Nemvas fémek és ötvözetek

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

könnyűfémek;

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.

Könnyűfémek

Habár a könnyűfémek 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 főbb tulajdonságai az 1. táblázatban vannak felsorolva, az acélokéhoz viszonyítva.

1. táblázat. Fontosabb könnyűfémek egyes fizikai és mechanikai tulajdonságai

A könnyűfémek és ezek ötvözetei a vashoz képest nagyon jó viszonylagos szerkezeti szilárd­sággal (R_p0,2/ρ) és kitűnő korrózióállosággal (Ti, Al, Be) rendel­kez­nek, ami tág felhasználási terüle­tet biztosít, főképpen ott, ahol a kis önsúly nagyon lényeges, úgy mint a repülőgépek, gépkocsik, optikai műszerek stb. gyártásánál. A könnyűfémek 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 könnyű, fehér színű, 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 elnevezéséből kapta. Az ércét bauxitnak nevezik, ami a 25-30% Al₂O₃-ot és különböző más oxidokat és szennyező anyagokat tartalmazó ásvány. Nevét a délfranciaországi Le Baux községtől kapta, ahol először Berthies párizsi kémikus fedezte fel. Az alu­mínium ipari méretű előállítása a XIX. század végétől történik, a francia Herault és az amerikai Hall által kidolgozott eljárás alapján. A bauxitból timföldet, tiszta Al₂O₃-ot, állítanak elő, amit kriolitot (Na₃AlF₆) tartalmazó, 950 ⁰C-on olvadt állapotban levő fürdőben elektrolízisnek vetik alá (ún. tűzfo­lyós 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 előállítá­sához 2 kg timföld szükséges, amit 4-5 kg bauxitból nyernek, nem igazán környezetkímélő eljárás alapján. A nagy tisztaságú (>99,9% Al) alumíniumot újabb elektrólízissel, zónásolvasztás vagy egyéb eljárásokkal állítják elő.

A tiszta alumínium szilárdsága kicsi (50-70 MPa), rugalmassági együtthatója 70 Gpa, igen jól alakítható, mert képlékenysége nagy. Főbb szennyezőelemek a Si és Fe, melyek az anyag törékenysé­gét idézik elő. Szerkezeti anyagként nem igen használják, csak ha a szilárdságát hideg alakítással, öt­vözéssel és hőkezeléssel megnövelik. Az utóbbi időben kompozit anyagként, részecske- vagy szálerő­sítéssel használják.

A nagy tisztaságú alumíniumot az igen nagy villamos (36-40 m/Ωmm²) és hővezető (λ=220 W/mK) képessége alapján elektromos vezetékként és hőcserélő berendezéseknél használják a drágább réz helyett. Tudni kell viszont, hogy nagy a hőtágulása (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 védő 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 tükörfé­nye­sít­hető, ezáltal kiváló fényvisszaverődési tulajdonságokat kap.

Az alumínium ötvözetei

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

Az alumíniumötvözetekben leginkább használt ötvöző elemek a következők:

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, önthetőséget, hegeszthe­tőséget, korrózióállóságot. A Cu jelentősen emeli a szilárdságot, szívósságot, ke­ménységet, alakíthatóságot, nemesíthetőséget, 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 lehetővé teszi az ötvözet nemesítését a Mg₂Si vegyület alakulásával. Több elem (Zn, Fe, Ni) főképp a szilárdságot növeli, mások meg a kiválásos keményedésre (öregítésre) való hajlamot segítik elő (Li, Zr, Ag, Sc).

Az ötvöző elemek különböző 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 jelentősen csökken a lehűlés közben. Ugyanakkor az ötvöző 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 nemesíthetők: Al-Si (2-18% ); Al-Mg (3-10% );

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

alakítható ötvözetek:

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

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

A nem nemesíthető ötvözetek nagyon jól alakíthatók hidegen, jól hegeszthetők, korrózióállók. A nemesített ötvözetek nagy szilárdságúak. Villamosvezetőknek AlMg0,5Si0,5 ötvözetet is alkalmaznak.

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

Az alumínium ötvözetek szövetszerkezeti és megmunkálhatósági felosztása az 1. ábrából is­merhető meg. Az alakítható és hegeszthető ötvözetek mindig szilárd oldatosak, a jól önthetők meg eu­tektikumosak. A legjobb korrózióállóságot a homogén, egyfázisú ötvözetek mutatnak. A legnagyobb szilárdságot a nemesíthető, kiválásos keményedésre hajlamos ötvözetekkel érhetnek el, a hidegalakítás, termomechanikus megmunkálás és öregítés megfelelő 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 előtt 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 különböző 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 öntődei alumínium ötvözeteket nagy AT betűkkel szimbolizálják, amelyek után az ötvözőele­mek 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 jegyű számot használnak, amelyekben az első szám az ötvözet cso­portját jelöli, az utolsó kettő pedig a legkisebb Al tartalmat mutatja a tizedes szám után. Tehát a tiszta Al - 1000 sorozat; Al+Cu-ötvözésű - 2000; Mn - ötvözésű - 3000; Si - ötvözésű - 4000; Mg - ötvö­zésű - 5000; MgSi - ötvözésű - 6000; Zn - ötvözésű - 7000; Li - ötvözésű - 8000; más ötvözésű - 9000.

Titán és ötvözetei

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

A titán nagyon jól ellenáll a tengervíznek, nedves, savas közegeknek. A felületén képződő oxidhártya jó védelmet nyújt a gázkorrózióval szemben 400⁰C-ig. Nehezen forgácsolható, rossz hő­vezető, igen nagy az oxigénhez, szénhez, nitrogénhez és hidrogénhez való affinitása. Csak védőgáz­ban, vagy vákuumban önthető, vagy hegeszthető. 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 hőkezeléssel jelentős mértékben növelhető. A szövetszerkezetük alapján a titán ötvözetek 3 csoportja ismeretes (3. táblázat):

egyfázisú α-Ti típusú ötvözetek, melyek jól hengerelhetők;

egyfázisú β-Ti típusú ötvözetek melegszilárdak;

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

A titán-ötvözeteket főképpen rakéta-, repülőgép-, űrhajó-elemek, élelmiszer és hűtőberendezé­sek gyártásábanban alkalmazzák. Ezen anyagok szilárdsága és hőállósága jelentős mértékben növelhető szál vagy részecske erősítéssel, Ti-B; Ti-Be; Ti-SiC; Ti-B₄C típusú kompozitok előállítása révén.

3. táblázat. Fontosabb titán ötvözetek és azok tulajdonságai

Berillium

A berillium igen nehezen előállíthtó, hexagonális térrácsú, nagyon rideg fém. Szilárdsága függ a szennyezettség mértékétől (140-770 MPa), amit melegen is megtart. Melegen hengerelve texturás szerkezet alakul ki, ami növeli a szilárdságát szálirányban. Jó hővezető képessége miatt repülőgépkerék 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. Levegőn 400⁰C-ig nem korródál, savas közegekben meg 700⁰C-ig az ellenálló képessége a Cr-Ni saválló acélokkal egyenér­tékű. Főbb ötvözetei a Be-Cu, Be-Ce, Be-Al38. Nagyon drága és erősen mérgező, ezért csak az atom­energiai ipar és az űrtechnika alkalmazza moderátor, reflektor, röntgensugáráteresztő célokra, rakéta­testek, űrvédelmi berende­zé­sek, tengeralattjárók építésénél.

Színesfémek

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

A réz és ötvözetei

A réz lapközepes köbös térrácsú, 8,94 g/cm³ sűrűségű, 1083 ⁰C-on olvadó, kiválóan alakítható, korrózióálló, kitűnő elektromos áram és hővezető képességű, közepes szilárdságú vörös színű fém. Különböző szennyező elemek, mint a S, P, As, Fe, Pb, Bi, Sb, O₂ stb. még nagyon kis mennyiségben is (0,01-0,1% ) jelentősen rontják a réz mechanikai és fizikai tulajdonságait, törékenység jelentkezik, nő az elektromos ellenállás, előáll az ún. vöröstörékenység és az oxigén hatására kialakul az ún. "hidro­génbetegség", mert a magasabb hőmérsékleteken a rézben nem oldódó rézoxid (Cu₂O) reakcióba lép a hidrogénnel, vízgőz 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 jelentősen megnő a felkeményedés folytán (R_m=400-500 MPa). A hidegalakítás utáni lágyítás (600-800⁰C- való hevítés és vízben hűtés) 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, hőcserélők, radiátorok, vízmelegítők, kazánok, tűzkamrák, egyes élelmiszer- és kémiai be­rendezések készítéséhez.

A szilárdság, szívósság, önthetőség, forgácsolhatóság, korrózióállóság stb. céljából a rezet sok­rétűen ötvözik a következő elemekkel: Zn, Sn, Al, Mn, Ni, Pb, Fe, Si, Be, Ti, P, (kis mértékben Cd, Cr, Ag-al). A réz ötvözetek a következő 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) különböző 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, hegeszthető és aránylag jól önthető. 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 jelentősen 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 ötvöző 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, gőz és gáz szerelvények, mérőműszerek 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 ötvöző 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 belőlük, különböző víz, gőz, optikai és más berendezések, melegítők, radiátorok, hőcserélők, 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), főképpen 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 betűk jelölik, hogy forrasztás céljából gyártották:

CuZn30Si Lp; CuZn38Sn1 Lp; stb.

Bronzok

A bronzok a legrégibb idők (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 külön­böző ötvöző elemek csak részben és kis mértékben oldódnak a rézben (Sn<14% ; Al<10% ; Be<0,2% stb.). Nagyobb ötvöző elem tartalomnál kemény, rideg, inter­me­tál­likus vegyületek jelennek meg, amik jelentősen növelik a szilárdságot és kopásállóságot, ha finom diszperz szemcsék formájában vannak jelen. Általában a bronzok fő előnye a nagyon jó korrózió ellenállásuk vizes, tengeri vagy atmoszféri­kus közegben, jó kopásállóságuk és alacsony súrlódási tényezőjük.

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

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

Az öntött bronzok is a kémiai összetétel alapján jelölendők, a TN, TC, TF, TP betűpárok az öntés módját mutatják. A további ötvöző elemek a szilárdságot, korrózió- és kopásállóságot, forgácsol­hatóságot növelik. Ezekből víz szerelvényeket, mérőműszerek-, 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 különböző 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 következő ötvözetek:

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

A képlékenyen alakított bronzokat szalag, huzal, lemez, cső, vagy érem for­má­já­ban használják, radiátorok, hőcserélők, 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 önthetők, mert hígfolyósak, szűk hőmérsékletközben 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 kedvezőek, jól hegeszt­hetők, olcsók. Öntve, vagy hidegen alakítva csúszó alkatrészek gyártására, rácsok, rugók, üstök, szű­rök, 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 nő. Nagy előnyük, hogy ütésre nem szikráznak, ami szénbányákban haszná­latos szerszámok készítésére teszi nagyon alkalmassá. Önthetők, alakíthatók, 800⁰C-ról edzve és 300⁰C-on öregítve használják rugók (órarugók és himbaspirálok), membránok, manométerek, diafragmák, finomme­chanikai alkatrészek stb. készítésére. Nagyon drágák és az előállításuk 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 köszönhetőek, 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 vezetők, kompenzációs kábelek, orvosi műszerek, ellenállások, kondenzátorok, elektronikai és finommechanikai készülékek, dísztárgyak, pénzérmék készítésére. A Ni erőteljesen 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 szerkezetű, nagy a fajlagos ellenállása, na­gyon jó a szilárdságuk, nem csak a normál hőmérsékleten (R_m=450 MPa), de egészen 400 ⁰C-ig (300 MPa). Villamos ellenállásokat, melegben dolgozó szerelvényeket, vezetékeket gyártanak belőlük, de Al, Zn, Si, Ni elemekkel ötvözve gépelemek gyártására is használják.

Manganin (CuMn12Ni4) fűtőellenállások számára használatos 300-500⁰C üzemhőmérsék­let tartományban.

Constantan (CuNi44Mn1) hő, fűtő és mérő ellenállások gyártására alkalmas, mert a fajla­gos ellenállása 20-szor nagyobb mint a rézé és alig változik a hőmérséklettel.

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

Újezüst Cu-Ni-Zn ötvözet, tetszetős ezüstös színnel, korrózióálló, gőz- és vízszerelvények, or­vosi műszerek, elektronikai eszközök, dísztárgyak készítése számára.

CuNi10Fe1Mn ötvözet jó kopásálló, pénzérmék gyártására használják.

CuNi20-25 korrózióálló anyag nagyobb hőmérsékleten is. Szűrőket, orvosi műszereket, fék­csöveket, klíma berendezéseket készítenek belőle.

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 különböző erő­sítő adalékokat:

Cu-Al₂O₃ diszperziósan keményített kompozít, 600 MPa szilárdsággal;

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

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

Cu-Sn-C kompozit jó vezető, kemény anyag, bronzkefék és áramszedők számára.

Új anyagként használnak még Cu-In-Se vékony filmlemezt, napenergia elek­tromossággá való átalakítására. A fólia tulajdonképen négy rétegű: ZnO-CdS-CuInSe-Mo szerkeztű, melyben a két szélső réteg elektródaként működik.

Nikkel és ötvözetei

A nikkel szintén lapközepes köbös rendszerben kristályosodik, jó korrózió és sav álló, rossz hő­vezető, közepes sűrűségű (8,8 g/cm³) és olvadáspontú (1452⁰C), 360⁰C-ig mágnesezhető elem. Nagy a szilárdsága (R_m=400-500 MPa), igen szívós, rendkívül képlékeny, hidegen és melegen jól alakítható, hidegalakítás hatására jelentősen 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: hőállóság, korrózióállóság, nagy fajlagos ellenállás, irányított hőtágulás, stb. Ezek közül megemlítendők a következők:

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

NiMn1-6, a belsőégésű motorok gyújtógyertyáinak huzalanyaga;

NiCr15; NiCr15Fe20; NiCrAl ötvözetek villamos hevítők, melegítő és hőkezelő kemencék fű­tőellenállás anyaga, 1150 ⁰C hőmérsékletig, mert nagy az elektromos ellenálása, meleg­szilárdsága, hőállósága;

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

Invar (FeNi36), Platinit (FeNi48), Elinvar (FeNi36Cu12) szabályozott hő­tá­gulással rendelkez­nek, az első 100 ⁰C-ig nem tágul, a második hőtágulása egyenlő az üvegével, a harmadiknak meg a rugalmassági tényezője állandó és nem változik a hőmérséklettel.

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 hő és elektromos vezető, nagyon jó korrózióálló fém. Hi­deg hengerléssel μm vastagságú fóliát, húzással μm átmérőjű szálakat lehet készíteni. Rézzel ötvözve szilárdsága nő, színe sárgás lesz. A 24 karátos arany 100% -os tisztaságú. Mikrohullámú elektronikai berendezések nyomtatott áram­kö­rei, integrált chipek érintkezői, stb. és persze ékszerek készítésére használatos.

Az ezüst a legjobb hő és villamosvezető fém, lágy, képlékeny, jól ötvözhető. Az iparban huza­lok, kapcsolók készítésére használják, de repülőgépmotorok csapágy­fé­meként, keményforrasz anyag­ként és érszerek készítéséhez is sokat használják.

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

Nagy olvadáspontú fémek

Ezen fémek 2000⁰C felett olvadnak, úgy, hogy csak porkohászati úton lehet őket előállítani. 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 hegesztő elektródák készítésére, villamos kontakt pasztillák gyártásához használják. A molibdénből vakuumkemencék fűtőelemeit készítik, szallag vagy lemez formában.

Kis olvadáspontú fémek

A kis olvadáspontú fémek csoportjába a következő 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 előállítására alkalmas. Jól önthető, 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 fröccsönthetők, 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 keményedő, kitűnő 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 fellépő 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 ténye­zője, könnyen alkalmazkodik a tengely formáihoz a bejáratás folyamán, bírja az ismétlődő dinamikus igénybevételeket, jó hővezető és korrózióálló, kicsi a hőtágulása és jól önthető. 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 YŞn80 (12% Sb,6% Cu, 2% Pb);

Pb-alapú ötvözetek olcsóbbak, habár Sb és Sn-al vannak ötvözve: YPbSb5; YPbSn10 és YPbSn6Sb6 (ezeket a nyomdaiparban betűk 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 főképpen személygékocsi-motorok főtengelyének csúszó csapágyai készítésére használják.

Könyvészet

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