Anyagtudomány: hagyományos szerkezeti anyagok és polimerek

Átírás

1 Anyagtudomány: hagyományos szerkezeti anyagok és polimerek A feldolgozás hatása a szerkezetre és a tulajdonságokra Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék BME Műanyag- és Gumiipari Laboratórium H ép. I. emelet

2 Vázlat Bevezetés Fémek Fémek feldolgozása Általános megfontolások, feldolgozási eljárások összefoglalása Alakítási keményedés, mechanizmusok, ponthibák hatása Feldolgozási folyamatok, visszanyerés, átkristályosodás, szemcsenövekedés Kerámiák Kerámiák módosítása Általános megfontolások, előállítás, formázás, szinterelés Különféle módosítás egyes tulajdonságok befolyásolására 2

3 Bevezetés Csoportosítás, technológia Kiindulási anyag Alaptulajdonságok A szerkezet átalakul a technológiától függően Megváltozott tulajdonságok Szerkezet Feldolgozás, Technológia Optimális tulajdonságok A feldolgozás hatása a szerkezetre és a tulajdonságokra Termék Beavatkozási Ellenőrzési Mérhető lehetőség lehetőség mennyiség 3

4 Általános megfontolások Alakítás módja feldolgozási eljárások A szerkezeti anyagok feldolgozása Hidegen formázás (Fémek, kerámiák) Hideg állapotban mechanikai megmunkálás (faanyagok kerámiák, polimerek és fémek) Meleg formázás (fémek, faanyagok, polimerek) Olvadék vagy ömledék állapotban történő feldolgozás Öntés (fémek, polimerek) Fröccsöntés (polimerek, fémek, kerámiák) Extrudálás (polimerek, fémek, kerámiák) A szerkezetet döntően befolyásolja a feldolgozási technológia Mindig fontos szempont a feldolgozás során befektetett hőmennyiség, és egyéb költségtényezők 4

5 Fémek alakítása Hidegalakítás Az alakítási eljárások során nagymértékű képlékeny alakváltozást szenved az anyag A diszlokációk mozognak, keletkeznek és kölcsönhatásba lépnek egymással A kölcsönhatásuk következtében akadályozzák egymás mozgását Diszlokációk sűrűsége Jól hőkezelt anyag: cm -2 Hidegen alakított termék: cm -2 Nagymértékű szilárdságnövelés érhető el A kristályszerkezet megváltozik 5

6 Az alakítási keményedés Mechanizmusok Az alakítási keményedés mérőszáma alakítási keményedés = σ ε Az összefüggés megadja, hogy adott Δε deformáció növekedéshez mekkora Δσ feszültségnövekedés szükséges Eredő diszlokációk Hidegalakítás Diszlokációk metszése Feltorlódott, blokkolt hurkok 6

7 Alakítási keményedés Gyakorlat Az alakítás mérőszáma a plasztikus deformáció mértéke CW% = A 0 A d 100 A 0 Az egyenletben szereplő A 0 a kiindulási, míg A d a végső keresztmetszet Kis széntartalmú acél szakító görbéi különböző mértékű hidegalakítást követően Callister, W. D. Materials Science and Engineering an Introduction 7th edition Wiley 2007 p

8 Alakítási keményedés Adatok 1040 acél, bronz, réz alakítási keményedése Merevség nő de duktilitás csökken! Callister, W. D. Materials Science and Engineering an Introduction 7th edition Wiley 2007 p

9 Polikristályos anyagok Hall-Petch összefüggés A kristályos fémekben az egyes kristályszemcsék határán a diszlokációk feltorlódnak K y o Hall-Petch összefüggés d A d az átlagos szemcseméret σ y a folyáshatár σ 0 egy anyagi konstans K pedig az erősítési együttható Nanokristályos anyagok Kovácsolás során például az anyagban mikrokristályos szerkezet alakul ki 9

10 Hall-Petch összefüggés Magyarázat A szemcsehatárokon a kristálysíkok orientációja változik A diszlokációnak irányt kell váltani A szemcsehatáron található rendezetlenségek akadályozzák a diszlokációk csúszását Van Vlack, A Textbook of Materials Technology 1st editioin 1973, p

11 Szemcseméret hatása Szilárdság növekedés A folyási feszültség növekedése a szemcseméret csökkenésével (bronz) A szemcseméret csökkenése a szilárdság mellett a szívósságot is növeli. H. Suzuki, The relationship Between the Structure and Mechanical Proerties of Metals ivol. II p

12 Kristályhibák Típusok Kristályhibák típusai Ponthibák Vakanciák Intersticiális hibák Szubsztitúciós hibák Frenkel párok (besugárzás, Harwell, rekobináció) Shottky hibák (ionkristály) 12

13 Vakanciák koncentrációja Statisztikus megközelítés N rácspont legyen a kristályban n rácspont üresen marad (vakancia) Az n értékét próbáljuk meghatározni adott hőmérsékleten Állandó térfogaton és hőmérsékleten a rendszer egyensúlyi állapotát a szabadenergia minimuma adja meg F U TS, df 0 Az entrópiába azonban bele kell venni a konfigurációs entrópiát, vagyis hogy N rácspontban n darab üres helyet hányféleképpen tudunk elhelyezni S S T k W N n W ln, o, N n 13

14 Vakanciák koncentrációja Hőmérsékletfüggés Az előzőek alapján a rendszer teljes belső energiája a következőképpen adható meg Így a rendszer szabadenergiája Egyensúlyban az F n-szerinti deriváltja = 0, amiből következik a vakanciák száma (Stirling formula) Hőmérsékletfüggő U U T ne 1 ev képződési energiát feltételezve Szobahőmérsékleten n = K-en hozzávetőleg n = 10-5 o F U T ne TS T kt ln W N, n o o n N e E kt 14

15 Ponthibák deformációs tere Ponthibák hatása Deformációs tér és energia U ik S V xx i k 3 3 ik 2 4 r r V a 2 1 V a elemi cella mérete ν Poisson szám ΔV az ötvöző atom és a mátrixatom térfogatának különbsége A vakanicák képződési energiája kb. 1 ev Az intersticiális hibáké pedig kb. 4-5 ev Kölcsönhatás a hidrosztatikus feszültség térrel Kölcsönhatás éldiszlokációkkal Hőtágulás Hőmérséklet emelkedésével csökkenő merevség 15

16 Szilárdoldatos keményítés Idegen atom hatása Az idegen atom jelenléte növeli a merevséget, de csökkenti az ütésállóságot Az idegen atom a méretétől függően szétfeszíti, vagy összehúzza lokálisan a fémrácsot Akadályozza a diszlokációk mozgását Acél széntartalma Magas hőmérsékleten oldott ötvözőanyag Réz nikkel ötvözet Callister, W. D. Materials Science and Engineering an Introduction 7th edition Wiley 2007 p

17 Fémek feldolgozási eljárásai Tulajdonságok módosítása Kovácsolás (hideg, meleg) Húzás (hideg) Hengerelés (hideg, meleg) Öntés (meleg) Egyéb A fémet akár többször felmelegítik és lehűtik az eljárás során SZERKEZET OPTIMALIZÁLÁS 17

18 Lejátszódó folyamatok Hőkezelés hatása A formázás során a befektetett energia egy része az anyagban tárolódik, egy része pedig a deformációra fordítódik Hőkezelés hatására lejátszódó folyamatok Visszanyerés (diszlokációk megszűnése és megváltozása) Átkrsitályosodás (szerkezeti változás) Szemcseméret növekedés Ezen folyamatok ismétlése kiválóan alkalmas a szerkezet optimalizálására és rögzítésére 18

19 Hőkezelés hatása Gyakorlati példa (bronz) A folyamatok eltérő hőmérsékleten játszódnak le Visszanyerés (alacsony hőmérséklet) relatíve kis hatás Átkristályosodás (közepes hőmérséklet) nagy hatás Szemcseméret növekedés (magas hőmérséklet) Callister, W. D. Materials Science and Engineering an Introduction 7th edition Wiley 2007 p

20 Átkristályosodás Jellegzetességek A legnagyobb hatású folyamat Általában T m /2 - T m /3 hőmérséklet tartományban A hőmérséklete függ a hidegalakítás mértékétől Callister, W. D. Materials Science and Engineering an Introduction 7th edition Wiley 2007 p

21 Átkristályosodás Bronz Eredeti 4s 580 C-on 8s 580 C-on 10 min és 700 C Részleges átkristályosodás Teljes átkristályosodás Szemcseméret növekedés Callister, W. D. Materials Science and Engineering an Introduction 7th edition Wiley 2007 p

22 Gyakorlati példa Öntöttvas Hőkezeléssel kérgezett öntöttvas idom Keménység HRC (Rockwell keménység 120 gyémántkúp 500x Gallai Ferenc, Knorr Bremse Kft. Budapest 22

23 Gyakorlati példa Öntött vas Szövetszerkezeti hiba, ledeburit, 100x nagyítás Merev, rideg tulajdonságok Gallai Ferenc, Knorr Bremse Kft. Budapest 23

24 Gyakorlati példa C60 szénacél Ferrit és perlit együttes jelenléte (kevés ferrite) Brinell hardness MPa (10 mm WC golyó benyomódása) 1000x 500x Gallai Ferenc, Knorr Bremse Kft. Budapest 24

25 Gyakorlati példa Kovácsolás A szemcseméret változása 200x nagyítás Minta közepe Minta széle Gallai Ferenc, Knorr Bremse Kft. Budapest 25

26 Gyakorlati példa Edzés Indukciós edzés (elektromágneses indukció) Távolság (mm) Keménység (HV1) 0, , , , , , , ,5 530 Gallai Ferenc, Knorr Bremse Kft. Budapest 26

27 Kerámiák Általános bevezetés Feldolgozás Por gyártása Alakadás Hőkezelés (szinterelés) Utómunka Minősítés A kerámiák feldolgozásának legfontosabb lépése az alakadás Az alakadást követően nincs számottevő szerkezeti változás 27

28 Kerámia porok Alapanyagokkal szembeni követelmények Homogén összetétel Minimális mennyiségű szennyeződés (esetleg nincs szennyeződés) Sztöchiometria Stabil fázisok (fázis diagram) Egységes gömb alakú szemcse Lehető legkisebb szemcseméret A technológiának megfelelően szűk szemcseméret eloszlás POROK KÉMIAI SZINTÉZISE 28

29 Kerámia porok előállítása Csoportosítás Alapanyag szerint Szervetlen vegyületek Fémorganikus vegyületek Előállítási módszer szerint Szilárdfázisú reakció Oldatfázisú reakció Gáz/gőzfázisú reakció Szol-gél eljárások Hidrotermális eljárások 29

30 Kerámiaporok előállítása Nagy finomságú Al 2 O 3 por előállítása Alumínium alkoxidok hidrolízise és hőkezelése 2Al + 6ROH 2Al(OR) 3 + 3H 2 2Al(OR) 3 + 4H 2 O Al 2 O 3 xh 2 O +6ROH Al 2 O 3 xh 2 O hőkezelés Al 2 O 3 + H 2 O Ammónium-alum pirolízise Al 2 (SO 4 ) 3 x18h 2 O + (NH 4 ) 3 SO 4 (NH 4 ) 2 SO 4 xal 2 (SO 4 ) 3 x12h 2 O + 6H 2 O (NH 4 ) 2 SO 4 xal 2 (SO 4 ) 3 x12h 2 O pirolízis Al 2 O 3 + 2NH 3 + 4SO H 2 O Ammónium-dawsonit pirolízise Alumínium só + NH 4 HCO 3 NH 4 AlCO 3 (OH) 2 2NH 4 AlCO 3 (OH) 2 Al 2 O 3 + 2NH 3 + 2CO 2 +3H 2 O 30

31 Kerámiaporok előállítása Szol-gél eljárás (fémorganikus vegyület) 31

32 Kerámiaporok előállítása ZrO 2 por előállítása Ömledékből elektrokemencében 90-99% tisztaság ZrSiO 4 + C 2000 C felett SiO képződés elpárolog Kémiai kicsapással 99-99,9% tisztaság Együttes kicsapás Cirkónium sók vagy alkoxidok hidrolízise Hidrotermális eljárással 32

33 Kerámiaporok előállítása Si 3 N 4 porok előállítása Fém szilícium közvetlen nitridálása 3Si + 2N 2 Si 3 N 4 ( C) Szintézis termikus plazmában 3SiCl 4 + 4NH 3 Si 3 N HCl ( C) Szilícium-diimid előállítása és bontása SiCl 4 + 6NH 3 Si(NH) 2 + 4NH 4 Cl ( C) 3Si(NH) 2 Si 3 N 4 +2NH 3 ( C) A 2. és 3. módszernél amorf porok képződnek Kristályosítás nitrogénben, C-on 33

34 Kerámiaporok előállítása Szilárd fázisú szintézis BaOxFe 2 O 3 előállítása 34

35 Kerámiaporok előállítása Porok őrlése Cél a szemcseméret és méreteloszlás beállítása 35

36 Porok őrlése Sugármalom 36

37 Porok előkészítése A formázás alapja A formázás módszerétől függ Nedves formázási módszerek Porok eloszlatása alkalmas folyadékban (kolloid) Adalékanyagok: plasztifikáló-, stabilizálószerek, valamint kötő- és kenőanyagok Száraz porok sajtolása Adalékanyagok: plasztifikálószerek, kötő- és segédanyagok 37

38 Kerámiipari kötőanyagok Kötőanyag Vízoldhatóság Hatása a viszkozitásra Poli-(vinilalkohol) + Kicsi-közepes Poli-(akrilamid) + Jelentős Poli-(etilénoxid) + Kicsi-közepes Poli-(metakrilsav) + Közepes-jelentős Metilcellulóz + Jelentős Nátrium-karboximetilcellulóz + Kicsi-jelentős Keményítő + Kicsi-közepes Dextrinek + Nagyon jelentős Nátrium-alginát + Jelentős Poli-(metilmetakrilát) - Közepes-jelentős Poliszilazán - Közepes-jelentős 38

39 Formázási eljárások Alaptípusok Lecsapolásos öntés Folyékony és szilárd alkotók elválasztása Leggyakoribb módja a szalagöntés Állandó térfogatú formázási eljárások Gél-öntés Préselés (extrudálás) Fröccsöntés Sajtolás (CP, CIP, HP, HIP) 39

40 Sajtolás Szemcsék tömörödése 40

41 Hideg izosztatikus sajtolás 41

42 Szinterelés Általános megfontolások A kerámia anyagok olvadáspontja > 1000 C Formázott porelegy magas hőmérsékletű hőkezelés (szinterelés) tömör kerámia A szinterelés célja Részecskék összekapcsolása A porozitás csökkentése Végső fázisösszetétel és mikroszerkezet kialakítása 42

43 Szinterelés Módok A szilárd fázisú szinterelés T op (nincs olvadékfázis) Mechanizmus: atomos diffúzió Folyadékfázisú szinterelés T op közelében Néhány % olvadékfázis, de az olvadás nem tölti ki a pórusokat Mechanizmus: oldódás-kiválás Üvegesítés (vitrifikálás) T op felett Jellemzően 25%-nál nagyobb olvadékfázis Mechanizmus: az olvadék behatol a pórusokba és kitölti azokat megszilárdulva üveges, vagy kristályos szerkezet 43

44 Folyadékfázisú szinterelés A szemcsehatárok átalakulása 44

45 A szemcseméret növekedése Kinetika 45

46 Szinterelés Kivitelezés a gyakorlatban 46

47 Szinterelés Meleg izosztatikus sajtolás (HIP) 47

48 Felületi rétegek Bevonatok Cél: felületi tulajdonságok módosítása Védő, módosító Funkcionális réteg Alkalmazások Optikai bevonatok Tribológiai rétegek (csapágyak) Tüzelőanyag cellák, ionvezetők )oxigén érzékelő) Katalizátor rétegek Mikroelektronikai eszközök: RAM, DRAM, stb. 48

49 Rétegkialakítási módszerek Fizikai módszerek Termikus elpárologtatás és leválasztás (TED) Pulzált lézersugaras leválasztás (PLD) Molekulasugaras epitaxia (MBE) Porlasztásos leválasztás (SD) Kémiai módszerek Kémiai leválasztás oldatból (CSD) Kémia leválasztás gőzfázisból (CVD) Termikus szórás Lángszórás Plazmaszórás 49

50 Kémia leválasztás Gőzfázis (ipari példa) 50

51 Rétegleválasztás Plazmaszórás 51

52 Feldolgozás hatása Szemcseméret MgO kerámia: szilárdság szemcseméret A kerámia szilárdsága végső szemcsemérettől függ Befolyásoló tényezők Kiindulási szemcseméret Alapanyag előkészítés Hőkezelés körülményei A szilárdságot befolyásoló egyéb tényezők Alapanyag tisztaság Pórusok száma és eloszlása Szemcsehatárok szerkezete 52

53 Feldolgozás hatása Szennyezések Al 2 O 3 kerámiák: elektromos szigetelő Nagy ellenállás Kicsi dielektromos állandó Számos alkalmazás nagyobb vezetőképességet igényel Adalékolás Szilikátokkal Csökken T szinterelés Mikroszerkezet: az Al 2 O 3 szemcsék között üvegszerű szilikátfázis Csökkent ellenállás, jobb vezetőképesség Gyújtógyertya: 95 % Al 2 O 3 53

54 Feldolgozás hatása Kristályosítás viszonya Polikristályos AlN: az elméletinél rosszabb hővezetés Ok: szennyeződések Főleg oxigén Fononokat szórja Megoldás: Y 2 O 3, vagy CaO adagolása Oxigénnyelők Csökkentik az O 2 tartalmat Adalék Két fázist alkot az AlN szemcse felületén az oxigénnel Ez a fázis a hármas ponton szegregálódik 54