KOMÓCSIN MIHÁLY GÉPIPARI ANYAGISMERET

KOMÓCSIN MIHÁLY GÉPIPARI ANYAGISMERET Miskolc 2001

Lektorálta: Dr. Káldor Mihály egyetemi tanár, a műszaki tudomány doktora Dr. Komócsin Mihály, 1995, 2001 Grafikai munkák: Komócsin Péter Minden jog fenntartva, beleértve bárminemű sokszorosítás, másolás, elektronikus médiumban való feldolgozás és közlés jogát is a könyv egészére vagy annak egyes részeire. ETO : 621.7./9, 669.017 ISBN : 963 04 8287 5 Első kiadás, 1995 Második kiadás, 1997 Harmadik, átdolgozott kiadás, 2001 Kiadja a COKOM Kft., Miskolc Nyomás és kötés: OFFICINA Press Kft., Szeged Felelős vezető: Dr. Kékes Tiborné Formátum: B5 Ívterjedelme: 25,5 (B5)

Előszó TARTALOM Bevezetés 0. Az ipari anyagok szerkezete és tulajdonságai 0.1 Az anyagok mikroszerkezete 12 0.2 A mikroszerkezet és a tulajdonságok kapcsolata 19 1. Fémek előállítása 1.1 Ásvány-előkésztés 25 1.1.1 Ércdúsítás 26 1.1.1.1 Ércdúsítás fizikai eljárásai 26 1.1.1.2 Ércdúsítás kémiai eljárásai 27 1.1.2 Ércdarabosítás 31 1.2 Fémkinyerés 32 1.2.1 A fémkinyerés elektrometallurgiai módszerei 35 1.2.1.1 Alumíniumkohászat 40 1.2.2 Fémek kinyerése pirometallurgiai módszerei 43 1.2.2.1 A nyersréz előállítása kéneskőből 43 1.2.2.2 A nyersvasgyártás 43 2. Fémek tisztítása és ötvözése 2.1 Konverteres acélgyártás 51 2.2 Elektroacélgyártás 60 2.3 Kemencén kívüli finomító eljárások 64 2.3 1 Az acél ötvözése és a gáztartalom csökkentése kicsapatással 65 2.3.2 Az acél kezelése szilárd anyag injektálásával 70 2.3.3 Az acél tisztítása szintetikus salakkal 72 2.3.4 Az acél vákuumozása 72 2.3.5 Az acél kezelése gázátfúvatással 74 2.4 Nagytisztaságú fémek előállítása 75 2.4.1 Finomítás elektrolízissel 75 2.4.2 A zónás átolvasztás 77 V

3. A fémek és ötvözeteik kristályosítása 3.1 A kristályosodás 79 3.1.1 A hőmérséklet-különbség irányította kristályosodás 81 3.1.2 A koncentráció-különbség irányította kristályosodás 84 3.1.3 Az eutektikum kristályosodása 88 3.2 Kristályosító eljárások 89 4 Fémek és ötvözeteik 3.2.1 Tuskóöntés 90 3.2.2 Folyamatos öntés és kristályosítás 94 3.2.3 Öntvehengerlés 96 4.1 Egyfázisú fémes anyagok 97 4.1.1 A színfémek tulajdonságai 97 4.1.2 A színfémek tulajdonságainak módosítása 102 4.1.3 Szilárdoldatok 112 4.1.3.1 A szubsztitúciós szilárdoldatok 112 4.1.3.2 Az intersztíciós szilárdoldatok 140 4.2 Többfázisú fémes anyagok 148 4.2.1 A fázisok minőségének és mennyiségének változtatása ötvözéssel 149 4.2.1.1 Szerkezeti acélok 150 4.2.1.2 Öntöttvasak 161 4.2.2 A fázisok alakjának változtatása 166 4.2.2.1 Temperöntvények 166 4.2.2.2 Nemesíthető acélok 170 4.2.2.3 Bénites szerkezetű acélok 189 4.2.2.4 Alakadó technológiákhoz kifejlesztett acélok 191 4.2.2.5 Szerszámacélok 199 4.2.2.6 Kiválásosan keményedő alumínium- és rézötvözetek 214 4.3 Kérgesített anyagok 225 4.3.1 Felületi edzés 225 4.3.2 Felületötvöző hőkezelés 228 4.3.2.1 Cementálás, betétedzés 229 4.3.2.2 Nitridálás, karbonitridálás 232 4.3.2.3 Boridálás 234 VI

5 Kerámiák 5.1 Egyatomos kerámiák 235 5.2 Oxidmentes vegyületkerámiák 237 5.2.1 Keményfémek, cermetek, keramikus lapkák 238 5.2.2 Kerámia-bevonatok 242 5.3 Oxidkerámiák 242 6 Polimerek 5.3.1 Üvegek 243 5.3.2 Kristályos oxidkerámiák 245 5.3.3 Kristályos hidrátok 247 6.1 Műanyagok előállítása 251 6.1.1 Polimerek szerkezete 254 6.1.2 Műanyagok szerkezete 257 6.2 Műanyagok és tulajdonságaik 258 6.2.1 Hőre lágyuló műanyagok ( termoplasztok ) 258 6.2.2 Hőre keményedő műanyagok ( duroplasztok ) 262 6.2.3 Műkaucsukok ( elasztomerek ) 264 7 Társított szerkezeti anyagok 7.1 Szemcsés adalékú társított anyagok 270 7.2 Szálerősítésű társított anyagok 272 7.3 Rétegelt társított anyagok 280 7.4 Bevont anyagok 281 8. Anyagok károsodása, anyagkiválasztás 8.1 Anyagok igénybevétele és károsodása 284 8.1.1 Anyagok igénybevétele 284 8.1.2 Anyagok károsodása 285 8.1.2.1 Törés 286 8.1.2.2 Leromlás 288 8.1.2.3 Kopás 289 8.1.2.4 Korrózió 291 8.2 Anyagkiválasztás 293 8.2.1 Az anyagkiválasztás műszaki szempontjai 294 VII

8.2.2 Az anyagkiválasztás gazdasági szempontjai 296 8.2.3 Példák az anyagkiválasztásra 298 BÖHLER acélok 300 Melléklet 303 Irodalom 313 Fogalmak 315 Tárgymutató 325 Szabványmutató 354 Anyagmutató 355 Szabványjegyzék 361 Kérdések és feladatok 367 VIII

ELŐSZÓ AZ ELSŐ KIADÁSHOZ Világunk, az anyagok világa határtalanul gazdag, változatos és sokrétű. Ez a sokszínű világ - amely körülvesz bennünket és amelynek egyben részei is vagyunk -, átfogja az atmoszféra egyszerű atomjaitól a rendkívül összetett szerkezetű élő, szerves molekulákig az anyagok fajtáinak millióit. Látszólag az anyagoknak ez a rendkívüli változatossága fel sem fogható az emberi elme számára. Ma talán még így is van. Az anyagok szerkezetéről, tulajdonságairól egyre több ismeretre teszünk szert, ezért már napjainkban is mód nyílik arra, hogy mikró- és makroszkopikus szerkezetük ismeretében legfontosabb tulajdonságaikat meg lehessen határozni olyan anyagok esetében is, amelyeket még elő sem állítottak. Többszázezer év választja el az egyszerű kőszerszámot pattintó előembert napjaink, óriásmulekula-láncait tervező kutatóitól, de mégis ugyanaz a szándék köti őket össze: uralom az anyag felett. Alapvető különbség közöttük csupán az, hogy az előember csak használta azt, napjaink embere viszont meg is akarja ismerni és a közöttük lévő törvényszerűségeket szeretné meg is érteni. A mérnökök munkájuk eredményét az anyagok egy viszonylag szűk körében álmodják és valósítják meg. Ez a viszonylag szűk kör így is több ezer féle anyagot jelent. Meglehetősen reménytelen vállalkozás az ipari anyagoknak akár csak a legfontosabb tulajdonságait is észben tartani. Az ipari anyagok széles választékában az eligazodást azok az alapvető törvényszerűségek ismerete jelentheti, amelyek kapcsolatot teremtenek az anyag vegyi összetétele, szerkezete és tulajdonságai között. A mérnöki munkában nap, mint nap ki kell választani a gyártmányhoz leginkább megfelelő anyagokat, vagy előírt anyag-minőségekből el kell készíteni egy terméket. Ezek a napi feladatok csak úgy oldhatók meg sikeresen, ha a mérnök ismeri a tervezett, ill. felhasznált anyagok tulajdonságait, ezek módosításának lehetőségeit és viselkedésüket a gyártás során. A könyv terjedelmi-, és a szerző ismereteinek korlátai miatt nem vállalkozhat arra, hogy a műszaki feladatok megoldása során felvetődő minden kérdésre megoldási sémát adjon. Az azonban célja, hogy az anyag szerkezete és tulajdonságai közötti kapcsolat, vagyis fémfizikai és fémtani ismeretek alapján ismertesse a gépészeti gyakorlatban leginkább használatos anyagok körét azoknak a mérnököknek, ill. egyetemi-, főiskolai hallgatóknak, akik nem a szűken értelmezett anyagtudományi területen dolgoznak, ill. tanulnak. Abból a megfontolásból kiindulva, hogy a tisztelt Olvasó számára a könyv a gyakorlati feladatok megoldásához a legközvetlenebb segítséget nyújthassa, a fémfizikai és fémtani ismeretek csak az éppen szükséges mértékűek. Ez a megközelítés természetesen nem jelenthet igénytelenséget. Ezt elkerülendő a könyv végén található irodalomjegyzék, amely a további, elmélyült tanulmányozásra szolgáló, egy-egy szakterület alapvető szakirodalmát foglalja össze. A könyv még a szerkezeti anyagok köréből is válogatásra kényszerül, s mint minden válogatás, természetesen ez sem mentes a szubjektivizmustól. A válogatás minden bizonnyal tükrözi a gépészmérnök szerző szakmai tevékenységi körét. A könyv korlátai és fejlesztésének szükségessége nyilvánvalóak, amiben közrejátszott a rendelkezésre álló szűk idő is. E kényszerítő ok miatt kellett befejezni a kézirat összeállítását, nem pedig azért, mert minden lényeges kérdés teljes mélységű kidolgozásra került, mégkevésbé azért, mert a könyv elérte a tartalmi tökéletességet és tovább már nem csiszolható a tartalma, formája és nyelvezete. IX

Remélhetőleg a könyv hasznos segítséget jelent az egyetemi oktatásban is azon gépészmérnök hallgatóknak, akik a könyvével azonos tartalmú tantárgyat tanulnak. Figyelemmel arra, hogy a könyv tankönyvül is szolgál, stílusában a közérthetőségre, a könnyű tanulhatóságra is igyekszik hangsúlyt fektetni. Ez szükségszerű egyszerűsíté-sekhez vezet, ami remélhetőleg nem jelent egyben pongyolaságot is. Az anyagok tárgyalási sorrendje, amely az egyszerűbbtől az összetettebb anyagok irányában halad, ezért gyakran nem a célszerűséget, hanem az ésszerűséget követi. Köszönettel tartozom egyetemi- és tanszéki kollégáimnak, akik feladataim egy részének átvállalásával megteremtették a könyv megírásának lehetőségét. Külön is szeretném megköszönni tanártársamnak, dr. Lizák Józsefnek a támogatását, aki a kézirat első olvasójaként tapasztalatával és széleskörű ismereteivel segítette a könyv megszületését. Hálás köszönettel tartozom dr. Káldor Mihály professzor úrnak, a műszaki tudomány doktorának lelkiismeretes lektori munkájáért és a könyv szakmai színvonalát javító tanácsaiért. Végül, de nem utolsó sorban azoknak a cégeknek mondok köszönetet, mint a Borsodi Ércelőkészítő Mű. Rt.-nek, a BŐHLER Kereskedelmi Kft-nek, a LINDE GÁZ Magyarország Rt.-nek, a MOL Rt.-nek, TÜV Rheinland EUROQUA Kft.-nek, a TÜV Rheinland Hungária-nak, akik hirdetéseikkel is támogatták a könyv megjelenését. Miskolc, 1995. július ELŐSZÓ A MÁSODIK KIADÁSHOZ A könyv valamennyi példánya még a kiadás évében elfogyott. Talán lehet ezt a tényt úgy értelmezni, hogy a könyvet nemcsak az egyetemi- és főiskolai hallgatók, hanem az iparban dolgozó szakemberek is érdeklődéssel fogadták. Ezért örömmel készítettem elő egy új, nagyobb példányszámú, igényesebb kivitelű kiadást. Az új kiadás nemcsak néhány javítást és a szabvány változás miatti módosítást, hanem a tanulást segítő kérdésgyűjteményt is tartalmaz. Ezt a bővítést a Pro Renovanda Cultura Hungariae Alapítvány támogatása tette lehetővé. Bízom abban, hogy a hallgatók és egyben az üzemi szakemberek is hasznos segítséget találnak a könyv új, bővített kiadásában. Köszönet illeti az ALCOA-KÖFÉM Kft-t, a BŐHLER Kereskedelmi Kft-t, a Diósgyőri Acélmű Rt.-t, a DUNAFERR Acélművek Kft.-t, a LINDE GÁZ Magyarország Rt.-t, a Magyar Alumínium Rt.-t, a METALCONTROL Kft.-t, a TÜV Rheinland Hungária Kft.-t, a Zalakerámia Rt.-t, és a ZOLTEK Magyar Viscosa Rt.-t akik hirdetéseikkel is támogatták a könyv újbóli megjelenését. Miskolc, 1997. május X

ELŐSZÓ A HARMADIK, ÁTDOLGOZOTT KIADÁSHOZ Magyarország csatlakozási szándéka az Európai Országok Közösségéhez az európai jogharmonizáció részeként jelentős változásokat hozott a szabványokban is. A Gépipari Anyagismeret c. könyv keresettségét az ipari szakemberek körében nem csekély mértékben az jelenti, hogy anyagjelölései, adatai követik a szabvány változásokat. Ezért az újra megjelenő kiadásokban ezt a frissítést mindenképpen el kell végezni. Az új kiadás nyújtotta lehetőségeket kihasználva egy jelentősebb, a korábbi kiadás mintegy harmadára kiterjedő átdolgozásra is sor került. Az átdolgozás során az elmúlt tíz évben az anyagtudományban elért új eredményeken, az anyagfelhasználás arányainak változásán túl külön figyelmet kívántunk szentelni a környezeti hatásokra, az anyag újrafeldolgozásának lehetőségeire és folyamataira. Az átdolgozás során az anyagismeret egyetemi és főiskolai szintű oktatásának tapasztalatait is hasznosítani kívántuk, hisz a könyv egyik alapvető célja, hogy segítse a felsőoktatás ilyen tartalmú tantárgyainak elsajátítását. Ebben a törekvésben jelentős és önzetlen segítséget kaptam Kovács Ferenc és dr. Scheffer József egyetemi kollégáimtól. Köszönet illeti a BŐHLER Kereskedelmi Kft-t, a FERROGLOBUS Thyssen Rt.-t, a GUARDIAN HUNGUARD Kft., a LINDE GÁZ Magyarország Rt.-t, a Magyar Alumínium Rt.-t, a METALCONTROL Kft.-t, a TÜV Rheinland Hungária Kft.-t, és a ZOLTEK Magyar Viscosa Rt.-t akik hirdetéseikkel is támogatták a könyv újbóli megjelenését. Bízom abban, hogy a hallgatók és egyben az üzemi szakemberek is hasznos segítséget találnak a könyv új, átdolgozott kiadásában. Miskolc, 2001. szeptember Komócsin Mihály XI

XII

BEVEZETÉS Az anyag a tudatunktól függetlenül létező objektív valóság, amelynek számtalan megjelenési formája van definiálja az anyagot a Magyar Nagylexikon. Természetesen az ember maga is anyag, matéria. Mint a latin eredetű elnevezés szótöve a mater, anya szó is jelzi, az anyagot a mindent átfogó jellege határozza meg. Az anyag, amely az emberi léthez elengedhetetlen, amit az ember nyer ki a természetből, s alakít át olyanná, amely az igényeinek leginkább megfelelő, modern korunkban már hihetetlen formai gazdagságban áll rendelkezésre. Az anyagok igen sok szempont szerint csoportosíthatók. Egy ilyen csoportosítási szempont lehet valamely tulajdonság, pl. a halmazállapot, vagy az, hogy az anyag szerves, vagy szervetlen, de ilyen csoportosítási elv lehet az is, hogy az ember milyen típusú szükségleteinek kielégítésére használja azokat. Szinte bármilyen csoportosítást is választunk biztosan lesznek olyan anyagok, amelyek ilyen vagy olyan vonatkozásban akár több csoportba is sorolhatók. Ez utóbbi szempont szerinti csoportosításban az anyagok lehetnek: létfenntartáshoz szükségesek, mint az élelmiszerek, energiahordozók, mint a fosszilis tüzelőanyagok, ipari anyagok, mint a fémek. A világ egy főre jutó anyagfelhasználása - olyan, a természetben ma még lényegében korlátozás nélkül rendelkezésre álló anyagok, mint a levegő és a víz kivételével - 2000-ben valamivel több mint 6 tonna volt. A felhasználási célnak megfelelő csoportosítás szerinti megoszlást szemlélteti az 1. diagram. Az 1. diagramból megítélhető, hogy az ember által felhasznált, pontosabban a természetből kivont, átalakított anyagok tömegüket tekintve legnagyobb mennyiségben ipari célokat szolgálnak. A mérnökök munkájuk során az ipari anyagokkal kerülnek kapcsolatba, a könyv ezen belül is elsősorban a szerkezeti anyagokkal foglalkozik. Az ipari célra használt anyagok köre, amely anyagfajták ezreit fogja át, az anyagot alkotó atomcsoportban levő atomok száma szerint további alcsoportokba rendezhető. A nagyszámú atomot tartalmazó vegyületek, a természetes és mesterséges szerves polimerek. A szervetlen anyagok néhány, legfeljebb tucatnyi atomot tartalmazó vegyületei képezik a második csoportot, amelyek közé sorolhatók például a kerámiák. Az ipari anyagok harmadik csoportjába tartoznak a jellemzően elemeket, esetleg nagyon egyszerű vegyületeket tartalmazó fémek és ötvözeteik.

BEVEZETÉS energiahordozók 31% élelmiszerek 23% ipari anyagok 46% 1. diagram Anyagfelhasználási arányok Ennek a csoportosításnak megfelelően az ipari anyagok besorolhatók : polimerek, mint a fa és a műanyagok, kerámiák és egyszerű szervetlen vegyületek, mint a kő és a kvarcüveg, fémes anyagok, mint a réz és az acél. A világ egy főre jutó ipari anyagfelhasználása 2000-ben már nem érte el a 4 tonnát. Az előző csoportosítás szerinti megoszlást szemlélteti a 2. diagram. polimerek 399 kg/fő fémek 143 kg/fő kerámiák 2304 kg/fő 2. diagram Az ipari anyagok felhasználása A polimerek csoportján belül bár egyre csökkenő arányban, de még napjainkban is döntő többségében, mintegy 91%-os arányban természetes anyagokat, mint fát, természetes cellulózt, valamint növényi és állati eredetű szálakat hasz- 2

BEVEZETÉS nálnak fel. A szintetikus gumi, a műanyagok egy főre jutó alkalmazása alig haladja meg évente a 36 kg-ot. A kerámiák és a velük rokon anyagok csoportjában az arányok nagyon hasonlóak. A cement-, üveg-, kőagyag-, cserép-, tégla-, porcelángyártás aránya a felhasznált kő, homok mennyiségéhez képest nem éri el a 10 %-ot. A fémek a természetben elemi formában gyakorlatilag egyáltalán nem fordulnak elő, ezért bár teljes tömegük az egyéb anyagcsoportokéhoz viszonyítva szinte elhanyagolható, mégis, ha csupán azokat az anyagokat tekintjük, amelyek lényeges emberi beavatkozáson esnek át, ezek körében a fémeknek van meghatározó jelentőségük. A 72 fémes elem közül a mindennapi életben nagyobb mennyiségben alig egy tucatnyit alkalmaznak. Az egyes fémek egy főre jutó termelését a 2000-es adatok alapján a 3. diagram szemlélteti. Hangsúlyozni kell, hogy a világátlag óriási különbségeket fed le régiók, de különösen az egyes országok ipari fejlettségétől függően. vasötvözetek 129,6 kg/fő alumínium 3,85 kg/fő réz 2,34 kg/fő cink 1,32 kg/fő egyéb 2,39 kg/fő 3. diagram A fémek termelési adatai A 3. diagram adataiból egyértelműen kitűnik, hogy tömegét tekintve a vas és ötvözetei a legnagyobb tömegben használt fémes anyag. A vas és ötvözetei után a legnagyobb mennyiségben gyártott fém az alumínium, a réz és az elsősorban ötvözőként használt cink. Ez a négy fém és ötvözetei képezi a fémfelhasználás több mint 98 %-át. A fémek alkalmazása átszövi az élet minden pillanatát, hirdetve az emberi munka, a tudás diadalát. Ezt az elfogultnak tűnő, patetikus állítást alátámasztja, hogy az emberiség nagy korszakainak határköveit az határozta meg, hogy mikor vált képessé a természetben található anyagokat a maga számára hasznos formájúvá átalakítani. Erre utal elnevezésében is a kő-, bronz- és vaskorszak. A homo sapiens azzal tudott kiemelkedni az állatvilágból, hogy képessé vált a természetben található javak - szükségletei szerinti - átalakítására. A több százezer éves első szakócák - a kőből pattintással készített balták -, a kézzel fogható tanújelei ennek az értelmi fejlődésnek. A szakóca pattintását tekinthetjük a legősibb 3

BEVEZETÉS alakadó technológiának. Egyes kövek, mint a vulkanikus eredetű obszidián egy olyan fekete színű, kagylós törésű ásvány, amit az ősember pengének, nyílhegynek használt. Az obszidián kemény és jól pattintható anyag volt. Komoly értéket jelentett ez, hiszen lelõhelyei speciális vulkanikus területekhez kapcsolódnak. Az üveg története ezzel, a természetben talált üvegásvány (obszidián) felhasználásával kezdődött. Talán tízezer éve valamely ősünk észrevette, hogy a megfelelő alakúra formált agyag a tűz közelében megkeményedik és az így kiégetett cserépedényből a folyadék nem szivárog ki, sőt még izzó parázsra helyezve is szilárd marad. A lágy, jól formázható agyagból könnyen lehet a kívánt alakot kialakítani, ugyanakkor kiégetés után nagyon ellenálló anyag jön létre. A természetes eredetű, szervetlen anyagnak ez az eltérő tulajdonságokkal rendelkező másik anyaggá való, első tudatos átalakítása jelentette az anyagtechnológia, vagy más szóval az anyagmérnöki munka kezdetét. Az igényesebb kerámiatermékek csak úgy állíthatók elő, ha nem a parázsba ágyazva készülnek. Az igények növekedésével, a kerámia tárgyak előállítására szakosodott tevékenység, a fazekasság megjelenésével az alkalmi kemencéket felváltották a tartós, a tűztértől elválasztott munkaterű kétrészes kemencék. Egyiptomban megfigyelték, hogy bizonyos homokok alkalmazásakor a cserép felületét fénylő réteg burkolja be. A kétrészes kemencékben megteremtődött a lehetőség a többszörös kiégetésre, az esztétikailag szebb, mázas edények gyártására. Ezek a mázas edények voltak a kompozit anyagok ősei. A mázat alkotó, a cserép felületéről lecsorgó többlet anyag szép színes cseppecskéket alkotott, amit ékszerként lehetett viselni. Az első üveggyöngy leleteket Egyiptomban találták és korukat hétezer évesre becsülik. A régészeti leletek tanúsága szerint már hatezer évvel ezelőtt készítettek üvegmozaikokat és korsókat. Körülbelül hatezer éve a görög tudósok azt tanították, hogy minden anyag ugyanazon alapvető, oszthatatlan szubsztanciákból épül fel. Ez a vélekedés tekinthető az anyagtudomány eredetének. Bármilyen hosszú múltra tekint is vissza az anyagtudomány, sok-sok évezred telt el úgy, hogy az anyagok előállítása, gyártása, megmunkálása a megfigyelésekre, a felgyülemlett gyakorlati tapasztalatokra épült. Ilyen tapasztalati úton szerzett tudás vezethetett el a bronz felfedezéséhez. A fazekasság fortélyaiba beletanult ember véletlenül, talán hat és félezer évvel ezelőtt Cipruson, kétrészes kemencéjének építéséhez olyan kőzetet használt, amelynek egyik ásványa rézvegyület volt. A réz, szulfidos érceiből, mint a kalkozin (Cu 2 S) és a kovellin (CuS), nagyon egyszerűen kinyerhető. A tűztől felizzó érc kéntartalma a levegő oxigénjével érintkezve oxidálódik és füst formájában eltávozik. A tűz és a kénkiégés hője megolvasztja a rezet, ami becsorogva a hamu közé leülepszik, s a hamutakaró megóvja az esetleges oxidációtól. Az így megszilárdult rézcseppecskék azonban szabálytalan alakúak, így használatra gyakorlatilag alkalmatlanok voltak. Őseink azonban hamar rájöttek arra, hogyha a tűzhely aljára előzőleg elhelyeztek egy kívánt alakúra formázott cseréptálat, vagy homokból készített edénykét, az olvadt rézcseppecskék ebben gyűlnek össze, s kristályosodás során felveszik az edény formáját. 4

BEVEZETÉS Ezzel az ember megtanulta a réz kohósítása mellett az öntés alapelemeit is. A réz eszközöket a ciprusiak, a görögök és az egyiptomiak is széleskörűen évezredeken keresztül használták, használati tárgyak, szerszámok és fegyverek készítésére. Azt, hogy az ón összeolvasztása a rézzel egy új, más tulajdonságú, a réznél lényegesen keményebb, nagyobb szilárdságú, ugyanakkor kisebb olvadáspontú, könnyebben önthető anyagot, a bronzot eredményezi, nem tudni hol és kik ismerték fel. A réz ércének és az ón ércének, a kassziteritnek, ami ón-dioxid, az összeolvasztása, vagyis a bronz előállítása mintegy ötezer évvel ezelőtt elvezette az emberiséget egy új korszakába, a bronzkorba. A bronz ugyanis az első olyan anyag, amely a természetben nem található, mesterséges, ember alkotta anyag. A vas első alkalmazásának Kínában és Indiában fellelt emlékei mintegy négyezer évesek. Ezeknek a régészeti leleteknek az anyaga vasban és nikkelben gazdag meteoritokból származott. A viszonylag nagy, 4...8 %-os nikkeltartalom megóvta a meteorit vasat az oxidációtól. Ezt igazolja, hogy mondákban visszamaradt ősi felfogás szerint a vas égi eredetű; az ég ajándékozta az emberiségnek. A Kalevalában a vas az ég gyermeke, a víznek és a tűznek testvére. De a vas félt testvérétől, ezért elrejtőzött a földbe, ahonnan Ilmarinen, az örök idők nagy kovácsa, kaparja ki és olvasztja meg műhelyében. "Egy napocska elteltével már a mocsárból kiásta, kitúrta a sáros földből, vitte a kovácsműhelybe. A kovács a tűzbe tette, kemencéjébe vetette. Fujtat egyszer, fujtat kétszer fujtat végre harmadszorra ömlik a vas, mint a kása mint a salak úgy megindul nyúlik, mintha tészta volna, kovács rakta roppant tűzbe a lobogó láng hevében." (Nagy Kálmán fordítása) Kr.e. 3000 körüli egyiptomi sírokban is találtak 7,5% Ni-tartalmú meteorvasból melegen kovácsolt vasgyöngyöket. A meteorvas előfordulása nagyon ritka. Ezért a vasötvözetek általánosabb alkalmazására csak azután kerülhetett sor, miután a földkéregben nagy gyakorisággal megtalálható vasércnek, az oxidos vegyületeknek a redukcióját az ember képes volt megoldani. Szemben a réz kohósításával, a vas előállítása vegyületeiből nem oldható meg a fatüzelésű tűzhelyen. A természetet járó, vadászó ember évezredekkel ezelőtt felfedezte, hogy egyes fekete kőzetek elégetve hosszantartó, nagy meleget adó, erős tüzet eredményeznek. Talán véletlenül, talán tudatosan, a tűzhely falazatául barna követ, vasércet választva megtalálta a vas-oxidok redukciójának technikáját. A parázsló kőszén nem teljes égése során keletkező szén-monoxid, érintkezve a vasérccel, attól 5

BEVEZETÉS oxigént képes elvonni, vagyis redukálja. A kőszén égésekor keletkező hő, a lánghőmérséklet kevés ahhoz, hogy a vas megolvadjon. A redukálódott vasércből az oxigén a szén-monoxiddal vegyülve füst formájában távozik, hátrahagyva egy porózus szerkezetű, szilárd, néhány elemmel szennyezett vasat. A 2900 körül épített Cheops-piramis kövei közül viszont olyan vaskés került elő, amelyik nikkelmentes, tehát nem valószínű, hogy meteorvas. A későbbi századokból származó sírokban is számos vas használati eszköz volt. Az is bizonyos, hogy az ember hamarosan megszerette a vasat, és képes volt a "földből" is kinyerni és sokféleképpen hasznosítani. Az egyetlen nyitott kérdés, vajon hogyan sikerült évezredekkel ezelőtt a nagy olvadáspontú vasötvözetből a kívánt alakú terméket létrehozni. Ősi időkben a vasércből gödrökben, domboldalba vájt, agyaggal tapasztott üregekben - bucakemencékben - faszéntűzben, a faszén karbonjával redukálták a vaskristályokból és salakszemcsékből összeállt masszát, ún. nyers bucavasat. Ebben összekeveredve ugyan, de külön fázisban voltak a fémszemcsék és külön fázisban a salakszemcsék; őket a tapadáson kívül semmiféle más kötés nem tartotta össze. Mivel a karbont alig tartalmazó vaskristályok képlékenyek, ezért melegen való kovácsolás közben a salakszemcsék és salakerek - a kovácsolás hőmérsékletétől és a salak olvadáspontjától függően - vagy összetöredeztek és egy részük kipergett a bucából, más részük szétszóródva a vaskristályok közé záródott, vagy megolvadt és kovácsolás közben kifolyt, kispriccelt a fémtömbből. A "salaktalanított" vasbucából kovácsolták melegen vagy hidegen a használati eszközöket. Az időszámítás előtti 1400-as években Egyiptomban, a Közel-Keleten, Indiában, valamint a Földközi-tenger keleti medencéjében az emberek elkezdték az így előállított vasból a használati tárgyak, szerszámok és fegyverek készítését. A vasból készült tárgyak azonban nem tudták felvenni a versenyt az akkor általánosan elterjedt bronzból készült változataikkal. A versenyképes anyag a legalább 0,3 %-nyi karbont tartalmazó acél. Az időszámítás előtti 1000-as években a palesztinai Geraszban a vasrudakat faszénporba ágyazva ládaszerű kemencébe tették és regy héten át 1000 C-on izzították, ezzel elkezdődött az acélgyártás egy ma is használatos technológia, a felületötvöző hőkezelés alkalmazásával. Ebben az időszakban az ember még képtelen volt olyan, közel 1500 o C-os hőmérsékletet létrehozni az egyszerű kis tűzhelyein, ami szükséges a vas megolvasztásához. Ezért a bronz termékek előállításánál megismert alakadó technológia, az öntés nem bizonyult használhatónak. Közel háromezer éven át, egészen a késői középkorig, érdemlegesen nem változott a vasgyártás technikája. Kialakultak a kizárólag vasredukcióra szolgáló tűzhelyek, a vasgyártó kemencék. Ezeket a kőfalazatú, zárt, gömbsüveg alakú, vagy a talajba süllyesztett kemencéket olyan helyre telepítették, ahol a szelek kellő oxigént juttattak a szén égéséhez, gyorsítva az égést és emelve ezzel a tűztér hőmérsékletét. A kemencében az izzó szén a vasérccel már közvetlen érintkezésbe is került. Ezzel a szén már nemcsak mint hőforrás, hanem mint közvetlen redukálószer is szerepet kapott. 6

BEVEZETÉS Ezeknek a hatásoknak az együttes eredményeként, az ércből redukálódott vas apró cseppecskékben megolvadt, s lassacskán lecsurgott az izzó szénrétegen keresztül a kemence aljába, ahol az ércben előforduló meddő kőzet, a kemence falazatát alkotó mészkővel együtt egy kisebb olvadáspontú, ezért olvadt salakot alkotott. Az olvadt salak befedve a leülepedett és összegyűlt vascseppeket, megóvta a vasat az oxidációtól. A vascseppek az izzó szénrétegen átvezető útjuk során karbont oldottak, így jutott el az ó- és középkori ember egy új vasötvözethez, a forrasztott-acélhoz. Ez a hevítési módszer azonban nem tette lehetővé, hogy a kohó alján az acél olvadt állapotban legyen. A kemencébe rakott szén elégése után a kemence lehűlt és az aljából kikotorták a redukálódott fémet. Ezzel az eljárással, a direktredukcióval, nyert acél porózus szerkezetű volt, amire elnevezése, a vasszivacs is utal. A vasszivacs pórusaiban salakrészecskék maradnak, amelyek az acélt törékennyé teszik. A középkor híres damaszkuszi kard pengéi ennek ellenére mégis ebből az anyagból készültek. Az arab és spanyol mesterek a vasszivacsot széntűzben felmelegítették, majd sokszor átkovácsolták. Az átkovácsolás során a mindig újjá formálódó felületekről a salakrészecskék kipréselődtek és a kalapácsütések hatására a vasdarabkák összehegedtek, szemcsézetük finomodott. Ezzel az igen fáradságos, hosszadalmas, nagy tapasztalatot feltételező technológiával készültek a legjobb szerszámok és fegyverek. A nagy szaktudás-igény, a fáradságos, hosszadalmas megmunkálás miatt, a drága acéltermékek csak a kiváltságosok szűk köréhez juthattak el. Az 1300-as években Katalóniában megváltoztatták az évszázadok óta használt kemence konstrukcióját. A kemence torkát nem falazták be, továbbá a levegő befúvását már nem bízták a szél szeszélyére, hanem vízikerék hajtotta fújtatóval oldották meg. A bucagödrök és a bucakemencék több mint ötezer éven át szolgáltatták a földkerekség csaknem minden táján a kovácsolható vasat, miközben a kemenceépítés technikája és a technológiai módszer folyamatosan fejlődött. A fújtatóteljesítmény fokozása - vízikerék meghajtással - a kemencék magasítása és a hőkihasználás javulása következményeképp nőtt a kemencében uralkodó hőmérséklet. Ezekkel az apró újításokkal elérték, hogy az ércet, a faszenet nemcsak hideg állapotban lehetett beadagolni az új konstrukciójú kemencébe, a kohóba. A folyamatos üzemmel, így a hőveszteségek csökkentésével, a kellő mennyiségű levegő befúvatásával, ennek eredményeként az égés intenzifikálásával sikerült elérni a kohó hőmérsékletének jelentős növelését. A nagyobb hőmérsékletre felhevíthető kohóban a redukálódott vas nagyobb mennyiségű karbont tartalmazott. A vas karbontartalmának növekedésével egyidejűleg olvadáspontja is csökken, vagyis redukálódott vas megolvadt. Az olvadék további C-t és több-kevesebb Si-ot, Mn-t és P-t is oldott magában. Hígfolyós és csapolható lett. Tőle salakolvadék alakjában különültek el az érc nem redukálódott kísérőásványai. Az új technológia eredményeként egy új ötvözet, a 3...5 % karbontartalmú nyersvas termelése indult meg. Európában ez a fordulat a 14. század elejére tehető. A nyersvas, a nagy karbontartalom miatt rideg, kovácsolással gyakorlatilag nem alakítható vasötvözet. Nagy előnye viszont az acéllal szemben, hogy olvadás- 7

BEVEZETÉS pontja mintegy 300 o C-al kisebb, egyszerűbb eszközökkel is újraolvasztható, majd célszerűen kialakított formába öntve, megszilárdítható. A középkor végén a kohászok felismerték, hogy a kohó falazatának anyaga jelentős befolyással van a nyersvas tulajdonságára. A mészkő falazatú kohókban termelt nyersvas salaktartalma kisebb. Ebből a tapasztalatból kiindulva, a kohóba szánt betétbe az ércen és a szénen kívül kis mennyiségű mészkövet is elkezdtek adagolni. A mészkő, a szilikátos meddővel vegyülve, alacsonyabb olvadáspontú, hígfolyósabb salakot képez. Az ilyen salak gyorsabban felúszik az olvadt vas felszínére, a nyersvas salaktartalma kisebb lesz. A salakképzők adagolása volt a nyersvasgyártásban az az utolsó lényeges lépés, amely elvezetett napjaink nyersvasgyártási technológiájához. A nyersvas és a belőle készülő öntöttvas-termékek már lényegesen olcsóbbak voltak, mint az acélgyártmányok, ezért széles körben elterjedtek. Az öntöttvas alkalmazási területe azonban az anyag rideg viselkedése miatt viszonylag szűk. Ahhoz, hogy a direktredukcióval előállított termék, az acél kiváló szilárdsági, szívóssági tulajdonságait elérhessék, a kohászoknak meg kellett oldani a nyersvas frissítését, karbontartalmának a csökkentését. Erre a feladatra a XVI-XVIII században több módszert is alkalmaztak. Az egyik megoldást az jelentette, hogy a darabokra tört nyersvas és faszén keverékével töltötték fel a kemencét. Levegőfelesleg mellett a faszén elégetésével újraolvasztották a fémet, s a többlet levegő oxigéntartalma kiégette az olvadt nyersvas karbontartalmának jó részét is. A vas a tűzben cseppenként olvadt meg. A lecsurgó vascseppek a fúvószéláram levegőjében oxidálódtak és a salakkal együtt a tűzhely alján gyűltek össze. Az oxidáció következtében a vas C-tartalma csökkent, olvadáspontja növekedett és - a viszonylag alacsony hőmérséklet miatt - képlékeny gomolya lett (gyakran nevezték lupának is). A gomolyát kovácsolással tisztították meg a bezáródott salakrészecskéktől. Egy korabeli acélműhely frisstűzből és közvetlenül mellé épített kalapácsból állt. A kalapács neve hámor volt, de rendszerint magát a műhelyt (frisstüzet és kalapácsot) értették a hámor elnevezés alatt. Az acélok iránti igény növekedését azonban nem tudta követni a frisstűzi eljárás, mert nem volt kellő mennyiségű, ehhez az eljáráshoz elengedhetetlen faszén. A nagy szennyezőtartalmú kőszén ugyanis nem kerülhet közvetlen érintkezésbe a frissítendő nyersvassal. Az olcsó, nagy tömegben rendelkezésre álló kőszén alkalmazását, az 1784-ben Henry Cort által szabadalmaztatott, kavaró eljárás oldotta meg. Ennél a frissítési eljárásnál a nyersvasat egy lángkemence tűzálló falazatú, sekély, tégelyszerű medencéjében helyezték el. A kőszenet levegőfelesleggel egy rostélyon elégetve, a képződő, meleg, oxigéndús füstgázt vezették rá a nyersvasra. Ezzel a megoldással megakadályozták hogy a kőszénben levő kén bejuthasson a nyersvasba. A füstgáz hőtartalma részben megolvasztja a betétet, az oxigénfelesleg kiégeti a nyersvasból a karbont. A karbontartalom csökkenésével az olvadáspont megnő, így a fürdőben a kis karbontartalmú acél kikristályosodik. A folyamat gyorsítása érdekében az izzó, részben megszilárdult fémet is tartalmazó olvadékot hosszú rudakkal forgatták. Innen ered az így gyártott acél elnevezése is, a kavartacél. 8

BEVEZETÉS 1855-ben egy angol feltaláló, Henry Bessemer tervezett egy billenthető, acélburkolatú, tűzálló anyaggal bélelt kemencét. A billenthető kemence, a konverter alján nagynyomású levegőt fúvatnak be. Az olvadt nyersvason átbuborékoló levegő kiégeti a felesleges karbont, szilíciumot, mangánt és csökkenti a foszfortartalmat is. A vasban oldott elemek oxidációja folyamán keletkező hő elegendő volt ahhoz, hogy a lefúvatott vas, a tulajdonképpeni acél akár 1600 C-ra melegedjen és folyékony állapotban maradjon. A Bessemer eljárás forradalmasította az acélgyártást, mert az adagok kikészítési ideje majd századára csökkent, nem igényelt fűtőanyagot, s ezek együttes eredményeként az acél gyártása tömegszerűvé és olcsóvá vált. 1969-ben a francia Pireneusokban lévő Odeillo faluban megkezdte működését a világ legelső és egyben legnagyobb teljesítményű, napfűtésű olvasztókemencéje amely kb. 3800 C hőmérséklet előállítására képes. Ebben a szennyeződéstől mentes fűtésű kemencében különösen nagy tisztaságú acélt is elő lehet állítani. Földünkön az alumínium a leggyakoribb fémes elem, mivel a földkéreg több mint 8 %-át az alumínium-oxid alkotja. Ennek ellenére az alumínium és ötvözetei lényegében az elmúlt százév jellemző terméke. A réznek, mint félig nemesfémnek az oxigén, illetve a kén iránti affinitása viszonylag gyenge. Ezért a réz kinyerése ilyen vegyületeiből egyszerűen, akár csak pusztán hevítéssel, termikus disszociációval is megoldható. A vas-oxid karbonnal 1000 o C feletti hőmérsékleten redukálható. Szemben ezekkel a fémoxidokkal, az alumínium affinitása az oxigénhez igen erős, ezért nincs egyetlen olyan, a természetben megtalálható elem sem, amellyel az alumínium az oxidjából redukálható lenne. A fém alumíniumot még 1827-ben alumínium-kloridot káliummal reagáltatva Wöhler állította elő. Ez a módszer azonban alkalmatlan ipari mennyiségű alumínium kinyerésre. Az első alumínium tömböt a franciák nagy büszkeségére Sainte-Claire Deville párizsi kutatómérnöknek sikerült előállítani 1854-ben, amikor a zászlódíszbe öltözött Párizs III. Napóleon császár elsőszülött fiának, a nagyreményű "Lulu hercegnek" a születését ünnepelte. Az első tárgy, amit Deville az alumíniumból előállított, egy gyermekcsörgő volt, amelyet a francia trón várományosának nyújtott át némi hátsó szándéktól vezettetve. Várakozásában nem is csalódott, hiszen a császár 65 ezer frankkal jutalmazta meg, amely abban az időben fantasztikusan nagy pénznek számított. Ugyanis a császár az ezüstösen csillogó csörgő láttán azt hitte, hogy az új fém az ezüstöt fogja helyettesíteni. Az 1855 évi párizsi világkiállításon mutatták be az "agyagból készült ezüst" 1 kg-os darabját, amely óriási szenzációt keltett. Az alumínium ára akkor még drágább volt az aranyénál. Az alumíniumból kezdetben - főleg a szép megjelenése és drágasága miatt - csak ékszereket készítettek és még sokáig nem tartották hasznos fémnek. 1886-ig az alumínium laboratóriumi különlegesség maradt. Az alumínium előállításának technológiája szemben a réz és a vas kohósításával a természetből már nem leshető el, nem elegendő az acélgyártásban megszerzett és nemzedékről nemzedékre átörökített tapasztalat, ehhez a mai értelemben vett tudományos gondolkodásra, felismerésre volt szükség. 9

BEVEZETÉS Az alumínium nagyipari termelésének feltételei azonban csak 1866-ban teremtődtek meg. Ekkor Franciaországban P-L. Héroult, és tőle függetlenül az Egyesült Államokban C. M. Hall szabadalmaztatta azt az eljárást, amely az olvadt kriolitban oldott alumínium-oxid elektrolízisén alapul, és ami az alumínium-kinyerés napjainkban is alkalmazott eljárásának az alapelve. Az osztrák F. Bayer 1889-ben dolgozta ki a bauxit timfölddé való feldolgozásának ipari eljárását. 1900-ban a világ alumínium termelése már 8 tonna volt, ez a szám napjainkra 24 millió tonnára nőtt. Közvetlenül a II. világháborút megelőző évekig a kerámiák közül kizárólag a természetben nagy mennyiségben fellelhető, szilikát bázisú anyagokból gyártott anyagokat, mint az üveget, a cserepet, a porcelánt vagy a cementet alkalmazták. A kerámiáknak ezt a csoportját az emberiség már évszázadok óta, nagy mennyiségben használja. Gyökeres fordulatot jelentettek ezen a területen az 1933-ban kifejlesztett ferritek. A ferritekben, a vas(ii)-oxid bázisú anyagokban, egyes vasatomokat kétvegyértékű elemekkel, például kobalttal, nikkellel, mangánnal helyettesítik. Ezekben a kerámiákban az örvényáramok miatti energiaveszteség elhanyagolhatóan csekély, mivel villamosan szigetelők. Ebből következően mágnesezettségük iránya rendkívül gyorsan megváltoztatható, mert az örvényáramok nem akadályozzák az átmágnesezést. Már 1950 óta a lágymágneses kerámia a mágneses információtárolás eszközeinek legfontosabb alapanyaga, ami nélkül a modern számítástechnika nem alakulhatott volna ki. A közelmúlt, napjaink és remélhetőleg a közeli jövő is, a keramikus anyagok területén rendkívül látványos és hasznos eredményeket hoz. Az eddigi eredmények közül csak példaként kiragadva, a távközlésben robbanásszerű fejlődést eredményező optikai szálak, a robbanó motorok területén a kerámia alkatrészek reményteli terjedését. Az ipari kerámiák terjedése igen gyors, s rövidesen átfogja az élet minden területét a gyógyászattól az iparig. A kerámiák előállításához szükséges alapanyagok óriási gazdagságban állnak rendelkezésre a természetben, ezért talán olcsóságuk miatt ez jelenti a legnagyobb lehetőséget a technika és az emberiség fejlődésére. A szintetikus polimerek, - a műanyagok -, talán a legjellemzőbb, ember alkotta anyagok, századunk termékei. Annak ellenére igaz ez a megállapítás, hogy J. W. Hyatt már 1869-ben felfedezte a celluloidot. A műanyagok előállításához szükséges ismeretek azonban e század elejére álltak össze egységes rendszerré. A legtöbb, napjainkban nagy tömegben használatos műanyag kifejlesztése a két világháború közötti időszakra esett. A tipikus fejlesztések elsősorban a korlátozott mennyiségben rendelkezésre álló természetes anyagok, mint a kaucsuk, gyapjú, selyem, bőr helyettesítését célozta. 1912-ben Frizt Klatte rakta le elsőként a PVC gyártásának technikai alapjait, de az anyag ipari termelése csak 1938-ban indult meg, miután sokoldalú felhasználási lehetőségeit felismerték. A mesterséges anyagok tömeges előállításának igénye az első világháború éveiben merült fel, néha azonban ezen igények a kutatás kezdeti stádiumában lévő műanyagipar és az általa előállított műanyagok teljesítőképességét jóval felülmúlták. Mindenesetre nagy lökést adott a szerves kémiai kutatásoknak. Századunk húszas éveiben indult el a polimer műanyagok pályafutása. Ezen kutatások keretében fedezte fel H. Staudinger német kémikus 1922-ben, hogy a szerves anyagok vázát nagyon hosszú molekulaláncok képezik. Ő javasolta 10