Villamosipari anyagismeret 3/3

Átírás

1 Villamosipari anyagismeret 3/3 3. ANYAGISMERET FÉMEK Nem-vas fémek KERÁMIÁK Hagyományos kerámiák Kerámiák tulajdonságai Kerámia típusok ÜVEGEK POLIMEREK Polimer alapok, felépítés, szerkezet Termikus viselkedés Mechanikai tulajdonságok Villamos tulajdonságok Kémiai tulajdonságok Polimer típusok Környezetvédelmi szempontok KOMPOZITOK Anyagismeret 3.1. Fémek A Mengyelejev-féle periódusos rendszerbe foglalt, a természetben is megtalálható 92 elem túlnyomó többsége fémes elem. Ezeket az elemeket a tulajdonságaiktól függően alkalmazzzuk a műszaki gyakorlatban. A felhasználás során a mechanikai, villamos, mágneses tulajdonságai a legfontosabbak, de a megmunkálás kiválasztásához a technológiai tulajdonságokat is feltétlenül ismerni kell. A fémeket különböző szempontok szerint szokták csoportosítani: A periódusos rendszerben elfoglalt helyük alapján beszélhetünk: 1

2 alkáli fémekről: a táblázat első oszlopában helyezkednek el (pl.: lítium, nátrium, kálium, stb.), jellemzőjük az alacsony olvasáspont, kis sűrűség, általában puhák, alkáli földfémekről: a táblázat második oszlopában találhatók (pl.: berillium, magnézium, kálcium, stb.), ezek a fémek keményebbek, mint az előző oszlopban lévők, rézcsoportról: melyek jó vezető tulajdonságokkal bírnak, ennek alapján a villamos berendezésekben alkalmazzák főként ezeket a fémeket (arany, ezüst, réz), vascsoportról: elsősorban a jó mechanikai tulajdonságaikat használják ki a műszaki berendezésekben, de pl.: jó mágneses tulajdonságokkal rendelkeznek (pl.: vas, kobalt, nikkel), széncsoportról: melyeket félfémeknek is neveznek (pl.: szén, szilícium, germánium) ezeket az elemeket főként a villamosiparban félvezetők anyagaként alkalmaznek ábra: A fémek elhelyezkedése a periódusos rendszerben A felhasználás és a megmunkálás szempontjából néhány fontos fizikai tulajdonság szerint is csoportosíthatjuk a fémeket. Ilyen fontos fizikai tulajdonság az olvadáspont. Eszerint beszélhetünk: alacsony olvadáspontu fémekről, melyeknek T olv < 1000 C közepes olvadáspontu fémekről, melyeknek 1000 oc < T olv < 2000 C, magas olvadáspontu fémekről, melyekrenél T olv > 2000 C. Sűrűségük alapján megkülönböztethetúnk: könnyű fémeket, ρ < 4,5 kg/dm 3, nehéz fémeket, ρ > 4,5 kg/dm 3. Az alkalmazási lehetőségeket tekintve fontos mechanikai tulajdonság lehet még a: 2

3 keménység, szívósság, képlékenység, ridegség, rugalmasság, stb. A fémeket különböző technológiák segítségével munkálják meg. Az alakíthatóság, az alkalmazható lehetséges technológiák szerint is csoportosíthatók. Tehát az: önthetőség, kovácsolhatóság, forgácsolhatóság, edzhetőség, az alkalmazható kötési technológiák (pl.: hegeszthetőség, forraszthatóság), stb szerint is. Vas és ötvözetei Vas (Fe), ρ= 7,86 kg/dm 3 A vas az iparban a leggyakrabban használt fém. Fehéres színű, fajlagos ellenállása ρ= 9, Ωcm, olvadáspontja 1538 oc, viszonylag lágy anyag, így jól nyújtható, jól alakítható, II-III esetleg IV vegyértékkel alkot vegyületet. Ferromágnesességét a Curie-hőmérsékletig tartja meg. A színvas előállítási költsége viszonylag magas. Csak ott alkalmazzák ahol kiváló mágneses paraméterekre, vagy nagy alakíthatóságára van szükség. Tulajdonságai ötvözéssel és hőkezeléssel széles határok között változtathatók. Felhasználni is főként különböző ötvözeteit szoktuk. 3

4 Vas-szén állapotábra ábra: Vas-szén ikerdiagram, vas-szén állapotábra A vas leggyakoribb és legfontosabb ötvöző eleme a szén, mely a hülési sebességtől függően vagy grafit vagy vegyület (Fe 3C vaskarbid, mint vegyület; cementit, mint szövetszerkezet) formában lehet jelen az ötvözetben. Ez jelenik meg a ábrán, ezért nevezik ikerdiagramnak. A Fe-C rendszer stabil (szaggatott vonal jelöli az ábrán), ebben a rendszerben a szén maximálisan 100 s%-ban lehet jelen, itt természetesen nincs vegyület fázis, hanem a szén grafitos kristályos módosulata van. A két diagramm között nagyon kis különbség van. A Fe- Fe 3C rendszert (folytonos vonal jelöli) metastabil rendszernek nevezik, itt a szén koncentráció tartománya 6,7 s%, ugyanis ez a Fe 3C vaskarbidban lévő szén súlyszázalékának felel meg. E második rendszernek van nagyobb gyakorlati jelentősége, főként a max. 4,3 s% szenet tartalmazó ötvözetnek, azaz az acélnak. A diagramban található számértékek különböző irodalmakban kis mértékben eltérhetnek. A tanulmányaink során a peritektikus reakció hőmérsékletén (A pont környéke) lezajló folyamatokkal nem foglalkozunk. Az ACD likvidusz vonal felett folyékony fázis van, az AECF szolidusz vonal alatt (a diagram bal felső, peritektikus módosulataitól eltekintve) pedig csak szilárd fázis található. A két görbe között a két fázis egy időben megtalálható. 4

5 A vas szénoldó képessége függ a hőmérséklettől. A dermedés hőmérsékletén (szolidusz vonal, AECF vonal) a maximális szénoldó képessége az E ponthoz tartozó koncentráció vonalnál leolvasható. A további lehűlés közben a vas szénoldó képessége csökken, a szén kiválik. Az ötvözetben a szén előfordulhat oldott állapotban, kivált állapotban és vegyület (Fe3C) formájában. Az α-vas szilárd oldata a ferrit (GPQG területen), térközepes köbös térrácsa van, ezért szénoldó képessége kisebb, mint a lapközepes köbös γ-vas szilárd oldatának (AESGA területen) az ausztenitnek. A maximális szénoldó képességet jelöli a P pont (ferrit max. szénoldó képessége) és az E pont (ausztenit max. szénoldó képessége). Az olvadékból határozott dermedés pontnál, a C pontnál közvetlenül szilárdul meg az eutektikum. A ledeburit ausztenitből és cementitből álló szövetszerkezet. Hasonlóan az S pontnál kikristályosodó eutektoid, a perlit, mint szövetszerkezet ábra: A keletkezett szövetszerkezetek Az E ponthoz tartozó összetétel alatt az ötvözetet acélnak és az ennél magasabb szén-súlyszázalékot tartalmazó ötvözetet öntöttvasnak nevezik. Szilárd állapotban, szobahőmérsékleten megjelenő szövetszerkezet alapján négyféle változat különböztethető meg: S ponthoz tartozó koncentráció egyenesig: ferrit, perlit és kevés cementit (tercier - harmadlagos kiválású) van jelen, Az előzőtől az E ponthoz tartozó függőleges egyenesig terjedő területen: perlit és cementit (szekunder másodlagos kiválású) található a kialakult szövetszerkezetben, 5

6 E és C ponton átmenő (eutektikus vonalig) koncentráció egyenesek közötti területen: perlit, ledeburit, cementit van jelen, Végül, az utolsó szakaszon: ledeburit és cementit (primer elsődleges cementit: közvetlen az ömledékből kikristályosodó) található a szilárd fázisban. Acél Ha a vas-szén ötvözetben a szén súlyszázaléka 2,1 (2,06) alatt van, akkor acélról beszélnek. Az acél jó szilárdsági jellemzőkkel rendelkezik. Az acél nagyon kis mennyiségben tartalmazhat más ötvöző anyagokat is: S, P, valamint a gyártáshoz szükséges Si, Mn. Az acélok tulajdonságai ötvözőelemekkel befolyásolhatók. Minden olyan elemet amely szándékosan, az alapfém (amely legnagyobb súly százalékban fordul elő az ötvözetben) valamely tulajdonságának megváltoztatására viszünk be az alapfémbe ötvözőnek nevezünk. Azokat az elemeket, amely akaratunktól függetlenül, pl.: a feldolgozás során kerülnek az alapfémbe szennyezőnek nevezünk. A vas ötvöző elemei lehetnek: fémes ötvözők, ill. nem fémes elemek, a metalloidok. Az ötvözőelemek a vassal általában szilárdoldatot alkotnak: ferritben jól oldódnak: Cr, Al, Ti, Ta, Si, Mo, V, W, austenitben jól oldódnak: Ni, C, Co, Mn, N ábra: A Fe-C állapotábra - acél Néhány jellegzetes ötvözött acél: krómacélok: a króm passziváló hatása az ötvözet krómtartalmától függ, 0-12 % Cr tartalmú ötvözetek: jelen esetben a króm az átedzhetőséget befolyásolja, a nagy szilárdság, nagy keménység a jellemző ezekre az ötvözetekre (szerszámacélok, nemesíthető szerkezeti acélok), % Cr-tartalmú acélok: itt főként a Cr-t korróziógátló hatása miatt alkalmazzák, az acél felületén jól tapadó, tömör oxidréteg, homogén szövetszerkezet alakul ki a Cr hatására, 6

7 wolframacélok: mivel az acél oldékonysága kicsi, így Fe 3W 2, vegyületfázis és WC (a wolfram karbidképző) válik ki, ezt kiválásos keményedésnek nevezzük, a mechanikai szilárdság megnő. Ezek a fázisok csak 600 oc feletti hőmérsékleten kezdenek bomlani, ezért olyan szerszámanyagoknak alkalmazzá, melyek magas hőméréskleten dolgoznak, pl.: forgácsoló szerszámok, melegalakító szerszámok, stb. Egyéb ötvözőanyagok: molibdén (Mo): más ötvözőanyagokkal együtt használják, növeli az acél szívósságát, vegyszerekkel szembeni ellenálló képességét, vanádium (V): más ötvözőanyagokkal együtt alkalmazzák, a vassal és a szénnel is vegyületet képez, a szemcseszerkezet finomságának növelését segíti elő, titán (Ti): szinte a legerősebb karbidképző ötvöző elem, szemcsefinomságot növeli, erős dezoxidáló tulajdonsága van, szilícium (Si): magas szilícium tatalmú acélok korrózióállósága nagy, így vegyipari berendezések alapanyagának használják, lágymágneses anyagok csoportjába tartozik, villamos gépek, transzformátorok vasmagjainak anyaga. Az acélok szabványos jelölése: Az MSZ EN tartalmazza az acélok jelölési rendszerét. Az acélminőségek jelölésére két módot alkalmaznak. a) az acélminőségek rövid jelét az MSZ EN :1994, acélanyag kódja, mely megfelel az acélok mechanikai tulajdonságainak és felhasználásuknak b) az acélminőségek számjelét az MSZ EN : 2006 írja le, felhasználás, termékforma kódja, mely jelölés a kémiai összetételnek felel meg. A rövid jel egy főjelből és egy számból áll. Az 1. csoport főjel utalhat a felhasználási területre, az utána következő szám pedig a folyáshatárra vonatkozik (pl.: E360, E gépacél, folyáshatár N/mm 2 ); vagy a szakítószilárdság értékére (pl.: R0900Mn, R sínacél, szakítószilárdság N/mm 2 ). A kiegészítő jelek két részből állhatnak, amely lehet valamilyen mechanikai tulajdonságra való utalás (pl.: ütőmunka), majd a vizsgálati hőmérséklet, valamint lehet a szállítási állapotra való utalás. A 2. főjel csoport az acélok kémiai összetételére utalnak. ötvözetlen acélok (a Mn tartalom 1 %-nál kisebb) jelölése: C és a szám pedig a széntartalom százalékértékének százszorosa (pl.: C45R, 0,45 s% széntartalom), 7

8 ötvözetlen acélok (a Mn tartalom min. 1 %), ötvözött acélok (ha az ötvözetben egyik elem mennyisége sem haladja meg az 5 %-ot), a jelölés tartalmazza a széntartalom százszorosát, az ötvözők vegyjelét a mennyiség csökkenésének sorrendjében, a mennyiséget jelző szám pedig az ötvözőtartalom - egy szabvány által meghatározott konstanssal történő megszorzásából adódik, ötvözött acélok (ha bármelyik ötvöző mennyisége meghaladja az 5 %-ot), jelölés: X betű, a szám jelöli a széntartalom százszorosát, tartalmazza az ötvözők vegyjelét a mennyiség csökkenésének sorrendjében és az ötvözőelem mennyiségét (pl.: X210Cr12-2,1 % C tartalom, 12 % Cr tartalom), a gyorsacélokat HS betűkkel jelölik, a jelölés tartalmazza még sorrendben a volfram (W), molibdén (Mo), vanádium (V) és a kobalt (Co) tartalmat, egymástól kötöjellel elválasztva. Minden gyorsacél tartalmaz 4 % krómot, így ezt nem tüntetik fel (pl.: HS , gyorsacél 6% volfram, 5 % molibdén, 2 % vanádium, 5 % kobalt és 4 % króm tartalommal). Acélszámoknak nevezzük az acélok jelölésére használt számjeleket, az adatfeldolgozást könnyíti meg ez a jelölési rendszer. A számrendszer öt számjegyből áll. Az első számjegy mindig 1, ez az anyagcsoport jele, mely jelen esetben az acél. Az anyagcsoportot a többi számjegytől egy pont,. választja el. A következő két számjegy az acél csoport száma, és az utána következő két számjegy a sorszám. Esteleg zárójelben újabb két számjegyvan, melyet további lehetséges jelölésre tartanak fenn. Ehhez az acélokat fő csoportokra osztották (pl.: ötvözött acélok, ötvözetlen acélok). Ezeken belül vannak alcsoportok, és az alcsoportok is tovább oszthatók (pl.: ötvözetlen acél főcsoport, minőségi acélok és nemesacélok alcsoportok, ahol a nemesacélok tovább bonthatók még szerszámacélok, korrózióacélok, stb alcsoportokra) Az acél csoportszámát egy, a szabványban található táblázát segítségével határozhatjuk meg. Ebben a táblázatban helyezték el a különféle acélokat, az oszlopok a fő- és alcsoportokat adják. A csoportszámban az első számjegy az oszlop száma és a második jegy pedig a sornak a száma ahol a táblázatban az adott acél elhelyezkedik. Az alakítható acélok felhasználási céljuk szerint három csoportba sorolhatók: Szerkezeti acélok: leggyakrabban használt acél, könnyen megmunkálható, jól hőkezelhető, hegeszthető, nagy szilárdságú és szívós. Lehetnek szénacélok (ötvözetlen acélok), de tartalmazhatnak több ötvöző anyagot is. Előnyös tulajdonságai miatt készülnek belőle gépelemek, szerkezeti egységek. Ebbe a csoportba tartoznak pl.: általános rendeltetésű szénacélok, betétben edzhető és nemesíthető ötvözetlen szénacélok, nemesíthető agy betétben edzhető krómacélok, nemesíthető mangánacélok, nitridálható szerkezeti acélok. 8

9 Szerszámacélok: hőkezelt, edzett állapotban alkalmazzák, lehetnek ötvözetlen és ötvözött acélok egyaránt. Kézi- és gépi megmunkáló szerszámok, mechanikai mérőeszközök készülhetnek belőle. Ide tartoznak: ötvözetlen szerszámacélok, gyorsacélok, hidegalakító szerszámok. Különleges acélok: speciális célokra készülnek, nagy változatosságban. Ilyenek pl.: automata acél, hőálló acélok, korrózióálló acélok, ötvözetlen lágy mágnesacél. Öntöttvas Az előbbiek szerint öntöttvasnak nevezik azt a vas-szén ötvözetet, amelyben a szén súlyszázaléka meghaladja a 2,1 s%-t (2,06 s%). Olyan öntöttvasat, amely 4,3 s%-nál több szenet tartalmaz, aránylag ritkán használnak. Az öntöttvas utókezelés nélkül nem kovácsolható. Az öntöttvas jól önthető, az állapotdiagramm CD görbéje mutatja, hogy a teljes ömledék eléréséhez alacsonyabb hőmérsékletre való hevítés is elegendő. Az öntöttvas más ötvöző anyagokat is tartalmazhat, melyekkel a tulajdonságai befolyásolhatók. Általában tartalmazhat szilíciumot (Si), mangánt (Mn), ként (S), foszfort (P) ábra: Fe-C állapotábra - öntöttvas A szilícium (Si) ötvözőnek van a legnagyobb jelentősége, mert a grafitképződést segíti elő. A karbidképződést növeli és a grafitképződést gátolja a mangán (Mn), ezáltal a szilárdság növelését segíti elő. A kén (S) gátolja a grafitképződést, rontja a hígfolyósságot. Míg a foszfor (P) éppen növeli a hígfolyosságot, és egyben csökkenti az eutektikus hőmérsékletet. Felhasználási területük alapján megkülönböztethető: Lemezgrafitos öntöttvas: lemezes formájú grafit csökkenti a szilárdságát ( MPa), érdekessége, hogy a nyomószilárdsága 3-4-szerese a húzószilárdságának. Keménységük 120-9

10 280 HB. Rideg, rosszul alakítható. Jó rezgéscsillapító, jó csúszási tulajdonságokkal rendelkezik. Alkalmazása: motorblokkok, hajtóműházak. Gömbgrafitos öntöttvas: az öntöttvasak között a legelőnyösebb tulajdonságokkal rendelkezik, köszönhetően a főként gömb alakú széntartalmának. Szakítószilárdsága MPa, szívóssága jó. Hőkezelhető (edzhető, nemesíthető), hegeszthető, ellentétben a többi öntöttvassal! Hidegen korlátozottan, melegen jól alakítható. Alkalmazás: forgattyústengely, fogaskerék, dugattyú, fékbetét, kis falvastagságú öntvények. Temperöntvény: végső tulajdonságai temperállással állíthatók be, mely oc-on történő hevítést jelent. Az összetétel és a hőkezelés módja (kapott törésfelület) alapján: Fekete tempertöntvény: semleges gázban történő hőkezelés hatására a grafit gömb alakban, ún. temperszén alakjában válik ki, MPa szakítószilárdsággal rendelkezik. Alkalmazása: hajtóműházak, fékdobok, forgattyústengelyek. Fehér tempertöntvény: oxidáló atmoszférában történő hőkezelés hatására széntartalmának nagy része kiég. Szakítószilárdsága kissé magasabb. Alkalmazása: kulcsok, csavarok, szorítók, futóműalkatrészek. Perlites temperöntvény: két, egymást követő hőkezelés, első egy semleges atmoszférában történő hőkezelés. Ennek hatására perlitet és grafitot tartalmaz. Kéregöntvények: Mn beötvözéssel és hirtelen hűtéssel elérik, hogy szívós mag (szürke) és egy nagy igénybevételt elviselni képes felület (fehér felületi réteg, kemény) alakuljon ki. Alkalmazása: kotrókanalak, kőzettörő-lapok, vezetősínek. Ötvözött öntöttvasak: különleges célokra készülnek. Pl.: hőállóság növelésére Cr, Si, Al ötvözés, korrózióállóság növelésére Si, Mn, Cr, Ni ötvözés. A százalékos összetétel változtatásával lehet a korrózióállóság különböző mértékét beállítani. Hőkezelések A következő hőkezelésekkel az acél tulajdonságait változtathatjuk meg. 10

11 A hőkezelésekről általában A fémek jellemző tulajdonságait megváltoztahatók: ötvözés, hőkezelés, képlékenyalakítás segítségével. A hőkezelések jellemzően három fontos szakaszra bonthatók: felhevítés (anyagtól, eljárástól függő hőmérsékletre), hőntartás (meghatározott hőmérsékleten, meghatározott ideig), lehűtés (szobahőmérsékletre anyagtól, eljárástól függő hűtési sebességgel). A hőkezelési eljárásokat az elérendő cél, fém tulajdonság szerint a következőképpen lehet csoportosítani: ábra: Vas-szén állapotábra acélra vonatkozó része. Lágyító hőkezelések: a további megmunkáláshoz, működéshez szükséges az anyag keménységét, ridegségét, belső feszültségét csökkenteni, esetleg a további alakítási lehetőséget növelni, az alakíthatóságot javítani. Ilyen hőkezelések pl.: lágyítás, normalizálás. Keményítő hőkezelések: a kopásállóság és a keménység növelése általában a nyúlás és az alakíthatóság romlásával, csökkenésével jár együtt. Ezt az eredményt az edzéssel, felületi edzéssel lehet elérni. Szívósságnövelő hőkezelések: fő cél a szakítószilárdság növelése, emellett a nyúlás kismértékű csökkenése lépjen fel. A szükséges hőkezelés a nemesítés. Különleges hőkezelések (kéregedzések, kéregötvözések): ha a magnak és a kéregnek eltérő tulajdonságokkal rendelkezni, vagy amikor működéshez valamilyen különleges tulajdonságra van szükség, akkor a hőkezelést is külön kell megtervezni.. Lágyító hőkezelések A lágyító hőkezelések esetén a hevítés a z állapotábra GOE vonala, ill. PS vonala által meghatározott hőmérsékletek közelébe történik. A ábra ezeket a hőmérséklet sávokat mutata meg. Célja: az acélöntvények durva, heterogén szövetének megszüntetése, helyette szívós, egyenletes, finomszemcsés szövetszerkezet kialakítása a diffúziós izzításkor kialakult durva szemcsék finomítása, 11

12 mivel a kovácsoláskor, a melegalakításkor a kiindulási hőmérséklet magas, durva szövetszerkezet alakul ki, az esetleges egyenlőtlen megmunkálás miatt a szövetszerkezet inhomogénná válik, ezt finomszemcséssé kell tenni, hegesztett kötések esetén mind a varrat, mind annak környezete a hőhatás következtében megváltozik, ennek az alapanyaggal azonos finomszecséssé tétele, az anyagnak a további hőkezelésekhez történő előkészítése ábra: A Fe-C állapotábra S pontja körüli hőmérsékletére történő hevítések lágyító hőkezelések esetén Feszültségcsökkentő hőkezelések: a feldolgozás, megmunkálás során az anyagban felhalmozódott belső feszültségeket meg kell szüntetni a további megmunkálhatóság érdekében, a károsodások meggátolására. A hőkezelés oc-ra való hevítésből, 1-2 órai hőntartásból, nagyon lassú, kemencében való hűtésből áll. Ez azt jelenti, hogy a kemencét a munkadarabbal együtt hagyják lehűlni. Lágyítás: Cél az anyag ridegségének, keménységének csökkentése, az alakíthatóság növelése. A hevítési hőmérséklet oc, a hőntartás ideje 4-8 óra. A hűtési sebesség kicsi, kemencében vagy sós fürdőben történik, 600 oc alatt már lehet gyorsabb, történhet áramlásmentes levegőn. Normalizálás: A hevítés a GSE vonal fölé történik, a hőntartás perc, a hűtés pedig kemencében vagy áramlásmentes levegőn lehetséges. A hőkezelés eredménye a megmunkálással bevitt káros tulajdonságok javítása. Keményítő hőkezelések (edzés) Edzés és megeresztés: az edzés az egyik legismertebb hőkezelés. Az elérendő cél az anyag szilárdságának, keménységének növelése, sokszor szükséges a kopásállóság növelése. Ekkor az anyag nyúlása, alakíthatósága csökken, ridegsége növekedik. Az edzési hőmérséklet oc, a hevítés az elérendő céltól függően történhet lépcsőzetesen is. A hőntartás teljes keresztmetszetre történik, ami azt jelenti, hogy addig tartják a hevítési hőmérsékleten a munkadarabot, amíg az teljesen át nem veszi a kemence hőmérsékletét. A hűtés gyors, így csökkenthető a szén kiégésének veszélye, a kemencéből kivett darabot vízben hűtik. A hűtési sebesség a felületen gyorsabb lesz, mint a munkadarab belsejében. Az átedzhetőséget azzal a legnagyobb rúdátmérővel mérik, amelynek a 12

13 közepe is éppen olyan szövetszerkezetű lesz mint a külső része. Átedzhetőnek nevezzük a munkadarabot akkor, ha az edzési keménység a teljes keresztmetszetre kiterjed. Az átedzhetőség az edzési hőmérséklet növelésével és ötvözéssel növelhető. Az edzés következtében az anyag rideg lesz. Ezt megszüntetni egy utó hőkezeléssel lehetséges, ez a megeresztés. Az edzés után a lehűlt munkadarabot visszateszik a kemencébe, amit már nem fűtenek és a hűtés lassabb, esetleg oc-os olajban főzik. Így a ridegség csökkenthető. Szívósságot növelő hőkezelések Nemesítés lényege a kétszeres hevítés. Az első hevítési hőmérséklet a munkadarab anyagára jellemző edzési hőmérséklet, a hevítés időtartama a teljes áthevülésig tart, majd gyors hűtés következik vízben vagy olajban. A második hevítés az ún. megeresztési hőmérséklet, C, újra teljes áthevülésig tart, majd innen a kemencében történő, lassú hűtés következik. Megeresztéskor a karbid apró korongok alakjában válik ki, és a ferritbe ágyazódik. A megeresztési hőmérsékleten a kialakult karbid korongok vastagodnak, és egyre inkább gömbbé alakulnak. A nemesítéssel szívós kemény anyagot kapunk. A nemesítés a különösen nagy fárasztó igénybevételnek kitett alkatrészek végső hőkezelése. Különleges hőkezelések Amikor a munkadarabtól elvárják, hogy kopásálló, kemény legyen, ugyanakkor szívós legyen, akkor ennek a kettős feladatnak megfelelő, az eddigiektől eltérő hőkezelést kell alkalmazni. Kéregedzések, kéregötvözések A kéregedzéssel szívós mag és kemény, kopásálló réteget lehet előállítani. A felületi réteget különféle módszerekkel lehet hevíteni, a hevítési mód alapján a következő kéregedzési eljárásokat különböztetnek meg: lángedzés, indukciós edzés, betétedzés. Lángedzés: A lánghegesztésnél is alkalmazott pisztollyal szúrólángot hoznak létre. Az alkalmazott gázkeverék lehet világítógáz-levegő (vagy oxigén) keverék vagy acetiléngáz-oxigén keverék. A hevítést gyors hűtés követi. 1,5-2 mm fokozatos átmenetű rétegvastagság érhető el. Az eljárás olcsó, de bonyolult darabokra nem alkalmazható. Az egyenletes rétegvastagságot nagyon nehéz létrehozni. Pl.: vasúti sínek futófelületeinek edzésénél alkalmazzák. 13

14 Indukciós edzés: A felületi réteg hevítését nagyfrekvenciás váltakozó árammal, az áram skin-hatásának segítségével hozzák létre. Az indukált örvényáram sűrűsége a felülettől a munkadarb belsejefelé exponenciálisan csökken. A csökkenés mértéke még függ az áram frekvenciájától, a frekvencia növekedése a hevítés mélységének csökkenésével jár. A rétegvastagság az alkalmazott frekvencia függvénye. 2,5-10 khz 2-3 mm rétegvastagságot hevít fel, khz, 0,2-2 mm vastagságú kemény réteg előállításához megfelelő. A hevítés után a hűtés hűtőfolyadékba mártással, permetezéssel történik. A kéregedzési eljárások közül a leggyorsabb, tehát a legtermelékenyebb, valamint a kéregvastagságot ezzel az eljárással lehet a legpontosabban beállítani. Betétedzés: A kis széntartalmú acélok (0,1-0,2 s%) felületi keményítésére alkalmas eljárás, mivel ezek az acélok edzéssel és nemesítéssel nem keményíthetők nagyobb mértékben. Ilyenkor a felületi réteg adalékolásával, beötvözésével és edzésével egyszerre változtatják meg a réteg tulajdonságait. Az adalékolandó anyag szerint: Cementálás: A felületi réteget szénben dúsítják, a kéreg széntartalmát növelik (0,6-0,9 s%). A 0,2 s%-nál kisebb C tartalmú acélok adalékolása is lehetséges. A hőkezelés edzésből és megeresztésből áll úgy, hogy C tartalmú közegbe helyezett munkadarabot a közeget tartalmazó dobozzal együtt helyezik a kemencébe. Az izzítás időtartama 8-24 óra. A kéreg keménysége, a mag szívóssága a bediffundáltatást követő hőkezeléstől is nagymértékben függ. A bediffundáltatást követően a magnak és a rétegnek is durva szemcsés szerkezete lesz. Azonban amennyiben az adalékoltatás után lassú hűtést alkalmaznak, és ezt követően pedig egy o C-ra törtténő hevítés, edzés következik, akkor a mag durvaszemcsés marad, míg a kéreg pedig finomszemcséssé alakul. Amennyiben nagyobb igénybevételnek lesz kitéve a munkadarab kettős edzést kell alkalmazni. Ilyenkor a hőkezeléssel a mag szemcsefinomságát is el kell érni, a hevítés magasabb hőmérsékletre ( o C) történik, majd gyors hűtés következik. Ezzel viszont a kéreg szemcsefinomsága durvára változik. Tehát, hogy a kéreg szemcsefinomságát is megváltoztassák az előzőekben tárgyalt alacsonyabb hőmérsékletre ( o C) kell hevíteni a munkadarabot, majd lassan olajban történik a hűtés. Ezzel az egész keresztmetszetben finomszemcsézetet lehet elérni. Amennyiben a szívósság fokozására van szükség, az előbb bemutatott kettős edzés közé egy lágyítást iktatnak be. Az utolsó hőkezelési művelet egy megeresztés, mely C-on történik 14

15 Alkalmazott közeg szerint: Szilárd közeg: szénporba, széntartalmú közegbe helyezik és a közeget tartalmazó dobozzal együtt C-ra hevítik a munkadarabot. A beötvöződési sebesség 0,1 mm/óra. Folyékony közeg: Az eljárást cianidálásnak nevezik. Nátriumcianid, nátriumkarbonát, nátriumklorid ömledékébe helyezett darabot C-ra hevítve 1-2 óra alatt 0,3-0,4 mm rétegvastagságot lehet elérni. Gáznemű közeg: Szénmonoxid, metán, propán, bután gáz az adalékoló közeg, a hevítési hőmérséklet C. Nitridálás: Alacsony hőmérsékletű kezelés. A munkadarab felületébe nitrogént diffundáltatnak, mely nitrideket képez, ezáltal nő a felületi réteg keménysége. Ehhez az acélban nitridképző elemeknek kell lenni, a szükséges elemek közül néhány: Al, Cr, Mn. A nitrálódobozzal együtt C-ra kell hevíteni, mert ezen a hőmérsékleten bomlik az ammónia gáz. 1-2 óra alatt kemény, kopásálló réteg alakul ki. Termokémiai kezelések, amelyek során bizonyos elemeket pl.: bórt, vanádiumot diffundáltatnak a felületbe. Kéregötvözés (alitálás) A különleges hőkezeléseknek egyik típusa az alitálás. A felületi réteg korrózióállóságát növelik alumíniumnak a felületbe történő diffundáltatásával. A munkadarabot egy alumínium-oxid vagy alumínium-klorid porral töltött dobozba helyezik és az egész alitáló dobozt hevítik kemencében C-ra. A hőntartási idő 8-12 óra. Így a felületen egy Al-mal telített réteg alakul ki, melynek rétegvastagsága 0,1-1 mm is lehet. Ez a réteg hőálló, de rideg lesz, mely csökkenthető egy utólagos hőkezeléssel, C-on történő izzítással Nem-vas fémek A nem vasalapú fémeket a mérnöki gyakorlatban vagy funkcionális anyagként (pl.: jó vezetőképességüket kihasználva, esetleg forraszanyagként), vagy szerkezeti anyagként használják. A tisztafémek lágy anyagok, így mechanikai tulajdonságaikat javítani kell. Ezt ötvözéssel lehet elérni. Ez történhet szilárdoldatos keménységnöveléssel, ami azt jelenti, hogy az ötvöző anyag mennyisége lehetővé teszi, hogy az alapfém képes legyen oldatban tartani. A kiválásos keménységnövelés esetében az alapfém már nem képes oldatban tartani az ötvöző anyagot. 15

16 Bizonyos Al-Li ötövzetekben a képlékeny hidegalakítás szilárdásgnövelő hatását ötvöző hozzáadásával segítik elő. A nem-vas alapú fémeket a sűrűség szerint csoportosításnak megfelelően tárgyaljuk. Könnyű fémek Mint azt a fémek feldolgozásának elején már leírtuk, könnyű fémeknek ρ < 4,5 kg/dm 3 sűrűségű fémeket nevezzük. Alumínium (Al), ρ = 2,7 kg/dm 3 A Föld 7 %-a alumínium vegyület, bauxit, melyből hazánk területén is nagyobb mennyiség található. A fém alumínium előállításának első lépése a timföld (Al 2O 3) kinyerése, mely kémiai tisztítással történik. A tisztíta alumínium előállításának következő lépése egy elektrolízis, mely rendkívül energiaigényes művelet. Az így előállított kohóalumínium tisztasága 99-99,7 %. További tisztítással lehet előállítani az ún. négy kilences alumíniumot, mely 99,99 %-os tisztaságú. Ezek az ismételt elektrolízis-folyamatok nagyon megdrágítják az előállítást, ezért csak akkor használnak ilyen nagytisztaságú alumíniumot, amikor az elengedhetetlenül szükséges. Tulajdonságai: lapközepes köbös térrácsú, olvadáspontja T olv = 660,24 oc, szakítószilárdsága σ B = MPa, fajlagos vezetőképessége σ= 37,74*10 6 S/m. Erősen elektropozitív, könnyen oxidálódik, a keletkezett oxidréteg (Al 2O 3) jól tapadó, jól záró réteget alkot, ami további oxidációt és a korróziót meggátolja. Egyes ötvözők rontják a korrózóálloságot. Például réz esetében elektrolit hatására helyi galvánelem alakul ki. A kialakult védő oxidréteget még tovább lehet vastagítani egy eljárás segítségével, melyet eloxálásnak neveznek. A kialakuló elsődleges oxidréteg villamosan szigetelő, csatlakozások esetén nagy átmeneti ellenálllás tapasztalható. Az alumínium vezetőképessége a réz vezetőképességének kb. 60 %-a, a sűrűsége viszont kevesebb, mint a harmada, így távvezetékek esetén jól használható, viszont számolni kell azzal, hogy a nyúlása majdnem 50 %-kal nagyobb, mint a lágyacélé. A szennyező anyagok, ötvözőanyagok hatására a fajlagos vezetőképesség gyorsan romlik. Az elektronikai iparban kevésbé alkalmazzák. Szobahőmérsékleten tartósfolyás tapasztalható. Pl.: a csavarkötések meglazulnak, mert a kötés alól kifolyik. Technológiai tulajdonságai: jól kovácsolható, hengerelhető, dróttá húzható. Mivel a rugalmassága kicsi, maradó alakváltozást szenved. A rugalmassága ötvözéssel növelhető. Folyékony fázisa sűrűn folyó, lehüléskor erősen zsugorodik. Szemcsemérete a hűtési sebességtől függ. Lassú hűtés esetén durva kristályok alakulnak ki. Hengerlés esetén a hengerlés irányában rostos szerkezetű, selymes fényű lesz. 16

17 Tulajdonságai ötvözéssel befolyásolhatók: önthető ötvözetei: az önthető alumíniumok alapja az Al-Si eutektikus rendszer, a Si tartalom csökkenése az önthetőség romlásával jár, viszont a Si tartalom növelése a hőtágulási tényező csökkenését vonja maga után, Al-Cu, Al-Cu-Ni, Al-Mg, bonyolult, vékonyfalu alkatrészek öntésére alkalmas, alakítható ötvözeti: - nemesíthető: Al-Cu-Mg, Al-Mg-Zn, Al-Cu-Ni-Mg-Si, - nem nemesíthető: Al-Mg, Al-Mg-Mn, Al-Mn. Alkalmazás: A kis sűrűsége a gépkocsi-, repülőgépipar, építőipar (nyílászárók), műszeriparban teszi lehetővé a nagymértékű alkalmazást. Az Al-Li ötvözetek képezik az alapanyagát a repülőgépek vázszerkezetének, burkolatoknak, de az űrjárművek folyékony oxigén- és nitrogéntartályának is. A korrózióállósága miatt a vegyiparban, élelmiszeriparban történő alkalamazása számottevő. Mivel jól nyújtható fóliák, elektronikai eszközök kondenzátorainak fegyverzete készül alumíniumból. De a háztartásokban is gyakran használnak alumínium-fóliát. Jól mélyhúzható ezért műszerházak, finommechanikai készülékek vázának anyaga, serlegeket is készítenek alumíniumból ábra: Példák az aluminium felhasználására Magnézium (Mg), ρ = 1,74 kg/dm 3 A földkéregben előforduló elemek között a 8. helyen áll. A szilárd fémek közül a legkisebb sűrűséggel és kis keménységgel rendelkezik. Olvadásppontja T olv = 650 o C, szakítószilárdsága kicsi. Jól forgácsolható, de rosszul alakítható. Az elektromos áramot jól vezeti. Bár a felületén vékony oxidréteg alakul ki, szükség van korrózióvédelemre. Ez a vékony oxidréteg nem alkot olyan jól záródó, tömör védőréteget, mint azt az alumínium esetében láttuk. Megmunkálását nehezíti gyúlékonysága, ami olvadt állapotban, forgács vagy por formában fokozottan jellemző. Igen hevesen, világító fehér lánggal ég. Tulajdonságait ötvözéssel befolyásolják. Így növelhető a szilárdsága, csökkenthető a bemetszési érzékenysége, és növelhető a korrózióállósága. 17

18 Legfontosabb ötvözőelemei: Al, Zn, Mn, Si, Y, Nd, Zr, Ag. A magnéziumot leggyakrabban alumíniummal ötvözik. A szilárdság és a keménység növelése, a szemcseszerkezet finomítása, az öntési tulajdonságok javítása érhető el alumíniummal történő ötvözéssel. Korlátlan oldódás olvadékállapotban van, szilárdállapotban szilárdoldatot vagy eutektikumot alkotnak. Az Al tartalom növekedésével az alakíthatóság romlik, viszont az öntészeti tulajdonságok javulnak. Ha ötvözeteit összehasonlítjuk az alumínium ötvözetekkel: előnyei: sűrűségük lényegesen kisebb, dinamikus igénybevételeknek jobban ellenáll, csak nagy maradó igénybevétel után törik el, kitünően forgácsolható (vigyázat! könnyen gyullad!). hátrányai: gyenge korrózióállóság, rosszabbak az öntészeti tulajdonságai, rosszabb villamos vezetők, rosszabb a hővezetőképességük, olvadt állapotban gyulékony. Alkalmazás: Kis sűrűsége miatt az alumíniummal azonos az alkalmazási területe. Műszer és készülékgyártás alkatrészeinek alapanyagát képezik a különböző magnézium ötvözetek. Fényképezőgépházak, távcső foglalatok készülnek belőle. De az önthető ötvözeteiből nagyobb alkatrészek is készíthetők, pl.: autó ülések váza, keréktárcsa. Titán (Ti), ρ = 4,51 kg/dm 3 Sűrűsége éppen a határérték a nehézfémek és a könnyűfémek között. A titán a földkéregben előforduló negyedik leggyakoribb elem. Szakítószilárdsága σ B = MPa, ami a legtöbb ötvözöttacél szakítószilárdságával egyezik meg. Szilárdsága ötvözéssel vagy képlékenyalakítással növelhető. Nem mágneses anyag. Hőtágulási együtthatója valamivel alacsonyabb, mint az acélé. Jó hővezető. Olvadáspontja magas, T olv = 1725 o C. Nagy oxigén affinítása miatt a felületén összefüggő oxidréteg alakul ki az alumíniuméhoz hasonlóan, így jó a korrózióállósága. Jól alakítható. Védőgázban, vákuumban jól hegeszthető. Lengőszilárdsága, melegszilárdsága nagyon jó. Az egészségre nem ártalmas. Biokompatibilis anyag, az élő szervezetek, és így az emberi szervezet sem veti ki. 18

19 Nem jó villamos vezető. a réz villamos vezetőképességének alig több, mint 3 %-a. Villamos ellenállásanyagként hasznosítható ez a tulajdonsága. Alkalmazás: repülőgép-, rakétatechnikai felhasználása jelentős, kémiai berendezések (pl.: hőcserélők, elektródok) gyártásánál, hajóépítésnél (tengervíz-álló alkaktrészek) alkalmazzák. Orvostechnikai felhasználása rendkívül fontos, mely biokompatibilis tulajdonsága miatt lehetséges, de a szilárdsága, korróióállósága is fontos az alklamazásánál. Nehézfémek A nehézfémek sűrűsége ρ > 4,5 kg/dm3. Egyik ismert csoportja a színesfémek csoportja. Általában azokat a fémeket sorolják a színesfémek közé, melyeket nem alkalmazzák a vasötvözetekben. Ezek a színesfémek: réz (Cu), ón (Sn), ólom (Pb), cink (Zn). Réz (Cu), ρ = 8,92 kg/dm 3 A legrégebben ismert nehézfémek egyike. Vörös színű. A természetben bár ritkán -, de elemi állapotban is előfordul. Olvadáspontja T olv = 1083 C. Kiváló villamosés hővezető, fajlagos vezetőképessége a második az ezüst után γ = 59,8 * 10 6 S/m, ábra: A természetben előforduló elemi réz diamágneses anyag. Ezek a tulajdonságai teszik a villamosipar egyik legfontosabb elemévé. Általában 99,9 %-os nagytisztaságú rezet használnak. Lapközepes köbös térrácsú, kisszilárdságú (R m =235 MPa) fém. Szilárdsága hidegalakítással megnő. A réz jól alakítható, jól hengerelhető, húzható, kovácsolható. De nem forgácsolható, mert kenődik. Nem önthető, mert a formát rosszul tölti ki, és öntés közben sok gázt nyel el, így az öntvény porózus szerkezetű lesz. Jó korrózióálló. A nedves levegő hatására a felületén Cu 2O réteg képződik, mely a levegő CO 2 és SO 2 tartalmával egyesülve jól tapadó, tömör rézkarbonát-rézszulfát réteget (patinát) képez. Ez a réteg a korrózió további terjedését megakadályozza. A réz szerves savak és füstgázok hatásának ellenáll, ammóniában viszont erősen korrodálódik. Oldott vegyületei mérgezőek! A folyékony állapotú réz mindig tartalmaz Cu 2O-t, de szilárd állapotban nem oldják egymást. Dermedéskor a Cu- Cu 2O eutektikum a rézkristályokat hálószerűen veszi körül. Az eutektikum rontja a hidegalakítást (rideg), és a melegalakítást is (alacsony olvadáspont). A vezetőképességet is erősen lerontja. Ezért az oxigén a rézben nagyon káros. A hidrogén magasabb hőmérsékleten bediffundál a rézbe és a Cu 2O oxigénjével vízgőzt alkot, mely nem tud a rézből kidiffundálni és megrepeszti azt. Ezt a károsodást nevezik a réz hidrogén betegségének. 19

20 Technológiai tulajdonságai ötvözéssel javíthatók. Ötvözetei: Sárgaréz: Cu-Zn ötvözet, színe a cinktartalomtól függően világossárgától a sötétsárgáig változik, kémiai hatásokkal szemben ellenálló, Zn<30 s% hidegen jól alakítható, rosszul forgácsolható, a cink tatalom további növekedésével a szilárdság nő, de a vezetőképesség jelentősen romlik Zn s% melegen jól alakítható, jól forgácsolható, ábra: Cu-Zn kétalkotós állapotábrája nyújtható, különleges sárgarezek: Ni v. Al szilárdság, keménység, szemcsefinomság javítására, a nikkel tartalom növeli a korrózióállóságot, Mn, Sn melegszilárdság, tengervízállóság javítására. alpakka (új ezüst): Cu-Zn-Ni, általában % Cu, % Zn, és % Ni tartalommal készülnek, szakítószilárdságuk MPa, jó rugalmas és korróziós tulajdonságok, fényét hosszú ideig megtartja, Bronzok: 60 %-nál több rezet tartalmazó ötvözetek ónbronz: 14 % óntartalomig használják, 8 % óntatalom alatt alakítható, fölötte pedig önthető ónbronzról beszélhetünk, vezetőképessége σ = 36*106 S/m, jó mechanikai és siklási tulajdonságai miatt siklócsapágyakat, csúszó alkatrészek anyaga, a villamosiparban áramvezető alkatrészek, érintkező rugók készülhetnek belőle, gépalkatrészek, dísztárgyak, érmek, szobrok, harangok anyagát képezik. ólombronz: réz, ón, ólom ötvözet, jó csúszási tulajdonságok, siklócsapágyak, csapágyperselyek gyártására kiválóan alkalmas,mert ólomtartalma miatt önkenő tulajdonsággal rendelkezik. ezüstbronz: mivel alacsony ezüsttartalom (1 %) mellett főként a mechanikai tulajdonságok javulnak, villamos motorok kommutátorai, nagygépek tekercsei készülnek ebből az ötvözetből, kb. 5,5 % ezüst tartalmú ötvözetek vezetőképessége σ = 52* 10 6 S/m és mechanikai tulajdonságai is jók, így ellenálláshegesztőgépek elektródái, valamint nagy mechanikai 20

21 igénybevételnek kitett vezető alkatrészek anyagát képezik. A villamosiparban max. 6 % ezüst tartalmú ötvözetek használnak, de más területeken magasabb ezüsttartalmú rézötvözeteket is alkalmaznak, pl.: az érmekészítésnél, kadmiumbronz: a kadmiumtartalom emelkedésével a vezetőképesség romlik a szakítószilárdásg pedig nő. A kisebb kadmiumtatalmú ötvözetek kollektor lamellák, vékony huzalok, flexibikis kábelek anyaga, 0,6-1,2 % ötvözőanyagtartalom esetén felsővezetékeket, távvezetékeket készítenek az ötvözetből, magasabb kadmiumtartalom esetén pedig pont- és vonalhegesztő gép elektródák anyagát adják. alumíniumbronz: a réz szilárdságát növeli az alumínium, korrózióállóvá és egyes kémiai anyagokkal szemben pedig ellenállóvá válik, a különleges alumíniumbronzok melegen jól alakíthatók, nagy szilárdságuak, kifáradásra nem érzékenyek, és a kavitációnak, eróziónak jól ellenállnak, vegyipari-, élelemiszeripari- és konzervipari berendezések alkatrészeit készítik alumíniumbronzból. nikkel-, mangánbronzok, berilliumbronzok: a réz berrilium oldóképessége korlátozott, szilárdságot növeli, rendkívül nagy keménység és folyáshatár érhető el a többi rézötvözethez képest, jó rugalmas tulajdonságokkal rendelkeznek, rugók, membránok, membránszelencék, szilfonmembránok anyagaként alkalmazzák, Cu-Ni a két alkotó korlátlanul oldja egymást, a nikkel tartalom függvényében a réz diamágneses tulajdonságai paramágnesessé, később ferromágnesessé válnak. Alkalmazás: Réz elektrotechnika (kábelek, huzalok, ellenállások, villanymotorok kommutátor lemezei, ponthegesztő elektródák), nyomtatott huzalozású lemezek vezetékhálózata, 21

22 ábra: Ponthegesztő berendezés (elektródája sárgaréz), nyomtatott huzalozású lemezek félkész termékek: lemezek, csövek (kazáncsövek jó hővezető tulajdonság!) Sárgaréz: élelmiszeripar (tejüzemi-, szeszgyári berendezések), üstök, hütő- és melegítőkészülékek, víz-, gáz-, fűtésszerelvények, esztergált alkatrészek, Zn mélyhúzott alkatrészek, bútorok, épületek díszítőelemei, rézfúvós hangszerek, ábra: Sárgaréz szerelvények é sárgaréz hangszer 22

23 alpakka: híradástechnika relérugók, membránok, finommechanikai membránanyag (szilfonmembránok is!), a villamosiparban érintkező rugókat, csúszóérintkezőket készítenek belőle ábra: Az alpakka, mint díszítőelem egy sétabot fogantyúján. Jobbra: csúszócsapágyak bronz: tribotechnika (csúszócsapágyak, csigakerekek, kavitációs és eróziós igénybevételű alkatrészek), Igen gazdag ismertanyag található a rézről a oldalon. Nikkel (Ni), ρ= 8,85 kg/dm 3 A nikkel szívós, jól alakítható fém. Hő- és villamosvezetőképessége relatíve alacsony. Curie-pontja 360 oc-nál van, eddig a hőmérséklet határig ferromágneses. Korrózióálló, oxidációval szembeni ellenállása is jó. Kemény, kopásálló, könnyen ötvözhető fém. Jól mágnesezhető. De kén bediffundálásával szemben érzékeny, ennek következménye, hogy hidegalakításkor hajlamos a felszakadásra, melegalakításkor és hegesztéskor a melegszakadásra. Ötvözetei: Ni-Cu: minden arányban ötvözhető. Nagyon jól alakíthatók, önthető, forgácsolható és forgácsmentes alakítással is jól alakítható. Kötési technológiákat is jól viseli, forrasztható, hegeszthető. 30 % Cu tartalmú ötvözetei korrózióállóak. Ni-Cr: Cr tartalom max. 20 %-ig növelhető. Cr tartalom növekedésével nő a passziválódási képesség, revementesség és nő a melegszilárdság. 20%-nál magasabb krómtartalmu ötvözetet nem készítenek, mert a hőállóság már nem növekszik jelentősen, viszont a megmunkálhatóság csökken. Kb. 3 % Si a hőállóságot és az élettertamot jelentősen megnöveli. Ezenkívül kedvező hatás érhető el un. mikroötvözők segítségével. Ezek lehetnek Ca, Ce, Th. Ezeknek az ötvözeteknek hátránya, hogy kénre, kénes atmoszférára érzékenyek. Nikkel szulfid alakjában 23

24 ként vesznek fel, ami a nikkel-oxiddal együtt alacsony hőmérsékleten olvadó eutektikumot képez. A megolvadt eutektikum a kristályok közé hatol, az ötvözetet törékennyé teszi. A vasban dús ötvözetek kénre kevésbé érzékenyek. Ni-Fe: s% Ni tartalom mellett mágnesesen lágy ötvözetet lehet kapni. Nagy a permeabilitása. Fe-Ni-Co: mágnesesen kemény, nagy mágnesezhetőségű anyag. Alkalmazása: A Ni alapú ötvözeteknek nagy a hőállósága, ezért belsőégésű motorok szelepeit, repülőgépek turbinalapátjait készítik belőle, jó hőállóságát az űrtechnológiában is jól tudják hasznosítani. Vegyi üzemek berendezéseihez, kémiai reakciók katalizátoraként használják. Vegyületeit felhasználják galvanizázláshoz, akkumulátorokban, festékek előállításakor. De ékszerek, érmék gyártásánál is gyakori alapanyag. Orvosi implantátumok készítésére is alklamas. Atomreaktorokhoz készítenek alkatrészeket Ni alapú ötvözetekből. A Ni-Fe ötvözeteket az elektrotechnikai ipar használja termoelemek, precíziós ellenállások gyártására ábra: NI ötvözetek lehetséges felhasználási területe Cink (Zn), ρ= 7,14 kg/dm 3 Kis szilárdság, kitűnő légköri korrózióállóság, jó öntési tulajdonságok jellemzik. Anizotróp alakítási tulajdonságokkal rendelkezik. Mérgező. Ötvözetei: A 99,9-99,5 %-os Zn nagyon jól önthető, finomhorgany néven ismert, Az ötvözet szilárdsága növelhető 3,5-6 % Al és 1,6 % ötvözéssel, A kristályközi korrózió megakadályozható 0,05 % Mg ötvözéssel. 24

25 Alkalmazása: acélon korrózióálló bevonat készítése, az ún. tüzi-horganyozás. Általában korróziónak kitett helyeken alkalmazott darabok anyagaként pl.: az építőiparban csatornák, ereszcsatornák anyagaként, gyógyszeriparban, vegyiparban vagy az általános gépgyártásban használják. A villamosiparban galvánelemek elektródáiként hasznosítják. A cinkvegyületek (pl.: cinkszulfid) fontos lumineszcens anyagok ábra: Zn alkalmazási példa: épület szerelvény, vödör Ón (Sn), ρ= 7,28 kg/dm 3 Olvadási hőmérésklete T olv=232oc, ezüstfehér színű, lágy fém. Kiváló korrózióálló tulajdonságokkal rendelkezik, szilárdsága kicsi, hidegalakításnál nem jelentkezik felkeményedés, nagy szakadási nyúlás jellemzi. Több allotróp módosulata van. 13,2 o C alatt gyémántrácsú, 161 o C-ig tetragonális és magasabb hőmérsékleten pedig rombos szerkezetű a kristályrácsa. Ezek az átalakulások fajtérfogatváltozással járnak. A gyémántrácsú, rideg anyag ezt a térfogatváltozást nem viseli el és porrá esik szét, ezt nevezik ónpestisnek. Ötvözetei: 80% Sn, 12% Sb, 7% Cu, 1% Pb, nagyon jó csúszási tulajdonságokkal rendelkezik, siklócsapágyak készítésére alkalmas, 63 % Sn -37% Pb forraszanyag, ólommentes forraszanyagok Sn és Cu, In, Ag, Au, Bi, Zn, Ge különböző összetételű ötvözetei az ólommentes forrasztás forraszanyagai ábra: Óntartalmú elektronikai forraszanyagok, folyadékkristályos kijelző (felépítése) 25

26 Alkalmazásai: Jó siklási tulajdonságai alapján siklócsapágyak, csúszófelületek kialakítására alkalmas. Az elektronikai ipar forraszötvözeteinek alapanyaga. Az élelmiszeripar, építőipar a jó korrózióállóságát használja ki. Az ónoxidot (SnO2) üvegfelületre felvíve átlátszó áramvezető réteget alkot, a folyadékkristályos kijelzőkben használják. Ólom (Pb), ρ= 11,34 kg/dm 3 Jól alakítható, jól önthető, hegeszthető, forrasztható igen lágy fém. Olvadáspontja T olv = 327 o C. Korróziós hatásoknak ellenáll. Nedves levegő hatására a felületén kialakul egy ólomkarbonát réteg. Ez a szürkésfehér réteg megvédi a további oxidációtól és korróziótól. Viszont o C-on újrakristályosodik, rázásnak kitett helyeken a kristályhatárokon repedések alakulhatnak ki, mely töréshez és a kristályhatárokon ún. interkrisztallin korrózió kialakulásához vezethet. A γ-sugárzást elnyeli (nagy tömegszám). Mérgező. Ötvözetei: Keményólom: 5-12 % Sb, 0,1-0,2 % As, szakítószilárdsága MPa akkumulátorok, 1-3 % Sn, 0,6-0,8 % Sb kábelköpenyek, 63 % Sn -37% Pb forraszanyag, csapágyfémek: melyek kis szilárdságuak, lehetnek Pb-Sn-Sb-Cu óntartalmúak és ónmentesek Pb-Na-Ca-Li-Al, jó formakitöltése miatt a nyomdaipar a Pb-Sn-Sb ötvözetet alkalmazta ábra: Orvosi sugárvédelmi kötény, kábel Alkalmazásai: A tiszta fémet elsősorban a vegyiparban használják. A fent említett ötvözetét kábelköpenyek gyártására használják, mert viszonylag alacsony hőmérsékleten sajtolható és nem teszi tönkre a kábel szigetelőanyagát. Az elektronikai ipar nagy mennyiségű ólmot használt fel a 26

27 kötéstechnológiában, lágyforraszként, de az EU-s szabályozás szerint, 2006 óta az ólomtartalmú forraszanyagok nem használhatók. Sugárvédelemben használják. Egyéb fémek Még néhány magas olvadáspontú fémet kell megemlíteni. Általában fűtőellenállások alapanyagát alkotják. Ezektől magasabb hőmérsékleten hosszú élettartam a követelmény. Tantál (Ta), olvadáspontja T olv = 2996 o C, fajlagos vezetőképessége σ = 8,1*106 S/m, 4,48 ok-en szupravezetővé válik. Az elektronikai iparban integrált áramkörök, kisméretű, de nagy kapacitásu kondenzátorok előállításra használják. Molibdén (Mo), olvadáspontja T olv = 2622 o C, fajlagos vezetőképessége σ = 17,5*106 S/m. A villamosiparban kemencék fűtőellenállásként, védőgázas közegben alkalmazzák. Az izzólámpák gyártásánál a spiráltartót molibdénből készítették. Volframmal ötvözve nagyteljesítményű érintkezőanyag. Wolfram (W), T olv = 3395 o C, fajlagos vezetőképessége σ = 18,2*106 S/m. A vákuumtechnikában izzószálként alkalmazzák, a háztartásokból egyre inkább kiszorul. Az erősáramu ipar nagyteljesítényű érintkezőinek anyaga, valamint fűtőellenállások anyaga. Csak védőgázban alkalmazható. Erősáramú technikában széles körben alkalmazott érintkező anyag ábra: Wolfram ízzószálak a világítótestekben Az érintkezőanyagoktól különleges tulajdonságokat várunk el, hiszen összetett mechanikai és villamos igénybevételnek van kitéve. Megfelelő szilárdásággal, kopásállósággal kell rendelkezniük. Fontos, hogy jó korrózióállók legyenek. Villamos tulajdonságai közül fontos a kis átmeneti ellenállás, és esetlegesen nagyobb teljesítményeknél pedig a jó ívállóság. 27

28 Nemesfémek Az oxigénhez gyenge vegyrokonságot mutatnak, felületükön nem alakul ki oxidréteg, ami rontaná az átmeneti ellenállás értékét. Arany (Au), ρ= 19,3 kg/dm 3 Az arany lágy, rendkívül jól nyújtható fém. A harmadik legjobb villamosan vezető anyag. Fajlagos vezetőképessége σ = 49*10 6 S/m. A vegytiszta arany nem oxidálódik, savaknak és lúgoknak ellenáll, csak a királyvíz (sósav, salétromsav) oldja. Kis szilárdásgu, de szilárdsága Cu, Ag ötvöző anyaggal növelhető. Alkalmazásai: Az állami pénzkiadás fedezete az arany. Ékszereket, kisebb dísztárgyakat készítenek belőle. Mivel rendkívül jól nyújtható, az 0,0001 mm vastag aranyfüstöt díszítőanyagként alkalmazzák. Az elektronikai iparban IC-k belső bekötéseit (bondolását) aranyhuzallal készítik. Kisteljesítményű érintkezőket, kivezetéseket, csatlakozókat aranyoznak ábra: Állami pénzfedezet aranyrudai, IC belső kivezetése aranyhuzalokkal a lábakhoz Ezüst (Ag), ρ= 10,5 kg/dm 3 A legjobb villamos és hővezető képességű fém. Fajlagos vezetőképessége σ = 62,7*10 6 S/m. Erősen nyújtható, jól kovácsolható, a réznél lágyabb, az aranynál keményebb fém. A salétromsav szobahőmérsékleten, a kénsav csak magasabb hőmérsékleten oldja. Kénhidrogén jelenlétében barnafekete ezüstszulfid keletkezik a felületén. Alkalmazásai: Érmek, ékszerek anyaga az ezüst. Ötvözőanyagként is fontos szerepe van. Az elektrotechnikai alkatrészek érintkezőinek, vagy azok bevonatainak anyaga, de a keményforraszok nagy része is ezüst alapanyagú. Az ólommentes forraszanyagok egy részének ötvözőanyaga. Az optikai 28

29 iparban tükörbevonatok készítésre használják. A film és fotóipar is nagy ezüst-fogyasztó volt, aminek a digitális technika elterjedése vetett véget. A vegyiparban katalizátorként is használatos ábra: Fent: optikai tükör, és ezüstözött érintkezők. Lent: ezüst dísztárgyak Platina (Pt), ρ= 21,37 kg/dm 3 Villamos vezetőképessége gyenge σ = 10,1*10 6 S/m, de korrózióállósága rendkívül jó. Csak a királyvíz oldja. Melegszilárdsága nagy. Jól nyújtható, jól húzható. Alkalmazásai: korróziómentes érintkezők anyaga, ellenállás hőmérőket, termoelemeket készítenek platinából. Kémiai folyamatok katalizátoranyaga, vegyipari berendezésekben a korrózióállóságát használják ki. Mivel hőtágulása az üvegéhez hasonló, ezért üvegbe ágyazott huzalokat is készítenek belőle. Gyakran ékszerek és dísztárgyak anyaga ábra:platina ékszer és platina bevonatú érintkező 29