Materjaliõpetus (1)

Põltsamaa Ametikool
Materjaliõpetus
A1
Andres Asson
Kaarlimõisa 2009
Sisukord
1.Metallid.............................................................................................................3
1.1 Metallide füüsilised omadused.......................................................................3
1.2 Metallide keemilised omadused.....................................................................3
1.3 Metallide tehnoloogilised omadused..............................................................3
2.Metallid..............................................................................................................4
2.1 Füüsikalised omadused...................................................................................4
2.2 Metallide keemilised omadused.....................................................................4
3. Metallide korrosioon ........................................................................................8
4. Plastid ...............................................................................................................9
1.Metallid
1.1 Metallide füüsilised omadused

• soojusjuhtivus
  
• tihedus
  
• sulavus
  
• värvus
  
• elektrijuhtivus
  
• magneetumus
  

1.2 Metallide keemilised omadused

• Korrosiooni kindlus –on metalli võime vastu panna niiskuse ja õhuhapniku .
  
• Happekindlus – metalli võime mitte laguneda hapetega kokkupuutes või leelisega.
  
• Kuumapüsivus – kõrgel temperatuuril võimalikult vähe oksüdeerida
  

1.3 Metallide tehnoloogilised omadused

• Omadused võimaldavad metallide – töötlemist mis iganes viisil
  
• Valatavus
  
• Sepistatavus
  
• Keevitatavus
  
• Lõigatavus
  

2.Metallid
2.1 Füüsikalised omadused
• Plastilised (üks plastilisemaid on kuld).
• Head valguse peegeldajad (kõige paremini hõbe, alumiinium ja induim).
• Head elektri- ja soojusjuhid (parimad Au, Ag, Cu, Al).
• Käega katsudes külmad.
• Sulamistemperatuurid on väga erinevad (Hg -39 oC, W 3422 oC).
• Värvuselt on enamik metalle hõbevalged, kuid neil võib olla oma iseloomulik helk (Cr – sinakas , Bi – punakas, Ni - kollakas ). Iseloomuliku värvusega on kuld – kollane, vask – punakas, tseesium – kollakas.
• Tihedused on väga erinevad. Enamik on veest raskemad välja arvatud leelismetallid liitium (Li) ja naatrium (Na).
• Kõvadus on metallidel väga erinev. Leelismetallid (naatrium, kaalium, liitium) on väga pehmed ( noaga lõigatavad). Kõige kõvem metall on kroom . Väga kõvad on ka paljude metallide sulamid .
2.2 Metallide keemilised omadused
1. Metallide reageerimine mittemetallidega
• Reageerimine mittemetallidega eriti aktiivsetega Cl2 ja teiste halogeenidega). Reageerimisel moodustuvad halogeeniidid halogeen + metall), sulfiidid väävel + metall, oksiidid hapnik + metall.
Legeerivate elementide tähtsus nende teraste omadustele:
Cr – kroom – suurendab terase tugevust läbikarastatavust ja korrosioonikindlust.
Ni – nikkel – suurendab terase sitkust tugevust ja korrosioonikindlust.
Co – koobalt – suurendab materjali magnetilisi omadusi terase tugevust ning muudab terase
Peenestruktuurilisust
Mo – molübdeen – suurendab terase kõvadust ja kulumiskindlust, soodustab peenema
struktuuri tekkimist
Mn – mangaan – suurendab elastsust kulumiskindlust ja kõvadust
Si – räni - parandab terase voolavust ,suurendab vastupanu keemilistele reaktiividele,
suurendab elastsust
W – volfram – suurendab terase kuumuskindlust ja kõvadust
Ti – titaan – suurendab tugevust ja kuumuskindlust
Al – alumiinium - suurendab kuumuskindlust vähendab tagiteket ja suurendab
korrosioonikindlust.
2.3 Metallide termiline töötlemine
Lõõmutamine.
Lõõmutamiseks nim niisugust termilist töötlust kus materjali kuumutatakse
vastavalt süsiniku sisaldusest teatud temperatuurini. Hoitakse sellel temperatuuril kuni materjal on kogu ristlõike ulatuses kuumenenud ja jahutatakse seejärel koos ahjuga maha. Madalalt legeeritud terastel jahtumiskiirus 30…50ŗC/h. See aitab parandada materjali lõike töödeldavust, ühtlustada struktuuri, vähendada sisepingeid ja valmistada materjal ette järgmisteks termilisteks töötlusteks.
Normaliseerimine .
Normaliseerimisel kuumutatakse materjal sõltuvalt süsiniku sisaldusest.
Jahutamine toimub kiiremini – seisvas õhus. Normaliseerimisel jääb materjal kõvemaks kui lõõmutamisel. Teised omadused on analoogsed lõõmutatud detailidele.
Karastamine .
Karastamiseks nim niisugust termilise töötluse operatsiooni, kus materjali
kuumutatakse vastavalt süsiniku sisaldusest kuni austeniitse struktuuri tekkimiseni. Materjali hoitakse kõrgel temperatuuril ja jahutatakse kiiresti kuni 240ŗC Sellisel temperatuuril tekib austeniit - martensiitne struktuur. Martensiitse struktuuri saamine on karastamise põhieesmärk. Eriti kiire peab jahutus olema 600ŗC - 500ŗC kraadi vahel. Terased karastuvad, kui süsinikku on üle 0,32%. Jahutuskeskkonnana kasutatakse vette, mille jahutus võime on kõige intensiivsem 18ŗC ja 20ŗC vahel. Kiirema jahutuskeskkonna annavad 10% soolalahused, aeglasema aga õli, õhk ja sulametallid. Karastamine ühes jahutuskeskkonnas - niimoodi karastatakse lihtsa ristlõikepinnaga
süsinikterastest valmistatud detaile.
Karastamine kahes jahutuskeskkonnas
Karastus temperatuurini kuumutatud detail jahutatakse kiiresti kuni 400ŗC-ni ja asetatakse seejärel aeglasemasse jahutuskeskkonda. Niimoodi karastatakse keeruka ristlõikepinnaga süsinik - ja legeeritud terastest valmistatud detaile.
Karastamine kõrgsagedusvooluga
Karastamiseks kasutatakse tavaliselt kõrgsagedusvoolu mille sagedus on vahemikus 8000…16000 Hz. Kõrgsagedusvoolul on omadus kulgeda pindamööda. Seega kuumeneb ainult pinnakihti. Kui seda kiirelt jahutada, siis saadakse nn pindkarastus. Niimoodi karastatud pind on väga kulumiskindel ja detail töötab hästi painel ja väändel.
Noolutamine .
Noolutamine järgneb karastamisele, selleks et anda karastatud detailile tugevus.
Detail kuumutatakse sobiva temperatuurini ja jahutatakse õhu käes. Sõltuvalt kuumutus temperatuurist jagatakse noolutus järgmiselt.
Madalnoolutus, kuumutustemperatuur on 250ŗC. Niimoodi noolutatakse tööriistu, mis ei tööta löögile (viilid, kaabitsad, hõõritsad).
Keskmine noolutus temp on 300 ...350ŗC ja niimoodi noolutatakse tööriistu, mis töötavad löögilistele koormustele ja detaile, mis töötavad kulumisele.
Kõrgenoolutus temp on 450ŗC. Niimoodi noolutatakse detaile, mis töötavad liitpingete olukorras.
Tsementeerimine.
See on metalli pinnakihi rikastamist süsinikuga. Selleks paigutatakse detailid
teraskasti tsementeerimispulbrisse. Tsementeerimispulber koosneb söest ja kondijahust millesse on lisatud Na ja Ba karbonaati.
Kast suletakse hermeetiliselt . Need pinnad, mis ei vaja tsementeerimist
kaetakse savi või aspestiga. Kast asetatakse ahju mille temperatuur on 870…930ŗC.
Hoitakse sellisel temperatuuril 6…8 tundi. Selle aja jooksul tungib süsinik 1,8…2 mm sügavusele pinnakihti ning süsiniku sisaldus pinnakihis tõuseb 0,8… 1,2%- ni . Tsementeeritud detailid kuuluvad karastamisele ja noolutusele. Tsementeeritud detailid on hästi kulumiskindlad.
Nitreerimine.
Nitreerimiseks nim pindkihi rikastamist lämmastikuga. Nitreeritavad detailid
asetatakse ahju mille temperatuur on 500…600ŗC, ahju juhitakse ammoniaaki mis laguneb seal vesinikuks ja lämmastikuks. Lämmastik difundeerub pinnakihti kiirusega 0,1 mm 10 tunni jooksul.
Vesinik tuleb ahjust kõrvaldada. Nitreerimise põhipuuduseks on see, et hoideaeg ahjus on väga pikk. Nitreeritud detailid ei vaja termotöötlust säilitavad oma mõõtmed ja on puhtad. Võrreldes tsementeeritud detailidega on nitreeritud detailid kulumis - ja korrosioonikindlamad. Nitreeritud detailidel suureneb väsimustugevus.
Tsuaneerimine.
See on materjali pinnakihi rikastamine nii süsiniku kui ka lämmastikuga.
Selleks kasutatakse naatriumi ja kaaliumi tsüaanisoolasi. Tsüaanisoolad on väga mürgised sellepärast peab protsess toimuma hästi ventileeritud ruumides. Tsüaneeritakse madalal 500…600ŗC või kõrgel temperatuuril 830… 850ŗC. Madalal temperatuuril tsüaneerimisel rikastub pinnakiht peamiselt
lämmastikuga kõrgel aga süsinikuga. Tsüaneeritud detailid vajavad
karastamist ja madalat noolutamist . Võrreldes tsementeeritud pinnaga on tsüaneeritud pind on kulumiskindlam ja talub paremini tsüklilist koormust. Tsüaneerimise aeg on 1,5…6 tundi.
Malmi termiline tootlemine.
Malmi töötlemise eesmärgiks võib olla sisepingete kaotamine, süsiniku väljapõletamine, omaduste stabiliseerimine ja parendamine . Valatud detailide jahtumisel tekkivad neisse sisepinged. Valupingeid saab kaotada vanandamise või lõõmutamisega. Vanandamine võib kesta 3…24 kuud. Lõõmutatakse 500ŗC 3…4 tundi. Malmi kulumiskindlust saab suurendada karastamisega.
Detailid kuumutatakse 800…880ŗC ja jahutataks õlis. Seejärel noolutatakse 300…400ŗC. Detailidel peale sellist töötlust säilib kõvaduse kuid kaovad sisepinged.
3. Metallide korrosioon
Korrosiooniks nim metallide ja nende sulamite hävimist ümbritseva keskkonna keemilise, elektrokeemilise või biokeemilise toime tõttu. Korrosiooni tulemusena metallid purunevad kas osaliselt või täielikult muutudes kasutamiskõlbmatuteks. Korrosioonile alluvad kõik metallid ja
sulamid ning muutuvad tagasi esialgseteks ühenditeks millest neid saadi. Keemiline korrosioon esineb siis, kui metallid puutuvad kokku keemiliselt agressiivsete ainetega. Keemiline korrosioon tekib sisepõlemismootorite detailidel, elektrisoojendite kütteelementidel, summutites, heitgaaside
torustikes jm mitmesugused gaasid. Keemiliselt aktiivsed vedelikud on kõik naftasaadused , kemikaalide vesilahused , mineraalväetiste lahused, vasksulfaat , propaniidid jms. Samuti tahked mineraalväetised põhjustavad teraste keemilist korrosiooni. Kaitseks korrosiooni eest kasutatakse metalseid ja mittemetalseid katteid . Metalsed katted on näiteks tsink , kroom, raud jt , mittemetalsed
katted on värvid, plastid, fosfaadid jt. Elektrokeemiline korrosioon tekib metallidel nende kokkupuutel voolu juhtivate vedelikega (elektrolüütidega). See korrosioon sarnaneb oma olemuselt galvaanielemendi protsessiga. Terase pinnal moodustub elektrolüüdiga kokkupuutel galvaanielement, mille anoodiks on ferriit ja katoodiks süsinik. Anoodi- ja katoodireaktsioonide tulemusena ferriit lahustub ning moodustab elektrolüüdi ainetega korrosiooniprodukti rooste.
Elektrokeemiline korrosioon tekib õhus, vedelikes ja pinnases. Mullad sisaldavad orgaanilisi happeid, mis kahjustavad terast, vaske, tsinki, pliid . Väga agressiivsed on leetemullad ja soomullad. Biokorrosioon tekib bakterite, seente ja vetikate poolt eritatavate ainete toimel. Bakterite elutegevusest tekkivad orgaanilised happed ja sulfolipiidid kahjustavad isegi roostevabu teraseid.
Bakterid ja seened kahjustavad ka maa sees olevaid torustikke. Kõige parem elukeskkond on bakteritele ja seentele pinnaveed , muld, turvasmuld , reoveed. Hallitusseened tekitavad metalli pinnale sidrunhapet ja oblikhapet. Happed põhjustavad omakorda elektrokeemilist ja keemilist korrosiooni. Biokorrosioon kahjustab põllumajanduses kasutatavat tehnikat ja eriti elektriseadmeid. Biokorrosioon kahjustab ka ehitiste metallkonstruktsioone, mille tõttu need tehakse tsingitud konstruktsiooniterastest.
4. Plastid
Plastideks nimetatakse looduslikke ja sünteetilisi mittemetalseid kõrgmolekulaarseid ühendeid. Neid suure molekulmassiga keemilisi ühendeid nimetatakse polümeerideks (vaikained). Polümeeride molekulid koosnevad suurest arvust ühte või mitut tüüpi korduvatest lülidest. Plastidel on väike tihedus suur korrosioonikindlus , enamikel plastidel on ka suur hõõrdetegur. Plastid on head dielektrikud, isolaatorid ja heli summutavad omadustega. Plastikud on ka dekoratiivsed materjalid. Plastidel on väike kuumuspüsivus, soojusjuhtivus ja hügroskoopsus. Plastid vananevad ja vananedes kaotavad oma omadused. Plastid jaotatakse kas termoreaktiivseteks (reaktoplastid) ja termoplastseiks. Termoplastidel ei muutu korduval kuumutamisel kuju ega koostis. See on tingitud sellest, et nendes plastides on molekulivahelised jõud suured. Reaktoplastidel aga muutub temperatuuri mõjul kuju ja koostis ning kaob plastsus . See on tingitud sellest, et molekulidevahelised sidemed on nõrgad. Selleks , et saada teatavate omadustega plaste lisatakse neile lisaaineid so täiteaineid, kõvendeid, plastifikaatoreid, värvaineid, stabilisaatoreid ja katalüsaatoreid. Täiteained suurendavad plastide tugevust ja muudavad nad odavamaks. Täiteainetena kasutatakse kas orgaanilisi või anorgaanilisi aineid. Orgaanilistest ainetest on levinud puidujahu, tselluloos, puuvilla jäätmed, puuvillriie, paber jne. Anorgaanilistest aga grafiit , talk, kvarts , klaaskiud, klaasriie , vilgupuru. Täiteainete maht plastides on umbes 70% ja enam. Plastifikaatorid muudavad materjali elastsemaks, parandavad töödeldavust, vähendavad haprust ja suurendavad valu omadusi. Plastifikaatoritena kasutatakse mitmesuguseid estreid (küllastamata süsivesikuid), kastoorõli ja veel dilbutüülftalaati. Plastidele lisatakse veel stabilisaatoreid, need väldivad plasti vananemist . Lisatakse veel katalüsaatoreid, mis kiirendavad plastide tootmisprotsessi (lubi ja magneesium ). Plaste üldiselt ei värvita (värvid nakkuvad plastidega halvasti) vaid neisse lisatakse värvaineid (roheaine – kroomoksiid, valge - tinaoksiid). Kõvendid kiirendavad vaigu kõvaks muutumist.
Poluetuleen ( termoplast ) on polümeer, mis koosneb ainult vaigust ning on niiskuskinde ja gaasitihe. See polümeer on poolläbipaistev värvuseta aine, mille sulamistemp. on saamisviisist olenevalt 105…130ŗC. On heade dielektriliste omadustega ning happe ja leelisekindel. Laguneb kloori ja fluori mõjul. Toodetakse nii kõrg - kui ka madalrõhu polüetüleeni. Nad erinevad üksteisest
tootmistehnoloogia, füüsikaliste ja keemiliste omaduste poolest. Madalrõhu polüetüleenil on suurem mehaaniline tugevus ja jäikus kui kõrgsurvesurve polüetüleenil. Madalrõhu polüetüleenist valmistatakse mitmesuguseid torusid ja voolikuid, kaablite isolatsiooni kuid ka raadiote detaile. Valmistatakse ka mahuteid ja väikestele koormustele töötavaid hammasrattaid. Kõrgrõhu
polüetüleenist valmistatakse pakkematerjale. Füsioloogiliselt kahjutu .
Poluetuleenteraftalaat (polüester) on valge või helebeež läbipaistmatu heade füüsikaliste omadustega plast , mille sulamistemp 265ŗC. Vastupidav benseenide ja hapete suhtes, kuid lahustub fenoolides . Üle 100ŗC temperatuuril laguneb ammoniaagi ja leeliste lahustes. Sellest plastist toodetakse mikroobide ja koide kindlat kilet , plastdetaile ja keemiatööstuse masinate osi.
Poluformaldehuud tugev suure kulumiskindlusega valge läbipaistmatu põlev plast. Sulamistemperatuur 160…180ŗC toatemperatuuril vastupidav paljudele lahustitele kuid laguneb orgaaniliste hapete toimel. Peale vanandamist omandused ei muutu peaaegu üldse. Sellest plastist toodetakse masinaosi ja kiudaineid.
Poluvinuulkloriid (termoplast) on valge tahke aine. Kui sellest toodetakse torusid, siis nimetatakse teda lihtsalt plastiks. Kui aga kõva lehena, siis nim vinüülplast. Polüvinüülkloriidil on head dielektrilised ja plastilised omadused. Samas on PVC väike temperatuurikindlus laguneb üle 100ŗC juures. Polüvinüülkloriid ei ole vastupidav nitrobenseenile, dikloroetaanile, tsükloheksanoonile. Püsiv on vee, hapete, leeliste, soolade vesilahuste ja naftasüsivesinike suhtes. Plastifikaatorite abil saab polüvinüülkloriidist valmistada mitmesuguste omadustega materjale. Vinüülplast, mis sisaldab
10% plastifikaatorit on kõva, heade füüsikalismehhaaniliste omadustega materjal. 40% plastifikaatorit sisaldav materjal on elastne ja külmakindel. Polüvinüülkloriid ei põle. Polüvinüülkloriidist valmistatakse happeaku anumaid ja separaatoreid. Dielektrolüüsi anumate seinad kaetakse vinüülplastiga. Plasti kasutatakse veel kaablijuhtmete isoleermaterjalina ja metalltorude kaitseks korrosiooni eest. Tehisnahka, põrandakatteid, painduvaid torusid, säärikuid
toodetakse plastisoolidest. Orgaanilistes lahustites lahustatud plastisoolidest toodetakse kilet ja kiudaineid.
Kapron , nailon , perlon , dederon , aniid , niplon . Polüamiidi, millele on lisatud 3…5% grafiiti kannab eelpoolseid nimetusi . Kapron on mitu korda kulumiskindlam kui teras ja mõned värviliste metallide sulamid. Kapron on antifriktsioonne materjal. Kapronil on väike soojusjuhtivus. Detailide
valmistatakse survevalu teel. Kapron annab hästi lõiketöödeldav. Kapronist detaile saab liimida ja keevitada. Kapron ei ole väävelhappekindel ja lahustub fenoolides ning trikloroetaanis. Polüamiidkiudainest valmistatakse rehvikoorti, filtrimaterjali, kalavõrku, köit, tekstiile. Aromaatsetel polüamiidkiudainete temperatuurikindlus on 350…600ŗC.
Poluester. See on sünteetiline kiudaine, millel suur temperatuurikindlus. Sellest valmistatakse riiet,mis kulumis- ja valguskindel kuid vähevastupidav kuumale leelisele. Seda riiet nimetatakselavsaaniks, dakroniks, elaaniks, terüleeniks. Polüesterniidist valmistatakse trikotaažitooteid, krimpleeni ja melaani. Tehnilise polüestri kiust valmistatakse nööri, veorihmu, konveierilinte, köisi,
filtreid jne.
Poluakrulaat. See sünteetiline polümeer on tahke läbipaistev termoplastne materjal, mis lahustub orgaanilistes lahustites. Sellest toodetakse polümetüülmetakrülaati. Pleksiklaas e polumetuulmetakrulaadist valmistatakse valguskindlat orgaanilist klaasi, kilet, läätsesid. Sellel materjalil on väga hea läbipaistvus. Püsiv vees, leelistes, hapete vesilahustes,
bensiinis ning õlides. Kahjustub kontsentreeritud väävel-, lämmastik- ja kroomhappes. Lahustub benseenis, dikloroetaanis, propanoonis. Lahuste abil saab tekitada materjalide pinnale läbipaistvat lõhnatut värvkatet. Termoplastne polükrülaat Uretaankautšuk e sünteetiline kautšuk. See on eetrite ja estrite reaktsioonisaadus. Tihedus 1210 …1250 kg/m³ . Sünteetilisel kautšukil on suur kulumiskindlus, elastsus ja tõmbetugevus. Väike kuumuskindlus kuni 130ŗC, külmakindlus - 35ŗC, veekindlus, happe- ja leelisekindlus. Sellest kautšukist valmistatakse jalatseid, taldu, kaablikatet, tihendeid, kiirguskaitseriietust.
Fenoplastid . Need plastid koosnevad täiteainest ja sideainest, milleks fenoolformaldehüüdvaigud. Täiteainena on kasutusel pulbrit või kiudmaterjali. Puitkihtplast koosneb vaigust ja puiduspoonist. Puuvillriidest ja vaigust koosnevat lehtmaterjali nimetatakse tekstoliidiks ning paberikihtidest ja
vaigust koosnevat materjali nimetatakse getinaksiks. Veel valmistatakse klaasriidest ja vaigust klaastekstoliiti. Osa vaikaineid kõvenevad kõvendi toimel osa õhu käes seistes. Suure hõõrdeteguriga plaste saadakse aspesti ja vaigu segudest. Pidurilintidele lisatakse tugevduseks ka messingtraati. Fenoplastid võivad olla veekindlad, kuumuskindlad, happekindlad, suure löögisitkusega ning elektrit mittejuhtivad materjalid.
12