Table Of Content

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 materialfaktor er som styrke, duktilitet, korrosjonsresistens etc. Denne boka er ment å skulle gi leserne opplysninger om de mest kjente ikke-jern- metaller (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 f or seg grunn leggende prinsipper, og stoff valget har hovedvekt på det praktiske for å gi et solid grunnlag og interesse for fagområdet. Det er ikke tvil om at f or lite kjennskap til teknologien koster landet enorme beløp hvert år i f orm av brudd, korrosjonsska- der 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 99 18.1 Edelmetaller 99 18.2 Andre metaller 101 Stikkord 107 1 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 Kobber og (CuFeS2), bornitt (Cu3FeS3) og kobber- glans (Cu2S). 2. Oksydiske malmer, f. eks. rød kobbermalm, kobber- kupritt (Cu2O). Sulfidmalmene utgjør den største gruppen, og 90 % av alt kobber utvinnes av disse. legeringer 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 Av siv. ing. Olav J. Herstad smelting der uønskede elementer går vekk med avgassene eller i slaggen. Ved den våte prosess løses metallforbind- elsene i syre eller lut, og kobberet blir så ut- felt 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......3..0.. ...%................ 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 støpe- konduktivitet da det kobber-I-oksyd som er legeringer eller som knalegeringer, dvs. de som utskilt i metallet, ikke nedsetter konduktivi- er egnet for plastisk bearbeiding. teten i vesentlig grad. Kobber-I-oksyd har Støpelegeringene kan nyttes for sandstøping, en gunstig innvirkning på støpbarheten. Av kokillestøping og trykkstøping (presstøping). hengig av hvor langt raffineringen er drevet Knalegeringene valses, ekstruderes (stang (også avhengig av råmaterialene), kan andre presses), smis eller trekkes. Sponfraskillende forurensninger være til stede, og en må regne bearbeiding og dimensjonstoleranse nyttes for med at de vil nedsette konduktiviteten. I så begge grupper. måte har elektrolytt-kobber lite forurensninger Støpelegering kalles i engelsk terminologi (se^. 1.1). for east alloy og i tysk for Gusslegierung. Dessverre er oksygenholdig kobber hydro- Knalegering kalles henholdsvis wrought alloy genskjørt. Hy dr ogenskj ørheten kan oppstå når og Knetlegierung. kobberet utsettes for hydrogenholdig atmo sfære ved høyere temperaturer. Ved sveising og 1.3.1 Ulegert kobber gløding under slike forhold vil hydrogen dif- 1.3.1.1 Oksygenholdig elektrolytisk kobber fundere inn i kobberet og reagere med oksygen Cu-FRTP (Fire-refined tough pitch). NS under dannelse av vanndamp som vil føre til 16013 oppsprekking. Cu-ETP (Electrolytic tough pitch). NS 16010 Cu-FRHC (Fire-refined high conductivity tough pitch). NS 16010 1.3.1.2 Oksygenfritt kobber Med oksygenholdig kobber forstås kobber Fosfordesoksydert kobber som ved raffinering eller elektrolyse har fått et Cu-DHP (Phosphorized high residual phos- oksygeninnhold på 0,015-0,04 %. Oksygen phorus) NS 16015 foreligger bundet til kobber som kobber-I- Cu-DLP (Phosphorized low residual phos- oksyd (Cu2O). Denne kvalitet har høyeste phorus) 10 Hvor en ønsker et kobber som ikke er Sølvholdig kobber hydrogenskjørt, må oksygen fjernes. Fosfor er Cu-STP (Silver-bearing tough pitch) et meget godt desoksydasjonsmiddel, og i form NS 16030 av fosforkobber blir dette tilsatt smeiten. Cu-DPS (Phosphorized silver-bearing) Oksygen forslagges som P2O5, men noe fosfor NS 16032 løses i kobberet slik at det får et fosforinnhold (desoksydert) på 0,01-0,05 %. Men derved blir konduktivi- Opprinnelig var sølv et naturlig følgeele- teten nedsatt (se fig. 1.1). Elementer som ment i kobber. Da sølv gir gode egenskaper, danner blandkrystaller med kobber ved rom bl. a. bedre fasthet ved høyere temperaturer temperaturen (altså ikke utskilt som egen enn rent kobber, blir sølv nå tilsatt bevisst. fase), setter konduktiviteten ned (ved oksygen- Sølvholdig kobber finnes i to kvaliteter: oksy- holdig kobber er Cu2O utskilt som egen fase). genholdig og desoksydert. Anvendelse til kommutatorlameller, tråd, Oksygenfritt kobber med høy konduktivitet bånd etc. Sølvinnholdet ligger mellom 0,08 og Cu-OF (Oxygen-free, without residual deoxi- 0,25 % og setter ikke konduktiviteten ned i dants) NS 16011 vesentlig grad. At sølv kan sette ned konduk tiviteten i kobber enda det i seg selv har høyere Ønskes et kobber med maksimal konduktivi ledningsevne, beror på at det løste sølv fører tet samtidig som det ikke er hydrogenskjørt, til gitterforstyrrelser i kobberet. benyttes kobber som er vidtgående raffinert. Dette fremstilles ved omsmelting av oksygenholdig kobber under en atmosfære av be- 1.3.1.3 Fysikalske egenskaper skyttelsesgass. Konduktiviteten for noen rene metaller er satt opp i tabell 1.2. Tabell 1.2 Sølv Ag 62 MS/m Kobber Cu 59 » Gull Au 45 » Aluminium Al 36 » Sink Zn 16 » Jern Fe 10 » Bly Pb 4 » For de teknisk anvendte kobberkvaliteter gjelder følgende tabell 1.3. Tabell 1.3 Cu - FRTP 57 MS/m Cu - FRHC1 57-58 » Cu - ETP J Cu - OF 58 » Cu - DHP 50 » Cu - DLP 57 » Cu - STP] 54 » Cu - DPSj Konduktiviteten minker ved høyere tempe raturer, og den blir også noe nedsatt ved kald- Fig. 1.1. Innflytelse av forskjellige elementer på kob bearbeiding. berets konduktivitet. 11 Den termiske konduktiviteten hos kobber berkvaliteter er i glødet tilstand tilnærmet er meget høy sammenlignet med andre like. I hardbearbeidet tilstand er fastheten metaller. For helt rent kobber er den om avhengig av kalddeformasjonsgraden for den trent 400 W/K • m (0,95 cal/cm • s • °C) og enkelte kvalitet. Tabell 1.4 gir karakteristiske for teknisk rent kobber ca. 380 W/K • m (ca. mekaniske egenskaper, og fig. 1.2 viser fast 0,90 cal/cm • s • °C). hetsegenskapene som funksjon av kalddeforma Fasthetsegenskapene for de forskjellige kob- sjonsgraden. Tabell 1.4 Strekkfasthet Flytegrense Tøyning Hardhet Tilstand ..................................... Rm (<?b) -ReH (°Fø) A (<56) Vickers N/mm2 (kp/mm2) N/mm2 (kp/mm2) % HV Glødet......................................... 210 (21) 40 (4) 45 40-50 Hardbearbeidet knatilstand. . . 230-420 (23-43) 100-390 (10-40) 30-6 60-130 Generelt øker bruddfastheten ved synkende også i metallverkene spesielt til handelskvali- temperatur ned til — 200 °C. Mens brudd teter, og da uten spesiell raffinering. fastheten for glødet kobber ved romtemperatur De forskjellige smeltemetoder krever sine ligger på ca. 200 N/mm2, kommer den opp i spesielle smelteteknikker. Til smelting benyt ca. 400 N/mm2 ved — 200 °C. tes elektriske høy- eller middelfrekvensovner og gass- eller oljefyrte ovner. 1.3.1.4 Smelting, støping Spesielt må en ha kontroll under smeltingen Kobberraffineriene forsyner metallverkene for å hindre gassopptak som vil gi porer i med raffinert kobber for videre omsmelting godset. Støpetemperatur og støpehastighet er eller foredling. av største betydning for både tetthet og Betydelige mengder kobberskrap omsmeltes struktur. Fig. 1.2. Kobberets fasthetsegen- skaper som funksjon av deforma- sjonsgraden. 12