Fémes szerkezeti anyagok Fémek felosztása: periódusos rendszerben elfoglalt helyük alapján, sűrűségük alapján: - könnyű fémek, ha ρ<4,5 kg/ dm 3, - nehéz fémek, ha ρ > 4,5 kg/ dm 3. olvadáspont alapján: - alacsony olvadáspontú fémek T olv <1000 o C, - közepes olvadáspontú fémek 1000 o C < T olv < 2000 o C, - magas olvadáspontú fémek T olv > 2000 o C. kémiai tulajdonságaik alapján: - passzíváló anyagok, - korrózióálló anyagok. 1
Hogy áll ellen különböző erőhatásoknak: keménység, rugalmasság, alakíthatóság, rugalmasság, szilárdság, stb. Technológiai tulajdonságok: önthetőség, kovácsolhatóság, edzhetőség, hegeszthetőség, stb. Fémek és ötvözeteik ötvözetek: fémeknek fémes vagy nem-fémes anyaggal alkotott szilárd oldata. Lényegesen javítja, megváltoztatja az alapanyag tulajdonságait, az alkotók mennyiséget %-osan adják meg. alapanyag lehet Fe, Al, Cu, Sn, Pb, stb. ötvözőfém lehet Cr, Ni, Mo, W, Co, V, stb. metalloidok: nem-fémek, de sajátságaik révén közel állnak hozzájuk és velük ötvözeteket alkotnak. Pl.: C, P, Si, S. 2
Vas alapú szerkezeti anyagok A vas tömegaránya nagyobb, mint bármelyik másik ötvözőelemé. Színvas szilárdsága csekély mágneses tulajdonságai jelentősek (pl.: vasmag) ötvözet tulajdonsága széntartalomtól függ: 0,1-2,06 s% széntartalom - acél, 2,06-4,8 s% széntartalom - öntöttvas. A vas szénoldó-képessége függ a hőmérséklettől: dermedés hőmérsékletén 2,06 s% C oldott állapotban, további lehűlés C oldóképesség csökken C kiválik, a többi oldva marad. vasötvözetben a C előfordulhat: oldott állapotban, kivált állapotban, vegyület formájában. oldott C: növeli a vas keménységét, szilárdságát, edzhetőségét. 3
A szén kétféle alakban fordul elő: Szabad grafit: szürke, lágy anyag ridegséget növeli és az önthetőséget javítja, grafit lemezkék, kristályok szabálytalanul helyezkednek el. Vaskarbidban kötött szén: a vaskarbid kristály (ezüst színű, nagyon kemény, rideg anyag). Temperszén: amorf szerkezetű 1000 C körüli tartós izzítás esetén vaskarbid bomlásból keletkezik határozatlan alakban fordul elő. A temperszenet tartalmazó vasfajták szívósak. Állapotábra szerkesztése a lehűlési görbékből 4
Vas-szén állapotábra (ikerdiagram) 5
Jellegzetes szövetelemek Hőkezelések A fémek jellemzőinek (mechanikai-, technológiai tulajdonságainak) megváltoztatása lehetséges: - ötvözéssel, - hőkezeléssel. A hőkezelések szakaszai: felhevítés (anyagtól, eljárástól függő hőmérsékletre), hőntartás (meghatározott ideig), lehűtés (szobahőmérsékletre anyagtól, eljárástól függő hűtési sebesség) 6
Hőkezelési eljárások csoportosítása: lágyító hőkezelések - keménység csökkentés - feszültség csökkentés, - ridegség csökkentés - lágyítás, - alakíthatóság növelése - normalizálás. keményítő hőkezelések - keménység növelése - edzés, - kopásállóság növelése - felületi edzés, - nyúlás csökkentése, - alakíthatóság csökkentése. szívósságnövelő hőkezelések - szakítószilárdság növelése - nemesítés, - nyúlás csak kicsit csökken. különleges hőkezelések különleges tulajdonság elérése pl.: alitálás. Lágyító hőkezelések: Feszültségcsökkentő hőkezelések: 500-600 C, 1-2 óra, kemencében hűtés Lágyítás: 680-780 C,4-8 óra, kemencében, sósfürdőben, 600 C alatti áramlás mentes levegőn történő hűtés Normalizálás: 830-900 C (GSE vonal fölé), 20-40 perc, kemencében vagy áramlásmentes levegőn 7
Keményítő hőkezelések: edzés + megeresztés: 800-1000 C (kemencében vagy lépcsőzetesen), teljes keresztmetszetre, gyors hűtés (vízben) Saját meleggel, 160-250 C hőmérsékletű olajban főzik Szívósságot növelő hőkezelés: Nemesítés: kétszer hevítik: 1. A munkadarab anyagár jellemző edzési hőmérsékletre, teljes áthevülésig, gyors hűtés (vízben vagy olajban), 2. 450-650 C megeresztési hőmérsékletre, teljes áthevülésig, lassú hűtés (kemencében). Különleges hőkezelések: Pl.: Alitálás: 850-1100 C-ra hevítik alumínium (alumínium-oxid vagy alumínium-klorid) porral együtt dobozban, 8-12 óra, 0,1-1 mm Al-val telített réteg alakul ki, hőálló, rideg (900-1000 C-on izzítással csökkenthető). 8
Kéregedzések 1. lángedzés világítógáz levegő oxigén vagy acetilén oxigén szúrólánggal hevítik a felületet rétegvastagság 1,5 2mm fokozatos átmenet olcsó, de bonyolult darabokra nem alkalmazható. 2. indukciós edzés nagyfrekvenciás áram skin hatás alapján, a kéregvastagság az alkalmazott frekvencia függvénye, 2 3mm 2,5 10kHz 0,2 2mm 400 500kHz hűtés: hűtőfolyadékba mártás v. permetezés. 3. betétedzés cementálás kéreg C tartalmának növelése (0,2%-nál kisebb C tartalmú acélok is!) edzés, megeresztés. alkalmazott közeg szerint lehet: - szilárd közegben: C tartalmú anyagban dobozzal együtt hevítik 850-950 o C-ra 0,1mm/óra, - folyékony közegben (cianidálás): nátriumcianid, nátriumkarbonát, nátriumklorid ömledéke, 830-870 o C 0,3-0,4mm/1-2óra, - gáznemű közegben: szénmonoxid, metán, propán, bután gáz, 850-950 o C. 9
nitridálás (nitrálás) termokémiai kezelés, amelynek során bizonyos elemeket pl.: nitrogént, bórt, vanádiumot diffundáltatnak be, a nitrálásnak különös jelentősége van, a munkadarab felületébe nitrogén diffundál, nitrideket képez nő a felületi réteg keménysége alacsony hőmérsékletű hőkezelés, acélban nitridképző elemek szükségesek (pl.: Al, Cr, Mn, stb.), 500-550 o C nitrálódoboz (ammónia gáz ezen a hőmérsékleten bomlik); 1-2 óra alatt kemény, kopásálló réteg alakul ki. Acélok (vas-szén ötvözet, 2,06s%-nál kisebb széntartalom kovácsolható) Az acélok tulajdonságai ötvözőelemekkel befolyásolhatók. 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 10
Vas-alapú szerkezeti anyagok (acélok) szabványos jelölése: ötvözetlen acél (szénacél) kisebb mennyiségben tartalmazhatnak egyéb elemeket - megnevezés szakítószilárdság szerint(kp/mm 2 ~N/mm 2 ) jele: A +szakítószilárdságpl.: A 37 - megnevezés széntartalom szerint (hőkezelhetők) jele: C +100xCtart.s%-ban pl.: C 45 gyengén ötvözött acél ötvözőelem tartalom < 5s% jele: 100xCtart.s% + ötvözőelem x szorzó pl.: 13CrMo44 (0,13%C, 1%Cr, 0,4%Mo) erősen ötvözött acélok - ötvözőelem tartalom > 5s% jele: X +100xCtart.s% + ötv.tart.% pl.: X10CrNi188 (0,1%C, 18%Cr, 8%Ni) Öntöttvas A 2,06s%-nál több szenet tartalmazó ötvözet az öntöttvas, utókezelés nélkül nem kovácsolható. Felhasználási területük szerint: Lemezgrafitos öv.: rideg, rosszul alakítható, kis szakítószilárdság, jó rezgéscsillapító, jó csúszási tulajdonságok, nagy nyomószilárdság (3-4-szer nagyobb mint a húzószil.) alkalmazás: motorblokk, hajtóműház, stb. Gömbgrafitos: hidegen korlátozottan alakítható, szilárdsága az acéléhoz hasonló, szívóssága jó, melegen alakítható, alkalmazás: hajtórúd, fogaskerék, dugattyú, fékbetét, stb. 11
Temperöntvény: temperálással szívóssá tett öntöttvas hőkezelés: 980-1060 C acéléhoz hasonló tulajdonságok (szívós, kovácsolható, forgácsolható), összetétel, temperálás módja alapján (törésfelület): - fehér temperöntvény: kulcsok, csavarok, szorítók, futóműalkatrészek, - fekete temperöntvény: hajtóműházak, fékdobok, forgattyústengelyek. Kéregöntvény: felületi réteg fehér kemény, magja szürke szívós, mangánbeötvözéssel és hirtelen hűtéssel (nagy igénybevételű felület, mag-szívósság) alkalmazás: kotrókanalak, kőzettörőlapok, vezetősínek. Nem-vasalapú szerkezeti anyagok sűrűségük alapján: könnyű fémek: ρ<4,5 kg/dm 3 pl.: Al, Mg, Be, Ti, nehézfémek: ρ>4,5 kg/dm 3 pl.: Cu, Ni, Zn, Pb, Sn, nemes fémek pl.: Au, Ag, Pt. 12
Könnyűfémek Alumínium (Al) ρ=2,7kg/dm 3, T olv =660 o C, σ B =9-12kp/mm 2 öntve, σ B =15-23kp/mm 2 hengerelve előállítása: a Föld 7%-a alumínium vegyület 1. bauxit timföld (kémiai eljárás) savas vagy lúgos eljárás: vízben oldható vegyületté alakítják az alumíniumoxidot (bauxit + sav vagy lúg), a Bauer-féle eljárás 90%-a a világ timföldgyártásának. 2. olvadékelektrolízis megolvasztott timföldből egyenáram, negatív sarok fém Al válik ki (+ion), pozitív sarkon oxigén (CO v. CO 2 ), (4t bauxit 2t timföld 1t 99,5-99,9% Al + 16000-18000kWh) Tulajdonságai: erősen elektropozitív könnyen oxidálódik, de Al 2 O 3 jól tapad, véd (oxidációtól, szénsavtól, sósavtól, stb.) hőt, villamos áramot jól vezeti (ha tiszta) technológiai tulajdonságai jól kovácsolható, hengerelhető (melegen-lágy marad, hidegen-kemény-500 o C-on kiizzítva visszanyeri), dróttá húzható, rugalmassága kicsi maradó alakváltozás ötvözik, sűrűn folyós, erősen zsugorodik öntés: minél gyorsabban hűl, annál tömörebb fémformákba, kokillákba öntik finomabb szemcse; lassan hűl durva kristályok, kovácsolt, hengerelt a hengerlés irányába rostos szerkezetű, selymes fényű. 13
ötvözetei: önthető (Al-Si, Al-Cu, Al-Cu-Ni, Al-Mg) alakítható nemesíthető (Al-Cu-Mg, Al-Mg-Zn, Al-Cu-Ni-Al- Mg-Si), nem nemesíthető (Al-Mg, Al-Mg-Mn, Al-Mn) alkalmazások: gépkocsi-, repülőgépipar, építőipar (nyílászárók), műszeripar, háztartás, vegyipar, élelmiszeripar (korrózió-álló), nyújtható fóliák, elektronika kondenzátor fegyverzet, serleg, műszerház lágyalumínium, mélyhúzható. Magnézium (Mg) T olv =650 o C, ρ=1,74kg/dm 3, legkisebb a fémek között; könnyen forgácsolható, vékony védőréteg, de kell a korrózióvédelem! ötvözőelemei: Al, Zn, Mn, újabban: Si, Zr, Th növelik szilárdságát, csökkentik bemetszési érzékenységét, növelik korrózióállóságát. 14
Az Al-ötvözethez képest: előnyük: fajsúlyuk lényegesen kisebb, dinamikus igénybevételeknek jobban ellenáll (nagy maradó igénybevétel után törik), kitűnően forgácsolható de könnyen gyullad! hátrányuk: korrózióállóságuk gyenge, rosszabbak az öntészeti tulajdonságaik, a vezetőképességük, hővezetőségük, olvadt állapotban gyúlékony. felhasználási területük: repülőgépipar (ajtók, pilótafülke), gépkocsigyártás, műszer-készülékgyártás, fényképezőgép házak, távcsőfoglalatok, stb. Titán (Ti) ρ=4,51kg/dm 3 A Földkéregben előforduló negyedik leggyakoribb fém. tulajdonságai: vegytiszta titán szilárdsága az acéléhoz hasonló, nagy oxigénaffinitás oxidréteg korrózióálló, védőgázban, vákuumban jól hegeszthető, jól alakítható, lengő melegszilárdsága nagy. alkalmazás: repülőgép- és rakétatechnika, kémiai berendezések (hőcserélők, elektródok), hajóépítés (tengervízálló alkatrészek), orvosi technika (biokompatibilis implantációk). 15
Nehézfémek Réz (Cu) ρ=8,92 kg/m 3 Tulajdonságai: - jól alakítható, - kiváló villamos- és hővezető, - jó korrózióálló, - jól hegeszthető, forrasztható, - hevítés hatására hidrogén betegség. Ötvözetei: Sárgaréz: Cu-Zn ötvözet Zn<30s% hidegen jól alakítható, rosszul forgácsolható, Zn 46-50s% melegen jól alakítható, jól forgácsolható. különleges sárgarezek: - Ni v. Al szilárdság, keménység, szemcsefinomság javítására, - Mn, Sn melegszilárdság, tengervízállóság javítására. Új ezüst (alpakka): Cu-Zn-Ni jó rugalmas tulajdonságok, korróziós tulajdonságok alkalmazás: membránanyag (szilfonmembránok is) 16
Bronzok: 60 %-nál több rezet tartalmazó ötvözetek ón-, alumínium-, ólom-, nikkel-, mangán-, berilliumbronzok, korrózióállóság és rugalmas tulajdonságok javulnak. Alkalmazás: - elektrotechnika (kábelek, huzalok, ellenállások, villanymotorok kommutátor lemezei, pontheg. elektródák), - sárgaréz (esztergált alkatrészek, Zn mélyhúzott alkatrészek), - új ezüst: híradástechnika relérugók, membránok, - bronz: tribotechnika (csúszócsapágyak, csigakerekek, kavitációs és eróziós igénybevételű alkatrészek). Nikkel (Ni) ρ=8,85 kg/m 3 Tulajdonságai: - jól alakítható, - jó szívósságú, - korrózióálló, - 360 C Curie pontig ferromágneses, - kén bediffundálásával szemben érzékeny (hidegalakítás során hajlamos a felszakadásra, melegalakításkor, hegesztéskor a melegszakadásra, ún. kristályhatár ridegség) 17
Ötvözetei: Ni-Cu minden arányban ötvözhető alakítható: öntéssel, forgácsolással, forgácsmentes alakítással, forrasztható, hegeszthető, 30% Cu tartalmú ötvözetei korrózióállóak, Ni-Cr max. 20% Cr tartalom növekszik a passzíválódási képesség, revementesség, melegszilárdság. Ni-Fe 29-75s% Ni tartalom mágnesesen lágy, nagy permeabilitás, Fe-Ni-Co mágnesesen kemény, nagy mágnesezhetőség. Alkalmazás: Ni-alapú: nagy hőállóság belsőégésű motorok szelepei, repülőgépek turbinalapátjai, vegyi üzemek berendezései, atomreaktorok, Ni-Fe: elektrotechnika termoelemek, precíziós ellenállások. 18
Cink (Zn) ρ=7,14 kg/dm 3 Tulajdonságai: - jó önthető, jók az öntési tulajdonságai, - anizotróp alakítási tulajdonságok, - kitűnő légköri korrózióállóság. Ötvözetei: - finomhorgany (99,9-99,5% Zn) jól önthető, - 3,5-6% Al, 1,6% Cu szilárdsága nő, - 0,05% Mg megakadályozza a kristályközi korróziót. Alkalmazás: - acél tüzi-horganyozása, - általános gépgyártás, - építőipar ereszcsatorna, csatornák. Ón (Sn) ρ=7,28 kg/dm 3 Tulajdonságai: - gyenge savakkal, lúgokkal szemben ellenáll, - alacsony újrakristályosodási hőmérséklet (13,2 C alatt gyémántrácsú, 161 C-ig tetragonális, magasabb hőmérsékleten rombos szerkezetű), hidegalakításnál nincs felkeményedés, nagy szakadási nyúlás. Ötvözetei: - 80% Sn, 12% Sb, 7% Cu, 1% Pb csapágyfémek, - Sn-Pb forraszanyag. Alkalmazás: - ónötvözetek tribotechnika, - szereléstechnológia forrasztás, - használati tárgyak korrózióvédelme. - SnO - üvegfelületre felvíve - folyadékkristályos kijelzők. 19
Ólom (Pb): ρ=11,34 kg/dm 3 MÉRGEZŐ!!! Tulajdonságai: - jól alakítható, - jól önthető, - jól hegeszthető, forrasztható, - kénsavval szemben állékony ólomszulfát nem oldható! - nagy tömegszám - sugár védelem (γsugárzás)! Ötvözetei: Sb, Sn, As növelik a szilárdságot és a korrózióállóságot. Alkalmazás: Elektronikai, elektrotechnikai termékekben tilos 2006-tól, néhány kivétel maradt gépkocsiipar (akkumulátor elektródák), vegyipar tiszta állapotban. Nemesfémek Arany (Au): ρ=19,3 kg/dm 3 Tulajdonságai: - lágy, rendkívül nyújtható, ( aranyfüst 0,0001mm), - vegytiszta arany nem oxidálódik, - harmadik legjobb villamos vezető (ezüst és réz után), - savaknak és lúgoknak ellenáll (királyvíz sósav, salétromsav keveréke oldja!), Ötvözetei: szilárdsága növelhető Cu és Ag ötvözőanyaggal. Alkalmazás: - állami pénzkiadás fedezete, ékszerek, - kisteljesítményű érintkezők, IC-k belső bekötései. 20
Ezüst (Ag): ρ=10,5 kg/dm 3 Tulajdonságai: - a legjobb villamos és hővezető fém, fajlagos vezetőképessége 62,7.10 6 S/m, - erősen nyújtható, huzalhúzásra alkalmas, - jól kovácsolható, - réznél lágyabb, aranynál keményebb fém, - salétromsav szobahőmérsékleten, kénsav csak magasabb hőmérsékleten oldja, - kénhidrogének jelenlétében a felületén ezüstszulfid keletkezik. Alkalmazás: - érmek anyaga, ékszerek, ötvözőanyag, - elektrotechnika érintkezőanyag, - vegyipar katalizátorok anyaga, - film- és fotóipar. Platina (Pt): ρ=21,37 kg/dm 3 Tulajdonságai: - villamos vezetőképessége gyenge, - melegszilárdsága nagy, - csak a királyvíz oldja, kémiai ellenálló-képessége nagy, - 0,0025mm-es lemezekké, Φ0,015mm-es huzalokká alakítható. Alkalmazás: - kémiai folyamatok katalizátora, - vegyipari berendezések anyaga, - elektrotechnika korróziómentes érintkezők, ellenállás-hőmérők, termoelemek, - üvegbe ágyazott huzalok (hőtágulása a lágyüveghez illeszkedik). 21
Gyémánt, grafit Gyémánt: Tulajdonságai: - rendkívül kemény (10.000HV), - magas olvadáspont (4100 o C), - nagy fajlagos ellenállás, jó hővezetőképesség - kiváló kémiai ellenálló-képesség. Alkalmazása: - nagyteljesítményű vágószerszámok éle, - miniatűr csapágyak anyaga, - üvegmegmunkálás szerszámanyaga, - vékonyrétegként nagy disszipációjú áramkörök hordozója. Grafit: Tulajdonságai: - szilárdsága, sűrűsége kisebb a gyémánténál, - nagyon magas op. (4100 o C, védőgáz, vákuum) - grafitrácsok rétegei nyíró igénybevétel hatására egymáshoz képest könnyen elcsúsznak. Alkalmazás: - kenőanyag (magas hőmérsékleten is!), - atomreaktorokban fékező, lassító anyag, - elektrotechnika kollektorok. 22