Andra icke-järnhaltiga metallegeringar
Även om materialvetenskap oftast avser stål och legeringar av aluminium och koppar, baseras många viktiga tekniska tillämpningar på mer specialiserade icke-järnhaltiga metallegeringar. Dessa legeringar möjliggör konstruktion av friktionsfogar med kontrollerat slitage, skapande av täta och hållbara lödfogar, konstruktion av säkerhetselement som fungerar genom smältning och uppnåendet av hög korrosionsbeständighet eller ett exceptionellt fördelaktigt förhållande mellan styrka och vikt.
Denna studie behandlar sex grupper av material: lagerlegeringar, lödlegeringar, lågsmältande legeringar, zink och dess legeringar, titan och dess legeringar samt ädelmetallegeringar. Tabellen visar hur valet av sammansättning och mikrostruktur översätts till specifika driftskrav: från smörjning och ”inkörning” till kemisk beständighet och bibehållande av egenskaper vid höga temperaturer.
Denna artikel baseras på läroboken ”Metaloznawstwo” av professor Stanisław Rudnik. Följande innehåll är endast en allmän översikt över ämnet. För den som är intresserad av ämnet rekommenderar vi att fördjupa sig i litteraturen.
Lagerlegeringar
Lagerlegeringar används för att tillverka lagerskal i glidlager, där lagerskalets yta interagerar direkt med axeltappen. Lagerskalets material måste därför säkerställa en låg friktionskoefficient, minska slitaget på båda gnidningsytorna och samtidigt tåla höga enhetstryck. Det är mycket viktigt att lagerskalet är mindre hårt än axeltappen, så att eventuella skador uppstår i det element som är lättare att byta ut, snarare än på axeln. Slitstyrka är också viktigt: lagerkåpan ska vara tillräckligt plastisk för att anpassa sig till axeltappens mikroojämnheter, men samtidigt får den inte vara för mjuk så att den inte fastnar på axeltappens yta vid driftstemperatur.
I praktiken kompletteras dessa krav av tekniska och driftsmässiga egenskaper: legeringen ska vara lättsmält (för att underlätta gjutningen av koppar), men dess smältpunkt får inte vara för låg, så att koppen inte mjuknar när den värms upp under drift. Andra viktiga faktorer utgörs av god vidhäftning av legeringen till lagerskalets material, tillräcklig värmeledningsförmåga (friktionsvärmeavledning), korrosionsbeständighet samt lägsta möjliga kostnad.
De bästa egenskaperna uppnås med en legering som har en struktur där hårda inneslutningar av lämplig storlek och kvantitet är jämnt fördelade i en relativt mjuk och duktil matris. Den mjuka matrisen underlättar anpassningen till lagerbussningens form utan intensiv nötning, medan de hårda komponenterna minskar matrisens tendens att fästa och främjar bildandet av kapillärspalter där ett tunt lager smörjolja kan kvarstå. Friktionsnoden fungerar då mer stabilt och smörjningsförhållandena är lättare att ”upprätthålla” även vid tillfälliga överbelastningar.
Det billigaste lagermaterialet är ofta grått perlitiskt gjutjärn. Det tål höga enhetstryck, men på grund av sin relativt höga nötning är det inte lämpligt för höghastighetsmotorer. Närvaron av grafit har en gynnsam effekt: krossad grafit blandad med fett bildar ett tunt skikt på ytan som minskar nötningen. I tillämpningar som kräver bättre parametrar används dock oftast mjuka, lättsmältbara legeringar baserade på tenn eller bly.
Den bästa gruppen av lagerlegeringar är tenn-antimon-kopparlegeringar, kända som babbitt eller vitmetall. Koppar och antimon ökar styrkan hos dessa legeringar med en liten minskning av plasticiteten, så det är viktigt att balansera dem. För det vanligt förekommande kopparinnehållet på 3–6 % uppnås högsta hållfasthet vid cirka 9–10 % Sb, och sammansättningar som inte överstiger 10–12 % Sb och 6–7 % Cu anses vara särskilt gynnsamma. Denna grupp omfattar bland annat SnSb8Cu3 och SnSb11Cu6. Matrisen är en lösning av antimon och koppar i tenn – mjuk och formbar, men hårdare än rent tenn – och mot denna bakgrund finns kubiska kristaller av SnSb-föreningen och Cu6Sn5-kristaller i form av stjärnor och nålar. De hårda faserna fungerar som lastbärare och stabiliserar friktionsförhållandena, men babbitts är dyra, så de används främst i lager som arbetar under höga belastningar och hastigheter.
Ett billigare alternativ är tenn-bly-antimonlegeringar, där en del av tennen ersätts med bly. Den mjuka matrisen i dessa legeringar är en trippel eutektisk med hög blyhalt, och strukturen innehåller fortfarande kubiska SnSb-kristaller. I praktiken tillsätts ofta koppar för att minska segregeringen som uppstår på grund av skillnader i komponenternas densitet. Kopparn bildar då hårda nålformade Cu2Sb-föreningar. Ett exempel är legeringen PbSn16Sb16Cu2, som är billigare än babbitt men vanligtvis används under mindre krävande förhållanden (lägre belastningar och hastigheter).
Den tredje gruppen består av blylegeringar med alkalimetaller som kalcium, barium eller strontium. Dessa element bildar hårda föreningar med bly (till exempel Pb3Ca, Pb3Ba) fördelade i en mjuk matris av nästan rent bly; ibland tillsätts också en liten mängd natrium för att öka hårdheten. Fördelen är låg kostnad med god kvalitet, vilket främjar bred användning, särskilt inom järnvägar. Begränsningarna inkluderar låg motståndskraft mot atmosfärisk korrosion och utbränning av legeringselement under omsmältning. I lager som arbetar under särskilt tuffa förhållanden (höga tryck och hastigheter) används även tennbrons eller blybrons.
Lödlegeringar
Lödning är processen att foga samman metaller med hjälp av en ytterligare metall – lödtenn – som smälts, flyter och fyller foggapet. Lödtennets smältpunkt måste vara lägre än smältpunkten för de metaller som fogas samman så att de inte smälter. Ett bra lödmedel ska väta de lödda ytorna väl, lösas upp i begränsad utsträckning i de metaller som fogas samman, uppvisa god flytbarhet i flytande tillstånd och dess stelningsintervall bör inte vara för stort, eftersom detta gör det svårt att få en homogen, tät fog.
På grund av deras smältpunkt finns det mjuka lödmedel (upp till 450 °C) och hårda lödmedel (över 450 °C). Mjuka lödtenn har låg hårdhet och låg draghållfasthet (cirka 50–70 MPa), men de är formbara, vilket är anledningen till att de ger god täthet, även om de vanligtvis inte är konstruerade för att bära tunga laster. De vanligaste är tenn-bly-lödtenn, där en viktig referenspunkt är den eutektiska sammansättningen av 61,9 % Sn och en smältpunkt på 183 °C.
Tenn-bly-lödtenn omfattas av standarden PN-76/M-69400, och enskilda lödtenn är märkta med bokstäverna LC och ett nummer som motsvarar det genomsnittliga tenninnehållet i procent. Varianter med tillsats av antimon har bokstaven ”A” i slutet av beteckningen, exempelvis innehåller LC30A cirka 30 % Sn, 68 % Pb och 2 % Sb. Lödtenn LC60 (60 % Sn och 40 % Pb) har en sammansättning som ligger nära eutektisk, så det är det lättast smältbara och har ett mycket smalt stelningsintervall på cirka 7 °C. När blyhalten ökar, ökar även stelningsintervallet; i ett bindemedel med 20 % Sn och 80 % Pb kan det överstiga 100 °C, vilket främjar bildandet av porer och försämrar fogens täthet och hållfasthet. Vid rumstemperatur ökar hårdheten och hållfastheten hos Sn-Pb-legeringar med tennhalten, och de högsta värdena erhålls vanligtvis av legeringar med 50–80 % Sn. Å andra sidan är legeringar med mycket låg tennhalt (5–10 %) mindre sällsynta men har sämre egenskaper.
Hårda lod fungerar vid mycket högre smälttemperaturer (från cirka 400 °C upp till 2000 °C) och används där hög hållfasthet krävs av fogen. Hållfastheten hos fogar gjorda med hårda lod kan vara cirka 200–700 MPa. I praktiken finns det tre huvudgrupper: kopparbaserade lod, silverbaserade lod och speciallod. Koppar har goda lödningsegenskaper och används för att foga samman stål, gjutjärn och kopparlegeringar, men dess höga smältpunkt kräver lödning vid temperaturer på 1100–1200 °C, vilket ökar energiförbrukningen och kan försämra de lödda komponenternas egenskaper på grund av strukturella förändringar under upphettningen. Av denna anledning används förutom ren koppar även dess legeringar i stor utsträckning. Silverlegeringar (som bland annat omfattas av PN-80/M-69411) är viktiga inom bland annat elektroteknik, och de viktigaste är Ag-Cu-Zn-legeringar med goda mekaniska egenskaper och korrosionsbeständighet, som möjliggör sammanfogning av stål, kopparlegeringar, ädelmetaller och sintrade karbider. Speciella lödmetaller inkluderar bland annat guld- och platinabaserade lödmetaller (till exempel smycken, tandvård), aluminiumbaserade lödmetaller (fogning av lätta legeringar) och magnesiumbaserade lödmetaller (fogning av magnesiumlegeringar).
Lågsmältande legeringar
Lågsmältande legeringar (lättsmälta) är legeringar med en smältpunkt som är lägre än tennets, det vill säga under 232 °C. De består av metaller med låg smältpunkt, främst bly, tenn och vismut, samt i mindre mängder kadmium, antimon, zink, indium och andra tillsatser. Sammansättningen väljs så att eutektiska legeringar med lägsta möjliga smältpunkt bildas, vilket gör att smältpunktens smältpunkt kan ”ställas in” exakt.
Ett bra exempel på effekten av flerkomponentitet är Sn-Pb-Cd-Bi-In-systemet, där den eutektiska legeringen kan ha en smältpunkt på cirka 47 °C. I praktiken finns de lågsmältande legeringar som används i vårt land listade i standarden PN-71/H-87203. Bland de legeringar som anges i denna standard är en av de lägsta smältpunkterna (cirka 70 °C) den för legeringen BiPb25Sn12Cd12, känd som Woods legering, med en sammansättning av 25 % Pb, 12 % Sn, 12 % Cd och 51 % Bi.
Användningsområdena är en direkt följd av funktionen: lågsmältande legeringar används för säkringslänkar och säkerhetsinsatser, komponenter i brand- och larmsystem, i precisionsgjutning samt inom medicinsk utrustning och ortopedisk industri, där låga processtemperaturer ofta är avgörande för säkerhet och precision.
Zink och dess legeringar
Zink är en blåvit metall med en specifik vikt på cirka 70 kN/m³. Den har en låg smältpunkt (419,4 °C) och kokpunkt (907 °C). Dess draghållfasthet är måttlig (Rm cirka 150 MPa) med hög töjning (A10 cirka 50 %), men vid rumstemperatur är zink sprött. Först när det värms upp till över 100–150 °C blir det formbart och kan valsas till tunna plåtar och dras till tråd.
Zink är resistent mot torra atmosfärer, men i närvaro av vattenånga och koldioxid täcks det av ett vitt skikt av alkaliskt zinkkarbonat, som fungerar som ett skyddande lager och begränsar ytterligare korrosion. Zink löses upp i utspädda syror och alkalier. Den viktigaste industriella användningen av zink är för att skydda stål: zinkbeläggningar (galvanisering) är fördelaktiga eftersom zink fungerar som en skyddande anod även vid lokala läckor. Eftersom zink har en lägre elektrokemisk potential än järn löses zink upp, vilket skyddar stålet från korrosion.
Zink används också som material för halvfabrikat (till exempel inom byggindustrin) och är en viktig komponent i många andra metallegeringar. Det finns några legeringar där zink är huvudkomponenten, varav de viktigaste är zinklegeringar med aluminium, koppar och magnesium, kända som znale. De delas in i gjutlegeringar och smideslegeringar. Förutom zink innehåller de vanligtvis upp till 30 % Al, upp till 6 % Cu och små mängder Mg. Skillnaderna mellan sorterna beror på deras avsedda användning och tillverkningsteknik.
Smideslegeringar uppnår högre hållfasthet (cirka 280–320 MPa) med bättre plasticitet (A5 cirka 5 %). Gjutlegeringar har en hållfasthet på 150–300 MPa, men mycket låg plasticitet (A5 cirka 1 %), vilket är typiskt för gjutgods, särskilt tryckgjutgods. Trots sin begränsade plasticitet används gjutna zinklegeringar i stor utsträckning inom maskinindustrin (karosser, ramar, kåpor), bilindustrin (förgasare, spakar, dörrhandtag) och elektroindustrin (apparathus). Plastiskt bearbetbara legeringar kan ersätta dyrare kopparlegeringar när ekonomi och enklare teknik är viktigt.
Titan och dess legeringar
Titan är ett av de vanligast förekommande grundämnena i jordskorpan, men industriell produktion i större skala har först utvecklats sedan 1948. Det är en silvervit metall som liknar rostfritt stål, med en låg specifik vikt på cirka 44,1 kN/m³, vilket är nästan hälften av järns. Därför är dess hållfasthet i förhållande till densitet särskilt fördelaktig, vilket gör den lämplig för tillämpningar där varje kilo räknas.
Titan förekommer i två allotropa former: Tiα (stabil vid låga temperaturer, kompakt hexagonalt gitter) och Tiβ (stabil vid högre temperaturer, rumsligt centrerat regelbundet gitter). Den allotropa övergångstemperaturen är 882 °C. Detta material kännetecknas av mycket hög korrosionsbeständighet, jämförbar med den hos austenitiska krom-nickelstål. Vid temperaturer upp till cirka 500 °C påverkas titan praktiskt taget inte av luft; först vid högre temperaturer bildas ett tunt, välvidhäftande skikt av oxider och nitrider på ytan, som skyddar metallen från effekterna av syre och kväve, så länge temperaturen inte överstiger cirka 560 °C. Över detta intervall ökar titans kemiska aktivitet avsevärt.
Titanets mekaniska egenskaper beror i hög grad på dess renhet. Mycket rent titan är extremt formbart och har parametrar som liknar de för rent järn: Rm ca 250–300 MPa, R0,2 ca 100–150 MPa, A10 ca 50 % och Z ca 70 %. Tillsatser ökar hållfastheten på bekostnad av formbarheten, varför renheten och legeringsklassen i ingenjörspraxis väljs utifrån kraven. På grund av sin korrosionsbeständighet och höga viktstyrka används titan och dess legeringar i fordon, flygplan, skeppsbyggnad och kemisk utrustning, även om deras höga pris fortfarande är ett hinder.
I titanlegeringar baserade på båda allotropa varianterna finns det fasta lösningar av α och β. Eftersom β-fasen är stabil vid höga temperaturer och α-fasen vid låga temperaturer blir värmebehandling baserad på fasomvandlingar möjlig. Mekanismen för β→α-omvandlingen beror på temperaturen: vid högre temperaturer är den diffusiv och leder till en kornig struktur, medan vid betydande underkylning – på grund av atomernas låga rörlighet – kan en icke-diffusiv martensitisk omvandling inträffa, vilket resulterar i en nålliknande (martensitisk) struktur som ofta kallas α’.
Titanlegeringar som används i praktiken delas in i enfasiga α-, enfasiga β– och tvåfasiga α+β-legeringar. α-legeringar inkluderar bland annat titanlegeringar med aluminium, som är det enda tillsatsämnet som stabiliserar α-fasen; aluminium ökar hållfastheten och har, på grund av sin låga densitet, en positiv effekt på legeringens specifika vikt. β-legeringar är relativt mindre vanliga, medan de viktigaste är tvåfasiga α+β-legeringar, som innehåller tillsatser som stabiliserar β-fasen, såsom vanadin, molybden, tenn, järn, krom eller magnesium. De är vanligtvis starkare än enfaslegeringar, lätta att bearbeta plastiskt och mottagliga för värmebehandling. Typisk Rm ligger runt 900–1200 MPa, och i temperaturområdet upp till 500 °C är deras hållfasthet per densitetsenhet ibland mer fördelaktig än för stål.
Även om martensitisk omvandling antyder möjligheten till klassisk härdning, används den i praktiken inte ofta eftersom effekten på de mekaniska egenskaperna ibland är försumbar. För tvåfasiga α+β-legeringar innebär värmebehandling vanligtvis övermättnad och åldring: övermättnad innebär upphettning till en temperatur där β-fasen är stabil, följt av snabb kylning för att behålla denna struktur. Under åldringen sönderdelas β-fasen delvis till en α+β-blandning, vilket gör det möjligt att forma styrkan och plasticiteten.
Ädelmetallegeringar
Ädelmetaller inkluderar guld, silver och platina samt deras legeringar. De kännetecknas av sin mycket höga korrosionsbeständighet i atmosfäriska förhållanden, i vatten och i många kemiska miljöer. Samtidigt har dessa metaller relativt låg hållfasthet med mycket goda plastiska egenskaper, vilket är anledningen till att de i tillämpningar som utsätts för nötning och deformation (till exempel smycken, tandproteser) oftast används i form av legeringar snarare än som tekniskt rena metaller.
De mekaniska egenskaperna hos rena metaller visar denna särdrag: guld har en Rm på cirka 130 MPa, en sträckgräns på cirka 50 MPa och en hårdhet på cirka 20 HB med en reduktion på cirka 95 % och en förlängning på cirka 55 %. Silver har en Rm på cirka 160 MPa och en hårdhet på cirka 25 HB, med mycket hög plasticitet (Z cirka 95 %, A10 cirka 60 %). Platina når en Rm på cirka 150 MPa och en hårdhet på cirka 50 HB, också med hög plasticitet (Z cirka 90 %, A10 cirka 50 %).
Guld är resistent mot de flesta syror och baser, vilket är anledningen till att det bland annat används för kemisk och galvanisk förgyllning, i laboratorieutrustning samt i legeringar som används inom elektroniken. Silver är särskilt resistent mot starka baser, men löses dåligt i organiska syror. Tack vare sin mycket goda elektriska ledningsförmåga används det i ledningar och elektriska komponenter, samt för försilvring. Platina är mycket kemiskt beständigt, även om det löses upp i hett kungsvatten. Inom den kemiska industrin används det både för sin korrosionsbeständighet och katalytiska egenskaper, samt för tillverkning av laboratorieutrustning (nät, deglar, förångare).
Guld och silver används främst i smycken och tandvård som legeringar, eftersom de i ren form är för mjuka. Koppar och silver är viktiga tillsatser i guldlegeringar. Att smälta guld med silver ökar inte dess hårdhet nämnvärt, medan tillsats av koppar ökar hårdheten mer märkbart, om än på bekostnad av en viss minskning av korrosionsbeständigheten. Av denna anledning används ofta trippel Au-Ag-Cu-legeringar, som balanserar färg, hårdhet och kemisk beständighet. I Polen motsvarar den lagstadgade guldfinheten 96 %, 75 % och 58,3 % Au-halt; historiskt sett motsvarade detta 23, 18 respektive 14 karat (rent guld är 24 karat). Legeringarna med den tredje finheten har högst hårdhet och nötningsbeständighet, men de har också en tydligt rödaktig färg på grund av det höga kopparinnehållet.
De viktigaste komponenterna i silverlegeringar är koppar och zink, och den lagstadgade silverfinheten är 94 %, 87,5 % och 80 % Ag. Den högsta finheten används vanligtvis inte på grund av dess otillräckliga hårdhet, medan den andra och tredje finheten används i konstnärliga produkter, porslin och accessoarer. Ur teknisk synvinkel är det också viktigt att använda silverlegeringar som hårda lod, där de kombinerar goda mekaniska egenskaper och korrosionsbeständighet med vätbarhet. Platina och dess legeringar används främst inom industrin: Pt-Ir-legeringar med en hårdhet på cirka 265 HB vid 40 % iridium (används inom elektroteknik, elektrokemi, medicin och smycken) är av stor betydelse, medan platinalegeringar med rodium används som katalysatorer och i form av trådar för tillverkning av termoelement.
Andra icke-järnhaltiga metallegeringar – sammanfattning
De legeringsgrupper som diskuterats visar att det inom teknik ofta inte handlar om ett materials ”maximala” hållfasthet, utan om en uppsättning noggrant utvalda egenskaper. Lagerlegeringar är utformade för friktion, smörjning och inkörningsegenskaper, varför strukturen hos hårda inneslutningar i en mjuk matris är avgörande. Lödlegeringar väljs för att kontrollera fuktning och stelning av fogen: mjuka lödningar säkerställer täthet, medan hårda lödningar möjliggör konstruktion av höghållfasta fogar.
Lågsmältande legeringar använder sin låga smältpunkt som en funktionell egenskap i säkerhetskomponenter och precisionsteknik. Zink och dess legeringar kombinerar rollen som konstruktionsmaterial med den extremt viktiga funktionen att skydda stål mot korrosion och möjligheten till billig produktion av pressgjutna detaljer. Titan och dess legeringar erbjuder hög korrosionsbeständighet och utmärkt viktstyrka, särskilt i värmebehandlade α+β-varianter. Å andra sidan är ädelmetaller och deras legeringar oersättliga där kemisk beständighet, ledningsförmåga eller kontrollerad hårdhet samtidigt som hög plasticitet bibehålls är avgörande.
Nedan följer en tvärsnittsöversikt över icke-järnmetaller och deras legeringar – egenskaper och tillämpningar (material på engelska).
