VÝZNAM NEŽELEZNÝCH KOVU PRO TECHNICKOU PRAXI A VÝVOJ MODERNÍCH KOVOVÝCH MATERIÁLU

Transkript

1 VÝZNAM NEŽELEZNÝCH KOVU PRO TECHNICKOU PRAXI A VÝVOJ MODERNÍCH KOVOVÝCH MATERIÁLU IMPORTANCE OF NON-FERROUS METALS FOR TECHNICAL PRACTICE AND DEVELIPMENT OF ADVANCED METALLIC MATERIALS Miroslav Kursa a a VŠB-TU Ostrava,17. listopadu 15, Ostrava-Poruba, CR, miroslav.kursa@vsb.cz Abstrakt Príspevek se v první cásti zabývá problematikou neželezných kovu z hlediska jejich výroby a zhlediska nových vývojových trendu, pro zajištení soucasných i perspektivních požadavku technické praxe. Je podán prehled globální situace v oblasti neželezných kovu i situace v rámci Ceské republiky. Druhá cást príspevku se zabývá tendencemi rozvoje nejvýznamnejších skupin materiálu na bázi neželezných kovu a jejich konkrétními aplikacemi pri rešení problému materiálového vývoje, v nemž materiály na bázi neželezných kovu hrají duležitou roli. Abstract The first part of the paper deals with issues of non-ferrous metals from the viewpoint of their production as well as new development trends in order to satisfy the existing and perspective requirements of technical practice. It gives an overview of global situation in the field of non-ferrous metals and situation in Czech Republic. The second part of the paper is focused on trends of development of the most important material groups based on non-ferrous metals and on their concrete applications at solution of problems of material research, in which materials based on non-ferrous metals play an important role. 1. ÚVOD O uplatnení materiálu na bázi železa nebo neželezných kovu rozhoduje predevším jejich schopnost splnovat požadavky na fyzikální, fyzikálne-metalurgické, mechanické, elektrofyzikální a další vlastnosti, a to za prijatelných ekonomických podmínek. Tak jako jsou oceli dominantní v oblasti konstrukcních materiálu, jsou neželezné kovy a materiály na jejich bázi nenahraditelné pri aplikacích vyžadujících materiály s nízkou hustotou, nízkou rezistivitou, nízkou nebo na druhé strane vysokou teplotou tání, nízkou hodnotou tenze par, vysokou hodnotou bodu varu apod. Nekteré skupiny materiálu se vyznacují nízkými a jiné materiály naopak vysokými hodnotami úcinného absorpcního prurezu pro tepelné neutrony, významné jsou také materiály se specifickými magnetickými charakteristikami. V posledních trech desetiletích došlo k vývoji rozsáhlé skupiny nových kovových a kov využívajících materiálu, které prispely k rozvoji elektrotechniky, elektroniky, jaderné energetiky, kosmických technologií, medicíny, spojovací a telekomunikacní technologie apod. Tyto materiály si velmi rychle našly cestu ze špickových výzkumných a vývojových pracovišt do technické praxe. Velkou predností nových materiálu je to, že v mnohých prípadech jsou vyrábeny tzv. na míru pro rešení konkrétních materiálových a fyzikálních problému. Inovacní technologie se zamerují na zdokonalování klasických konstrukcních materiálu na bázi neželezných kovu a jejich slitin a soucasne jsou rozvíjeny oblasti zcela nových typu materiálu, jejichž vlastnosti jsou interakcí více složek, které pak po konecném zpracování tvorí funkcní celek. Hovorí se o funkcních materiálech (koncentracne gradientní, funkcne 1

2 gradientní), prípadne o složených ci kompozitních materiálech. Ve všech techto typech materiálu hrají a budou hrát neželezné kovy významnou roli. Nemužeme pri techto úvahách opomenout, že tyto predstavují cca 84 prvku z celého periodického systému. Nové materiály a jejich aplikace preferuje letecký prumysl, obrana, lékarství, elektrotechnický a elektronický prumysl. Jejich použití je motivováno predevším nižšími náklady, integrací nových funkcí, jakostí provedení a adaptabilitou na nové funkce. Jako urcitá prekážka dalšího rozvoje materiálových technologií se jeví prílišný výber materiálu, aplikace nedostatecne vyvinutých materiálu, amortizace stávajících zarízení a technologií, konzervatismus konstruktéru a uživatelu. 2. HISTORIE ROZVOJE VÝROBY NEŽELEZNÝCH KOVU A JEJÍ SPECIFICKÉ RYSY O skutecne prvních zacátcích vlastního hutnictví, tzn. získávání kovu zjejich sloucenin, víme jen málo a zrejme budou tyto prvopocátky navždy zahaleny rouškou tisíciletí. Archeologickými vykopávkami je doloženo, že pred cca 6000 lety starí Egyptané na Sinaji težili malachit, který zpracovávali v šachtové peci vysoké 1 metr pomocí dreveného uhlí a dmýchací trysky. Toto je nejstarší doložený proces získávání kovu. Soucasným tavením oxidických medených rud s oxidickými rudami zinku a cínu byly cca pred 5000 lety pripraveny první cínové bronzy a pred cca 4000 lety pak i první mosazi [1]. Postupne byly získávány další kovy, jako olovo, zlato a stríbro, med. Rafinace zlata jeho oddelováním (zejména od stríbra) pyrometalurgickými postupy byla známá v Egypte již v období 2000 let pr.n.l. Všechny historické postupy získávání kovu a jejich rafinace byly založeny z velké míry na empirických zkušenostech, které byly mnohdy predmetem strežených receptu predávajících se z generace na generaci. Vzhledem k tomu, že byly technologicky zvládnuty jen nízké teploty zpracování (okolo 1100 C), byly vyrábeny zejména kovy s nízkou teplotou tání a zpracovávány snadno redukovatelné slouceniny. Jednalo se zejména o výrobu zlata, stríbra, medi, olova, antimonu a železa. Vlastní vedecký výzkum si do oblasti metalurgie našel cestu pred cca 200 až 250 lety, kdy byly položeny základy analytické chemie. Soucasne byla objevena rada doposud neznámých prvku, a to v podobe jejich sloucenin nebo v elementární forme. Pred cca lety byly položeny základy termodynamiky a vjejím dusledku i fyzikální chemie, které umožnily proniknutí metalurgie mezi vedecké disciplíny. Pred cca 70 lety založené procesní inženýrství v chemii dobylo nyní i oblast metalurgie - ve spojení s rozvinutou merící technikou a elektronikou je nyní vývoj v metalurgii smerován ke kontinuálním procesum. Z popsaného hutnictví minulého století vzniklo vedou prostoupené metalurgické inženýrství, na které úzce navazuje materiálové inženýrství, s tradicne významnou rolí kovových materiálu. Dodnes prežívající delení na hutnictví železa a hutnictví neželezných kovu pochází z období pred cca 100 lety. Na jedné strane si dominující oblast hutnictví železa vyžádala silne diferencované vzdelání, na druhé strane byli predstavitelé hutnictví neželezných kovu na prelomu století silne profilované osobnosti, které zastupovaly jen urcitou oblast hutnictví. Z odborného hlediska se sice toto delení jeví jako neopodstatnené, smysl jeho zachování do budoucna je však možno doložit radou argumentu, které zároven dokumentují specifický charakter metalurgie neželezných kovu [2]. Zatímco výroba surového železa a oceli je založena témer výlucne na pyrometalurgických procesech, získávání neželezných kovu je spojeno s podstatne bohatší škálou výrobních postupu, které jsou dány jak širokou paletou surovin, v nichž se neželezné kovy nacházejí, tak ruznorodými vlastnostmi jednotlivých kovu. Pri srovnávání postupu výroby železa a oceli a výroby neželezných kovu je nutno si rovnež uvedomit, že suroviny na výrobu železa jsou na rozdíl od surovin na výrobu neželezných 2

3 kovu prakticky monometalické. Pri zpracování surovin neželezných kovu se ve velké míre uplatnují hydromatelurgické postupy, které jsou v metalurgii železa a oceli témer neznámé. U metalurgických procesu tavení rozlišujeme varianty tavení za vzniku sloucenin kovu a tavení za vzniku kovu, které mají radu dalších alternativ. Významne se zde uplatnují i procesy elektrometalurgické, a to zejména elektrolýza jako technologie získávání kovu zroztoku a tavenin nebo postup rafinace kovu. Možnosti využití specifických vlastností kovu je nutno posuzovat také z hlediska jejich dostupnosti. Celá rada kovu muže být efektivne získávána i pres jejich velmi malé zastoupení v zemské kure (tab. 1), a to zejména vzhledem k následujícím okolnostem: v prírode se prvky vyskytují v koncentrované podobe ve forme minerálu, úpravnické metody poskytují vysokoprocentní koncentráty, metalurgické postupy výroby a rafinace kovu umožnují na základe fyzikálních a chemických procesu další obohacení až na cistý kov. Surovinová báze neželezných kovu je zatím celosvetove postacující, ale zpracované prognózy se týkají pouze nejbližších 20 let. Jedním zpotenciálních zdroju kovu mohou být také dna svetových morí a oceánu, využívání techto zdroju však zatím naráží na ekonomické bariéry [3]. Tabulka 1. Obsah prvku v zemské kure [1] Table 1. Contents of elements in the Earth s crust [1] Koncentrace (hm. %) ,1 0,1-0,01 0,01-0,001 0,0001-0,00001 < 0,00001 O Al Ti Mn Rb, Ni Th, Pr, Sm Tb, Lu, Tm Si Fe P Ba Zn, Ce Gd, Cs, Dy, Tl, Sb, Cd Ca Sr Cu, Y, Hf, Yb, Be Bi, In, Hg Na C La, Nd Er, U, Sn Ag, Os, Se Mg Zr Co, Li, Ta, As, Ge Pd, Pt, Ru K V Nb, Ga W, Mo, Eu Au, Re, Rh, Cr Pb, B Ho Ra 3. PERSPEKTIVY ZAJIŠTENÍ A ROZVOJE VÝROBY NEŽELEZNÝCH KOVU V RÁMCI CELOSVETOVÉ EKONOMIKY A CESKÉ REPUBLIKY Z rady materiálu publikovaných ve svetové literature vyplývá, že u spotreby jednotlivých kovu bude docházet k mírnému ale stálému nárustu [3]. Dále následují strucné charakteristiky vývoje spotreby a výroby u jednotlivých vybraných predstavitelu kovu. Med. Její použití má stále rostoucí trend. Jak ukazují studie použití medi, roste její spotreba predevším v energetice, na niž pripadá cca 72 % spotrebované medi. Celkové odhady z hlediska celosvetového vyplývají z tabulky 2, z níž je patrné, že v oblasti spotreby Cu se dá ocekávat mírný nárust. Témer 40 % soucasné svetové produkce medi pochází z Chile. Význacnými producenty jsou dále USA (12,6 %), Indonésie (6,2 %), Austrálie (5,6 %), Kanada (4,8 %) a Cína (4,1 %). Z evropských státu je nejvetším producentem Rumunsko (4 %) a Polsko (3,5 %). Nejvetší cást produkce medi je využívána ve stavebnictví, energetice, elektronice a v automobilovém prumyslu. 3

4 V rámci CR patrí obchod s medenými rudami a koncentráty k nevýznamným položkám.ponekud jiná je situace v dovozu a vývozu rafinované medi a slitin medi a tyto položky v CR patrí naopak k velmi významným. Výše dovozu kolísala v období zhruba mezi 11 a 20 kt rocne, celkem za sledované období 115,2 kt, v úhrnné cene 7,5 miliard Kc, což položku radí na druhé místo za nákup hliníku. Ve sledovaném období bylo soucasne vyvezeno 38 kt rafinované medi v hodnote 2,2 miliardy Kc. Za sledované období bylo ale vyvezeno 240 kt odpadu a šrotu Cu v celkové hodnote 9,4 miliardy Kc [4]. Tabulka 2. Odhady težby, výroby a spotreby Cu (kt.) v celosvetovém merítku [3] Table 2. Assessment of presumed mining, production and consumption of Cu (kt) in global scale [3] Casové období Težba surovin Výroba Cu Spotreba Cu Olovo. Z ekologických duvodu je zrejmá snaha spotrebu Pb do budoucna snižovat, k urcitému nárustu muže dojít u výroby olovených baterií. Bude to souviset i s tendencemi precházet na baterie s napetím 36 nebo 42 V, prípadne na baterie s duálním napetím [5]. Rust jejich výroby se ocekává v Evrope a Japonsku. Další oblastí využití Pb je výroba chemikálií, u nichž se také ocekává mírný vzestup spotreby. Nejvýznamnejšími svetovými producenty olova jsou Austrálie, Cína a USA. Tyto zeme mají k dispozici i prevládající cást svetových zásob Pb-rud. Ze zdrojových státu našeho dovozu mají vlastní ložiska k dispozici Polsko, Kanada, Rusko a Jugoslávie. Nejvetší cást olova se spotrebovává pri výrobe dopravních prostredku a to na akumulátory elektrické energie. Objem dovozu surového olova do CR za období cinil 191 kt, což predstavuje 3,6 miliard Kc. Objem vývozu cinil 54 kt, což predstavuje cástku 1 miliardu Kc. V zahranicním obchode CR s kovovými materiály zaujímá Pb v objemovém vyjádrení 3. místo za surovým hliníkem a hliníkovým odpadem. Vývoz a dovoz oloveného odpadu a šrotu byl vyrovnaný na úrovni 16 kt. Dovoz byl realizován z 87 % ze Slovenska, zbytek z Rakouska (7 %) a Madarska (3,5 %) [4]. Zinek. Témer 200 let komercní produkce Zn radí tento kov mezi klasické a dospelé materiály. Zinek si udržuje mezi neželeznými kovy dlouhodobe 3. místo a to za hliníkem a medí. Hlavní oblast použití zinku je v povrchové ochrane ocelových konstrukcních cástí a výrobku spotrebního prumyslu. V literature se uvádí, že tato spotreba predstavuje % a má stále rostoucí tendenci. Zinek se dále používá jako legura do mosazí (20-50 % Zn) a do slévárenských slitin zinku s Al (4-27 % Al). Zbývající oblasti použití jsou pomerne široké, ale predstavují jen nekolik procent celkové spotreby. Z dlouhodobého hlediska se predpokládá nárust težby zinkových rud a koncentrátu o 7 % a nárust výroby zinku o 5 %. Trh se zinkem je pomerne stabilní. Výše celosvetové težby dosáhla v roce 1999 cca 8100 kt tohoto kovu. K nejvetším producentum patrí Cína (18%), Austrálie (14%) a Kanada 12,5%). Mezi evropskými zememi jsou nejvýznamnejšími producenty Irsko a Švédsko. Objem dovozu Zn do CR za období byl 155 kt v celkové hodnote 5,7 miliard Kc. Surový zinek je do CR dovážen predevším z Polska (54%), v menší míre z Bulharska a Nemecka. Dovozní a vývozní ceny se 4

5 navzájem výrazne nelišily (25-50 tis. Kc/t). Zinkový odpad a šrot byl z CR vyvezen v množství 26 kt. Nikl. Všechny studie o budoucím použití niklu se shodují, že jeho spotreba poroste. Odhady rocního nárustu se pohybují mezi 1,3 až 3,6 %. V roce 1999 však byl zaznamenán nárust spotreby Ni o 6 %. Príklady rustu spotreby Ni ve vyspelých zemích a regionech je uveden v tab. 3. Obr. 1. Vývoj ceny Ni na burze Fig. 1. Trend of price of Ni on the stock market Z této primární spotreby Ni predstavuje 2/4 nikl v korozivzdorných ocelích a práve u této spotreby dochází k trvalému rustu. Mezi další významné oblasti využití niklu patrí niklové slitiny a superslitiny. Tento nárust spotreby byl dán požadavky leteckého prumyslu a výrobou stacionárních plynových turbín. Dále rostla spotreba niklu pro výrobu nikl-vodíkových elektrických baterií a to jejich zavedením vroce Jsou využívány v nových oblastech jako náhrada NiCd baterií, zejména pro mobilní telefony a notebooky. Výhledove se pocítá s aplikací techto baterií pro pohon automobilu. Další oblastí použití je povrchová úprava. Tabulka 3. Primární spotreby Ni v letech 1996 až 1999 ( kt.) [6] Table 3. Primary consumptions of Ni in the period (kt) [6] Období Zmena Záp. Evropa ,4 Japonsko ,6 USA ,3 Ostatní ,1 Celkem ,4 Prevážná cást svetových zásob niklu (60 %) je vázána na silikátové rudy lateritického puvodu (Kuba, Nová Kaledonie, apod.), menší cást se vyskytuje v bohatších sulfidických rudách. Vedoucími svetovými producenty primárního niklu jsou Rusko 22 %), Kanada (18 %), Austrálie (12 %), Indonésie (7,4 %) a Kuba (5,8 %). Surový nikl je do CR dovážen 5

6 predevším z Ruska (40 %), Nemecka (25 %) a z Nizozemí (15 %). Za období bylo do CR dovezeno 11 kt surového Ni v hodnote 2,5 miliard, vývoz cinil 4,7 kt v hodnote 980 mil. Kc [4]. Vývoj ceny Ni na burze v posledních letech je zachycen na obr. 1. Cín. Na svetových trzích je stále prebytek nabídky cínu a to i pres nepokoje v oblasti jihovýchodní Asie, která patrí mezi jeho významné producenty. Cín se zacíná ve vetší míre uplatnovat v balící technice v potravinárském prumyslu jako povlaky na ocelích. Nárust spotreby je odhadován na 3 %. Mezi další oblasti využití cínu patrí vývoj nových ložiskových materiálu, ve kterých je olovo nahrazeno cínem. Pájky, které predstavují skoro ¼ celkové spotreby cínu, neprispívají k nárustu spotreby tohoto kovu, prestože produkce elektronického a elektrotechnického prumyslu stále roste. Je to dáno tím, že dochází k celkové miniaturizaci a rozvoji technologie bezpájkového spojování. Prevážná cást svetových zásob cínových rud i jejich težba je soustredena do zemí jihovýchodní Asie, Cína, Malajsie, Indonésie, Thajsko), další zdrojovou oblastí je JižníAmerika, v Evrope je významným producentem Portugalsko. Objem dovozu surového cínu do CR v období byl 4,3 kt v hodnote 748 mil. Kc, vývoz byl 1,3 kt v hodnote 198 mil Kc. Surový neopracovaný cín je do CR dovážen prevážne z Cíny (32%), Indonésie (12%) a Ruska (10%). Dovoz a vývoz cínového odpadu a šrotu je zanedbatelný. Hliník. Hliník patrí mezi nejrozšírenejší neželezné kovy a patrí k nepostradatelným a velmi perspektivním materiálum. Výroba a spotreba hliníku roste ve všech ekonomických vyspelých zemích a prehled o techto vývojových trendech je uveden v tab. 4 Tabulka 4. Prehled o primárních kapacitách, produkci, zásobách a spotrebe hliníku v ekonomicky vyspelých zemích (mil. t.) Table 4. Overview of primary capacities, production, reserves and consumption of aluminium in economically developed countries (mil. t) Sledovaný parametr Období Primární kapacity 16,5 16,92 17,51 17,93 Primární produkce 15,45 16,07 16,43 16,95 Primární zásoby 17,88 18,72 19,13 19,60 Primární spotreba 17,82 19,10 19,07 19,50 Spotreba primárního a sekundárního hliníku v roce 1999 v ekonomicky vyspelých zemích vzrostla o 3,9 %. V samotné Severní Americe dosáhl nárust spotreby hliníku výše 7 %. Celkový svetový rust byl zaznamenán i pres pokles v nekterých významných odvetvích jako je stavebnictví a výroba konstrukcí. Prehled o vývoji spotreby vjednotlivých prumyslových odvetvích nám poskytuje tabulka 5. Mezi významné spotrebitele hliníku patrí výrobci dopravní techniky a zejména pak automobilu.v Severní Americe je prumerne v osobním automobilu 112 kg hliníku a tato tendence se neustále zvyšuje. Má to za následek úspory paliva, ekologictejší provoz a snížení množství CO 2 uvolnovaného do ovzduší. Na tyto aktivity odpovídají automobilky v NSR, Španelsku a Anglii vývojem automobilu s vetším podílem hliníku. Jedná se zejména o bloky motoru, cástí karosérií, konstrukcní cásti, kola apod. Všechny tyto nové tendence vedou k intenzivnímu výzkumu hliníku a jeho slitin a vývoji celé rady slitin se zlepšenými parametry. Krome automobilového prumyslu roste spotreba hliníku pri stavbe železnicních vozu a v letecké technice pri konstrukci letadel. V obalové technice pak hraje významnou roli výroba plechovek na nápoje. V USA predstavuje rocní výroba cca 102 bilionu kusu a tato 6

7 produkce patrí mezi významné a stabilní spotrebitele hliníku. V grafické podobe jsou hodnoty spotreby Al uvedeny na obrázku 2. Tabulka 5. Struktura spotreby hliníku (mil. t.) v letech 1998 a 1999 (odhad) Table 5. Structure of consumption of aluminium (mil. t) in the period 1998 and 1999 (estimate) Ekonomicky vyspelé zeme Sledované období Zmena Stavebnictví a konstrukce 4,908 5,024 2,4 Transportní technika 7,226 7,876 9,0 Zboží dlouhodobé spotreby 1,676 1,725 2,9 Stroje a zarízení 2,488 2,463-1,0 Elektrotechnika 2,335 2,433 4,2 -Plechovky 3,386 3,445 1,8 Ostatní obaly 1,416 1,431 1,0 Ostatní 2,597 2,654 2,2 Prehled spotreby hliníku v letech 1998 a 1999 Mil. t. Al Stavebnictví Transportní zarízení Zboží dlouhodobé... Stroje a zarízení Elektrotechnika Plechovky Ostatní balící tech... Ostatní Obr. 2. Prehled spotreby hliníku dle jednotlivých oblastí Fig. 2. Overview of consumption of aluminium breakdown by individual application fields Mezi nejvetší svetové producenty hliníku patrí USA (16,7 % vroce 1999), Rusko (13,7 %), Kanada (10,5 %), Cína (9,7 %), Austrálie (7,5 %) a Brazílie (5,3 %). Velkým evropským producentem je díky levné elektrické energii Norsko, které zpracovává dovážený Al 2 O 3. Z dováženého Al 2 O 3 je hliník také vyráben na Slovensku. Objem dovozu do CR v letech dosáhl 692 kt v hodnote 34 miliard Kc. Vývoz v tomto období cinil 289 kt v hodnote 13 miliard Kc. Dominantní dovozní zemí bylo Rusko (56 %), dále následovalo Slovensko (13 %) a Nemecko (5 %). Ceský vývoz smeroval do Nemecka (46 %), dále do Rakouska (22 %) a do Polska (9 %). Za sledované období dosáhl dovoz hliníkového odpadu a šrotu 193 kt v hodnote 6,5 miliard Kc, vývoz pak 151 kt 7

8 v hodnote 3,7 miliard Kc. Hliníkový odpad a šrot patrí k nejvýznamnejším položkám ve své podskupine a v rámci celé hodnocené skupiny základních kovu jej lze zaradit mezi velmi významné. Vývoj ceny hliníku z poslední období je na obr. 3. Obr. 3. Vývoj ceny hliníku na burze Fig. 3. Trend of price of Al on the stock market Horcík. Patrí mezi kovy, které budou mít v budoucnosti stále vetší rozsah použití. Mezi nejduležitejší zpusoby použití horcíku patrily v roce 1994 výroba slitin s Al (44 %), výroba odlitku (18 %) a použití pri odsirování (15 %). Velké perspektivy má horcík zejména v automobilovém prumyslu, kde napr. v Japonsku se predpokládal vzrust podílu horcíku na výrobu jednoho automobilu z 1 kg v roce 1989 na 5 kg v roce 1995 a 40 kg v roce To vše vedlo k prognóze, že by svetová spotreba horcíku mela stoupnout na 375 tis. t v roce 2000 a 495 tis. t v roce 2005 [2]. Pokud se podíváme na aktualizované údaje o celkové spotrebe a její strukture, uvedené v tabulce 6, musíme konstatovat, že tyto odhady byly velmi presné. Z tabulky vyplývá, že spotreba horcíku se soustreduje zejména do prípravy hliníkových a horcíkových slitin. Obr. 4. Produkce Mg v Cíne Fig. 4. Production of Mg in China 8

9 K nejvetším svetovým producentum horcíku patrí Cína, USA, Kanada a Rusko.Horcík je do CR dovážen hlavne z Cíny (32 %), dále z Norska (13 %) a z Ruska (10 %). Podobne jako u rady dalších surovin se v posledních letech posiluje role Cíny mezi dovozními zememi (nižší ceny pri zachování dobré kvality). Ceský dovoz vobdobí dosáhl 3,6 kt v hodnote 314 mil. Kc. Ceský vývoz v tomto období dosáhl 792 t a predstavoval hodnotu 194 mil. Kc. Vývoz smeroval do Nemecka (54 %), Slovenska (17 %) a do Velké Británie (10 %) [7]. Vzestup produkce Mg v Cíne dokumentuje obr. 4. Tabulka 6. Celková spotreba a struktura použití horcíku v technické praxi (kt) [8] Table 6. Overall consumption and structure of use of magnesium in technical practice (kt) [8] Oblast spotreby Sledované období Hlavní oblast Al slitiny Slévárenské slitiny Mg Odsírení Mezisoucet Vedlejší oblast Elektrochemie Chemický prumysl Metalotermie Klasické odlévání Tvárené materiály Tvárná litina Ostatní použití Mezisoucet Celkem Titan. Hlavní oblastí použití titanu je výroba titanové beloby, na kterou pripadá 90 % veškerého použitého titanu. Celková rocní produkce predstavovala v roce ,35 milionu tun TiO 2 a mezi nejvýznamnejší producenty patrila Amerika (1,79 mil. t.) a západní Evropa (1,4 mil. t.). Poptávka po titanové hoube se zhroutila v roce Prícinou byly redukované nákupy leteckého prumyslu, který predstavuje 65 % poptávky po kovovém titanu. Podle US Geological Survey spotreba v USA poklesla o 38 % na t. Na pocátku roku 2000 titanový prumysl však vykázal významný rust a to jak v oblasti titanové beloby, tak i titanové houby. Zhruba % z celkové produkce kovového titanu nachází své využití v leteckém prumyslu, predevším jako soucásti motoru, pristávacích zarízení a cástí krídel. K dalším prumyslovým aplikacím patrí výroba výmeníku tepla a výroba sportovního náciní. Díky vysoké korozní odolnosti je titan také používán v lékarství k výrobe implantátu (obr. 5). Perspektivním oborem je rovnež automobilový prumysl. Poptávka po titanu v souvislosti s novými technologiemi dále narustá a v Japonsku se predpokládá do roku 2009 nárust jeho spotreby na dvojnásobek. Titan, výrobky z nej, odpad a šrot byly vobdobí dovezeny do CR v množství 1,2 kt v cene 865 mil. Kc. Vývoz v tomto období predstavoval 407 t v hodnote 89 mil. Kc. Titanové výrobky, tvorící nejvetší cást našeho dovozu, byly dováženy predevším z Japonska (43 %), méne z Nemecka (19 %) a z Francie (10 %) [7]. 9

10 Obr. 5. Príklady využití titanu na implantáty Fig. 5. Examples of utilisation of titanium for implants Težkotavitelné kovy. Mezi duležitou skupinu kovu, které se významne uplatnují v technické praxi, patrí tzv. težkotavitelné kovy jako jsou W, Mo, Nb, Ta, V, a Re. Tyto kovy se z kvantitativního hlediska používají zejména pro modifikaci vlastností ocelí. V menším objemu se pak využívají pro své specifické vlastnosti (vysoká teplota tání, nízká tenze par, tvorba tvrdých karbidu) k príprave speciálních slitin a materiálu. Jedná se o ruzné typy rezných materiálu na bázi karbidu W pro opracování oceli, neželezných kovu, kamene, dreva apod. Dále je W používán pro výrobu soucástek pro vakuovou techniku, mikrovlnovou techniku, žárovky, kontakty a radu aplikací zejména v elektrotechnice. Spotreba techto kovu i nadále poroste a težkotavitelné materiály se budou uplatnovat i v nových oblastech. Odhadovaná spotreba wolframu v jednotlivých oblastech jeho použití pro západní Evropu, Japonsko, USA a Cínu je uvedena v tabulce 7. Celkové požadavky na primární wolfram predstavovaly v roce kt. Z tohoto množství pripadalo na západní Evropu 30 %, 22 % na USA a 13 % na Japonsko. Tabulka 7. Odhad spotreby wolframu ve vybraných oblastech (%) Table 7. Estimated consumption of tungsten in selected application fields (%) Druh materiálu záp. Evropa Japonsko USA Cína Slinuté karbidy Oceli/superslitiny Mlecí materiál Ostatní Wolfram je do CR dovážen zejména z Polska (33%), Nemecka (15%) a z Nizozemí (13%), náš vývoz smeruje do Polska (28%), Rakouska (24%) a do Nemecka (20%). V období bylo dovezeno 1,2 kt wolframu, výrobku z nej, odpadu a šrotu v hodnote 351 mil. Kc a vyvezeno 1,6 kt v hodnote 530 mil. Kc. Dovozní ceny se pohybovaly v rozmezí tis. Kc/t, vývozní mezi 167 a 457 tis. Kc/t [7]. Molybden se z 80 % využívá pro legování oceli a je duležitou legurou v rade slitin s niklem a titanem. Zbytek má pomerne velmi široké spektrum použití jako napr. katalyzátory, pri výrobe barviv a mazadel. Celková svetová produkce molybdenu predstavovala v roce mil. kg a struktura jeho spotreby je uvedena v tabulce 8. Za období bylo do CR dovezeno 1,4 kt molybdenu, výrobku z nej, odpadu a šrotu v hodnote 402 mil. Kc a vyvezeno 133 t v hodnote 109 mil. Kc. Molybden a výrobky 10

11 z nej jsou do CR dováženy prevážne z Nizozemí (63 %), z Nemecka (16 %) a ze Slovenska (10 %). Vývoz smeroval do Nemecka (54 %), Rakouska (9 %) a na Ukrajinu (9 %). Tabulka 8. Množství (mil. kg) a oblasti použití Mo v roce 1999 [9] Table 8. Quantity (mil. kg) and application fields of Mo in the year 1999 [9] Oblast použití 1999 % Výroba oceli Nerez. a žáruvzdorné oceli 36,9 32,7 Nízkolegované oceli 33,9 30,2 Ocelolitina 7,2 6,5 Nástrojová a rychlorezné oceli 6,3 5,6 Superslitiny 4,9 4,4 Mezisoucet 89,2 79,4 Ostatní použití Katalyzátory 9,0 8,1 Kovový Mo 6,3 5,6 Maziva 3,6 3,2 Pigmenty 1,8 1,6 Koroze 1,4 1,2 Polymery 0,9 0,8 Mezisoucet 23,1 20,6 Celkem 112,2 100 Mezi další materiály z této oblasti patrí niob, který se z 87,6 % používá pro výrobu oceli. Jeho další použití spocívá ve speciálních slitinách (Nb-Zr, Nb-Ti, Nb-Cu). Slitiny jsou používány v plynových turbínách a motorech, tepelných výmenících a ruzných variantách chemické technologie. Specifických vlastností slitin Nb-Ti se využívá pri výrobe magnetických rezonátoru, slitiny Nb-Zr jsou významnými nízkoteplotními supravodici. Krome aplikací pri modifikování vlastností oceli a slinutých karbidu se ve velké míre používá jako surovina pro výrobu kondenzátoru. Tato oblast vedla k nárustu spotreby Nb v posledních letech o 15 %. Jedná se o kondenzátory pro elektronický prumysl, osobní pocítace, telekomunikacní techniku, mobilní telefony, elektronický systém pro automobilový prumysl. Rovnež tantal muže sloužit jako príklad dalšího rozvoje aplikací neželezných kovu v technické praxi. Krome klasického materiálového využití se tento materiál zacíná výrazne uplatnovat v oblasti elektrotechniky a elektroniky. Prevážná cást produkce (kolem 60%) je využívána v elektronice, hlavne pro výrobu kondenzátoru. Nejvetší poptávka po techto soucástkách pochází od výrobcu mobilních telefonu a pocítacových sestav. Tantalové komponenty se používají také v automobilovém prumyslu. V období bylo do CR dovezeno 1,2 kt tantalu, výrobku z nej, odpadu a šrotu v hodnote 13,6 miliard Kc, pricemž se z 94% se jednalo o tantal surový, tyce a pruty slinované a prášek. Za stejné období bylo vyvezeno 2,9 kt v hodnote 12,7 miliard Kc ve forme položky výrobky ostatní ztantalu. Tantal je z hlediska zahranicního obchodu razen mezi strategické nejvýznamnejší kovy. Zajímavé je, že se celková hodnota dovozu za sledované období (13,6 miliard Kc) príliš neliší od hodnoty vývozu (12,7 miliard Kc) a ješte zajímavejší je fakt, že jsou tyto cástky podobné, ackoliv objem vývozu byl témer trojnásobný. Naprostá vetšina výmeny probíhala s Velkou Británií (75% dovozu a 95% vývozu) [7]. 11

12 Mezi další velmi zajímavé materiály mužeme zaradit rhenium, jehož odbyt v posledních letech také roste. Mezi unikátní fyzikálne metalurgické vlastnosti Re patrí schopnost v malých množstvích výrazne ovlivnovat vlastnosti težkotavitelných kovu, zejména pak jejich tvaritelnost. V prídavcích 2-3 % zvyšuje tažnost W a Mo až na 50 %. Rhenium má témer 4 x vetší rezistivitu než Mo a W a má rovnež velmi vysoký modul pružnosti. Vetší modul pružnosti má pouze Os a Ir. Dominantní použití rhenia lze i nadále ocekávat v oblasti težkotavitelných kovu a slitin na modifikaci jejich vlastností. Ušlechtilé (drahé) kovy. Do této skupiny kovu radíme zlato, stríbro, platinu, ostatní kovy platinové skupiny (Pd, Rh, Ir, Os, Ru). Tyto kovy se stále ve vetší míre uplatnují v technické praxi, kde se využívá zejména jejich odolnosti proti úcinkum ruzných prostredí zajištující stálost povrchu. Zde se jedná zejména o Au (prípadne Pt, Ir, Os), které je využíváno v elektrotechnice, mikroelektronice, príprave speciálních slitin pro stomatologii apod. U stríbra je v oblasti elektrotechniky dále využívána predevším jeho výborná elektrická vodivost (kontaktní materiály). Dále se u stríbra cca 1/3 spotrebuje na vytvárení fotosenzitivních vrstev (fotografická technika). U platinových kovu se využívá jejich stabilita v ruzných prostredích pro vytvárení odporových materiálu (Pt pece pro tavení skloviny, odporové materiály), termoclánkových materiálu apod. Z hlediska bilance techto kovu v rámci CR v období byla situace následující. Zlato. Zlata surového i ve forme polotovaru a prachu bylo dovezeno v množství kg v cene 3,1 miliardy Kc, vyvezeno v množství kg v cene 4,8 miliardy Kc. Z rozdílu v cenách dovozu a vývozu lze usuzovat, že zlato je v CR zhodnocováno do podoby produktu (šperku). Dovoz byl realizován prevážne z Nemecka (53 %), Itálie (34 %) a Rakouska 4 %). Vývoz smeroval do Nemecka (37 %), Lucemburska (28 %) a na Slovensko 11 %) [10]. Stríbro. Stríbra surového i ve forme polotovaru a prachu bylo dovezeno v množství 507 t v cene 2,7 miliardy Kc, vyvezeno v množství 502 t v cene 3 miliardy Kc. Z rozdílu v cenách dovozu a vývozu lze usuzovat, že stríbro je v CR zhodnocováno stejne jako zlato do podoby produktu (šperku). Dovoz byl realizován prevážne z Nemecka (75 %), Itálie (6 %) a Švýcarska 5 %). Vývoz smeroval do Nemecka (73 %), Švýcarska (11 %) a do Velké Británie 7 %). Platina. Platina ve forme polotovaru byla dovezena v množství 70 t v cene 683 milionu Kc, vyvezena v množství 7 t v cene 1,3 miliardy Kc. Dovoz byl realizován prevážne z Nemecka (97 %) a Velké Británie (1,6 %). Vývoz smeroval na Slovensko (45 %), do Nemecka (23 %) a do Švýcarska (20 %). Paladium. Paladium surové nebo ve forme prachu bylo dovezeno v množství 1,5 t v cene 164 milionu Kc, vyvezeno v množství 1,5 t v cene 372 milionu Kc. Dovoz byl realizován prevážne z Nemecka (66 %) a Ruska (10 %). Vývoz smeroval do Nemecka (55 %), do Velké Británie (28,5 %) a do Švýcarska (16 %). Zisk byl realizován v dusledku pohybu svetových cen. Paladium ve forme polotovaru bylo dovezeno v množství 1,1 t v cene 115 milionu Kc, vyvezeno v množství 1,5 t v cene 154 milionu Kc. Dovoz byl realizován prevážne z Nemecka (37 %) a Slovenska (25 ) a USA (14,6 %). Vývoz smeroval do Velké Británie (42 %,) do Nemecka (31 %) a na Slovensko (18 %) [10]. 4. PERSPEKTIVY VÝROBY NEŽELEZNÝCH KOVU V CESKÉ REPUBLICE Pri hodnocení surovinové základny neželezných kovu v Ceské republice musíme bohužel konstatovat, že v soucasné dobe nemáme perspektivní a ekonomicky zpracovatelnou surovinovou základnu. Ze zásob kovu nacházejících se na našem území stojí za zmínku zásoby uranu, které se vyskytují v Rožince a Hamru. Tyto zásoby však nejsou v dnešní dobe ekonomicky težitelné a zpracovatelné. Dalším kovem, o kterém se v poslední dobe hovorí je zlato, které patrí mezi historicky težené kovy na území Cech. Dnes je otázkou, za jakých 12

13 technických a ekologických podmínek by bylo vhodné zmínené kovy težit. V nedávné minulosti se jednalo o težbu a zpracování polymetalických rud z oblasti Zlatých Hor a Horního Benešova. Z dnešního minimálne celoevropského pohledu se jedná o surovinu, která není ekonomicky zpracovatelná a nedá se ocekávat, že by byla opet zahájena její težba a zpracování. Hliník patrí k nepostradatelným a velmi perspektivním materiálum, bohužel v našem státe neexistují ekonomicky vhodné surovinové zdroje. Z techto duvodu je nutno venovat velkou pozornost problematice získávání hliníku z druhotných surovin, pricemž lze také dosáhnout velkých energetických úspor a ovlivnovat dopady na životní prostredí. O významu a využití horcíku bylo již referováno. I když v CR existují horniny použitelné pro výrobu kovového horcíku, o výrobe zprimárních surovin se neuvažuje. Další z lehkých kovu, který má perspektivní aplikaci je litium. Akumulace litia u nás existují, ale jejich prumyslový význam je malý. Navíc výroba litia je velmi obtížná. Težké neželezné kovy: Jedná se o kovy se strední teplotou tání (Cu, Ni, Co a Mn) a kovy s nízkou teplotou tání (Zn, Cd, Hg, Pb, Bi, Sn, Sb, Ga, In, Tl). Význam Cu, Ni, Pb, Zn byl analyzován výše. Naše situace v možnosti zajištení techto kovu zvlastních surovin nejsou perspektivní a s útlumem rudného hornictví se jeví jako bezpredmetné. Výjimkou v tomto smeru je olovo, které se vyrábí v Kovohutích Príbram recyklací akumulátorového odpadu. Podle [11] bylo v letech 1997, 1998 a 1999 vyrobeno 22, 20 a 21 tis. t olova a spotreba v príslušném období dosahovala 35, 38 a 40 tis. t olova. Ve srovnání s tímto mírne rostoucím trendem jsou spotreby v jednotlivých sledovaných regionech pomerne stabilní, bez významných výkyvu. Jako príklad muže sloužit spotreba olova v Evrope, která ve sledovaném období cinila 1968, 1914 a 1973 tis. t Pb. U medi je situace ješte horší, protože jsme zcela odkázáni na dovoz. Ten predstavuje rocne cca 11 tis. t Cu, bez níž se neobejde náš strojírenský a elektrotechnický prumysl. Tabulka 9. Porovnání spotreby energie na výrobu kovu z rud a koncentrátu [3] Table 9. Comparison of energy consumption for production of metals from ores and concentrates [3] Kov Spotreba energie (kwh. t -1 ) Výroba z rud Zpracování odpadu Úspora energie (kwh. t -1 ) Podíl úspor (%) Ti Mg Al Ni Fe Cu Zn Sn Pb

14 Otázka recyklace medi v rámci CR zustává otevrená. Med ze sberové cesty nelze recyklovat mimo metalurgické rafinacní zpracování. Z uvedených duvodu bude v podmínkách Ceské republiky hrát stále významnejší roli zpracování druhotných surovin neželezných kovu a jejich recyklace. Na kovové odpady je dnes nutno pohlížet nejen jako na duležitý zdroj kovových materiálu, ale také jako na surovinu, která v sobe obsahuje velké množství primární energie (vlastní težba, úprava, tavení a rafinace). Racionální hospodarení s kovovou substancí predstavuje významný zdroj energie v celosvetovém i národním merítku - prehled o potenciálních úsporách energie pri výrobe kovu zprimárních zdroju a sekundárních surovin poskytuje tab. 9. Duležitým aspektem je rovnež skutecnost, že zpracování druhotných surovin prispívá zároven k rešení nekterých dalších ekologických problému, napr. omezením znecištení životního prostredí (odpadají nekteré fáze výroby), snížením množství skladovaných odpadu atd. Z uvedeného vyplývá, že naše domácí surovinové zdroje bud neexistují nebo jsou z hornicko-geologického hlediska nevyhovující. Proto je zcela pochopitelné, že požadované množství neželezných kovu se musí do Ceské republiky dovážet. Celkove bylo do roku 1989 dováženo cca kt (tj. 75 % spotreby) a v dalších letech se tyto dovozy pohybovaly v hodnotách kt / rok. 5. VÝVOJOVÉ TRENDY MODERNÍCH KOVOVÝCH MATERIÁLU (ADVANCED METALLIC MATERIALS AMM) Nové materiály se objevují v technické praxi témer každý den. Skutecne moderní materiály by mely být cílevedome vyrábeny, nemohou to být prírodní materiály, byt práve objevené, u kterých muže být skutecne nové pouze jejich použití. Moderní materiály musí vykazovat významný vzrust funkcních vlastností, prípadne omezení vlastností nevhodných. Z tohoto duvodu musí moderní kovové materiály v sobe integrovat významný podíl vedeckých poznatku, které je zarazují do této kategorie. Na rozdíl od vývoje klasických kovových materiálu, kde vývoj vycházel vetšinou z empirických zkušeností, vývoj soudobých moderních kovových materiálu spocívá na pochopení a aplikaci principiálních procesu, kterými se utvárejí struktury a tím i vlastnosti moderních materiálu [12]. Vysoce funkcní a spolehlivý materiál je základem pro všechny klícové technologie a tím i pro každou moderní spolecnost. Rozvoj techto materiálu vzhledem k vysokému podílu základního výzkumu na jejich vývoji si vyžádá podstatné investice do této oblasti. Ackoliv má podíl kovových materiálu ve spektru moderních materiálu mírne klesající tendenci, budou moderní kovové materiály z duvodu svých následujících specifických charakteristik po dlouhou dobu nezastupitelné: - Ve srovnání s plasty mají kovy vetšinou minimálne o jeden rád vetší modul pružnosti, který vede k výrazne vetší tuhosti kovových soucástek a konstrukcí. - Mají vyšší pevnostní charakteristiky v širokém rozmezí teplot, vedou dobre elektrický proud a teplo, nepodléhají výrazné degradaci vlivem úcinku UV zárení a radiace. - Ve srovnání s keramikou jsou kovy více tvárné a tím i více odolné vuci krehkému porušení, jejich tažnost a spolehlivost pri dlouhodobém provozu je nejvyšší ze všech materiálu. Výborná tvaritelnost kovových materiálu zajištuje nízké výrobní náklady pri jejich zpracování na polotovary. - Kovy patrí mezi materiály s nejlépe rozpracovaným systémem recyklace. Jejich opetovné použití vede k šetrení prírodních zdroju, šetrení energie na jejich výrobu a tím i ke snížení množství odpadu a znecištení spojených s jejich výrobou. Na druhé strane kovové materiály vykazují i nekteré nepríznivé vlastnosti a charakteristiky [12]: 14

15 - Ve srovnání s plasty a keramikou jsou relativne težké. Z tohoto duvodu mohou pouze tzv. lehké kovy ( Al, Mg, Ti a jejich slitiny) zaujímat široké uplatnení ve výrobe lehkých konstrukcí a prvku. Na druhé strane vysoká pevnost, vysoký modul pružnosti a dostatecná tažnost moderních ocelí umožnuje zpracování do tenkostenných profilu, které hrají duležitou roli jako konstrukcní a stavební materiály. - Jiným problémem kovových materiálu je koroze. Ackoliv je tento nedostatek redukován vývojem nových korozi odolnejších slitin nebo volbou vhodných ochranných povlaku, muže hrát koroze v posuzování vhodnosti kovových materiálu významnou roli. - Dalším nedostatkem kovu a materiálu na jejich bázi muže být i možnost spekulace s jejich cenou na burze, což prináší celou radu nejistot do kalkulací ekonomické ceny i výrobku z moderních kovových materiálu, pro které je typický vysoký stupen zhodnocení vstupního materiálu. Pokud srovnáme zájem o další rozvoj voblasti kovových materiálu na bázi neželezných kovu, prípadne keramiky se speciálními vlastnostmi, mužeme sestavit následující poradí: kompozitní materiály s kovovou matricí, superslitiny, titanové slitiny, intermetalické slouceniny, hliníkové slitiny, kovové peny, horcíkové slitiny, magnetické materiály, supravodivé materiály apod. Specifickou oblast tvorí materiály pro elektrotechniku a mikroelektroniku, zejména pak polovodicové materiály, které predstavují technologickou špicku v materiálovém vývoji a výrobe. 5.1 Charakteristika vybraných typu moderních kovových materiálu z oblasti neželezných kovu Kompozity s kovovou matricí Kompozity s kovovou matricí (MMC Metal Matrix Composites) jsou v podstate kovy zpevnené jiným materiálem (fází), který je v základní matrici kovu prítomen ve forme cástic nebo vláken. Tyto zpevnující fáze mohou být kovové (W, ocel aj.) nebo i nekovové (B, C, oxidy, karbidy, nitridy apod.). Príklad lomu ruzných kompozitu na bázi hlíníku je uveden na obr. 6 [13]. (a) (b) Obr. 6. Prírodní kompozitní materiál Al-Al 3 Ni po smerové krystalizaci (a) a umele pripravený MMC Al-ocelový drát (b) Fig. 6. Natural composite material Al-Al 3 Ni after directional crystallisation (a) and artificially prepared MMC Al-steel wire (b) 15

16 K charakteristickým vlastnostem kompozitu patrí výrazne vysoká pevnost, vysoký modul pružnosti, vysoká houževnatost, vysoká mez únavy, vysoká žárupevnost a žáruvzdornost. Výhodou kompozitu je i možnost slucovat vjednom výrobku vlastnosti, které mohou být i protichudné, napr. oteruvzdornost s houževnatostí, vysokou pevnost v tahu s odolností proti korozi apod. Z hlediska aplikace lze zaradit kovové kompozity do trí skupin: - kompozity s velmi vysokými hodnotami mechanických vlastností (pevnost, modul pružnosti, tvrdost apod.) za normálních i zvýšených teplot; - kompozity s vysokou žárupevností a žáruvzdorností a odolností proti tepelné únave za vysokých nebo velmi vysokých (pres 1000 C) teplot; - kompozity se speciálními vlastnostmi, jako je odolnost proti opotrebení, speciální fyzikální vlastnosti (elektrická vodivost apod.). Podle charakteru matrice dnes rozlišujeme následující základní typy kompozitu. Kompozity hliníku a jeho slitin Patrí k nejrozšírenejším kovovým matricím, jako kompozit dosahuje dvojnásobnou pevnost v tahu oproti základnímu materiálu. Krome hliníku se používají jeho slitiny s Cu, Ti, V nebo Si. Jako zpevnující fáze se používá SiC, Al 2 O 3 nebo uhlíková vlákna. Možné príklady morfologie zpevnujících fází jsou na obr. 7 [14]. Obr. 7. Príklady morfologií zpevnujících fází Fig. 7. Examples of morphology of strengthening phases Rovnež se používají vlákna z boru v kombinaci B + SiC a B + B 4 C jako povrchová úprava. Z kompozitu vyztužených vlákny patrí ve svete k nejvýznamnejším slitiny Al s vlákny Be, Zr, V a Cd. Vliv zpevnujících fází na pevnost hliníkových materiálu a srovnání s cistým a legovaným je patrny z obr. 8 [13]. U materiálu typu MMC dochází k pomalejšímu poklesu pevnosti s rostoucí teplotou. Struktura hliníkového kompozitu zpevneného SiC cásticemi je na obr. 9 [15]. Kompozity horcíku a jeho slitin Horcík je lehcí než hliník a je vhodný pro základní matrici kompozitu, nebot dobre smácí zpevnující fáze. Jako zpevnující fáze se uplatnují grafit, SiC a Al 2 O 3. K základním prednostem kompozitu na bázi horcíkových slitin patrí jejich pomerne vysoká merná pevnost. Tyto kompozity predstavují skupinu konstrukcních materiálu, vyznacujících se pomerne 16

17 vysokou pevností a predevším pružností. Zároven si uchovávají nízkou mernou hmotnost, což je predurcuje zejména pro aplikace, kde je zájem o snížení hmotnosti. Obr. 8. Závislost pevnosti ruzných typu hliníkových materiálu na teplote 1-Al; 2- Al, Zn, Mg, Cu 1,5; 3- Al+10 % Al 2 O 3 ; 4-Al+4 % Al 4 C 3 Fig. 8. Dependence of strength of various types of aluminium materials on temperature 1-Al; 2- Al, Zn, Mg, Cu 1.5; 3- Al+10 % Al 2 O 3 ; 4-Al+4 % Al 4 C 3 Obr. 9. Struktura MMC AlSi7/SiC/70 p Obr. 10. Struktura lomové plochy MgLi/C Fig. 9. Structure of MMC AlSi7/SiC/70 Fig. 10. Structure of fracture area of MgLi/C Ve srovnání s hliníkem se jedná až o 33% úspory hmotnosti. Mechanické vlastnosti kompozitu na bázi Mg výrazne závisí na technologii prípravy a kompozity vyrobené technologií práškové metalurgie dosahují hodnot pevnosti v tahu v rozmezí 368 až 428 MPa v závislosti na objemovém podílu a velikosti cástic zpevnující fáze (SiC). Jejich uplatnení se predpokládá predevším v automobilovém prumyslu (cásti motoru, jako hlava válcu ci ventilová jednotka, cásti podvozku apod.). Na obr. 10 je lomová plocha MMC MgLi matrice zpevnené uhlíkovými vlákny [15]. 17

18 Kompozity titanu a jeho slitin Aplikace titanových kompozitu našla prevážné použití vleteckém a raketovém prumyslu. Kompozity mají zajistit zvýšení žárupevnosti titanu za vyšších teplot a dosažení vyšších hodnot pevnosti, modulu pružnosti a tuhosti za teplot normálních. Pracuje se na titanových kompozitech zpevnených cásticemi keramického materiálu. Výhledovým cílem jsou titanové kompozity vyztužené nekovovými vlákny. Predpokládané oblasti použití jsou soucástí turbokompresoru turbinových motoru a konstrukce letadel. Hlavní faktory limitující širší použití MMC jsou [16]: - vysoká cena zpevnujících vláken - stále nedostatecné vlastnosti zpevnujících prvku - komplikovaný a tím i drahý proces výroby - nedostatecná reprodukovatelnost jejich vlastností - znacne komplikované jejich druhotné zpracování - obtížná recyklace - neexistence spolehlivého modelu pro predikci vlastností, simulaci a modelování - konservatismus návrháru. Nejvíce nejasností se soustreduje na interakce mezi kovovou matrici a zpevnující materiál, protože konstituce kompozitu je témer vždy chemicky a fyzicky nekompatibilní. Chemická nekompatibilita vede ke vzniku mezifázových složek s predikovanými vlastnostmi, které obvykle jsou znacne odlišné od vlastností základní matrice. Fyzikální nekompatibilita (vetší rozdíly v modulu pružnosti nebo koeficientu tepelné roztažnosti) vedou ke vzniku nadmerných vnitrních pnutí, která mohou vést k deformaci materiálu nebo k predcasnému lomu za jinak bezpecného zatížení. Na obr. 11 je zachycen vliv tlouštky mezifázového rozhraní na pevnost kompozitu [13]. Vzrust tlouštky prechodové vrstvy mezi matricí a zpevnující fázi vede ke vzrustu pevnosti a po dosažení maxima vede další rust k poklesu pevnosti.to muže vést k degradaci MMC, zejména pri práci za vyšších teplot. Obr. 11 Vliv tlouštky mezivrstvy na pevnost kompozitu Fig. 11. Influence of thicknes of intermediate layer on composite strength Slitiny hliníku Mezi progresivní hliníkové slitiny patrí slitiny hliníku legované lithiem. Tento typ slitin byl vyvinut pro potreby leteckého prumyslu jako odpoved hliníkarského prumyslu na prunik kompozitních materiálu do leteckých konstrukcí (obr. 12). V soucasnosti dostupné 18

19 konstrukcní slitiny hliníku legované lithiem, které jsou v soucasné dobe dostupné, splnují požadavky, jež jsou na ne kladeny. Jsou schopné nahradit stávající konstrukcní slitiny typu AlCuMg a AlZnMgCu, jejich použití je vsoucasné dobe limitováno vyšší cenou. Dále jsou rozvíjeny slitiny legované Zr. Obr. 12. Moderní hliníkové slitiny nacházejí uplatnení hlavne v letecké technice Fig. 12. Modern aluminium alloys are utilised mainly in aeronautical engineering Slitiny a superslitiny niklu Slitiny niklu jsou používány v podmínkách vyžadujících vysokou žárupevnost, žáruvzdornost a korozivzdornost. Superslitiny niklu jsou vakuove tavené slitiny pro podmínky vyžadující od kovových materiálu i znacnou únavovou pevnost za vysokých teplot a odolnost proti vysokoteplotní korozi. Superslitiny niklu jsou obvykle komplexneji legovány slitinovými prvky (Cr, Co, Ti, Al, Mo, W, Ta, Nb, vcetne stopových množství C, B, Zr, Hf a vzácných zemin) oproti korozivzdorným slitinám niklu, které jsou legovány méne prvky, napr. Cu nebo Mo. Svým objemem predstavují jen malou cást spotreby kovových materiálu ve svete, bez nich však nelze rešit materiálové požadavky moderních prumyslových procesu a hnacích agregátu dopravních prostredku. Zvládnutí výroby vysocelegovaných slitin niklu je jedním z merítek technické vyspelosti. Základní trend v rozvoji a aplikaci superslitin na bázi niklu je zameren na zvyšování pracovních teplot techto slitin za soucasného zlepšování mechanických vlastností Slitiny titanu Mezi nejvýznamnejší vlastnosti titanu a jeho slitin patrí vysoký pomer mezi pevností a hmotností a vynikající korozní odolnost. Tyto dve výrazné vlastnosti predurcují i použití titanu a jeho slitin pro konstrukce letadel a raket a jako konstrukcní materiál do korozne nárocných prostredí a do prostredí se zvýšenými teplotami. Titan je urcen pro prostredí, kde i nerezavející ocele a slitiny na bázi niklu selhávají. Ani titan není universální, existuje rada korozních prostredí, ve kterých se neosvedcuje. V soucasné dobe je vývoj titanových slitin zameren na rozvoj? a? slitin, silne stabilizovaných? slitin (pevnost R m = 1100 MPa, R p0,2 = 1000 MPa) a zejména metastabilních? slitin (pevnost v tahu R m = MPa) Materiály se specifickými fyzikálními a fyzikálne metalurgickými vlastnostmi (funkcní materiály) Tvarove pametové materiály. Jev tvarové pameti je znám již nekolik desetiletí a v technické praxi vyspelých prumyslových zemí se materiály s tímto jevem, který poskytuje možnosti zcela neobycejných 19

20 konstrukcí, již také delší dobu využívají. Zájem o jev tvarové pameti byl prevážne akademický až do doby, kdy byl tento jev objeven v intermetalické sloucenine NiTi Buehlerem et. al. v roce 1963?17?. Od té doby byl jev tvarové pameti objeven a studován u celé rady materiálu (Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni, Al-Ni, Cu-Sn, Ag-Cd, Au-Cd, In-Tl, In-Gd, Mn- Cu)?18?. Jedná se o materiály, které radíme mezi tzv. inteligentní materiály, které jsou schopny samostatne a opakovane plnit urcitou funkci. Tento materiál muže na cyklickou zmenu teploty reagovat opakovanou zmenou deformace. Obvykle je dosahováno do 10% vratné deformace. Jsou to slitiny, které si pamatují i po mechanické deformaci geometrický tvar a presné rozmery jim z pocátku udelené. Po zahrátí se v dusledku martenzitické premeny vracejí do puvodního stavu. Zjednodušené schéma tohoto procesu je na obr. 13. Príklady spojovacích a regulacních prvku jsou na obr. 14. Obr. 13. Schéma premen pri jevu tvarové pameti Fig. 13. Scheme of transformation at shape memory effect (a) (b) Obr. 14. Príklady aplikace pametových materiálu pro spojování soucástí (a) a v robotechnice (b) Fig. 14. Examples of application of shape memory materials for connection of components (a) and in robotics (b) V technické praxi se jev tvarové pameti využívá nejcasteji u slitin Ni-Ti, Cu-Zn-Al, Cu-Al a Cu-Sn. K prednostem slitin na bázi Ni-Ti patrí zejména výrazný jev tvarové pameti a vratný tvarove pametový jev, relativne vysoké prehrátí, vysoká strukturní stabilita, príznivé pevnostní charakteristiky, dobrá technologická tvaritelnost, výborná korozní odolnost a 20