Hliník

Report
Neželezné kovy – lehké
a přísadové
Email: [email protected]
Tel: 387 77 3057
MTDII
1
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
2
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
3
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
4
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
MTDII
5
potravinářském průmyslu, stavebnictví.
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
MTDII siluminy.
6
Hořčík
 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.
Obtížná
zpracovatelnost
vznětlivost při obrábění
a metalurgickém
zpracování
MTDII
7
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
8
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
9
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
MTDII
10
náročnějších silničních vozidel.
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
11
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
MTDII
12
speciálních elektrod pro obloukové svařování.
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
MTDII
13
kovy.
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
14
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
15
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
16
Kobalt
 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
Kobaltová modř
17
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
18
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
19
Molybden
 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.
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,
MTDII
mechanickou a korozní odolnost.
20
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
21
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
22
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
23
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
MTDII
24
pevnost, tvrdost a prokalitelnost.
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
25
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
26
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
27
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
28
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
29

Zvláštní slitiny
neželezných kovů
 Kompozice
 Pájky
 Liteřina
MTDII
30
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
31
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
MTDII
32
menší množství zinku, olova
a antimonu.
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
33
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
34
Použitá literatura
 http://periodictable.com/Elements/004/index.html
 http://www.wired.com/thisdayintech/2009/07/dayin
tech_0715/
 Ing. J. Hladký – Podklady pro výuku Materiály a
technologie
MTDII
35
Děkuji za pozornost
MTDII
36

similar documents