1 NEŽELEZNÉ KOVY A JEJICH SLITINY Technické neželezné kovy jsou všechny kovy mimo železa. Neželezné kovy jsou nejen důležitými konstrukčními materiály, ale i surovinami pro výrobu slitinových ocelí a pro povrchové úpravy. Neželezné kovy se získávají nejčastěji ze sirníkových rud, které se nejdříve vhodně upraví drcením a mletím, odstraněním hlušiny popř. odvodněním a sušením. Kov se získá z upravené rudy: Pyrometalurgií (žárovou cestou) - pražení - zbavování síry a vody, spékání a tavení. Musí se provést rafinace. Hydrometalurgií (mokrou cestou) - vyluhováním v kyselinách nebo zásadách. Z výluhu chemicky nebo elektrolýzou. Elektrometalurgií - elektrolýzou taveniny Technicky důležité kovy: Kov hustota (kg/dm 3 Teplota tavení o C Rm (MPa) Měď - Cu 8,94 1083 230 Olovo - Pb 11,34 327 10 Cín - Sn 7,3 232 20 Zinek - Zn 7,14 419 120 Mangan - Mn 7,34 1269 Wolfram - W 19,1 3400 1100 Hliník - Al 2,7 658 270 Hořčík - Mg 1,74 650 170 Titan - Ti 4,5 1665 vytvrz.1150 Čisté kovy Jsou technické čisté kovy s čistotou 99.9 až 99.99%. Nečistoty zvyšují mez kluzu, pevnost v tahu, ale snižují plastičnost. Hodí se proto pouze v některých případech pro konstrukční účely. Vysoce čisté kovy se pro konstrukční účely nehodí. Mají vysokou tvárnost, dobrou elektrickou a tepelnou vodivost a odolnost proti korozi, ale nízkou mez pevnosti v kluzu a tahu. Používají se k výrobě nových slitin a k výrobě polovodičů. Slitiny neželezných kovů Slitiny jsou útvary složené z několika neželezných kovů i prvků nekovových, které tvoří v tuhém stavu soudržný celek. Od chemických sloučenin se liší tím, že vznikají ve vzájemných poměrech nezávislých na atomových hmotnostech. Od směsí se liší tím, že jejich složky lze oddělit jen chemicky. Mají obvykle lepší vlastnosti než kovy, z nichž jsou vyrobeny, proto mají větší technický význam. Tyto vlastnosti lze měnit změnou složení slitin.
2 Vlastnosti a použití slitin Hustota bývá vyšší než by odpovídala poměru hustot jednotlivých složek. Slévatelnost a obrobitelnost je lepší než u čistých kovů. Teplota tavení je obvykle nižší než u jednotlivých složek. Elektrická a tepelná vodivost je nižší než vodivost u jednotlivých složek (čistých kovů). Z chemických vlastností mají tyto kovy oproti ocelím mnohem vyšší odolnost proti korozi. Jsou to jednak vzácné kovy, nebo Pb, Ti, Al, Cu, Zn a jejich slitiny. Použití: při stavbě chemického zařízení a ve spotřebním průmyslu. Mechanické vlastnosti: výrazně odlišné od slitin železa. Např. pevnost při snížených teplotách, nízký součinitel tření (Cu, Pb, Sn). Z technologického hlediska se řada neželezných kovů vyznačuje dobrou tvárností, slévatelností a obrobitelností. Obecně lze při obrábění použít vyšších řezných parametrů než u ocelí. Jejich vlastnosti lze upravovat tepelným zpracováním (u slitin Al a u některých slitin Cu a Ti), vytvrzováním, kalením a popouštěním (bronzy). Výroba slitin Slitiny se připravují míšením v tekutém stavu tak, že se roztaví hlavní základní kov a do něj se přidá další prvek nebo jeho slitina (předslitina), která má mít přibližně stejnou teplotu tavení jako základní kov. K tavení se používají pece elektrické, odporové kelímkové, obloukové, s obloukem nad lázní, nebo indukční. Rozdělení neželezných kovů a slitin Rozdělujeme na dvě velké skupiny: těžké neželezné kovy a jejich slitiny o hustotě nad 5kg/dm 3 lehké neželezné kovy a jejich slitiny o hustotě menší než 5kg/dm 3 Označování neželezných kovů a slitin (ČSN 42 0055) Skládá se ze základního čísla a doplňkového čísla. Základní číslo - šestimístné, označuje druh materiálu a se značkou ČSN je označením jeho normy jakosti. Doplňkové číslo - dvoumístné, 1.číslo -způsob tepelného zpracování. 2.číslo - u odlitků způsob odlévání u tvářených polotovarů stav a jakost vyjádřená dvojčíslím
3 4 2 x x x x. x x Třída norem hutnictví Odlitky:způsob odlév. 3 = těžké kovy Tepelné zpracování 4 = lehké kovy 0 tepelně nezpracovaný 1 žíhaný Sudá čísl. 0,2,4,6,8 = mat.pro tváření 2 neobsazeno Lichá čísl. 1,3,5,7,9 = slévár.slitiny 3 žíhaný na rozpouštění 4 uměle stárnutý Dvojčíslí ze 4. a 5. číslice určuje skup. 5 vytvrzený za studena těžkých nebo lehkých kovů a slitin 6 žíhaný na rozp. a stabil. 7 vytvrzený za tepla Pořadová číslice 8 kalený a popuštěný Tvářené materiály: Dvojčíslí vyjadřuje stav a jakost výrobků Těžké neželezné kovy a jejich slitiny Hlavním těžkým neželezným kovem je měď a její slitiny. Další technické kovy této skupiny jsou: antimon, cín, zinek, kadmium, nikl a olovo. Měď a slitiny mědi Měď má tepelnou a elektrickou vodivost asi 6x vyšší než ocel. Pevnost válcované Cu je asi 215 MPa při tažnosti asi 40%. Tvářením za studena se pevnost zdvojnásobuje, ale klesá tažnost. Obrobitelnost není dobrá, protože se měď maže. Dobře se pájí na tvrdo i na měkko a dá se svařovat.teplota tání mědi je 1 083 C. Dobrá odolnost proti korozi (dobře odolává atmosférickým vlivům a organickým kyselinám). Norma rozděluje měď na : - měď tvářenou - měď slévárenskou Měď tvářená - elektrovodné a konstrukční účely Měď slévárenská - předslitina pro výrobu slitin mědi. Méně se používá pro odlitky, protože špatně vyplňuje formy Slitiny mědi Jsou to bronzy a mosazi. Norma tyto slitiny rozděluje na : - tvářené slitiny - slévárenské slitiny
4 Bronzy Podle způsobu zpracování je rozdělujeme: - bronzy tvářené - bronzy slévárenské Podle hlavního legujícího prvku to jsou: Bronzy cínové - tvoří nejpočetnější skupinu bronzů. Obsahují nejvýše 20%Sn. Slitiny s 8% Sn lze zpracovat tvářením, s více procenty Sn pouze litím. Mají dobrou odolnost proti korozi a velmi dobře odolávají opotřebení. Dodávají se ve tvaru trubek, drátů a plechů. Používají se na pružiny, membrány, součásti v elektrotechnice a chemickém průmyslu a jako trubky pro ložisková pouzdra. Bronzy olověné - slitiny Cu a Pb v množství až 33%, popř. s dalšími kovy, hlavně cínem (cínoolověné bronzy). Typické ložiskové kovy patřící do skupiny slévárenských bronzů. Snesou vysoká namáhání (tlaky >10MPa, obvod. rychlosti do 10m.s -1 ). Bronzy červené - slévárenské bronzy s 3 až 10%Sn a s menším množstvím Pb a Zn. Používají se na armatury pracující s teplou tlakovou vodou a párou, součásti čerpadel a na ložiska obráběcích strojů. Bronzy hliníkové - slévárenské i tvářené. Obsahují 3 až 11%Al. Jsou odolné i proti kyselinám a louhům. Legují se i s dalšími prvky (Fe, Ni, Mn). Z tvářených se vyrábí větší výkovky. Používají se na armatury pro přehřátou páru, výfukové ventily motorů a na vysoce namáhané součásti. Některé se dají kalit a popouštět. Bronzy beryliové - jsou slitiny mědi s 1 až 2% berylia Be. Zpravidla jsou legovány ještě dalšími prvky. Používají se jako tvářené na značně namáhané součásti s požadavkem na vodivost, na pružiny pracující v korozním prostředí, na kuličky korozivzdorných ložisek a na důlní nástroje, které nemají jiskřit. Po vytvrzení mají pevnost až 1350MPa. Bronzy niklové - jsou především materiály odporové. Jsou to slitiny mědi s niklem, manganem a železem (např. konstantan a nikelin), které se používají na regulační odpory, měřící přístroje. Některé jsou dobré proti působení mořské vody a přehřáté páry. Manganové bronzy se používají hlavně na měřící odpory (manganin, isobelin, resistin atd.). Slitiny s více než 10%Mn a 9%Al tvoří pozoruhodné slitiny, tzv. Heuslerovy slitiny. Jsou feromagnetické, aniž obsahují železo. Mosazi Pro technickou praxi mají význam mosazi s obsahem 58%Cu. Slitiny s menším obsahem Cu jsou nepoužitelné pro tvrdost a křehkost. Mosazi s obsahem 75 až 85%Cu nejsou tvárné za tepla. Obsahují-li více než 80%Cu, nazývají se tombaky. Pevnost i tvrdost je závislá na obsahu Cu. Tažnost je maxim. při 70%Cu. Nejlepší slévatelnost je při 60%Cu. Mosazi rozdělujeme na : - mosazi tvářené - mosazi slévárenské
5 Mosazi tvářené - 20 jakostních značek (např. Ms70, Ms57-Al-Mn). Mosazi značek Ms96, Ms90, Ms85, Ms80, tzv. tombaky, se dodávají jako trubky, plechy, dráty. Slouží k výrobě chladičů, loveckých nábojnic a rozbušek, lopatek parních turbín a na výrobu součástí hlubokým tažením. Mosazi Ms68 a Ms63 se používají na lisované součásti v elektrotechnice, pružiny, šrouby do dřeva a na jiné drobné výrobky. Mosazi automatové s přísadou olova jsou mosazi Ms63Pb, Ms60Pb, Ms59Pb, Ms58Pb. Dodávají se hlavně jako tyče, plechy a trubky. Jsou velmi dobře obrobitelné, dají se lisovat, kovat za tepla a razit. Používají se na součásti měřících přístrojů, karburátorů a armatur. Mosazi niklové, cínové a hliníkové jsou speciální mosazi (kvůli svým nejrůznějším vlastnostem). Mosazi slévárenské se označují značkou MsL a číslem značícím střední obsah Cu, nebo označením číselným. Dají se odlévat do písku, kokil, odstředivě i pod tlakem. Norma uvádí 10 značek těchto slitin. Jsou to speciální mosazi, které jsou legovány ještě dalšími prvky. Jsou určeny na více namáhané prvky čerpadel a hydraulických strojů. Lehké neželezné kovy a jejich slitiny Jsou to : Al, Mg, Ti a jejich slitiny. Hliník a jeho slitiny Al je dnes nejpoužívanější lehký kov. Má malou hustotu (2.7kg/dm 3 ), dobrou elektrickou a tepelnou vodivost, dobré mechanické vlastnosti a tvárnost, chemickou odolnost, dobrou slévatelnost a svařitelnost, teplotu tání 660 o C. Druhy hliníku Hliník tvářený - dodává se ve třech jakostech, Al99,85, Al99,5 elektrovodný a Al99,5 pro plátování. Vyrábí se ve tvaru drátů, fólií, tyčí různých profilů a plechů. Hliník hutnický - má větší počet značek čistoty, od 99.7 do 98%Al. Používá se k odlévání odlitků pro elektrotechnickém průmysl i pro strojírenství. Největší množství se spotřebuje na výrobu slitin. Slitiny hliníku - slitiny tvářené - slitiny slévárenské Tvářené hliníkové slitiny Rozdělují se nejčastěji podle chemického složení. Z hlediska vlastností je rozdělujeme na: Slitiny s vysokými mechanickými vlastnostmi (omezená odolnost proti korozi, základní přísad. prvky Cu, Zn). Slitiny se středními mechanickými vlastnostmi (dobrá odolnost proti korozi, základní přísad. prvky Mg, Mn, Si).
6 Slitiny s vysokou pevností Dural - Al-Cu4-Mg - nejrozšířenější skupina. Je to vytvrditelná slitina. V měkkém stavu má pevnost 200 MPa a tažnost 20%, ve vytvrzeném stavu dosahuje pevnosti 400 až 420MPa. Má však malou odolnost proti korozi, proto se plátuje čistým hliníkem v tloušťce asi 5% tloušťky plechu. Dodává se ve tvaru tyčí, profilů a plechů. Hlavní použití: při stavbě letadel a dopravních zařízení. Superdural - Al-Cu4-Mg1. Má vyšší mech. hodnoty,zvýšený obsah Mg. Dosahuje po tváření za studena a po vytvrzení pevnosti 500MPa. Další slitiny typu Al-Cu s vyšší pevností jsou slitiny legované ještě Si, Ni, Zn. Slitiny typu Al-Cu-Ni jsou dobře tvárné za tepla a po vytvrzení mají pevnost až 400MPa. Mají dobré mach. vlastnosti i za vyšších teplot. Používají se na kované písty spal. motorů, ojnic apod. Slitiny typu Al-Zn-Mg dosahují po tepelném zpracování přes 500MPa. Používají se pro vysoce namáhané součásti dopravních zařízení (např. plátovaná slitina Al-Zn6-Mg-Cu). Slitiny s dobrou odolností proti korozi Jsou známy pod názvem Hydronalium. Obsahují 2 až 8%Mg. Dosahují pevnosti až 400MPa. Používají se při stavbě letadel, lodí a v potravinářském a chemickém průmyslu. Na druhém místě v použití slitin této skupiny je slitina Al-Mg-Si zvaná Pantal. V měkkém stavu má pevnost asi 110MPa, po vytvrzení 300MPa. Tváři-li se v tomto stavu, zvýší se pevnost na 420MPa. Používá se při stavbě letadel a vozidel a ve stavebnictví. Slitiny typu Al-Mn Mangan přidaný do Al zvyšuje pevnost až na 200MPa, aniž se sníží jeho korozní odolnost. Používají se pouze v případech, že nestačí pevnost Al (hlavně na nádrže v chemickém průmyslu). Slévárenské hliníkové slitiny Používají se více než tvářené. Hlavní legující prvek je křemík, který působí příznivě na slévatelnost slitin. Jsou označovány společným názvem Silumin. Jsou vytvrditelné, houževnaté, odolné i proti mořské vodě. Špatně se obrábí. Používají se na středně namáhané tenkostěnné odlitky všeho druhu, hlavně v leteckém průmyslu a pro speciální vozidla. Slitiny Al-Si-Cu jsou určeny na velmi namáhané odlitky, na tenkostěnné odlitky ve výrobě motorů (bloky, klikové skříně aj.). Slitiny Al-Si-Mg snesou i nejvyšší namáhání. Používají se na součásti letadel a speciálních vozidel. Slitiny Al-Mg mají dobré vlastnosti v zakaleném stavu. Hodí se pro odlitky nepropouštějící kapaliny a namáhané za vyšších teplot nebo rázy. Slitiny Al-Cu-Ni se používají pro součásti vysoce namáhané i za tepla (písty spal. motorů).
7 Titan a jeho slitiny Titan má podobné vlastnosti jako ocel, ale má menší hustotu (4.5kg/dm 3 ). Nevýhodou je vysoká cena. Dá se zpracovat za tepla při střední teplotě 900 C. Svařuje se elektrickým obloukem i odporem (bodově). Není dobrá obrobitelnost. Zpracovává se na výkovky, vývalky, plechy a dráty. Je to kov nemagnetický. Pevnost rychle klesá se vzrůstající teplotou. Je velmi odolný proti korozi. Odolává všem anorganickým i organickým kyselinám a zředěným alkalickým roztokům. Je důležitým legujícím prvkem oceli. Slitiny titanu mají větší pevnost než čistý kov, zvláště při vyšších teplotách. Legujícími prvky jsou Cr, Mo, W, Al. Slitina Ti-Al6-V4 má po vytvrzení pevnost 1150 MPa. Vzhledem k vysoké odolnosti proti korozi se tyto slitiny používají v chemickém průmyslu. Větší použití je v průmyslu leteckém (při stavbě draků a motorů tam, kde nevyhovují slitiny Al). Speciální slitiny neželezných kovů Jsou to slitiny pro kluzná ložiska a pájky. Pro kluzná ložiska se používá dvou typů slitin - těžkotavitelné a lehko tavitelné slitiny. Kromě těchto slitin jsou slitiny používané výhradně na ložiska. Jsou to tzv. kompozice. Základním kovem je olovo s cínem nebo cín. Slouží k vylévání ložisek pro velké rychlosti a tlaky do 12MPa. Dělíme je na kompozice cínové a olověné. Cínové kompozice obsahují cín, antimon a měď. Olověné kompozice jsou slitiny Pb, Sn, Sb a Cu. Pájky jsou slitiny neželezných kovů. Podle teploty tavení rozdělujeme pájky na měkké s teplotou tavení nižší jak 500 C a tvrdé (nad 500 C). Naše norma rozeznává pájky cínové, hliníkové, mosazné, niklové olověné a stříbrné. Kovové prášky Prášková metalurgie se zabývá výrobou prášků čistých kovů, slitin a kovových sloučenin a jejich zpracováním tlakem a teplem na polotovary nebo hotové výrobky. Materiál se při tepelném zpracování netaví, zůstává ve stavu tuhém. Tento druh technologie se nazývá slinování nebo spékání. Vyrábějí se prášky všech technicky důležitých kovů a jejich slitin, buď mechanicky (drcením, mletím, rozprašováním), nebo chemickou a fyzikálně chemickou redukcí. Zrna prášků musí mít určitou velikost a tvar. Kovové prášky jsou normalizovány. Jsou rozděleny podle chemického složení prášků. Označení jednotlivých jakostí je stejné jako u ocelí, tj. pětimístným číslem a doplňkovou číslicí. První dvojčíslí je 18. Další tři čísla určují blíže materiál prášků, např. železné prášky mají třetí číslo nulu. Doplňková číslice udává druh prášku podle zrnitosti. Číslo normy jakosti je číslo šestimístné a je vytvořeno stejně jako u všech hutních materiálů předřazením značky ČSN a číslicí 4 před číselnou značku. Např. ČSN 41 80XXXX.X. Kovový odpad Odpad železných i neželezných kovů je důležitou surovinou pro hutě a slévárny. Proto je ve strojírenských závodech snaha dodat hutím a slévárnám co největší množství odpadu.
8 Ocelový a litinový odpad Norma ČSN 42 0030 rozeznává různé druhy odpadů. Pro naše potřeby má největší význam tzv. zpracovatelský odpad, který vzniká při zpracování oceli a litiny, např. třísky, odřezky a zmetky při obrábění, lisování aj. Hutě a slévárny požadují jen kvalitní odpad, tj. odpad neznečištěný jinými kovy nebo slitinami. Norma určuje způsob označování odpadu v technických podkladech. Ocelový a litinový odpad se označuje pětimístným číslem, kde první tři číslice vyjadřují třídu odpadu, a čtvrtá a pátá číslice vyjadřuje druh odpadu, jako např. ocelové třísky, drobné výseky apod. XXX Třída XX druh V popisovém poli strojnických výkresů v rubrice třída odpadu se vyplňuje jen třída odpadu. Číslo třídy odpadu se vyhledá v uvedené normě nebo v materiálových listech, případně v technických příručkách. Jsou to čísla 001 až 195 pro ocelový odpad a čísla 211 až 247 pro litinový odpad. Odpad neželezných kovů Na rozdíl od ocelového odpadu se odpad neželezných kovů označuje šestimístným číslem podle ČSN 42 1331. Tři čísla tvoří třídu odpadu a tři druh odpadu. Neželezným kovům přísluší čísla tříd odpadu 311 až 912.