Ikke-jern-metaller [2 ed.] 8200278573 [PDF]

Zitiervorschau

MATERIALTEKNIKK

Rolf Garbo Corneliussen

Ikke-jern-metaller

Depotbiblioteket

Universitetsforlaget \W De maritime, skoler i Arendal

BIBLIOTEK

© Universitetsforlaget 1974 2. utgave 1980 ISBN 82-00-27857-3

Det må ikke kopieres fra denne boka ut over det som er tillatt etter bestemmelsene i «Lov om opphavsrett til åndsverk», «Lov om rett til fotografi» og «Avtale mellom staten og rettighetshavernes organisasjoner om kopiering av opphavsrettslig beskyttet verk i under­ visningsvirksomhet». Brudd på disse bestemmelsene vil bli meldt til politiet.

Trykk: Naper Boktrykkeri, Kragerø 1980 Omslag: Jan Engebretsen

FORORD I dag har begrepet ressurser fått økt betydning. Man innser at verdens ressurser på de forskjellige områder er begrenset. Det er også tilfellet med materialressursene, det være seg metalliske eller ikke-metalliske. For å kunne utnytte ressursene best mulig, må massen pr. produktdetalj skjæres ned til et minimum. Men dette er bare mulig dersom de som skal bruke materialet har godt kjennskap til materialfaktorer som styrke, duktilitet, korrosjonsresistens etc. Denne boka er ment å skulle gi leserne opplysninger om de mest kjente ikke-jernmetaller (ofte bare kalt metaller). Innhold og oppbygning er delvis basert på fore­ lesninger om ikke-jern-metaller holdt ved Oslo tekniske skole, men tar også sikte på å gi opplysninger av verdi for f.eks. konstruktører, innkjøpspersonell eller for­ handlere av metaller. Kapitlene Kobber og kobberlegeringer og Magnesium er skrevet av henholdsvis sivilingeniør Olav J. Herstad og Dr. ing. Gunnar Gitlesen. Jeg vil gjerne få takke dem for at de har tilført boka verdifullt stoff på sine respektive spesialom­ råder. Tabellene om egenskapene til de enkelte metaller er satt opp på grunnlag av en rekke publikasjoner. Verdiene kan variere mye fra kilde til kilde, og verdiene i tabellene er tatt med etter beste skjønn. Sammen med de tidligere utgitte emnehefter i materialteknikk, 1) Metallegenskaper, 2) Materialprøving, 3) Metallografi - Legeringer, 4) Korrosjon og korrosjonsvern og 5) Jernlegeringer og komposittmaterialer, danner Ikke-jern-metaller en avslutning på materiallæren på området metalliske materialer. Opplegget for denne boka følger de samme retningslinjer som for mine øvrige publikasjoner i materialteknikk og mekanisk teknologi. De tar for seg grunn­ leggende prinsipper, og stoffvalget har hovedvekt på det praktiske for å gi et solid grunnlag og interesse for fagområdet. Det er ikke tvil om at for lite kjennskap til teknologien koster landet enorme beløp hvert år i form av brudd, korrosjonsskader eller at materialene under driftsforhold ikke holder mål. Dette kan skyldes feil materialvalg, feil ved konstruksjonen, feil ved eventuell varmebehandling eller andre feil i produksjonsprosessen. Bøkene tar primært sikte på opplæring på ingeniørnivå, men det er å håpe at andre som har interesse for teknologi, vil ha nytte av bøkene, det være seg på teknisk gymnas, i fagskoler eller ved opplæring i voksen alder. Undervisningslederne må velge fagområder som passer for deres opplegg og eventuelt supplere med annet stoff. Utviklingen på området metalliske materialer går raskt. Legeringer som i dag er aktuelle, kan om få år bli tatt ut av produksjon (standarden) og erstattet av nye legeringer med andre egenskaper. Det er derfor å håpe at faglærerne følger opp og eventuelt korrigerer opplysningene i boka. Forlaget og forfatterne vil være takknemlige for forslag til rettelser og tilføyelser. Asker, september 1980 Rolf Garbo Corneliussen

INNHOLD 1 Kobber og kobberiegeringer 9 2 Sink 32 3 Tinn 36 4 Bly 38 5 Nikkel 40 6 Titan 43 7 Aluminium 46 8 Magnesium 72 9 Antimon 82 10 Kadmium 84 11 Kvikksølv 86 12 Mangan 88 13 Krom 90 14 Kobolt 92 15 Wolfram 94 16 Molybden 96 17 Vanadium 98 18 Diverse metaller og metall-legeringer 18.1 Edelmetaller 99 18.2 Andre metaller 101 Stikkord 107

99

1

Kobber og kobberlegeringer Av siv. ing. Olav J. Herstad

1.1 Fremstilling

Kobber finnes i små mengder i naturen som rent metall (gedigent), men for industriell fremstilling er de viktigste mineraltyper:

1. Sulfidiske malmer, f. eks. kobberkis (CuFeS2), bornitt (Cu3FeS3) og kobberglans (Cu2S). 2. Oksydiske malmer, f. eks. rød kobbermalm, kupritt (Cu2O).

Sulfidmalmene utgjør den største gruppen, og 90 % av alt kobber utvinnes av disse. Til fremstilling av kobber for industrielle formål anvendes alt etter malmens sammenset­ ning den tørre eller den våte prosess. Den tørre prosess skjer ved røsting og smelting der uønskede elementer går vekk med avgassene eller i slaggen. Ved den våte prosess løses metallforbindelsene i syre eller lut, og kobberet blir så utfelt elektrolytisk. Disse metoder gir et råkobber som videre­ foredles ved flammeraffinering eller elektro­ lytisk raffinering. Store mengder skrapkobber blir også omraffinert. Kobber er et umagnetisk og duktilt me­ tall, og det lar seg lett bearbeide ved ham­ ring, valsing og trådtrekking. Det er seigt, flytegrensen er lav, men tøyningen (forlengel­ sen) er høy. Kobber har, etter sølv, størst elektrisk konduktivitet og termisk konduktivitet (varmeledningsevne). Alt etter fremstillingsmetodene og dermed også sammensetningen finnes en rekke kobberkvaliteter og kobberlegeringer angitt i Norsk Standard NS 160xx-165xx.

1.2 Egenskaper 1.3 Betegnelser på og egenskaper hos kobber og kobberlegeringer

I det etterfølgende vil det bli gjort rede for: Ulegert kobber Lavlegert kobber Høylegert kobber 9

Tabell 1.1

Atomvekt........................................................................................................... 63,54 Smeltepunkt...................................................................................................... 1083 °C Kokepunkt ...................................................................................................... 2595 CC Tetthet (densitet) q (støpt - knadd)....................................................... 8,3-8,9 kg/dm3 Gittertype.......................................................................................................... kubisk flatesentrert Strekkfasthet Rm, utglødet ........................................................................ 210 N/mm2 (21 kp/mm2) hardbearbeidet............................................................. 230-420 N/mm2 (23-43 kp/mm2) Flytegrense Re, utglødet ............................................................................ 40 N/mm2 (4 kp/mm2) hardbearbeidet................................................................. 100-390 N/mm2 (10-40 kp/mm2) Elastisitetsmodul E......................................................................................... 125 • 103 N/mm2 Tøyning (forlengelse) A5, bløt, utglødet................................................ 45 % hardbearbeidet 1/1 hard............................ 6 % 1/8 hard............................. 30 % Hardhet Brinell, utglødet - ekstra hard................................................ 40-130 HB Spesifikk varmekapasitet c ................................... 0,39 kJ/K • kg (0,094 cal/°C • g) Spesifikk smeltevarme q............................................................................... 210 kj/kg (50 cal/g) Termisk konduktivitet Å............................................................................... 410 W/K • m (0,98 cal/cm • s • °C) Lengdeutvidelseskoeffisient a...................................................................... 16,4 • 10-6 K-1 Elektrisk konduktivitet y ............................................................................ 57-58 MS/m (57—58 m/Q mm2) Normalpotensial (20 °C, mot H)............................................................. + 0,35 V (Cu -> Cu++ + 2e) Elektrokjemisk ekvivalent (Cu++ + 2e —► Cu)................................... 1,19 g/A • h

Kobberlegeringene nyttes enten som støpelegeringer eller som knalegeringer, dvs. de som er egnet for plastisk bearbeiding. Støpelegeringene kan nyttes for sandstøping, kokillestøping og trykkstøping (presstøping). Knalegeringene valses, ekstruderes (stang­ presses), smis eller trekkes. Sponfraskillende bearbeiding og dimensjonstoleranse nyttes for begge grupper. Støpelegering kalles i engelsk terminologi for east alloy og i tysk for Gusslegierung. Knalegering kalles henholdsvis wrought alloy og Knetlegierung. 1.3.1

Ulegert kobber

1.3.1.1 Oksygenholdig elektrolytisk kobber

Cu-FRTP (Fire-refined tough pitch). NS 16013 Cu-ETP (Electrolytic tough pitch). NS 16010 Cu-FRHC (Fire-refined high conductivity tough pitch). NS 16010 Med oksygenholdig kobber forstås kobber som ved raffinering eller elektrolyse har fått et oksygeninnhold på 0,015-0,04 %. Oksygen foreligger bundet til kobber som kobber-Ioksyd (Cu2O). Denne kvalitet har høyeste 10

konduktivitet da det kobber-I-oksyd som er utskilt i metallet, ikke nedsetter konduktiviteten i vesentlig grad. Kobber-I-oksyd har en gunstig innvirkning på støpbarheten. Av­ hengig av hvor langt raffineringen er drevet (også avhengig av råmaterialene), kan andre forurensninger være til stede, og en må regne med at de vil nedsette konduktiviteten. I så måte har elektrolytt-kobber lite forurensninger (se^. 1.1). Dessverre er oksygenholdig kobber hydrogenskjørt. Hy dr ogenskj ørheten kan oppstå når kobberet utsettes for hydrogenholdig atmo­ sfære ved høyere temperaturer. Ved sveising og gløding under slike forhold vil hydrogen diffundere inn i kobberet og reagere med oksygen under dannelse av vanndamp som vil føre til oppsprekking.

1.3.1.2 Oksygenfritt kobber Fosfordesoksydert kobber

Cu-DHP (Phosphorized high residual phosphorus) NS 16015 Cu-DLP (Phosphorized low residual phosphorus)

Hvor en ønsker et kobber som ikke er hydrogenskjørt, må oksygen fjernes. Fosfor er et meget godt desoksydasjonsmiddel, og i form av fosforkobber blir dette tilsatt smeiten. Oksygen forslagges som P2O5, men noe fosfor løses i kobberet slik at det får et fosforinnhold på 0,01-0,05 %. Men derved blir konduktiviteten nedsatt (se fig. 1.1). Elementer som danner blandkrystaller med kobber ved rom­ temperaturen (altså ikke utskilt som egen fase), setter konduktiviteten ned (ved oksygenholdig kobber er Cu2O utskilt som egen fase). Oksygenfritt kobber med høy konduktivitet

Cu-OF (Oxygen-free, without residual deoxidants) NS 16011 Ønskes et kobber med maksimal konduktivi­ tet samtidig som det ikke er hydrogenskjørt, benyttes kobber som er vidtgående raffinert. Dette fremstilles ved omsmelting av oksygenholdig kobber under en atmosfære av beskyttelsesgass.

Sølvholdig kobber

Cu-STP (Silver-bearing tough pitch) NS 16030 Cu-DPS (Phosphorized silver-bearing) NS 16032 (desoksydert) Opprinnelig var sølv et naturlig følgeelement i kobber. Da sølv gir gode egenskaper, bl. a. bedre fasthet ved høyere temperaturer enn rent kobber, blir sølv nå tilsatt bevisst. Sølvholdig kobber finnes i to kvaliteter: oksygenholdig og desoksydert. Anvendelse til kommutatorlameller, tråd, bånd etc. Sølvinnholdet ligger mellom 0,08 og 0,25 % og setter ikke konduktiviteten ned i vesentlig grad. At sølv kan sette ned konduk­ tiviteten i kobber enda det i seg selv har høyere ledningsevne, beror på at det løste sølv fører til gitterforstyrrelser i kobberet. 1.3.1.3 Fysikalske egenskaper

Konduktiviteten for noen rene metaller er satt opp i tabell 1.2. Tabell 1.2 Sølv Kobber Gull Aluminium Sink Jern Bly

Ag Cu Au Al Zn Fe Pb

62 MS/m » 59 » 45 » 36 » 16 » 10 » 4

For de teknisk anvendte kobberkvaliteter gjelder følgende tabell 1.3. Tabell 1.3 Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu

Fig. 1.1. Innflytelse av forskjellige elementer på kob­ berets konduktivitet.

-

FRTP FRHC1 ETP J OF DHP DLP STP] DPSj

57 MS/m

57-58

»

58 50 57

» » »

54

»

Konduktiviteten minker ved høyere tempe­ raturer, og den blir også noe nedsatt ved kaldbearbeiding. 11

Den termiske konduktiviteten hos kobber er meget høy sammenlignet med andre metaller. For helt rent kobber er den om­ trent 400 W/K • m (0,95 cal/cm • s • °C) og for teknisk rent kobber ca. 380 W/K • m (ca. 0,90 cal/cm • s • °C). Fasthetsegenskapene for de forskjellige kob-

berkvaliteter er i glødet tilstand tilnærmet like. I hardbearbeidet tilstand er fastheten avhengig av kalddeformasjonsgraden for den enkelte kvalitet. Tabell 1.4 gir karakteristiske mekaniske egenskaper, og fig. 1.2 viser fast­ hetsegenskapene som funksjon av kalddeforma­ sjonsgraden.

Tabell 1.4

Tilstand .....................................

Strekkfasthet Rm (