Přehled technických kovů užívaných ve strojírenství

Transkript

1 Přehled technických kovů užívaných ve strojírenství str. 1 Přehled technických kovů užívaných ve strojírenství Technické železo Podle obsahu uhlíku jsou technická železa rozdělována na kujná neboli oceli s obsahem uhlíku do 2,14 % a železa nekujná s obsahem uhlíku nad 2,14 %. Z rovnovážného diagramu metastabilní soustavy Fe-C je zřejmé, že železa s obsahem uhlíku do 2,14 % je možno ohřevem převést do tvárného (kujného) stavu, to jest do oblasti austenitu. Železa s obsahem nad 2,14 % uhlíku obsahují i při zvýšených teplotách vedle austenitu nebo perlitu také sekundární cementit a ledeburit, které v důsledku své křehkosti tváření neumožňují. Železa kujná, oceli Oceli jsou na základě svého technologického určení, použití, vlastností a složení českou normou rozdělovány do tříd podle uvedeného přehledu: oceli ingotové konstrukční běžných vlastností (stavební) třída 10 (strojní) třída 11 ušlechtilé uhlíkové třída 12 slitinové třída 13 až 17 nástrojové uhlíkové třída 19 slitinové nízkolegované vysokolegované (rychlořezné) na lité nástroje na odlitky uhlíkové třída 26 slitinové třída 27 až 29 Ingotové oceli jsou určeny k dalšímu zpracování tvářením. Vyrobená ocel určená k tváření se v hutích odlévá do velkých kovových forem - kokil. Vzniklé odlitky jsou nazývány ingoty. Mají tvar komolých jehlanů nebo komolých kuželů. Oceli na odlitky se v hutích odlévají buď přímo do slévárenských forem, takže vznikají odlitky požadovaného tvaru a rozměrů, nebo do zvláštních jednoduchých forem, ze kterých jsou odlitky zvané housky předávány do sléváren k dalšímu zpracování. Konstrukční oceli jsou určeny na strojní a stavební konstrukce, tedy na všechny ocelové výrobky kromě nástrojů. Nástrojové oceli jsou určeny na výrobu obráběcích a tvářecích nástrojů, ocelových forem a dalšího výrobního zařízení. Oceli obvyklých (běžných) vlastností (jakostí) jsou vyráběny jednodušším technologickým postupem v konvertorech nebo Siemens-Martinských pecích. Výrobce u těchto ocelí zaručuje pouze jejich hlavní mechanické vlastnosti, s výjimkou údaje o povoleném obsahu síry a fosforu u třídy 11 nezaručuje jejich složení. Oceli ušlechtilé jsou vyráběny náročnějším technologickým postupem, při kterém jsou přetavovány v elektrických pecích. Výrobce zaručuje jak jejich mechanické vlastnosti, tak jejich složení. Uhlíkovou ocelí je nazývána slitina železa s uhlíkem, která však může obsahovat (a vždy také obsahuje) i určité malé, normou stanovené množství dalších složek. Tyto příměsi se do oceli dostávají ze surovin nebo při výrobě. Vyrobit ocel, která by obsahovala pouze železo a uhlík, by bylo velmi náročné a často zbytečné. Příměsi totiž mohou vlastnosti oceli zlepšovat. Oceli s obsahem do 0,25 % C se označují jako nízkouhlíkové, od 0,25 do 0,6 % C jako středněuhlíkové a nad 0,6 % C jako vysokouhlíkové. Za slitinovou ocel se považuje taková, která obsahuje alespoň 0,9 % Mn, 0,5 % Si nebo Ni, 0,3 % Cr, 0,2 % W nebo Co, 0,1 % Mo, V nebo Ti. Oceli s obsahem do 2,5 % legujících (přísadových) prvků se označují jako nízkolegované, od 2,5 do 5 % jako středně legované, od 5 do 10 % jako výše legované a nad 10 % jako vysokolegované. Třída 18 není materiálem obsazena. Původně měla zahrnovat ocelové a litinové prášky pro práškovou metalurgii a jiné zvláštní materiály. Vlastnosti a použití ocelí Konstrukční oceli Konstrukční oceli třídy 10 jsou levné, dobře obrobitelné a svařitelné. V tabulce uvedené označení stavební dnešní terminologie již neužívá, je zde uvedeno pouze pro názornost. Mají zaručenu pevnost, mez kluzu, tvárnost a svařitelnost.

2 Přehled technických kovů užívaných ve strojírenství str. 2 Používají se na součásti podružného významu, pro stavební a zámečnické užití, na kolejnice, mosty, jeřáby a podobná zařízení. Tvoří asi 80 % všech vyráběných ocelí. Konstrukční oceli třídy 11 jsou kvalitnější než oceli třídy 10. Výrobcem mají zaručen obsah síry a fosforu (zhoršují vlastnosti oceli), pevnost, mez kluzu a tažnost. Používají se na náročnější strojní součásti jako hřídele, čepy, ozubená kola, šrouby, matice, plechy pro zpracování tažením, výlisky a další. Oceli třídy 12 patří k ušlechtilým ocelím. Mají zaručeno chemické složení. Oceli s obsahem od 0,06 do 0,2 % C se užívají k cementaci, oceli s obsahem od 0,25 do 0,7 % C k zušlechťování a oceli s obsahem od 0,4 do 0,6 % C k povrchovému kalení. Oceli třídy 13 jsou legovány Mn a Si. Užívají se na středně namáhané součásti s vyšší odolností proti opotřebení. Patří sem například pružinové oceli s obsahem asi 10,7 % Si a transformátorové oceli s obsahem až 4,6 % Si, které vykazují nízké ztráty vířivými proudy. Oceli třídy 14 jsou legovány Cr, Mn a Si. Jsou dobře prokalitelné, některé lze je cementovat, jiné nitridovat, jiné a povrchově kalit, jsou tvrdé a odolné proti otěru. Mají široké použití pro namáhané součásti, jako například ozubená kola, hřídele, valivá ložiska. Oceli třídy 15 jsou legovány Cr, Mn, Mo, V, W a Si. Mají vysokou pevnost, mez kluzu, mez tečení, dobře odolávají korozi a jsou dobře prokalitelné. Jsou vhodné k zušlechťování, některé k povrchovému kalení, jiné k cementaci nebo nitridaci Užívají se na velmi namáhané součásti jako například ozubená kola, klikové hřídele výkonných motorů, torzní tyče, tlakové nádoby, energetická zařízení pracující za zvýšených teplot. Oceli třídy 16 jsou legovány Ni a Cr. Mají vysokou pevnost, mez kluzu, houževnatost, jsou dobře prokalitelné. Jsou vhodné pro cementaci a zušlechťování. Své dobré vlastnosti si udržují i při nízkých teplotách. Jsou vhodné pro vysoce namáhané součásti. Oceli třídy 17 jsou vysoce legované zejména Ni (až 70 %) a Cr, dále Mo, Ti a Mn. Jsou velmi odolné proti žáru, korozi a otěru. Užívají se pro silně namáhaná zařízení vystavená vyšším provozním teplotám (oceli žáruvzdorné a žárupevné pro kalicí a žíhací pece, formy pro lisování skla, energetická zařízení a pod.), silně agresivnímu koroznímu prostředí (oceli korozivzdorné pro potravinářský a chemický průmysl, zdravotnictví) a pro součásti vystavené otěru při velkém zatížení (funkční části bagrů, drtičů, mlýnů na kámen a uhlí a pod.). Nejznámější je ocel označovaná jako 18/8, obsahující 18 % Cr a 8 % Ni. Některé z ocelí této třídy mají zcela specifické fyzikální vlastnosti. Příkladem je ocel s obsahem 35 až 36 % Ni, nazývaná invar, jejíž součinitel tepelné roztažnosti je prakticky nulový (0, ; pro srovnání: běžná ocel má součinitel tepelné roztažnosti ). Nástrojové oceli Nástrojové oceli (oceli třídy 19) jsou oceli užívané k výrobě obráběcích a tvářecích nástrojů. Uhlíkové nástrojové oceli mají od 0,7 do 1,5 % C. S obsahem uhlíku roste jejich tvrdost a klesá houževnatost. Používají se zejména na ruční nástroje pro zpracování dřeva, papíru i kovů (například pilníky). Nízkolegované nástrojové oceli obsahují vedle uhlíku Cr, W, V, Mo, Ni, Si a Co. Mají větší prokalitelnost, odolnost proti popuštění, odolnost proti otěru a tím také vyšší řezivost. Užívají se na nástroje pro obrábění kovů a nástroje tvářecí. Vysokolegované neboli rychlořezné nástrojové oceli obsahují větší množství legur, především W, Cr, V, Mo a Co. Jsou velmi tvrdé, odolávají popuštění do 600 C a otěru. Vyžadují zvláštní způsob tepelného zpracování. Nástrojové oceli na lité nástroje jsou legovány W, Cr, V a Mo. Zpracovávají se litím. Mají lepší řezivost než nástroje vyrobené z tvářených ocelí, ale jsou křehčí. Užívají se na vícebřité nástroje jako například frézy, výhrubníky a výstružníky, břitové destičky soustružnických nožů. Podle důsledně provedeného rozdělení ocelí by měly patřit do skupiny ocelí na odlitky. Oceli na odlitky Uhlíkové oceli na odlitky třídy 26 obsahují do 0,6 % C. Používají se součásti elektrických strojů, ložiska vozidel, armatury a součásti parních kotlů a turbin, na součásti spalovacích motorů. Oceli tříd 27 a 28 jsou legovány především Mn a Si, některé také Cr, Ni, Mo, V, W, Co, Al. Dobře odolávají opotřebení a teplotám do 450 C. Oceli s nižším obsahem legujících prvků se užívají na namáhaná ozubená kola, armatury a součásti kotlů a turbin vystavené teplotám až do 450 C, součásti železničních výhybek. Oceli legované Cr, Mo a V odolávají teplotám až do 580 C. Pro ještě vyšší teploty se užívají oceli obsahující navíc Ni, W a Co. Pro trvalé magnety jsou vhodné oceli s obsahem Al (6 až 11 %), Ni (13 až 30 %) a Co (až 30 %). Známé je obchodní označení těchto ocelí Al-Ni nabo Al-Ni-Co. Oceli třídy 29 jsou legovány především Cr a Ni. Svými vlastnostmi a použitím odpovídají ingotovým ocelím třídy 17, jsou tedy korozivzdorné, žárovzdorné a žáropevné. Železa nekujná Nekujná železa jsou podle svého technologického určení, použití, vlastností, vzhledu a složení rozdělovány do tříd podle níže uvedeného přehledu (tabulky).

3 Přehled technických kovů užívaných ve strojírenství str. 3 železa nekujná surová železa šedé bílé litiny šedá třída 24 tvárná třída 23 bílá temperovaná třída 25 zvláštní Surová železa jsou hutním polotovarem pro výrobu ocelí a litin. Šedé surové železo obsahuje uhlík ve formě grafitu, proto má na lomu šedou barvu. Krystalizuje a taví se podle stabilní soustavy Fe-C. Bílé surové železo je slitinou metastabilní. To znamená, že obsahuje karbid železa Fe 3 C, cementit. Proto má bílý a lesklý lom. Šedá litina je vyrobena přetavením šedého surového železa, vratného materiálu ze sléváren, odpadového litinového i ocelového materiálu ze šrotu. Obsahuje asi 3 % C a další prvky, především křemík a mangan. Bílá litina je vyrobena přetavením bílého surového železa. Tvárná litina vzniká zvláštní úpravou šedé litiny, tak zvaným očkováním. Získává tak vyšší pevnost a tažnost. Temperovaná litina vzniká z bílé litiny jejím žíháním, temperováním. Snižuje se tak tvrdost a křehkost bílé litiny a zvyšuje se její pevnost. Třídami jsou označovány pouze šedé, tvárné a temperované litiny. Vlastnosti a použití litiny Šedá litina Šedá litina ve své základní podobě (nelegovaná) má menší pevnost než oceli. Je však lépe slévatelná, lépe odolává korozi a je výrobně levnější. Používá se na odlitky těles a skříní turbin, pístových strojů, čerpadel, na lože a stojany obráběcích strojů, na méně namáhaná ozubená kola. Legované šedé litiny Legované šedé litiny mají vyšší odolnost proti žáru a korozi. Proto se užívají na části spalovacích zařízení, pecí, slévárenských forem, zařízení pro chemický průmysl. Tvárná litina Tvárná litina vzniká přidáním hořčíku do licí pánve před odlitím. Tím se dosahuje globulární (kuličkové) perlitické struktury vyznačující se vyšší tažností, vrubovou houževnatostí a mezí únavy. Používá se na součásti silničních vozidel, zemědělských strojů, převodové skříně, tělesa armatur, ozubená kola, válce a písty pístových strojů, brzdové bubny a podobně. Tvrzená litina Tvrzená litina vzniká rychlým ochlazením povrchu odlitku ze šedé litiny speciálního složení (0,7 až 1 % Si, 0,5 až 1,25 % Mn) a pomalým ochlazováním jeho vnitřních částí. Lije se do kokil nebo pískových forem s chladítky (kovové součásti vložené do stěny dutiny pískové formy v místech, kde má být z odlitku rychleji odváděno teplo). Na povrchu odlitku se vyloučí uhlík ve formě cementitu, uvnitř má odlitek strukturu šedé litiny. Používá se pro odlitky, které mají mít na svém povrchu vysokou tvrdost a odolnost proti opotřebeni, zatímco jejich jádro má být pevné a houževnaté (například kola vagonů, čelisti drtičů). Bílá litina Bílá litina je v důsledku vysokého obsahu cementitu velmi tvrdá, křehká a prakticky neopracovatelná. Proto se ve své základní podobě užívá jen výjimečně, například na odlitky, které mají mít velkou tvrdost a odolnost proti otěru (funkční části mlýnů a drtičů). Je výchozím materiálem pro výrobu temperované litiny. Temperovaná litina Temperovaná litina vzniká z bílé litiny dlouhodobým žíháním (temperováním) v pecích. Ve struktuře dochází k rozpadu cementitu obsaženého v ledeburitu na grafit a železo (grafitizace). Temperovaná litina je houževnatá a snadno obrobitelná, svými vlastnostmi je přechodem mezi šedou litinou a ocelí, je do určité míry kujná. Její použití ve stavbě strojů je velmi široké. V oxidačním prostředí (zásypu kyslíkaté železné rudy) dochází při temperování k oduhličení materiálu od povrchových vrstev do hloubky, někdy v celém průřezu. Tato temperovaná litina je na lomu bílá, složením perlitická, někdy se nazývá evropská. Žíháním v neutrálním prostředí vzniká temperovaná litina s černým lomem, složením feritická, někdy se nazývá americká.

4 Přehled technických kovů užívaných ve strojírenství str. 4 Technické neželezné kovy Neželeznými kovy se v obecném pojetí rozumějí všechny kovy s výjimkou železa. Z hlediska užití kovových materiálů ve strojírenství jsou tímto termínem chápány některé technicky významné kovy a jejich slitiny, jejichž základní složkou není železo. Neželezné kovy jsou ve strojírenství užívány v případech, kdy svými vlastnostmi lépe než kovy železné splňují požadavky kladené na materiál výrobku (elektrická a tepelná vodivost, odolnost proti korozi a pod.). Většinou jsou totiž dražší než materiály železné, protože výskyt jejich rud je nižší a jejich výroba je obtížnější. Technické neželezné kovy nejsou nikdy dokonale čisté. Vždy obsahují další kovové či nekovové složky, které se do základního materiálu dostávají ze surovin a výrobního procesu nebo jsou úmyslně přidávány. Příměsi zpravidla zvyšují pevnost a mez kluzu těchto materiálů, zlepšují jejich slévatelnost a obrobitelnost, ale zhoršují jejich tvárnost, elektrickou a tepelnou vodivost i odolnost proti korozi. Slitiny neželezných kovů mohou mít formu tuhých roztoků, mechanických směsí i chemických sloučenin. Neželezné kovy je možno rozdělovat podle mnoha hledisek: výskytu, hustoty, teploty tavení, účelu použití atd. Podle výskytu jsou rozdělovány na obecné, drahé a vzácné, podle hustoty na lehké a těžké, podle teploty tavení na nesnadno tavitelné (molybden, wolfram...) a snadno tavitelné (olovo, cín, zinek, kadmium...), podle odolnosti proti korozi na ušlechtilé (měď, stříbro, zlato...) a méně ušlechtilé (hořčík, hliník, zinek...). V následujícím popisu jsou nejvýznamnější neželezné kovy užívané ve strojírenství rozděleny do tří skupin: - těžké (barevné) neželezné kovy - lehké neželezné kovy - přísadové kovy. Protože však tento způsob rozdělení nemá jednoznačné třídící kriterium, vyskytují se některé kovy ve dvou skupinách (například mezi těžkými i přísadovými kovy nebo mezi lehkými i přísadovými kovy). Těžké neželezné kovy Do skupiny těžkých neželezných kovů jsou obecně zařazovány všechny kovy, jejichž hustota je vyšší než kg.m -3 ( kg.m -3 ). K neželezným kovům užívaným v technické praxi patří měď, cín, olovo, zinek, nikl, kadmium, antimon a jejich slitiny. Měď a její slitiny Měď (Cu) má hustotu 8, kg.m -3, teplotu tavení C, červenou barvu, pevnost asi 230 N.mm 2 (podle dříve užívaných jednotek přibližně 23 kp/mm 2 ), tažnost asi 50 %, velmi dobrou elektrickou a tepelnou vodivost. Je měkká a tvárná, špatně slévatelná (má nízkou zabíhavost do forem) a špatně obrobitelná (maže se), dobře svařitelná, dobře se nechá pájet, dobře odolává atmosférické korozi a organickým kyselinám. Čistá měď se používá hlavně na elektrické vodiče, výměníky tepla a na galvanické povlaky. Pro konstrukční účely se užívají především slitiny mědi. Slitiny mědi Slitiny mědi mají oproti čisté mědi lepší mechanické nebo technologické vlastnosti. Podle svého složení jsou rozdělovány do tří skupin: bronzy, mosazi a červené kovy. Někdy jsou červené kovy řazeny k bronzům. Bronzy Bronzy jsou slitiny mědi s jinými kovy s výjimkou zinku. Podle přidaného kovu se blíže označují jako cínové (tak zvané pravé ), olověné, hliníkové, beryliové, niklové, manganové a další. Cínové bronzy dobře odolávají korozi a opotřebení. Zpracovávají se tvářením (do 8 % Sn) nebo litím (od 8 do 20 % Sn). Používají se na trubky, dráty, plechy, pružiny, membrány, pouzdra kluzných ložisek, oběžná kola čerpadel, armatury atd. Olověné bronzy obsahují do 33 % Pb, někdy také menší množství Sn. Snášejí vysoká zatížení a jsou odolné proti otěru. Proto se z nich vyrábějí zejména pouzdra kluzných ložisek. Hliníkové bronzy obsahují 3 až 11 % Al, někdy jsou legovány Fe, Ni nebo Mn. Dobře odolávají zvýšeným teplotám a chemickým vlivům. Vyrábějí se z nich armatury pro přehřátou páru, výfukové ventily motorů, části chemických zařízení. Beryliové bronzy obsahují 1 až 2 % Be. Mají vysokou pevnost (až 1350 N.mm -2, to jest podle starých jednotek 135 kp/mm 2 ), pružnost, dobře odolávají korozi a přitom mají velmi dobrou elektrickou vodivost. Vyrábějí se z nich pružiny vystavené agresivnímu chemickému prostředí, vysoce namáhané součásti s požadavkem elektrické vodivosti, korozivzdorná ložiska. Protože při nárazu nejiskří, užívají se na nástroje pro práci ve výbušném prostředí (doly, prachárny). Niklové bronzy obsahují zpravidla vedle mědi a niklu ještě mangan a železo. Užívají se především na odporové materiály (názvy konstantan, nikelin) v regulačních a měřicích přístrojích.

5 Přehled technických kovů užívaných ve strojírenství str. 5 Manganové bronzy mají podobné vlastnosti a použití jako bronzy niklové. Jsou známy pod názvy manganin, isobelin nebo resistin. Zvláštností je tzv. Heuslerova slitina (nad 10 % Mn, 9 % Al), která je feromagnetická, přestože neobsahuje žádné železo. Mosazi Mosazi jsou slitinami mědi se zinkem, některé obsahují také olovo, nikl, hliník a další přísady. Mosazi s vyšším obsahem mědi se zpracovávají tvářením, mosazi s menším obsahem mědi litím. Slitiny s obsahem mědi nižším než 58 % nejsou pro svou křehkost a tvrdost prakticky použitelné. Mosazi s obsahem mědi nad 80 % se nazývají tombaky. Jsou dobře tvárné a výborně odolávají korozi. Užívají se na trubky, plechy, dráty, výměníky tepla, lopatky parních turbin a pro součásti vyráběné hlubokým tažením. Mosazi s nižším obsahem mědi (63 až 68 %) se užívají na lisované elektrotechnické součásti, pružiny, vruty a podobné drobné součásti. Přídavkem olova se dosahuje lepší tvárnosti a obrobitelnosti (vhodné pro obrábění na automatických strojích). Nejlepší slévatelnost má mosaz s obsahem 60 % Cu. Niklová mosaz obsahující 12 až 20 % Ni má velmi dobrou tažnost. Nikl měď silně odbarvuje a proto mají niklové mosazi bílou barvu a velmi pěkný vzhled. Používají se na výrobky zhotovené hlubokým tažením, dříve se z nich vyráběly jídelní příbory a další jídelní (kuchyňské) vybavení. Známé jsou pod obchodními názvy alpaka nebo pakfong (nové stříbro). Červené kovy Červenými kovy se nazývají slitiny mědi s cínem (3 až 10 %), zinkem a olovem. Používají se na pouzdra kluzných ložisek, součásti čerpadel a armatury pro rozvod horké vody a páry. Cín Cín (Sn) má hustotu 7, kg.m -3, teplotu tavení 232 C, stříbrobílou barvu. Je velmi dobře slévatelný a tvárný, zdravotně nezávadný. Při dlouhodobém působení teplot nižších než 13 C se mění ve svou modifikaci, která má podobu šedých krystalků (tzv. cínový mor). Cínové rudy jsou velmi chudé, většinou obsahují pouze několik desetin procenta cínu. Hlavním nerostem pro výrobu cínu je cínovec, oxid cíničitý SnO 2. Výroba cínu spočívá v obohacení rud rozdružováním a flotací, pražení, redukci při tavení v plamenných pecích a pyrometalurgické nebo elektrometalurgické rafinaci. Užívá se do slitin (například bronzy, pájky), na výrobu folií (staniol), k cínování plechu v potravinářství. Olovo Olovo (Pb) má hustotu 11, kg.m -3, teplotu tavení 327,5 C, malou pevnost - přibližně 12 N.mm -2, velkou tažnost - přibližně 70 %. Je velmi měkké a tvárné, velmi dobře odolává korozi a působení kyselin, má vysokou pohltivost proti rentgenovému záření, je jedovaté. Užívá se na potrubí a armatury v chemickém průmyslu, na desky akumulátorů, ochranné štíty v průmyslu a zdravotnictví, do slitin (například pájky, ložiskové slitiny - kompozice, liteřina v tiskárenství). Olovo je v zemské kůře zastoupeno poměrně řídce. Nejběžnější olověnou rudou je sulfid olovnatý, galenit PbS. Dalšími méně běžnými minerály olova jsou cerusit, uhličitan olovnatý PbCO 3 a anglesit, síran olovnatý PbSO 4. Olovo se také často vyskytuje jako doprovodný prvek v rudách zinku a stříbra. Při získávání olova z rudy je obvykle hornina jemně namleta a flotací oddělena složka s vysokým zastoupením kovu. Následuje pražení rudy, které převede sulfidy olova na oxidy. Kovové olovo se pak z praženého koncentrátu rud získává žárovou redukcí elementárním uhlíkem (obvykle koks). Zinek Zinek (Zn) má hustotu 7, kg.m -3, teplotu tavení 419 C, teplotu vypařování 907 C, pevnost asi 120 N.mm -2. Za normální teploty je velmi křehký, v rozmezí teplot C je tažný a dá se válcovat na plech a vytahovat na dráty, nad 200 C je opět křehký. Je velmi snadno tavitelný a dobře slévatelný. V čisté podobě má malou odolnost proti chemickým vlivům, ale jeho korozní produkty velmi dobře chrání zinek do hloubky. Používá se na odlitky (karburátory, drobné tvarově složité součásti kancelářských strojů), galvanické články (kalíšky kapesních baterií), pro pokovování ocelových plechů vystavených atmosférickým vlivům, do slitin. V zemské kůře je zinek poměrně bohatě zastoupen. Po železe, mědi a hliníku je čtvrtým nejvíce průmyslově vyráběným kovem. Hlavním minerálem a rudou pro průmyslovou výrobu zinku je sfalerit neboli blejno zinkové ZnS. Malá množství zinku bývají také přimíšena v železných rudách a při zpracování rud železa ve vysoké peci se hromadí v podobě zinkového prachu z kychtových plynů. Zinek se z 90 % vyrábí ze svých sulfidických rud. Proces výroby začíná koncentrací rudy sedimentačními nebo flotačními technikami a následným pražením rudy za přístupu kyslíku. Oxid zinečnatý se dále zpracovává elek-

6 Přehled technických kovů užívaných ve strojírenství str. 6 trolyticky nebo pyrometalurgickou redukcí koksem. Při druhé metodě odchází z tavicí pece v podobě par. Takto získaný zinek má čistotu s 99 %. Po rafinaci vakuovou destilací se získá zinek o čistotě 99,99 %. Nikl Nikl (Ni) je feromagnetický, má hustotu 8, kg.m -3, teplotu tavení C, pevnost asi 320 N.mm -2. Má velmi dobré mechanické vlastnosti, je dobře tvárný a svařitelný. Vyznačuje se vysokou odolností proti korozi i za zvýšených teplot. Nikl je v přírodě poměrně hojně zastoupen, výskytem v zemské kůře se řadí na 7. místo. Obvykle se vyskytuje ve směsi s železem v rudách ve formě oxidů nebo sulfidů. Z rud se vyrábí pražením a redukčním tavením. Rafinuje se elektrolyticky na čistotu až 99,99 %. V čisté podobě se užívá především pro poniklování jiných kovů jako ochrana proti korozi. Velký význam má jako přísadový kov. Kadmium Kadmium (Cd) má hustotu 8, kg.m -3, teplotu tavení 321 C, teplotu vypařování 765 C. Je měkké, lehce tavitelné. Svými vlastnostmi se podobá zinku. V zemské kůře je kadmium vzácným prvkem. Vyskytuje se jako příměs rud zinku a někdy i olova, z nichž se také společně získává. K oddělení kovů se vzhledem k poměrně nízkému bodu varu kadmia požívá destilace. Kadmium se užívá jako součást různých slitin a k povrchové ochraně jiných kovů před korozí. Významné využití nachází kadmium při výrobě pájek, které jsou jeho slitinami se stříbrem, cínem a zinkem. Mají velmi dobré mechanické vlastnosti, dávají pevné a houževnaté spoje, velmi dobře vedou elektrický proud. Antimon Antimon (Sb) má hustotu 6, kg.m -3, teplotu tavení 630 C. Je středně tvrdý a velmi křehký. V zemské kůře je poměrně vzácným prvkem. Hlavní rudou antimonu je antimonit, chemicky sulfid antimonitý Sb 2 S 3. Obvykle je také přítomen jako příměs v rudách stříbra, mědi a olova. Vyrábí se pražením a redukcí sulfidických rud za přístupu vzduchu za vzniku oxidů, které se dále redukují žárově uhlíkem (koksem). Užívá se do slitin měkkých kovů, nejčastěji olova, za účelem zvýšení jejich mechanické pevnosti a tvrdosti. Významný je podíl antimonu při výrobě pájek na bázi olova a cínu. Přídavky antimonu, kadmia a stříbra získávají tyto pájky lepší vodivost a vyšší pevnost spoje. Lehké neželezné kovy Do skupiny lehkých neželezných kovů jsou zařazovány kovy, jejichž hustota je nižší než kg.m -3 ( kg.m -3 ). Patří sem hliník, hořčík, titan, beryllium a jejich slitiny. Hliník a jeho slitiny Hliník (Al) má hustotu 2, kg.m -3, teplotu tavení 658 C, bílou barvu. Je měkký a tvárný, špatně slévatelný, obtížně obrobitelný a svařitelný tavným způsobem. Jeho pevnost je přibližně 80 N.mm -2, tažnost asi 40 %. Má velmi dobrou elektrickou a tepelnou vodivost, dobrou odolnost proti chemickým vlivům. Na svém povrchu se pokrývá souvislou a tvrdou vrstvičkou oxidu hlinitého (Al 2 O 3 ), která má vysokou teplotu tavení (2 000 C) a je dobrým elektrickým izolantem. Hliník je třetím nejvíce zastoupeným prvkem v zemské kůře. V přírodě se vyskytuje zejména ve sloučeninách, nejznámější rudou hliníku je bauxit. Čistý hliník se užívá nejčastěji v elektrotechnice a pro zařízení k výměně tepla, dále v chemickém a potravinářském průmyslu (nádoby, obaly). Hliník je užíván také jako přísadový kov. Slitiny hliníku Slitiny hliníku jsou podle způsobu zpracování rozdělovány na tvářené a slévárenské. Tvářené slitiny Tvářené slitiny hliníku je možno podle účelu použití rozdělit do dvou dalších skupin: slitiny s vysokou pevností a slitiny s dobrou odolností proti korozi. U tvářených slitin první skupiny, které jsou legovány Cu, Mg, Ni a Zn, je možno zvláštním tepelným zpracováním (vytvrzováním) podstatně zvýšit pevnost i nad 500 N.mm -2. Tyto slitiny jsou známy pod názvem dural. Užívají se na výrobu lehkých a pevných strojních součástí, které odolávají vyšším teplotám (například písty a ojnice spalovacích motorů).

7 Přehled technických kovů užívaných ve strojírenství str. 7 Tvářené slitiny se zvýšenou odolností proti korozi jsou legovány Si, Mg a Mn. Jsou známy pod názvy hydronalium nebo pantal. Užívají se při stavbě letadel a lodí, v chemickém a potravinářském průmyslu, stavebnictví. Slévárenské slitiny Hlavním legujícím prvkem slévárenských slitin je Si, který výrazně zlepšuje slévatelnost hliníku. V menším množství jsou slévárenské slitiny hliníku legovány Cu, Mg, Ni. Některé z těchto slitin je možno pro zvýšení pevnosti vytvrzovat. Dobře odolávají chemickým vlivům, špatně se obrábějí. Užívají se ve stavbě letadel, pro klikové skříně a další části spalovacích motorů namáhaných za zvýšené teploty. Známy jsou pod názvem siluminy. Hořčík Hořčík (Mg) má hustotu 1, kg.m -3, teplotu tavení 650 C, pevnost asi 170 N.mm -2, tažnost asi 10 %, vysokou slučivost s kyslíkem. Je velmi dobře slévatelný, ale špatně tvárný. Je horším vodičem elektrického proudu a tepla. Hořčík je v zemské kůře silně zastoupen, řadí se na 6. místo podle výskytu prvků. V důsledku své poměrně velké reaktivity se v přírodě vyskytuje pouze ve sloučeninách. Z minerálů je velmi hojný dolomit, směsný uhličitan hořečnato-vápenatý. Kovový hořčík se průmyslově vyrábí elektrolýzou roztavené směsi chloridu hořečnatého nebo redukcí oxidu hořečnatého. V čisté podobě se užívá v pyrotechnice (součást termitu). Velká reaktivita kovového hořčíku se uplatňuje v metalurgii, kde se užívá k odsíření a desoxidaci surového železa a oceli a k deoxidaci neželezných kovů. Ve strojírenství se užívají jeho slitiny s Al, Zn, Mn, Si a dalšími. Známou slitinou je pevný a lehký elektron. Titan Titan (Ti) má hustotu 4, kg.m -3, teplotu tavení C, velmi dobré mechanické vlastnosti: pevnost přibližně 400 N.mm -2, tažnost asi 35 %. Je dobrým vodičem tepla i elektřiny. Velmi dobře odolává působení kyselin i louhů, ale má vysokou slučivost s kyslíkem, dusíkem a uhlíkem, zejména za vyšších teplot. Je tvárný za tepla (asi 900 C), svařitelný elektrickým obloukem i odporově, špatně obrobitelný. Je poměrně hojně zastoupen v zemské kůře, je sedmým nejrozšířenějším kovem. V malém množství je titan obsažen ve většině minerálů. Mezi jeho nejvýznamnější rudy patří ilmenit - (FeTiO3 oxid železnato-titaničitý) a rutil (TiO2 - oxid titaničitý). Cena titanu je v důsledku jeho obtížné a nákladné výroby zatím relativně vysoká. Čistý titan se užívá zejména v chemickém a potravinářském průmyslu (zdravotně nezávadný), lékařství (chirurgické nástroje a kovové části trvale umístěné v lidském těle), jako legura do ocelí a k vytváření protikorozních ochranných vrstev. Titanové slitiny jsou legovány Cr, Mo, W, Al a V. Po vytvrzení mají pevnost až 1400 N.mm -2. Pro svou vysokou pevnost při malé hmotnosti se používají v letectví a stavbě náročnějších silničních vozidel. Beryllium Beryllium (Be) má hustotu 1, kg.m -3, teplotu tavení C. Za normální teploty je velmi tvrdé a křehké. Za červeného žáru je tažné. Vede špatně elektrický proud a teplo. Má vysokou propustnost pro rentgenové záření. V důsledku jeho poměrně velké reaktivity se v přírodě nalézá pouze se sloučeninách. Nejdůležitějším minerálem s obsahem beryllia je aluminosilikát beryl. Beryllium se z rud získává pražením s následným loužením nebo elektrolýzou. Čisté beryllium se užívá v jaderné energetice, kde slouží v jaderných reaktorech ke konstrukci neutronových zrcadel a je součástí moderátorových tyčí. Používá se jako přísada do slitin neželezných kovů i ocelí. Významné jsou slitiny beryllia s mědí, které mají velkou tvrdost, pevnost a zároveň dobrou elektrickou a tepelnou vodivost (například beryliový bronz, který se vyrovná nejkvalitnější nemagnetické oceli). Nízká hustota a vysoká pevnost slitin beryllia vede k jejich využití pro konstrukci součástí letadel a kosmických lodí. Slitiny se používají často v elektronice pro výrobu odolných elektrických kontaktů nebo speciálních elektrod pro obloukové svařování. Zvláštní slitiny neželezných kovů Kompozice Kompozice jsou slitiny určené pro zhotovení výstelky (funkčních ploch) kluzných ložisek. Používají se zejména u spalovacích motorů. Jejich složení má zajistit dostatečné mechanické vlastnosti (pevnost v tlaku, mez únavy,

8 Přehled technických kovů užívaných ve strojírenství str. 8 tvrdost), plasticitu, odolnost proti korozi, odolnost proti opotřebení, odolnost proti zadírání, dobrou tepelnou vodivost a malou tepelnou roztažnost. Kompozice obsahují cín, olovo, měď a antimon. Jejich struktura je heterogenní. V měkkém a poddajném základním tuhém roztoku jsou uloženy tvrdé krystaly slitiny cínu nebo olova s antimonem, které nesou zatížení ložiska. Měkký základ umožňuje plasticitu výstelky, to jest přizpůsobení ložiska hřídeli. Tím je dosaženo splnění požadavku, aby při poruše mazání a zahřátí ložiska nedošlo k poškození čepu. Podle složení se rozdělují na - bílé, které obsahují % cínu, 7-20 % antimonu a několik procent mědi - červené, které obsahují % mědi, 10 % cínu a menší množství zinku, olova a antimonu. Pájky Pájky jsou slitiny neželezných kovů užívané k nerozebiratelnému spojení kovů. Podle složení jsou cínové, mosazné, olověné a stříbrné. Slitiny olova s cínem, antimonem nebo stříbrem vykazují výborné vlastnosti při mechanickém spojování kovových předmětů pájením. Bod tavení těchto pájek je dán poměrem obou kovů, pohybuje se v rozmezí C. Pro zvýšení bodu tavení a pevnosti spoje se vyrábějí slitiny cínu, olova, stříbra, kadmia a antimonu. Podrobně jsou pájky popsány ve studijním textu o spojování kovů. Liteřina Liteřina je slitina, která se užívá v tiskárnách pro odlévání jednotlivých písmen (liter) k tisku knih, novin a časopisů. Má přibližné složení 75 % olova, 15 % cínu a 10 % antimonu. Přísadové kovy Přísadovými (legujícími) kovy se rozumí kovy úmyslně přidávané do některého základního kovu za účelem vytvoření slitiny požadovaných vlastností. Většina z nich se v čisté podobě používá v menším rozsahu. U technického železa jsou jako přísadové kovy užívány (v pořadí podle významu a použití) Cr, Ni, Mn, Si, Mo, W, V, Co, Ti, Al, Cu, Nb, Zr, Be. Je zřejmé, že některé z nich jsou zařazovány také mezi těžké či lehké neželezné kovy. V technickém železe ovlivňují přísadové prvky velikost a tvar austenitického pole, to jest polohu čar A 3, A 4 a A cm v rovnovážném diagramu. Pole γ rozšiřují, to jest teplotu A 4 zvyšují a teploty A 3 a A cm snižují Ni, Co, Mn, Cu. Pole γ zužují, to jest teplotu A 4 snižují a teploty A 3 a A cm zvyšují Cr, Mo, W, V, Si, Ti, Al, Be, Nb, Zr. Kromě kobaltu všechny přísadové kovy zvyšují stálost austenitu při ochlazování oceli, to jest posouvají křivky v diagramu IRA a ARA vpravo k delším časům, a tím zvyšují prokalitelnost ocelí. Největší účinek v tomto smyslu mají Mo, Mn a Cr. Teploty Ms a Mf (martensit start a martensit finiš) zvyšují Co a Al, snižují zejména Mn, Cr, Ni, Mo, V a Cu. Obecně se s obsahem legujících prvků zvyšuje pevnost a tvrdost feritu a perlitu, zjemňuje zrno a tím zvyšuje houževnatost oceli. Některé přísadové kovy v technickém železe tvoří karbidy a svým dispersním rozložením zvyšují jeho pevnost a tvrdost. Jsou to Cr, Mn, Mo, W, V, Ti, Zr a Nb. Kromě Mn a Al přísadové prvky působí proti zhrubnutí zrna při ohřevu. Nikl Nikl (Ni) patří společně s chromem a manganem mezi základní legující prvky ocelí. Je také součástí měděných slitin (niklová mosaz alpaka, slitiny s konstantním elektrickým odporem konstantan, nikelin). V oceli zvyšuje její pevnost, houževnatost, prokalitelnost, mez únavy a odolnost proti korozi. Do obsahu 5 % přísady niklu jsou oceli perlitické, do 22 % martenzitické a nad 22 % austenitické. Kobalt Kobalt (Co) se svými vlastnostmi se podobá niklu. Jeho hustota je 8, kg.m -3, teplota tavení C. Má dvě modifikace. Modifikace α je stabilní do teploty 417 C, modifikace β nad touto teplotou. Je feromagnetický do teploty C, nad touto teplotou své feromagnetické vlastnosti ztrácí. Je velmi pevný, svou tvrdostí a pevností předčí ocel. V zemské kůře se nalézá v nižším množství než nikl, zaujímá 30. místo ve výskytu prvků. Samostatné kobaltové rudy nejsou známy, kobalt je obsažen jako doprovodný prvek v niklových rudách a v sulfidických rudách mědi nebo olova. V ryzím stavu je možné nalézt kobalt v množství 0,5-2,5 % v železných meteoritech. Výroba čistého kobaltu je velmi náročná, největší problém činí odstranění niklu, který tvoří podstatnou část kobaltových rud. Cena kobaltu je v důsledku jeho poměrně nízkému výskytu i obtížnosti výroby poměrně vysoká.

9 Přehled technických kovů užívaných ve strojírenství str. 9 Jako jediný z přísadových kovů snižuje prokalitelnost ocelí. Zlepšuje tvrdost a pevnost ocelí, a tím řezivost a životnost nástrojových materiálů. Kobalt je významnou součástí stellitů, nástrojových materiálů složených z 50 % kobaltu, 27 % chromu, 12 % wolframu, 2,5 % uhlíku a až 5 % železa. Je také složkou slitin pro výrobu velmi silných permanentních magnetů (Alnico), které se skládají ze železa, kobaltu, niklu, hliníku a mědi. V čistém stavu se používá jako pojivo ve slinutých karbidech. Molybden Molybden (Mo) má vysokou teplotu tavení (2 800 C). Jeho hustota je 10, kg.m -3. V čisté formě je tvrdý a křehký. Molybden je v zemské kůře poměrně vzácný. V rudách se vyskytuje jen v nízkých koncentracích. Nejvýznamnější rudou je molybdenit (sulfid molybdeničitý, MoS 2 ). Molybdenit jako MoS 2 se těží buď samostatný nebo se získává při výrobě mědi. Po přečištění flotací se pražením převede na oxid molybdenový. Čistý molybden se vyrábí redukcí oxidu molybdenu vodíkem. Praktické využití nalézá hlavně jako složka vysoce legovaných ocelí, kde zlepšuje jejich prokalitelnost a odstraňuje popouštěcí křehkost. Již poměrně malé množství molybdenu ve slitině výrazně zvyšuje její tvrdost, mechanickou a korozní odolnost. Chrom Chrom (Cr) má hustotu 7, kg.m -3, teplotu tavení C. V čisté formě je velmi tvrdý a zároveň křehký, má vysokou chemickou odolnost a žáruvzdornost. Chrom patří mezi prvky s poměrně značným zastoupením v zemské kůře. Vyskytuje velmi často současně s rudami železa (podvojný oxid železnato-chromitý FeO.Cr 2 O 3 ). Hlavním postupem metalurgického získávání chromu je redukce rud uhlíkem (koksem) ve vysoké peci. Výsledkem je slitina chromu se železem, ferrochrom, který lze dále přímo používat při legování speciálních ocelí a jiných slitin s obsahem Fe a Cr. V čistém stavu se užívá k povrchovým úpravám s cílem zvýšení tvrdosti povrchu součástí (tzv. tvrdé chromování) a zlepšení jejich vzhledu (ozdobné chromování). V ocelích zvyšuje jejich pevnost, tvrdost, odolnost proti otěru, korozi a žáru, prokalitelnost. Oceli s obsahem chromu nad 4 % jsou samokalitelné. Od obsahu přibližně 12 % chromu je ocel korozivzdorná (pasivace povrchu). Chrom zlepšuje také žáruvzdornost a žárupevnost ocelí. U nástrojových ocelí se používá jako legura pro zvýšení prokalitelnosti a tvrdosti (tvorba karbidů chromu). Mangan Mangan (Mn) má hustotu 7, kgm -3, teplotu tavení C. V čisté formě je značně tvrdý a křehký. Vyskytuje se ve čtyřech modifikacích. Modifikace α je stabilní do 742 C, modifikace β do C, modifikace γ do C, modifikace δ touto teplotou. První dvě modifikace jsou křehké a tvrdé, vyšší modifikace jsou měkké a tažné. Mangan je prvkem s poměrně značným zastoupením v zemské kůře. Jako prvek se řadí na dvanácté místo, mezi kovy je na třetí. V přírodě se mangan vyskytuje prakticky vždy současně s rudami železa. Hlavním minerálem manganu je pyroluzit (burel) MnO 2. Základem výroby manganu je redukce uhlíkem (koksem) ve vysoké peci. Protože pro metalurgii železa je neekonomické oddělovat v rudě pouze složky s manganem, vzniká tímto postupem slitina Fe a Mn, a to buď ferromangan s obsahem až 90% manganu, nebo zrcadlovina s obsahem až 30 % manganu Tyto slitiny jsou naprosto vyhovující pro další hutní zpracování při legování ocelí, protože v nich je železo přítomno jako hlavní složka. Čistý mangan se získává aluminotermicky. Podstatnou část světové těžby manganu se spotřebuje při výrobě technického železa k jeho desoxidaci.v oceli zvyšuje její pevnost, tvrdost a prokalitelnost. Wolfram Wolfram (W) má teplotu tavení C, nejvyšší ze všech kovových prvků, a hustotu 19, kgm -3. Wolfram je v zemské kůře poměrně vzácný. Hlavními minerály wolframu v přírodě jsou wolframit wolframan železnato-manganatý (Fe,Mn)WO 4, wolframan vápenatý, scheelit CaWO 4 a stolzit, wolframan olovnatý, PbWO 4. Čistý wolfram se získá tavením a loužením rud s následnou redukci oxidů vodíkem. Čistý wolfram se užívá na výrobu žárovkových vláken a wolframových elektrod. Hlavní uplatnění nalézá jako složka různých slitin, ve kterých se přídavek wolframu projeví především zvýšením tvrdosti a mechanické i tepelné odolnosti. Tvoří tvrdé karbidy. V oceli zvyšuje jejich stálost a pevnost za vyšších teplot, zlepšuje odolnost proti opotřebení.

10 Přehled technických kovů užívaných ve strojírenství str. 10 Vanad Vanad (V) má hustotu 6, kgm -3, teplotu tavení C. V čisté formě je tvrdý a kujný. V zemské kůře je zastoupen průměrně jako 19. nejrozšířenější prvek. Nejčastěji se vanad vyskytuje v rudách ve formě sloučeniny s kyslíkem. Vyrábí se pražením rozdrcené rudy, jejím loužením, tavením a redukcí. Vanad zbavuje ocel kyslíku a síry, čímž zjemňuje její zrno. Již při malém obsahu zlepšuje stabilitu oceli a její mechanické vlastnosti (houževnatost a odolnost proti opotřebení) za tepla. Tvoří velmi stálý karbid. Slitiny s titanem a hliníkem se vyznačují vynikající mechanickou odolností a nízkou hustotou a nacházejí uplatnění při výrobě leteckých motorů a speciálních součástek pro konstrukci letadel a kosmických sond, družic a podobných aplikací. Titan Titan má vysokou afinitu k uhlíku, tvoří velmi tvrdé a stálé karbidy. V oceli zvyšuje její houževnatost tím, že na sebe váže kyslík a dusík. Hliník Hliník má velkou slučivost s kyslíkem a dusíkem. Proto se užívá při výrobě technického železa k jeho desoxidaci a jako přísada u nitridačních ocelí.