ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ(Θ) Ενότητα 6: 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 6 XYΤΕΥΣΕΙΣ - ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΕΩΝ Ανθυμίδης Κωνσταντίνος Διδάκτορας Μηχανολόγος Μηχανικός 4
Περιεχόμενα ενότητας 1. Σίδηρος 5
Σκοποί ενότητας 6
Σίδηρος Ο σίδηρος ήταν γνωστός από την προϊστορική εποχή, συγκεκριμένα από την Εποχή του Σιδήρου (Η εποχή του σιδήρου στην Ελλάδα αρχίζει τον 11ο και φτάνει μέχρι τον 8ο π.χ. αιώνα.). Καθαρός Σίδηρος 7
Το χημικό στοιχείο Σίδηρος (αγγλ. iron, λατ. ferrum) είναι ένα μέταλλο (μέταλλα είναι μια μεγάλη κατηγορία χημικών στοιχείων που εμφανίζουν ορισμένες κοινές ιδιότητες, όπως είναι η λάμψη, η υψηλή ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα, η δυνατότητα σχηματισμού ελασμάτων (ελατά), και συρμάτων (όλκιμα)). Συμβολίζεται διεθνώς με το Fe από τη λατινική του ονομασία.έχει ατομικό αριθμό (αριθμός των πρωτονίων του πυρήνα ενός ατόμου του) 26 και ατομικό βάρος (ισούται με τη μάζα σε γραμμάρια που περιέχει ένα mol ατόμων του στοιχείου) 55,847. 1 mol ατόμων είναι η ποσότητα ενός στοιχείου που περιέχει 6,02214199 1023 άτομα του στοιχείου.έχει θερμοκρασία τήξης 1.535 C και θερμοκρασία βρασμού 2.750 C. Είναι το πιο άφθονο χημικό στοιχείο κατά μάζα του πλανήτη Γη και το τέταρτο πιο άφθονο στοιχείο στον στερεό φλοιό της Γης, μετά το Οξυγόνο (Ο), το Πυρίτιο (Si) και το Αλουμίνιο ή Αργίλιο (Al). 8
Το Πυρίτιο (Silicium) έχει χημικό σύμβολο Si, ατομικό αριθμό 14 και ατομική μάζα 28,0855. Έχει τέσσερα ηλεκτρόνια στην εξωτερική του στοιβάδα, είναι δηλαδή τετρασθενές. Το κρυσταλλικό πυρίτιο έχει μεταλλική λάμψη, είναι σκληρό και έχει σκούρο γκρι χρώμα. Είναι στερεό σε θερμοκρασία δωματίου και δεν είναι ούτε ελατό ούτε όλκιμο. Είναι ημιαγωγός και την ιδιότητα αυτή τη διατηρεί ακόμη και σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες. Δεν είναι καλός αγωγός της θερμότητας. Κομμάτι πυριτίου. 9
Είναι το όγδοο (8ο) κατά σειρά αφθονίας μάζας στοιχείο στο σύμπαν και δεύτερο στο φλοιό της Γης, όπως αναφέραμε και παραπάνω, αποτελώντας συγκεκριμένα το 25,7 % της μάζας του φλοιού της Γης. Σπάνια όμως βρίσκεται σε ελεύθερη στοιχειακή κατάσταση στη φύση. Η πιο συνηθισμένη μορφή του είναι το διοξείδιο του πυριτίου (SiO2) και διάφορες άλλες πυριτικές ενώσεις. Το Πυρίτιο και οι ενώσεις του έχουν πολλές βιομηχανικές χρήσεις. Το ίδιο το Πυρίτιο είναι κύριο συστατικό των περισσότερων ημιαγωγικών συστημάτων και των μικροτσίπ. Οι ιδιότητες των ημιαγωγών πυριτίου παραμένουν σε υψηλές θερμοκρασίες. Το οξείδιό του είναι ακόμα πιο εύχρηστο και σχηματίζει καλύτερο ζεύγος ημιαγωγών, σε σχέση με κάθε άλλο γνωστό υλικό. Ακόμη, στη μορφή του Χαλαζία (που είναι και το κυριότερο ορυκτό του) και διαφόρων πυριτικών ενώσεων σχηματίζει χρήσιμα υαλικά, τσιμέντα και κεραμικά προϊόντα. Επίσης το Πυρίτιο είναι κύριο συστατικό των σιλικονών, ενώ είναι και το βασικό συστατικό της άμμου και του αμιάντου. Σήμερα παρασκευάζεται βιομηχανικά σε ηλεκτρικό κλίβανο με συνθέρμανση χαλαζία και μεταλλουργικού άνθρακα σε θερμοκρασία περίπου 2.500οC: SiO2 + C Si + CO2 SiO2 + 2C Si + 2CO Κατά τη διαδικασία παρασκευής στο κατώτερο σημείο του κλιβάνου συλλέγεται σε υγρή μορφή και καθαρότητα περίπου 98%. Για την παρασκευή του σε απόλυτα καθαρή μορφή, το συλλεγέν μίγμα ξαναθερμαίνεται στον κλίβανο με χαλαζία. 10
Κλείνουμε τη σύντομη αυτή παρένθεση για το Πυρίτιο και επιστρέφουμε στην αναφορά μας στο Σίδηρο. Οι πρώτοι άνθρωποι χρησιμοποίησαν το σίδηρο που υπήρχε στην επιφά-νεια της γης λόγω της πτώσης των μετεωριτών. Ο Σίδηρος είναι πολύ συνηθισμένος στους πλανήτες, δορυφόρους και αστε-ροειδείς του ηλιακού συστήματος. Το κόκκινο χρώμα της επιφάνειας του Άρη θεωρείται ότι προέρχεται από πετρώματα πλούσια σε σίδηρο. Ο Σίδηρος είναι το έκτο αφθονότερο στοιχείο στο σύμπαν, ενώ αποτελεί περίπου το 5% της επιφά-νειας της γης. Ο γήινος πυρήνας θεωρείται ότι αποτελείται κατά ένα μεγάλο μέρος από ένα κράμα σιδήρου-νικελίου που αποτε-λεί το 35% της συνολικής μάζας της γης. Ο σίδηρος είναι συνε-πώς το αφθονότερο στοιχείο στη Γη, αλλά μόνο το τέταρτο αφθονότερο στοιχείο στην επιφάνειά της. Το μεγαλύτερο μέρος του Σιδήρου στην επιφάνεια βρίσκεται ενωμένο με το οξυγόνο ως οξείδια του σιδήρου όπως ο Αιματίτης, ο Γκετίτης και ο Μα-γνητίτης. Σημαντικός αριθμός μετεωριτών αποτελούνται από κάποια μεταλλεύματα σιδήρου-νικελίου. Oι μετεωρίτες σιδήρου είναι ο σημαντικότερος τρόπος σχηματισμού και αίτιο ύπαρξης μεταλλικού σιδήρου στην επιφάνεια της γης. Στοιχειακός σίδηρος βρίσκεται σε μετεωρίτες και άλλα χαμηλής συγκέντρωσης οξυγόνου και υγρασίας περιβάλλοντα, αλλά ο καθαρός σίδηρος βρίσκεται σπάνια με αυτήν την μορφή στην επιφάνεια της γης, επειδή οξειδώνεται εύκολα με την παρουσία οξυγόνου και υγρασίας στην ατμόσφαιρα. Είναι πολύ ευαίσθητος στην παρουσία οξυγόνου και νερού. Οι επιφάνειες νεοσχηματισμένου στοιχειακού σιδήρου φαίνονται ασημόγκριζες, αλλά οξειδώνονται στον κανονικό ατμοσφαιρικό αέρα, δίνοντας οξείδια του σιδήρου, γνωστά ως «σκουριά». Αντίθετα από πολλά άλλα μέταλλα, που σχηματί-ζουν μόνο ένα προστατευτικό στρώμα οξειδίου, το οξείδιο του σιδήρου καταλαμβάνει μεγαλύτερο όγκο σε σύγκριση με το κομμάτι μεταλλικού σιδήρου από το οποίο προήλθε. Έτσι, κατά διαστήματα «σκάει», εκθέτοντας νέες επιφάνειες σιδήρου για διάβρωση. 11
Ο καθαρός μεταλλικός σίδηρος είναι μαλακός, μαλακότερος και από το αλουμίνιο. Οι ιδιότητες του σιδήρου μπορούν να τροπο-ποιηθούν με την ανάμιξη του με τα διάφορα άλλα μέταλλα (και μερικά αμέταλλα, κυρίως άνθρακα και πυρίτιο) για να σχημα-τίσει Χάλυβα (το επονομαζόμενο ατσάλι). Το υλικό σκληραίνει σημαντικά κατά διάρκεια της διεργασίας, απορροφώντας διά-φορες προσμίξεις, όπως ο άνθρακας. Με συγκέντρωση άνθρακα μεταξύ 0,2% και 2,1% παράγεται χάλυβας (steel ή «ατσάλι» εκ του λατινικού acciaio), που μπορεί να είναι μέχρι και 1.000 φορές σκληρότερος από τον καθαρό μεταλλικό σίδηρο. Ο «ακατέργαστος σίδηρος» (crude iron) παράγεται σε υψικαμί-νους (αναλυτικά για τις υψικαμίνους θα αναφερθούμε στη συνέχεια), όπου σιδηρομετάλλευμα, συνήθως Αιματίτης (Fe2O3) ανάγεται από κωκ (C και παραγώμενο CO) σε «επεξεργασμένο σίδηρο» (pig iron), που περιέχει σχετικά μεγάλη συγκέντρωση άνθρακα. Με παραπέρα «εξευγενισμό» (refinement) με οξυγόνο ανάγεται το ανθρακούχο περιεχόμενο, ελαττώνοντας τη συγκέ-ντρωση του άνθρακα στο κράμα στις προδιαγραφές του χάλυβα. 12
Ο Αιματίτης είναι ορυκτό του Σιδήρου με ευρεία διάδοση στο στερεό φλοιό της Γης. Ονομάζεται αιματίτης από την ελληνική λέξη "αίμα" λόγω του ότι το χρώμα του είναι ορισμένες φορές αιματέρυθρο. Συνήθως όμως το χρώμα του είναι μεταλλικό γκρι. Σπανιότερα απαντά ως κίτρινέρυθρο συσσωμάτωμα υπό μορφή αιματέρυθρων κρυστάλλων. Ορισμένοι αιματίτες εμφανίζουν ιριδισμό σε παράλληλες λωρίδες. Διαθέτει μεταλλική λάμψη. Ο Αιματίτης είναι οξείδιο του τρισθενούς σιδήρου Fe2O3. Υπό μορφή προσμίξεων στον Αιματίτη απαντούνται συνήθως τιτάνιο, μαγγάνιο, αργίλιο. Αποτελεί ένα από τα κυριότερα μεταλλεύματα του σιδήρου και χρησιμοποιείται ως πρώτη ύλη στις υψικαμίνους, όπως αναφέραμε. Χρησιμοποιείται, επίσης, ως ημιπολύτιμος λίθος, στην κατασκευή κοσμημάτων (κολιέ, μενταγιόν κτλ.). Ωστόσο μειονεκτεί γιατί ενώ έχει μεταλλική έντονη λάμψη, είναι ιδιαίτερα εύθραυστος. Αιματίτης 13
Ένα άλλο σημαντικό ορυκτό του Σιδήρου είναι ο Μαγνητίτης Fe3O4 με περιεκτικότητα σε σίδηρο περίπου 72,5% κ.β.. Το όνομά του το οφείλει στις μαγνητικές ιδιότητες που εμφανίζει. Ο Μαγνητίτης κρυσταλλώνεται κατά το κυβικό σύστημα, έχει χρώμα σιδηρόμαυρο έως μαύρο και μεταλλική λάμψη. Κυριότερες χώρες όπου απαντώνται μεγάλα κοιτάσματα Μαγνητίτη είναι οι Σκανδιναβικές, (και ιδιαίτερα η Σουηδία), οι ΗΠΑ και ο Καναδάς. Στην Ελλάδα τα μεγαλύτερα κοιτάσματα Μαγνητίτη υφίσταται στη Σέριφο και στα Χάλαρα της Σύρου. Επίσης, στην Τήνο, στην Ερμιόνη, στη Σκύρο και στο Πήλιο. Μαγνητίτης 14
Γενικά μεγάλες ποσότητες σιδηρομεταλλευμάτων υπάρ-χουν κυρίως στην Ευρώπη (Ρωσία, Ουκρανία, Βρετανία, Γαλλία, Σουηδία) και στην Αμερική (Η.Π.Α., Καναδάς, Βραζιλία). Σημαντικό κριτήριο για την αξία ενός σιδηρομεταλλεύματος είναι η όσο το δυνατόν μεγαλύτερη περι-εκτικότητά του σε σίδηρο, αλλά και η όσο το δυνατόν μικρότερη περιεκτικότητά του σε ακαθαρσίες (π.χ. Φώσ-φορος). Ο Σίδηρος σπάνια χρησιμοποιείται καθαρός, τις περισσότερες φορές χρησιμοποιείται ως κράμα με άλλα στοιχεία κυρίως τον άνθρακα C. Τα κράματα του σιδήρου με τον άνθρακα ονομάζονται σιδηρούχα κράματα και χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες τους χάλυβες και τους χυτοσιδήρους. Χάλυβες και διάφορα κράματα σιδήρου με σχετικά μικρή περιεκτικότητα σε άνθρακα που περιέχουν και κάποια άλλα μέταλλα ή και αμέταλλα στοιχεία («κράματα χάλυβα» alloy steels) είναι τα πλέον ευρύτατα χρησιμοποιούμενα στη σύγχρονη βιομηχανία, εξαιτίας του μεγάλου εύρους επιθυμητών ιδιοτήτων τους, αλλά και της σχετικής αφθονίας τους, που έχει να κάνει και με τη σχετική οικονομία στο κόστος της παραγωγής τους. 15
Τέλος Ενότητας 16