A tervezés, anyag kiválasztás és gyártás összefüggései

1

• Az eddig tanult anyagismeret, anyagvizsgálat, anyag feldolgozási technológiák , valamint a kapcsolódó tárgyak (pl. mechanika) összefoglalása és integrált alkalmazása

• A mérnöki szemlélet, a tanultak gyakorlati alkalmazásában való jártasság fejlesztése

• A minőség és megbízhatóság mint személyes tulajdonságok erősítése

2

A tervezés, anyag kiválasztás és gyártás összefüggései

A gyártmány fejlesztés folyamataAz alkatrész tervezés folyamata

Egyszerű esettanulmányok

3

Egy gyártmány fejlesztésének fázisai (1)

• Piaci igények felmérése• A szerkezet funkciójának, főbb jellemzőinek

meghatározása• A szerkezet koncepcionális tervezése

(pl. gépkocsi)• A szerkezeten belüli fő egységek funkciói

(pl. motor)• A fő egységen belüli alkatrészek tervezése

(pl. hajtórúd)• Az elkészült szerkezet ellenőrzése, visszacsatolás

az előző fázisokra

4

Egy gyártmány fejlesztésének fázisai (2)

Igények felmérése,funkciók Koncepcionális tervezés

Részletes tervezés

Kísérleti ellenőrzés

Méretezési eljárásválasztása

5

Egy gyártmány fejlesztésének fázisai (példa)

• Gépkocsi: kategória, főbb paraméterek, komfort fokozat, esztétikai megjelenés, fogyasztói kör, ár, …stb.

• Motor: teljesítmény, nyomaték, fogyasztás, környezetvédelmi paraméterek, …stb.

• Hajtórúd: funkció (igénybevétel), alak, anyag, gyártási mód

6

Új igények megjelenítése a gyártmány fejlesztésben (1)

• 1980: hagyományos asztali PC-k katódsugár csöves monitorral

• 1980-as évek vége: igény a hordozható gépekre• Megoldás: integrált egység hagyományos

elemekből (12-13 kg) – nem terjedt el• Új koncepció: lapos képernyő (LCD, plazma,

stb.), miniatürizált egységek• Eredmény: a mai notebook kategória (1,5-3 kg)

7

Új igények megjelenítése a gyártmány fejlesztésben (2)

Új fogyasztói igény

Hagyományos termék

Új műszaki megoldás

A piac elemzése

8

Tervezési szempontok kapcsolata

Anyag

Funkció

Megmun-kálás

Alak

9

A tervezés folyamata (1)• Az alkatrész funkcionális vázlata,

igénybevételek• Közelítő alak és méretek

(forrás: anyagtulajdonságok adatbázisa, méretezési összefüggések)

• Előzetes technológia (forrás: technológiai adatbázis)

• Részletes elemzés• Kísérleti ellenőrzés, visszacsatolás az előző

fázisokra

10

A tervezés folyamata (2)

Közelítő méret, anyag

Funkció,igénybevételek

Előzetes technológia

Részletes elemzés,

kísérletek

Anyag tulajdonságok

Méretezési összefüggések

Technológiai adatbázis

11

Példa a funkciók meghatározására:csavarhúzó (1)

Nyél Szár Fej

Általános funkció: csavar be- és kihajtáskényelmes használat, „felhasználó barát”tartósság, méltányos ár

12


Nyél:• Funkció:

csavaró nyomaték átadása a kézről a szárra• Igénybevétel:

a felületen nyomás, a szár bekötésen csavarás• Anyag: fa, polimer, fém (szilárdság, kedvező felület,

esztétikus külső)• Alak: kézbe illeszkedő, a felületen csúszás gátló

rovátkák• Megmunkálás: az anyag fajtától függő

13


Szár:• Funkció:

csavaró nyomaték átadása a nyélről a fejre, esetleg hajlítás (nem rendeltetés szerű használat)

• Igénybevétel: nyomás, csavarás, (hajlítás)• Anyag: acél (szilárdság, szívósság)• Alak: az igénybevételből számítható méret• Megmunkálás: húzott rúdból leszabás, a végeken

alakítás

14


Fej:• Funkció:

csavaró nyomaték átadása a fejről a csavarra, esetleg ütés, hajlítás (nem rendeltetés szerű használat)

• Igénybevétel: nyomás, csavarás, koptató hatás, (hajlítás)

• Anyag: acél (keménység, szilárdság, szívósság)• Alak: az igénybevételből számítható méret• Megmunkálás: a szárból kialakítva, hőkezelve

15

A tervezés, anyag kiválasztás és megmunkálás kölcsönhatásai

Az igénybevételek főbb típusaiAz igénybevételekkel összehasonlítható

anyagjellemzőkMegmunkálhatóság

16

Az igénybevételek jellemzése (1)

• Az igénybevétel hatása szerinti felosztás:– Teljes anyagtérfogatra ható igénybevételek– A felületre ható igénybevételek

• Az igénybevétel időbeli lefolyása szerinti felosztás:– Statikus– Dinamikus, lökésszerű– Ismétlődő, fárasztó– Az előbbi három kombinációja

17

Teljes anyagtérfogatra ható igénybevételek

• Húzó• Nyomó• Hajlító• Nyíró• Csavaró

Hajlítás

HúzásCsavarás

18

A felületre ható igénybevételek

• Hő• Vegyi• Elektrokémiai• Áramló közeg• Koptató• Sugárzás• Biológiai

Forgatás

Szorító erő

Kopás

19

Az igénybevétel időbeli lefolyása

• Statikus• Dinamikus• Ismétlődő, fárasztó• Az előbbi három kombinációja

20

A legfontosabb igénybevételek (térfogatra és felületre hatók)

1. Statikus terhelés2. Dinamikus terhelés3. Fárasztó igénybevétel4. Hőmérsékleti hatások5. Kopás6. Korróziós hatás7. Egyéb igénybevételek

21

Az igénybevételek nagyságának számítása (1)

Térfogatra ható, úgynevezett egyszerű igénybevételek esetében (pl. húzás):

• A külső terhelés becslése• A terhelés hatására ébredő feszültségek

számítása

= F / SoF F

So

22


Szabályosan ismétlődő fárasztó igénybevétel esetében:

• A külső terhelés és igénybevételi szám becslése

• A térfogatra ható feszültségek számítása a statikus terhelésből és a váltakozó igénybevételből (pl. vasúti kocsi tengely)

23


Dinamikus, szabálytalanul változó igénybevétel esetében:

• A külső terhelés spektrumának becslése• Egyenértékű terhelés generálása• A térfogatra ható feszültségek számítása

(pl. gépkocsi tengely igénybevétele göröngyös úton)

24


A felületre ható igénybevételek esetében:• A külső hatás erősségének becslése

(pl. vegyi anyag korróziós hatása, koptató hatás, sugárzás okozta hatás)

• A legtöbb esetben nehéz konkrét mérőszámokat meghatározni, ezek mindig a külső hatástól és az anyagtól függően adhatók meg

25

Az igénybevételek és az anyag-jellemzők kapcsolata a méretezéssel

Igénybevétel Anyagjellemző

Méretezésiösszefüggések

A szerkezet méreteinek meghatározása

26

1. Anyagjellemzők statikus terhelésre

• Folyáshatár (Rp0,2; REH)

• Szakítószilárdság (Rm)

• Rugalmassági modulus (E)

27

2. Anyagjellemzők dinamikus terhelésre

• Ütőmunka (KV)

• Törési szívósság (KIC)

• Kritikus repedéskinyílás (COD)

28

3. Anyagjellemzők fárasztó igénybevételre

• Kifáradási határ (k)• Adott feszültség szinthez tartozó

élettartam (Nt)

k

Nt

t

N

29

4. Hőmérsékleti hatások

• Hőállóság• Reológiai tulajdonságok• Kúszáshatár (T)• Időszilárdság (t)• Hővezető képesség ()• Hősokk, hőfáradás állóság

(NT1mm; ΔTmax)

30

5. Kopás

• Súrlódási tényező (μ)

• Keménység (HB, HV, HRC)

• Kopási jellemzők (ΔV; Δm)

31

6. Korróziós hatás

• Oxidáció sebessége• Elektrokémiai korróziós hajlam• Ellenállás különféle vegyszerekkel

szemben• Mindezek egyedileg meghatározható

jellemzők

32

7. Egyéb igénybevételek(pl. neutron, nap sugárzás)

• Ridegedési hajlam (HV, KV változása a neutron sugárzás hatására reaktor anyagokon)

• Műanyagok károsodása a nap ultraibolya sugarainak hatására

33

A megmunkálhatósági jellemzők

• Megmunkálhatóságon egy anyag adott megmunkálási technológiára való alkalmasságát értjük

• A megmunkálhatóságot jellemezhetjük fizikai paraméterekkel (pl. olvadáspont), anyagvizsgálati mérőszámokkal (pl. keménység), vagy úgynevezett technológiai próbákkal

34

Megmunkálhatósági jellemzők (1)

• Öntés– Olvadási hőmérséklet, dermedési hőköz– Önthetőségi próbák

• Porkohászat– Pórusossági vizsgálat sajtolás után– Szinterelhetőségi próba

35


• Képlékeny térfogat alakítás– Folyási görbék, alakíthatósági mérőszámok – Zömíthetőségi próba, egyéb technológiai

próbák– Melegalakíthatóság

• Lemezalakítás– Képlékenységi anizotrópia vizsgálatok– Lemezalakíthatósági próbák

36


• Hegesztés– Karbon egyenérték– Mechanikai vizsgálatok, varrat keménység

• Hőkezelés– Jominy-féle véglapedző vizsgálat– Átedzhető szelvényátmérő – Összetétel, átalakulási diagramok

37


• Forgácsolás– Megmunkálhatósági együttható– Éltartam vizsgálatok– Keménység, szívósság

• Felületkezelés– Felület állapot– Tapadási szilárdság

38

A tervezési módszerek részletes elemzése

Tervezési szempontokOptimalizálási módszerek

39

Tervezési sorrend

• Tartalom szerint:– Méretek és anyag meghatározása– Megmunkálási mód választása

• Közelítési mód szerint – Előzetes tervezés– Közelítő tervezés– Részletes elemzés

40

Közelítési stratégia• Előzetes tervezés

• Közelítő tervezés

• Részletes elemzés

ITERÁCIÓ

• Összes anyag• Globális szempontok• Szűkebb anyagcsoport• Valós terhelés• Egy anyag• Optimalizált alak• Megmunkálási eljárás

TERMÉK

41

Az alak (méretek) és az anyag-tulajdonságok figyelembe vétele

• Műszaki szempontok– Minimális tömeg– Optimális alak– Több szempont egyidejű mérlegelése

• Gazdaságossági szempontok– Minimális költség– Esztétikai megjelenés, tetszetősség

42

Méretezés minimális tömegre és maximális merevségre

ESL

FL

0

F F

So

LΔL

Merevség:

Tömeg:

EL

FLLSm 12

0

Következtetés:

m minimális, ha

E/ρ maximális

Húzás:

43

Méretezés minimális tömegre és maximális merevségre

• Hajlítás koncentrált erővel: m minimális,

ha (E1/2/ρ) maximális

• Hajlítás megoszló terheléssel:m minimális,ha (E1/2/ρ) maximális

44

Méretezés minimális tömegre és maximális szilárdságra

• Megengedett szilárdság: m=Rp0,2/n(n: biztonsági tényező)

• Húzás: m minimális, ha (m/ρ) maximális• Hajlítás koncentrált erővel:

m minimális, ha (m2/3/ρ) maximális

• Hajlítás megoszló terheléssel: m minimális, ha (m

1/3/ρ) maximális

45

Példa: anyagjellemzők a minimális tömeg választásához

Anyag fajta E/ρ Rp0,2/ρFa 20…30 120…170Alumínium 25 180Lágyacél 26 30Beton 15 3

Az E/ρ érték (merevségi optimum) közel azonos

Az Rp0,2/ρ (szilárdsági optimum) jelentősen különbözik, legkedvezőbb az alumínium és a fa

46

Példa: anyag kiválasztási diagramok (1)

• Az anyag kiválasztás folyamatát megkönnyítő diagramok tengelyein a különböző anyag tulajdonságok vannak, az egyes anyag fajták pedig területeket fednek le a diagramokban

• Főbb diagram típusok:E – ρ; Rp0,2 – ρ; E - Rp0,2; KIC – E; …stb

47


E, GPa

ρ, Mg/m30,1 1 10

0,1

100

10

1 Polimerek

Kompozitok

Fémötvözetek

Műszaki kerámiák

Fa

E/ρ=C

1000

48


Keresési stratégia (1):• Kiválasztjuk a terhelési módot, és a jellemző

(E/ρ= Const.) arányt, majd berajzoljuk a megfelelő egyenest a diagramba

• Az egyenes által metszett területek mutatják a választható anyag típusokat

• Utána részletesebb diagramokban keresünk tovább a konkrét anyagra

49


Keresési stratégia (2):• Kiválasztjuk a közelítő E és ρ értéket, és

felvisszük a tengelyekre• Az egyenesek meghatározzák azt a

területet, ahol részletesen lehet keresni• Utána a következő diagramban

folytatjuk a keresést

50

Méretezés optimális alakra (1)

• Optimálisnak tekintjük az alakot, ha az anyag minden elemi térfogata a megengedhető maximális feszültséggel van terhelve

• Ebben az esetben az adott terhelést elviselni képes szerkezeti elem tömege általában minimális

51

Méretezés optimális alakra (2)

• A korszerű CAD rendszerekben van végeselem számítási modul, amellyel a helyi feszültségek és alakváltozások számíthatók – ezzel a feszültség eloszlás optimalizálható

• Az egyszerűbb alakzatokra számítással lehet megkeresni a legkedvezőbb alakot

52

Méretezés optimális alakraPélda: hajlított tartó (1)

• Tömör hajlított tartó keresztmetszetében a feszültség eloszlás nem egyenletes, ezért az anyag kihasználás nem kedvező

• Ugyanolyan tömegű cső esetében a teherbírás növekszik, ahogy a cső átmérője nő és a falvastagsága csökken

53

Méretezés optimális alakraPélda: hajlított tartó (2)

Közepes átmérő Falvastagság TeherbírásKülső Ø=10 mm Tömör rúd 100%

8,33 mm 3 mm 130%12,5 mm 2 mm 188%25,0 mm 1 mm 748%

A tömör rúdhoz képest azonos tömeggel jelentős teherbírás növekedés érhető el cső használatávalA falvastagság csökkentést egyéb tényezők korlátozzák (stabilitás, horpadási veszély)

54

Több szempont egyidejű mérlegelése a tervezés során

• Az anyagokat a használat során több igénybevétel is éri, ekkor olyan anyagot kell választani, mely ezek összességének a legjobban megfelel

• Az adott anyag csoportot megfelelőségi mutatók szerint lehet jellemezni

• A több kritérium szerinti összehasonlítás lehet súlyozatlan vagy súlyozott megfelelőségi mutatók szerint

55

Példa: szerszámacélok kiválasztása több kritérium alapján (1)

• Szerszámacélok választéka: A1…A4 jelű acélok

• Megfelelőségi mutatók:– M1: Kopásállóság– M2: Forgácsolhatóság– M3: Korrózióállóság– M4: Polírozhatóság– M5: Méretstabilitás

56


A1 A2 A3 A4

M1 kopás 6 7 9 10M2 forg. 7 7 7 5M3 korr. 3 8 3 3M4 polír. 9 10 7 8M5 méretst 8 8 9 8

33 40 35 34

Sorrend: A2, A3, A4, A1 jelű acélok

57


• Az előző példában súlyozatlanul hasonlítottuk össze a megfelelőségi kritériumokat

• Ha egyes kritériumok fontosabbak a másiknál, súlyzó faktorokkal emelhetjük ki azokat

• Pl: kopásállóság 2x-es, korrózióállóság 3x-os szorzóval vehető figyelembe az adott helyzetben

58


A1 A2 A3 A4

M1 kopás 12 14 18 20M2 forg. 7 7 7 5M3 korr. 9 24 9 9M4 polír. 9 10 7 8M5 méretst 8 8 9 8

54 63 52 50

Sorrend: (korábbi) A2, A3, A4, A1 (jelenlegi) A2, A1, A3, A4

59

Méretezés minimális anyagköltségre

• Az anyagköltség akkor minimális, ha– Az anyag ára (Ft/kg) alacsony– Az anyagnak kicsi a sűrűsége– Emellett nagy a szilárdsága

• Ezekből kombinált mutató:(költség x sűrűség / szilárdság)

• Szokás ezt a mutatót a lágyacél mutatójának arányában is kifejezni

60

Néhány anyag világpiaci ára 1997-ben (USD/kg)

Arany 11000Volfrám 28,3Alumínium tömb 1,65Gyorsacél rúd3,2Szürkeöntvény tömb 0,33PVC 1,00Epoxy gyanta 6,00Fenyőfa palló 0,35

61

Méretezés minimális anyagköltségre: fajlagos mutató

költség x sűrűség / szilárdság arány:– Lágyacél 1– Hőkezelt Al ötvözet 0,75– Polietilén 2,8 – Réz 7,7

Az Al kedvezőbb a lágyacélnál, a polietilén és a réz kedvezőtlenebb a költség és szilárdság szempontjából

62

Anyagtulajdonságok

Általános jellemzés

63

A szerkezeti anyagok típusai és tulajdonságaik - fémek

• Anyagjellemzők:E, KIC nagy, Rp0,2 közepes

• Előnyök:közepesnél nagyobb merevség, szívósság, jó alakíthatóság, hősokkal szembeni ellenállás

• Hátrányok:gyenge hő- és korrózióállóság, kerámiáknál kisebb keménység

64

A szerkezeti anyagok típusai és tulajdonságaik - kerámiák

• Anyagjellemzők:E, Rp0,2 nagy, KIC kicsi

• Előnyök:nagy merevség, keménység, hő- és korrózióállóság,

• Hátrányok:kis szívósság, gyenge hősokk tűrés, kedvezőtlen alakíthatóság

65

A szerkezeti anyagok típusai és tulajdonságaik - polimerek

• Anyagjellemzők: KIC közepes, Rp0,2 gyenge, E kicsi

• Előnyök:jó korrózióállóság, jó alakíthatóság, kis sűrűség, kedvező Rp0,2/ρ arány

• Hátrányok:kis merevség , gyenge hőállóság és alacsony kúszáshatár

66

A szerkezeti anyagok típusai és tulajdonságaik - kompozitok

• Anyagjellemzők: kedvező KIC, Rp0,2, E állítható be

• Előnyök:rugalmasan változtatható szilárdság, jó korrózióállóság, elfogadható alakíthatóság, kedvező Rp0,2/ρ arány

• Hátrányok:költséges gyártás, kúszási hajlam egyes típusoknál

67

A szerkezeti anyagok tulajdonságainak áttekintése

• Források:– Összehasonlító diagramok– Táblázatok– Adatbázisok

• Rendszerezés:– Egy tulajdonság szerint– Két vagy több tulajdonság egyidejű

összehasonlításával

68

Anyagok tulajdonságaisűrűség

• 10 Mg/m3 fölött:nehézfémek, keményfémek

• 2-10 Mg/m3 között:könnyű és színes fémek, acél

• 2 Mg/m3 alatt:polimerek

69

Statikus terhelési jellemzők szakítószilárdság

• 2000 MPa fölött:üveg, bór szálak

• 200-2000 MPa:fémek többsége, kerámiák, üveg-szálas kompozitok

• 200 MPa alatt:könnyűfémek, poli-merek, porcelán

70

Statikus terhelési jellemzők rugalmassági modulus

• 300 GPa fölött:néhány fém, Al2O3, karbidok, gyémánt, fémkerámiák

• 10-300 GPa között:fémek, üveg, porce-lán, kompozitok

• 10 GPa alatt:fa, polimerek

71

Dinamikus terhelési jellemzők törési szívósság

• 100 MN/m3/2 fölött:acélok

• 10-100 MN/m3/2 között:Al, Ti, kompozitok

• 10 MN/m3/2 alatt:polimerek, fa, üveg

72

Anyagok kifáradási tulajdonságai

• A kifáradási határ és tartamszilárdság az anyagminőségtől és a szerkezettől, a felület állapotától, valamint a vizsgálat körülményeitől is függ

• Az anyagok kifáradási tulajdonságai nem határozhatók meg egyértelműen, a kifáradási határ fémekre a folyáshatár 30…70%-a körül van

73

Anyagok hőtechnikai tulajdonságaiolvadási hőmérséklet

• 2000 Co fölött:W, Mo, Nb, Ta karbidok, gyémánt

• 1000-2000 Co között:Öv, acélok, Cr, por-celán, fémkerámiák

• 1000 Co alatt:polimerek, Al, Mg, rézötvözetek, kompozitok

74

Anyagok hőtechnikai tulajdonságaihőtágulási együttható

• 40 (10-6/Ko) fölött:polimerek

• 4-40 (10-6/Ko) között:fémek, fémkerámiák, porcelán

• 4 (10-6/Ko) alatt:fa, gyémánt

75

Anyagok kopási tulajdonságai

• A kopásállóság függ a koptató hatásnak kitett anyagpároktól és a kopás körülményeitől is (kenés, koptató részecskék a felületek között)

• Az anyagok kopásállósága általában a keménységgel arányos, kiválóan kopásállóak a műszaki kerámiák

76

Anyagok korróziós tulajdonságaikorróziós hatások

• Oxidáció száraz levegőben; a fémek oxidációs hajlama: arany, réz, vas, titán...

• Oxidáció nedves levegőben: a fémek az oxigén és víz hatására fémhidráttá alakulnak, pl. Fe(OH)2

• Elektrokémiai korrózió: függ az elektrokémiai potenciál különbségtől és a közegtől

77

Anyagok árarányaiötvözetlen acél = 1

arany 2820volfrám 98alumínium 4ötvözetlen acél 1keményfa palló 1,4PVC 2,6epoxy gyanta 15ipari gyémánt 1 000 000

78

Anyagok előállításához szükséges energia

MWh/t

Beton 0,5

Acél 13

Alumínium 16

Réz 20

Műanyagok 25

Titán 40

79

Anyagok összehasonlítása két tulajdonság alapján (1)

Szilárdság és sűrűség diagram:

Legkedvezőbb szilárdság/sűrűség arány: fa

Nagy szilárdság/közepes sűrűség: kerámiák, kompozitok

Nagy szilárdság/nagy sűrűség: fémek

80


Szilárdság és relatív költség diagram:

Kedvező ár-nagy szilárdság kő, tégla, égetett kerámia

Magas ár-nagy szilárdság műszaki kerámiák

Közepes ár és szilárdság fémek, kompozit anyagok

81


Szilárdság és energiatartalom diagram:

Kis energia igényű/nagy szilárdság - fa, kő

Nagy energia igény/nagy szilárdság – műszaki kerámiák

82

Anyagtulajdonságok

PolimerekKerámiák

Kompozit anyagok

83

A polimerek áttekintése (1)

• Anyagjellemzők:KIC közepes, Rp0,2 gyenge, E kicsi

• Előnyök:jó korrózióállóság, jó alakíthatóság, kis sűrűség, kedvező Rp0,2/ρ arány

• Hátrányok:kis merevség , gyenge hőállóság és alacsony kúszáshatár

84

A polimerek áttekintése (2)

Hőre lágyuló polimerek• Lineáris vagy elágazásos szerkezet• Az üvegesedési hőmérséklet felett

alakíthatókHőre keményedő polimerek• A láncokat kereszt kapcsolatok kötik

össze• Kikeményedés után nem alakíthatók

85

Hőre lágyuló polimerek Polietilének (1)

• A nagy sűrűségű polietilén (HDPE) lineáris láncokat tartalmaz, szívóssága szobahőmérsékleten jó, korrózióállósága jó, UV sugárzásnak kevésbé ellenálló

• Az alacsony sűrűségű polietilén (LDPE) elágazásos láncokat tartalmaz, szilárdsága, rugalmassági modulusa kisebb mint a HDPE

86

Polietilének (2)

HDPE LDPE

ρ (kg/m3) 960-970 915-930Rm (MPa) 22-38 1-16

E (GPa) 0,4-1,4 0,12-0,3Alkalmazás: Palackok, játékok,

csövek és idomok vízvezetékekhez, csomagoló fólia

Tömítések, villamos szigetelő anyagok, konyhai eszközök 100 Co alatti használatra

87

Polivinilklorid

• Szobahőmérsékleten megfelelő szilárdsága és merevsége van

• Az épületekben használják csövek, ablak keretek anyagaként, a lágy PVC-t padlóburkoló anyagként, fóliának

• Sűrűsége 1,4-1,54 Mg/m3, szakítószilárdsága 24-62 MPa, rugalmassági modulusa 2,4-4,1 GPa

88

Politetrafluoretilén(teflon)

• Kiváló tulajdonságai vannak, szerkezete stabil, tökéletesen korrózióálló, kicsi a súrlódási együtthatója

• Tömítések, csapágyak, bevonatok készítésére használják

• Sűrűsége 2,1-2,25 Mg/m3, szakítószilárdsága 17-28 MPa, rugalmassági modulusa 350-620 MPa

89

Poliamidok

• Részben kristályos szerkezetű, jól forgácsolható, kellően kopásálló, ellenáll az olajoknak

• Fogaskerekek, szíjtárcsák, szivattyú járókerekek, siklócsapágyak anyaga

• Sűrűsége 1,08-1,12 Mg/m3, szakítószilárdsága 80-100 MPa

90

Polikarbonát • Átlátszó, alacsony hőmérsékleten is szívós, a

poliamidok után a második legelterjedtebb polimer

• Bukósisakok, lencsék, konyhai eszközök, sterilizálható gyógyászati eszközök, naptetők, lamináltan golyóálló „üvegek”

• Szakítószilárdsága 60-70 MPa, rugalmassági modulusa 2,2-2,4 GPa, törési szívóssága 65-85 J/m2

91

Hőre keményedő polimerek Fenol alapú (fenol-formaldehid)

• A legrégebbi hőre keményedő anyag, kemény, rideg, 150 Co-ig stabil, jó szigetelő, kémiailag ellenálló

• Kapcsolók, villamos szerelvények, konyhai eszközök, burkolatok készülnek belőle

• Sűrűsége 1,25-1,3 Mg/m3, nyomószilárdsága 160-170 MPa, rugalmassági modulusa 5,2-7,0 GPa,

92

Epoxi gyanták

• A gyantát alkotó lánc keményítő adalék hatására kereszt kötésű lesz, zsugorodás nélkül alakul át

• Kompozit anyagok alapanyagaként használatos, üvegszál vagy karbonszál erősítéssel

• Szakítószilárdsága a szálerősítéstől függően 100-1000 MPa lehet

93

Elasztomerek (műkaucsuk)

• A lineáris láncok gombolyag formában vannak bennük, ezekből részben térhálós szerkezetet hoznak létre

• A térhálósítást kén hozzáadásával létesítik, ez a vulkanizálás (gumiabroncs), a töltőanyag (pl. korom) a sűrűséget és szilárdságot növeli

• Főbb változatai a poliuretán, szilikon és a gumi alapanyagok

94

Elasztomerek: poliuretán• Térhálós formában kopásálló, kedvező

szilárdságú (30-35 MPa), ezért tömítések gyártására használják

• A habosított kemény poliuretán kedvező hőszigetelő, rezgéscsillapító – csövek szigetelésére, falak hangszigetelésére használják

• A habosított lágy poliuretán bútor szivacsként, csomagolásra, könnyűipari anyagként használatos

95

Polimerek összehasonlítása a hőmérséklet függvényében

T, Co -100 0 100 200PEtilén üüüeeee eeeeeeee HPAmid üüüüüü üüüeeHPVC üüüüüü üüüeeeHEpoxi üüüüüü üüüüüü eHSzilikon üüüeeee eeeeeeee eeeeeeee vvH

Ü: üvegszerű; E: elasztikus; V: viszkózus; H: használhatósági határ

96

Kerámiák

• Anyagjellemzők:E, Rp0,2 nagy, KIC kicsi

• Előnyök:nagy merevség, keménység, hő- és korrózióállóság,

• Hátrányok:kis szívósság, gyenge hősokk tűrés, kedvezőtlen alakíthatóság

97

Kerámia anyagok csoportosítása (1)

• Alkotók szerint:– Oxidkerámiák (pl. Al2O3)– Vegyületkerámiák (pl. karbid, borid, nitrid)– Egyatomos kerámiák (pl. szén – gyémánt)

• Gyártás szerint– Olvasztás (üveggyártás)– Hidrát kötés (cement)– Nedves formázás (agyag árúk)– Porkohászat (műszaki kerámiák)

98

Kerámia anyagok csoportosítása(2)

• Szerkezet szerint:– Amorf (pl. üveg)– Kristályos (pl. bórnitrid)– Vegyes

• Eredet szerint:– Természetes anyagok (pl. kő)– Mesterséges kerámiák (pl. sziliciumkarbid)

99

Oxidkerámiák: Üvegek

• Alapanyagok:– üvegképzők: kvarchomok (SiO2)– folyósítók: nátrium oxid, kalcium oxid– stabilizátorok: alkáliföldfém karbonátok– hulladék üveg

• Olvasztás kemencében 780…800 Co-on• Alakítás:

síküveg, öblösüveg, egyéb alak

100

Oxidkerámiák: Égetett kerámiák

• Nyersanyag: agyag tégla, cserép, edényekkaolin porcelán

• Alkalmazás: – Tégla- és cserépipar– Háztartási eszközök– Dekoráció, dísztárgyak

101

Hidrátkerámiák: cementgyártás

• Nyersanyag: mészkő és agyag• Előkészítés: őrlés, keverés• Kiégetés: 1300…1500 Co-on, forgó

kemencében ez a klinkerképződés• Aprítás: őrlés porrá ez a cement• Felhasználás: a cement vízzel keverve

megköt, ez a legfontosabb építőipari alapanyag

102

Oxidmentes vegyületkerámiák

• Keményfémek: magas olvadáspontú, nagy keménységű karbidok (WC, TiC, NbC) és nagy szívósságú, szilárdságú fémek (Co, Ni, Cr) porából készült termékek

• Műszaki kerámiák: különféle vegyületekből porkohászati úton előállított termékek

103

Keményfémek (1)

• Porkohászati úton készülnek, rendszerint lapka, vagy előírt alakú termék formájában

• Fő alkotóik: WC: 57,5…91%; TiC: 18…1%TaC: 1,5…7,0%; Co: 9…25%;

• Főként forgácsoló lapkákhoz, húzógyűrűkhöz alkalmazzák nagy keménységük, kopásállóságuk miatt

104

Keményfémek (2)

Néhány keményfém összetétele és tulajdonságai:

WC% TiC% TaC% Co% HVHajl.sz

DA20 57,5 15,0 7,0 9,0 15501400MPa

DA40 77,0 4,0 8,0 11,0 14002000MPa

DR10 91,0 1,2 1,5 6,3 17001400MPa

DG50 75,0 25,0 8002200MPa

105

Műszaki kerámiák gyártása

• Alapanyagok:– Műkorund (Al2O3); Szilícium-karbid (SiC);– Szilicium-nitrid (Si3N4); Bór-karbid (B4C);

• A gyártás folyamata:– Por előkészítés (őrlés, keverés)– Formázás, sajtolás– Zsugorító izzítás (szinterelés)– Végső megmunkálás

106

Műszaki kerámiák alkalmazása

• Nagy hőigénybevételnek kitett szerkezeti elemek (belső égésű motor szelepek, sugárhajtómű fúvókák, …stb.)

• Erőteljes koptató hatásnak kitett szerkezetek (szerszámok, nagy hőmérsékleten működő súrlódó párok)

• Kiemelten vegyszerálló alkalmazások

107

Egyatomos kerámiák

• Gyémánt:– Természetes: bányásszák– Mesterséges: 3000 Co-on, 7500 MPa nyomáson

szénből kristályosítják• Köbös bór-nitrid (CBN)

– Csak mesterségesen állítható elő bór-nitrid ásványból

– 1500 Co feletti hőmérsékleten, 8500 MPa nyomással képződik

108

Egyatomos kerámiák alkalmazása

• Húzógyűrűk volfrám és egyéb nagy hőmérsékleten alakítható fémekhez (elsősorban mesterséges gyémántból)

• Forgácsoló szerszámok:– A szerszám élére raknak fel vékony rétegben

kis szemcséket– Nagy sebességű forgácsolás köbös

bórnitriddel előnyösebb

109

Kerámiák összehasonlítása

Szívósság

Kopásállóság

Gyémánt

Köbös bórnitrid

Al2O3 oxidkerámia

Si3N4 nitridkerámia

Bevonatolt kerámiák

Bevonatolt keményfémek

110

Kompozit (társított) anyagok

• Anyagjellemzők: kedvező KIC, Rp0,2, E állítható be

• Előnyök:rugalmasan változtatható szilárdság, jó korrózióállóság, elfogadható alakíthatóság, kedvező Rp0,2/ρ arány

• Hátrányok:költséges gyártás, kúszási hajlam egyes típusoknál

111

A kompozitok típusai

Példák:

•Szemcsés: pl. beton (cement + kavics)

•Szálas: pl. üvegszálas poliészter (üvegszál + műgyanta)

•Réteges: pl. Arall (alumínium és aramid lemezek)

112

Szálerősítésű kompozitok

113

Szálerősítésű kompozitokalapanyagai: szálak

• Üvegszál: olvadt üvegből fokozatosan húznak 6…12 μm átmérőjű szálakat, melyeket köteg, paplan vagy szövet formában hoznak forgalomba

• Grafit (karbon) szál: különféle karbonláncú vegyületeket tartalmazó alapanyagok pirolízisével, nyújtásával hoznak létre a szálirányban összefüggő grafit kristályokat

114

Szálerősítésű kompozitokalapanyagai: hordozó (mátrix)

• A hordozóanyagok különféle, rendszerint két komponensű, hőre keményedő műgyanták (pl. epoxi gyanta)

• A műgyanta egyik komponense a folyékony polimer, amelyhez a térhálósító adalékokat hozzákeverve, majd a szálakat, töltőanyagokat bedolgozva kikeményítik

115

Szálerősítésű kompozitok jellegzetes példái

• Leggyakrabban üveg- vagy karbon szál és műgyanta alapanyagból készülnek

• Üvegszál erősítésű polimerek:GFRP: Glass Fiber Reinforced Polymer

• Karbonszál erősítésű polimerek:CFRP: Carbon Fiber Reinforced Polymer

• Legősibb szálerősítésű kompozit a vályog tégla volt (Mezopotámia, 5-6000 éve)

116

Szálerősítésű kompozitok:a szálak körüli feszültség mező

A szál és a hordozóanyag kötése egymáshoz (elérhető nyírófeszültség)

A terhelés átadása a szál és a hordozó-anyag között (adhéziós kötéssel)

117

Üvegszál erősítésű kompozitok tulajdonságai

Üvegszál %

Sűrűség Mg/m3

Rm

MPaE

GPaNyúlás

%

Epoxi 0 1,2 60 2,3 100

Epoxi 20 1,35 110 6,0 5

Epoxi 40 1,52 160 11,6 4

Epoxi 80 2,08 560 28,0 1,6

Poli-észter

50 2,00 160 15,9 1,7

118

Alumínium alapú kompozitok tulajdonságai

Szál anyaga Szál térfogat % Rm, MPaØ145 μm bórszál 45 1400Ø145 μm bórszálSiC bevonattal

35 800

Ø145 μm bórszálSiC bevonattal

60 1400

Ø100 μm bórszál 20 500Ø100 μm bórszálnitridált bevonattal

55 1250

119

Szálerősítésű kompozitok:az Rm és E változása az orientáció függvényében

120

Fa alapú kompozitok: áttekintés

1. rétegelt lemez 2. farost lemez 3. pozdorjalap

4. Faforgácslap 5. OSB lap 6. parafa

121

Fa alapú kompozitok (1)

• Rétegelt lemez (furnér lemez)– Vékony falemezeket kötőanyaggal

egyesítenek– A szálirány 90o-ban változó, emiatt az

anizotrópia csökken, a szilárdság javul• Farost lemez

– Rostjaira bontott faanyag és formaldehid gyanta keveréke

– Préshengerléssel formázzák végső méretre

122


• Pozdorja lap– Kender és len szártöredék és hőre keményedő

műgyanta alkotja– A masszát táblákká sajtolják

• Faforgács lap– Szárított faforgácsot karbamid gyantával kötnek

össze– Magas hőmérsékleten táblákká préselik és a

felületeket csiszolják

123


• OSB lap– Irányított forgácsirányú falemez – rönkfából

aprítanak rövid szalagokat, ezeket orientáltan helyezik el és gyantával összekötik

– A lapokat nagy nyomáson, 215 Co hőmérsékleten sajtolják össze táblává

• Parafa– Parafa granulátumból sajtolnak különböző

termékeket

Documents

A tervezés, anyag kiválasztás és gyártás összefüggései