Mérnöki anyagismeret Szerkezeti anyagok
1
Szerkezeti anyagok • Fémek 9 Vas,
acél, réz és ötvözetei, könnyűfémek és ötvözeteik
• Műanyagok 9 Hőre lágyuló és hőre keményedő műanyagok, elasztomerek • Kerámiák 9 Kristályos, amorf, speciális kerámiák • Kompozit (társított) anyagok 2
Vas alapú ötvözetek Vas- és acél termékek
Nyersvas Öntészeti
Acél nyersvas
Öntvény gyártás
Acél termékek
C% Mn% Si% S% P% Öntészeti 3,5-4,0 <1,0 1,5-3,0 <0,06 0,3-2,0 Acélnyersvas 3,5-4,5 0,4-1,0 <1 <0,04 0,1-0,3 3
Öntöttvasak • Hagyományos öntöttvasak: – Lemezgrafitos öntöttvasak (ferrit + perlit + lemezes grafit) – Fehér nyersvas (perlit + vaskarbid) és származékai: • Fehér temperöntvény • Fekete temperöntvény
• Gömbgrafitos öntöttvasak (Mg vagy Ce kezelés) – Perlites gömbgrafitos öntöttvas – Ferrites gömbgrafitos öntöttvas 4
Öntöttvasak Töretüket befolyásolja: •Lehűlési sebesség gyors hűtés ⇒ cementites szövetet segíti elő lassú hűtés ⇒ grafitos szövetet segíti elő • Ötvözőelemek cementites szövetet elősegítő ötvözők: S, Mn, Cr, W, Mo, V grafitos szövetet elősegítő ötvözők: C, Si, Al, Ni, Cu, Co 5
Öntöttvas diagramok Maurer diagram
6
Öntöttvasdiagramok: Greiner-Klingenstein diagram C+Si% 11 Grafit+ferrit
Grafit+ perlit Ledeburit + perlit
Falvastagság, mm
70 7
Az öntöttvasak tulajdonságai
A karbidos öntöttvas A hipoeutektikus öntöttvasban primér ausztenit kristályosodik többnyire dendritesen- és a dendritágak között helyezkedik el a lédeburit. A keletkező szövet, kemény, rideg, kopásálló. 8
Lemezgrafitos öntöttvasak (1) • Szerkezet: az alapszövet ferrit vagy perlit, amelyben a grafit lemezes formában található • A szilárdság növelés lehetőségei: – A perlit arányának növelése az alapszövetben – A grafit lemezek méretének csökkentése (modifikált öntöttvas – csapoláskor FeSi vagy CaSi adagolással)
• Tulajdonságok: – Jó önthetőség, kis zsugorodás dermedés közben – Kis szilárdság, kis nyúlás, rideg, inkább nyomó igénybevétellel terhelhető 9
Lemezgrafitos öntöttvasak (2) • Szabványos jelölés: MSZ EN 1561:99 GJL 100, GJL 150, GJL 200, GJL 250, GJL 300, GJL 350 (Régi jel: Öv 100…Öv 350) • A szakítószilárdság 100…350 MPa között változik, függ az öntvény falvastagságától, és a hülés sebességétől • Jól forgácsolhatók, jó a kopásállóságuk • Gépalkatrészek, gépállványok, hajtómű házak készítésére használatosak 10
Lemezgrafitos öntöttvas
Alapszövet ferrit
Alapszövet perlit
Lemezgrafitos öntöttvasak
12
Gömbgrafitos öntöttvasak (1) • A grafit gömb alakban történő kristályosodását hipoeutektikus öntöttvasaknál magnézium, hipereutektikus öntöttvasaknál cérium beoltásával érik el (bonyolult, költséges technológia) • Szövetszerkezet: ferrit-perlites alapszövetbe ágyazott gömbös grafit • Jól önthető, kedvező kopásállóságú, a lemezgrafitos öntöttvashoz képest kiváló a szilárdsága, hőállósága 13
Gömbgrafitos öntöttvasak (2) • Szabványos jelölés: MSZ EN 545:96, MSZ EN 598, MSZ EN 969 szerint GJS 350-22-LT vagy RT; GJS 400-18LT; GJS 700-2 GJS 900-2 Göv 350-22; …Göv 500-7;…Göv 900-2 (a jelölés első száma a szakítószilárdság, a második a nyúlás) • A szakítószilárdság 350…900 MPa között változik, a nyúlás 22…2% között, felületi edzéssel 55-60 HRC keménység érhető el • Gépalkatrészek, (pl. forgattyús tengelyek, hajtórudak, fogaskerekek), belső nyomásnak kitett házak, mezőgazdasági gépalkatrészek készítésére használatosak 14
Gömbgrafitos öntöttvas
Alapszövet ferrit
Alapszövet ferrit + perlit
Tempervasak (1) • A temperöntvények alapanyaga a fehér nyersvas (a karbon vaskarbid - Fe3C alakban van jelen) • Fehér temperöntvény: az öntvényt oxidáló atmoszférában hőkezelve (1050 Co-on 25-100 óra) a vaskarbid elbomlik, a karbon a felületre diffundál és ott kiég, a szerkezet ferrit-perlites lesz (C%<0,35) • Fekete temperöntvény: az öntvényt semleges atmoszférában hőkezelve (1050 Co-on 18-24 óra, majd szabályozott hűtés) a vaskarbid elbomlik, és temperszén formájában a ferrites alapszövetben marad 16
Tempervasak (2) fehér tempervas • Szabványos jelölés: MSZ ISO 5922-1991 W 35-04; W 38-12; W 40-05; W 45-07 • A szakítószilárdság 340…480 MPa között változik, függ az öntvény falvastagságától, a nyúlás 15…4% között, a keménység 200..230 HB • Jól önthetők, de a karbon kiégetés miatt csak kis falvastagságú és méretű öntvények készíthetők • Kisebb alkatrészek, használati eszközök (pl. szekrénykulcsok, csőidomok) készítésére használatosak 17
Fehér temperöntvény A hőkezelés oxidáló atmoszférában történik, a C kiég. Az öntvény vékonyfalú!
Felületen tiszta ferrit, beljebb a C nő megjelenik a perlit is
Fehér temperöntvény a felülettől befelé haladva
A szövetben megjelent a temperszén is
Tempervasak (3) fekete és perlites tempervas • Szabványos jelölés: MSZ ISO 5922-1991 B 30-06; B 32-12; B 35-10; (fekete tempervasak) P 45-06; P 50-05; P55-04; … P 70-02; P 80-01 (perlites tempervasak) • A szakítószilárdság 300…800 MPa között változik, függ az alapszövettől, a nyúlás 12…1% között, a keménység 150..310 HB között alakul • Jól önthetők, a B jelű tempervasak csőidomokhoz használatosak, a P jelűek nagyobb szilárdságú és kopásállóságú öntvényekhez (pl. fékpofák) 20
Fekete temperöntvény A hőkezelés semleges gázatmoszférában történik Ferrites fekete temperöntvény
Ferrit + perlites fekete temperöntvény temperszén
Kéregöntvény A kéreg gyorsan hűl az öntvény formájába beépített hűtővasak hatására ezért karbidos lesz, ami kemény, kopásálló , míg a többi lassan hűlt rész grafitosan, szürkén kristályosodik Szelepemelő fehéren kristályosodott kérge
Átolvasztás karbidos
Szürke öntvény, lehet lemezes, de gömbös is
23
Öntöttvasak szilárdságának összehasonlítása (Rm, MPa) gömbgr. öv fekete t. öv (P)
alsó érték
fekete t. öv (B)
használati tartomány
fehér t. öv lemezgrafitos 0
200
400
600
800
1000 24
Öntöttvasak kiválasztásának szempontjai • Az alkatrész igénybevétele és a méretek függvényében meghatározott szilárdság • Az igénybevétel jellegéből (pl. dinamikus hatás) becsült minimális nyúlás • Koptató hatás esetében a keménység, kopásállóság • Az öntvény alakja, falvastagsága megmunkálhatósági kritérium 25
Nem vas fémek és ötvözeteik • Könnyűfémek – Alumínium és ötvözetei – Titán és ötvözetei – Magnézium és ötvözetei
• Színes fémek – Réz és ötvözetei – Nikkel és ötvözetei
26
Az alumínium és ötvözetei • Alakítható alumínium ötvözetek (ötvöző tartalom néhány %) – Nemesíthető – Nem nemesíthető
• Öntészeti alumínium ötvözetek (eutektikus összetételhez közeli ötvöző tartalom) – Ötvözött alumínium öntészeti célra (Si, Mg, Cu) – Egyéb öntészeti alumíniumok ötvözetek 27
Az alumínium tulajdonságai • • • • • •
Kis sűrűség (ρ= 2,3 g/cm3) Alacsony olvadáspont (660 Co) Jó hő- és villamos vezetőképesség Kiváló korrózió állóság Kedvező alakíthatóság Szilárdsága kicsi (Rm=45 MPa), de ez ötvözéssel, hőkezeléssel és hidegalakítással jelentősen növelhető 28
Az alumínium fő ötvözői (MSZ EN 573 szabvány szerint) Tiszta alumínium Cu ötvözésű Mn ötvözésű Si ötvözésű Mg ötvözésű Mg és Si ötvözésű Zn ötvözésű Li ötvözésű Egyéb ötvözésű
1000 jelű sorozat 2000 jelű sorozat 3000 jelű sorozat 4000 jelű sorozat 5000 jelű sorozat 6000 jelű sorozat 7000 jelű sorozat 8000 jelű sorozat 9000 jelű sorozat
29
Alumíniumötvözetek Alakítható (szilárd oldat szerkezetű) öntészeti (eutektikushoz közeli) Típusai: Al-Si ötvözetek Al-Mg ötvözetek Al-Cu ötvözetek Al-Zn ötvözetek
30
Öntészeti alumínium ötvözetek (példák) • 2000 jelű sorozat: AlCu4TiMg nemesíthető, nagy szilárdságú • 4000 jelű sorozat: AlSi12 (eutektikus) kiválóan önthető, vékony falú öntvényekhez • 5000 jelű sorozat: AlMg9 korrózióálló, jól fényesíthető 31
Alumínium öntvények
32
Öntészeti alumínium ötvözetek
33
Motorblokk hipereutektikus alumínium ötvözet
34
Nemesíthető alumínium ötvözetek (példák: lemezek tulajdonságai) Lágy Rm
Lágy A%
Nemesített
Nemesített
Rm
A%
AlMgSi
147
16
255
11
AlCu4Mg1
235
12
390
13
AlCu5.5Mg1.5
245
12
430
12
A hőkezelés kiválásos keményítés. (nemesítés) Képlékeny alakítás (kivágás, hajlítás, mélyhúzás) lágy állapotban; kisebb alkatrészek igény szerint nemesíthetők A rudak mechanikai jellemzői hasonlóak a lemezekéhez 35
A titán és ötvözetei • A titán alapanyaga a: rutil (titándioxid – TiO2), amelyből az előállítás során klór áramban hevítve titántetraklorid (TiCl4) keletkezik. Ezt fém magnéziummal redukálják, majd tisztítják és porkohászati úton nyerik a Ti-t • A titán ezüstfehér színű, 4,5 103 kg/m3 sűrűségű 1670 C ° olvadáspontú fém. Allotróp módosulatai vannak. Korrózióállósága kitűnő, tökéletesen ellenáll a tengervíznek, nedves és szerves savas közegeknek. Az emberi szervezetben nem káros. • Szilárdsága ötvözéssel és az allotróp átalakulást kihasználó hőkezeléssel fokozható. Igen jó a szilárdság/sűrűség aránya. • Fő ötvözői az Sn, a Zr, a Cr a Mo a V és a Nb. 36
A titán és ötvözetei • Ötvözetek – α – α közeli – α+β – β • Az α lágy, kis szilárdságú, szívós, képlékeny, a β keményebb, nagyobb szilárdságú, kevésbé képlékeny
37
A titán és ötvözetei Az ötvözetek közül a leggyakoribb (kb. 60%) a Ti6Al4V ötvözet (AMS 4928) Jellemzők: •α +β mikroszerkezetű •Nagy szilárdság/tömeg arány (lényegesen jobb, mint az acéloknál) •Kiváló korrózióállóság, agresszív környezetben is •Nagy hőállóság •szívósság •A szilárdság hőkezeléssel befolyásolható 38
A titán szövetszerkezete Maratás Marószer: 30 ml H2O2 10 ml H2O Maratási idő: 10 perc
39
A magnézium és ötvözetei • Alapanyag: magnezit ásvány (MgCO3) vagy tengervízi sók (MgCl2) kiválása. • A fém magnézium a MgCl2 elektrolízisével állítható elő. • A Mg kis sűrűségű (ρ = 1,784 103 kg/m3) 650 C ° olvadáspontú hexagonális szerkezetű fém. Jó hő-és elektromos vezető. • A tiszta Mg-ot ötvözőfémként használják az alumíniumötvözetek és a gömbgrafitos öntöttvasak gyártásánál, de elterjedt távvezetéki acélcsövek katódos korrózióvédelmére is. • Az ötvözetlen Mg szilárdsága nagyon kicsi (öntött állapotban kb. 110 N/mm2) • Erősen reakcióképes az oxigénnel, ezért szerkezeti anyagként csak ötvözetei alkalmazhatók. Hexagonális szerkezet miatt szobahőmérsékleten rosszul alakítható ezért az ötvözeteit elsősorban öntéssel dolgozzák fel. 40
MgAl6Mn magnézium öntvény
A falvastagság 2- 2,5 mm, a tömeg 3,5 kg
41
A Mg ötvözetek felhasználása • Rossz korrózióállósága miatt elsősorban ott használják, ahol a kis sűrűség nagy előnyt jelent pl gépjárműipar, gépipar, repülőgépgyártás, űrhajózás, műhold gyártás. • Pl. hajtóműházak, textilipari gépek gyorsan forgó elemei, robotok házai, gépjármű keréktárcsák, hajtóműházak stb. • A Mg ötvözésű kerekek négyszer könnyebbek, mint az acél és egyharmaddal az alumínium kerekeknél ezért elsősorban a sport és a versenyautók kerekeinek készítésére használatos. 42
A réz tulajdonságai • • • • • •
Közepes sűrűség (ρ= 8,93 Mg/m3) Olvadáspont (1083 Co) Kiváló hő- és villamos vezetőképesség Légköri korrózió állóság Kedvező alakíthatóság, önthetőség Szilárdsága közepes (Rm=220 MPa), ötvözéssel tovább javítható 43
A réz ötvözetei • Cu-Zn sárgaréz Alakítható (szilárd oldat szerkezetű) Öntészeti ötvözetek
• Cu-Sn bronz Alakítható Öntészeti
44
A réz és ötvözetei • Alakítható réz ötvözetek – Lemezalakításra alkalmas sárgarezek – Éremverésre alkalmas bronzok
45
Öntészeti réz ötvözetek •Ónbronz és vörösötvözetek •Ólombronzok •Sárgarezek öntészeti célokra
CuZn 40 öntészeti sárgaréz 46
A fontosabb alakítható rézötvözetek • Tiszta réz (Cu%>99,85): áramvezető huzalok, mélyhúzott alkatrészek • Sárgarezek: – 90% Cu, 10% Zn: finom alkatrészek – 70% Cu, 30% Zn: mélyhúzott alkatrészek – 60% Cu, 40% Zn: hőcserélő lemezek
• Bronzok: – 95,5% Cu, 3% Sn, 1,5% Zn: érem verés 47
A fontosabb öntészeti rézötvözetek (MSZ 8579:1991) • Ónbronzok (öntészeti célokra) öCuSn12: nagy igénybevételű alkatrészek öCuSn10P: vegyipari szerelvények • Vörösötvözetek öCuSn10Zn2: csapágycsészék, csigakerekek öCuSn5Zn5Pb5: áramvezető sínek • Ólombronzok (főként csapágy öntvények) öCuPb20Sn5: hideghengerművek csapágyai öCuPb5Sn10: savas közegben lévő csapágyak 48
Bronz csapágy (CuPb10Sn10)
49
Rézötvözetekből készült öntvények
50
Nikkel bázisú ötvözetek A légi jármű motorba beépített anyagok kb. 50%-a Jellemzők: – Nagy szilárdság/tömeg arány (jobb, mint az acéloknál) – Kiváló korrózióállóság, agresszív környezetben is – Nagy kifáradási határ – Kiváló termikus kifáradással szembeni ellenállás – Szívósság – Hősokkal szembeni nagy ellenállás – Nagy hőmérsékleten is nagy kúszásállóság Gyártás: Vákuum indukciós átolvasztás (nagyon fontos a szennyezők pl. Si, P, S, O és N alacsony értéken tartása) 51
AMS 5671 Ni ötvözet Elektrolitosan polírozva, maratva (Polírozás: cellafeszültség 30V, idő 25 sec, Maratás: 10 V 15 sec)
52
