözet, 287, 323 vasbeton, 11, 159, 248, 272 vasérc, 5, 33, 34, 43, 44, 47, 63, 316, 324 -koncentrátum, 33, 47 -összetétele, 44 vas-karbid, 20, 150, 153, 155, 166, 167, 170, 172, 178, 187, 189, 190, 197, 200, 316, 320, 322-324 -bomlása, 167 -mennyisége, 155, 197 -visszamaradó, 170 vas-karbon ötvözet, 150, 151, 321, 322 vas-króm-nikkel egyensúlyi diagram, 138 vas-nitrid, 70, 200 vas-oxid, 28, 30, 34, 36, 37, 40, 44, 46-50, 55, 57-59, 63, 67, 68, 70, 72, 135, 244, 247 -aktivitása, 50 -bázikus, 30 -koncentrációja, 50 -tartalom, 48 vasöntvény, 161, 162, 165 vasötvözet, 5-7, 89, 106, 121, 122, 125, 127 vasúti szerelvény, 151 vasúti váltó, 147

352

vasveszteség, 47 vasszivacs, 7, 324 vas-szulfid, 30, 44, 48, 50, 58, 59, 64, 72, 163 védelem -kopással szembeni, 290 -korrózióval szembeni, 282, 292 védőgáz, 78, 238, 276 védőréteg, 39, 276 Vegard-szabály, 19 vegyálló burkolat, 264 vegyértékelektron, 16, 24 vegyi hatás, 21, 23, 24, 247, 254, 263, 271, 277 vegyi kötés, 258, 264, 276, 282, 289 vegyi reakció, 29, 33, 251, 252, 279 vegyipari berendezés, 184 vegyipari rendszer, 135 vegyület -egyszerű szervetlen, 2 -képződése, 138, 153, 228 -kovalens kötésű, 17 -oxidos, 5 -szerves, 249, 250 -szervetlen, 2 -szulfidos, 26 vegyületkerámia, 235, 237, 238, 324 veszteség, 42, 70, 71, 161, 289 -fémé, 29, 33 -fúvási, 59 -hiszterézis, 100, 105 -hő, 7, 40, 59 -kiégési, 70, 71 -levágási, 94 villamos -csatlakozó, 262 -ellenállás, 63, 100-103, 105, 115, 117, 223, 226, 235 --rézé, 103 -érintkező, 103, 272 -hevítés, 226 -ív, 62, 63, 324 -kábel, 266 -mérőellenállás, 117 -szigetelő, 10, 21, 23, 63, 247, 262, 263, 266, 272 -szigetelő képessége, 262 -távvezetéki tartóoszlop, 158 -töltés, 13, 23, 318, 321 -vezetékanyag, 24, 100, 105, 261 -vezetés, 24, 98, 100, 102, 148, 235 -vezető, 24, 37, 40, 63, 75, 100, 102, 103, 109, 112, 122, 226, 236, 249, 282, 316 -vezetőképesség, 24, 40, 100, 102, 103, 109, 112, 122, 236, 249 villamosan töltött részecske, 37 villáskulcs, 179 viszkozitás, 68, 266, 276 -üvegé, 244 viszkózus, 267 vizes elegy, 26, 247 vizes mosás, 31 vizes oldat, 31, 40, 76, 157, 159, 244, 291, 293, 318 vízgőz, 74

TÁRGYMUTATÓ

víztaszító, 266 víztelenítés, 29 vízüveg, 34, 244 vízvezetéki szerelvény, 115 volfrám, 10-12, 17, 24, 70, 71, 82, 107, 113, 121, 122, 128, 141, 153, 169, 176, 180, 188, 203-211, 221, 226, 238, 242, 275, 297, 301, 302, 304-308, 313 volfrám-karbid, 153, 200, 204, 207, 208, 210, 238, 239 volfrámszál, 276 vonzóerő, 28 vörösiszap, 33 vöröstörékenység, 164 vulkanizálás, 264, 324 vycor, 245 whisker, 273

Z, Zs zárvány, 66, 72, 130 -eloszlása, 94 -felúsztatás, 75 -nitrid, 130 -szulfid, 192 zárványosság, 94 zománc, 281, 282 zónás átolvasztás, 75, 77, 78 zömítés, 208 zsugorító pörkölés, 34 zsugorodás, 93-95, 155, 161, 163, 238, 284 zsugorodás okozta fogyás, 94

353

SZABVÁNYMUTATÓ MSZ 17779, 233 MSZ 17789, 205 MSZ 2295, 189 MSZ 2666, 182 MSZ 339, 159 MSZ 3426, 239 MSZ 3770, 157 MSZ 4747, 189 MSZ 520, 147 MSZ 6251, 196 MSZ 705, 223 MSZ 8276, 159 MSZ 8279, 162 MSZ 8628, 105

EN 10027, 124, 125, 303, 306 EN 573, 101, 102, 119 MSZ EN 10020, 122 MSZ EN 10025, 151, 152 MSZ EN 10028, 156, 184, 189, 198 MSZ EN 10083, 173, 177 MSZ EN 10113, 154 MSZ EN 10130, 196 MSZ EN 10207, 156 MSZ EN 573, 101, 102, 119, 220 MSZ ISO 5922, 168, 169

ANYAGMUTATÓ 10CrMo 9-10, 188, 189 10NiCr5-4, 232 10S20, 193 10SPb20, 193 11CrMo 9-10, 188, 189 11SMn30, 193 11SMn37, 193 11SMnPb30, 193 11SMnPb37, 193 12 CrMo 20 5, 188, 189 12Cr10MoVNi, 188, 189 13CrMo4-5, 188, 189 14NiCrMo13-4, 232 15NiCr13, 232 15SMn3, 193 16CrMo 9 3, 188, 189 16MnCr5, 232 16MnCr5KD, 195, 196 16MnCrB5, 232 16Mo3, 188, 189 16NiCr4, 232 17 CrMoV 10, 188, 189 17Cr3, 232 17CrMoV 10, 188, 189 17CrNi6-6, 232 17NiCrMo6-4, 232 18CrMo4, 232 18CrMo4KD, 195, 196 18CrNiMo7-6, 232 18NiCr5-4, 232 2 C 22, 156, 173, 179 2 C 25, 173, 179 2 C 30, 173, 179 2 C 35, 173, 179 2 C 40, 173, 179 2 C 45, 173, 179 2 C 50, 173, 179 2 C 55, 173, 179 2 C 60, 173, 179 20CrMoV 13 5, 188, 189 20MnCr5, 232 20MoCr3, 232 20MoCr4, 232 21CrVMoW12, 188, 189 24CrMo 10, 188, 189 25 CrMo 4, 177 25CrMo4KD, 195, 196

28 Mn 6, 177 28Cr4, 232 30 CrNiMo 8, 177, 178, 179 30CrNiMo8KD, 195, 196 31 CrMo 12, 233, 234 34 Cr 4, 177 34 CrAlMo 5 4, 233 34 CrMo 4, 177 34 CrNiMo 6, 177, 179 34Cr4KD, 195, 196 34CrMo4KD, 195, 196 35S20, 193 35SPb20, 193 36 CrNiMo 4, 177, 179 36 NiCrMo 16, 177, 178, 179 36SMn14, 193 36SMnPb14, 193 37 Cr 4, 177, 178 37Cr4KD, 195, 196 38 Cr 2, 177 38 Si 7, 182 38CrCoWV 18-17-17, 207 38SMn28, 193 38SMnPb28, 193 40NiCrMo2KD, 195, 196 41 Cr 4, 177 41 CrAlMo 7 4, 233 41Cr4KD, 195, 196 42 CrMo 4, 177 42CrMo4KD, 195, 196 44SMn28, 193 44SMnPb28, 193 46 Cr 2, 177 46S20, 193 46SPb20, 193 50 CrMo 4, 177, 179 50CrMoV13-15, 207 50WCrV8, 203, 204 51 CrV 4, 177, 179, 182, 191 52 CrMoV 4, 182 55 Si 7, 182 55NiCrMoV7, 207 60 Cr 3, 182 60 CrB 3, 182 60 SiMn 5, 182 60WCrV8, 203, 204 61 Si 7, 182 61 SiCr 7, 182 70MnMoCr8, 203, 204

353

ANYAGMUTATÓ

90MnCrV8, 203, 204 95MnWCr5, 203, 204 100Cr 6, 297 102Cr6, 203, 204 105V, 203, 204

A ABS 1, 193 Al 99.0, 102 Al 99.35, 102 Al 99.5, 102 Al 99.7, 102 Al 99.8, 102 Al 99.85, 102 Al 99.90, 102 Al 99.98, 102 Al 99.99, 102 Al Mg2, 119 Al Mg3, 119 Al Mg4, 119 Al Mg5, 119 AlCu2.5Mg, 220, 221 AlCu2.5NiMg, 220, 221 AlCu2Mg2NiSi, 222 AlCu2SiMn, 222 AlCu4Mg1, 219, 220, 221, 222 AlCu4Mg1, 220, 221 AlCu4SiMg, 220, 221 AlCu5.5MgMn, 220, 221 AlCuMg, 222 AlMgSi, 220, 221 AlMgSi, 220, 221, 222 AlMgSi1, 222 AlSi1Mg0.8, 220, 221 AlSi1MgCuMn, 220, 221 AlSi1MgMn, 220, 221 AlZn5.5Mg1.5, 220, 221 AlZn5Mg1Zr, 220, 221 AlZn6Mg2Cu, 222 AlZn8MgCu, 220, 221 ANS 2, 193 Aö 400FK, 161 Aö 450FK, 161 Aö 500FK, 161 Aö 550FK, 161 Aö 600FK, 161 APb 1, 193 APb 2, 193 AS 4, 193 AS 5, 193

354

B B 235, 156, 159 B 350, 159 B 38.24, 159 B 390, 159 B 490, 159 B 60.50, 159 B 75.50, 159 BC 2, 232 BC 3 Z, 195 BC 3, 195, 232, 301 BCMo 1 Z, 195 BCMo 1, 195, 232 BCMo 2, 232 BN, 70, 200, 242 BNC 2, 232, 301 BNC 5, 232, 301 BNCMo 1, 232 BNCMo 2, 232

C C 10 Z, 195 C 10, 195, 232 C 15 Z, 195 C 15, 195, 232 C 22 Z, 195 C 35 Z, 195 C 35, 173, 178, 179, 195 C 45 Z, 195 C 45, 173, 179, 195, 297, 302 C 60, 173, 179, 302 C10, 232 C10KD, 195, 196 C15, 232 C15, 232 C15KD, 195, 196 C16, 232 C21KD, 195, 196 C35KD, 195, 196 C45KD, 195, 196 C45U, 201 C70U, 201 C80U, 201 C90U, 201 C105U, 201 C120U, 201 CMo 1 Z, 195 CMo 3 Z, 195

ANYAGMUTATÓ

CMo 4 Z, 195 Cr 1 Z, 195 Cr 2 Z, 195 Cr 3 Z, 195 Cr5Mo 45.47, 188 CuAl 8, 118 CuAl10Ni5Fe4, 148 CuAl8Fe3, 148 CuAl9Ni3Fe2, 148 CuBe1.7NiTi, 223 CuBe2Co, 223 CuCo2.5Be, 223 CuCr1Zr, 223 CuFeS2, 30 CuNi10Fe1Mn, 117 CuNi25, 117 CuNi30Mn1Fe, 117 CuNi44Mn1, 117 CuSn4, 118 CuSn6, 118 CuSn8, 118 CuZn5, 116 CuZn10, 116 CuZn15, 116 CuZn20, 116 CuZn30, 116 CuZn33, 116 CuZn37, 116

D DA 10, 239 DA 20, 239 DA 25, 239 DA 30, 239 DA 40, 239 DC01, 195, 196 DC03, 195, 196 DC04, 195, 196 DC05, 195, 196 DC06, 195, 196 DG 10, 239 DG 20, 239 DG 30, 239 DG 40, 239 DG 50, 239 DR 10, 239 DR 20, 239 DU 20, 239 DX 42, 157 DX 52, 157 DX 60, 157

E E 295 N, 152 E 335 N, 152 E 360 N, 152 EAl 99.5, 102 EAl 99.7, 102

F Fe 235 B, 152 Fe 235 C, 152 Fe 235 D, 152 Fe 275 B, 152 Fe 275 C, 152 Fe 275 D, 152 Fe 355 B, 152 Fe 355 C, 152 Fe 355 D, 152 Fe P01, 195 Fe P03, 195 Fe P04, 195 Fe P05, 195 Fe P06, 195

G GE 200 N, 161 GE 240 N, 161 GE 280 N, 161 GE 320 N, 161 GE 350 N, 161 GG-100, 164 GG-150, 164 GG-200, 164 GG-250, 164 GG-300, 164 GG-350, 164 GJS 350-22, 165 GJS 350-22-LT, 165 GJS 350-22-RT, 165 GJS 400-15, 165 GJS 400-18, 165 GJS 400-18-LT, 165 GJS 400-18-RT, 165 GJS 450-10, 165 GJS 500-7, 165 GJS 600-3, 165 GJS 700-2, 165

355

ANYAGMUTATÓ

GJS 800-2, 165 GJS 900-2, 165 GO 3, 205 GP240GH, 161 GP240GR, 161 GP280GH, 161 GTS-350, 169 GTS-450, 169 GTS-550, 169 GTS-650, 169 GTS-700, 169 GTW 350, 168 GTW 380, 168 GTW 400, 168 GTW 450, 168

H H 7 Ni, 139 H 8, 139, 301 H 9, 139 H 10, 139, 301 H 12, 137 H 13, 137 H 14, 137, 301 H 16, 301 H 17, 137 HS0-4-1, 211, 212 HS1-4-2, 211, 212 HS1-8-1, 211, 212 HS2-9-1-8, 211, 212 HS2-9-2, 211, 212 HS3-3-2, 211, 212 HS6-5-2, 211, 212 HS6-5-2-5, 211, 212 HS6-5-3, 211, 212 HS6-5-3-8, 211, 212 HS6-5-4, 211, 212 HS6-6-2, 211, 212 HS10-4-3-10, 211, 212 HS18-0-1, 211, 212

K K 1, 203, 204 K 4, 203, 204, 301 K 6, 301 K 8, 203, 204, 301 K 9, 203, 301 K 12, 207 K 13, 207, 302

356

K 14, 207, 302 KO 1,129, 131 KO 3,129, 131 KO 3S, 194 KO 4Ti,129, 131 KO 6,129, 131 KO 11, 184 KO 12, 184 KO 13, 184 KO 14, 184 KO 16, 184 KO 33, 132, 134 KO 35Ti, 132, 134 KO 36S, 132, 134, 194 KO 37Nb, 132, 134 KO 37Ti, 132, 134 KO 38LC, 132, 134 KO 41LC, 132, 134 KO 42LC, 132, 134 KO 45ELC, 132, 134

L L245NB, 157 L290NB, 157 L360NB, 157 L415NB, 157 LK 37 C, 158 LK 37 D, 158 LK 52 B, 158

M M 1, 203, 204, 301 Mo 45.47, 188

N NCMo 3 Z, 195 NCMo 6 Z, 195 NK 2, 207, 302 NK, 207, 302

P P235GH, 156 P235NL2, 156 P265GH, 156 P275N, 156

ANYAGMUTATÓ

R 3, 211, 212 R 6, 211, 212 R 8, 211, 212, 302 R 11, 211, 212 R 12, 211, 212 R 13, 211, 212 R 14, 211, 212

S420ML, 154 S420N, 154 S420NL, 154 S460M, 154 S460ML, 154 S460N, 154 S460NL, 154 S460Q, 183 S500A, 223 S500Q, 183 S550A, 223 S550Q, 183 S620A, 223 S620Q, 183 S690A, 223 S690Q, 183 S960Q, 183 SPH235J2, 156 SPH265J2, 156 SPHL275J5, 156

S

W

S 45, 201, 301 S 60, 201, 302 S 71, 201 S 81, 201 S 91, 201 S 101, 201 S 111, 201, 301 S 121, 201 S 131, 201 S235J2W, 158 S235JON, 156 S235JOW, 158 S275M, 154 S275ML, 154 S275N, 154, 156 S275NL, 154 S355J2G1W, 158 S355J2G2W, 158 S355J2WP, 158 S355JOW, 158 S355JOWP, 158 S355K2G1W, 158 S355K2G2W, 158 S355M, 154 S355ML, 154 S355N, 154 S355NL, 154 S420M, 154

W 2, 207 W 3, 207, 302 W 5, 203, 204, 301, 302 W 6, 203, 204, 301

P295GH, 156 P355GH, 156 P355ML, 198 P355N, 156 P420M, 198 P420ML, 198 P460M, 198 P460ML, 198 P460N, 156

R

X X1CrNi25-21, 132, 134 X1CrNiMoCuN20-18-7, 133, 134 X1CrNiMoCuN25-20-7, 133, 134 X1CrNiMoCuN25-25-5, 133, 134 X1CrNiMoN25-22-2, 132, 134 X1NiCrMoCu25-20-5, 133, 134 X1NiCrMoCu31-27-4, 133, 134 X2CrAlTi18-2,129, 131 X2CrMnNiN17-7-5, 132, 134 X2CrMo17-1,129, 131 X2CrMoTi18-2, 129, 131 X2CrMoTi29-4,129, 131 X2CrMoTiS18-2, 129, 131 X2CrMoTiS18-2, 194 X2CrNbZr17,129, 131 X2CrNi12,129, 131 X2CrNi18-9, 132, 134 X2CrNi19-11, 132, 134 X2CrNiMo17-12-2, 132, 134 X2CrNiMo17-12-3, 132, 134

357

ANYAGMUTATÓ

X2CrNiMo18-14-3, 132, 134 X2CrNiMo18-15-4, 132, 134 X2CrNiMoN17-11-2, 132, 134 X2CrNiMoN17-13-3, 132, 134 X2CrNiMoN18-12-4, 132, 134 X2CrNiN18-10, 132, 134 X2CrNiN18-7, 132, 134 X2CrTi12,129, 131 X2CrTi17,129, 131 X2CrTiNb18,129, 131 X3CrAlTi18-2, 137 X3CrNb17,129, 131 X3CrNiCu18-9-4, 132, 134 X3CrNiCu19-9-2, 132, 134 X3CrNiCuMo17-11-3-2, 132, 134 X3CrNiMo13-4, 224, 225 X3CrNiMo17-13-3, 132, 134 X3CrTi17,129, 131 X4CrNi18-12, 132, 134 X4CrNiMo16-5-1, 224, 225 X5CrNi18-10, 132, 134 X5CrNiCuNb16-4, 224, 225 X5CrNiMo17-12-2, 132, 134 X5CrNiMoCuNb14-5, 224, 225 X6Cr13,129, 131 X6Cr17,129, 131 X6CrAl13,129, 131 X6CrMo17-1,129, 131 X6CrMoNb17-1,129, 131 X6CrMoS17, 194 X6CrMoS17,129, 131 X6CrNi17-1, 129, 131 X6CrNiCuS18-9-2, 132, 134 X6CrNiCuS18-9-2, 194 X6CrNiMoNb17-12-2, 132, 134 X6CrNiMoTi17-12-2, 132, 134 X6CrNiNb18-10, 132, 134 X6CrNiSiNCe19-10, 139 X6CrNiTi12,129 X6CrNiTi18-10, 132, 134 X6NiCrNbCe32-27, 139 X6NiCrSiNCe35-25, 139 X7CrNiAl17-7, 224, 225 X7Ni9, 185 X8CrNi25-21, 139 X8CrNiMoAl15-7-2, 224, 225 X8CrNiS18-9, 132, 134 X8CrNiS18-9, 194 X8CrNiTi18-10, 139 X8Ni9, 185 X9CrNiSiNCe21-11-2, 139 X10CrAlSi13, 137, 138

358

X10CrAlSi18, 137, 138 X10CrAlSi25, 137 X10CrNi18-8, 132, 134 X10NiCrAlTi32-21, 139 X10NiCrSi35-19, 139 X10NiCrSiNb35-22, 139 X12Cr13, 184 X12CrMnNiN17-7-5, 132, 134 X12CrMnNiN18-9-5, 132, 134 X12CrNi23-13, 139 X12CrS13, 194 X12NiCrSi35-16, 139 X14CrMoS17, 194 X15CrNiSi20-12, 139 X15CrNiSi25-21, 139 X15CrNiSi25-4, 137 X17CrNi16-2, 184 X18CrN 28, 137 X18CrN 28, 137, 138 X20Cr13, 184 X29CrS13, 194 X30Cr13, 184 X30WCrV9-3, 207 X32CrMoV12-28, 207 X35CrWMoV5-1, 207 X37CrMoV5-1, 207 X38CrMoV5-3, 207 X39Cr13, 184 X39CrMo17-1, 184 X40CrMoV 5-1, 207 X46Cr13, 184 X50CrMoV15, 184 X70CrMo15, 184 X90CrMoV18, 184 X105CrMo17, 184 X120 Mn 13, 147 X153CrMoV12, 203, 204 X210Cr12, 203, 204 X210CrW12-1, 203, 204

SZABVÁNYJEGYZÉK MSZ EN 10204:1998 Fémtermékek. A vizsgálati bizonylatok típusai

MSZ 17779:1988 Nitridálható acél

MSZ EN 10034:1994 I és H szelvényű idomacélok. Alak- és mérettűrések.

MSZ EN 10028-7:2000 Lapos acéltermékek nyomástartó berendezésekhez. 7. rész: Korrózióálló acélok

MSZ EN 10083-1:1994 Nemesíthető acélok. 1. rész: Nemesacélok műszaki szállítási feltételei

MSZ EN 10088-1:1998 Korrózióálló acélok. 1. rész: A korrózióálló acélok jegyzéke

MSZ EN 10083-2:1994 Nemesíthető acélok. 2. rész: Ötvözetlen minőségi acélok műszaki szállítási feltételei

MSZ EN 10113:1995 Melegen hengerelt, hegeszthető, finomszemcsés szerkezeti acélok. 1. rész: Általános szállítási feltételek /2. rész: Ötvözetlen minőségi és nemesacélok / 3. rész: Ötvözött nemesacélok / 4. rész: Korrózióálló acélok

MSZ EN 10113:1995 Melegen hengerelt, hegeszthető, finomszemcsés szerkezeti acélok. 2. rész: A normalizált vagy normalizáló hengereléssel gyártott acélok szállítási feltételei / 3. rész: A termomechanikusan hengerelt acélok szállítási feltételei MSZ EN 10132:2000 Hőkezelésre szánt, hidegen hengerelt keskeny acélszalag. 1. rész: Általános követelmények / 2. rész: Betétben edzhető acélok / 3. rész: Nemesíthető acélok / 4. rész: Rugóacélok és egyéb felhasználások MSZ EN 10155:1998 Légköri korróziónak ellenálló szerkezeti acél. Műszaki szállítási feltételek MSZ EN 10213:1998 Nyomástartó acélöntvények műszaki szállítási feltételei. 1. rész: Általános követelmények / 2. rész: Szobahőmérsékleten használható és hőálló acélok / 3. rész. Hidegszívós acélok / 4. rész: Ausztenites és ausztenites-ferrites acélok MSZ EN 10267:1999 Melegalakítási hőmérsékletről kiválásosan keményíthető ferrites-perlites acélok MSZ EN ISO 683-17:2000 Hőkezelt, ötvözött és automataacélok. 17. rész: Acélok gördülőcsapágyakhoz és csapágygolyókhoz

MSZ EN 10258:1999 Hidegen hengerelt, korrózióálló keskeny szalag és szalagszakasz. Méret- és alaktűrések MSZ EN 10259:1999 Hidegen hengerelt, korrózióálló széles szalag és lemez. Méret- és alaktűrések MSZ EN 10267:1999 Melegalakítási hőmérsékletről kiválásosan keményíthető ferrites-perlites acélok MSZ EN 10269:2000 Melegszilárd és/vagy hidegszívós acélok és nikkelötvözetek kötőelemekhez MSZ EN 10283:2000 Korrózióálló acélöntvény MSZ ISO 9444:1993 Melegen hengerelt korrózióálló acéllemez és szélesszalag méret- és alaktűrései MSZ ISO 9446:1993 A melegen hengerelt korrózióálló acélszalag méretés alaktűrései MSZ 520:1988 Nagy mangántartalmú kopásálló acél

MSZ 31:1985 Betétben edzhető acél

MSZ 1745:1979 Melegszilárd acél csavarokhoz és csavaranyákhoz

MSZ 6251:1987 Acélok képlékeny hidegalakításhoz

MSZ 2295:1988 Hidrogénnyomás-álló acél

359

SZABVÁNYJEGYZÉK

MSZ 2666:1988 Melegen hengerelt rugóacél MSZ 4359:1982 Hőálló acél MSZ 4360:1987 Korrózióálló acél MSZ 5776:1982 Szelepacél belsőégésű motorhoz MSZ 13724-1:1977 Vákuumtechnikai vas. 1. rész: Szalag / 2. rész: Huzal és rúd MSZ EN 10029:1993 Melegen hengerelt durvalemez méretei, méret-, alakés tömegtűrései MSZ EN 10048:1999 Melegen hengerelt keskeny acélszalag. Méret- és alaktűrések MSZ EN 10132-4:2000 Hőkezelésre szánt, hidegen hengerelt keskeny acélszalag. 4. rész: Rugóacélok és egyéb felhasználások MSZ EN 10028:1999 Lapos acéltermékek nyomástartó berendezésekhez. 5. rész: Hegeszthető, finom szemcsés, termomechanikusan hengerelt acélok / 6. rész: Hegeszthető, finom szemcsés, nemesíthető acélok / 7. rész: Korrózióálló acélok MSZ EN 10207:1991/A1:2000 Acélok egyszerű nyomástartó edényekhez. Lemezek, szalagok és rudak műszaki szállítási követelményei MSZ EN 10213:1998 Nyomástartó acélöntvények műszaki szállítási feltételei. 1. rész: Általános követelmények / 2. rész: Szobahőmérsékleten használható és hőálló acélok / 3. rész. Hidegszívós acélok / 4. rész: Ausztenites és ausztenitesferrites acélok MSZ EN 10203:1999 Hidegen hengerelt, elektrolitikusan ónozott lemez MSZ EN 10222:2000 Kovácsolt acél nyomástartó berendezésekhez. 1. rész: Szabadon alakított kovácsdarabok általános követelményei / 2. rész: Melegszilárd ferrites és martenzites acélok /3. rész: Hidegszívós, nikkellel ötvözött acélok / 4. rész: Nagy folyáshatárú, hegeszthető, finom szemcsés acélok / 5. rész: Martenzites, ausztenites és ausztenites-ferrites korrózióálló acélok

362

MSZ EN 10273:2000 Melegszilárd, hegeszthető acélból melegen hengerelt rudak nyomástartó berendezésekhez; MSZ ENV 22605:1999 Acéltermékek nyomástartó berendezésekhez. A növelt hőmérsékleti tulajdonságok meghatározása és igazolása. 1. rész: Az ötvözetlen és a gyengén ötvözött acéltermékek folyáshatára és egyezményes folyáshatára / 2. rész: Ausztenites acéltermékek egyezményes folyáshatára / 3. rész: Hiányos adatok esetén választható eljárás a növelt hőmérsékleti folyáshatár és egyezményes folyáshatár megállapítására MSZ 1740:1981 Kazánok és nyomástartó edények gyártására felhasználható szerkezeti anyagok. 1.rész: Általános előírások / 2. rész Acéllemezek 3. rész: Ausztenites acélok / 4. rész Plattírozott acéllemezek MSZ EN ISO 4957:2000 Szerszámacélok MSZ EN 10028:1995 Lapos acéltermékek nyomástartó berendezésekhez. 1. rész: Általános követelmények / 2. rész: Ötvözetlen és ötvözött acélok növelt hőmérsékleten szavatolt tulajdonságokkal / 3. rész: Hegeszthető, finomszemcsés normalizált acélok / 4. rész: Hidegszívós nikkelötvözésű acélok / Korrózióálló acélok MSZ EN 10051:1991+A1:2000 Folytatólagosan melegen hengerelt, bevonat nélküli lemez és szalag ötvözetlen és ötvözött acélokból. Méret- és alaktűrések MSZ EN 10087:1999 Automataacélok. Félgyártmányok, melegen hengerelt rudak és hengerhuzalok műszaki szállítási feltételei MSZ EN 10106:1998 Hidegen hengerelt, nem irányított szemcsézetű, kész állapotú elektrotechnikai acéllemez és - szalag MSZ EN 10107:1998 Irányított szemcsézetű, kész állapotú elektrotechnikai acéllemez és -szalag MSZ EN 10111:2000 Folytatólagosan melegen hengerelt lemez és szalag kis karbontartalmú acélból, hidegalakításra. Műszaki szállítási feltételek MSZ EN 10126:1998 Hidegen hengerelt, ötvözetlen, félkész állapotú elektrotechnikai acéllemez és -szalag MSZ EN 10130:1991+A1:2000

SZABVÁNYJEGYZÉK

Hidegen hengerelt lapos termék kis karbontartalmú acélból, hidegalakításra. Műszaki szállítási feltételek

Acélok egyszerű nyomástartó edényekhez. Lemezek szalagok és rudak műszaki szállítási követelményei

MSZ EN 10131:1994 Hidegen hengerelt, bevonat nélküli kis karbontartalmú és nagy folyáshatárú acéllemezek és -szalagok hidegalakításra. Méret- és alaktűrések

MSZ EN 10214:1999 Folytatólagos tűzi-mártó eljárással cink-alumínium ötvözettel (ZA) bevont acéllemez és -szalag. Műszaki szállítási feltételek

MSZ EN 10132:2000 Hőkezelésre szánt, hidegen hengerelt keskeny acélszalag. 1. rész: Általános követelmények / 2. rész: Betétben edzhető acélok / 3. rész: Nemesíthető acélok / 4. rész: Rugóacélok és egyéb felhasználások. Hőkezelésre szánt, hidegen hengerelt keskeny acélszalag

MSZ EN 10258:1999 Hidegen hengerelt, korrózióálló keskeny szalag és szalagszakasz. Méret- és alaktűrések

MSZ EN 10139:2000 Hidegen hengerelt, bevonat nélküli lágyacél keskeny szalag hidegalakításra. Műszaki szállítási feltételek

MSZ EN 10265:1998 Mágneses anyagok. Az előírt mechanikai tulajdonságú és mágneses permeabilitású acéllemez és szalag követelményei

MSZ EN 10140:2000 Hidegen hengerelt keskeny acélszalag. Méret- és alaktűrések MSZ EN 10142:1993 Folytatólagos tűzi-mártó eljárással horganyozott, hidegalakításra alkalmas, kis karbontartalmú acéllemez és -szalag általános műszaki követelményei MSZ EN 10149-1:2000 Nagy folyáshatárú acélokból melegen hengerelt lapos termékek hidegalakításra 1. rész: Általános szállítási feltételek / 2. rész: A termomechanikusan hengerelt acélok általános szállítási feltételei / 3. rész: A normalizált vagy normalizáló hengerléssel gyártott acélok szállítási feltételei MSZ EN 10152:1995 Hidegen hengerelt, elektrolitikusan horganyozott lapos acéltermékek. Műszaki szállítási feltételek

MSZ EN 10259:1999 Hidegen hengerelt, korrózióálló széles szalag és lemez. Méret- és alaktűrések

MSZ EN 10268:1999 Hidegen hengerelt, nagy folyáshatárú mikroötvözött lapos acéltermékek hidegalakításra. Általános szállítási feltételek MSZ ISO 7788:1992 Melegen hengerelt lemezek és szélesacélok felületi minősége és szállítási követelményei MSZ ISO 9034:1992 Szerkezeti acélból melegen hengerelt szélesacél méret- és alaktűrései MSZ ISO 9444:1993 Melegen hengerelt korrózióálló acéllemez és szélesszalag méret- és alaktűrései MSZ 23:1983 Finomlemez és szalag acélból

MSZ EN 10163:1994 Melegen hengerelt acéllemezek, széles- és idomacélok felületi követelményei. 1. rész: Általános követelmények / 2. rész: Lemezek és szélesacélok

MSZ 75:1981 Acéllemez vastagságirányban szavatolt kontrakcióval

MSZ EN 10165:1998 Hidegen hengerelt, ötvözött, félkész állapotú elektrotechnikai acéllemez és -szalag

MSZ 13724:1977 Vákuumtechnikai vas. 1. rész: Szalag / 2. rész: Huzal és rúd

MSZ EN 10202:1994 Hidegen hengerelt, krómmal és króm-oxiddal elektrolitikusan bevont acél MSZ EN 10207:1994

MSZ 357:1986 Acélbuga kovácsolási célra

MSZ ENV 10080:1999 Betonacél. A hegeszthető, bordázott, B500 minőségű acélrúd, -tekercs és hegesztett síkháló műszaki szállítási feltételei MSZ EN 10087:1999

363

SZABVÁNYJEGYZÉK

Automataacélok. Félgyártmányok, melegen hengerelt rudak és hengerhuzalok műszaki szállítási feltételei MSZ EN 10273:2000 Melegszilárd, hegeszthető acélból melegen hengerelt rudak nyomástartó berendezésekhez MSZ EN 10277:2000 Fényes acéltermékek. Műszaki szállítási feltételek. 1. rész: Általános követelmények / 2. rész: Általános gépacélok / 3. rész: Automataacélok / 4. rész: Betétben edzhető acélok / 5. rész: Nemesíthető acélok MSZ EN 10278:2000 A fényes acéltermékek méretei és tűrései MSZ ISO 8457-1:1993 Acél hengerhuzal. Méretek és tűrések MSZ 339:1987 Melegen hengerelt betonacél MSZ 982:1987 Hidegen alakított betonacélhuzal MSZ 4337:1981 Melegen hengerelt köracél méretei MSZ 4342:1981 Melegen hengerelt laposacél méretei MSZ 4369:1985 Hidegen húzott acélrúd ötvözetlen szerkezeti acélból MSZ 4377:1985 Általános rendeltetésű acélhuzal kis karbontartalmú acélból MSZ EN 10016:1999 Húzható és/vagy hidegen hengerelhető ötvözetlen acélrúd. 1. rész: Általános követelmények / 2. rész:Az általános rendeltetésű rúd követelményei / 3. rész: Csillapítatlan és csillapítatlant helyettesítő kis karbontartalmú acélrúd követelményei /4. rész: A különleges rendeltetésű rúd követelményei

MSZ EN 10024:1999 Melegen hengerelt, lejtős talpú I acél. Méret- és alaktűrések MSZ EN 10055:1999 Melegen hengerelt, lekerekített egyenlő talpú T szelvényű idomacél belső lekerekítéssel. Méretek, méretés alaktűrések MSZ EN 10056:1999 Egyenlő és egyenlőtlen szárú szögacél. 1. rész: Méretek / 2. rész: Alak- és mérettűrések / 3. rész: Idomacélok MSZ EN 10248:1999 Melegen hengerelt szádacél ötvözetlen és ötvözött acélból. 1. rész: Műszaki szállítási feltételek / 2. rész: Méret- és alaktűrése MSZ EN 10249:1999 Hidegen hengerelt szádacél ötvözetlen acélból. 1. rész: Műszaki szállítási feltételek / 2. rész: Méret- és alaktűrések MSZ EN 10279:2000 Melegen hengerelt, U szelvényű idomacél. Alak-, méret- és tömegtűrés MSZ EN 10210-1:1999 Melegen hengerelt, zárt idomacélok ötvözetlen és finom szemcsés acélból. 1. rész: Műszaki szállítási feltételek / 2. rész: Tűrések, méretek és keresztmetszeti jellemzők MSZ EN 10219:1999 Hidegen alakított, hegesztett, szerkezeti zárt idomacélok ötvözetlen és finom szemcsés acélokból. 1. rész: Műszaki szállítási feltételek / 2. rész: Mérettűrések, méretek és keresztmetszeti jellemzők MSZ ENV 10220:1995 Varrat nélküli és hegesztett acélcsövek. Méretek és hosszegységenkénti tömegek

MSZ EN 10087:1999 Automataacélok. Félgyártmányok, melegen hengerelt rudak és hengerhuzalok műszaki szállítási feltételei

MSZ ISO 2408:2000 Acélhuzalköteg általános célra. Jellemzők

MSZ ISO 8458:1992 Acélhuzal mechanikai rugókhoz. 1. rész: Általános követelmények / 2. rész: Acélhuzal mechanikai rugókhoz. Hidegen húzott ötvözetlen acélhuzal

MSZ 17:1986 Fokozott követelményű, ötvözetlen, varrat nélküli acélcső

MSZ EN 10034:1994 I és H szelvényű idomacélok. Alak- és mérettűrések

MSZ 29:1986 Általános rendeltetésű, ötvözetlen, varrat nélküli acélcső MSZ 120-1:1982

364

SZABVÁNYJEGYZÉK

Csőmenetvágásra alkalmas méretű acélcsövek. 1. rész: Vastag falú csövek / 2. rész: Normálfalú csövek / 3. rész: Vékony falú csövek MSZ 185:1982 Hosszvarratos hegesztett acélcsövek méretei MSZ 186:1982 Hosszvarratos hegesztett acélcsövek. 1. rész: Kereskedelmi minőségű csövek / 2. rész: Szavatolt minőségű csövek MSZ 382:1983 Kalibrált, hosszvarratos, hegesztett acélcső. 1. rész: Méretek / 2. rész: Általános műszaki előírások MSZ 2898:1980/1M:1986 Varrat nélküli hidegen alakított acélcsövek. 1. rész: Méretek / 2. rész: Műszaki előírások MSZ 2978:1982 Hosszvarratos hegesztett hidegen alakított acélcsövek. 1. rész: Méretek / 2. rész: Általános műszaki előírások MSZ 3741:1985 Fokozott követelményű, spirálvarratos acélcső MSZ 3770:1985 Különleges követelményű, spirálvarratos acélcső MSZ 4051:1986 Különleges követelményű varrat nélküli acélcső MSZ 4398:1986 Hosszvarratos, korrózió- és hőálló acélcső MSZ 4747:1985 Melegszilárd acélcső MSZ EN 1562:2000 Öntészet. Tempervas MSZ EN 10283:2000 Korrózióálló acélöntvény MSZ ISO 2892:1992 Ausztenites öntöttvas MSZ 1740-8:1981 Kazánok és nyomástartó edények gyártására felhasználható szerkezeti anyagok. 8. rész: Vasöntvények / 15. rész: Kovácsdarabok MSZ 1749:1989 Melegszilárd acélöntvény MSZ 4357:1981

Hőálló acélöntvény MSZ 8267:1985 Hidegszívós acélöntvény MSZ 8270:1989 Acélöntvények általános műszaki követelményei MSZ 8272:1989 Gyengén ötvözött acélöntvény MSZ 8273:1991 Ötvözött, kopásálló öntöttvas MSZ 8276:1989 Ötvözetlen acélöntvény MSZ 8278:1991 Hőálló öntöttvas MSZ 8279:1988 Kéregöntvény és fehérvasöntvény MSZ 17742:1982 Nagy mangántartalmú acélöntvény MSZ EN 10222:2000 Kovácsolt acél nyomástartó berendezésekhez. 1. rész: Szabadon alakított kovácsdarabok általános követelményei / 2. rész: Melegszilárd ferrites és martenzites acélok / 3. rész: Hidegszívós, nikkellel ötvözött acélok / 4. rész: Nagy folyáshatárú, hegeszthető, finom szemcsés acélok / 5. rész: Martenzites, ausztenites és ausztenites-ferrites korrózióálló acélok MSZ EN 10250-2:2000 Általános célú, szabadon alakított, acél kovácsdarabok. 2. rész: Ötvözetlen minőségi és nemesacélok / 3. rész: Ötvözött nemesacélok / 4. rész: Korrózióálló acélok MSZ 2570:1988 Nagyvasúti sín anyagminősége és általános műszaki előírásai MSZ EN 541:1999 Alumínium és alumíniumötvözetek. Hengerelt termékek dobozokhoz, zárófedelekhez és kupakokhoz. Követelmények MSZ EN 570:1998 Alumínium és alumíniumötvözetek. Alakított féltermékből előállított hidegfolyatási tárcsák. Előírások MSZ EN 586-1:1999 Alumínium és alumíniumötvözetek. Kovácsolt termékek. 1. rész: Műszaki szállítási és vizsgálati feltételek

365

SZABVÁNYJEGYZÉK

MSZ EN 683-1:1999 Alumínium és alumíniumötvözetek. Szalag hőcserélőkhöz. 1. rész: Műszaki szállítási és vizsgálati feltételek / 2. rész: Mechanikai tulajdonságok / 3. rész: Méret- és alaktűrések

Réz és rézötvözetek. Tömbök és öntvények

MSZ EN 754-1:1999 Alumínium és alumíniumötvözetek. Hidegen húzott rúd és cső. 1. rész: Műszaki szállítási és vizsgálati feltételek / 2. rész: Mechanikai tulajdonságok / 3. rész: Kör szelvényű rudak méret- és alaktűrései / 4. rész: Négyzet szelvényű rudak méret és alaktűrései / 5. rész: Lapos rudak méret- és alaktűrései / 6. rész: Hatszög szelvényű rudak méret- és alaktűrései / 7. rész: Varrat nélküli csövek méret- és alaktűrései / 8. rész: Kamrás matricán át húzott csövek méret- és alaktűrései

MSZ EN 1652:1999 Réz és rézötvözetek. Finom- és durvalemez, szalag és körlemez általános célra

MSZ EN 755:1999 Alumínium és alumíniumötvözetek. Sajtolt rudak, csövek és idomrudak. 1. rész: Műszaki szállítási és vizsgálati feltételek / 2. rész: Mechanikai tulajdonságok / 3. rész: Kör szelvényű rudak méret- és alaktűrései / 4. rész: Négyzetes rudak méret- és alaktűrései / 5. rész: Lapos rudak méret- és alaktűrései / 6. rész: Hatszög szelvényű rudak méret- és alaktűrései / 7. rész: Varrat nélküli csövek méret- és alaktűrései / 8. rész: Kamrás matricán át sajtolt csövek méret- és alaktűrései

MSZ EN 1654:1999 Réz és rézötvözetek. Szalagok rugókhoz és összekötőkhöz

MSZ EN 1653:2000 Réz és rézötvözetek. Finom- és durvalemez kazánokhoz, nyomástartó berendezésekhez és melegvíztároló egységekhez MSZ EN 1758:1999 Réz és rézötvözetek. Szalagok vezetőkoszorúkhoz MSZ EN 1976:1999 Réz és rézötvözetek. Öntött, képlékenyen nem alakított termékek MSZ EN 1977:1999 Réz és rézötvözetek Réz előtermék húzáshoz (hengerhuzal) MSZ EN 12163:1999 Réz és rézötvözetek. Általános célú rúd MSZ EN 12164:1999 Réz és rézötvözetek. Rudak forgácsolásra

MSZ EN 1301:1999 Alumínium és alumíniumötvözetek. Húzott huzal. 1. rész: Műszaki szállítási és vizsgálati feltételek / 2. rész: Mechanikai tulajdonságok / 3. rész: Mérettűrések

MSZ EN 12165:1999 Réz és rézötvözetek. Képlékenyen alakított és öntött kovácsolási buga

MSZ EN 1706:1999 Alumínium és alumíniumötvözetek. Öntvények. Vegyi összetétel és mechanikai tulajdonságok

MSZ EN 12167:1999 Réz és rézötvözetek. Általános célú idomrudak és négyzetes rudak

MSZ EN 12392:2000 Alumínium és alumíniumötvözetek. Képlékenyen alakított termékek. Nyomástartó berendezések gyártására szánt termékek követelményei

MSZ EN 12420:1999 Réz és rézötvözetek. Kovácsdarabok

MSZ EN 1172:1998 Réz és rézötvözetek. Lemez és szalag építőipari célra MSZ EN 1982:1999

366

MSZ EN 12166:1999 Réz és rézötvözetek. Általános célú huzal

MSZ EN 12450:2000 Réz és rézötvözetek. Varratmentes, kör szelvényű, forrasztható csövek MSZ EN 12451:2000 Réz és rézötvözetek. Varratmentes, kör szelvényű csövek hőcserélőkhöz

KÉRDÉSEK ÉS FELADATOK 0.1.1. Mi jellemzi az anyag egyes halmazállapotait? Válaszát a „kicsi”, „nagy”, „mérsékelt”, „hasonló” jelzőkkel adja meg! Halmazállapot Potenciális Kinetikai energia energia

Részecskék helyváltoztató képessége

Összenyomhatóság

Gáz Folyadék Szilárd 0.1.2. Mi az alapvető különbség a van der Waals- és a hidrogénkötés között? 0.1.3. Definiálja az elemi cella és a kristályrács fogalmát! 0.1.4. Mi az alapvető különbség a fémes- és a kovalens kötés között? 0.1.5. Mi magyarázza a gyémánt nagy keménységét és nagy olvadáspontját? 0.1.6. Mi az alapvető különbség az ionos- és a kovalens kötés között? 0.1.7. Számolja ki a Vegard-szabály alkalmazásával annak az egyszerű kockarácsú kétalkotós szubsztitúciós szilárd oldatot alkotó ötvözetnek a rácsparaméterét, amely A összetevőjének rácsparamétere 0,4 nm, B összetevőjének rácsparamétere 0,45 nm és a B koncentrációja 20 atom %? 0.1.8. Definiálja a rendezettrácsú szilárd oldat fogalmát! 0.1.9. Kötések típusa alapján csoportosítsa a szerkezeti anyagokat! Minden csoporthoz nevezzen meg egy anyagot példaként! 0.2.1. Csoportosítsa a szilárd állapotú anyagokat mikroszerkezetük rendezettsége alapján, minden csoporthoz nevezzen meg egy jellemző példát! 0.2.2. Mi az alapvető különbség az amorf és a kristályos szerkezetű anyagok között? 0.2.3. Magyarázza meg miért jó kenőanyag a grafit, szemben az ugyancsak karbonból felépülő gyémánttal? 0.2.4. Miért jellemző az alakíthatóság a fémekre, szemben azokkal az anyagokkal, amelyek rácsa ionos- vagy kovalens kötéssel rendelkezik? 0.2.5. Miért jó villamos vezetők a fémek? !!! 1.1.1. Definiálja az ásvány és az érc fogalmát!

365

KÉRDÉSEK ÉS FELADATOK

1.1.2. Milyen főbb lépésekből áll a fém kinyerése érceiből, mi az egyes lépések célja? 1.1.3. Ismertesse a flotálás fizikai alapjait! 1.1.4. Sorolja fel, és egy-egy példa megadásával jellemezze a fizikai és vegyi módszerekkel végzett dúsító eljárásokat! 1.1.5. Sorolja fel a bauxit timfölddé való feldolgozásának Bayer eljárás szerinti lépéseit! Nevezze meg az egyes lépések célját! 1.1.6. Ismertesse az oldódás részfolyamatait! 1.1.7. Mi a célja a vasérc koncentrátum előállításának, melyek a leggyakrabban alkalmazott módszerek? 1.1.8. Ismertesse a egyenleteit!

zsugorító

pörkölést,

megadva

a

végbemenő

reakciók

!!! 1.2.1. Ismertesse részletesen a timföld kohósítását, berendezését, megadva az 1 t alumínium előállításához szükséges alap- és segédanyagok és energia közelítő mennyiségét ! 1.2.2. Mi a jellemző a timföld elektrolízésére? A helyes választ karikázással jelölje! fémes betétje a kádon átfolyó áram a kád kapcsain a feszültség a kádon átfolyó áram az elektrolit hőmérséklete a kád bélése 1 kg alumínium kohósításához szükséges energia

olvadt alumínium egyenáram ≈ 4..5 V ≈ 1000 A ≈ 500 OC samott 60…80 MJ

olvadt timföld

oldott timföld

váltóáram

nagyfrekvenciás ≈ 40..50 V ≈ 100 kA ≈ 1500 OC koksz 150…200 MJ

≈ 14..15 V ≈ 1000 kA ≈ 1000 OC acél 3…5 MJ

1.2.3. Milyen elemek maradnak vissza a kohóalumíniumban és ezeknek mi a forrása? 1.2.4. Sorolja fel a fémkinyerés pirometallurgiai módszereit, minden módszerhez adjon meg egy-egy példát! 1.2.5. Sorolja fel a réz kohósításakor képződő termékeket és nevezze meg lehetséges hasznosításukat! 1.2.6. Milyen szennyeződések maradnak vissza a kohórézben és miért? 1.2.7. Sorolja fel a nyersvas gyártásához szükséges alap- és kiegészítő anyagokat megnevezve céljukat és az 1 t nyersvas előállításához szükséges átlagos mennyiségüket! 1.2.8. Ismertesse a szükséges reakcióegyenletek megadásával a karbon szerepét nyersvasgyártáskor!

366


1.2.9. Ismertesse a szükséges reakcióegyenletek megadásával a mészkő szerepét nyersvasgyártáskor! 1.2.10. Ismertesse a szükséges reakcióegyenletek megadásával a salakképző anyagok szerepét nyersvasgyártáskor! 1.2.11. Csökkenthető-e a nyersvas foszfortartalma és hogyan? 1.2.12. Adja meg a nyersvas jellemző vegyi összetételét! A helyes választ karikázással jelölje! C% Si % Mn % S% P%

0.8-1.2 < 0.15 < 0.5 < 0.07 < 0.05

2.5-3.3 0.15-0.25 0.5-1.5 0.2-0.4 0.06-0.15

3.5-4.5 0.5-3.5 1.8-3.5 0.5-1 0.1-1.2

!!! 2.1.1. Hasonlítsa össze a leggyakrabban alkalmazott acélgyártó eljárásokat betétanyagaik és energiaforrásuk szerint! 2.1.2. Mi a jellemző a konverteres acélgyártásra? A helyes választ karikázással jelölje! fémes betétje energia forrása salakképzője acél nitrogéntartalma, % adagidő, min

olvadt nyersvas szénhidrogén mészkő 0,02..0,035 3…5

olvadt acél saját energia égetett mész 0,2…0,35 30…50

szilárd nyersvas villamos energia dolomit 0,002..0,0035 15…20

2.1.3. Az acél kéntartalmának növekedése milyen következménnyekkel jár? 2.1.4. Ismertesse a kén okozta kristályosodási repedés keletkezésének mechanizmusát! 2.1.5. Mi lehet az acél kéntartalmának forrása? 2.1.6. Milyen metallurgiai módszerekkel csökkenthető az acél kéntartalma konverteres acélgyártáskor? 2.1.7. A fém- és a salakfázisban egyaránt oldódó anyag megoszlása milyen tényezőktől függ? 2.1.8. Milyen metallurgiai módszerekkel csökkenthető az acél foszfortartalma konverteres acélgyártáskor? !!! 2.2.1. Mi a jellemző az ívkemencében végzett elektroacélgyártásra? A helyes választ karikázással jelölje! fémes betétje energia forrása

olvadt nyersvas szénhidrogén

olvadt acél saját energia

szilárd acélhulladék villamos energia

367


salakképzője mészkő égetett mész dolomit acél nitrogéntartalma, % 0,02..0,06 0,2…0,35 0,002..0,0035 adagidő, min 3…5 30…50 60…120 2.2.2. Magyarázza meg, miért kell az ívkemencében gyártott acélhoz alumíniumot, titánt vagy cirkóniumot adagolni! Milyen következményekkel jár ennek jelmaradása? 2.2.3. Írja fel a reakcióegyenlet megadásával, hogy az ívkemencében a kalciumkarbidot tartalmazó salak hogyan csökkenti az acélfürdő kéntartalmát! !!! 2.3.1. Soroljon fel három, kemencén kívüli acél tisztító eljárást! 2.3.2. Sorolja fel a kicsapásos dezoxidálás három részfolyamatát! 2.3.3. Soroljon fel erősségük csökkenő sorrendjében három, az acél olvadékban az oxigénnel reakcióba lépő elemet! 2.3.4. Soroljon fel erősségük csökkenő sorrendjében három, az acél olvadékban nitrogénnel reakcióba lépő elemet! 2.3.5. Soroljon fel három dezoxidáló-szert! 2.3.6. Acél metallurgiai folyamatokban milyen tulajdonságú anyagokat injektálnak szilárd állapotban a üstbe? Felsorolását egy-egy jellemző példával szemléltesse! 2.3.7. Ismertesse a szintetikus salakkal végzett tisztítás elvi alapját! Milyen kapcsolat van a megoszlási tényező és a tisztítás mértéke között? 2.3.8. Milyen vegyületek alkotják az acélgyártásnál használatos szintetikus salakot? 2.3.9. Mi a célja a fémolvadékok vákuumozásának, milyen fizikai törvényen alapul az eljárás? 2.3.10. Milyen kedvező folyamatok játszódnak le ha a fémolvadékon keresztül gázt áramoltatnak? !!! 2.4.1. Milyen fém tisztítását végzik háromréteges olvadék elektrolízissel? Mi alkotja a három réteget? 2.4.2.

Ismertesse a nyersréz illetve a rézhulladék tisztítására szolgáló eljárást!

2.4.3. Ismertesse a zónás átolvasztás elvi alapját! Milyen kapcsolat van a megoszlási hányados és a tisztítás mértéke között? 2.4.4. Zónás átolvasztáskor a nagy hőmérsékletre hevült fémet milyen módon lehet megvédeni az atmoszféra szennyező hatásától?

368


!!! 3.1.1. Sorolja fel egy-egy példa megadásával, hogyan lehet az egyfázisú anyagok szemcsenagyságát befolyásolni! 3.1.2. Milyen részfolyamatok együttese alkotja a kristályosodást? 3.1.3. A többkomponensű rendszerek kristályosodását milyen csoportokba lehet sorolni? 3.1.4. Ismertesse a koncentráció-különbség irányította kristályosodást! 3.1.5. A különböző kristályosodási sebességeknél adja meg „kicsi”, „közepes”, „nagy” jelzőkkel, hogy milyen mértékű a makro- és mikrodúsulás! kristályosodási sebesség makrodúsulás mikrodúsulás

gyors

átlagos

lassú

3.1.6. Milyen tényezőktől függ az eutektikus ötvözet szövetszerkezete? !!! 3.2.1. Adja meg a gázkiválás magyarázatát fémek és ötvözeteik kristályosodásakor! Magyarázatát egészítse ki példákkal is! 3.2.2. Hasonlítsa össze az alsó és felső öntés előnyeit és hátrányait tuskó öntéskor! 3.2.3. Milyen tulajdonság romláshoz vezet a makroszkópikus dúsulás? 3.2.4. Sorolja fel az öntött tuskó jellemző hibáit! Nevezze meg ezen hibák mérséklésének lehetőségeit! 3.2.5. Mi jellemzi a csillapítatlan acél kristályosodási folyamatát? 3.2.6. Sorolja fel a folyamatos öntés előnyeit és hátrányait a tuskóöntéshez viszonyítva! 3.2.7. Nevezze meg az öntvehengerlés egy jellegzetes felhasználási területét! 3.2.8. Milyen anyagú és alakú termékek gyárthatók öntvehengerléssel? !!! 4.1.1. Ismertesse az egyfázisú fémes anyagok tulajdonságait megadva jellemző alkalmazási területeiket! 4.1.2. Írja fel a szemcseméret és a folyáshatár közötti kapcsolatot leíró összefüggést! Adja meg az összefüggésben szereplő jelek értelmezését! 4.1.3. Ismertesse, hogy milyen hatása van a szemcsén belüli rendezetlenség növekedésének a réz folyási határára, szakadási nyúlására, és villamos ellenállására!

369


4.1.4. Sorolja fel egy-egy példa megadásával, hogyan lehet az egyfázisú anyagok szemcsenagyságát befolyásolni! 4.1.5. Hidegen alakított fém hőmérsékletének növelésekor a hőmérséklet növekedésének megfelelően sorolja fel a végbemenő folyamatokat ! 4.1.6. Írja fel az újrakristályosodáshoz szükséges idő és a hőmérséklet közötti öszszefüggést! Adja meg az összefüggésben szereplő jelek értelmezését! 4.1.7. Hogyan változik az újrakristályosodási hőmérséklet az alakítás növekedésével? 4.1.8. Diagramon szemléltesse a rézben szubsztitúciósan oldódó elemek hatását a szakítószilárdságra ! 500

Szakítószilárdság, MPa

450 400 350 300 250 200

0

2

4

6

8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

Tömeg %

4.1.9. Diagramon szemléltesse az ötvözőtartalom függvényében a sárgaréz mechanikai tulajdonságait ! A diagramon adja meg a szakítószilárdság valamint a szakadási fajlagos nyúlás léptékét! Szakítószilárdság, MPa

0

5

10

15

Fajlagos nyúlás, %

20

25

Tömeg %

370

30

35

40


Hővezetési tényező, W/mK

Fajlagos ellenállás, mohm x m

4.1.10. Diagramon szemléltesse az ötvözőtartalom függvényében a sárgaréz hővezetési tényezőjét és fajlagos villamos ellenállását! A diagramon adja meg az a hővezetési tényező, valamint a fajlagos villamos ellenállás léptékét!

0

5

0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Zn, %

4.1.11. Nevezzen meg három jellemző terméket amit sárgarézből állítanak elő! 4.1.12. Diagramon szemléltesse az ötvözőtartalom függvényében az ónbronzok mechanikai tulajdonságait! A diagramon adja meg az ötvözőtartalom, a szakítószilárdság valamint a szakadási fajlagos nyúlás léptékét! Szakítószilárdság, MPa Fajlagos nyúlás, %

Tömeg %

4.1.13. Egy példán ismertesse az MSZ EN 573 szabvány szerinti rövid jel felépítését alumínium és ötvözetei esetén !

HDOFXVLPJD 4.1.14. Diagramon szemléltesse egy homogén szubsztitúciós szilárd oldatot alkotó Al-Mg ötvözet mechanikai tulajdonságainak változását az ötvözőtartalom függvényében! Nevezzen meg egy jellegzetes alkalmazási területet!

371


4.1.15. Adjon meg hatásosságuk csökkenő sorrendjében négy elemet, amely az ausztenit stabilitását növeli! 4.1.16. Diagramon mutassa be, hogy két, szubsztituciósan oldódó, de különböző ionsugarú ötvöző miként befolyásolja az ötvözőtartalom függvényében az ötvözet szakító szilárdságát és szakadási nyúlásra gyakorolt hatását! 4.1.17. Adjon meg hatásosságuk csökkenő sorrendjében négy elemet, amely a ferrit stabilitását növeli (a γ mezőt szűkíti)! 4.1.18. Adjon meg hatásosságuk csökkenő sorrendjében négy elemet, amely az ausztenit stabilitását növeli (a γ mezőt tágítja)! 4.1.19. Adjon meg hatásosságuk csökkenő sorrendjében négy elemet, amely a ferritben oldódik és szakítószilárdságát növeli! 4.1.20. Ismertesse az acélok MSZ EN 10020 szerinti csoportosítását! 4.1.21. A megadott példán ismertesse az EN 10027 szabvány szerinti rövid jel felépítését vegyi összetételre garantált acéloknál.

J[FUQL 4.1.22. A megadott példán ismertesse az EN 10027 szabvány szerinti rövid jel felépítését fizikai tulajdonságokra garantált acéloknál. 4.1.23. Az egyfázisú korrózióálló acélok melyik ötvözőnek köszönhetik az oxidációval szembeni ellenállásukat? Mekkora az a legkisebb mennyiség, ami már korrózióállóságot eredményez? 4.1.24. Milyen veszélyt jelent a túlzott karbontartalom a ferrites és ausztenites korrózióálló acélokban? 4.1.25. Ismertesse az ausztenites lehűtés célját és végrehajtását! 4.1.26. Milyen ötvözéssel kerülhető el a szemcsehatár korróziós hajlam? 4.1.27. Milyen következménnyel jár, ha a ferrites korrózióálló acélokat 1000 OC feletti hőmérsékletre hevítik? 4.1.28. A felhasználás szempontjából melyik a legfontosabb tulajdonsága az X8Ni9 (AH 195) jelű acélnak? Mi a legfontosabb ötvözője és milyen a szövetszerkezete ennek az acélnak? 4.1.29. Mi a 475 OC-os elridegedés, milyen acélokban fordul elő, hogyan szüntethető meg? 4.1.30. Mi a σ-fázis, milyen acélokban fordul elő, hogyan szüntethető meg? 4.1.31. Nevezzen meg három elemet, amely interstíciós szilárd oldatot képes alkotni a vassal! 4.1.32. Diagramon szemléltesse a martenzit karbontartalma a rácstorzulás és a keménységség közötti kapcsolatot!

372


0.3

Rácsméret, nm

Keménység, HV

0.298 0.296 0.294 0.292 0.29 0.288 0.286 0.284 0.282

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 Karbontartalom, %

4.1.33. Diagramon ábrázolja az ötvözetlen szénacélban az átalakuló ausztenit karbontartalmának függvényében a maradék ausztenit mennyiségét szobahőmérsékleten! A vízszintes tengelyen adja meg a karbontartalom értékeket %-ban! Maradék ausztenit, %

Karbontartalom, %

4.1.34. Miből adódik a martenzit nagy keménysége? 4.1.35. Az ausztenites mangánacél karbon- és mangántartalmának helyes értékét karikázással jelölje! karbon % mangán, %

0,1..0,2 0,8…1,2

0,3…0,5 2…3

1…1,3 12…14

4.1.36. Minek köszönhető, hogy az ausztenites mangánacél kiválóan ellenáll a dinamikus igénybevétellel társult koptatásnak? !!! 4.2.1. Mik határozzák meg a többfázisú anyagok tulajdonságait?

373


4.2.2. Milyen módszerek állnak rendelkezésre a többfázisú anyagok tulajdonságainak módosítására? 4.2.3. Mi a célja a szerkezeti acélok mikroötvözésének, mely elemek szolgálnak erre, mekkora a maximális mennyiségük? 4.2.4. Milyen karbontartalommal, szilárdsági jellemzőkkel és alakváltozó képességgel rendelkezik az MSz EN 10025 szerinti S 235 JR N típusú acél? A helyes választ karikázással jelölje! C%≤ Rm MPa ≥ ReH MPa ≥ A5 %≥

0.17 235 150 14

0.32 340 200 24

2.35 540 235 35

4.2.5. Ismertesse a hegesztett kötésekben az edződési repedés kialakulásának mechanizmusát! 4.2.6. Számítsa ki a karbon egyenértékét annak az acélnak, amelynek ötvözői: C=0,15%, Mn=1,2%, Ni=0,45% ! 4.2.7. Ábrázolja diagramon az egyensúlyi módon lehűtött vas-karbon ötvözetek szakítószilárdságának, keménységének és szakadási nyúlásának változását a karbontartalom függvényében! Keménység, HV, szakítószilárdság, Rm, MPa

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

szakadási nyúlás, A, %

4,5

5

5,5

6

6,5

7

Karbontartalom, %

4.2.8. Mi jellemzi az S 275 JR N típusú acélt? A helyes válaszokat karikázza be! C% 0,35…0,45 ≤0,17 ≈2,75 Cr % 0,5…0,75 1…2 ≤0,3 Rm, MPa 275…325 410…540 ≥ 275 ReH, MPa 275…325 ≥ 275 ≥ 235 o garantált 27 J ütőmunka C ≈20 ≈0 ≈-20 az acél nemesített normalizált kovácsolt

374


4.2.9.

A reakcióegyenletek megadásával ismertesse a rozsdásodást!

4.2.10. Milyen elemekkel ötvözöttek az időjárásálló acélok? Ezek az elemek hogyan fejtik ki hatásukat? 4.2.11. Mi jellemzi a Göv 350-22 öntöttvasat? A helyes választ karikázza be! C% Si % Rm, MPa ReH, MPa A, % a szövete

≤ 0,17 ≤ 0,3 ≥ 350 ≥ 350 ≥ 22

0,35…0,45 0,5…0,75 275…325 275…325 10..12 perlit

ferrit +grafit

2,7…3,8 0,8…2,9 410…540 ≥ 220 5..8 grafit + ledeburit

4.2.12. Ismertesse a fehér tempervas előállítását! 4.2.13. Rajzolja meg a ferrites temperöntvényt eredményező hőkezelés elvi hőmérséklet-idő diagramját! A függőleges skálán adja meg a hőmérséklet, a vízszintesen az idő léptéket a mértékegység feltüntetésével!

1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

Hõmérséklet, Co

0

10

20

30

40

50

60

70

80

idõ, óra 4.2.14. Milyen fémtani változások mennek végbe a különböző hőmérsékleteken az edzett acél megeresztése során, milyen változásokat eredményeznek ezek a keménységben és a szívósságban? 4.2.15. Rajzolja meg a hipoeutektoidos acélok nemesítés elvi hőmérséklet idő diagramját megadva az egyes jellegzetes lépések megnevezését és célját!

375


Hõmérséklet, C

1000

o

900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

idõ, perc

4.2.16. Diagramon szemléltesse nemesítéskor a megeresztési hőmérséklet függvényében a mechanikai tulajdonságok (Rm, ReH, A, HV, KV) változásának jellegét! A diagramon adja meg a hőmérséklet értékeket! Keménység, HV szakítószilárdság, Rm, MPa folyáshatár, ReH, MPa 1500

ütõmunka, J fajlagos nyúlás, %

1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

Megeresztési hõmérséklet,Co

4.2.17. Ismertesse a véglapedző (Jominy) vizsgálatot! 4.2.18. Rajzoljon fel egy C görbét, adja meg az egyes területekre jellemző szövet nevét, majd rajzolja be az izotermás edzésre jellemző lehűlési görbét!

376


4.2.19. Rajzolja fel az ötvözetlen szénacél, az azonos karbontartalmú krómmal ötvözött, valamint a krómmal-nikkellel-molibdénnel ötvözött nemesíthető acélok keménység változását a Jominy próbatest palástján véglapjától mérve. A diagramon tüntesse fel a mértékegységeket, valamint a léptéket. 4.2.20. A táblázatban megadott ötvözők milyen hatást fejtenek ki a táblázatban megadott tulajdonságokra? Válaszát „erősen növeli ⇑⇑”, „növeli ⇑”, „nem befolyásolja Ο”, „csökkenti” „ erősen csökkenti” jelek berajzolásával adja meg! Tulajdonság Hűlési sebesség Karbidképződés Keménység Kopásállóság Nyúlás Ütőmunka Forgácsolhatóság Kúszásállóság Nitridálhatóság

Si

Ni

4.2.21. A táblázatban megadott ötvözők milyen hatást fejtenek ki a táblázatban megadott tulajdonságokra? Válaszát „erősen növeli ⇑⇑”, „növeli ⇑”, „nem befolyásolja Ο”, „csökkenti” „ erősen csökkenti” jelek berajzolásával adja meg! Tulajdonság Hűlési sebesség Karbidképződés Keménység Kopásállóság Nyúlás Ütőmunka Forgácsolhatóság Kúszásállóság Nitridálhatóság

Cr

Mo

4.2.22. A táblázatban megadott acélok közül melyiknek legnagyobb illetve melyiknek a legkisebb az átedzhető átmérője? Válaszát „legkisebb”, illetve legnagyobb” jelző beírásával adja meg! Anyag 2 C 25 2 C 35 36 Cr 4 36 CrNiMo 4

Átedzhető átmérő

377


4.2.23. Irja fel megeresztéskor a megeresztés hőmérséklete és időtartama közötti összefüggést és adja meg a benne szereplő jelölések értelmezését! 4.2.24. Milyen tulajdonságmódosítási célból ötvöznek Mn-t, Cr-ot, Mo-t a nemesíthető acélokba? 4.2.25. A nemesíthető acélokban milyen szerepet lát el a bór? Adja meg a bórötvözés szokásos mennyiségét! Milyen következménye van a túlzott bórtartalomnak? 4.2.26. Mi a jellemző a rugóacélokra? A helyes választ karikázással jelölje! C% 0,1..0,2 0,4…0,7 0,9…1,2 Cr % 4…7 9…12 ≤1 Rm, MPa 400..500 2000..2500 1200..1500 Rp0,2, MPa 1000…1300 1600…2000 300..400 A, % 5…10 15…20 25…30 4.2.27. Mi a megeresztési elridegedés, hogyan lehet elkerülni? 4.2.28. Részletesen - a reakciók megadásával -, ismertesse a szénhidrogén bontása során az ötvözetlen szerkezeti acélt károsító folyamatokat! A hidrogén nyomásálló acélok milyen ötvözőket tartalmaznak e káros folyamatok elkerülése érdekében? 4.2.29. Rajzolja fel a kúszás okozta nyúlás és a nyúlási sebesség időbeni változásának jellegét! 4.2.30. Milyen tulajdonságok lényegesek valamely anyag forgácsolhatóságának megítélésében? 4.2.31. Adjon meg három elemet, amelyet az automataacélokba ötvöznek! Adja meg miként javítják a forgácsolhatóságot! 4.2.32. Felhasználási céljuk szerint csoportosítsa a szerszámacélokat! 4.2.33. Rajzolja fel a kiválásos keményítés elvi hőmérséklet-idő diagramját! Írja le az egyes műveletek célját és a végbemenő folyamatok lényegét! 4.2.34. Mi a jellemző összetétele az erősen ötvözött, ledeburitos hidegalakító szerszámacéloknak? A helyes választ karikázással jelölje! C% Mn % Cr %

0.3-0.5 ≤ 0.4 2-2.5

0.6-0.9 1.0-2.0 4-6

1.5-2.2 2.5-3.5 11-13

4.2.35. Mi a jellemző az erősen ötvözött, ledeburitos hidegalakító szerszámacélokra? A helyes választ karikázással jelölje! 450-500 keménység, megeresztett, HV 120-150 keménység, lágyított, HV folyékony nitrogén hűtőközeg

378

850-900 180-200 víz

1000-1100 250-300 olaj, levegő


4.2.36. Rajzolja fel a jellemző hőkezeléstechnológiai adatok megadásával a hidegalakító szerszámacélok hőmérséklet-idő diagramját, az egyes műveletek céljának megnevezésével! 4.2.37. Fő ötvözőinek megadásával jellemezzen egy melegalakító szerszámacélt! Nevezze meg az egyes ötvözők szerepét! 4.2.38. Rajzolja fel a jellemző hőkezelés technológiai adatok megadásával a melegalakító szerszámacélok hőmérséklet-idő diagramját! Magyarázza meg az egyes hőkezelési műveletek célját! 4.2.39. Keménységük csökkenő sorrendjében vegyjelével adjon meg 6 olyan interstíciós vegyületet, amely acélokban előfordul! 4.2.40. Mi jellemzi a HS 18-1-1 gyorsacélt? A helyes választ karikázza be! C% Cr % W% megeresztett keménység, HV edzési hőmérséklete OC

≤0,15 ≤0,3 ≤0,3 ≥ 950 ≤ 900

0,7…0,8 3,8…4,5 0,8…1,2 ≤ 700 1240…1280

2,2…2,8 17…19 17…19 400..500 ≥ 1400

4.2.41. Rajzolja fel a gyorsacélok hőkezelésének elvi hőmérséklet-idő diagramját! 4.2.42. Rajzolja fel egy gyorsacél és egy vele közel azonos karbontartalmú szerszámacél keménységének változását a megeresztési hőmérséklet függvényében! A diagramon tüntesse fel a keménység és a hőmérséklet értékeket! Keménység, HV 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

0

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

Hõmérséklet, Co

4.2.43. Adjon meg típusjelével, a fő ötvözőinek mennyiségével és a kiváló intermetallikus fázis(ok) megnevezésével egy nemesíthető alumínium ötvözetet! 4.2.44. Adjon meg három elemet, amely az alumíniummal illetve egymással intermetallikus vegyületet alkot, ezáltal lehetővé teszi a kiválásos keményedést!

379


!!! 4.3.1. Ismertesse a felületi edzés lényegét! 4.3.2. Nevezzen meg három terméket, ahol a felületi edzést széleskörűen alkalmazzák! 4.3.3. Sorolja fel felületötvözés során lejátszódó fontosabb folyamatokat! 4.3.4. Milyen lépésekből áll a betétedzés? Rajzoljon fel egy betétedzés hőmérséklet-idő diagramot! 4.3.5. Válassza ki a következő acélok közül a betétedzhető acélt, a rugóacélt, a golyóscsapágy acélt, a nitridálás céljára kifejlesztett acélt, a hidegszívós acélt, valamint az automata acélt! A válaszát a táblázatban adja meg! C% 1,05 0,13 0,13 0,61 0,36 0,13 0,17

Mn % 0,28 0,93 1,2 0,85 0,68 1,8 0,67

Si % 0,25 0,04 0,23 1,75 0,45 0,23 0,31

Cr % 1,42 1,05 0,32 1,17 -

Mo % 0,19 -

Ni % 1,82

Egyéb % S = 0,22 Al = 0,98 V = 0,07 V = 0,07

Acéltípus

4.3.6. Hasonlítsa össze a nitridálást és a cementálást időtartama, hőmérséklete, a rétegvastagság, valamint a kiegészítő hőkezelési igény szempontjából! ötv. hőkezelés

Hőmérséklet, oC

Időtartam, óra

Rétegvastagság, mm

Utóhőkezelés

cementálás nitridálás 4.3.7. A kérgesítő eljárásokkal készített kéregnél adja meg „kicsi”, „közepes”, „nagy” jelzőkkel, hogy milyen a dinamikus igénybevétellel szembeni ellenállás és a vetemedés! kérgesítő eljárás szívósság vetemedés

betétedzés

kéregedzés

nitridálás

4.3.8. Nevezze meg a nitridálás és a nitrocementálás három jellemző alkalmazását! !!! 5.1.1. Nevezzen meg az egyatomos kerámiák közül kettőt! 5.1.2. Miért előnyösebb forgácsoló szerszámok gyártásához a mesterséges, polikristályos gyémánt használata, mint az egykristályt alkotó természetes gyémántoké?

380


5.1.3. Soroljon fel a karbon módosulatai közül hármat, szerkezetének megnevezésével amelyet a gépiparban alkalmaznak ! 5.1.4. Magyarázza meg miért irányfüggő tulajdonságú a grafit? 5.1.5. Ismertesse a karbonszálak gyártásának lényegét és a szálak legfontosabb tulajdonságait ! 5.2.1. Milyen tulajdonságokkal kell rendelkeznie a keményfémek szemcséinek? Nevezzen meg három olyan szemcseanyagot, amelyet keményfém gyártásához alkalmaznak! 5.2.2. Milyen anyagok alkotják a keményfémeket? Az egyes csoportokhoz adjon meg két-két példát! 5.2.3. Mi jellemzi a keményfémeket? A helyes választ karikázza be! Co % Cr % WC % keménység, HV előállítása

3…5

6…25 3,8…4,5 50…95 ≤ 700 öntéssel

≤ 0,3 ≤ 50 ≥ 2000 porkohászati úton

≥ 25 17…19 ≥ 95 750..1750 edzéssel

5.2.4. Nevezzen meg két terméket, amelyet keményfémből gyártanak! !!! 5.3.1. A kvarc-mész-timföld háromalkotós rendszerben adja meg a portland cement, a porcelán, a korund, az üvegszál és a samott jellemző összetételét! 5.3.2.

Nevezze meg és jellemezze a táblázatban megadott összetételű üvegeket!

Elnevezése

SiO2, % Na2O, % CaO, % Al2O3, % B2O3, % Egyéb, % Jellemző tulajdonság > 99.5 81

3.5

74 54

16 1

2.5 5

1

13 MgO = 4 PbO = 37 K2O = 4

5.3.3. Nevezze meg az ábrán bemutatott három különböző szerkezetű szilikátot! A szerkezet alapján adja meg jellemző tulajdonságaikat!

381


5.3.4. Nevezzen meg három terméket, amely kristályos oxidkerámia! 5.3.5. Sorolja fel a kristályos oxidkerámiák három csoportját! A gyártástechnológiájukban mi az alapvető különbség és ez milyen tulajdonságkülönbséget okoz? 6.1.1. Csoportosítsa a polimereket kötéstípusuk alapján! Adjon meg minden egyes csoporthoz egy-egy jellemző műanyagot! 6.1.2. Csoportosítsa azokat a vegyi folyamatokat, amelyek eredményeként monomerekből makromolekulák képződnek! Mindegyik csoporthoz adjon meg egy-egy példát! 6.1.3. Mi jellemző a hőre lágyuló műanyagok szerkezetére? 6.1.4. Ismertesse a polimerizáció részfolyamatait! 6.1.5. Ismertesse a polikondenzációt! 6.1.6. Ismertesse a poliaddíciót! 6.1.7. Mit tekintenek műanyagoknál elsődleges, másodlagos és harmadlagos szerkezetnek? 6.1.8. Milyen tulajdonságokat befolyásolnak a makromolekula jellemzői? !!! 6.2.1. Definiálja a termoplasztok fogalmát! 6.2.2. Soroljon fel öt műanyag feldolgozó technológiát! 6.2.3. Nevezzen meg a polietilén alkalmazási területei közül hármat! 6.2.4. Nevezzen meg a polisztirol alkalmazási területei közül kettőt! 6.2.5. Nevezzen meg két műanyagot, amely tengelyek gyártására alkalmas! 6.2.6. Definiálja a duroplasztok fogalmát, előállításuk elvét! 6.2.7. Nevezzen meg két műanyagot, amely villamos szerelvények gyártására alkalmas! 6.2.8. Ismertesse az elasztomerek szerkezetét, ez alapján legfontosabb tulajdonságait! 6.2.9. Ismertesse a poliuretán tulajdonságait és ez alapján jellemző alkalmazási területét! 6.2.10. Ismertesse a szilikonok tulajdonságait és ez alapján jellemző alkalmazási területét! 6.2.11. Ismertesse a műanyagok újrahasznosításának lehetséges módszereit! !!! 7.1.1. Csoportosítsa a társított anyagokat morfológiájuk szerint!

382


7.1.2. Csoportosítsa a szemcsés szerkezetű kompozit anyagokat az ágyazó anyaguk alapján! Minden csoporthoz nevezzen meg egy egy jellemző példát! !!! 7.2.1. Soroljon fel három anyagot, amelyet szálként kompozitokban alkalmaznak! 7.2.2. Mitől függ a szálerősítéses kompozitok szilárdsága? 7.2.3. Adja meg a benne szereplő jelölések megnevezésével a szálerősítéses kompozit anyagokban a minimális kapcsolódási hossz számítására szolgáló összefüggést! 7.2.4. Nevezzen meg három anyagot, amelyet a társított anyagok gyártásához tűkristályként alkalmaznak! 7.2.5. Ismertesse az üvegszál gyártásának folyamatát! 7.2.6. Ismertesse a szénszál gyártásának folyamatát! !!! 7.3.1. Nevezzen meg három, rétegelt kompozit anyagot! 7.3.2. Nevezzen meg egy-egy jellemző terméket, amelyen fém-, amelyen műanyagés amelyen kerámia bevonatot alkalmaznak! 7.3.3. Nevezzen meg három, bevonatolásra használatos műanyagot a jellemző alkalmazási terület megnevezésével! !!! 8.1.1. Nevezzen meg három, az anyag térfogatára ható igénybevételt! 8.1.2. Nevezzen meg öt, csupán az anyag felületére ható igénybevételt! 8.1.3. Nevezzen meg három anyag-károsodási fajtát! 8.1.4. Definiálja a törés fogalmát! 8.1.5. Milyen lehetőségek vannak a törés jellegének megállapítására? Nevezze meg, hogy mivel lehet elkülöníteni a szívós- és a rideg törést? 8.1.6. Milyen igénybevételi fajták vezethetnek töréshez? 8.1.7. Soroljon fel négy törési fajtát! 8.1.8. Definiálja a leromlás fogalmát! Milyen körülmények vezethetnek leromláshoz? 8.1.9. Milyen hatása van az anyagra a korpuszkuláris sugárzásnak? 8.1.10. Ismertesse a polimerek leromlásához vezető folyamatot! 8.1.11. Sorolja fel a kopást előidéző mechanizmusok fajtáit! 8.1.12. Nevezzen meg öt, kopást előidéző, a mozgások keltette igénybevételt! 8.1.13. Definiálja a korrózió fogalmát!

383


8.1.14. Nevezzen meg öt, korróziós formát! !!! 8.2.1. Melyek egy ipari termék előállítási költségének fő költségelemei? 8.2.2. Melyek egy ipari termék technológiai költségének fő költségelemei?

384

KOMÓCSIN MIHÁLY GÉPIPARI ANYAGISMERET

Recommend Documents