Anyagismeret. 13. E osztály részére

Átírás

1 Anyagismeret 13. E osztály részére 1

2 Az anyagok csoportosítása Fémek Nem fémek Vezetők Félvezetők Szigetelők - Vas (Fe) - Szilícium (Si) - Fa - Réz (Cu) - Germánium (Ge) - Műanyag - Alumínium (Al) - Szelén (Se) - Gumi - Arany (Au) - Mesterséges - Üveg - Ezüst (Ag) úton előállított - Nemesgázok félvezetők (Ne, Kr, Xe) 2

3 A fémek általános tulajdonságai Kristályos szerkezet Jó elektromos vezetőképesség (kicsi ellenállás) Jó hővezető képesség Jó ötvözhetőség Segédeszközökkel történő megmunkálhatóság 3

4 Fémek olvadása és dermedése OLVADÁS => energia közlés hő formájában => egyre intenzívebb atom mozgás => kristályrács összeomlás => olvadt fém kialakulás => további hő közlés => anyag elpárolgás DERMEDÉS => hő leadás => atommozgás lassul => kristályosodás => dermedés => szilárd kristályos halmazállapot 4

5 A dermedés grafikusan Folyékony fém T, C o Kristálycsírák + olvadék Kristályok + olvadék Szilárd krisztalit T d t t, s 5

6 Az anyagok ötvözése Az ötvözés célja: az anyagok (fémek) tulajdonságainak javítása. Mechanikai tulajdonságok: szilárdság, szívósság,keménység Technológiai tulajdonságok: alakíthatóság, korrózióállóság Elektromos tulajdonságok: villamos ellenállás => vezetőképesség Ötvözetet két vagy több fém összeolvasztásával, vagy egymásban való oldásával kapunk. Fő ötvöző fémek: Cu, Ni, W, V, Mg, Zn, Fe, Cr Fő ötvöző, fémekhez közelálló elemek (metalloidok): C, Si Fő ötvöző nem fémes elemek: S, P 6

7 Az ötvözetek fajtái Három alapvető fajtája van. Szilárd oldat: amikor az anyagok szilárd állapotban oldják egymást és atomjaik közös kristályrácsot hoznak létre. Szubsztitúciós kristályrács: az ötvöző atomok mérete közel azonos az ötvözendő atom méretével Intersztíciós kristályrács: az ötvöző atom mérete sokkal kisebb mint az ötvözendő atom mérete Fémes vegyület: a vegyületek molekulái között ionos vagy kovalens kötés => szerkezetük eltér az alapfém szerkezetétől, ezért új tulajdonságokkal rendelkeznek Eutektikum: megszilárdult krisztalitok => nem képeznek oldatot és kémiai kötést => alacsony az olvadáspontjuk és jól önthetők 7

8 Nyersvasgyártás Vasércek és jellemzőik: Magnetit: kemény, tömör, nehezen kohósítható, vastartalma: 70% Vörösvasérc: vörös színű, vastartalma: 20-60% Barnavasérc: rozsda szín, vastartalma: 25-50% Vaspát: vastartalma: 30-40% 8

9 A nagyolvasztó vázlatos felépítése torokzár salakképző anyag koksz vasérc torokgáz elvezetés torok hűtővíz bevezetés Akna tűzálló bélés 40m gőz elvezetés levegő befúvás az égéshez Φ12m nyugvó levegő befúvás az égéshez medence nyersvas salak 9

10 Nyersvasgyártás A bányászott vasérc => aprítása => dúsítása => pörkölése (S és H 2 O csökkentés) => kötőanyaggal való keverése => zsugorítása => adagolása a nagyolvasztóba. A nagyolvasztóban a dúsított vasérc, a koksz és a salakképző anyag lefelé mozog. A befúvott levegő az izzó kokszrétegen és tölteten keresztül a torok felé mozog és a torokgáz már elégethető, a földgázhoz hasonló energiatartalommal. A lefelé mozgó vas a fűtőanyagból és a salakanyagból szenet, szilíciumot, mangánt, ként, foszfort vesz fel. A nyugvóban megkezdődik a salakképződés, a vas megolvad és a salakkal együtt a medencébe csöpög. A salak kisebb fajsúlyú, és az olvadék tetején marad, ezt folyamatosan távolítják el. A nyersvasat a medence aljáról kb. 4 óránként csapolják le. 10

11 Az acélgyártás Az acélgyártás lényege, hogy csökkentsék a nyersvas széntartalmát és a szennyező elemek mennyiségét, valamint az ötvöző elemek bevitelével javítsák a tulajdonságait. Max. széntartalom 2,6%. A gyors acélgyártást un. konverterben végzik, amelynek lényege, hogy a folyékony nyersvasba oxigént vezetnek (ez az oxigén befúvás) ami a felesleges szenet elégeti, valamint a szennyező anyagokat (S, P, Mn, stb.) oxidálja. Egy adag elkészítési ideje perc. Bessemer-konverter => savas bélés => nagy Ni és P tartalom Thomas-konverter => lúgos bélés => CaO adagolás LD-konverter => hulladékvas beadagolási lehetőség, nagy tisztaság, kiváló mechanikai tulajdonságok 11

12 A Bessemer konverter vázlatos felépítése csapágy tengely Oxigén befúvás nyersvas töltet oxigén csapágy ürítő kerék tengely szélkas fenékfúvókák 12

13 Az öntöttvasak Öntészeti szürkevas: kis szakító szilárdságú, rideg, törékeny anyagok. Jó korrózióállók, jól forgácsolhatók. Gépállványok, hajtóműházak, motorblokkok, tűzhely alkatrészek készítésére használják. Magnézium hozzáadásával nő a szilárdsága és kopásállósága. Öntészeti fehérvas: (másnéven temperöntvény), két fajtája van: Fehér temperöntvény: kis mértékben alakítható és forgácsolható. Vízvezeték szerelvények, kulcsok, mechanikai kapcsolóelemek készülnek belőlük. Fekete temperöntvény: szívós, kemény, nehezen megmunkálható anyagok. Fékdobok, hajtóműházak, kapcsolóvillák (sebességváltókhoz) készítésére alkalmasak. 13

14 Ferromágneses anyagok Két fajtájuk van: a lágy és a kemény mágnesek. Lágymágnes anyagok: amelyek alkalmasak gyors és sokszori átmágnesezésre, de alaphelyzetben maguk nem mágnesesek, illetve tartósan nem mágnesezhetőek. Típusai: tisztavas, szilíciumvas (Hipersil, Permalloy), vas-kobalt ötvözetek, porvasmagok (préselt-ferritek) Keménymágnes anyagok: ezek az állandó mágnesek, amelyek átmágnesezése körülményes, alaphelyzetben mágneses tulajdonságot mutatnak és ezt a tulajdonságukat évtizedeken keresztül megőrzik. Típusai: fémötvözetek, porkohászati úton előállítottak, mágnesporok, ferritek. 14

15 Az alumínium Előállítása: bauxitból=>timföld=>elektrolízis=>fémalumínium, tisztasága: 99%, szennyező elemei: Zn, Fe, Mn, Si. További elektrolízissel 99.99% tisztaság (négy-kilences tisztaság) érhető el ipari felhasználás céljára. Jellemzői: Sűrűsége: 2700 kg/m 3, olvadáspontja: 660C o, ρ=0.028 Ω*mm 2 /m, fehér színű, lágy, jól megmunkálható anyag. Levegőn oxidálódik, a felületén kialakult egybefüggő oxidréteg megóvja a további oxidációtól. Ellenáll a víz, szénsav, salétromsav és az élelmiszerek korrodáló hatásának (alumínium edények). Speciális eljárással hegeszthető. Forgácsolása az anyag puhasága miatt nem egyszerű művelet. Felhasználása: Az ipar minden területén villamos vezetőanyagként, élelmiszeriparban tárolóedények, fóliák, tubusok, csomagoló anyagok készítésére. 15

16 Az alumínium előállítása Transzformátor Egyenirányító Erőmű Energia szállítás Folyékony alumínium Tisztítandó alumínium Elektrolit Elektródák 16

17 Alumínium ötvözetek Fő ötvöző anyagai: Cu, Mg, Si, járulékos ötvözői: Ni, Mn. Al-Cu => dúralumínium, max. 5,6% Cu tartalommal => képlékenyen alakíthatók, rosszul önthetőek, nemesíthetők, nem korrózióállóak. Al-Cu-Mg => nagy szilárdság => repülőgép ipar, építészet, gépalkatrészek (BMW, Alfa Romeó futóművek). Al-Cu-Ni => jól önthetők, képlékenyen alakíthatók, nem korrózióállóak => belsőégésű motorok hengerfeje és dugattyúi. Al-Mg => hidronálium ötvözetek, max. 1-9% Mg => jó kémiai ellenálló képesség, polírozhatóság, nagy szilárdság => hajóépítés, járműipar. Al-Si => szilumin ötvözetek, max. 11,7% Si => hőkezelhető, hegeszthető, jól forgácsolható, jól önthető =>bonyolult alakzatú vékonyfalú öntvények készítéséhez használják. 17

18 Egyéb könnyűfémek Magnézium (Mg):γ=1730 kg/m 3, op. 650 o C a legkönnyebb anyag, érceiből, valamint tengervízből, sólerakódásokból állítják elő. Szakítószilárdsága kicsi, nem korrózióálló, nehezen önthető. Könnyen gyullad, vakító lánggal ég. Jól alakítható, önthető és forgácsolható. A tiszta Mg-ot a pirotechnikában alkalmazzák. Mg-Al-Zn: => nagy szilárdság, tartós ütő és nagy rezgési igénybevételnek kitett helyekre => lemezek, csövek, rudak készítésére. Titán (Ti): acélszürke kemény fém, vörösizzáson kovácsolható, a szennyezések rideggé teszik. γ=4430 kg/m 3, op o C, savakban nehezen oldódik, jól hegeszthető és alakítható. Szerszámacélok ötvözőeleme, sugárhajtóművek és rakéta alkatrészek nélkülözhetetlen anyaga. 18

19 A réz 1 A természetben érceiben fordul elő. Az ércet feldolgozás előtt pörköléssel oxidossá teszik (kén eltávolítás). A keletkező réz-oxid már kohósítható, így 98,5-99,5% tisztaságú réz állítható elő. A további finomítás elektrolízissel történik, így 99,99% tisztaság érhető el. A kohóréz az elektrolitban oldódik és a katódokon válik ki. Anódcsere naponként, tehát a réz tisztítása lassú folyamat! - + DC energiaforrás Elektrolit: CuSO 4 Tiszta réz a katód Elektrolizáló kád Kohóréz lap az anód 19

20 A réz 2 Vöröses színű, fényesen csillogó, lapközepes, köbös kristályszerkezetű, a legrégebben ismert fém. γ=8900 kg/m 3, op. 1083C o, szakítószilárdsága: (2-2,6)*10 8 N/m 2, ρ=0,0175 Ω*mm 2 /m. Felületén oxidréteg, patina (nemes rozsda) alakul ki, ami megvédi a további korróziótól. Az oxidáló savak oldják. Mechanikai tulajdonságai a vasnál kedvezőtlenebbek. Hidegen alakítható, rosszul önthető anyag, öntéskor porózussá válik. Képlékenyen jól alakítható, húzható, hengerelhető. Kemény és lágyforrasztással jól egyesíthető. Tiszta állapotában a villamos és az elektronikai ipar használja fel. Egyéb felhasználása, tároló edények, burkolatok, építészeti szerkezetek, alkatrészek gyártása. Tulajdonságait ötvözéssel javítják. Fő ötvöző elemei: Zn, Sn, Al. Járulékos ötvöző elemei: Ni, P, Pb, Mn, Cd, Be. 20

21 A rézötvözetek A rézötvözetek villamos vezetőképessége rosszabb, mint a tiszta rézé. Cu-Zn sárgaréz: a jó villamos tulajdonságon túl jó mechanikai szilárdságú. Felhasználása: műszertengelyek csapágyazása, csőszegecsek, csatlakozó dugók és hüvelyek, kapcsolók érintkezői. Cu-Zn-Si sárgaréz keményforraszok: kis falvastagságú, vékony anyagok forrasztásához. Cu-Zn-Ni alpakka: ipari kapcsoló rúgók, lemez fogaskerekek, evőeszközök. Cu-Ni konstantán: ellenállásanyagként használják. Cu-Sn ónbronz: csavarok, perselyek, áramvezető alkatrészek, vezetékek. Cu-Al alumíniumbronz: rúgólemezek, csövek, szalagok alapanyaga. Cu-Ag ezüstbronz: jó villamos tulajdonságokkal rendelkezik, nagy villamos gépek tekercseléseihez, kommutátorokhoz alkalmazzák. Egyebek: foszforbronz, krómbronz, kadmium-bronz, berillium-bronz. 21

22 Egyéb színesfémek Cink, Zn: galvánelemek, műszeralkatrészek készülnek belőle, továbbá a réz ötvözéséhez is használják. Ón, Sn: ónforraszokhoz, amelyek Sn-Pb összetétellel réz, sárgaréz, acél vagy ónozott tárgyak forrasztására alkalmas. Ólom, Pb: lágyforraszokhoz, olvadóbiztosítókhoz, régen kábelköpenyekhez. Molibdén, Mo: jó villamos vezető, izzólámpák és elektroncsövek izzószálának tartószerkezetéhez. Volfrám, W: op. 3410C o, ezért izzólámpák izzószálának anyaga. Kobalt, Co: ferromágneses anyag, aranyhoz ötvözve érintkezők anyaga. Nikkel, Ni: jó villamos vezető, katalizátorként és galván bevonatként, mérőellenállások készítésére használják. Kadmium, Cd: Az olvadóbiztosítók egyik ötvöző anyaga. Higany, Hg: diamágneses, korrózió álló folyékony fém, elektródaként használják. Platina, Pt: érintkezők, ellenállások, ellenállás-hőmérők elektródák alapanyaga. Ezüst, Ag: a legjobb villamos és hővezető anyag, rézzel ötvözve ipari ezüstöt kapunk. Arany, Au: jó villamos vezető, villamos érintkezők bevonatához alkalmazzák, nem oxidálódik, ritka fém, nem csak érceiben, hanem tiszta állapotában is előfordul. 22

23 Nemfémes anyagok Csoportosításuk: Fa Papír Bőr Gumi Üveg Tűzálló anyagok Hő és hangszigetelő anyagok Villamos szigetelőanyagok Műanyagok 23

24 A fa Elsődleges feldolgozása a fa kitermelése. Másodlagos feldolgozása az igények szerinti darabolás (fűrészárú, deszka formájában). Felhasználása a minőségétől függ. A puha, könnyű fákat - a fenyő különböző fajtái - villamos vezeték oszlopok, bánya támok, állványok, épületszerkezetek, tetőszerkezetek, vasúti talpfák, stb. A keményfákat - tölgy, bükk, kőris, akác teherhordó szerkezeti elemként alkalmazzák, továbbá a bútoripar, épületasztalos ipar dolgozza fel. A fa fajsúlya kicsi kg/m 3, rossz hővezető. Szálirányban jó a szakító és nyomószilárdsága. A fa feldolgozásánál gyakorlatilag hulladék nem keletkezik, hiszen valamilyen formában feldolgozásra, hasznosításra kerül. 24

25 A papír Nyersanyaga a tiszta cellulóz, amit gyapotból vagy fából nyernek. Minősége az alapanyagtól és a segédanyagként felhasznált töltő és enyvező anyagoktól, valamint a gyártástechnológiától függ. Ma már jelentős a hulladékpapír újrahasznosítás is. Felhasználása: a villamos iparban szigetelőanyagként, kondenzátorok, kábelek, transzformátorlemezek szigetelésére. Fontos, hogy jó szívóképességű legyen, egynemű legyen, és ne tartalmazzon öregedést okozó anyagot. A papír telítésére olajat, lakkot, és parafint használnak. A bakelizált papírt PABITNAK nevezik. Ez tk. többrétegű impregnált és nagy nyomással összesajtolt paír. 25

26 A bőr Alapanyag a nyers állati bőr, amelyet sózással, vagy szárítással tartósítanak. Leggyakoribb bőrfajták: szarvasmarha, bivaly, ló, sertés, kecske, birka bőrök. A bőr további feldolgozása cserzéssel, kikészítéssel és színezéssel folytatódik. Alkalmazása: gépszíjak, tömítőanyagok, védőfelszerelések. Jellemzője: nagy rugalmasság, jó alakíthatóság. Vízállósága impregnálással növelhető. 26

27 A gumi Alapanyaga a kaucsuktej vagy más néven latex. Ma már nagymértékben mesterséges kaucsukból készül a gumi. Latex kaucsuk töltőanyagok (kréta, korom, kaolin, festékek) vulkanizáló anyag (kén) 150C o -on sajtolás megtörténik a gumivá való átalakulás a kén térhálósító hatása miatt. A kéntartalom határozza meg a gumi rugalmasságát, általában 2-3%. A 32,5% kéntartalom ebonitot eredményez, ami kemény és törékeny. Szilárdsága kicsi, ezt textil, vagy fémhálóval javítják. Alkalmazása: szigetelő anyagként, tömlőkhöz, ékszíjakhoz, gépjármű kerekekhez, stb. A gumi idővel öregszik, törékennyé válik. 27

28 Az üveg Az üveg szilárd állapotban amorf állapotú, nincs határozott olvadáspontja. Alapanyaga a SiO 2, amelyhez szódát Na 2 CO 3, hamuzsírt K 2 CO 3, glauber sót, krétát és márgát kevernek, és ezt a keveréket megolvasztják. Vegyi ellenállóságát Al és Br adalékolással javítják. Megmunkálása fúvással (öblös üvegek), öntéssel (táblaüvegek), hengerléssel (üvegrudak), húzással (üvegszálak) történik. Felhasználási területe: ablakok, lencsék, üvegszálak, orvosi műszerek, laboratóriumi és híradástechnikai eszközök. Hőtágulása és szilárdsága az acélét megközelíti. Jó villamos szigetelő, nagyfeszültségű távvezetékek oszlopain un. függőszigetelő láncokként alkalmazzák. 28

29 Tűzálló anyagok Alapanyaguk: kerámia, samott, azbeszt, szilikát, dolomit, magnezit. Követelmény velük szemben, hogy kicsi legyen a hőtágulásuk, ne repedjenek, a magas hőmérsékleteknek tartósan ellenálljanak, az olvadt fémek ne károsítsák a szerkezetüket. Az iparban felhasznált hőmérsékleteken az olvadáspontjukat nem értelmezzük. Néhány alkalmazása: Samottégla nagyolvasztók és öntödei kemencék, valamint üvegolvasztó kádak bélésanyaga. Magnezittégla villamos kemencék bélésanyaga Dolomittégla konverterek bélésanyaga 29

30 Hő és hangszigetelő anyagok Hőszigetelő anyagot két különböző hőmérsékletű tér elválasztására használunk. Jellemzője, hogy a hővezető képessége kicsi, szerkezete likacsos, üreges. A szervetlen hőszigetelő anyagokat pl.: azbeszt, üvegszál magas hőmérsékleteken alkalmazzuk, a magas hőmérsékletű tértől való elválasztásra. A szerves hőszigetelők pl.: fűrészpor, faforgács, polisztirol habok csak alacsony hőmérsékleteken alkalmazhatók, általában a hideg kizárására. A hangszigetelő anyagok általában szerves anyagok, (parafa, gumi, gyapjú, állati szőrök, habosított műanyagok) amelyek a hangot jelentősen elnyelik, vagy felületükről visszaverik. A lyukacsos szerkezetű anyagok a magas, a rugalmas anyagok a mély hangokat szigetelik. 30

31 Villamos szigetelőanyagok Szigetelőanyagoknak nevezzük azokat az anyagokat, amelyek az áram útját elhatárolják. Ezzel együtt tökéletes szigetelőanyag nincs. A szigetelőanyagok néhány fontos jellemzője: Vezetőképesség Villamos utóhatás (a dielektromos polarizáció következménye) Dielektromos tulajdonság (az atomok polarizációjának következménye) Villamos átütés Fajtái: Szilárd: műanyagok, gumi Folyékony: olaj Légnemű: levegő, nemesgázok 31

32 Szilárd szigetelőanyagok Porcelán: kaolin+földpát+kvarc. Jó húzó és szakítószilárdságú, az erősáramú technikában alkalmazzák. Sztearit: villamos jellemzői nem túl jók, de mechanikai tulajdonságai kiválóak. Üveg: jó villamos szigetelők, amellett kiváló mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik. Csillám: jó a nagyfrekvenciás tulajdonsága és a hőállósága. A csillámból készül a mikanit, amely a kommutátor szeletek szigetelőanyaga. Azbeszt: többféle vegyi összetételű szálas anyag, 1500 C o -ig hőálló. Mérgező, ezért más anyagokkal helyettesítik. Természetes gyanták: szerkezetük amorf. Vegyszereknek ellenállnak. Sellak: az indiai fák és cserjék lakkpajzstetűjének a váladéka, általában leveles formában kerül forgalomba. Deneturált szeszben oldható. Villamos gépek tekercselésénél alkalmazzák szigetelő, kitöltő és rögzítő anyagként. 32

33 Folyékony szigetelőanyagok Kizárólag ásványolaj alapú nagy tisztaságú olaj alkalmas a célra. Alkalmazása: Nagyfeszültségű transzformátorok és kapcsolókészülékek belső szigetelőanyaga. Előnyei: Nagy átütési szilárdság: 125 kv/cm Kicsi a dielektromos állandója Átütés után azonnal regenerálódik Minden résbe behatol Erősáramú kapcsoló érintkezőknél ívoltó hatása van Hátrányai: Érzékeny a szennyeződésekre Magas hőmérsékleten vegyileg bomlik Gyúlékony 33

34 Légnemű szigetelőanyagok Levegő és a nemesgázok. A levegő jó szigetelő és jó hűtőközeg is. Átütési szilárdsága 21kV/cm. A por és egyéb szennyeződés csökkenti az átütési szilárdságot. A hidrogén zárt rendszerű villamos gépek nagyon hatékony hűtőközege. A hidrogén előnyei: Kis sűrűsége miatt csökken a szellőztetési teljesítmény veszteség A jó hővezetés miatt csökkenthetők a gép méretei Zárlat esetén nem gyullad meg, mert a zárt rendszerben nincs oxigén A hidrogén hátrányai: Levegővel robbanó elegyet alkot A tömítettséget folyamatosan ellenőrizni kell 30 MVA-nál nagyobb teljesítményű gépeknél gazdaságos 34

35 Műanyagok A műanyagok monomerekből vagy polimerekből mesterséges úton előállított óriásmolekulák. Természetes alapú műanyagok: Szénhidrátalapúak: viszkóz, nitrocellulóz, acetilcellulóz Fehérje alapúak: a tejből előállított kazein Kaucsuk alapúak: gumi, guttapercha Mesterséges alapú műanyagok: Polisztirol: színtelen, átlátszó műgyanta. Lemez, cső rúd formában kerül forgalomba. Sav és lúgálló, 70 C o -on lágyul. Stiroflex néven kondenzátorok alapanyaga. Akrilgyanta: üvegszerű, átlátszó műgyanta, műszerházak készülnek belőle. Szilikonok: hőmérsékleti és vegyi hatásoknak ellenáll, jó tömítőanyag. Bakelit: fenolok és formaldehidek egyesítésével készül. A, B és C típusa van. Kemény, nem olvad, vegyi hatásoknak ellenáll. Poliamidok: kemény és lágy PVC, teflon, polietilén. 35

36 Önellenőrző kérdések Hogyan csoportosítjuk az anyagokat? Hogy zajlik a fémek olvadása és dermedése? Milyen ötvözeteket ismersz? Hogyan készül a vas? (Vasgyártás folyamata) Mi az acél? Hol használják a vasat, acélt a villamos iparban? Írd le az alumínium gyártásának menetét! Hol és mire alkalmazzák az alumíniumot a villamos iparban? Írd le a réz előállításának folyamatát! Hol és mire alkalmazzák a rezet a villamos iparban? Milyen jellemzői vannak a felsorolt fémeknek? Acél, réz, alumínium Írd le a következő nemfémes anyagok jellemzőit és felhasználási területeit: fa, bőr, papír, üveg, gumi, műanyag! Mit tudsz a légnemű/szilárd/folyékony szigetelő anyagokról? 36