ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ(Θ) Ενότητα 4: 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 4 XYΤΕΥΣΕΙΣ - ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΕΩΝ Ανθυμίδης Κωνσταντίνος Διδάκτορας Μηχανολόγος Μηχανικός 4
Περιεχόμενα ενότητας 1. Ιδιότητες 2. Χρήσεις 3. Παραγωγή 4. Χαλκονικέλια 5
Σκοποί ενότητας 6
Χαλκονικέλια ονομάζονται έτσι τα κράματα Χαλκού (Cu) Νικελίου (Ni) Το χημικό στοιχείο Νικέλιο (Nickel), με σύμβολο Ni είναι ένα αργυρόλευκο μεταλλικό στοιχείο με ατομικό αριθμό 28 και ατομικό βάρος 58,71, θερμοκρασία τήξης 1453 C και θερμοκρασία βρασμού 2732 C. Παγκοσμίως παράγονται περίπου 500.000 τόνοι μετάλλου τον χρόνο. Κυριότερες παραγωγοί χώρες: Ρωσία, Νότια Αφρική, ΗΠΑ, Καναδάς. Νικέλιο 7
Μεταλλεύματα Ένα από τα κυριότερα μεταλλεύματα του Nικελίου είναι το ορυκτό Γαρνιερίτης, ένυδρο πυριτικό άλας, που απαντάται κυρίως στη Νέα Καληδονία και οι Σιδηροπυρίτες (Πεντλανδίτες) του Καναδά που περιέχουν 3% νικέλιο κ.α.. Στην Ελλάδα απαντάται ο Γαρνιερίτης με 1-3% νικέλιο στη περιοχή της Λάρυμνας όπου από το 1953 βρίσκονται εγκαταστάσεις παρασκευής σιδηρονικελίου με ταυτόχρονη εκμετάλλευση και του σιδηρούχου μεταλλεύματος μέσα στο οποίο απαντάται και το νικέλιο. O Γαρνιερίτης με 1-3% νικέλιο. 8
Η Λάρυμνα είναι παραθαλάσσιος οικισμός στον Βόρειο Ευβοϊκό κόλπο και βρίσκεται 130 χλμ περίπου, βόρεια, βόρεια ανατολικά της Αθήνας στον Νομό Φθιώτιδας. Κύριο χαρακτηριστικό είναι ότι ο οικισμός εφάπτεται με το εργοστάσιο μεταλλουργίας ΛΑΡΚΟ. Το εργοστάσιο μεταλλουργίας ΛΑΡΚΟ. 9
Με τον ερχομό του 20ου αιώνα αναπτύσσεται με την κατασκευή μεγάλων εγκαταστάσεων εργοταξίου σιδηρονικελίου στην παραλία της. Το 1963 ιδρύεται η εταιρεία ΛΑΡΚΟ. Η Γενική Μεταλλευτική και Μεταλλουργική Ανώνυμη Εταιρεία «ΛΑΡΚΟ» είναι εταιρεία παραγωγής σιδηρονικελίου. Διαθέτει μεταλλεία στην περιοχή της Εύβοιας, στο Νέο Κόκκινο Βοιωτίας, στην Καστοριά και στα Σέρβια Κοζάνης. Η εταιρεία διαθέτει επίσης ένα μεταλλουργικό εργοστάσιο στη Λάρυμνα Φθιώτιδας που απασχολεί την πλειονότητα των εργαζομένων της επιχείρησης. Τα κοιτάσματα που εκμεταλλεύεται η εταιρεία, σε διάφορες περιοχές της Ελλάδας, υφίστανται επιφανειακή εξόρυξη (μέθοδος ανοικτού φρέατος) ενώ μόνο το 2% εξορύσσονται υπόγεια. Το τελικό αποτέλεσμα είναι κοκκοποιημένο σιδηρονικέλιο υψηλής καθαρότητας, χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα, το οποίο χρησιμοποιείται αποκλειστικά στην παραγωγή ανοξείδωτου χάλυβα και διακινείται από το λιμάνι της Λάρυμνας. Το 2005 ήταν η μόνη ευρωπαϊκή εταιρεία που παρήγαγε νικέλιο από αυτόχθονες πηγές, ενώ κάλυπτε το 6% της πανευρωπαϊκής ζήτησης σε νικέλιο. 10
Οι Σιδηροπυρίτες (Πεντλανδίτες) περιέχουν 3% Νικέλιο και είναι, όπως ήδη αναφέραμε, ένα από τα σημαντικότερα μεταλλεύματα του Νικελίου, όπως επίσης και ο Νικελίτης, NiAs. Πετλανδίτης, Ni,Fe,Si 11
Νικελίτης, NiAs 12
Ιδιότητες Το νικέλιο αποτελεί το 5ο πιο κοινό στοιχείο στη Γη. Είναι ελατό και όλκιμο μέταλλο. Σταθερό στον αέρα, δεν προσβάλλεται από το νερό και γενικά ανθίσταται στη διάβρωση. Είναι σκληρό όπως ο σίδηρος. Στιλβωμένο παίρνει λαμπρή όψη. Οι παράγοντες που καθιστούν το νικέλιο και τα κράματα του πολύτιμα είναι η αντοχή, η αντίσταση στη διάβρωση, η ελαστικότητα, η καλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα, τα μαγνητικά χαρακτηριστι-κά και οι καταλυτικές ιδιότητες που διαθέτει. 13
Χρήσεις Το νικέλιο χρησιμοποιείται κυρίως στην παραγωγή ανοξείδωτου χάλυβα μέσω του κράματος του σιδηρονικέλιου. Οι πλούσιοι σε Ni χάλυβες που περιέχουν και Cr αποτελούν τους ανοξείδωτους χάλυβες, οι οποίοι εμφανίζουν πολύ καλή αντίσταση στην οξείδωση και στη διάβρωση. Χρησιμοποιείται επίσης σε κράματα με το χάλυβα (νικελιοχάλυβας) με περιεκτικότητα μέχρι και 7% σε νικέλιο για την αύξηση της σκληρότητας και της ανθεκτικότητάς του. Έτσι, από αυτό παρασκευάζο-νται πυροσωλήνες (πυροβόλων όπλων) και θωρακίσεις αρμάτων μάχης. Μεγάλες ποσότητες Ni χρησιμοποιούνται επίσης για επινικελώσεις σιδηρών σκευών, επινικέλωση διαφόρων υλικών κυρίως οικιακής χρήσης για προστασία από τη διάβρωση και στην κατασκευή μπαταριών (μπαταρίες Ni-Cd) και συσσωρευτών και ως καταλύτες στη χημική βιομηχανία. 14
Παραγωγή Η επιφανειακή εκμετάλλευση είναι αυτή που εφαρμόζεται κυρίως. Η αποκάλυψη γίνεται με τη χρήση εκρηκτικών ενώ η κοπή του και συγκέντρωση του μεταλλεύματος γίνεται με εκσκαφέα (τσάπα) και προωθητή γαιών. Το εξορυγμένο μετάλλευμα μεταφέρεται σε τριβεία για να υποστεί την κατάλληλη επεξεργασία σε όρους θραύσης και εμπλουτισμού. Το εμπλουτισμένο μετάλλευμα οδηγείται στον αποθέτη και κατόπιν για ομογενοποίηση. Το ομογενοποιημένο μετάλλευμα φορτώνεται και μεταφέρεται στο εργοστάσιο, όπου ζυγίζεται και τροφοδοτείται στις περιστροφικές καμίνους για περαιτέρω επεξεργασία. Το Νικέλιο που παράγεται πολλές φορές υφίσταται κατεργασίες προκειμένου να βελτιωθούνε οι ιδιότητές του. Μία από τις εφαρμοζόμενες κατεργασίες, είναι η επικάλυψή του με Βόριο, προκειμένου να αποκτήσει μεγαλύτερη αντοχή στη φθορά. 15
Δοκίμιο Νικελίου που έχει υποστεί βορίωση. 16
To επίστρωμα βορίου προσδίδει στο δοκίμιο του Νικελίου σημαντικά μεγαλύτερη αντίσταση στην ξηρή φθορά, όπως φαίνεται στο ανωτέρω διάγραμμα. 17
Σημαντικές ποσότητες Νικελίου χρησιμοποιούνται σε κράματα με άλλα υλικά. Ήδη αναφερθήκαμε εκτενώς στα κράματα του Νικελίου με το Χάλυβα. Άλλα σημαντικά κράματα του Νικελίου είναι τα εξής: Ινκονέλ (Ni+Fe+Cr). Ανθεκτικό στη θερμότητα και διάβρωση, χρησιμοποιείται σε εγκαταστάσεις γαλακτοκομίας. Χαστελλόυ (Ni+Fe+Mo). Ανθεκτικό στα οξέα. Ινβάρ (Ni+Fe), Έχει χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής και χρησιμοποιείται στα πρότυπα μέτρων και σταθμών ως και στους διμεταλλικούς θερμοστάτες. Έλινβαρ. Χρησιμοποιείται στη κατασκευή ελατηρίων ρολογιών και οργάνων ακριβείας. Alnico (Al+Ni+Co) κράμα για κατασκευή οπλισμού ηλεκτρομαγνητών και τέλος το Χαλκονικέλιο (Ni+Cu) στο οποίο αναφερθήκαμε στην αρχή. 18
Χαλκονικέλια Χαλκονικέλια ονομάζονται τα κράματα Χαλκού (Cu) Νικελίου (Ni). Η χρήση τους ξεκινάει από τους αρχαίους χρόνους. Παρακάτω παρουσιά-ζεται νόμισμα του βασιλιά Παντελέοντα του βασιλείου της Βακτρίας, κατασκευασμένο το 170 μ.χ, από χαλκονικέλιο. Σύγχρονο νόμισμα από χαλκονικέλιο. Και στις μέρες μας η κύρια χρήση του χαλκονικελίου είναι στην κατασκευή κερμάτων π.χ. χρησιμοποιείται και στα κέρματα του ενός (Εσωτερικά: Χαλκονικέλιο, Εξωτερικά: Ορείχαλκος ) και των δύο ευρώ (Εσωτερικά: Ορείχαλκος, Εξωτερικά: Χαλκονικέλιο). 19
20
Το χαλκονικέλιο είναι, όπως αναφέραμε ήδη, κράμα χαλκού, νικελίου (σε περιεκτικότητα λιγότερο από το 50% κ.β.) και προσμίξεις σκληρυντικών μετάλλων, όπως ο σίδηρος (0,5-6%) και το μαγγάνιο (0,3-1%). Στην νομισματοκοπία, η αναλογία του κράματος είναι περίπου 75% κ.β. χαλκός και 25% κ.β. νικέλιο. Βασική ιδιότητα του χαλκονικέλιου είναι ότι δεν διαβρώνεται εύκολα από το θαλασσινό νερό. Ιδιότητα που αυξάνεται όσο ψηλότερη είναι η περιεκτικότητα σε Νικέλιο. Για τον λόγο αυτό χρησιμοποιείται ευρέως σε μεταλλικά μέρη σκαφών. Χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή ανθεκτικών ηλεκτρικών αντιστάσεων και θερμοστοιχείων. Διατίθεται στο εμπόριο σε μορφή πλακών, ελασμάτων, ταινιών, σωλήνων, ράβδων και συρμάτων. 21
Τέλος Ενότητας 22