4

KOROZIJSKI PROCES

Korozija je nenamjerno trošenje konstrukcijskih materijala pod kemijskim, mehaničkim i biološkim djelovanjem okoliša. Korozijska znanost i korozijsko inženjerstvo Korozijska znanost bavi se proučavanjem mehanizama korozijskih procesa u cilju pronalaženja najpogodnijih

metoda njihova zaustavljanja.

Korozijsko inženjerstvo bavi se primjenom metoda i projektiranjem sustava zaštite od korozije.

Potpuno razumijevanje korozije uvjetovano je poznavanjem drugih srodnih područja –elektrokemije, fizikalne

kemije, termodinamike i metalurgije, pri čemu su elektrokemija i termodinamika ključne za razumijevanje

korozijskih procesa.

Definicija korozije -prema HRN EN ISO 8044

Korozija je fizikalno-kemijsko međudjelovanje metala i njegova okoliša koje uzrokuje promjenu upotrebnih

svojstava metala te može dovesti do oštećenja funkcije metala, okoliša ili tehničkog sustava koji oni čine.

Napomena: ovo je međudjelovanje najčešće elektrokemijsko.

Dvije osnovne vrste korozije su kemijska i elektrokemijska korozija.

5

Kemijska korozija odvija se prema zakonima kemijske kinetike heterogenih reakcija (u plinovima, u potpunoj

odsutnosti kondenzacije vodene pare na površini metala, obično pri visokim temperaturama).

Elektrokemijska korozija se zbiva u elektrolitskim otopinama prema zakonima elektrokemijske kinetike.

Definicija elektrokemijske korozije -prema HRN EN ISO 8044

Elektrokemijska korozija je korozija koja se odvija putem barem jedne anodne i jedne katodne reakcije.

Slika 81. Elektrokemijska reakcija metala s agensima korozije sadržanim u okolini,

6

Dakle, jedan od oblika djelovanja okoline na metalne materijale je korozija – štetno elektrokemijsko otapanje

metala u elektrolitima, uz formiranja sloja produkata korozije ili bez njega. Pored gubitaka metala javljaju se i

indirektne štetne posljedice korozije, koje u pravilu značajno nadmašuju štete uzrokovane gubicima metalnog

materijala.

Na primjer: kroz probojno korozijsko oštećenje vodovodne cijevi promjera 1 mm, pod tlakom od 3 bar, dnevno

će biti izgubljeno oko 1 m3 pitke vode.

Korozija:

• elektrokemijska reakcija metala s agensima korozije sadržanim u okolini,

• odvija se na dodirnoj površini metal/okolina,

• izaziva mjerljive promjene svojstava metala i okoline.

Razvoj se korozije može opisati na primjeru korozije ispod kapljice vode na metalnoj površini. Uzrok je

korozije neravnomjerna aeracija (različite koncentracije otopljenog kisika).

Slika 82. Korozije ispod kapljice vode na metalnoj površini

7

U biti, na tijek korozije uslijed neravnomjerne aeracije značajno utječe formiranje produkata korozije. Brzina

je veća u području manje koncentracije kisika zbog odsustva sloja produkata korozije koji imaju učinak

korozijski zaštitnog sloja. Naime, u

odsutnosti ovog učinka korozija bi

bila najbrža u području najveće

koncentracije kisika.

Slika 83. Nastajanje elektrokemijskog dvosloja

8

Katodna korozijska reakcija i uvjet odvijanja elektrokemijske korozije

Difuzija iona metala u

otopinu – kontinuirano otapanje dovelo

bi do narušavanje principa elektroneutralnosti!

Moguća reakcija kojom bi se ponovno uspostavila

elektroneutralnost je taloženje metala

– korozija nije kontinuirana!

Slika 84. Difuzija iona metala u otopinu

Za pojavu elektrokemijske korozije neophodno je postojanje oksidativnog sredstva u otopini!

Dovoljan uvjet za odvijanje korozije je da se na granici faza metal/elektrolit odvija jedna reakcija oksidacije

(deelektronacije ili otapanja metala) i redukcije (elektronacija oksidativnog sredstva).

9

Ako su anodna i katodna mjesta na površini metala odvojena i stabilna u vremenu, odvija se tzv.

heterogena korozija, a ako se anodna i katodna reakcija odvijaju na mjestima koja se slučajno mijenjaju po

površini metala i u vremenu govorimo o tzv. homogenoj koroziji.

Postojanje oksidativnog sredstva u korozivnom mediju omogućava odvijanje reakcije:

Ox + ze- → Re

Oksidativno sredstvo koje sudjeluje u katodnoj reakciji naziva se katodni depolarizator, a katodna reakcija

naziva se još i reakcijom depolarizacije! Jedno od mogućih

oksidativnih sredstava u korozijskom okolišu je voda.

2H2O + 2e- → H2 + 2OH- Oksidativna jakost otopine određena je jakošću i

koncentracijom oksidativnog sredstva! Jakost oksidativnog

sredstva određena je njegovom elektronskom strukturom!

Slika 85. Ovisnost brzine korozije o oksidativnoj jakosti otopine

10

POJAVA PASIVNOSTI METALA

Naše moderno industrijsko društvo “izgrađeno” je na reaktivnim metalima – metalima koji spontano

reagiraju s kisikom i vodom u uvjetima okoliša na Zemlji. Ti metali najčešće uključuju: željezo, nikal, krom,

cink, aluminij, titan, olovo, magnezij, berilij, kositar i volfram. Svi se ovi metali u prirodi nalaze u

oksidiranom stanju iz kojeg se dobivaju redukcijom.

ZBOG POJAVE PASIVNOSTI –STVARANJA TANKOG OKSIDNOG SLOJA NA POVRŠINI METALA KOJI

SPRIJEČAVA DALJNJU KOROZIJU!

Reaktivni metali imaju vrlo negativne slobodne entalpije reakcija s vodom i kisikom i mnogi spontano

“sagorijevaju” na zraku. Iakosu iz termodinamičkih razloga vrlo reaktivni, pokazuju veliku kinetičku

stabilnost koja omogućuje njihovu upotrebu kao konstrukcijskih materijala u korozivnom okolišu.

Načini na koje se postiže pasivno stanje su:

ANODNA PASIVACIJA – pasivacija izazvana anodnom polarizacijom metala

(ne-spontana pasivacija).

KEMIJSKA PASIVACIJA – pasivacija izazvana djelovanjem oksidativnog sredstva u elektrolitu

(spontana pasivacija).

11

OTKRIĆE POJAVE PASIVNOSTI – FARADAYEV PARADOKS

Slika 46. Faradayev eksperimentalna istraživanja prirode pasiviteta željeza

Mnoge spoznaje o pasivitetu stjecane su istraživanjima na željezu kao jednom od najvažnijih konstrukcijskih

materijala. Prva eksperimentalna istraživanja prirode pasiviteta željeza proveo još 1840.g. M. Faraday.

Njegov eksperiment se veoma jednostavno izvodi u laboratoriju.

Kad se komad željeza uroni u 70%-tnu otopinu HNO3 na sobnoj temperaturi, neće se opaziti nikakva reakcija

(slika a). Brzina korozije gotovo je jednaka nuli, što se lako može ustanoviti iz gubitka težine ispitivanog

12

uzorka. Ukoliko se kiselina razrijedi (npr. u omjeru 1:1) ne opaža se ponovo nikakva promjena (slika b). Ako se

željezo tada izvadi i na jednom mjestu zagrebe te vrati natrag u razrijeđenu kiselinu, nastaje burna reakcija;

željezo se otapa i prelazi u otopinu uz oslobađanje velikog volumena plina dušikovog dioksida (slika c). Isto se

postiže kad se željezo uroni direktno u razrijeđenu kiselinu. U Faradayevo vrijeme nije bio definiran pojam pH, nije bilo referentnih elektroda niti voltmetara s visokim

unutrašnjim otporom, te nije bilo Pourbaixovih dijagrama. Faraday je ispravno pretpostavio da se površina

željeza prevlači slojem oksida.

Do objašnjenja Faradayevog paradoksa došlo se 130 godina kasnije nakon što je Marcel Pourbaix 60-tih godina

XX. stoljeća konstruirao potencijal-pH dijagrama. Razrijeđena HNO3 je slabo oksidativno sredstvo, pa je

primarna katodna reakcija koja se odvija u sustavu reakcija razvijanja vodika. Koncentrirana HNO3 je jako

oksidativno sredstvo, pa je moguća katodna reakcija nastajanje HNO2.

Zbog brzog odvijanja reakcije nastajanje HNO2 vjerojatno je da će korozijski potencijal biti pozitivniji od

produžetka linije ravnoteže Fe/Fe3O4 u područje stabilnosti Fe2+, pa će se na površni početi stvarati Fe3O4 kao

metastabilna faza –željezo se pasivira.

13

Slika 47. Pourbaixov potencijal - pH dijagram.

14

OBJAŠNJENJE ANODNE POLARIZACIJSKE KRIVULJE METALA KOJI POKAZUJE

AKTIVNO-PASIVNI PRIJELAZ

Slika 48. Anodne polarizacijske krivulje metala koji pokazuje aktivno-pasivni prijelaz

♥ anodnom polarizacijom metala od korozijskog potencijala Ekor prema pozitivnijim

potencijalima, gustoća struje otapanja metala raste do maksimuma struje ikrit – kritična gustoća

struje koja se postiže pri naponu pasivacije Ep

15

♥ kritična struja i napon pasivacije važne su karakteristike korozijskog sustava i ovise o

svojstvima metala, sastavu i hidrodinamici elektrolita, temperaturi, i brzini polarizacije

što je napon pasivacije negativniji, a kritična struja pasivacije manja, metal će lakše prijeći u

pasivno stanje

♥ nakon prijelaznog stanja i uspostave pasivnog sloja na površini metala uspostavlja se struja

pasivacije ip, na potencijalu potpune pasivacije Epp

♥ potencijal na kojem prilikom polarizacije iz pasivnog stanja u katodnom smjeru, dolazi do

naglog porasta struje (depasivacije) naziva se Fladeov potencijal, (EF i ne mora biti jednak

naponu potpune pasivacije Epp)

♥ u pasivnom stanju, struja ne ovsi o naponu sve do potencijala transpasivnosti Etp (često je ovaj

potencijal blizak redoks potencijalu reakcija oksidacije i redukcije kisika npr. u slučaju nehrđajućih

čelika i niklenih legura koje sadrže krom)

♥ u transpasivnom stanju struja eksponencijalno ovisi o potencijalu (Tafelovsko ponašanje) -počinje

se odvijati reakcija razvijanja kisika:

2H2O →O2 + 4H++ 4e-

4OH-→O2 + 2H2O + 4e-

čiji se doprinos često ne može razlučiti od onoga transpasivnog otapanja metala

16

ČINBENICI KOJI UTJEČU NA MOGUĆNOST I SPONTANOST USPOSTAVE PASIVNOG STANJA

Da li metalni materijal izložen nekom korozivnom okolišu možemo anodno polarizirati i tako

ga dovesti u stanje u kojem je pasivan i zaštićen od korozije?

Elektrokemijska metoda zaštite kod koje se metal anodnom polarizacijom održava u pasivnom

stanju naziva se anodna zaštita. Metal koji se anodno štiti mora imati dobro izraženo područje

pasivacije i dovoljno malu struju pasivacije.

Da li će metalni materijal izložen nekom korozivnom okolišu spontano prijeći u pasivno stanje i

tako biti zaštićen od korozije?

Neki su metali posebno skloni samopasivaciji, tako da se već na zraku pasiviraju (npr. Ti, Ta, Al, Cr, Ni,

Co). Sklonost pasivaciji pokazuju i legure koje sadrže barem jedan od tih elemenata u dovoljnoj količini.

Da li se metalni materijal izložen nekom korozivnom okolišu dodatkom oksidativnog sredstva

može potaknuti da spontano prijeđe u pasivno stanje i tako bude zaštićen od korozije?

Ako se materijal spontano ne pasivira u korozivnom okolišu, dodatkom tzv. pasivatora ili anodnih inhibitora,

metal se može prevesti u pasivno stanje. Dodatak pasivatora (npr. HNO3, HClO3, KClO3, HIO3, K2CrO7,

MnO4) uvijek je popraćen značajnim pomakom korozijskog potencijala u pozitivnom smjeru (0.5 –2 V) te

smanjenjem korozijske struje za 104-106 puta.

17

Na stanje metalnog materijala (aktivno, metastabilno pasivno, stabilno pasivno, transpasivno) u

nekom korozijskom okolišu utječu: sastav materijala, vrsta oksidativne tvari u korozijskom okolišu,

koncentracija oksidativne tvari u korozijskom okolišu, brzina strujanja korozivnog medija, temperatura i pH,

prisutnost agresivnih iona.

Činbenici koji utječu na mogućnost i spontanost uspostave pasivnog stanja:

♥ Utjecaj sastava materijala na pasivaciju

♥ Utjecaj vrste oksidativne tvari u korozijskom okolišu

♥ Utjecaj koncentracije oksidativne tvari na na brzinu korozije metala koji pokazuje aktivno pasivni

prijelaz

♥ Utjecaj brzine strujanja korozivnog medija na brzinu korozije pasivirajućeg metala

♥ Utjecaj temperature ili koncentracije H+ iona u otopini na polarizacijsku krivulju pasivirajućeg metala

18

KOROZIJSKI OTPORNE SLITINE

Već 1821. Francuz Berthier, uočio je da je željezo legirano s kromom mnogo korozijski otpornije na koroziju u

kiselinama. Između 1913. i 1918. javljaju su nova otkrića i registrirani su patenti u Velikoj Britaniji, SAD,

Francuskoj i Njemačkoj, a koja se odnose na željezo-krom, željezo-krom-nikal i željezo-krom-kobalt legure.

Prve komercijalne primjene vjerojatno su one u Sheffieldu (Velika Britanija) u industriji jedaćeg pribora, i u

Francuskoj, u industriji parnih turbina. Komercijalna upotreba nehrđajućih čelika u potpunosti se razvila od

1920. nadalje. Otada su se, izbor, vrste i kvaliteta korozijski otpornih slitina, razvijali velikom brzinom kako bi

izašli ususret sve zahtjevnijim uvjetima primjene.

Tablica 4. Brzine korozije metala u vrućim otopinama kiselina (mm/god.)

19

Korozijski otporne legure na bazi željeza - nehrđajući čelici

Dodatak od oko 12% kroma čeliku, značajno povećava njegovu otpornost naspram korozije i oksidacije. Tanki

pasivni oksidni sloj se formira na površini čelika i pruža zaštitu u mnogim korozijskim medijima. Maksimalna

korozijska otpornost, općenito se javlja kod najvećeg sadržaja kroma, koji može doseći do 30%. Korozijska

otpornost nehrđajućih čelika je funkcija ne samo sastava legure nego i toplinskog tretmana, stanja površine i

proizvodnog postupka. Svaki od navedenih činilaca može izmijeniti termodinamičku aktivnost površine i

dramatično utjecati na korozijsku otpornost. Nije neophodno kemijski tretirati nehrđajuće čelike kako bi se

postiglo stanje pasivnosti. Pasivni sloj stvara se spontano u prisutnosti kisika.

Osnovni legirajući elementi koji utječu na korozijska svojstva nehrđajućih čelika su: krom, nikal, mangan,

molibden i dušik.

Ovisno o njihovoj mikrostrukturi, nehrđajući čelici dijele se u četiri glavne grupe:

Austenitni nehrđajući čelici (FCC strukture) čine 70 % totalne proizvodnje čelika. To su visoko legirani čelici

koji sadrže maksimalno 0.15 % ugljika, 16 % kroma te nikla i/ili mangana dovoljno da se stvori austenitna

struktura. Ostali elementi, posebno bakar i molibden, dodaju se kako bi se poboljšala korozijska otpornost za

specifične uvjete primjene. U potpunosti su nemagnetični i ne mogu biti očvrsnuti toplinskim tretmanom.

Tipičan sastav je18% kroma i10% nikla, čelik poznat kao18/10 nehrđajući čelik (tip 304).

20

“Superaustenitni” nehrđajući čelici, kao legure, pokazuju veliku otpornost na jamičastu koroziju izazvanu

kloridima i koroziju u zazorima zbog velikog sadržaja molibdena (>6%) i dodatka dušika, te visokog sadržaja

nikla što također uzrokuje bolju otpornost spram korozijskog pucanja uz naprezanje.

"Superaustenitni" čelici su, međutim, vrlo skupi, a slična se otpornost može postići korištenjem dupleks čelika

koji su mnogo jeftiniji.

Feritni nehrđajući čelici sadrže 16-30% kroma i vrlo malo nikla. Ne mogu biti očvrsnuti toplinskim tretmanom.

Otporniji su od martenzinih čelika koji sadrže niži postotak kroma, ali su manje otporni od austenitnih. Većina

feritnih čelika sadrže molibden, a neki i aluminij ili titan, npr. legure 18Cr-2Mo, 26Cr-1Mo, 29Cr-4Mo, i

29Cr-4Mo-2Ni.

Martenzitni nehrđajući čelici nisu korozijski otporni kao austenitni i feritni, ali su izuzetno velike čvrstoće i

tvrdoće te pogodni za strojnu obradu. Mogu se očvrsnuti toplinskim tretmanom. Ovi čelici sadrže 12-16%

kroma, 0.2-1% molibdena i 0.1-0.4% ugljika. Ne sadrže nikal. Po strukturi su martenzitni mogu očvrsnuti

uobičajenim postupkom normalizacije ili naglog hlađenja. Dodatak 4% nikla uzrokuje poboljšanu otpornost na

kavitacijsku koroziju. Ova vrsta čelika je magnetična.

Dok austenitne slitine mogu sadržati mali udio ferita (3-15%) u austenitnoj strukturi, duplex čelici su razvijeni

tako da imaju omjer austenit:ferit jednak 50:50, ali komercijalne legure često imaju omjer 60:40.

21

Ta struktura značajno očvršćuje čelik u odnosu na austenitni i pruža dobru zaštitu od jamičaste korozije,

korozije u zazorima i pojave korozijskog raspucavanja uz naprezanje. Općenito, ove legure imaju visok sadržaj

kroma, a niži sadržaj nikla nego austenitni čelici.

Nikal i korozijski otporne legure na bazi nikla

Slitine na bazi nikla su vrlo otporne u uvjetima primjene u vrlo širokom području temperatura (od kriogenskih

do vrlo visokih). Te su slitine poznate po svojoj otpornosti u izuzetno teškim uvjetima u tekućim i plinovitom

korozivnom mediju, pod velikim naprezanjima i pod utjecajem kombinacije navedenih činilaca. Sam po sebi,

nikal ima dobru otpornost prema koroziji u reducirajućoj sredini a može se koristiti i u oksidirajućim sredinama

koje potiču stvaranje korozijski otpornog oksidnog sloja.

Osnovni elementi koji se legiraju s niklom su bakar (npr. u legurama tipa Monel), krom i aluminij (u super-

slitinama kao što su one tipa Hastelloy ili Inconel/Incoloy). Krom i aluminij omogućavaju otpornost na

oksidaciju pri visokim temperaturama, a krom i titan daju otpornost u vrućim korozivnim medijima. Krom je

primarni promotor korozijske otpornosti u nekim tekućim medijima pri nižim temperaturama, ali ostali

legirajući elementi također su važni za poboljšanje korozijske otpornosti. Posebice se to odnosi na bakar,

molibden i volfram. Ostali elementi koji se koriste i legurama na osnovi nikla nemaju ulogu povećanja

22

korozijske niti oksidacijske otpornosti. Super-slitine mogu sadržavati desetak i više elemenata u kontroliranoj

količini.

Super-nikal slitine koriste se zbog svoje izuzetne otpornosti u vrlo agresivnim korozijskim uvjetima.

Nikal 200/201(Ni 99.6 ;C 0.08) je komercijalno čist kovani nikal dobrih mehaničkih svojstava i odlične

otpornostna na mnoge korozivne medije. Nikal 201 ima mali sadržaj ugljika (maksimalno 0.02%) za primjene

iznad 315 °C. Od njega se izrađuje oprema za proizvodnju hrane, cijevi i oprema za rukovanje lužinama,

elektronički dijelovi, komponente za projektile i zrakoplove, oklopi raketnih motora, magnetostatski uređaji i

dr.

Primjer Ni-Cr-Fe slitine je INCONEL slitina 600 (Ni 76.0; Cr 15.5; Fe 8.0). Visoki sadržaj nikla i kroma

osigurava otpornost na oksidirajuće i reducirajuće korozivne medije te jako korozivne medije pri visokim

temperaturama. Otporna je na oksidaciju do temperature od 1000 °C. Odlikuje je dobra mogućnost oblikovanja.

Od te se slitine izrađuju prigušivači za peći, elektroničke komponente, oprema za kemijsku i prehrambenu

industriju, oprema za procese toplinske obrade, cijevi za nuklearne parne generatore itd.

Primjer Ni-Cr-Mo slitine je INCONEL slitina 625 (Ni 61.0; Cr 21.5; Mo 9.0; Nb+Ta 3.6) koja pokazuje veliku

čvrstoću i tvrdoću od kriogenskih temperatura do 1800 °C, dobru otpornost prema oksidacijskim sredstvima,

otpornost na izmjenična naprezanja i dobru korozijsku otpornost. Od te se slitine izrađuje oprema za nuklearne

reaktore, oprema za kontrolu zagađenja, oprema za primjenu u moru, štrcaljke za gorivo, plamenici, uređaji za

23

mijenjanje smjera potiska itd. Ni-Cr-Mo slitine koriste se još i u vrućim smjesama kiselina koje su preagresivne

za nehrđajuće čelike. Značajna primjena je prilikom proizvodnje fosforne kiseline i oksidirajućih kiselina.

Primjer Ni-Mo slitine je HASTELLOY slitina B-2, (Ni 68; Mo 28; Fe 2; Co 1; Cr 1) pokazuje značajnu

otpornost u reducirajućim sredinama, u čistoj sumpornoj kiselini, nizu oksidirajućih i organskih kiselina.

Posebno je otporna na kloridima izazvano korozijsko raspucavanje uz naprezanje. Jedna od prednosti ove

slitine je da zavarena područja pokazuju smanjeno taloženje karbida i drugih faza što osigurava jednoliku

otpornost spram korozije. Primjene u kemijskoj industriji uključuju primjenu u sumpornoj, fosfornoj,

klorovodičnoj i octenoj kiselini. Temperature primjene variraju između temperature okoliša do 700 °C.

Primjer Ni-Cu slitine je MONEL slitina R-405 (Ni 66.5; Cu 31.5: S 0.04). Ta je slitina čvrsta otopina velike

čvrstoće i tvrdoće u širokom rasponu temperatura. Korozijski je i oksidacijski otpornado 500 °C. Kontrolirani

dodatak sumpora povećava mogućnost strojne obrade. Od te se slitine izrađuju dijelovi vodomjera, dijelovi

ventila, kopče, dijelovi sa navojima itd.

24

Aluminij i korozijski otporne legure na bazi aluminija

Aluminij i njegove slitine otporne su u mnogim vrstama okoliša i na mnoge kemijske spojeve. Posljedično,

aluminij (zajedno sa nehrđajućim čelikom) je metal najpoznatiji općoj i inženjerskoj zajednici kada je u pitanju

otpornost koroziji pri nižim temperaturama. Općeprihvaćena je široka upotreba aluminija kao materijala od

kojeg je izrađen pribor za kuhanje, te u industriji pića. Aluminijeve slitine koriste se u slučajevima gdje je

važna lakoća materijala i korozijska otpornost. Ove su slitine također izvrsni vodiči struje (treći nakon srebra i

bakra), ali imaju velik koeficijent toplinskog rastezanja što onemogućuje njihovu primjenu pri visokim

temperaturama npr. vanjske obloge super-brzih aviona.

Razvijene su nomenklature, tj. podjela Al-slitina u ,,obitelji,, i to slitine za mehaničku preradu (prešanje i

valjanje) i slitine za lijevanje. Glavna razlika između slitina za mehaničku preradu i slitina za lijevanje je

sadržaj silicija. Svaka skupina ima zajednički(e) legirajući(e) element(e), a to uvjetuje njena svojstva i

primjenu. Slitine iz iste obitelji su označene istim početnim brojem, a ostale tri znamenke su podskupine te

slitine koje označavaju postotak legirajućeg elementa ili modifikaciju osnovne slitine.

Po nomenklaturi, slitine za mehaničku preradu se označavaju:

1xxx: Superčisti ili niskolegirani aluminij koji je otporan na koroziju jer izložena površina aluminija reagira s

kisikom stvarajući inertni film Al2O3 debeo oko 5 nm, koji će spriječiti daljnju oksidaciju. Aluminijski oksidni

25

film se ne ljušti pa i ne izlaže svježu površinu daljnjoj oksidaciji. Ako je zaštitni sloj oštećen, brzo će se

obnoviti. Ima primjenu u elektrotehničkoj i kemijskoj industriji.

2xxx: Bakar je glavni legirajući element ove obitelji slitina. Imaju odlična mehanička svojstava, koja su

poboljšana toplinskom obradom. Ako slitina ima veći sadržaj bakra, smanjuje joj se ionako slaba otpornost na

koroziju. Primjenjuju se za izradu prometnih vozila, kao i za izradu zrakoplova.

3xxx: Slitine Al-MnMg, u kojima je mangan glavni legirajući element, smatraju se najotpornijim na koroziju.

Mehanička svojstva su im relativno slaba. Koriste se za proizvodnju uređaja i opreme u kemijskoj i

prehrambenoj industriji.

4xxx: Al-Si su slitine koje se odlikuju velikom otpornošću na koroziju, čak većom od čistog aluminija jer

stvaraju površinski zaštitni sloj SiO2 x H2O. Dodatak silicija smanjuje temperaturu taljenja. Zbog toga što se

dobro lijevaju i toplinski obrađuju upotrebljavaju se za izradu odljevaka s vrlo složenim presjecima.

5xxx: Glavni legirajući element je magnezij. Najčešće se lijevaju kao Al-Mg (od 1 do 2,5% Mg) ili Al-MgMn

(od 3 do 6% Mg). Čvrstoća slitina raste sa sadržajem magnezija. Ove slitine su otporne na koroziju kao i

komercijalno čisti aluminij. Čak imaju dobru otpornost na koroziju i u atmosferi blizu mora. Upotrebljavaju se

u brodogradnji, izradi prometnih vozila, građevinarstvu te u kemijskoj, prehrambenoj i farmaceutskoj industriji.

6xxx: Silicij i magnezij su glavni legirajući elementi ove obitelji slitina. Sadržaj ovih elemenata je najčešće od

0.4 do 0.6 %. Otporne su na koroziju, a mehanička svojstva im se poboljšavaju toplinskom obradom.

Upotrebljavaju se u brodogradnji, građevinarstvu i industriji prometnih vozila kao i za izradu aluminijskog

posuđa, medicinske opreme i sl.

26

7xxx: Slitine Al-ZnMg ili Al-ZnMgCu gdje je cink glavni legirajući element (od 1 do 8%). Imaju dobra

mehanička svojstva te se upotrebljavaju kao konstrukcijski materijali.

8xxx: Al-LiCuMg ili Al-FeVSi su slitine koje se upotrebljavaju za izradu dijelova diesel motore.

Po nomenklaturi, slitine za lijevanje označavaju se:

1xx.x: Nelegirani (čisti) aluminij pripada ovoj skupini i koristi se za izradu rotora.

2xx.x: Bakar je glavni legirajući element u ovo obitelji slitina. Komercijalno najtraženije su Al-CuMg (od 1.0

do 2.5% Cu) ili Al-CuMgSi (od 3 do 6% Cu) zbog svojih odličnih mehaničkih svojstava, tj. odlične čvrstoće i

tvrdoće. Kada se toplinski obrađuju, povećava im se otpornost na koroziju uz naprezanje.

3xx.x: Silicij je glavni legirajući element ove skupine, ali ga često prate i elementi kao bakar, magnezij i krom.

Bakar i magnezij daju ovim slitinama visoku čvrstoću pri visokim temperaturama.

4xx.x: Ove slitine sadrže silicij od 5 do 12%. Odlikuju se srednjom čvrstoćom i dobrom rastezljivošću te se

primjenjuju tamo gdje se ova svojstva mogu dobro iskoristiti.

5xx.x: Al-Mg slitine odlikuju se srednjom do visokom žilavošću i čvrstoćom. Visoko su otporne na koroziju i

u atmosferi blizu mora. Pogodne su za obradu.

7xx.x: Al-ZnMg slitine imaju dobru korozijsku otpornost. Dobro se toplinski obrađuju.

8xx.x: Al-SnCuNi slitine gdje je kositar glavni legirajući element u sadržaju oko 6%. Ove slitine se koriste u

industriji motornih ležajeva.

27

Kiselost ili lužnatost neposrednog okoliša (kemikalije, zemlja, atmosfera ili vodeni okoliš) značajno utječu na

koroziju aluminija. Pourbaixov dijagram za aluminij sa slojem hidratiziranog aluminijevog oksida pokazuje

imunost u pH području između 3 i 8.5. Kada je aluminij izložen višem pH dolazi do korozije pri čemu se

pasivni sloj lokalno probija nakon čega dolazi do brze korozije izloženog aluminija koji je još neotporniji u

lužini, nego što je to njegov pasivni sloj. Rezultat je pojava jamičaste korozije. U kiselinama, oksid je

osjetljiviji od aluminija, te dolazi do jednolike korozije.

Osnovni legirajući elementi su bakar, magnezij, mangan (oko 4.4% Cu; 1.5% Mg i 0.6% Mn -Duralumin),

silicij (4-22% Silumin) i cink, a dodaju se aluminiju zbog smanjenja atmosferske korozije. Oni značajnije

utječu na otpornost pojavi lokalizirane korozije – korozijskog raspucavanja uz naprezanje i korozije

eksfolijacijom.

Bakar i korozijski otporne legure na bazi bakra

Bakar i bakarne slitine široko se primjenjuju tijekom stoljeća zbog svoje izvrsne korozijske otpornosti i male

cijene. Usprkos stvaranju zelene patine u prirodnom okolišu, bakar i njegove slitine korodiraju zanemarivo

malom brzinom u nezagađenom zraku i vodi, te u deaeriranim neoksidirajućim kiselinama. Bakarne slitine

otporne su u mnogim slanim otopinama, neutralnim i blago lužnatim otopinama i organskim kemikalijama. U

jakim reducirajućim uvjetima pri temperaturama od oko 290 do 400 ºC, bakarne slitine pokazuju bolja svojstva

od nehrđajućih čelika i nehrđajućih slitina.

28

Iako se klasificiraju kao korozijski otporne, niti bakar niti bakarne slitine ne stvaraju stvarno korozijski otporan

sloj koji karakterizira većinu korozijski otpornih slitina. U vodenim otopinama pri temperaturama okoliša,

bakreni oksid čini zaštitni sloj. Dodatak aluminija, kositra, cinka i nikla koristi za dopiranje korozijskih

produkata čime se pojačava prirodna korozijska otpornost bakra i stvara niz korozijski otpornih slitina po

kojima je bakar poznat.

Postoji oko 400 različitih slitina bakra koje se grubo mogu podijeliti u kategorije: bakar, slitine sa visokim

udjelom bakra, mjed, bronce, bakar-nikal slitine, bakar-nikal-cink slitine (nikal srebro), bakar-olovo slitine i

specijalne slitine.

Tablica 5. Neki osnovni tipovi bakrenih slitina

29

Mjed je slitina bakra i cinka, obično žute boje. Sadržaj cinka može varirati od nekoliko postotaka do oko 40%.

Udio cinka manji od 15%, ne utječe značajno na korozijsku otpornost bakra. Mjed može pokazati pojavu

selektivnog otapanja pod određenim korozijskim uvjetima, kada se cink otapa iz slitine (decinkacija)

ostavljajući spužvastu bakrenu strukturu.

Bronce su slitine bakra najčešće s kositrom , ali ponekad i s aluminijem ili silicijem. Sadržaj aluminija u

aluminijskim broncama je 5-11%. Ponekad se dodaju željezo, nikal, mangan ili silicij. Takve bronce su čvršće i

imaju veću korozijsku otpornost od ostalih, posebno u morskom okolišu i slabo su reaktivne naspram

sumporovih spojeva. Aluminij stvara tanak pasivni sloj na površini slitine.

Bakar-nikal slitine, osim bakra i nikla sadrže i dodatke za povećanje čvrstoće npr. željezo i mangan. Zato se te

bakar-nikal slitine koriste za konstrukcije i opremu koja se koristi u moru. Danas je najveći broj novčića srebrne

boje izrađen od slitine bakar-nikal. Tipično, sastoje se od 75% bakra, 25% nikla i tragova mangana. Cu-Ni

slitina se koristi i u termo-člancima, a slitina od 55% bakra i 45% nikla koristi se za proizvodnju vrlo preciznih

otpornika..

30

ZAŠTITA OD KOROZIJE METALNIM PREVLAKAMA

Metalna prevlaka obično se nanosi jednom od sljedećih tehnika:

♥ vruće uranjanje

♥ elektrodepozicija

♥ štrcanje

♥ difuzija

♥ cladding

♥ vakuumska depozicija

Metalne prevlake mogu imati galvansko djelovanje (npr. cinkove, aluminijeve manganove i kadmijeve) ili

mogu biti otpornije na koroziju od osnovnog metala pa djeluju kao barijera prema utjecajima okoline

(npr. prevlake nikla, kroma i olova).

Metalne prevlake koje imaju galvansko djelovanje u širokoj su upotrebi. To su prevlake cinka, aluminija i

mangana, te njihovih legura. Kadmijeve prevlake se u današnje vrijeme izbjegavaju zbog svoje toksičnosti.

Kod galvanskih prevlaka, metal prevlake mora pri uvjetima upotrebe imati redoks potencija negativniji od

osnovnog metala.

31

Tablica 6. Usporedba korozijskih potencijala metala prevlake i čelika prema zasićenoj kalomel elektrodi u

3% otopini NaCl,

Galvanske metalne prevlake štite osnovni metal na tri načina:

primarnim barijernim djelovanjem,

sekundarnim barijernim djelovanjem sloja stabilnih korozijskih produkata i

galavnskim djelovanjem.

32

Primarno barijerno djelovanje je rezultat stvaranja površinskih oksidnih slojeva. Npr. na aluminiju se,

na zraku, gotovo trenutačno formira oksidni sloj Al2O3, debljine oko 25 Å koji posjeduje svojstvo

samoobnavljanja nakon oštećenja, te predstavlja efikasnu barijernu zaštitu osnovnom metalu. Na

površini cinka stvara se oksidni sloj ZnO koji je manje efikasan od alumijijevog oksida jer je električki

vodljiv.

Sekundarno barijerno djelovanje očituje se nastankom korozijskih produkata na površini metalne prevlake

koji tvore stabilni zaštitni sloj nakon nekoliko mjeseci izloženosti. U atmosferama koje sadrže sumporni

dioksid, kiša i vlaga koje dolaze do površine metala mogu imati pH < 5, pa se sulfati i kloridi koji tvore

sekundarnu barijeru počinju otapati.

Sekundarna barijera na metalnoj prevlaci formira se unutar nekoliko mjeseci i osnovni metal zajedno s

metalnom prevlakom, zaštićen je tom barijerom. Ta se barijera s tokom dužeg vremenskog perioda

obnavlja, tako da vrijeme zaštite metalnom prevlakom u velikoj mjeri ovisi o sekundarnom barijernom

djelovanju odgovarajućeg sloja korozijskih produkata.

Galvansko djelovanje metalne prevlake očituje se kada na prevlaci nastane oštećenje tako da je

atmosferskim utjecajima izložen osnovni metal. Na tom mjestu formira se galvanski članak, a kako je

metal prevlake elektronegativniji od osnovnog metala, na osnovnom metalu, u području oštećenja počinje

33

se odvijati katodna reakcija. Prevlaka se u blizini oštećenja počinje otapati i u nastalom korozijskom članku

djeluje kao anoda. Galvansko djelovanje prevlake ograničeno je na mala oštećenja (širine nekoliko μm), ali

je prošireno sekundarnim barijernim djelovanjem, odnosno taloženjem korozijskih produkata na području

oštećenja.

Slika 58. Galvansko djelovanje prevlake

Korozijski potencijal metala prevlake negativniji od korozijskog potencijala osnovnog metala. Korozijski

potencijal, međutim, ovisi o uvjetima okoliša, pa je tako pri temperaturama manjim od70 oC ravnotežni

potencijal cinka negativniji od ravnotežnog potencijala željeza, a pri višim temperaturama je pozitivniji,

pa u tom slučaju cinkova prevlaka gubi svoja zaštitna svojstva kao galvanska prevlaka. U otopinama

34

klorida, cink i na višim temperaturama ima korozijski potencijal negativniji od željeza. U morskoj vodi,

aluminij djeluje kao zaštitna galvanska prevlaka za čelik, dok u slatkoj vodi dolazi do približavanja

korozijskih potencijala ovih dvaju metala, pa aluminij gubi galvanska zaštitna svojstva. Korozijski

potencijal metalnih prevlaka mijenja se ovisno o korozijskim produktima koji se stvaraju na površini.

Nakon što se aktivna površina cinka prevuče cinkovim hidroksidom i osnovnim cinkovim solima, cink se

pasivira, čime mu se korozijski potencijal pomiče u anodnom smjeru i smanjuje se njegovo svojstvo

galvanske zaštite.

Općenito vrijedi da deblji sloj metalne prevlake daje bolju zaštitu.

Još jedan primjer galvanske prevlake je prevlaka kositra na željeznoj ambalaži koja galvanski šiti

željeznu podlogu, a pri tome sporo korodira. Kositrene prevlake najčešće se nanose elektrodepozicijom

te se dodatno zagrijavaju na temperature od 175 do 316 °C kako bi se na granici željeza i kositra stvorio

intermetalni spoj FeSn2 koji ima vrlo dobra korozijska svojstva.

35

(a)

(b)

Slika 59. Prevlaka : loših (a), dobrih (b) zaštitnih svojstava

36

SVOJSTVA I PRIMJENA ŽELJEZNIH MATERIJALA Sirovo je željezo relativno jeftino jer se rude željeza u prirodi nalaze u velikim količinama, a proizvodnja mu je

relativno jednostavna. Korišteno se željezo lako reciklira (50 %).

Pogodna svojstva

• visoko talište (1540 °C)

• velika čvrstoća i pri visokim t (450 °C)

• od uobičajenih metala najveći E (200 kN/mm2)

• dobra toplinska i električna provodljivost

• dobra duktilnost (kovanje, valjanje, izvlačenje)

• lako legiranje (Cr, Ni, Co, Cu)

• lako lijevanje

• lako zavarivanje

• moguća značajna prilagodba svojstava toplinskom obradom

• niska cijena

Nepogodna svojstva

• krhkost pri niskim t

• velika gustoća (preko 7,87 kg/dm3)

37

Pri hlađenju taline željeza:

• talište: Fet => δ-Fe pri t = 1538 °C

po formiranju krutine dolazi alotropskih modifikacija u točkama zastoja:

• A4 : δ-Fe => γ-Fe pri t = 1392 °C

• A3 : γ-Fe => β-Fe pri t = 898 °C

• A2 : β-Fe => α-Fe pri t = 769 °C

Slika 60. Komponente željeznih metala

38

Osnovna je komponenta željeznih metala željezo, a razlikuju se:

-Čelici koji su namijenjeni izradi proizvoda plastičnim deformacijama, skidanjem strugotine i

spajanjem,

- Željezni lijevovi za izradu proizvoda lijevanjem.

Čelici su slitine željeza i ugljika (wC

≤ 2 %), s pratiocima (Si, Mn, ...) i nečistoćama (P, S, ...), te s jednim ili

više dodanih legirajućih elemenata. Svojstva čelika ovise o kemijskom sastavu (osobito je velik utjecaj sadržaja

ugljika) i građi (struktura i greške).

Prema kemijskom sastavu razlikuju se:

♥ ugljični čelici

♥ legirani čelici: nisko i visoko legirani

Kod legiranih čelika je udio najmanje jednog od elemenata veći od:

element Si Mn Cr Ni W Mo V Co Ti Cu Al

W, % 0,60 0,80 0,20 0,30 0,10 0,05 0,05 0,05 0,05 0,03 0,05

39

Prema namijeni se razlikuju:

♥ konstrukcijski čelici od kojih se izrađuju različiti strojarski dijelovi i sustavi i

♥ alatni čelici služe za izradu različitih proizvodnih (plastična deformacija, rezanje) i mjernih alata

Konstrukcijski čelici

Od konstrukcijskih čelika izrađuju se različiti dijelovi/sustavi za: preuzimanje sila i/ili momenata u mirovanju

ili gibanju (nosači, mostovi, vratila, zupčanici), skladištenje ili tran-sport plinova i tekućina (spremnici, cijevi),

zatvaranje i spajanje (oplata brodova, zavarena kućišta, poklopci, vijci).

Svojstva su konstrukcijskih čelika:

• mehaničke – visoka granica razvlačenja, čvrstoća, žilavost i dinamička izdržljivost,

• postojanost – otpornost na trošenje i koroziju,

• tehnološka – hladna oblikovljivost plastičnom deformacijom, rezljivost i zavarivost.

Alatni čelici

Namijenjeni su izradi alata za oblikovanje metala odvajanjem čestica i plastičnim de-formiranjem, kalupa

za oblikovanje polimera te izradi mjernih alata. U pravilu su kruti (de-formacije izazivaju promjene dimenzija

izrađivanih proizvoda), žilavi (alat mora biti otporan na udare) i tvrdi (trošenje alata izaziva promjene dimenzija

izrađivanih proizvoda).

40

Prema uvjetima korištenja se razlikuju:

- za hladni rad tr < 2000C

- za topli rad tr ≥ 2000C

- brzorezani

Željezni ljevovi čije je talište između 1150 i 1300 °C, tj. znatno niže od tališta čelika, se dijele na:

Bijeli lijev (tvrd i krhak)

Sivi lijev

Nodularni lijev (žilav) i

Temper lijev (kovkast)

41

SVOJSTVA I PRIMJENA NEŽELJEZNIH MATERIJALA

Najviše su korišteni neželjezni metali:

Aluminij

Vrlo niski kemijski potencijali oksida aluminija onemogućavaju njegovo dobivanje iz ruda kemijskom

redukcijom uz korištenjem jeftinoga redukcijskog agensa (ugljik u obliku koksa). Aluminij se dobiva

elektrolitskom redukcijom taline oksida. Pri hlađenju krutine aluminija od tališta sobne temperature ne dolazi

do faznih pretvorbi (FCC kristalna rešetka). Glavni su legirajući elementi aluminija Cu, Mg, Mn, Si i Zn.

Pogodna svojstva:

• mala gustoća (2,7 kg/dm3)

• povoljan omjer vlačne čvrstoće i gustoće

• velike električne vodljivosti (2,7 μΩ◦cm)

• velike toplinske vodljivosti (230 W/m◦K)

• izuzetno povoljan omjer električne vodljivosti i gustoće (veći nego kod Cu)

• dobra otpornost na atmosfersku koroziju i koroziju u vodama

• velika duktilnost, koja se zadržava i pri vrlo niskim temperaturama

Nepogodna svojstva:

nisko talište (660 °C)

42

Čisti se aluminij koristi za izradu električnih vodiča (omjer električne vodljivosti i gustoće aluminija je

najpovoljniji od svih metala), dok se slitine koriste u izradi građevinskih konstrukcija, zrakoplovnoj industriji,

industriji vozila, za izradu ambalaže (veoma je povoljan omjer Rm

/ρ – čvrst i lak proizvod) i prehrambenoj

industriji (početna brzina korozije je veli-ka, ali je tanki korozijsko-zaštitni sloj oksida svodi na zanemarive

vrijednosti).

Osobito se mogu dobro oblikovati legure za plastičnu deformaciju, s legirajućim dodacima Cu, Mn, Mg i Si.

Imaju visoku čvrstoću i otporne su na atmosferske utjecaje.

Od legura za lijevanje, uglavnom s legirajući dodatkom Si, mogu se odliti proizvodi s tankim stijenkama.

Odliveni su proizvodi čvrsti i uz pogodne legirajuće dodatke otporni na djelovanje slatke i morske vode.

Korozijska je otpornost legura Al-Mg dobra, a Al-Cu slaba.

Čvrstoća se dijela legura aluminija može povećati toplinskom obradom – "precipitacij-skim očvršćivanjem"

tijekom koga se sporo formira disperzija submikroskopskih precipitata u kristalnoj rešetki dobivenoj brzim

ohlađenjem prezasićene krute otopine.

43

Bakar

Na bazi bakra proizvedena je prva legura – kositrena bronca, koja se koristila već prije oko 11000 godina.

Čvrstoća je bakra mala i lako se plastično deformira, ali teško lijeva.

• velike električne vodljivosti (1,8 μΩ◦cm)

Pogodna svojstva

• velike toplinske vodljivosti (390 W/m◦K)

• vrlo velika duktilnost (valjanje, izvlačenje)

• dobra otpornost na koroziju

• legure bakra imaju različite boje

• velika gustoća (8,9 kg/dm3)

Nepogodna svojstva

• nepovoljan omjer vlačne čvrstoće i gustoće • u dodiru s hranom se mogu formirati otrovne tvari Tehnički čist bakar se koristi za izradu električnih vodiča – od metala veću električnu vodljivost imaju samo

zlato i srebro. Bakar se dobro spaja mekim lemjenjem te se oko 50 % proizvedenog bakra koristi u elektronici i

elektrotehnici. Zbog dobre se toplinske vodljivosti bakar koristi i za izradu cijevi protustrujnih i križnih cijevnih

toplinskih izmjenjivača.

44

Svojstva se bakra mogu u velikoj mjeri prilagoditi potrebama legiranjem.

Bakrena slitine mogu biti:

- s cinkom: mjed i novo srebro

- bronce (bez Zn): < 15% Sn; < 14 Al %; (< 25% Pb i < 10% Sn); < 2% Be: Mn,Si

- s niklom ( < 45% Ni)

Mjedi su čvrste, te otporne na trošenje i koroziju, a mogu se vrlo dobro polirati. Lako se lijevaju, oblikuju

deformiranjem i režu. Koriste se u izradi cijevnih spojnih elemenata, koro-zijski otpornih vijaka i opruga, sitnih

dijelova, ali i posuda pod tlakom.

Dodatak do oko 15 % Sn povećava se čvrstoću bronci i otpornost na trošenje. Dio je bronci izuzetno otporan

na koroziju, a dio ima dobra klizna svojstva. Bronce se koriste za izradu izmjenjivača topline, te u

brodogradnji, kemijskoj i petrokemijskoj industriji

45

Nikal Nikal ima feromagnetična svojstva (može se magnetizirati), a najvažnije mu je svojstvo izvrsna otpornost na

koroziju. Legira se s Cr, Mn, Mg, Al, i Be, a u ovisnosti od legirajućih dodataka ima izraženo visoku čvrstoću,

elastičnost, temperaturnu i korozijsku postojanost.

Pogodna svojstva: • vrlo velika otpornost na koroziju

Nepogodna svojstva: • velika gustoća (8,9 kg/dm3)

Titan

Titan ima čvrstoću i krutost sličnu čeliku, ali je 40 % manje gustoće (ρ = 4,5 g/cm3). Legure titana dostižu

čvrstoću do 1400 N/mm2

i imaju dobra svojstva na povišenim tempera-turama. Talište je titana 1670 °C.

Pogodna svojstva

• povoljan omjer vlačne čvrstoće i gustoće

• velika otpornost na koroziju

• implantati su kompatibilni s ljudskom organizmom Nepogodna svojstva

• visoka cijena Pri hlađenju taline javljaju se dvije alotropske modifikacije – β (BCC), stabilna pri vi-šim temperaturama, te α

(HCP), stabilna pri temperaturama ispod 880 °C.

46

Zbog izvrsne otpornosti na koroziju titan se koristi u kemijskoj industriji, brodogradnji i medicini. U

zrakoplovnoj se industriji titan koristi za izradu dijelova trupa aviona i dijelova mlaznih motora. Legiranjem

titana s niobijem može se formirati supravodički intermetalni spoj, a legura s niklom pokazuje efekt

memoriranja oblika.

Magnezij

Magnezij ima najnižu gustoću od svih konstrukcijskih metala, ali se zbog niske čvrsto-će, otpornosti na trošenje

i umor, te kemijske otpornosti rijetko koristi bez legirajućih dodata-ka (Al – do 10 %, Zn – do 6 %, Mn – 1 ÷ 2

%, Cu, Si, Ce – cer, Th – torij i Zr – cirkonij). Pogodna svojstva

• vrlo mala gustoća (1,74 kg/dm3)

• povoljan omjer vlačne čvrstoće i gustoće

• izvrsna obradivost, dobra lijevljivost i zavarivost Nepogodna svojstva

• mala otpornost na koroziju • visoka cijena

47

Legure za gnječenje mogu se rezati velikim brzinama, ali treba poduzeti mjere osigura-nja od paljenja

strugotina. Legure za lijevanje (pješčani, kokilni i tlačni lijev) pogodne su za izradu dijelova s tankim stjenkama

koji moraju biti laki, npr. kućišta ručnih električnih alata.

Magnezijeve legure se upotrebljavaju za izradu dijelova aviona, prenosivih uređaja, ra-čunala, instrumenata i

fotoaparati. Površina se dijelova se zaštićuju kromiranjem.

48

POLIMERI Najšira definicija polimera sa stajališta strukture tih tvari jest da se polimerima nazivaju tvari građene od

makromolekula. Osnovna strukturna jedinica polimera je makromolekula (kod metala osnovna strukturna

jedinica je atom).

Makromolekula nije naprosto molekula s velikim brojem atoma, nego molekula u kojoj je veliki broj atoma

organiziran tako da je makromolekula sastavljena od velikog broja ponavljanih strukturnih jedinica tzv. mera.

Već sam naziv polimer, koji dolazi od grčke riječi “poli” = mnogo i “meros” = čestica ukazuje na tu njihovu

karakteristiku. Za njih je karakteristična vrlo visoka molarna masa reda veličine tisuća i milijuna g/mol.

Polimeri su kondenzirani sustavi makromolekula. Kondenzirani, znači da postoje u čvrstom i kapljevitom,

ali ne i u plinovitom stanju. Sustavi, znači da su gradbene (strukturne) jedinice u interakciji.

Polimerne molekule sintetiziraju se iz odgovarajućih tvari, najčešće nezasićenih spojeva s dvostrukim i

trostrukim vezama koji su energijski bogatiji i jako reaktivni.

Primjer: nastajanje polietilena (PE) (adicijska polimerizacija), jednog vrlo poznatog i u svakodnevnoj primjeni

vrlo raširenog polimera.

n CH2 = CH2 → - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - → [- CH2 - CH2 -]n

eten ponavljana jedinica polietilen (PE)

monomer mer polimer

49

Reakcija započinje otvaranjem dvostruke veze nezasićenog etena u uvjetima povišene temperature i tlaka.

Otvaranjem dvostruke veze svaki od ugljikovih atoma ima po jedan nespareni elektron koji nastoji spariti bilo

kakvom reakcijom. To se postiže međusobnim povezivanjem ugljikovih atoma i tako dolazi do stvaranja

makromolekule.

Monomer je tvar koja reakcijom s molekulama iste ili različite konstitucije daje polimer.

Mer je ponavljana strukturna jedinica od koje je građena makromolekula.

Polimerne molekule sintetiziraju se iz odgovarajućih monomera u procesu koji se naziva polimerizacija:

monomeri (jednostavniji niskomolekulni spojevi, najčešće nezasićeni) se vezuju u polimernu molekulu kao

složeniju strukturu.

n - stupanj polimerizacije - broj mera u polimernoj molekuli (makromolekuli). To je promjenjiva veličina i

ovisi o uvjetima polimerizacije. Ima veliki utjecaj na svojstva nastalih polimera; što je veći stupanj

polimerizacije to su i uporabna svojstva nekog polimera bolja (ali ne i preradbena).

50

POLIMOLEKULARNOST ili POLIDISPERZNOST je pojava da se makromolekulni sustavi sastoje od

smjese molekula istog kemijskog sastava ali različitih veličina i masa.

Sintetske polimere razvrstavamo na nekoliko načina:

A) Prema porijeklu:

- prirodni oplemenjeni (kaučuk, celuloza)

- sintetski

B) Prema reakcijskom mehanizmu nastajanja (reakciji polimerizacije):

- adicijski (lančani)

- kondenzacijski (stupnjeviti)

C) Prema vrsti veza između makromolekula i ponašanju pri zagrijavanju:

- plastomeri (termoplasti)

- duromeri (duroplasti)

- elastomeri.

D) Prema vrsti ponavljanih jedinica:

- homopolimeri (jedna vrsta ponavljanih jedinica)

- kopolimeri (dvije ili više vrste ponavljanih jedinica)

51

KOPOLIMERIZACIJA: istovremena polimerizacija dva ili više bifunkcionalna sustava od kojih je svaki za

sebe sposoban za polimerizaciju, npr. kopolimer butadien : stiren = 75 : 25 predstavlja osnovu za današnju

industrijsku auto gumu-sintetski kaučuk BUNA S.

butadien polibutadien

stiren polistiren

Primjera za prirodne makromolekule ima mnogo, jer imaju ključnu ulogu u gotovo svim biološkim

procesima. Tako su poznate prirodne makromolekule npr. proteini, zatim nukleinske kiseline. Zatim su vrlo

rašireni u primjeni i poznati prirodni polimeri (u primjenu dolaze oplemenjeni): kaučuk (poliizopren), celuloza

(polisaharid). Sa stajališta industrijskih materijala među prirodnim polimerima najvažnija su vlakna biljnog i

životinjskog porijekla (celuloza, vuna, svila).

CH2=CH-CH=CH2 → (-CH2-CH=CH-CH2-)n

CH2=CH → (-CH2-CH-)nCH2=CH → (-CH2-CH-)n

52

STRUKTURA POLIMERA

Osnovne strukturne karakteristike polimera po kojima se polimeri razlikuju od drugih materijala, a i

međusobno, jesu: veličina makromolekula i neograničena mogućnost strukturnih varijacija. Pod strukturom

polimera razumijevaju se najčešće dvije razine: struktura pojedinačnih makromolekula ili mikrostruktura i

struktura ukupnog polimera ili nadmolekulna struktura (morfologija).

Makromolekule su osnovne strukturne jedinice polimera i tek njihovim međusobnim povezivanjem nastaje

polimer.

Struktura ukupnog polimera ovisit će o:

1. vrsti veza između makromolekula

2. slaganju makromolekula

53

VRSTE VEZA KOD POLIMERNIH MATERIJALA:

1. Kemijske (međuatomne, primarne): -kovalentne

2. Fizikalne (međumolekulne, sekundarne): Van der Waalsove (dipola, disperziona, inducirana), vodikova

Obzirom na vrstu veza između makromolekula i ponašanje pri zagrijavanju polimere dijelimo u tri grupe:

1. PLASTOMERI (TERMOPLASTI)

2. ELASTOMERI

3. DUROMERI (DUROPLASTI)

1. PLASTOMERI (TERMOPLASTI)

su oni polimeri kojima su makromolekule međusobno povezane isključivo sekundarnim vezama. Takve

strukture obično nazivamo linearnom strukturom. Iako su sekundarne veze dosta slabe, obzirom na njihov

veliki broj zbog velikog stupnja polimerizacije, njihova ukupna energija je dovoljno velika da takvi polimeri

pokazuju dobra svojstva. Zagrijavanjem, međutim, te sekundarne veze postepeno slabe i popuštaju. Obzirom na

njihov veliki broj nije moguće odmah i registrirati vanjske posljedice tog popuštanja. No što se dešava u

polimeru na mjestima gdje su popustile sekundarne veze između makromolekula? Na tim mjestima je

omogućena povećana pokretljivost segmenata makromolekula (mikrobrownovo gibanje). Kako s porastom

temperature popušta sve veći broj sekundarnih veza, to pokretljivost segmenata makromolekula postaje sve

54

izrazitija. Vanjska posljedica povećane pokretljivosti makromolekula jest mekšanje polimera. Daljnjim

povišenjem temperature može doći do potpunog popuštanja sekundarnih veza. Makromolekule se potpuno

slobodno gibaju i polimer prelazi u taljevinu. Odvođenjem topline (hlađenjem) dolazi do suprotnog procesa:

sekundarne veze se postepeno uspostavljaju i polimer prelazi ponovno u čvrsto stanje. Obzirom na karakter

sekundarnih veza ovakav se ciklus omekšavanja i očvršćivanja teorijski može stalno ponavljati (zato je

plastomer moguće materijalno reciklirati).

Većina plastomera nastaje adicijskom polimerizacijom. Najpoznatiji su:

- polietilen PE

- polipropilen PP

- polistiren PS

- poli(vinil-klorid) PVC

- poli(tetrafluoretilen) PTFE (teflon)

- polioskimetilen POM

- poli(metil-metakrilat) PMMK

- linearni poliuretan PUR

55

2. ELASTOMERI

imaju djelomično umreženu strukturu što znači da su makromolekule međusobno povezane i sekundarnim i

primarnim vezama. Obzirom na prisutnost sekundarnih veza elastomere se zagrijavanjem može omekšati. Gdje

god postoje sekundarne veze one će uslijed dovođenja topline popuštati što će dovesti do povećanja

pokretljivosti segmenata makromolekula a to je uzrokom mekšanja. No kako sada između makromolekula

postoje i primarne veze elastomere se više ne može rastaliti. O odnosu primarnih i sekundarnih veza ovisit će

koliko će neki elastomer moći omekšati. Primarne veze se elastomerima ugrađuju prilikom njihova oblikovanja.

Oni po reakcijama nastajanja imaju linearnu strukturu, ali njihova svojstva nisu pogodna za praktičnu primjenu.

Naročito može biti nezgodna prevelika istezljivost. Kako bi se svojstva modificirala i time elastomeri učinili

primjenjivima ugrađuju im se primarne veze i to se provodi najčešće postupkom vulkanizacije. Dakle u

primjeni elastomeri uvijek posjeduju između makromolekula i primarne i sekundarne veze.

3. DUROMERI (DUROPLASTI)

imaju potpuno umreženu strukturu a to znači da su im makromolekule povezane primarnim vezama. Zbog

karaktera primarnih veza duromere se zagrijavanjem ne može niti omekšati niti rastaliti. Svojstvo mekšanja i

taljenja posjeduju u fazi dobivanja i zato ih se u toj fazi dobivanja treba i oblikovati. Nakon što poprime

konačni strukturni oblik ne može se kod njih povišenjem temperature izazvati promjena u smislu mekšanja ili

taljenja.

56

Najpoznatiji duromeri jesu:

-fenolformaldehidne smole PF

- melaminformaldehhidne smole MF

- ureaformaldehidne smole (karbamidne smole) UF

- nezasićene poliesterske smole UP

- epoksidne smole ES

- umreženi poliuretani PUR

57

KONSTRUKCIJSKA(TEHNIČKA, INŽENJERSKA ILI INDUSTRIJSKA)

KERAMIKA

1. UVOD

Istraživanja na području materijala, posljednjih su 15-tak godina izrazito usmjerena na razvoj različitih kompozitnih materijala

kao i tehničke keramike.

Proučavanjem sastava, strukture i tehnologija preoblikovanja, žele se unaprijediti neka nepovoljna svojstva klasične keramike -

krhkost nepredvidivost ponašanja u složenim uvjetima opterećenja, osjetljivost na pojavu napuklina, otpornost na toplinski

umor i na toplinske šokove.

Usporedo s time proširuje se polje primjene, od uvjeta rada gdje je tehnička keramika ponajprije upotrebljavana - postojanost

prema različitim agresivnim medijima i visokim temperaturama i visoka tvrdoća, ka dodatno mehanički ili tribološki

opterećenim dijelovima.

Unatoč velikih ulaganja u istraživanja, ostaje još niz ozbiljnih problema koji sprečavanju još širu primjenu za tipične

konstrukcijske dijelove. Principi konstruiranja s keramikom bitno su različiti od onih kod metalnih materijala, a još nije

potpuno objašnjeno ponašanje pod djelovanjem udarnog i promjenjivog mehaničkog opterećenja - kao npr. kako utrošiti višak

unešene energije a da ne dođe do loma. Nadalje, radi izrazitog utjecaja kvalitete polazne sirovine i tehnoloških parametara

oblikovanja na konačna svojstva keramičkih izradaka, dolazi do velikih rasipanja vrijednosti svojstava od nominalnih i općenito

različite kvalitete sličnih dijelova.

58

U svim fazama tehnološkog oblikovanja nužna je brižljiva kontrola, a konačne se pogreške u strukturi - poroznost,

mikronapukline i sl. teško otkrivaju, postojećim metodama ispitivanja.

2. KONSTRUIRANJE S TEHNIČKOM KERAMIKOM

Konstruktori, naučeni poglavito da primjenjuju metalne materijale, teško se odlučuju na

primjenu polimernih, kompozitnih ili keramičkih materijala. Razlog tome leži u činjenici da slabo

poznaju svojstva i ponašanje tih "novih" materijala, ali i u tome što su principi proračuna tj.

dimenzioniranja i općenito konstrukcijsko-tehnološkog oblikovanja, bitno različiti od klasičnih, u

uporabi provjerenih materijala.

U tablici I navedeni su koraci sistematične analize pri konstruiranju, u situaciji kada se

ocjenjuje da bi se mogla primjeniti neka od vrsta tehničke keramike.

* Ovdje se koristi naziv "tehnička keramika", iako se susreću i nazivi: inženjerska, konstrukcijska ili industrijska keramika

59

Tablica I : Zahtjevi kod konstruiranja sa tehničkom keramikom /11/

60

2. SISTEMATIZACIJA VRSTA TEHNIČKE KERAMIKE Na osnovi sastava razlikujemo dvije osnovne skupine tehničke keramike: 1. OKSIDNA - tipični predstavnici: Al2O3 , ZrO2 , Al2TiO5 3. NEOKSIDNA - tipični predstavnici: SiC, Si3N4 , B4C , kubni BN, tvrdi metali: TiN, TiC, AlN. Kako još ne postoji međunarodno opće prihvaćena klasifikacija i označavanje različitih vrsta, to ovdje navodimo najčešće kratice iz inozemne i domaće literature: ZTA - sa ZrO2 pretvorbom ojačani Al2O3 TTC - transformacijski žilavljena keramika DTC - disperzijski žilavljena keramika TTZ - transformacijski žilavljen cirkonijev oksid c - ZrO2 - kubni cikonijev oksid t - ZrO2 - tetragonalni cirkonijev oksid m - ZrO2 - monoklinski cirkonijev oksid PSZ - djelomično stabiliziran cirkonijev oksid sa MgO, CaO ili Y2O3 CSZ - potpuno stabiliziran cirkonijev oksid npr. sa Y2O3 TZP - tetragonalni cirkonijev oksid s Y2O3 ATI - aluminijev titanat MAS - magnezij-aluminij silikat LAS - litij-aluminij silikat Silicijev nitrid: HPSN - vruće prešan HIPSN - vruće izostatički prešan - HIP (Hot Isostatic Pressing) RBSN - reakcijski spojen SSN - sinteriran bez tlaka SRBSN - nakon sinteriranja reakcijski spojen

61

Silicijev karbid: SSiC - sinteriran bez tlaka HPSiC - vruće prešan HIPSiC - HIP prešan SiSiC - silicijev karbid sa slobodnim Si RSiC - rekristalizirani RBSiC - reakcijski spojen RBSiSiC - reakcijski spojen sa slobodnim Si CMC - kompoziti s keramičkom matricom 4. TEHNOLOGIJA OBLIKOVANJA KERAMIČKIH IZRADAKA Tipični stupnjevi i mogućnosti proizvodnje keramičkih dijelova jesu: a) PROCESI PRIPREME SIROVINE : - određivanje sastava, - mljevenje, - miješanje i priprema samljevenog praha, - granuliranje, - spajanje pomoću veziva, - sušenje raspršivanjem. b) OBLIKOVANJE Izbor pogodnog postupka oblikovanja ovisi o udjelu vode i s tim povezanom oblikovljivošću sirovine, ali s druge strane i o konačnoj geometriji dijela, veličini i broju komada. Prema DIN 8580 razlikujemo postupke praoblikovanja i preoblikovanja keramičkih izradaka koji su razvrstani u dvije skupine: prešanje i lijevanje: - rotacijsko oblikovanje, za simetrične okrugle dijelove, - isprešavanje profila, cijevi i šipki (sirovina s oko 20 % vode), - suho prešanje (< 8 % vode). Tlak iznosi > 30 MPa, postupak se može automatizirati i to za veći broj komada, - mokro prešanje ( 8 ... 12 % vode) za složenije oblike, tlak iznosi od 1 do 20 MPa,

62

- izostatičko prešanje. Uz tlak od 400 MPa sirovina postiže 85 % gustoće, - injekcijsko prešanje - za velik broj sitnih dijelova složenog oblika, - lijevanje u formu - Slip Casting ili Schlickergiessen,za pojedinačne voluminozne šuplje oblike. c) SINTERIRANJE - predstavlja najvažniju operaciju u proizvodnji keramičkih izradaka. Razlikujemo sljedeće postupke: - sinteriranje u različitim atmosferama, - reakcijsko sinteriranje (RB), - sinteriranje uz vruće prešanje (HP), - sinteriranje uz vruće izostatičko prešanje (HIP). d) ZAVRŠNA OBRADA : - brušenje dijamantnim alatima, - lepanje, - honanje, - poliranje, - elektroerozija, - lasersko rezanje i obrada.

63

5. SVOJSTVA I PRIMJENA TEHNIČKE KERAMIKE Područja primjene temeljno su određena dominantnim utjecajima u uporabi kao i specifičnim svojstvima ove skupine materijala, a prema drugim skupinama materijala (tablica II). Tablica II : Primjena tehničke keramike /11/

64

Prema metalnim materijalima, tehnička keramika posjeduje sljedeća svojstva: - viša tvrdoća, posebno na povišenim temperaturama, - viša pritisna i savojna čvrstoća, posebno na povišenim temperaturama, - otpornost puzanju, - viši modul elastičnosti - krutost, - niža toplinska i električna provodnost - bolja izolacijska svojstva, - visoka otpornost trošenju,

65

- visoka kemijska postojanost prema različitim medijima, - niska gustoća, - niža toplinska rastezljivost, - dugoročnija, sigurna opskrba sirovinama. Nedostaci tehničke keramike općenito jesu: - mala žilavost - visoka krhkost, - niska otpornost toplinskom umoru (šoku), - niska vlačna čvrstoća, - velika rasipanja vrijednosti za svojstva, - visoki troškovi sirovina i postupaka oblikovanja. Neke tipične vrijednosti za svojstva tehničke keramike, prema metalnim materijalima, navedene su u tablici III. Tablica III : Orijentacijske vrijednosti za svojstva nekih vrsta tehničke keramike

66

SVOJSTVA I PRIMJENA POJEDINIH VRSTA OKSIDNE KERAMIKE

ALUMINIJSKI OKSID - Al2O3

Najduže poznata vrsta koja se komercijalno široko primjenjuje. Normiran prema DIN 40685 i DIN 58835.

Osnovna svojstva u odnosu na druge vrste keramike jesu:

67

- visoka gustoća,

- niska žilavost,

- visoka čvrstoća i tvrdoća,

- dobra otpornost abrazijskom trošenju,

- općenito otporan prema djelovanju agresivne okoline, osim ograničeno prema lužinama,

- dobar električni izolator,

- uz odgovarajuću preradu je proziran pa se rabi u optičkoj industriji,

- niska otpornost toplinskom umoru,

- niska cijena sirovine i usvojena tehnologija oblikovanja...

Povišenje žilavosti moguće je ostvariti kod Al2O3 kompozita gdje je druga faza TiC ili ZrO, ili pak SiC visker.

Područja uobičajene primjene jesu:

- dijelovi reznih alata - pločice,

- vodilice i kotačići u tekstilnoj industriji,

- kotačići za vučenje i vođenje žice,

- ležišta i brtve ventila za vodu,

- dijelovi pumpi za agresivne medije,

- nosioci katalizatora u kemijskoj industriji,

- implantati u ljudskom organizmu...

CIRKONIJEV OKSID - ZrO2

Uporaba ove vrste znatno je šira u elektrotehnici i za glazure nego za dijelove konstrukcija strojeva i uređaja.

68

Kao što je u klasifikaciji navedeno ZrO2 se pojavljuje u tri kristalne modifikacije: m -monoklinski, t - tetragonalni i c - kubni.

Postojanje ovih transformacija koristi se za povišenje žilavosti. Gotovo uvijek sadrži dodatke - MgO, CaO ili Y2O3 koji

sprečavaju transformacije.

Tipična svojstva važna za konstrukcijsku primjenu jesu:

- visoka gustoća,

- visoka toplinska rastezljivost, kao u metala tako da je prikladan za spajanje s njima,

- modul elastičnosti kao u čelika,

- niska otpornost toplinskom umoru,

- niska toplinska provodnost - dobar izolator,

- visoka čvrstoća i žilavost,

- dobra otpornost trošenju,

- niska tvrdoća pa se ne primjenjuje za rezne alate,

- visoka cijena praha...

Područja primjene jesu:

- tanki slojevi na metalnim podlogama - ventili motora,blok motora od sivog lijeva,

osovinice,

- košuljice cilindara,

- mjerni alati i ventili uređaja koji rade u agresivnoj okolini,

- obloge mlinova i kugle za mljevenje u industriji papira i kemijskoj industriji,

- alati za izvlačenje žice - matrice su i do pet puta trajnije od onih iz tvrdih metala, a

brzina izvlačenja se može udvostručiti /1/,

69

- senzori u kisikovim sondama - peći za toplinsku obradu i kontrola gorive smjese u

benzinskim motorima...

SVOJSTVA I PRIMJENA NEOKSIDNE KERAMIKE Kod neoksidne keramike radi se o karbidima i nitridima Si i B s pretežno jakom kovalentnom vezom. Najširu primjenu, za sada

imaju SiC i Si3N4 i to u toplinskim strojevima kao i za alate izložene trošenju.

Osnovna svojstva, prema oksidnoj keramici, jesu:

- visoko talište,

- niska gustoća,

- visoka tvrdoća i čvrstoća na visokim temperaturama,

- dobra otpornost toplinskom umoru - zbog visoke toplinske provodnosti, niske

toplinske rastezljivosti i visoke čvrstoće,

- loša sinterabilnost,

- loša sinterabilnost,

- slaba reproducibilnost kvalitete...

Primjeri primjene su sljedeći /1/:

- lonci u metalurgiji za taljenje Al i Cu legura (RBSN),

- dijelovi pumpa za agresivne medije u kemijskoj industriji (posebno SiSiC i SSiC),

- alati za izvlačenje žice i cijevi (HPSN),

- kuglični i klizni ležajevi. SSiC i HPSN omogućuju rad u agresivnoj okolini i do 700°C,

- dijelovi ventila izloženih eroziji (HPSN i SiSiC),

70

- brtveni prstenovi (SSiC i SiSiC),

- dijelovi filtera i izmjenjivača topline (SiC),

- dijelovi turbina i motora - npr. rotor turbopunjača od SSiC.

KOMPOZITNI MATERIJALI OSNOVE KOMPOZITA Kompozit – je materijal koji se sastoji iz mješavine ili kombinacije dviju ili više makrokomponenti, koje se razlikuju u obliku

i/ili sastavu materijala i u osnovi su netopive jedna u drugoj. Kompoziti su materijali dobiveni pogodnim umjetnim spajanjem

dvaju ili više materijala različlitih svojstava (metali, keramike, polimeri) u cilju postizanja potrebne spesifične kombinacije

svojstava (gustoća, krutost, čvrstoća, toplinska vodljivost, i dr.).

- Građa kompozita

U građi se kompozita razlikujemo: matricu – osnovni materijal određenih svojstava i dodatak – materijal čijim se dodavanjem

postižu potrebne kombinacije svojstava kompozita. Kompoziti se mogu sistematizirati na više načina:

Prema materijalu matrice kompoziti se dijela na:

- metalne,

- keramičke i

- polimerne.

Prema obliku dodataka kompoziti se dijele na kompozite:

- s dodatkom čestica (velike čestice i dispergirane čestice),

71

- s dodatkom vlakana (duga ili kraka i usmjerena ili neusmjerena)

- strukturne ili laminarne (slojevit, stanični i sendvič).

- Osnovna svojstva kompozita

Svojstva kompozita ovise o:

- konstituentima (matrica + dodaci) i njihovim svojstvima,

- volumnim udjelima,

- oblicima,

- veličinama i raspodjelama,

- prirodama i jakostima uzajamnih veza.

Primjeri su često korištenih kompozita:

- beton (cement + šljunak) – keramička matrica ojačana velikim česticama,

- stakloplastika (pliester + staklena vuna) – polimerna matrica ojačana vlaknima,

- šperploča (tanke drvene ploče + ljepilo) – strukturni slojevit kompozit.

- Primjena kompozita

72

Elektrotehnika: električna izolacija dijelova, izolacija od utjecaja elektromagnetnih valova, podloge sklopki, podloge tiskanih

kola, oklopi, kućišta, poklopci, satelitske antene, radarske antene, kupole, vrhovi TV tornjeva, kanali za kab-love, vjetrenjače

Građevinarstvo: stambene jedinice, dimnjaci, betonske konstrukcije, različiti pokrovi (kupole, prozori), bazeni za plivanje,

pročelja zgrada, profili, unutarnji zidovi, vrata, namještaj, kupaone, telefonske kabine

Transport cestama: dijelovi karoserije, kompletne karoserije, volani, branici, rešetke hladnjaka, vratila transmisije, opruge

ogibljenja, spremnici za plin, šasije, zglobovi ogibljenja, navlake, kabine, sjedišta, autocisterne, hladnjače, priko-lice

Transport željeznicom: čeoni dijelovi lokomotiva, konstrukcijski dijelovi vagoni, vrata, sjedišta i unutarnje pregrade putničkih

vago-na, kućišta ventilatora, kabine žičara

Transport morem: brodovi lebdjelice (hoverkrafti), brodovi za spašavanje, patrolni brodovi, male ribarice, ribarski brodovi,

oprema za iskrcaj, minolovci, regatne brodice, brodice za zabavu, kanui

Slika 17.1 Primjena kompozitnih materijala u izradi plovila

73

Zračni transport: konstrukcijski dijelovi putničkih zrakoplova, jedrilice, kupole, usmjerivači zraka, krilca, vertikalni

stabilizatori, krakovi elise helikoptera, propeleri, vratila transmisije, diskovi kočnica zrakoplova, svemirske letjelice

Slika 17.2 Primjena kompozitnih materijala u izradi letjelica Svemirski transport: startne rakete, spremnici, sapnice, oplate za ulazak u atmosferu

Opće strojarstvo: zupčanici, ležajevi, zaštitni pokrovi, tijela dizalica, ruke robota, naplatci, letve za tkanje, cijevi, dijelovi

ploče za crtanje, boce za komprimirani plin, cijevi za morske platforme, radijalni pneumatici

Sport i rekreacija: reketi za tenis i skvoš, štapovi za pecanje, skije, štapovi za skok preko motke, jedrilice, daske za jedrenje,

daske za surfanje, daske za koturanje, lukovi i strijele, atletska koplja, zaštitne kacige, okvir bicikla, oprema za golf, oprema za

sportsko veslanje

74

KOMPOZITI S ČESTICAMA

Orijentacijska je granica promjera čestica koje se dodaju matrici kompozita:

male čestice (za disperzije) < 0,1 µm … 1 µm < velike čestice

- Kompoziti s dispergiranim dodacima

Promjeri su dispergiranih čestica 10 ÷ 250 nm. Dodate čestice ometaju gibanje dislokacija – ojačavaju matricu. Učinak

dispergiranih čestica ovisi o:

- veličini čestica, dp ,

- razmaku između čestica, Dp .

- Kompoziti s dodatkom velikih čestica

Kompoziti koji sadrže veliku količinu velikih čestica ne mogu efektivno spriječiti blokiranje klizanja. Oni su proizvedeni s

prvenstvenom namjerom stvaranja raznih specijalnih svojstava, prije nego li samo povećanje čvrstoće materijala.

Pravilo miješanja, Pojedina svojstva kompozita s česticama zavise samo od relativne količine i svojstava individualnih

komponenti. Pravilo miješanja može točno predvidjeti ova svojstva. Gustoća određenog kompozita, na primjer je:

nn2211ii ρρρρρ ffffc +⋅⋅⋅+=Σ=

cρ - gustoća kompozita, n21 , ρρρ ⋅⋅⋅ - gustoća svake komponente kompozita,

, n21 fff ⋅⋅⋅ - volumni dijelovi svake komponente.

75

- Tvrdi metal

Tvrdi metali sadrže tvrde keramičke čestice disperzirane u metalnoj matrici. Okretne pločice od volframovog karbida, koje

se koriste u alatima za obradu odvajanjem čestica su karakteristične za ovu grupu. Volframov karbid (WC) je tvrda i kruta

keramika s visokom temperaturom taljenja. Na žalost, alati od volframov karbida su vrlo krti. Kako bi se poboljšala žilavost,

čestice volframovog karbida se spajaju s kobaltovim prahom i prešaju u kompaktne pločice. Ove kompaktne pločice se griju

iznad kobaltove temperature taljenja. Tekući kobalt okruži svaku česticu volframovog karbida.

Slika 17.3 Mikrostruktura tvrdog metala s 90% WC i 10% Co

Nakon solidifikacije kobalt je vezivno sredstvo za volframov karbid i omogućuje dobru otpornost na udarce tvrdog metala.

76

- Abrazivi

Brusne i rezne ploče se proizvode iz aluminijevog oksida (Al2O3), silicijum karbida (SiC) i kubičnog bor nitrida (BN). Kako bi

se povećala žilavost koristi se stakleno ili polimerno vezivo. Kod dijamantnih abraziva se kao vezivo u pravilu koristi metalna

matrica. Kako se tvrde čestice istroše, one se lome i izvlače iz matrice, omogučavajući novim brusnim zrnima da dođu u dodir i

obrađuju reznu površinu obratka.

- Električni kontakti

Materijali koji se koriste za električne kontakte u sklopkama i relejima moraju imati dobru kombinaciju električne vodljivosti i

otpornosti na trošenje. Bez tih svojstava, kontakti erodiraju čime se ostvaruje slab kontakt i iskrenje. Srebro pojačano s

volframovim karbidom posjeduje ovu kombinaciju svojstava. Volframova kompaktna pločica se dobiva iz praha

konvencionalnom metodom. Tekuće srebro se ubacuje u praznine. Srebro i volfram su kontinuirani. Tako, da čisto srebro

efikasno vodi struju dok tvrdi WC omogućava otpornost na trošenje.

- Polimerni kompoziti

Mnogi tehnički, polimerni kompoziti, koji sadrže čestice, imaju različite dodatke. Klasičan primjer je ugljično crnilo za

vulkaniziranu gumu. Ugljično crnilo sadrži male kuglice ugljika koje imaju dijametzar od samo 5 do 500 nm. Ugljično crnilo

gumama povećava čvrstoću, krutost, tvrdoću, otpornost na toplinu i trošenje. Punilamogu očvrsnuti polimer, povećati tvrdoću i

otpornost na trošenje, povećati toplinsku vodljivost, poboljšati otpornost na skupljanje, ali ipak, čvrstoća i žilavost se smanjuje.

Kao punila se koriste: kalcijev karbonat, masivne staklene kuglice i različite gline. Čestice elastomera se dodaju polimerima

kako bi se povećala žilavost. Polietilen koji sadrži metalni puder, kao što je olovo, povećava absorpciju fuzijskih produkata, a

koristi se u nuklearnim programima.

77

- Metalni matrični kompoziti s česticama

Metalni kompoziti s česticama se dobivaju umetanjem tvrdih ali lomljivih čestica u mekšu i žilaviju matricu. Oni se koriste u

mnogim tehničkim komponentama, a također su predmet velikog istraživanja i razvoja. Najveća pažnja posvećena je Al

lijevačkim matricama, ali također, Ti, Fe, i Mg bazne slitine su pobudile interest. Najčešće čestice su SiC ili Al2O3, ali i druge

kao što su: TiB2, B4C, SiO2, TiC, WC, BN, ZrO2 su predmet istraživanja. Metalni kompoziti s česticama se proizvode

lijevačkim tehnikama ili s konsolidacijom mješavine praška. Tipično se u strukturnim dijelovima učvršćivajući partikli (čestice)

koji imaju najveće dimenzije od 10 do 20 µm i sačinjavaju približno 30% volumena materijala. Postoje i materijali izvan ovih

granica. Točnije, finiji partikli i njihov veći sadržaj.

Slika 17.4 a) Mikrostruktura aluminijskog matričnog kompozita, i b) njegova primjena

78

KOMPOZITI S VLAKNIMA

Većina kompozita s vlaknima s umetanjem jakih, krutih ali lomljivih vlakana u mekšu i žilaviju matricu omogućuju povećanu:

- čvrstoću,

- otpornost na starenje,

- krutost i

- poboljšan odnos između čvrstoće i težine izratka.

Matrični materijal prenosi snagu na vlakna, koja preuzimaju većinu opterećenja. Koompziti s vlaknima mogu imati veliku

čvrstoću na sobnoj ali i na povišenoj temperaturi. Razni materijali su se poboljšavali s dodavanjem drugih materijala: slama se

koristila za pojačavanje glinenih cigli, čelične šipke se već dugo upotrebljavaju za jačanje betonskih konstrukcija, staklena

vlakna u polimernim matricama (fiberglas)se koriste za proizvodnju kompozitnih dijelova. Ovaj zadnje spomenuti kompozit se

naročito koristi za izradu dijelova u transportnoj i avionskoj industriji. Vlakna napravljena iz: bora, ugljika, polimera i keramike

mogu izvanredno pojačati kompozitne materijale. Oni se baziraju na različitim baznim materijalima, koji mogu biti iz polimera,

metala, keramike ili čak intermetalnog spoja.

79

Slika 17.5 a) Primjera kompozita s vlaknima

80

- Svojstva kompozita s vlaknima

Mnogi faktori se moraju uzeti u obzir prilikom dizajniranja kompozitnog materijala s vlaknima uključujući: dužinu, dijametar,

orijentaciju, količinu, te svojstva vlakana. Također su važni faktori svojstava matrica i veza između matrica i vlakana. Vlakna

mogu biti kratka, dugačka ili kontinuirana. Dimenzije se definiraju odnosom l/d, dužine l i dijametrom d vlakna. Uobičajeno,

vlakna imaju diametar od 10 µm do 150 µm. Čvrstoća kompozita raste s povećanjem odnosa l/d. Veća količina vlakana

povećava čvrstoću i krutost. Ovo pravilo ne vrijedi za veći volumski postotak od 80 % (sva vlakna nisu okružena s matričnim

materijalom). Vlakna mogu biti orijentirana u matricama u različitim smjerovima. Kratka, slobodno orijentirana vlakna, koja

imaju imali odnos l/d se lako unesu u matricu i imaju izotropska svojstva. Dugačka ili čak kontinuirana vlakna imaju

anizotropska svojstva, s naročito velikom čvrstoćom i krutosti u smjeru paralelnom s vlaknima. Na žalost, jednosmjerna

orijentacija vlakana ima i neke slabe karakteristike naročito ako opterećenje djeluje u pravcu okomitom na položaj vlakana.

Dugačka kontinuirana vlakna mogu se postaviti u nekoliko smjerova unutar matrice. Na primjer, ortogonalni razmještaj vlakana

(0º/90º) daje dobru čvrstoću u ova dva međusobno okomita pravca. Kompliciraniji razmještaj vlakana (0º/±45º/90º) omogučava

pojačanje kompozita u različitim smjerovima. Vlakna se mogu rasporediti i u trodimenzionalnom uzorku pa čak se mogu i

vezati u čvorove. Vlakana su snažna, kruta i imaju malu težinu. Važne karakteristike vlakana su:

Specifična

čvrstoća

ρσ y=

Specifični

modul

ρE

=

σy - granica razvlačenja, ρ – gustoća, E – modul elastičnosti.

81

Najviše se upotrebljavaju staklena vlakna koja se sastoje od: čistog silicija, S-stakla (SiO2-25%, Al2O3-10%, MgO) i E-stakla

(SiO2-18%, CaO-15% i Al2O3). Keramička vlakna imaju daleko veću gustoću nego polimerna vlakna i zato se koriste za

izradu kompozita koji su izloženi visokim temperaturama.

Slika 17.6 Raspored vlakana: a) jednosmjeran, b) 0º/±45º/90º raspored

JEDNOSMJERAN 0º/±45º/90º RASPORED

82

- Primjena kompozita s vlaknima

Napredni kompozit je pojam koji se koristi za kompozitne materijale od kojih se izrađuju dijelovi za kritične, specijalne

namjene. Primjer su opterećeni dijelovi za avione i letjelice. Napredni kompoziti su uglavnom kompozitni s polimernom

matricom pojačani s vrlo snažnim polimernim, metalnim ili keramičkim vlaknima. Ugljična vlakna se koriste za dijelove od

kojih se zahtjeva naročito velika krutost. Aramidna i polietilenska vlakna su prikladnija za dijelove od kojih se traži velika

čvrstoća, žilavost i otpornost na oštećenja. Naprendni kompoziti se također koriste za izradu sportske opreme: tenis reketa, golf

palica, štapova za ribolov, kao i jarbola za sportske jedrilice. Kompoziti s metalnom matricom pojačani s metalnim ili

polimernim vlaknima se koriste za izradu dijelova otpornih na visoke temperature. Aluminijske slitine se obično koristi kao

matrični materijal. Aluminij pojačan s borovim vlaknima se koriste u avionskoj i raketnoj industriji. Al2O3 vlakna se koriste za

jačanje cilindara za diesel motore, SiC vlakna i viskersi se koriste u avionskoj industriji, a ugljikova vlakna se koriste za

pojačanje dugačkih konstrukcija aluminijskih antena. Titan pojačan s vlaknima SiC se koriste za izradu turbinskih lopatica i

diskova. Bakrene legure pojačane s SiC česticama se koriste za izradu brodskih propelera. Kompoziti koji sadrže keramička

vlakna u keramičkoj bazi su također našli široku primjenu. Ugljik-ugljik kompoziti se primjenjuju dijelove koji se koriste na

vrlo visokim temperaturama (do 3.000 C). Našli su primjenu u svemirskim letjelicama, disk kočnicama trkačih automobila i

mlaznim avionima.

83

STRUKTURNI KOMPOZITI

- Slojeviti kompoziti

U slojevite kompozite spadaju: različiti tanki slojevi, deblje zaštitne površine, obloge, bimetali, laminati i dr. Mnogi slojeviti

kompoziti su konstruirani radi:

- povećanja otpornosti na koroziju,

- niske cijene,

- velike čvrstoće i

- male težine.

Također su važne karakteristike ovih materijala otpornost na trošenje i abraziju, poboljšan izgled izratka i neobična svojstva

toplinske rastezljivosti.

Slika 17.7 Slojeviti kompozit

0,4 mm

0,2 mm ARAMID POLIMER

ALUMINIJ

ARAMID POLIMER ALUMINIJ

84

- Sendvič kompoziti

Sendvič strukture su specifični materijali, koji sadrže tanke slojeve obložnog materijala vezanog uz neki laki materijal (kao što

je polimerna pjena). Obložni materijal i materijal za punjenje nemaju čvrstoću i krutost sendvič materijala. Poznat primjer je

valoviti kartonski papir. Valovito središte papira se sa svake strane lijepi s ravnim papirom veće debljine. Gledajući

pojedinačno, valoviti papir i debeli vanjski papir nisu čvrsti, no njihova kombinacija je. Drugi koristan primjer sendvič

konstrukcije je saćasta struktura, koja je našla primjenu u avionskoj industriji. Saćasta struktura se proizvodi lijepljenjem

aluminijskih, naboranih traka na određenim mjestima. Saćasti materijal se spaja u panele, ima vrlo malu gustoću i savitljiv je.

No, kad se sa svake čeone strane zalijepi aluminijska ploča, dobije se sendvič struktura, koja ima vrlo veliku čvrstoću i krutost,

a vrlo malu težinu. Postiže se gustoća ove sendvič strukture od 0,04 g/cm3.

Slika 17.6 Sendvič kompozit

Prednja ploča

Prednja ploča

Adheziv

Saćasta struktura

Sendvič konstrukcija

85

IZBOR MATERIJALA RAČUNALOM

Broj novih informacija o materijalima iz dana u dan je sve veći. Istraživači, inženjeri različitih struka - projektanti, konstruktori,

tehnolozi te stručnjaci koji održavaju opremu, sve se teže snalaze u šumi tih podataka i informacija uz pomoć klasičnih

pomagala - priručnika, kataloga proizvođača, normi, časopisa i knjiga.

Danas je uobičajeno da se rezultati istraživanja i ispitivanja materijala brzo prenose do korisnika pomoću suvremenih

informacijskih i komunikacijskih pomagala.

Posljednjih 20-tak godina podaci i informacije o svojstvima i primjeni materijala sustavno se prikupljaju iz različitih izvora,

vrednuju i pohranjuju u baze podataka i baze znanja. Ovako objedinjene i sređene informacije dostupne su preko (slike 1, 2 i 3):

– bibliografskih informacijskih sustava – javnih servisa (podaci iz časopisa, knjiga, izvještaja sličnih izvora),

– numeričkih i numeričko – tekstualnih tzv. faktografskih baza podataka i informacijskih sustava,

– sustava za podršku odlučivanju kao što je između ostalih i CAMS (Computer Aided Materials Selection – Izbor

materijala pomoću računala),

– ekspertnih sustava za ispitivanje, kontrolu i izbor materijala.

86

Slika 1. Izvori za baze podataka

87

Slika 2. Oblici baza podataka

88

Slika 3. Tipovi baza podataka

89

S obzirom na vrstu i broj korisnika, mjesto pohrane podataka kao i način pristupa u sustav

razlikuju se: centralizirani, decentralizirani i lokalni sustavi.

Najznačajnije bibliografske baze podataka i javni informacijski servisi jesu:

METADEX-Metals Abstr.Index, COMPENDEX-Computerized Enginnering Index, NTIS -

National Technical Inf. Service, SDIM-Systeme de Documentation et Inf. Metalurgie, PASCAL,

INSPEC - Int. Inf. Service for the Physics and Eng. Communities, EMA - Eng. Materials Abstr.,

MBF - Materials Business File, WAA - World Aluminium Abstr., Nonferrous Metals Abstracts,

KKF-Kunststoffe Kautschuk-Fasern, CA-Ceramics Abstr., SILICA Ceramic, RAPRA Abstr. i

dr.

90

Organizacija faktografskih sustava započinje sa zaostatkom od 15 do 20 godina, u odnosu na bibliografske sustave. Razlog

tome je izrazito složena i specifična struktura takvih sustava. Podaci i informacije proizlaze iz mnogostrukih primarnih ili

sekundarnih izvora, različitog su stupnja složenosti, pouzdanosti i usporedivosti. Nosioci informacija su raznovrsni

materijali karakterizirani širokom paletom svojstava, a podaci često proizlaze iz nestandardiziranih metoda ispitivanja. Zbog

toga se postojeći sustavi razlikuju: po vrstama i broju obuhvaćenih podataka, stupnju njihove validacije i objektivnosti, strukturi

zapisa podataka, mogućnostima pretraživanja, broju i vrsti korisnika. Nizak je stupanj standardiziranosti u prikupljanju i

pripravi podataka, formatima zapisa i mogućnostima pretraživanja.

Paleta materijala i karakteristika se također sve više proširuje. Izvori podataka su:

"sirovi" ili vrednovani podaci ispitivanja, derivirani literaturni podaci, podaci iz priručnika, kataloga proizvođača i iz normi.

Faktografski sustavi razlikuju se prema skupinama ili vrsti tretiranih materijala, ili prema pohranjenim svojstvima i

karakteristikama, ili pak prema područjima primjene materijala. Tako razlikujemo sustave:

* za proračune osnovnih svojstava materijala – transportna svojstva, dijagrami stanja, termodinamička i termokemijska

svojstva.

* za vrednovanje i evaluaciju izvornih podataka ispitivanja

* za potrebe konstruiranja – standardni podaci za potrebe: konstruiranja (CAD) i metodu konačnih elemenata (FEM).

* za izbor materijala (CAMS) – osnovna svojstva i komercijalne karakteristike koje služe za odlučivanje o optimalnom

materijalu.

* za ponašanje materijala u eksploataciji – svojstva dobivena u simuliranim ili u realnim uvjetima rada; korozija, trošenje,

utjecaj zračenja i dr.

* za razvoj materijala – korištenje izvornih podataka za definiranje parametara proizvodnje materijala; programi za statističku

evaluaciju, optimalizaciju i modeliranje svojstava

91

* za tehnologije oblikovanja i prerade materijala - usmjerenje na CAM i CIM sa svojstvima rezljivosti, oblikovljivosti,

zavarljivosti i sl.

* za praćenje poluproizvoda – raspoloživost i nabavljivost, cijene, specifikacije, upute o primjeni materijala.

* za praćenje propisa, zakona i preporuka – zakoni, propisi, zahtjevi u pogledu zdravlja i sigurnosti ljudi.

Neke značajnije faktografske baze podataka u EU:

HTM-DB – mehanička svojstva materijala za visoke temperature programima za

evaluaciju i modeliranje podataka,

HDATA – podaci o interakciji materijal – vodik,

METALS DATA FILE – mehanička i fizikalna svojstva legura,

CETIM Materiaux – za potrebe konstruiranja i izbora materijala svojstva metala, polimernih materijala, kompozita,

adheziva i maziva za potrebe konstruiranja i izbora materijala,

SOLMAT – zahtjevana svojstva željeznih i neželjeznih legura za posude pod tlakom,

PERITUS – sustav za izbor metala, polimera, kompozita i keramike,

INFOS – podaci o obradljivosti materijala odvajanjem čestica,

THERMODATA – termodinamička svojstva/ravnotežni proračuni, dijagrami stanja,

MATUS – mehanička i fizikalna svojstva metala, polimera i keramike iz kataloga proizvođača,

POLYMAT – svojstva, karakteristike i proizvođači polimernih materijala,

CAMPUS (Computer Aided Material Preselection by Uniform Standard) – standardizirani sustav za izbor polimernih

materijala,

COMETA – inženjerska svojstva za konstruiranje s metalnim i keramičkim materijalima.

92

Neki najznačajniji faktografski sustavi u USA, dostupni preko STN mreže (Scientific & Technical Information Network) koja

je u sprezi s CAS (Chemical Abstracts Service) i povezana s FIZ - Karlsruhe i JICST (Japan Information Center of Science and

Technology) u Tokiju, jesu:

_ NUMERIGUIDE – Informacije za svako svojstvo u BP-a STN mreže.

_ MARTUF – Rezultati ispitivanja žilavosti čelika za brodske konstrukcije,

_ AAASD – Podaci iz normi i literature za aluminijske legure,

_ ALFRAC – Rezultati ispitivanja lomne žilavosti i zarezne vlačne čvrstoće Al legura

_ MDF (Metals Data File) – Sastav, mehanička i fizikalna svojstva, primjena legura,

_ MAT.DB – Svojstva različitih materijala prema normama ili od pojedinih proizvođača,

_ MH5 – Standardni konstrukcijski podaci prema (MIL-HDBK-5) priručniku za vojne

primjene metala u zrakoplovstvu,

_ STEELTUF – Rezultati ispitivanja čelika za energetsku opremu i naftnu industriju,

_ PLASPEC – Mehanička, toplinska, električka i optička svojstva prema specifikacijama proizvođača, komercijalni nazivi i

tehnološki parametri,

_ IPS – Svojstva polimera - podaci proizvođača i dobavljača,

_ COPPERDATA – Sastav, oznake, svojstva, primjena, proizvodnja i dobavljači bakrenih legura.

93

Struktura i osnovne funkcije CAMS sustava

Jezgru CAMS sustava čini baza podataka i znanja o svojstvima i ponašanju te primjeni različitih materijala.

Aplikativna programska podrška servisira korisnika putem modula za obradu upita, zahtjeva i kriterija izbora te prezentacije

rezultata. Neki CAMS sustavi sadrže i mogućnosti povezivanja s CAD modulima. Za potrebe evaluacije i vrednovanja ulaznih

ili već pohranjenih podataka, služe i statistički moduli, a kod nekih specijaliziranih CAMS sustava postoje i specifični modeli

za ekstrapolaciju ili interpolaciju podataka kao i za različite simulacije ponašanja materijala. U ponekim programskim paketima

ugrađene su i funkcije vrednovanja putem kojih se traži optimalno rješenje.

Osnovne programske mogućnosti i funkcije CAMS sustava jesu (slika 4):

– identifikacija materijala zadavanjem sastava, oznake, nekog svojstva ili deskriptora,

– informiranje o svojstvima poznatog materijala,

– sortiranje i eliminacija materijala na temelju zadanih vrijednosti ili ključnih riječi,

– traženje optimalnog materijala pomoću funkcija i kriterija vrednovanja,

– vođeni izbor i savjetovanje pomoću ugrađene logike izbora.

Ekspertni sustavi (ES)

Ako za donošenje odluka nisu dovoljni samo podaci, nego su potrebni iskustvo i specifična znanja, primjenjuju se metode

umjetne inteligencije ugrađene u ekspertne sustave. Takvi sustavi teže davanju ekspertnih savjeta i odluka pa se u njima nalaze

skupovi tzv. produkcijskih pravila koja čine "stroj ili mehanizam odlučivanja". Putem pravila reprezentira se znanje na

različitim razinama – od preslikavanja zahtjeva u svojstva materijala, preko korelacije između svojstava, pa do preporuka o

prikladnim materijalima. Pomoću pravila ubrzava se proces zaključivanja i donošenja odluka u odnosu na klasična

pretraživanja i usporedbe svojstava.

94

Jezgru ES čine baza podataka i baza znanja. Pri razvoju ES osnovni problem je pronalaženje eksperata koji mogu prikladno

prezentirati potrebno znanje i postupak odlučivanja, kao i tzv. "inženjera znanja" čiji je zadatak da prikupe sistematiziraju i

oblikuju ekspertno znanje i postupke te isto prenesu u računalo.

Slika 4. Primjer traženja svojstava materijala pomoću računala (CAMS sustav)

95

Ovakvi sustavi se tek razvijaju i njihova primjena je moguća, za sada, samo u posebnim užim područjima primjene materijala.

Neki od ES u primjeni jesu:

General Electric Metals Analyst – za identifikaciju metala;

Westinghouse ES – za dijagnostiku korozijskih procesa;

ACOLADE – za projektiranje laminatnih kompozita;

EVENT – za razvoj kompozitnih materijala i prevlaka;

WEKEB – sustav za transformaciju kriterija izbora u relevantna svojstva materijala, ovisno o uvjetima rada i geometriji

dijela;

CORIS – za izbor i primjenu materijala u uvjetima korozije;

ACHILLES – za korozijski postojane materijale;

EXPSSC – za izbor metalnih materijala u uvjetima djelovanja sumporovodika (sulfidna napetosna korozija);

RULELEARN – modul za interpretaciju činjenica u bazama podataka koji ekspertu daje logička pravila o ponašanju

materijala.

Informacije o materijalima u proizvodnji

U proizvodno - poslovnim procesima, poredano prema važnosti i složenosti odlučivanja, razlikujemo tri razine gdje su potrebne

informacije o materijalima:

a) pri donošenju poslovnih odluka koje su vezane uz materijale – zalihe, potrošnja (količinski i vrijednosni pokazatelji), ulaz

u nove proizvodne programe ili poboljšanja postojećih, temeljem saznanja o boljim ili novim materijalima;

96

b) pri razvoju proizvoda i proizvodnje: izbor materijala i/ili uz njih vezanih tehnoloških postupaka; razrada tehnoloških

postupaka; provjera nosivosti, sigurnosti i trajnosti konstrukcija, primjenjujući podatke o svojstvima materijala; kontrola

kvalitete materijala i proizvoda; interna normizacija i tipizacija materijala;

c) za upravljanje materijalom u proizvodnom procesu – praćenje raspoloživosti i nabavljivosti; skupljanje i obrada rezultata

vlastitih ispitivanja i praćenja materijala; obrada povratnih informacija o ponašanju materijala u uporabi (lomovi, istrošenja i

druga opažanja); praćenje stanja i fizičkih tokova materijala uključujući zalihe, potrošnju, iskoristivost (odmetak i otpad). S

obzirom da postoje različiti informacijski sustavi i komercijalni servisi koji nude podatke o materijalima, bilo bi sasvim

neracionalno da svako poduzeće ili tvornica organizira vlastiti sustav. Na taj bi se način nepotrebno multipliciralo prikupljanje i

obrada opće poznatih podataka o svojstvima materijala. Logično je da svaka proizvodna sredina sustavno prati informacije o

onim materijalima i svojstvima, koji su bitni za proizvodnju ili za konkurentnost vlastitih proizvoda. Manje ili srednje

proizvodne sredine obično nemaju ni kadrovskih niti financijskih mogućnosti da se upuste u ozbiljniji razvoj informacijskih

sustava, te stoga moraju koristiti dostupne vanjske resurse.

Mogućnosti primjene informacijskih resursa izvan neke proizvodne sredine, u načelu su

različite:

a) kupnja, posudba ili razmjena paketa podataka ili CAMS i ES koji su obično dostupni na disketama ili na CD ROM (compact

disk) i to za PC;

b) online povezivanje s jednim ili više informacijskih centara;

b) uključenje u javne komunikacijske mreže, koje omogućuju pretraživanje niza baza

podataka (bibliografskog i faktografskog tipa).

Integracija informacija o materijalima u CA sustave

97

Za veći dio procesa projektiranja i konstruiranja nužni su podaci o svojstvima materijala, bilo za neovisan izbor materijala

(slika 5) bilo u CAD sustavima za analizu naprezanja, deformacija, dinamike strujanja, temperaturnih polja, pomoću metode

konačnih elemenata (FEM – Finite Elements Methods).

Slika 5. Veza između izbora materijala i konstruiranja

98

U fazi izrade, odnosno proizvodnje (CAM sustavi), radi se o utvrđivanju parametara obrade na NC, CNC ili pak klasičnim

strojevima, kontroli kvalitete – uključujući i materijale te mnogim drugim procesima, koji se nastoje voditi ili podržati

računalom. Cilj je ostvariti integrirani sustav upravljanja proizvodnjom pomoću računala (CIM). FEM programi koriste se kao

pomoć u simulacijama procesa lijevanja, injekcijskog prešanja, hladnog i toplog oblikovanja metalnih materijala i sličnim

procesima. Informacije o materijalima pohranjene su, ili se mogu pohraniti, u baze podataka koje su

centralni dio mnogih modernih CA sustava.

Domaće baze podataka i CAMS i ekspertni sustavi

Najviše iskustava i rezultata na ovom području ima Zavod za materijale Fakulteta strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u

Zagrebu. Dosadašnje aktivnosti bile su usmjerene na organizaciju CAMS modula za različite skupine materijala, koji uključuje

razvoj faktografskih baza podataka i vlastitog aplikativnog softvera za pretraživanje, usporedbu i izbor te optimalizaciju

materijala. Sada se razvijaju ekspertni sustavi za identifikaciju i rješavanje problema abrazijskog trošenja, kao i za definiranje

parametara postupaka toplinske obrade metala i predviđanje svojstava.