nikal (ni) i njegove legure - fsb.unizg.hr · pdf filezavod za materijale materijali ii 1...

ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II

1

NIKAL (Ni) I NJEGOVE LEGURE

FCC rešetka

hladna oblikovljivost

žilavost pri niskim temperaturama

otpornost pri visokim temperaturama


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).


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"


4

Dijagram precipitacijskog očvršćivanja Ni-Cr-Ti-Al legure


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


6

LOPATICE TURBINA

GRIJAČI Ni-Cd BATERIJE KOVANICE

PRIMJERI

PRIMJENA


7

Ni-Ti stent

PRIMJENE Ni-Ti PAMETNIH LEGURA

Naprave za ravnanje zubi

Naprave za ugradnju

premosnica na srcu


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


14

SHEMA DOBIVANJA ALUMINIJA

GLINICA Al-primarni

Izluživanje s NaOH Elektroliza

BOKSIT

Al2O3

13000...15000 kWh/t

metalurški i kalciniranje

natrijeva

aluminata


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.


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:


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.


18

a) Hladna deformacija - valjanje, vučenje

b) Legiranje

c) Toplinska obrada - precipitacijsko očvršćivanje

(samo neke legure)

POVIŠENJE MEHANIČKE OTPORNOSTI Al


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


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


21

Nema alotropskih modifikacija kao kod kaljenja čelika.

Očvrsnuće Al- legura temelji se na promjeni topivosti atoma

legirnih elemenata u α- mješancu Al.


22


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.


24


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...


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)


34

UTJECAJ TEMPERATURE I TRAJANJA DOZRIJEVANJA

NA VLAČNU ČVRSTOĆU


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


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


37

Al - Zn - Mg (Cu ili Cr) Rm < 600 N/mm2

"Konstruktal"

Legure serije 7000

Opasnost od napetosne korozije.

Zrakoplovi


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.


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


42

Cijepljenje – dodavanje taljevini male količine natrija u obliku soli

- usitnjavanje grube eutektičke strukture – povišenje čvrstoće i istezljivosti


43

TIPIČNI PRIMJERI PROIZVODA OD ALUMINIJA I AL-LEGURA


44

BLOK MOTORA

BMW V12 JAGUAR V8 VW V8

NOSIVI OKVIR - SPACE FRAME

HONDA, AUDI6...


45

Nosivi okvir bicikla

Radijatori

BICIKLI


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;


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


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.


49

- povišenje čvrstoće toplinskom obradom.

- osjetljiv postupak - pojava krhkosti (metastabilna -faza).

+ legure

1 - rastvorno žarenje

2 - gašenje

3 – popuštanje

4 – hlađenje (zrak ili voda)


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.


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


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


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


54

PRIMJERI PRIMJENE

ISPUŠNI SUSTAV

Jaguar

AUTOMOBILI

ZRAKOPLOVSTVO

Precizni odljevak


55

IMPLANTATI Proteza umjetnog kuka

Umjetno srce Proteza

Vijci


56

Glava palice za golf

Kućište fotoaparata

Okviri očala


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


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


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).


60

PRIMJENE: PILOTSKO SJEDALO - LAGANO, PRIGUŠUJE VIBRACIJE

SJEDALO U F1 i U OSTALIM VOZILlMA


61

Poklopac spremnika za gorivo


62

Tlačni odljevak za borbeni zrakoplov

Automobilska vrata


63

Tankostijeni dijelovi

oblikovani istiskivanjem

u poluskrućenom stanju


64

Lijevana greda u jednom komadu od Mg za automobil


65

Lijevano kućište

prenosnika Forda sa

pogonom na sva četiri

kotača. od Mg-legure

AZ91 s malim udjelom

dodataka Fe, Cu i Ni


66

KUĆIŠTE PILE - lagano, prigušuje vibracije

nikal (ni) i njegove legure - fsb.unizg.hr · pdf filezavod za materijale materijali ii 1...

Documents