Nemvas fémek és ötvözetek

A nemvas fémeket és ötvözeteket, habár áruk jóval magasabb, mint a vas­ötvöze­teké, nagyon sok ipari területen alkalmazzák rendkívûli tulajdonságaik miatt, mint alacsony fajsúlyuk, nagy korró­zióállóságuk, jóval nagyobb hõ- és elektromos vezetõ­képességük, kisebb vagy nagyobb olvadáspont­juk, jóval magasabb szilárdság-fajsúly viszonyuk, jó sugárzás bírásuk, stb. A nemvas fémek és ötvöze­tek a következõ két nagy csoportba oszthatók:

könnyûfémek;

színesfémek.

Mindkét csoportból a gyakorlatban használnak úgy tiszta fémeket, mint ezek ötvözeteit, két vagy többalkotós formában, a célból, hogy nagyobb szilárdságú és szívósságú anyagokat nyerjenek, megtartva az alapfémek különleges tulajdonságait. A legtöbb esetben a szilárdságnövekedést olyan mikroszövetek létrehozásával érik el, amelyekben egyensúlyi vagy túltelített szilárd oldatok, két vagy többfázisú szövetelemek vannak jelen, melyek felkeményedését az allotróp átalakulások késleltetésé­vel, módosításával, nemesítéssel, kiválásos keményítéssel, martenzites átalakulással, vagy hidegalakí­tással érik el.

Könnyûfémek

Habár a könnyûfémek csoportjába több mint 10 elem sorolható (Li, Rb, Ca, Mg, Be, Cs, Si, Sr, Al, Sc, Y, Ti, C, B), ezek közül szerekezeti anyagként nagyobb mennyiségben csak az alumínium, ti­tán, magnézium és a berillium kerül felhasználásra. Ezen elemek fõbb tulajdonságai az 1. táblázatban vannak felsorolva, az acélokéhoz viszonyítva.

1. táblázat. Fontosabb könnyûfémek egyes fizikai és mechanikai tulajdonságai

A könnyûfémek és ezek ötvözetei a vashoz képest nagyon jó viszonylagos szerkezeti szilárd­sággal (R_p0,2/ρ) és kitûnõ korrózióállosággal (Ti, Al, Be) rendel­kez­nek, ami tág felhasználási terüle­tet biztosít, fõképpen ott, ahol a kis önsúly nagyon lényeges, úgy mint a repülõgépek, gépkocsik, optikai mûszerek stb. gyártásánál. A könnyûfémek nagy része nem érzékeny a sugárzásra, kicsi az ún. neutronbefogási hatáske­resztmetszete, ami a kisebb elnyelést és károsodást jelenti a gyakorlat­ban. A legjobbak ezek közül a Bi; Pb; Zr; Al; Mg.

Alumínium

Az alumínium nagyon könnyû, fehér színû, lapközepes köbös térrácsú, nagyon képlékeny, kor­rózióálló fém, ami a földkéregben oxid (Al₂O₃) formájában van jelen és egyik leggyakoribb elemek közé tartozik (8% ). A nevét a timsó latin alumen elnevezésébõl kapta. Az ércét bauxitnak nevezik, ami a 25-30% Al₂O₃-ot és különbözõ más oxidokat és szennyezõ anyagokat tartalmazó ásvány. Nevét a délfranciaországi Le Baux községtõl kapta, ahol elõször Berthies párizsi kémikus fedezte fel. Az alu­mínium ipari méretû elõállítása a XIX. század végétõl történik, a francia Herault és az amerikai Hall által kidolgozott eljárás alapján. A bauxitból timföldet, tiszta Al₂O₃-ot, állítanak elõ, amit kriolitot (Na₃AlF₆) tartalmazó, 950 ⁰C-on olvadt állapotban levõ fürdõben elektrolízisnek vetik alá (ún. tûzfo­lyós elektrolízis). A 99,3-99,7% tisztaságú alumínium katódként a grafittal bélelt kád alján válik ki, ez az ún. kohóalumínium. A gyártás energiaigénye igen nagy: 10-20 kWh/kg. Egy kilogramm Al elõállítá­sához 2 kg timföld szükséges, amit 4-5 kg bauxitból nyernek, nem igazán környezetkímélõ eljárás alapján. A nagy tisztaságú (>99,9% Al) alumíniumot újabb elektrólízissel, zónásolvasztás vagy egyéb eljárásokkal állítják elõ.

A tiszta alumínium szilárdsága kicsi (50-70 MPa), rugalmassági együtthatója 70 Gpa, igen jól alakítható, mert képlékenysége nagy. Fõbb szennyezõelemek a Si és Fe, melyek az anyag törékenysé­gét idézik elõ. Szerkezeti anyagként nem igen használják, csak ha a szilárdságát hideg alakítással, öt­vözéssel és hõkezeléssel megnövelik. Az utóbbi idõben kompozit anyagként, részecske- vagy szálerõ­sítéssel használják.

A nagy tisztaságú alumíniumot az igen nagy villamos (36-40 m/Ωmm²) és hõvezetõ (λ=220 W/mK) képessége alapján elektromos vezetékként és hõcserélõ berendezéseknél használják a drágább réz helyett. Tudni kell viszont, hogy nagy a hõtágulása (α=24.10^-6 1/K). Néhány közegben (víz, hígított foszforsav, sósav) igen jó korrózióálló, mert a felületén egy jól tapadó, kemény, kémiailag igen stabil védõ oxidréteg keletkezik, ami a korrózió további behatolását megakadályozza. Az oxid réteg vegyi vagy elektromos úton, anódos oxidációval tovább vastagítható. Más savakban, lúgokban, tengervízben azonban oldódik. A tiszta alumínium felülete jól tükörfé­nye­sít­hetõ, ezáltal kiváló fényvisszaverõdési tulajdonságokat kap.

Az alumínium ötvözetei

Az alumínium termelés több mint felét ötvözetek formájában használják fel, miután szilárdsá­gukat különbözõ ötvözési, hõkezelési és megmunkálási technológiák alkalmazásával megnövelték. Öt­vözéssel nagyobb szilárdságú szilárd oldatokat, vegyü­leteket képeznek. Hidegalakítással az anyag fel­keményedik, hõkezelés folyamán homogénizálás és gyors hûtéssel túltelített szilárd oldatok, vegyüle­tek, vagy öregítési, ún. Guinier-Preston zónák alakulnak ki, amik a keménységet és szilárdságot jelen­tõs mérték­ben növelik. Továbbá használatos a termomechanikus alakítás, diszperziós keményítés, me­chanikus ötvözés, vagy a szálerõsítés.

Az alumíniumötvözetekben leginkább használt ötvözõ elemek a következõk:

Si, Cu, Mn, Mg, Zn, Fe, Ni, Li, Ag, Zr, Sc.

A Si növeli a szilárdságot, keménységet, alaktartóságot, rezgés és nyomás­ál­ló­ságot, dinami­kai és fárasztó igénybevételi ellenállást, önthetõséget, hegeszthe­tõséget, korrózióállóságot. A Cu jelentõsen emeli a szilárdságot, szívósságot, ke­ménységet, alakíthatóságot, nemesíthetõséget, azál­tal, hogy θ fázis (Al₂Cu) preci­pitálódik az öregítés folyamán. A Mn a szilárdságot növeli hengerelt állapotban. A Mg szilárdságot, szí­vós­ságot, alakíthatóságot, keménységet növel, de szilíciummal lehetõvé teszi az ötvözet nemesítését a Mg₂Si vegyület alakulásával. Több elem (Zn, Fe, Ni) fõképp a szilárdságot növeli, mások meg a kiválásos keményedésre (öregítésre) való hajlamot segítik elõ (Li, Zr, Ag, Sc).

Az ötvözõ elemek különbözõ mértékeben oldódnak az alumíniumban, szilárd oldatokat alkotva (Si<1,65% /585 ⁰C; Cu<5,65% /548 ⁰C; Mn<1,85% /595 ⁰C; Mg<17,4% /450⁰C stb.). Az oldhatóság jelentõsen csökken a lehûlés közben. Ugyanakkor az ötvözõ elemek legtöbbje vegyületet is alkot az alumíniummal, de öregítési zónák képzésére csak a Cu, Cu-Mg, Cu-Li, Mg-Si, Zn-Mg, Zr, Ag, Sc al­kalmasak.

Az alumínium ötvözetek általában feloszthatók:

öntészeti ötvözetek:

nem nemesíthetõk: Al-Si (2-18% ); Al-Mg (3-10% );

- nemesíthtõk: Al-Si-Mg; Al-Si-Cu; Al-Mg-Si; Al-Cu; Al-Zn-Mg; stb.

alakítható ötvözetek:

nem nemesíthetõk: Al-Mn (1-1,6% ); Al-Mg (1-7% ); Al-Mg-Si;stb.

nemesíthtõk: Al-Cu-Mg; Al-Mg-Si; Al-Zn-Mg; Al-Mg-Li; stb.

A nem nemesíthetõ ötvözetek nagyon jól alakíthatók hidegen, jól hegeszthetõk, korrózióállók. A nemesített ötvözetek nagy szilárdságúak. Villamosvezetõknek AlMg0,5Si0,5 ötvözetet is alkalmaznak.

1. ábra. Az alumínium ötvözetek fõbb szerkezeti felosztása és szövete.

Az alumínium ötvözetek szövetszerkezeti és megmunkálhatósági felosztása az 1. ábrából is­merhetõ meg. Az alakítható és hegeszthetõ ötvözetek mindig szilárd oldatosak, a jól önthetõk meg eu­tektikumosak. A legjobb korrózióállóságot a homogén, egyfázisú ötvözetek mutatnak. A legnagyobb szilárdságot a nemesíthetõ, kiválásos keményedésre hajlamos ötvözetekkel érhetnek el, a hidegalakítás, termomechanikus megmunkálás és öregítés megfelelõ kombinálásával.

A leggyakrabban felhasznált alumínium ötvözetek egyes mechanikai tulajdonságai és alkalma­zási területei a 2. táblázatban vannak összefoglalva.

Az alumínium és ötvözetei tulajdonságai tovább javíthatók ún. diszperziós keményítéssel, ke­mény Al₂O₃ vagy SiC porok hozzáadásával 20-30% -ban, tuskókba öntve, aztán sajtolva, vagy lemez alakra hengerelve.

Az öntött, szilíciummal ötvözött alumínium ötvözeteket szilumin-nak hívják, ezeket a mechani­kai tulajdonságok növelése érdekében modifikálásnak vetik alá, ami abból áll, hogy a folyékony ötvö­zetbe, az öntés elõtt ún. modifikáló anyagokat szórnak (például 2 rész NaF + 1 rész NaCl), ez által az anyag törékeny hipereutektikus szövetszerkezete, (mely Si kristályokból egy Al-alapú mátrix szövet­ben) nagy szilárdságú, szívós hipoeutektikussá válik, finom dendritikus szerkezettel, melyben α-Al dendritek vannak finom Al+Si eutektikumban. Ez által az ötvözet szilárdsága R_m=120 MPa-ról R_m=300 MPa-ra növekszik.

A világszerte alkalmazott alumínium ötvözetek száma igen nagy. Ezért jelölésük különbözõ normatívokat követ. A tiszta alumíniumot a kémiai jel és az alumínium tartalom alapján jelölik: Al 99.8; Al 99,7; Al 99,6; Al 99; Al 98; Al E₂ (elektromos vezetékeknek).

Az öntõdei alumínium ötvözeteket nagy AT betûkkel szimbolizálják, amelyek után az ötvözõele­mek és azok százalékos mennyiségét írják (N - homokba, C - fémkokillába, P - nyomás alatt öntött álla­potot jelent): ATN Cu4Si; ATC Si2Mg; ATP Si10Mg; ATN Si12; stb.

2. táblázat. Az Al és ötvözetei mechanikai tulajdonságai és tipikus felhasználási területei.

A képlékenyen alakítható alumínium ötvözeteket a kémiai összetétel alapján jelölik:

AlMn1; AlMg1; AlMg5; AlCu6Mn; AlCu4Mg1Mn; AlSi1MgMn; AlZn4Mg3Cu; stb.

Más országok szabványai szerint is hasonlóképen jelölik az alumínium ötvözeteket, de az új eu­rópai normák szerint (EN) négy jegyû számot használnak, amelyekben az elsõ szám az ötvözet cso­portját jelöli, az utolsó kettõ pedig a legkisebb Al tartalmat mutatja a tizedes szám után. Tehát a tiszta Al - 1000 sorozat; Al+Cu-ötvözésû - 2000; Mn - ötvözésû - 3000; Si - ötvözésû - 4000; Mg - ötvö­zésû - 5000; MgSi - ötvözésû - 6000; Zn - ötvözésû - 7000; Li - ötvözésû - 8000; más ötvözésû - 9000.

Titán és ötvözetei

A titán ezüstfehér színû, két allotrop módosulattal rendelkezõ, kiválóan korrózióálló, nem mág­nesezhetõ, vasnál nagyobb szilárdságú (R_m=400-500 MPa), képlékeny (Z=35-60% ) fém. Szilárdsági tulajdonságai megmaradnak, úgy a nagyobb hõmérsékleten (<600⁰C), mint 0⁰C alatt. Hidegalakítással keményedik. A titán 882⁰C alatt α állapotú, hexagonális térráccsal, felette meg a β-titán térközepes kö­bös kristály cellákban rendszerezõdik.

A titán nagyon jól ellenáll a tengervíznek, nedves, savas közegeknek. A felületén képzõdõ oxidhártya jó védelmet nyújt a gázkorrózióval szemben 400⁰C-ig. Nehezen forgácsolható, rossz hõ­vezetõ, igen nagy az oxigénhez, szénhez, nitrogénhez és hidrogénhez való affinitása. Csak védõgáz­ban, vagy vákuumban önthetõ, vagy hegeszthetõ. A titán kompatibilis az emberi szervezettel, ezért csontprotézisek készítésére nagyon alkalmas.

Az ipari titán 99,2-99,7% tisztaságú. Szilárdsága ötvözéssel (Al, V, Sn, Mo, Zr, Cr, Fe stb,) és hõkezeléssel jelentõs mértékben növelhetõ. A szövetszerkezetük alapján a titán ötvözetek 3 csoportja ismeretes (3. táblázat):

egyfázisú α-Ti típusú ötvözetek, melyek jól hengerelhetõk;

egyfázisú β-Ti típusú ötvözetek melegszilárdak;

kétfázisú α + β típusú ötvözetek, melyek intenzív hûtés hatására martenzites átalakuláson men­nek keresztül, megeresztéssel 480-650⁰C-on nemesednek, Ti_xMe_y kiválások révén.

A titán-ötvözeteket fõképpen rakéta-, repülõgép-, ûrhajó-elemek, élelmiszer és hûtõberendezé­sek gyártásábanban alkalmazzák. Ezen anyagok szilárdsága és hõállósága jelentõs mértékben növelhetõ szál vagy részecske erõsítéssel, Ti-B; Ti-Be; Ti-SiC; Ti-B₄C típusú kompozitok elõállítása révén.

3. táblázat. Fontosabb titán ötvözetek és azok tulajdonságai

Berillium

A berillium igen nehezen elõállíthtó, hexagonális térrácsú, nagyon rideg fém. Szilárdsága függ a szennyezettség mértékétõl (140-770 MPa), amit melegen is megtart. Melegen hengerelve texturás szerkezet alakul ki, ami növeli a szilárdságát szálirányban. Jó hõvezetõ képessége miatt repülõgépkerék féktárcsák készítésére alkalmazzák.

A berillium sugárzásra nem érzékeny, nem ridegedik és a fémek közül a legkisebb a neutronbe­fogási hatáskeresztmetszete. A Be, α-sugárzás hatására neutronokat bocsát ki. Levegõn 400⁰C-ig nem korródál, savas közegekben meg 700⁰C-ig az ellenálló képessége a Cr-Ni saválló acélokkal egyenér­tékû. Fõbb ötvözetei a Be-Cu, Be-Ce, Be-Al38. Nagyon drága és erõsen mérgezõ, ezért csak az atom­energiai ipar és az ûrtechnika alkalmazza moderátor, reflektor, röntgensugáráteresztõ célokra, rakéta­testek, ûrvédelmi berende­zé­sek, tengeralattjárók építésénél.

Színesfémek

A vas színétõl és tulajdonságaitól eltérõ fémek és ötvözetek nagy csoportját alkotják a színes­fémek, elsõsorban a réz és ötvözetei, a nemesfémek, (Au, Ag, Pt) és más fontos mûszaki fémek mint a Zn, Ni, Co, Pb, Sn, Mo, W stb. Ezek közül a legismertebb és az õskor óta használt fém a réz és ennek ötvözete a bronz.

A réz és ötvözetei

A réz lapközepes köbös térrácsú, 8,94 g/cm³ sûrûségû, 1083 ⁰C-on olvadó, kiválóan alakítható, korrózióálló, kitûnõ elektromos áram és hõvezetõ képességû, közepes szilárdságú vörös színû fém. Különbözõ szennyezõ elemek, mint a S, P, As, Fe, Pb, Bi, Sb, O₂ stb. még nagyon kis mennyiségben is (0,01-0,1% ) jelentõsen rontják a réz mechanikai és fizikai tulajdonságait, törékenység jelentkezik, nõ az elektromos ellenállás, elõáll az ún. vöröstörékenység és az oxigén hatására kialakul az ún. "hidro­génbetegség", mert a magasabb hõmérsékleteken a rézben nem oldódó rézoxid (Cu₂O) reakcióba lép a hidrogénnel, vízgõz keletkezik, ami az anyagban repedéseket okoz.

A tiszta réz rossz öntési tulajdonságokkal rendelkezik, könnyen kialakulnak gáz és salak zárvá­nyok, a szilárdsága meg viszonylag kicsi (Rm=150-200 MPa, A=15-25% ). Alakított és lágyított álla­potban a mechanikai tulajdonságok javulnak ( R_m=250-270 MPa; A=40-50% ). A hidegalakítás hatá­sára a réz szilárdsága jelentõsen megnõ a felkeményedés folytán (R_m=400-500 MPa). A hidegalakítás utáni lágyítás (600-800⁰C- való hevítés és vízben hûtés) ad a legjobb eredményt. A réz nagyon jól el­lenáll a korróziónak nedves, vizes, szerves savas, füstgázas közegeknek.

Hazai szabvány szerint a rezet a tisztaság százalékos jelölésével szimbolizálják:

Cu 99,97b; Cu 99,95; Cu 99,95k; Cu 99,9; Cu 99,9p; Cu 99,5.

A nagyon tiszta elektrolítikus rezet (>99,95% Cu) villamos vezetékek alapanyagaként használ­ják, lágyított állapotban. Hidegalakítás és hegesztés céljára foszforral dezoxidált, oxigén mentes >99,9% Cu tartalmú réz lemezeket, csöveket, idomokat stb. használnak felkeményedett, vagy lágyított állapotban, hõcserélõk, radiátorok, vízmelegítõk, kazánok, tûzkamrák, egyes élelmiszer- és kémiai be­rendezések készítéséhez.

A szilárdság, szívósság, önthetõség, forgácsolhatóság, korrózióállóság stb. céljából a rezet sok­rétûen ötvözik a következõ elemekkel: Zn, Sn, Al, Mn, Ni, Pb, Fe, Si, Be, Ti, P, (kis mértékben Cd, Cr, Ag-al). A réz ötvözetek a következõ négy nagy csoportba osztályozhatók:

sárgarezek;

bronzok;

különleges rézötvözetek;

réz alapú kompozitok.

Sárgarezek

A sárgaréz a réznek a horgannyal ötvözött (Zn=5-45% ) anyaga, más elemek (Al, Sn, Mn, Fe, Si, Pb) különbözõ tulajdonságok feljavítása célból vannak jelen. A Cu-Zn egyensúly diagram szerint (2. ábra), 39% Zn tartalomig egy α-szilárd oldat keletkezik, mely igen képlékeny, hidegen és melegen jól alakítható, hegeszthetõ és aránylag jól önthetõ. Nagyobb Zn tartalomnál (38-45% ) bifázikus szö­vetszerkezet jelenik meg, melyben α szilárdoldat krisztalítok között egy keményebb, térközepes köbös térrácsú, intermetállikus β' (CuZn) vegyület szilárd oldata alakul ki, mely jelentõsen emeli a szilárdsá­got, de csökkenti az alakíthatóságot. Ezen szerkezetet csak melegen lehet jól alakítani, 455⁰C felett, mikor a β' átalakul képlékeny β szilárd oldattá. Az ötvözõ elemek közül az Al növeli a keménységet és szilárdságot, Mn, Sn a korrózióállóságot, Ni a szilárdságot, Fe a szívósságot, Pb a forgácsolhatóságot.

2. ábra. Cu-Zn egyensúlyi állapotábra és a sárgaréz mechanikai tulajdonságainak
változása a horgany tartalom függvényében

Az öntészeti sárgarezet csaptelepek, víz, gõz és gáz szerelvények, mérõmûszerek stb. készíté­sére használnak, 30-40% horgany tartalommal. Az öntést lehet homokba (N), fémkokillába (C), prése­léssel (P) vagy centrifugálva (F) véghezvinni.

A szimbolizálásuk a réz és a fontosabb ötvözõ elemek vegyjelei és százalékos mennyiségük je­lölésével történik:

CuZn33Pb2 TN; CuZn40Mn2Al TC; CuZn30Al5Fe3Mn2 TP stb.

A hidegen alakítható sárgarezek α szilárd oldatos monofázikusak, 5-40% Zn tartalommal. Le­mezeket, drótokat, rúdakat, csöveket, idomokat stb. gyártanak belõlük, különbözõ víz, gõz, optikai és más berendezések, melegítõk, radiátorok, hõcserélõk, tartályok stb. számára. A sárgarezek 30% Zn taratalom fölött nagyon érzékenyek a feszültség alatti korrózióra, ezért az alakítás után 280-350 ⁰C-on való megeresztésük nélkülözhetelen. Az 5-10% Zn tartalmú sárgarezeket tombak néven használják, na­gyon jól mélyhúzhatók, különösképpen hangszerek készítésére használják. A 40-45% Zn tartalmú bifázikus sárgarezek, nagyon jó kopásállók, magas a szilárdságuk, tengervíznek jól ellenállnak, mele­gen (800-900 ⁰C), fõképpen préseléssel jól alakíthatók. Ezen anya­gokból csapszárakat, mechanikai alkatrészeket, csigakerekeket, fogasléceket, kondenzátorokat, hajómeghajtó propellereket stb. gyárta­nak.

Jelölésük a kémiai összetétel kiírásával történik:

CuZn5; CuZn10; CuZn30; CuZn40; CuZn36Pb1; CuZn43Pb2.

A speciális ötvözött sárgarezeket hasonlóképpen jelölik:

CuZn28Sn; CuZn31Si; CuZn36Sb; CuZn34Al4Mn3Fe; CuZn39Ni3; stb.

A 38-42% Zn tartalmú sárgarezet, 0,2-0,3% Si, vagy 1% Sn hozzáadásával kemény forrasztó hozanyagként használják vas, nikkel ötvözetek, vagy vörös réz forrasztásához. A fennti jelölés után az Lp betûk jelölik, hogy forrasztás céljából gyártották:

CuZn30Si Lp; CuZn38Sn1 Lp; stb.

Bronzok

A bronzok a legrégibb idõk (kb. 5000 év óta) óta használt ötvözetek (bronzkorszak). Kezdetben csak a réz-ón (Cu-Sn) ötvözeteket nevezték bronznak, de ma az összes két vagy háromalkotós réz ötvö­zetet bronznak nevezik, a horgannyal ötvözött sárgarézen kívül. A gyakorlatban legtöbbet használják az ón, alumínium, mangán, szilícium, berillium, ólom bronzokat, de vannak kádmium, króm, ezüst bron­zok is. A bronzok mikroszerkezte szerint általában α szilárd oldatúak, melyek jól alakíthatók, de külön­bözõ ötvözõ elemek csak részben és kis mértékben oldódnak a rézben (Sn<14% ; Al<10% ; Be<0,2% stb.). Nagyobb ötvözõ elem tartalomnál kemény, rideg, inter­me­tál­likus vegyületek jelennek meg, amik jelentõsen növelik a szilárdságot és kopásállóságot, ha finom diszperz szemcsék formájában vannak jelen. Általában a bronzok fõ elõnye a nagyon jó korrózió ellenállásuk vizes, tengeri vagy atmoszféri­kus közegben, jó kopásállóságuk és alacsony súrlódási tényezõjük.

A bronzokat általában öntött, vagy képlékenyen hidegen alakított állapotban használják, nagyon jó forgácsolási tulajdonságokkal rendelkezve. Öntött bronzok dendri­tikus vagy polikrisztallítos szerke­zetûek, a képlékenyen alakítottak szemcsések.

Az ón-bronzok 2-14% Sn-t tartalmaznak, nagyon jó minõségûek, de ugyanakkor meglehetõsen magas az áruk, mert az ón nagyon drága. Az α szilárd oldat fázisú, 2-8% Sn-t tartalmazó bronzok na­gyon jól önthetõk és hidegen kiválóan alakíthatók hen­ger­léssel, húzással stb., miáltal huzalokat, leme­zeket, rudakat, csöveket gyártanak.

Az öntött bronzok is a kémiai összetétel alapján jelölendõk, a TN, TC, TF, TP betûpárok az öntés módját mutatják. A további ötvözõ elemek a szilárdságot, korrózió- és kopásállóságot, forgácsol­hatóságot növelik. Ezekbõl víz szerelvényeket, mérõmûszerek-, mikroszkópok alkatrészeit, csigahajtó­kat, fogasléceket öntenek, de sokszor használják szobrok és harangok öntésére is.

CuSn6 TN; CuSn8 TN; CuSn4Zn4Pb1 TC; CuSn6Zn4Pb4 TP; CuSn9Zn5 TF; stb.

Az öntött ón-bronzok 10-14% Sn tartalommal, különleges felhasználási területe a különbözõ csúszó csapágy perselyek készítése. Ezen anyagok szerkezete az α fázison kívül egy eutektoidot is tar­talmaz szemcseközben kristályosodva, melyben megjelenik egy kemény, rideg δ fázis, mely egy Cu₃₁Sn₈ intermetállikus vegyület (150 HB). Ezen anyagok nagy kopásállóak a δ fázis jelenléte miatt, kicsi a súrlódásuk zsírozott, vagy olajozott állapotban, ugyanakkor az α fázis mivel képlékenyebb, fel­veszi az ütéseket. Sebességváltók, reduktorok, tengelyek, meghajtókarok stb. csapágy-perselyei készí­tésére használják. Ebbe a kategóriába tartoznak a következõ ötvözetek:

CuSn10 T; CuSn12 T; CuSn14 T; CuSn12Ni T; CuSn10Zn2; stb.

A képlékenyen alakított bronzokat szalag, huzal, lemez, csõ, vagy érem for­má­já­ban használják, radiátorok, hõcserélõk, tartályok, kaloriméterek, sziták készítésére:

CuSn2: CuSn4; CuSn6; CuSn8; CuSn4Pb4Zn4; stb.

Az alumínium-bronzok, 5-10% Al-ot tartalmaznak, α szilárd oldatú monofázisú alakítható szerke­zettel, vagy α+γ' bifázisú szövetszerkezettel, mely edzéssel (750-800 ⁰C-ról) és megeresztéssel (400-450 ⁰C) martenzites lesz, igen nagy szilárdsággal. Ezen bronzok szilárdabbak (R_m=260-600 MPa), nagyon jó a kopás és korrózióállóságuk, szívósak, könnyen önthetõk, mert hígfolyósak, szûk hõmérsékletközben der­mednek, nem hajlamosak a dúsulásra, de ugyanakkor jól alakíthatók. Fogaskerekek, dörzskerekek, szorító­csavarok, szelepek, csapok, szivattyúk, bronzcsigák, hajócsavarok stb. készítésére használják

CuAl 9 T; CuAl 9Fe3 T; CuAl 10Mn2Fe3 T; stb.
CuAl 5; CuAl 8; CuAl 8Fe3; CuAl 10Fe5Ni5; stb.

A szilíciumbronzok (4% Si) mechanikai tulajdonságai, korrózióállósága kedvezõek, jól hegeszt­hetõk, olcsók. Öntve, vagy hidegen alakítva csúszó alkatrészek gyártására, rácsok, rugók, üstök, szû­rök, csatornák készítésére alkalmazzák.

A berilliumbronzok (2-2,5% Be) az acélnál szilárdabb ötvözetek, kiválásos keményítés után a sza­kítószilárdságuk 1500 MPa, keménységük 300-400 HB, de ha Ni-vel van ötvözve a szilárdság 1800 MPa-ra és a keménység 500 HB-ra nõ. Nagy elõnyük, hogy ütésre nem szikráznak, ami szénbányákban haszná­latos szerszámok készítésére teszi nagyon alkalmassá. Önthetõk, alakíthatók, 800⁰C-ról edzve és 300⁰C-on öregítve használják rugók (órarugók és himbaspirálok), membránok, manométerek, diafragmák, finomme­chanikai alkatrészek stb. készítésére. Nagyon drágák és az elõállításuk a be­ril­lium miatt veszélyes.

Az ólom-bronzok speciális keverék ötvözetek, mert a réz és az ólom szilárd oldatokat nem al­kotnak, olvadt állapotban meg 36% Pb tartalom felett szintén oldhatatlanok. A gyakorlatban 5-25% Pb bronzokat használnak, acélperselybe öntve, motorok, mozdonyok, turbinák stb. csapágyak készítésére. A jó csúszási tulajdonságai a különleges szövetszerkezetnek köszönhetõek, az által, hogy a keményebb Cu szemcsék lágy Pb alapanyagba vannak ágyazva.

Különleges rézötvözetek

A különleges rézötvözetek nikkellel, mangánnal stb. elemekkel ötvözött különleges tulaj­donságú anyagok, speciális alkalmazási célokra: villamos vezetõk, kompenzációs kábelek, orvosi mûszerek, ellenállások, kondenzátorok, elektronikai és finommechanikai készülékek, dísztárgyak, pénzérmék készítésére. A Ni erõteljesen növeli a szilárdságot, de nagyon drága, csak akkor hasz­nálják, ha a nagy fajlagos elektromos ellenállás, korrózió- és erózió- állóság szükségeltetik. Ilyen ötvözetek például:

Rezistin mely 15% Mn-t tartalmaz, szilárd oldat szerkezetû, nagy a fajlagos ellenállása, na­gyon jó a szilárdságuk, nem csak a normál hõmérsékleten (R_m=450 MPa), de egészen 400 ⁰C-ig (300 MPa). Villamos ellenállásokat, melegben dolgozó szerelvényeket, vezetékeket gyártanak belõlük, de Al, Zn, Si, Ni elemekkel ötvözve gépelemek gyártására is használják.

Manganin (CuMn12Ni4) fûtõellenállások számára használatos 300-500⁰C üzemhõmérsék­let tartományban.

Constantan (CuNi44Mn1) hõ, fûtõ és mérõ ellenállások gyártására alkalmas, mert a fajla­gos ellenállása 20-szor nagyobb mint a rézé és alig változik a hõmérséklettel.

Alpaka nagyon jó szilárdságú (350-380 MPa) és korrózióálló ternár ötvözet, 15-30% Ni és 20-35% Zn tartalommal, csövek, kondenzátorok, evõeszközök, dísztárgyak készítése céljá­ból.

Újezüst Cu-Ni-Zn ötvözet, tetszetõs ezüstös színnel, korrózióálló, gõz- és vízszerelvények, or­vosi mûszerek, elektronikai eszközök, dísztárgyak készítése számára.

CuNi10Fe1Mn ötvözet jó kopásálló, pénzérmék gyártására használják.

CuNi20-25 korrózióálló anyag nagyobb hõmérsékleten is. Szûrõket, orvosi mûszereket, fék­csöveket, klíma berendezéseket készítenek belõle.

CuNi30Fe2Mn2 ötvözet nagyon jól ellenáll a tengervíz okozta korróziónak, jó a kopásálló­sága. Eróziós, kavitációs kopásnak kitett alkatrészek, hajócsavarok, kondezátor csövek gyártására használatosak.

Réz mátrixú kompozitok

Nagyobb szilárdság és kopásállóság érdekében a réz alapanyagba beágyaznak különbözõ erõ­sítõ adalékokat:

Cu-Al₂O₃ diszperziósan keményített kompozít, 600 MPa szilárdsággal;

Cu-Nb kompozit ötvözet kapcsolók számára elõállítva (R_p0,2=300-1000 MPa);

Cu-W (spárkál) - kompozit anyag érintkezõk számára kifejlesztve;

Cu-Sn-C kompozit jó vezetõ, kemény anyag, bronzkefék és áramszedõk számára.

Új anyagként használnak még Cu-In-Se vékony filmlemezt, napenergia elek­tromossággá való átalakítására. A fólia tulajdonképen négy rétegû: ZnO-CdS-CuInSe-Mo szerkeztû, melyben a két szélsõ réteg elektródaként mûködik.

Nikkel és ötvözetei

A nikkel szintén lapközepes köbös rendszerben kristályosodik, jó korrózió és sav álló, rossz hõ­vezetõ, közepes sûrûségû (8,8 g/cm³) és olvadáspontú (1452⁰C), 360⁰C-ig mágnesezhetõ elem. Nagy a szilárdsága (R_m=400-500 MPa), igen szívós, rendkívül képlékeny, hidegen és melegen jól alakítható, hidegalakítás hatására jelentõsen felkeményedik (R_m=1100 MPa).

Az elektrolízissel finomított 99,5-99,99% tisztaságú nikkelt huzal, lemez, szalag alakban a vegyipar és a vákuumtechnika hasznosítja. A kohónikkelt (98,5% Ni) acélok ötvözésére, felületvéde­lemre, nikkelezésre használják.

A nikkel ötvözetei nagyobb részt szilárd oldatok alakjában jelenkeznek, nagyon jó fizikai tulaj­donságokkal rendelkezve: hõállóság, korrózióállóság, nagy fajlagos ellenállás, irányított hõtágulás, stb. Ezek közül megemlítendõk a következõk:

Monel, NiCu28Fe2,5Mn1,5 összetételû ötvözet, nagy szilárdságú, képlékeny, korrózióálló anyag, vegyipari, tengeri, elektromos berendezések készítésére használják;

NiMn1-6, a belsõégésû motorok gyújtógyertyáinak huzalanyaga;

NiCr15; NiCr15Fe20; NiCrAl ötvözetek villamos hevítõk, melegítõ és hõkezelõ kemencék fû­tõellenállás anyaga, 1150 ⁰C hõmérsékletig, mert nagy az elektromos ellenálása, meleg­szilárdsága, hõállósága;

Inconel (NiCr15Fe10), Nimonic (NiCr20Ti3Al1), NiCrCo10, stb. ún. szu­per­ötvözetek, ma­gas hõállósággal, melegszilárdsággal, 1300 ⁰C hõmérsékletig, gázturbinák palettái számára;

Invar (FeNi36), Platinit (FeNi48), Elinvar (FeNi36Cu12) szabályozott hõ­tá­gulással rendelkez­nek, az elsõ 100 ⁰C-ig nem tágul, a második hõtágulása egyenlõ az üvegével, a harmadiknak meg a rugalmassági tényezõje állandó és nem változik a hõmérséklettel.

Nemesfémek

A nemesfémek csoportjába tartoznak az Au, Pt, Ag, Ir, Rh, Pa, Os, Ru, melyek mind kiváló kor­rózióállósággal rendelkeznek.

A tiszta arany igen képlékeny, kiváló hõ és elektromos vezetõ, nagyon jó korrózióálló fém. Hi­deg hengerléssel μm vastagságú fóliát, húzással μm átmérõjû szálakat lehet készíteni. Rézzel ötvözve szilárdsága nõ, színe sárgás lesz. A 24 karátos arany 100% -os tisztaságú. Mikrohullámú elektronikai berendezések nyomtatott áram­kö­rei, integrált chipek érintkezõi, stb. és persze ékszerek készítésére használatos.

Az ezüst a legjobb hõ és villamosvezetõ fém, lágy, képlékeny, jól ötvözhetõ. Az iparban huza­lok, kapcsolók készítésére használják, de repülõgépmotorok csapágy­fé­meként, keményforrasz anyag­ként és érszerek készítéséhez is sokat használják.

A platina igen lágy, nagy sûrûségû (21,37 g/cm³), magasabb olvadáspontú (1773 ⁰C) kiváló korrózióállóságú fém. Olvasztó tégelyek, elektródok, katalizátorok, hõelemek készítésére alkalmazzák.

Nagy olvadáspontú fémek

Ezen fémek 2000⁰C felett olvadnak, úgy, hogy csak porkohászati úton lehet õket elõállítani. Legfontosabbak a W (3370 ⁰C); Re (3177 ⁰C); Os (3027 ⁰C); Ta (3005 ⁰C); Mo (2622 ⁰C); Ir (2443 ⁰C).

A wolframot izzószálak, katódok, nem olvadó hegesztõ elektródák készítésére, villamos kontakt pasztillák gyártásához használják. A molibdénbõl vakuumkemencék fûtõelemeit készítik, szallag vagy lemez formában.

Kis olvadáspontú fémek

A kis olvadáspontú fémek csoportjába a következõ fémek tartoznak: Zn (419 ⁰C); Pb (327 ⁰C); Cd (321 ⁰C); Bi (271 ⁰C); Sn (232 ⁰C); Hg (-39 ⁰C).

A horgany (Zn) hexagonális rendszerben kristályosodik, rideg, kis szilárdságú, 130-180 ⁰C-on alakítható. Lemezek, csövek huzalok elõállítására alkalmas. Jól önthetõ, korrózióálló, jól tapad más fémekhez. Ellenáll a légköri és tengervízi korróziónak. Nyomdaiparban lemezek készítésére, általában meg acéllemezek bevonására használják. Ötvözetei alumíniummal ZnAl 4; ZnAl4Cu1; ZnAl10Cu2 stb. jól fröccsönthetõk, fém formákba, precíziós alkatrészek készítésére. A ZnAl10C5Mg ötvözetet csap­ágyaknál használják, a ZnCd40 meg adalékanyag Al és Mg ötvözetek forrasztásához.

Az ólom (Pb) a nehézfémek csoportjába való (ρ=11,38g/cm³), lapközepes köbös térrácsú, lágy (6 HB), kis szilárdságú (15 MPa), jól alakítható, nem keményedõ, kitûnõ korrózióálló fém. A kénsav, nitrogén, klór, stb. gyártásban csövek, kádak, tornyok, szivattyúk készítésére használják. Akkumlátorok lemezei gyártásához, vízvezeték csövek készítéséhez, γ sugár védelemhez szintén nélkülözhetetlen.

Az ón (Sn) kis szilárdságú (30-40 MPa), korrózió és saválló, nagyon képlékeny fém.Szerves anyagoknak nagyon jól ellenáll, ezért az élelmiszeriparban csomagolásra használják, sztaniol lemez­ként, vagy konzervdoboz bevonataként. A fehér, tetragonális rácsú β-ón, mely nagyon könnyen alakít­ható, 18⁰C alatt gyémántrácsú szürke α-ónná alakul át, amely a nagy térfogatváltozás következtében fellépõ feszültségek hatására porrá esik szét. Ezt a jelenséget nevezik ónpestisnek. Az ón ötvözeteit lágyforrasz anyagként (SnPb5-60% ) vagy csapágyfémként alkalmazzák.

Csapágyötvözetek

A csapágyötvözetek olyan speciális csúszócsapágy anyagok, melyeknek kicsi a súrlódási ténye­zõje, könnyen alkalmazkodik a tengely formáihoz a bejáratás folyamán, bírja az ismétlõdõ dinamikus igénybevételeket, jó hõvezetõ és korrózióálló, kicsi a hõtágulása és jól önthetõ. Ilyenek a:

Sn-alapú ötvözetek 3-11% Sb és 3-6% Cu tartalommal, melyek a legjobb motor és kompres­szor csapágy ötvözetek. Ilyen például az YSn83 (11% Sb; 6% Cu) és amit Babbit-fémnek hívnak, az YSn89 (7% Sb; 4% Cu) és az Yªn80 (12% Sb,6% Cu, 2% Pb);

Pb-alapú ötvözetek olcsóbbak, habár Sb és Sn-al vannak ötvözve: YPbSb5; YPbSn10 és YPbSn6Sb6 (ezeket a nyomdaiparban betûk öntésére is használták). Az YPb98 Ca, Na, Mg, Al-al van ötvözve, vasúti vagonok kerék csapágyaihoz használják (Bahnmetal);

Al-alapú ötvözetek a legolcsóbbak, mert alumínium matrixban Sn, Sb, Mg, Ni, Si kemé­nyebb elemek kombinációja van beágyazva: YAlSb5; YAlSn6CuNi stb. Ezeket fõképpen személygékocsi-motorok fõtengelyének csúszó csapágyai készítésére használják.

Könyvészet

Artinger István-Kator Lajos-Ziaja György: Új fémes szerkezeti anyagok és technoló­giák, Mûszaki Könyvkiadó, Budapest, 1974.