ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ(Θ) Ενότητα 2: ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Ανθυμίδης Κωνσταντίνος Διδάκτορας Μηχανολόγος Μηχανικός ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΕ 1
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο ΤΕΙ Κεντρικής Μακεδονίας» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3
Ενότητα 2 XYΤΕΥΣΕΙΣ - ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΕΩΝ Ανθυμίδης Κωνσταντίνος Διδάκτορας Μηχανολόγος Μηχανικός 4
Περιεχόμενα ενότητας 1. Τα Κράματα του Χαλκού 2. Χρήσεις 5
Σκοποί ενότητας 6
Τα Κράματα του Χαλκού Κράματα ονομάζονται τα στερεά μίγματα δύο ή περισσοτέρων υλικών σε διάφορες αναλογίες. Η λέξη είναι αρχαία λέξη και προέρχεται από το ρήμα κεράννυμι, ανακατεύω, αναμειγνύω. Τα κράματα περιέχουν κατά κανόνα ένα μέταλλο ως κύριο συστατικό τους, ενώ τα άλλα συστατικά μπορούν να είναι μέταλλα ή αμέταλλα. Τα κράματα είναι κεντρικό αντικείμενο μελέτης της μεταλλουργίας. Με δύο λόγια Μεταλλουργία είναι ο κλάδος της επιστήμης των υλικών που ασχολείται με την παρασκευή μετάλλων και κραμάτων από μεταλλεύματα ή άλλες πρώτες ύλες, καθώς και τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων τους και την κατεργασία των μετάλλων και των κραμάτων αυτών για την τροποποίηση των ιδιοτήτων τους επί το βέλτιστο. 7
Τα σημαντικότερα κράματα του Χαλκού είναι τα εξής: 1) Ορείχαλκοι ονομάζονται έτσι τα κράματα Χαλκού (Cu) Ψευδαργύρου (Zn) 2) Μπρούντζοι ονομάζονται έτσι τα κράματα Χαλκού (Cu) Κασσίτερου (Sn) 3) Χαλκοαλουμίνια ονομάζονται έτσι τα κράματα Χαλκού (Cu) Αλουμινίου (Al) 4) Χαλκονικέλια ονομάζονται έτσι τα κράματα Χαλκού (Cu) Νικελίου (Ni) 5) Χαλκόβηρύλλια ονομάζονται έτσι τα κράματα Χαλκού (Cu) Βηρυλλίου (Be) 6) Χαλκοπυρίτια ονομάζονται έτσι τα κράματα Χαλκού (Cu) Πυριτίου (Si) 8
Μπρούντζοι ονομάζονται τα κράματα Χαλκού (Cu) Κασσίτερου (Sn). Το χημικό στοιχείο Κασσίτερος (λατινικά: Stannum) είναι ένα μαλακό μέταλλο με ατομικό αριθμό 50 και ατομικό βάρος 118,69. Το σύμβολό του είναι Sn. Έχει θερμοκρασία τήξης 231,9 C και θερμοκρασία βρασμού 2270 C. Έχει αργυρόλευκο χρώμα. Κασσίτερος 9
Η παγκόσμια παραγωγή φτάνει τους 300.000 τόνους ετησίως. Κύριες χώρες παραγωγής είναι οι Κίνα, Ινδονησία, Περού, Βολιβία και Βραζιλία. Το κύριο μετάλλευμα του κασσίτερου είναι ο κασσιτερίτης. Αφότου το μετάλλευμα καθαριστεί, ανάγεται με άνθρακα μέσα σε κάμινο. SnO2 (s) + 2C (s) -> Sn (l) + 2CO (g) Χρήσεις Δεν οξειδώνεται όταν παραμένει ελεύθερος στην ατμόσφαιρα και δεν προσβάλλεται εύκολα από χημικές ουσίες. Γι' αυτό χρησιμοποιείται για την επικάλυψη διάφορων μετάλλων, για να προφυλάσσονται αυτά από την οξείδωση και την καταστροφή. Η επεξεργασία αυτή των μετάλλων με τον κασσίτερο ονομάζεται επικασσιτέρωση ή γάνωμα. Ειδικά η λαμαρίνα (δηλ. το μικρού πάχους μεταλλικό επίπεδο έλασμα) από σίδηρο ή χάλυβα με λεπτή επικάλυψη από κασσίτερο ονομάζεται λευκοσίδηρος, το οποίο είναι πολύ διαδεδομένο υλικό για την κατασκευή μεταλλικών δοχείων συσκευασίας τροφίμων (κονσέρβες), και παλιότερα χρησιμοποιούταν ευρέως για την κατασκευή μαγειρικών και άλλων οικιακών σκευών. 10
Παλαιότερα, αλλά και σήμερα κάποιες φορές για λόγους αισθητικής προτίμησης, κατασκευάζονταν σφυρήλατα και άλλα μαγειρικά σκεύη από χαλκό (κοινώς μπακίρια). Η χρήση τους έχει εγκαταλειφθεί λόγω του ότι προκαλούσαν δηλητηριάσεις από το οξείδιο που δημιουργείται κατά το μαγείρεμα. Τα (σχετικά σπάνια σήμερα) χάλκινα μαγειρικά σκεύη επικασσιτερώνονται ή επικαλύπτονται με ανοξείδωτο χάλυβα για να αποφεύγονται οι δηλητηριάσεις. Άλλες χρήσεις του είναι σε συγκολλήσεις και σε κράματα. Ο κασσίτερος αποτελεί το κύριο συστατικό πολλών κραμάτων, όπως είναι ο μπρούντζος (κράμα κασσίτερου-χαλκού), το συγκολλητικό κράμα ή καλάι (κασσίτεροςμόλυβδος) για κασσιτεροκολλήσεις. Σε αυτό βοηθάει ότι έχει σχετικά χαμηλή θερμοκρασία τήξης 231,9 C. Ο Κασσίτερος χρησιμοποιείται από το 3.500 π.χ. και η κύρια χρήση του στην αρχαιότητα ήταν η κατασκευή του Μπρούτζου, ο οποίος είναι, όπως ήδη αναφέραμε, ένα κράμα του Κασσίτερου με το Χαλκό. 11
Ο Μπρούντζος ή Μπρούτζος ή Κρατέρωμα (Bronze) είναι κράμα Χαλκού Κασσίτερου. Το χρώμα του μπρούτζου μοιάζει με τον χρυσό. Η ονομασία Μπρούτζος (ιταλικά bronzo) οφείλεται στο λιμάνι που υπήρχε στην ιταλική χερσόνησο κατά τους αρχαίους χρόνους με την ονομασία Brundisium (το σημερινό Μπρίντιζι). Το λιμάνι αυτό ήταν φημισμένο για την παραγωγή και την διακίνηση αυτού του κράματος. Είναι το πρώτο κράμα Χαλκού που ανακαλύφθηκε (γύρω στο 4.000 π.χ. στην Μεσοποταμία). Ανακαλύφθηκε ότι μπορούσε να παραχθεί ένα πιο ανθεκτικό κρατέρωμα με την ταυτόχρονη σύντηξη μεταλλευμάτων χαλκού και κασσίτερου. Όμως τα ορυκτά του κασσίτερου δεν βρίσκονται στην φύση μαζί με ορυκτά του χαλκού. Τα μεταλλεύματα κασσίτερου για την πρώτη παραγωγή κρατερώματος στην Μεσοποταμία προήλθαν μάλλον από το σημερινό Αφγανιστάν, αν και ορισμένα αρχαία μεταλλεία κασσίτερου έχουν εντοπιστεί στην Μικρά Ασία. Παρά το μεγάλο κόστος λόγω μεταφοράς, οι βελτιωμένες ιδιότητες του Μπρούντζου σε σύγκριση με τον καθαρό Χαλκό, οδήγησαν στην ανάπτυξη της παραγωγής του. Αυτό εξηγείται από την σκληρότητα και την αντοχή των όπλων και των χρηστικών αντικειμένων που κατασκευάζονταν από αυτόν. Θα σημειώσουμε επίσης την εύκολη χύτευση του υλικού. 12
Η περιεκτικότητα του Μπρούντζου σε κασσίτερο καθορίζει και τις ιδιότητες του κράματος. Για περιεκτικότητα έως 10,5% κ.β. Sn, η φάση που δημιουργείται είναι ο α- Cu, δηλ. ένα στερεό διάλυμα Sn εντός Cu. Για περιεκτικότητα 10,5 15% κ.β. Sn, δημιουργείται η φάση δ, που είναι εύθραυστη. Πάντως, για περιεκτικότητα μεγαλύτερη από 15% κ.β. Sn το κράμα γίνεται πιο εύτηκτο. Διάγραμμα ισορροπίας φάσεων Cu Sn. 13
Στα συνήθη κρατερώματα, η περιεκτικότητα σε κασσίτερο κυμαίνεται από 0,5 έως 11% κ.β. Σ' αυτά τα κρατερώματα, συνήθως προστίθεται και φώσφορος από 0,01 έως 0,35% κ.β. για καλύτερη αντοχή στην μηχανική φθορά και για μεγαλύτερη σκληρότητα. Επίσης, σε ειδικές περιπτώσεις περιέχει μικρές ποσότητες άλλων μετάλλων όπως αρσενικό, αντιμόνιο ή μόλυβδο. Το αρσενικό και το αντιμόνιο προσδίδουν σκληρότητα στο κράμα, ενώ ο μόλυβδος διευκολύνει την χύτευσή του. Μικροφωτογραφία CuSn11 (11% Sn) Σε σύγκριση με τους Ορείχαλκους, ο Μπρούντζος παρουσιάζει μεγαλύτερη αντοχή στην μηχανική φθορά και στην χημική διάβρωση. Ωστόσο είναι πιο σκληρός και έχει υψηλότερο κόστος αγοράς. 14
Χρήσεις O Μπρούντζος χρησιμοποιείται στην γλυπτική, την κατασκευή μεγάλων χυτών αντικειμένων (π.χ. καμπάνες εκκλησιών, κανόνια, κ.λπ.), την νομισματοκοπία, την κατασκευή εξαρτημάτων μηχανών, την κατασκευή ελατηρίων, κ.ά.. 15
Τέλος Ενότητας 16