KURZUS: Anyagismeret

MODUL: Szerkezeti anyagok

22. lecke: Nem vas fémek és ötvözeteik

|  | A nem vas fémek csoportosítása Az alumínium tulajdonságai Az alumínium fő ötvözői Az alumínium ötvözetek csoportosítása az alumínium ötvözőfém elvi egyensúlyi diagram alapján Az alakítható alumínium ötvözetek jellemző, felhasználásuk Öntészeti alumínium ötvözetek jellemzői, felhasználásuk A titán jellemzői, felhasználása A magnézium jellemzői, felhasználása A réz jellemzői, fő ötvözői és azok felhasználása A nikkel jellemzői, felhasználása Az ón, az ólom jellemzői, felhasználása A nemesfémek jellemzői, felhasználása
|  | A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti:
|  | megadni az alumínium, a titán, a magnézium, réz, nikkel, ólom, ón és a nemes fémek jellemző tulajdonságait felsorolni az alumínium, a titán, a magnézium, réz, nikkel, ólom, ón és a nemesfémek felhasználási területeit felhasználási területnek megfelelő nem vas fémet, illetve nem vas fém ötvözetet kiválasztani
|  | Nem vas fémek és ötvözeteik
|  | A vasötvözetek mellett számos elemet és ötvözetet ismerünk. Előfordulásuk, előállításuk, feldolgozásuk miatt áruk magasabb, ezért a vasötvözeteknél jóval kisebb mennyiségben elsősorban akkor használjuk azokat, ha valamilyen a vasötvözeteknél előnyösebb tulajdonsággal rendelkeznek. pl. sokkal könnyebbek, vagy korrózióállóbbak, jobb hő- és villamosvezetők, kisebb vagy nagyobb az olvadáspontjuk stb. A nem vas fémeket két nagy csoportba oszthatjuk.
|  | könnyűfémek színesfémek
|  | Mindkét csoportban találkozunk a tiszta fémmel, ahol leginkább megjelenik a különleges tulajdonság, a kis ötvözőfém tartalmú, elsősorban szilárd oldat szerkezetű alakítható, és a nagyobb ötvöző tartalmú gyakran eutektikushoz közeli összetételű, öntéssel feldolgozható ötvözetekkel.
|  | Az alumínium és ötvözetei
|  | Az alumínium tulajdonságai
|  | Kis sűrűség ( ρ = 2,3 g/cm3) Alacsony olvadáspont (660 C°) Jó hő- és villamos vezetőképesség Kiváló korrózió állóság (a felületén összefüggő, jól tapadó Al2O3 védőréteg képződik) Kedvező alakíthatóság Szilárdsága kicsi (Rm=45 MPa), de ez ötvözéssel, hőkezeléssel és hidegalakítással jelentősen növelhető
|  | Alakítható alumínium ötvözetek (ötvöző tartalom néhány %) Nemesíthető Nem nemesíthető Öntészeti alumínium ötvözetek (eutektikus összetételhez közeli ötvöző tartalom) Ötvözött alumínium öntészeti célra (Si, Mg, Cu) Egyéb öntészeti alumíniumok ötvözetek
|  | Az alumínium fő ötvözői (MSZ EN 573 szabvány szerint)
Tiszta alumínium | 1000 jelű sorozat
Cu ötvözésű | 2000 jelű sorozat
Mn ötvözésű | 3000 jelű sorozat
Si ötvözésű | 4000 jelű sorozat
Mg ötvözésű | 5000 jelű sorozat
Mg és Si ötvözésű | 6000 jelű sorozat
Zn ötvözésű | 7000 jelű sorozat
Li ötvözésű | 8000 jelű sorozat
Egyéb ötvözésű | 9000 jelű sorozat
1. ábra. Az alumíniumötvözetek csoportosítása az Al - ötvözőfém elvi egyensúlyi diagram alapján
|  | Az alumínium a legtöbb ötvözőjével szilárd oldatot alkot. A feldolgozhatóság szerinti csoportosításuk az Al - ötvözőfém (Me = metál) elvi egyensúlyi diagram alapján lehetséges. A szilárd oldat szerkezetű ötvözetek jól alakíthatók, az eutektikushoz közeli ötvözeteket pedig elsősorban öntéssel dolgozzák fel.
|  | Alakítható ötvözetek
|  | A legjobb mechanikai tulajdonságokat a Cu és Zn ötvözésű, kiválásosan keményíthető ötvözeteknél érhetünk el. Azonban ezek korrózióállósága rosszabb.
|  | Az AlMn, az AlMgMn valamint az AlMg típusú kisebb szilárdságú nem nemesíthető ötvözeteket az építő-, csomagoló-, élelmiszeriparban valamint a hajógyártásban használják. Az AlSiMg ötvözetek igen jól alakíthatók, felhasználhatók pl. karosszéria gyártásra.
|  | Az AlCuMg, az AlZnMg az AlZnCuMg nagyszilárdságú, nemesített ötvözeteket a jármű, a repülőgépipar használja fel.
|  | Nemesíthető alumínium ötvözetek (példák: lemezek tulajdonságai)
| Lágy Rm [MPa] | Lágy A % | Nemesített Rm [MPa] | Nemesített A %
AlMgSi | 147 | 16 | 255 | 11
AlCu4Mg1 | 235 | 12 | 390 | 13
AlCu5.5Mg1.5 | 245 | 12 | 430 | 12
|  | A hőkezelés kiválásos keményítés (nemesítés). A leggyakoribb képlékeny alakítás lemezek esetében a kivágás, a hajlítás, a mélyhúzás. Az alakítás lágy állapotban történik. A kisebb alkatrészek igény szerint nemesíthetők.
|  | A rudak mechanikai jellemzői hasonlóak a lemezekéhez.
|  | Öntészeti ötvözetek
|  | A legjobb öthetőséget az AlSi azok, közül is az öAlSi 12 ötvözet mutatja, ezért különösen alkalmas vékony falú, bonyolult alkatrészek készítésére.
|  | Elterjedt továbbá az öAlSi10Mg és az öAlSi8Cu. Ezek kiválásosan keményíthetők a kedvező önthetőség mellett.
|  | Kis sűrűsége és jó hővezetőképessége miatt az Al különösen alkalmas belsőégésű motorok dugattyúinak illetve hengerfejeinek gyártására. Ezekben az ötvözetekben a Si mellett Cu, Ni, is megtalálható.
|  | Öntészeti alumínium ötvözetek (példák)
|  | 2000 jelű sorozat: AlCu4TiMg nemesíthető, nagy szilárdságú 4000 jelű sorozat: AlSi12 (eutektikus) kiválóan önthető, vékony falú öntvényekhez 5000 jelű sorozat: AlMg9 korrózióálló, jól fényesíthető
|  | Alumínium öntvények
Példák alumínium öntvényekre
2. ábra. Ventilátor ház | 1/4
6. ábra. Hengerfej öntvény szövetszerkezete
|  | A titán és ötvözetei
|  | A titán alapanyaga a: rutil (titándioxid - TiO2), amelyből az előállítás során klór áramban hevítve titántetraklorid (TiCl4) keletkezik. Ezt fém magnéziummal redukálják, majd tisztítják és porkohászati úton nyerik a Ti-t
|  | A titán ezüstfehér színű, 4,5 103 kg/m3 sűrűségű 1670 C° olvadáspontú fém. Allotróp módosulatai vannak. Korrózióállósága kitűnő, tökéletesen ellenáll a tengervíznek, nedves és szerves savas közegeknek. Az emberi szervezetben nem káros.
|  | Szilárdsága ötvözéssel és az allotróp átalakulást kihasználó hőkezeléssel fokozható. Igen jó a szilárdság/sűrűség aránya.
|  | Fő ötvözői az Sn, a Zr, a Cr a Mo a V és a Nb.
|  | Kitűnő hőállósága, korrózióállósága, kis sűrűsége miatt fő felhasználója a repülőgépipar a rakéta-, űrhajózás-, az élelmiszeripar és a gyógyászat.
|  | A magnézium és ötvözetei
A tiszta Mg-ot ötvözőfémként használják az alumíniumötvözetek és a gömbgrafitos öntöttvasak gyártásánál, de elterjedt távvezetéki acélcsövek katódos korrózióvédelmére is. |  | Alapanyag: magnezit ásvány (MgCO3) vagy tengervízi sók (MgCl2) kiválása. A fém magnézium a MgCl2 elektrolízisével állítható elő.
|  | A Mg kis sűrűségű ( ρ = 1,784 103 kg/m3) 650 C° olvadáspontú hexagonális szerkezetű fém. Jó hő-és elektromos vezető.
|  | Az ötvözetlen Mg szilárdsága nagyon kicsi (öntött állapotban kb. 110 N/mm2)
|  | Erősen reakcióképes az oxigénnel, ezért szerkezeti anyagként csak ötvözetei alkalmazhatók. Hexagonális szerkezet miatt szobahőmérsékleten rosszul alakítható ezért az ötvözeteit elsősorban öntéssel dolgozzák fel.
A falvastagság 2- 2,5 mm, a tömeg 3,5 kg. |  |
7. ábra. MgAl6Mn magnézium öntvény
Pl. hajtóműházak, textilipari gépek gyorsan forgó elemei, robotok házai, gépjármű keréktárcsák, hajtóműházak stb. A Mg ötvözésű kerekek négyszer könnyebbek, mint az acél és egyharmaddal az alumínium kerekeknél ezért elsősorban a sport és a versenyautók kerekeinek készítésére használatos. |  | Rossz korrózióállósága miatt elsősorban ott használják, ahol a kis sűrűség nagy előnyt jelent pl gépjárműipar, gépipar, repülőgépgyártás, űrhajózás, műholdgyártás.
|  | A réz és ötvözetei
|  | Érce a kalkopirit (CuFeS2). Ebből őrléssel, tisztítással és pirometallurgiai eljárással komplex oldatot állítanak elő (Cu2S, FeS, Fe3O4). Az olvadékból nyert kéneskőből leválasztják a rezet.
|  | A nyers rezet elektrolízissel finomítják.
|  | A réz tulajdonságai
|  | Közepes sűrűség ( ρ = 8,93*103 kg/m3) Olvadáspont (1083 C°) Kiváló hő- és villamos vezetőképesség Légköri korrózió állóság Kedvező alakíthatóság, önthetőség Szilárdsága közepes (Rm=220 MPa), ötvözéssel tovább javítható
|  | Ötvözetei:
|  | Alakítható réz ötvözetek Lemezalakításra alkalmas sárgarezek Éremverésre alkalmas bronzok Öntészeti réz ötvözetek Ónbronz és vörösötvözetek Ólombronzok Sárgarezek öntészeti célokra
|  | A fontosabb sajtolható (alakítható) rézötvözetek
A kis Zn tartalmú pl. CuZn5 és 10 sárgarezek jó korrózióállósággal, jó alakíthatósággal jellemezhetők, huzalok fémszövetek, mikrohullámú berendezések anyagai. A bronzok korrózióállósága kiváló, a tengervíznek is ellenállnak. Kis ötvözőfém tartalom mellett alakíthatóak, alkalmasak vékony huzalok, sziták, lemezek, rudak, csövek előállítására. |  | Tiszta réz (Cu% > 99,85): áramvezető huzalok, mélyhúzott alkatrészek Sárgarezek: 90% Cu, 10% Zn: finom alkatrészek 70% Cu, 30% Zn: mélyhúzott alkatrészek 60% Cu, 40% Zn: hőcserélő lemezek Bronzok: 95,5% Cu, 3% Sn, 1,5% Zn: érem verés
|  | A fontosabb öntészeti rézötvözetek (MSZ 8579:1991)
Az emberiség által kb. 5000 éve használt ónbronz mellett, létezik berillium, kadmium, ezüst, ólom. szilícium bronz is. |  | Ónbronzok (öntészeti célokra) öCuSn12: nagy igénybevételű alkatrészek öCuSn10P: vegyipari szerelvények Vörösötvözetek öCuSn10Zn2: csapágycsészék, csigakerekek öCuSn5Zn5Pb5: áramvezető sínek Ólombronzok (főként csapágy öntvények) öCuPb20Sn5: hideghengerművek csapágyai öCuPb5Sn10: savas közegben lévő csapágyak
8. ábra. Rézötvözetekből készült öntvények
| 1/4
9. ábra. Sárgaréz szövetszerkezete
|  | Egyéb nem vas fémek és ötvözeteik
|  | A nikkel és ötvözetei
|  | A nikkel közepes sűrűségű (8,8 103 kg/m3) , 1452 C° olvadáspontú korrózió és saválló fém. Hidegen és melegen jól alakítható, de az alakítás hatására erősen keményedik. Tiszta állapotban huzal, lemez, szalag formájában a vegyipar, valamint bevonó fémként hasznosítják. A nikkel fontos ötvözőelem az acélokban, fő ötvözője korrózióálló acéloknak is.
|  | Fontosabb ötvözői a Cu, a Cr. A Ni-Fe ötvözetek az elektrotechnika területén nélkülözhetetlenek (pl. mágnesesen lágy és kemény szerkezeti anyagok , termoelemek, precíziós ellenállások). A nagyhőállóságú ötvözetei a járműiparban, mint belsőégésű motorok szelepeinek anyaga, vagy turbina lapátként kerülnek felhasználásra.
|  | Ón
|  | Az ón alacsony olvadáspontú (232 C°), kis szilárdságú, nagy sűrűségű (7,3 103 kg/m3) fém, allotróp módosulata van. Antimonnal, ólommal ötvözve elsősorban csapágyfémként alkalmazzák, de lényeges ólommal ötvözve, mint lágyforrasz anyag.
|  | Ólom
|  | Az ólom kis olvadáspontú (327 C°), kis szilárdságú, nagy sűrűségű (11,3 103 kg/m3) igen lágy fém. Szobahőmérsékleten nem keményedik. Kiváló korrózióálló, és hatásos védelmet biztosít a γ sugárzással szemben.
|  | Fő felhasználó az akkumulátorok gyártása, a sugárvédelem és a vegyipar.
|  | Arany
Az Au a Cu-t minden arányban oldja, színe ötvözéssel tág határok között változtatható. |  | Az arany közepes olvadáspontú (1063 C°) nagy sűrűségű (19,3 103 kg/m3) kiváló hő- és elektromos vezető, kiválóan alakítható lapközepes köbös szerkezetű fém. Korrózióállósága kiváló, még a királyvíznek is ellenáll. Tisztaságát karátokban mérik, ami azt jelenti, hogy az ötvözet hány 24-ed része arany. Szilárdságát Cu ötvözéssel növelik.
|  | Ezüst
|  | Az ezüst közepes olvadáspontú (961 C°) közepes sűrűségű (10,5 103 kg/m3) kiváló hő- és elektromos vezető, kiválóan alakítható lapközepes köbös szerkezetű fém. Levegőn korrózióálló, a kénhidrogén megtámadja felületén fekete ezüstszulfid réteg keletkezik. Az arannyal, rézzel minden arányban ötvözhető, a higannyal amalgámot képez. Nagy mennyiségű ezüstöt használnak fel tükrök, hőpalackok, orvosi műszerek, villamosipari érintkezők gyártásához.
|  | Platina
|  | A platina nagyon lágy, 1773 C° olvadáspontú, igen nagy sűrűségű ρ = 21,37 103 kg/m3 lapközepes köbös rácsszerkezetű fém. A finom eloszlású Pt nagymennyiségben hidrogént tud lekötni igen jó katalizátor fém. Kémiailag ellenálló, csak a királyvíz oldja. Felhasználják a vegyiparban, az elektrotechnikában a gyógyászatban.
|  | Fémüvegek
|  | A fémüvegek olyan fémötvözetek, melyeknek nem kristályos, hanem amorf szerkezetűek. A fémolvadékok rendkívül gyors (kb. 106 K/s) lehűtés során keletkeznek. Az üvegesedési hőmérséklet felett relexációs folyamatok eredményeként kristályos fázist eredményező átalakuláson mehetnek át, elveszítve amorf szerkezetüket.
|  | Különleges tulajdonságaik vannak pl. a fémfürdőével azonos hő- és villamos vezetőképesség, nagy szilárdság és keménység, , korrózió állóság.
|  | Rostok, huzalok, szalagok formájában állítják elő igen kis (k. 0,1 mm) vastagságban.

|  | Ellenőrző kérdések
| Válassza ki az egy helyes megoldást!
| 1. Jelölje meg a fém alumíniumra igaz megállapítást!
| Kis sűrűségű, nagy tisztaságban előállítható, nagy szilárdságú.
| Kis sűrűségű, kiváló hő- és elektromos vezető, nehezen alakítható.
| Kis szilárdságú, kiváló hő- és elektromos vezető, minden közegben korrózióálló.
| Kis szilárdságú, kiváló hő- és elektromos vezető, a felületén képződő Al2O3 védőréteg hatására korrózióálló.
| 2. Válasszon karosszéria készítésére alumínium ötvözetet az alábbiak közül!
| Nagy Si tartalmú, közel eutektikus összetételű.
| Kis Si tartalmú, közel eutektikus összetételű.
| Kis Si és Mg tartalmú, szilárd oldat szerkezetű.
| Nagy réz tartalmú, kiválásosan keményíthető.
| 3. Válasszon anyagot az alábbiak közül személygépkocsi motorblokk készítéséhez.
| Több alkotós öntészeti alumínium szilícium ötvözet, szilárd oldat szerkezetű.
| Több alkotós öntészeti alumínium szilícium ötvözet.
| Alakítható alumínium ötvözet Si, Mg ötvözésű.
| Öntöttvas.
| 4. Jelölje meg a titánra igaz megállapításokat!
| Kis sűrűségű, olcsó, alacsony olvadáspontú.
| Kiváló korrózióállóságú, allotróp módosulatai vannak, kedvező szilárdság/sűrűség aránya.
| Ezüstfehér színű, rosszul alakítható, kiváló korrózióállóságú.
| Nagy mennyiségben fordul elő, olcsón előállítható, a tengervíznek nem áll ellen.
| 5. Jelölje meg a magnéziumra igaz megállapításokat!
| Igen kis sűrűségű, jó hő- és elektromos vezető, kiválóan alakítható.
| Igen kis sűrűségű, jó hő- és elektromos vezető, szobahőmérsékleten rosszul alakítható.
| Főleg az alumínium és az öntöttvas ötvözője, magas az olvadáspontja.
| Pirotechnikai célokra használják, könnyen gyullad, nagyon jól alakítható.
| 6. Mit nevezünk sárgaréznek?
| A réz és az ón ötvözetét.
| A réz és az alumínium ötvözetét.
| A réz és a horgany ötvözetét.
| A réz és az ólom ötvözetét.
| 7. Mit nevezünk bronznak?
| A réz és az ón ötvözetét.
| A réz és az alumínium ötvözetét.
| A réz és a horgany ötvözetét.
| A réz és az ólom ötvözetét.
| 8. Mit fejez ki a karát?
| Az arany tisztaságát.
| Az arany réztartalmát.
| Az arany ezüst tartalmát.
| Az arany platina tartalmát.