Mérnöki anyagismeret. Szerkezeti anyagok

Átírás

1 Mérnöki anyagismeret Szerkezeti anyagok 1

2 Szerkezeti anyagok Fémek Vas, acél, réz és ötvözetei, könnyűfémek és ötvözeteik Műanyagok Hőre lágyuló és hőre keményedő műanyagok, elasztomerek Kerámiák Kristályos, amorf, speciális kerámiák Kompozit (társított) anyagok 2

3 Vas alapú ötvözetek Vas- és acél termékek Nyersvas Öntészeti Öntvény gyártás Acél nyersvas 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

4 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

5 Töretüket befolyásolja: Öntöttvasak 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

6 Öntöttvas diagramok Maurer diagram 6

7 Öntöttvasdiagramok: Greiner-Klingenstein diagram C+Si% 11 Grafit+ferrit Grafit+ perlit Ledeburit + perlit Falvastagság, mm 70 7

8 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

9 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

10 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 MPa között változik, függ az öntvény falvastagságától, és a hülés sebességétől Jól forgácsolhatók, jó a kopásállóságuk Gépalkatrészek, gépállványok, hajtómű házak készítésére használatosak 10

11 Lemezgrafitos öntöttvas Alapszövet ferrit Alapszövet perlit

12 Lemezgrafitos öntöttvasak 12

13 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

14 Gömbgrafitos öntöttvasak (2) Szabványos jelölés: MSZ EN 545:96, MSZ EN 598, MSZ EN 969 szerint GJS LT vagy RT; GJS LT; GJS GJS Göv ; Göv 500-7; Göv (a jelölés első száma a szakítószilárdság, a második a nyúlás) A szakítószilárdság MPa között változik, a nyúlás 22 2% között, felületi edzéssel HRC keménység érhető el Gépalkatrészek, (pl. forgattyús tengelyek, hajtórudak, fogaskerekek), belső nyomásnak kitett házak, mezőgazdasági gépalkatrészek készítésére használatosak 14

15 Gömbgrafitos öntöttvas Alapszövet ferrit Alapszövet ferrit + perlit

16 Tempervasak (1) A temperöntvények alapanyaga a fehér nyersvas (a karbon vaskarbid - Fe 3 C alakban van jelen) Fehér temperöntvény: az öntvényt oxidáló atmoszférában hőkezelve (1050 C o -on 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 C o -on óra, majd szabályozott hűtés) a vaskarbid elbomlik, és temperszén formájában a ferrites alapszövetben marad 16

17 Tempervasak (2) fehér tempervas Szabványos jelölés: MSZ ISO W 35-04; W 38-12; W 40-05; W A szakítószilárdság MPa között változik, függ az öntvény falvastagságától, a nyúlás 15 4% között, a keménység 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

18 Fehér temperöntvény A hőkezelés oxidáló atmoszférában történik, a C kiég. Az öntvény vékonyfalú! Felületen tiszta ferrit, beljebb a C nő megjelenik a perlit is

19 Fehér temperöntvény a felülettől befelé haladva A szövetben megjelent a temperszén is

20 Tempervasak (3) fekete és perlites tempervas Szabványos jelölés: MSZ ISO B 30-06; B 32-12; B 35-10; (fekete tempervasak) P 45-06; P 50-05; P55-04; P 70-02; P (perlites tempervasak) A szakítószilárdság MPa között változik, függ az alapszövettől, a nyúlás 12 1% között, a keménység HB között alakul Jól önthetők, a B jelű tempervasak csőidomokhoz használatosak, a P jelűek nagyobb szilárdságú és kopásállóságú öntvényekhez (pl. fékpofák) 20

21 Fekete temperöntvény A hőkezelés semleges gázatmoszférában történik Ferrites fekete temperöntvény Ferrit + perlites fekete temperöntvény temperszén

22 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

23 Átolvasztás karbidos Szürke öntvény, lehet lemezes, de gömbös is 23

24 Öntöttvasak szilárdságának összehasonlítása (R m, MPa) gömbgr. öv fekete t. öv (P) alsó érték fekete t. öv (B) használati tartomány fehér t. öv lemezgrafitos

25 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

26 Nem vas fémek és ötvözeteik Könnyűfémek Alumínium és ötvözetei Titán és ötvözetei Magnézium és ötvözetei Színes fémek Réz és ötvözetei Nikkel és ötvözetei 26

27 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

28 Az alumínium tulajdonságai Kis sűrűség (ρ= 2,3 g/cm 3 ) Alacsony olvadáspont (660 C o ) Jó hő- és villamos vezetőképesség Kiváló korrózió állóság Kedvező alakíthatóság Szilárdsága kicsi (R m =45 MPa), de ez ötvözéssel, hőkezeléssel és hidegalakítással jelentősen növelhető 28

29 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

30 Alumíniumötvözetek Alakítható (szilárd oldat szerkezetű) öntészeti (eutektikushoz közeli) Típusai: Al-Si ötvözetek Al-Mg ötvözetek Al-Cu ötvözetek Al-Zn ötvözetek 30

31 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

32 Alumínium öntvények 32

33 Öntészeti alumínium ötvözetek 33

34 Motorblokk hipereutektikus alumínium ötvözet 34

35 Nemesíthető alumínium ötvözetek AlMgSi AlCu4Mg1 AlCu5.5Mg1.5 (példák: lemezek tulajdonságai) Lágy R m Lágy A% Nemesített R m Nemesített A% A hőkezelés kiválásos keményítés. (nemesítés) Képlékeny alakítás (kivágás, hajlítás, mélyhúzás) lágy állapotban; kisebb alkatrészek igény szerint nemesíthetők A rudak mechanikai jellemzői hasonlóak a lemezekéhez

36 A titán és ötvözetei A titán alapanyaga a: rutil (titándioxid TiO 2 ), amelyből az előállítás során klór áramban hevítve titántetraklorid (TiCl 4 ) keletkezik. Ezt fém magnéziummal redukálják, majd tisztítják és porkohászati úton nyerik a Ti-t A titán ezüstfehér színű, 4, kg/m 3 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

37 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

38 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

39 A titán szövetszerkezete Maratás Marószer: 30 ml H 2 O 2 10 ml H 2 O Maratási idő: 10 perc 39

40 A magnézium és ötvözetei Alapanyag: magnezit ásvány (MgCO 3 ) vagy tengervízi sók (MgCl 2 ) kiválása. A fém magnézium a MgCl 2 elektrolízisével állítható elő. A Mg kis sűrűségű (ρ = 1, kg/m 3 ) 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

41 MgAl6Mn magnézium öntvény A falvastagság 2-2,5 mm, a tömeg 3,5 kg 41

42 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

43 A réz tulajdonságai Közepes sűrűség (ρ= 8,93 Mg/m 3 ) Olvadáspont (1083 C o ) Kiválóhő- és villamos vezetőképesség Légköri korrózió állóság Kedvező alakíthatóság, önthetőség Szilárdsága közepes (R m =220 MPa), ötvözéssel tovább javítható 43

44 A réz ötvözetei Cu-Zn sárgaréz Alakítható (szilárd oldat szerkezetű) Öntészeti ötvözetek Cu-Sn bronz Alakítható Öntészeti 44

45 A réz és ötvözetei Alakítható réz ötvözetek Lemezalakításra alkalmas sárgarezek Éremverésre alkalmas bronzok 45

46 Öntészeti réz ötvözetek Ónbronz és vörösötvözetek Ólombronzok Sárgarezek öntészeti célokra CuZn 40 öntészeti sárgaréz 46

47 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

48 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

49 Bronz csapágy (CuPb10Sn10) 49

50 Rézötvözetekből készült öntvények 50

51 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

52 AMS 5671 Ni ötvözet Elektrolitosan polírozva, maratva (Polírozás: cellafeszültség 30V, idő 25 sec, Maratás: 10 V 15 sec) 52