2015. ápr 27.

Fémipari anyag szerkezettani alapismeretek

írta: Fémszerkezet
Fémipari anyag szerkezettani alapismeretek

Fémipari anyag szerkezettani alapismeretek

 

A következő fejezetben megismerkedhet:

  • a szerkezeti anyagok felosztásával,
  • szerkezeti anyagok felhasználási területeivel,
  • a szerkezeti anyagok jellemző fizikai és kémiai tulajdonságaival,
  • a fémek kristályszerkezete és alakíthatósága közötti összefüggésekkel,
  • az acélanyagok alkalmazási területeivel,
  • acélanyagok szállítási formáival, méretével.

A fémipari gyártási technológiákban alapanyagokkal és segédanyagokkal dolgozunk. Az alapanyagok a munkadarabok, illetve a megmunkálásukhoz használt szerszámok anyagai. A segédanyagok biztosítják a technológia „kiszolgálását”, energiát szolgáltatnak, elvezetik a képződött hőmennyiséget, csökkentik a felületek közötti súrlódást stb.

 

Az alapanyagokat természetes nyersanyagokból állítjuk elő fizikai és kémiai folyamatok segítségével (pl. a fémeket érceikből, műanyagokat kőolajból). A szerkezeti anyagok rendkívül sokfélék, az áttekinthetőség érdekében három nagy csoportra oszthatók:

alapanyagok.jpg

A vas a természetben vegyületek formájában fordul elő. Ezekből a vegyületekből a technika fejlődésével egyre nagyobb tisztaságú (99,99%) vasat tudunk előállítani. A színvas kis szilárdságú, nagyon lágy fém. Előnyös mágneses tulajdonságai miatt a villamos iparban, mint lágy mágnest használják.

 

A fémiparban használatos vasanyagok kivétel nélkül ötvözetek. A vas legfontosabb ötvözője a szén. A vas-szén ötvözetek egyik csoportjában a szén vaskarbid (Fe3C) formájában fordul elő.

 

Acélnak nevezzük azokat a vas-vaskarbid ötvözeteket, amelyek 2,06%-nál kevesebb szenet tartalmaznak. Az acélokat a szén melletti ötvöző anyag tartalom alapján két csoportra osztjuk: ötvözetlen és ötvözött acélok. A legfontosabb ötvözők: Ni, Cr, W, V, Mn, Si. Ezek az acél felhasználhatóságát javítják. A szén az acél szilárdsági jellemzőit, keménységét növeli, az alakíthatóságát, szívósságát rontja.

 

Az öntöttvas könnyen önthető, öntészeti vasanyagból készül. Széntartalma 2,06%-nál több. A nyomó igénybevételt jól bírja, szakítószilárdsága (húzó igénybevétellel szembeni ellenálló képessége) alacsony.

 

Fajtái:

  • Lemezgrafitos öntöttvas (jelölése: Öv)
  • Gömbgrafitos öntöttvas (jelölése: Göv)
  • Temperöntvény (jelölése: Tö, Töfk)
  • Acélöntvény (Aö)

A lemezgrafitos öntöttvas leginkább jó siklási, megmunkálhatósági és rezgéscsillapítási jellemzői miatt alkalmas többek között motorhenger, dugattyúgyűrű, illetve fékdob, féktárcsa előállítására.

A gömbgrafitos öntöttvas szakítószilárdsága, nyúlása jobb, ezért forgattyús tengely, hajtórúd kialakítására alkalmas

A temperöntvények és az acélöntvények az acélhoz hasonló tulajdonságúak. Nagy előnyük, hogy önthetőségük miatt bonyolult formájú alkatrészek kialakítására használhatók.

 

A nehézfémek sűrűsége 5kg/dm3-nél nagyobb. Nehézfém, pl. az ón, ólom, réz, cink, króm. Felhasználásuk a különleges tulajdonságaikkal kapcsolatos (pl. a réz kiváló vezetőképessége miatt jó vezetékanyag).

 

A könnyűfémek sorába tartozik az alumínium, magnézium, titán. A belőlük készült alkatrészek könnyűek, nagy szilárdságúak. Ezért egyik fő felhasználási területük a járműgyártás.

 

A több nemű (összetett) anyagokat kompozitoknak is nevezzük. Egymással egyesített különböző szerkezeti anyagokból állnak. Magukban egyesítik az egyes összetevők jó tulajdonságait. Ilyenek pl. a nyomtatott áramkörök alaplapjai, vagy a fékbetétek.

 

A nemfémes anyagok közül a műanyagok felhasználási területe egyre bővül. Szerves anyagok, amelyeket szintetikusan, vagy természetes anyagok kémiai átalakításával állítanak elő. A szintetikus elállítás azt jelenti, hogy e vegyületek felépítése a természetes anyagokkal ellentétben –célirányosan irányított technológia keretében történik. Főleg szénvegyületekből, illetve szilikonokból állnak.

 

A műanyagok jellemző tulajdonságai:

  • sűrűségük kicsi (kisebb, mint az alumíniumé),
  • vegyi anyagokkal szemben ellenállók,
  • rossz hővezetők, hőállóságuk korlátozott,
  • az áramot nem vezetik, ezért jó szigetelők,
  • jól alakíthatók, könnyen feldolgozhatók.

A szerkezeti anyagok felhasználását jellemző fizikai, kémiai és technológiai tulajdonságaik határozzák meg. Sok fizikai jellemző megadható az anyagállandók segítségével. Ilyenek, pl. a sűrűség, hő tágulás, hővezető képesség, és a mechanikai jellemzők. Ez utóbbiak határozzák meg a külső erőkkel szembeni ellenálló képességet.

Fontosabb mechanikai jellemzők:

  • Feszültség: Az „A” keresztmetszetű testre ható „F” erő hatására az anyagban feszültség keletkezik. Jele „σ” (szigma), és az erő valamint a keresztmetszet hányadosaként számítjuk:

 

keplet.jpg

  • Ridegség: az anyagnak az a tulajdonsága, hogy külső erő hatására nem deformálódik, hanem pattan, törik. Rideg anyag pl. az üveg, a keményre edzett acél, de bizonyos mértékig egyes öntöttvasak is.
  • Keménység: az az ellenállás, amit az anyag egy külső erő hatására a felületébe hatoló testtel szemben kifejt. Kemény anyag pl. az edzett acél, és a gyémánt, amely éppen e tulajdonsága miatt kopásálló, így tartós forgácsolószerszámot lehet készíteni belőle.
  • Szilárdság: külső erők roncsoló hatásával szemben kifejtett ellenállás. A szilárdságot általában szakítóvizsgálattal határozzuk meg. A vizsgálat során a szakítógépbe szabványos kialakítású próbatestet helyeznek el, amelyet növekvő húzóerővel terhelnek. Közben mérik a próbatest hosszváltozását. Azt a legnagyobb terhelőerőt, amelyet a próbatest kibír szakítóerőnek (FB) nevezzük.

 

szakitodiagramm.jpg

 

probatest_alak.jpg

A próbatest alakváltozása

A szakítószilárdság (Rm) számítása:

szakito_szil.jpg

ahol:

  • Fm: a vizsgálat során fellépő maximális erő [N]
  • S0: a próbatest eredeti keresztmetszete [mm2]

A kémiai tulajdonságok meghatározzák az anyagok környezeti hatásokkal, agresszív közegekkel szembeni viselkedését, ellenálló képességét.

Fontosabb kémiai jellemzők: hőállóság, éghetőség, mérgező hatás, korrózió állóság.

 

A technológiai tulajdonságok a különböző megmunkálási eljárásokra való alkalmassággal vannak összefüggésben. Ezek sorában a legfontosabbak az alábbiak:

  • Önthetőség: az anyag jól önthető, ha olvadási hőmérséklete alacsony, megolvadáskor hígfolyóssá válik, és nem vesz fel gázokat, és dermedéskor nem zsugorodik túlságosan.
  • Alakíthatóság: a jól alakítható anyag külső erők hatására képlékenyen deformálódik. Jól alakítható pl. az ólom, réz, alumínium, és a kis széntartalmú acélok. Nem alakíthatók (a ridegségük miatt) a vasöntvények, keményfémek.
  • Forgácsolhatóság: az egyik olyan jellemző, amellyel akár a barkácsolás során is találkozunk. Az ilyen anyagokra jellemző, hogy a megmunkálás során könnyű a forgácsleválasztás, kis méretű, rövid forgács jön létre, a szerszám éle nem kopik erősen. Csak a kevéssé szívós és a nem túl nagy szilárdságú anyagok forgácsolhatók jól: pl. az ötvözetlen, vagy a gyengén ötvözött acélok, öntöttvas, alumínium, réz, ólom.
  • Hegeszthetőség: a hegesztés szintén gyakran alkalmazott gyártási technológia. Az acélok hegeszthetősége a széntartalomtól függ. A kis széntartalmú acélok (0,22% széntartalomig) hegeszthetők jól. A közepes széntartalmú acélok (0,35-0,4%) kielégítően, míg a 0,45%-nál nagyobb széntartalmú acélok rosszul hegeszthetők.

A fémek kristályosodása

A megolvadt állapotból lehűlve a fémek kristály alakban szilárdulnak meg. A fématomok az adott fémre jellemző szabályoknak megfelelő helyet foglalnak el a kristályrácsban.

 

A fémek általában köbös kristályrács rendszerben kristályosodnak. A legjellemzőbb kristályalakzatok az alábbiak:

 

  1. a) Egyszerű köbös térrács
  2. b) Térközepes köbös térrács
  3. c) Lapközepes köbös térrács
  4. d) Hexagonális kristályrács

 

kocka_1.jpg

Egyszerű köbös térrács

 

A lapközepes köbös térrács esetén a kocka lapjainak középpontjában is van egy fémion. Ebben a kristályszerkezetben kristályosodik pl, az Al, a Cu, Ni.

gomb.jpg,

 

Lapközepes köbös térrács

 

A térközepes köbös térrácsú kristályrendszerben, a kocka középpontjában is van egy fémion, ahogyan az ábrán látható, gömb és vonalas modell formájában. Ebben a rendszerben kristályosodik a Cr, W, V.

gomb_model.jpg

Térközepes köbös térrács

atomos.jpg

 

A vas (Fe) az egyszerű-, lapközepes-, és térközepes köbös rácsszerkezetben egyaránt megtalálható.

 

A kristályszerkezet kialakulása

Az olvadék hűlésekor a fémionok előbb kristálycsírákká állnak össze. A hűlés folytatódásával a kristálycsírákból kristályrácsok alakulnak ki. A kristályok addig nőhetnek szabadon és szabályosan, amíg egymásba nem ütköznek. A kristályosodás előrehalad tával a kristályok egymással érintkezésbe kerülnek, egymás növekedését gátolják, így alakjuk szabálytalan lesz. A szabálytalan alakú kristályokat krisztallitoknak nevezzük.

 

A megszilárduló fémben különböző nagyságú krisztallitok jöhetnek létre. Ha a folyékony fém lassan hűl, benne kevés az elemi kristály, így kevés kristályosodási központ alakul ki. Ilyenkor viszonylag kevés helyen indul meg a kristályosodás, ezért a krisztallitok nagyra nőnek. Durva szemcseszerkezet alakul ki. A durva szemcseszerkezet káros, az ilyen szerkezetű fémek ridegek, könnyen törnek.

 

Gyors lehűlés esetén fordított a helyzet, sok kristályosodási központtal, finom szemcseszerkezet alakul ki.

 

A kristályrácsba épülő ötvöző anyagok megfelelő mennyiségű alkalmazásával az alapfém tulajdonságai a kívánt irányba alakíthatók. Ezért tisztán alapfém alkalmazása a fémiparban nem jellemző.

 

A vas legfontosabb ötvöző anyaga a szén.

  

A kristályszerkezet és az alakíthatóság kapcsolata

A fémek alakíthatósága függ a kristályrács szerkezetétől. Az alakítás során a külső erők hatására a fémionok a térrácsban egymáshoz képest elcsúsznak. Az elcsúszással szembeni ellenállás nagysága függ a fématomok térbeli elhelyezkedésétől.

 

Jól alakíthatók a lapközepes és a térközepes köbös térrácsú fémek, mivel ebben a térrácsban a síkok könnyebben elcsúsznak egymáson. Ilyen pl. az alumínium, a réz és a vas.

 

Rosszul alakíthatók azok a fémek, amelyek hexagonális rácsban kristályosodnak, mint pl. a horgany. Ezek a fémek ridegek, könnyen törnek.

Kisebb erők hatására az anyagban rugalmas alakváltozás megy végbe. A kristályszerkezet nem roncsolódik, csak megnyúlik, mivel az atomok egymástól az erő hatására eltávolodnak. A terhelés megszűnését követően az anyag visszanyeri eredeti alakját.

 

Az anyagra ható nagyobb erők már maradó alakváltozást okoznak. Egy adott terhelés felett az anyag elszakad.

 

Az acélok összetételük szerint lehetnek:

  1. ötvözöttek és
  2. ötvözetlenek.

Felhasználási területük szerint két nagy csoportba sorolhatók:

  1. szerkezeti acélok és
  2. szerszámacélok.

A szerkezeti acélokat fémszerkezetek, alkatrészek előállítására használják. A szerszámacélok felhasználási területe szerszámok gyártása.

acelok.jpg

A teljesség igénye nélkül tekintsük át a fenti anyagféleségek tulajdonságát, felhasználási területét:

 

Szerkezeti acélok: széntartalmuk alacsony, néhány kivételtől eltekintve 0,6%-nál kevesebb. Tömegacélok, leginkább hegesztett, szegecselt, és csavarozott szerkezetek gyártására alkalmasak. A felhasználási terület a járműipartól, a vasszerkezetű építmények, gépek, berendezések gyártásáig. A házkörüli munkákra, barkácsolásra használt, kereskedelemben kapható anyagféleségek ebből az acélfajtából készülnek.

 

A betétben edzhető acélok széntartalma max. 0,2%. A felületükön kemény, kopásálló anyagok, a magban azonban szívósak. Alkalmazási területük ebből adódóan: csapszegek, tengelyek, fogaskerekek, lánckerekek, sőt mérőeszközök gyártása.

A nemesíthető acélok előállításával különösen nagy szilárdságú alkatrészek állíthatók elő. A nemesítés összetett hőkezelésen alapul. Az ilyen anyagok széntartalma nagyobb, mint 0,2%. A nemesített anyagszívós, nagy szilárdságú, ugyanakkor rugalmas.

A nemesített anyag méretei ugyanolyan terhelés mellett a kezeletlen anyag méreteihez képest 80-90%-kal kisebbek lehetnek, tehát komoly anyagmegtakarítást érhető el alkalmazásukkal.

 

A nitridálható acélok legfőbb jellemzője a keménység, kopásállóság, így kiválóan alkalmasak, pl. mérőműszerek egyes felületeinek készítésére.

Ötvözetlen hidegen alakító szerszámacélból készül pl. a kalapács, és a reszelő.

 

Ötvözött szerszámacélt használnak menetfúró, csavarkulcs előállítására.

A gyorsacél magasan ötvözött acél, elsősorban fúrók, marók készítésére alkalmazzák.

 

Vasötvözetek szabványos jelölése, az anyagjelek felépítése

 

Az MSZEN 10027 szabvány az acélokat két csoportra bontja. Az első csoportba tartoznak a felhasználó számára valamilyen mechanikai, fizikai tulajdonság garantálása miatt fontos acélok. A másik csoportba sorolják a vegyi összetételükre garantált acélokat.

Az acélok minőségére-, illetve a kereskedelmi és műszaki specifikációra vonatkozó információkat szabványos jelölési rendszerben adják meg (MSZEN 10027-1; MSZEN 10027-

A szabványos jelölési rendszerben egy anyagjel a következők szerint épül fel:

 

G S 355 J2 G1 W Cu5

 

Az anyagjelben szereplő tagok értelmezése:

anyagjel.jpg

A metallográfiai vizsgálatokkal szemben gyorsan elvégezhető, roncsolás mentes, olcsó, különösebb előképzettséget nem igénylő vizsgálati módszert a vasanyagok gyors azonosítása a szikrapróba. A technológiai próbák sorába tartozó vizsgálatból az acél minőségére lehet következtetni. Az eljárás lényege, hogy gyorsan forgó köszörűkoronghoz nyomjuk az acélt, amelyből a csiszolókorong éles kristályszemcséi apró forgácsokat vágnak ki. A súrlódástól felizzó szemcsék fénynyalábok alakjában jelennek meg.

 

A szikrakép előállítása tehát forgácsoló művelettel történik. Célszerűen a korong kb. 20 mm vastag, korund szemcséjű, keramikuskötésű, 60-80-as szemcsenagyságú, és 20-30 m/s kerületi sebességgel forog. Az anyagot úgy kell a korongra nyomni, hogy vízszintes szikracsóvát kapjunk. A korongot elhagyó fémforgácsot hűti ugyan a levegő, oxigénje viszont táplálja az égést. Mivel a melegfejlődés nagyobb mértékű a lehűlésnél, a vasrészecske hőmérséklete folyamatosan emelkedik, fehéren izzik, majd megömlik és explóziós jelenségek játszódnak le.

 

A vizsgálat során a kihulló csiszolókristályok szintén kirepülnek, de mivel nem izzanak, repülésük nem látható, a vizsgálatot nem zavarják. A szikra útja keletkezésétől eltűnése pillanatáig (amikor izzása megszűnik) a szikrasugár. A szikrasugarak összessége a szikranyaláb. A szikrasugarak hosszúsága 60 mm-től 500 mm-ig terjedhet az anyagminőségtől függően, ezen kívül befolyásolja még a vasrészecske tömege, a csiszolókorong szögsebessége és a nyomás nagysága.

 

A módszerrel könnyen, gyorsan ellenőrizhető nem csak a munkadarabnak szánt anyag minősége, de még a megmunkálás megkezdése előtt kiszűrhető a rossz minőségű forgácsoló szerszám is (pl. a nem gyorsacélból készülő fúró). Ez utóbbi ismerete azért fontos, mert a jó minőségű szerszám éle tartós, élettartama hosszú.

Néhány anyag szikraképe:

szikrakep.jpg

Profilanyagok

Az acélok leggyakoribb kiszerelési formája a hengerelt szabványos profil. Ilyen pl. a szabványos rúdacél, idomacél, széles acél, szalagacél, lemez, cső, hengerelt drót.

 

Rúdacélok: négyzet, téglalap, hatszög, kör, félkör keresztmetszetű acélok. A szokványos kereskedelmi forgalomban kötegelve, a profiltól függően 3, 6, 8, 12 m-es hosszúságban szállítják.

 

Idomacél: lehet T, kettős T, Z, U, és szögacél. Szabványos szállítási hossza 4-18 m.

idomacel.jpgHengerelt rúd és idomacél profilok

szalag.jpg

Drótanyagot 5 mm átmérőig húzással, a felett hengerléssel állítanak elő.

 

Egyéb, a fentiektől eltérő különleges formájú profilok, és peremezett profilok is a szabványos kiszereléshez tartoznak, azonban felhasználási területük speciális.

 

Lemezek

A lemez lapos acéltermék, vastagsági mérete lényegesen kisebb, mint a szélesség és a hosszúság irányú mérete. Téglalap és négyzet formájú táblákban egyaránt szállítják.

 

A lemezeket többféle szempont szerint csoportosítjuk, úgy, mint:

  1. a) Vastagságuk
  2. b) Szállítási formájuk
  3. c) Szállítási minőségük
  4. d) Felületnemesítés
  5. e) Profilkialakításuk
  6. f) Alkalmazási területük

 

A vastagság szerint négy kategória létezik:

Különösen finomlemez

0,5 mm vastagságig

Finomlemez

3 mm vastagságig

Közép lemez

3-4,75 mm vastagságig

Durvalemez

5 mm felett

A finom lemezek az alábbi táblaméretben kaphatók:

lemezek.jpg

A középlemezek szabványos vastagsági mérete: 3,; 3,5; 4; 4,5; és 4,75 mm. A táblaméretek: 1000x2000; 1250x2500; 1500x3000.

 

A durva lemezeket ugyanolyan acélokból gyártják, mint a középlemezeket. A lemezvastagságuk igény szerinti (itt természetesen a nagykereskedelmi megrendelésekre kell gondolni).

 

A szállítási forma: táblalemez, szalag, széles szalag.

 

A szállítási minőség alapján többek között:

  • fekete lemezt (általános lemez szerkezetek gyártására),
  • horganyzott lemezt (pl. esőcsatorna gyártásra),
  • simított lemezt (pl. járműipari karosszériagyártásra),
  • és ún. előírt szilárdságú lemezt (kazán, hajó stb. gyártásra) különböztetünk meg.

A felületnemesítés alapján többféle bevonat létezik, többek között zománc, galván, króm stb.

A profilkialakítás alapján domborított, érdesített, hullámosított felületű stb. lemezt gyártanak.

 

Az alkalmazási terület szerint kazánlemez, burkolat lemez, hajólemez stb létezik.

Csövek

 

Az ötvözetlen acélból készült hegesztett és varrat nélküli csövek általános felhasználásúak, hegesztésre, hajlításra, peremezésre és egyéb alakító eljárásra alkalmasak.

 

A csöveket varrat nélküli kivitelben is gyártják, a meleg szilárd acél felhasználásával, csővezeték, kazán stb. építés területén hasznosíthatók.

 

Menetes acélcsövek, hegesztett vagy varrat nélküli kivitelben metrikus-, vagy Whitworth- menetes csővégződéssel, horganyzott, vagy fekete kivitelben. Elsősorban a vízvezeték, fűtésszerelésben használatos.

 

Csövek esetében gyakran collban adják meg az átmérő méretet.

 

Precíziós varrat nélküli acélcsövek hidegen húzottak, vagy hidegen hengereltek lehetnek. Alkalmazásuk főleg szerkezet és készüléképítésben, és a gépgyártás területén jellemző.

 

A különböző anyagok szabványos alak és méret adatait szabványtáblázatok tartalmazzák.

 

Az adott munkához szükséges anyagmennyiség ismeretében (amely a munkadarab műszaki dokumentációjából egyértelműen megismerhető) a rendelhető méret, mennyiség konkrét értékei bizonyos keretek között kereskedésenként változhatnak. A szabványos szállítási méretnél kisebb anyagszükséglet kielégítését sok esetben a helyszínen darabolással biztosítják.

 

Keresse fel oldalunkat www.femszerkezet.eu

Szólj hozzá

lemez korlát kerítés kovácsoltvas kovácsolt vas zárak kovácsolt Vas kovácsolt termékek vasszerkezetek kerítés elemek kerítés gyártás előtetők kovácsolt polc kovácsolt kerítés vas polc zár javítás kovácsoltvas elemek kerítés árak