Hořčík a jeho slitiny
Obsah
Hořčík je stříbřitě šedý kov a z technického hlediska má nejnižší měrnou hmotnost ze všech kovů běžně používaných v technice, a to přibližně 17,1 kN/m³. Z tohoto důvodu se slitiny na bázi hořčíku označují jako ultralehké slitiny, protože umožňují konstrukci velmi lehkých staveb. Zároveň hořčík nemá žádné alotropické formy, takže „nenabízí“ tolik strukturálních transformací jako železo; jeho vlastnosti jsou určovány hlavně složením slitiny, stavem odlitku/zpracování a případným tepelným zpracováním.
Čistý hořčík má však zřejmé mechanické omezení. Ve stavu po odlití má relativně nízké vlastnosti: Rm přibližně 80–120 MPa, Re přibližně 20 MPa, A5 přibližně 4–6 % a tvrdost přibližně 30 HB. To znamená, že jako konstrukční materiál „sám o sobě“ je příliš slabý a není dostatečně tvárný, aby mohl konkurovat typickým hliníkovým slitinám nebo ocelím. Kromě toho je hořčík při pokojové teplotě křehký a lze jej plasticky zpracovávat pouze při teplotách nad přibližně 220 °C, což má vliv jak na výběr výrobní technologie, tak na náklady. V praxi je proto hořčík ve formě slitin, spíše než jako čistý kov, primárně důležitý.
Chemická aktivita, koroze a bezpečnost
Hořčík je chemicky velmi aktivní kov, což má přímý vliv na jeho použití. Snadno se rozpouští v mnoha anorganických kyselinách, ale v zásadách se chová neutrálněji. Při vystavení vzduchu se pokryje tenkou vrstvou oxidu, která mu dává méně atraktivní vzhled, ale zároveň může působit jako ochranná vrstva, pokud v atmosféře nejsou přítomny chlorové soli. V přítomnosti chloridů (např. v blízkosti moře) se tvoří rozpustné chloridy hořčíku, které netvoří pevnou bariéru a neustále vystavují čerstvý kov, což umožňuje korozi snadno proniknout hluboko do kovu. To je jeden z důvodů, proč je volba slitiny hořčíku a možná ochrana povrchu v „slaném“ prostředí tak důležitá.
Dalším důležitým problémem je reakce hořčíku s vodou při zvýšených teplotách. Voda zahřátá na přibližně 100 °C v přítomnosti hořčíku se může rozložit, což vede k oxidaci hořčíku, a při vyšších teplotách může být tento proces prudký, protože uvolněný vodík může hořet výbušně. Z tohoto důvodu je v materiálu jasně uvedeno, že hasit hořící hořčík vodou je nepřijatelné.
Hořlavost hořčíku silně závisí na jeho formě. Velké prvky, hotové výrobky, šrot nebo plechy jsou za normálních podmínek prakticky nehořlavé – aby se vznítily, musí být nejprve částečně roztaveny. Hořčík ve formě pilin, hoblin, proužků nebo prášku se však může snadno vznítit, protože malé částice se rychle zahřívají a taví; po vznícení mohou hobliny hořet, dokud není materiál zcela spotřebován, a vlhkost může urychlit výbušnou povahu hoření. Tento aspekt není „kuriozitou“, ale praktickým bezpečnostním požadavkem při obrábění a skladování výrobního odpadu.
Použití čistého hořčíku a význam legování
Použití čistého hořčíku je omezené, ale ne nulové. Vzhledem k jeho vysokému spalnému teplu a jasnému plameni se někdy používá při výrobě umělého světla, v zapalovacích a výbušných materiálech, při termotechnické redukci a jako deoxidátor v metalurgii mnoha kovů. Zároveň má hořčík velký průmyslový význam jako matrice pro slitiny, protože pouze legující přísady umožňují dosáhnout mechanických vlastností a odolnosti proti korozi, které jsou užitečné ve stavebnictví.
Materiál také uvádí třídy metalurgického hořčíku podle normy (např. Mg 99,95 a Mg 99,9) a jejich typické použití, což ukazuje, že čistota hořčíku se volí v závislosti na tom, zda se má použít v chemických aplikacích a speciálních slitinách, nebo při výrobě standardních hořčíkových slitin. V praxi je to právě legování, které „přenáší“ hořčík z okrajových aplikací do klasických konstrukčních aplikací, kde je klíčovým parametrem hmotnost.
Nejdůležitější systémy slitin hořčíku
Tři přísady mají zásadní význam v hořčíkových slitinách: hliník, zinek a mangan. Hliník výrazně zlepšuje mechanické vlastnosti hořčíkových slitin; materiál ukazuje, že nejvyšší pevnosti je dosaženo u slitiny s obsahem přibližně 5 % Al a nejvyššího prodloužení u slitiny s obsahem přibližně 6 % Al. Zinek působí podobně jako hliník a nejlepší vlastnosti vykazuje slitina s obsahem přibližně 5 % Zn. Tyto hodnoty jsou důležité, protože naznačují, že existuje určitá „optimální“ úroveň přísady, nad kterou již není dosaženo proporcionálních výhod.
Mangan hraje ve slitinách hořčíku zvláštní roli, protože nejen zlepšuje mechanické vlastnosti, ale také zvyšuje odolnost proti korozi. V praxi to znamená, že mangan je někdy „strategickým“ přísadou do slitin, které se mají používat v náročnějších prostředích nebo v podmínkách, kde je ochrana povrchu omezená. Právě kombinace Mg–Al–Zn (často s Mn) tvoří nejdůležitější skupinu slitin hořčíku, známou jako elektrony, která se široce používá tam, kde je důležitá minimalizace hmotnosti.
Důležitou vlastností těchto přísad je to, že jejich rozpustnost v hořčíku klesá s klesající teplotou, což otevírá cestu pro zpevnění srážením (disperzí). Tato vlastnost je základem pro tepelné zpracování hořčíkových slitin, i když, jak materiál zdůrazňuje, účinky tepelného zpracování jsou obvykle méně spektakulární než u hliníkových slitin, takže volba složení a výrobní technologie je často důležitější než tepelné zpracování „jen pro samotné tepelné zpracování“.
Tepelné zpracování slitin hořčíku
Vzhledem k tomu, že rozpustnost legujících přísad v hořčíku klesá s klesající teplotou, lze použít klasický postup disperzního zpevňování: nejprve se vytvoří přesycený stav a poté se během stárnutí vyvolá řízená precipitace. Materiál popisuje tento proces přímo: slitina se žíhá při teplotě přibližně 345 –420 °C po dobu 16–20 hodin, poté se ochladí na vzduchu, aby se dosáhlo přesycení legujícími prvky, a následně se stárne při teplotě 150–200 °C po dobu přibližně 12 hodin, což zvyšuje pevnostní vlastnosti s mírným snížením tažnosti.
Je však důležité pochopit praktický význam tohoto popisu. Za prvé, dlouhá doba žíhání naznačuje, že je zásadní vyrovnat složení a připravit matrici pro následnou precipitaci, nikoli ji pouze „zahřát“. Za druhé, stárnutí je řízené: nejde o maximalizaci tvrdosti, ale o dosažení stabilního kompromisu vlastností. Za třetí, materiál jasně naznačuje, že ačkoli tato úprava funguje, neposkytuje tak výrazné zlepšení vlastností jako u hliníkových slitin, proto je u hořčíkových slitin méně důležitá a často se používá selektivně, hlavně tam, kde je důležité „vytlačit“ dodatečnou rezervu pevnosti při zachování nízké hmotnosti.
Dobrým příkladem účinku tepelného zpracování je slitina MgAl10ZnMn, u které materiál specifikuje vlastnosti v různých stavech. V surovém stavu dosahuje přibližně Rm 150 MPa, A5 přibližně 1 %, a HB přibližně 50. Po homogenizaci přibližně Rm 210 MPa, A5 přibližně 3 %, a HB přibližně 60. Po disperzním zpevnění přibližně Rm 210 MPa, A5 přibližně 1 %, a HB přibližně 65. Tato sada čísel ukazuje typickou vlastnost některých hořčíkových slitin: je možné výrazně zvýšit pevnost ve srovnání se surovým stavem, ale často je to na úkor plasticity a „zisk“ v tvrdosti není vždy tak velký, aby ospravedlnil tepelné zpracování v každé aplikaci.
Litiny a tvářené slitiny
Slitiny hořčíku se podobně jako slitiny hliníku dělí podle technologie výroby na litinové slitiny a tvarovatelné slitiny. Obě skupiny lze použít buď bez tepelného zpracování, nebo po tepelném zpracování, ale jejich „přirozené“ výhody jsou odlišné: odlévací slitiny usnadňují tvorbu složitých geometrií, zatímco tvářené slitiny jsou navrženy tak, aby po tepelné deformaci dosahovaly lepší kombinace pevnosti a plasticity.
Označení slitin hořčíku vychází z obecných zásad označování slitin neželezných kovů. Materiál uvádí příklad, že slitina označená MgAl3ZnMn obsahuje kromě hořčíku přibližně 3 % hliníku, přibližně 1 % zinku a přibližně 0,3 % manganu. Tento zápis je praktický: umožňuje rychle rozpoznat, zda se jedná o skupinu Mg–Al–Zn–Mn, tj. „elektrony“, a jaké vlastnosti a citlivost na tepelné zpracování lze očekávat.
Litiny z hořčíkových slitin obvykle obsahují hliník, zinek a mangan, a materiál naznačuje, že s obsahem nad 6 % Al mohou být disperzně tvrzeny. Na druhé straně tvářené slitiny jsou obvykle vícesložkové slitiny s Al, Zn a Mn, s nižším obsahem hliníku než litiny, maximálně přibližně 9 %. Zpracovávají se při zvýšených teplotách: lisováním v rozmezí přibližně 250–420 °C nebo válcováním v rozmezí přibližně 280–350 °C, a co je důležité, nejen materiál, ale i nástroje se zahřívají, aby se snížilo riziko praskání během deformace. Materiál také poukazuje na to, že tyto slitiny mají dobrou obrobitelnost, což je důležité při výrobě tenkostěnných a přesných součástí.
Pro plasticky tvárné slitiny jsou uvedeny typické rozsahy vlastností: Rm přibližně 200–320 MPa, A5 přibližně 12–23 %, a HB přibližně 40–55, přičemž tyto vlastnosti zůstávají téměř nezměněny až do teploty přibližně 100 °C. Tato sada čísel jasně ilustruje technologický význam tváření: ve srovnání s čistým hořčíkem a mnoha slévárenskými slitinami je možné dosáhnout jak vyšší pevnosti, tak výrazně lepší plasticity, což rozšiřuje škálu konstrukčních aplikací.
Použití slitin hořčíku
Hořčíkové slitiny, jak lité, tak kované, mají měrnou hmotnost přibližně 17,65 kN/m³, což v praxi znamená, že jsou velmi výhodným materiálem v případech, kdy je hmotnost konstrukce rozhodujícím faktorem. Tento materiál má typické oblasti použití: výroba automobilů, letadel a kolejových vozidel, tj. odvětví, kde snížení hmotnosti znamená úsporu energie, větší dojezd nebo nosnost. Současně existuje i „utilitárnější“ použití: slitina hořčíku s manganem, která se dobře barví, se někdy používá pro malé předměty, u nichž je důležitá estetika a nízká hmotnost.
Při výběru slitin hořčíku však vždy dochází k určitým kompromisům. Na jedné straně nízká hmotnost nabízí obrovské konstrukční výhody, na druhé straně je však nutné pečlivě zohlednit odolnost proti korozi (zejména v chloridovém prostředí), provozní teplotu a bezpečnost výrobního procesu (zejména při obrábění a zpracování třísek). V praxi proto hořčík a jeho slitiny málokdy nahrazují ocel nebo hliník v poměru 1:1 – obvykle se jedná o záměrnou volbu, která je odůvodněna rovnováhou mezi hmotností, technologií a podmínkami prostředí.
Hořčík a jeho slitiny – shrnutí
Hořčík je jedinečný materiál především proto, že jako technický kov má nejnižší měrnou hmotnost, díky čemuž jsou jeho slitiny přirozenou volbou v konstrukcích, kde je hmotnost klíčovým omezením. Čistý hořčík má však špatné mechanické vlastnosti a omezenou plasticitu při pokojové teplotě, proto mají hořčíkové slitiny primární průmyslový význam. Nejdůležitější legující přísady – hliník, zinek a mangan – zvyšují pevnost a mangan navíc zlepšuje odolnost proti korozi; snížení rozpustnosti těchto složek s teplotou umožňuje disperzní zpevnění prostřednictvím přesycení a stárnutí, i když tento účinek je obvykle menší než u hliníkových slitin. Z technologického hlediska se slitiny dělí na litiny a kované slitiny, přičemž druhé vyžadují tváření za tepla (s ohřevem nástroje), ale umožňují dosáhnout velmi příznivých úrovní pevnosti a tažnosti. V aplikacích od letectví po automobilový průmysl má hořčík výhodu z hlediska „hmotnosti“, ale vyžaduje uvědomělý přístup k korozi, bezpečnosti procesů a výběru výrobních technologií.
