Nauka o materiálu. Přednáška č.11 Neželezné kovy a jejich slitiny

Transkript

1 Nauka o materiálu

2 Rozdělení neželezných kovů a slitin Jako kritérium pro rozdělení do skupin se volí teplota tání s př přihlédnutím na další vlastnosti (hustota, chemická stálost..) Neželezné kovy s nízkou teplotou tání se střední tepl. tání s vysokou tepl. tání Lehké kovy Ušlechtilé kovy Bi, Sn, Cd, Pb, Zn, Sb Cu, Ni, Co, Mn Zr, Cr, V, Nb, Mo, Ta, W Mg, Al, Be, Ti Au, Ag, Pt, Pd, Rh, Ir 2

3 Kovy s nízkou teplotou tavení Cín (Sn) polymorfní kov, jehož nízkoteplotní modifikace α (stabilní pod 13,2 C) má podobu šedého prášku (cínový mor). Má dobrou odolnost proti korozi. Olovo (Pb) odolává silným anorganickým kyselinám, je však napadáno organickými kyselinami a destilovanou vodou. Zinek (Zn) dobrá odolnost proti atmosférické korozi, mořské vodě, benzinům a olejům. Špatně odolává destilované vodě, páře, kyselinám a silně silnějším zásadám. Antimon (Sb) křehký kov s malou pevností. Používá se jako přísada do slitin s nízkou teplotou tání, kde zvyšuje tvrdost a odolnost proti opotřebení. 3

4 Teplota [ C] Slitiny nízkotavitelných kovů Měkké pájky Slitiny s teplotou tavení do 500 C slitiny Pb-Sn popř. legury (Cd, Ag, Cu), Sn+30% Zn Se zvyšujícím se podílem eutektika se zlepšuje zabíhavost a pevnost. Pájky s vysokým podílem olova se používají pro méně významné spoje. Pájky s převládajícím podílem cínu jsou určeny pro lékařství. Pro elektrotechnické účely - přísady Cu, Ag Pb Sn Váhová procenta Sn 4

5 Hliník a slitiny hliníku Vedle oceli patří k nejpoužívanějším kovovým konstrukčním materiálům. Surovinou k výrobě je bauxit, v čistém stavu oxid hlinitý z taveniny tohoto oxidu ve směsi s kryolitem se získává elektrolyticky čistý hliník (využití v potravinářství či jako elektrovodič). Nízká měrná hmotnost ( kg m -3 ) a poměrně dobrá pevnost ( MPa). Dělení hliníkových slitin lze provést podle způsobu zpracování, jiné dělení můžeme provést podle toho, jestli je slitina vytvrditelná či ne, apod. 5

6 Slitiny hliníku Slitiny hliníku pro tváření 1. Slitiny nízkopevnostní s dobrou odolností proti korozi - slitiny hliníku s hořčíkem a křemíkem, manganem - jsou svařitelné a tvařitelné - používají se v letectví, stavebnictví a bytové architektuře 2. Slitiny s vyšší pevností, s nízkou odolností proti korozi - slitiny na bázi Al-Cu-Mg nejpoužívanější (duraly, např. AlCu4Mg, AlCu4Mg1, AlCu4Mg1Mn) - značné pevnosti se dosahuje vytvrzováním Slitiny hliníku pro odlitky 1. Siluminy (slitiny Al-Si) hliníkové pájky 2. Speciální siluminy (přísady Mg a Cu) - písty, skříně převodovek, 3. Sitiny Al-Zn-Mg dobře svařitelné 6

7 Slitiny hořčíku Čistý hořčík je jako konstrukční kov nepoužitelný (vzhledem k hořlavosti využití v pyrotechnice). Jeho slitiny s Al, Zn jsou nejvíce používané (známé jako Elektron) zpevňující účinek hliníkem. Slitiny Mg-Zn-Zr mají vyšší hodnoty meze kluzu a pevnosti vlivem zpevňujícího účinku zinku a také zirkonu zjemňujícího zrno. Magnalium je označení slitiny hliníku, obsahující 5-50 % hořčíku. Pro zvýšení tvrdosti slitiny bývají přidávána i stopová množství jiných prvků. Slitiny s menším podílem hořčíku (kolem 5 %) vynikají velkou pevností, odolávají lépe korozi a mají také nižší hustotu než čistý hliník. Dají se lépe obrábět a svářet než hliník. Využívají se v automobilovém a leteckém průmyslu. 7

8 Slitiny mědi Čistá měď má vysokou el. vodivost, tepelnou vodivost. Tvářená měď se používá pro zařízení vystavená nízkým teplotám, v výměníky tepla, varné nádoby, plechy jsou určeny pro střešní krytinu, okapy Tváříme za studena nebo v rozmezí teplot C Polovina produkce mědi je určena na slitiny - podle způsobu použití je rozdělujeme na slitiny tvářené a odlévané. Mosazi (Zn) - k tváření (např. 80% Cu tombaky dobrá tvárnost a odolnost proti korozi) - k odlévání (58-63 % Cu - dobrá zabíhavost, ale velké smrštění až 1,5%, využití ložisková pouzdra, ventily) Bronzy (Sn, Pb, Al, ) viz dále 8

9 Slitiny mědi - bronzy Cínové bronzy Pro tváření 9 % Sn dobré kluzné vlastnosti kluzná ložiska Pro odlitky: 12% Sn dobrá pevnost a houževnatost, odolnost proti korozi, výborné třecí vlastnosti % Sn pro díly značně namáhané % Sn zvony % Sn optická zrcadla Hliníkové bronzy žáruvzdorné Fosforové pájky Beryliové nejpevnější (1400 MPa MPa) ) pružiny s dobrou el. vodivostí, nejiskřící nástroje Olověné kluzná ložiska Niklové a manganové konstantan odpory, tenzometry 9

10 Slitiny niklu Nikl - feromagnetický kov, drahý - asi 60 % Ni je přísadou do ocelí, 15 % plechy, 25 % slitiny - k povrchovým úpravám ke zvýšení odolnosti proti korozi - slitiny niklu se vyznačují vysokým elektrickým odporem, vysokou odolností proti korozi a opalu, vysokou pevností, žárupevností a houževnatostí. Konstrukční slitiny niklu Ni - Cu monely vysoká odolnost proti korozi, pevnost MPa, používají se pro zařízení chemického průmyslu, součásti čerpadel a lopatky turbín Ni - Be (do 2 % Be) po vytvrzení mají pevnost až 1800 MPa při dobré houževnatosti. Použití do 500 C na pružiny, membrány Ni Mn odolávají korozi i za vyšších teplot elektrody zapalovacích svíček 10

11 Titan a jeho slitiny 11 Titan Klady: nízká měrná hmotnost, vysoká měrná pevnost, použití za nízkých teplot Zápory: vysoké náklady na výrobu a zpracování, nízký modul pružnosti Používá se především v lékařství, letectví, v chemickém, papírenském a textilním průmyslu (je odolný vůči chlóru a jeho sloučeninám) Titan má dvě alotropické modifikace: 1. Ti α s mřížkou hexagonální, do 882,5 C 2. Ti β s mřížkou prostorově středěnou kubickou, do teploty tání 1668 C Přísadové prvky se v obou modifikacích rozpouštějí úplně nebo částečně a tvoří roztoky alfy nebo beta, které zachovávají mřížku dané modifikace Ti.

12 Slitiny titanu 12 Slitiny α Obsahují stabilizátor hliník. Mají velkou tepelnou stabilitu, dobrou pevnost a odolnost proti křehkému porušení i za velmi nízkých teplot. Slitiny pseudo α Do základní báze Ti-Al jsou přidány prvky stabilizující a zpevňující fázi β. Mají vyšší pevnost a tvárnost. Slitiny α+β Nejčastěji používané slitiny, mají lepší tvařitelnost, lepší odolnost proti únavovému namáhání a lze je vytvrdit (mají nižší K IC ). Svařitelnost a odolnost vůči creepu je horší. Pro lopatky turbín a kompresorů, jízdní kola Slitiny β a pseudo β - vysoká odolnost proti korozi, velmi dobrá tvařitelnost, pevnost až 1400 MPa

13 Kovy a slitiny s vysokou teplotou tání W, V, Mo, Ta, Cr, Nb, Zr Obtížná výroba a zpracování Přísadové prvky Využití v práškové metalurgii slinování = hospodárná technologie lisování, bezodpadní Technicky důležité slinuté materiály Slinuté oceli strojírenství, elektrické nástroje.. Slinuté karbidy WC + Co (90/10) tvrdost až 1800 HV (pevnost v ohybu 3000 MPa) Materiály se stanovenou porézností kovové filtry (pórovitost 27 % a více) z Cu90Sn10, kluzná ložiska FeCu, bronzy 13

14 Superplastické materiály poměrná podélná deformace přes 100%! Při výrobě některých součástek, které mají složitý tvar, dochází při jejich opracování (vrtání, soustružení, frézování) k velkému odpadu materiálu. Navíc je takové opracování energeticky náročné. Proto se ukazuje jako výhodnější převést materiál do superplastické modifikace (tj. zjemnit zrno a ohřát jej na žádanou teplotu), poté jej nalisovat do formy žádaného tvaru, nenáročnou tepelnou úpravou ho rekrystalizovat, aby byl tvrdší a teprve potom ho mechanicky upravit na výsledný tvar. Tímto technologickým postupem jsou v současné době vyráběny nejen některé kovové výrobky komplikovanějšího tvaru (např. automobilové karburátory), ale i výrobky z keramik (Al2O3, ZrO2) a intermetalických sloučenin (Ni3Si). 14