Transcript Az anyagtechnológiák általános áttekintése

Budapesti Műszaki és
Gazdaságtudományi Egyetem Szent István Egyetem Óbudai Egyetem
Typotex Kiadó
TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
Anyagtechnológiák
1. Az anyagtechnológiák általános
áttekintése
Szerző: Borossay Béla ([email protected])
Anyagtechnológiák – 1. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
1
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?”
Például a nyersvasgyártás:
Előkészített ércből folyékony
nyersvasat…
Acél- illetve öntvénygyártás
céljára…
A „Hogyan kell csinálni?”
kérdésre adott válasz maga a
technológia.
Az anyagtechnológia az
alapanyagok előállításával és
feldolgozásával foglalkozó
tudományág.
Anyagtechnológiák – 1. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
2
A kőkorszaktól a „polimer korszakig”
BIOANYAGOK
növényi termés
váz
állati
kültakaró
természetes
szerves
POLIMEREK
természetes alapú hőre lágyuló
elasztomer
mesterséges alapú hőre keményedő
KOMPOZITOK
mesterséges
bevonat, szemcsés,
szálas, réteges
FÉMEK
KERÁMIÁK
kristályos
amorf
nem oxidos egyatomos
vegyület
vasötvözetek
oxidos
szervetlen
acélok
öntöttvasak
nem vasfémek könnyűfémek
egyéb fémek
Anyagtechnológiák – 1. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
3
A kerámiák
Műszaki
kerámiák
Közepes, ill. nagy szilárdság
és hőállóság, jó korrózióállóság
Nagy ridegség, kis
alakíthatóság, rossz hő- és
villamos-vezetőképesség
Az alapanyag előállítása
általában a formaadással
együtt történik
Karbon szálak
A kerámiák a kőkorszaktól a
nanotechnológiák koráig elkísértek
bennünket
Üveg megmunkálása
Anyagtechnológiák – 1. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
4
Miért a fémek?
Jól alakíthatók, jó elektromosés hővezetők
Szilárdságuk és szívósságuk
széles tartományban
változtatható
Érceikből állíthatók elő, de
újra feldolgozhatók, nem
terhelik a környezetet
Jégtörésre alkalmas 16000 tonnás tankhajó
A fémek 50 000 éve
szolgálják az embert
Vasércbánya távlati képe
Kirunában (Svédország)
(Forrás:LKAB prospektus)
Anyagtechnológiák – 1. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
5
Az acéltermelés alakulása évente
Anyagtechnológiák – 1. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
6
A világ legnagyobb acéltermelői
Az európai sorrend:
Oroszország, Ukrajna
1. Kína
2. India (2010)
3. Brazília
Anyagtechnológiák – 1. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
7
Az alumínium termelés alakulása
Az alumínium tömeges előállítása
csak azután vált lehetségessé,
amikor már megfelelő mennyiségű
villamos energia állt rendelkezésre.
Anyagtechnológiák – 1. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
8
Hol gyártják a legtöbb alumíniumot?
Európában Norvégia vezet, de
valamennyi fejlett ország jelentős
alumíniumiparral rendelkezik.
1. Kína
2. Oroszország
3. Kanada
Anyagtechnológiák – 1. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
9
A réztermelés éves alakulása
A réztermelés az
elektronika
fejlődésével kapott
új lendületet
Anyagtechnológiák – 1. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
10
Hol állítják elő a legtöbb rezet?
Európában Oroszországban és
Lengyelországban állítanak elő
jelentős mennyiséget
1. Chile
2. Peru
3. USA
Anyagtechnológiák – 1. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
11
Ha 1 évi termelés 1 m magasan állna…
Anyagtechnológiák – 1. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
12
A fémek újra feldolgozhatók
Érc
Metallurgia
Megszilárdítás
Alakítás
Válogatás,
osztályozás
Használat
Összegyűjtés
Hulladék
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%.
Ezzel a nagyon előnyös tulajdonsággal sem a
kerámiák, sem a polimerek nem rendelkeznek.
Anyagtechnológiák – 1. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
13
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
Anyagtechnológiák – 1. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
14
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. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
15
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.
Anyagtechnológiák – 1. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
16
A műanyagok életútja
kőolaj
energia
monomerek
elégetés
polimerek
Polimer
tartalmú
hulladék
használat
Hulladéklerakó
kőolaj
200 millió év
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.
Anyagtechnológiák – 1. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
17
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
Szálas erősítés
Anyagtechnológiák – 1. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
18
A technológiák felosztása
1. ALAPANYAGGYÁRTÓ TECHNOLÓGIÁK
Elsődleges
MEZŐGAZDASÁGI
IPARI
termelő
tenyésztő
bányászati
kitermelő
Másodlagos
malomipar: búza > liszt
textilipar: gyapjú > fonal, stb…
kerámiaipar: agyag > tégla
homok > üveg
petrolkémia: olaj > benzin
olaj > polimerek
alapanyagai
kohászat:
érc > fémötvözet
FELDOLGOZÓ
TECHNOLÓGIÁK
Anyagtechnológiák – 1. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
19
A technológiák felosztása
2. FELDOLGOZÓ TECHNOLÓGIÁK
Kerámiák – az alapanyag előállításával együtt
történik a formaadás
Polimerek – a formaadás közben történik a
polimerizáció, poliaddició vagy polikondenzáció
Kompozit anyagok – az egyes komponensek
előállítása a saját anyagcsoportjukra jellemző
technológiával történik
Fémes anyagok – több lépésben, egymásra
épülő technológiákkal történik az alakadás
Fémes anyagok alakadó
technológiái
Anyagtechnológiák – 1. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
20
A technológiák felosztása
Fémes anyagok alakadó technológiái
Elsődleges alakadó technológiák
Az olvadt állapotban előállított ötvözet
megszilárdítása
Álötvözetek készítése (porkohászati
technológiák)
Másodlagos alakadó technológiák
Szilárd állapotban alakadás általános
célra:
Rúd, lemez, profil, cső gyártása
Harmadlagos alakadó technológiák
Szilárd állapotban alakadás speciális
célra:
Konkrét alkatrész, vagy előgyártmány
készítése
Kohászati
technológiák
Gépipari
technológiák
Anyagtechnológiák – 1. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
21
A technológiák felosztása
Fémes anyagok elsődleges alakadó technológiái
Miből?
Mit?
Milyen célra?
Tuskóöntés,
tömböntés
Olvadt
ötvözetből
Tuskót, tömböt
Hengerlés,
kovácsolás,
újra olvasztás
Folyamatos öntés
Olvadt
ötvözetből
Pászmát,
brammát
Hengerlés
Alakos öntvény
készítése
Olvadt
ötvözetből
Alakos tárgyakat
Kész alkatrészek,
dísztárgyak
Portechnológiák
Fémporokból
Alakos tárgyakat, Kész alakatrészek
extra minőségű
Hengerlés
tuskót
Anyagtechnológiák – 1. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
22
A technológiák felosztása
Fémes anyagok másodlagos alakadó technológiái
Miből?
Mit?
Milyen célra?
Meleg
hengerlés
Tuskóból, pászmából
Szélestermékeket
hosszúterméket, profilokat
Hideghengerlés, rúd-,
huzal-, csőgyártás
Hideg hengerlés
Melegen hengerelt
szélestermékből
Szalagokat, lemezeket,
fóliákat
Húzás
Melegen hengerelt
hosszútermékből
Rudakat, huzalokat
Kisajtolás
Tuskóból, melegen
hengerelt rudból
Profilokat, csöveket
Csőgyártás
Hengerelt termékből
Csöveket (varrat-nélküli,
hossz- vagy spirálvarratos)
Kovácsolás
Tuskóból, melegen
hengerelt
hosszútermékből
Alkatrész előgyártmányokat
Általános célú további
fel-használásra
Speciális célú további
felhasználásra
Anyagtechnológiák – 1. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
23
A technológiák felosztása
Fémes anyagok harmadlagos alakadó technológiái
Forgácsoló és
képlékenyalakító
eljárások, leválasztóés kötéstechnológiák
Miből?
Mit?
Milyen célra?
Másodlagos
alakadó
technológiai
termékből
Kész alkatrész,
vagy annak
közvetlen
előgyártmányát
Konkrét
felhasználási
célra
A konkrét alkatrésznek meg kell felelnie a
funkciójának, és gazdaságosan gyárthatónak kell
lennie.
Fémes anyagok szerkezetváltoztató
technológiái
Anyagtechnológiák – 1. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
24
A technológiák felosztása
Fémes anyagok szerkezetváltoztató technológiái
Termikus,
termokémiai
kezelések,
felületi
technológiák
Miből?
Mit?
Milyen célra?
Előnytelen szerkezete
miatt funkciójának
meg nem felelő
alkatrészből, vagy
további technológiára
nem alkalmas
féltermékből
Funkció megfelelő
alkatrészt, vagy
további
technológiára
alkalmas
félterméket
Konkrét
felhasználási
célra
Anyagtechnológiák – 1. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
25
Technológia <-> anyagtulajdonságok
Anyag (tulajdonság)
Kémiai összetétel
Szerkezet
Feszültségállapot
Az alkatrészhez a megfelelő
anyagot az alkatrésszel
szemben támasztott
TECHNOLÓGIA
követelmények, és az anyag
tulajdonságait összevetve
választjuk ki.
A technológia alkalmazása
során az anyag tulajdonságai
akkor is változhatnak, ha a
technológiának nem ez volt a
célja!
Alkatrész (elvárások)
Feleljen meg a funkciójának
Érje meg adott valószínűséggel a
tervezett élettartamát
Legyen gazdaságosan gyártható
Anyagtechnológiák – 1. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
26
Technológia <-> anyagtulajdonságok
Acélok melegalakítása
során szerkezetük
megváltozik, ezért
tulajdonságaik is
változnak.
Az alkatrész
tulajdonságait alapvetően
az alakítás befejező
hőmérséklete, és a
lehűlés sebessége
határozza meg. Ezen
kívül hatással lesz a
tulajdonságokra a darab
mérete, az alakváltozás
mértéke, és annak térbeli
eloszlása is.
Anyagtechnológiák – 1. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
27
Technológia <-> anyagtulajdonságok
A fémek hidegalakítás
hatására az alakítás
mértékének megfelelően
monoton függvény szerint
növelik a szilárdságukat,
keményednek.
Ezt tekinthetjük hasznos
hatásnak (nagyobb
szilárdságú anyagot/alkatrészt
akarunk gyártani), de lehet
előnytelen is, hiszen azt
jelentheti, hogy egy bizonyos
mértékű alakváltozásánál
nagyobbat nem tudunk
létrehozni.
Anyagtechnológiák – 1. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
28
Technológia <-> anyagtulajdonságok
A forgácsolás során (például
nagyoló esztergálás) is
változnak a tulajdonságok.
A forgács leválási helyén
nagymértékű hidegalakítást
szenved az anyag.
Ez természetesen kis
térfogatban megy végbe, de
bizonyos esetekben
befolyásolja a további
technológiákat, de akár a kész
alkatrész minőségére is
hatással lehet.
Anyagtechnológiák – 1. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
29
Technológia <-> anyagtulajdonságok
A hegesztő eljárások során
helyi olvadás történik, egyúttal
az olvadt zóna melletti
anyagrészek is felhevülnek.
A dermedési folyamat, és a
különböző hőmérsékletű részek
különböző sebességű lehűlése
következtében rendkívül
változatos szerkezetek
alakulnak ki a fémekben a
hőhatásövezetben.
A hegesztési technológiák
helyes tervezésének előfeltétele
az anyagok viselkedésének
pontos ismerete.
Anyagtechnológiák – 1. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
30
Gondoljuk át még egyszer…
1. Melyek az egyes anyagcsoportok előnyös és hátrányos
tulajdonságai?
2. Mivel foglalkozik az anyagtechnológia tudományág?
3. Miben különbözik alapvetően a fémek és a többi anyag
feldolgozásának technológiája?
4. Melyik anyagcsoportnál tudjuk a technológiákkal a
legváltozatosabbá tenni a késztermék tulajdonságait?
Anyagtechnológiák – 1. Az anyagtechnológiák általános áttekintése - TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
31