Általános mérnöki ismeretek (Elemente de inginerie generală) Egyetemi jegyzet. Dr. Szilágyi József

Átírás

1 Általános mérnöki ismeretek (Elemente de inginerie generală) Egyetemi jegyzet Dr. Szilágyi József

2 Általános mérnöki ismeretek Tartalomjegyzék 1. Fejezet Fémipari anyagismeret 1.1 A fémes anyagok szerkezete 1.2. A fémek kristályos felépítése 1.3. A fémek és ötvözetek szerkezeti felépítése (szilárd oldatok, fémvegyületek, kristálykeverékek) Szilárd oldatok Fémvegyületek Kristálykeverékek 1.4. A fémes anyagok szerkezetének vizsgálatára szolgáló módszerek A fémes anyagok szerkezete és fizikai, mechanikai, illetve technológiai tulajdonságai közötti összefüggés 1.6. Fémek vizsgálata és tulajdonságai A fémek és ötvözetek fizikai tulajdonságai Fémek és ötvözetek mechanikai tulajdonságaik, és vizsgálatuk A fémes anyagok szerkezetének kialakulása Állapotábrák A fémek szilárdulása, hűtési görbék 1.8. A vas-szén ötvözetek A vas és szén, mint a vas-szén ötvözetek alkotói A vas szén ötvözetek alkotói A Fe-Fe 3 C állapotábra A vas szén ötvözetek osztályozása Öntöttvasak Az acélok Ötvözött acélok és öntöttvasak 1.9. Színesfémek és ötvözeteik A réz Az alumínium és ötvözetei A magnézium és ötvözetei A cink és ötvözetei Ón és ólom alapú ötvözetek Nikkel és króm alapú ötvözetek 2. Fejezet Villamosmérnöki anyagismeret 2.1. Az elektrotechnikai anyagok osztályozása elektromos szempontból Vezető anyagok Félvezető anyagok Elektromos szigetelő anyagok 2.2. Vezető anyagok (fémek, oldatok) Fémek 2.3. Félvezető anyagok Intrinszek vezetésű félvezető anyagok Extrinszek vezetésű félvezető anyagok

3 2.4. Elektromos szigetelő anyagok (gáznemű, szilárd, cseppfolyós) Dielektrikumok elektromos térben A szigetelőanyag elektromos tulajdonságai A szigetelő anyagok fizikai és vegyi tulajdonságai Mechanikai tulajdonságok Gáznemű szigetelő anyagok Cseppfolyós szigetelő anyagok Szerves, szilárd szigetelő anyagok Szilárd, szervetlen szigetelő anyagok 3. Fejezet Gépészmérnöki alapismeretek 3.1. Alapfogalmak Mennyiségek, mértékegységek 3.2. Gépelemek A gépelemek csoportosítása Kötőelemek, kötések A forgó mozgás gépelemei Forgómozgást közvetítő gépelemek Mozgást átalakító szerkezetek Folyadékok és gázok szállítására használatos gépelemek Rugók A gépelemek méretezési alapelvei 3.3. Ékek, kötések és rögzítő szegek Keresztirányú ékkötések és szegkötések Hosszanti ékkötések, rekeszkötések és szegkötések Hosszanti lejtős ékek Reteszek Bordáskötések Ék és reteszkötések méretmegválasztása Hossznyírású ékek és reteszek Keresztnyírású ékek Axiális helyzetbiztosító elemek 3.4. Csavarkötések Csavarmenet-jellemzők A csavarkötések anyagai Csavarbiztosítások A csavarkötés sztatikus igénybevétele és méretezése Mozgatócsavarok méretezése 3.5. Szegecskötések Szegecskötések alkalmazása Szegecsfajták, szegecskötések kialakítása Szegecskötés méretezése szegecselt tartályok esetében 3.6. Hegesztett kötések Alkalmazási területek, előnyök, hátrányok Hegesztési varratok ábrázolása rajzjelekkel A hegesztett szerkezetek kialakításának főbb szempontjai A hegesztett gépelemek méretezése 3.7. Forrasztott és ragasztott kötések Forrasztott kötések Ragasztott kötések

4 3.8. Rugalmas kötőelemek (rugók) A rugók típusai, alkalmazási területei és a rugók anyagai Húzásra és nyomásra terhelt rugók Csavarásra igénybevett rugók Gumirugók 3.9. Tengelyek Tengelyek felhasználása, osztályozása és anyaga Tengelyek szilárdsági számításai Csapágyak Siklócsapágyak Radiális vagy hordozó siklócsapágyak Axiális, vagy támasztó síkcsapágyak Tengelykapcsolók A tengelykapcsolók jellegzetességei, szerepe és szerkezeti válfajai Nem oldható tengelykapcsolók Rögzített tengelyű tengelykapcsolók Mozgékony (beálló) tengelykapcsolók Oldható tengelykapcsolók Közlőművek Szíjhajtások Kötélhajtás Lánchajtások Fogaskerekek Fékek Csővezetékek és csőszerelvények Folyadék és gáztárolók Csővezetékek és csövek 4. Fejezet Villamosmérnöki alapismeretek 4.1. Villamos kapcsolókészülékek Villamos ív Ívoltó berendezések Érintkezők Kézi vezérlésű kapcsolókészülékek Elektronikus kapcsoló berendezések Villamos motorok Vezérlési kapcsolási vázlatok Szinkron motor 5. Fejezet Irányítástechnika 5.1. Bevezető alapfogalmak 5.2. Méréstechnika Jelek Érzékelők 5.3. Irányítástechnika 5.4. Szabályozástechnika A vezérlés és a szabályozás összehasonlítása A szabályozások csoportosítása A szabályozás minőségi jellemzői 5.5. Egyezményes rajzjelek

5 1.Fejezet Fémipari anyagismeret Az ipari termelésben a gépek, szerszámok, mérőműszerek és berendezések fémekből és ötvözetekből készülnek. Egy eszköz tulajdonságait annak az elemnek vagy ötvözetnek a tulajdonságai határozzák meg, amelyekből az illető eszköz készül. Az anyagok tulajdonságait nagyrészt a szerkezetük és a megmunkálási technológiájuk határozza meg. A jegyzet egyik célkitűzése a fémes szerkezetek, fontosabb fizikai, mechanikai és technológiai tulajdonságok ismertetése, illetve a gépgyártásban használatos fémek és ötvözeteik bemutatása A fémes anyagok szerkezete. A fémes anyagok, akárcsak bármely más anyag atomokból és molekulákból épülnek fel. Az atomok, illetve a molekulák térben történő elrendeződése határozza meg az illető anyag tulajdonságait A fémek kristályos felépítése A fémek atomokból épülnek fel. A fémgőzökben az atomok távol helyezkednek el egymástól. A fém olvadékban az atomok már közelebb vannak egymáshoz, kis csoportokat képeznek, melyek együtt mozognak. A szilárd fémekben az atomok nagyon közel vannak egymáshoz, köztük csak az értékelektronok helyezkednek el. E közelség miatt, az atomok között kölcsönös taszító és vonzóerők lépnek fel. Ezen erők hatására az atomok térben rendezetten helyezkednek el. Ha az atomokat összekötjük képzeletbeli vonalakkal, megkapjuk a fémek kristályos szerkezetét. A kristályrács típusok közül a legismertebbek: a). Kockahálózat, amely lehet: - térközepes köbös rács (a. ábra) - lapközepes köbös rács (b. ábra) b). Hatszögű rács, amely közül legismertebb a sűrű (kompakt) hatszögű rács. Térközepes köbös ráccsal rendelkezik: Cr, Mo, W, Ti, stb. Fontos jellemzőjük az alacsony alakíthatóság. A lapközepes köbös rács fémei nagyon könnyen megmunkálhatók hideg vagy meleg alakítással. Ilyenek: Au, Cu, Al, és Pb. A sűrű hatszögű rácsban (c. ábra) kristályosodó fémek alacsony hőfokon nem, de magasabban már alakíthatók. Ezek az elemek: Zn, Mg, Cd, Stb. a. b. c. 1.1 ábra: Kristályrács típusok 5

6 A valóságban azonban a kristályrácsok nem ideálisak, hanem bizonyos hibákat mutatnak. Ezek a hibák lehetnek: a). Pontszerű hibák - üres csomópont (1.2.a. ábra) - idegen atom - közöttes atom b. Vonalszerű hibák, amelyeket díszlokációnak nevezünk (b. ábra) c. Térfogatszerű hibák, amelyek a fémtömb elmozdulás nevet viselik Ezeket a hibákat az 1.2 ábra szemlélteti: a). 1-üres, hely. 2- közöttes atom b), 3-többlet atomsor 1.2 ábra: Kristályrács hibák 1.3. A fémek és ötvözetek szerkezeti felépítése A fémek cseppfolyós állapotban oldódnak egymásban, de megszilárdulás után, az atomjaik között ható erők miatt szilárd oldatokat, fémvegyületeket illetve kristálykeverékeket képeznek egymással. Ugyanez a helyzet az ötvözetekkel is. Ötvözetet úgy kapunk hogy két vagy több fémet és fémet és vagy nem fémes elemet (ebben az esetben a fém aránya az ötvözetben nagyobb, mint 50 %) összeolvasztunk. Az ötvözetben az az fém, amely aránya nagyobb 50 % -nál (vagy ha az ötvözet sok elemből áll, akkor a legtöbbet tartalmazó) az alapelem, míg a többiek az ötvöző elem nevet viselik Szilárd oldatok Olvadt állapotban a fémek kölcsönösen oldódnak egymásban, fémoldatokat képezve. Szilárdulásuk után több lehetőség áll fent: - ha az ötvöző elem atomjai lényegesebben kisebbek, mint az alapelem atomjai, akkor az ötvöző elem atomjai az alapelem atomjai között helyezkednek el, így keletkezik a szövetközi szilárd oldat (1.3.b. ábra - ha az ötvöző elem atomjai ugyanakkorák, és a kristályos szerkezetük is hasonló, képesek helyettesíteni a rácsban az alapelem atomjait, így keletkeznek a helyettesítési szilárd oldatok (1.3.a. ábra). 6

7 a) helyettesítési szilárd oldat, b) a szövetközi szilárd oldat 1.3 ábra: Szilárd oldatok A szilárd oldatok mikroszerkezete hasonlít a szilárd fémek mikroszerkezetéhez Fémvegyületek Fémvegyületek esetében az ötvözetet alkotó elemek atomjai között vonzóerők lépnek fel, egy új kristályrács keletkezik, amely tartalmazza mindkét fém atomjait. A fémvegyületek mikroszkóp alatt világos, csillogó mértani alakzatok formájában észlelhető (tűk: a, lemezek b, sokszögek: c, gömböcskék: d rozetták, e.) (1.4 ábra) Alakzatok: a-tűk, b- lemezek, c- sokszögek, d- gömböcskék, e- rozetták. 1.4 ábra: Fémvegyületek mikroszkóp alatt Kristálykeverékek Kristálykeverék keletkezhet fémek és fémvegyületek, illetve szilárd oldatok és fémvegyületek között. A kristálykeverék típusokat az 1.5 ábra ismerteti 7

8 a. pálcaszerű fémkeverék, b. lemezes keverék, c. szilárd oldat, d. fémvegyület lemezes keveréke, 1. fémvegyület, 2. szilárd oldat 1.5 ábra: Kristálykeverék típusok Példák szerkezeti összetevőkre az üzemi gyakorlatból: - szilárd oldat: ferrit, ausztenit - fémvegyület: cementit - kristálykeverék: perlit, ledeburit 1.4. A fémes anyagok szerkezetének vizsgálatára szolgáló módszerek. A legegyszerűbb vizsgálati módszer a makroszkopikus módszer, melyet végezhetünk szabad szemmel, vagy nagyítóval. A mikroszkopikus vizsgálat abból áll, hogy a vizsgálandó anyagból készült próbatestet fémmikroszkóp segítségével tanulmányozzuk. A fémmikroszkóp részei: - próbatest megvilágító rendszer - optikai (lencse) rendszer - mechanikai rendszer A közönséges fémmikroszkóp nagyítása szeres nagyságrendű, míg az elektronikus fémmikroszkópok elérik a néhány százezres nagyságrendű nagyítást is A fémes anyagok szerkezete és fizikai, mechanikai, illetve technológiai tulajdonságai közötti összefüggés A fémes anyagok tulajdonságait a vegyi összetételük, illetve szerkezetük határozza meg. - a tiszta fémek lágyak és alakíthatóak. - a szilárd oldatok ugyancsak lágyak és alakíthatók - a fémvegyületek nagyon kemények, és egyáltalán nem alakíthatók nem munkálhatók meg sem fémforgácsolással, sem képlékenyalakítással. - a kristálykeverékek tulajdonságai a tiszta fémek, és fémvegyületek tulajdonságai között helyezkednek el. A szerkezet, és ezáltal a tulajdonságok is az alábbi metallurgiai módszerek egyikével módosíthatók: - különleges öntési és előállítási módszerek alkalmazása - hideg képlékeny alakítás - hőkezelések 1.6. Fémek vizsgálata és tulajdonságai A fémek és ötvözetek fizikai tulajdonságai A szín A frissen megmunkált felületeken észlelhető. A sötét szürkétől a csillogó fehérig terjed. Kivételek: - sárga (arany és ötvözetei) - vörös (réz és ötvözetei) Fémes csillogás Ugyancsak a frissen megmunkált felületeken észlelhető. Az átlátszatlanság és a fényvisszaverődés eredménye. Erősödik csiszolás hatására, de idővel, a korrózió miatt eltűnik Sűrűség A sűrűség az egységnyi térfogat tömege. Mértékegysége: kg / dm 3. A fémek sűrűsége 0,53 kg / dm 3, (lítium) és 22,5 kg / dm 3 (ószmium) között váltakozik. A sűrűség szempontjából a fémek feloszthatók: - igen könnyű fémek: ρ < 2 : kg / dm 3 (pld: lítium: ρ = 0,53 kg / dm 3, magnézium: ρ = 1,74 kg / dm 3 ) - könnyű fémek: ρ ε kg / dm 3 (pld alumínium, ρ = 2,7 kg / dm 3 ) 8

9 - félkönnyű fémek: ρ ε kg / dm 3. (például titán: ρ = 4,5 kg / dm 3 ) - nehéz fémek: ρ ε kg / dm 3 ( ilyenek: réz: ρ = 8,9 kg / dm 3, vas: ρ = 7,68 kg / dm 3 ) - nagyon nehéz fémek: ρ > 10 kg / dm 3 (ide sorolhatók: ezüst: ρ = 10,5 kg / dm 3, arany: ρ = 19,32 kg / dm 3, platina: ρ = 21,45 kg / dm 3 és ószmium: ρ = 22,5 kg / dm 3 ) Olvaszthatóság A fémek azt a tulajdonságát jelenti, hogy hő hatására szilárd halmazállapotból átmennek cseppfolyós halmazállapotba. Ebből a szempontból a fémek feloszthatók: - könnyen olvadó fémek. Ilyenek a: nátrium: olvadáspont: 98 o C, ón: olvadáspont: 232 o C, ólom: olvadáspont: 327 o C és alumínium: olvadáspont: 650 o C, - nehezen olvadó fémek. Ide sorolhatók: réz: olvadáspont: 1083 o C, vas: olvadáspont: 1539 o C és arany: olvadáspont: 1063 o C) - nagyon nehezen olvadó fémek: ide tartozik: nióbium: olvadáspont: 2052 o C, molibdén: olvadáspont: 2630 o C, és tantál: olvadáspont: 2990 o C. - tűzállóak: ilyenek: rénium: olvadáspont: 3240 o C és wolfram: olvadáspont: 3380 o C Hőtágulás A hőtágulás a fémek és ötvözetek azon tulajdonsága, hogy megnövelik méreteik a hőmérséklet növekedésével Hővezetés A hővezetés a fémek és ötvözetek azon tulajdonsága, hogy vezetik a hőt. A legjobb hővezető fémek az arany és az ezüst, a leggyengébbek a bizmut és a mangán Elektromos vezetés Az elektromos vezetés a fémek azon tulajdonsága, hogy vezetik az elektromos áramot. A technikában az elektromos vezetés inverzét, a fajlagos ellenállást alkalmazzák. A fajlagos ellenállás jelölése: ρ, és mértékegysége: Ώ m, vagy Ώ mm 2 / m. A fémek és ötvözetek esetében a fajlagos ellenállás növekedik a hőmérséklet növekedésével Mágneses tulajdonságok A mágneses tulajdonság a mágneses térbe helyezett anyagok viselkedését jellemzi. Ebből a szempontból a fémes anyagok a következő képen csoportosíthatók: - diamágneses anyagok: enyhén taszítja őket a mágneses tér. Ilyenek az ezüst, arany, réz, stb. - paramágneses anyagok: enyhén vonzza őket a mágneses tér. Ezek a fémek a következők: alumínium, króm, mangán, platina, stb. - ferromágneses anyagok: erősen vonzza őket az elektromos tér. Három ilyen fém ismert: vas, nikkel és kobalt. Azt a hőmérsékletet, amelyen a ferromágneses anyagok paramágnesessé válnak, Curie pontnak nevezzük. A vas 768 o C alatt ferromágneses, fölötte paramágnesessé válik. Vas esetében a 768 o C a Curie pont Fémek és ötvözetek mechanikai tulajdonságaik, és vizsgálatuk A keménység A keménység a fémek és ötvözetek azon tulajdonsága, hogy belső erőik révén ellenállnak annak, hogy más testek beléjük hatoljanak, vagy megsemmisítsék őket. Statikusan, a keménységet három féle képen határozhatjuk meg: Brinell féle módszer A módszer abban áll, hogy egy D átmérőjű (az átmérő 2,5, 5 vagy 10 mm) acélgolyóval, F erővel (F = 62, N) nyomjuk az ellenőrizendő test felületét. A nyomási idő 15 másodperc. A golyó eltávolítása után megmérjük a keletkezett gömbsüveg d átmérőjét. A Brinell keménységet, amit HB-vel jelölünk, a nyomóerő F, a golyó D illetve a nyom d átmérőjének a függvényében táblázatokból keressük ki. A Brinell módszer elvét az 1.6. ábra segítségével szemléltetjük: 9

10 1.6. ábra: Brinell féle módszer Rockwell módszer A munkadarab felületét egy 120 o -os csúcsszögű gyémánttal nyomjuk. A nyomóerő dan között váltakozik. A Rockwell keménységet a gépre szerelt skáláról olvashatjuk le. A módszer elvét az 1.7. ábra mutatja be: 1.7 ábra: Rockwell módszer Vickers módszer Hasonlít a Rockwell féle módszerhez, azzal a különbséggel, hogy a nyomófej (gyémánt gúla) csúcsszöge 136 o, a használt erő kisebb ( dan) A készüléken a négyzet alakú nyom átlójának nagyságát olvassuk le. A keménység értékét (jelölése HV, mértékegysége dan / mm 2 ) a nyomóerő és az átló nagyságának függvényében táblázatokból határozzuk meg Rugalmasság és alakíthatóság A rugalmasság a fémek és ötvözetek azon tulajdonsága, hogy viszonylag kis külső erők hatására rugalmas alakváltozást szenvednek. Az erő megszűnte után a test visszanyeri eredeti formáját. A képlékenység az a tulajdonság, hogy nagy külső erők hatására a testek törésük előtt maradandó alakváltozást szenvednek. A rugalmasság az alaptulajdonsága a rugó nevű gépelemeknek. Az alakíthatóság, vagy képlékenység teszi lehetővé a képlékeny alakítási módszereket (kovácsolás, sajtolás, hengerel, stb.) Szilárdság A szilárdság az anyagok azon tulajdonsága, hogy ellenállnak annak, hogy külső erők alakváltozásra, vagy megsemmisítésre kényszerítsék őket. A szilárdsági értékek függnek a mechanikai igénybevétel természetétől, ami lehet: húzás, nyomás, hajlítás, nyírás, csavarás, vagy ezek kombinációja. 10

11 Ütőszilárdság Az anyagok azon tulajdonsága, hogy törésük előtt képesek energia elnyelésre. A Charpy féle kalapáccsal határozzuk meg. Jelölése: KCU KCU = E szakítási / S [daj / cm 2 ] Fáradási igénybevétel Olyan munkadarabok esetében jelentkezik, amelyek váltakozó, és ismétlődő külső igénybevételnek vannak kitéve. (pld: tengelyek) Különös próbatestek segítségével határozzák meg. Ezeket olyan gépekre szerelik, amelyek, előállítják a külső igénybevételt A húzási igénybevétel diagramja A próbadarabok keresztmetszete S o, hosszuk L o. A próbadarabot befogatják a vizsgálógép befogópofái közé. A pofát növekedő húzóerővel terhelik. A próba egyenletesen nyúlni kezd, közben vékonyodik. A nyúlás rugalmas az erő F e értékéig. Az erő F c értékétől a nyúlás képlékennyé válik, és az alakváltozás maradandó. Az erő gyakorlatilag nem változik. Ezt a jelenséget folyásnak nevezzük. Az erő legnagyobb, F max értékénél elkezdődik a próbatest helyi elvékonyodása. Innen a keresztmetszet és a húzóerő is csökkenni kezd. A próbatest nyúlik még egy keveset, az erő F r értékénél az elvékonyodás helyén elszakad. Ha egy testet külső erővel terhelnek, a testben reakcióerők képződnek, aminek értékét feszültségnek, vagy szilárdságnak (σ ) nevezünk. σ = F / S o A fajlagos megnyúlás ε: ε = L / L o = (L L o ) / L o A megnyúlás nagyságát az erő függvényében az 1.8. diagram ismerteti. A technikában az így felépített diagramot húzódiagramnak nevezik. 11

12 1.8 ábra: Húzódiagram A relatív megnyúlás jele: δ. δ = 100. ε = L / L o = 100. L L o ) / L o A rugalmassági határ: σ e σ e = F e / S o aminek megfelel egy δ e relatív rugalmas megnyúlás. Az E = σ / ε arányt Young féle modulusnak nevezzük. A folyási határ: σ c σ c = F c / S o Szakítószilárdság: σ r σ r = F max / S o Szakítási megnyúlás: δ r 12

13 δ r = 100. L r / L o Szakadási elvékonyodás: Z Z = 100. (S o S r ) / S o Ahol S r a próbatest keresztmetszete a szakadás pillanatában A fémek és ötvözetek technológiai tulajdonságai és vizsgálatuk Önthetőség Az önthetőséget, mint tulajdonságot, meghatározza a fémek folyékonysága és olvadékonysága. Egy fém, vagy ötvözet minél alacsonyabb hőmérsékleten olvad, annál könnyebben önthető Alakíthatóság A fémek és ötvözetek azon tulajdonsága, hogy meleg képlékeny alakítással megmunkálhatók. Meghatározására a zömítési próbát használják Hajlítási kísérlet A próbadarabot egy kis d átmérőjű hengeres tüske köré hajlítjuk (1.9.a ábra). A vizsgált anyag annál képlékenyebb, minél nagyobb az az α szög, amelynél a próbadarab oldalán repedések jelennek meg. Az α maximális értéke 180 o. Az eljárást lemezek, szalagok és csövek esetében alkalmazzák. 1.9 ábra: Hajlítási próba Váltakozó irányú hajlítási próbák A satuba fogott munkadarabot 90 o -al oda-vissza hajtogatjuk (1.9.b ábra). A hajlíthatóságot a törésig vagy repedésig elszenvedett hajlítások száma jellemzi Hegeszthetőség A fémek azon képességét, hogy hegesztés által szét nem bontható módon összeilleszthetők, hegeszthetőségnek nevezzük. Hegeszthetőségi vizsgálatnak vetjük alá azon munkadarabokat, amelyekből hegesztett szerkezetek készülnek Forgácsolhatóság A fémek és ötvözetek azon tulajdonsága, hogy megmunkálhatók egy forgácsolási eljárással (esztergályozás, fúrás, marás, stb.) A forgácsolhatósági próbát csak nagyon ritkán, nagysorozatú, vagy tömeges termelés esetében végzik el A fémes anyagok szerkezetének kialakulása Állapotábrák A fémek szilárdulása, hűtési görbék A szilárdulás, vagy dermedés a cseppfolyós állapotból a szilárd állapotba való átmenet hűtés révén. a). A fémek állandó hőmérsékleten dermednek, míg az ötvözetek dermedhetnek állandó hőmérséklete, vagy egy hőmérsékleti intervallumon is. 13

14 b). A legtöbb fémvegyületnek saját olvadáspontja van, tehát állandó hőmérsékleten dermed. c). A szilárd oldatok egy hőmérséklet intervallumon dermednek. d). A kristálykeverékek állandó hőmérsékleten szilárdulnak. A következő ábrákon szemléltetjük néhány szövettani összetevő dermedési görbéjét: a. fémek, b. szilárd oldatok, c. kristálykeverékek 1.10 ábra: Hűtési görbék Az ötvözetek kristályosodását általában az állapotábrák segítségével tanulmányozhatjuk. Ezek a diagrammok általában két vegyi elemből készülnek. Ha az ötvözet három vegyi elemből tevődik össze, az állapotábra csak térben készíthető el. A négy, vagy még több elemből álló ötvözetek estében nem készíthetünk állapotábrákat. A következőben bemutatjuk a réz és nikkel ötvözeteiből készített állapotábrát. A két fém oldódó képessége szilárd állapotban korlátlan. A diagrammot két görbe határozza meg: a liquidus, vagy dermedési görbe, és a solidus, vagy szilárdulási görbe. A liquidus fölötti tartományban az ötvözetek olvadt állapotban, a solidus alatt szilárd állapotban, míg a kettőjük között részben szilárd, részben olvadt állapotban találhatók. 14

15 1.11 ábra: Állapotábra A vas-szén ötvözetek A vas és szén, mint a vas-szén ötvözetek alkotói A vas A vas szürke színű, lágy fém. Sűrűsége 7,68 kg / dm 3, keménysége HB. Jó a képlékenysége (δ r = 50%), olvadáspontja 1539 o C. Három polimorf módosulata van: a). 910 o C alatt térközepes köbös rácsban kristályosodik, a neve Fe α b) o C között lapközepes köbös rácsban kristályosodik, jelölése Fe γ. c) o C között ismét lapközepes köbös rácsban kristályosodik, és a neve: Fe δ A szén A szén nemfémes elem, két polimorf változata van: - a gyémánt: komplex köbös rácsban kristályosodik. A természetben található legkeményebb anyag. - a grafit komplex hatszögű rácsban kristályosodik. A vas-szén ötvözetekben ötvözőelemként a grafit használatos. Könnyen oldódik a vasolvadékban és szilárd oldatokat, fémvegyületeket és kristálykeveréket képez. Ha a grafit a vasban kötött (cementit) akkor a metastabil Fe-Fe 3 C diagrammról beszélünk. Ha a grafit szabad, akkor a Fe-C egyensúlyi állapotú jelleggörbe alakul ki A vas szén ötvözetek alkotói Ferrit A ferrit a grafit és Fe α szilárd oldata. Jelölése: Fe α (C), vagy α = C + Fe α A ferrit nagyon kis mennyiségű grafitot képes feloldani (maximum 0,02 %-ot) Szövetszerkezete poliéderes. Lágy és alakítható Ausztenit Az ausztenit a grafit és a Fe γ szilárd oldata. Jelölése: Fe γ (C), vagy γ γ = C + Fe γ Maximum 2,14 % szenet képes feloldani, 723 o C fölött stabil.nagyon jó a képlékenysége, ami a melegmegmunkálás alapját képezi. 15

16 Cementit A cementit a szén és a vas fémvegyülete. Jelölése Ce, vagy Fe 3 C. Nagyon kemény (> 800 HB) és törékeny. 6,67 % szenet tartalmaz. Ce = Fe 3 C = 3Fe + C A cementitnek három változata ismert: - primer cementit (fehér színű lemezkék formájában láthatók mikroszkóp alatt) - szekunder cementit (finom lemezes, vagy szemcsés formájú, fehér hálót képez) - tercier cementit Ledeburit A ledeburit a cementit és az ausztenit kristálykeveréke. Jelölése: Le Le = Ce + γ Szobahőmérsékleten perlitből és primer cementitből áll. 723 o C fölött stabil, 4,43 % szenet tartalmaz. Nagyon kemény, sem forgácsolással, sem melegmegmunkálással nem munkálható meg Perlit A ferrit és a cementit kristálykeveréke. Jelölése Pe. Pe = Ce + α A perlit keménysége közepes (250 HB), széntartalma 0,77 %képlékenysége kielégítő (δ r = 10%) A Fe-Fe 3 C állapotábra A Fe-Fe 3 C 16

17 1.12 ábra: A Fe-Fe 3 C állapotábra Az állapotábra a vas és szén ötvözeteket tartalmazza 6,67% széntartalomig (cementit). Az ábra ezeket az ötvözeteket ismerteti. E széntartalom fölött az ötvözetek olyan kemények, hogy már a technikában nem lehet őket alkalmazni A vas szén ötvözetek osztályozása A vas-szén ötvözeteket két nagy csoportba oszthatjuk: fehér nyersvasakra és acélokra Acélok Az acélok maximum 2,14% szenet tartalmaznak. A széntartalom függvényében 3 csoportba sorolhatók: a). hipoeutektoidos acélok: széntartalmuk 0,77 % alatti b). eutektoidos acélok: széntartalmuk 0,77 % c). hipereutektoidos acélok: 0, ,14 % közötti a széntartalmuk Fehér nyersvasak Széntartalmuk 2,14...6,67 % között váltakozik. A széntartalom függvényében feloszthatók: a). eutektikus fehér nyersvasak: 4,43 %-os a széntartalmuk b). hipoeutektikus nyersvasak: 2,14...4,43 % között tartalmaznak szenet c). hipereutektikus nyersvasa: 4,43...6,67% közötti a széntartalmuk Öntöttvasak Nyersöntvények A nyersöntvényeket a nagyolvasztóból nyerik, a vasérc koksszal történő redukálásával. Megközelítőleg 3,5...4,5 % a széntartalmuk. Lehetnek ötvözetlenek, illetve ötvözöttek. A nyersvasak a vason és szénen kívül még szilíciumot, foszfort, ként és mangánt is tartalmaznak. Két célra használatosak: - acél előállítására Siemens-Mártin kemencékben. Ebben az esetben a jelölésük FAK. - újraolvasztásra és darabokba öntésre. Jelük: FK, vagy FX Öntvények (öntöttvasak) A fehér nyersvas kupolókemencében történő újraolvasztásával állítják elő. Magasabb a kísérőelem tartalmuk (S, Mn, P és S). A kísérőelem tartalomtól és a hűtési körülményektől függően beszélünk: a). Fehér nyersvasak. Alacsony a kísérőelem tartalmuk, a grafit cementit formájában található bennük. Nagyon kemények. Nem munkálhatók meg sem fémforgácsolással, sem meleg képlékeny alakítással. Kopásálló darabok és alakítható öntvények gyártására használatos. b). Feles nyersvasak. Bennük a szén részben kötött (cementit), részben szabad (grafit). Nincs különleges felhasználási területe. c). Szürke nyersvas. Magasabb a S tartalmuk (1,5 % fölötti) a szén előfordulhat bennük egyaránt lemezes és szemcsés formában is. (a. lemezes grafit, b. gömbgrafit) 17

18 a- lemezgrafitos öntöttvas, b- gömbgrafitos öntöttvasat 1.12 ábra: Öntöttvas szerkezetek A lemezgrafitos öntöttvasat (1.12.a ábra) közönséges szürkeöntvénynek nevezzük. A gömbgrafitos öntöttvasat (1.12.b ábra) a kohónyersvas kezelése után nyerjük. A fémes alapanyagok szerkezete szerint a szürkeöntvény lehet: - ferrites - ferrit-perlites - perlites. A szürkeöntvény mechanikai tulajdonságait a szövetszerkezet, a grafittartalom nagysága és eloszlása határozza meg. Legnagyobb szilárdsága a perlites, legalacsonyabb a ferrites szürkeöntvényeknek van. Jelölésük Fcvel kezdődik, amit egy szám követ, és az illető öntvény minimális húzószilárdságát mutatja dan / mm 2 -ben. Pld.: Fc 10, Fc 15, Fc 20, Fc 30, Fc 35 és Fc 45. A kohóöntvény magnéziumos kezelése után nyerjük a gömbgrafitos öntöttvasat, (jelölése Fgn), amelynek mechanikai szilárdsága megközelíti az acélok szilárdságát, de sokkal olcsóbbak. Pld.: Fgn 52, Fgn 80. A szürke öntöttvasak szilárdsága az alapanyag szövetszerkezetétől függ. Legalacsonyabb keménységű a ferrites, a ferrit-perlites köztes keménységű, míg legkeményebb a perlites öntöttvas. A szürkeöntvények csillapítják a rezgéseket. Sűrűségük 6,6...7,4 kg / dm 3 között váltakozik, és ez a grafit mennyiségétől, illetve az alapanyag szövetszerkezetétől függ. A grafit növeli a hővezető képességet, de csökkenti az áramvezető képességet. A szürkeöntvények ferromágnesesek, de 770 o C fölött paramágnesessé válnak. Kiválóak az önthetőségi és forgácsolhatósági tulajdonságai, de gyenge a hegeszthetőségük, és gyakorlatilag kovácsolhatatlanok Alakítható öntvények A fehérnyersvasat a lágyító temperálásnak nevezett hőkezelés segítségével állítják elő. A cementit melegítés hatására grafitra és vasra bomlik. Ha az egész cementit lebomlik, az öntvény alapanyaga teljesen ferrites (temperált fekete öntvény), ha csak részben bomlik le, az alapanyag teljesen perlites (temperált fehér öntvény) A temperöntvényeket Fm-vel jelölik, melyet egy szám követ, ami az öntvénymárka minimális szakítószilárdságát mutatja dan / mm 2 -ben. Pld.: Fm 30, Fm 40. Az alakítható öntvényekből rezgésnek, és lökésszerű terhelésnek kitett darabok készülnek (pld. Sebességváltó szekrény, tárcsák, horgok, kapcsok, stb.) Az acélok Az acélokat az öntvények Siemens-Mártin kemencében, villamos kemencében és Bessemer konverterekben történő finomításával állítják elő. A finomítás az öntvényben található szén egy részének az elégetését jelenti. Az acélok, a szén és vas mellett még tartalmaznak: - 0,05...0,35 % Si, - 0,05...0,80 % Mn, - 0,05...0,06 % P, 18

19 - 0,05...0,06 % S Az acélok osztályozása Az osztályozást több szempontból végezhetjük: a). Vegyi összetétel szerint: - ötvözött acélok - ötvözetlen acélok b). Rendeltetés szerint: - szerkezeti acélok - szerszámacélok - különleges rendeltetésű acélok c). A szállítási állapot szerint: - melegen hengerelt és kovácsolt acélok - öntött acélok Melegen hengerelt szénacélok A szénacélok sűrűsége csökken a széntartalom növekedésével. A fajlagos hő és az elektromos rezisztivítás, és a keménység nő, míg a hővezetési képesség csökken a széntartalom növekedésével. Fémforgácsolhatóságuk az alapanyag szövetszerkezetének a függvénye, és általában hőkezeléssel javítható. A szénacélok kovácsolhatók az o C hőmérsékleti intervallumon. Hegeszthetőségük jó alacsony széntartalom mellett, és romlik a széntartalom növekedésével Szerkezeti szénacélok Rendszerint lágy szénacélok használatosak a szerkezetekhez, ugyanis hegeszteni és hajlítani kell őket. Ezek hipoeutektoidos acélok. Rendeltetésük szerint lehetnek: - közönséges szénacélok - minőségi szénacélok A közönséges szénacélok jelölése OL-vel kezdődik, amit egy szám követ, és az illető acélmárka minimális szakítási szilárdságát mutatja dan / mm 2 -ben. Pld.: OL 30, OL 37, stb. Az alacsony széntartalmú, közönséges szénacélokból hegesztett fémszerkezetek készülnek. (vasúti hidak, különböző fedelek, betonvasak, stb.) A magasabb széntartalmú acélmárkákból a gépgyártó iparban kisebb jelentőségű alkatrészek készülnek, mint: csavarok, csavaranyák, alátétek, kengyelek, stb. Minőségi szénacélok esetében a gyártó garantálja az acélmárka vegyi összetételét, és az alapvető mechanikai tulajdonságokat is. Jelölésük OLC-vel kezdődik, amit egy szám követ, és az acél százalékos széntartalmát mutatja század százalékban. Pld az OLC 50 0,5 % szenet tartalmaz. - az OLC 10 és OLC 15-ből hegesztéssel és sajtolással előállított darabokat gyártanak. - OLC 25, OLC 35 és OLC 45-ből nagyobb szilárdságot és szívósságot igénylő darabok készülnek. - Az OLC 60-ból rugalmas gépelemeket készítenek (rugók, fogaskerekek, stb Nagy széntartalmú szerszámacélok Ezek kemény és extrakemény acélok, magasabb széntartalommal. (07...1,4 % C) Jelölésük OSC-vel kezdődik, amit egy szám követ, és a széntartalmat mutatja tízed százalékban. Például: - OSC 8 széntartalma 0,8 % - OSC12 széntartalma 1,2 % A szerszámacélokat különböző hőkezelési eljárásoknak vetik alá. - az OSC7, OSC 8 és OSC 9-ből olyan forgácsoló szerszámok készülnek, amelyekkel nemfémes anyagokat munkálnak meg (fa, papír, karton, műanyag, stb.) - az OSC10, OSC 12 és OSC 13-ból kis keménységű fémes anyagok megmunkálására szolgáló forgácsoló szerszámokat készítenek. (sárgaréz, bronz, szürkeöntvény, lágy acélok, stb.) 19

20 Különleges rendeltetésű szénacélok Többfélék lehetnek: 1. Automatikus szerszámgépekkel megmunkálható szénacélok. Ezek lágy, vagy félkemény acélok. Magasabb a kéntartalmuk (0,08...0,3 % kén) jelölésük AUT-al kezdődik, amit egy szám követ és az acélmárka széntartalmát mutatja század százalékban. Pld.: AUT 20-ban 0,2 % szén található 2. Foszforos csavaranya acél. 0,20...0,40 % foszfort tartalmaznak. Jelölésük: OLP 3. Kazánok, és nyomás alatti tartályok gyártására használatos acélok. Jelölésük R, vagy K. Vastag lemezek alakjában szállítják. Széntartalmuk 0,09...0,33 % között váltakozik. 4. Melegen hengerelt csövek számára készült acélok. Jelölésük OLT, amit egy szám követ, és az acél minimális szakítási szilárdságát mutatja dan / mm 2 -ben Pld.: OLT Reszelők gyártására használatos acélok jelölésük OSP, amit egy szám követ, és a széntartalmat mutatja tized százalékban. Például: az OSP 8 széntartalma 0,8 %, míg az OSP12 széntartalma 1,2 % Ezeket az acélmárkákat hőkezelik Öntött szénacélok Ezek lágy, vagy félkemény acélok. Jelölésük OT, amit két szám követ. Az első szám az acél minimális szakítási szilárdságát mutatja dan / mm 2 -ben. A második szám: 1, 2 vagy 3, és jelentésük: -1: a gyártó szavatolja a szakítószilárdságot és megnyúlást. -2: a gyártó szavatolja za előbbit, és a folyási határt is. -3: a gyártó szavatolja az előbbieket, és a szűkülést és ütőszilárdságot is. Példa: az OT 40-2 jelentése: a szakítási szilárdság 40 dan / mm 2, és garantált a szakítószilárdság, megnyúlás és folyási határ. Az öntött szénacélokból kerekeket, hengereket, dugattyúkat és egyéb mozgó alkatrészeket gyártanak Ötvözött acélok és öntöttvasak Az ötvözött acélok és öntöttvasak a vas és szén mellett még más vegyi elemeket tartalmaznak, úgy mint: Mn, Si, Cr, Ni, Mo, Ti, W, V, Al, stb. Az ötvöző elemek mennyiségének a függvényében az ötvözött acélok és öntöttvasak lehetnek: - gyengén ötvözöttek, 2,5 % -nál kevesebb az ötvöző elemük. - közepesen ötvözöttek: 2, % közötti az ötvöző elem tartalmuk - Erősen ötvözöttek: az ötvöző elem tartalmuk 10 % fölötti. A gyengén ötvözött acélok perlitet tartalmaznak, ezért perlites acél a nevük. Az erősen ötvözött acélokban megjelenik a ledeburit, ezért ledeburitos acéloknak nevezik őket. Az erősen ötvözött szürke öntöttvasak szerkezetében megjelenik a ferrit, vagy ausztenit. Ezek az új szerkezetek az alkatrészeknek új, a régieknél jobb tulajdonságokat nyújtanak: korrózió és hőállóvá válnak, azonban nehezen önthetők, és gyakorlatilag kovácsolhatatlanok. A gyakorlatban hőkezelt állapotba használatosak Melegen hengerelt ötvözött acélok A felhasználásuk szerint lehetnek: - szerkezeti acélok - szerszámacélok - különleges rendeltetésű acélok Ötvözött szerkezeti acélok Általában gyengén ötvözöttek, jelölésük egy számmal kezdődik, ami a közepes széntartalmat mutatja század százalékban. Ezt követik az ötvöző elemek vegyi képletei a tartalmuk szerinti növekvő sorrendben. A jelölést egy szám zárja, a fő ötvöző elem (tehát az utolsó vegyjel) mennyisége, tízed százalékban. Pld.: 41 VMoCr17: az acél 0,41% szenet tartalmaz, ötvöző elemei a mennyiségük szerinti növekvő sorrendben: V, Mo és Cr, a krómtartalom 1,7 %. 20

21 Felhasználás: a hegeszthető márkákból fémszerkezetek készülnek, egyes márkákat cementálásnak, vagy karbonitrálásnak vetnek alá. Hőkezelés után, egyes, gyengén ötvözött acélokból rugók gyárthatók Ötvözött szerszámacélok Általában hipoeutektoidos, hipereutektoidos, (gyengén ötvözöttek) és ledeburitos (erősen ötvözött) acélok. A hipoeutektoidos acéloknak ugyanaz a jelölési módja, mint a szerkezeti acéloknak, azzal a különbséggel, hogy nem tüntetjük fel a széntartalmat. Pld.: VCrW85. Ezekből az acélmárkákból melegmegmunkáláshoz használatos szerszámok (matricák) készülnek. A hipereutektoidos ötvözött szerszámacélból fémforgácsoló szerszámok készülnek (esztergakés, fúró, maró, stb.) Pld.: CrVW30. A ledeburitos acélokból olyan esztergakések készülnek, amelyekkel, nagy sebességgel munkálnak meg kemény acél ős öntöttvas alkatrészeket. Fő ötvöző elemük a W és Mo. Jelölésük Rp-vel kezdődik, amit egy védjegyszám követ, pld.: Rp1, Rp2, Rp3,..., Rp Különleges rendeltetésű acélok Közepesen, vagy magasan ötvözött acélok. A következő csoportjai ismeretesek: - rozsdamentes és korrózióálló acélok. Nem rozsdásodnak a környezet, és néhány vegyi elem hatására. Inox acéloknak is nevezik őket. Szerkezetük ferrites, vagy ausztenites. Fő ötvöző elemük a króm és nikkel. Jelölésük ugyanúgy történik, mint az ötvözött szerkezeti acéloké. Pld.: 10NiCr180 - hőálló ötvözött acélok: kibírják és nem korrodálódnak magasabb hőfokon sem. Három félék lehetnek: 1. szorbitosak: 40MoSiCr ferritesek: 10Cr ausztenitesek: 7TiNiCr180 - különleges mágneses tulajdonságú acélok. Ezeket két csoportba soroljuk: 1. kemény mágneses anyagok. Az állandó mágnesek gyártására használatosak. Fő ötvöző elemük a króm, wolfram és kobalt. 2. lágy mágneses anyagok. Ezeknek magas a mágneses permitivításuk, ezért főleg telefonmembránok és transzformátorok vasmagjai készülnek belőlük Ötvözött öntöttvasak Két félék lehetnek: erősen ötvözöttek és gyengén ötvözöttek. A Cr, Ni, és Mo-el ötvözött öntöttvasak nagyon kemények, ezért hengermű hengerek készülnek belőlük. A gyengén ötvözött szürke öntöttvasból antifrikciós és hőálló darabok készülnek. A Cr vagy Al-al ötvözött vasak szövetszerkezete ferrites, ami hő, kopás és korrózióálló tulajdonságot biztosít a belőle készült alkatrészeknek Színesfémek és ötvözeteik Széles skálában használatosak a technikában. Az előfordulási állapotuk szerint lehetnek: - közönségesek (vegyileg kötve, érceikben találhatóak, ilyenek a réz, alumínium, cink, ólom, stb.) - nemesek (tiszta formában találhatók, ilyenek az arany, ezüst és platina) - radioaktívak (természetes sugárzásuk van? Uránium, rádium, stb.) A földkéregben, kis mennyiségben található fémeket ritka fémeknek nevezzük A réz A réz vöröses színű fém. Sűrűsége 8,95 kg / dm 3, olvadáspontja 1083 o C. Alakítható, korrózióálló, jó a villamos és elektromos vezetőképessége. Alacsony a szilárdsága, és keménysége, de nagyon könnyen megmunkálható hideg képlékeny alakítással A réz ötvözetei 21

22 Sárgaréz A sárgaréz a réz és cink ötvözete. A sárgaréz csoportosítható: - alakítható sárgaréz, amely lehet: a.) hengerelhető sárgaréz b). sajtolható sárgaréz c). kemény sárgaréz - forrasztáshoz használt sárgaréz - öntött sárgaréz Bronzok A bronz a réz és ón, alumínium, berillium, ólom, stb. ötvözete. Leggyakrabban használatosak az ón tartalmú bronzok, amelyek lehetnek: - hengerelhető bronzok - önthető bronzok, amelyek lehetnek: a). lágy bronzok b). kemény bronzok Réz nikkel ötvözetek Az elektrotechnikában használatosak fűtőtestek gyártására. A legfontosabb ötvözetek közül megemlíthetőek: - nikkelin - konstatán - manganin Az alumínium és ötvözetei Az alumínium fehér, könnyű fém, sűrűsége 2,7 kg / dm 3. nagyon lágy és képlékeny. A hőt, és villamosságot jól vezeti. Felületi oxidáció (passziválás) után korrózióállóvá válik. Szilárdsága növelhető, ha különböző elemekkel ötvözzük (Si, Cu, Mg, stb.) Az alumínium ötvözetek lehetnek: - sajtolással alakítható ötvözetek - önthető ötvözetek Az alakítható ötvözetek lehetnek: - korrózióálló ötvözetek (kis mennyiségű mangánnal és magnéziummal ötvözettek). - hőkezeléssel keményített ötvözetek Ezek a dúralumínium nevet viselik. Ötvöző elemeik a réz, magnézium és mangán. Az önthető alumínium ötvözeteket is két csoportra oszthatjuk: - sziluminok - hőkezeléssel keményíthető ötvözetek A magnézium és ötvözetei A magnézium könnyű fém (sűrűsége 1,74 kg / dm 3 ), színe csillogó fehér. 650 o C-on olvad meg. Levegőn hevítve magától meggyúlad, és fényes lánggal ég. Lágy, de kevésbé alakítható, mint a többi fém. Alumíniummal, cinkkel és mangánnal ötvözve ultrakönnyű ötvözeteket nyerünk, amelyeket az űrtechnikában használnak. A magnézium alapú ötvözetek feloszthatók: - alakítható magnézium ötvözetek. Ezek hőkezeléssel nem keményíthetőek. Ritkán használatosak. - öntött magnézium ötvözetek. Főleg repülőgép és számítógépgyártásban használatosak A cink és ötvözetei A cink kékes színű, közepes sűrűségű fém. Sűrűsége 7,1 kg / dm 3, olvadáspontja 419 o C. Az elektromos és hővezető képessége és alakíthatósága alacsonyabb, mint a többi fémé. Korrózióálló. Főleg az elektrotechnikában galvánelemek készítésére, és az acélok cinkelésére használatos. Az alumínium-cink ötvözeteket két változatban gyártják: 22

23 - 4 % alumíniummal - 20 % fölötti alumíniummal. A réz-cink-alumínium ötvözeteket szerelvények, játékok és egészségügyi berendezések gyártására használják Ón és ólom alapú ötvözetek. Az ólom szürke színű fém Sűrűsége 11, 3 kg / dm 3, olvadáspontja 327 o C. Nagyon alacsony az elektromos és hővezető képessége, nagyon lágy, és nyúlékony. Az ón ezüstös fehér színű fém. Sűrűsége 7,3 kg / dm 3, olvadáspontja 232 o C. Nagyon lágy. Élelmiszerek csomagolására, és antikorróziv bevonásokra használják. Az ólom és ón alapú ötvözetek csoportosíthatók: - antifrikciós ötvözetek - forrasztó ötvözetek - könnyen olvadó ötvözetek - erősáramú, vagy telefonkábelek burkolására használatos ötvözetek - nyomdaipari ötvözetek Nikkel és króm alapú ötvözetek A nikkel szürkés fehér fém. Sűrűsége 8,9 kg / dm 3, olvadáspontja 1455 o C. Szívós, nyúlékony, hidegen is könnyen alakítható fém. Nikkelezésre, acélok ötvözésére és az elektrotechnikában különböző alkatrészek gyártására használatos A króm csillogó fehér fém. Sűrűsége 7, 2 kg / dm 3, olvadáspontja 1920 o C. Kemény, és kevésbé alakítható. Galvánbevonatokra, acélok ötvözésére és az elektrotechnikában különböző alkatrészek gyártására használják. 2. Fejezet Villamosmérnöki anyagismeret 2.1. Az elektrotechnikai anyagok osztályozása elektromos szempontból A fajlagos ellenállás az az ellenállás, amit egy elektromos huzal fejt ki akkor, ha elektromos áram halad át rajta. Jelölése: ρ, mértékegysége: Ω m, vagy Ω mm 2 / m. A fajlagos ellenállás szempontjából az anyagokat három csoportba sorolhatjuk: - vezető anyagok - félvezető anyagok - szigetelő anyagok. A fajlagos ellenállás inverze az elektromos vezetőképesség. Jelölése: γ itt valami nem stimmel. γ = 1 / ρ Egy anyag ellenállása egyenesen arányos a fajlagos ellenállásával és a huzal hosszával, és fordítottan arányos a huzal keresztmetszetével. R = ρ l / S Innen: ρ = R S / l Vezető anyagok Legalacsonyabb a fajlagos ellenállásuk, amelyik Ω mm 2 / m között váltakozik. A legjobb elektromos vezetők a fémek és ötvözeteik, az értékelektronjaiknak köszönhetően. Az l hosszúságú huzalban jelentkező E elektromos tér értéke: E = U / l, mértékegysége: [V / m]. Az elektromos tér irányítása a nagyobb potenciálú huzalvégtől a kisebb potenciálú huzalvég fele mutat. A következő jelöléseket használva: - S: a huzal átmérőjének keresztmetszete - n e : a vezető elektronok száma egy köbméter vezetőben. - q e : az elektron elektromos töltése, q e = 1, C. A következő képletet kapjuk: 23

24 azonban: I = q e. n e. S. v e.ahol: v e = l 1 / t v e = v 1.E ahol v 1 az elektronok mozgási sebessége. A fentiek figyelembe vételével kapjuk: I = q e. n e. S. v 1.E = q e. n e. S. v 1. U / l = U / R. Átrendezve a kifejezést, kapjuk: R = (1 / q e. n e. v 1 ). (l / S). Tehát a fajlagos ellenállás értéke: ρ = 1 / (q e. n e.v 1 ) És figyelembe véve, hogy: γ = 1 / ρ, kapjuk: γ = q e. n e.v 1 Az elektronok mozgásuk közben ütköznek a fém atomjaival, ezáltal energiát adnak le, ami hővé alakul. Azért, hogy jellemezhessék a fajlagos ellenállás növekedését a hőmérséklettel, bevezették a fajlagos ellenállás hő együtthatóját, amit α-val jelölnek. α = (ρ 2 ρ 1 ) / ρ 1 ( θ 2 θ 1 ) A képletben: -ρ 2 ρ 1 a fajlagos ellenállás növekedés a θ 2 θ 1 hőmérsékleti intervallumra - (ρ 2 ρ 1 ) ρ 1 : a fajlagos ellenállás egység növekedése a θ 2 θ 1 hőmérsékleti intervallumra - ρ 2 ρ 1 ) / ρ 1 ( θ 2 θ 1 ): a fajlagos ellenállás növekedése, ha a hőmérséklet egy egységgel növekedik Félvezető anyagok A fajlagos ellenállásuk, Ω mm 2 / m között váltakozik. Normál körülmények között nincsenek szabad elektronjaik, ehelyett négy értékelektronnal rendelkezne. Ezek az értékelektronok külső energia hatására szabad elektronná válhatnak. A külső energia lehet hő, fény vagy. mechanikai energia. Félvezető anyagok esetében a fajlagos ellenállás csökken a hőmérséklet növekedésével. Ezeknél az anyagoknál az α együtthatónak negatív értékei vannak Elektromos szigetelő anyagok Fajlagos ellenállásuk, amelyik Ω mm 2 / m között váltakozik. Az értékelektronok orbitálról való kiszakításához, tehát szabad elektronokká való tételéhez szükséges külső energia hatalmas értékeket vesz fel. A fent tárgyalt három anyagtípus közötti különbséget az 2.1 ábra segítségével szemlélteti. 24

25 duplán satírozva: az értékelektronok energetikai szintje, szimplán satírozva: a szabadelektronok energetikai szintje, nincsen satírozva: tiltott energetikai szintek a). elektromos vezető anyagok, b). félvezető anyagok, c). szigetelő anyagok. 2.1 ábra: Elektrotechnikai anyagok 2.2. Vezető anyagok A fémek és ötvözeteik I. rendű vezetők, vezetésük elektron jellegű, fajlagos ellenállásuk nő a hőmérséklet növekedésével nem szenvednek vegyi átalakulásokat, ha elektromos áram halad át rajtuk. Az oldatok II. rendű vezetők, vezetésük ion jellegű. Csökken a fajlagos ellenállásuk a hőmérséklet növekedésével, és vegyi átalakulásokat szenvednek, ha elektromos áram halad át rajtuk. A fémeknek egy sor közös, sajátságos tulajdonsága van, amely megkülönbözteti őket a többi, nemfémes elemtől. Ötvözeteke úgy nyerünk, hogy összeolvasztunk két vagy több fémet, illetve fémet és nemfémet, azonban ebben az esetben a fém összetétele meg kell haladja az 50 % -ot Fémek Az alábbi táblázat ismerteti az elektrotechnikában használatos fémek fontosabb jellemzőit: Sor szám Fém Olvadáspont o C Sűrűség kg/dm 3 Elektromos vezetőképesség m / Ωxmm 2 Fajlagos ellenállás Ωxmm 2 / m 1. Réz ,9 58 0, Alumínium 658 2,7 37 0, Ezüst ,5 62,5 0, Arany ,32 45,4 0, Platina ,45 10,2 0, Nikkel ,9 14,70 0, Wolfram ,25 18,18 0, Molibdén ,2 19,23 0, Tantál ,6 8,00 0, Nióbium ,56 4,13 0, Ón 232 7,30 8,33 0, Ólom ,3 4,76 0, Cink 429 7,13 16,6 0, táblázat: Az elektrotechnikában használatos fontosabb fémek és jellemzőik 2.3. Félvezető anyagok A félvezető anyagok a vezető, illetve a szigetelő anyagok között foglalnak helyet. A vezető és értékelektronok sávja között létezik egy energetikailag tiltott zóna. Ezeknél az anyagoknál a fajlagos ellenállás csökken a hőmérséklet növekedésével, a fajlagos ellenállás növekedésének együtthatója minden esetben negatív értékeket vesz fel. Attól függően, hogy miként jelenik meg a vezetés, léteznek: - intrinszek vezetésű félvezető anyagok - extrinszek vezetésű félvezető anyagok Intrinszek vezetésű félvezető anyagok Csak a vegytiszta félvezető anyagok esetében jelentkezik. Annak köszönhető, hogy a hőmérséklet növekedésével az elektron energiája nő. 25

26 Ha egy elektron elhagyja a helyét, egy lyuk marad hátra. A lyukak úgy viselkednek, mintha pozitívan töltött részecskék lennének. A szabad és értékelektronok az elektromos tér irányításával megegyező irányban mozognak, a lyukak ezzel fordítottan. Ezt a mozgást egy vegytiszta germánium kristályon tanulmányozzuk (2.2 ábra) a). a kristály nem vezeti az elektromos áramot, b). a kristály vezeti az elektromos áramot Intrinszek vezetés Extrinszek vezetésű félvezető anyagok A vezetés akkor jelenik meg, ha a félvezető anyagot más vegyi elemmel szennyezik. A szennyező anyagtól függően beszélünk n típusú, és p típusú félvezető anyagokról n típusú félvezető anyagok A szennyeződést öt vegyértékű elemekkel végzik. A használt elemek: foszfor, bizmut és stíbium. A szennyezés koncentrációja: Az ötvegyértékű szennyeződésnek donor szennyeződés a neve. A vezető, vagy szabadelektron forrás ez esetben az ötvegyértékű szennyező elem. A szabad elektronoknak köszönhető elektromos vezetést n típusú vezetésnek nevezik p típusú elektromos vezetés A szennyezést háromvegyértékű atomokkal végzik: alumíniummal, bórral, irídiummal és galliummal. A háromvegyértékű szennyeződéseket akceptor szennyeződésnek neveznek Töltéshordozók újraegyesülése A félvezető anyagokban egyidőben két folyamat játszódik le. Egyik a töltéshordozók keletkezése, a másik az eltűnése. Az újraegyesülés során, a szabadelektron értékelektronná válik, a lyuk pedig eltűnik. Azt az időt, ami eltelik a töltéshordozó keletkezése és eltűnése között, a töltéshordozó élettartalmának nevezik pn átmenet A félvezető kristálynak azt az övezetét, ahol egy akceptor és egy donor övezet találkozik, pn átmenetnek nevezik (2.3 ábra). Az átmenet két oldalán ellentétes töltésű réteg helyezkedik el. Ez az övezet átmeneti övezet. Itten egy elektromos tér keletkezik, amelynek irányítása az n övezettől a p övezet felé mutat. Ez az tény meggátolja a töltéshordozók további szállítását, tehát egy egyensúlyi állapot jön létre. 26

27 2.3 ábra: pn átmenet Egyenesen polarizált pn átmenet Egy külső energiaforrás segítségével végzik a polarizálást, úgy, hogy az energiaforrás pozitív sarkát az átmenet p övezetére, a negatív sarkát pedig az átmenet n övezetére kapcsolják. A keletkezett E keletkezett elektromos tér irányítása fordított az E c érintkezési elektromos tér irányításával Az egyenesen polarizált pn átmenetben egy direkt áram keletkezik, amelynek irányítása egyezményesen a p övezettől az n övezet fele mutat. 2.4 ábra: Egyenesen polarizált pn átmenet Fordítottan polarizált pn átmenet Ebben az esetben a külső energiaforrás negatív sarkát a p övezetre, a pozitív sarkát az n övezetre kötjük (2.5 ábra). Ebben az esetben egy nagyon kis áram keletkezik, amelynek egyezményes iránya az n övezettől a p övezet fele mutat. 27

28 2.5 ábra: Fordítottan polarizált pn átmenet A félvezető készülékek működési elve a pn átmenetben lejátszódó fizikai jelenségeken alapszik. A diódának egy pn átmenete, a tranzisztornak 2, és más készüléknek három, vagy ennél több pn átmenete van Félvezető vegyi elemek A következő táblázat a fontosabb négy vegyértékű elemeket, és azok tulajdonságait ismerteti. Elem Rendszám (z) Sűrűség (kg /dm 3 ) Olvadáspont ( o C) Jellemzők Germánium 32 5, Kékesfehér stabil elem. Szilícium 12 2, Szürkés-kék, fémes csillogású elem. Szelén 34 4, Ismert kristályos és amorf szerkezete is táblázat. Félvezető vegyi elemek Félvezető anyagok A fenti vegyi elemek mellett az elektrotechnikában még használatosak a következő anyagok is: cink szulfát, kadmium szulfát, réz oxid, szilícium karbid, és különböző oxidok keveréke. Ezeket az anyagokat a varisztorok és termisztorok gyártására használják Elektromos szigetelő anyagok Dielektrikumoknak is nevezik őket. Fajlagos ellenállásuk Ω / mm 2. A legszámosabb elektrotechnikai anyag. Hamarabb elveszítik a tulajdonságaikat (öregednek), mint a többi elektrotechnikai anyag A szigetelőanyag elektromos tulajdonságai A szigetelőanyagok elektromos tulajdonságait a vezetés és polarizáció jelensége határozza meg. Ezek a tulajdonságok a következők: - térfogati és felületi fajlagos ellenállás - szigetelési állandó - szigetelési merevség - a veszteségi szög tangense A szigetelő anyagok fizikai és vegyi tulajdonságai a). Higroszkopicítás 28