PERSPEKTIVY ROZVOJE VÝROBY A POUŽITÍ MATERIÁLŮ NA BÁZI NEŽELEZNÝCH KOVŮ V TECHNICKÉ PRAXI 3. TISÍCILETÍ Miroslav Kursa VŠB TU Ostrava, třída 17. listopadu 17 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 skutečně prvních začátcích vlastního hutnictví, tzn. získávání kovů z jejich sloučenin, víme jen málo a zřejmě budou tyto prvopočátky navždy zahaleny rouškou tisíciletí. Archeologickými vykopávkami je doloženo, že před cca 6000 lety staří Egypťané na Sinaji těžili malachit, který zpracovávali v šachtové peci vysoké 1 metr pomocí dřevěného uhlí a dmýchací trysky. Toto je nejstarší doložený proces získávání kovů. Současným tavením oxidických měděných rud s oxidickými rudami zinku a cínu byly cca před 5000 lety připraveny první cínové bronzy a před cca 4000 lety pak i první mosazi [1]. Postupně byly získávány další kovy, jako olovo, zlato a stříbro, měď. Rafinace zlata jeho oddělováním (zejména od stříbra) pyrometalurgickými postupy byla známá v Egyptě již v období 2000 let př.n.l. Všechny historické postupy získávání kovů a jejich rafinace byly založeny z velké míry na empirických zkušenostech, které byly mnohdy předmětem střežených receptů předávajících se z generace na generaci. Vzhledem k tomu, že byly technologicky zvládnuty jen nízké teploty zpracování (okolo 1100 C), byly vyráběny zejména kovy s nízkou teplotou tání a zpracovávány snadno redukovatelné sloučeniny. Jednalo se zejména o výrobu zlata, stříbra, mědi, olova, antimonu a železa. Vlastní vědecký výzkum si do oblasti metalurgie našel cestu před cca 200 až 250 lety, kdy byly položeny základy analytické chemie. Současně byla objevena řada doposud neznámých prvků, a to v podobě jejich sloučenin nebo v elementární formě. Před cca 120-150 lety byly položeny základy termodynamiky a v jejím důsledku i fyzikální chemie, které umožnily proniknutí metalurgie mezi vědecké disciplíny. Před cca 70 lety založené procesní inženýrství v chemii dobylo nyní i oblast metalurgie - ve spojení s rozvinutou měřící technikou a elektronikou je nyní vývoj v metalurgii směřován ke kontinuálním procesům. Z popsaného hutnictví minulého století vzniklo vědou prostoupené metalurgické inženýrství, na které úzce navazuje materiálové inženýrství, s tradičně významnou rolí kovových materiálů. 2 SPECIFICKÉ RYSY A PERSPEKTIVY HUTNICTVÍ NEŽELEZNÝCH KOVŮ Dodnes přežívající dělení na hutnictví železa a hutnictví neželezných kovů pochází z období před cca 100 lety. Na jedné straně si dominující oblast hutnictví železa vyžádala silně diferencované vzdělání, na druhé straně byli představitelé hutnictví neželezných kovů na - 1 -
přelomu století silně profilované osobnosti, které zastupovaly jen určitou oblast hutnictví. Z odborného hlediska se sice toto dělení jeví jako neopodstatněné, smysl jeho zachování do budoucna je však možno doložit řadou argumentů, které zároveň dokumentují specifický charakter metalurgie neželezných kovů [2]. Zatímco výroba surového železa a oceli je založena téměř výlučně na pyrometalurgických procesech, získávání neželezných kovů je spojeno s podstatně bohatší škálou výrobních postupů, které jsou dány jak širokou paletou surovin, v nichž se neželezné kovy nacházejí, tak různorodými vlastnostmi jednotlivých kovů. Při srovnávání postupů výroby železa a oceli a výroby neželezných kovů je nutno si rovněž uvědomit, že suroviny na výrobu železa jsou na rozdíl od surovin na výrobu neželezných kovů prakticky monometalické.! Při zpracování surovin neželezných kovů se ve velké míře uplatňují hydromatelurgické postupy, které jsou v metalurgii železa a oceli téměř neznámé. U metalurgických procesů tavení rozlišujeme varianty tavení za vzniku sloučenin kovů a tavení za vzniku kovu, které mají řadu dalších alternativ. Významně se zde uplatňují i procesy elektrometalurgické, a to zejména elektrolýza jako technologie získávání kovů z roztoků a tavenin nebo postup rafinace kovů.! O uplatnění materiálů na bázi železa nebo neželezných kovů rozhoduje především jejich schopnost splňovat požadavky na fyzikální, fyzikálně-metalurgické, mechanické, elektrofyzikální a další vlastnosti, a to za přijatelných ekonomických podmínek. Tak jako jsou oceli dominantní v oblasti konstrukčních materiálů, jsou neželezné kovy a materiály na jejich bázi nenahraditelné při aplikacích vyžadujících materiály s nízkou hustotou, nízkou rezistivitou, nízkou nebo na druhé straně vysokou teplotou tání, nízkou hodnotou tenze par, vysokou hodnotou bodu varu apod. Některé skupiny materiálů se vyznačují nízkými a jiné materiály naopak vysokými hodnotami účinného absorpčního průřezu pro tepelné neutrony, významné jsou také materiály se specifickými magnetickými charakteristikami. Možnosti využití specifických vlastností kovů je nutno posuzovat také z hlediska jejich dostupnosti. Celá řada kovů může být efektivně získávána i přes jejich velmi malé zastoupení v zemské kůře (tab. 1), a to zejména vzhledem k následujícím okolnostem:! v přírodě se prvky vyskytují v koncentrované podobě ve formě minerálů,! úpravnické metody poskytují vysokoprocentní koncentráty,! metalurgické postupy výroby a rafinace kovů umožňují na základě fyzikálních a chemických procesů další obohacení až na čistý kov. Surovinová báze neželezných kovů je zatím celosvětově postačující, ale zpracované prognózy se týkají pouze nejbližších 20 let. Jedním z potenciálních zdrojů kovů mohou být také dna světových moří a oceánů, jejich získávání však zatím naráží na ekonomické bariéry [3]. 3 PERSPEKTIVY ZAJIŠTĚNÍ A ROZVOJE VÝROBY NEŽELEZNÝCH KOVŮ V RÁMCI CELOSVĚTOVÉ EKONOMIKY Z řady materiálů publikovaných ve světové literatuře vyplývá, že bude docházet u spotřeby jednotlivých kovů k mírnému ale stálému nárůstu [3]. Dále následují stručné charakteristiky vývoje spotřeby a výroby u jednotlivých vybraných představitelů kovů. Měď. Její použití má stále rostoucí trend. Jak ukazují studie použití mědi, roste její spotřeba především v energetice, na niž připadá cca 72 % spotřebované mědi. Celkové odhady - 2 -
z hlediska celosvětového vyplývají z tabulky 2 z níž je patrné, že v oblasti spotřeby Cu se dá očekávat mírný nárůst. Olovo. Z ekologických důvodů bude tendence jeho spotřebu do budoucna snižovat. K určitému nárůstu může dojít u výroby olověných baterií. Bude to souviset i s tendencemi přecházet na baterie s napětím 36 nebo 42 V, případně na baterie s duálním napětím [4]. Růst jejich výroby se očekává v Evropě a Japonsku. Další oblastí využití Pb je výroba chemikálií, u nichž se také očekává mírný vzestup spotřeby. Zinek. Téměř 200 let komerční produkce Zn řadí tento kov mezi klasické a dospělé materiály. Zinek si udržuje mezi neželeznými kovy dlouhodobě 3. místo a to za hliníkem a mědí. Hlavní oblast použití zinku je v povrchové ochraně ocelových konstrukčních částí a výrobků spotřebního průmyslu. V literatuře se uvádí, že tato spotřeba představuje 52-54 % 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 poměrně široké, ale představují jen několik procent celkové spotřeby. Z dlouhodobého hlediska se předpokládá nárůst těžby zinkových rud a koncentrátů o 7 % a nárůst výroby zinku o 5 %. Trh se zinkem je poměrně stabilní. Tab. 1 Obsah prvků v zemské kůře [1] Koncentrace (hm. %) 100-10 10-1 1-0,1 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 Tab. 2 Odhady těžby, výroby a spotřeby Cu (tis. t.) v celosvětovém měřítku [3] Časové období 1999 2000 2001 Těžba surovin 13870 14207 14584 Výroba Cu 14370 14675 14965 Spotřeba Cu 14193 14757 15308 Nikl. Všechny studie o budoucím použití niklu se shodují, že jeho spotřeba poroste. Odhady ročního nárůstu se pohybují mezi 1,3 až 3,6 %. V roce 1999 však byl zaznamenán nárůst spotřeby Ni o 6 %. Příklady růstu spotřeby Ni ve vyspělých zemích a regionech je uveden v tab. 3. Z této primární spotřeby Ni představuje 2/4 nikl v korozivzdorných ocelích a právě u této spotřeby dochází k trvalému růstu. Mezi další významné oblasti využití niklu patří niklové slitiny a superslitiny. Tento nárůst spotřeby byl dán požadavky leteckého průmyslu a výrobou - 3 -
stacionárních plynových turbín. Dále rostla spotřeba niklu pro výrobu nikl-vodíkových elektrických baterií a to jejich zavedení v roce 1993. Jsou využívány v nových oblastech jako náhrada NiCd baterií, zejména pro mobilní telefony a notebooky. Výhledově se počítá s aplikací těchto baterií pro pohon automobilů. Cín. Na světových trzích je stále přebytek nabídky cínu a to i přes nepokoje v oblasti jihovýchodní Asie, která patří mezi jeho významné producenty. Cín se začíná ve větší míře uplatňovat v balící technice v potravinářském průmyslu a jako povlaky na ocelích. Nárůst spotřeby je odhadován na 3 %. Mezi další oblasti využití cínu patří vývoj nových ložiskových materiálů, ve kterých je olovo nahrazeno cínem. Pájky, které představují skoro ¼ celkové spotřeby cínu nepřispívají k nárůstu spotřeby tohoto kovu, přestože produkce elektronického a elektrotechnického průmyslu stále roste. Je to dáno tím, že dochází k celkové miniaturizaci a rozvoji technologie bezpájkového spojování. Tab. 3 Primární spotřeby Ni v letech 1996 až 1999 (tis. t.) [5] Období Změna 1996 1997 1998 1999 Záp. Evropa 320 360 415 425 + 2,4 Japonsko 190 200 170 183 + 7,6 USA 155 155 155 152 + 1,3 Ostatní 195 235 205 240 +17,1 Celkem 860 950 940 1000 + 6,4 Hliník. Hliník patří mezi nejrozšířenější neželezné kovy a patří k nepostradatelným a velmi perspektivním materiálům. Výroba a spotřeba hliníku roste ve všech ekonomických vyspělých zemích a přehled o těchto vývojových trendech je uveden v tab. 4 Tab. 4 Přehled o primárních kapacitách, produkci, zásobách a spotřebě hliníku v ekonomicky vyspělých zemích (mil. t.) Sledovaný parametr Období 1996 1997 1998 1999 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 spotřeba 17,82 19.10 19,07 19,50 Spotřeba primárního a sekundárního hliníku v roce 1999 v ekonomicky vyspělých zemích vzrostla o 3,9 %. V samotné Severní Americe dosáhl nárůst spotřeby hliníku výše 7 %. Celkový světový růst byl zaznamenán i přes pokles v některých významných odvětvích jako je stavebnictví a výroba konstrukcí. Přehled o vývoji spotřeby v jednotlivých průmyslových odvětvích nám poskytuje tabulka 5. Mezi významné spotřebitele hliníku patří výrobci dopravní techniky a zejména pak automobilů.v Severní Americe je průměrně v osobním automobilu 112 kg hliníku a tato tendence se neustále zvyšuje. Má to za následek úspory paliva, ekologičtější provoz a snížení množství CO 2 uvolňovaného do ovzduší. Na tyto aktivity odpovídají automobilky v NSR, Španělsku a Anglii vývojem automobilu s větším podílem hliníku. Jedná se zejména o bloky - 4 -
motorů, částí karosérií, konstrukční části, kola apod. Všechny tyto nové tendence vedou k intenzivnímu výzkumu hliníku a jeho slitin a vývoji celé řady slitin se zlepšenými parametry. Kromě automobilového průmyslu roste spotřeba hliníku při stavbě železničních vozů a v letecké technice při konstrukci letadel. V obalové technice pak hraje významnou roli výroba plechovek na nápoje. V USA představuje roční výroba cca 102 bilionů kusů a tato produkce patří mezi významné a stabilní spotřebitele hliníku. V grafické podobě jsou hodnoty uvedeny na obrázku 1. Hořčík. Patří mezi kovy, které budou mít v budoucnosti stále větší rozsah použití. Mezi nejdůležitější způsoby použití hořčíku patřily v roce 1994 výroba slitin s Al (44 %), výroba odlitků (18 %) a použití při odsiřování (15 %). Velké perspektivy má hořčík zejména v automobilovém průmyslu, kde např. v Japonsku se předpokládal vzrůst podílu hořčíku na výrobu jednoho automobilu z 1 kg v roce 1989 na 5 kg v roce 1995 a 40 kg v roce 2000. To vše vedlo k prognóze, že by světová spotřeba hořčíku měla stoupnout na 375 tis. t. v roce 2000 a 495 tis. t. v roce 2005 [2]. Pokud se podíváme na aktualizované údaje o celkové spotřebě a její struktuře, uvedené v tabulce 6, musíme konstatovat, že tyto odhady byly velmi přesné. Z tabulky vyplývá, že spotřeba hořčíku se soustřeďuje do hlavní oblasti a to zejména do přípravy hliníkových a hořčíkových slitin. Tab. 5 Struktura spotřeby hliníku (mil. t.) v letech 1998 a 1999 (odhad) Ekonomicky vyspělé země Sledované období Změna 1998 1999 Stavebnictví a konstrukce 4,908 5,024 2,4 Transportní technika 7,226 7,876 9,0 Zboží dlouhodobé spotřeby 1,676 1,725 2,9 Stroje a zařízení 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 Přehled spotřeby hliníku v letech 1998 a 1999 Mil. t. Al 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Stavebnictví Transportní zařízení Zboží dlouhodobé... Stroje a zařízení Elektrotechnika Plechovky Ostatní balící tech... Ostatní 1998 1999 Obr. 1 Přehled spotřeby hliníku dle jednotlivých oblastí - 5 -
Titan. Hlavní oblastí použití titanu je výroba titanové běloby, na kterou připadá 90 % veškerého použitého titanu. Celková roční produkce představovala v roce 1999 4,35 milionů tun TiO 2 a mezi nejvýznamnější producenty patřila Amerika (1,79 mil. t.) a západní Evropa (1,4 mil. t.). Poptávka po titanové houbě se zhroutila v roce 1999. Příčinou byly redukované nákupy leteckého průmyslu, který představuje 65 % poptávky po kovovém titanu. Podle US Geological Survey spotřeba v USA poklesla o 38 % na 17 500 t. Na počátku roku 2000 titanový průmysl však vykázal významný růst a to jak v oblasti titanové běloby, tak i titanové houby. Tab. 6 Celková spotřeba a struktura použití hořčíku v technické praxi (tis. t.) [6] Oblast spotřeby Sledované období 1997 1998 1999 Hlavní oblast Al slitiny 146 100 154 400 159 800 Slévárenské slitiny Mg 95 300 110 100 133 400 Odsíření 47 950 48 200 41 700 Mezisoučet 289 350 312 700 334 900 Vedlejší oblast Elektrochemie 8 900 10 000 11 200 Chemický průmysl 6 700 6 800 5 200 Metalotermie 5 600 4 900 2 400 Klasické odlévání 2 100 2 600 2 000 Tvářené materiály 3 900 4 500 4 100 Tvárná litina 11 300 11 750 8 900 Ostatní použití 6 350 7 500 6 800 Mezisoučet 44 850 47 550 40 600 Celkem 334 200 360 250 375 500 Těžkotavitelné kovy. Mezi důležitou skupinu kovů, které se významně uplatňují v technické praxi patří, tzv. těžkotavitelné 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 karbidů) k přípravě speciálních slitin a materiálů. Jedná se o různé typy řezných materiálů na bázi karbidů W pro opracování oceli, neželezných kovů, kamene, dřeva apod. Dále je W používán pro výrobu součástek pro vakuovou techniku, mikrovlnovou techniku, žárovky, kontakty a řadu aplikací zejména v elektrotechnice. Spotřeba těchto kovů i nadále poroste a těžkotavitelné materiály se budou uplatňovat i v nových oblastech. Odhadovaná spotřeba wolframu v jednotlivých oblastech jeho použití pro západní Evropu, Japonsko, USA a Čínu je uvedena v tabulce 7. Celkové požadavky na primární wolfram představovaly v roce 1999 42 350 tis. t. Z tohoto množství připadalo na západní Evropu 30 %, 22 % na USA a 13 % na Japonsko. Molybden se z 80 % využívá pro legování oceli a zbytek má poměrně velmi široké spektrum použití. Celková světová produkce molybdenu představovala v roce 1999 124 mil. kg a struktura jeho spotřeby je uvedena v tabulce 8. - 6 -
Tab. 7 Odhad spotřeby wolframu ve vybraných oblastech (%) Druh materiálu záp. Evropa Japonsko USA Čína Slinuté karbidy 62 51 60 40 Oceli/superslitiny 24 21 21 48 Mlecí materiál 6 8 15 4 Ostatní 8 20 4 8 Mezi další materiály z této oblasti patří niob, který se z 87,6 % používá pro výrobu oceli. Jeho další použití spočívá ve speciálních slitinách (Nb-Zr, Nb-Ti, Nb-Cu). Slitiny jsou používány v plynových turbínách a motorech, tepelných výměnících a různých variantách chemické technologie. Specifických vlastností slitin Nb-Ti se používá na výrobu magnetických rezonátorů, slitiny Nb-Zr jsou významnými nízkoteplotními supravodiči. Tab. 8 Množství (mil. kg) a oblasti použití Mo v roce 1999 [7] 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 rychlořezné oceli 6,3 5,6 Superslitiny 4,9 4,4 Mezisoučet 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 Mezisoučet 23,1 20,6 Celkem 112,2 100 Kromě aplikací při modifikování vlastnosti oceli a slinutých karbidů se ve velké míře používá jako surovina pro výrobu kondenzátorů. Tato oblast vedla k nárůstu spotřeby Nb v posledních letech o 15 %. Jedná se o kondenzátory pro elektronický průmysl, osobní počítače, telekomunikační techniku, mobilní telefony, elektronický systém pro automobilový průmysl. Rovněž tantal může sloužit jako příklad dalšího rozvoje aplikací neželezných kovů v technické praxi. Kromě klasické materiálového využití se tento materiál začíná výrazně uplatňovat v oblasti elektrotechniky a elektroniky. Mezi další velmi zajímavé materiály můžeme zařadit rhenium, jehož odbyt v posledních letech také roste. Mezi unikátní fyzikálně metalurgické vlastnosti Re patří schopnost v malých množstvích výrazně ovlivňovat vlastnosti těžkotavitelných kovů, zejména pak jejich tvařitelnost. V přídavcích 2-3 % zvyšuje tažnost W a Mo až na 50 %. Rhenium má téměř 4 x větší resistivitu než Mo a W a má rovněž velmi vysoký modul pružnosti. Větší modul - 7 -
pružnosti má pouze Os a Ir. Dominantní použití rhenia lze i nadále očekávat v oblasti těžkotavitelných kovů a sliti na modifikaci jejich vlastností. 3 PERSPEKTIVY VÝROBY NEŽELEZNÝCH KOVŮ V ČESKÉ REPUBLICE Při hodnocení surovinové základny neželezných kovů v České republice musíme bohužel konstatovat, že v současné době nemáme perspektivní a ekonomicky zpracovatelnou surovinovou základnu. Ze zásob kovů nacházejících se na našem území stojí za zmínku zásoby uranu, které se vyskytují v Rožince a Hamru. Tyto zásoby však nejsou v dnešní době ekonomicky těžitelné a zpracovatelné. Dalším kovem, o kterém se v poslední době hovoří je zlato, které patří mezi historicky těžené kovy na území Čech. Dnes je otázkou, za jakých technických a ekologických podmínek by bylo vhodné zmíněné kovy těžit. V nedávné minulosti se jednalo o těžbu a zpracování polymetalických rud z oblasti Zlatých Hor a Horního Benešova. Z dnešního minimálně celoevropského pohledu se jedná o surovinu, která není ekonomicky zpracovatelná a nedá se očekávat, že by byla opět zahájena její těžba a zpracování. Hliník patří k nepostradatelným a velmi perspektivním materiálům, bohužel v našem státě neexistují ekonomicky vhodné surovinové zdroje. Z těchto důvodů je nutno věnovat velkou pozornost problematice získávání hliníku z druhotných surovin, přičemž lze také dosáhnout velkých energetických úspor a ovlivňovat dopady na životní prostředí. O významu a využití hořčíku bylo již referováno. I když v ČR existují horniny použitelné pro výrobu kovového hořčíku, o výrobě z primárních surovin se neuvažuje. Další z lehkých kovů, který má perspektivní aplikaci je litium. Akumulace litia u nás existují, ale jejich průmyslový význam je malý. Navíc výroba litia je velmi obtížná. Těžké neželezné kovy: Jedná se o kovy se střední 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 zajištění těchto kovů z vlastních surovin nejsou perspektivní a s útlumem rudného hornictví se jeví jako bezpředmětné. Výjimkou v tomto směru je olovo, které se vyrábí v Kovohutích Příbram recyklací akumulátorového odpadu. Podle [8] bylo v letech 1997, 1998 a 1999 vyrobeno 22, 20 a 21 tis. t. olova a spotřeba v příslušném období dosahovala 35, 38 a 40 tis. t. olova. Ve srovnání s tímto mírně rostoucím trendem jsou spotřeby v jednotlivých sledovaných regionech poměrně stabilní, bez významných výkyvů. Jako příklad může sloužit spotřeba olova v Evropě, která ve sledovaném období činila 1968, 1914 a 1973 tis. t. Pb. U mědi je situace ještě horší, protože jsme zcela odkázáni na dovoz. Ten představuje ročně cca 11 tis. t. Cu, bez níž se neobejde náš strojírenský a elektrotechnický průmysl. Otázka recyklace mědi v rámci ČR zůstává otevřená poté, co byla ukončena výroba v Kovohutích Krompachy, kde byla tato recyklace doposud zajišťována. Měď ze sběrové cesty nelze recyklovat mimo metalurgického rafinačního zpracování. Z uvedených důvodů bude v podmínkách České republiky hrát stále významnější roli zpracování druhotných surovin neželezných kovů a jejich recyklace. Na kovové odpady je dnes nutno pohlížet nejen jako na důležitý zdroj kovových materiálů, ale také jako na surovinu, která v sobě obsahuje velké množství primární energie (vlastní těžba, úprava, tavení a rafinace). Racionální hospodaření s kovovou substancí představuje významný zdroj energie v celosvětovém i národním měřítku - přehled o potenciálních úsporách energie při výrobě kovů z primárních zdrojů a sekundárních surovin poskytuje tab. 9. Důležitým aspektem je rovněž skutečnost, že zpracování druhotných surovin přispívá zároveň k řešení některých dalších ekologických problémů, např. omezením znečištění - 8 -
životního prostředí (odpadají některé fáze výroby), snížením množství skladovaných odpadů atd. Z uvedeného vyplývá, že naše domácí surovinové zdroje buď neexistují, nebo jsou z hornicko-geologického hlediska nevyhovující. Proto je zcela pochopitelné, že požadované množství neželezných kovů se musí do České republiky dovážet. Celkově bylo do roku 1989 dováženo cca 360-425 kt (tj. 75 % spotřeby) a v dalších letech se tyto dovozy pohybovaly v hodnotách 200-300 kt / rok. 4. VÝVOJOVÉ TRENDY NOVÝCH TYPŮ PERSPEKTIVNÍCH MATERIÁLŮ V posledních třech desetiletích došlo k vývoji rozsáhlé skupiny nových kovových a kov využívajících materiálů, které přispěly k rozvoji elektrotechniky, elektroniky, jaderné energetiky, kosmických technologií, medicíny, spojovací a telekomunikační technologie apod. Tyto materiály si velmi rychle našly cestu ze špičkových výzkumných a vývojových pracovišť do technické praxe. Velkou předností nových materiálů je to, že v mnohých případech jsou vyráběny tzv. na míru pro řešení konkrétních materiálových a fyzikálních problémů. Inovační technologie se zaměřují na zdokonalování klasických konstrukčních materiálů na bázi neželezných kovů a jejich slitin a současně jsou rozvíjeny oblasti zcela nových typů materiálů, jejichž vlastnosti jsou interakcí více složek, které pak po konečném zpracování tvoří funkční celek. Hovoří se o funkčních materiálech (koncentračně gradientní, funkčně gradientní), připadně o složených či kompozitních materiálech. Ve všech těchto typech materiálů hrají a budou hrát neželezné kovy významnou roli. Nemůžeme při těchto úvahách opomenout, že tyto představují cca 84 prvků z celého periodického systému. Nové materiály a jejich aplikace preferuje letecký průmysl, obrana, lékařství, elektrotechnický a elektronický průmysl. Jejich použití je motivováno především nižšími náklady, integrací nových funkcí, jakostí provedení a adaptabilitou na nové funkce. Jako určité překážky dalšího rozvoje materiálových technologií se jeví přílišný výběr materiálů, aplikace nedostatečně vyvinutých materiálů, amortizace stávajícího zařízení a technologie, konzervatismus konstruktérů a uživatelů. Tab. 9 Porovnání spotřeby energie na výrobu kovů z rud a koncentrátů [3] Kov Spotřeba energie (kwh. t -1 ) Úspora energie Výroba z rud Zpracování odpadů (kwh. t -1 ) Podíl úspor (%) Ti 126 000 52 000 74 000 58 Mg 90 000 2 000 88 000 98 Al 65 000 2 000 63 000 97 Ni 44 500 2400 42 1 00 94 Fe 16 000 7 500 8 500 53 Cu 13 500 1 700 11 800 87 Zn 10 000 500 9 500 95 Sn 19 500 500 19 000 97 Pb 9 500 500 9000 95-9 -
Pokud srovnáme zájem o další rozvoj v oblasti kovových materiálů na bázi neželezných kovů, případně keramiky se speciálními vlastnostmi, můžeme sestavit následující pořadí: kompozitní materiály s kovovou matricí, superslitiny, titanové slitiny, intermetalické sloučeniny, hliníkové slitiny, hořčíkové slitiny a magnetické materiály. Specifickou oblast tvoří materiály pro elektrotechniku a mikroelektroniku, zejména pak polovodičové materiály, které představují technologickou špičku v materiálovém vývoji a výrobě. Je možno konstatovat, že všem těmto významným oblastem je v rámci Sympozia E Neželezné kovy a slitiny věnována pozornost a detailní trendy materiálového vývoje a jejich řešení zazní v rámci jednání v jednotlivých sekcích. 4.1 Charakteristika vybraných typů progresivních materiálů z oblasti neželezných kovů 4.1.1 Kompozity s kovovou matricí Kompozity s kovovou matricí (MMC Metal Matrix Composites) jsou v podstatě kovy zpevněné jiným materiálem (fází), který je v základní matrici kovu přítomen ve formě částic nebo vláken. Tyto zpevňující fáze mohou být kovové (W, ocel aj.) nebo i nekovové (B, C, oxidy, karbidy, nitridy apod.). K charakteristickým vlastnostem kompozitů patří výrazně vysoká pevnost, vysoký modul pružnosti, vysoká houževnatost, vysoká mez únavy, vysoká žárupevnost a žáruvzdornost. Výhodou kompozitů je i možnost slučovat v jednom výrobku vlastnosti, které mohou být i protichůdné, např. otěruvzdornost s houževnatostí, vysokou pevnost v tahu s odolností proti korozi apod. Z hlediska aplikace lze zařadit kovové kompozity do tří 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 únavě za vysokých nebo velmi vysokých (přes 1000 C) teplot; - kompozity se speciálními vlastnostmi, jako je odolnost proti opotřebení, speciální fyzikální vlastnosti (elektrická vodivost apod.). Podle charakteru matrice dnes rozlišujeme následující základní typy kompozitů. Kompozity hliníku a jeho slitin Patří k nejrozšířenějším kovovým matricím. Jako kompozit dosahuje dvojnásobnou pevnost v tahu oproti základnímu materiálu. Kromě hliníku se používají jeho slitiny s Cu, Ti, V nebo Si. Jako zpevňující fáze se používá SiC, Al 2 O 3 nebo uhlíková vlákna. Rovněž se používají borová vlákna v kombinaci B + SiC a B + B 4 C jako povrchová úprava. Z kompozitů vyztužených vlákny patří ve světě k nejvýznamnějším slitiny Al s vlákny Be, Zr, V a Cd. Kompozity hořčíku a jeho slitin Hořčík je lehčí než hliník a je vhodný pro základní matrici kompozitů, neboť dobře smáčí zpevňující fáze. Jako zpevňující fáze se uplatňují grafit, SiC a Al 2 O 3. K základním přednostem kompozitů na bázi hořčíkových slitin patří jejich poměrně vysoká měrná pevnost. Tyto kompozity představují skupinu konstrukčních materiálů, vyznačujících se poměrně vysokou pevností a především pružností. Zároveň si uchovávají nízkou měrnou hmotnost, což je předurčuje zejména pro aplikace, kde je zájem o snížení hmotnosti. Ve srovnání s hliníkem se jedná až o 33% úspory hmotnosti. Mechanické vlastnosti kompozitů na bázi Mg výrazně závisí na technologii přípravy a kompozity vyrobené technologií práškové metalurgie dosahují hodnot pevnosti v tahu v rozmezí 368 až 428 MPa v závislosti na objemovém podílu a velikosti částic zpevňující fáze (SiC). Jejich uplatnění se předpokládá především - 10 -
v automobilovém průmyslu (části motorů, jako hlava válců či ventilová jednotka, části podvozků apod.). Kompozity titanu a jeho slitin Aplikace titanových kompozitů našla převážné použití v leteckém a raketovém průmyslu. 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 zpevněných částicemi keramického materiálu. Výhledovým cílem jsou titanové kompozity vyztužené nekovovými vlákny. Předpokládané oblasti použití jsou součásti turbokompresorů turbinových motorů a konstrukce letadel. 4.1.2 Slitiny hliníku Mezi progresivní hliníkové slitiny patří slitiny hliníku legované lithiem. Tento typ slitin byl vyvinut pro potřeby leteckého průmyslu jako odpověď hliníkařského průmyslu na průnik kompozitních materiálů do leteckých konstrukcí. Konstrukční slitiny hliníku legované lithiem, které jsou v současné době dostupné, splňují požadavky, které jsou na ně kladeny. Jsou schopné nahradit stávající konstrukční slitiny typu AlCuMg a AlZnMgCu. Jejich použití je v současné době limitováno vyšší cenou. 4.1.3 Slitiny a superslitiny niklu Slitiny niklu jsou používány v podmínkách vyžadujících vysoké hodnoty žárupevnosti, žáruvzdornosti a korozivzdornosti. Superslitiny niklu jsou vakuově tavené slitiny pro podmínky vyžadující od kovových materiálů i značnou únavovou pevnost za vysokých teplot a odolnost proti vysokoteplotní korozi. Superslitiny niklu jsou obvykle komplexněji legovány slitinovými prvky (Cr, Co, Ti, Al, Mo, W, Ta, Nb, včetně stopových množství C, B, Zr, Hf a vzácných zemin) oproti korozivzdorným slitinám niklu, které jsou legovány méně prvky, např. Cu nebo Mo. Svým objemem představují jen malou část spotřeby kovových materiálů ve světě, bez nich však nelze řešit materiálové požadavky moderních průmyslových procesů a hnacích agregátů dopravních prostředků. Zvládnutí výroby vysocelegovaných slitin niklu je jedním z měřítek technické vyspělosti. Základní trend v rozvoji a aplikaci superslitin na bázi niklu je zaměřen na zvyšování pracovních teplot těchto slitin za současného zlepšování mechanických vlastností při těchto teplotách. 4.1.4 Slitiny titanu Mezi nejvýznamnější vlastnosti titanu a jeho slitin patří vysoký poměr mezi pevností a hmotností a vynikající korozní odolnost. Tyto dvě výrazné vlastnosti předurčují i použití titanu a jeho slitin pro konstrukce letadel a raket a jako konstrukční materiál do korozně náročných prostředí a do prostředí se zvýšenými teplotami. Je určen pro prostředí, kde i nerezavějící ocele a slitiny na bázi niklu selhávají. Ani titan není universální, existuje řada korozních prostředí, ve kterých se neosvědčuje. V současné době je vývoj titanových slitin zaměřen na rozvoj α a β slitin silně β stabilizovaných slitin (pevnost R m = 1100 MPa, R p0,2 = 1000 MPa) a zejména metastabilních β slitin (pevnost v tahu R m = 1140 1380 MPa). 4.1.5 Materiály se specifickými fyzikálními a fyzikálně metalurgickými vlastnostmi Tvarově paměťové materiály. Jedná se o materiály, které řadíme mezi tzv. inteligentní materiály, které jsou schopny samostatně a opakovaně plnit určitou funkci. Tento materiál může na cyklickou změnu teploty reagovat opakovanou změnou deformace. Obvykle je dosahováno do 10% vratné deformace. Jsou to slitiny, které si pamatují i po mechanické deformaci geometrický tvar a přesné - 11 -
rozměry jim z počátku udělené. Po zahřátí se v důsledku martenzitické přeměny vracejí do původního stavu. Ze slitin, které tento jev vykazují, je možno uvést slitiny na bázi Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni a Ti- Ni. Dalšími slitinami s tvarovou pamětí jsou AuCd, AgCd, TiNiCu, CuAlZnMnNi, CuNiAl, TiNiPd apod. Vývoj směřuje k dosažení co nejvyšší životnosti a co nejvyšší vratné deformace a úrovně vratných sil v závislosti na stavu struktury. Využití těchto materiálů je v regulační technice (regulační prvky registrují změnu a současně provádějí odpovídající úkon, jako zapínání a vypínání obvodů, zavírání a otevírání regulačních prvků, kohoutů, klapek apod.). Materiály na bázi Ti-Ni se díky své biokompatibilitě využívají v lékařství při léčení komplikovaných zlomenin. Charakteristickými vlastnostmi slitin s tvarovou pamětí jsou: - značná síla vyvíjená při nabývání původního tvaru, - velký pohyb i při malé teplotní změně, - jednoduché použití (není zapotřebí žádných speciálních nástrojů). Intermetalika. Jedná se o typ materiálů, které svými vlastnostmi leží mezi kovovými a keramickými materiály. Intermetalika vykazují vysokou pevnost, přičemž tato roste až do oblasti 600 C. Vykazují také vysokou hodnotu modulu pružnosti. Jejich stabilita v oblasti vysokých teplot je dána nízkou úrovní difúze. Tyto příznivé vlastnosti intermetalik jsou snižovány nízkou úrovní dosahovaných plastických vlastností [9, 10]. K základním typům intermetalik lze zařadit intermetalika A 3 B. Zde je pozornost věnována zejména materiálům Ni 3 Al (+ Br, Zr), Ti 3 Al, případně dalším intermetalikům ze soustav Ti-Al a Ni-Al (TiAl, NiAl). V poslední době se také zaměřuje pozornost na intermetalikum Fe 3 Al [11]. Magnetické materiály. K nejvýznamnějším magnetickým materiálům patří ferity, slitiny typu Alnico a slitiny vzácných zemin a kobaltu. V poslední době se stávají mimořádně zajímavé materiály na bázi Fe-Nd-B, kovů vzácných zemin a kobaltu, zejména Sm-Co (SmCo 5, Sm 2 Co 17 ) a FeCoNdB, FeCoAlNdB (Mazanec, 1993).Jako technologie přípravy se uplatňuje prášková metalurgie, případně metoda rychlé solidifikace s následnou kompaktací prášků nebo pásků. Vysokoteplotní supravodivé keramické materiály. Škála supravodivé keramiky se v poslední době výrazně rozšiřuje a neustále se zvyšují kritické teploty. K základním typům patří YBa 2 Cu 3 O X (1-2-3). Maximální kritické teploty se pohybují okolo 80 125 K. Kromě základních typů oxidů (Cu, Ba, La, Ba, Sr, Bi, Pb) se v široké škále používají pro modifikaci vlastností lantanoidy. Jedná se pak zejména o Ce, La, Sm, Pr, Nd, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Tm a Yb. LITERATURA [1] PAWLEK, F.Metalhüttenkunde. Berlin 1983, 865 s. [2] KURSA, M.: Význam hutnictví neželezných kovů v oblasti rozvoje nových materiálů a technologií, perspektivy a koncepce výuky této problematiky. VŠB TU Ostrava, 1999, 18 s. [3] SCHEJBAL, C., PALAS, M., HAVELKA, J., DOPITA, M., KUCHAŘ, L., KURSA, M., JELÍNKOVÁ, R.: Nové nerostné suroviny České republiky. Přípravná studie. VŠB TU Ostrava, 1995, 349 s. [4] COOPER, A.: Mining Annual Review 2000. Lead. www.mining-journal.com. [5] HAYES, E. J.: Mining Annual Review 2000. Nickel. www.mining-journal.com. [6] BROWN, B.: Mining Annual Review 2000. Magnesium. www.mining-journal.com. [7] SWEENEY, T.: Mining Annual Review 2000. Molybdenum. www.miningjournal.com. - 12 -
[8] SÝKORA, A.: Mining Annual Review 2000. Czech Republic.www.miningjournal.com. [9] KURSA, M., HYSPECKÁ, L., TYLEČEK, I., DRÁPALA, J.: Vliv složení a krystalizační rychlosti na strukturu a vlastnosti Ni 3 Al. {Influence of composition and crystallization rate on structure and properties of Ni 3 Al}. In New Materials and Technologies. 1995, Ostrava, VŠB TU Ostrava, s. 1 4. [10] KURSA, M., DRÁPALA, J., TYLEČEK, I., KÁRNÍK, T., HYSPECKÁ, L.: Struktura a vlastnosti sloučeniny Ni 3 Al. {Structure and properties of Ni 3 Al}. [11] KRATOCHVÍL, P.: Slitiny na bázi aluminidu železa, základní fyzikálně metalurgické poznatky a konstrukční použití. Hutnické listy, 1997, LII, s. 46 52. - 13 -