Mustad ja värvilised metallid (1)

Tartu Kutsehariduskeskus
Autode ja masinate remondi osakond
Raul Jõgi
MUSTAD JA VÄRVILISED METALLID
Tartu 2006
Sissejuhatus 3
Jagunemine 3
Mustad metallid 3
Malm 3
Teras 4
Värvilised metallid 4
Pronks 5
Messing 5
Alumiinium ja – sulamid 6
Magneesium ja –sulamid 7
Korrosioonikindlus 7
Kasutatud materjalid 8

Sissejuhatus

Metallid on keemilised elemendid, mis moodustavad kergesti katioone ja astuvad ioonilisse sidemesse. Metallidel kui lihtainetel on teatud iseloomulikud füüsikalised omadused: nad on tavaliselt läikivad, suure tihedusega, venitatavad ja sepistatavad, tavaliselt kõrge sulamistemperatuuriga , tavaliselt kõvad, juhivad hästi elektrit ja soojust.

Jagunemine

Metallid jagunevad mustadeks ja värvilisteks metallideks. Mustad metallid jagunevad omakorda malmideks ja terasteks. Värvilised metallid, mida kasutatakse masinaehituses, jagunevad põhiliselt vasesulamiteks ja kergsulamiteks.

Mustad metallid

Musti metalle kasutatakse nende suure tugevuse ja jäikuse ning suhteliselt madala hinna tõttu väga laialdaselt. Hallmalm on masinaehituses põhiline valumaterjal. Selest valatakse tööpinkide sänge, mitmesuguseid keredetaile, kandureid, hoo- ja rihmarattaid, hoobi jms. Tempermalmist detailide toorikuid saadakse samuti ainult valamise teel. Võrreldes teiste malmidega on tempermalmil suurem löögitugevus ning teda kasutatakse detailide valmistamiseks milledele mõjub mõningane (juhuslik) löökkoormus.
Valgemalm on suure kõvadusega, habras ning halvasti lõiketöödeldav metall . Teda kasutatakse niisuguste detailide valmistamiseks, mis peavad olema kulumiskindlad või töötavad agressiivsetes keskkondades.
Teras on põhiliselt raua ja süsiniku baasil moodustatud sulam , mille süsiniku sisaldus on alla 2,14%´(malmides on süsiniku sisaldus üle 2,14%).

Malm

Malm on rauasulam , kus on vähemalt 2,14% süsinikku. Süsiniku protsent sulamis ei ole tavaliselt suurem kui 4. Malmi ei ole võimalik toatemperatuuril plastselt deformeerida, kuna malm puruneb. Malm on heade valuomadustega ning seejuures ka odavam kui teras, mistõttu tihti on masinate korpused ja kered valatud malmist. Samas on malmil halb keevitatavus. Malmi külmkeevitamisel kasutatakse spetsiaalseid elektroode, traate, kaitsegaase ja töövõtteid. Vaatamata sellele on külmkeevitamisel saadud liide kerge purunema , kuna temperatuuride vahest tekkivad malmi kergesti praod. Seetõttu soovitatakse malmi enne kuumutada kuni 600°C ning alles seejärel keevitada.

Teras

Teras on sulam, mille põhikomponent on raud ning mis muude elementide (väävel, fosfor jne) kõrval sisaldab kuni 2,14% süsinikku.
Kui rauasulamis on üle 2,14 % süsinikku, nimetatakse seda malmiks . Malmil ja terasel on oluline erinevus: terast on võimalik plastselt deformeerida, kuid malmil jääkdeformatsioone ei esine, kuna malm puruneb. Süsinikterased on kõige laiemalt kasutatavad sulamid üldse, kuid vastavalt otstarbele on terase koostis erinev. Kristallstruktuuri järgi võib süsiniku ja raua sulam olla: austeniit või perliit. Ühes tükis terases on tavaliselt esindatud mõlemad.
Süsinikusisaldus teeb raua kõvemaks ja suurendab tunduvalt tõmbetugevust, kuid teras on rauast rabedam.
Teraseid võib jagada mitmesse gruppi:
1. Tootmisviisi järgi
1. martäänteras
2. essemer ehk toomasteras
3. elektriteras.
1. Kasutusala järgi
1. konstruktsiooniterased
2. tööriistaterased
3. eriomadustega terased.
Veel saab teraseid liigitada kvaliteedi, keemiliste omaduste ja struktuuri järgi.
Sisepingete kõrvaldamiseks ja teraste mehaaniliste omaduste parandamiseks kasutatakse termilist töötlemist - lõõmutamist, normaliseerimist, parendamist, karastamist ja noolutamist.
Tavalise kvaliteediga süsinikterastest valmistatakse detaile, mida ei ole vaja termiliselt töödelda, kvaliteetsetest süsinikterastest aga termilist töötlust nõudvaid detaile.
Legeeritud terastest tehakse masinate vastutusrikkaid detaile, mis peavad olema eriti tugevad, kuumustugevad jm.

Värvilised metallid

Värvilised metallid, mida kasutatakse masinaehituses, jagunevad põhiliselt vasesulamiteks (pronksid, messingid , babiidid) ja kergsulamiteks (alumiiniumi- ja magneesiumisulamid ).

Pronks

Põhilisandi järgi eristatakse tinapronkse, alumiiniumpronkse, ränipronkse, berülliumpronkse jt. Tinapronkside Sn-sisaldus ei ületa 20%, sest vastasel korral tuleksid struktuuri haprad faasid . Valusulameis tuleb struktuuri mõningal määral habras faas siiski juba alates 5% Sn-sisaldusest. Selline valamisel tekkiv struktuur sobib laagrimaterjalile. Kahefaasiline struktuur on neile sobiv, kuna ühelt poolt tagab laagri hea sissetöötavuse ja vastupanu löökidele ja teiselt – väga kõvad ja haprad osakesed kannavad koormust ja tagavad hea kulumiskindluse. Sulami keemilise koostise ebaühtlus – likvatsioon – on kõrvaldatav pikaajalise lõõmutamisega. Survetöödeldavate sulamite Snsisaldus tavaliselt ei ületa 7%. Neid sulameid kasutatakse mitterauasulameist vedrude, müntide ja dekoratiivse pronkspleki valmistamiseks. Fosforit sisaldavaid suurema tugevusega tinapronkse nimetatakse ka fosforpronksideks. Alumiiniumpronkside omadused on analoogsed tinapronkside omadega. Need sulamid on eelkõige ühefaasilised ja hea külmsurvetöödeldavusega, kusjuures kahefaasilisi sulameid kasutatakse eelkõige valatult või kuumsurvetöödeldult. Alumiiniumpronkside peamisteks omadusteks on suurepärane korroskoonikindlus, sealhulgas ka merelistes tingimustes. Neid kasutatakse pleki , soojusvahetite torustiku jms. valmistamiseks. Alumiiniumpronkse Al-sisaldusega ca 10% kasutatakse laeva sõukruvide, klappide , pumpade jms. merelistes tingimustes töötavate seadmete või nende osade valmistamiseks. Ränipronksid. Tehnikas kasutatavad ränipronksid sisaldavad tavaliselt 3% Si ja on homogeense ühefaasilise struktuuriga. Enamasti on ränipronksid legeeritud väikestes kogustes Mn-ga (kuni 1%). Ühefaasilisest struktuurist tulenevalt on ränipronksid hästi survetöödeldavad nii külmalt kui ka kuumalt . Ränipronkside omadused on ligilähedased tinapronksidele, ent nad on odavamad, mistõttu neid kasutatakse sageli tinapronkside asemel. Berülliumpronksid on suurima tugevusega vasesulamid. Sulamid on termotöödeldavad (karastatavad ja vanandatavad) analoogselt Al-Cu-sulameile, mille tulemusena saavutatakse tugevus kuni 1400 N/mm2. Enimkasutatav berülliumpronks sisaldab 2% Be. Berülliumpronksi kasutatakse vedrude, membraanide, sädet mitte andvate tööriistade jm. valmistamiseks.

Messing

Kuna vask annab tsingiga tardlahuse tsingi lahustuvusega kuni 39%, on messingid plastsed ja sobivad külmsurvetöötluseks. Suurema Zn-sisaldusega sulamid on samuti survetöödeldavad, ent seda kõrgematel temperatuuridel . Nad on reeglina ka valatavad. Tsingi lisamine vasele soodustab sulami tugevuse suurenemist eelkõige tänu tsingi lahustumisele vases; samuti suureneb ka plastsus , mis on ebaharilik . Suure plastsusega sulamina on tuntud 30% Zn-sisaldusega messing, nn hülsimessing. Deformeeritavate messingite Zn-sisaldus piirdub tavaliselt 35%-ga. Edasine Zn-sisalduse tõus toob kaasa messingi plastsuse vähenemise, kuna struktuuris moodustub väga kõva ja habras faas.

Alumiinium ja –sulamid

Alumiiniumil on rida niisuguseid omadusi (näit. hea korrosioonikindlus, väike tihedus), mis teevad ta äärmiselt kasulikuks tehnomaterjaliks. Puhas alumiinium on küll väga madala tõmbetugevusega, kuid seda saab tõsta külmdeformeerimise (kalestamise) teel või teiste elementidega legeerimise teel; tugevus tõuseb märgatavalt. Alumiinium on väga plastne ja vormitav paljude moodustega. Alumiiniumi hea elektrijuhtivus (60% puhta vase elektrijuhtivusest) soosib tema kasutamist paljudes elektrotehnika valdkondades.
Alumiinium on väga aktiivne hapniku suhtes ja metalli värske pind oksüdeerub kiiresti. Moodustub ainult mõne aatomkihi paksune tihe oksiidikiht, mis kaitseb pinda edaspidise korrosiooni eest. Alumiiniumi hea korrosioonikindlus ongi tingitud sellest
oksiidpindest. Alumiiniumi korrosioonikindlust saab tõsta anodeerimisega, mille eesmärgiks on paksema oksiidikihi aga ka kõva pinde saamine.
Alumiiniumisulamid võivad olla legeeritud paljude elementidega. Nii saadakse paljusid kasulikke konstruktsioonimaterjale. Alumiiniumisulameid liigitatakse tavaliselt toodete saamise (töödeldavuse) ja termotöötluse alusel. Toodete saamise (valmistamise) mooduse järgi liigitatakse alumiiniumisulamid kahte gruppi:
a) deformeeritavad (survetöödeldavad) sulamid,
b) valusulamid .
Lähtudes termotöödeldavusest liigitatakse sulamid samuti kahte gruppi:
a) vanandatavad sulamid,
b) mittevanandatavad sulamid.

Magneesium ja –sulamid

Magneesiumi iseloomustab väike tihedus ja madal sulamistemperatuur , suur kalduvus kalestumisele plastsel deformatsioonil, mistõttu ta tugevus ei sõltu ainult puhtusest (nagu titaanil), vaid ka mikrostruktuurist. Õhus kuumutamisel süttib magneesium kergesti, mistõttu teda kasutatakse pürotehnikas ja keemiatööstuses. Korrosioonikindluse poolest jääb magneesium alla alumiiniumile, kuna magneesiumi pinnal tekkiv oksüüdikiht on põhimetallist tihedam ja kergesti pragunev. Magneesium on hästi lõiketöödeldav ja keevitatav , kuid ta pole nii plastne ja ka nii hästi külmsurvetöödeldav kui alumiinium. Magneesiumisulameid legeeritakse alumiiniumiga, tsingiga, mangaaniga ja tsirkooniumiga. Tehnikas kasutatavad magneesiumisulamid on kas hästi kuumvormitavad või valatavad: selle järgi liigitatakse magneesiumisulamid deformeeritavaiks ja valusulameiks. Magneesiumi deformeeritavad sulamid kuuluvad madaltugevate sulamite gruppi, kuid nad on hea plastsusega, keevitatavad ja korrosioonikindlad. Magneesiumisulameid kasutatakse tänu suurele eri tugevusele lennukiehituses, rattavelgede materjalina jm. Neist valmistatakse kuumvaltsimise teel profiile , latte jms., sepiseid ja stantsiseid. Magneesiumi valusulamid on hea vedelvoolavusega, mis tagab valandite suure tiheduse ja korrosioonikindluse. Sulamid on kuumustugevad: nad võivad töötada pikaajaliselt temperatuuril 250 °C, lühiajaliselt ka 350 °C juures. Valusulamite mehaanilised omadused sõltuvad suuresti sulami struktuurist: mida peeneteralisem on valand , seda paremad on omadused. Magneesiumisulamite valamisel tuleb rakendada meetmed metalli süttimise vältimiseks. Sulatus tehakse raudtiiglites räbukihi all, metalli valamisel puistatakse sellele väävlipulbrit, mis moodustab väävelgaasi ja hoiab ära metalli süttimise.

Korrosioonikindlus

Korrosiooniks nimetatakse materjali ja keskkonna (õhk, gaasid, vesi, kemikaalid ) vahelist reaktsiooni, milles materjal hävib. Metallide korral eristatakse keemilist korrosiooni, mida põhjustavad keemilised reaktsioonid metallide ja agressiivsete gaaside või vedelike vahel, ja elektrokeemilist korrosiooni, mida põhjustavad elektrokeemilised reaktsioonid (anoodija katoodiprotsessid) metalli ja elektrolüüdi kokkupuutepinnal. Metallide korrosioonist tingitud kahjude korvamiseks kulub umbes 10% metalli astatoodangust. Korrosioonikindlamad on keraamilised materjalid ja plastid.

Kasutatud materjalid

http://et.wikipedia.org/wiki/Masinaehitusmaterjalid (6.12.2006)
http://www.ene.ttu.ee/leonardo/materjalid/Materjalid.pdf (6.12.2006)
8