NIKAL (Ni) I NJEGOVE LEGURE FCC rešetka hladna oblikovljivost žilavost pri niskim temperaturama otpornost pri visokim temperaturama otpornost na koroziju 1 SVOJSTVA Ni- LEGURA Otpornost na koroziju i mehanička otpornost pri visokim T tzv. "Superlegure ). Ni-Ti legure ("Nitinol") s efektom prisjetljivosti oblika - pametne legure (engl. shape memory alloys). Posebna fizikalna svojstva: - Električna svojstva (velik električni otpor - grijači) - Magnetska svojstva (meki magneti) - Legure s malom toplinskom rastezljivošću (INVAR). Visoka cijena legirni elementi i složena proizvodnja. 2 1
VRSTE LEGURA Skupina Trgovačko ime 1 1. Ni-Cu Monel (Nicorros) Ni-Cr Nimonic (Nicrofer) 2. Ni-Mo-Cr Hastelloy (Nimofer) 3. Ni-Cr-Fe Inconel (Nicrofer) Ni-Fe-Cr Incoloy (Nicrofer) 4. Ni-Cr + (A) 2 Al-Ti Različite vrste legura pod + (B) 2 Co-W-Mo skupnim imenom SUPERLEGURE + (C) 2 C 1 Nicorros, Nicrofer i Nimofer (VDM -Vereinigte Deutsche Metallwerke AG); Monel, Nimonic, Inconel i Incoloy (Inco Alloys); Hastelloy (Haynes); 2 A - precipitacijski očvrstljive, B - očvrstljive kristalima mješancima, C - očvrstljive karbidima. 3 MEHANIČKA OTPORNOST PRI VISOKIM TEMPERATURAMA - NAČINI OČVRSNUĆA "SUPERLEGURA" Na očvrsnuće kristalima mješancima najjače djeluje Co (>16 %). Na očvrsnuće precipitacijom djeluju: Cr uz otapanje u austenitnoj matrici i stvaranjem Cr 23 C 6, Mo, Nb, Ta i V stvaranjem karbida Al i Ti stvaranjem intermetalnih spojeva: Ni 3 Al i Ni 3 Ti, 4 2
Dijagram precipitacijskog očvršćivanja Ni-Cr-Ti-Al legure 5 PRIMJERI PRIMJENA LOPATICE TURBINA KOVANICE Ni-Cd BATERIJE GRIJAČI 6 3
PRIMJENE Ni-Ti PAMETNIH LEGURA Ni-Ti stent Naprave za ugradnju premosnica na srcu Naprave za ravnanje zubi 7 KOBALT I NJEGOVE LEGURE SVOJSTVA Ispod 1495 C FCC β- modifikacija, a ispod 417 C u stabilna HCP α- modifikaciju (preklopni mehanizam) Ograničeno hladno oblikovljiv i dobro toplo oblikovljiv Legure su otporne pri visokim T do 1000 C. 8 4
LEGURE Toplinski otporan lijev Kovane i sinterirane superlegure - slične namjene kao i toplinski otporne Ni-legure Dobro livljive i zavarljive, otporne na koroziju i umaranje. 9 OČVRSNUĆE JE POSLJEDICA IZLUČIVANJA KARBIDA Sastav: 30-65 %Co, 15-30 %Cr, < 20 %Fe, < 32 %Ni i < 1,1 %C + W, Mo, V, Ti, Nb, Ta, Zr i B stvaranje karbida i karbonitrida: TiC, NbC, TaC, BC, ZrC, Cr 7 C 3, Cr 23 C 6, Mo 6 C i W 6 C 10 5
Dijagram precipitacijskog očvršćivanja Co-Cr-W-Ni-Fe legure 11 PRIMJENA Za nerotirajuće dijelove plinskih turbina i mlaznih motora T r < 1000 ºC Implantati u ljudskom tijelu (npr. umjetni kuk) Legure za zube Legure za navarivanje ("stelit" i dr.) 12 6
ALUMINIJ (Al) I NJEGOVE LEGURE Pripada lakim metalima niskog tališta. U zemljinoj kori ima ga relativno puno - oko 7,5 %, u obliku spojeva - oksida ili mješavine oksida Al 2 O 3. Industrijski se racionalno dobiva samo iz BOKSITA. 13 SHEMA DOBIVANJA ALUMINIJA Izluživanje s NaOH Elektroliza BOKSIT i kalciniranje natrijeva aluminata GLINICA Al 2 O 3 13000...15000 kwh/t Al-primarni metalurški 14 7
POVOLJNA SVOJSTVA NISKA GUSTOĆA (oko 2700 kg/m 3 ) lake konstrukcije; OTPORNOST NA ATMOSFERSKU KOROZIJU - prevlači se tankim filmom (oko 0,01 µm) Al 2 O 3 (nepovoljno pri zavarivanju, solnoj i sumpornoj kiselini). Čisti Al je nepostojan na alkalne otopine koje razaraju oksidni film - vapno, mort. ELEKTRIČNA VODLJIVOST - s obzirom na masu bolje od Cu; TOPLINSKA VODLJIVOST - 4...5 puta viša nego u čelika; HLADNA DEFORMABILNOST (FCC rešetka) - kovanje, valjanje, prešanje u profile i folije - može očvrsnuti; RECIKLIČNOST - znatno manja potrebna energija za recikliranje nego za primarnu proizvodnju. 15 NEPOVOLJNA SVOJSTVA: Nizak E (oko 3 puta niži nego u čelika) veće elastične deformacije, odnosno manja krutost; Ograničena primjenjivost pri povišenim temp. (T t oko 660 C) - do 150...200 C; Relativno loša zavarljivost - zbog stvaranja oksida treba zavarivati u inertnoj atmosferi; 16 8
VRSTE TEHNIČKOG ČISTOG ALUMINIJA Al 99; Al 99,3 - za opće svrhe Al 99,5 - za robu široke potrošnje Al 99,7 - za kemijsku industriju i brodogradnju Al 99,8 - za kemijsku industriju i elektrotehniku VIŠI STUPANJ ČISTOĆE PRIMJENA TEHNIČKOG ALUMINIJA - kemijska i prehrambena industrija, - kuhinjsko posuđe i metalni proizvodi široke potrošnje, - građevinarstvo - krovovi, oluci i ukrasi, - ambalaža, folije, tube i limenke, - elektrotehnika. OBLICI IZRADE: šipke, profili, cijevi, žica, limovi, trake, folije. 17 POVIŠENJE MEHANIČKE OTPORNOSTI Al a) Hladna deformacija - valjanje, vučenje b) Legiranje c) Toplinska obrada - precipitacijsko očvršćivanje (samo neke legure) 18 9
KLASIFIKACIJA AL-LEGURA: 1. Prema tehnološkoj preradi: - gnječene - lijevane 2. Prema kemijskom sastavu: 1. Al - Si 2. Al - Mn 3. Al - Cu 4. Al - Mg 5. Al - Zn 3. S obzirom na mogućnost toplinske obrade: - toplinski neočvrstljive - toplinski očvrstljive 19 TOPLINSKO OČVRŠĆIVANJE Al - LEGURA PRECIPITACIJSKO OČVRŠĆIVANJE WILM 1906. je slučajno otkrio, da legura sastava: 4,5 % Cu i 0,5 % Mg, ostalo Al očvršćava dužim stajanjem pri 20 C, ako je prethodno gašena sa 450 C. DURAL ili DURALUMINIJ Prva primjena: I. svj. rat - nosiva konstrukcija Zeppelina U II. svj, ratu za zrakoplove 20 10
Nema alotropskih modifikacija kao kod kaljenja čelika. Očvrsnuće Al- legura temelji se na promjeni topivosti atoma legirnih elemenata u α- mješancu Al. 21 22 11
Radi se o zagrijavanju heterogene (višefazne) legure s X %B do temperature prijelaza u potpuno homogeno stanje, zadržavanja pri toj temperaturi do potpune homogenizacije i naglog hlađenja (gašenja) na sobnu temperaturu. 23 24 12
POLAZNI UVJETI ZA TOPLINSKO OČVRŠĆIVANJE 1. Legura mora biti sastava iz heterogenog područja α + β 2. Maseni udio legirnih elemenata mora biti što viši, što bliže r max (maksimalna rastvorljivost u α-mješancu) 3. Druga faza (faze)βmora polazno biti neki intermetalni spoj - CuAl 2, Mg 2 Si, Al 2 CuMg, Al 3 Mg 2, MgZn 2... 25 STRUKTURNE PROMJENE PRI PRECIPITACIJSKOM OČVRŠĆAVANJU 1. Ugrijavanje: Ugrijavanjem je omogućena difuzija pokretljivost atoma što ima za posljedicu zasićenje rešetke B atomima i prazninama. Blizu solidus linije pa je pokretljivost atoma velika. Efekti ugrijavanja: struktura je u potpunosti prešla iz heterogenog (α + β) u homogeno, monofazno α-područje, α-mješanci su zasićeni atomima B komponente, α-mješanci su zasićeni prazninama. 26 13
2. Hlađenje - gašenje: Uz sporo hlađenje dobila bi se opet α + β struktura. Naglim gašenjem (npr. hladna voda) legura zadržava monofaznu strukturu α u neravnotežnom stanju (prezasićena prazninama i B atomima). Legura ima maseni udio x %B, a maksimalna rastvorljivost B atoma na sobnoj temperaturi iznosi r s. Prezasićenje iznosi (x r s ) legura u metastabilnom stanju. Prezasićenje prazninama i B atomima su osnova očvrsnuća. Dolazi do blage izvitoperenosti rešetke - nije visoka zbog homogenosti prezasićenja. 27 Tvrdoća i čvrstoća rastu za oko 10 %. Istezljivost bitno raste jer više nema krhke β faze. Tome pridonosi i prezasićenje prazninama. Nakon homogenizacije legura se lako hladno oblikuje. Primjer zakovica kod zrakoplova. 28 14
3. Dozrijevanje - starenje: PRIRODNO - traje nekoliko dana do nekoliko mjeseci pri 20 ºC UMJETNO - od pola sata do nekoliko dana pri 100 do 200 C, ovisno o leguri. Dozrijevanje se spriječava hlađenjem do 15 C (npr. zakovice). Osnova dozrijevanja je difuzija koja se ubrzava povišenjem temperature. Promjene i pojave tijekom dozrijevanja: Dolazi do seljenja B atoma iz područja veće napetosti u područja prezasićenosti prazninama i stvaranja "nakupina" rastvorenih B atoma unutar rešetke α mješanaca - pregrupacija B atoma. Pretvorbe su postepene i ogledaju se u različitoj povezanosti izdvojenih faza s maticom. 29 TIPOVI PRECIPITATA (FAZNIH GRANICA) potpuno sačuvana veza (nestabilno) kontinuirana povezanost s osnovnom α-rešetkom veza samo na nekim čvorovima rešetke (metastabilno) potpuno izdvojena faza i matica (dvije različite rešetke) precipitat ili stabilna faza 30 15
POJAVE PRI DOZRIJEVANJU I. stadij Nastajanje zonskih nakupina (Guinier - Prestonove G.P. zone). Zbog nestabilnosti ove zone mogu rasti ili nestajati. U njihovoj okolini nastaje izvitoperenje rešetke. Prilična istezljivost uz dovoljnu R m i R p0,2. Osjetljivost na ugrijavanje. 31 II. stadij Visok stupanj izvitoperenosti rešetke pa na mjestima dolazi do prekida između matice i metastabilne faze. Napetosti i blokiranje dislokacija mjenjaju mehanička svojstva - maksimalna R m, visoka R p0,2, snižena A i antikorozivnost, osjetljivost na ugrijavanje (pukotine). Ovaj stadij je moguće dostići samo uz povećanu moć difuzije povišenjem temperature. Kod prirodnog dozrijevanja se ne dolazi u ovaj stadij. 32 16
III. stadij Kao rezultat sjedinjenja nakupina nastaju stabilni precipitati. Nestaje izvitoperenja u matici i precipitatu. Smanjuje se broj precipitata, postaju krupniji uz veći razmak. Zbog toga se svojstva mijenjaju obrnuto: - smanjuje se R m uz dovoljno visoku R p0,2, zadržava se niska A, - mala osjetljivost na ugrijavanje, poboljšana antikorozivnost. 33 UTJECAJ TEMPERATURE I TRAJANJA DOZRIJEVANJA NA VLAČNU ČVRSTOĆU 34 17
VRSTE GNJEČENIH LEGURA I NJIHOVA SVOJSTVA 1. Toplinski neočvrstljive -R m = 200...300 N/mm 2 - očvrstljive deformiranjem u hladnom stanju Al - Mn (do 1,5 %Mn) - npr. AlMn1 Al - Mg (do 5 %Mg) - npr. AlMg1, AlMg2,5, AlMg5 Al - Mg - Mn - npr. AlMg3Mn 35 2. Toplinski očvrstljive -R m do 600 N/mm 2 Al-Mg-Si ili Al-Mg 2 Si R m < 330 N/mm 2 "Antikorodal" Al - Cu - Mg (Si, Mn) R m < 450 N/mm 2 "Duraluminij Legure serije 2000 Prirodno i umjetno očvrstljive legure. Dodatak Mg ubrzava dozrijevanje. Slabija korozijska postojanost zbog Cu, 36 18
Al - Zn - Mg (Cu ili Cr) R m < 600 N/mm 2 "Konstruktal Legure serije 7000 - opasnost od napetosne korozije! - primjenjuje se u zrakoplovnoj industriji 37 Označivanje gnječenih Al i Al-legura prema normi EN 573 Primjer a): EN AW-5754-O toplinska obrada Primjer b): EN AW-Al Mg3-O aluminij gnječena legura sastav 38 19
39 40 20
LIJEVANE Al-LEGURE - sadrže elemente koji tvore lako topive eutektikume što im daje dobra svojstva livljivosti, - mehanička svojstva - slabija nego kod gnječenih legura. Tri osnovne grupe: Al-Si, Al-Mg i Al-Cu Mehanička otpornost Livljivost Rezljivost Otpornost na koroziju Tip legure mala srednja dobra vrlo dobra Al-Mg AlMg3, AlMg5 Al-Si-Mg AlSi10Mg AlSi7Mg1 mala vrlo dobra slaba dobra Al-Si AlSi12 Al-Si-Cu AlSi5Cu1 AlSi6Cu2 Predstavnik Mg omogućuje toplinsko očvrsnuće Si negativno utječe na rezljivost, Cu omogućuje smanjenje Si, ali pogoršava otpornost na koroziju osrednja slaba dobra vrlo slaba Al-Cu AlCu4MgTi Ti i Mg usitnjuju zrno 41 Al - Si Silumin"- najraširenija lijevana legura 10...13 % Si - pospješuje livljivost (eutektičke legure) - Relativno slaba čvrstoća i dobra otpornost na koroziju. - Sklonost upijanju plinova što uzrokuje poroznost odljevaka. - Jeftine, zavarljive i toplinski neočvrstljive legure. 42 21
Cijepljenje dodavanje taljevini male količine Na u obliku soli - usitnjavanje grube eutektičke strukture povišenje Rm i A 43 TIPIČNI PRIMJERI PROIZVODA OD ALUMINIJA I AL-LEGURA 44 22
BLOK MOTORA BMW V12 JAGUAR V8 VW V8 NOSIVI OKVIR - SPACE FRAME HONDA, AUDI6... 45 BICIKLI Radijatori Nosivi okvir bicikla 46 23
TITAN (Ti) I NJEGOVE LEGURE POVOLJNA SVOJSTVA polimorfan metal: od 20 do 885 ºC HCP α-titan; mala toplinska rastezljivost >885 do tališta 1670 ºC BCC β-titan; relativno niska gustoća (4500 kg/m 3 ) povoljna specifična čvrstoća (od -200 do + 550 ºC) relativno visok E (110 000 N/mm 2 ) značajna otpornost na umor i na puzanje visoko postojan u različitim agresivnim medijima (Cl - morska voda, kiseline) na površini se stvara oksidni sloj; 47 NEPOVOLJNA SVOJSTVA velik afinitet prema O 2, C, N 2 i H 2, naročito iznad 950 ºC; teško obradljiv odvajanjem čestica jer je žilav - opasnost od zapaljenja strugotine; ograničena sposobnost hladnog oblikovanja (HCP); - bolje je toplo oblikovljiv; teže zavarljiv (u zaštitnoj atmosferi ili u vakuumu); relativno visoka cijena. 48 24
Podjela prema mikrostrukturi: α-, β- i (α+β)-legure - glavni stabilizatori α-faze: C, O, N, Al, Sn - stabilizatori β-faze: Cr, Ni, Mn, Mo, Fe, Ta α-legure Titanove legure - relativno slabo hladno oblikovljive (HCP); - zavarljivost, žilavost, čvrstoća i stabilnost pri višim temperaturama (370 do 500 ºC) za dijelove motora - dobra žilavost i čvrstoća i pri sniženim temperaturama - neočvrstljive toplinskom obradom. Predstavnici: - TiAl5Sn2,5: u kovanom i lijevanom stanju za dijelove zrakoplova i svemirskih letjelica; - TiAl7Zr12, TiAl5Sn5Zr5 i TiAl7Nb2Ta1 za dijelove motora. 49 α+ β legure - moguće je povisiti čvrstoću toplinskom obradom. - osjetljiv postupak - pojava krhkosti (metastabilna ω-faza). 1 - rastvorno žarenje 2 - gašenje 3 popuštanje 4 hlađenje (zrak ili voda) α 50 25
Legure se rastvorno žare u blizini temperature prekristalizacije α/β (velik udio β). Gašenje legure sastava < C k : β α' martenzitnom pretvorbom. α'-faza je kristal mješanac istog sastava kao β-faza. Gašenje legure sastava >C k : tvrda i krhka β-faza (neočekivano). U tom području sastava dolazi do stvaranja metastabilne prelazne ω-faze. β-faza submikroskopski se mijenja pri čemu nastaje ω-faza. ω-faza može nastati pri gašenju ili pri naknadnom popuštanju. 51 Važno: ne rastvorno žariti u β-polju radi opasnosti od pogrubljenja zrna, ne popuštati ispod 425 o C radi izbjegavanja krhke ω-faze. Najvažnija(α + β)-legura: TiAl6V4 >50% proizvodnje svih Ti-legura - visoka čvrstoća pri povišenim temperaturama - povišena otpornost na puzanje - dobra zavarljivost - oblikovljiva deformiranjem - dobra istezljivost 52 26
β-legure - očvrstljive hladnom deformacijom i toplinskom obradom velika sposobnost hladnog oblikovanja - duktilnost (zakovice) visoki omjer čvrstoća/gustoća visoka čvrstoća nakon toplinske obrade krhke pri niskim temperaturama dobra čvrstoća < 300 ºC uz kratkotrajno mehaničko opterećenje (dijelovi raketa). TiV13Cr11Al3 - najčešća legura 53 Mehanička svojstva nekih vrsta Ti- legura Vrsta legure Struktura Toplinska obrada R p0,2, N/mm 2 R m, N/mm 2 A 5, % TiAl5Sn2,5 α (HCP) rekristalizacijski žareno 790 o C/zrak 850 950 14 TiAl6V4 α + β rekristalizacijski žareno 750 o C/zrak 890 970 13 rastvorno žar. 930 o C/ voda + 540 o C/zrak 1080 1180 11 TiV13Cr11Al3 β (BCC) rekrist. žareno 790 o C /zrak 900 950 14 rastvor. žareno 790 o C /voda +480 o C /17h/zrak 1220 1290 7 rastvor. žareno 790 o C/ zrak + hlad. oblik. + 440 o C/ 24h/zrak 1700 1820 4 54 27
Primjeri primjene ZRAKOPLOVSTVO AUTOMOBILI ISPUŠNI SUSTAV Jaguar Precizni odljevak 55 IMPLANTATI Proteza umjetnog kuka Proteza Umjetno srce Vijci 56 28
Okviri očala Glava palice za golf Kućište fotoaparata 57 MAGNEZIJ (Mg) I NJEGOVE LEGURE POVOLJNA SVOJSTVA: - mala masa (ρ = 1740 kg/m3 - najmanja među legurama) - konkurentne Al-legurama u pogledu omjera čvrstoća/gustoća; velika sposobnost prigušenja vibracija; izvanredna rezljivost; nekoliko legura ima vrlo dobru livljivost za tlačni lijev uz visoku proizvodnost; 58 29
NEPOVOLJNA SVOJSTVA: Niska otpornost na koroziju(neotpornije od Al i Ti-legura) velik afinitet prema kisiku - potrebna površinska zaštita (prevlake brončane boje); HCP rešetka ograničena mogućnost hladne deformacije. Mogu se oblikovati deformiranjem pri >300 o C Nizak modul elastičnosti: 45000 N/mm 2 i niska čvrstoća Gornja temp. granica uporabe je 300...350 C Velika kemijska reaktivnost (mogućnost samozapaljenja pri lijevanju i obradi) 59 Vrste legura 1. Mg-Al, Mg-Zn ili Mg-Al-Zn, 2. Mg-Zr + Zn, Th, ili Ce. - glavni legirni elementi: Al, Zn, Mn, Th, Zr i Ce. Kompoziti s metalnom matricom - Mg matrica + čestice SiC ili Al 2 O 3 ili uz dodatak ugljičnih vlakana (lijevanje). 60 30
Primjena: - u zrakoplovstvu - pilotsko sjedalo (lagano, prigušuje vibracije) - u auto-moto sportu - sjedalo u F1 i u ostalim vozillma - u elektronici - sportska oprema - uredska oprema - za žrtvene anode - za alate Poklopac spremnika za gorivo 61 Primjena: - pilotsko sjedalo - lagano, prigušuje vibracije - sjedalo u F1 i u ostalim vozillma 62 31
Tlačni odljevak za borbeni zrakoplov Automobilska vrata 63 Tankostijeni dijelovi oblikovani istiskivanjem u poluskrućenom stanju 64 32
Greda za automobil lijevana od Mg u jednom komadu 65 Lijevano kućište prenosnika Forda s pogonom na sva četiri kotača - Mg-legura AZ91 s malim udjelom dodataka Fe, Cu i Ni 66 33
KUĆIŠTE PILE - lagano, prigušuje vibracije 67 34