Al ötvözetek hőkezelése és vizsgálata
Yüklə 53,22 Kb.
|
- Bu səhifədəki naviqasiya:
- Réz alapú ötvözetek
- Gyakorlati rézötvözetek
- Alumínium és réz ötvözetek nemesítése
- Cu ötvözetek hőkezelése és vizsgálata
| Fémötvözetek hőkezelése Cu ötvözetek hőkezelése és vizsgálata1. A gyakorlat célja A nemesítő hőkezelés lépéseinek alkalmazása Cu ötvözetek esetében. A hőkezeléssel kialakított szövetszerkezet, valamint a keménység változásának vizsgálata a hőkezelés paramétereinek függvényében. 2. Elméleti alapok Réz alapú ötvözetekA réz felületen középpontos kockarácsú fém, allotróp módosulatai nincsenek. Laboratóriumi körülmények között 99.9999 [%], míg ipari feltételek mellett elektrolízissel 99.99 [%] tisztaságú rezet lehet előállítani. Jó korrózió állósága, elektromos és hővezető képessége miatt elektromos vezetékek gyártására használják. Ezen a területen a mai napig helyettesíthetetlen. Mivel a rétegződési hiba energiája kicsi, ezért a diszlokációk részdiszlokációkra bomlanak, szobahőmérsékleten nehéz a keresztcsúszás, erős az alakítási keményedés, sok az ikerhelyzetben lévő kristály. A tiszta réz gyakorlati alkalmazása mellett számos igen fontos rézötvözet is van forgalomban. Az ötvözőket csoportosíthatjuk a rézben való oldódási hajlamuk szerint. Szilárd állapotban egyáltalán nem oldódó ötvözők közül az oxigén érdemel külön figyelmet. Az olvadt állapotban feloldódott oxigén szilárd állapotban Cu2O +Cu eutektikum alakjában a kristályhatárokon dermed meg, ezáltal az alakíthatóságot erősen rontja. Hidrogén atmoszférával való érintkezéskor létrejövő vízgőz pedig szemcsehatár menti repedések kialakulásához vezet. A nagytisztaságú réz felhasználási területekre ezért oxigén atmoszférától elzárt metallurgiai folyamattal állítanak elő CuOF jelű rezet. A szilárd állapotban mérsékelten oldódó (<9 [%]) ötvözők eutektikusan (Cr,Zr,P,Ti,Mg,Ag), vagy peritektikusan (Be,Fe,Co,Si) kristályosodnak. A hőmérséklet csökkenésével az réz oldóképessége csökken (1. ábra). Ezért a cmax körüli koncentrációjú ötvözetek nemesíthetőek. Az eutektikum egyik fázisa az szilárdoldat a másik vagy színfém (Cr), vagy szilárdoldat (Ag), vagy vegyület (Zr,Ti,Mg). A peritektikus rendszerek tipikusan a 1. ábra szerint alakulnak. A peritektikum X fázisa gyakran olyan szilárdoldat ami a Tx hőmérséklet alatt eutektoidosan elbomlik. A nagymértékben oldódó ötvözők közül a cinknek, ólomnak, és az alumíniumnak van gyakorlati jelentősége. Közös jellemzőjük, hogy az eutektikus (Al) vagy peritektikus (Zn,Sn) kristályosodással (2. ábra) az réz mellett dermedő második fázis () egy vegyület, amely csak egy T hőmérséklet felett stabil. Az réz oldóképessége ezen a hőmérsékleten a legnagyobb, és a csökkenő hőmérséklettel az oldóképesség nő, ezért ezek az ötvözetek nem nemesíthetőek. Ha az ötvözet T alá hűl, a fázis vagy rendeződik, vagy eutektoidosan bomlik rézre és egy ötvözőben dúsabb fázisra, mely lehet a szobahőmérsékletig stabil, vagy további bomlásokkal egyre nagyobb ötvözőfém tartalmú fázisok alakulnak ki. A gyakorlati ötvözetekre jellemző, hogy az ötvözőfém növekedésével a szerkezet homogén majd heterogén +, végül homogén szerkezetűek.  1. ábra Mérsékelten oldódó ötvözők tipikus eutektikus és peritektikus egyensúlyi diagram részletei  2. ábra Nagymértékben oldódó ötvözők tipikus eutektikus és peritektikus egyensúlyi diagram részletei A Cu-Zn ötvözeteknél 850C-on hőkezelve, majd lassan lehűtve 39 [%] Zn tartalomig homogén sárgarezet kapunk. A 39 és 46,5 [%] közötti Zn tartalomnál heterogén sárgarezet kapunk. Gyakorlati rézötvözetekKis ötvöző tartalmú Cu Gyakorlatilag nagy tisztaságú fém kis adalék ötvözővel, hogy növeljék a réz szilárdságát és javítsák a megmunkálási tulajdonságát anélkül, hogy a vezetőképességet rontanák. Pl.: Cu-O, Cu-S, Cu-Se, Cu-Ag Minimális mennyiségben oldódnak a következő ötvözők: Pb, Fe, P.
A homogén sárgarezek melegen és hidegen is kitűnően alakíthatók, így lemez, szalag, cső, rúd készül belőlük. Még keményebb és korrózióállóbb ötvözeteket készítenek 1-5 [%] alumínium, ón, szilícium, vagy mangánötvözéssel. A heterogén sárgarezek hidegen nem alakíthatók. Ugyanakkor az öntési forgácsolási tulajdonságok jók. Keménységük és szilárdságuk meghaladja a homogén sárgarezekét. Elsősorban öntvényeket (pl. vízcsap) készítenek belőlük.
Legfeljebb 8 [%] óntartalmú homogén szerkezetű ötvözetek. Kitűnően önthetők, mind öntött, mind kovácsolt formában használatosak. Mérnöki felhasználás esetén az ón tartalom nem több 13 [%]-nál, de nagyobb óntartalmú Cu ötvözetből készülnek a harangok, cintányérok és egyéb hangszerek. Egyéb ötvözőket is adagolhatnak az ónbronzhoz, pl. P, Zn, Pb, Ni. Alumínium bronzok 5 és 8 [%] közötti ötvözőfémet tartalmaznak, jól alakíthatóak, lemez, rúd és cső készül belőlük. Fontos kiegészítő ötvözők a Fe, Ni és Mn. 7-8 [%] Al tartalomig a réz alakítható marad, az Al növeli a korrózióállóságot. Lemez, cső, huzal alakban használt. A nagyobb Al tartalmú ötvözet már nem szilárd oldat, fázisokból áll, keményebb, ezért melegen hengerelt, sajtolt és kovácsolt termékek formájában található. Réz-Nikkel ötvözetek Ellenállásanyagok, de 20 [%] Mn ötvözéssel kemény, szikramentes anyagot lehet előállítani főleg olaj és gázbányászati alkalmazásokhoz. Vas és ón ötvözéssel növelhető az ötvözet korrózióállósága. Alpakkák Nikkel és cinkötvözéssel készülnek a homogén alpakkák, amelyekből rugókat, evőeszközöket, dísztárgyakat és műszereket készítenek. Réz –Arany ötvözetek Főleg ékszer, dísztárgy felhasználással készítik ezeket az ötvözeteket. Leggyakoribb a 14 és a 8 karátos ötvözet, ami 58 illetve 335 aranytartalmat jelent. Berillium bronzok 1.6-2.2 [%] Berillium és néhány tized százalék Ni vagy Co ötvözéssel készülnek a legnagyobb szilárdságú, nemesíthető rézötvözetek, amelyekből rugókat, kopásálló alkatrészeket készítenek. Ólomtartalmú ötvözetek Mivel az ólom nem oldódik, mindig önálló fázisként jelenik meg a rézötvözetekben. Megjelenése egyrészt javítja a forgácsolhatóságot, másrészt kenő hatása lévén csökkenti a súrlódási tényezőt. Ezt kihasználva kitűnő siklócsapágyak készíthetők. Alumínium és réz ötvözetek nemesítéseA hőkezelés a szilárdság növelése érdekében történik, lépései is megegyeznek az acélok nemesítésénél megismertekkel, viszont a keményítő mechanizmus egészen másképpen alakul ki. A hőkezelés során a diszlokációk mozgását akadályozó kiválások jönnek létre. Ilyen részecskék keletkeznek túltelített szilárdoldatból való kiválás esetén. Ha egy díszlokáció kiváláshoz ér a továbbhaladáshoz át kell vágnia azt. Az átvágáshoz nagy energia kell, vagyis a kiválás jelentős szilárdságnövekedést okoz. Ha az energia szükséglet túl nagy, akkor a diszlokáció megkerüli a kivágást (3. ábra). Ekkor a szilárdságnövelő hatás mérsékeltebb. Legnagyobb a szilárdság növekedés ha a kiválás a mátrixszal koherens vagy félkoherens. Az ilyen igen apró (100 nm-es) kiválásokat Gunier-Preston röviden G.P. zónáknak hívjuk (4. ábra). Nemesíthetőnek nevezzük azt az ötvözetet amelyikben a túltelített szilárdoldatból való kiválás lépései a következők: szilárdoldat- G.P. zóna-metastabil fázis-stabil fázis.
Célja az ötvözők minél tökéletesebb oldódása, ezért az oldó hőkezelést mindig a szolvusz hőmérséklet felett és a szolidusz hőmérséklet alatt kell végezni. Az esetleges helyi megolvadások elkerülése végett célszerű az eutektikus hőmérséklet alatt maradni 5-10C-kal. Az oldó hőkezelés ideje az ötvözet állapotától, összetételétől, illetve a darab vastagságától függ.
Célja az oldó hőkezelés során kialakult szilárdoldat állapotát megtartani szobahőmérsékleten is. Az edzés általában gyors hűtést jelent, ezért gyakran hívják befagyasztásnak is. Az edzés akkor sikeres ha a magas hőmérsékleten kialakult szerkezet minden atomja illetve vakanciája a helyén marad. A leggyakrabban előforduló hiba, ha a kritikus hőmérsékleten megindul a kiválás. A kritikus hőmérsékletnek hívjuk azt a tartományt ahol a kiválási folyamat különösen gyors. A kiválás sebessége a túltelítettségtől (túlhűléstől), illetve a diffúzió sebességétől függ.
A túltelített nem egyensúlyi szilárdoldatból az ötvözők kiválni igyekeznek. Alacsony hőmérsékletű hevítéssel ez a folyamat jól szabályozható. A kiválások a körülményektől függően többfélék lehetnek. Az egyensúlyi diagramba un. nemegyensúlyi szolvusz görbéket is berajzolhatunk, amelyek a kiváló fázisok stabilitási területeit mutatják. A legalacsonyabb hőmérsékleten keletkeznek a GP zónák, ettől magasabb hőmérsékleten a metastabil fázis(ok), végül a legmagasabb hőmérsékleten a stabil egyensúlyi fázis. A G.P. zónák képződése szobahőmérsékleten is megindulhat. Ekkor pusztán a termékek néhány napos esetleg hetes hevertetésével jelentős szilárdságnövekedés is elérhető. Az ilyen ötvözeteket önnemesedő ötvözeteknek hívjuk. A szilárdsági tulajdonságok a hőkezelési idő függvényben maximumos görbe szerint változnak, ezért fontos a megfelelő idő és hőmérséklet meghatározása. Az egyensúlyi fázis megjelenéséve a kiválások mérete és köztük lévő távolság már nagy, a szilárdsági tulajdonságok csökkennek, a kontrakció, nyúlás nő, vagyis az anyag lágyul. Ezt a folyamatot túlöregítésnek nevezik, ami a felhasználás szempontjából általában káros. 
3. ábra: A diszlokációk mozgása kemény részecskéken keresztül. 
4. ábra: A kiválási folyamat sematikus rajza. Ismétlésképpen Nem minden ötvözet nemesíthető. Négy feltételnek kell az ötvözeteknek megfelelni, hogy a megfelelő keményedési folyamat lejátszódjon hőkezeléskor:
A gyakorlaton vizsgálandó Cu ötvözetek egyensúlyi fázisdiagramjai.
5. ábra: a) Cu-Al egyensúlyi fázisdiagram, b) Cu-Al-Fe ötvözetrendszer egyensúlyi fázisdiagramja.  
 
 b)
6. ábra: a) Cu-Be egyensúlyi fázisdiagram, b) Cu-Ni egyensúlyi fázisdiagram. A) A leggyakrabban előforduló Cu ötvözetek, azok csoportosítása ötvözettípusok, ill. felhasználás szerint megtalálható: Dr. Gácsi Zoltán, Dr. Mertinger Valéria: Fémtan (Műszaki Könyvkiadó, Bp., 2000) 72.-79. old.
Verő József, Káldor Mihály: Fémtan (Tankönyv Kiadó, 1977, Bp.) 433-438., 440-448. 3. Jegyzőkönyv A feladatok elvégzése után a jegyzőkönyvben rögzítse a saját próbadarabokon elvégzett vizsgálatokat, a mérések eredményeit. Diagramokon ábrázolja a csoport eredményeit és szövegesen értékelje ki azokat. 4. Irodalom 1. Dr. Gácsi Zoltán, Dr. Mertinger Valéria: Fémtan (Műszaki Könyvkiadó, Bp., 2000) 2. Verő József, Káldor Mihály: Fémtan (Tankönyv Kiadó, 1977, Bp.) 3. Charlie R. Brooks: Heat Treatment, Structure and Properties of Nonferrous Alloys, 1982, American Society for Metals 4. Donald R. Askeland: The Science and Engineering of Materials, 3rd edition, 1994, PWS Publishing Company 5. E. G. West: Copper and its alloys, 1982, John Wiley and Sons
Jegyzőkönyv Cu ötvözetek hőkezelése és vizsgálataNév: ………………………………. Tankör: …………….. Dátum: ……………………... A Cu próba összetétele: ……………………………………………
2) Végezze el az ötvözetek homogenizáló hőkezelését és gyors hűtését, majd mérje meg a darabok Brinell keménységét. A Cu-Al-Fe próbadarabon mérjen szilárd oldat térfogathányadot.
3) Végezze el a megeresztést, majd a szerkezetvizsgálatot és keménységmérést. Mentse el a próbadarabok szövetképét.
4) Készítsen táblázatot a csoport adataiból. Ábrázolja diagramon a keménység és a szilárd oldat térfogathányad változását a megeresztési idő és hőmérséklet függvényében. Szövegesen értékelje az eredményeket. Yüklə 53,22 Kb. Dostları ilə paylaş:
|
)