Fmes szerkezeti anyagok Fmek felosztsa n n peridusos

Fémes szerkezeti anyagok

Fémek felosztása: n n 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 Tolv <1000 o C, - közepes olvadáspontú fémek 1000 o C < Tolv < 2000 o C, - magas olvadáspontú fémek Tolv > 2000 o C. kémiai tulajdonságaik alapján: - passziváló anyagok, - korrózióálló anyagok.

Hogy áll ellen különböző erőhatásoknak: n n n keménység, rugalmasság, alakíthatóság, rugalmasság, szilárdság, stb. Technológiai tulajdonságok: n önthetőség, n kovácsolhatóság, n edzhetőség, n 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, Va, stb. metalloidok: nem-fémek, de sajátságaik révén közel állnak hozzájuk és velük ötvözeteket alkotnak. Pl. : C, P, Si, S.

Vas alapú szerkezeti anyagok A vas tömegaránya nagyobb, mint bármelyik másik ötvözőelemé. Színvas szilárdsága csekély – mágneses tulajdonságai jelentősek (pl. : vasmag) ötvözet tulajdonsága széntartalomtól függ: n 0, 1 -2, 06 s% széntartalom - acél, n 2, 06 -4, 8 s% széntartalom - öntöttvas.

vas szénoldóképessége függ a hőmérséklettől: n n dermedés hőmérsékletén 2, 06 s% C oldott állapotban, további lehűlés – C oldóképesség csökken – C kiválik, a többi oldva marad. vasötvözetben a C előfordulhat: n oldott állapotban, n kivált állapotban, n vegyület formájában. oldott C: növeli a vas keménységét, szilárdságát, edzhetőségét.

Állapotábra szerkesztése a lehűlési görbékből

Vas-szén állapotábra (ikerdiagram)

Jellegzetes szövetelemek

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.

Hőkezelések A fémek jellemzőinek (mechanikai-, technológiai tulajdonságainak) megváltoztatása lehetséges: - ötvözéssel, - hőkezeléssel. A hőkezelések szakaszai: n felhevítés (anyagtól, eljárástól függő hőmérsékletre), n hőntartás (meghatározott ideig), n lehűtés (szobahőmérsékletre anyagtól, eljárástól függő hűtési sebesség)

Hőkezelési eljárások csoportosítása: n n 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

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 anyagára 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).

Kéregedzések 1. lángedzés világítógáz – levegő – oxigén vagy acetilén – oxigén szúrólánggal hevítik a felületet rétegvastagság 1, 5 – 2 mm – fokozatos átmenet olcsó, de bonyolult darabokra nem alkalmazható. 2. indukciós edzés nagyfrekvenciás áram – skin hatás alapján, a kéregvastagság az alkalmazott frekvencia függvénye, 2 – 3 mm 2, 5 – 10 k. Hz 0, 2 – 2 mm 400 – 500 k. Hz hűtés: hűtőfolyadékba mártás v. permetezés.

3. betétedzés n cementálás –kéreg C tartalmának növelése (0, 2%-nál kisebb C tartalmú acélok is!) n edzés, n megeresztés. alkalmazott közeg szerint lehet: - szilárd közegben: C tartalmú anyagban dobozzal együtt hevítik 850 -950 o. C-ra → 0, 1 mm/óra, - folyékony közegben (cianidálás): nátriumcianid, nátriumkarbonát, nátriumklorid ömledéke, 830 -870 o. C 0, 30, 4 mm/1 -2óra, - gáznemű közegben: szénmonoxid, metán, propán, bután gáz, 850 -950 o. C.

• 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, 06 s%-nál kisebb széntartalom – kovácsolható) Az acélok tulajdonságai ötvözőelemekkel befolyásolhatók. Az ötvözőelemek a vassal általában szilárdoldatot alkotnak: n ferritben jól oldódnak: Cr, Al, Ti , Ta, Si, Mo, V, W n austenitben jól oldódnak: Ni, C, Co, Mn, N

Vas-alapú szerkezeti anyagok (acélok) szabványos jelölése: n n n ötvözetlen acél (szénacél) – kisebb mennyiségben tartalmazhatnak egyéb elemeket - megnevezés szakítószilárdság szerint (kp/mm 2~10 N/mm 2) jele: A +szakítószilárdság pl. : A 37 - megnevezés széntartalom szerint (hőkezelhetők) jele: C +100 x. Ctart. s%-ban pl. : C 45 gyengén ötvözött acél – ötvözőelem tartalom < 5 s% jele: 100 x. Ctart. s% + ötvözőelem x szorzó pl. : 13 Cr. Mo 44 (0, 13%C, 1%Cr, 0, 4%Mo) erősen ötvözött acélok - ötvözőelem tartalom > 5 s% jele: X +100 x. Ctart. s% + ötv. tart. % pl. : X 10 Cr. Ni 188 (0, 1%C, 18%Cr, 8%Ni)

Öntöttvas A 2, 06 s%-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.

Temperöntvény: temperálással szívóssá tett öntöttvas hőkezelés: 980 -1060 o. 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: n könnyű fémek: ρ<4, 5 kg/dm 3 pl. : Al, Mg, Be, Ti, n nehézfémek: ρ>4, 5 kg/dm 3 pl. : Cu, Ni, Zn, Pb, Sn, n nemes fémek pl. : Au, Ag, Pt.

Könnyűfémek Alumínium (Al) ρ=2, 7 kg/dm 3, Tolv=660 o. C, σB=9 -12 kp/mm 2 öntve, σB=15 -23 kp/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), (4 t bauxit → 2 t timföld → 1 t 99, 5 -99, 9% Al + 16000 -18000 k. Wh)

tulajdonságai: n n n 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 n n 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.

ötvözetei: n n önthető (Al-Si, Al-Cu-Ni, Al-Mg) alakítható n nemesíthető (Al-Cu-Mg, Al-Mg-Zn, Al-Cu-Ni-Al. Mg-Si), n 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) Tolv=650 o. C, ρ=1, 74 kg/dm 3, legkisebb a szilárd fémek között; n n könnyen forgácsolható, vékony védőréteg, de kell a korrózióvédelem! ötvözőelemei: Al, Zn, Mn, újabban: Si, Zr, Th n növelik szilárdságát, n csökkentik bemetszési érzékenységét, n növelik korrózióállóságát.

Az Al-ötvözethez képest: n előnyük: n n hátrányuk: n n fajsúlyuk lényegesen kisebb, dinamikus igénybevételeknek jobban ellenáll (nagy maradó igénybevétel után törik), kitűnően forgácsolható – de könnyen gyullad! 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, 51 kg/dm 3 A Földkéregben előforduló negyedik leggyakoribb fém! n tulajdonságai: n n n 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 (tengervíz-álló alkatrészek), orvosi technika (biokompatibilis implantációk).

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<30 s% hidegen jól alakítható, rosszul forgácsolható, Zn≈46 -50 s% 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!)

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)

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 -75 s% 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.

Cink (Zn) ρ=7, 14 kg/dm 3 MÉRGEZŐ!!! 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. - Sn. O - üvegfelületre felvíve - folyadékkristályos kijelzők.

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 (γ-sugárzás)! Ötvözetei: Sb, Sn, As – növelik a szilárdságot és a korrózióállóságot. Alkalmazás: - gépkocsiipar (akkumulátor elektródák), - elektrotechnika – ólom kábelköpenyek, - vegyipar – tiszta állapotban.

Nemesfémek Arany (Au): ρ=19, 3 kg/dm 3 Tulajdonságai: - lágy, rendkívül nyújtható, aranyfüst (0, 0001 mm), - vegytiszta arany nem oxidálódik, - harmadik legjobb villamosvezető (ezüst és réz után), - savaknak és lúgoknak ellenáll (királyvíz – sósav, salétromsav keveréke – oldja!), Ötvözetei: szilárdsága növelhető Cu és Ag ötvöző-anyaggal. Alkalmazás: - állami pénzkiadás fedezete, ékszerek, - kisteljesítményű érintkezők, IC-k belső bekötései.

Ezüst (Ag): ρ=10, 5 kg/dm 3 Tulajdonságai: - a legjobb villamos és hővezető fém, fajlagos vezetőképessége 62, 7. 106 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, ötvöző-anyag, - elektrotechnika – érintkező-anyag, - vegyipar – katalizátorok anyaga, - film- és fotóipar.

Platina (Pt): ρ=21, 37 kg/dm 3 Tulajdonságai: - villamos vezetőképessége gyenge, - melegszilárdsága nagy, - csak a királyvíz oldja, vegyi ellenálló-képessége nagy, - 0, 0025 mm-es lemezekké, Φ 0, 015 mm-es huzalokká alakítható. Alkalmazás: - kémiai folyamatok katalizátora, - vegyipari berendezések anyaga, - elektrotechnika – korróziómentes érintkezők, ellenálláshőmérők, termoelemek, - üvegbeágyazott huzalok (hőtágulásuk hasonló).

Szervetlen nem-fémes szerkezeti anyagok Szervetlen természetes anyagok Kőzetek: külső földkéreg kristályos vagy amorf ásványainak keveréke. Keletkezésük alapján: - magmás kőzetek (gránit, andezit, bazalt), - üledékes kőzetek (gipsz, mészkő, dolomit, tufa), - metamorf kőzetek (márvány, kvarcit).

Gyémánt, grafit Gyémánt: Tulajdonságai: - rendkívül kemény (10. 000 HV), - magas olvadáspont (4100 C), - nagy fajlagos ellenállás, - kiváló kémiai ellenállóképesség. Alkalmazása: - nagyteljesítményű vágószerszámok éle, - miniatűr csapágyak anyaga, - üvegmegmunkálás szerszámanyaga.

Grafit kristályszerkezete Gyémánt kristályszerkezete

Grafit: Tulajdonságai: - szilárdsága, sűrűsége kisebb a gyémánténál, - grafitrácsok rétegei nyíró igénybevétel hatására egymáshoz képest könnyen elcsúsznak. Alkalmazás: - kenőanyag (magas hőmérsékleten is!), - atomreaktorokban – fékező, lassító anyag, - elektrotechnika – kollektorok.