ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ(Θ)

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ(Θ) Ενότητα 7: 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 7 XYΤΕΥΣΕΙΣ - ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΕΩΝ Ανθυμίδης Κωνσταντίνος Διδάκτορας Μηχανολόγος Μηχανικός 4

Περιεχόμενα ενότητας 5

Σκοποί ενότητας 6

Οι Χάλυβες διακρίνονται σε διάφορες κατηγορίες (αγγλ. grades), ανάλογα με την χημική τους σύσταση, την περαιτέρω κατεργασία τους, την κρυσταλλική τους δομή ή την τελική τους χρήση. Ως προς την χημική τους σύσταση, οι χάλυβες ταξινομού-νται ως εξής: Κοινοί ή ανθρακούχοι χάλυβες (αγγλ. carbon steels). Περιέχουν Άνθρακα (έως 2,1%) και μικρό ποσοστό Μαγγανίου (έως 1,65%), Πυριτίου (έως 0,6%) και Χαλκού (έως 0,6%). Χρησιμοποιούνται πολύ και συγκολλούνται εύκολα. Γενικά, τα υλικά τα οποία δε συμπεριλαμβάνουν μεγάλο ποσοστό προσμείξεων συγκολλούνται ευκολότερα και η προκύπτουσα συγκόλληση είναι περισσότερο ασφαλής. Με βάση τον περιεχόμενο Άνθρακα, οι κοινοί χάλυβες διακρίνονται στις εξής υποκατηγορίες: o χάλυβες χαμηλού άνθρακα ή μαλακοί χάλυβες (αγγλ. mild steels C < 0,30%), o χάλυβες μέτριου άνθρακα (αγγλ. medium carbon steels 0,30% < C < 0,60%), o χάλυβες υψηλού άνθρακα (αγγλ. high carbon steels 0,60% < C < 1,00%), και o χάλυβες πολύ υψηλού άνθρακα (αγγλ. ultra-high carbon steels 1,00% < C < 2,10%). Κραματωμένοι χάλυβες (αγγλ. alloy steels), είναι κράματα σιδήρου με άλλα μέταλλα σε σημαντική περιεκτικότητα. Τέτοιοι είναι οι: o ελαφρά κραματωμένοι χάλυβες ή χάλυβες χαμηλής κραμάτωσης, που περιέχουν συνήθως Xρώμιο, Mολυβδαίνιο, Bανάδιο, Nικέλιο κ.λπ. σε συνολικό ποσοστό που δεν ξεπερνά το 10 % κ.β., όπως π.χ. οι εργαλειοχάλυβες (0,7% < C < 1,4%, Mn < 0,3%), και οι o ισχυρά κραματωμένοι χάλυβες ή χάλυβες υψηλής κραμάτωσης, όπως οι ανοξείδωτοι χάλυβες (Cr > 10,5%), οι ταχυχάλυβες (C ~ 0,7%, Cr ~4,0%, 5,0% < Mo (Μολυβδαίνιο) < 10%, 1,5% < W < 18,0%, 0 % < Co < 8,0%), κ.λπ. 7

Όπως προκύπτει από τα προηγούμενα τα κυριότερα κραματικά στοιχεία που απαντώνται στους Χάλυβες είναι: το Μαγγάνιο, το Χρώμιο (το οποίο θα παρουσιάσουμε αναλυτικά όταν αναφερθούμε στους ανοξείδωτους Χάλυβες), το Μολυβδαίνιο, το Βολφράμιο και το Κοβάλτιο. Ανάλογα με την περαιτέρω κατεργασία τους, οι Χάλυβες διακρίνονται σε: χάλυβες διαμόρφωσης, που υφίστανται περαιτέρω μηχανική κατεργασία (π.χ. έλαση) και χυτοχάλυβες, που παράγονται απευθείας με χύτευση υπό μορφή πλινθωμάτων («χελωνών») και επαναχυτεύονται για την κατασκευή διαφόρων εξαρτημάτων. Τέλος, συχνά γίνεται λόγος για φερριτικούς, περλιτικούς, μαρτενσιτικούς κ.λ.π. χάλυβες ανάλογα με την κύρια κρυσταλλική φάση τους. 8

Η ονοματολογία των χαλύβων γίνεται σύμφωνα με διάφορα συστήματα τυποποίησης όπως DIN, ASTM, ΕΛΟΤ κ.λπ. Συχνά υπάρχει αντιστοιχία ανάμεσα στο όνομα μιας κατηγορίας χάλυβα και την αντοχή της συγκεκριμένης κατηγορίας χάλυβα σε εφελκυσμό. Για παράδειγμα, το πρότυπο ΕΛΟΤ 1421-3 ορίζει ότι ο χάλυβας B500C πρέπει να έχει όριο διαρροής μεγαλύτερο από 500 MPa (500 N/mm2). Το χημικό στοιχείο Μαγγάνιο (Manganum) είναι μέταλλο με ατομικό αριθμό 25 και ατομικό βάρος 54,9380. Έχει θερμοκρασία τήξης 1.245 C και θερμοκρασία βρασμού 1.962 C. Το σύμβολό του είναι Mn. Μπορεί να βρεθεί σε ελεύθερη μορφή στη φύση, αλλά συνήθως απαντάται σε πολλά μεταλλεύματα (συνήθως σε συνδυασμό με το Σίδηρο). Το Μαγγάνιο έχει σημαντική βιομηχανική χρήση, όταν είναι σε κράματα, ειδικά στο ανοξείδωτο ατσάλι. 9

Μαγγάνιο σε μεταλλική μορφή. 10

Το Μαγγάνιο αποτελεί περίπου 1.000 ppm (0,1%) της επιφάνειας της Γης, άρα είναι το 12ο πιο συνηθισμένο στοιχείο στην επιφάνειά της. Το χώμα περιέχει 7-9.000 ppm μαγγανίου με μέσο όρο 440 ppm. Το θαλασσινό νερό περιέχει μόνο 10 ppm μαγγανίου και η ατμόσφαιρα περιέχει 0,01 μg/m3. Κυριότερα ορυκτά του Μαγγανίου είναι ο Μαγγανίτης, ο Ροδοχρωσίτης, ο Πυρολουσίτης και ο Κρυπτομέλας. Ο Mαγγανίτης (αγγλ. Μanganite) είναι ορυκτό οξείδιο - υδροξείδιο του Μαγγανίου. Οφείλει το όνομά του στη σύστασή του και αποτελεί ένα από τα σημαντικά μεταλλεύματα Μαγγανίου, όπου ανευρίσκεται σε σημαντικές ποσότητες. Το χρώμα του είναι μαύρο. 11

Mαγγανίτης 12

Απαντάται σε πολλά σημεία του πλανήτη. Κυριότερες εμφανίσεις του είναι στο Ilfeld και το Ilmenau των ορέων Χαρτς (Γερμανία), την Κορνουάλλη (είναι κομητεία της Αγγλίας στο πιο νοτιοδυτικό τμήμα της Μεγάλης Βρετανίας) και το Έξετερ στη Βρετανία, την περιοχή Bolet στη Σουηδία, το Οντάριο και άλλες περιοχές του Καναδά, τις ΗΠΑ (Πολιτείες Μίσιγκαν, Βιρτζίνια, Νέο Μεξικό), τη Γαλλία, την Κίνα, την περιοχή Αντοφαγάστα στη Χιλή, την Ελλάδα (περιοχές Καμάριζα και Πλάκα των μεταλλείων του Λαυρίου), τη Νότια Αφρική, τη Γκάνα και τη Γκαμπόν (αφρικανικά κράτη). 13

Το Μολυβδαίνιο με χημικό σύμβολο Mo, είναι μέταλλο με ατομικό αριθμό 42 και ατομικό βάρος 95,94. Έχει θερμοκρασία τήξης 2.617 C και θερμοκρασία βρασμού 4.612 C. Μολυβδαίνιο. Είναι αργυρόλευκο μέταλλο, σχετικά υψηλής σκληρότητας (5,5 στην κλίμακα Mohs) και από τα πλέον δύστηκτα (τρίτο μετά το Βολφράμιο και το Ταντάλιο). Είναι περισσότερο όλκιμο και ελαστικό από το Βολφράμιο, το οποίο υποκαθιστά σε ορισμένες περιπτώσεις, στην κατασκευή λαμπτήρων πυράκτωσης. 14

Το Μολυβδαίνιο δεν υπάρχει ελεύθερο στη Φύση. Κυριότερο ορυκτό του είναι ο Mολυβδαινίτης, από τον οποίο και παρασκευάζεται. Ο Mολυβδαινίτης (αγγλ. molybdenite) είναι θειούχο ορυκτό του μολυβδαινίου με μοριακό τύπο MoS2. Το όνομά του προέρχεται από το αρχαίο ελληνικό «μόλυβδος» ή «μολυβδίς». To χρώμα του είναι γκρίζο μεταλλικό με ελαφρά γαλάζια απόχρωση. Mολυβδαινίτης. Είναι το κοινότερο από τα ορυκτά του Μολυβδαινίου και απαντά σε πολλές περιοχές του κόσμου. Κύρια κοιτάσμα-τά του βρίσκονται στην Βρετανία (Κορνουάλλη), Γροιλαν-δία, Νορβηγία, Φινλανδία, Ρωσία (Ουράλια όρη), Ουκρα-νία, Γερμανία, Μαρόκο, Αυστραλία και ΗΠΑ. Στην Ελλά-δα υπάρχει μικρό κοίτασμά του στη Χαλκιδική. 15

Όπως αναφέραμε το Μολυβδαίνιο βιομηχανικά παρασκευ-άζεται από τον Μολυβδαινίτη. Ο μολυβδαινίτης υφίσταται φρύξη, δηλαδή θερμαίνεται έντονα με σύγχρονη διαβίβα-ση αέρα, οπότε διασπάται και δίνει οξείδιο του μέταλλου και διοξείδιο του θείου: 2MoS2 + 7O2 2MoO3 + 4SO2 Το παραγόμενο οξείδιο χρησιμοποιείται, πολλές φορές, αυτούσιο στην βιομηχανία. Στην περίπτωση που απαιτείται παρασκευή καθαρού μετάλλου, το οξείδιο υφίσταται κατεργασία με πυκνό διάλυμα Αμμωνίας, οπότε παράγεται μολυβδαινικό αμμώνιο ((NH4)2[MO4]). Αυτό, στη συνέχεια, υφίσταται αναγωγή με υδρογόνο, παρέχοντας το καθαρό μέταλλο. Το Μολυβδαίνιο χρησιμοποιείται στην κατασκευή ηλεκτρικών αντιστάσεων με μορφή σύρματος, για την κατασκευή νημάτων πυράκτωσης ηλεκτρικών λαμπτήρων. Προστίθεται, ακόμα σε πολλά κράματα, στα οποία, ανάλογα με την ποσότητα, προσδίδει διαφορετικές ιδιότητες. Χρησιμοποιείται, επίσης, ως καταλύτης στη βιομηχανία διύλισης του πετρελαίου, στα ηλεκτρόδια ηλεκτρικών κλιβάνων και ως στοιχείο κυκλωμάτων, στην ηλεκτρονική. 16

Το Βολφράμιο ή Τουνγκστένιο (Wolframium ή Tungsten) είναι ένα μέταλλο με ατομικό αριθμό 74 και ατομικό βάρος 183,85. Έχει θερμοκρασία τήξης 3.410±20 C και θερμοκρασία βρασμού 5.660 C. Έχει το υψηλότερο σημείο τήξεως από όλα τα καθαρά μέταλλα και το δεύτερο υψηλότερο από όλα τα στοιχεία του Περιοδικού Πίνακα μετά τον άνθρακα [3.527 C (3.800,16 K)]. Είναι σκληρό, βαρύ, αργυρόλευκου χρώματος στοιχείο και ανευρίσκεται σε πολλά μεταλλεύματα κυριότερα από τα οποία είναι ο Βολφραμίτης και ο Σεελίτης. Βολφράμιο. 17

Ο Βολφραμίτης (αγγλ. Wolframite) είναι όπως αναφέρα-με ορυκτό του Βολφραμίου. Ανευρίσκεται στην Αλάσκα, την Νεβάδα, το Αϊντάχο, την Αριζόνα και το Κολοράντο των ΗΠΑ, στο Περού, την Βρετανία (Κορνουάλλη), τα Πυρηναία (Γαλλία) και την Ρουμανία. Επίσης στην Βραζιλία, την Ανγκόλα, την Ταϊλάνδη και την Κίνα. Βολφραμίτης. 18

Το έτερο ορυκτό του Βολφραμίου ο Σεελίτης (αγγλ. Scheelite) είναι ορυκτό βολφραμικό άλας του ασβεστίου. Απαντάται σε διάφορα χρώματα: λευκός, γκρίζος, καστανός, ανοικτοκίτρινος, πορτοκαλί, ερυθρός, ενίοτε και πράσινος. Σεελίτης. 19

Χρησιμοποιείται, όπως αναφέραμε, ως μετάλλευμα του Βολφραμίου, ενώ οι διαφανείς ποικιλίες του χρησιμοποιούνται στην κοσμηματοποιία (όχι ευρέως, λόγω σχετικά μικρής σκληρότητας). Οι μεγάλοι διάφανοι κρύσταλλοί του είναι, επίσης, αντικείμενο συλλογής από συλλέκτες ορυκτών. Απαντάται στη Σουηδία, στη Σαξωνία (Γερμανία), στην Τσεχία, στην Ιταλία, στην Σιβηρία (Ρωσία), στο ορυχείο Natas στη Ναμίμπια, στη Νότια Κορέα (μεγάλοι διάφανοι κρύσταλλοι), στο Τονκίν του Βόρειου Βιετνάμ, την επαρχία Sichuan στην Κίνα (επίσης μεγάλοι διάφανοι κρύσταλλοι με όμορφους χρωματισμούς), στη Βραζιλία, την περιοχή Σονόρα στο Μεξικό, την Καλιφόρνια, την Αλάσκα (πολλές περιοχές) και την Αριζόνα στις ΗΠΑ. 20

Στην Ελλάδα ανευρίσκεται στα μεταλλεία Λαυρίου (περιοχή Καμάριζας), στα ορυχεία Ολυμπιάδας και Στρατωνίου των μεταλλείων Χαλκιδικής και στην περιοχή Κιμμερίας στην Ξάνθη. Το Βολφράμιο χρησιμοποιείται κυρίως στις ηλεκτρικές εφαρμογές, αλλά και πολλές του ενώσεις και κράματα χρησιμοποιούνται ευρέως σε πολλές εφαρμογές, όπως κατασκευή πυρίμαχων υλικών και στολών πυροσβεστών, λειαντικών μέσων και εργαλείων κτλ. Είναι το υλικό με το οποίο φτιάχνονται, σήμερα και σε αντικατάσταση νημάτων από άνθρακα, τα νήματα που πυρακτώνουν και φωτίζουν στους ηλεκτρικούς λαμπτήρες πυρακτώσεως. 21

Το Κοβάλτιο (Cobaltum) είναι μέταλλο με ατομικό αριθμό 27 και ατομικό βάρος 58,9332. Έχει θερμοκρασία τήξης 1.495 C και θερμοκρασία βρασμού 2.870 C. Το σύμβολό του είναι Co. Μεταλλικό Κοβάλτιο. Το Κοβάλτιο ανευρίσκεται σε ορυκτά χαλκού και νικελίου και σε συνδυασμό με το θείο και το αρσενικό σε άλλα ορυκτά, όπως ο Κοβαλτίτης (CoAsS) και ο Ερυθρίτης (Co3AsO4. 8(H2O). Τα κράματα βασισμένα στο Κοβάλτιο αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος του παραγόμενου Κοβαλτίου. Η σταθερότητα στη θερμοκρασία αυτών των κραμάτων τα καθιστά κατάλληλα για τη χρήση στις λεπίδες των τουρμπίνων στις μηχανές τουρμπίνων αερίων και αεριωθούμενων αεροσκαφών. Ειδικά κράματα Κοβαλτίου-Χρωμίου-Μολυβδενίου χρησιμοποιούνται για κάποια προσθετικά μέρη όπως οι αντικαταστάσεις γοφών και γονάτων. Τα κράματα Κοβαλτίου χρησιμοποιούνται επίσης σε προσθετικές στα δόντια, όπου είναι χρήσιμα για την αποφυγή αλλεργιών στο Νικέλιο. Μερικά ατσάλινα κράματα που χρησιμοποιούνται για την επίτευξη υψηλών ταχυτήτων χρησιμοποιούν επίσης το Κοβάλτιο για να αυξήσουν τη θερμότητα και την αντοχή στη φθορά. Ειδικά κράματα του Αλουμινίου, του Νικελίου, του Κοβαλτίου και του Σιδήρου, γνωστά ως Alnico χρησιμοποιούνται στους μόνιμους μαγνήτες. 22

Οι χάλυβες υψηλής κραμάτωσης: περιέχουν κραματικά στοιχεία σε μεγάλο ποσοστό % κατά βάρος. Οι πιο σημαντικοί από αυτούς είναι οι ανοξείδωτοι και οι εργαλειοχάλυβες. Οι τελευταίοι, οι οποίοι πρέπει να έχουν μεγάλη σκληρότητα, περιέχουν καρβίδια του Βολφραμίου, του Χρωμίου, του Μολυβδαινίου και του Βαναδίου και χρησιμοποιούνται στην κατασκευή κοπτικών εργαλείων όπως υποδηλώνει και το όνομά τους. Ενώ οι ανοξείδωτοι περιέχουν Χρώμιο και Νικέλιο και για αυτό εμφανίζουν μεγάλη αντοχή στη διάβρωση. 23

Το χημικό στοιχείο Βανάδιο είναι μέταλλο με ατομικό αριθμό 23 και ατομικό βάρος 50,9414. Συμβολίζεται με το αγγλικό γράμμα V. Το χρώμα του είναι αργυρόλευκο. Βανάδιο. Το Βανάδιο απαντάται σε περίπου 65 διαφορε-τικά ορυκτά. Τα σημαντικότερα από αυτά είναι ο Καρνοτίτης (K2(UO2)2(VO4)2. 1-3H2O), ο Βαναδινίτης (Pb5(VO4)3Cl), o Ροσκοελίτης (K(V,Al,Mg)2AlSi3O10(OH)2 και o Πατρονίτης (VS4). Το Βανάδιο είναι αργυρόλευκο μέταλλο, όπως αναφέραμε, με ισχυρή λάμψη σε πρόσφατες τομές του, μαλακό και εύθραυστο. Παρουσιάζει μεγάλη ανθεκτικότητα στη διάβρωση, καθώς δεν προσβάλλεται από καυστικά αλκάλια, υδροχλωρικό οξύ και θειικό οξύ, δεν αντιδρά με το οξυγόνο της ατμόσφαιρας ούτε προσβάλλεται από το θαλάσσιο νερό. Ωστόσο, σε σχετικά μέσες θερμοκρασίες (660 οc) αντιδρά άμεσα με το ατμοσφαιρικό οξυγόνο. Γι' αυτό το λόγο δε χρησιμοποιείται αυτούσιο, αλλά υπό μορφή κραμάτων, ιδιαίτερα με Σίδηρο δίνοντας βαναδιού-χους χάλυβες, οι οποίοι παρασκευάζονται όχι από καθαρό μέταλλο αλλά με ανάμιξη πεντοξειδίου του Βαναδίου με Χάλυβα, καθώς αποτελεί σημαντικό παράγοντα σταθεροποίησης των σιδηροκαρβιδίων. 24

Οι ενώσεις του έχουν ποικίλες χρήσεις: Το πεντοξείδιό του χρησιμοποιείται στην κεραμική και είναι από τους σημαντικότερους καταλύτες της πετροχημικής βιομηχανίας και στην παρασκευή θειικού οξέος. Στην Ελλάδα, όλη η παραγωγή χάλυβα (περίπου 2,5 εκατ. τόνοι ετησίως) προέρχεται από την ανάτηξη παλαιοσιδή-ρου και προορίζεται κυρίως για την παραγωγή μπετόβεργας. Καλούπια Χάλυβα 90MnGrV8 για την κατασκευή κεραμικών υλικών. 25

Γραναζάκια Χάλυβα 42GrMo4 μηχανής Diesel. 26

Τέλος Ενότητας 27