Szeretne megismerkedni a fémek szerkezetével és vasgyártás fontos szempontjaival? 

Itt megismerkedik az anyagokkal és hogy miért fontos az anyagtechnológia. Lépésről lépésre bemutatjuk a fémek szerkezetét, látni fogja, hogyan épülnek fel az atomokból a kristályrácsok, és hogyan jön létre ebből a szövetszerkezet. Ezenkívül megismerkedik a fémek tulajdonságaival. Végezetül áttekintést kap a vasgyártás folyamatáról és hogy mit kell figyelembe venni.

Az anyagok felosztása

Az anyagok fémekre és nemfémekre oszthatók. Az acél és az öntöttvas a világszerte leggyakrabban használt anyagok közé tartozik.

Anyagtechnológia és annak jelentősége

Az anyag tulajdonságaitól függ, hogy milyen célra használható. Ezek különböző kategóriákba sorolhatók.

Az anyagok és tulajdonságaik különböző kategóriába történő csoportosításához az anyagtechnológia tudományos módszereit alkalmazzák.

Az anyagtechnológia az anyagok kinyerésével és felhasználásával foglalkozik, és az anyagok különböző tulajdonságait vizsgálja. Ily módon elősegíti az anyagok helyes felhasználását, új anyagok kifejlesztését és a meglévő anyagok javítását.

Az anyagok belső szerkezetének ismerete a tulajdonságaik elemzésének előfeltétele. Csak akkor nyerhet új ismereteket a további fejlesztésekhez, ha tudja, hogy milyen összetevők alkotják az anyagot, és azok hogyan működnek.

Fémek mikroszkóp alatt

A fématomok pozitív töltései mindig meghatározott távolságban helyezkednek el egymástól és kristályrácsot képeznek. Ennek következtében a negatív elektronok felszabadulnak és úgynevezett elektronfelhőként veszik körül a kristályrácsot. Az elektronok szabadon mozoghatnak a felhőben, de nem hagyják el azt.

A pozitív és negatív töltések vonzása erős fémkötést hoz létre. Ez biztosítja a fématomok rendkívül erős kohézióját a kristályrácsban és ezáltal a fém szilárdságát.

Összefoglalás az anyagokról

Most megtudta, hogy az anyagok minden időben fontos szerepet játszottak és számos korszakot és kultúrát jellemeztek. Megtanulta, hogy az anyagok általában fémekre és nemfémekre oszthatók és különböző tulajdonságokkal rendelkezhetnek. 

Azt is megtudta, hogy az anyagtechnológia tudománya az anyagok tulajdonságait vizsgálja új anyagok kifejlesztése és a meglévők feljavítása céljából. Végül látta, hogy a fémek szövetszerkezetből, kristályrácsokból és végül fématomokból állnak, amelyek összetétele befolyásolja a fém tulajdonságait.

Fémek szerkezete

Most nézzük meg részletesen a fémek szerkezetét és tulajdonságait. Először ismerkedjen meg a fémek vezetőképességével és formálhatóságával. Megismerkedik a kristályrácsok különböző típusaival és a rácsszerkezeti hibákkal. Ezután közelebbről megvizsgálja a fémek szerkezetét, és hogy mit történik valójában az ötvözetben. Végül megismerkedik az ötvözetek különböző típusaival és hogy mit lehet leolvasni a hozzá tartozó állapotdiagramokról.  

Fémek vezetőképessége

A fémek vezetőképesek, ezért a mindennapi életben számos célra használhatók. A kristályrács szerkezete megkönnyíti az elektromos vezetőképesség megértését.

Fémek alakítása

Elektromos vezetőképességük mellett a fémek alakíthatók is. Ennek során rugalmasan vagy képlékeny alakváltozás történik.

Nézzük meg még egyszer az atomi szintet a kristályrácsban. Amikor a fémlemezre erőt fejtünk ki, akkor a fématomok kissé kimozdulnak a rácshelyzetből, de aztán visszaugranak. Az ólomrúd esetében azonban az erőhatás megszűnése után a kristályrács az elmozdított helyzetben marad, tehát maradó deformáció keletkezik.

A kristályrácsok három legfontosabb típusa

KOCKA-TÉRCENTRÁLT (KRZ) 

A kocka közepén egy fématom helyezkedik el, amely körül van zárva. Mivel a szerkezet egészen lazán pakolt, nincs rétegeződési sorrend. 

Az atomok közötti viszonylag nagy tér lehetővé teszi további idegen atomok beépülését. 

KOCKA-FELÜLETCENTRÁLT (KFZ) 

A kocka a sarkaiban 8 atom, továbbá a kocka mindegyik oldalának a közepén egy-egy atom helyezkedik el. 

Az atomok három síkban (ABC) helyezkednek el, és így a legsűrűbb gömbpakolást képezik. 

A megzavart rétegződési sorrend rétegződési hibákhoz vezet, amelyekbe ötvözőelemek épülhetnek be. Ez más tulajdonságokat eredményez. 

HATSZÖGLETŰ-SŰRŰN PAKOLT (HDR) 

A fématomok hatszögletű prizmában helyezkednek el, az alapfelület közepén egy-egy atom található. 3 atom helyezkedik el a prizma belsejében. 

A rétegezési sorrend ABA, és így a legsűrűbb gömbpakolás képződik. 

A nagy rácsrések helyet biztosítanak az idegen atomoknak. 

Hidegen kevésbé alakítható, mint a KFZ - kocka-felületcentrált rácsos fémek. 

Rácsszerkezeti hibák

A fémek nem ideális kristályok, hanem rácshibákkal rendelkeznek. A rácshibák típusuktól és méretüktől függően három dimenzióhoz rendelhetők. Az első dimenzióhoz sorolhatók a nulladimenziós hibák. Ezek egy rácspontnak felelnek meg, és tovább tagolhatók.

A nulladimenziós hibák általában nincsenek negatív hatással a fémes anyagok tulajdonságaira, sőt még fontos hőkezeléseket is lehetővé tesznek.

Egydimenziós hibák

Vannak egydimenziós hibák, más néven vonalhibák is. Ha a szabályos kristályrácsba egy félsíkot illesztünk be, akkor az a vonalat zavarja és lépcsős diszlokáció keletkezik. A diszlokációk elmozdulhatnak és ezért a fémek képlékeny alakíthatóságának okozói.

Kétdimenziós hibák 

A kétdimenziós hibák esetében a szabályos rétegsorrendben     rétegezési hibák keletkeznek. A rétegezési hibákat   kristályosodás vagy egy üres cella összeomlása   okozza. A kétdimenziós rácshibák   befolyásolják a fémek szakítószilárdságát. 

Szövetszerkezet

Azt már megtudta, hogy a fémek számos szabályos alakú szemcséből állnak, amelyek együttesen a szövetszerkezetet képezik. A szövetszerkezet szabad szemmel nem látható. De a fémmikroszkóp alatt készített mikrofelvétel segítségével a szövetszerkezet láthatóvá válik. 

A mikrofelvételen látható a fém szemcsemérete és a szemcsehatárok. A szemcseméret a finomszemcsés és durva szemcsés között változik és célzott kezeléssel beállítható. A szemcsehatárok a szemcsék atomi elrendeződésének megszakadásait jelentik és a fent említett kétdimenziós rácshibák közé sorolhatók. Ezek például a kristályképződés során keletkeznek. 

A finomszemcsés fémek a durva szemcsés fémekkel szemben jobb mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, mivel itt több a szemcsehatár. A szemcsehatár növelése javítja a viszkozitást.  Magas hőmérsékleten viszont nemkívánatos kúszási folyamatok lépnek fel.

Szemcseformák

A szemcseméret és a szemcsehatárok közös jellemzői mellett a fémtől és a kristályrács típusától függően különböző szemcseformák is léteznek.

GÖMB ALAKÚ SZEMCSÉK Kerek szemcsék, pl. tiszta vas	POLIÉDERES SZEMCSÉK  Sokszög alakú szemcsék, pl. ausztenit szövetszerkezetű vas
DENDRITIKUS SZEMCSÉK Tű alakú szemcsék, pl. edzett acél	LAMELLÁS SZÖVETSZERKEZET Lamelláris kristályok, pl. lamelláris grafit szürkeöntvényből

Az ötvözetek állapotdiagramjai

Az ötvözetek tulajdonságainak vizsgálata és azok továbbfejlesztése az állapotdiagrammok tanulmányozása alapján történik. Az állapotdiagramok általában a tiszta fémek halmazállapotát ábrázolják. Ehhez a hűtési ill. a fűtési görbék töréspontját alkalmazzák. 

Az ötvözetek esetében a második fém hőmérsékletét és az ötvözetben lévő keverési arányt is figyelembe kell venni. Most az összes töréspontot átvesszük és a hőmérsékleti pontokat összekötjük, akkor megkapjuk az ötvözet állapotdiagramját. 

Az elegykristályok és a kristálykeverékek állapotdiagramjai eltérőek. Az elegykristályokra, mint pl. réz és nikkel, jellemző a teljes oldhatóság folyékony és szilárd állapotban.

A kristálykeverékek, például ólom és ón állapotdiagramja eltérő. Erre jellemző a teljes oldhatóság folyékony állapotban, viszont oldhatatlanság szilárd állapotban.

Nyersvas gyártása

Az utolsó szakaszban először megvizsgáltuk, hogy valójában hogyan nyerik ki a nyersvasat, és hogy a gyártás folyamatában mely lépések fontosak. A következőkben különböző eljárásokat ismer meg, amelyek segítségével nyersvasból acélt állítanak elő. Végezetül megismerkedik az acél utókezelésének és öntésének különböző módjaival. 

Azt már megtudta, hogy az acél az egyik legszélesebb körben használt anyag a világon. A fő összetevője a vas. A vas a természetben vasérc formájában fordul elő, amely vas és oxigén vegyülete. Az acél előállításához a vasat először redukciós eljárással nyerik ki. 

A nyersvas kinyerése során kétféle redukciós eljárást alkalmaznak. Itt láthatja mindkét folyamat áttekintését. 

Acélgyártás

A nyersvas vagy szilárd vasszivacs kinyerése után un. "frissítő eljárásokkal" történik az acél alapanyag előállítása. El tudja képzelni, mi történik a frissítés során? 

Az oxigénes konvertereljárásnál az olvadt nyersvasat acélhulladékkal és adalékanyagokkal együtt konverterbe töltik. Egy vízhűtéses csövön keresztül oxigént fújnak az edénybe, ez kémiai reakciót vált ki a vas kísérőanyagaival. A nyersvasban lévő szén elég, és a mész megköti a vas kísérőanyagait. Ezután az acélt és a salakot leöntik.

Az elektromos ívkemencés eljárást erősen ötvözött acélfajták előállítására alkalmazzák. A nyersvasat és a további adalékokat olvasztókádba öntik. Szénelektródákat engednek a töltelékre, és meggyújtják a fényívet. Az olvadás ideje alatt a maradék szén és a kísérőanyagok kiégnek. Ezután az acélt és a salakot leöntik.

Az acélgyártás után gyakran maradnak nemkívánatos összetevők. A minőségi acélok előállítása érdekében ezeket további utókezeléssel távolítják el. Itt találhatók a legfontosabb eljárások és azok ismertetése. További részletekért aktiválja az eljárásokat.