Neželezné slitiny - ATeam
Neželezné slitiny - ATeam
Neželezné slitiny - ATeam
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
NEŽELEZNÉ SLITINY<br />
Přírodní měď<br />
Přírodní zlato
Rozdělení neželezných kovů<br />
Kritérium pro dělení neželezných kovů je nejčastěji teplota tání s přihlédnutím<br />
k dalším vlastnostem, zejména k hustotě materiálu.<br />
Rozdělení podle hustoty<br />
Rozdělení podle teploty tání
Kovy s nízkou teplotou tání<br />
Olovo<br />
Získává se ze sulfidových rud, což je např. leštěnec sulfidový nebo-li galenit.<br />
Nejdříve se oxidačně praží a pak se provádí redukce v šachtové peci.<br />
Oxidační pražení galenitu probíhá na aglomeračním pásu. Zahřívá se za přístupu<br />
vzduchu, galenit se přeměňuje na oxid olovnatý.<br />
2 PbS + 3 O2 →2 Pb O + 2 SO2<br />
Redukční tavení probíhá v šachtových pecích, které jsou asi 10 m vysoké<br />
a připomínají svou funkcí vysokou pec. Shora pece se dávkuje aglomerát, koks<br />
a vápenec jako struskotvorná přísada. PbO se redukuje pomocí plynu CO na<br />
surové olovo, které obsahuje 90 – 96% olova. Zbytek tvoří nežádoucí Cu, As, Sb,<br />
Sn a Ag. Proto se musí rafinovat. Struska má vysoký obsah Pb<br />
a Zn, proto se dále zpracovává. Plyny vycházející z pece se rovněž čistí.<br />
Rafinace surového olova<br />
Odstranění mědi se provádí promícháváním roztaveného olova s elementární<br />
sírou. Síra reaguje s Cu za vzniku sulfidu měďného, který vyplave na hladinu<br />
olověné lázně, pomocí stěru se odtud odstraní.
Olovo je velmi měkké, dobře tvárné, obrobitelné i slévatelné. Předností olova je<br />
odolnost proti korozi (na vzduchu se pokrývá vrstvou oxidů, která ho chrání před<br />
další korozí) a odolnost proti silným anorganickým kyselinám, např. zředěná<br />
kyselina dusičná ho napadá, je-li však její koncentrace vyšší než 60%, olovo jí<br />
odolává.<br />
Organické kyseliny, alkalické látky a dokonce i destilovaná voda olovo narušují.<br />
Nevýhodou je, že je toxické (jedovaté), zejména jeho páry. Olovo se používá<br />
v chemickém průmyslu (pro nádoby a potrubí ve výrobě kyseliny sírové). Velmi<br />
vysoká hustota ho řadí mezi materiály, které se využívají pro opláštění proti<br />
radiaci (rentgenovému záření) a jako protizávaží při vyvažování různých<br />
mechanizmů, např. setrvačníky, disky kol, apod.
Velké množství olova se používá do různých slitin:<br />
a)liteřina – je to slitina olova s antimonem a cínem, která se používá na lití<br />
písmen v tiskařství<br />
b) měkké pájky – přídavný materiál pro měkké pájení (teplota tavení do 500°C)<br />
ve složení cín + olovo. Procentuální složení těchto dvou kovů je různé z hlediska<br />
použití. Cín je dražší, ale zdravotně nezávadný, proto jeho obsah ve slitině je<br />
určující pro použití měkké pájky.<br />
c) kompozice (ložiskové kovy) – kluzná ložiska jsou obvykle tvořena nosnou<br />
ocelovou nebo litinovou pánví, na které je nalitím a seříznutím nanesena pouze<br />
tenká vrstvička kompozice tloušťky 0,1 až 0,5 mm. Od materiálu kompozice se<br />
žádá pevnost v tlaku, tvrdost, odolnost proti opotřebení, únavě, korozi, zadírání,<br />
dobré kluzné vlastnosti, tepelná vodivost, malá tepelná roztažnost, dobrá<br />
slévatelnost. Olověné kompozice jsou <strong>slitiny</strong> soustavy Pb-SbSn (Sb jeho účelem<br />
je zvýšení tvrdosti a pevnosti kompozice).<br />
Kompozice – kluzná ložiska toto téma je uvedeno jako samostatná kapitola.
Cín a jeho <strong>slitiny</strong><br />
Získává se z rudy zvané cínovec neboli kassiterit. Vyskytuje se v modifikaci β<br />
nad teplotou 13,2°C, pod touto teplotou se označuje jako modifikace α (cínový<br />
mor), ve které cín degraduje. Cín má dobrou odolnost proti korozi a není<br />
jedovatý jako olovo. Je dobře slévatelný a tvárný.<br />
Litý má hrubozrnnou krystalizaci. Při ohýbání vydává praskavý zvuk, což<br />
způsobují části krystalů, které se překlápějí do polohy dvojčat. Je velmi dobře<br />
tvárný, při tváření však nesnáší namáhání tahem, a proto lze cín zpracovávat<br />
pouze válcováním nebo lisováním.<br />
Je odolný proti korozi vodou, atmosférickým vlivům a proti různým organickým<br />
kyselinám obsaženým v potravinách. Na vlhkém, nečistém vzduchu se sice<br />
pokrývá matnou vrstvičkou kysličníku, ta však chrání povrch před další oxidací<br />
(dá se ostatně leštěním snadno odstranit). V silnějších organických kyselinách a<br />
v louhu se rozpouští na cíničitan, zejména za přítomnosti oxidačních činidel.<br />
Vyrábí se v několika jakostech. Nejčistší cín (Banka) obsahuje až 99,99% Sn.<br />
Nejškodlivějšími příměsmi cínu jsou železo a síra, které způsobují jeho tvrdost a<br />
křehkost. Tažnost cínu zhoršují antimon, arzén a vizmut. Méně nebezpečné<br />
jsou měď a olovo, které zvětšují jeho pevnost a tvrdost, ale zároveň zmenšují<br />
jeho tvárnost. Hliníkem znečištěný cín se rozkládá na vlhkém vzduchu a stává<br />
se křehkým a lámavým již při 0,1 % AI.<br />
Používá se k povrchové ochraně předmětů v potravinářském průmyslu, dále do<br />
slitin měkkých pájek a kompozic – viz. olovo. Cínové kompozice se používají pro<br />
náročnější podmínky, např. ložiska rychloběžných motorů.
Zinek a jeho <strong>slitiny</strong><br />
Krystaluje v hexagonálním těsném uspořádání. Za normální teploty je křehký,<br />
v rozmezí teplot 100–150°C je tažný. Při této teplotě lze válcovat na plech<br />
a vytahovat na dráty, nad 200 °C je opět křehký a dá se rozetřít na prach. Zinek<br />
je velmi snadno tavitelný a patří k nejsnáze těkajícím kovům. Tepelná vodivost<br />
zinku je 61–64 % a elektrická vodivost je 27 % vodivosti stříbra.<br />
V silných minerálních kyselinách se zinek velmi ochotně rozpouští za vývoje<br />
plynného vodíku. Na vzduchu je zinek stálý, protože se rychle pokryje tenkou<br />
vrstvičkou oxidu, která jej účinně chrání proti korozi vzdušným kyslíkem i vlhkostí<br />
(vodou) – tzv. pasivace. Zinek se ale také rozpouští v roztocích hydroxidů,<br />
vodném amoniaku a za tepla také v chloridu amonném, což je projevem jeho<br />
amfoterity (rozpouštění v kyselinách i hydroxidech). Pokud je zinek ve velmi<br />
čistém stavu, tak rozpouštění v kyselinách ani hydroxidech neprobíhá nebo<br />
probíhá velmi pomalu.<br />
Zinek na vzduchu při zahřátí hoří jasně svítivým modrozeleným plamenem,<br />
přičemž vzniká bílý oxid zinečnatý. Za červeného žáru se zinek oxiduje také<br />
vodní párou a oxidem uhličitým, který se redukuje na oxid uhelnatý. Sirovodík<br />
působí na zinek za normální teploty a vzniká tak sulfid zinečnatý.
Pro zinkové odlitky se nejčastěji používá slitina typu ZP0410 (obdoba <strong>slitiny</strong><br />
Zamak 2). Tato slitina má výbornou slévatelnost a je vhodná pro tvarově složité<br />
díly. Odlitky se vyrábí tlakovým litím. Výborná slévatelnost zinkových slitin<br />
současně umožňuje dosáhnout přesných rozměrů a dobré kvality povrchů odlitků,<br />
která dovoluje s minimálním požadavkem na další opracování jejich galvanizaci<br />
i lakování.
Čistý zinek s obsahem 99,995% je základem pro <strong>slitiny</strong>, které mimoto obsahují cca<br />
4% hliníku a cca 0,03% hořčíku. Hliníkem a mědí se zlepšuje lití<br />
a viskozita. Dosahuje se jemnější zrnitosti a zlepšení mechanických vlastností.<br />
Obzvláště se zlepší pevnost, tvrdost a rázová houževnatost v ohybu. Nepatrné<br />
množství hořčíku zvyšuje rovněž pevnost a kompenzuje vliv nečistot - olova a<br />
kadmia obsažených v zinku. V normě EN 12844 se množství těchto kovů omezuje<br />
na tisíciny procent. Toto omezení je nutné pro zamezení krystalické koroze při<br />
relativně vysoké vlhkosti vzduchu.<br />
Použitý zdroj: http://www.ortmann.cz/cs/page.phplang=cs&page=vlastnosti
ZAMAK 2 – ZP0430<br />
Bod tání - cca 380°C<br />
Pevnost v tahu - cca 350 MPa<br />
Tažnost - cca 3%<br />
Tvrdost - cca 100 HB<br />
ZAMAK 3<br />
TYPICKÉ CHEMICKÉ SLOŽENÍ<br />
TYPICKÉ CHEMICKÉ SLOŽENÍ<br />
2% Al<br />
2% Cu<br />
0,04% Mg<br />
0,07% Fe<br />
0,004% Pb+Sn+Cd<br />
zbytek Zn
Zamak 2 má stejné složení jako Zamak 3 s přidáním 3% mědi s cílem zvýšit<br />
pevnost v tahu až o 20%. Zamak 2 má největší pevnost ze všech Zamak<br />
slitin. Oproti ostatním slitinám ZAMAK jsou tvrdší a pevnější, avšak jsou méně<br />
pružné – více křehké.<br />
Zamak 2 - složení dle normy<br />
Příměsi
Zamak 2
KS<br />
Slitina KS byla vyvinuta pro rotační odlitky s požadavkem na povrchový vzhled.<br />
KS stejné složení jako Zamak 2, s výjimkou většího obsahu hořčíku, který má za<br />
následek jemnější zrno a snížení vzniku tzv. „pomerančové kůry“.<br />
Příměsi
Zamak 3<br />
Zamak 3 je standardem pro sérii Zamak zinkových slitin. Všechny ostatní jsou<br />
s touto slitinou porovnávány. Zamak 3 má základní složení 96%Zn a 4% Al). Má<br />
vynikající slévatelnost a dlouhodobou rozměrovou stálost. Více než 70% všech<br />
severoamerických zinkových odlitků jsou vyrobeny ze <strong>slitiny</strong> Zamak 3.<br />
Příměsi
Zamak 4<br />
Zamak 4 byl vyvinut pro asijské trhy na snížení negativních účinků po pájení<br />
(zkřehnutí) při zachování tažnosti <strong>slitiny</strong> Zamak 3. Tohoto účinku bylo dosaženo<br />
pomocí polovičního množství mědi oproti slitině Zamak 5.<br />
Příměsi
Zamak 4
Zamak 5<br />
Zamak 5 má stejné složení jako Zamak 3 s přidáním 1% mědi s cílem zvýšit<br />
pevnost (přibližně o 10%), tvrdost a korozní odolnost, ale má nižší tažnost. Také<br />
má menší rozměrovou přesnost. Zamak 5 je více běžně používaný v Evropě.<br />
Příměsi
Zamak 5
Zamak 7<br />
Zamak 7 má méně hořčíku oproti Zamak 3. Je to z důvodu vyšší pružnosti a<br />
houževnatosti, což je užitečné zejména při lití tenkostěnných součástí. Za účelem<br />
snížení mezi mezikrystalické korozi je přidáno malé množství niklu, další příměsi<br />
jsou přísně kontrolovány, aby byly co nejnižší.
Zamak 7
Souhrnná tabulka koncentrací jednotlivých prvků u slitin ZAMAK
Vizmut a jeho <strong>slitiny</strong><br />
Je křehký kov s stříbřitě bílé barvy (čerstvě vyrobený), kvůli povrchové oxidaci má<br />
mírně růžovou barvu. Vizmut je nejvíce přirozeně diamagnetický a z kovů má<br />
jednu z nejnižších hodnot tepelné vodivosti.<br />
V zemské kůře je vizmut asi dvakrát víc obsažen než zlato. Největší naleziště<br />
jsou v Austrálii, Bolívii a Číně. Světová těžba vizmutu v roce 2010 byla 8,900 tun,<br />
s hlavními příspěvky Číny (6500 tun), Peru (1100 tun) a Mexika (850<br />
tun). Rafinerie výroby byla 16.000 tun, z toho Čína produkovala 13.000, Mexiko<br />
850 a Belgie 800 tun.<br />
Vzhledem k tomu, že vizmut je nejvíce k dispozici jako vedlejší produkt, jeho<br />
udržitelnost je závislá na recyklaci. Vizmut je většinou vedlejším produktem tavení<br />
olova, spolu se stříbrem, zinkem a antimonem a dalších kovů jako např. Výrobou<br />
molybdenu, wolframu a také mědi.<br />
Pravděpodobně nejjednodušší recyklace vizmutu by byla z použitých pájek.<br />
V pájkách se jeho obsah po pájení snižuje a nevyplatí se jejich recyklace jako<br />
u stříbrných pájek. Další možností recyklace by byly automobilové katalyzátory.<br />
Vedle těchto produktů se vizmut využívá i v automatových ocelích pro zlepšení<br />
lámavosti třísky.
Vismut (Bi) se používá stále více jako náhrada olova v pájecích slitinách<br />
z důvodu toho, že není jako Pb jedovatý. Ačkoliv teplota tání čistého vismutu je<br />
271 °C, přidáním dalších prvků se teplota výrazně snižuje. Směsi vizmutu jsou<br />
také široce používány v lékařské a kosmetické aplikaci.<br />
Nejpoužívanější bezolovnaté pájecí <strong>slitiny</strong> vizmutu jsou „Indalloy 281“ (58Bi<br />
42Sn), která má teplotu tání při 138 ° C a „Indalloy 282“ (57Bi42Sn1Ag), která má<br />
teplotu tání při teplotě 140°C. Přidání 1% Ag je slitina houževnatější. Obě <strong>slitiny</strong><br />
mohou být použity pro krokové (postupné) pájení. Po první spoje jsou standardní<br />
<strong>slitiny</strong> SAC (220°C) další pájení lze provádět pomocí <strong>slitiny</strong> vizmutu (nižší teplota<br />
tavení). Indalloy 281 a 282 mají společné vlastnosti, podobné těm z cínu a olova,<br />
což je vynikající odolnost proti únavovému poškození a rozpuštění mědi – lepší<br />
adheze.<br />
Slitina vizmut-cín, 200x,<br />
leptáno 2% Nital
Kadmium (chemická značka Cd, latinsky Cadmium) je měkký, lehce<br />
tavitelný, toxický kovový prvek. Slouží jako součást různých slitin a k povrchové<br />
ochraně jiných kovů před korozí. Vzhledem k jeho toxicitě je jeho praktické využití<br />
omezováno na nejnutnější minimum.<br />
V přírodě se kadmium vyskytuje jako příměs rud zinku a někdy i olova, z nichž se<br />
také společně získává. K oddělení kovů se vzhledem k poměrně nízkému bodu<br />
varu požívá destilace.<br />
V západoevropských zemích se ho dostává do ovzduší přibližně 350 t ročně.<br />
Oblasti zvláště ohrožené tímto kovem jsou Japonsko a Střední Evropa.<br />
Pokrytí povrchu jiného kovu kadmiem bylo dříve velmi často používáno jako<br />
antikorozní ochrana především pro železo a jeho <strong>slitiny</strong>. Galvanické kadmiování<br />
různých pracovních nástrojů a železných součástek sloužilo jako vysoce účinná<br />
ochrana před atmosférickou korozi.<br />
Velmi významné využití nachází kadmium doposud při výrobě pájek. Jedná se<br />
přitom o <strong>slitiny</strong> kadmia se stříbrem, cínem a zinkem, které mají velmi dobré<br />
mechanické vlastnosti – pevnost a houževnatost sváru, ale i velmi dobře vedou<br />
elektrický proud. Díky tomu jsou i přes nepříznivé zdravotní účinky kadmia stále<br />
hojně využívány v elektronickém průmyslu.
Časový vývoj použití kadmia
Největší množství kadmia (asi ¾) slouží k výrobě baterií, hlavně Ni-Cd.<br />
Většina zbývající čtvrtiny se používá na výrobu pigmentů, jako stabilizátory<br />
plastů, k legování mědi a k tvorbě ochranných povlaků a pokovování. Z dalších<br />
využití kadmia je možné uvést výrobu lehkotavitelných slitin, pájecích kovů,<br />
polovodičů a domácích spotřebičů jako jsou vysavače, chladničky, myčky a<br />
televizní a rozhlasové přijímače. Kovové kadmium se v menší míře užívá v<br />
jaderné technice k absorpci neutronů. Některé sloučeniny kadmia slouží jako<br />
fungicidy. Ze sloučenin kadmia má největší praktický význam sulfid (sirník)<br />
kademnatý CdS, intenzivně žlutá sloučenina slouží při výrobě<br />
malířských pigmentů jako kadmiová žluť. Uplatnění se i jako luminofor při výrobě<br />
černobílých televizních obrazovek.<br />
Fungicid je pesticid používaný k hubení hub,<br />
které napadají rostliny a působí na nich<br />
ekonomické škody, respektive působí škody na<br />
výnosu. Jak už název napovídá jejich úlohou je<br />
usmrcení daného organizmu. Nasazení<br />
fungicidů a jiných pesticidů je v současnosti<br />
nejen v rozvinutých zemích výraznou součástí<br />
integrované ochrany rostlin.<br />
Některé fungicidy jsou zdraví škodlivé i škodlivé<br />
pro životní prostředí, např. kuprikol. Jeho<br />
významnou složkou je oxychlorid mědi.<br />
Snímek z ŘEM – slitina stříbro – měď- kadmium
Kadmium patří mezi několik málo prvků, jejichž vliv na zdravotní stav lidského<br />
organizmu je jednoznačně negativní. Tento fakt se zdá být kuriózní například i<br />
proto, že je chemicky velmi podobné zinku, jež je naopak nezbytnou součástí<br />
potravy a má důležitou roli pro správný vývoj a zdravotní stav lidského organizmu.<br />
Právě vzájemná chemická podobnost těchto prvků však působí problémy, protože<br />
kadmium může snadno vstupovat do různých enzymatických reakcí místo zinku a<br />
následné biochemické pochody neproběhnou nebo probíhají jiným způsobem.<br />
Příkladem je zablokování inzulínového cyklu, které může působit vážné zdravotní<br />
komplikace.<br />
Dalším rizikovým faktorem u kadmia je skutečnost, že se jedná<br />
o mimořádně kumulativní jed. Přijaté kadmium se z organizmu vylučuje jen velmi<br />
pozvolna a obtížně, jeho většina se přitom koncentruje především v ledvinách a v<br />
menší míře i v játrech. Bylo prokázáno, že kadmium může v ledvinách setrvat až<br />
desítky let.
Antimon, chemická značka Sb, (Stibium) patří mezi kovy, které jsou známy<br />
lidstvu již od starověku. Slouží jako součást různých slitin, používá se ve výrobě<br />
elektronických prvků, barviv a keramických materiálů.<br />
Kovový neboli šedý antimon je středně tvrdý a velmi křehký. Na vzduchu je za<br />
normálních teplot neomezeně stálý, za zvýšené teploty reaguje s kyslíkem za<br />
vzniku oxidu antimonitého Sb 2<br />
O 3<br />
.<br />
Významné uplatnění nalézá antimon jako složky různých slitin. Obvykle v nich<br />
však tvoří pouze minoritní součást, která pouze zlepšuje vlastnosti základní <strong>slitiny</strong><br />
– např. zvýšení mechanické pevnosti a odolnosti proti chemickým vlivům. Další<br />
významné použití je využití sulfidu antimoničného při výrobě kaučuku.<br />
Slitiny antimonu<br />
Nové typy olověných akumulátorů jsou často vyráběny ze slitin olova s jinými<br />
kovy. Např. výroba pozitivních desek ze <strong>slitiny</strong> olova, antimonu a selenu značně<br />
prodlužuje životnost akumulátoru v důsledku vyšší mechanické pevnosti této<br />
<strong>slitiny</strong>.<br />
Významný je podíl antimonu při výrobě pájek na bázi olova a cínu. Přídavky<br />
antimonu, kadmia a stříbra získávají tyto pájky lepší vodivost, zvyšuje se<br />
pevnost sváru i když za cenu zvýšení bodu tání <strong>slitiny</strong>.<br />
Slitina o přibližném složení 75 % olova, 15 % cínu a 10 % antimonu<br />
– liteřina byla po dlouhá léta základním materiálem pro výrobu tiskařských liter<br />
– forem sazby tisku.
Hořčík a jeho <strong>slitiny</strong> – lehký kov<br />
Hořčík zaznamenává ze všech neželezných kovů největší expanzi výroby. Je to<br />
způsobeno novými aplikacemi zejména v oblasti progresivních hořčíkových slitin<br />
pro automobilový průmysl, ale také i v oblasti legování hliníkových slitin<br />
hořčíkem (pří stoupající výrobě hliníku) a využití hořčíku jako reaktivní látky při<br />
odsíření surového železa.<br />
Jeho výroba elektrochemickou nebo termickou redukci vyžaduje velký<br />
energeticky vklad, sofistikovanou technologii a při výrobě je nutné čelit<br />
významným enviromentálním a bezpečnostním rizikům.<br />
Oproti jiným neželezným kovům i při svém rozšíření v přírodě se hořčík vyrábí<br />
jen ve 12 státech a jeho výroba je určitou charakteristikou technologické a<br />
ekonomické vyspělosti daného státu.<br />
Odkaz na použité zdroje: http://www.stefanmichna.com/download/technicke-materialy_II/vyroba_horciku.pdf<br />
http://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.phpfile_id=6292
Fyzikální a mechanické vlastnosti hořčíku<br />
Hustota při pokojové teplotě ………….1,738.103 kg/m3<br />
(je nejlehčím známým konstrukčním materiálem,<br />
nebereme-li v úvahu berylium, které je toxické)<br />
Teplota taní čistého hořčíku …………….650 °C (při atmosférickém tlaku)<br />
Teplota varu čistého hořčíku ………….. 1090 °C (při atmosférickém tlaku)<br />
Změna objemu při tuhnutí ………………4,2 %<br />
Atomové číslo ……12<br />
Atomová hmotnost ….24,305<br />
Hořčík má mřížku hexagonální s nejtěsnějším uspořádáním s mřížkovými<br />
konstantami a = 0,32092 nm,<br />
c = 0,52105 nm a osovým poměrem c/a = 1,623, což je velice blízko ideálnímu<br />
osovému poměru pro nejtěsnější uspořádání 1,633.
Mechanické vlastnosti:<br />
Hořčík nemá takovou tažnost jako kubické plošně centrované kovy.
Suroviny pro výrobu hořčíku:<br />
Hořčík není kovem vzácným, je hojně obsažen v zemské kůře, dalším zdrojem<br />
hořčíku jsou oceány i suchozemská slaná jezera, jako je Mrtvé moře na hranici mezi<br />
Izraelem a Jordánskem, nebo velké solné jezero v Utahu v USA.<br />
Zásoby hořčíku jsou považovány za nevyčerpatelné.<br />
Pro výrobu hořčíku se používají suroviny oxidické a chloridové.<br />
K využívaným oxidickým surovinám patří :<br />
a) Magnezit – MgCO 3<br />
, obsahuje 47,8 % MgO, resp. 28,8 %Mg. Termicky se rozkládá<br />
při 920 °C na MgO – periklas a CO 2<br />
. Světově významné zásoby magnezitu<br />
breuneritického typu jsou na Slovensku v 9-ti nalezištích.<br />
b) Dolomit – CaCO 3<br />
.MgCO 3<br />
, obsahuje 21,8 % MgO, resp. 13,2% Mg. Termický<br />
rozklad probíhá při 760-920 °C.<br />
c) Serpentín – 3MgO.2SiO2. 2H2O hydrosilkát hořečnatý obsahuje 26,3 % Mg,<br />
krystalickou vodu uvolňuje při 400 – 600°C<br />
K chloridovým surovinám patří :<br />
a) Karnalit – KCl.MgCl 2<br />
.6H 2<br />
0 obsahuje 8,8 % Mg. Je zdrojem pro elektrolýzu Mg<br />
zejména v Rusku a na Ukrajině.<br />
b) Bischofit –MgCl 2<br />
.6H20, hexahydrát chloridu hořečnatého se taví při 203 °C a<br />
neomezen ě se rozpouští ve vodě.<br />
c) Mořská voda – přírodní jezera a solanky (10 % MgCl 2<br />
), mořská voda obsahuje<br />
0,08-0,38 % MgCl 2<br />
a 0,12-0,31% MgSO 4<br />
. Mrtvé moře obsahuje 13 % MgCl 2<br />
.
Technologie výroby hořčíku:<br />
Technologie výroby hořčíku jsou odvozené od fyzikálně-chemických vlastnosti<br />
oxidu hořečnatého a chloridu hořečnatého, co jsou dvě nejvíc zastoupené<br />
sloučeniny v hořčíkových surovinách. Podle jejích vlastnosti se technologie hořčíku<br />
dělí do dvou základních skupin :<br />
a) tavná elektrolýza MgCl 2<br />
v prostředí roztaveného elektrolytu, procesy tavné<br />
elektrolýzy jsou vždy založené na přípravě MgCl 2<br />
, jeho totální dehydrataci,<br />
přípravě chloridového roztaveného elektrolytu a vlastní tavní elektrolýzy. Mimo<br />
kovového roztaveného Mg je produktem plynný chlor.<br />
b) termická redukce MgO vhodným redukovádlem, je možná prostřednictvím<br />
kovových a nekovových redukovádel při vysokých teplotách. Od poloviny 20 století<br />
se průmyslově realizuje termická redukce výhradně pomoci ferosilicia (FeSi75) při<br />
teplotě 1150 –1200 °C ve vakuu (v šachtové odporové peci), páry Mg kondenzují<br />
do dutého bloku o hmotnosti 1,8-2 t.
Použití hořčíku a jeho slitin je dle IMA (International Magnezium Assotiation):<br />
a) 39 % primárního hořčíku spotřebovalo na legování Al slitin,<br />
b) 38 % primárního hořčíku na výrobu Mg slitin, zejména pro přesné tlakové<br />
odlitky,<br />
c) 13 % primárního hořčíku na odsíření surového železa směsí prášku Mg +<br />
CaO,<br />
d) 10 % primárního hořčíku na protikorozní Mg anody, redukci jiných kovů (Zr,<br />
Ti), Mg prášky pro chemikálie a legování slitin jiných neželezných kovů,<br />
pyrotechnika.<br />
Příklady použití :<br />
a) kovový hořčík má řádu aplikací v pyrotechnice jako vysoce energetické<br />
palivo pro rakety,<br />
b) odstranění síry z ocelí,<br />
c) k výrobě tvárných litin,<br />
d) jako dezoxidant neželezných kovech,<br />
e) jako legující prvek v hliníkových slitinách,<br />
f) šicí stroje, sportovní potřeby, řetězové pily, schránky na počítače, mobilní<br />
telefony,<br />
g) automobilový průmysl – kliková skříň převodovky, plechy (slitina ZE10)<br />
h) letecký a kosmický průmysl – přístrojové skříně (Mg-Li), Mg kompozity<br />
tlumí vibrace (vysoká pevnost + creepová odolnost)<br />
i) Mg prášky pro chemikálie.
Další vývoj :<br />
Výrobky připravované tlakovým litím jsou nejčastěji používanými<br />
hořčíkovými materiály.<br />
Odlitky, připravené tlakovým litím mají následující výhody:<br />
a) vysoká produktivita,<br />
b) vysoká přesnost,<br />
c) vysoká kvalita povrchu,<br />
d) struktura jemných zrn,<br />
c) možnost připravit tenkostěnné a tvarové bohaté výrobky.<br />
Ve srovnání s Al :<br />
a) rychlost odlévání je vyšší o 50 %,<br />
b) mohou být použity ocelové ingoty a dlouhou dobou životnosti,<br />
c) dobrá opracovatelnost,<br />
d) úspora na opotřebení nástrojů 50 %,<br />
e) vysoká tekutost taveniny.
Nevýhody slitin připravených tlakovým litím:<br />
a) uzavřené póry obsahující plyn jako výsledek velké rychlosti plnění a<br />
následného tuhnutí,<br />
b) horší mechanické vlastnosti,<br />
c) omezený výběr legujících prvků,<br />
d) horší odolnost proti creepu jako důsledek malého zrna litého materiálu,<br />
e) omezená slévatelnost slitin Mg-Al-RE a vysoké náklady (RE – prvky<br />
vzácných zemin *),<br />
f) nedají se tepelně zpracovávat,<br />
g) nejsou vhodné pro svařování.<br />
Dalšími možnostmi jak zlepšit výrobky z hořčíkových materiálu je<br />
dvojstupňové tlakové lití a tixotropní odlévání. Porezita materiálu,<br />
připravených metodou tlakového lití s dvojnásobnou aplikaci tlaku, je<br />
téměř nulová.<br />
Slitina Al – 6 % Mm – 5% Fe – 3% Mg – 3% Si, značená AlMm6Fe5Mg3Si3,<br />
Složení Mm (Mm = Misch Metal) je 45% Ce (cer), 38 % La (lanthan), 12 % Nd<br />
(neodym) a 4 % Pr (Praseodym). http://cs.wikipedia.org/wiki/Lanthanoid<br />
http://www.metal2012.com/files/proceedings/metal_08/Lists/Papers/081.pdf Alena Michalcová ; Dalibor Vojtěch ; Pavel<br />
Novák : VLASTNOSTI RYCHLE ZTUHLÉ Al – TM – RE SLITINY. VŠCHT v Praze, Ústav kovových materiálů a<br />
korozního inženýrství, Technická 5, 166 28 Praha 6, ČR, michalca@vscht.cz
Hořčíkové <strong>slitiny</strong><br />
Hliník tvoří s hořčíkem tuhý roztok (δ) a při vyšších obsazích eutektikum Mg 4<br />
Al 3<br />
,<br />
které zvyšuje základní mechanické vlastnosti. Horší vlastnosti slitin hořčíku a<br />
hliníku jsou způsobeny vyloučením fáze (Al 12<br />
Mg 17<br />
). Tato fáze má kubickou mřížku.
Vady způsobené fází γ<br />
Ve slitinách hořčíku je často kromě hliníku i určitý obsah zinku, manganu a zirkonu.<br />
Zinek tvoří spolu s hliníkem a hořčíkem tuhý roztok a při vyšším obsahu hliníku se<br />
také vylučují intermetalické fáze Mg 4<br />
Al 3<br />
a MgZn 2<br />
. Intermetalická fáze MgZn 2<br />
má<br />
stejný vliv na pevnostní charakteristiky jako fáze Mg 4<br />
Al 3<br />
.
Mangan s hořčíkem tvoří tuhý roztok α. Se snižující teplotou se mění rozpustnost<br />
manganu v hořčíku a z tuhého roztoku precipituje fáze β. Přísada manganu<br />
neovlivňuje mechanické vlastnosti jako hliník a zinek, ale její výhodou je zvýšení<br />
korozní odolnosti, což je způsobeno vylučováním tenké vrstvy kysličníku Mg-Mn na<br />
povrchu. Další výhodou manganu je schopnost tvořit se železem sloučeninu<br />
o vysoké specifické hmotnosti. Tyto sloučeniny se usazují na dně tavícího kelímku.
Přísada zirkonu a zinku do slitin hořčíku vede k zjemnění zrna, zvyšuje úroveň<br />
mechanických vlastností, ale snižuje odolnost proti korozi.<br />
Další možnou přísadou je cín. Cín je rozpustný až do obsahu okolo 10% (při<br />
teplotě 645°C), p řičemž rozpustnost prudce klesá s teplotou za současné<br />
precipitace fáze β(Mg 2<br />
Sn). Například komplexně legovaná slitina Mg-Al-Mn<br />
dodatečně legovaná okolo 5% Sn má velmi dobrou svařitelnost za tepla. Křemík<br />
je nerozpustný v hořčíku, ale tvoří s ním intermetalickou fázi Mg 2<br />
Si, která silně<br />
zpevňuje základní matrici. Vzhledem k obrovskému zvýšení křehkosti je obsah<br />
Si držen pod 0,3%.
Zdroj: http://www.journalamme.org/papers_vol29_
Slitiny hořčíku s hliníkem<br />
Slitiny typu Mg-Al jsou nejrozšířenějším typem pro slévárenské účely. Jsou<br />
nejstarší skupinou slitin hořčíku. Přidávají se do nich další legující prvky (Zr, Zn,<br />
Th, Ag, Ce). Jejich užitečné vlastnosti jsou dány existencí relativně široké oblasti<br />
tuhého roztoku δ v rovnovážném diagramu Mg-Al a možností změnit chemické<br />
složení přidáním dalších prvků.<br />
Nejrozšířenější z těchto slitin (s komerčním názvem elektron) jsou <strong>slitiny</strong><br />
s obsahem 7 až 10 % Al. Slitiny s vyšším obsahem hliníku než 7 % jsou<br />
vytvrditelné. Při vytvrzování dochází k tvorbě diskontinuálního precipitátu fáze<br />
Mg 17<br />
Al 12<br />
a <strong>slitiny</strong> bývají doplněny malým množstvím zinku a manganu. Na<br />
rozpustnost hliníku v tuhém roztoku δ a na polohu eutektického bodu má vliv<br />
modifikace, rychlost ochlazování a tlak při lití [6]. Tyto parametry lze v širokých<br />
mezích ovlivňovat použitou slévárenskou technologií a je jich možno využít pro<br />
výrobu odlitků různých vlastností, např. slitina MgAl6Mn vykazuje velmi dobré<br />
mechanické vlastnosti (Rm = 190 až 230 MPa, A5 = 5 až 8 %) a odlévají se z ní,<br />
gravitačním litím do pískových forem i tlakovým litím do kokil, disky kol pro<br />
automobily.<br />
S rostoucím obsahem hliníku se výrazně zvětšuje interval tuhnutí a s tím šířka<br />
dvoufázového pásma. Takové <strong>slitiny</strong> mají při gravitačním lití velký sklon ke tvorbě<br />
mikrostaženin a ředin. Proto obsah Al ve slitinách pro gravitační lití nepřesahuje<br />
5%. Obsah hliníku také zlepšuje zabíravost.
Slévárenské <strong>slitiny</strong> hořčíku<br />
Základem slévárenských slitin hořčíku jsou binární <strong>slitiny</strong> rozšířené o další legury<br />
za účelem zlepšení technologických vlastností, mechanických vlastností nebo<br />
zvýšení odolnosti proti korozi. Takové základní systémy jsou Mg-Al, Mg-Zn a Mg-<br />
Mn, popř. Mg-Li. Další doplňkové kovy jsou Th, Zr, Si, Ag, Ti a kovy vzácných<br />
zemin (La, Ce, Nd, Pr, Sc, Gd,Y).<br />
Specifickým slévárenským problémem je vysoká hořlavost hořčíkových slitin v<br />
roztaveném stavu. Tavenina musí být chráněna vhodnou struskou nebo<br />
atmosférou, která se vyvíjí při hoření sirného květu na hladině taveniny. Pro<br />
snížení vznítivosti doporučují někteří metalurgové přísadu berylia 0,005 až 0,2 %<br />
nebo přísadu 0,2 % vápníku. Vyšší obsah vápníku však zhoršuje odolnost proti<br />
korozi.<br />
Slitiny hořčíku pro tváření<br />
Slitiny hořčíku krystalizují v hexagonální, těsně uspořádané soustavě a vykazují<br />
za normální teploty pouze jeden skluzový systém. Tvárnost těchto materiálů se<br />
zlepšuje nad teplotou 220 °C, kdy vstupují do funkce další skluzové systémy a<br />
kdy se projevují rekrystalizační procesy. Nejčastějšími technologiemi tváření je<br />
protlačování profilů, válcování plechů, popř. volné nebo zápustkové kování.<br />
Tvářecí teploty tedy leží v intervalech: kování 200 až 300 °C, protlačování 300 až<br />
400 °C a válcování 400 až 500 °C.
Slitiny lze dle legujících prvků rozdělit na:<br />
• <strong>slitiny</strong> hořčíku s hliníkem a zinkem,<br />
• <strong>slitiny</strong> hořčíku s manganem,<br />
• <strong>slitiny</strong> hořčíku se zinkem a zirkonem.<br />
Strukturně typy slitin pro tváření odpovídají slitinám slévárenským. Tvářená<br />
struktura však má svoje specifika. Pro tvářené <strong>slitiny</strong> se nepoužívají jako legury<br />
kovy vzácných zemin. Slitiny tvoří výrazné textury a s nimi spojenou anizotropii<br />
mechanických vlastností. Deformační zpevnění lze u slitin hořčíku využít pouze<br />
v omezeném rozsahu. Slitiny s hliníkem mají obvykle přísadu zinku (do 1,5 %)<br />
a některé ještě přísadu manganu (zvyšuje odolnost proti korozi).<br />
Slitiny s manganem mají nízké mechanické vlastnosti, dobrou korozní odolnost<br />
a jsou výrobně i zpracovatelsky jednoduché. Mají dobrou tvárnost i svařitelnost.<br />
Vyrábí se z nich výlisky a válcují plechy. Slitiny se zinkem a zirkonem mají<br />
vhodnou kombinaci legur. Zinek zvyšuje mechanické vlastnosti, zirkon zjemňuje<br />
zrno. Nejvyšší mechanické vlastnosti mají <strong>slitiny</strong> po precipitačním vytvrzení.<br />
Poněkud specifické <strong>slitiny</strong> jsou <strong>slitiny</strong> s thoriem vyvinuté v Rusku. Tyto <strong>slitiny</strong> jsou<br />
vhodné pro vysoké teploty. Mechanické vlastnosti těchto slitin zůstávají stabilní<br />
až do teplot 350 °C.
Slitiny Mg-Al-Zn<br />
Do této skupiny patří <strong>slitiny</strong> hořčíku, které jsou známé pod pojmem „elektrony“.<br />
U těchto slitin hraje významnou roli hliník, který výrazně zvyšuje pevnost. Ale na<br />
druhou stranu, čím vyšší obsah hliníku, tím horší odolnost proti korozi pod<br />
napětím. Tuto negativní vlastnost hliníku můžeme částečně kompenzovat malým<br />
množstvím manganu. Zinek nemá takový vliv na pevnost, ani na odolnost proti<br />
korozi pod napětím jako hliník. Ve srovnání s hliníkovými slitinami mají hořčíkové<br />
<strong>slitiny</strong> široký interval tuhnutí (70 až 120°C), proto je jejich zabíhavost nižší a<br />
objemové smrštění (1,1 až 1,9%) se projevuje jako pórovitost. Široký interval<br />
tuhnutí je také příčinou vzniku trhlin. Tyto vlastnosti se dají potlačit přísadou<br />
prvků kovů vzácných zemin a zirkonu<br />
Specifikace <strong>slitiny</strong> AZ91<br />
AMS<br />
Volně lité: AZ91A, 4490. Pískové odlitky: AZ91C, 4437; AZ91E a 4446.<br />
ASTM<br />
Odlitky: AZ91A, AZ91B a AZ91D, B 94. Pískové odlitky: AZ91C a AZ91E, B<br />
80. Pevné formy odlitky: AZ9C a AZ91E, B 199. Přímé odlitky: AZ91C a AZ91E,<br />
B 403. Ingot: B 93.<br />
SAE<br />
J465. Dříve SAE <strong>slitiny</strong>: AZ91A, 501, AZ91B, 501A, AZ91C, 504.U<br />
UNS<br />
AZ91A: . M11910 AZ91B: . M11912 AZ91C: . M11914 AZ91D: .<br />
M11916 AZ91E: M11921.
Důsledkem překročení limitů nečistot:<br />
Korozní odolnost se snižuje s rostoucím obsahem Fe, Cu a Ni.<br />
Více než 0,5% Si klesá tažnost.<br />
Pokud Fe obsah vyšší než 0,005% v AZ91D, nebo AZ91E přípustnm poměrem je<br />
Fe-Mn 0,032 odolnost proti korozi se rychle sníží.
AZ91 A,B,D<br />
AZ91C,E<br />
Vlastnost – Tepelné zpracování F F T4 T6<br />
Pevnost, MPa (KSI) 230 (33) 165 (24) 275 (40) 275 (40)<br />
Pevnost v kluzu, MPa (KSI) 150 (22) 97 (14) 90 (13) 145 (21)<br />
Prodloužení v 50 mm (2 palce),% 3 2.5 15 6<br />
Mez kluzu při 0,2%, MPa (KSI) 165 (24) 97 (14) 90 (13) 130 (19)<br />
Výsledná pevnost, MPa (KSI) - 415 (60) 415 (60) 515 (75)<br />
Výrazná mez kluzu, MPa (KSI) - 275 (40) 305 (44) 360 (52)<br />
Tvrdost, HB 63 60 55 70<br />
Tvrdost, LZZ 75 66 62 77<br />
Charpyho V-vrubová houževnatost, J<br />
(ft.lbf)<br />
2.7 (2.0) 0.79 (0.58) 4.1 (3.0) 1.4 (1.0)
Typické tahové vlastnosti AZ91C-T6 odlitků do písku při zvýšených teplotách<br />
Struktura <strong>slitiny</strong> AZ91
Slitiny Mg-Al-RE<br />
Tyto <strong>slitiny</strong> byly vyvinuty hlavně za účelem zvýšení creepové odolnosti. Je to<br />
způsobeno hlavně tím, že je fáze δ-Mg 17<br />
Al 12<br />
nahrazena intermetalikem Al-RE.<br />
Slitiny Al-RE jsou vhodné pouze pro tlakové lití, protože při nízkých rychlostech<br />
tuhnutí se tvoří hrubé částice Al 2<br />
RE. Slitina AE 42 byla vyvinuta v osmdesátých<br />
letech minulého století pro automobilku VW . Její tepelná odolnost je až do teplot<br />
140°C, avšak je dražší a má horší slévatelnost. Má však také velmi příznivé<br />
únavové vlastnosti.
Slitiny Mg-Al-Si<br />
Tato slitina se využívá hlavně při tlakovém lití, protože je vytvrzující fáze Mg 2<br />
Si<br />
jemně rozdělena po celé struktuře. Spolu s dobrou tepelnou odolností má<br />
i uspokojující hodnotu lomové houževnatosti. Standardní <strong>slitiny</strong> AS21 a AS41 jsou<br />
použitelné do teplot 130 -150 °C. Slitiny AS41, AS21 byly vyvinuty v sedmdesátých<br />
letech minulého století pro automobilku VW (VW Brouk). Slévatelnost AS41 je<br />
poměrně dobrá, zatímco slévatelnost AS21 je problémem.<br />
Slitiny hořčíku s manganem<br />
Obsah manganu ve slitinách Mg-Mn bývá obvykle 1 až 2 %. Slitiny hořčíku<br />
s manganem mají horší slévárenské vlastnosti (nižší zabíhavost a vyšší smrštivost).<br />
Relativně nízké mechanické vlastnosti jsou způsobeny tendencí těchto slitin tvořit<br />
hrubé zrno v průběhu krystalizace. Zjemnění lze dosáhnout malým přídavkem<br />
křemíku. Jsou však svařitelné a mají vyšší odolnost proti korozi. Slitiny hořčíku s<br />
manganem se používají u aplikací, kde se požaduje větší tažnost a houževnatost.
Slitiny hořčíku se zinkem<br />
Hořčíkové <strong>slitiny</strong> se zinkem se podobají slitinám s hliníkem. Obsah zinku ve<br />
slévárenských slitinách bývá v rozsahu 0,3 až 5 %. Do slitin tohoto typu se<br />
přidává mangan, díku němuž se zvyšuje odolnost proti korozi. Slitiny se zinkem,<br />
zirkonem a kovy vzácných zemin mají např. creepové vlastnosti lepší než<br />
žáropevné <strong>slitiny</strong> hliníku, a to při nižší měrné hmotnosti.<br />
Slitiny Mg-Zn-Zr<br />
Tyto <strong>slitiny</strong> mají vyšší hodnoty meze kluzu a meze pevnosti, které jsou<br />
způsobeny účinkem zinku a zirkonu. Dalšími kladnými vlastnostmi jsou nižší<br />
náchylnost mechanických vlastností na tloušťku stěny a menší sklon k<br />
mikropórovitosti. Zirkon zlepšuje odolnost proti korozi. Legování zirkonem<br />
způsobuje potíže, vzhledem k nízké rozpustnosti zirkonu v roztaveném hořčíku.<br />
Případná přísada kadmia zvyšuje pevnost a tvárnost. Tento typ slitin je možno<br />
dlouhodobě konstrukčně používat při teplotách do 200°C.
Slitiny (Nd – Neodym)<br />
Neodym v těchto slitinách zabezpečuje vysokou žáropevnost, která je podmíněna<br />
stabilitou tuhého roztoku a malou rychlostí koagulace (srážení) vytvrzující fáze<br />
Mg 9<br />
Nd za vyšších teplot. Tyto <strong>slitiny</strong> jsou konstrukčně použitelné do 250°C.<br />
Slitiny Mg-Zn-Zr-RE (RE – kovy vzácných zemin)<br />
Tyto <strong>slitiny</strong> mají obdobné vlastnosti jako <strong>slitiny</strong> Mg-Zn-Zr-Nd. Jejich mechanické<br />
vlastnosti jsou srovnatelné za normálních teplot s ostatními hořčíkovými slitinami.<br />
Za vysokých teplot (asi do 250°C ) jsou použitelné jako konstrukční materiály.<br />
Slitiny Mg-Zn-Zr-Th (Thorium)<br />
Slitiny s thoriem patří ke slitinám hořčíku s nejvyšší žáropevností. Jsou použitelné<br />
jako konstrukční materiály do 350°C.
Slitiny hořčíku s lithiem<br />
Slitiny hořčíku s lithiem patří mezi nejlehčí a perspektivní konstrukční materiály.<br />
Slitiny hořčíku a lithia dosahují velmi nízkých hustot 1 300 kg /m 3 až 1000 kg /m 3 .<br />
S růstem obsahu lithia se pevnost slitin Mg-Li snižuje, avšak modul pružnosti<br />
a mez kluzu v tlaku je vyšší, než u většiny hořčíkových slitin. Nedostatkem<br />
hořčíkových slitin s lithiem je velká reaktivita komponent v roztaveném stavu, malá<br />
odolnost proti tečení a nestabilita mechanických vlastností za pokojových teplot.<br />
Tyto <strong>slitiny</strong> jsou poměrně drahé a zatím byly využívány jen v kosmickém popř.<br />
vojenském průmyslu. V kosmonautice byly využity pro přístrojové skříně. V<br />
literatuře se již objevují také medicínské aplikace. U <strong>slitiny</strong> Mg-Li-Y byla zjištěna<br />
superplasticita. Slitiny jsou dále legovány i hliníkem, zinkem nebo křemíkem.<br />
Struktura binární <strong>slitiny</strong> Mg-Li<br />
(fáze α + β), 7,6 % Li<br />
Zdroj: http://konference.tanger.cz/data/metal2001/sbornik/papers/204.pdf<br />
http://katedry.fmmi.vsb.cz/637/soubory/KovyI_Mg.pdf
Některé legující prvky<br />
Kovy vzácných zemin – Všechny kovy vzácných zemin (kromě Ytria) mají<br />
omezenou rozpustnost v hořčíku, proto se u těchto slitin hojně využívá<br />
precipitační vytvrzování. Precipitáty jsou velmi stabilní a zvyšují odolnost proti<br />
tečení materiálu za zvýšených teplot, odolnost proti korozi a pevnost za vysokých<br />
teplot. Jako legující prvky se využívají Ytrium, neodym a cer. Kvůli vysoké ceně<br />
se používají jen zřídka.<br />
Be – Je dávkován do taveniny jen ve velmi malém množství (do 30 ppm).<br />
I v tomto malém množství dramaticky snižuje sklon taveniny k oxidaci.<br />
Ca – Má pozitivní vliv na zjemňování zrna a odolnost proti tečení materiálu za<br />
zvýšených teplot. Na druhé straně může vápník vést k lepení taveniny na<br />
nástroje při lití a porušování materiálu za tepla.<br />
Li – Lithium vede k zpevnění tuhého roztoku za normálních teplotách. Dále<br />
snižuje hustotu a zvyšuje tažnost. Nicméně lithium zvyšuje tendenci taveniny k<br />
hoření. Dále snižuje odolnost oproti korozi.<br />
Ag – Stříbro spolu s kovy vzácných zemin silně zvyšuje pevnost <strong>slitiny</strong> za<br />
zvýšených teplot a odolnost proti creepu. Má negativní vliv zejména na odolnost<br />
proti korozi.<br />
Th – Thorium je prvek, který nejvíce zlepšuje vlastnosti hořčíkových slitin za<br />
vysokých teplot a odolnost proti tečení materiálu za zvýšených teplot. Ale je<br />
toradioaktivní prvek, který bývá nahrazován jinými prvky.<br />
Zr – Přidáním zirkonu se zvyšuje pevnost v tahu bez ztráty tažnosti.
Zn – Zinek má stejný vliv jako hliník, ať už na slévárenské vlastnosti nebo na<br />
pevnost. Při obsahu zinku nad 3 % se snižuje množství staženin a je<br />
mírnězvýšená pevnost v tahu. Při obsahu zinku nad 2 % je výrazný sklon ke<br />
vzniku mikroporesity a velká náchylnost ke vzniku trhlin.<br />
Mn – Nad 1,5 hm. % manganu se zvyšuje pevnost v tahu, odolnost proti korozi,<br />
zjemnění struktury a svařitelnost.<br />
Systém značení slévárenských slitin<br />
Značení dle ASTM<br />
Všeobecně vzato se skládá značení hořčíkových slitin ze čtyř částí:<br />
• Signalizuje dva hlavní legující prvky a sestává se ze dvou smluvených písmen,<br />
které představují tyto dva hlavní prvky uspořádané podle klesajícího obsahu (jestli<br />
se obsahy rovnají, pak jsou prvky seřazeny abecedně).
• Signalizuje množství dvou hlavních elementů a skládá se ze dvou celých čísel<br />
v odpovídajícím pořadí.<br />
• Rozlišuje <strong>slitiny</strong> se stejným procentuálním složením hlavních legujících prvků.<br />
Skládá se z jednoho z následujících písmen: A – první složení, B – druhé složení,<br />
C – třetí složení registrované v ASTM, D – vysoká čistota a E – vysoká odolnost<br />
proti korozi.<br />
• Poslední část označení udává stav <strong>slitiny</strong> (tepelné zpracování)<br />
Značení tepelného zpracování slitin hořčíku<br />
F - v litém stavu<br />
O – žíhaný stav<br />
T1 – po umělém stárnutí bez předchozího rozpouštěcího ohřevu<br />
T2 – po žíhání na odstranění vnitřních pnutí, nebo žíhání po tváření za studena<br />
T4 – po rozpouštěcím ohřevu (rozpouštěcí žíhání)<br />
T6 – po rozpouštěcím ohřevu s ochlazováním na vzduchu a následujícím umělém<br />
stárnutí<br />
T61 – po rozpouštěcím ohřevu s ochlazením ve vřelé vodě a následujícím umělém<br />
stárnutí.<br />
T7 – po rozpouštěcím žíhání a stabilizačním žíhání<br />
T8 – rozpouštěcí žíhání, deformace za studena a umělé stárnutí<br />
H10 a H11 – slabě deformačně zpevněný<br />
H23, H24 a H26 – deformačně zpevněný a částečně žíhaný<br />
H3 – deformačně zpevněný a stabilizačně žíhaný
K označení slitin s nízkým obsahem nečistot, jako jsou železo, nikl a měď, byl<br />
počátkem 80. let zaveden pojem „high purity“ (vysoká čistota). Díky své odolnosti<br />
proti korozi se <strong>slitiny</strong> s vysokou čistotou používají nejčastěji při tlakovém lití. Dnes<br />
existuje u každé hořčíkové <strong>slitiny</strong> verze „high purity“. Takovou verzi <strong>slitiny</strong> označují<br />
písmena HP na konci značky <strong>slitiny</strong>.<br />
Jako příklad jsou uvedeny tyto tři <strong>slitiny</strong> AZ91A, AZ91B, AZ91C. V těchto<br />
značeních:<br />
• A reprezentuje hliník, legující prvek specifikovaný v největším množství<br />
• Z reprezentuje zinek, legující prvek specifikovaný druhým největším množstvím<br />
• 9 signalizuje, že obsah hliníku leží mezi 8,6 a 9,4<br />
• A jako poslední písmeno v prvním příkladu signalizuje, že toto je první slitina<br />
způsobilá k přidělení označení AZ91<br />
• Poslední písmena ve zbylých dvou příkladech (B, C) znamenají, že <strong>slitiny</strong> byly<br />
následně vyvinuty a jejich specifické složení se mírně liší od první <strong>slitiny</strong> (AZ91A).<br />
Ve složení se liší i samy mezi sebou, ale ne natolik, aby se muselo změnit<br />
nákladní označení.
Složení slitin AZ91, typu A, B, C, D, E
Obrábění materiálů z hořčíkových slitin<br />
Obrábění hořčíku je omezeno spíše výkonem obráběcího stroje (rychlostí apod.)<br />
nežli nástrojem. Obrábění může být provedeno 10x větší rychlostí než ocel a 2x<br />
větší rychlostí než hliník. Často se používají karbidové nástroje, obzvláště jsou<br />
upřednostňovány při velkých sériích. Hořčík má výbornou vlastnost: rychle odvádí<br />
teplo z břitové destičky, proto zůstává nástroj déle ostrý a může se obrábět i vyšší<br />
rychlostí. Hořčík musí být obráběn suchý, pokud se musí používat chladící médium,<br />
tak spíše minerální olej, než chladící kapaliny na bázi vody. Při chlazení médiem<br />
založeným na vodní bázi může nastat nebezpečí reakce mezi třískami a vodou.<br />
Hořčík je při obrábění téměř nemožné zapálit, aby k tomuto došlo, musel by se<br />
zahřát skoro až k teplotě likvidu. Proto se často při rychlém obrábění volí spíše<br />
odlamování větších třísek, které redukují nebezpečí vznícení.
Obrobitelnost slitin hořčíku
Spojování hořčíkových slitin<br />
Při obloukovém svařování pod inertním plynem je třeba brát v úvahu specifika<br />
materiálu, přídavného kovu a tvaru svařovaných dílů. Jako přídavný materiál se<br />
bere s dostatečným výsledkem slitina, která se svařuje. Výborné výsledky byly<br />
získány při použití přídavného materiálu ze slitin typu HM 21 a HM31 (s thoriem<br />
a manganem).<br />
Bodové a švové svařování vykazuje velmi dobré pevnosti spojů při aplikaci<br />
statického namáhání. Není však vhodné pro namáhání únavové, nebo tam, kde<br />
svařenec bude podroben vibracím.<br />
Významná a perspektivní je technologie spojování hořčíkových slitin lepením.<br />
Únavové charakteristiky lepených spojů jsou lepší než u jiných postupů spojování.<br />
Při lepení nedochází ke vzniků koncentrátorů napětí (strukturním a mechanickým<br />
vrubům). Technologie se osvědčuje zejména u výrobků s malou tloušťkou stěn a je<br />
tedy přínosná zejména v leteckém průmyslu.<br />
Nýtování je u slitin hořčíku rovněž běžná technologie spojování. U plechů je však<br />
třeba dbát na kvalitu povrchu otvorů. Jemné praskliny vzniklé při prostřihování<br />
otvorů výrazně snižují nosnost spoje. Dalším problémem je volba materiálu nýtů.<br />
Nýty a základní materiál nesmí tvořit elektrické mikročlánky.
Kompozice – kluzná ložiska<br />
Koncepce kluzných ložisek za dobu svého vývoje doznala značný vývoj.<br />
Nejstarším materiálem kluzných ložisek<br />
bylo mazivem prosáklé dřevo, které se<br />
používalo například v provozu válcoven.<br />
V roce 1839 bylo odlito první kluzné<br />
ložisko na bázi cínu – tzv. Babittův kov.<br />
Na počátku výroby kluzných ložisek se<br />
používala výhradně monometalická<br />
(jednovrstvá) ložiska (typ A). Měkký<br />
ložiskový kov (obvykle cínová<br />
kompozice) se vyléval přímo do<br />
litinového nebo ocelového ložiskového<br />
tělesa a s ním se opracoval na<br />
požadovaný rozměr.<br />
Použitý zdroj: Martina Krátká: Cínová<br />
kompozice výstelek ložiskových pánví.<br />
Diplomová práce. ZČU 2000 Plzeň.
Další vývojovou etapou bylo zavedení dvouvrstvých ložisek (typ B), u kterých se<br />
ložiskový materiál vylévá do opěrných tlustostěnných ocelových pánví nebo<br />
pouzder, jež přejímají úlohu nosného podkladu. To umožnilo zmenšit tloušťku<br />
vrstvy ložiskového kovu, a tím docílit jednak zvýšení zatížitelnosti ložiska, jednak<br />
snížení spotřeby ložiskových kovů. Tato ložiska jsou dodnes běžně používána<br />
u velkých naftových motorů.<br />
Ani tato koncepce nemohla vyhovět stoupajícím nárokům na kluzné uložení<br />
výkonných motorů. Bylo třeba dále výrazně zmenšit tloušťku vrstvy ložiskového<br />
kovu i samotného ocelového podkladu ložiska a použít únosnějších a tedy<br />
i tvrdších ložiskových kovů, ale současně udržet vyhovující kluzné a nouzové<br />
vlastnosti funkčního povrchu ložiska. Tak vznikla třívrstvá tenkostěnná ložiska<br />
(typ C), u kterých byly zmenšeny tloušťky nosného ocelového podkladu a pro<br />
zlepšení kluzných a nouzových vlastností bylo použito třetí záběhové a funkční<br />
vrstvy (obvykle z olověné <strong>slitiny</strong> Pb Sn 8 až 18%Pb). Tato třetí vrstva se nanáší<br />
galvanicky a má tloušťku pouze 20 až 40 μm, což zaručuje její vysokou<br />
zatížitelnost (na úrovni olověných bronzů). U méně tvrdých ložiskových materiálů<br />
(olověné bronzy s obsahem 30% olova nebo u hliníkové <strong>slitiny</strong> Al Sn 20 Cu 1) se<br />
tato třetí vrstva běžně nepoužívá a ložisko je pouze bimetalické, avšak<br />
tenkostěnné. Z výrobních i bezpečnostních důvodů není možné zmenšit tloušťku<br />
základní vrstvy nosného ložiskového kovu pod hodnotu cca 0,3 mm. Obvykle se<br />
pohybuje v mezích 0,4 až 0,8 mm podle velikosti ložiska.
Koncepce kluzného ložiska - C
Chemické složení<br />
Stanit GTW 89<br />
Sn<br />
88,6%<br />
Sn<br />
88,0%<br />
Ni<br />
0,4% Cu<br />
2,0%<br />
Sb<br />
9,0%<br />
Cu<br />
4,0%<br />
Sb<br />
8,0%<br />
+ Pb, As, Fe, Zn + Pb,As, Bi, Al, Zn
Fáze ve slitině<br />
STANIT:<br />
• Cu 6<br />
Sn 5<br />
• SnSb<br />
• Tuhý roztok Sb v Sn
Vedle chemického složení má na vlastnosti vliv také technologie výroby<br />
voda polotovar pec<br />
Stanit<br />
GTW 89
Expertíza klikových<br />
kluzných ložisek u<br />
motoru VW – TDI 1.9<br />
(1V – originál, 2V –<br />
náhrada)<br />
Označení<br />
vzorku<br />
Klikové<br />
ložisko<br />
originál 1V<br />
Klikové<br />
ložisko<br />
náhrada 2V<br />
Povrchová vrstva<br />
Tloušťka Majoritní Minoritní<br />
[m] fáze fáze<br />
97,6%Al; 70,6%Sn;<br />
NENÍ 0,7%Cu; 27,4%Al;<br />
0,8%Pb 1,1%Pb<br />
23,5<br />
87,2%Pb;<br />
8,9%Sn;<br />
3,5%Cu<br />
84%Pb;<br />
12,4%Sn;<br />
3,1%Cu<br />
Ložiskový kov<br />
Tloušťka [m] Majoritní fáze Minoritní<br />
fáze<br />
210 98,2%Al; 0,6%Fe;<br />
0,6%Cu;<br />
94,6%Cu; 92,5%Pb;<br />
382,6 4,4%Sn; 0,6%Sn;<br />
0,5%Pb 6,3 %Cu<br />
Klikové ložisko<br />
originál 1V<br />
Ložiskový kov Pánev<br />
39,4±0,9 174,8±8,7<br />
Klikové ložisko<br />
Náhrada 2V<br />
Ložiskový kov Pánev<br />
86,6±12,3 179,4±6,2
Měď a její <strong>slitiny</strong> – kov se střední teplotou tání<br />
• Ryzí měď se v přírodě nachází vzácně a vyskytuje se tedy převážně ve<br />
sloučeninách.<br />
• Nejčastěji ji nacházíme ve formě sulfidů mezi něž patří například nebo chalkopyrit.<br />
Dalšími významnými minerály je kuprit.<br />
• Ryzí měď se ve větší míře nachází na Aljašce u Hořejšího jezera (Lake Superior),<br />
ojediněle v Číně a Chile. Rudy obsahující měď jsou poměrně chudé, obsahují1 až<br />
6 % Cu.<br />
Na vzduchu je měď málo stálá. Ve vlhkém prostředí se působením kyslíku,<br />
oxidu uhličitého a vzdušné vlhkosti pokrývá tenkou vrstvičkou, která se nazývá<br />
měděnka (CuCO 3<br />
. Cu(OH) 2<br />
). V kyselině chlorovodíkové (HCl) a ve zředěné<br />
kyselině sírové (H 2<br />
SO 4<br />
) se měď nerozpouští, ale s koncentrovanou kyselinou sírovou<br />
reaguje:<br />
Cu + 2H 2<br />
SO 4<br />
→ CuSO 4<br />
+ SO 2<br />
+ 2H 2<br />
O<br />
Se zředěnou kyselinou dusičnou (HNO 3<br />
) reaguje měď za vzniku oxidu dusnatého<br />
(NO):<br />
3Cu + 8HNO 3<br />
→ 3Cu(NO 3<br />
) 2<br />
+ 2NO + 4H 2<br />
O<br />
Naproti tomu s koncentrovanou kyselinou dusičnou reaguje za vzniku<br />
oxidu dusičitého (NO 2<br />
):<br />
Cu + 4HNO 3<br />
→ Cu(NO 3<br />
) 2<br />
+ 2NO 2<br />
+ 2H 2<br />
O
Výroba mědi: 2Cu 2<br />
S + 3O 2<br />
→ 2Cu 2<br />
O + 2SO 2<br />
Cu 2<br />
S + 2Cu 2<br />
O → 6Cu + SO 2<br />
Výroba v laboratoři: Fe + CuSO 4<br />
→ Cu + FeSO 4<br />
• Je načervenalé barvy<br />
• Krystalizuje v mřížce krychlové plošně středěné<br />
• Má vysokou elektrickou i tepelnou vodivost (6x vyšší než Fe), po stříbře<br />
největší ze všech kovů<br />
• Velmi dobrou tvářitelnost (minimum při teplotách kolem 500 – 600ºC), odolnost<br />
proti korozi, obtížnou obrobitelnost (lepí se na nástroj)<br />
• Při žíhání v atmosféře obsahující vodík nebo uhlovodíky, je nebezpečí vzniku<br />
vodíkové nemoci.<br />
Vodíková nemoc mědi – žíháním mědi s obsahem kyslíku nad cca 400°C<br />
v atmosféře obsahující vodík nebo uhlovodíky, dochází k difúzi atomů vodíku do<br />
mědi. Vznikající vodní pára není v mědi rozpustná ani schopná difúze a svým<br />
velkým tlakem vyvolává vznik povrchových trhlinek po rozhraní krystalů, které<br />
vedou při dalším mechanickém zpracování nebo při namáhání za používání<br />
k hrubým prasklinám. Vodíková nemoc se projevuje při svařování autogenem,<br />
proto se musí pro tyto účely používat měď bez obsahu kyslíku.
Rovněž je kyslík na škodu, má-li se měď velmi intenzivně tvářet za studena,<br />
např. lisování tenkostěnných trubek rázem, hluboké tažení.
Měď - vlastnosti<br />
Nereaguje s vodou, na vzduchu je málo stálá:<br />
v suchém prostředí vzniká Cu 2<br />
O,<br />
ve vlhkém prostředí měděnka CuCO 3<br />
.Cu(OH) 2<br />
Za červeného žáru reaguje měď s kyslíkem, na povrchu<br />
vzniká černý CuO, pod ním vrstvička tmavočerveného<br />
Cu 2<br />
O.<br />
Kubická plošně centrovaná struktura předurčuje její dobrou tvařitelnost a možnost<br />
zpevnění tvářením za studena. Při následném rekrystalizačním žíhání se ve<br />
struktuře objevují pro měď typická krystalická dvojčata.
Historie mědi<br />
Měď je jedním z mála kovů, které znal člověk už v dobách<br />
prehistorických. Nejprve byla měď užívána samotná, později<br />
v podobě slitin (As, Pb, Zn, Sn atd.). Tyto <strong>slitiny</strong> byly velmi<br />
proměnlivého složení a jsou společně nazývány bronzy. Byly<br />
užívány tak hojně, že daly název celé historické epoše – doba<br />
bronzová.<br />
Počátek znalosti bronzu sahá v různých zemích do dob velmi různých.<br />
Např. v Egyptě byla měď známa už 4000 př.n.l., ve střední a severní Evropě se<br />
počátek doby bronzové datuje teprve kolem roku 2000 př.n.l.<br />
Název mědi – cuprum - je odvozen od římského názvu aes cyprium (chalkós<br />
kýprios dle ostrova Kypru), kde se ve značném množství těžila. Označována tak<br />
nebyla pouze měď čistá, ale i její <strong>slitiny</strong>. Pojem bronz (bronzo) se objevuje poprvé<br />
ve spise Vannuccia Biringoccia „Pirotechnica“.
Staré „federální" československé mince byly raženy ze slitin hliníku Al, hořčíku<br />
Mg, mědi Cu, zinku Zn a niklu Ni. Legendární československá koruna, která<br />
platila od 2.9.1957 do 30.9.1993, byla vyráběna ze speciálního bronzu Cu-Al-Mn<br />
v poměru 91:9:1.<br />
Nové české mince haléřových hodnot byly z hliníku, podobně jako staré<br />
československé haléře, pětníky a desetníky.<br />
Vůbec první novou českou mincí byla kovová padesátikoruna, v oběhu se<br />
objevila 7. dubna 1993. Má ocelové jádro a na povrchu je dvojbarevné galvanicky<br />
pokovena: žlutý střed mosazí a červenohnědý obvod mědí. Také ostatní mince<br />
od koruny výše jsou vyrobeny z ocelového kotoučku, který je po obou stranách<br />
pokryt vrstvou niklu (koruny), mědi (desetikoruny) nebo mosazi (dvacetikoruny).<br />
Důvodem je jednak nižší cena takové složené mince, jednak možnost automatické<br />
magnetické kontroly v mincovních automatech a třídičkách. Všechny nové české<br />
mince korunových hodnot jsou tedy složeny ze dvou nebo i tří slitin. Velmi brzy se<br />
ovšem projevily i nevýhody takového řešení, totiž snadná oxidace urychlovaná<br />
elektrokorozí v místě styku dvojice kovů ve vlhku nebo za přítomnosti „agresivního"<br />
potu. Není pochyb, že i v tomto případě byl výběr materiálu kompromisem mezi<br />
vlastnostmi a cenou.
Fyzikální<br />
vlastnosti<br />
Fyzikální, mechanické a technologické vlastnosti mědi<br />
Hustota ρ (kg . m -3 )<br />
Teplota tání (ºC)<br />
Měrná tepelná kapacita (kJ / kg K)<br />
Délková roztažnost (K -1 )<br />
Měrná tepelná vodivost (W/mK)<br />
Konduktivita (MS/m)<br />
8940<br />
1083<br />
0,385<br />
16,4 . 10 -6<br />
390<br />
58<br />
Mechanické<br />
vlastnosti<br />
Technologické<br />
vlastnosti<br />
Mez kluzu (MPa)<br />
Mez pevnosti (MPa)<br />
Tažnost (%)<br />
Kontrakce (%)<br />
Modul pružnosti v tahu (MPa)<br />
Tvrdost HB<br />
Tvářitelnost za studena i za tepla<br />
Slévatelnost<br />
Svařitelnost<br />
Pájitelnost<br />
Obrobitelnost<br />
60<br />
220<br />
50<br />
70<br />
130 000<br />
50<br />
Velmi dobrá<br />
Obtížná<br />
Dobrá<br />
Velmi dobrá<br />
Dobrá
Technicky čistá měď – vlastnosti a příměsi<br />
Dobrá odolnost mědi proti korozi je dána jednak jejím kladným potenciálem, jednak<br />
pasivačními účinky oxidů a dalších sloučenin, vytvářejících ochranné povrchové vrstvy.<br />
Proti atmosférické korozi je to především tzv. měděnka (vrstva zásaditého síranu<br />
a uhličitanu měďnatého), které má charakteristickou zelenou barvu.<br />
Ohřevem na vzduchu v rozmezí teplot 100 až 250ºC se měď pokrývá oxidem měďným<br />
(Cu 2<br />
O), který má červenou barvu a pevně lpí na povrchu.<br />
Měď, která obsahuje více než cca 0.03% O, je náchylná k praskání vlivem vodíku<br />
(tzv. vodíková nemoc).
Všemi přísadami se měď odbarvuje. Intensita jejich působení je však velmi různá<br />
a souvisí jen vzdáleně s vnitřní stavbou <strong>slitiny</strong>. U heterogenních směsí odpovídá<br />
barva <strong>slitiny</strong> poměru barev krystalů, z nichž je směs složena. Technické <strong>slitiny</strong><br />
mědi jsou však většinou tuhými roztoky, v nichž nelze působení na barvu<br />
předem určit. Nejméně působí na barvu mědi zlato. Barva slitin mědi se zlatem se<br />
mění náhle od červené barvy mědi do zlatožluté barvy zlata a je ještě při 60 % zlata<br />
načervenalá. Slitiny s jinými kovy nabývají bílé případně šedé barvy při tomto<br />
přibližném obsahu přísady:<br />
zinku 60 % manganu 22 %<br />
cínu 30 % hliníku 19 %<br />
niklu 25 % fosforu 15 %<br />
křemíku 12 %<br />
U slitin složitějších nelze barvu z těchto základních údajů spolehlivě odvodit.
Vliv mědi, zlata a stříbra na barvu <strong>slitiny</strong>
Ryzost zlata<br />
Ryzost zlata se obvykle vyjadřuje v karátech – jeden karát je hmotnostní podíl zlata<br />
ve slitině – 1/24, - naprosto čisté zlato má 24 karátů.<br />
24 karátové zlato je příliš měkké<br />
Šperky jsou vyráběny nejčastěji ze 14 karátového zlata, dříve také z 18 karátového<br />
Pozor na 8 karátové zlato – v ČR se nesmí prodávat<br />
U diamantů znamená pojem „karát“ hmotnost 0,2 g<br />
1. zelené zlato (světle žlutá barva, velice oblíbená v ČR)<br />
obsahuje – 58,5%Au; 35,5%Ag; 6,5%Cu<br />
2. bílé zlato tvrdé a platina<br />
tvrdé bílé zlato obsahuje nejčastěji - zlato, měď, nikl, zinek<br />
3. červené zlato<br />
obsahuje - 58%Au, 9,5%Ag, 32,5%Cu<br />
4. zlato pokovené rhódiem<br />
5. žluté zlato ryzosti 757/1000 (18ct)<br />
obsahuje - 58,5%Au, 32%Ag, 9,5%Cu<br />
6. bílé zlato<br />
obsahuje nejčastěji - zlato, stříbro, zinek, paládium
Druhy a použití mědi<br />
Označení ČSN Obsah příměsí<br />
(max v %)<br />
Použití<br />
ECu 99,95<br />
ECu 99,9<br />
42 3002<br />
42 3001<br />
Rozhoduje el.<br />
vodivost<br />
Pro elektrotechnické účely,<br />
v polygrafickém průmyslu<br />
Cu 99,95 42 3102 Pb 0,005<br />
O 0,02<br />
Cu 99,9 42 3103 Pb 0,04<br />
O 0,08<br />
Ve vakuové elektrotechnice<br />
Do slitin, elektrotechnické<br />
účely<br />
Cu 99,85<br />
Cu 99,75<br />
42 3003<br />
42 3004<br />
Pb 0,03<br />
O 0,01<br />
Pro svařování, chemický a<br />
potravinářský průmysl<br />
Cu 99,5 42 3005 Pb 0,1<br />
O 0,1<br />
Konstrukce ve strojírenství<br />
Cu 99,2 As 42 3009 As 0,1 až 0,5 Odolná proti redukčním<br />
plynům za zvýšených teplot
SLITINY MĚDI - MOSAZ<br />
Mosazi tvoří asi 80% všech slitin mědi.<br />
Dělí se do několika skupin, jednak dle chemického složení na dvousložkové<br />
a vícesložkové, jednak dle způsobu zpracování na tvářené a slévárenské.<br />
Dvousložkové mosazi<br />
Zinek tvoří s mědí jednak primární tuhé roztoky (α,), ale také řadu intermediárních<br />
fází. Některé z nich jsou velmi křehké, takže k tváření se používají <strong>slitiny</strong><br />
s obsahem Zn max. 42% a to pouze vícesložkové.
Vliv obsahu zinku a příměsí:<br />
S rostoucím obsahem zinku se nejprve zvyšuje<br />
pevnost a tažnost.<br />
Maximum pevnosti je při 46% Zn.<br />
Maximum tažnosti ovšem mosaz dosahuje<br />
při 32% Zn.<br />
Vliv příměsí na vlastnosti mosazí je podobný, jako u mědí. Zpravidla ale neobsahují<br />
vodík a kyslík. Železo zjemňuje zrno při rekrystalizaci, ale snižuje odolnost proti<br />
korozi.<br />
Olovo snižuje tvářitelnost, ale zlepšuje obrobitelnost.<br />
Na vzduchu korodují tyto mosazi pomalu. Koroze ve vodě je závislá na jejich<br />
složení. Naproti tomu velmi rychle působí na mosaz HCl a HNO 3<br />
.
99,5% Cu<br />
Struktura <strong>slitiny</strong> Cu Zn30<br />
Struktura <strong>slitiny</strong> Cu Zn34 Pb1<br />
Zrna tuhého roztoku , v nichž je řádkově roztroušeno olovo (tmavé tečky)
Struktura <strong>slitiny</strong> Cu Al6 Fe6 Ni6<br />
Cu - Al - Fe – Ni<br />
Struktura <strong>slitiny</strong> Cu Al10 Fe4 Ni5<br />
Dendrity tuhého roztoku (světlá barva),<br />
na hranicích zrn fáze AlFeNi<br />
Dendrity tuhého roztoku (světlá barva),<br />
na hranicích zrn fáze AlFeNi
Mosazi k tváření<br />
Jsou jednofázové, tvořené tuhým roztokem .<br />
Mosazi s obsahem 80% Cu a vyšším se nazývají tombaky.<br />
Tři druhy tombaků: tombak červený – Ms90; tombak střední – zlatý – Ms85;<br />
tombak světlý – Ms 80<br />
Vyrábějí se z nich trubky, plechy, dráty, které se zpracovávají tažením,<br />
lisováním, tlačením a ražením.<br />
Pro dosažení lepších vlastností se mosazi často legují dalšími prvky. Název je<br />
odvozen od prvku, který se po mědi a zinku vyskytuje v největším množství.
Vícesložkové mosazi ke tváření<br />
Cínové – při obsahu 0,5 až 1,5 % Sn mají velmi dobrou odolnost proti účinkům<br />
mořské vody – výroba součástí lodního zařízení - Naval brass – námořní mosaz<br />
Manganové – 3 až 4% Mn, velmi dobré mechanické a antikorozní vlastnosti – lodní<br />
zařízení<br />
Hliníkové – při obsahu 3 až 3,5% Al jsou pevné, tvrdé a korozivzdorné<br />
Niklové – vysoká pevnost, odolnost proti korozi, při obsahu 14% Ni – bílá<br />
niklová mosaz (pak-fong(=bílá měď) = alpaka = new silver = argentan). Je<br />
zvlášť vhodná k hlubokému tažení. Používá se i jako imitace stříbra.<br />
Křemíkové – obsah okolo 3% Si, jsou dobře tvářitelné za tepla i za studena,<br />
odolné proti korozi. Lze jimi pájet ocel. Přídavek Pb (do 3%) zlepšuje<br />
obrobitelnost a snižuje tření – použití i na ložiska.<br />
Olověné – dobrá obrobitelnost, ale nízká tvárnost a houževnatost. Použití jako<br />
poloautomatové mosazi (Ms58Pb, Ms63Pb) - šroubová mosaz - hodinářská<br />
kolečka, šrouby. Přítomnost olova v binární (dvousložkové) mosazi se projevuje<br />
stejně jako u vismutu, protože jeho eutektikum tuhne při 327 °C a také se vylučuje<br />
na hranicích zrn. Povolený je obsah je proto max. 0,01 % někdy až 0,03 %Pb. To<br />
platí jen u binárních mosazí. U vícesložkových je naopak žádoucí!
Mosazné pájky - tzv. tvrdé pájky, které se používají na spoje více mechanicky<br />
namáhané, jsou vhodné pro kovy a <strong>slitiny</strong> s teplotou tání nad 1000 ºC. Mají vysoký<br />
obsah Zn (až 58%) a přísady dalších prvků – pájky stříbrné, niklové. Teplota tání<br />
tvrdých pájek se pohybuje nad 600°C.
Slévárenské mosazi<br />
• Jsou to zpravidla mosazi heterogenní, používá se jich podstatně méně než mosazí<br />
tvářených.<br />
• Často obsahují kromě Cu a Zn také Pb, Si, Al.<br />
• Jejich mechanické vlastnosti jsou horší než mosazí tvářených.
BRONZY<br />
• Používají se např. na méně namáhaná ložiska a pouzdra.<br />
• Bronzy jsou <strong>slitiny</strong> mědi a dalších prvků s výjimkou zinku, který není<br />
nikdy v bronzu hlavní přísadou. Název bronzu je odvozen od hlavního<br />
přísadového prvku.<br />
• Bronzy stejně jako mosazi mohou být binárními nebo vícesložkovými<br />
slitinami, mohou být homogenní, určené k tváření nebo heterogenní,<br />
které se zpracovávají sléváním.
Někdy se označují jako bronzy pravé.<br />
CÍNOVÉ BRONZY<br />
Obsahují max. do 20% Sn. Bronzy k tváření obsahují do cca 9%Sn a používají<br />
se na pružiny, membrány, součásti pro elektrotechnický a chemický průmysl.<br />
Mají dobrou odolnost proti korozi a dobře odolávají mechanickému opotřebení.
Technický význam mají <strong>slitiny</strong> do 9% Sn u slitin tvářených a u slitin slévárenských<br />
do 12%. Základní fází technicky důležitých bronzů je tuhý roztok α. Slitiny do 5%<br />
Sn zůstávají homogenní. Difúze za nízkých teplot není dostatečná pro vyloučení<br />
fáze ε, takže zůstává zachován tuhý roztok α.<br />
Intermediální fáze způsobují zvýšení tvrdosti a křehkosti.<br />
Barva <strong>slitiny</strong> se mění od barvy mědi, nad 5% Sn přechází do zlatova. Lité bronzy<br />
s vyšším obsahem Sn jsou bílé.<br />
Přísada cínu zvyšuje pevnost.<br />
Fosfor – významný vliv na mechanické hodnoty a tvárnost,ale omezuje tvárnost za<br />
tepla.<br />
Nejškodlivější nečistotou u tvářených cínových bronzů je olovo.
Lité bronzy<br />
Pro namáhané součásti se volí bronz s 10 až 12% Sn s velmi malým množstvím Zn.<br />
Podobného složení se dříve užívalo k výrobě děl, dnes se název dělovina stále<br />
ještě používá pro nejlepší, velmi houževnatý bronz s 10% Sn a 2% Zn.<br />
Pevnost v tahu – 280 až 300 MPa; tažnost přes 25%; tvrdost 70HB.<br />
Bronzy s 10 až 12% Sn – parní armatury s použitím do 280°C<br />
Ložiskové pánve – dle požadované tvrdosti 14 až 16% při velkém namáhání až<br />
20%Sn<br />
Na méně namáhané odlitky se z úsporných důvodů<br />
používají tzv. červené kovy, jež obsahují více Zn a až<br />
5%Pb. Toto množství je závislé na požadovaných<br />
mechanických vlastnostech, mnohdy se používá<br />
úsporný červený kov s 3%Sn, 11%Zn a 5%Pb.<br />
Zvonovina – bronz s 20 a 23%Sn – použití na zvony<br />
Zrcadlový bronz – 30až 33%Sn - optická zrcadla pro<br />
velmi přesné přístroje. Bronz je, velmi křehký avšak má<br />
vysokou leštitelnost a stálost na vzduchu.
Umělecký bronz – slitina mědi ma lití soch a uměleckých předmětů. Rozhodující je<br />
dobrá slevatelnost, pevnostní vlastnosti nejsou důležité. Nejčastěji se používá<br />
5%Sn, 6%Zn a 1% Pb, u levnějších výrobků se používá 10 až 18% Zn.<br />
Olověný bronz – z binárního diagramu vyplývá<br />
problematičnost odlévání slitin Cu-Pb.<br />
Ložisko – 80%Cu, 10%Sn, 10%Pb<br />
Cu Sn10 Pb10<br />
matrice - dendrity<br />
tuhého roztoku , po<br />
jejich hranicích<br />
eutektoidní Sn fáze<br />
(tmavě šedá), černé<br />
útvary tvoří částice<br />
Pb
HLINÍKOVÉ BRONZY<br />
Technické hliníkové bronzy obsahují do 10% Al, ale zpravidla mají ještě<br />
2 až 8% přísad (Mn, Ni a Fe). Mn zvyšuje tvářitelnost za tepla i za studena a<br />
korozní odolnost. Ni zpevňuje, Fe zjemňuje zrno a zpevňuje.<br />
Hliníkové bronzy mají lepší odolnost proti korozi než mosazi nebo cínové<br />
bronzy a to díky vlivu ochranné povrchové vrstvy tvořené oxidy hliníku a mědi.<br />
Tyto bronzy dobře odolávají mořské vodě, atmosférické korozi, minerálním<br />
kyselým vodám a mnoha organickým kyselinám.<br />
Al bronzy mají sklony ke sloupkovité krystalizaci, proto se tváří nejprve za<br />
tepla a poté teprve za studena. Tváří se v rozmezí teplot 750 až 850ºC.<br />
Některé bronzy se mohou kalit a popouštět.
KŘEMÍKOVÉ BRONZY<br />
Zpočátku bylo přidáváno pouze 1%Si a tento bronz<br />
se používal pro vodiče sdělovací techniky.<br />
Křemík pro svoje desoxidační schopnosti zlepšuje<br />
slévatelnost.<br />
Výrazně zlepšuje pevnost, která je stálá až do<br />
teploty 250°C. Rovněž potlačuje teplotní ztrátu<br />
houževnatosti – použitelnost až do -180°C.<br />
- dobrá svařitelnost<br />
U slitin k tváření nepřesahuje obsah 3% Si pro<br />
odlévání až 5%Si.<br />
V posledních letech se více užívá legovaných<br />
křemíkových bronzů na odlitky.<br />
29/49<br />
4 až 5% Si; 1 až 1,5%Mn<br />
4%Si; 0,5%mn; 2%Fe; 2%Zn<br />
5%Si; 5%Fe; 2%Zn ….<br />
Použití na strojní části, armatury, nádoby a různé<br />
přístroje v průmyslu chemickém<br />
a potravinářském, kde se cení jejich chemická<br />
odolnost.<br />
Pevnost v tahu 370 až 400 MPa, tažnost kolem 20% a tvrdost 95 až 105 HB.
MANGANOVÉ BRONZY<br />
Měď tvoří s manganem nepřetržitou řadu<br />
tuhého roztoku .<br />
Slitinu lze vytvrzovat – 800°C/voda<br />
Mangan velmi rychle odbarvuje měď. Při<br />
12% je slitina již pouze žlutošedá a při 20%<br />
prakticky bílá.<br />
Tepelná a elektrická vodivost se s<br />
přídavkem manganu velmi rychle snižuje.<br />
Slitiny pro měřící odpory – 40 až 65%Mn<br />
- manganin.<br />
Při zvýšené teplotě ubývá pevnost pomaleji<br />
než u čisté mědi. Např. při 5%Mn zůstává<br />
pevnost až do 300°C téměř nezměněna a<br />
při 450°C klesá pouze na polovinu hodnoty.<br />
Manganový bronz obsahuje často ještě další legury:<br />
odporový kov – 13%Mn; 2-3% Al<br />
25%Mn a 10%Al – nabývají <strong>slitiny</strong> feromagnetických vlastností (ačkoliv<br />
neobsahují žádný feromagnetický kov) – <strong>slitiny</strong> Heuslerovy – využití na speciální<br />
magnety<br />
Manganový bronz + 3%Si – slévárenský kov – kluzná ložska – vysoká tvrdost<br />
až 260HB dle složení a způsobu vytvrzení
NIKLOVÉ BRONZY<br />
Oba kovy se vzájemně dokonale rozpouštějí –<br />
podobné krystalografické mřížky.<br />
Při 15%Ni je slitina již jen málo nažloutlá.<br />
Významné snížení elektrické vodivosti – odporové<br />
materiály Slitina má při všech koncentracích vysokou<br />
houževnatost.<br />
Za účelem desoxidace se přidává 0,5 ž 1%Mn,<br />
některé odporové <strong>slitiny</strong> mají až 3%Mn.<br />
Ze slitin 15-20%Ni – plechy a pásy pro výrobu<br />
nábojnic – hlubokotažné výrobky<br />
Niklové bronzy s 20 až 25%Ni – drobné mince místo čistého niklu – lepší ražba<br />
Niklové bronzy s 5 až 30%Ni – vysoká odolnost proti korozi – lodní<br />
kondenzátorové trubky<br />
Niklové bronzy s 30% Ni – odporová slitina NIKELIN; s 45%Ni – KONSTANTAN
BERYLLIOVÉ BRONZY - typický materiál pro<br />
výrobu nemagnetických korozivzdorných pružin,<br />
nejiskřících nástrojů i při výrobě ložisek<br />
Výhoda - po rozpouštěcím žíhání a ochlazení ve<br />
vodě se dají dobře tvarovat a tvarově hotové<br />
vytvrzovat<br />
Rozpustnost beryllia v mědi je omezená, při teplotě<br />
866 0 C je 2,7% Be<br />
Změna rozpustnosti dovoluje precipitační<br />
vytvrzování<br />
Největší význam mají <strong>slitiny</strong> s obsahem beryllia<br />
kolem 2%<br />
Následující praktický příklad byl řešen formou expertízy pro jednoho předního<br />
výrobce brýlových obrouček
Tepelné zpracování beryliových bronzů<br />
Nejčastějším případem tepelného zpracování neželezných kovů je<br />
vytvrzování<br />
1) Rozpouštěcí žíhání<br />
2) Ochlazení<br />
3) Stárnutí<br />
Rozpouštěcí žíhání se obvykle provádí při teplotě 780 až 800°C<br />
(1 h) a ochlazení ve vodě<br />
Ochlazováním se získá přesycený tuhý roztok za normální teploty -<br />
zabránění segregaci fází<br />
Stárnutí - difúzní pochod - rozpad přesyceného tuhého roztoku<br />
Vytvrzování beryliových bronzů probíhá za teploty 280 až 320°C
Mechanické vlastnosti analyzované <strong>slitiny</strong> BrB2 (dle GOST)<br />
složení: 1,9 - 2,2% Be, 0,2 - 0,5% Ni<br />
Stav R m<br />
/MPa/ R p0,2<br />
/MPa/ A 10<br />
/%/ HV 10<br />
Vyžíhaný 450 300 40 90<br />
Vytvrzený 1250 1000 2,5 375<br />
Vliv způsobu stárnutí na mechanické vlastnosti CuBe
Metalografický rozbor<br />
Analyzované součásti<br />
Leptáno18 s leptadlem:<br />
K 2<br />
Cr 2<br />
O 7<br />
– 2 g<br />
H 2<br />
SO 4<br />
- 8 ml<br />
HCl - 4 kapky<br />
H 2<br />
O dest. do 100 ml<br />
1 – odlití (surový stav) 2 - rozpouštěcí<br />
žíhání 3 – vytvrzení
Struktura beryliového bronzu ve stavu po odlití<br />
Licí struktura pozice I<br />
Licí struktura pozice II
Struktura beryliového bronzu ve stavu po vyžíhání<br />
Mikrostruktura okraje<br />
vzorku<br />
Mikrostruktura střední<br />
části vzorku<br />
Výsledky z bodové analýzy<br />
EDX prvků Cu; Co
Struktura beryliového bronzu ve stavu po vytvrzení<br />
Mikrostruktura střední<br />
části vzorku<br />
Mikrostruktura na okraji<br />
součásti<br />
Mikrořediny v mezidendritických<br />
polohách
Zkouška tvrdosti dle Vickerse<br />
Stav po odlití Stav po vyžíhání Stav po vytvrzení<br />
Hodnoty tvrdosti HV5<br />
Označení Po odlití Po<br />
vyžíhání<br />
Po<br />
vytvrzení<br />
HV5 111,57,2 119,512 249,511,3<br />
tvrdost HV5<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
Hodnoty tvrdosti HV5<br />
C1 C2 C3
Úprava tepelného zpracování<br />
T [°C]<br />
Rozpouštěcí žíhání 800 0 C/ 45 min<br />
800°C/ 10; 20; 40; 80; 160; 320 minut<br />
Umělé vytvrzování 310 0 C/ dle požadované HV<br />
Voda 320°C/30, 60, 90, 180; 360 minut<br />
800°C/ 60´ 260; 280; 300; 320; 340; 370; 410 °C / 90minut<br />
Původní doba rozpouštěcího žíhání byla dána rychlostí pohybu vzorku<br />
v průběžné peci – max. do 45 min, teplota – 800 až 820°C, atmosféra –<br />
štěpný čpavek<br />
Vytvrzení: doba hodiny (nebylo specifikováno), teplota 310 °C
Hodnoty tvrdosti HV 5 po rozpouštěcím žíhání 800 0 C<br />
s různou časovou prodlevou<br />
HV 5<br />
135<br />
130<br />
125<br />
120<br />
115<br />
110<br />
105<br />
100<br />
132,7<br />
110,9<br />
110,4<br />
109,2<br />
109,5<br />
105<br />
106,07<br />
0 10 20 40 80 160 320<br />
Doba rozpouštěcího žíhání [min]
Metalografické pozorování vzorků po rozpouštěcím žíhání 800 0 C<br />
s různou časovou prodlevou<br />
Výchozí stav - orientace a velikost<br />
jednotlivých dendritů je ovlivněna<br />
způsobem krystalizace<br />
10 minut - charakter dendritické<br />
struktury se částečně ztrácí, zůstává<br />
však zachováno nerovnoměrné<br />
rozložení intermetalické fáze.<br />
40 minut - pozůstatky dendritické<br />
struktury - tato doba stále nezaručuje<br />
homogenní strukturu<br />
80 minut - vyloučení „berylidů“ po<br />
hranicích zrn není tak značné jejich<br />
vyloučení uvnitř zrna není zcela<br />
homogenní<br />
160 minut 320 minut<br />
Struktura není zcela homogenní rozdělení intermetalické fáze je<br />
rovnoměrnější a její výskyt je nižší
Hodnoty tvrdosti HV 5 po vytvrzení za různé teploty s časovou<br />
prodlevou 90 minut<br />
HV5<br />
450<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
800 °C<br />
/ 60´/<br />
voda<br />
118<br />
260 °C<br />
/ 90´<br />
317,33 347,67 352<br />
280 °C<br />
/ 90´<br />
300 °C<br />
/ 90´<br />
320 °C<br />
/ 90´<br />
415,83<br />
340 °C<br />
/ 90´<br />
324,67 321,5<br />
370 °C<br />
/ 90´<br />
248,33<br />
410 °C<br />
/ 90´
Metalografické pozorování vzorků po vytvrzení za různé teploty s časovou<br />
prodlevou 90 minut<br />
Vytvrzování na teplotě 260 °C -<br />
kovová matrice - nehomogenní tuhý<br />
roztok<br />
Vytvrzování na teplotě 320 °C -<br />
hranice zrn jsou zviditelněny<br />
precipitáty<br />
Vytvrzování na teplotě 340 °C -<br />
hranice zrn jsou stále zviditelněny<br />
precipitáty<br />
Vytvrzování na teplotě 410 °C -<br />
vznikají nová zrna, hranice zrn jsou<br />
členité a výrazně „zdvojené“<br />
Nový charakter kovové matrice<br />
dokumentuje pozorování ŘEM
Vliv délky prodlevy na vytvrzování<br />
450<br />
400<br />
350<br />
388,67 401 415,83 406 396<br />
300<br />
HV5<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
118<br />
50<br />
0<br />
800 °C /<br />
60´/ voda<br />
320 °C /<br />
30´<br />
320 °C /<br />
60´<br />
320 °C /<br />
90´<br />
320 °C /<br />
180´<br />
320 °C /<br />
360´
Diskuse výsledků<br />
Dodané vzorky: mikrostruktura obsahuje velké množství ředin<br />
po rozpouštěcím žíhání obsahuje nerozpuštěné fáze na hranicích zrn<br />
i v základní matrici tuhého roztoku<br />
Zjištěná tvrdost nedosahuje obvyklých (předepsaných) hodnot. Po rozpouštěcím<br />
žíhání se udává tvrdost 90 HV – dosažené hodnoty se pohybovaly od 99 až 137 HV5.<br />
Naopak zjištěné hodnoty tvrdosti po vytvrzení (232 až 262 HV5) jsou podstatně nižší než<br />
udávaná tvrdost po vytvrzení 375 HV5.<br />
Ochranná atmosféra - štěpený čpavek – následkem reakce je v povrchových oblastech<br />
snížené množství intermediální fáze CuBe již ve stavu po odlití<br />
Stav po žíhání - jednofázové oblasti s rekrystalizovanými polyedrickými zrny<br />
s vyskytujícími se dvojčaty - vliv povrchového tváření součástí<br />
a následné rekrystalizace<br />
Zjištěné hodnoty tvrdosti po úpravě TZ potvrdily možnost dosažení předepsaných hodnot<br />
tvrdosti po rozpouštěcím žíhání i po vytvrzení<br />
Zpracování uvedených vzorků na vzduchu nevyvolalo výrazné ovlivnění kvality<br />
povrchu. Změna barvy povrchu byla minimální a nedošlo k většímu výskytu oxidů.
Závěr expertízy a doporučení výrobci<br />
Mikrostruktura je po odlití heterogenní a souvisí se způsobem krystalizace<br />
Odlitky obsahují velké množství mikroředin popř. mikrostaženin<br />
Rozpouštěcí žíhání nezajišťuje vznik homogenní struktury<br />
Tvrdost po vytvrzení nedosahuje předepsaných hodnot<br />
Povrchové oblasti odlitků součástí jsou ochuzeny o vytvrzující berylium<br />
Experimentem bylo zjištěno, že pro dané součásti z beryliových<br />
bronzů je nejvýhodnější následující tepelné zpracování<br />
Rozpouštěcí žíhání 800 0 C/ 60 min<br />
800°C/ 45 minut - původní<br />
Voda<br />
Umělé vytvrzování 320 0 C/ 90 min<br />
310°C/ dle HV - původní