Neželezné kovy – lehké a přísadové

1. Neželezné kovy – lehké a přísadové Email: mhorakova@pf.jcu.cz Tel: 387 77 3057 MTDII

2. Lehké neželezné kovy Do skupiny lehkých neželezných kovů jsou zařazovány kovy, jejichž hustota je nižší než 5.000 kg.m-3 (5.103 kg.m-3). Patří sem hliník, hořčík, titan, beryllium a jejich slitiny. MTDII

3. Hliník Hliník (Al) má hustotu 2,7.103 kg.m-3, teplotu tavení 658 °C, bílou barvu. Je měkký a tvárný, špatně slévatelný, obtížně obrobitelný a svařitelný tavným způsobem. Jeho pevnost je přibližně 80 N.mm-2, tažnost asi 40 %. Má velmi dobrou elektrickou a tepelnou vodivost, dobrou odolnost proti chemickým vlivům. Na svém povrchu se pokrývá souvislou a tvrdou vrstvičkou oxidu hlinitého (Al2O3), která má vysokou teplotu tavení (2 000 °C) a je dobrým elektrickým izolantem. MTDII

4. Hliník Hliník je třetím nejvíce zastoupeným prvkem v zemské kůře. V přírodě se vyskytuje zejména ve sloučeninách, nejznámější rudou hliníku je bauxit. Čistý hliník se užívá nejčastěji v elektrotechnice a pro zařízení k výměně tepla, dále v chemickém a potravinářském průmyslu (nádoby, obaly). Hliník je užíván také jako přísadový kov. MTDII

5. Slitiny hliníku Slitiny hliníku jsou podle způsobu zpracování rozdělovány na tvářené a slévárenské. Tvářené slitiny hliníku je možno podle účelu použití rozdělit do dvou dalších skupin: slitiny s vysokou pevností a slitiny s dobrou odolností proti korozi. U tvářených slitin první skupiny, které jsou legovány Cu, Mg, Ni a Zn, je možno zvláštním tepelným zpracováním (vytvrzováním) podstatně zvýšit pevnost i nad 500 N.mm-2. Tyto slitiny jsou známy pod názvem dural. Užívají se na výrobu lehkých a pevných strojních součástí, které odolávají vyšším teplotám (například písty a ojnice spalovacích motorů). Tvářené slitiny se zvýšenou odolností proti korozi jsou legovány Si, Mg a Mn. Jsou známy pod názvy hydronalium nebo pantal. Užívají se při stavbě letadel a lodí, v chemickém a potravinářském průmyslu, stavebnictví. MTDII

6. Slitiny hliníku Hlavním legujícím prvkem slévárenských slitin je Si, který výrazně zlepšuje slévatelnost hliníku. V menším množství jsou slévárenské slitiny hliníku legovány Cu, Mg, Ni. Některé z těchto slitin je možno pro zvýšení pevnosti vytvrzovat. Dobře odolávají chemickým vlivům, špatně se obrábějí. Užívají se ve stavbě letadel, pro klikové skříně a další části spalovacích motorů namáhaných za zvýšené teploty. Známy jsou pod názvem siluminy. MTDII

7. Hořčík Obtížná zpracovatelnost vznětlivost při obrábění a metalurgickém zpracování Hořčík (Mg) má hustotu 1,74.103 kg.m-3, teplotu tavení 650 °C, pevnost asi 170 N.mm-2, tažnost asi 10 %, vysokou slučivost s kyslíkem. Je velmi dobře slévatelný, ale špatně tvárný. Je horším vodičem elektrického proudu a tepla. MTDII

8. Hořčík Hořčík je v zemské kůře silně zastoupen, řadí se na 6. místo podle výskytu prvků. V důsledku své poměrně velké reaktivity se v přírodě vyskytuje pouze ve sloučeninách. Z minerálů je velmi hojný dolomit, směsný uhličitan hořečnato-vápenatý. Kovový hořčík se průmyslově vyrábí elektrolýzou roztavené směsi chloridu hořečnatého nebo redukcí oxidu hořečnatého. V čisté podobě se užívá v pyrotechnice (součást termitu). Velká reaktivita kovového hořčíku se uplatňuje v metalurgii, kde se užívá k odsíření a desoxidaci surového železa a oceli a k deoxidaci neželezných kovů. Ve strojírenství se užívají jeho slitiny s Al, Zn, Mn, Si a dalšími. Známou slitinou je pevný a lehký elektron. MTDII

9. Titan Titan (Ti) má hustotu 4,5.103 kg.m-3, teplotu tavení 1 655 °C, velmi dobré mechanické vlastnosti: pevnost přibližně 400 N.mm-2, tažnost asi 35 %. Je dobrým vodičem tepla i elektřiny. Velmi dobře odolává působení kyselin i louhů, ale má vysokou slučivost s kyslíkem, dusíkem a uhlíkem, zejména za vyšších teplot. Je tvárný za tepla (asi 900 °C), svařitelný elektrickým obloukem i odporově, špatně obrobitelný. MTDII

10. Titan Je poměrně hojně zastoupen v zemské kůře, je sedmým nejrozšířenějším kovem. V malém množství je titan obsažen ve většině minerálů. Mezi jeho nejvýznamnější rudy patří ilmenit - (FeTiO3 oxid železnato-titaničitý) a rutil (TiO2 - oxid titaničitý). Cena titanu je v důsledku jeho obtížné a nákladné výroby zatím relativně vysoká. Čistý titan se užívá zejména v chemickém a potravinářském průmyslu (zdravotně nezávadný), lékařství (chirurgické nástroje a kovové části trvale umístěné v lidském těle), jako legura do ocelí a k vytváření protikorozních ochranných vrstev. Titanové slitiny jsou legovány Cr, Mo, W, Al a V. Po vytvrzení mají pevnost až 1400 N.mm-2. Pro svou vysokou pevnost při malé hmotnosti se používají v letectví a stavbě náročnějších silničních vozidel. MTDII

11. Beryllium Beryllium (Be) má hustotu 1,85.103 kg.m-3, teplotu tavení 1 287 °C. Za normální teploty je velmi tvrdé a křehké. Za červeného žáru je tažné. Vede špatně elektrický proud a teplo. Má vysokou propustnost pro rentgenové záření. V důsledku jeho poměrně velké reaktivity se v přírodě nalézá pouze se sloučeninách. Nejdůležitějším minerálem s obsahem beryllia je aluminosilikát beryl. Beryllium se z rud získává pražením s následným loužením nebo elektrolýzou. MTDII

12. Beryllium Čisté beryllium se užívá v jaderné energetice, kde slouží v jaderných reaktorech ke konstrukci neutronových zrcadel a je součástí moderátorových tyčí. Používá se jako přísada do slitin neželezných kovů i ocelí. Významné jsou slitiny beryllia s mědí, které mají velkou tvrdost, pevnost a zároveň dobrou elektrickou a tepelnou vodivost (například beryliový bronz, který se vyrovná nejkvalitnější nemagnetické oceli). Nízká hustota a vysoká pevnost slitin beryllia vede k jejich využití pro konstrukci součástí letadel a kosmických lodí. Slitiny se používají často v elektronice pro výrobu odolných elektrických kontaktů nebo speciálních elektrod pro obloukové svařování. MTDII

13. PŘÍSADOVÉ KOVY Přísadovými (legujícími) kovy se rozumí kovy úmyslně přidávané do některého základního kovu za účelem vytvoření slitiny požadovaných vlastností. Většina z nich se v čisté podobě používá v menším rozsahu. U technického železa jsou jako přísadové kovy užívány (v pořadí podle významu a použití) Cr, Ni, Mn, Si, Mo, W, V, Co, Ti, Al, Cu, Nb, Zr, Be. Je zřejmé, že některé z nich jsou zařazovány také mezi těžké či lehké neželezné kovy. MTDII

14. Přísadové kovy V technickém železe ovlivňují přísadové prvky velikost a tvar austenitického pole, to jest polohu čar A3, A4 a Acm v rovnovážném diagramu. Pole γ rozšiřují, to jest teplotu A4 zvyšují a teploty A3 a Acm snižují Ni, Co, Mn, Cu. Pole γ zužují, to jest teplotu A4 snižují a teploty A3 a Acm zvyšují Cr, Mo, W, V, Si, Ti, Al, Be, Nb, Zr. Kromě kobaltu všechny přísadové kovy zvyšují stálost austenitu při ochlazování oceli, to jest posouvají křivky v diagramu IRA a ARA vpravo k delším časům, a tím zvyšují prokalitelnost ocelí. Největší účinek v tomto smyslu mají Mo, Mn a Cr. MTDII

15. Přísadové kovy Teploty Ms a Mf (martensit start a martensit finiš) zvyšují Co a Al, snižují zejména Mn, Cr, Ni, Mo, V a Cu. Obecně se s obsahem legujících prvků zvyšuje pevnost a tvrdost feritu a perlitu, zjemňuje zrno a tím zvyšuje houževnatost oceli. Některé přísadové kovy v technickém železe tvoří karbidy a svým dispersním rozložením zvyšují jeho pevnost a tvrdost. Jsou to Cr, Mn, Mo, W, V, Ti, Zr a Nb. Kromě Mn a Al přísadové prvky působí proti zhrubnutí zrna při ohřevu. MTDII

16. Nikl – znovu  Nikl (Ni) patří společně s chromem a manganem mezi základní legující prvky ocelí. Je také součástí měděných slitin (niklová mosaz – alpaka, slitiny s konstantním elektrickým odporem – konstantan, nikelin). V oceli zvyšuje její pevnost, houževnatost, prokalitelnost, mez únavy a odolnost proti korozi. Do obsahu 5 % přísady niklu jsou oceli perlitické, do 22 % martenzitické a nad 22 % austenitické. MTDII

17. Kobalt Kobaltová modř Kobalt (Co) se svými vlastnostmi se podobá niklu. Jeho hustota je 8,90.103 kg.m-3, teplota tavení 1 495 °C. Má dvě modifikace. Modifikace α je stabilní do teploty 417 °C, modifikace β nad touto teplotou. Je feromagnetický do teploty 1 000 °C, nad touto teplotou své feromagnetické vlastnosti ztrácí. Je velmi pevný, svou tvrdostí a pevností předčí ocel. MTDII

18. Kobalt V zemské kůře se nalézá v nižším množství než nikl, zaujímá 30. místo ve výskytu prvků. Samostatné kobaltové rudy nejsou známy, kobalt je obsažen jako doprovodný prvek v niklových rudách a v sulfidických rudách mědi nebo olova. V ryzím stavu je možné nalézt kobalt v množství 0,5 - 2,5 % v železných meteoritech. Výroba čistého kobaltu je velmi náročná, největší problém činí odstranění niklu, který tvoří podstatnou část kobaltových rud. Cena kobaltu je v důsledku jeho poměrně nízkému výskytu i obtížnosti výroby poměrně vysoká. MTDII

19. Kobalt Jako jediný z přísadových kovů snižuje prokalitelnost ocelí. Zlepšuje tvrdost a pevnost ocelí, a tím řezivost a životnost nástrojových materiálů. Kobalt je významnou součástí stellitů, nástrojových materiálů složených z 50 % kobaltu, 27 % chromu, 12 % wolframu, 2,5 % uhlíku a až 5 % železa. Je také složkou slitin pro výrobu velmi silných permanentních magnetů (Alnico), které se skládají ze železa, kobaltu, niklu, hliníku a mědi. V čistém stavu se používá jako pojivo ve slinutých karbidech. MTDII

20. Molybden Praktické využití nalézá hlavně jako složka vysoce legovaných ocelí, kde zlepšuje jejich prokalitelnost a odstraňuje popouštěcí křehkost. Již poměrně malé množství molybdenu ve slitině výrazně zvyšuje její tvrdost, mechanickou a korozní odolnost. Molybden (Mo) má vysokou teplotu tavení (2 800 °C). Jeho hustota je 10,28.103 kg.m-3. V čisté formě je tvrdý a křehký. Molybden je v zemské kůře poměrně vzácný. V rudách se vyskytuje jen v nízkých koncentracích. Nejvýznamnější rudou je molybdenit (sulfid molybdeničitý, MoS2). Molybdenit jako MoS2 se těží buď samostatný nebo se získává při výrobě mědi. Po přečištění flotací se pražením převede na oxid molybdenový. Čistý molybden se vyrábí redukcí oxidu molybdenu vodíkem. MTDII

21. Chrom Chrom (Cr) má hustotu 7,15.103 kg.m-3, teplotu tavení 1 907 °C. V čisté formě je velmi tvrdý a zároveň křehký, má vysokou chemickou odolnost a žáruvzdornost. Chrom patří mezi prvky s poměrně značným zastoupením v zemské kůře. Vyskytuje velmi často současně s rudami železa (podvojný oxid železnato-chromitý FeO.Cr2O3). Hlavním postupem metalurgického získávání chromu je redukce rud uhlíkem (koksem) ve vysoké peci. Výsledkem je slitina chromu se železem, ferrochrom, který lze dále přímo používat při legování speciálních ocelí a jiných slitin s obsahem Fe a Cr. MTDII

22. Chrom V čistém stavu se užívá k povrchovým úpravám s cílem zvýšení tvrdosti povrchu součástí (tzv. tvrdé chromování) a zlepšení jejich vzhledu (ozdobné chromování). V ocelích zvyšuje jejich pevnost, tvrdost, odolnost proti otěru, korozi a žáru, prokalitelnost. Oceli s obsahem chromu nad 4 % jsou samokalitelné. Od obsahu přibližně 12 % chromu je ocel korozivzdorná (pasivace povrchu). Chrom zlepšuje také žáruvzdornost a žárupevnost ocelí. U nástrojových ocelí se používá jako legura pro zvýšení prokalitelnosti a tvrdosti (tvorba karbidů chromu). MTDII

23. Mangan Mangan (Mn) má hustotu 7,21.103 kgm-3, teplotu tavení 1 246 °C. V čisté formě je značně tvrdý a křehký. Vyskytuje se ve čtyřech modifikacích. Modifikace α je stabilní do 742 °C, modifikace β do 1 070 °C, modifikace γ do 1 160 °C, modifikace δ touto teplotou. První dvě modifikace jsou křehké a tvrdé, vyšší modifikace jsou měkké a tažné. MTDII

24. Mangan Mangan je prvkem s poměrně značným zastoupením v zemské kůře. Jako prvek se řadí na dvanácté místo, mezi kovy je na třetí. V přírodě se mangan vyskytuje prakticky vždy současně s rudami železa. Hlavním minerálem manganu je pyroluzit (burel) MnO2. Základem výroby manganu je redukce uhlíkem (koksem) ve vysoké peci. Protože pro metalurgii železa je neekonomické oddělovat v rudě pouze složky s manganem, vzniká tímto postupem slitina Fe a Mn, a to buď ferromangan s obsahem až 90% manganu, nebo zrcadlovina s obsahem až 30 % manganu Tyto slitiny jsou naprosto vyhovující pro další hutní zpracování při legování ocelí, protože v nich je železo přítomno jako hlavní složka. Podstatnou část světové těžby manganu se spotřebuje při výrobě technického železa k jeho desoxidaci.V oceli zvyšuje její pevnost, tvrdost a prokalitelnost. MTDII

25. Wolfram Wolfram (W) má teplotu tavení 3 422 °C, nejvyšší ze všech kovových prvků, a hustotu 19,25.103 kgm-3. Wolfram je v zemské kůře poměrně vzácný. Hlavními minerály wolframu v přírodě jsou wolframit – wolframan železnato-manganatý (Fe,Mn)WO4, wolframan vápenatý, scheelit CaWO4 a stolzit, wolframan olovnatý, PbWO4. Čistý wolfram se získá tavením a loužením rud s následnou redukci oxidů vodíkem. MTDII

26. Wolfram Čistý wolfram se užívá na výrobu žárovkových vláken a wolframových elektrod. Hlavní uplatnění nalézá jako složka různých slitin, ve kterých se přídavek wolframu projeví především zvýšením tvrdosti a mechanické i tepelné odolnosti. Tvoří tvrdé karbidy. V oceli zvyšuje jejich stálost a pevnost za vyšších teplot, zlepšuje odolnost proti opotřebení. MTDII

27. Vanad Vanad (V) má hustotu 6,11.103 kgm-3, teplotu tavení 1 915 °C. V čisté formě je tvrdý a kujný. V zemské kůře je zastoupen průměrně jako 19. nejrozšířenější prvek. Nejčastěji se vanad vyskytuje v rudách ve formě sloučeniny s kyslíkem. Vyrábí se pražením rozdrcené rudy, jejím loužením, tavením a redukcí. MTDII

28. Vanad Vanad zbavuje ocel kyslíku a síry, čímž zjemňuje její zrno. Již při malém obsahu zlepšuje stabilitu oceli a její mechanické vlastnosti (houževnatost a odolnost proti opotřebení) za tepla. Tvoří velmi stálý karbid. Slitiny s titanem a hliníkem se vyznačují vynikající mechanickou odolností a nízkou hustotou a nacházejí uplatnění při výrobě leteckých motorů a speciálních součástek pro konstrukci letadel a kosmických sond, družic a podobných aplikací. MTDII

29. Hliník a Titan – znovu  Titan Titan má vysokou afinitu k uhlíku, tvoří velmi tvrdé a stálé karbidy. V oceli zvyšuje její houževnatost tím, že na sebe váže kyslík a dusík. Hliník Hliník má velkou slučivost s kyslíkem a dusíkem. Proto se užívá při výrobě technického železa k jeho desoxidaci a jako přísada u nitridačních ocelí. MTDII

30. Zvláštní slitiny neželezných kovů Kompozice Pájky Liteřina MTDII

31. Kompozice Kompozice jsou slitiny určené pro zhotovení výstelky (funkčních ploch) kluzných ložisek. Používají se zejména u spalovacích motorů. Jejich složení má zajistit dostatečné mechanické vlastnosti (pevnost v tlaku, mez únavy, tvrdost), plasticitu, odolnost proti korozi, odolnost proti opotřebení, odolnost proti zadírání, dobrou tepelnou vodivost a malou tepelnou roztažnost. MTDII

32. Kompozice Kompozice obsahují cín, olovo, měď a antimon. Jejich struktura je heterogenní. V měkkém a poddajném základním tuhém roztoku jsou uloženy tvrdé krystaly slitiny cínu nebo olova s antimonem, které nesou zatížení ložiska. Měkký základ umožňuje plasticitu výstelky, to jest přizpůsobení ložiska hřídeli. Tím je dosaženo splnění požadavku, aby při poruše mazání a zahřátí ložiska nedošlo k poškození čepu. Podle složení se rozdělují na - bílé, které obsahují 80-90 % cínu, 7-20 % antimonu a několik procent mědi - červené, které obsahují 75-90 % mědi, 10 % cínu a menší množství zinku, olova a antimonu. MTDII

33. Pájky Pájky jsou slitiny neželezných kovů užívané k nerozebiratelnému spojení kovů. Podle složení jsou cínové, mosazné, olověné a stříbrné. Slitiny olova s cínem, antimonem nebo stříbrem vykazují výborné vlastnosti při mechanickém spojování kovových předmětů pájením. Bod tavení těchto pájek je dán poměrem obou kovů, pohybuje se v rozmezí 250 – 400 °C. Pro zvýšení bodu tavení a pevnosti spoje se vyrábějí slitiny cínu, olova, stříbra, kadmia a antimonu. Podrobně jsou pájky popsány ve studijním textu o spojování kovů. MTDII

34. Liteřina Liteřina je slitina, která se užívá v tiskárnách pro odlévání jednotlivých písmen (liter) k tisku knih, novin a časopisů. Má přibližné složení 75 % olova, 15 % cínu a 10 % antimonu. MTDII

35. Použitá literatura http://periodictable.com/Elements/004/index.html http://www.wired.com/thisdayintech/2009/07/dayintech_0715/ Ing. J. Hladký – Podklady pro výuku Materiály a technologie MTDII

36. Děkuji za pozornost MTDII