ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ(Θ) Ενότητα 3: 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 3 XYΤΕΥΣΕΙΣ - ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΕΩΝ Ανθυμίδης Κωνσταντίνος Διδάκτορας Μηχανολόγος Μηχανικός 4
Περιεχόμενα ενότητας 1. Χαλκοαλουμίνιο ή Χαλκαλουμίνιο 2. Χρήσεις 5
Σκοποί ενότητας 6
Χαλκοαλουμίνια ή Χαλκαλουμίνια ονομάζονται έτσι τα κράματα Χαλκού (Cu) Αλουμινίου (Al). Το χημικό στοιχείο Αργίλιο ή Αλουμίνιο (Aluminium), με σύμβολο Al είναι ένα αργυρόλευκο μεταλλικό στοιχείο το οποίο έχει πυκνότητα ίση με το 1/3 αυτής του χάλυβα. Ο ατομικός αριθμός του είναι 13, το Σημείο τήξης του 660,32 C και το Σημείο βρασμού του 2.519 C (2.792,16 K). Έχει σκληρότητα κατά Vickers 167 MPa και σκληρότητα κατά Brinell 245 MPa, ενώ το μέτρο ελαστικότητας (Young's modulus) του Αλουμινίου ή Αργιλίου ισούται με 70 GPa. Είναι ένα από τα ελαφρά μέταλλα, δηλαδή η πυκνότητά του είναι μικρότερη από 5 Kg/dm3 και συγκεκριμένα είναι 2.7g/cm3. Αλουμίνιο ή Αργίλιο. 7
Σε αυτήν την κατηγορία, των ελαφρών μετάλλων ανήκουν επίσης το Μαγνήσιο και το Τιτάνιο, με πυκνότητες 1.7 και 4.5 g/cm3. Όλα αυτά τα μέταλλα παρουσιάζουν καλές μηχανικές ιδιότητες (π.χ. μηχανική αντοχή), αλλά και καλή αντοχή στη διάβρωση, για αυτό το λόγω χρησιμοποιούνται ευρύτατα στην κατασκευαστική βιομηχανία. Είναι το πιο άφθονο μέταλλο στο φλοιό της Γης και συνολικά το τρίτο (3ο) πιο άφθονο χημικό στοιχείο συνολικά στον πλανήτη μας, μετά το Οξυγόνο (O2) και το Πυρίτιο (Si). Κατά βάρος αποτελεί περίπου το 8% του στερεού φλοιού. Γήινος φλοιός είναι το επιφανειακό στρώμα του πλανήτη μας. Περιβάλλεται από την ατμόσφαιρα και πάνω σε αυτόν έχει αναπτυχθεί ζωή. Ο γήινος φλοιός καλύπτεται κατά 71% από τους ωκεανούς, δηλαδή από νερό. Ο φλοιός βρίσκεται πάνω από το μανδύα της Γης. Ωστόσο, το Αλουμίνιο είναι πολύ δραστικό χημικά και για αυτό δε βρίσκεται στη φύση ως ελεύθερο μέταλλο. Αντίθετα, βρίσκεται ενωμένο με άλλα στοιχεία σε πάνω από 270 διαφορετικά ορυκτά 8
Τομή της Γης. 9
Η κύρια πηγή για τη βιομηχανική παραγωγή του μετάλλου είναι ο Βωξίτης. Ο Βωξίτης είναι πέτρωμα, δηλαδή συνδυασμός ορυκτών, και αποτελεί το κυριότερο μετάλλευμα του Αλουμινίου ή Αργιλίου. Ορυκτό ονομάζεται κάθε χημικό στοιχείο ή ανόργανη ένωση φυσικής προέλευσης, που βρίσκεται στο έδαφος ή στο υπέδαφος, αποτελώντας συστατικό των πετρωμάτων, από τα οποία αποτελείται ο στερεός φλοιός της Γης. Ορισμένα ορυκτά, όπως για παράδειγμα το διαμάντι, το θείο και ο χρυσός είναι καθαρά χημικά στοιχεία. Τα περισσότερα, όμως, αποτελούνται από κάποια ανόργανη ένωση. Ο Βωξίτης, για παράδειγμα, είναι πέτρωμα που αποτελείται από τα διάφορα ορυκτά, των οποίων το κύριο (αλλά όχι το μοναδικό) συστατικό είναι το οξείδιο του αργιλίου (Al2O3). Το ορυκτό που αξιοποιείται ως πρώτη ύλη για την εξαγωγή κάποιου στοιχείου ονομάζεται μετάλλευμα. Για παράδειγμα ο Βωξίτης είναι μετάλλευμα του Αλουμινίου ή Αργυλίου. 10
Γενικά ως πετρώματα χαρακτηρίζονται τα υλικά από τα οποία αποτελείται ο στερεός φλοιός της Γης. Μερικά εξ αυτών εμφανίζονται κατά συμπαγείς μάζες όπως ο γρανίτης, άλλα είναι δυνατόν να αποτελούνται από μαλακότερα ή ασύνδετα υλικά όπως η άμμος. Ο Βωξίτης είναι το σημαντικότερο μετάλλευμα του Αλουμινίου. Ανακαλύφθηκε το 1821 από το Γάλλο γεωλόγο Pierre Berthier στην πόλη Μπω (Les Baux-de-Provence) της νότιας Γαλλίας (Προβηγκία), από την οποία πήρε το όνομά του. Το χρώμα του Βωξίτη είναι: Κοκκινωπό ή κίτρινο, μερικές φορές γκριζωπό. Τα διάφορα χρώματα του βωξίτη οφείλονται στις διαφορετικές περιεκτικότητες των ορυκτών από τα οποία αποτελείται. Βωξίτης κοκκινωπός. 11
Βωξίτης κίτρινος. 12
Για να είναι οικονομικά εκμεταλλεύσιμος για παραγωγή Αλουμίνας ή Αλούμινας (η οποία χρησιμοποιείται για την παραγωγή μεταλλικού Αλουμινίου ή Αργιλίου) ο Βωξίτης, οφείλει να εκπληρώνει τις εξής προϋποθέσεις: Να περιέχει: α) περισσότερο από 45-50% Al2O3, β) λιγότερο από 20% Fe2O3 και γ) μέχρι 5% Πυρίτιο. Η εξόρυξή του γίνεται κυρίως με τη μέθοδο του ανοικτού ορύγματος, καθώς είναι πιο εύκολη και οικονομικότερη και οι εμφανίσεις του βωξίτη είναι κοντά στην επιφάνεια του εδάφους. Η μεγαλύτερη παραγωγός Βωξίτη χώρα στον κόσμο είναι αυτή την στιγμή η Αυστραλία, ενώ μεγάλα κοιτάσματα υπάρχουν ακόμα στην Γουινέα, το Βιετνάμ, την Βραζιλία, την Τζαμάικα, την Κίνα και την Ινδία. Στην Ευρώπη τα μεγαλύτερα κοιτάσματα βρίσκονται στην Ελλάδα, κυρίως στην περιοχή της ζώνης Παρνασσού - Γκιώνας και σε μικρότερα κοιτάσματα στη Χαλκιδική, στα νησιά Αμοργό και Σκόπελο, στην περιοχή της Ελευσίνας και στην Εύβοια. 13
Η μεταλλουργία του Βωξίτη ακολουθεί δυο φάσεις: 1η) Μετατροπή σε υδροξείδιο του αργιλίου (μέθοδος Bayer): Ο Βωξίτης εκπλύνεται, θρυμματίζεται και εισάγεται σε δοχεία μαζί με πυκνό διάλυμα καυστικού νατρίου υπό υψηλή πίεση και θερμοκρασία περίπου 150οC. Τα ορυκτά του αργιλίου διαλυτοποιούνται, ενώ απομακρύνονται και απορρίπτονται τα υπό μορφή ερυθράς λάσπης τα υδροξείδια του σιδήρου. Το διάλυμα στη συνέχεια ψύχεται και το καθαρό υδροξείδιο του αργιλίου καταβυθίζεται. Το στερεό υπόλειμμα θερμαίνεται σε υψηλή θερμοκρασία μετατρεπόμενο έτσι σε οξείδιο του Αργιλίου ή Αλουμινίου (Αλουμίνα ή Αλούμινα). 2η) Εξαγωγή Αργιλίου ή Αλουμινίου (μέθοδος Hall-Héroult εφευρέθηκε από τον ομώνυμο επιστήμονα το 1886): Η Αλουμίνα ή Αλούμινα εισάγεται σε μεγάλες λεκάνες. Αυτές είναι ορύγματα στο έδαφος επενδεδυμένα με υψηλής ανθεκτικότητας σε διάβρωση και υψηλές θερμοκρασίες μεταλλικές πλάκες. Εκεί θερμαίνεται μέχρι τήξεως. Επειδή η θερμοκρασία τήξεως είναι πολύ υψηλή (περίπου 1100οC), προστίθεται περίπου 40% κρυόλιθος (Na3AlF6), για να υποβιβάσει το σημείο τήξεως περίπου στους 850-900οC. Το τήγμα υφίσταται ηλεκτρόλυση, με τα τοιχώματα της λεκάνης να αποτελούν την άνοδο και ηλεκτρόδιο από άνθρακα να αποτελεί την κάθοδο. Στο ηλεκτρόδιο αυτό αποτίθενται φθόριο και οξυγόνο, το οποίο καίοντας τον άνθρακα συμβάλλει στη διατήρηση της υψηλής θερμοκρασίας. Το παραγόμενο Αργύλιο ή Αλουμίνιο είναι σε ρευστή μορφή (τηγμένο), συλλέγεται από την λεκάνη και υφίσταται εκ νέου εμπλουτισμό με νέα ηλεκτρόλυση, φθάνοντας σε καθαρότητα το 99%. Στη συνέχεια χύνεται σε ειδικά καλούπια και παίρνει μορφή κυλίνδρου ή "χελώνας", με τις οποίες διατίθεται στο εμπόριο. 14
Ηλεκτρόλυση ονομάζεται η διαδικασία της διάσπασης μιας ουσίας με τη βοήθεια του ηλεκτρικού ρεύματος. Η ηλεκτρόλυση αξιοποιείται ειδικά τόσο στην εξαγωγή καθαρών μετάλλων από τα μεταλλεύματά τους, όσο και στις επιμεταλλώσεις. Η ηλεκτρόλυση είναι μια διεργασία η οποία είναι εξαιρετικά ηλεκτροβόρα. Ένα τυπικό εργοστάσιο παραγωγής αλουμινίου καταναλώνει ρεύμα όσο μια μικρή πόλη. Ενδεχόμενη διακοπή ρεύματος για παραπάνω από 4 ώρες σημαίνει στερεοποίηση των τηγμάτων στις λεκάνες και, συνεπώς, καταστροφή τους. Γι' αυτό το λόγο, τα περισσότερα εργοστάσια είτε παράγουν επιτόπου την ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώνουν είτε συνδέονται με παραπάνω από μία πηγές ενέργειας. Για την παραγωγή 1 Kg αλουμινίου απαιτούνται 2 Kg αλουμίνας. Το 1900 μ.χ. η παγκόσμια παραγωγή Αλουμινίου ήταν 8.000 τόνοι. Έκτοτε αυξήθηκε με πολύ μεγάλους ρυθμούς, για να φτάσει το 1999 μ.χ. τα 24 εκατομμύρια τόνους. 15
Οι ιδιότητες που κάνουν το αλουμίνιο τόσο σημαντικό για την βιομηχανία είναι το χαμηλό του ειδικό βάρος, η υψηλή αντοχή του σε μηχανικές καταπονήσεις και η εξαιρετική αντοχή του στη διάβρωση. Παρουσιάζει, επίσης, πολύ καλή αντοχή στην οξείδωση διότι οξειδώνεται από τον αέρα και σχηματίζει ένα λεπτό προστατευτικό ημένιο Al2O3 το οποίο με τη σειρά του προσφέρει στο μέταλλο αντιοξειδωτική προστασία διότι είναι αδιαπέραστο από το οξυγόνο. Το καθαρό αλουμίνιο είναι αρκετά μαλακό και όλκιμο (μπορεί εύκολα να συρματοποιη-θεί). Παρουσιάζει, επίσης, πολύ καλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα η οποία ισούται με το 75% της ηλεκτρικής αγωγιμότητας του Χαλκού. Το αλουμίνιο υφίσταται εύκολα κατεργασία με χύτευση και με αφαίρεση υλικού. Επίσης, μπορεί και να συγκολληθεί. Το αλουμίνιο και τα κράματά του μπορούν να διαμορφωθούν εύκολα εν ψυχρώ είτε με έλαση, είτε με διέλαση, είτε με σφυριλασία, είτε με χύτευση, είτε με κοπή. Κατά την κοπή η ταχύτητα πρέπει να είναι μεγάλη για να αποφεύγεται η ψευδόκοψη. 16
Οι μηχανικές ιδιότητες του αλουμινίου εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την καθαρότητά του. Με την προσθήκη σιδήρου, χαλκού και άλλων κραματικών στοιχείων βελτιώνονται κατά πολύ οι μηχανικές του ιδιότητες. Γενικά τα κράματα του αλουμινίου με μαγνήσιο έχουν αυξημένη αντοχή και καλύτερη αντίσταση στη διάβρωση και παρουσιάζουν καλύτερη χυτευσιμότητα και κατεργασιμότητα. Παρόμοια δράση έχουν και οι προσμείξεις ψευδαργύρου, με εξαίρεση την αντίσταση σε διάβρωση και του πυριτίου με εξαίρεση την κατεργασιμότητα του κράματος. Ενώ και ο μόλυβδος αυξάνει την κατεργασιμότητα του κράματος. Το Αλουμίνιο είναι το δεύτερο σε χρήση μέταλλο σε παγκόσμια κλίμακα (πρώτο είναι ο Σίδηρος). Μερικές από τις σημαντικότερες εφαρμογές του είναι: στην κατασκευή σκευών μαγειρικής, Αλουμινόχαρτο, Πιάτα και Μαχαιροπήρουνα, Αλουμινένια Κουτιά Φαγητών και Ποτών. Δεν είναι τοξικό υλικό. Δεν είναι επιβλαβές για την υγεία. Το Αλουμίνιο χρησιμοποιείται και στην αεροναυπηγική και στην αυτοκινητοβιομηχανία, στη ναυπηγική και στην κατασκευή σιδηροδρόμων. 17
18
Χρησιμοποιείται και για την κατασκευή καλωδίων, πυκνωτών, διακοπτών και φωτιστικών. Στην χημική βιομηχανία για την παρασκευή αντλιών, σωληνώ-σεων, ξηραντηρίων, εναλλακτήρων θερμότητας και διαφόρων δοχείων. Στην κατασκευή φωτογραφικών μηχανών, μετρητικών οργάνων, εξαρτημάτων ηλεκτρονικών υπολογιστών και μηχανών γραφείου. Στην κατασκευή έργων τέχνης και κοσμημάτων. 19
Στην κατασκευή κουφωμάτων, στεγών, σιλό, υποστέγων, διαχωριστικών κ.τ.λ. στην κατασκευαστική βιομηχανία. 20
21
Το αλουμίνιο είναι ένα υλικό που ανακυκλώνεται σε ποσοστό άνω του 30%. Το σημαντικότερο μειονέκτημά του είναι το χαμηλό σημείο τήξης του (660 C), το οποίο μπορεί να επιλυθεί με την προσθήκη κραματικών στοιχείων στο καθαρό Αλουμίνιο. Ένα από τα σημαντικότερα κράματα του Αλουμινίου είναι με το Χαλκό, όπως έχουμε αναφέρει ήδη, το Χαλκοαλουμίνιο ή Χαλκαλουμίνιο. 22
Χαλκοαλουμίνιο ή Χαλκαλουμίνιο Το Χαλκοαλουμίνιο, ή Χαλκαλουμίνιο, είναι κράμα Χαλκού (Cu), και Αλουμινίου (Al), όπως έχουμε ήδη αναφέρει και μαρτυρά η ονομασία του. Κατά κανόνα τα χαλκοαλουμίνια εμφανίζουν υψηλή μηχανική αντοχή και καλή αντίσταση στη διάβρωση. Η διάβρωση είναι ένα διαδεδομένο φαινόμενο χημικής διεργασίας. Η διάβρωση συμβαίνει συνεχώς στη φύση και τα αποτελέσματά της είναι ορατά στις μεταλλικές κυρίως κατασκευές. Η πιο συνηθισμένη και γνωστή μορφή διάβρωσης είναι το σκούριασμα του σιδήρου, που είναι αποτέλεσμα αντίδρασης του σιδήρου με το οξυγόνο του αέρα. Επιφανειακά στρώματα του σιδήρου ενώνονται με το Οξυγόνο του αέρα και δημιουργούν οξείδια του σιδήρου, τα οποία είναι χημικές ενώσεις με την μορφή σκόνης (καστανέρυθρη σκουριά) η οποία είναι εντονότερη όταν ο αέρας έχει υγρασία. Με παρόμοιο τρόπο διαβρώνονται σχεδόν όλα τα μεταλλικά υλικά, άλλα περισσότερο και άλλα λιγότερο. Τα χαλκοαλουμίνια εμφανίζουν καλή αντίσταση στη διάβρωση, όπως ήδη αναφέρθηκε. 23
Ανάλογα με την περιεκτικότητα του Al, που όμως δεν υπερβαίνει το 14% κ.β., παράγονται πολλοί τύποι χαλκοαλουμίνιων για διάφορες χρήσεις. Τα καθαρά διμερή κράματα με περιεκτικότητα αλουμινίου μέχρι 8,5% κ.β. είναι ιδιαίτερα μαλακά, ελατά, όλκιμα και κατάλληλα για βαθιά κοίλανση. Η ονομασία των Χαλκοαλουμινίων σχετίζεται με τον αριθμό της εκατοστιαίας περιεκτικότητάς τους σε αλουμινίου, όπως π.χ. "χαλκοαλουμίνιο 5", που σημαίνει ότι το κράμα αυτό περιέχει 5% Al, ή "χαλκοαλουμίνιο 8", που σημαίνει ότι το κράμα αυτό περιέχει 8% Al, κ.ο.τ.κ.. Στην πραγματικότητα τα χαλκοαλουμίνια προκειμένου να παρουσιάσουν βελτιωμένες μεταλλουργικές ιδιότητες προσμιγνύονται και με άλλα μέταλλα και ειδικότερα με νικέλιο, μαγγάνιο, σίδηρο, ψευδάργυρο και αρσενικό, λαμβάνοντας ανάλογη επιπρόσθετη ονομασία εξ όσων στοιχείων η περιεκτικότητα είναι μεγαλύτερη από το 0,5 %, παραλείποντας τα άλλα όπως π.χ. χαλκοαλουμινονικέλιο, χαλκοαλουμινομαγγάνιο, ή χαλκοαλουμινοσίδηρος. 24
Χρήσεις Τα χαλκοαλουμίνια χρησμοποιούνται κυρίως ως αντιδιαβρωτκά υλικά. Ειδικότερα τα φερόμενα με περιεκτικότητα 6% αλουμινίου και 2% νικελίου χρησιμοποιούνται στη νομισματοκοπία. Με μεγαλύτερη περιεκτικότητα αλουμινίου χρησιμοποιούνται ευρύτατα στη ναυπηγική, την αεροναυπηγική, σε εξαρτήματα μηχανών θαλάσσης (εσωεξωλέμβιες) κ.λπ. Τα φερόμενα με προσμίξεις μαγγανίου διευκολύνουν την εν θερμώ κατεργασία και συγκόλληση, ενώ με προσμίξεις σιδήρου χρησιμοποιούνται σε βαρύτερες κατασκευές. 25
Τέλος Ενότητας 26