Ostatní slitiny neželezných kovů
Ačkoli se materiálové vědy nejčastěji zabývají ocelí a slitinami hliníku a mědi, mnoho klíčových technických aplikací je založeno na specializovanějších slitinách neželezných kovů. Tyto slitiny umožňují navrhovat třecí spoje s kontrolovaným opotřebením, vytvářet pevné a trvanlivé pájené spoje, konstruovat bezpečnostní prvky, které fungují na principu tavení, a dosahovat vysoké odolnosti proti korozi nebo mimořádně příznivého poměru pevnosti k hmotnosti.
Tato studie se zabývá šesti skupinami materiálů: ložiskové slitiny, pájecí slitiny, nízkotavitelné slitiny, zinek a jeho slitiny, titan a jeho slitiny a slitiny drahých kovů. Tabulka ukazuje, jak se volba složení a mikrostruktury promítá do konkrétních provozních požadavků: od mazání a „zabíhání“ po chemickou odolnost a zachování vlastností při zvýšených teplotách.
Tento článek vychází z učebnice „Metaloznawstwo“ profesora Stanisława Rudnika. Následující obsah je pouze obecným přehledem tématu. Zájemcům o dané téma doporučujeme seznámit se s odbornou literaturou.
Ložiskové slitiny
Ložiskové slitiny se používají k výrobě ložiskových pouzder v klouzavých ložiscích, kde povrch ložiskového pouzdra přímo interaguje s čepem hřídele. Materiál ložiskového pouzdra musí proto zajistit nízký koeficient tření, snížit opotřebení obou třecích ploch a zároveň odolávat vysokým jednotkovým tlakům. Je velmi důležité, aby ložiskové pouzdro bylo méně tvrdé než čep, aby případné poškození nastalo v prvku, který je snazší vyměnit, a ne na hřídeli. Důležitá je také odolnost proti oděru: ložisková vložka by měla být dostatečně plastická, aby se přizpůsobila mikro-nerovnostem čepu, ale zároveň nesmí být příliš měkká, aby se při provozní teplotě nelepila na povrch čepu.
V praxi jsou tyto požadavky doplněny technologickými a provozními vlastnostmi: slitina by měla být snadno tavitelná (pro usnadnění odlévání ložiskových misek), ale její teplota tání nesmí být příliš nízká, aby ložisková miska při zahřátí během provozu nezměkla. Mezi další důležité faktory patří dobrá přilnavost slitiny k materiálu ložiskového tělesa, dostatečná tepelná vodivost (odvod tepla vznikajícího třením), odolnost proti korozi a co nejnižší cena.
Nejlepších vlastností se dosahuje u slitiny se strukturou, ve které jsou tvrdé vměstky vhodné velikosti a množství rovnoměrně rozloženy v relativně měkké a tažné matrici. Měkká matrice usnadňuje přizpůsobení tvaru čepu bez intenzivního oděru, zatímco tvrdé složky snižují tendenci matrice k ulpívání a podporují tvorbu kapilárních mezer, ve kterých může zůstat tenká vrstva mazacího oleje. Třecí uzel pak pracuje stabilněji a mazací podmínky se snáze „udržují“ i při dočasném přetížení.
Nejlevnějším materiálem ložisek je často šedá perlitická litina. Odolává vysokým jednotkovým tlakům, ale kvůli relativně vysokému opotřebení není vhodná pro vysokorychlostní motory. Přítomnost grafitu má příznivý účinek: drcený grafit smíchaný s mazivem tvoří na povrchu tenkou vrstvu, která snižuje opotřebení. V aplikacích vyžadujících lepší parametry se však nejčastěji používají měkké, snadno tavitelné slitiny na bázi cínu nebo olova.
Nejlepší skupinou ložiskových slitin jsou slitiny cínu, antimonu a mědi, známé jako babbitt. Měď a antimon zvyšují pevnost těchto slitin s mírným snížením plasticity, proto je důležité je vyvážit. Při běžném obsahu mědi 3–6 % se nejvyšší pevnosti dosahuje při obsahu Sb kolem 9–10 % a za zvláště výhodné se považují složení nepřesahující 10–12 % Sb a 6–7 % Cu. Do této skupiny patří mimo jiné SnSb8Cu3 a SnSb11Cu6. Matricí je roztok antimonu a mědi v cínu – měkký a tvárný, i když tvrdší než čistý cín – a na tomto pozadí se nacházejí kubické krystaly sloučeniny SnSb a krystaly Cu6Sn5 ve formě hvězd a jehel. Tvrdé fáze působí jako „nosiče“ zatížení a stabilizují podmínky tření, ale babity jsou drahé, proto se používají hlavně v ložiscích pracujících při vysokých zatíženích a rychlostech.
Levnější alternativou jsou slitiny cínu, olova a antimonu, ve kterých je část cínu nahrazena olovem. Měkká matrice v těchto slitinách je trojnásobná eutektická s vysokým obsahem olova a struktura stále obsahuje kubické krystaly SnSb. V praxi se často přidává měď, aby se snížila segregace vyplývající z rozdílů v hustotě složek; měď pak tvoří tvrdé jehlicovité sloučeniny Cu2Sb. Příkladem je slitina PbSn16Sb16Cu2, která je levnější než babbitt, ale obvykle pracuje v méně náročných podmínkách (nižší zatížení a rychlosti).
Třetí skupinu tvoří slitiny olova s alkalickými kovy, jako je vápník, baryum nebo stroncium. Tyto prvky tvoří tvrdé sloučeniny s olovem (např. Pb3Ca, Pb3Ba) rozptýlené v měkké matrici téměř čistého olova; někdy se také přidává malé množství sodíku, aby se zvýšila tvrdost. Výhodou je nízká cena a dobrá kvalita, což podporuje široké použití, zejména v železniční dopravě. Mezi omezení patří nízká odolnost proti atmosférické korozi a vyhoření legujících prvků při přetavování. V ložiscích pracujících za zvláště drsných podmínek (vysoké tlaky a rychlosti) se také používají cínové bronzy nebo olověné bronzy.
Pájecí slitiny
Pájení je proces spojování kovů pomocí dalšího kovu – pájky – který se roztaví, teče a vyplňuje mezeru spoje. Teplota tání pájky musí být nižší než teplota tání spojovaných kovů, aby nedošlo k jejich roztavení. Dobrá pájka by měla dobře smáčet pájené povrchy, v omezené míře se rozpouštět ve spojovaných kovech, vykazovat dobrou tekutost v kapalném stavu a její rozsah tuhnutí by neměl být příliš široký, protože to ztěžuje dosažení homogenního, těsného spoje.
V závislosti na teplotě tání se rozlišují měkké pájky (do 450 °C) a tvrdé pájky (nad 450 °C). Měkké pájky mají nízkou tvrdost a nízkou pevnost v tahu (přibližně 50-70 MPa), ale jsou tažné, proto poskytují dobrou těsnost, i když obvykle nejsou určeny k přenosu velkých zatížení. Nejběžnější jsou cín-olovnaté pájky, u nichž je důležitým referenčním bodem eutektické složení 61,9 % Sn a teplota tání 183 °C.
Cín-olovnatá pájka je pokryta normou PN-76/M-69400 a jednotlivé pájky jsou označeny písmeny LC a číslem odpovídajícím průměrnému obsahu cínu v procentech. Varianty s přídavkem antimonu mají na konci označení písmeno „A“, např. LC30A obsahuje přibližně 30 % Sn, 68 % Pb a 2 % Sb. Pájka LC60 (60 % Sn a 40 % Pb) má složení blízké eutektickému, takže se nejlépe taví a má velmi úzký rozsah tuhnutí kolem 7 °C. S rostoucím obsahem olova se rozšiřuje rozsah tuhnutí; v pojivu s 20 % Sn a 80 % Pb může přesáhnout 100 °C, což podporuje tvorbu pórů a zhoršuje těsnost a pevnost spoje. Při pokojové teplotě se tvrdost a pevnost slitin Sn-Pb zvyšuje s obsahem cínu a nejvyšších hodnot se obvykle dosahuje u slitin s 50–80 % Sn; na druhé straně slitiny s velmi nízkým obsahem cínu (5–10 %) jsou méně vzácné, ale mají horší vlastnosti.
Tvrdé pájky pracují při mnohem vyšších teplotách tavení (od asi 400 °C do 2000 °C) a používají se tam, kde je vyžadována vysoká pevnost spoje. Pevnost spojů vytvořených tvrdými pájkami může být kolem 200–700 MPa. V praxi existují tři hlavní skupiny: pájky na bázi mědi, pájky na bázi stříbra a speciální pájky. Měď má dobré pájecí vlastnosti a používá se ke spojování oceli, litiny a slitin mědi, ale její vysoká teplota tání vyžaduje pájení při teplotách 1100–1200 °C, což zvyšuje spotřebu energie a může zhoršit vlastnosti pájených součástí v důsledku strukturálních změn během zahřívání. Z tohoto důvodu se kromě čisté mědi široce používají také její slitiny. Slitiny stříbra (mimo jiné pokryté normou PN-80/M-69411) jsou důležité mimo jiné v elektrotechnice, přičemž nejvýznamnější jsou slitiny Ag-Cu-Zn s dobrými mechanickými vlastnostmi a odolností proti korozi, které umožňují spojování oceli, slitin mědi, drahých kovů a slinutých karbidů. Mezi speciální pájky patří mimo jiné pájky na bázi zlata a platiny (např. šperky, stomatologie), pájky na bázi hliníku (spojování lehkých slitin) a pájky na bázi hořčíku (spojování hořčíkových slitin).
Slitiny s nízkou teplotou tání
Slitiny s nízkou teplotou tání (snadno tavitelné) jsou slitiny s teplotou tání nižší než cín, tj. pod 232 °C. Skládají se z kovů s nízkou teplotou tání, především olova, cínu a bismutu, a v menším množství také kadmia, antimonu, zinku, india a dalších přísad. Složení je zvoleno tak, aby se vytvořily eutektické slitiny s co nejnižší teplotou tání, což umožňuje přesně „nastavit“ teplotu tání tavného prvku.
Dobrým příkladem účinku vícesložkovosti je systém Sn-Pb-Cd-Bi-In, ve kterém může mít eutektická slitina teplotu tání kolem 47 °C. V praxi jsou nízkotavitelné slitiny používané v naší zemi uvedeny v normě PN-71/H-87203. Mezi slitinami uvedenými v této normě má jednu z nejnižších teplot tání (přibližně 70 °C) slitina BiPb25Sn12Cd12, známá jako Woodova slitina, se složením 25 % Pb, 12 % Sn, 12 % Cd a 51 % Bi.
Použití vyplývá přímo z funkce: slitiny s nízkou teplotou tání se používají pro pojistkové vložky a bezpečnostní vložky, komponenty požárních a poplašných systémů, v přesném lití, jakož i v zdravotnickém vybavení a ortopedickém průmyslu, kde jsou nízké procesní teploty často rozhodující pro bezpečnost a přesnost.
Zinek a jeho slitiny
Zinek je modrobílý kov s měrnou hmotností přibližně 70 kN/m³. Má nízkou teplotu tání (419,4 °C) a varu (907 °C). Jeho pevnost v tahu je střední (Rm přibližně 150 MPa) s vysokou tažností (A10 přibližně 50 %), ale při pokojové teplotě je zinek křehký. Teprve při zahřátí nad 100–150 °C se stává tvárným a lze jej válcovat do tenkých plechů a tažit do drátu.
Zinek je odolný vůči suchému prostředí, ale v přítomnosti vodní páry a oxidu uhličitého se pokryje bílou vrstvou alkalického uhličitanu zinečnatého, který působí jako ochranná vrstva a omezuje další korozi. Zinek se rozpouští ve zředěných kyselinách a zásadách. Nejdůležitější průmyslové využití zinku je v ochraně oceli: zinkové povlaky (galvanizace) jsou výhodné, protože i při lokálních netěsnostech působí zinek jako ochranná anoda. Vzhledem k tomu, že má nižší elektrochemický potenciál než železo, zinek se rozpouští a ocel je tak chráněna před korozí.
Zinek se také používá jako materiál pro polotovary (např. ve stavebnictví) a je důležitou složkou mnoha dalších kovových slitin. Existuje několik slitin, ve kterých je zinek hlavní složkou, z nichž nejdůležitější jsou slitiny zinku s hliníkem, mědí a hořčíkem, známé jako znale. Dělí se na litinové slitiny a tvářené slitiny. Kromě zinku obvykle obsahují až 30 % Al, až 6 % Cu a malé množství Mg; rozdíly mezi jednotlivými druhy vyplývají z jejich zamýšleného použití a technologie výroby.
Kované slitiny dosahují vyšší pevnosti (přibližně 280–320 MPa) s lepší plasticitou (A5 přibližně 5 %). Litiny mají pevnost 150–300 MPa, ale velmi nízkou plasticitu (A5 přibližně 1 %), což je typické pro odlitky, zejména tlakové odlitky. Navzdory omezené plasticitě se odlévací zinkové slitiny široce používají ve strojírenském průmyslu (karoserie, rámy, kryty), automobilovém průmyslu (karburátory, páky, kliky dveří) a elektrotechnickém průmyslu (skříně zařízení). Plasticky zpracovatelné slitiny mohou nahradit dražší slitiny mědi, pokud je důležitá ekonomika a jednodušší technologie.
Titan a jeho slitiny
Titan je jedním z nejhojnějších prvků v zemské kůře, ale jeho průmyslová výroba ve větším měřítku se rozvinula až od roku 1948. Je to stříbřitě bílý kov, připomínající nerezovou ocel, s nízkou měrnou hmotností asi 44,1 kN/m³, což je téměř polovina hmotnosti železa. Proto je jeho poměr pevnosti k hustotě obzvláště výhodný, což se promítá do aplikací, kde záleží na každém kilogramu.
Titan se vyskytuje ve dvou alotropních formách: Tiα (stabilní při nízkých teplotách, kompaktní hexagonální mřížka) a Tiβ (stabilní při vyšších teplotách, prostorově centrická pravidelná mřížka). Teplota alotropního přechodu je 882 °C. Tento materiál se vyznačuje velmi vysokou odolností proti korozi, srovnatelnou s austenitickými chrom-niklovými ocelemi. Při teplotách do cca 500 °C není titan prakticky ovlivněn vzduchem; teprve při vyšších teplotách se na jeho povrchu tvoří tenká, dobře přilnavá vrstva oxidů a nitridů, která chrání kov před účinky kyslíku a dusíku, pokud teplota nepřesáhne cca 560 °C. Nad tímto rozsahem se chemická aktivita titanu výrazně zvyšuje.
Mechanické vlastnosti titanu závisí do značné míry na jeho čistotě. Velmi čistý titan je extrémně tvárný a má parametry podobné parametrům čistého železa: Rm přibližně 250–300 MPa, R0,2 přibližně 100–150 MPa, A10 přibližně 50 % a Z přibližně 70 %. Přísady zvyšují pevnost na úkor plasticity, proto se v inženýrské praxi volí čistota a třída legování podle požadavků. Díky své odolnosti proti korozi a vysoké pevnosti v poměru k hmotnosti se titan a jeho slitiny používají ve vozidlech, letadlech, lodním stavitelství a chemickém zařízení, i když jejich vysoká cena zůstává překážkou.
V titanových slitinách založených na obou alotropních variantách existují pevné roztoky α a β. Vzhledem k tomu, že fáze β je stabilní při vysokých teplotách a fáze α při nízkých teplotách, je možné tepelné zpracování založené na fázových transformacích. Mechanismus transformace β→α závisí na teplotě: při vyšších teplotách je difúzní a vede ke zrnitému uspořádání, zatímco při významném podchlazení – kvůli nízké pohyblivosti atomů – může dojít k nedifúzní martenzitické transformaci, která vede k jehlicovité (martenzitické) struktuře, často označované jako α‘.
Titanové slitiny používané v praxi se dělí na jednofázové α, jednofázové β a dvoufázové α+β slitiny. Mezi α slitiny patří mimo jiné titanové slitiny s hliníkem, který je jedinou přísadou stabilizující α fázi; hliník zvyšuje pevnost a díky své nízké hustotě má pozitivní vliv na měrnou hmotnost slitiny. Slitiny β jsou relativně méně časté, zatímco nejdůležitější jsou dvoufázové slitiny α+β, které obsahují přísady stabilizující fázi β, jako je vanad, molybden, cín, železo, chrom nebo hořčík. Jsou obvykle pevnější než jednofázové slitiny, snadno tvárné a citlivé na tepelné zpracování; typická hodnota Rm se pohybuje kolem 900–1200 MPa a v teplotním rozsahu do 500 °C je jejich pevnost na jednotku hustoty někdy příznivější než u oceli.
Ačkoli martenzitická transformace naznačuje možnost klasického kalení, v praxi se běžně nepoužívá, protože vliv na mechanické vlastnosti je někdy zanedbatelný. U dvoufázových slitin α+β zahrnuje tepelné zpracování obvykle přesycení a stárnutí: přesycení zahrnuje zahřátí na teplotu, při které je fáze β stabilní, a následné rychlé ochlazení, aby se tato struktura zachovala. Během stárnutí se fáze β částečně rozloží na směs α+β, což umožňuje tvarovat pevnost a plasticitu.
Slitiny drahých kovů
Drahé kovy zahrnují zlato, stříbro a platinu a jejich slitiny. Vyznačují se velmi vysokou odolností proti korozi v atmosférických podmínkách, ve vodě a v mnoha chemických prostředích. Zároveň mají tyto kovy relativně nízkou pevnost s velmi dobrými plastickými vlastnostmi, proto se v aplikacích vystavených otěru a deformaci (např. šperky, zubní prvky) nejčastěji používají ve formě slitin spíše než jako technicky čisté kovy.
Mechanické údaje čistých kovů ukazují tuto specifičnost: zlato má Rm asi 130 MPa, mez kluzu asi 50 MPa a tvrdost asi 20 HB s redukcí asi 95 % a prodloužením asi 55 %. Stříbro má Rm asi 160 MPa a tvrdost asi 25 HB, s velmi vysokou plasticitou (Z asi 95 %, A10 asi 60 %). Platina dosahuje Rm asi 150 MPa a tvrdosti asi 50 HB, také s vysokou plasticitou (Z asi 90 %, A10 asi 50 %).
Zlato je odolné vůči většině kyselin a zásad, proto se používá mimo jiné pro chemické a galvanické zlacení, v laboratorním vybavení a ve slitinách používaných v elektronice. Stříbro je zvláště odolné vůči silným zásadám, ale je špatně rozpustné v organických kyselinách; díky své velmi dobré elektrické vodivosti se používá v drátech a elektrických součástech, stejně jako pro stříbření. Platina je chemicky velmi odolná, i když se rozpouští v horké královské vodě; v chemickém průmyslu se používá jak pro svou odolnost proti korozi a katalytické vlastnosti, tak pro výrobu laboratorního vybavení (sítka, kelímky, odpařovače).
Zlato a stříbro se používají hlavně ve šperkařství a stomatologii jako slitiny, protože v čistém stavu jsou příliš měkké. Měď a stříbro jsou klíčovými přísadami ve zlatých slitinách. Tavením zlata se stříbrem se jeho tvrdost výrazně nezvyšuje, zatímco přidání mědi zvyšuje tvrdost znatelněji, avšak za cenu určitého snížení odolnosti proti korozi. Z tohoto důvodu se často používají trojité slitiny Au-Ag-Cu, které vyvažují barvu, tvrdost a chemickou odolnost. V Polsku odpovídá zákonem stanovená ryzost zlata obsahu Au 96 %, 75 % a 58,3 %; historicky to odpovídalo 23, 18 a 14 karátům (čisté zlato má 24 karátů). Slitiny třetí ryzosti mají nejvyšší tvrdost a odolnost proti oděru, ale také mají výrazně načervenalou barvu kvůli vysokému obsahu mědi.
Hlavními složkami slitin stříbra jsou měď a zinek a zákonem stanovená ryzost stříbra je 94 %, 87,5 % a 80 % Ag. Nejvyšší ryzost se obvykle nepoužívá kvůli nedostatečné tvrdosti, zatímco druhá a třetí ryzost se používají v uměleckých výrobcích, nádobí a doplňcích. Z technického hlediska je také důležité používat slitiny stříbra jako tvrdé pájky, kde kombinují dobré mechanické vlastnosti a odolnost proti korozi se smáčivostí. Platina a její slitiny se používají hlavně v průmyslu: Velký význam mají slitiny Pt-Ir s tvrdostí přibližně 265 HB při 40 % iridia (používané v elektrotechnice, elektrochemii, medicíně a šperkařství), zatímco slitiny platiny s rhodiem se používají jako katalyzátory a ve formě drátů pro výrobu termočlánků.
Ostatní slitiny neželezných kovů – shrnutí
Skupiny slitin, o nichž jsme hovořili, ukazují, že v inženýrství často nejde o „maximální“ pevnost materiálu, ale o soubor přesně vybraných vlastností. Ložiskové slitiny jsou navrženy pro tření, mazání a záběhové vlastnosti, proto je rozhodující struktura tvrdých inkluzí v měkké matrici. Pájecí slitiny se volí tak, aby regulovaly smáčivost a tuhnutí spoje: měkké pájky zajišťují těsnost, zatímco tvrdé pájky umožňují konstrukci vysoce pevných spojů.
Slitiny s nízkou teplotou tání využívají svou nízkou teplotu tání jako funkční vlastnost v bezpečnostních komponentech a přesné technologii. Zinek a jeho slitiny kombinují roli konstrukčního materiálu s mimořádně důležitou funkcí ochrany oceli proti korozi a možností levné výroby tlakových odlitků. Titan a jeho slitiny nabízejí vysokou odolnost proti korozi a vynikající pevnost v poměru k hmotnosti, zejména v tepelně zpracovaných variantách α+β. Na druhé straně drahé kovy a jejich slitiny jsou nenahraditelné tam, kde je rozhodující chemická odolnost, vodivost nebo kontrolovaná tvrdost při zachování vysoké plasticity.
Níže je uveden průřezový přehled neželezných kovů a jejich slitin – vlastnosti a použití (materiál v angličtině).
