Anyagtudomány Például a nyersvasgyártás:

Az előadások a következő témára: "Anyagtudomány Például a nyersvasgyártás:"— Előadás másolata:

1 Anyagtudomány Például a nyersvasgyártás: Előkészített ércből folyékony nyersvasat… Acél- illetve öntvénygyártás céljára… Az anyagok tulajdonságai a szerkezetükkel vannak szoros összefüggésben. Ugyanabból az anyagból a szerkezet megváltozásával más tulajdonságú anyag keletkezik. Az anyagtulajdonságok és az anyagszerkezet megismerésére egységes rendszer alkalmazása szükséges. Az anyag szerkezetének tudatos kialakításával széles határok között változó tulajdonságú anyagok hozhatók létre. A technológia a mérnöki tudomány eredményeire támaszkodó, azt megtestesítő ismeret vagy szaktudás. Ha technológiát említünk, mindig határoljuk be, hogy miből mit gyártunk, milyen célra? Az anyagtechnológiák többsége nem valamilyen közvetlen fogyasztási cikket állít elő, hanem egy-egy lépést tesz annak érdekében, hogy egy bonyolult termék megszülethessen. Minden technológia műveletek szigorú sorrendje, és a technológiák maguk is valamilyen sorrendbe állíthatók. Egymásra épülnek, egyik technológia „készterméke” egy következő technológia „félterméke, előgyártmánya”. A tantárgy során a hallgatók olyan eljárásokat ismernek meg – esetleg különböző szemléletű szerzők által készített ismeretanyagokból –, melyeket a végén rendszerbe kell tudni foglalniuk, át kell látniuk, melyik mire való, hogyan épülnek egymásra. Fontos, hogy ha egy technológiát definiálunk, mondjuk meg, miből indulunk ki, és mikor tekintjük befejezettnek. Az ábra a nyersvasgyártás csapolását mutatja. A nyersvasgyártás során dúsított ércből folyékony nyersvasat gyártanak, melyet túlnyomórészt acélgyártásra fognak használni. A mester nem is gondolta, hogy nem csak az anyag alakját, hanem a szerkezetét is változtatja, ami hatással lesz a terméke tulajdonságaira Anyagtechnológiák – 1. Anyagok és technológiák - TÁMOP /A/KMR-0029 1 1

2 Technológia (τεχνολογια)
A technológia görög szó, jelentése mesterségtan. Műveletek sorrendjét jelenti, melyek hatására valamilyen előre eltervezett eredmény születik. A technológiák jellemzésénél mindig feltehető a kérdés: „Miből, mit gyárt, milyen célra?” A „Hogyan kell csinálni?” kérdésre adott válasz maga a technológia. Az anyagtechnológia az alapanyagok előállításával és feldolgozásával foglalkozó tudományág. Például a nyersvasgyártás: Előkészített ércből folyékony nyersvasat… Acél- illetve öntvénygyártás céljára… A technológia a mérnöki tudomány eredményeire támaszkodó, azt megtestesítő ismeret vagy szaktudás. Ha technológiát említünk, mindig határoljuk be, hogy miből mit gyártunk, milyen célra? Az anyagtechnológiák többsége nem valamilyen közvetlen fogyasztási cikket állít elő, hanem egy-egy lépést tesz annak érdekében, hogy egy bonyolult termék megszülethessen. Minden technológia műveletek szigorú sorrendje, és a technológiák maguk is valamilyen sorrendbe állíthatók. Egymásra épülnek, egyik technológia „készterméke” egy következő technológia „félterméke, előgyártmánya”. A tantárgy során a hallgatók olyan eljárásokat ismernek meg – esetleg különböző szemléletű szerzők által készített ismeretanyagokból –, melyeket a végén rendszerbe kell tudni foglalniuk, át kell látniuk, melyik mire való, hogyan épülnek egymásra. Fontos, hogy ha egy technológiát definiálunk, mondjuk meg, miből indulunk ki, és mikor tekintjük befejezettnek. Az ábra a nyersvasgyártás csapolását mutatja. A nyersvasgyártás során dúsított ércből folyékony nyersvasat gyártanak, melyet túlnyomórészt acélgyártásra fognak használni. Anyagtechnológiák – 1. Anyagok és technológiák - TÁMOP /A/KMR-0029 2 2

3 A kőkorszaktól a „polimer korszakig”
BIOANYAGOK növényi termés váz állati kültakaró szerves MŰANYAGOK természetes alapú hőre lágyuló elasztomer mesterséges alapú hőre keményedő természetes mesterséges KOMPOZITOK bevonat, szemcsés, szálas, réteges FÉMEK vasötvözetek acélok öntöttvasak nem vasfémek könnyűfémek egyéb fémek KERÁMIÁK oxidos kristályos amorf nem oxidos egyatomos vegyület Az egyes társadalmak fejlettsége nagymértékben az általuk használt anyagoktól, az alkalmazott technológiáktól, pontosabban az ismert anyagokból a rendelkezésre álló technológiákkal előállított szerszámoktól, használati tárgyaktól függött és függ ma is. Egy lehetséges felosztást szemléltet az ábra, abban a sorrendben jelennek meg az anyagcsoportok, ahogy az ember megismerte őket. Az anyagtechnológiák kapcsán azokkal a szilárd anyagokkal foglalkozunk, amelyek használati tárgyaink, eszközeink, szerszámaink, háztartási, illetve ipari berendezéseink, járműveink, épületeink és építményeink készítésére alkalmasak lehetnek. Ezen ún. szerkezeti (és szerszám-) anyagok különböző mechanikai, termikus, elektromos, mágneses, optikai és akusztikai, egyszóval fizikai tulajdonságai fontosak, azok teszik célszerű felhasználásra alkalmassá őket. Ezért a többi halmazállapot (cseppfolyós, légnemű, plazma) számunkra annyira érdekes, amennyire azok hozzájárulnak a szilárd fizikai anyagok, ill. a belőlük létrehozandó félgyártmányok (félkész vagy részben megmunkált termékek) és késztermékek előállításához. szervetlen Anyagtechnológiák – 1. Anyagok és technológiák - TÁMOP /A/KMR-0029 3 3

4 A kerámiák Műszaki kerámiák Közepes, ill. nagy szilárdság és hőállóság, jó korrózióállóság Nagy ridegség, kis alakíthatóság, rossz vezetőképesség Az alapanyag előállítása általában a formaadással együtt történik A kerámiák a kőkorszaktól a nanotechnológiák koráig elkísértek bennünket Karbon szálak A kerámiák nem tekinthetők egységes anyagcsoportnak. Mai felfogás szerint minden anyag kerámia, ami nem fém és nem szerves. A kerámiák tulajdonságai főképpen a fémektől és a szerves anyagoktól való különbözőségük szerint lehet meghatározni: A fémekkel ellentétben a villamos vezetőképességük nő a hőmérséklet függvényében. A szerves anyagok diszkrét molekulákból állnak (bár polimereknél ezek óriásiak), ezzel szemben a kerámiákban nincsenek diszkrét molekulák. Az egy vagy több atomfajtából álló kerámiák kovalens vagy ionos, illetve kovalens-ionos kötésekkel kapcsolódva töltik ki a teret. Szerkezetük kristályos vagy amorf, illetve vegyes (kristályos és amorf). Szerkezeti- és szerszámanyagként annál előnyösebben használhatók, minél nagyobb a kovalens kötések aránya az ionoshoz képest és minél tisztább, hibamentesebb a szerkezetük. Kerámiák esetén a gyártó és feldolgozó technológiák legtöbb esetben nem választhatók szét. A primer formaadás és a gyártás általában egybeesik, pl. tégla sajtolás és égetés, illetve "porkohászati" kerámiagyártás. Szekunder formaadás pedig csak az üvegnél lehetséges. Az üveg lemezekből, rudakból és csövekből dolgozó „üvegtechnikusi” munka révén. Ezért a kerámiák alapanyag gyártását és feldolgozási technológiáit összevonva célszerű tárgyalni. Üveg megmunkálása Anyagtechnológiák – 1. Anyagok és technológiák - TÁMOP /A/KMR-0029 4 4

5 Miért a fémek? Jól alakíthatók, jó elektromos- és hővezetők
Szilárdságuk és szívósságuk széles tartományban változtatható Érceikből állíthatók elő, de újra feldolgozhatók, nem terhelik a környezetet Jégtörésre alkalmas tonnás tankhajó A fémek éve szolgálják az embert A fémek – és a belőlük készített ötvözetek – különleges viselkedését alapvetően két tulajdonság teszi lehetővé: a képlékeny alakíthatóság és a jó elektromos vezetőképesség. Előállításuk érceikből történik, a nyers fém előállítása a feldolgozó technológiáktól élesen különválik. A fémek metallurgiai eljárással újra feldolgozhatók, tömeges használatuk nem jelent terhelést a környezet számára. A természetben előforduló 92 elem közül 69 fémes természetű. Fizikai és mechanikai tulajdonságaik nagymértékben eltérnek egymástól, így felhasználási területük is igen jelentősen különbözik. A szerkezeti és szerszámanyagok alapfémeként igen nagy mennyiségben a vasat, rezet, alumíniumot, kisebb mennyiségben a titánt, nikkelt, kobaltot újabban a magnéziumot használjuk. Magas hőmérsékleten működő berendezésekben színfémként a molibdént, tantált, wolframot és réniumot alkalmazzuk. A nemesfémekből (arany, ezüst, platina) ékszerek, dísztárgyak, pénzek készülnek. A cinket, az ónt és a kadmiumot acélból készített tárgyak bevonására, korrózió elleni védelmére használjuk. Iridiumból pl. a Párizsban őrzött méter etalon készült. A többi fémet többnyire az alapfémek ötvözőjeként alkalmazzuk. Vasércbánya távlati képe Kirunában (Svédország) (Forrás:LKAB prospektus) Anyagtechnológiák – 1. Anyagok és technológiák - TÁMOP /A/KMR-0029 5 5

6 Az acéltermelés alakulása
Anyagtechnológiák – 1. Anyagok és technológiák - TÁMOP /A/KMR-0029 6 6

7 A világ legnagyobb acéltermelői
Az európai sorrend: Oroszország, Ukrajna, Svédország Kína India (2010) Brazília Anyagtechnológiák – 1. Anyagok és technológiák - TÁMOP /A/KMR-0029 7 7

8 Az alumínium termelés alakulása
Az alumínium tömeges előállítása csak azután vált lehetségessé, amikor már megfelelő mennyiségű villamos energia állt rendelkezésre. Anyagtechnológiák – 1. Anyagok és technológiák - TÁMOP /A/KMR-0029 8 8

9 Hol gyártják a legtöbb alumíniumot?
Európában Norvégia vezet, de valamennyi fejlett ország jelentős alumínium iparral rendelkezik. Kína Oroszország Kanada Anyagtechnológiák – 1. Anyagok és technológiák - TÁMOP /A/KMR-0029 9 9

10 A réztermelés alakulása
A réztermelés az elektronika fejlődésével kapott új lendületet Anyagtechnológiák – 1. Anyagok és technológiák - TÁMOP /A/KMR-0029 10 10

11 Hol állítják elő a legtöbb rezet?
Európában Oroszországban és Lengyelországban állítanak elő jelentős mennyiséget Chile Peru USA Anyagtechnológiák – 1. Anyagok és technológiák - TÁMOP /A/KMR-0029 11 11

12 Ha 1 évi termelés 1 m magasan állna…
Anyagtechnológiák – 1. Anyagok és technológiák - TÁMOP /A/KMR-0029 12 12

13 A fémek újra feldolgozhatók
A fémek teljes mértékben újra feldolgozhatók, így a környezetre a hulladékuk is veszélytelen. Az újra feldolgozott fém tulajdonságai teljesen azonosak az eredeti, ércből nyert fém tulajdonságaival. A leggyakrabban használt fémek esetén a metallurgiai folyamatba visszavezetett hányad korunkban 30-50%. Érc Metallurgia Megszilárdítás Alakítás Válogatás, osztályozás Használat A fémeknek és az ötvözeteknek egy, a felhasználásuk szempontjából nagyon fontos tulajdonsága, hogy korlátlanul újrahasznosíthatók. Az ércből metallurgiai folyamatok útján a legtöbb esetben fémolvadékot állítunk elő, melyet különböző technológiákkal (formaöntés, folyamatos öntés stb.) megszilárdítunk. A szilárd fémet meleg és/vagy hideg képlékeny alakítással különböző alakra (lemez, cső, rúd stb.) hozzuk, majd a legkülönbözőbb célra (gépalkatrészek, autó alváz, vízvezeték stb.) felhasználjuk. Az eszközeink rövidebb-hosszabb idő alatt tönkremennek, hulladékká válnak. A hulladék fémet több-kevesebb sikerrel összegyűjtjük, válogatjuk, tisztítjuk, majd metallurgiai módszerekkel újra olvadékot állítunk elő, és kezdődik a ciklus elölről. Az újra felhasznált fém tulajdonságai, megfelelő technológiák alkalmazása esetén tökéletesen azonosak az eredeti, ércből készített fém tulajdonságaival. Az ilyen mértékű újrahasznosítás kizárólag a fémek és belőlük készített ötvözetek tulajdonsága, sem a kerámiákat sem a műanyagokat nem lehet korlátlanul újrahasznosítani. Összegyűjtés Hulladék Ezzel a nagyon előnyös tulajdonsággal sem a kerámiák, sem a polimerek nem rendelkeznek. Anyagtechnológiák – 1. Anyagok és technológiák - TÁMOP /A/KMR-0029 13 13

14 1907-ben szabadalmaztatták az első mesterséges polimert
Polimerek Jó kémiai ellenállás, kis sűrűség, jó alakíthatóság Rossz hő- és elektromos vezetőképesség, alacsony alkalmazhatósági hőmérséklet Az alapanyag előállítása a formaadással együtt történik 1907-ben szabadalmaztatták az első mesterséges polimert A polimerek természetes vagy mesterséges eredetű óriási láncmolekulákból állnak. A láncot általában C-atomok alkotják, de a mesterséges polimerek között vannak Si-láncú szilikonok és S-láncú poliszulfidok is. A láncon belül erős kovalens kötések kapcsolják az atomokat, de a láncok között csak igen gyenge Van der Waals kötések érvényesülnek. Tulajdonságaikat igen változó szerkezetük szabja meg (szerkezetüket a láncméret, az elágazások, a hozzá kapcsolt gyökök, a láncok közötti kovalens kötéseket is létrehozó kötések, stb. alakítják ki). Általában jó kémiai ellenállás, kis szilárdság, kis olvadáspont, kis sűrűség, rossz hő- és villamos vezetőképesség a jellemző. A polimerek alapanyag gyártása, pl. polietilén granulátum, ill. nyersgumi előállítása ugyan külön technológia, de a tulajdonságokat meghatározó adalékokat a formaadó technológiák alkalmával adagolják, és ekkor alakul ki a meghatározó szerkezet is. Ezért polimerek esetén is együtt kell tárgyalni az alapanyag előállítást a feldolgozó technológiával. Anyagtechnológiák – 1. Anyagok és technológiák - TÁMOP /A/KMR-0029 14 14

15 A polimerek elterjedése
Napjainkban a leggyorsabban növekvő mennyiségben előállított anyagok. Az ábra a térfogatokat hasonlítja össze. Mivel a polimerek sűrűsége kb. egy nagyságrenddel kisebb mint az acélé, tömegben kifejezve ma is mintegy ötször annyi acélt gyártanak, mint polimert. Anyagtechnológiák – 1. Anyagok és technológiák - TÁMOP /A/KMR-0029 15 15

16 A világ kőolajtermelése
Millió hordó/nap 1 hordó=169 liter A kitermel kőolaj ötödrészéből lesz polimer, a többiből energiát termelnek. A föld kőolajkészlete kb. 50 évre elég. A Föld jelenleg ismert, a jelenlegi technológiákkal gazdaságosan kitermelhető kőolajkészletét mintegy Mt-ra becsülik. Évente a világ kőolaj-felhasználása 3500 Mt. Könnyen kiszámolható, hogy a jelenlegi gazdasági és technológiai körülményeket változatlannak tételezve fel, ez a kőolaj mennyiség szűk 50 esztendőre elegendő. Napjainkban a kitermelt mennyiség több mint 80 %-át energiatermelésre használják fűtőanyagként és jármű hajtóanyagként. A fennmaradó hányad legnagyobb részét, azaz több mint 200 millió tonnát polimer gyártásra fordítják. A diagramban a különböző színek a különböző olajegyesülések termelését jelölik. A mennyiségi adatok millió barrel/day-ben szerepelnek. Ha ezt átszámítjuk SI egységre, naponta 7 millió m3 olajat termelnek ki. Ha ez azon a kb. Budapestnyi területen „állna” amit megjelöltünk korábban az acélgyártás mennyiségi adatainak magyarázatánál, nagyjából egy hónap alatt érné el az 1 m-es magasságot. A fekete vonal az olaj árának változását mutatja, 2007-es dollár értékre normálva. Az adatok a világgazdasági válságig szerepelnek, azóta már újra magas az olaj ára. A diagram jól mutatja, mit jelent az, hogy „piaci ár”. Ha készletre hivatkozunk, valószínűsíthető, hogy a „polimer korszak” a jelenlegi alapanyag struktúrát figyelembe véve rövidebb lesz, mint a kőkorszak volt. A fejlődést az jelenti, hogy az ember új anyagokat talál fel, illetve új alapanyagokra lel. Anyagtechnológiák – 1. Anyagok és technológiák - TÁMOP /A/KMR-0029 16 16

17 Polimer tartalmú hulladék
A műanyagok életútja A polimerek csak részlegesen dolgozhatók fel újra, így hulladékuk többnyire csak elégetéssel hasznosítható. Újabban előírásokat vezetnek be, hogy országonként a termelt energia mekkora hányadának kell polimer elégetéséből származni. Az újra feldolgozás során polimerek kémiai bontása – monomerré alakítani, majd újra polimert létrehozni belőle – nem lehetséges. A polimerek természetes lebomlása nagyon lassú folyamat. energia kőolaj monomerek elégetés polimerek Polimer tartalmú hulladék használat A műanyag hulladék mennyiségét nehéz becsülni, de az előállított polimerek mennyiségének növekedésével egyre nagyobb mennyiségű műanyag hulladék is keletkezik. A legkézenfekvőbb és környezetvédelmi szempontból is legelőnyösebbnek tűnik a már egyszer előállított és felhasznált polimerek újrahasznosítása másodlagos alapanyagokként. A legegyszerűbb a polimer tartalmú hulladékok elégetése, vagyis energiatermelésre való alkalmazása. A polimerek égéshője gyakorlatilag megegyezik az olajéval, azaz ily módon fajlagosan több energiát lehet nyerni, mint a kőszén elégetésével. Ennek megfelelően napjainkban már jelentős energiatermelés folyik polimer hulladékok elégetésével a szemétégetőkben, kohókban. A másik újrahasznosítási lehetőség a polimer tartalmú hulladékok újrafeldolgozása különféle termékekké. Az elhasznált polimer alapú termékek polimerként történő újbóli feldolgozása újra műanyag termékeket eredményezhet. Ennek azonban két jelentős előfeltétele van: egyik, hogy a polimer tartalmú hulladékok újrahasznosítása szelektív hulladékgyűjtést igényel; másik, hogy az így kapott hulladékot válogatni kell polimer fajtánként. A polimerek újrahasznosítása csak úgy lehetséges, ha ugyanolyan szerkezetű terméket készítünk belőle, erre léteznek mechanikai, és részben termikus eljárások. A természetes lebomlásukat százmillió évekre becsülik. Hulladéklerakó kőolaj 200 millió év Anyagtechnológiák – 1. Anyagok és technológiák - TÁMOP /A/KMR-0029 17 17

18 Kompozit anyagok Több komponensből tudatosan felépített szerkezetű anyagok. Eredő tulajdonságaikkal egyik alkotóelemük sem rendelkezne önállóan Az előre gyártott komponensek „összedolgozásával”, a formaadással együtt történik az előállításuk. Szemcse szilárdítású kompozit Réteges szerkezet A kompozit anyag szerkezeti vagy szerszám anyag, kettő vagy több különböző kémiai összetételű és megjelenési formájú egymásban oldhatatlan mikro- vagy makroalkotórész keverékéből, vagy valamilyen rendező elv szerinti kombinációjából összeállítva olyan kedvező tulajdonságok előállítása érdekében, amilyenekkel egyedül egyik anyag sem rendelkezik. Általában egy bázis mátrix anyagot erősítenek szemcsés, rövidszálas, vagy hosszúszálas erősítő anyagokkal. Diszperzió szilárdítású kompozit: A szemcse-szilárdítású kompozit anyagok speciális csoportja, amelyben az igen finom (10 nm és 250 nm közötti átmérőjű) erősítő részecskék képesek megakadályozni a diszlokációk mozgását és kifejezett szilárdító hatásuk van. Valódi szemcsés kompozit: a lágyabb, képlékenyebb mátrixban, nagy mennyiségű, durva erősítő szemcséket tartalmazó anyag; a durva erősítő szemcsék nem akadályozzák hatékonyan a diszlokációk mozgását, a csúszást. Szál-erősítésű kompozit: nagyszilárdságú, merev, rideg szálaknak (rostoknak), lágyabb, képlékenyebb mátrixba történő beágyazással előállított anyag; a mátrix anyaga közvetíti az erőt a szálakhoz és biztosítja az alakíthatóságot és a szívósságot, míg a szálak a terhelés zömét viselik. Réteges kompozit: nagyon vékony bevonatokkal, vastagabb védőfelületekkel, borításokkal ellátott anyag, továbbá kettősfém (bimetall) és más réteges anyag. Kompozitok esetén csak a komponensek alapanyaggyártásáról lehet szó. Szálas erősítés Anyagtechnológiák – 1. Anyagok és technológiák - TÁMOP /A/KMR-0029 18 18

19 Adott valószínűséggel állapítható meg az igénybevétel függvényében.
Anyagminőség: (főcsoportok: fémek, polimerek, kerámiák, kompozitok) Megjelenési forma, kémiai összetétel, szerkezet. Igénybevétel: A berendezés alkatrészére ható, végül a tönkremeneteléhez vezető külső tényezők összessége. Élettartam: Adott valószínűséggel állapítható meg az igénybevétel függvényében.

20 Technológia <-> anyagtulajdonságok
Az alkatrészhez a megfelelő anyagot az alkatrésszel szemben támasztott követelmények, és az anyag tulajdonságait összevetve választjuk ki. Anyag (tulajdonság) Kémiai összetétel Szerkezet Feszültségállapot TECHNOLÓGIA Alkatrész (elvárások) Feleljen meg a funkciójának Érje meg adott valószínűséggel a tervezett élettartamát Legyen gazdaságosan gyártható A technológia alkalmazása során az anyag tulajdonságai akkor is változhatnak, ha a technológiának nem ez volt a célja! A szerkezeti anyagok tulajdonságait a kémiai összetételük, a szerkezetük, és a feszültségállapotuk határozza meg. Ezt a tényt nem csak a késztermékre vonatkozó igényeink megfogalmazása során kell figyelembe venni. A szerkezetbe épített alkatrészek, vagy a megmunkáló szerszámok anyagai „nem tudják”, hogy nekik valójában mi a feladatuk, a külső hatásokra – hőmérséklet, feszültségállapot, igénybevételi sebesség stb. – azonban kiszámítható választ adnak. A gépiparban alkalmazott technológiák – képlékeny alakítás, kötéstechnológiák, vágás, forgácsolás stb. – során az anyagokat különböző hatások érik. Ezek hatására általában nem csak a geometriai alakjuk változik meg (ami a legtöbb technológia során az elsődleges igénynek tűnhet), hanem a szerkezetük, a feszültségállapotuk, egyes esetekben a kémiai összetételük is. Ez azt jelenti, hogy a legegyszerűbb technológiák során is megváltoznak az anyag tulajdonságai. A késztermék akkor lesz megfelelő, ha a technológia hatására bekövetkező valamennyi anyagtulajdonság változást figyelembe veszünk Anyagtechnológiák – 1. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP /A/KMR-0029 20 20

21 Anyagcsoportok jelemzői
Technológia (alakítás, hőkezelés) Féltermék állapot Késztermék állapot C %, fő ötvözők C %, fő ötvözők Kémiai összetétel? Szerkezet? Feszültségállapot? Szövetszerkezet Szövetszerkezet Mechanikai tulajdonságok kéreg Mechanikai tulajdonságok Vizsgálatok eredmény sáv / min/max Vizsgálatok eredmény sáv / min/max mag Gyárthatóság - funkciómegfelelés - élettartam