Szerkezeti anyagok választéka és jellemzői

Átírás

1 Szerkezeti anyagok választéka és jellemzői (a) bioanyag műanyag fém kerámia kompozit 1

2 Bioanyagok (szerves természetes anyagok) Organizmusok (élő szervezetek) által előállított (szénből, hidrogénből, oxigénből, nitrogénből, valamint néhány kisrendszámú elemből felépülő) kémiai vegyületekből állnak. Ezek a szerves molekulák (makromolekulák vagy óriásmolekulák) polimerek (poli = sok, meros = rész), vagyis a molekulaláncok egy-egy "aktivált" (kémiai kötések kialakítására hajlamosított) vegyület(molekula), mint monomer (- -) többezerszeres ismétlődései: A polimerek mérete a felépítésükben résztvevő monomeregységek számával, azaz a polimerizációs fokkal (P) ill. a molekulatömeggel (M=P m monomer ) adható meg. 2

3 élő szervezeteket alkotó anyagok nagy fokban polimerizált szerves vegyületek néhány alaptípusából épülnek fel: a nukleinsavak (DNS, RNS) hordozzák - molekuláris formába "átírva" - az élő szervezet felépítésének és működésének öröklött alaptervét (a genetikai információt); a fehérjék (proteinek) vegyi úton megvalósítják az egész felépítési és működési alaptervet; a lipidek (zsírok, olajok, szteroidok, viaszok, kaucsukok, növényi festékanyagok) vízben nehezen, de szerves oldószerekben igen jól oldódó sejthártya-felépítő, hőháztartás-szabályozó és tartalék tápanyagok; a poliszacharidok (összetett szénhidrátok) monoszacharidokból (egyszerű szénhidrátokból) épülnek fel. A monoszacharidok zöme a C n (H 2 O) n általános képlettel jellemezhető, és erre vezethető vissza a szénhidrát elnevezés is. A poliszacharidok (cellulóz, keményítők, cukrok) egy része - mint tartalék tápanyag - a cukoranyag-cserében játszik fontos szerepet, míg másik része szilárdító anyag. 3

4 Bioanyagok felosztása állati és növényi eredetű bioanyagok: produktumok az állatok vagy növények által bizonyos rendszerességgel termelt szerves anyagok (pl. hernyóselyem, gyapot), melyeknek szakszerű elválasztása nem jár az élőlény elpusztításával, ezért környezetbarát, pontosabban élőlénybarát szerkezeti anyagoknak tekinthetők. kültakarók az állatok és a növények belső részeit a külvilágtól - a környezet hatásaitól - eltakaró és védő szerves anyagok (pl. toll, parafa), melynek szakszerű elválasztása egyes esetekben az élőlény elpusztításával jár. A kültakarók lehetnek egészében (pl. prém), vagy részeiben (pl. bőr + szőr) is hasznosíthatók, ill. bizonyos esetekben újraképződők (pl. gyapjú). vázak az állatok és a növények állékonyságát biztosító szerves anyagok (pl. csont, fatörzs), melynek elválasztása rendszerint az élőlény elpusztításával jár együtt. Ez felveti annak igényét, hogy folyamatosan biztosított legyen az utánpótlás, azaz az utódnevelés ill. az újratelepítés. 4

5 Állati eredetű bioanyagok A tenyésztett selyemhernyó gubójáról lefejtett gubószál a valódi selyem. Az igazgyöngy a gyöngykagylók által létrehozott CaCO 3 képződmény. Idegen test behatolása váltja ki, hogy az élőlény a zavaró test köré gyöngyházréteget választ ki. a) A bőr a gerinces állatok kültakarója, mely három fő rétegből áll: felhám, irha, hájashártya. A prémes állatok kikészített szőrös bőre a prém. b) A szőr az emlősállatok jellegzetes szaruképződménye, melynek hossza, színe, minősége, stb. fajra jellemző. c) A gyapjú a juhfajták testét borító - általában összefüggő bundát alkotó - szőrzet. A gyapjúszálak jellemzője a pikkelyes szálfelület és a kör alakú keresztmetszet; bélüregük csupán a durva gyapjúszálaknak van. d) A toll a madarak testét fedő jellegzetes bőr-, ill. szaruképződmény. A kifejlett tollazat kétrétegű: laza szerkezetű, jó hőszigetelő pehelytollakból és külső fedőtollakból áll. Irhaképződmények a teknősök és a krokodilusok bőrcsontjai is, amelyek a hámrétegből fejlődött szarupajzsokkal összenőve az említett hüllők szilárd bőrpáncélját adják. e) Egyes emlősállatok időről időre levetett agancsai szintén az irhában fejlődő csontszövetből állnak. f) A hám és az irha együttesen vesznek részt az állat egész életén át megmaradó, de szakadatlanul növekvő szarvainak kialakításában is. g-j) A kagylók két teknőszerű félből álló héja és a csigák egy darabból álló háza külső váz, a gerinces állatok csontja ill. a valódi szivacsok teste belső váz. 5

6 Növényi eredetű bioanyagok a) A vatta- vagy pamutrostok mikroszkópi képén a szál összelapult cső alakú, és a,szabálytalanul csavarodott, keresztmetszete pedig általában vese, piskóta vagy bab alakú. b) Az indiai és a jávai kapok magtokjának belső faláról leválasztott magszálak mikroszkópi képe vékony falú csőhöz hasonló; a csőfal vékonyságát a szálak bélüregét kitöltő ágyazó folyadék légbuborékai érzékeltetik. c) A juta elemi sejtjei sokszög keresztmetszetűek, éles sarkokkal. d) A zöld vagy indiai rami és a fehér vagy kínai rami szárából nyert rostok lapos és hosszirányban csíkozott elemi sejtekből állnak. e) A lenrostok pektinnel összeragasztott, szögletes keresztmetszetű elemi sejtekből épülnek fel. f) A kenderrostok elemi sejtjeinek keresztmetszete szögű, legömbölyített sarkokkal. g) A cm hosszúságú durva, merev szizálrostok elemi sejtjei sokszögletűek, bélüregük nagy. h) A manilakender 1...2,5 m hosszú rostjait nagy bélüregű, ovális vagy szabálytalanul sokszögletű elemi sejtek alkotják 6

7 Bioanyagból készült termékek 7

8 A fa - mint biopolimer - szerkezeti szintjei lombos és tűlevelű haszonfák törzséből nyert szerkezeti anyag erősen anizotróp és inhomogén tulajdonságai nem csak a szerkezetétől, hanem nedvességtartalmától is függenek, amiket az abszolút száraz ( 0% nedvességtartalmú), vagy a légszáraz ( 12 15% nedvességtartalmú) állapotra vonatkozóan adnak meg. a) A külső makroszerkezetet pl. fűrésszel kialakított alak és méretek, majd gyalulással létrehozott felületminőség jelentheti. b) A belső makroszerkezet az évgyűrűs (keresztirányban), ill. szálas (hosszirányban) szerkezet, melyet bizonyos helyeken folytonossági hiányok (görcsök, repedések) szakít(hat)nak meg. c) A kvalitatív mikroszerkezet a heterogén (többfázisú) - egy évgyűrű metszetén megfigyelhető - farostok, melyek cellulóz rostokból, hemicellulózból, köztük lévő térrészben elfásodást okozó ligninből, továbbá sejtüregi vízből ill. levegőből állnak. d) A kvantitatív mikroszerkezetet a homogénnek tekinthető, nagy számú (30 200) cellulózszálból álló cellulózrost (köteg) jelenti, aminek mennyiségi aránya a fa szilárdságát határozza meg. e) A kristályrács-szerkezetet a cellulózrostot felépítő szalagszerű, egymástól viszonylag távol lévő cellulózszálak (glükózgyűrű-láncok) térbeli rendezettsége adja. f) A kristályrácselem-szerkezet a cellulózszálak hosszú szénláncainak legkisebb térben ismétlődő monoklin cellája. g) Az atomi kötésszerkezet a cellulóz láncmolekulát alkotó C 6 H 10 O 5 képletű anhidrátglukóz monomer atomjainak kovalens kapcsolódási módja, ill. az egyes molekulaláncok közötti van der Waals kölcsönhatás és hidrogénkötés. h) Atomszerkezeten az 1-es rendszámú hidrogén (1s), a 6-os rendszámú szén (1s) 2 (2s) 2 (2p) 2 és a 8-as rendszámú oxigén (1s) 2 (2s) 2 (2p) 4 elektronkonfigurációit értjük. 8

9 Műanyagok (mesterséges szerves anyagok) A műanyagok makromolekuláris szerkezetű, nagyrészt szerves szénvegyületekből álló, szintetikus úton (vegyi folyamatokkal) előállított (természetben nem előforduló), megmunkálható szerkezeti anyagok. poliaddíció Monomerekből polimerek létrehozását jellemző kémiai polireakciók három típusa különböztethető meg: a polimerizáció (homopolimerizáció vagy kopolimerizáció), a polikondenzáció (kismolekulájú reakciótermékek /H 2 O, HCl, NaCl/ keletkezésével) és a poliaddíció (funkciós csoportoknak az egyik monomerfajtától a másikhoz való átrendeződésével).. polimerizáció polikondenzáció 9

10 Műanyagok termoállapotai Az elasztomerek üvegesedési hőmérséklete olyan kicsi, hogy ridegedésük csak mélyen, a felhasználási hőmérsékletük alatt megy végbe. Melegítéskor nincs jellegzetes lágyulásuk és olvadásuk, gumiszerű állapotukat a degradálódási hőmérsékletükig megtartják. A duromerekben a molekulák kötöttsége nagy, mozgásuk korlátozott, ezért melegítéskor nem lágyulnak és nem olvadnak, kemény állapotukat a degradálódási hőmérsékletig megtartják, felette elbomlanak. A termoplasztikus műanyagok az ún. üvegesedési hőmérséklet (T ü ) alatt a üvegszerűen viselkednek, felette alakíthatók. Az amorf műanyagok T ü felett termoelasztikusan viselkednek, további melegítés során meglágyulnak és képlékenyen alakíthatók. A részben kristályos műanyagok az ún. kristálybomlási hőmérséklet (T kr ) felett a kristályos részek is amorf állapotba mennek át és az egész anyag meglágyul, plasztikusan (képlékenyen) alakítható lesz. Az olvadási hőmérséklet (T olv ) felett viszkózus (sűrűnfolyós) állapotba kerül a termoplaszt, majd a bomlási, vagy degradálódási hőmérséklet (T d ) felett molekulaláncai felbomlanak. 10

11 Műanyagok felosztása A műanyagok csoportosítását előállításuk bázisanyaga határozza meg, beszélhetünk természetes alapú és mesterséges alapú műanyagokról. A feldolgozhatóságukat is befolyásoló termoállapotaik szerint beszélhetünk hőre lágyuló műanyagokról (plasztomerekről, termoplasztokról), gumirugalmas műanyagokról (elasztomerekről, elasztoplasztokról) és hőre keményedő, pontosabban hőre nem lágyuló műanyagokról (duromerekről, duroplasztokról). 11

12 Fehérje alapú műanyagok Az állati fehérjék közül a kazeinnek van nagy jelentősége, amit lefölözött tejből állítanak elő oltóval, vagy savakkal kicsapatva. A galalit nevű műanyag természetes szaruhoz hasonló tulajdonságú, műszaru és elefántcsont, teknőspáncél, korall, türkiz, borostyánkő, márvány, stb. helyettesítésére használják. Kazeinből műselymet, gyapjúhoz hasonló műszálakat is előállítanak, valamint kiváló ragasztó-hatású hidegenyvet is készítenek, amellyel összeragasztott falemezek erősebbek a tömör fánál. Bőrhulladékokból, csontokból és vérfehérjékből is készítenek enyvet, továbbá zselatinhártyákat, ill. filmeket. A növényi fehérjék közül a zeint (szójabab-fehérjét, földimogyoró-fehérjét /arachist/ és kukoricafehérjét használják fel elsősorban műszálak előállítására. 12

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

14 Cellulózalapú műanyagok Növényi rostokból pl. lúgos kémiai feltárással (inkusztráló anyagok: lignin, gyanta, viasz, zsír eltávolításával) nyerhető cellulóz feldolgozásakor: Az egyik esetben a cellulóz felületileg duzzad, vagy oldataiból alakul vissza cellulózzá és a feldolgozás közben járulékosan molekulái bizonyos mértékig eltördelődnek, azaz kisebbek a természetes cellulózénál, ekkor módosított cellulózról beszélünk, amelyből viszkóz műszálak, átlátszó fóliák, hártyák (pl. cellofán, transzparens fóliák), vulkánfíber, pergament, papír készíthetők. A másik esetben a cellulózt tartósan átalakítják valamilyen kémiai származékává, így a műanyag cellulóz-éterekből - metil-cellulóz (ragasztó- és légtéri bevonó anyag), etil-cellulóz (lakk- és víz alatti bevonatanyag), benzil-cellulóz (lakk-, bevonat- és fröccsöntő alapanyag) - vagy cellulózészterekből - cellulóz-nitrát (celluloid mint filmhordozó anyag, műbőr, lakk, ragasztószer, robbanószer), cellulóz-acetát (nem gyúlékony cellonfilm, csomagolófóliák, fröccsöntött termékek) - áll. 14

15 Természetes alapú műanyagból készült termékek poliizoprén természetes gumi cellulóz-acetát 15

16 Hőre lágyuló mesterséges alapú műanyagok Általános rendeltetésűek: polietilén (LLDPE, LDPE, MDPE, HDPE, UHMWPE); poliproplén (PP); poli(vinil-klorid) (PVC); polisztirol (PS), sztirolakrilnitril (SAN), sztrirol-butadién (SB), akrilnitril-butadiénsztirol (ABS); Különleges tulajdonságúak: hőállók ill. optikailag üvegszerűek poli(tetrafluor-etilén) (PTFE) vagy teflon; poli(vinilidén-fluorid) (PVDF); poli(vinil-fluorid) (PVF); poli(éter-éter-keton) (PEEK); poli(amid-imid) (PAI); poli(éter-imid) (PEI); poliszulfon (PSU); poli(éter-szulfon) (PESU); poli(fenilén-szulfid) (PPS); poli(metil-metakrilát) (PMMA) vagy plexi; polikarbonát (PC); Nagyobb igénybevételűek: poliamidok (PA6; PA11; PA12; PA4.6; PA6.6; PA6.10; PA6.12); poli(oxi-metilén) (POM) vagy poliformaldehid; poli(etilén-tereftalát) (PET); poli(butilén-tereftalát) (PBT). 16

17 Általános rendeltetésű műanyagból készült termékek 1. polietilén polipropilén poli(vinil-klorid) polisztirol 17

18 Általános rendeltetésű műanyagból készült termékek 2. akrilnitril-butadién-sztirol poliamid poli(oxi-metilén) poli(etilén-tereftalát) 18

19 Különleges tulajdonságú műanyagból készült termékek poli(tetrafluor-etilén) poli(éter-éter-keton) poli(metil-metakrilát) polikarbonát 19

20 Gumirugalmas műanyagok A termoplasztikus elasztomerek (TPE) átmenetet képeznek a plasztomerek és az elasztomerek között, amelyekben a térhálópontok rendeződött kristályos ill. amorf részek. Az amorf etilén-propilén termopolimerek (EPDM) öregedés-, ózon- és időjárásállók, továbbá vulkanizálhatósággal rendelkeznek. A poliuretánok (PUR) az amorf lineáris szerkezetűektől kezdve a térhálósokig, a mikrokristályos, a részben és az erősen kristályos változatokat is beleértve széles anyagcsoportot felölelő anyagok. Ennek megfelelően hőre lágyuló, hőre keményedő és termoplasztikus elasztomerként viselkedő poliuretánok fordulnak elő. A polisziloxánok vagy szilikonok (SIL) molekulaláncait nem C, hanem -Si-O- csoportok alkotják. E szervetlen láncú műanyagok víztaszítók, nem gyúlékonyak, hőállóságuk általában nagyobb, mint a C- láncú polimereké. A műgumik közül legnagyobb mennyiségben a kloropénkaucsukot (CR), a butadién-kaucsukot (BR) sztirolbutadién kaucsukot (SBR) alkalmazzák, ami ugyan kisebb nyúlású, de hőállóságával, időjárás-állóságával és savállóságával felülmúlja a természetes gumit. Az akrilnitril-butadién kaucsuk (NBR) a benzinnel és az olajokkal szembeni ellenálló-képességével tűnik ki. 20

21 Gumirugalmas műanyagból készült termékek kloropén-kaucsuk vagy neoprén butadién-kaucsuk poliuretán szilikon 21

22 Hőre keményedő műanyagok A fenol-formaldehid gyanták (PF) vagy fenoplasztok kemények, ridegek, oldószereknek, hőnek, égésnek ellenállók, kiváló elektromos szigetelők. Az amin formaldehid gyanták, vagy aminoplasztok közül a melaminok (MF) élelmiszersemlegesek is, a karbamidok (UF) könnyebbek. A furfurol gyanták (FP) elsősorban fémőntő formák kötőanyagai, ugyanis a fém öntésekor elszenesedve is képesek funkciójukat betölteni. A poliimid (PI) néhány óráig a ºC-os, néhány hétig a ºC-os és évekig a 250 ºC-os igénybevételt is elviselő műanyag. A főláncukban észter-kötéseket tartalmazó telítetlen poliésztergyantákból (UP) kemény, alaktartó, oldhatatlan és olvaszthatatlan, igen nagy hőmérsékleten lebomló polimer nyerhető, jármű-, építő- ill. vegyipari alkalmazásokra. Az aromás poliéterek közé tartozó epoxigyanták (EP) olvasztható, vagy mézszerű folyadékok formájára polimerizált, vagyis nem vagy csak részben térhálósodott állapotban kerülnek felhasználásra, amikor a térhálósodást olyan reagensek bekeverése váltja ki, melyek a kapcsolódásra képes gyököket aktiválják. Az alkidgyanták villamosipari alkalmazású, kis zsugorodású, nedvességre kevésbé érzékeny sztirolmentes sajtolóanyagok. 22

23 Hőre keményedő műanyagból készült alkatrészek poliészter fenol-formaldehid epoxi 23

24 A polietilén - mint szintetikus polimer - szerkezeti szintjei a) Külső makroszerkezet pl. jellemző méretű, ill. felületállapotú cső. b) Belső makroszerkezetét tekintve hab, tömör anyag, filcszerű, méhsejt-struktúrájú stb. lehet. c) Kvalitatív mikroszerkezetében pl. kristálymagokból sugarasan növekedett szferolitos kváziszemcsék láthatók amorf mátrixba ágyazva. d) A kvantitatív mikroszerkezet egy kváziszemcse (polietilénkristály) rendeződött lamella-kötegeit ill. azok geometriai paramétereit jelenti. e) A kristályrács-szerkezetet lamellába hajtogatott, hosszútávú rendezettségű, sok kristályrácselemet produkáló láncmolekulák alkotják. f) A kristályrácselem-szerkezet romboéderes, a molekulaláncok irányított elhelyezkedésével. g) A kötésszerkezet a monomer, ill. abból a molekulalánc felépítését, azaz a benne lévő atomfajták irányított kovalens kötését jelenti. A molekulaláncok között gyengébb (másodlagos) van der Waals kötőerők hatnak. h) Az atomszerkezet az 1-es rendszámú H és a 6-os rendszámú C (1s) ill. (1s) 2 (2s) 2 (2p) 2 elektronkonfigurációit fejezi ki. 24

25 FÉMEK Az arany, az ezüst, a réz, a higany és a platinafémek a természetben tiszta állapotban is megtalálhatók. A legtöbb fém csak vegyületeiben (oxid, szulfid, karbonát, vagy klorid) fordul elő. E földkéregbeli vegyületek az ásványok, míg a fém kinyerése szempontjából értékes és értéktelen (meddő) ásványok keveréke az érc. A kibányászott ércekből a fémelőállítás vagyis a fémkohászat - folyamatának szakaszai: ércelőkészítés: meddőtartalom csökkentése, kedvezőbb fémtartalmú érckoncentrátum előállítása, kohászatra alkalmas ércdarab-méret létrehozása; fémkinyerés: fémnek a vegyületeiből való redukálása, elkülönítése kohászati piro-, hidro- vagy elektrometallurgiai módszerekkel; fémfinomítás: a kinyert fém ill. újrafeldolgozható fémhulladék szennyezőtartalmának csökkentése, továbbá szükség szerinti ötvözése olvadt állapotban; fémkristályosítás: fémolvadék megszilárdítása, dermesztése tuskóöntéssel, folyamatos öntéssel vagy öntvehengerléssel. 25

26 Fémkristályosodás jellegzetességei A kristályosítás körülményei - különösen a hűtési vagy dermedési sebesség jelentősen befolyásolják az anyag makroszkópikus, mikroszkópikus és szubmikroszkópikus szerkezetét és ezen keresztül tulajdonságait is: a) A túlhűtött olvadékban sok helyen keletkeznek kristályrácselemek, a fém polikristályos lesz. b) Leggyakrabban az olvadékot valamilyen hűtött formába öntik. -kívül finom szemcseméret alakul ki; - beljebb oszlopos kristályok jönnek létre; -legbelül dendrites szerkezet képződik. Nagyon kicsi hőmérséklet-gradiens esetén nagyméretű egykristályok növeszthetők; Nagyon nagy hőmérséklet-gradiens esetén szilárd fémüveg állítható elő. c) Az ötvözőket és/vagy szennyezőket tartalmazó olvadék kristályosodásakor a koncentrációkülönbség miatt mikrodúsulás lép fel. d-f) A kristályosodás során visszamaradó olvadék általában az oldott szennyezőkben és ötvözőkben egyre dúsul, s az anyag utoljára dermedő részén - a végtermékre nézve anizotrópiát okozó - makro(szkopikus) dúsulás is fellép. 26

27 Fémek képlékeny alakváltozása a-b) Az összalakváltozást csúszósíkokon bekövetkező - diszlokációk által segített - elemi elmozdulások sorozata hozza létre. c) A rekrisztallizációs hőmérséklet alatt végzett képlékeny hidegalakítást a szemcsék alakjának és a csúszósíkok orientációjának megváltozása, valamint szálas szerkezet (szemcsehatár-menti szennyezések rendeződése) ill. textúra (szemcse-deformációval együttjáró kristálytani irányítottság) kialakulása kíséri. d) A lágyított állapotbeli diszlokációsűrűség képlékeny hidegalakítás hatására megsokszorozódik és a diszlokációk ilyen nagy számban már egymás mozgását akadályozzák, alakítási keményedést okozva. e) A rekrisztallizációs hőmérséklet felett végzett alakítás a melegalakítás, amit rekrisztallizációs kilágyulás kísér. 27

28 Fémek megújulása és újrakristályosodása a) Hőmérséklet növelésével termikusan aktivált anyagszerkezeti folyamatok játszódnak le: b) Megújulás: diszlokációk "kioltódása" vagy átrendeződése és egyes kitüntetett helyeken való felhalmozódása; kisszögű (kvázi) szemcsehatárok kialakulása (poligonizáció); csíraként szolgáló mozaik blokkok képződése. c) Újrakristályosodás vagy rekrisztallizáció: A hőmérséklet további növelésével - a poligonális előszemcsék találkozásánál - rendezett, szilárd fázisban képződő kristálycsírák alakulnak ki. d-e) A szemcsehatárok konkáv oldalról atomok lépnek át a konvex oldalra. Az így mozgó és megszűnő szemcsehatárokkal durvaszemcsés mikroszerkezet alakul(hat) ki, ún. szekunder rekrisztallizáció játszód(hat) le, amit kerülni kell. f) Az újrakristályosodott szemcsék mérete annál kisebb, minél nagyobb volt az előzetes hidegalakítás mértéke. g) Az újrakristályosodás alakváltozó-képesség növekedést, keménység-, ill. szilárdságcsökkenést, vagyis kilágyulást eredményez. 28

29 Fémek állapotábrái (egyensúlyi diagramjai) a) Az állapotábrák (egyensúlyi diagramok) két- vagy többalkotós ötvözetekre - az ötvözőkoncentráció és a hőmérséklet koordináta-rendszerében - szemléltetik a lehetséges egyensúlyi állapotokat és a jellegzetes tulajdonságokkal bíró anyagváltozatokat: egyfázisú színfémeket és szilárd oldatokat, többfázisú átalakuló ötvözeteket és eutektikumokat. b) Ha egy fémben a hozzáadott ötvöző oldódik anélkül, hogy új fázis keletkezne, intersztíciós vagy szubsztitúciós szilárd oldatot kapunk. c) Az eutektikumok egy állandó hőmérsékleten dermednek meg, miközben egyszerre két fázis kristályosodik, jellegzetes elrendeződésű szövetszerkezetet eredményezve. d) egymást mind szilárd, mind olvadék állapotban korlátlanul oldó elemek (pl. Cu-Ni) állapotábrája; e) egymást sem szilárd, sem olvadék állapotban nem oldó elemek (pl. Fe-Pb) állapotábrája; f) egymást szilárd állapotban nem oldó, viszont AmBn vegyületet képező elemek (pl. Mg-Cu) állapotábrája; g) a képződő az állapotábrát hasonló részekre osztó vegyület bizonyos mértékig oldja az alkotókat (pl. Ni-Ti esetében). Gyakori, hogy az említett egyszerűbb típusokból koncentráció-intervallumonként "összetevődő" bonyolultabb állapotábrák adódnak. 29

30 Fémek felosztása A vasötvözetek tekinthetők viszonyítási alapnak. A ρ=4500 kg/m 3 -nél nagyobb sűrűségűek a nehézfémek, az azoknál könnyebbek a könnyűfémek. Nehézfémeken belül feketefémnek tekintjük a vasat és ötvözőit, színesfémnek nevezzük pl. a rezet, a cinket, az ólmot, az ónt és a nemesfémeket. A vashoz (T olv =1538 C) képest kisebb olvadáspontja (T olv <1000 C) van pl. a cinknek, az ólomnak, az alumíniumnak, a magnéziumnak, míg nagyobb olvadáspontú (T olv >2000 C) pl. a molibdén, a volfrám, a nióbium, a tantál. Értékük (ritkaságuk) és korrózióállóságuk alapján a vashoz képest nemesfémek az ezüst, az arany, a platina, a palládium. Ezek szerint megkülönböztethetünk: vasalapú fémes anyagokat azaz vasötvözeteket és nemvas fémeket. 30

31 Az acélok a vasnak karbonnal (szénnel) alkotott ötvözetei, melyekben a karbon (C) egyensúlyi körülmények között Fe 3 C (vaskarbid) vegyület formájában van jelen. Ezen Fe-Fe 3 C ötvözetek C-tartalma szerszám-acélok esetén 2,14%-nál, szerkezeti acélok esetében 0,76%-nál kisebbek. Ha ezeket az anyagokat az állapotábra szerinti γ-mezőbe felhevítjük (ausztenitesítjük) és ott hőn tartjuk, akkor a bennük található α- szilárd oldat allotróp módon (térben középpontos köbösből felületen középpontos köbössé) átalakul és a keletkező ausztenitben az összes karbidfázis oldódik. Ha ezután lassan (kvázi egyensúlyi körülmények között) visszahűtjük, akkor diffúzió révén a karbidfázis (cementit) kiválik és az α-fázis (ferrit) is újra létrejön, az állapotábrának megfelelően. Az eutektikumhoz hasonló formáció is kialakul, azonban ez nem folyékony olvadékból, hanem szilárd oldatból keletkezik, így eutektoidnak nevezik. Vasötvözetek A vasnak Fe 3 C vaskarbiddal alkotott ötvözeteit tartalmazó (metastabil) állapotábra jellegzetes pontjait az ábécé nagybetűi jelölik, hogy egyes állapotábra-vonalakra a hozzájuk tartozó pontokkal hivatkozhassunk (pl. DC-vonal, ES-vonal, PQvonal, GS-vonal, ECF-vonal, PSK-vonal). 31

32 Jellegzetes szövetelemek vasötvözetekben Ausztenit (A): felületen középpontos köbös kristályrácsú, 1493 és 727 ºC között stabil, max. 2,14% C-t (1147 ºC-on) oldani képes, alakítható, szívós, nem mágnesezhető, γ -val jelölt szilárd oldat; Ferrit (F): térben középpontos köbös kristályrácsú, 912 ºC alatt előforduló, max. 0,022% C-t (727 ºC-on) oldani képes, mágnesezhető, α-val jelölt szilárd oldat; Cementit (C): romboéderes kristályrácsú, kb ºC alatt előforduló, 6,69% C-t tartalmazó, kemény, rideg, Fe 3 C képletű intermetallikus vegyület, melynek a keletkezés körülményeitől függő változatai: -primer(i., elsődleges) cementit (I.C), mely 4,3%-nál nagyobb C-tartalmú ötvözetekben olvadékból, a korlátozott C-oldóképességet jelző DC-vonal alatt válik ki; - szekunder (II., másodlagos) cementit (II.C), mely 0,76 és 4,3% közötti C-tartalmú ötvözetekben ausztenitből, a korlátozott C-oldóképességet jelző ES-vonal alatt válik ki; - tercier (III., harmadlagos) cementit (III.C), mely 0,022 és 0,76% közötti C-tartalmú ötvözetekben ferritből, a korlátozott C-oldóképességet jelző PQ-vonal alatt válik ki; ledeburit (L): olvadékból 1147 ºC-on képződő, 4,3% C-t tartalmazó, kemény, rideg, szobahőmérsékleten cementitből + perlitből álló eutektikum; perlit (P): ausztenitből 727 ºC-on képződő, 0,76% C-t tartalmazó, alakítható, szí-vós, ferrit + cementit lemezekből (rétegekből) álló eutektoid. 32

33 Acélok hőkezelése Egyensúlyi átalakuláskor (lassú hűtéskor) képződő - cementit és ferrit lemezekből álló perlit eutektoid mennyisége a karbontartalomtól függ, az acél 0,76% C-nál tisztán perlites (eutektoidos), 0,76% C alatt hipoeutektoidos (ferrit-perlites) acélokról, felette hipereutektoidos (perlit-cementites) acélokról beszélünk. edzés + megeresztés = nemesítés átalakulási diagram Nem egyensúlyi folyamatos hűtésre vonatkozó ausztenit-átalakulási diagramban értelmezhető martenzites átalakulás karbonnal túltelített α-szilárd oldatot (martenzitet) eredményez, melynek térközepes köbös rácsa tetragonálissá torzult. Az edzést követő megeresztés során a martenzitből a karbid gömbszerű formájában kiválik és ún. szferoidit (finomszemcsés perlit) jön létre, szerszámacélokban kemény szekunder karbidok válnak ki. 33

34 Különleges acélok A hidegszívós acélok nagyon alacsony hőmérsékleten (pl C-on) sem válnak rideggé, törékennyé. A melegszilárd acélok igen nagy (pl. 500 C-os) hőmérsékleten sem vesztik el teherbíró képességüket. A melegalakító szerszámacélokban és a gyorsacélokban (nagysebességű forgácsolásra alkalmas, nagy élhőmérsékletet is kibíró szerszámacélokban) a megeresztés hatására kiváló szekunder karbidok egy jellegzetes keménységmaximumot eredményeznek az C-os hőmérséklettartományban, ami lehetővé teszi ilyen maximális hőmérsékleten való tartós alkalmazásukat. A Hadfield-acélban a 13% körüli Mn- és 1,2% C-tartalom ausztenites szerkezetet eredményez, amelyben az 1100 C körüli izzítással a szekunder cementit oldatba vihető, és gyors hűtéssel ez az állapot befagyasztható. Ez a szívós anyag ütvekoptató (dinamikus) igénybevétel hatására felkeményedik, martenzitessé válik. A hidrogénnyomás-álló acélokban erős karbidképzőkhöz (Cr, Mo, V) kötik karbont, hogy ezt a karbidfázist a kis atomátmérőjű hidrogén nehez(ebb)en tudja bontani. A gyakorlatilag karbonmentes (C 0,03%) ún. maraging (martenzites öregedő) acélok nemesítésénél a Ni, Co, Mo, Al és Ti ötvözés hatására nem karbonnal túltelített martenzit, hanem intermetalloid vegyületfázisok (pl. ún. nikkelmartenzit) jönnek létre, minek révén igen nagy szilárdság is elérhető. 34

35 Öntöttvasak szövetszerkezete a karbon-, a szilícium- és a magnéziumtartalom ill. az s falvastagság ismeretében a Maurer-, a Greiner- Klingenstein- és a Gillemot-öntöttvas diagramok alapján ítélhető meg: Az öntöttvashoz adagolt ötvözők egy része a karbidos, másik része a gafitos szövetszerkezet kialakulását segíti elő. 35

36 Öntöttvasfajták Lemezgrafitos öntöttvas: a lassú dermedés során benne kialakuló "bemetsző hatású" lemezes (lamellás) grafit miatt a szakítószilárdsága a nyomószilárdságának csak mintegy negyede, alakíthatósága csekély (tehát rideg), viszont jó rezgéscsillapító képességgel rendelkezik. A grafit méretének és eloszlásának finomításával (modifikálással) a szakítószilárdság javítható. Gömbgrafitos öntöttvas: a grafit gömbös (globulitos) alakja az öntés előtti kis mennyiségű Mg vagy Ce adagolás ("beoltás") következménye. Ilyen módon már melegen alakítható, lemezgrafitosnál jobb szilárdsági és szívóssági jellemzőkkel bíró szerkezeti anyag adódik. Átmenetigarfitos vagy vermikuláris grafitformájú öntöttvas: ritka földfém és/vagy Mgbázisú szerekkel (esetleg kombinálva Ca, Ti vagy Al-mal) kezelt olvadék a gömb- és a lemezgrafitos öntöttvasak közötti tulajdonságú anyagot eredményez. A grafitkeletkezés mechanizmusa gömbgrafitos jellegű, míg az alaki jellemzők lemezgrafitos képet mutatnak. Temperöntvény: metastabil rendszerben kristályosodik, azaz először cementites (grafitmentes) fehér öntöttvas. A megdermedt öntvényben lévő cementit izzító kezelés során tempervassá és temperszénné bomlik el (Fe 3 C 3 Fe + C). Oxidáló közegben végzett izzítás során a temperszén nagy része kiég, azaz az anyag karbonkoncentrációja csökken (az anyag dekarbonizálódik), és ún. fehér temperöntvény jön létre. Semleges közegű izzításkor temperszén-csomók alakulnak ki ferrit-perlites szövetbe ágyazódva, így az eredmény az ún. fekete temperöntvény. A temperöntvény-gyártás kihasználja az öntöttvas jó öntészeti tulajdonságait, majd a hőkezeléssel közelíti az acélok mechanikai és technológiai tulajdonságait. Kéregöntvény: felületi rétege karbidosan, belső magja grafitosan kristályosodik. Így kombinálhatók a kopásálló fehér (karbidos) öntöttvas és a kevésbé rideg szürke (grafitos) öntöttvas előnyei. 36

37 Vasötvözetekből készült termékek 1. kis karbontartalmú (C = 0,02 0,3%) acél közepes karbontartalmú (C = 0,3 0,7%) acél nagy karbontartalmú (C = 0,7 1,7%) acél rozsdamentes acél öntöttvas 37

38 Vasötvözetekből készült termékek 2. 38

39 Vasötvözetekből készült termékek 3. 39

40 Nemvas fémek: könnyűfémek: alumínium és ötvözetei Az alumínium (Al) nem mágnesezhető, a hő-, a fény- és más elektromágneses sugarakat jól reflektálja, a levegő oxigénjével reagálva felületén egy passziváló (védő) oxidréteg jön létre. Az arany, az ezüst és a réz után a negyedik legjobb elektromos vezető, ezért tömegesen készítenek belőle elektromos kábeleket. Kis szilárdságú, de kitűnően alakítható, fóliát, szalagot, lemezt, csövet, profilos szálanyagokat is gyártanak belőle. Az alumíniumnak Mg-, Cu-, Mn- és Znötvözéssel létrehozott alakítható ötvözetei a legjelentősebbek. Az alumíniumnak Si-ötvözéssel létrehozott eutektikus ötvözete (a szilumin) kiváló könnyűöntvény alapanyag (pl. robbanómotor dugattyúk öntéséhez). Az Al-Mg ötvözetek nagyon jó kémiai ellenálló-képességűek, az Al-Si-Cu ötvözetek hőkezelhetők és jól önthetők. 40