NIKAL (Ni) I NJEGOVE LEGURE

Transcript

1 NIKAL (Ni) I NJEGOVE LEGURE FCC rešetka hladna oblikovljivost žilavost pri niskim temperaturama otpornost pri visokim temperaturama 1

2 SVOJSTVA Ni- LEGURA Otpornost na koroziju i mehanička otpornost pri visokim T tzv. "Superlegure ). Ni-Ti legure ("Nitinol") s efektom prisjetljivosti oblika - pametne legure (engl. shape memory alloys). Posebna fizikalna svojstva: - Električna svojstva (velik električni otpor - grijači) - Magnetska svojstva (meki magneti) - Legure s malom toplinskom rastezljivošću (INVAR). Visoka cijena legirni elementi i složena proizvodnja. 2

3 MEHANIČKA OTPORNOST PRI VISOKIM TEMPERATURAMA - NAČINI OČVRSNUĆA "SUPERLEGURA" Na očvrsnuće kristalima mješancima najjače djeluje Co (>16 %). Na očvrsnuće precipitacijom djeluju: Cr uz otapanje u austenitnoj matrici i stvaranjem Cr 23 C 6, Mo, Nb, Ta i V stvaranjem karbida Al i Ti stvaranjem intermetalnih spojeva: Ni 3 Al i Ni 3 Ti, 3

4 Dijagram precipitacijskog očvršćivanja Ni-Cr-Ti-Al legure 4

5 VRSTE LEGURA Skupina Trgovačko ime 1 1. Ni-Cu Monel (Nicorros) Ni-Cr Nimonic (Nicrofer) 2. Ni-Mo-Cr Hastelloy (Nimofer) 3. Ni-Cr-Fe Inconel (Nicrofer) Ni-Fe-Cr Incoloy (Nicrofer) 4. Ni-Cr + (A) 2 Al-Ti Različite vrste legura pod + (B) 2 Co-W-Mo skupnim imenom SUPERLEGURE + (C) 2 C 1 Nicorros, Nicrofer i Nimofer (VDM -Vereinigte Deutsche Metallwerke AG); Monel, Nimonic, Inconel i Incoloy (Inco Alloys); Hastelloy (Haynes); 2 A - precipitacijski očvrstljive, B - očvrstljive kristalima mješancima, C - očvrstljive karbidima. 5

6 PRIMJERI PRIMJENA LOPATICE TURBINA KOVANICE Ni-Cd BATERIJE GRIJAČI 6

7 PRIMJENE Ni-Ti PAMETNIH LEGURA Ni-Ti stent Naprave za ugradnju premosnica na srcu Naprave za ravnanje zubi 7

8 ALUMINIJ (Al) I NJEGOVE LEGURE Pripada lakim metalima niskog tališta. U zemljinoj kori ima ga relativno puno - oko 7,5 %, u obliku spojeva - oksida ili mješavine oksida Al 2 O 3. Industrijski se racionalno dobiva samo iz BOKSITA. 13

9 SHEMA DOBIVANJA ALUMINIJA Izluživanje s NaOH Elektroliza BOKSIT i kalciniranje natrijeva aluminata GLINICA Al 2 O kwh/t Al-primarni metalurški 14

10 POVOLJNA SVOJSTVA NISKA GUSTOĆA (oko 2700 kg/m 3 ) lake konstrukcije; OTPORNOST NA ATMOSFERSKU KOROZIJU - prevlači se tankim filmom (oko 0,01 μm) Al 2 O 3 (nepovoljno pri zavarivanju, solnoj i sumpornoj kiselini). Čisti Al je nepostojan na alkalne otopine koje razaraju oksidni film - vapno, mort. ELEKTRIČNA VODLJIVOST - s obzirom na masu bolje od Cu; TOPLINSKA VODLJIVOST puta viša nego u čelika; HLADNA DEFORMABILNOST (FCC rešetka) - kovanje, valjanje, prešanje u profile i folije - može očvrsnuti; RECIKLIČNOST - znatno manja potrebna energija za recikliranje nego za primarnu proizvodnju. 15

11 NEPOVOLJNA SVOJSTVA: Nizak E (oko 3 puta niži nego u čelika) veće elastične deformacije, odnosno manja krutost; Ograničena primjenjivost pri povišenim temp. (T t oko 660 C) - do C; Relativno loša zavarljivost - zbog stvaranja oksida treba zavarivati u inertnoj atmosferi; 16

12 VRSTE TEHNIČKOG ČISTOG ALUMINIJA Al 99; Al 99,3 - za opće svrhe Al 99,5 - za robu široke potrošnje Al 99,7 - za kemijsku industriju i brodogradnju Al 99,8 - za kemijsku industriju i elektrotehniku VIŠI STUPANJ ČISTOĆE PRIMJENA TEHNIČKOG ALUMINIJA - kemijska i prehrambena industrija, - kuhinjsko posuđe i metalni proizvodi široke potrošnje, - građevinarstvo - krovovi, oluci i ukrasi, - ambalaža, folije, tube i limenke, - elektrotehnika. OBLICI IZRADE: šipke, profili, cijevi, žica, limovi, trake, folije. 17

13 POVIŠENJE MEHANIČKE OTPORNOSTI Al a) Hladna deformacija - valjanje, vučenje b) Legiranje c) Toplinska obrada - precipitacijsko očvršćivanje (samo neke legure) 18

14 KLASIFIKACIJA AL-LEGURA: 1. Prema tehnološkoj preradi: - gnječene - lijevane 2. Prema kemijskom sastavu: 1. Al - Si 2. Al - Mn 3. Al - Cu 4. Al - Mg 5. Al - Zn 3. S obzirom na mogućnost toplinske obrade: - toplinski neočvrstljive - toplinski očvrstljive 19

15 TOPLINSKO OČVRŠĆIVANJE Al - LEGURA PRECIPITACIJSKO OČVRŠĆIVANJE WILM je slučajno otkrio, da legura sastava: 4,5 % Cu i 0,5 % Mg, ostalo Al očvršćava dužim stajanjem pri 20 C, ako je prethodno gašena sa 450 C. DURAL ili DURALUMINIJ Prva primjena: I. svj. rat - nosiva konstrukcija Zeppelina U II. svj, ratu za zrakoplove 20

16 Nema alotropskih modifikacija kao kod kaljenja čelika. Očvrsnuće Al- legura temelji se na promjeni topivosti atoma legirnih elemenata u α- mješancu Al. 21

17 22

18 Radi se o zagrijavanju heterogene (višefazne) legure s X %B do temperature prijelaza u potpuno homogeno stanje, zadržavanja pri toj temperaturi do potpune homogenizacije i naglog hlađenja (gašenja) na sobnu temperaturu. 23

19 24

20 POLAZNI UVJETI ZA TOPLINSKO OČVRŠĆIVANJE 1. Legura mora biti sastava iz heterogenog područja α + β 2. Maseni udio legirnih elemenata mora biti što viši, što bliže r max (maksimalna rastvorljivost u α-mješancu) 3. Druga faza (faze) β mora polazno biti neki intermetalni spoj - CuAl 2, Mg 2 Si, Al 2 CuMg, Al 3 Mg 2, MgZn

21 TIPOVI PRECIPITATA (FAZNIH GRANICA) potpuno sačuvana veza (nestabilno) kontinuirana povezanost s osnovnom -rešetkom potpuno izdvojena faza i matica (dvije različite rešetke) precipitat ili stabilna faza veza samo na nekim čvorovima rešetke (metastabilno) 30

22 UTJECAJ TEMPERATURE I TRAJANJA DOZRIJEVANJA NA VLAČNU ČVRSTOĆU 34

23 VRSTE GNJEČENIH LEGURA I NJIHOVA SVOJSTVA 1. TOPLINSKI NEOČVRSTLJIVE - R m = N/mm 2 Al - Mn (do 1,5 %Mn) - npr. AlMn1 Al - Mg (do 5 %Mg) - npr. AlMg1, AlMg2,5, AlMg5 Al - Mg - Mn - npr. AlMg3Mn 35

24 2. TOPLINSKI OČVRSTLJIVE - R m do 600 N/mm 2 Al-Mg-Si ili Al-Mg 2 Si R m < 330 N/mm 2 "Antikorodal" Al - Cu - Mg (Si, Mn) R m < 450 N/mm 2 "Duraluminij Legure serije 2000 Prirodno i umjetno očvrstljive legure. Dodatak Mg ubrzava dozrijevanje. Slabija korozijska postojanost zbog Cu, 36

25 Al - Zn - Mg (Cu ili Cr) R m < 600 N/mm 2 "Konstruktal" Legure serije 7000 Opasnost od napetosne korozije. Zrakoplovi 37

26 LIJEVANE Al-LEGURE Sadrže elemente koji tvore lako topive eutektikume što im daje dobra svojstva livljivosti. Mehanička svojstva su slabija nego kod gnječenih legura. Mehanička otpornost Livljivost Rezljivost Otpornost na koroziju Tip legure Predstavnik mala srednja dobra vrlo dobra Al-Mg AlMg3, AlMg5 Al-Si-Mg AlSi10Mg AlSi7Mg1 mala vrlo dobra slaba dobra Al-Si AlSi12 Al-Si-Cu AlSi5Cu1 AlSi6Cu2 Mg omogućuje toplinsko očvrsnuće Si negativno utječe na rezljivost, Cu omogućuje smanjenje Si, ali pogoršava otpornost na koroziju osrednja slaba dobra vrlo slaba Al-Cu AlCu4MgTi Ti i Mg usitnjuju zrno 40

27 Al - Si Silumin" - najraširenija lijevana legura % Si - pospješuje livljivost (eutektičke legure) - Relativno slaba čvrstoća i dobra otpornost na koroziju. - Sklonost upijanju plinova što uzrokuje poroznost odljevaka. - Jeftine, zavarljive i toplinski neočvrstljive legure. 41

28 Cijepljenje dodavanje taljevini male količine natrija u obliku soli - usitnjavanje grube eutektičke strukture povišenje čvrstoće i istezljivosti 42

29 TIPIČNI PRIMJERI PROIZVODA OD ALUMINIJA I AL-LEGURA 43

30 BLOK MOTORA BMW V12 JAGUAR V8 VW V8 NOSIVI OKVIR - SPACE FRAME HONDA, AUDI

31 BICIKLI Radijatori Nosivi okvir bicikla 45

32 TITAN (Ti) I NJEGOVE LEGURE POVOLJNA SVOJSTVA polimorfan metal: od 20 do 885 ºC HCP -titan; >885 do tališta 1670 ºC BCC -titan; relativno niska gustoća (4500 kg/m 3 ) povoljna specifična čvrstoća (od -200 do ºC) relativno visok E ( N/mm 2 ) značajna otpornost na umor i na puzanje mala toplinska rastezljivost visoko postojan u različitim agresivnim medijima (Cl - morska voda, kiseline) - stvara se oksidni sloj; 46

33 NEPOVOLJNA SVOJSTVA velik afinitet prema O 2, C, N 2 i H 2, naročito iznad 950 ºC; teško obradljiv odvajanjem čestica jer je žilav, opasnost od zapaljenja strugotine; ograničena sposobnost hladnog oblikovanja (HCP); bolje toplo oblikovljiv; teže zavarljiv (u zaštitnoj atmosferi); relativno visoka cijena. 47

34 Titanove legure Prema mikrostrukturi: -, - i ( + )-legure -legure - glavni stabilizatori -faze: C, O, N, Al, Sn - stabilizatori -faze: Cr, Ni, Mn, Mo, Fe, Ta - relativno slabo hladno oblikovljive (HCP); - zavarljivost, žilavost, čvrstoća i stabilnost pri višim temperaturama (370 do 500 ºC) za dijelove motora - dobra žilavost i čvrstoća i pri sniženim temperaturama - neočvrstljive toplinskom obradom. Predstavnici: - TiAl5Sn2,5: u kovanom i lijevanom stanju za dijelove zrakoplova i svemirskih letjelica; - TiAl7Zr12, TiAl5Sn5Zr5 i TiAl7Nb2Ta1 za dijelove motora. 48

35 + legure - povišenje čvrstoće toplinskom obradom. - osjetljiv postupak - pojava krhkosti (metastabilna -faza). 1 - rastvorno žarenje 2 - gašenje 3 popuštanje 4 hlađenje (zrak ili voda) 49

36 Legure se rastvorno žare u blizini temperature prekristalizacije / (velik udio ). Gašenje legure sastava < C k : ' martenzitnom pretvorbom. '-faza je kristal mješanac istog sastava kao -faza. Gašenje legure sastava >C k : tvrda i krhka -faza (neočekivano). U tom području sastava dolazi do stvaranja metastabilne prelazne -faze. -faza submikroskopski se mijenja pri čemu nastaje -faza. -faza može nastati pri gašenju ili pri naknadnom popuštanju. 50

37 Važno: ne rastvorno žariti u -polju radi opasnosti od pogrubljenja zrna, ne popuštati ispod 425 o C radi izbjegavanja krhke -faze. Najvažnija legura: TiAl6V4 50 % proizvodnje svih Ti-legura - visoka čvrstoća pri povišenim temperaturama - povišena otpornost na puzanje - dobra zavarljivost - oblikovljiva deformiranjem - dobra istezljivost 51

38 -legure OČVRSTLJIVE HLADNOM DEFORMACIJOM I TOPLINSKOM OBRADOM velika sposobnost hladnog oblikovanja - duktilnost (zakovice) visoki omjer čvrstoća/gustoća visoka čvrstoća nakon toplinske obrade krhke pri niskim temperaturama dobra čvrstoća < 300 ºC uz kratkotrajno mehaničko opterećenje (dijelovi raketa). TiV13Cr11Al3 - najčešća legura; 52

39 MEHANIČKA SVOJSTVA NEKIH VRSTA Ti LEGURA Vrsta legure Struktura Toplinska obrada R p0,2, N/mm 2 R m, N/mm 2 A 5, % TiAl5Sn2,5 (HCP) rekristalizacijski žareno 790 o C/zrak TiAl6V4 + rekristalizacijski žareno 750 o C/zrak rastvorno žar. 930 o C/ voda o C/zrak TiV13Cr11Al3 (BCC) rekrist. žareno 790 o C /zrak rastvor. žareno 790 o C /voda +480 o C /17h/zrak rastvor. žareno 790 o C/ zrak + hlad. oblik o C/ 24h/zrak

40 PRIMJERI PRIMJENE ZRAKOPLOVSTVO AUTOMOBILI ISPUŠNI SUSTAV Jaguar Precizni odljevak 54

41 IMPLANTATI Proteza umjetnog kuka Proteza Umjetno srce Vijci 55

42 Okviri očala Glava palice za golf Kućište fotoaparata 56

43 MAGNEZIJ (Mg) I NJEGOVE LEGURE POVOLJNA SVOJSTVA: Mala masa ( = 1740 kg/m 3 - najmanja među legurama) - konkurentne Al-legurama u pogledu omjera čvrstoća/gustoća; Velika sposobnost prigušenja vibracija; Izvanredna rezljivost; Nekoliko legura ima vrlo dobru livljivost za tlačni lijev uz visoku proizvodnost; 57

44 NEPOVOLJNA SVOJSTVA: Niska otpornost na koroziju (neotpornije od Al i Ti-legura) velik afinitet prema kisiku - potrebna površinska zaštita (prevlake brončane boje); HCP rešetka ograničena mogućnost hladne deformacije. Mogu se oblikovati deformiranjem pri 300 o C Nizak modul elastičnosti: N/mm 2 i niska čvrstoća Gornja temp. granica uporabe je C Velika kemijska reaktivnost (mogućnost samozapaljenja pri lijevanju i obradi) 58

45 Vrste legura Glavni legirni elementi: Al, Zn, Mn, Th, Zr i Ce. 1. Mg-Al, Mg-Zn ili Mg-Al-Zn, 2. Mg-Zr + Zn, Th, ili Ce. Kompoziti s metalnom matricom - Mg matrica + čestice SiC ili Al 2 O 3 ili uz dodatak ugljičnih vlakana (lijevanje). 59

46 PRIMJENE: PILOTSKO SJEDALO - LAGANO, PRIGUŠUJE VIBRACIJE SJEDALO U F1 i U OSTALIM VOZILlMA 60

47 Poklopac spremnika za gorivo 61

48 Automobilska vrata Tlačni odljevak za borbeni zrakoplov 62

49 Tankostijeni dijelovi oblikovani istiskivanjem u poluskrućenom stanju 63

50 Lijevana greda u jednom komadu od Mg za automobil 64

51 Lijevano kućište prenosnika Forda sa pogonom na sva četiri kotača. od Mg-legure AZ91 s malim udjelom dodataka Fe, Cu i Ni 65

52 KUĆIŠTE PILE - lagano, prigušuje vibracije 66