Neželezné slitiny

NEŽELEZNÉ SLITINY
Přírodní měď
Přírodní zlato
Rozdělení neželezných kovů
Kritérium pro dělení neželezných kovů je nejčastěji teplota tání s přihlédnutím
k dalším vlastnostem, zejména k hustotě materiálu.
Rozdělení podle hustoty
Rozdělení podle teploty tání
Kovy s nízkou teplotou tání
Olovo
Získává se ze sulfidových rud, což je např. leštěnec sulfidový nebo-li galenit.
Nejdříve se oxidačně praží a pak se provádí redukce v šachtové peci.
Oxidační pražení galenitu probíhá na aglomeračním pásu. Zahřívá se za přístupu
vzduchu, galenit se přeměňuje na oxid olovnatý.
2 PbS + 3 O2 →2 Pb O + 2 SO2
Redukční tavení probíhá v šachtových pecích, které jsou asi 10 m vysoké a připomínají svou funkcí vysokou pec. Shora pece se dávkuje aglomerát, koks
a vápenec jako struskotvorná přísada. PbO se redukuje pomocí plynu CO na
surové olovo, které obsahuje 90 – 96% olova. Zbytek tvoří nežádoucí Cu, As, Sb,
Sn a Ag. Proto se musí rafinovat. Struska má vysoký obsah Pb
a Zn, proto se dále zpracovává. Plyny vycházející z pece se rovněž čistí.
Rafinace surového olova
Odstranění mědi se provádí promícháváním roztaveného olova s elementární
sírou. Síra reaguje s Cu za vzniku sulfidu měďného, který vyplave na hladinu
olověné lázně, pomocí stěru se odtud odstraní.
Olovo je velmi měkké, dobře tvárné, obrobitelné i slévatelné. Předností olova je
odolnost proti korozi (na vzduchu se pokrývá vrstvou oxidů, která ho chrání před
další korozí) a odolnost proti silným anorganickým kyselinám, např. zředěná
kyselina dusičná ho napadá, je-li však její koncentrace vyšší než 60%, olovo jí
odolává.
Organické kyseliny, alkalické látky a dokonce i destilovaná voda olovo narušují.
Nevýhodou je, že je toxické (jedovaté), zejména jeho páry. Olovo se používá
v chemickém průmyslu (pro nádoby a potrubí ve výrobě kyseliny sírové). Velmi
vysoká hustota ho řadí mezi materiály, které se využívají pro opláštění proti
radiaci (rentgenovému záření) a jako protizávaží při vyvažování různých
mechanizmů, např. setrvačníky, disky kol, apod.
Velké množství olova se používá do různých slitin:
a)liteřina – je to slitina olova s antimonem a cínem, která se používá na lití
písmen v tiskařství
b) měkké pájky – přídavný materiál pro měkké pájení (teplota tavení do 500°C)
ve složení cín + olovo. Procentuální složení těchto dvou kovů je různé z hlediska
použití. Cín je dražší, ale zdravotně nezávadný, proto jeho obsah ve slitině je
určující pro použití měkké pájky.
c) kompozice (ložiskové kovy) – kluzná ložiska jsou obvykle tvořena nosnou
ocelovou nebo litinovou pánví, na které je nalitím a seříznutím nanesena pouze
tenká vrstvička kompozice tloušťky 0,1 až 0,5 mm. Od materiálu kompozice se
žádá pevnost v tlaku, tvrdost, odolnost proti opotřebení, únavě, korozi, zadírání,
dobré kluzné vlastnosti, tepelná vodivost, malá tepelná roztažnost, dobrá
slévatelnost. Olověné kompozice jsou slitiny soustavy Pb-SbSn (Sb jeho účelem
je zvýšení tvrdosti a pevnosti kompozice).
Kompozice – kluzná ložiska toto téma je uvedeno jako samostatná kapitola.
Cín a jeho slitiny
Získává se z rudy zvané cínovec neboli kassiterit. Vyskytuje se v modifikaci β
nad teplotou 13,2°C, pod touto teplotou se označuje jako modifikace α (cínový
mor), ve které cín degraduje. Cín má dobrou odolnost proti korozi a není
jedovatý jako olovo. Je dobře slévatelný a tvárný.
Litý má hrubozrnnou krystalizaci. Při ohýbání vydává praskavý zvuk, což
způsobují části krystalů, které se překlápějí do polohy dvojčat. Je velmi dobře
tvárný, při tváření však nesnáší namáhání tahem, a proto lze cín zpracovávat
pouze válcováním nebo lisováním.
Je odolný proti korozi vodou, atmosférickým vlivům a proti různým organickým
kyselinám obsaženým v potravinách. Na vlhkém, nečistém vzduchu se sice
pokrývá matnou vrstvičkou kysličníku, ta však chrání povrch před další oxidací
(dá se ostatně leštěním snadno odstranit). V silnějších organických kyselinách a
v louhu se rozpouští na cíničitan, zejména za přítomnosti oxidačních činidel.
Vyrábí se v několika jakostech. Nejčistší cín (Banka) obsahuje až 99,99% Sn.
Nejškodlivějšími příměsmi cínu jsou železo a síra, které způsobují jeho tvrdost a
křehkost. Tažnost cínu zhoršují antimon, arzén a vizmut. Méně nebezpečné
jsou měď a olovo, které zvětšují jeho pevnost a tvrdost, ale zároveň zmenšují
jeho tvárnost. Hliníkem znečištěný cín se rozkládá na vlhkém vzduchu a stává
se křehkým a lámavým již při 0,1 % AI.
Používá se k povrchové ochraně předmětů v potravinářském průmyslu, dále do
slitin měkkých pájek a kompozic – viz. olovo. Cínové kompozice se používají pro
náročnější podmínky, např. ložiska rychloběžných motorů.
Zinek a jeho slitiny
Krystaluje v hexagonálním těsném uspořádání. Za normální teploty je křehký,
v rozmezí teplot 100–150°C je tažný. Při této teplotě lze válcovat na plech
a vytahovat na dráty, nad 200 °C je opět křehký a dá se rozetřít na prach. Zinek
je velmi snadno tavitelný a patří k nejsnáze těkajícím kovům. Tepelná vodivost
zinku je 61–64 % a elektrická vodivost je 27 % vodivosti stříbra.
V silných minerálních kyselinách se zinek velmi ochotně rozpouští za vývoje
plynného vodíku. Na vzduchu je zinek stálý, protože se rychle pokryje tenkou
vrstvičkou oxidu, která jej účinně chrání proti korozi vzdušným kyslíkem i vlhkostí
(vodou) – tzv. pasivace. Zinek se ale také rozpouští v roztocích hydroxidů,
vodném amoniaku a za tepla také v chloridu amonném, což je projevem jeho
amfoterity (rozpouštění v kyselinách i hydroxidech). Pokud je zinek ve velmi
čistém stavu, tak rozpouštění v kyselinách ani hydroxidech neprobíhá nebo
probíhá velmi pomalu.
Zinek na vzduchu při zahřátí hoří jasně svítivým modrozeleným plamenem,
přičemž vzniká bílý oxid zinečnatý. Za červeného žáru se zinek oxiduje také
vodní párou a oxidem uhličitým, který se redukuje na oxid uhelnatý. Sirovodík
působí na zinek za normální teploty a vzniká tak sulfid zinečnatý.
Pro zinkové odlitky se nejčastěji používá slitina typu ZP0410 (obdoba slitiny
Zamak 2). Tato slitina má výbornou slévatelnost a je vhodná pro tvarově složité
díly. Odlitky se vyrábí tlakovým litím. Výborná slévatelnost zinkových slitin
současně umožňuje dosáhnout přesných rozměrů a dobré kvality povrchů odlitků,
která dovoluje s minimálním požadavkem na další opracování jejich galvanizaci
i lakování.
Čistý zinek s obsahem 99,995% je základem pro slitiny, které mimoto obsahují cca
4% hliníku a cca 0,03% hořčíku. Hliníkem a mědí se zlepšuje lití
a viskozita. Dosahuje se jemnější zrnitosti a zlepšení mechanických vlastností.
Obzvláště se zlepší pevnost, tvrdost a rázová houževnatost v ohybu. Nepatrné
množství hořčíku zvyšuje rovněž pevnost a kompenzuje vliv nečistot - olova a
kadmia obsažených v zinku. V normě EN 12844 se množství těchto kovů omezuje
na tisíciny procent. Toto omezení je nutné pro zamezení krystalické koroze při
relativně vysoké vlhkosti vzduchu.
Použitý zdroj: http://www.ortmann.cz/cs/page.php?lang=cs&page=vlastnosti
ZAMAK 2 – ZP0430
Bod tání - cca 380°C
Pevnost v tahu - cca 350 MPa
Tažnost - cca 3%
Tvrdost - cca 100 HB
TYPICKÉ CHEMICKÉ SLOŽENÍ
2% Al
2% Cu
0,04% Mg
0,07% Fe
0,004% Pb+Sn+Cd
zbytek Zn
ZAMAK 3
TYPICKÉ CHEMICKÉ SLOŽENÍ
Zamak 2 má stejné složení jako Zamak 3 s přidáním 3% mědi s cílem zvýšit
pevnost v tahu až o 20%. Zamak 2 má největší pevnost ze všech Zamak
slitin. Oproti ostatním slitinám ZAMAK jsou tvrdší a pevnější, avšak jsou méně
pružné – více křehké.
Zamak 2 - složení dle normy
Příměsi
Zamak 2
KS
Slitina KS byla vyvinuta pro rotační odlitky s požadavkem na povrchový vzhled.
KS stejné složení jako Zamak 2, s výjimkou většího obsahu hořčíku, který má za
následek jemnější zrno a snížení vzniku tzv. „pomerančové kůry“.
Příměsi
Zamak 3
Zamak 3 je standardem pro sérii Zamak zinkových slitin. Všechny ostatní jsou
s touto slitinou porovnávány. Zamak 3 má základní složení 96%Zn a 4% Al). Má
vynikající slévatelnost a dlouhodobou rozměrovou stálost. Více než 70% všech
severoamerických zinkových odlitků jsou vyrobeny ze slitiny Zamak 3.
Příměsi
Zamak 4
Zamak 4 byl vyvinut pro asijské trhy na snížení negativních účinků po pájení
(zkřehnutí) při zachování tažnosti slitiny Zamak 3. Tohoto účinku bylo dosaženo
pomocí polovičního množství mědi oproti slitině Zamak 5.
Příměsi
Zamak 4
Zamak 5
Zamak 5 má stejné složení jako Zamak 3 s přidáním 1% mědi s cílem zvýšit
pevnost (přibližně o 10%), tvrdost a korozní odolnost, ale má nižší tažnost. Také
má menší rozměrovou přesnost. Zamak 5 je více běžně používaný v Evropě. Příměsi
Zamak 5
Zamak 7
Zamak 7 má méně hořčíku oproti Zamak 3. Je to z důvodu vyšší pružnosti a
houževnatosti, což je užitečné zejména při lití tenkostěnných součástí. Za účelem
snížení mezi mezikrystalické korozi je přidáno malé množství niklu, další příměsi
jsou přísně kontrolovány, aby byly co nejnižší.
Zamak 7
Souhrnná tabulka koncentrací jednotlivých prvků u slitin ZAMAK
Vizmut a jeho slitiny
Je křehký kov s stříbřitě bílé barvy (čerstvě vyrobený), kvůli povrchové oxidaci má
mírně růžovou barvu. Vizmut je nejvíce přirozeně diamagnetický a z kovů má
jednu z nejnižších hodnot tepelné vodivosti.
V zemské kůře je vizmut asi dvakrát víc obsažen než zlato. Největší naleziště
jsou v Austrálii, Bolívii a Číně. Světová těžba vizmutu v roce 2010 byla 8,900 tun,
s hlavními příspěvky
Číny (6500 tun), Peru (1100 tun) a Mexika (850
tun). Rafinerie výroby byla 16.000 tun, z toho Čína produkovala 13.000, Mexiko
850 a Belgie 800 tun.
Vzhledem k tomu, že vizmut je nejvíce k dispozici jako vedlejší produkt, jeho
udržitelnost je závislá na recyklaci. Vizmut je většinou vedlejším produktem tavení
olova, spolu se stříbrem, zinkem a antimonem a dalších kovů jako např. Výrobou
molybdenu, wolframu a také mědi.
Pravděpodobně nejjednodušší recyklace vizmutu by byla z použitých pájek.
V pájkách se jeho obsah po pájení snižuje a nevyplatí se jejich recyklace jako
u stříbrných pájek. Další možností recyklace by byly automobilové katalyzátory.
Vedle těchto produktů se vizmut využívá i v automatových ocelích pro zlepšení
lámavosti třísky.
Vismut (Bi) se používá stále více jako náhrada olova v pájecích slitinách
z důvodu toho, že není jako Pb jedovatý. Ačkoliv teplota tání čistého vismutu je
271 °C, přidáním dalších prvků se teplota výrazně snižuje. Směsi vizmutu jsou
také široce používány v lékařské a kosmetické aplikaci.
Nejpoužívanější bezolovnaté pájecí slitiny vizmutu jsou „Indalloy 281“ (58Bi
42Sn), která má teplotu tání při 138 ° C a „Indalloy 282“ (57Bi42Sn1Ag), která má
teplotu tání při teplotě 140°C. Přidání 1% Ag je slitina houževnatější. Obě slitiny
mohou být použity pro krokové (postupné) pájení. Po první spoje jsou standardní
slitiny SAC (220°C) další pájení lze provádět pomocí slitiny vizmutu (nižší teplota
tavení). Indalloy 281 a 282 mají společné vlastnosti, podobné těm z cínu a olova,
což je vynikající odolnost proti únavovému poškození a rozpuštění mědi – lepší
adheze.
Slitina vizmut-cín, 200x,
leptáno 2% Nital
Kadmium (chemická
značka Cd, latinsky Cadmium)
je
měkký,
lehce
tavitelný, toxický kovový prvek. Slouží jako součást různých slitin a k povrchové
ochraně jiných kovů před korozí. Vzhledem k jeho toxicitě je jeho praktické využití
omezováno na nejnutnější minimum.
V přírodě se kadmium vyskytuje jako příměs rud zinku a někdy i olova, z nichž se
také společně získává. K oddělení kovů se vzhledem k poměrně nízkému bodu
varu požívá destilace.
V západoevropských zemích se ho dostává do ovzduší přibližně 350 t ročně.
Oblasti zvláště ohrožené tímto kovem jsou Japonsko a Střední Evropa.
Pokrytí povrchu jiného kovu kadmiem bylo dříve velmi často používáno jako
antikorozní ochrana především pro železo a jeho slitiny. Galvanické kadmiování
různých pracovních nástrojů a železných součástek sloužilo jako vysoce účinná
ochrana před atmosférickou korozi.
Velmi významné využití nachází kadmium doposud při výrobě pájek. Jedná se
přitom o slitiny kadmia se stříbrem, cínem a zinkem, které mají velmi dobré
mechanické vlastnosti – pevnost a houževnatost sváru, ale i velmi dobře vedou
elektrický proud. Díky tomu jsou i přes nepříznivé zdravotní účinky kadmia stále
hojně využívány v elektronickém průmyslu. Časový vývoj použití kadmia
Největší množství kadmia (asi ¾) slouží k výrobě baterií, hlavně Ni-Cd.
Většina zbývající čtvrtiny se používá na výrobu pigmentů, jako stabilizátory
plastů, k legování mědi a k tvorbě ochranných povlaků a pokovování. Z dalších
využití kadmia je možné uvést výrobu lehkotavitelných slitin, pájecích kovů,
polovodičů a domácích spotřebičů jako jsou vysavače, chladničky, myčky a
televizní a rozhlasové přijímače. Kovové kadmium se v menší míře užívá v
jaderné technice k absorpci neutronů. Některé sloučeniny kadmia slouží jako
fungicidy. Ze sloučenin kadmia má největší praktický význam sulfid (sirník)
kademnatý
CdS,
intenzivně
žlutá
sloučenina
slouží
při
výrobě
malířských pigmentů jako kadmiová žluť. Uplatnění se i jako luminofor při výrobě
černobílých televizních obrazovek.
Fungicid je pesticid používaný k hubení hub,
které napadají rostliny a působí na nich
ekonomické škody, respektive působí škody na
výnosu. Jak už název napovídá jejich úlohou je
usmrcení
daného
organizmu.
Nasazení
fungicidů a jiných pesticidů je v současnosti
nejen v rozvinutých zemích výraznou součástí
integrované ochrany rostlin.
Některé fungicidy jsou zdraví škodlivé i škodlivé
pro životní prostředí, např. kuprikol. Jeho
významnou složkou je oxychlorid mědi.
Snímek z ŘEM – slitina stříbro – měď- kadmium
Kadmium patří mezi několik málo prvků, jejichž vliv na zdravotní stav lidského
organizmu je jednoznačně negativní. Tento fakt se zdá být kuriózní například i
proto, že je chemicky velmi podobné zinku, jež je naopak nezbytnou součástí
potravy a má důležitou roli pro správný vývoj a zdravotní stav lidského organizmu.
Právě vzájemná chemická podobnost těchto prvků však působí problémy, protože
kadmium může snadno vstupovat do různých enzymatických reakcí místo zinku a
následné biochemické pochody neproběhnou nebo probíhají jiným způsobem.
Příkladem je zablokování inzulínového cyklu, které může působit vážné zdravotní
komplikace.
Dalším rizikovým faktorem u kadmia je skutečnost, že se jedná
o mimořádně kumulativní jed. Přijaté kadmium se z organizmu vylučuje jen velmi
pozvolna a obtížně, jeho většina se přitom koncentruje především v ledvinách a v
menší míře i v játrech. Bylo prokázáno, že kadmium může v ledvinách setrvat až
desítky let.
Antimon, chemická značka Sb, (Stibium) patří mezi kovy, které jsou známy
lidstvu již od starověku. Slouží jako součást různých slitin, používá se ve výrobě
elektronických prvků, barviv a keramických materiálů.
Kovový neboli šedý antimon je středně tvrdý a velmi křehký. Na vzduchu je za
normálních teplot neomezeně stálý, za zvýšené teploty reaguje s kyslíkem za
vzniku oxidu antimonitého Sb2O3.
Významné uplatnění nalézá antimon jako složky různých slitin. Obvykle v nich
však tvoří pouze minoritní součást, která pouze zlepšuje vlastnosti základní slitiny
– např. zvýšení mechanické pevnosti a odolnosti proti chemickým vlivům. Další
významné použití je využití sulfidu antimoničného při výrobě kaučuku.
Slitiny antimonu
Nové typy olověných akumulátorů jsou často vyráběny ze slitin olova s jinými
kovy. Např. výroba pozitivních desek ze slitiny olova, antimonu a selenu značně
prodlužuje životnost akumulátoru v důsledku vyšší mechanické pevnosti této
slitiny.
Významný je podíl antimonu při výrobě pájek na bázi olova a cínu. Přídavky
antimonu, kadmia a stříbra získávají tyto pájky lepší vodivost, zvyšuje se
pevnost sváru i když za cenu zvýšení bodu tání slitiny.
Slitina o přibližném složení 75 % olova, 15 % cínu a 10 % antimonu
– liteřina byla po dlouhá léta základním materiálem pro výrobu tiskařských liter
– forem sazby tisku. Hořčík a jeho slitiny – lehký kov
Hořčík zaznamenává ze všech neželezných kovů největší expanzi výroby. Je to
způsobeno novými aplikacemi zejména v oblasti progresivních hořčíkových slitin
pro automobilový průmysl, ale také i v oblasti legování hliníkových slitin
hořčíkem (pří stoupající výrobě hliníku) a využití hořčíku jako reaktivní látky při
odsíření surového železa.
Jeho výroba elektrochemickou nebo termickou redukci vyžaduje velký
energeticky vklad, sofistikovanou technologii a při výrobě je nutné čelit
významným enviromentálním a bezpečnostním rizikům.
Oproti jiným neželezným kovům i při svém rozšíření v přírodě se hořčík vyrábí
jen ve 12 státech a jeho výroba je určitou charakteristikou technologické a
ekonomické vyspělosti daného státu.
Odkaz na použité zdroje: http://www.stefanmichna.com/download/technicke-materialy_II/vyroba_horciku.pdf
http://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=6292
Fyzikální a mechanické vlastnosti hořčíku
Hustota při pokojové teplotě ………….1,738.103 kg/m3
(je nejlehčím známým konstrukčním materiálem,
nebereme-li v úvahu berylium, které je toxické)
Teplota taní čistého hořčíku …………….650 °C (při atmosférickém tlaku)
Teplota varu čistého hořčíku ………….. 1090 °C (při atmosférickém tlaku)
Změna objemu při tuhnutí ………………4,2 %
Atomové číslo ……12
Atomová hmotnost ….24,305
Hořčík má mřížku hexagonální s nejtěsnějším uspořádáním s mřížkovými
konstantami a = 0,32092 nm,
c = 0,52105 nm a osovým poměrem c/a = 1,623, což je velice blízko ideálnímu
osovému poměru pro nejtěsnější uspořádání 1,633.
Mechanické vlastnosti:
Hořčík nemá takovou tažnost jako kubické plošně centrované kovy.
Suroviny pro výrobu hořčíku:
Hořčík není kovem vzácným, je hojně obsažen v zemské kůře, dalším zdrojem
hořčíku jsou oceány i suchozemská slaná jezera, jako je Mrtvé moře na hranici mezi
Izraelem a Jordánskem, nebo velké solné jezero v Utahu v USA.
Zásoby hořčíku jsou považovány za nevyčerpatelné.
Pro výrobu hořčíku se používají suroviny oxidické a chloridové.
K využívaným oxidickým surovinám patří :
a) Magnezit – MgCO3, obsahuje 47,8 % MgO, resp. 28,8 %Mg. Termicky se rozkládá
při 920 °C na MgO – periklas a CO2. Světově významné zásoby magnezitu
breuneritického typu jsou na Slovensku v 9-ti nalezištích.
b) Dolomit – CaCO3.MgCO3, obsahuje 21,8 % MgO, resp. 13,2% Mg. Termický
rozklad probíhá při 760-920 °C.
c) Serpentín – 3MgO.2SiO2. 2H2O hydrosilkát hořečnatý obsahuje 26,3 % Mg,
krystalickou vodu uvolňuje při 400 – 600°C
K chloridovým surovinám patří :
a) Karnalit – KCl.MgCl2.6H20 obsahuje 8,8 % Mg. Je zdrojem pro elektrolýzu Mg
zejména v Rusku a na Ukrajině.
b) Bischofit –MgCl2.6H20, hexahydrát chloridu hořečnatého se taví při 203 °C a
neomezen ě se rozpouští ve vodě.
c) Mořská voda – přírodní jezera a solanky (10 % MgCl2), mořská voda obsahuje
0,08-0,38 % MgCl2 a 0,12-0,31% MgSO4. Mrtvé moře obsahuje 13 % MgCl2.
Technologie výroby hořčíku:
Technologie výroby hořčíku jsou odvozené od fyzikálně-chemických vlastnosti
oxidu hořečnatého a chloridu hořečnatého, co jsou dvě nejvíc zastoupené
sloučeniny v hořčíkových surovinách. Podle jejích vlastnosti se technologie hořčíku
dělí do dvou základních skupin :
a) tavná elektrolýza MgCl2 v prostředí roztaveného elektrolytu, procesy tavné
elektrolýzy jsou vždy založené na přípravě MgCl2, jeho totální dehydrataci,
přípravě chloridového roztaveného elektrolytu a vlastní tavní elektrolýzy. Mimo
kovového roztaveného Mg je produktem plynný chlor.
b) termická redukce MgO vhodným redukovádlem, je možná prostřednictvím
kovových a nekovových redukovádel při vysokých teplotách. Od poloviny 20 století
se průmyslově realizuje termická redukce výhradně pomoci ferosilicia (FeSi75) při
teplotě 1150 –1200 °C ve vakuu (v šachtové odporové peci), páry Mg kondenzují
do dutého bloku o hmotnosti 1,8-2 t.
Použití hořčíku a jeho slitin je dle IMA (International Magnezium Assotiation):
a) 39 % primárního hořčíku spotřebovalo na legování Al slitin,
b) 38 % primárního hořčíku na výrobu Mg slitin, zejména pro přesné tlakové
odlitky,
c) 13 % primárního hořčíku na odsíření surového železa směsí prášku Mg +
CaO,
d) 10 % primárního hořčíku na protikorozní Mg anody, redukci jiných kovů (Zr,
Ti), Mg prášky pro chemikálie a legování slitin jiných neželezných kovů,
pyrotechnika.
Příklady použití :
a) kovový hořčík má řádu aplikací v pyrotechnice jako vysoce energetické
palivo pro rakety,
b) odstranění síry z ocelí,
c) k výrobě tvárných litin,
d) jako dezoxidant neželezných kovech,
e) jako legující prvek v hliníkových slitinách,
f) šicí stroje, sportovní potřeby, řetězové pily, schránky na počítače, mobilní
telefony,
g) automobilový průmysl – kliková skříň převodovky, plechy (slitina ZE10)
h) letecký a kosmický průmysl – přístrojové skříně (Mg-Li), Mg kompozity
tlumí vibrace (vysoká pevnost + creepová odolnost)
i) Mg prášky pro chemikálie.
Další vývoj :
Výrobky připravované tlakovým litím jsou nejčastěji používanými
hořčíkovými materiály.
Odlitky, připravené tlakovým litím mají následující výhody:
a) vysoká produktivita,
b) vysoká přesnost,
c) vysoká kvalita povrchu,
d) struktura jemných zrn,
c) možnost připravit tenkostěnné a tvarové bohaté výrobky.
Ve srovnání s Al :
a) rychlost odlévání je vyšší o 50 %,
b) mohou být použity ocelové ingoty a dlouhou dobou životnosti,
c) dobrá opracovatelnost,
d) úspora na opotřebení nástrojů 50 %,
e) vysoká tekutost taveniny.
Nevýhody slitin připravených tlakovým litím:
a) uzavřené póry obsahující plyn jako výsledek velké rychlosti plnění a
následného tuhnutí,
b) horší mechanické vlastnosti,
c) omezený výběr legujících prvků,
d) horší odolnost proti creepu jako důsledek malého zrna litého materiálu,
e) omezená slévatelnost slitin Mg-Al-RE a vysoké náklady (RE – prvky
vzácných zemin *),
f) nedají se tepelně zpracovávat,
g) nejsou vhodné pro svařování.
Dalšími možnostmi jak zlepšit výrobky z hořčíkových materiálu je
dvojstupňové tlakové lití a tixotropní odlévání. Porezita materiálu,
připravených metodou tlakového lití s dvojnásobnou aplikaci tlaku, je
téměř nulová.
Slitina Al – 6 % Mm – 5% Fe – 3% Mg – 3% Si, značená AlMm6Fe5Mg3Si3,
Složení Mm (Mm = Misch Metal) je 45% Ce (cer), 38 % La (lanthan), 12 % Nd
(neodym) a 4 % Pr (Praseodym). http://cs.wikipedia.org/wiki/Lanthanoid
http://www.metal2012.com/files/proceedings/metal_08/Lists/Papers/081.pdf Alena Michalcová ; Dalibor Vojtěch ; Pavel
Novák : VLASTNOSTI RYCHLE ZTUHLÉ Al – TM – RE SLITINY. VŠCHT v Praze, Ústav kovových materiálů a
korozního inženýrství, Technická 5, 166 28 Praha 6, ČR, [email protected]
Hořčíkové slitiny
Hliník tvoří s hořčíkem tuhý roztok (δ) a při vyšších obsazích eutektikum Mg4Al3,
které zvyšuje základní mechanické vlastnosti. Horší vlastnosti slitin hořčíku a
hliníku jsou způsobeny vyloučením fáze  (Al12Mg17). Tato fáze má kubickou mřížku.
Vady způsobené fází γ
Ve slitinách hořčíku je často kromě hliníku i určitý obsah zinku, manganu a zirkonu.
Zinek tvoří spolu s hliníkem a hořčíkem tuhý roztok a při vyšším obsahu hliníku se
také vylučují intermetalické fáze Mg4Al3 a MgZn2. Intermetalická fáze MgZn2 má
stejný vliv na pevnostní charakteristiky jako fáze Mg4Al3.
Mangan s hořčíkem tvoří tuhý roztok α. Se snižující teplotou se mění rozpustnost
manganu v hořčíku a z tuhého roztoku precipituje fáze β. Přísada manganu
neovlivňuje mechanické vlastnosti jako hliník a zinek, ale její výhodou je zvýšení
korozní odolnosti, což je způsobeno vylučováním tenké vrstvy kysličníku Mg-Mn na
povrchu. Další výhodou manganu je schopnost tvořit se železem sloučeninu
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
mechanických vlastností, ale snižuje odolnost proti korozi.
Další možnou přísadou je cín. Cín je rozpustný až do obsahu okolo 10% (při
teplotě 645°C), p řičemž rozpustnost prudce klesá s teplotou za současné
precipitace fáze β(Mg2Sn). Například komplexně legovaná slitina Mg-Al-Mn
dodatečně legovaná okolo 5% Sn má velmi dobrou svařitelnost za tepla. Křemík
je nerozpustný v hořčíku, ale tvoří s ním intermetalickou fázi Mg2Si, která silně
zpevňuje základní matrici. Vzhledem k obrovskému zvýšení křehkosti je obsah
Si držen pod 0,3%.
Zdroj: http://www.journalamme.org/papers_vol29_
Slitiny hořčíku s hliníkem
Slitiny typu Mg-Al jsou nejrozšířenějším typem pro slévárenské účely. Jsou
nejstarší skupinou slitin hořčíku. Přidávají se do nich další legující prvky (Zr, Zn,
Th, Ag, Ce). Jejich užitečné vlastnosti jsou dány existencí relativně široké oblasti
tuhého roztoku δ v rovnovážném diagramu Mg-Al a možností změnit chemické
složení přidáním dalších prvků.
Nejrozšířenější z těchto slitin (s komerčním názvem elektron) jsou slitiny
s obsahem 7 až 10 % Al. Slitiny s vyšším obsahem hliníku než 7 % jsou
vytvrditelné. Při vytvrzování dochází k tvorbě diskontinuálního precipitátu fáze
Mg17Al12 a slitiny bývají doplněny malým množstvím zinku a manganu. Na
rozpustnost hliníku v tuhém roztoku δ a na polohu eutektického bodu má vliv
modifikace, rychlost ochlazování a tlak při lití [6]. Tyto parametry lze v širokých
mezích ovlivňovat použitou slévárenskou technologií a je jich možno využít pro
výrobu odlitků různých vlastností, např. slitina MgAl6Mn vykazuje velmi dobré
mechanické vlastnosti (Rm = 190 až 230 MPa, A5 = 5 až 8 %) a odlévají se z ní,
gravitačním litím do pískových forem i tlakovým litím do kokil, disky kol pro
automobily.
S rostoucím obsahem hliníku se výrazně zvětšuje interval tuhnutí a s tím šířka
dvoufázového pásma. Takové slitiny mají při gravitačním lití velký sklon ke tvorbě
mikrostaženin a ředin. Proto obsah Al ve slitinách pro gravitační lití nepřesahuje
5%. Obsah hliníku také zlepšuje zabíravost.
Slévárenské slitiny hořčíku
Základem slévárenských slitin hořčíku jsou binární slitiny rozšířené o další legury
za účelem zlepšení technologických vlastností, mechanických vlastností nebo
zvýšení odolnosti proti korozi. Takové základní systémy jsou Mg-Al, Mg-Zn a MgMn, popř. Mg-Li. Další doplňkové kovy jsou Th, Zr, Si, Ag, Ti a kovy vzácných
zemin (La, Ce, Nd, Pr, Sc, Gd,Y).
Specifickým slévárenským problémem je vysoká hořlavost hořčíkových slitin v
roztaveném stavu. Tavenina musí být chráněna vhodnou struskou nebo
atmosférou, která se vyvíjí při hoření sirného květu na hladině taveniny. Pro
snížení vznítivosti doporučují někteří metalurgové přísadu berylia 0,005 až 0,2 %
nebo přísadu 0,2 % vápníku. Vyšší obsah vápníku však zhoršuje odolnost proti
korozi.
Slitiny hořčíku pro tváření
Slitiny hořčíku krystalizují v hexagonální, těsně uspořádané soustavě a vykazují
za normální teploty pouze jeden skluzový systém. Tvárnost těchto materiálů se
zlepšuje nad teplotou 220 °C, kdy vstupují do funkce další skluzové systémy a
kdy se projevují rekrystalizační procesy. Nejčastějšími technologiemi tváření je
protlačování profilů, válcování plechů, popř. volné nebo zápustkové kování.
Tvářecí teploty tedy leží v intervalech: kování 200 až 300 °C, protlačování 300 až
400 °C a válcování 400 až 500 °C.
Slitiny lze dle legujících prvků rozdělit na:
• slitiny hořčíku s hliníkem a zinkem,
• slitiny hořčíku s manganem,
• slitiny hořčíku se zinkem a zirkonem.
Strukturně typy slitin pro tváření odpovídají slitinám slévárenským. Tvářená
struktura však má svoje specifika. Pro tvářené slitiny se nepoužívají jako legury
kovy vzácných zemin. Slitiny tvoří výrazné textury a s nimi spojenou anizotropii
mechanických vlastností. Deformační zpevnění lze u slitin hořčíku využít pouze
v omezeném rozsahu. Slitiny s hliníkem mají obvykle přísadu zinku (do 1,5 %)
a některé ještě přísadu manganu (zvyšuje odolnost proti korozi).
Slitiny s manganem mají nízké mechanické vlastnosti, dobrou korozní odolnost
a jsou výrobně i zpracovatelsky jednoduché. Mají dobrou tvárnost i svařitelnost.
Vyrábí se z nich výlisky a válcují plechy. Slitiny se zinkem a zirkonem mají
vhodnou kombinaci legur. Zinek zvyšuje mechanické vlastnosti, zirkon zjemňuje
zrno. Nejvyšší mechanické vlastnosti mají slitiny po precipitačním vytvrzení.
Poněkud specifické slitiny jsou slitiny s thoriem vyvinuté v Rusku. Tyto slitiny jsou
vhodné pro vysoké teploty. Mechanické vlastnosti těchto slitin zůstávají stabilní
až do teplot 350 °C.
Slitiny Mg-Al-Zn
Do této skupiny patří slitiny hořčíku, které jsou známé pod pojmem „elektrony“.
U těchto slitin hraje významnou roli hliník, který výrazně zvyšuje pevnost. Ale na
druhou stranu, čím vyšší obsah hliníku, tím horší odolnost proti korozi pod
napětím. Tuto negativní vlastnost hliníku můžeme částečně kompenzovat malým
množstvím manganu. Zinek nemá takový vliv na pevnost, ani na odolnost proti
korozi pod napětím jako hliník. Ve srovnání s hliníkovými slitinami mají hořčíkové
slitiny široký interval tuhnutí (70 až 120°C), proto je jejich zabíhavost nižší a
objemové smrštění (1,1 až 1,9%) se projevuje jako pórovitost. Široký interval
tuhnutí je také příčinou vzniku trhlin. Tyto vlastnosti se dají potlačit přísadou
prvků kovů vzácných zemin a zirkonu
Specifikace slitiny AZ91
AMS
Volně lité: AZ91A, 4490. Pískové odlitky: AZ91C, 4437; AZ91E a 4446. ASTM
Odlitky: AZ91A, AZ91B a AZ91D, B 94. Pískové odlitky: AZ91C a AZ91E, B
80. Pevné formy odlitky: AZ9C a AZ91E, B 199. Přímé odlitky: AZ91C a AZ91E,
B 403. Ingot: B 93. SAE
J465. Dříve SAE slitiny: AZ91A, 501, AZ91B, 501A, AZ91C, 504.U
UNS
AZ91A: . M11910 AZ91B: . M11912 AZ91C: . M11914 AZ91D: .
M11916 AZ91E: M11921. Důsledkem překročení limitů nečistot:
Korozní odolnost se snižuje s rostoucím obsahem Fe, Cu a Ni.
Více než 0,5% Si klesá tažnost.
Pokud Fe obsah vyšší než 0,005% v AZ91D, nebo AZ91E přípustnm poměrem je
Fe-Mn 0,032 odolnost proti korozi se rychle sníží.
AZ91 A,B,D
AZ91C,E
Vlastnost – Tepelné zpracování
F
F
T4
T6
Pevnost, MPa (KSI)
230 (33)
165 (24)
275 (40)
275 (40)
Pevnost v kluzu, MPa (KSI)
150 (22)
97 (14)
90 (13)
145 (21)
Prodloužení v 50 mm (2 palce),%
3
2.5
15
6
Mez kluzu při 0,2%, MPa (KSI)
165 (24)
97 (14)
90 (13)
130 (19)
Výsledná pevnost, MPa (KSI)
-
415 (60)
415 (60)
515 (75)
Výrazná mez kluzu, MPa (KSI)
-
275 (40)
305 (44)
360 (52)
Tvrdost, HB
Tvrdost, LZZ
63
75
60
66
55
62
70
77
Charpyho V-vrubová houževnatost, J
(ft.lbf)
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
Struktura slitiny AZ91
Slitiny Mg-Al-RE
Tyto slitiny byly vyvinuty hlavně za účelem zvýšení creepové odolnosti. Je to
způsobeno hlavně tím, že je fáze δ-Mg17Al12 nahrazena intermetalikem Al-RE.
Slitiny Al-RE jsou vhodné pouze pro tlakové lití, protože při nízkých rychlostech
tuhnutí se tvoří hrubé částice Al2RE. Slitina AE 42 byla vyvinuta v osmdesátých
letech minulého století pro automobilku VW . Její tepelná odolnost je až do teplot
140°C, avšak je dražší a má horší slévatelnost. Má však také velmi příznivé
únavové vlastnosti.
Slitiny Mg-Al-Si
Tato slitina se využívá hlavně při tlakovém lití, protože je vytvrzující fáze Mg2Si
jemně rozdělena po celé struktuře. Spolu s dobrou tepelnou odolností má
i uspokojující hodnotu lomové houževnatosti. Standardní slitiny AS21 a AS41 jsou
použitelné do teplot 130 -150 °C. Slitiny AS41, AS21 byly vyvinuty v sedmdesátých
letech minulého století pro automobilku VW (VW Brouk). Slévatelnost AS41 je
poměrně dobrá, zatímco slévatelnost AS21 je problémem.
Slitiny hořčíku s manganem
Obsah manganu ve slitinách Mg-Mn bývá obvykle 1 až 2 %. Slitiny hořčíku
s manganem mají horší slévárenské vlastnosti (nižší zabíhavost a vyšší smrštivost).
Relativně nízké mechanické vlastnosti jsou způsobeny tendencí těchto slitin tvořit
hrubé zrno v průběhu krystalizace. Zjemnění lze dosáhnout malým přídavkem
křemíku. Jsou však svařitelné a mají vyšší odolnost proti korozi. Slitiny hořčíku s
manganem se používají u aplikací, kde se požaduje větší tažnost a houževnatost.
Slitiny hořčíku se zinkem
Hořčíkové slitiny se zinkem se podobají slitinám s hliníkem. Obsah zinku ve
slévárenských slitinách bývá v rozsahu 0,3 až 5 %. Do slitin tohoto typu se
přidává mangan, díku němuž se zvyšuje odolnost proti korozi. Slitiny se zinkem,
zirkonem a kovy vzácných zemin mají např. creepové vlastnosti lepší než
žáropevné slitiny hliníku, a to při nižší měrné hmotnosti.
Slitiny Mg-Zn-Zr
Tyto slitiny mají vyšší hodnoty meze kluzu a meze pevnosti, které jsou
způsobeny účinkem zinku a zirkonu. Dalšími kladnými vlastnostmi jsou nižší
náchylnost mechanických vlastností na tloušťku stěny a menší sklon k
mikropórovitosti. Zirkon zlepšuje odolnost proti korozi. Legování zirkonem
způsobuje potíže, vzhledem k nízké rozpustnosti zirkonu v roztaveném hořčíku.
Případná přísada kadmia zvyšuje pevnost a tvárnost. Tento typ slitin je možno
dlouhodobě konstrukčně používat při teplotách do 200°C.
Slitiny (Nd – Neodym)
Neodym v těchto slitinách zabezpečuje vysokou žáropevnost, která je podmíněna
stabilitou tuhého roztoku a malou rychlostí koagulace (srážení) vytvrzující fáze
Mg9Nd za vyšších teplot. Tyto slitiny jsou konstrukčně použitelné do 250°C.
Slitiny Mg-Zn-Zr-RE (RE – kovy vzácných zemin)
Tyto slitiny mají obdobné vlastnosti jako slitiny Mg-Zn-Zr-Nd. Jejich mechanické
vlastnosti jsou srovnatelné za normálních teplot s ostatními hořčíkovými slitinami.
Za vysokých teplot (asi do 250°C ) jsou použitelné jako konstrukční materiály.
Slitiny Mg-Zn-Zr-Th (Thorium)
Slitiny s thoriem patří ke slitinám hořčíku s nejvyšší žáropevností. Jsou použitelné
jako konstrukční materiály do 350°C.
Slitiny hořčíku s lithiem
Slitiny hořčíku s lithiem patří mezi nejlehčí a perspektivní konstrukční materiály.
Slitiny hořčíku a lithia dosahují velmi nízkých hustot 1 300 kg /m3 až 1000 kg /m3 .
S růstem obsahu lithia se pevnost slitin Mg-Li snižuje, avšak modul pružnosti
a mez kluzu v tlaku je vyšší, než u většiny hořčíkových slitin. Nedostatkem
hořčíkových slitin s lithiem je velká reaktivita komponent v roztaveném stavu, malá
odolnost proti tečení a nestabilita mechanických vlastností za pokojových teplot.
Tyto slitiny jsou poměrně drahé a zatím byly využívány jen v kosmickém popř.
vojenském průmyslu. V kosmonautice byly využity pro přístrojové skříně. V
literatuře se již objevují také medicínské aplikace. U slitiny Mg-Li-Y byla zjištěna
superplasticita. Slitiny jsou dále legovány i hliníkem, zinkem nebo křemíkem.
Struktura binární slitiny Mg-Li
(fáze α + β), 7,6 % Li
Zdroj: http://konference.tanger.cz/data/metal2001/sbornik/papers/204.pdf
http://katedry.fmmi.vsb.cz/637/soubory/KovyI_Mg.pdf
Některé legující prvky
Kovy vzácných zemin – Všechny kovy vzácných zemin (kromě Ytria) mají
omezenou rozpustnost v hořčíku, proto se u těchto slitin hojně využívá
precipitační vytvrzování. Precipitáty jsou velmi stabilní a zvyšují odolnost proti
tečení materiálu za zvýšených teplot, odolnost proti korozi a pevnost za vysokých
teplot. Jako legující prvky se využívají Ytrium, neodym a cer. Kvůli vysoké ceně
se používají jen zřídka.
Be – Je dávkován do taveniny jen ve velmi malém množství (do 30 ppm).
I v tomto malém množství dramaticky snižuje sklon taveniny k oxidaci.
Ca – Má pozitivní vliv na zjemňování zrna a odolnost proti tečení materiálu za
zvýšených teplot. Na druhé straně může vápník vést k lepení taveniny na
nástroje při lití a porušování materiálu za tepla.
Li – Lithium vede k zpevnění tuhého roztoku za normálních teplotách. Dále
snižuje hustotu a zvyšuje tažnost. Nicméně lithium zvyšuje tendenci taveniny k
hoření. Dále snižuje odolnost oproti korozi.
Ag – Stříbro spolu s kovy vzácných zemin silně zvyšuje pevnost slitiny za
zvýšených teplot a odolnost proti creepu. Má negativní vliv zejména na odolnost
proti korozi.
Th – Thorium je prvek, který nejvíce zlepšuje vlastnosti hořčíkových slitin za
vysokých teplot a odolnost proti tečení materiálu za zvýšených teplot. Ale je
toradioaktivní prvek, který bývá nahrazován jinými prvky.
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
pevnost. Při obsahu zinku nad 3 % se snižuje množství staženin a je
mírnězvýšená pevnost v tahu. Při obsahu zinku nad 2 % je výrazný sklon ke
vzniku mikroporesity a velká náchylnost ke vzniku trhlin.
Mn – Nad 1,5 hm. % manganu se zvyšuje pevnost v tahu, odolnost proti korozi,
zjemnění struktury a svařitelnost.
Systém značení slévárenských slitin
Značení dle ASTM
Všeobecně vzato se skládá značení hořčíkových slitin ze čtyř částí:
• Signalizuje dva hlavní legující prvky a sestává se ze dvou smluvených písmen,
které představují tyto dva hlavní prvky uspořádané podle klesajícího obsahu (jestli
se obsahy rovnají, pak jsou prvky seřazeny abecedně).
• Signalizuje množství dvou hlavních elementů a skládá se ze dvou celých čísel
v odpovídajícím pořadí.
• Rozlišuje slitiny se stejným procentuálním složením hlavních legujících prvků.
Skládá se z jednoho z následujících písmen: A – první složení, B – druhé složení,
C – třetí složení registrované v ASTM, D – vysoká čistota a E – vysoká odolnost
proti korozi.
• Poslední část označení udává stav slitiny (tepelné zpracování)
Značení tepelného zpracování slitin hořčíku
F - v litém stavu
O – žíhaný stav
T1 – po umělém stárnutí bez předchozího rozpouštěcího ohřevu
T2 – po žíhání na odstranění vnitřních pnutí, nebo žíhání po tváření za studena
T4 – po rozpouštěcím ohřevu (rozpouštěcí žíhání)
T6 – po rozpouštěcím ohřevu s ochlazováním na vzduchu a následujícím umělém
stárnutí
T61 – po rozpouštěcím ohřevu s ochlazením ve vřelé vodě a následujícím umělém
stárnutí.
T7 – po rozpouštěcím žíhání a stabilizačním žíhání
T8 – rozpouštěcí žíhání, deformace za studena a umělé stárnutí
H10 a H11 – slabě deformačně zpevněný
H23, H24 a H26 – deformačně zpevněný a částečně žíhaný
H3 – deformačně zpevněný a stabilizačně žíhaný
K označení slitin s nízkým obsahem nečistot, jako jsou železo, nikl a měď, byl
počátkem 80. let zaveden pojem „high purity“ (vysoká čistota). Díky své odolnosti
proti korozi se slitiny s vysokou čistotou používají nejčastěji při tlakovém lití. Dnes
existuje u každé hořčíkové slitiny verze „high purity“. Takovou verzi slitiny označují
písmena HP na konci značky slitiny.
Jako příklad jsou uvedeny tyto tři slitiny AZ91A, AZ91B, AZ91C. V těchto
značeních:
• A reprezentuje hliník, legující prvek specifikovaný v největším množství
• Z reprezentuje zinek, legující prvek specifikovaný druhým největším množstvím
• 9 signalizuje, že obsah hliníku leží mezi 8,6 a 9,4
• A jako poslední písmeno v prvním příkladu signalizuje, že toto je první slitina
způsobilá k přidělení označení AZ91
• Poslední písmena ve zbylých dvou příkladech (B, C) znamenají, že slitiny byly
následně vyvinuty a jejich specifické složení se mírně liší od první slitiny (AZ91A).
Ve složení se liší i samy mezi sebou, ale ne natolik, aby se muselo změnit
nákladní označení.
Složení slitin AZ91, typu A, B, C, D, E
Obrábění materiálů z hořčíkových slitin
Obrábění hořčíku je omezeno spíše výkonem obráběcího stroje (rychlostí apod.)
nežli nástrojem. Obrábění může být provedeno 10x větší rychlostí než ocel a 2x
větší rychlostí než hliník. Často se používají karbidové nástroje, obzvláště jsou
upřednostňovány při velkých sériích. Hořčík má výbornou vlastnost: rychle odvádí
teplo z břitové destičky, proto zůstává nástroj déle ostrý a může se obrábět i vyšší
rychlostí. Hořčík musí být obráběn suchý, pokud se musí používat chladící médium,
tak spíše minerální olej, než chladící kapaliny na bázi vody. Při chlazení médiem
založeným na vodní bázi může nastat nebezpečí reakce mezi třískami a vodou.
Hořčík je při obrábění téměř nemožné zapálit, aby k tomuto došlo, musel by se
zahřát skoro až k teplotě likvidu. Proto se často při rychlém obrábění volí spíše
odlamování větších třísek, které redukují nebezpečí vznícení.
Obrobitelnost slitin hořčíku
Spojování hořčíkových slitin
Při obloukovém svařování pod inertním plynem je třeba brát v úvahu specifika
materiálu, přídavného kovu a tvaru svařovaných dílů. Jako přídavný materiál se
bere s dostatečným výsledkem slitina, která se svařuje. Výborné výsledky byly
získány při použití přídavného materiálu ze slitin typu HM 21 a HM31 (s thoriem
a manganem).
Bodové a švové svařování vykazuje velmi dobré pevnosti spojů při aplikaci
statického namáhání. Není však vhodné pro namáhání únavové, nebo tam, kde
svařenec bude podroben vibracím.
Významná a perspektivní je technologie spojování hořčíkových slitin lepením.
Únavové charakteristiky lepených spojů jsou lepší než u jiných postupů spojování.
Při lepení nedochází ke vzniků koncentrátorů napětí (strukturním a mechanickým
vrubům). Technologie se osvědčuje zejména u výrobků s malou tloušťkou stěn a je
tedy přínosná zejména v leteckém průmyslu.
Nýtování je u slitin hořčíku rovněž běžná technologie spojování. U plechů je však
třeba dbát na kvalitu povrchu otvorů. Jemné praskliny vzniklé při prostřihování
otvorů výrazně snižují nosnost spoje. Dalším problémem je volba materiálu nýtů.
Nýty a základní materiál nesmí tvořit elektrické mikročlánky.
Kompozice – kluzná ložiska
Koncepce kluzných ložisek za dobu svého vývoje doznala značný vývoj.
Nejstarším materiálem kluzných ložisek
bylo mazivem prosáklé dřevo, které se
používalo například v provozu válcoven.
V roce 1839 bylo odlito první kluzné
ložisko na bázi cínu – tzv. Babittův kov.
Na počátku výroby kluzných ložisek se
používala
výhradně
monometalická
(jednovrstvá) ložiska (typ A). Měkký
ložiskový
kov
(obvykle
cínová
kompozice) se vyléval přímo do
litinového nebo ocelového ložiskového
tělesa a s ním se opracoval na
požadovaný rozměr.
Použitý zdroj: Martina Krátká: Cínová
kompozice výstelek
ložiskových pánví.
Diplomová práce. ZČU 2000 Plzeň.
Další vývojovou etapou bylo zavedení dvouvrstvých ložisek (typ B), u kterých se
ložiskový materiál vylévá do opěrných tlustostěnných ocelových pánví nebo
pouzder, jež přejímají úlohu nosného podkladu. To umožnilo zmenšit tloušťku
vrstvy ložiskového kovu, a tím docílit jednak zvýšení zatížitelnosti ložiska, jednak
snížení spotřeby ložiskových kovů. Tato ložiska jsou dodnes běžně používána
u velkých naftových motorů.
Ani tato koncepce nemohla vyhovět stoupajícím nárokům na kluzné uložení
výkonných motorů. Bylo třeba dále výrazně zmenšit tloušťku vrstvy ložiskového
kovu i samotného ocelového podkladu ložiska a použít únosnějších a tedy
i tvrdších ložiskových kovů, ale současně udržet vyhovující kluzné a nouzové
vlastnosti funkčního povrchu ložiska. Tak vznikla třívrstvá tenkostěnná ložiska
(typ C), u kterých byly zmenšeny tloušťky nosného ocelového podkladu a pro
zlepšení kluzných a nouzových vlastností bylo použito třetí záběhové a funkční
vrstvy (obvykle z olověné slitiny Pb Sn 8 až 18%Pb). Tato třetí vrstva se nanáší
galvanicky a má tloušťku pouze 20 až 40 μm, což zaručuje její vysokou
zatížitelnost (na úrovni olověných bronzů). U méně tvrdých ložiskových materiálů
(olověné bronzy s obsahem 30% olova nebo u hliníkové slitiny Al Sn 20 Cu 1) se
tato třetí vrstva běžně nepoužívá a ložisko je pouze bimetalické, avšak
tenkostěnné. Z výrobních i bezpečnostních důvodů není možné zmenšit tloušťku
základní vrstvy nosného ložiskového kovu pod hodnotu cca 0,3 mm. Obvykle se
pohybuje v mezích 0,4 až 0,8 mm podle velikosti ložiska.
Koncepce kluzného ložiska - C
Chemické složení
GTW 89
Stanit
Sn
88,6%
Ni
0,4%
Cu
Sb
2,0% 9,0%
+ Pb, As, Fe, Zn
Sn
88,0%
Cu
4,0%
Sb
8,0%
+ Pb,As, Bi, Al, Zn
Fáze ve slitině
STANIT:
• Cu6Sn5
• SnSb
• Tuhý roztok Sb v Sn
Vedle chemického složení má na vlastnosti vliv také technologie výroby
voda
polotovar
Stanit
GTW 89
pec
Expertíza klikových
kluzných ložisek u
motoru VW – TDI 1.9
(1V – originál, 2V –
náhrada)
Označení
vzorku
Klikové
ložisko
originál 1V
Klikové
ložisko
náhrada 2V
Povrchová vrstva
Ložiskový kov
Tloušťka
Majoritní Minoritní Tloušťka [m] Majoritní fáze Minoritní
fáze
fáze
fáze
[m]
97,6%Al; 70,6%Sn;
NENÍ
0,7%Cu; 27,4%Al;
210
98,2%Al; 0,6%Fe;
0,8%Pb
1,1%Pb
0,6%Cu;
87,2%Pb; 84%Pb;
94,6%Cu;
92,5%Pb;
23,5
8,9%Sn; 12,4%Sn;
382,6
4,4%Sn;
0,6%Sn;
3,5%Cu
3,1%Cu
0,5%Pb
6,3 %Cu
Klikové ložisko
originál 1V
Ložiskový kov
Pánev
39,4±0,9
174,8±8,7
Klikové ložisko
Náhrada 2V
Ložiskový kov
Pánev
86,6±12,3
179,4±6,2
Měď a její slitiny – kov se střední teplotou tání
•
Ryzí měď se v přírodě nachází vzácně a vyskytuje se tedy převážně ve
sloučeninách.
• Nejčastěji ji nacházíme ve formě sulfidů mezi něž patří například nebo chalkopyrit.
Dalšími významnými minerály je kuprit.
• Ryzí měď se ve větší míře nachází na Aljašce u Hořejšího jezera (Lake Superior),
ojediněle v Číně a Chile. Rudy obsahující měď jsou poměrně chudé, obsahují1 až
6 % Cu.
Na vzduchu je měď málo stálá. Ve vlhkém prostředí se působením kyslíku,
oxidu uhličitého a vzdušné vlhkosti pokrývá tenkou vrstvičkou, která se nazývá
měděnka (CuCO3 . Cu(OH)2). V kyselině chlorovodíkové (HCl) a ve zředěné
kyselině sírové (H2SO4) se měď nerozpouští, ale s koncentrovanou kyselinou sírovou
reaguje:
Cu + 2H2SO4 → CuSO4 + SO2 + 2H2O
Se zředěnou kyselinou dusičnou (HNO3) reaguje měď za vzniku oxidu dusnatého
(NO):
3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Naproti tomu s koncentrovanou kyselinou dusičnou reaguje
oxidu dusičitého (NO2):
Cu + 4HNO3 → Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
za
vzniku
Výroba mědi: 2Cu 2S + 3O2 → 2Cu2O + 2SO2
Cu2S + 2Cu2O → 6Cu + SO2
Výroba v laboratoři: Fe + CuSO4 → Cu + FeSO4
•
Je načervenalé barvy
•
Krystalizuje v mřížce krychlové plošně středěné
•
Má vysokou elektrickou i tepelnou vodivost (6x vyšší než Fe), po stříbře
největší ze všech kovů
•
Velmi dobrou tvářitelnost (minimum při teplotách kolem 500 – 600ºC), odolnost
proti korozi, obtížnou obrobitelnost (lepí se na nástroj)
•
Při žíhání v atmosféře obsahující vodík nebo uhlovodíky, je nebezpečí vzniku
vodíkové nemoci.
Vodíková nemoc mědi – žíháním mědi s obsahem kyslíku nad cca 400°C
v atmosféře obsahující vodík nebo uhlovodíky, dochází k difúzi atomů vodíku do
mědi. Vznikající vodní pára není v mědi rozpustná ani schopná difúze a svým
velkým tlakem vyvolává vznik povrchových trhlinek po rozhraní krystalů, které
vedou při dalším mechanickém zpracování nebo při namáhání za používání
k hrubým prasklinám. Vodíková nemoc se projevuje při svařování autogenem,
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,
např. lisování tenkostěnných trubek rázem, hluboké tažení.
Měď - vlastnosti
Nereaguje s vodou, na vzduchu je málo stálá:
v suchém prostředí vzniká Cu2O,
ve vlhkém prostředí měděnka CuCO3.Cu(OH)2
Za červeného žáru reaguje měď s kyslíkem, na povrchu
vzniká černý CuO, pod ním vrstvička tmavočerveného
Cu2O.
Kubická plošně centrovaná struktura předurčuje její dobrou tvařitelnost a možnost
zpevnění tvářením za studena. Při následném rekrystalizačním žíhání se ve
struktuře objevují pro měď typická krystalická dvojčata.
Historie mědi
Měď je jedním z mála kovů, které znal člověk už v dobách
prehistorických. Nejprve byla měď užívána samotná, později
v podobě slitin (As, Pb, Zn, Sn atd.). Tyto slitiny byly velmi
proměnlivého složení a jsou společně nazývány bronzy. Byly
užívány tak hojně, že daly název celé historické epoše – doba
bronzová.
Počátek znalosti bronzu sahá v různých zemích do dob velmi různých.
Např. v Egyptě byla měď známa už 4000 př.n.l., ve střední a severní Evropě se
počátek doby bronzové datuje teprve kolem roku 2000 př.n.l.
Název mědi – cuprum - je odvozen od římského názvu aes cyprium (chalkós
kýprios dle ostrova Kypru), kde se ve značném množství těžila. Označována tak
nebyla pouze měď čistá, ale i její slitiny. Pojem bronz (bronzo) se objevuje poprvé
ve spise Vannuccia Biringoccia „Pirotechnica“.
Staré „federální" československé mince byly raženy ze slitin hliníku Al, hořčíku
Mg, mědi Cu, zinku Zn a niklu Ni. Legendární československá koruna, která
platila od 2.9.1957 do 30.9.1993, byla vyráběna ze speciálního bronzu Cu-Al-Mn
v poměru 91:9:1.
Nové české mince haléřových hodnot byly z hliníku, podobně jako staré
československé haléře, pětníky a desetníky.
Vůbec první novou českou mincí byla kovová padesátikoruna, v oběhu se
objevila 7. dubna 1993. Má ocelové jádro a na povrchu je dvojbarevné galvanicky
pokovena: žlutý střed mosazí a červenohnědý obvod mědí. Také ostatní mince
od koruny výše jsou vyrobeny z ocelového kotoučku, který je po obou stranách
pokryt vrstvou niklu (koruny), mědi (desetikoruny) nebo mosazi (dvacetikoruny).
Důvodem je jednak nižší cena takové složené mince, jednak možnost automatické
magnetické kontroly v mincovních automatech a třídičkách. Všechny nové české
mince korunových hodnot jsou tedy složeny ze dvou nebo i tří slitin. Velmi brzy se
ovšem projevily i nevýhody takového řešení, totiž snadná oxidace urychlovaná
elektrokorozí v místě styku dvojice kovů ve vlhku nebo za přítomnosti „agresivního"
potu. Není pochyb, že i v tomto případě byl výběr materiálu kompromisem mezi
vlastnostmi a cenou.
Fyzikální, mechanické a technologické vlastnosti mědi
Fyzikální
vlastnosti
Hustota ρ (kg . m-3)
Teplota tání (ºC)
Měrná tepelná kapacita (kJ / kg K)
Délková roztažnost (K-1)
Měrná tepelná vodivost (W/mK)
Konduktivita (MS/m)
8940
1083
0,385
16,4 . 10-6
390
58
Mechanické
vlastnosti
Mez kluzu (MPa)
Mez pevnosti (MPa)
Tažnost (%)
Kontrakce (%)
Modul pružnosti v tahu (MPa)
Tvrdost HB
60
220
50
70
130 000
50
Technologické
vlastnosti
Tvářitelnost za studena i za tepla
Slévatelnost
Svařitelnost
Pájitelnost
Obrobitelnost
Velmi dobrá
Obtížná
Dobrá
Velmi dobrá
Dobrá
Technicky čistá měď – vlastnosti a příměsi
Dobrá odolnost mědi proti korozi je dána jednak jejím kladným potenciálem, jednak
pasivačními účinky oxidů a dalších sloučenin, vytvářejících ochranné povrchové vrstvy.
Proti atmosférické korozi je to především tzv. měděnka (vrstva zásaditého síranu
a uhličitanu měďnatého), které má charakteristickou zelenou barvu.
Ohřevem na vzduchu v rozmezí teplot 100 až 250ºC se měď pokrývá oxidem měďným
(Cu2O), který má červenou barvu a pevně lpí na povrchu.
Měď, která obsahuje více než cca 0.03% O, je náchylná k praskání vlivem vodíku
(tzv. vodíková nemoc).
Všemi přísadami se měď odbarvuje. Intensita jejich působení je však velmi různá
a souvisí jen vzdáleně s vnitřní stavbou slitiny. U heterogenních směsí odpovídá
barva slitiny poměru barev krystalů, z nichž je směs složena. Technické slitiny
mědi jsou však většinou tuhými roztoky, v nichž nelze působení na barvu
předem určit. Nejméně působí na barvu mědi zlato. Barva slitin mědi se zlatem se
mění náhle od červené barvy mědi do zlatožluté barvy zlata a je ještě při 60 % zlata
načervenalá. Slitiny s jinými kovy nabývají bílé případně šedé barvy při tomto
přibližném obsahu přísady:
zinku
cínu
niklu
křemíku
60 %
30 %
25 %
12 %
manganu
hliníku
fosforu
22 %
19 %
15 %
U slitin složitějších nelze barvu z těchto základních údajů spolehlivě odvodit.
Vliv mědi, zlata a stříbra na barvu slitiny
Ryzost zlata
Ryzost zlata se obvykle vyjadřuje v karátech – jeden karát je hmotnostní podíl zlata
ve slitině – 1/24, - naprosto čisté zlato má 24 karátů.
24 karátové zlato je příliš měkké
Šperky jsou vyráběny nejčastěji ze 14 karátového zlata, dříve také z 18 karátového
Pozor na 8 karátové zlato – v ČR se nesmí prodávat
U diamantů znamená pojem „karát“ hmotnost 0,2 g
1. zelené zlato (světle žlutá barva, velice oblíbená v ČR)
obsahuje – 58,5%Au; 35,5%Ag; 6,5%Cu
2. bílé zlato tvrdé a platina
tvrdé bílé zlato obsahuje nejčastěji - zlato, měď, nikl, zinek
3. červené zlato
obsahuje - 58%Au, 9,5%Ag, 32,5%Cu
4. zlato pokovené rhódiem
5. žluté zlato ryzosti 757/1000 (18ct)
obsahuje - 58,5%Au, 32%Ag, 9,5%Cu
6. bílé zlato
obsahuje nejčastěji - zlato, stříbro, zinek, paládium
Druhy a použití mědi
Označení
ČSN
Obsah příměsí
(max v %)
Použití
ECu 99,95
ECu 99,9
42 3002
42 3001
Rozhoduje el.
vodivost
Pro elektrotechnické účely,
v polygrafickém průmyslu
Cu 99,95
42 3102
Pb 0,005
O 0,02
Ve vakuové elektrotechnice
Cu 99,9
42 3103
Pb 0,04
O 0,08
Do slitin, elektrotechnické
účely
Cu 99,85
Cu 99,75
42 3003
42 3004
Pb 0,03
O 0,01
Pro svařování, chemický a
potravinářský průmysl
Cu 99,5
42 3005
Pb 0,1
O 0,1
Konstrukce ve strojírenství
Cu 99,2 As
42 3009
As 0,1 až 0,5
Odolná proti redukčním
plynům za zvýšených teplot
SLITINY MĚDI - MOSAZ
Mosazi tvoří asi 80% všech slitin mědi.
Dělí se do několika skupin, jednak dle chemického složení na dvousložkové
a vícesložkové, jednak dle způsobu zpracování na tvářené a slévárenské.
Dvousložkové mosazi
Zinek tvoří s mědí jednak primární tuhé roztoky (α,), ale také řadu intermediárních
fází. Některé z nich jsou velmi křehké, takže k tváření se používají slitiny
s obsahem Zn max. 42% a to pouze vícesložkové.
Vliv obsahu zinku a příměsí:
S rostoucím obsahem zinku se nejprve zvyšuje
pevnost a tažnost.
Maximum pevnosti je při 46% Zn.
Maximum tažnosti ovšem mosaz dosahuje
při 32% Zn.
Vliv příměsí na vlastnosti mosazí je podobný, jako u mědí. Zpravidla ale neobsahují
vodík a kyslík. Železo zjemňuje zrno při rekrystalizaci, ale snižuje odolnost proti
korozi.
Olovo snižuje tvářitelnost, ale zlepšuje obrobitelnost.
Na vzduchu korodují tyto mosazi pomalu. Koroze ve vodě je závislá na jejich
složení. Naproti tomu velmi rychle působí na mosaz HCl a HNO3.
99,5% Cu
Struktura slitiny Cu Zn30
Struktura slitiny Cu Zn34 Pb1
Zrna tuhého roztoku , v nichž je řádkově roztroušeno olovo (tmavé tečky)
Cu - Al - Fe – Ni
Struktura slitiny Cu Al6 Fe6 Ni6
Dendrity tuhého roztoku  (světlá barva),
na hranicích zrn fáze AlFeNi
Struktura slitiny Cu Al10 Fe4 Ni5
Dendrity tuhého roztoku  (světlá barva),
na hranicích zrn fáze AlFeNi
Mosazi k tváření
Jsou jednofázové, tvořené tuhým roztokem .
Mosazi s obsahem 80% Cu a vyšším se nazývají tombaky.
Tři druhy tombaků: tombak červený – Ms90; tombak střední – zlatý – Ms85;
tombak světlý – Ms 80
Vyrábějí se z nich trubky, plechy, dráty, které se zpracovávají tažením,
lisováním, tlačením a ražením.
Pro dosažení lepších vlastností se mosazi často legují dalšími prvky. Název je
odvozen od prvku, který se po mědi a zinku vyskytuje v největším množství.
Vícesložkové mosazi ke tváření
Cínové – při obsahu 0,5 až 1,5 % Sn mají velmi dobrou odolnost proti účinkům
mořské vody – výroba součástí lodního zařízení - Naval brass – námořní mosaz
Manganové – 3 až 4% Mn, velmi dobré mechanické a antikorozní vlastnosti – lodní
zařízení
Hliníkové – při obsahu 3 až 3,5% Al jsou pevné, tvrdé a korozivzdorné
Niklové – vysoká pevnost, odolnost proti korozi, při obsahu 14% Ni – bílá
niklová mosaz (pak-fong(=bílá měď) = alpaka = new silver = argentan). Je
zvlášť vhodná k hlubokému tažení. Používá se i jako imitace stříbra.
Křemíkové – obsah okolo 3% Si, jsou dobře tvářitelné za tepla i za studena,
odolné proti korozi. Lze jimi pájet ocel. Přídavek Pb (do 3%) zlepšuje
obrobitelnost a snižuje tření – použití i na ložiska.
Olověné – dobrá obrobitelnost, ale nízká tvárnost a houževnatost. Použití jako
poloautomatové mosazi (Ms58Pb, Ms63Pb) - šroubová mosaz - hodinářská
kolečka, šrouby. Přítomnost olova v binární (dvousložkové) mosazi se projevuje
stejně jako u vismutu, protože jeho eutektikum tuhne při 327 °C a také se vylučuje
na hranicích zrn. Povolený je obsah je proto max. 0,01 % někdy až 0,03 %Pb. To
platí jen u binárních mosazí. U vícesložkových je naopak žádoucí!
Mosazné pájky - tzv. tvrdé pájky, které se používají na spoje více mechanicky
namáhané, jsou vhodné pro kovy a slitiny s teplotou tání nad 1000 ºC. Mají vysoký
obsah Zn (až 58%) a přísady dalších prvků – pájky stříbrné, niklové. Teplota tání
tvrdých pájek se pohybuje nad 600°C.
Slévárenské mosazi
•
•
•
Jsou to zpravidla mosazi heterogenní, používá se jich podstatně méně než mosazí
tvářených.
Často obsahují kromě Cu a Zn také Pb, Si, Al.
Jejich mechanické vlastnosti jsou horší než mosazí tvářených.
BRONZY
•
•
•
Používají se např. na méně namáhaná ložiska a pouzdra.
Bronzy jsou slitiny mědi a dalších prvků s výjimkou zinku, který není
nikdy v bronzu hlavní přísadou. Název bronzu je odvozen od hlavního
přísadového prvku.
Bronzy stejně jako mosazi mohou být binárními nebo vícesložkovými
slitinami, mohou být homogenní, určené k tváření nebo heterogenní,
které se zpracovávají sléváním.
CÍNOVÉ BRONZY
Někdy se označují jako bronzy pravé.
Obsahují max. do 20% Sn. Bronzy k tváření obsahují do cca 9%Sn a používají
se na pružiny, membrány, součásti pro elektrotechnický a chemický průmysl.
Mají dobrou odolnost proti korozi a dobře odolávají mechanickému opotřebení.
Technický význam mají slitiny do 9% Sn u slitin tvářených a u slitin slévárenských
do 12%. Základní fází technicky důležitých bronzů je tuhý roztok α. Slitiny do 5%
Sn zůstávají homogenní. Difúze za nízkých teplot není dostatečná pro vyloučení
fáze ε, takže zůstává zachován tuhý roztok α.
Intermediální fáze způsobují zvýšení tvrdosti a křehkosti.
Barva slitiny se mění od barvy mědi, nad 5% Sn přechází do zlatova. Lité bronzy
s vyšším obsahem Sn jsou bílé.
Přísada cínu zvyšuje pevnost.
Fosfor – významný vliv na mechanické hodnoty a tvárnost,ale omezuje tvárnost za
tepla.
Nejškodlivější nečistotou u tvářených cínových bronzů je olovo.
Lité bronzy
Pro namáhané součásti se volí bronz s 10 až 12% Sn s velmi malým množstvím Zn.
Podobného složení se dříve užívalo k výrobě děl, dnes se název dělovina stále
ještě používá pro nejlepší, velmi houževnatý bronz s 10% Sn a 2% Zn.
Pevnost v tahu – 280 až 300 MPa; tažnost přes 25%; tvrdost 70HB.
Bronzy s 10 až 12% Sn – parní armatury s použitím do 280°C
Ložiskové pánve – dle požadované tvrdosti 14 až 16% při velkém namáhání až
20%Sn
Na méně namáhané odlitky se z úsporných důvodů
používají tzv. červené kovy, jež obsahují více Zn a až
5%Pb. Toto množství je závislé na požadovaných
mechanických vlastnostech, mnohdy se používá
úsporný červený kov s 3%Sn, 11%Zn a 5%Pb.
Zvonovina – bronz s 20 a 23%Sn – použití na zvony
Zrcadlový bronz – 30až 33%Sn - optická zrcadla pro
velmi přesné přístroje. Bronz je, velmi křehký avšak má
vysokou leštitelnost a stálost na vzduchu.
Umělecký bronz – slitina mědi ma lití soch a uměleckých předmětů. Rozhodující je
dobrá slevatelnost, pevnostní vlastnosti nejsou důležité. Nejčastěji se používá
5%Sn, 6%Zn a 1% Pb, u levnějších výrobků se používá 10 až 18% Zn.
Olověný bronz – z binárního diagramu vyplývá
problematičnost odlévání slitin Cu-Pb.
Cu Sn10 Pb10
matrice - dendrity
tuhého roztoku , po
jejich
hranicích
eutektoidní Sn fáze
(tmavě šedá), černé
útvary tvoří částice
Pb
Ložisko – 80%Cu, 10%Sn, 10%Pb
HLINÍKOVÉ BRONZY
Technické hliníkové bronzy obsahují do 10% Al, ale zpravidla mají ještě
2 až 8% přísad (Mn, Ni a Fe). Mn zvyšuje tvářitelnost za tepla i za studena a
korozní odolnost. Ni zpevňuje, Fe zjemňuje zrno a zpevňuje.
Hliníkové bronzy mají lepší odolnost proti korozi než mosazi nebo cínové
bronzy a to díky vlivu ochranné povrchové vrstvy tvořené oxidy hliníku a mědi.
Tyto bronzy dobře odolávají mořské vodě, atmosférické korozi, minerálním
kyselým vodám a mnoha organickým kyselinám.
Al bronzy mají sklony ke sloupkovité krystalizaci, proto se tváří nejprve za
tepla a poté teprve za studena. Tváří se v rozmezí teplot 750 až 850ºC.
Některé bronzy se mohou kalit a popouštět.
KŘEMÍKOVÉ BRONZY
Zpočátku bylo přidáváno pouze 1%Si a tento bronz
se používal pro vodiče sdělovací techniky.
Křemík pro svoje desoxidační schopnosti zlepšuje
slévatelnost.
Výrazně zlepšuje pevnost, která je stálá až do
teploty 250°C. Rovněž potlačuje teplotní ztrátu
houževnatosti – použitelnost až do -180°C.
- dobrá svařitelnost
U slitin k tváření nepřesahuje obsah 3% Si pro
odlévání až 5%Si.
V posledních letech se více užívá legovaných
křemíkových bronzů na odlitky.
Použití na strojní části, armatury, nádoby a různé
přístroje
v
průmyslu
chemickém
a potravinářském, kde se cení jejich chemická
odolnost.
Pevnost v tahu 370 až 400 MPa, tažnost kolem 20% a tvrdost 95 až 105 HB.
4 až 5% Si; 1 až 1,5%Mn
4%Si; 0,5%mn; 2%Fe; 2%Zn
5%Si; 5%Fe; 2%Zn ….
29/49
MANGANOVÉ BRONZY
Měď tvoří s manganem nepřetržitou řadu
tuhého roztoku .
Slitinu lze vytvrzovat – 800°C/voda
Mangan velmi rychle odbarvuje měď. Při
12% je slitina již pouze žlutošedá a při 20%
prakticky bílá.
Tepelná a elektrická vodivost se s
přídavkem manganu velmi rychle snižuje.
Slitiny pro měřící odpory – 40 až 65%Mn
- manganin.
Při zvýšené teplotě ubývá pevnost pomaleji
než u čisté mědi. Např. při 5%Mn zůstává
pevnost až do 300°C téměř nezměněna a
při 450°C klesá pouze na polovinu hodnoty.
Manganový bronz obsahuje často ještě další legury:
odporový kov – 13%Mn; 2-3% Al
25%Mn a 10%Al – nabývají slitiny feromagnetických vlastností (ačkoliv
neobsahují žádný feromagnetický kov) – slitiny Heuslerovy – využití na speciální
magnety
Manganový bronz + 3%Si – slévárenský kov – kluzná ložska – vysoká tvrdost
až 260HB dle složení a způsobu vytvrzení
NIKLOVÉ BRONZY
Oba kovy se vzájemně dokonale rozpouštějí –
podobné krystalografické mřížky.
Při 15%Ni je slitina již jen málo nažloutlá.
Významné snížení elektrické vodivosti – odporové
materiály Slitina má při všech koncentracích vysokou
houževnatost.
Za účelem desoxidace se přidává 0,5 ž 1%Mn,
některé odporové slitiny mají až 3%Mn.
Ze slitin 15-20%Ni – plechy a pásy pro výrobu
nábojnic – hlubokotažné výrobky
Niklové bronzy s 20 až 25%Ni – drobné mince místo čistého niklu – lepší ražba
Niklové bronzy s 5 až 30%Ni – vysoká odolnost proti korozi – lodní
kondenzátorové trubky
Niklové bronzy s 30% Ni – odporová slitina NIKELIN; s 45%Ni – KONSTANTAN
BERYLLIOVÉ BRONZY - typický materiál pro
výrobu nemagnetických korozivzdorných pružin,
nejiskřících nástrojů i při výrobě ložisek
Výhoda - po rozpouštěcím žíhání a ochlazení ve
vodě se dají dobře tvarovat a tvarově hotové
vytvrzovat
Rozpustnost beryllia v mědi je omezená, při teplotě
866 0C je 2,7% Be
Změna
rozpustnosti
vytvrzování
dovoluje
precipitační
Největší význam mají slitiny s obsahem beryllia
kolem 2%
Následující praktický příklad byl řešen formou expertízy pro jednoho předního
výrobce brýlových obrouček
Tepelné zpracování beryliových bronzů
Nejčastějším případem tepelného zpracování neželezných kovů je
vytvrzování
1) Rozpouštěcí žíhání
2) Ochlazení
3) Stárnutí
Rozpouštěcí žíhání se obvykle provádí při teplotě 780 až 800°C
(1 h) a ochlazení ve vodě
Ochlazováním se získá přesycený tuhý roztok za normální teploty zabránění segregaci fází
Stárnutí - difúzní pochod - rozpad přesyceného tuhého roztoku
Vytvrzování beryliových bronzů probíhá za teploty 280 až 320°C
Mechanické vlastnosti analyzované slitiny BrB2 (dle GOST)
složení: 1,9 - 2,2% Be, 0,2 - 0,5% Ni
Stav
Rm
/MPa/
Rp0,2
/MPa/
A10
/%/
HV 10
Vyžíhaný
450
300
40
90
Vytvrzený
1250
1000
2,5
375
Vliv způsobu stárnutí na mechanické vlastnosti CuBe
Metalografický rozbor
Analyzované součásti
Leptáno18 s leptadlem:
K2 Cr2O7 – 2 g
H2SO4 - 8 ml
HCl
- 4 kapky
H2O dest. do 100 ml
1 – odlití (surový stav) 2 - rozpouštěcí
žíhání 3 – vytvrzení
Struktura beryliového bronzu ve stavu po odlití
Licí struktura pozice I
Licí struktura pozice II
Struktura beryliového bronzu ve stavu po vyžíhání
Mikrostruktura okraje
vzorku
Mikrostruktura střední
části vzorku
Výsledky z bodové analýzy
EDX prvků Cu; Co
Struktura beryliového bronzu ve stavu po vytvrzení
Mikrostruktura střední
části vzorku
Mikrostruktura na okraji
součásti
Mikrořediny v mezidendritických
polohách
Zkouška tvrdosti dle Vickerse
Stav po odlití
Stav po vyžíhání
Stav po vytvrzení
Hodnoty tvrdosti HV5
Hodnoty tvrdosti HV5
300
Označení
HV5
Po odlití
111,57,2
Po
vyžíhání
119,512
Po
vytvrzení
249,511,3
tvrdost HV5
250
200
150
100
50
0
C1
C2
C3
Úprava tepelného zpracování
T [°C]
Rozpouštěcí žíhání 800 0C/ 45 min
800°C/ 10; 20; 40; 80; 160; 320 minut
Umělé vytvrzování 310 0C/ dle požadované HV
Voda
320°C/30, 60, 90, 180; 360 minut
800°C/ 60´
260; 280; 300; 320; 340; 370; 410 °C / 90minut
Původní doba rozpouštěcího žíhání byla dána rychlostí pohybu vzorku
v průběžné peci – max. do 45 min, teplota – 800 až 820°C, atmosféra –
štěpný čpavek
Vytvrzení: doba hodiny (nebylo specifikováno), teplota 310 °C
Hodnoty tvrdosti HV 5 po rozpouštěcím žíhání 800 0C
s různou časovou prodlevou
135
132,7
130
HV 5
125
120
115
110,9
110
110,4
109,2
105
109,5
105
106,07
100
0
10
20
40
80
Doba rozpouštěcího žíhání [min]
160
320
Metalografické pozorování vzorků po rozpouštěcím žíhání 800 0C
s různou časovou prodlevou
Výchozí stav - orientace a velikost
jednotlivých dendritů je ovlivněna
způsobem krystalizace
80 minut - vyloučení „berylidů“ po
hranicích zrn není tak značné jejich
vyloučení uvnitř zrna není zcela
homogenní
10 minut - charakter dendritické
struktury se částečně ztrácí, zůstává
však zachováno nerovnoměrné
rozložení intermetalické fáze.
160 minut
40 minut - pozůstatky dendritické
struktury - tato doba stále nezaručuje
homogenní strukturu
320 minut
Struktura není zcela homogenní rozdělení intermetalické fáze je
rovnoměrnější a její výskyt je nižší
Hodnoty tvrdosti HV 5 po vytvrzení za různé teploty s časovou
prodlevou 90 minut
450
415,83
400
350
317,33
HV5
300
347,67 352
324,67 321,5
248,33
250
200
150
100
118
50
0
800 °C 260 °C 280 °C 300 °C 320 °C 340 °C 370 °C 410 °C
/ 60´/
/ 90´
/ 90´
/ 90´
/ 90´
/ 90´
/ 90´
/ 90´
voda
Metalografické pozorování vzorků po vytvrzení za různé teploty s časovou
prodlevou 90 minut
Vytvrzování na teplotě 260 °C kovová matrice - nehomogenní tuhý
roztok
Vytvrzování na teplotě 320 °C hranice zrn jsou zviditelněny
precipitáty
Vytvrzování na teplotě 410 °C vznikají nová zrna, hranice zrn jsou
členité a výrazně „zdvojené“
Vytvrzování na teplotě 340 °C hranice zrn jsou stále zviditelněny
precipitáty
Nový charakter kovové matrice
dokumentuje pozorování ŘEM
HV5
Vliv délky prodlevy na vytvrzování
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
388,67
401
415,83
406
396
118
800 °C / 320 °C /
60´/ voda
30´
320 °C /
60´
320 °C /
90´
320 °C /
180´
320 °C /
360´
Diskuse výsledků
Dodané vzorky: mikrostruktura obsahuje velké množství ředin
po rozpouštěcím žíhání obsahuje nerozpuštěné fáze na hranicích zrn
i v základní matrici tuhého roztoku
Zjištěná tvrdost nedosahuje obvyklých (předepsaných) hodnot. Po rozpouštěcím
žíhání se udává tvrdost 90 HV – dosažené hodnoty se pohybovaly od 99 až 137 HV5.
Naopak zjištěné hodnoty tvrdosti po vytvrzení (232 až 262 HV5) jsou podstatně nižší než
udávaná tvrdost po vytvrzení 375 HV5.
Ochranná atmosféra - štěpený čpavek – následkem reakce je v povrchových oblastech
snížené množství intermediální fáze CuBe již ve stavu po odlití
Stav po žíhání - jednofázové oblasti s rekrystalizovanými polyedrickými zrny
s vyskytujícími se dvojčaty - vliv povrchového tváření součástí
a následné rekrystalizace
Zjištěné hodnoty tvrdosti po úpravě TZ potvrdily možnost dosažení předepsaných hodnot
tvrdosti po rozpouštěcím žíhání i po vytvrzení
Zpracování uvedených vzorků na vzduchu nevyvolalo výrazné ovlivnění kvality
povrchu. Změna barvy povrchu byla minimální a nedošlo k většímu výskytu oxidů.
Závěr expertízy a doporučení výrobci
 Mikrostruktura je po odlití heterogenní a souvisí se způsobem krystalizace
 Odlitky obsahují velké množství mikroředin popř. mikrostaženin
 Rozpouštěcí žíhání nezajišťuje vznik homogenní struktury
 Tvrdost po vytvrzení nedosahuje předepsaných hodnot
 Povrchové oblasti odlitků součástí jsou ochuzeny o vytvrzující berylium
Experimentem bylo zjištěno, že pro dané součásti z beryliových
bronzů je nejvýhodnější následující tepelné zpracování
Rozpouštěcí žíhání 800 0C/ 60 min
800°C/ 45 minut - původní
Voda
Umělé vytvrzování 320 0C/ 90 min
310°C/ dle HV - původní