ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
1
NIKAL (Ni) I NJEGOVE LEGURE
FCC rešetka
hladna oblikovljivost
žilavost pri niskim temperaturama
otpornost pri visokim temperaturama
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
2
Visoka cijena → legirni elementi i složena proizvodnja.
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).
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
3
Na očvrsnuće kristalima mješancima najjače djeluje Co (>16 %).
Na očvrsnuće precipitacijom djeluju:
– Cr uz otapanje u austenitnoj matrici i stvaranjem Cr23C6,
– Mo, Nb, Ta i V stvaranjem karbida
– Al i Ti stvaranjem intermetalnih spojeva: Ni3Al i Ni3Ti,
MEHANIČKA OTPORNOST PRI VISOKIM TEMPERATURAMA -
NAČINI OČVRSNUĆA "SUPERLEGURA"
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
4
Dijagram precipitacijskog očvršćivanja Ni-Cr-Ti-Al legure
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
5
Skupina Trgovačko ime1
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.
VRSTE LEGURA
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
6
LOPATICE TURBINA
GRIJAČI Ni-Cd BATERIJE KOVANICE
PRIMJERI
PRIMJENA
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
7
Ni-Ti stent
PRIMJENE Ni-Ti PAMETNIH LEGURA
Naprave za ravnanje zubi
Naprave za ugradnju
premosnica na srcu
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
13
Pripada lakim metalima niskog tališta.
U zemljinoj kori ima ga relativno puno - oko 7,5 %,
u obliku spojeva - oksida ili mješavine oksida Al2O3.
Industrijski se racionalno dobiva samo iz BOKSITA.
ALUMINIJ (Al) I NJEGOVE LEGURE
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
14
SHEMA DOBIVANJA ALUMINIJA
GLINICA Al-primarni
Izluživanje s NaOH Elektroliza
BOKSIT
Al2O3
13000...15000 kWh/t
metalurški i kalciniranje
natrijeva
aluminata
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
15
POVOLJNA SVOJSTVA
NISKA GUSTOĆA (oko 2700 kg/m3) → lake konstrukcije;
OTPORNOST NA ATMOSFERSKU KOROZIJU - prevlači se
tankim filmom (oko 0,01 μm) Al2O3 (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.
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
16
Nizak E (oko 3 puta niži nego u čelika) → veće elastične
deformacije, odnosno manja krutost;
Ograničena primjenjivost pri povišenim temp. (Tt oko 660 C) -
do 150...200 C;
Relativno loša zavarljivost - zbog stvaranja oksida treba
zavarivati u inertnoj atmosferi;
NEPOVOLJNA SVOJSTVA:
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
17
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
VRSTE TEHNIČKOG ČISTOG ALUMINIJA
VIŠI
STUPANJ ČISTOĆE
- kemijska i prehrambena industrija,
- kuhinjsko posuđe i metalni proizvodi široke potrošnje,
- građevinarstvo - krovovi, oluci i ukrasi,
- ambalaža, folije, tube i limenke,
- elektrotehnika.
PRIMJENA TEHNIČKOG ALUMINIJA
OBLICI IZRADE: šipke, profili, cijevi, žica, limovi, trake, folije.
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
18
a) Hladna deformacija - valjanje, vučenje
b) Legiranje
c) Toplinska obrada - precipitacijsko očvršćivanje
(samo neke legure)
POVIŠENJE MEHANIČKE OTPORNOSTI Al
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
19
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
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
20
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.
Prva primjena: I. svj. rat - nosiva konstrukcija Zeppelina
U II. svj, ratu za zrakoplove
DURAL ili DURALUMINIJ
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
21
Nema alotropskih modifikacija kao kod kaljenja čelika.
Očvrsnuće Al- legura temelji se na promjeni topivosti atoma
legirnih elemenata u α- mješancu Al.
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
22
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
23
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.
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
24
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
25
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 rmax
(maksimalna rastvorljivost u α-mješancu)
3. Druga faza (faze) β mora polazno biti neki intermetalni spoj -
CuAl2, Mg2Si, Al2CuMg, Al3Mg2, MgZn2...
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
30
potpuno sačuvana veza
(nestabilno)
kontinuirana
povezanost s osnovnom
-rešetkom
veza samo na nekim čvorovima
rešetke (metastabilno)
potpuno izdvojena faza i matica
(dvije različite rešetke)
precipitat ili stabilna faza
TIPOVI PRECIPITATA (FAZNIH GRANICA)
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
34
UTJECAJ TEMPERATURE I TRAJANJA DOZRIJEVANJA
NA VLAČNU ČVRSTOĆU
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
35
Al - Mn (do 1,5 %Mn) - npr. AlMn1
Al - Mg (do 5 %Mg) - npr. AlMg1, AlMg2,5, AlMg5
Al - Mg - Mn - npr. AlMg3Mn
VRSTE GNJEČENIH LEGURA I NJIHOVA SVOJSTVA
1. TOPLINSKI NEOČVRSTLJIVE - Rm = 200...300 N/mm2
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
36
Al-Mg-Si ili Al-Mg2Si Rm < 330 N/mm2 "Antikorodal"
Al - Cu - Mg (Si, Mn) Rm < 450 N/mm2 "Duraluminij“
Legure serije 2000
Prirodno i umjetno očvrstljive legure.
Dodatak Mg ubrzava dozrijevanje.
Slabija korozijska postojanost zbog Cu,
2. TOPLINSKI OČVRSTLJIVE - Rm do 600 N/mm2
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
37
Al - Zn - Mg (Cu ili Cr) Rm < 600 N/mm2
"Konstruktal"
Legure serije 7000
Opasnost od napetosne korozije.
Zrakoplovi
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
40
Mehanička otpornost
Livljivost Rezljivost Otpornost na koroziju
Tip legure
Predstavnik
mala srednja dobra vrlo dobra Al-Mg AlMg3, AlMg5
Al-Si-Mg AlSi10Mg AlSi7Mg1
Mg omogućuje toplinsko očvrsnuće
mala vrlo dobra slaba dobra Al-Si AlSi12
Al-Si-Cu AlSi5Cu1 AlSi6Cu2
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
LIJEVANE Al-LEGURE
Sadrže elemente koji tvore lako topive eutektikume što im daje dobra
svojstva livljivosti.
Mehanička svojstva su slabija nego kod gnječenih legura.
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
41
“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.
Al - Si
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
42
Cijepljenje – dodavanje taljevini male količine natrija u obliku soli
- usitnjavanje grube eutektičke strukture – povišenje čvrstoće i istezljivosti
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
43
TIPIČNI PRIMJERI PROIZVODA OD ALUMINIJA I AL-LEGURA
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
44
BLOK MOTORA
BMW V12 JAGUAR V8 VW V8
NOSIVI OKVIR - SPACE FRAME
HONDA, AUDI6...
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
45
Nosivi okvir bicikla
Radijatori
BICIKLI
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
46
mala toplinska rastezljivost
POVOLJNA SVOJSTVA
TITAN (Ti) I NJEGOVE LEGURE
polimorfan metal: od 20 do 885 ºC HCP -titan;
>885 do tališta 1670 ºC BCC -titan;
relativno niska gustoća (4500 kg/m3)
relativno visok E (110 000 N/mm2)
povoljna specifična čvrstoća (od -200 do + 550 ºC)
značajna otpornost na umor i na puzanje
visoko postojan u različitim agresivnim medijima
(Cl- morska voda, kiseline) - stvara se oksidni sloj;
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
47
relativno visoka cijena.
velik afinitet prema O2, C, N2 i H2, naročito iznad 950 ºC;
teško obradljiv odvajanjem čestica jer je žilav, opasnost od
zapaljenja strugotine;
ograničena sposobnost hladnog oblikovanja (HCP); bolje
toplo oblikovljiv;
teže zavarljiv (u zaštitnoj atmosferi);
NEPOVOLJNA SVOJSTVA
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
48
Titanove legure
Prema mikrostrukturi: -, - i ( + )-legure
- glavni stabilizatori -faze: C, O, N, Al, Sn
- stabilizatori -faze: Cr, Ni, Mn, Mo, Fe, Ta
-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.
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
49
- povišenje čvrstoće toplinskom obradom.
- osjetljiv postupak - pojava krhkosti (metastabilna -faza).
+ legure
1 - rastvorno žarenje
2 - gašenje
3 – popuštanje
4 – hlađenje (zrak ili voda)
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
50
Legure se rastvorno žare u blizini temperature prekristalizacije
/ (velik udio ).
Gašenje legure sastava < Ck :
→ ' martenzitnom pretvorbom.
'-faza je kristal mješanac istog sastava kao -faza.
Gašenje legure sastava >Ck :
tvrda i krhka -faza (neočekivano).
U tom području sastava dolazi do stvaranja metastabilne
prelazne -faze.
-faza submikroskopski se mijenja pri čemu nastaje -faza.
-faza može nastati pri gašenju ili pri naknadnom popuštanju.
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
51
Važno:
ne rastvorno žariti u -polju radi opasnosti od
pogrubljenja zrna,
ne popuštati ispod 425 oC radi izbjegavanja krhke -faze.
Najvažnija legura: TiAl6V4
50 % proizvodnje svih Ti-legura
- visoka čvrstoća pri povišenim temperaturama
- povišena otpornost na puzanje
- dobra zavarljivost
- oblikovljiva deformiranjem
- dobra istezljivost
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
52
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).
-legure
TiV13Cr11Al3 - najčešća legura;
OČVRSTLJIVE HLADNOM DEFORMACIJOM I
TOPLINSKOM OBRADOM
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
53
Vrsta legure Struktura Toplinska obrada Rp0,2,
N/mm2
Rm,
N/mm2
A5,
%
TiAl5Sn2,5 (HCP) rekristalizacijski žareno
790 oC/zrak
850 950 14
TiAl6V4
+
rekristalizacijski žareno
750 oC/zrak
890 970 13
rastvorno žar. 930 oC/
voda + 540 oC/zrak
1080 1180 11
TiV13Cr11Al3
(BCC)
rekrist. žareno 790 oC
/zrak
900 950 14
rastvor. žareno 790 oC
/voda +480oC /17h/zrak
1220 1290 7
rastvor. žareno 790 oC/
zrak + hlad. oblik. + 440 oC/ 24h/zrak
1700 1820 4
MEHANIČKA SVOJSTVA NEKIH VRSTA Ti LEGURA
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
54
PRIMJERI PRIMJENE
ISPUŠNI SUSTAV
Jaguar
AUTOMOBILI
ZRAKOPLOVSTVO
Precizni odljevak
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
55
IMPLANTATI Proteza umjetnog kuka
Umjetno srce Proteza
Vijci
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
56
Glava palice za golf
Kućište fotoaparata
Okviri očala
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
57
POVOLJNA SVOJSTVA:
Mala masa ( = 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;
MAGNEZIJ (Mg) I NJEGOVE LEGURE
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
58
Velika kemijska reaktivnost (mogućnost samozapaljenja pri
lijevanju i obradi)
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 oC
Nizak modul elastičnosti: 45000 N/mm2 i niska čvrstoća
Gornja temp. granica uporabe je 300...350 C
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
59
Glavni legirni elementi: Al, Zn, Mn, Th, Zr i Ce.
1. Mg-Al, Mg-Zn ili Mg-Al-Zn,
2. Mg-Zr + Zn, Th, ili Ce.
Vrste legura
Kompoziti s metalnom matricom - Mg matrica + čestice SiC
ili Al2O3 ili uz dodatak ugljičnih vlakana (lijevanje).
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
60
PRIMJENE: PILOTSKO SJEDALO - LAGANO, PRIGUŠUJE VIBRACIJE
SJEDALO U F1 i U OSTALIM VOZILlMA
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
61
Poklopac spremnika za gorivo
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
62
Tlačni odljevak za borbeni zrakoplov
Automobilska vrata
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
63
Tankostijeni dijelovi
oblikovani istiskivanjem
u poluskrućenom stanju
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
64
Lijevana greda u jednom komadu od Mg za automobil
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
65
Lijevano kućište
prenosnika Forda sa
pogonom na sva četiri
kotača. od Mg-legure
AZ91 s malim udjelom
dodataka Fe, Cu i Ni
ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II
66
KUĆIŠTE PILE - lagano, prigušuje vibracije