🔔

Τα Κράματα

Τι είναι κράμα, μπρούντζος, ορείχαλκος, χάλυβας, ανοξείδωτος χάλυβας, κράματα αλουμινίου — ιδιότητες και χρήσεις

Γιατί το καρφί σκουριάζει, αλλά το κουταλάκι όχι;

Άφησε ένα σιδερένιο καρφί και ένα ατσάλινο κουταλάκι στο μπαλκόνι για μερικές εβδομάδες. Το καρφί θα σκουριάσει, το κουταλάκι πρακτικά όχι. Το μυστικό: το κουταλάκι δεν είναι από καθαρό μέταλλο, αλλά από κράμα. Σχεδόν τίποτα γύρω σου δεν είναι από καθαρό μέταλλο — ούτε τα κέρματα, ούτε οι γέφυρες, ούτε τα αεροπλάνα.

Τι είναι τα κράματα

Κράματα είναι τα υλικά που αποτελούνται από δύο ή περισσότερα στοιχεία, από τα οποία το ένα τουλάχιστον είναι μέταλλο, και εμφανίζουν τις ιδιότητες των μετάλλων.

Από τη 2η χιλιετία π.Χ. οι άνθρωποι ανακάτευαν και επεξεργάζονταν μέταλλα για να φτιάξουν υλικά με καλύτερες ιδιότητες. Ένα από τα πρώτα ήταν ο μπρούντζος (χαλκός + κασσίτερος). Σήμερα σπάνια φτιάχνουμε αντικείμενα από καθαρά μέταλλα: με την κατάλληλη ανάμειξη πετυχαίνουμε μεγάλη σκληρότητα, αντοχή στη διάβρωση και στη σκουριά, ιδιαίτερη μαγνητική ή ηλεκτρική συμπεριφορά.

Πολλά κράματα είναι στερεά διαλύματα — θυμήσου τα μείγματα και διαλύματα.

Γνωστά κράματα

Μπρούντζος: χαλκός – κασσίτερος (Cu – Sn) → αγάλματα, καμπάνες.
Ορείχαλκος: χαλκός – ψευδάργυρος (Cu – Zn) → αγάλματα· είναι πιο σκληρός και από τον καθαρό χαλκό και από τον καθαρό ψευδάργυρο.
Χάλυβας (ατσάλι): σίδηρος με 0,2–1,8% w/w άνθρακα → πιο σκληρός και ανθεκτικός από τον σίδηρο· ελατήρια, ρουλεμάν, σκελετοί κτιρίων και γεφυρών. Με χρώμιο γίνεται ανοξείδωτος, με νικέλιο ελατός και όλκιμος.
Ντουραλουμίνιο: αργίλιο – χαλκός – μαγνήσιο – μαγγάνιο → αεροναυπηγική. Τα κράματα αλουμινίου είναι ελαφριά, σκληρά και δεν σκουριάζουν, αλλά κοστίζουν πολύ περισσότερο από το ατσάλι.
Οδοντιατρικό αμάλγαμα: υδράργυρος – άργυρος – κασσίτερος – ψευδάργυρος → σφραγίσματα.

Γρήγορος έλεγχος

Από ποια μέταλλα αποτελείται ο μπρούντζος;

Μέθοδος: διαλέγω κράμα για μια χρήση

Ποια ιδιότητα χρειάζεται; (σκληρότητα, αντοχή στη σκουριά, μικρό βάρος, ήχος, τιμή)
Σκληρό και φτηνό δομικό υλικό → χάλυβας.
Δεν πρέπει να σκουριάζει (μαχαιροπίρουνα, νεροχύτες) → ανοξείδωτος χάλυβας (με χρώμιο).
Ελαφρύ και ανθεκτικό (αεροπλάνα, κουφώματα) → κράματα αλουμινίου (ντουραλουμίνιο).
Αγάλματα, καμπάνες → μπρούντζος ή ορείχαλκος.
Για ποσότητες: μάζα συστατικού $= \dfrac{\%\ w/w}{100} \cdot$ μάζα κράματος.

Παράδειγμα — πόσος άνθρακας στο ατσάλι; Μια ατσάλινη ράβδος $2\ \text{kg}$ περιέχει $1\%$ w/w άνθρακα.

Λύση: $\dfrac{1}{100} \cdot 2000\ \text{g} = 20\ \text{g}$ άνθρακα και $1980\ \text{g}$ σίδηρο.

Απάντηση: μόλις $20\ \text{g}$ άνθρακα αρκούν για να γίνει ο σίδηρος πολύ πιο σκληρός.

Παράδειγμα — ανοξείδωτη κατσαρόλα 18/10: Η ένδειξη σημαίνει $18\%$ χρώμιο και $10\%$ νικέλιο (w/w), το υπόλοιπο κυρίως σίδηρος. Πόσο από το καθένα έχει μια κατσαρόλα $500\ \text{g}$ ;

Λύση: Χρώμιο: $\dfrac{18}{100} \cdot 500 = 90\ \text{g}$ · νικέλιο: $\dfrac{10}{100} \cdot 500 = 50\ \text{g}$ · υπόλοιπο: $500 - 90 - 50 = 360\ \text{g}$ .

Απάντηση: $90\ \text{g}$ Cr, $50\ \text{g}$ Ni, περίπου $360\ \text{g}$ σίδηρος (και λίγος άνθρακας).

Λυμένη άσκηση (τύπου διαγωνίσματος):

Δεδομένα: Χρήσεις: (α) σκελετός ουρανοξύστη, (β) κουφώματα παραθύρων, (γ) καμπάνα εκκλησίας, (δ) μαχαιροπίρουνα.

Ζητούμενα: Κατάλληλο κράμα για κάθε χρήση, με αιτιολόγηση· ορισμός του κράματος.

Λύση:

(α) Χάλυβας: σκληρός, ανθεκτικός και φτηνός.

(β) Κράμα αλουμινίου: ελαφρύ και δεν σκουριάζει.

(γ) Μπρούντζος (Cu – Sn): παραδοσιακό υλικό για καμπάνες και αγάλματα.

(δ) Ανοξείδωτος χάλυβας: το χρώμιο τον προστατεύει από τη σκουριά.

Ορισμός: κράμα είναι υλικό από δύο ή περισσότερα στοιχεία, με ένα τουλάχιστον μέταλλο, που εμφανίζει ιδιότητες μετάλλων.

Απάντηση: όπως παραπάνω.

Γρήγορος έλεγχος

Γιατί το ατσάλινο κουταλάκι δεν σκουριάζει όπως το σιδερένιο καρφί;

Γρήγορος έλεγχος

Ποιο είναι το κύριο πλεονέκτημα των κραμάτων αλουμινίου στην αεροναυπηγική;

Κόλπο μνήμης

Ο μπρούντζος φτιάχνει καμπάνες — και η Καμπάνα ξεκινά με Κ, όπως ο Κασσίτερος (Cu + Sn). Ο ορείχαλκος κρύβει το «ψεύτικο ασήμι», τον ψευδάργυρο (Cu + Zn). Και ο χάλυβας θέλει λίγο άνθρακα: μόλις 0,2–1,8%.

Ήξερες ότι;

Τα καράτια στα κοσμήματα μετρούν πόσο χρυσό έχει ένα κράμα: ο καθαρός χρυσός είναι 24 καράτια. Ένα δαχτυλίδι 18 καρατίων έχει $\dfrac{18}{24} = 75\%$ χρυσό και το υπόλοιπο άλλα μέταλλα (χαλκό, άργυρο), που το κάνουν σκληρότερο — ο καθαρός χρυσός είναι πολύ μαλακός για κόσμημα.

Πρόκληση

Ένα δαχτυλίδι ζυγίζει $4\ \text{g}$ . (α) Πόσο καθαρό χρυσό έχει αν είναι 18 καρατίων; (β) Και αν είναι 14 καρατίων; (γ) Αν ο χρυσός κοστίζει 60 € το γραμμάριο (και τα άλλα μέταλλα ελάχιστα), πόση διαφορά αξίας σε χρυσό έχουν τα δύο δαχτυλίδια;

Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση

(α) $\dfrac{18}{24} \cdot 4 = 3\ \text{g}$ χρυσός.

(β) $\dfrac{14}{24} \cdot 4 = \dfrac{56}{24} \approx 2{,}33\ \text{g}$ χρυσός.

(γ) Διαφορά $3 - 2{,}33 \approx 0{,}67\ \text{g}$ , δηλαδή $0{,}67 \cdot 60 \approx 40$ €.

Απάντηση: $3\ \text{g}$ · περίπου $2{,}33\ \text{g}$ · περίπου 40 € — και το 14άρι είναι πιο σκληρό, γιατί έχει περισσότερα άλλα μέταλλα.

Συνηθισμένα λάθη

Μπρούντζος ↔ ορείχαλκος. Μπρούντζος: Cu – Sn· ορείχαλκος: Cu – Zn.
«Κράμα = μόνο μέταλλα». Ο χάλυβας περιέχει άνθρακα (αμέταλλο)· αρκεί ένα τουλάχιστον μέταλλο.
«Το κράμα έχει τις ιδιότητες του μετάλλου που περιέχει». Συχνά έχει καλύτερες (ο ορείχαλκος είναι σκληρότερος και από τα δύο συστατικά).
«Ο χάλυβας έχει πολύ άνθρακα». Μόλις 0,2–1,8%.

Σύνοψη — τι κρατάμε

Κράμα: δύο ή περισσότερα στοιχεία, ένα τουλάχιστον μέταλλο, με ιδιότητες μετάλλων — συχνά καλύτερες από των συστατικών.
Μπρούντζος Cu – Sn, ορείχαλκος Cu – Zn, χάλυβας Fe + 0,2–1,8% C (με Cr ανοξείδωτος), ντουραλουμίνιο Al – Cu – Mg – Mn, αμάλγαμα Hg – Ag – Sn – Zn.
Επιλογή κράματος ανάλογα με τη χρήση: σκληρότητα, αντοχή στη σκουριά, βάρος, κόστος.
Πολλά κράματα είναι στερεά διαλύματα.

Τι είναι τα κράματα

Πολλά κράματα είναι στερεά διαλύματα — θυμήσου τα μείγματα και διαλύματα.