1. Technické materiály Vlastnosti technických materiálů Fyzikální a chemické vlastnosti Mechanické vlastnosti

1.

Technické materiály ........................................................................................................... 3 1.1 Vlastnosti technických materiálů ............................................................................... 3 1.1.1 Fyzikální a chemické vlastnosti ......................................................................... 3 1.1.2 Mechanické vlastnosti ........................................................................................ 4 1.1.3 Technologické vlastnosti.................................................................................... 5 1. Technické železo ................................................................................................................ 6 1.1. Výroba surového železa ............................................................................................. 6 2.2 Výroba oceli ....................................................................................................... 8 2.3 Rozdělení ocelí ......................................................................................................... 10 2.3.1 Značení ocelí .................................................................................................... 11 2.4 Slitiny železa na odlitky ........................................................................................... 13 2.5 Výroba litin .............................................................................................................. 14 2.5.1 Kuplovna .......................................................................................................... 14 2.5.2 Princip tavení v kuplovnách ............................................................................. 15 2.5.3 Rozdělení litiny ................................................................................................ 16 2.6 Neželezné kovy ........................................................................................................ 16 2.6.1 Značení neželezných kovů ............................................................................... 17 2.6.2 Hliník a jeho slitiny .......................................................................................... 17 2.6.3 Hořčík a jeho slitiny ......................................................................................... 18 2.6.4 Měď a její slitiny .............................................................................................. 18 2.7 Prášková metalurgie ................................................................................................. 19 2.7.1 Užití technologie práškové metalurgie............................................................. 19 2.7.2 Výroba prášků .................................................................................................. 20 2.7.3 Lisování prášků ................................................................................................ 20 2.7.4 Spékání (slinování) prášků ............................................................................... 21 2.7.5 Konečná úprava slinutých výlisků ................................................................... 22 2.7.6 Výrobky práškové metalurgie .......................................................................... 22 3. Technické materiály nekovové......................................................................................... 25 3.1 Plasty ........................................................................................................................ 25 3.1.1 Rozdělení plastů ............................................................................................... 25 3.1.2 Zpracování plastů ............................................................................................. 25 3.1.3 Vlastnosti plastů ............................................................................................... 29 3.2 Technická pryž, kůže a textilie................................................................................. 30 3.2.1 Technická pryž ................................................................................................. 30 3.2.2 Technická kůže................................................................................................. 30 3.2.3 Technické textilie ............................................................................................. 30 3.3 Dřevo ........................................................................................................................ 31 3.3.1 Vlastnosti a stavba dřeva.................................................................................. 31 3.3.2 Vlastnosti jednotlivých druhů dřev .................................................................. 33 3.4 Technické sklo a keramika ....................................................................................... 34 3.4.1 Technické sklo.................................................................................................. 34 3.4.2 Technická keramika ......................................................................................... 34 3.5 Brusivo a mazivo...................................................................................................... 35 3.5.1 Mazací prostředky ............................................................................................ 35 3.5.2 Brousící prostředky .......................................................................................... 36 4. Elektrotechnické materiály............................................................................................... 40 4.1 Základní charakteristické vlastnosti ......................................................................... 40 4.2 Vodivé materiály ...................................................................................................... 40 4.2.1 Materiály pro elektrické vodiče ................................................................... 40 4.3 Odporové materiály.................................................................................................. 44

1

4.4 4.5 4.6 4.7 4.8

Materiály pro kontakty ............................................................................................. 45 Magnetické materiály............................................................................................... 48 Izolační materiály..................................................................................................... 49 Polovodičové materiály............................................................................................ 55 Elektrochemická koroze ........................................................................................... 57

2

1.

Technické materiály

Technické materiály jsou všechny materiály, které se vyskytují ve strojírenské nebo jiné výrobě. Mohou se získávat chemickými ději, fyzikálními postupy nebo mohou být přírodní. Technické materiály se mohou dělit na:

Železné kovy – čisté železo se v přírodě téměř nevyskytuje, ale je obsaženo ve sloučeninách – v rudách. Z těchto rud se ve vysoké peci vytavuje surové železo, které se dále zpracovává na ocel nebo litinu. Ocel se od litiny odlišuje množstvím uhlíku a to do 2,14 %C se jedná o ocel (je kujná) a nad 2,14 %C obsahuje litina. Neželezné kovy jsou kovy, které neobsahují železo. Základní dělení neželezných kovů je podle jejich hustoty. Do 5 kg/dm3 se jedná o kovy lehké (hliník, hořčík jejich slitiny apod.) a nad 5 kg/dm3 se jedná o kovy těžké (olovo, měď, cín a jejich slitiny apod.). Mezi ostatní technické materiály řadíme především v poslední době stále více uplatňované plasty, dále sem patří dřevo, sklo, keramika, ale také mazací a chladící prostředky apod.

1.1

Vlastnosti technických materiálů

Technické materiály se posuzují podle svých vlastností. Vlastnosti můžeme rozdělit na fyzikální, chemické, mechanické a technologické.

1.1.1 Fyzikální a chemické vlastnosti Mezi fyzikální vlastnosti technických materiálů patří: 1. Hustota – je to podíl hmotnosti a objemu. Označuje se ρ (ró) a jednotkou je k[g/m3]. m Vypočítá se ρ = , kde m je hmotnost a V objem. V 2. Teplota tavení a teplota tuhnutí – jsou to teplota, při kterých látky mění své skupenství. Vyjadřuje se ve [°C]. Je to důležitá vlastnost z hlediska slévárenství.

3

3. Délková a objemová roztažnost – označuje se α (alfa) – délková roztažnost a γ (gama) – objemová roztažnost. Jednotkou je [K-1] (kelvin na -1). S rostoucí teplotou se kovy roztahují a tato roztažnost nám určuje velikost roztažení. Naopak s klesající teplotou se kovy smršťují. Toto je velmi důležité při odlévání, kdy do formy odléváme kov, který má vysokou teplotu (ocel má teplotu tavení 1 639 °C, tzn. Že licí teplota je vyšší a vychladlý odlitek má teplotu cca 20 °C). Je zde vysoký rozdíl teplot a s tím souvisí i větší změna objemu odlitku při odlití a po vychladnutí. 4. Měrná tepelná kapacita – je to množství tepla, které je potřeba k ohřátí 1 kg látky o 1 K. Obvykle se označuje c a jednotkou je [J/kg].K (joul na kilogram a Kelvin). 5. Tepelná vodivost – je schopnost přenášet tepelnou energii. Ohřejí-li se atomy v jednom místě, zvětší se jejich rozkmit, narážejí do ostatních atomů a tím také zvětšují jejich rozkmit a to se projevuje jako vedení tepla. Tepelná vodivost se značí λ, jednotkou je [W/K] (Watt na Kelvin) a vyjadřuje, kolik tepla projde stěnou za jednotku času, je-li rozdíl teplot mezi vstupní a výstupní plochou stěny 1K. 6. Elektrická vodivost – označuje se G, jednotkou je [S] (Siemens) a vyjadřuje schopnost látky vést elektrický proud. Vodič s odporem 1 Ω má vodivost 1 S. Podle vodivosti se materiály dělí na vodiče a nevodiče a mezi nimi je zvláštní skupina materiálů, které se označují jako polovodiče (vedou proud pouze v jednom směru). 7. Magnetické vlastnosti – zjišťují chování materiálů v magnetickém poli. Podle jejich chování se látky dělí na diamagnetické (zesilují účinek vnějšího magnetického pole – měď, zlato, stříbro, rtuť apod.), paramagnetické (zesilují účinek magnetického pole pouze nepatrně – hliník, platina apod.) a feromagnetické. Feromagnetické látky se dělí ještě na magneticky měkké (snadno se zmagnetizují a po zániku magnetického pole mizí i magnetizace těchto látek) a magneticky tvrdé (ponechávají si magnetické účinky i po zániku vnějšího magnetického pole). Mezi nejvýznamnější chemické vlastnosti patří: 1. Odolnost proti korozi – je to chemická nebo elektrochemická reakce na povrchu kovu, který oxiduje. Oxidace je obecně každá reakce, při které kov ztrácí elektrony. Rychlost koroze se posuzuje hmotnostním úbytkem kovu na 1 cm2 plochy za určitý čas. 2. Žáruvzdornost – je schopnost materiálu odolávat opalu, tj. oxidaci za vyšších teplot. 3. Žárupevnost - je schopnost materiálu odolávat opalu při zachování si určitých mechanických vlastností.

1.1.2 Mechanické vlastnosti Patří mezi rozhodující vlastnosti při návrhu materiálů pro dané výrobky. Lze jimi určit chování materiálů za působení vnějších sil. Mezi mechanické vlastnosti patří: 1. Pevnost – je maximální napětí, které je třeba pro porušení materiálu. Označuje se Rm a jednotkou je Pa (pascal), což je kg/m2. Pevnost se spočítá jako Rm =

F . kde F je S

maximální síla potřebná pro porušení materiálu a S je plocha průřezu. 2. Pružnost – je taková vlastnost materiálu, kdy materiál se působením vnějších sil deformuje a po zániku působení vnějších sil se vrací do původního stavu. 3. Tvrdost – je definována jako odolnost materiálu proti vnikání cizích částic. 4. Houževnatost – je definována jako množství práce potřebné k rozdělení zkušebního vzorku na dvě části.

4

5. Plastičnost ( plasticita) - schopnost trvale se nevratně deformovat účinkem vnější síly. Podle způsobu namáhání rozlišujeme pak různé druhy pevností. Namáhání můžeme mít v tahu, tlaku, ohybu, smyku (střihu) nebo v krutu. Zvláštním druhem namáhání je vzpěr, což je v podstatě kombinace tlaku a ohybu a vyskytuje se u štíhlých a dlouhých součástí.

Obr. 1 Druhy namáhání

1.1.3 Technologické vlastnosti Technologickými vlastnostmi nazýváme obvykle vlastnosti, které nám určují možnosti dalšího zpracování materiálu. Mezi nejdůležitější technologické vlastnosti patří: 1. Svařitelnost – je schopnost materiálu vytvořit ze dvou částí nerozebíratelný celek některým způsobem tavného, tlakového nebo jiného svařování. Obtížná svařitelnost materiálu se projevuje nečistým, málo pevným svarem nebo křehnutím materiálu v okolí svaru. Svařitelnost zkoušíme mnoha způsoby. Zkoušený materiál svaříme tak, jak tomu bude v praxi, a svar sám i jeho okolí podrobíme zkouškám pevnosti, vrubové houževnatosti apod.Na svařování má vliv především svařovaný materiál (jeho chemické složení), dále přídavný materiál, technologie svařování apod. 2. Slévatelnost – je technologická vlastnost, kterou musí mít kov určený k odlévání. 3. Obrobitelnost – je to vlastnost, kdy zjišťujeme chování materiálu při obrábění řeznými nástroji. Obrobitelnost posuzujeme nejen podle mechanických vlastností materiálu, ale i podle snadnosti oddělování třísky, podle chování třísky k materiálu nástroje (ulpívání třísky na nástroji, tvoření nárůstku na ostří apod.) a podle řezného odporu. Zkoušíme ji normalizovaným nástrojem na měřicích suportech při různých rychlostech a konstantních řezných podmínkách. 4. Kovatelnost – je to vlastnost, kdy zjišťujeme kujnost oceli. Na předkované ocelové tyči provedeme zkoušku děrovací, rozšiřovací, rozštěpení a rozkování. Úlohou všech těchto zkoušek je zjistit zpracovatelnost oceli za tepla. Rozsah kujnosti oceli je tím větší, čím vzniknou větší deformace bez vzniku trhlinek. Na dobré kovatelné oceli nesmějí po těchto zkouškách vzniknout na hranách ani plochách žádné trhlinky.

5

5. Zkouška pěchováním za studena – se zjišťuje povrchová čistota polotovaru určeného k výrobě nýtů, hřebíků apod. Materiál vyhovuje, jestliže při zkoušce na pěchovaném vzorku nevznikly trhliny. Dále jsou zde zařazeny zkoušky pro zpracování různých výrobků, např. zkouška rozšiřování trubek, zkouška plechů a pásů hloubením apod.

1. Technické železo Čisté železo je lesklý bílý kov s hustotou 7,84 kg/dm3. Teplota tavení čistého železa je 1539˚C. V přírodě se vyskytuje v železných rudách. Čisté železo se jako materiál téměř nepoužívá, největší význam má jako sloučenina s uhlíkem a dalšími prvky. Uhlík mění podstatně vlastnosti železa. Podle obsahu uhlíku se technická železa rozdělují na kujná a nekujná.

1.1.

Výroba surového železa

Surové železo se vyrábí ve vysokých pecích redukcí železných rud a je výchozí surovinou pro výrobu ocelí nebo litin. Vysoká pec má tvar dvou komolých kuželů postavených na sebe základnami. Horní část pece zvaná šachta je kuželovitá. Nejširší číst pece se nazývá rozpor. Vysoká pec je vysoká okolo 40 m a v nejširším místě má průměr až 12 m. Železné rudy jsou horniny, ve kterých je obsaženo železo ve formě oxidů železa. Pro zpracování ve vysoké peci jsou nejvýznamnější tyto železné rudy:
Magnetovec – obsahuje železo v podobě oxidu železnato-železitého (Fe3O4). Je šedé až černé barvy, je magnetický a patří mezi nejbohatší rudy na železo, obsahuje 40 až 70 % Fe.
Krevel – je v podstatě oxidem železitým (Fe2O3), má červenou barvu a obsahuje 35 až 60% Fe, málo fosforu a manganu.
Hnědel – obsahuje železo ve formě oxidu železa s různým obsahem vody. Obsahuje 30 až 45 % Fe, má hnědou až žlutohnědou barvu.
Ocelek – je to v podstatě uhličitan železnatý (FeCO3), bývá bílé až žluté barvy a obsahuje 25 až 40 % Fe, málo fosforu a manganu. Surové železo se vyrábí ve vysoké peci, kde se dále zpracovávají i další vedlejší produkty železáren například okuje, kovový šrot, svářková struska apod. Pro zvýšení výkonnosti a účinnosti redukčních pochodů ve vysoké peci se musí železné rudy upravovat. Železná ruda se před zavezení do vysoké pece drtí, spéká, praží a zbavuje se hlušiny. Železné ruda se nejprve drtí na zrna o velikosti asi 75 mm. K tomu se používají drtiče čelisťové, kuželové nebo válcové. Součástí těchto drtičů jsou i třídící rošty, kde se nadrcená ruda třídí podle velikosti zrn na kusovou, drobnou a prachovou. Prachová

6

železná ruda se před zpracováním ve vysoké peci musí ještě zpracovat a to spékáním na větší kusy. Prach se spéká při vysoké teplotě bez předchozího slisování. Železné rudy, které jsou chudší na obsah železa se zbavují hlušiny, což jsou částice, které neobsahují železo. Hlušina se odděluje mokrou cestou, což znamená, že se železná ruda pere v tzv. pračkách, kde se hlušina vyplavuje nebo suchou cestou, kde hlušina se od částic s obsahem železa odděluje pomocí magnetického třídiče. Dále se železná ruda praží, čímž se z železné rudy odstraňuje chemicky vázaná voda, oxid uhličitý a části škodlivých příměsí jako je síra, fosfor apod.Ruda se zahřívá v pecích na teplotu 550 až 650 °C za přístupu vzduchu. Pražením ruda ztrácí 25 až 30 % své hmotnosti, přeměňuje se v oxidy, zkypřuje se a stává se pórovitější. Jako palivo se ve vysoké peci používá hutnický koks, který se vyrábí z určitých druhů kamenného uhlí, jehož částečky se spékají ve větší kusy. Koks se vyrábí tzv. vysokopecní karbonizací, což je asi zahřívání při teplotě 1 000 °C bez přístupu vzduchu. Tím se z uhlí oddestilují kapalné a plynné látky a zůstává spečený koks, který obsahuje kolem 90 %C. Vysoká pec, ve které se vyrábí surové železo je vysoká šachtovitá pec, vyzděná žáruvzdornou vyzdívkou. Z vnější strany je chráněna ocelovým pláštěm a ocelovými pásy. Průřez pece bývá kruhový a výška pece dosahuje až 60 m. Vysoké pece pracují kontinuálně (nepřetržitě) po dobu životnosti žáruvzdorné vyzdívky. Vysoká pec se skládá ze sazebny s kychtovým uzávěrem, kudy se zaváží střídavě koks a železná ruda. Kychtový uzávěr slouží k zamezení vznikajícího vysokopecního plynu. Je zde také potrubí, které odvádí vznikající velmi výhřevný vysokopecní plyn.Pod touto sazebnou je největší část vysoké pece – šachta. Šachta je vyzděna šamotovými cihlami. Šachta se směrem dolů rozšiřuje a je zakončena nejširším místem vysoké pece, které se nazývá rozpor. Pod rozporem je umístěno sedlo, které se naopak směrem dolů zužuje. Kolem sedla je umístěn prstenec s vývody do vysoké pece. Jsou to tzv. dmyšny a je jimi dmýchán předehřátý vzduch do vysoké pece, který podporuje hoření. Pod sedlem je umístěna válcovitá část, ve které se shromažďuje roztavené železo. Tato část se nazývá nístěj a je umístěna na podstavě. Do vysoké pece se střídavě zaváží železná ruda a hutnický koks. Železná ruda se do pece zaváží společně se struskotvornými přísadami, které jsou lehčí než železo, plavou na roztaveném železe a chrání jej, aby surové železo mělo požadované chemické složení. Při odpichu vysoké pece se oddělí struska od surového železa. Produkty vysoké pece jsou:
Surové železo – je to sloučenina železa s uhlíkem a dalšími prvky a může být slévárenské nebo ocelárenské.
Vysokopecní plyn – používá se k předehřívání vháněného vzduchu do vysoké pece a dále jako topný plyn pro koksárny, kde probíhá výroba koksu.
Vysokopecní struska – používá se jako stavební materiál.

7

Obr. 2 Vysoká pec

2.2

Výroba oceli

Ocel se získá přetavování surového železa a snižováním obsahu uhlíku. Přetavování se provádí v ocelárnách při teplotách nad 1 600 °C. Při výrobě oceli se do roztaveného surového železa vhání kyslík nebo vzduch obohacený kyslíkem, tím dochází k chemické reakci a surové železo se zbavuje nežádoucích prvků jako jsou síra a fosfor a zároveň dochází ke snižování obsahu uhlíku (pod 2,14 %C). Tento proces se nazývá zkujňování železa. Ocel se vyrábí převážně těchto pecích: 1. Konvertor – princip spočívá v tom, že se do roztaveného surového železa vhání kyslík, který snižuje nežádoucí prvky obsažené v surovém železe. Tato pec nevyžaduje další palivo. Je vybavena naklápěcím zařízením, které umožňuje naklopení při odpichu. Dále mohou být konvertory se šikmou osou nebo s dmýcháním kyslíku shora těsně nad hladinu. Obr. 3 Konvertor

8

kyslík

2. Siemens – Martinské pece – princip výroby spočívá v tom, že surové železo a ocelový odpad se zkujňuje v SM pecích, kde zdrojem tepla jsou především předehřáté plyny. SM pec (obr 3.) se skládá z tavící komory (1), předehřívače plynu (2), předhřívače vzduchu (3) a odtahu spalin (4, 5).

Obr.4 Siemens – Martinská pec 3. Elektrické obloukové pece – zde se vyrábějí velmi kvalitní oceli. Teplo se zde získává hořením elektrického oblouku mezi elektrodami a vsázkou materiálu, čímž dochází k natavování vsázky. Elektrická oblouková pec (obr. 4) se skládá z natavovacích elektrod (1), kde hoří elektrický oblouk mezi nimi a taveninou (2), dále z odpichového žlábku (3) a naklápěcího zařízení, které nám umožňuje odpich vyrobené oceli.

Obr. 5 Elektrická oblouková pec

9

2.3

Rozdělení ocelí

Členění ocelí je možné z několika hledisek, například podle: •

výrobního pochodu rozlišujeme ocel martinskou, elektroocel, kyslíkovou ocel,

•

účelu použití máme ocel konstrukční a nástrojovou,

•

zpracování máme ocel k tváření a na odlitky,

•

chemického složení (legovanou).

máme

ocel

uhlíkovou

(nelegovanou)

nebo

slitinovou

Oceli se dělí podle chemického složení na oceli uhlíkové a slitinové (legované). Legování je přidávání různých prvků, za účelem získání požadovaných vlastností dané oceli. Uhlíková ocel je slitina železa s uhlíkem, jehož je méně než 2,14%. Má obvyklý obsah doprovodných prvků bez úmyslného přidávání dalších prvků. Vlastnosti této oceli jsou dány především obsahem uhlíku. Doprovodné prvky jsou především mangan (do 0,9%), křemík, nikl (do 0,5%), chrom (do 0,3%), wolfram, kobalt (do 0,2%), molybden, vanad, titan, hliník (do 0,1%). Slitinové oceli mají pro zlepšení svých vlastností úmyslně přidané prvky např. chrom, wolfram, vanad, nikl, molybden apod. a to nad hranici uvedenou výše. Tyto prvky pak upravují dále některé vlastnosti těchto ocelí.

Obr. 6 Rozdělení ocelí Podle účelu se oceli rozdělují na dva základní druhy a to: 1. Konstrukční oceli – používají se na stavební i strojní součásti, které musí být pevné, dostatečně houževnaté a odolné proti různým druhům namáhání, otřesům, rázům apod. Mohou být buď nelegované (oceli třídy 10, 11, 12) nebo legované (oceli třídy 13, 14, 15, 16, 17). 2. Nástrojové oceli – oceli třídy 19 jsou také buď nelegované nebo legované a používají se především pro výrobu nástrojů. Musí splňovat požadavky kladené na nástroje a to jak ruční, tak i strojní.

10

2.3.1 Značení ocelí Oceli se značí podle ČSN číselnou značkou. Základní značka je pětimístné číslo, k němuž se mohou po oddělení tečkou přidat dvě doplňkové číslice. První číslice je vždy 1 a vyjadřuje, že se jedná o ocel k tváření. Schéma značení ocelí k tváření je uvedeno na obr. 7.

Obr. 7 Schéma číselného značení ocelí k tváření Značení ocelí třídy 10 – základní značka:

Značení ocelí třídy 11 – základní značka:

11

Značení ocelí třídy 12 až 16 – základní značka:

Třetí číslice udává u ušlechtilých uhlíkových a nízkolegovaných ocelí součet průměrného obsahu přísad jednotlivých přísadových prvků kromě uhlíku v procentech zaokrouhlený na celé číslo. U ocelí třídy 12 (jsou uhlíkové) je tedy třetí číslice 0. Čtvrtá číslice udává průměrný obsah uhlíku v desetinách procent, je-li obsah uhlíku větší než 0,9%, je čtvrtá číslice 0. Oceli třídy 17 jsou oceli vysokolegované. Třetí číslice udává přísadovou skupinu, např. číslo 2 značí, že se jedná o oceli chrómniklové. Čtvrtá číslice vyjadřuje obsah přísadových prvků. Pátá číslice je pořadová. 17 0xx

oceli chromové

17 1xx

oceli chromové s dalšími přísadovými prvky (Al, Mo, Ni)

17 2xx

oceli chromniklové, případně stabilizované Ti, Nb

17 3xx

oceli chromniklové, případně stabilizované Ti, Nb s dalšími přísadovými prvky Mo, V, W,…

17 4xx

oceli manganochromové a manganochromniklové

17 5xx

oceli niklové

17 6xx

oceli manganové

17 7xx, 17 8xx, 17 9xx

volné

Oceli třídy 19 – u této třídy rozlišujeme oceli uhlíkové a legované. Legované dále mohou být nízkolegované, střednělegované a vysokolegované. Slitinové přísady dávají ocelím určité vlastnosti. Základní značení je na obr. 8.

12

Obr. 8 značení ocelí třídy 19 Nástrojové uhlíkové oceli – obsah uhlíku je podle požadované pevnosti oceli a pohybuje se od 0,5 do 1,5 %C. Kalením se u těchto ocelí dosahuje vysoké tvrdosti. Kalení se provádí ve vrstvě 2 až 3 mm, jádro zůstává houževnaté. To je výhoda proti ocelím slitinovým, kde přidáním určitých prvků se sice zvyšuje tvrdost oceli, ale zároveň je ocel křehká. Nástrojové oceli nízkolegované – obsahují obvykle karbidotvorné prvky např. Cr nebo W a to kolem 1 až 2 %. Tyto prvky vytvářejí sloučením s C karbidy, které zvyšují řezivost oceli. Jako karbidotvorné prvky se mohou dále použít Mn, Si apod. Pro zjemnění zrna se přidává do oceli 0,5% vanadu. Vysokolegované oceli obsahují kolem 10 % slitinových prvků, někdy i více. Slitinové přísady odpovídají požadovaným vlastnostem.

2.4

Slitiny železa na odlitky

Slitiny železa na odlitky se dělí slitin železa na odlitky: -

především podle vylučování uhlíku. Jedná se o tyto druhy temperovaná litina tvárná litina ocel na odlitky šedá litina

Slitiny železa na odlitky se značí šestimístnou základní značkou a případně dvěma doplňkovými číslicemi. První dvojčíslí je vždy 42 a značí třídu norem – hutnictví. Druhé dvojčíslí určuje druh slitiny železa na odlitky dle obr. 9.

Obr. 9 Značení slitin na odlitky

13

Třetí dvojčíslí slitiny určuje přesněji vlastnosti slitin železa na odlitky a to: •

u nelegované šedé litiny, u litiny temperované, u nelegované tvárné litiny a u uhlíkové oceli na odlitky udává přibližnou pevnost v tahu v 10 MPa

•

u ostatních slitin železa na odlitky charakterizuje typ slitiny , zejména vlastnosti a chemické složení.

První doplňková číslice za tečkou označuje stav slitiny – tepelné zpracování – viz tab. 1. První doplňková číslice za číselnou značkou

Konečný stav oceli – druh tepelného zpracování

1x xxx.0

tepelně nezpracovaný

1x xxx.1

normalizačně žíhaný

1x xxx.2

žíhaný s uvedením druhu žíhání

1x xxx.3

žíhaný na měkko

1x xxx.4

kalený nebo kalený a nízko popouštěný

1x xxx.5

normalizačně žíhaný a popouštěný

1x xxx.6

zušlechtěný na dolní pevnost obvyklou u příslušné oceli

1x xxx.7

zušlechtěný na střední pevnost obvyklou u příslušné oceli

1x xxx.8

zušlechtěný na horní pevnost obvyklou u příslušné oceli

1x xxx.9

Stavy po tepelném zpracování, které nelze označit čísly 1 až 8

Tab. 1 Význam první doplňkové číslice za číselnou značkou oceli Druhá doplňková číslice určuje technologii odlévání a to: 0 – do pískových forem 1 – staticky do kovových forem (kokil) 2 – odstředivé lití 3 – skořepinové lití 4 – přesné lití 5 – podle zvláštních ujednání

2.5

Výroba litin

2.5.1 Kuplovna Litina je sloučenina železa s uhlíkem a dalšími prvky, kde obsah uhlíku je větší než 2,14%. Svými vlastnostmi jsou litiny vhodné pro výrobu odlitků. Litina se vyrábí ve zvláštních pecích – kuplovnách (obr. 10). Kuplovna se skládá z komínu (1), ve kterém je umístěn lapač popílku, dále jsou zde zavážecí dvířka (2) pro zavážení vsázky po zavážecí plošině (3). Pod zavážecím prostorem je šachta (4), ve spodní části šachty se nachází větrovod (5) a trysky (6). Z šachta se natavená litina dostává do tzv. předpecí (7) a odtud se provádí odpich po odpichovém kanálku (8).

14

Obr. 10 Kuplovna Podle vyloučení uhlíku rozlišujeme litinu bílou, šedou, tvárnou, temperovanou a tvrzenou. Šedou litinu lze vyrábět téměř ve všech ocelárenských pecích, ale v současné době se vyrábí v kuplovnách. Pro výrobu šedé litiny se používají tyto základní suroviny: - kovová vsázka, palivo a struskotvorné přísady (tavidla). Kovová vsázka je tvořena především surovým železem slévárenským, dále s epoužívá litinový odpad a to především pro zlevnění výroby a ocelový odpad (šrot), který se přidává do litiny za účelem snížení obsahu uhlíku. Abychom získali litinu požadovaných vlastností a chemického složení, je nutné míšení jednotlivých druhů kovové vsázky – druhování. Prvky, které ve vsázce chybí, se do litin doplňují pomocí různých feroslitin. Palivem v kuplovnách je slévárenský koks, který má na rozdíl od vysokopecního koksu větší čistotu. Struskotvorné přísady mají význam při výrobě litin ten, že upravují tekutost a složení strusky, která při tavení litiny vzniká ze vsázky a z vyzdívky pece.

2.5.2 Princip tavení v kuplovnách Na dno kuplovny se zavážecím otvorem nasype vrstva základového koksu, a to do výšky asi 1 – 1,3 m nad úroveň dmyšen. Po zapálení a dobrém rozhoření se do šachty nasypává vsázkovým otvorem vsázka složená střídavě z kovové vsázky vsázkového koksu se struskotvornými přísadami. Dmyšnami se do šachty přivádí spalovací vzduch, který podporuje hoření. Vzniklé spaliny o vysoké teplotě proudí vsázkou do komína a předávají ji své teplo. Kovová vsázka i struskotvorné přísady se postupně předehřívají, taví a vzniklé kapičky taveného kovu a strusky prokapávají rozžhaveným koksem a shromažďují se v nístěji kuplovny.

15

Tavba litiny v kuplovně se ukončuje tak, že se roztaví všechna kovová vsázka, roztavená litina a struska se odpichovými otvory vypustí a otevře se kovové dno kuplovny.

2.5.3 Rozdělení litiny Šedá litina je pro své dobré vlastnosti a jednoduchou výrobu nejrozšířenější slévárenskou litinou. Má dobrou zabíhavost, malé smrštění (1%), nízkou teplotu tavení (asi 1 250ºC), a tím i nízkou teplotu lití, která neklade zvláštní požadavky na formovací směsi a umožňuje hladký povrch odlitků. Šedá litina se skládá ze základní kovové hmoty, prostoupené četnými lupínky grafitu, který tím porušuje strukturu. Má proto menší hodnoty mechanických vlastností než ocel a nedá se tvářet. Obsahuje přibližně 2,8 až 3,ř % uhlíku a 1,5 až 2,5 % křemíku, který má rozhodující vliv na vylučování uhlíku. Na vlastnosti litiny působí i uspořádání grafitových lupínků. Čím jsou lupínky jemnější, tím kvalitnější je litina. Na velikost grafitových lupínků má podstatný vliv rychlost chladnutí litiny. Tenkostěnné odlitky chladnou rychleji než odlitky silnostěnné a lupínky vyloučeného grafitu jsou jemnější. Nalije se šedá litina do kovové formy, dojde rychle k vytvrzení povrchu odlitku, uhlík je ne povrchu vázán jako Fe3C, tzn. Že na povrchu je litina ve struktuře bílé a uvnitř odlitku je litina šedá. Této litině se pak říká litina tvrzená. V současné době se používají tzv. očkované litiny. Do roztavené litiny s nižším obsahem uhlíku se těsně před litím přidává určité množství tzv. očkovadel (např. ferosilicium), které podporují grafitizaci a zjemňují strukturu litiny. Očkovaná látka je pak méně náchylná na rychlost tuhnutí litiny a proto lze očkovadla používat jak pro velké odlitky, tak i pro odlitky tenkostěnné. Tvárná litina je litina, která se stále více využívá a jedná se o litinu s kuličkovým grafitem. K očkování těchto litin se používají speciální pánve a očkování se provádí pomocí hořčíkových slitin s niklem nebo s mědí, ferosiliciem. Natavená litina se nejprve odsiřuje speciálními přísadami v pánvích a teprve potom se očkuje hořčíkem za zvýšeného tlaku v autoklávu. Po očkování hořčíkem se ještě očkuje ferosiliciem, aby se zabránilo vzniku bílé litiny v rychletuhnoucích částech odlitku. Po odlití je základní kovová hmota perlitická, v níž je jemný zrnitý grafit v podobě kuliček, které strukturun základní hmoty neporušují tak, jako lupínkový grafit. Temperovaná litina se získává žíháním odlitků z bílé litiny. Bílá litina je vlivem uhlíku vyloučeného jako cementit velmi tvrdá, křehká a obrobitelná pouze broušením. Bílá litina se používá pouze na mlecí tělesa, desky, rošty a hlavní význam má pro zpracování na litinu temperovanou. Žíhání spočívá v ohřevu odlitku z bílé litiny na teplotu 900 až 1000ºC bez přístupu vzduchu. Při této teplotě dochází k rozpadu cementitu a z křehké bílé litiny se stává litina houževnatá, snadno obrobitelná.

2.6

Neželezné kovy

Neželezné kovy jsou kovy, které neobsahují železo. Čisté se v praxi využívají vyjímečně, častěji se používají jako slitiny. Neželezné kovy lze rozdělit podle jejich vlastností. 1. Podle hustoty se dělí na lehké a těžké. Mezní hranice je 5 kg/dm3.

16

Mezi lehké kovy patří např. hořčík, hliník a jejich slitiny, ale také sem patří např. titan, berylium apod. Těžké kovy jsou např. měď, nikl, cín a jejich slitiny, ale také zlato, stříbro, platina apod. 2. Podle teploty tavení se dělí na vysokotavitelné a nízkotavitelné. Mezi vysokotavitelné kovy patří wolfram, molybden, tantal apod. Mezi nízkotavitelné kovy patří zinek, cín olovo apod. 3. Podle elektrické vodivosti se kovy dělí na vodiče, izolanty a polovodiče.

Značení neželezných kovů Číselné značení neželezných kovů vychází z ČSN:

Obr. 11 Značení neželezných kovů

2.6.2 Hliník a jeho slitiny Hliník má chemickou značku Al a je nejrozšířenějším kovem v přírodě. Čistý hliník se v přírodě nevyskytuje, vyskytuje se pouze ve sloučeninách, ze kterých se získává. Hliník se vyrábí z bauxitu a to ve dvou fázích. Nejprve se chemickou cestou z bauxitu získá čistý oxid hlinitý Al2O3 a z něho se pak elektrolýzou vyrobí hliník o čistotě asi 99,5% (může se získat i hliník o čistotě 99,8%). Tento hliník se odlévá do tvaru housek, bloků, ingotů nebo desek. Hustota hliníku je 2,7 kg/dm3, smrštění při tuhnutí je 1,7%, teplota tavení 660 ºC. Pevnost v tahu je asi 40 až 70 MPa, tvrdost 15 až 23 HB. Čistý hliník má omezenou slévatelnost, dobrou hájitelnost a velmi dobrou odolnost proti korozi a povětrnostním vlivům. Obrobitelnost hliníku je špatná, neboť se maže. Nejčastěji se používají slitiny hliníku. Nejrozšířenější tvářenou hliníkovou slitinou je dural (Al Cu4 Mg – číselné značení 42 4201). Používá se jako konstrukční materiál při stavbě letadel, kolejových vozidel, automobilů apod. Požadujeme-li větší pevnost, používá se dural s vyšším obsahem hořčíku. Jedná se pak o superdural (Al Cu4 Mg1 – číselné značení 42 4203).

17

Z konstrukčních tvářených vytvrzovaných slitin má největší pevnost slitina Al Zn6 Mg Cu – číselné značení 42 4222. Hliníkové slitiny slévárenské se zpracovávají litím do pískových forem, kokil a odléváním na licích strojích, např. pod tlakem, apod. Slitiny hliníku s mědí se používají s obsahem mědi 8 až 13 %. Měď zvyšuje slévatelnost slitin, pevnost, tažnost a tvrdost. Velmi používanou slévárenskou slitinou je silumin, což je slitina Al Si13 – číselné značení 42 4330, taví se při teplotě 577 ºC. Těsně před litím je třeba slitinu očkovat 0,1 % kovového sodíku, aby se zjemnila struktura a odlitek nebyl křehký. Zlepšení mechanických vlastností siluminu se dosáhne přísadou hořčíku, který umožní vytvrzování slitiny. Tato slitina se používá na skříně leteckých a vznětových motorů, součásti v automobilovém a leteckém průmyslu apod.

2.6.3 Hořčík a jeho slitiny Hořčík je stříbrobílý až šedý kov, tažný, slévatelný, v suchém prostředí stálý, ve vlhkém prostředí se pokrývá vrstvou oxidu. Snadno podléhá chemickým vlivům. Vyznačuje se snadnou zápalností a slučivostí s kyslíkem. Teplota tavení je 650 ºC, hoří oslnivě bílým plamenem. Slitiny hořčíku patří mezi nejlehčí slitiny neželezných kovů. Nejznámější hořčíkovou slitinou je elektron (slitina hořčíku se 4 až 11 % Al, 1,5% Zn a 0,5 % Mn, s malým množstvím Si. Elektron se používá jak k tváření, tak i k výrobě odlitků litím do pískových forem, kokil a k tlakovému lití na slévacích strojích. Pevnost těchto slitin je až 300 MPa. Smrštění je 1,4 %. Elektron se velmi dobře obrábí, ale při zahřátí se snadno vzněcuje. Ochranu proti korozi lze zvýšit mořením, chromátováním nebo lakováním.

2.6.4 Měď a její slitiny Měď se vyrábí ze sirných rud – sulfidů. Měď se zpracovává hlavně tvářením nad teplotou 650 ºC. Při odlévání se z mědi uvolňují plyny, takže odlitek je pórovitý. Měď také špatně teče a tím i špatně vyplňuje formu. Měď má hustotu 8,96 kg/dm3, teplotu tavení 1 083 ºC, pevnost 220 MPa a tvrdost 50 HB. Obrábí se špatně, neboť se maže. Lze ji dobře pájet a svařovat. Slitiny mědi se v podstatě rozdělují do dvou hlavních skupin a to: 1. bronzy – slitiny mědi s cínem a jinými kovy, 2. mosazi – slitiny mědi se zinkem.

Bronzy jsou především čisté slitiny mědi s cínem, nebo s jinými kovy, např. s hliníkem, křemíkem, niklem, olovem apod. Podle toho se pak označují jako bronzy cínové, hliníkové atd. Cínové bronzy se používají k tváření i odlévání. Tvářením lze zpracovat jen čistou slitinu mědi s maximálně 8 % cínu. Vyšší obsah cínu mají bronzy lité. Nejběžnější jsou bronzy s 10 až 14 % cínu a používají se na odlitky armatur a ložiska, bronz s obsahem 20 % cínu je vhodný na součásti, které jsou vystaveny otěru. Při tavení je nutno chránit bronz před oxidací.

18

Hliníkové bronzy jsou slitiny mědi se 4 až 12 % hliníku a popřípadě s dalšími prvky. Přísada hliníku zvyšuje pevnost a tvrdost bronzu. Je to slitina pevná, tvárná i slévatelná, odolná proti opotřebení, nárazům a chemickým vlivům. Mosazi jsou slitiny mědi a zinku. S 10 až 20 % zinku je slitina velmi dobře tvárná a zpracovává se na plechy, dráty apod. Mosaz s 28 až 35 % zinku je pevná a dobře tvárná i za studena, odolná proti korozi a proto se používá na lopatky turbín, lodích strojů apod. Pro zlepšení obrobitelnosti se do bronzů přidává asi 1 % olova. Mosazi k odlévání obsahují 63 až 67 % mědi, 1 až 3 % olova a zbytek je zinek. Smrštění je až 2 %. Tyto mosazi se používají hlavně na odlitky armatur.

2.7

Prášková metalurgie

Prášková metalurgie je technologie, při které jsou zhotovovány polotovary nebo hotové výrobky spojováním kovů nebo kovů s nekovy ve formě prášků působením tlaku a tepla při teplotách nižších než je teplota tavení alespoň jedné ze spojovaných složek.

2.7.1 Užití technologie práškové metalurgie Tato technologie se používá v případech, kdy - není možno dané materiály zpracovat jinou technologií, jako například v případech spojování komponent, které se spolu neslévají - je tato technologie hospodárnější než jiné, jako například při zpracování materiálů s vysokým bodem tavení nebo při sériové výrobě drobných součástí - tato technologie dává lepší výsledky než technologie ostatní, jako například při požadavku vysoké čistoty materiálů, požadavku dosažení přesného chemického složení nebo potřeby dosažení zvláštní struktury (poréznost). Nevýhodami práškové metalurgie jsou - menší hutnost a tím i pevnost a houževnatost vyrobených materiálů - vysoké náklady na nástroje. Výrobní postup se skládá z několika etap: - výroba prášků - úprava prášků - lisování prášků - spékání čili slinování výlisků z prášků - konečná úprava výrobků.

19

2.7.2 Výroba prášků Prášky je možno vyrábět způsoby - fyzikálními

- drcením a mletím, které se užívají zejména u Cu, Fe, Al, Cr, Mn - rozprašováním tekutého kovu vzduchem nebo vodou, které se užívá zejména u Pb, Zn, Sn, Al, Fe - kondenzací par, která se užívá zejména u Zn, Cd

- chemickými, založenými na redukci rud, které se užívají zejména u Cu, Ag, Fe, Ni, Co, W, Mo, Ti. Úprava prášků navazuje na jejich výrobu a způsoby úpravy závisejí na dalším zpracování. Nejčastěji se jedná o - redukci prášků po jejich výrobě rozprašováním vzduchem - sušení prášků po jejich výrobě rozprašováním vodou - prosévání a třídění prášků podle velikosti částic - míchání prášků podle žádaného složení výrobků - přidávání dalších složek podle zvláštních požadavků, například přidávání maziva pro zlepšení lisovatelnosti.

2.7.3 Lisování prášků Účelem lisování prášků je dosažení částečně zhutněného základního tvaru budoucího výrobku před jeho spékáním. Způsob lisování, druh lisovacích nástrojů a lisovací tlak závisejí na spékaném materiálu, rozměrech, tvaru a účelu výrobků. Tlaky se proto pohybují v širokém rozmezí od 200 do 2 000 MPa.

Obr. 12 Lisování prášků - přímočaré Lisovací nástroje mohou pracovat - přímočarým pohybem, tedy lisováním v užším smyslu slova - rotačně, tedy válcováním - vytlačováním kalibrovaným otvorem. Přímočaré lisování může probíhat - z jedné strany (obr. a) - z obou stran (obr. b) - ze všech stran. (obr. c)

20

Obr. 13 Lisování prášků - vytlačování Jednostranné lisování se užívá u výlisků z dobře lisovatelných prášků a u nízkých výlisků, protože u lisovníku je zhutnění největší, ve vzdálenějších místech je zhutnění menší. Oboustranné lisování se užívá u vyšších výlisků. Zhutnění v místech přímého působení lisovníků je větší než zhutnění uprostřed výlisku. Lisování ze všech stran se užívá u tvarově složitějších výlisků. Výlisek se nejdříve předlisuje jednostranně nebo oboustranně do přibližného tvaru. Pak se vloží do válce s kapalinou, nejčastěji olejem, na kterou tlačí píst. Tlak v kapalině působí rovnoměrně ze všech stran výlisku. Tímto postupem je dosahováno nejvyššího zhutnění ve všech směrech. Při válcování prášek ze zásobníku vstupuje mezi válce, které ho stlačují a zhutňují. Výrobkem jsou tyče nebo pásy. Pokud dosažené zhutnění nepostačuje, může být opakováno. Při vytlačování kalibrovaným otvorem jsou vytvářeny polotovary tyčového tvaru.

2.7.4 Spékání (slinování) prášků Spékáním se rozumí tepelné působení na polotovar zhotovený předchozím lisováním, obecněji zhutněním. Teplota slinování závisí na druhu spojovaného materiálu a na jeho složení. V případě slinování polotovarů vytvořených z jednoho prášku, tj. prášku vyrobeného z jediného materiálu, se volí teplota slinování ve výši asi 80 % teploty jeho tavení. Ke spojování částic prášku dochází difusí. U polotovarů vytvořených ze směsi prášků může dojít ke spojení prachových částic dvojím způsobem. V prvním případě je teplota slinování nižší než teplota tavení všech složek směsi a ke spojení dochází difusí. Ve druhém případě je teplota slinování vyšší než teplota tavení některé nebo některých složek, přičemž alespoň jedna ze složek zůstává v tuhém stavu. Pak dochází ke spojení tuhých částic jejich smáčením kapalnou fází a následující difusí (podobně jako při pájení). V případě nebezpečí oxidace prášků nebo jejich jiného nežádoucího chemického ovlivnění se slinování provádí v ochranné atmosféře nebo ve vakuu.

21

2.7.5 Konečná úprava slinutých výlisků Slinuté výrobky často ještě nevyhovují na ně kladeným požadavkům. Proto se u nich provádí konečná úprava, která závisí na druhu spékaného materiálu a účelu výrobků. Nejčastějšími konečnými úpravami jsou - opakované lisování a slinování s cílem zvýšení hutnosti a tím i pevnosti a houževnatosti - kalibrování, což je dolisování za studena pro dosažení přesného tvaru a rozměrů - nauhličení, které se provádí u ocelových výrobků, které mají být za účelem zvýšení tvrdosti kaleny - zaplnění pórů kovem s nižší teplotou tavení, například mědí nebo niklem, za účelem odstranění poréznosti - sycení mazivem u výrobků, které mají mít nízký součinitel tření (samomazná ložiska). - povrchová ochrana proti korozi.

2.7.6 Výrobky práškové metalurgie Výrobky zhotovené technologií práškové metalurgie mohou být vytvořeny z různých materiálů a sloužit různým účelům. Proto je při snaze o systematické uspořádání jejich výčtu možno sestavit přehledy podle různých hledisek. V následujícím přehledu bylo zvoleno hledisko použití výrobků v hlavních technických oborech. Konstrukční (strojní) součásti Mechanicky namáhané součásti Do této skupiny patří zpravidla menší sériově vyráběné součásti, u nichž nejsou kladeny vyšší nároky na pevnost houževnatost. Příkladem mohou být součástky pro motorová vozidla, do kancelářských strojů, šicích strojů, kuchyňských strojků a dalších jako různé páčky, ozubená a řetězová kola, pístní kroužky. Materiálem je ocel, ocel s grafitem, ocel s mědí, bronz. Kluzná ložiska trojího typu:

vyráběná

práškovou

metalurgií

jsou

- tlustostěnná samomazná ložiska - tenkostěnná ložiska tlakově mazaná - tenkostěnná ložiska nemazaná.

Obr. 14 Kluzné ložisko - výroba U tlustostěnných ložisek se využívá poréznosti jejich struktury k získání dlouhodobé samočinné mazací schopnosti. Ložisko se vyrobí s 10 až 25 % porézností tak, aby póry byly propojené a na vnitřním povrchu ložiska otevřené. Před montáží do stroje se ložiska sytí olejem. V provozu olej z pórů vzlíná do místa styku ložiska s čepem a maže. Tato ložiska se užívají v případech, kdy je přístup k ložisku omezen nebo kdy není možno během provozu zařízení spoléhat na kvalifikovanou obsluhu. Příkladem mohou být malé elektromotorky, kuchyňské strojky, textilní stroje, některá zařízení automobilů. Nejčastějším materiálem je ocel, ocel s grafitem, bronz, bronz s grafitem. Tenkostěnná ložiska tlakově mazaná vyrobená práškovou metalurgií mají stejný tvar a funkci jako tentýž typ ložisek vyráběný obráběním. Prášková metalurgie ale při jejich výrobě umožňuje významnou úsporu materiálu. Konstrukce ložiska je dvouvrstvá,

22

kovový prášek je v potřebné tloušťce vrstvy zevnitř nalisován na ocelový podklad (plášť). Po slinutí se jemně obrábí pouze vnitřní povrch ložiska. Nejčastějším materiálem je olověný bronz. Tenkostěnná ložiska nemazaná jsou vyrobena ze směsi cínového bronzu a plastu s nízkým součinitelem tření, nejčastěji teflonu. Tato ložiska nevyžadují žádné mazaní. Nejsou ale vhodná pro vyšší rychlosti otáčení. Konstrukce ložiska je podobná jako u tenkostěnných tlakově mazaných ložisek. Třecí materiály U některých strojních součástí je požadován vysoký součinitel tření. Příkladem jsou obložení brzd a spojek. Prášková metalurgie umožňuje výrobu takových materiálů spojením kovu a keramické složky, zvyšující tření. Kovovou složku tvoří ocel nebo bronz, přidává se křemenný prach, karbid křemíku nebo asbest. Pro dosažení zvláštních vlastností, například měkkého záběru nebo zamezení blokování, se přidává grafit a olovo. Takto zhotovené materiály mají součinitel suchého tření 0,25 až 0,5 (litina má 0,1 až 0,2). Pórovité materiály (kovové filtry) Kovové filtry jsou destičky zhotovené s velikostí pórů odpovídající velikosti oddělovaných částic. Materiálem je ocel, bronz, nikl, stříbro, ale také karbid wolframu nebo karbid křemíku. Prášek se lisuje do tvaru destiček nebo se válcuje do tvaru pásu a následně spéká. Někdy se prášek spéká bez stlačení ve volně nasypané vrstvě. Kovové filtry se užívají k jemnému filtrování kapalin a vzdušin, například benzinu, nafty, technických plynů. Někdy se užívají jako tlumicí element v hydraulických a pneumatických systémech. Žárovzdorné a žáropevné materiály Žárovzdornými materiály se rozumí takové, které odolávají vysokým teplotám a nebortí se, žáropevnými takové. které jsou schopny při vysokých teplotách přenášet silové zatížení. V současné technice jsou zmíněné vlastnosti často požadovány. Příkladem mohou být tepelné motory nebo měřicí technika. Do této skupiny patří - vysokotavitelné kovy, jako wolfram (3 410°C), tantal (2 996 °C), molybden (2 610 °C), niob (2 486 °C), vanad (1 890 °C), chrom (1 875 °C), titan (1 668 °C ) - kysličníky, především Al2O3, a jejich spojení s kovy; například pro výrobu hořáků, pyrometrů a tepelně namáhaných forem se užívá slinutina složená z 30 % Al2O3 a 70 % chromu - karbidy některých kovů (wolframu, titanu a dalších); například na lopatky spalovacích turbin se užívá slinutina TiC+Ni+Cr - silicidy, tj. sloučeniny křemíku s některými kovy spojené s dalšími složkami; například pro výrobu tavicích kelímků a trysek raket se užívá slinutina MoSi2 + Al2O3 -

boridy, tj. sloučeniny bóru s některými kovy (zirkonem, titanem, chromem, molybdenem); příkladem užití jsou hořáky tryskových a raketových motorů nebo ventilová sedla pístových spalovacích motorů.

Elektrotechnické součásti Magnetické materiály se vyrábějí z kovů nebo jejich kysličníků. Podle magnetických vlastností, které je možno ovlivnit složením, se rozdělují na materiály magneticky měkké a magneticky tvrdé.

23

Kovové magnety se vyrábějí ze železa nebo ze směsi železa s hliníkem, niklem, kobaltem či molybdenem. Známé jsou magnety označované Alniko, zhotovené z Fe, Al, Ni a Co. Někdy se přidávají i nekovové složky, například křemík. Nekovové magnety se vyrábějí z kysličníků železa FeO nebo Fe2O3 jejich slučováním s kysličníky jiných kovů (zinek, mangan). Pro jejich označení se užívá názvu ferity. Nejvýznamnější jsou sloučeniny MnO Fe2O3 a ZnO Fe2O3. Žádný z těchto kysličníků sám není magnetický, jejich sloučenina je feromagnetická. Kontakty Elektrické kontakty jsou součásti, od nichž jsou požadovány vysoká elektrická vodivost, vysoká tepelná vodivost, tvrdost a odolnost proti erozi elektrickým obloukem. Tyto vlastnosti jsou do určité míry protichůdné a zpravidla jich není možno dosáhnout použitím jediného kovu. Pro velká napětí, malé proudy a častá přerušení se užívá wolfram. Pro velká napětí a velké proudy se užívá wolfram s mědí nebo stříbrem. Pro nižší napětí a velké proudy se užívá stříbro s niklem nebo kysličníkem kadmia. Kartáče Od kartáčů točivých elektrických strojů je požadována vysoká elektrická vodivost a dobré kluzné vlastnosti. Pro malé proudy se užívá kartáčů grafitových. Pro velké proudy se kartáče vyrábějí práškovou metalurgií z mědi a grafitu, kterého obsahují až 50 %. Vlákna Elektrická vlákna vedou proud při vysokých teplotách. Proto se nejčastěji zhotovují z wolframu nebo molybdenu. Tyto kovy jsou pro svoji vysokou teplotu tavení (wolfram 3 410°C, molybden 2 610 °C) klasickými postupy velmi obtížně zpracovatelné. Nástrojové materiály Do této skupiny jsou zařazeny materiály na obráběcí a tvářecí nástroje, kterých je pro jejich vlastnosti někdy užíváno i v jiných případech. Slinuté karbidy Slinuté karbidy se vyrábějí se z karbidů wolframu, titanu, chromu, molybdenu, tantalu, niobu a dalších. Ke karbidovým práškům se jako pojivo přidává kobalt. Keramické řezné materiály Základní složkou keramických řezných materiálů je umělý korund, kysličník hlinitý Al2O3. Pro zvýšení houževnatosti se přidává karbid wolframu nebo karbid molybdenu. Brusné materiály Práškové metalurgie se užívá při také výrobě speciálních brusných kotoučů. Těleso kotouče je zpravidla z hliníku. Na jeho funkčním povrchu se pak nalisováním a spékáním vytváří vrstva diamantových brusných zrn s kovovým pojivem. Nitridy a boridy K novějším nástrojovým materiálům patří různé sloučeniny dusíku a sloučeniny boru, nitridy a boridy. Nejznámějším materiálem této skupiny je nitrid bóru, uváděný pod obchodním označením borazon.

24

3.

Technické materiály nekovové

3.1

Plasty

3.1.1 Rozdělení plastů Dnes se vyrábí velké množství plastů. Můžeme hovořit o chemii plastů. Abychom se mohli orientovat v plastech, musíme si je rozdělit. Nejčastěji se plasty dělí podle chování při zahřívání. Z tohoto hlediska dělíme plasty na termoplasty a reaktroplasty.

Skupina

Změna vlastností

Termoplasty

Působením tepla měknou a působením chladu opět tuhnou, mění se vratně

Polystyren

Působením tepla dochází k chemické reakci a plasty se vytvrzují, mění se nevratně do netavitelného a nerozpustného stavu

Kartit

Strojírenství

Umakart

Doprava

Epoxidy

Chemický průmysl

(tepelně tvárné)

Reaktoplasty (tepelně tvrditelné)

Příklad plastů

PVC

Využití Spotřební průmysl

Organické sklo

Skleněné lamináty Polyestery

Při svém vzniku jsou plasty tekuté a dají se lehce formovat. V konečné podobě jsou za teploty 20ºC až + 39ºC pevné. Většinu plastů můžeme opracovávat jako dřevo. Tohoto využíváme při výrobě v průmyslu.

3.1.2 Zpracování plastů V továrnách se plastické hmoty zpracovávají nejčastěji tvářením (lisování, vytlačování, válcování, vyfukování a tvarování). Uplatňuje se působení tlaku a tepla, popřípadě obojího. Lisování - vyrábí se za působení tlaku a tepla. Nejčastěji se používá přímé lisování termoplastů v lisovacích formách. Forma je celá vyhřívaná. Tvárnice (1) se naplní plastickou hmotou (3). Potom se zavede tvárník (2), hmota se zalisuje. K vytvrzení dojde buď ohřevem (reaktoplast) nebo ochlazením (termoplast).

25

Obr. 15 Lisování plastů Válcování - zpracování termoplastů. Vyrábíme takto fólie, desky, podlahové krytiny, ubrusy apod. Plastická hmota je unášena válci, které jsou vyhřívány. Hmota teplem měkne, stává se stejnorodou a válcuje se na tloušťku, která je daná vzdáleností válců.

Obr. 16 Válcování, vstřikování a vytlačování plastů

26

Vytlačování - zpracování termoplastů. Vyrábíme tyče, trubky a oplášťované vodiče. Z násypky (1) se přivádí termoplast (2) do vyhřívané tlakové komory (3). V ní měkne a je šnekem (4) dopravován k vytlačovací hlavě (5), jejímž otvorem vystupuje do volného prostoru, ochlazuje se a tuhne. Na konstrukčním řešení vytlačovací hlavy a na tvaru otvoru závisí druh technického polotovaru – obr. 17.

Obr. 17 Vytlačování Vyfukování - zpracování termoplastů. Vyrábíme takto polyethylenové fólie. Z hlavy (1) vytlačovacího stroje vychází měkká tenkostěnná trubka z termoset, do které vyúsťuje trubice (2) napojená na zdroj tlakového vzduchu. Tlakový vzduch vyfoukne trubku do tvaru neuzavřeného pytle (3), jehož obvod (šířka fólie) je vymezena kalibračním zařízením (4). Plastická hmota se vstupem do volného prostoru a proudem tlakového vzduchu ochlazuje a tuhne. Přes soustavu válečků se fólie odtahuje a navíjí do svitku.

27

Obr. 18 Vyfukování Tažení - zpracování termoplastů. Vyrábíme mělké misky z polyethylenu, polystyrénu, PVC apod. Zahřátý list termoplastu (3) je pohyblivým tvárníkem (1) tažen do dutiny tvárnice (2). Nabývá tvaru tvárníku a po ochlazení si tento tvar ponechává.

Obr. 19 Tažení Variantou tažení je vyfukování ze dvou fólií ve formě. Vyrábíme takto různé výrobky zejména z polyethylenu ( dětské hračky, láhve apod. ). Fólie (3) se ve formě nejprve

28

prohřejí, čímž změknou, a pak se mezi ně foukne vzduch z čelní trysky (2). Tlakem vzduchu získávají fólie tvar formy (1). Po ochlazení si výrobek ponechá získaný tvar.

Obr. 20 Vyfukování ve formě

3.1.3 Vlastnosti plastů Vlastnosti jsou rozhodující pro upotřebení plastů. Cennými vlastnosti plastů jsou především: tvrdost, pevnost, pružnost, lomivost, životnost a tvarová paměť. Další cennou vlastností je hmotnost plastů. Většina technických materiálů (kromě dřeva) je několikanásobně těžší než voda (železo 7,8krát, olovo 11,3krát). Plastické hmoty jsou pouze nepatrně těžší než voda ( 1,05krát až 1,5krát ). Můžeme ale vyrobit i plastické hmoty, které jsou lehčí než voda. Jedná se o tzv. lehčené plastické hmoty ( pěnový polystyrén ). Další zajímavou vlastností plastů je odolnost proti různým chemikáliím, mořské vodě a povětrnostním vlivům. Plasty ale mají i své záporné vlastnosti. Nejzákladnější je znečištění životního prostředí. Toto souvisí s odolností plastů. Plastické hmoty se sami nerozkládají a proto je jejich odstraňování velmi problematické. Základní vlastnosti termoplastů a reaktoplastů se velmi liší. Podle jednoho zástupce z každé skupina popíšeme vlastnosti. Termoplast PVC - jde o polvinylchlorid. Výrobky z PVC jsou známy pod jmény Novodur (neměkčené PVC) a Novoplast (měkčené PVC). Novodur je pevný, dosti křehký plast, použitelný do teplot 60ºC. Při teplotách nad 80ºC měkne a přechází do plastického stavu. Můžeme ho tedy tvarovat. Po vychladnutí zachovává tvar. Novoplast je ohebný, pod bodem mrazu křehne. Reaktoplast bakelit - vyroben ze syntetické pryskyřice. Plnidlem je dřevní moučka. Má tmavou barvu a je výborným elektroizolátorem. Teplem neměkne, je křehký, lze jej používat i při teplotách okolo 100 ºC. Základní tvary a formy se kterými se setkáme : -

vlákna , struny , vlasce fólie desky , trubky , profily , bloky technické pryskyřice lehčené hmoty lisovací a vstřikovací hmoty

29

3.2

Technická pryž, kůže a textilie

3.2.1 Technická pryž Pryž je materiál vyrobený vulkanizováním kaučuku. Kaučuk – přírodní materiál vyrobený srážením kaučukového mléka. Vulkanizováním, tj. nejčastěji zahříváním na vyšší teplotu, přechází kaučuk působením síry do elastického stavu, stává se méně citlivým na změny teploty a na rozpustila. Většina pryžových výrobků se vyrábí tvářením kaučukové směsi za současné vulkanizace. Vlastnosti pryže závisí na druhu, množství plniv a přísad a na způsobu zpracování. Značení pryže se provádí dle ČSN.

Obr. 21 Značení pryží Pryž se používá jako těsnící materiál v automobilovém a leteckém průmyslu, na výrobu pneumatik, dopravních pásů, řemenů, hadic, manžet apod. Starou pryž lze regenerovat a získává se tím cenná surovina, která se přidává do nové pryže, nebo se používá na podřadnější součástky.

3.2.2 Technická kůže Kůže zvířat je surovinou pro výrobu usně. Surová kůže je tvrdá, lámavá, málo pevná a snadno podléhá hnilobě. Proto se musí vyčinit, promastit a různě upravit, aby získala požadované vlastnosti a tím se dala využít v průmyslu. Vyčiněná kůže se nazývá useň. Kvalitní useň je houževnatá, pružná, pevná, ohebná a snadno tvárná. Ve strojírenství se používá nejkvalitnější useň, která se vyrábí ze hřbetů a ramen. Usně se používají na výrobu hnacích řemenů (ploché, klínové a profilové). K pohonu malých strojků se používají i usně kruhových průřezů. Dále se z ní vyrábějí membrány, těsnící podložky a další součásti.

3.2.3 Technické textilie Základní surovinou pro výrobu textilu jsou vlákna a to přírodní rostlinná nebo živočišná a umělá. Mezi rostlinná vlákna patří len, konopí, juta, lýko, bavlna atd. V přírodě se vyskytují jako součást rostlinného těla. Živočišná vlákna tvoří buď srst savců, nebo ztuhlý bílkovinný

30

výměšek housenek. Umělá (syntetická) vlákna mohou být různého chemického původu.Nejčastěji se používají vlákna polyamidová (silon, nylon, perlon,…). Vlákna se spřádají v přízi (nit) o určité jemnosti (průřezu). Příze se pak zpracovává tkaním, pletením i jinými výrobními pochody. Dnes se používají i netkané textilie, které se vyrábějí z vláken plastů (vznikají lepením, foukáním a lisováním). Textilie se používají na těsnění, dále jako výztužné vložky do textilních pásů apod.

3.3

Dřevo

3.3.1 Vlastnosti a stavba dřeva Dřevo je organický materiál rostlinného původu. Největší podíl jeho skladby zaujímá celulóza (cca 42%), dále hemicelulózy (cca 26%) a lignin (cca 25%). Zbytek tvoří acetyl (cca 2%) (pozn. redakce: acetyl je součástí hemicelulóz), popeloviny (0,3 %), škroby a tuky (cca 1,8%), bílkoviny (cca 1%), třísloviny (cca 0,1%), pryskyřičné látky (cca 1,6%) a ve stopovém množství barviva, alkaloidy, glykosidy a ostatní složky. Dřevo je anizotropní materiál. V různých směrech má různé vlastnosti, protože obsahuje tzv. vlákna. Ve skutečnosti se jedná o 1 až 8 mm dlouhé buňky. Tato vlákna jsou rostlá přibližně rovnoběžně. Hodně fyzikálních vlastností dřeva (navlhavost, sesychavost, mechanické vlastnosti, elektrická, tepelná a akustická vodivost, vzhled dřeva, zpracovatelnost …) se v závislosti na směru k vláknům liší, proto je třeba hodnoty těchto vlastností vždy doplnit údajem o vztahu k vláknům. Je-li vlastnost udávána kolmo na směr vláken užívá se značka: z, je-li udávána rovnoběžně se směrem vláken, značí se:y Jednou z hlavních fyzikálních vlastností dřeva je jeho vlhkost. Vlhkostí dřeva rozumíme podíl obsahu vody v něm. Podíl ostatních složek dřeva označujeme souhrnným názvem sušina. Dřevo je materiálem hygroskopickým. Má tendenci uchovávat svoji vlhkost v rovnovážné poloze a ta je závislá na vlastnostech (zejména vlhkosti a teplotě) okolí. Protože uvedené vlastnosti okolí jsou proměnné, mění se i vlhkost dřeva. Na vlhkosti dřeva závisí hodně jeho dalších vlastností, a proto by při určování jejich hodnot neměl chybět ani údaj o vlhkosti. Ztrácí-li dřevo vlhkost, sesychá (zmenšuje své rozměry). V případě, že dřevo navlhá, absorbuje do sebe vlhkost ze svého okolí, bobtná (své rozměry zvětšuje). Střídavému sesýchání a bobtnání se říká pracování dřeva. (Pozn. redakce: dřevo bobtná a sesychá pouze při změnách vlhkosti v intervalu od absolutně suchého dřeva do bodu nasycení vláken - vlhkost dřeva, při které jsou buněčné stěny nasycené vodou, ale v lumenech voda není - cca 30%. Nad touto hranicí se již rozměry dřeva nemění - pouze se naplňují či vyprazdňují lumeny buněk.) Typickou veličinou, která se s vlhkostí mění je hustota. Hustota běžně používaných druhů dřeva pohybuje se od 800 kg.m-3 (smrk, borovice) do 1100 kg.m-3 (švestka, habr) v syrovém stavu. Při vlhkosti w=13% (procentický podíl hmotnosti vlhkosti ve vzorku a hmotnosti celého vzorku - vlhkosti a sušiny) od 480 kg.m-3 (smrk, borovice) do 800 kg.m-3 (švestka, habr). Numericky nebo pomocí grafů lze hustotu přepočítávat pro různé vlhkosti. To je důležité například při projekci nejrůznějších konstrukcí. V případě extrémně nepříznivých podmínek se může hmotnost navržené konstrukce zvýšit či snížit až o desítky procent. Suché dřevo je výborný tepelný izolant. Jeho měrná tepelná vodivost závisí na vlhkosti a tedy i hustotě (objemové hmotnosti). Tepelná vodivost dřeva má velký význam při stavbě obytných budov. Uvážíme-li, že smrkové řezivo tloušťky 8 cm (z, při vlhkosti w=10%) izoluje tepelně stejně jako cihlová zeď tlustá 67 cm, je zřejmé, že vhodným využitím dřeva lze efektivně nahradit jiné materiály. S rostoucí vlhkostí se ale izolační vlastnosti dřeva zhoršují (z, při vlhkosti w= 25% má stejné řezivo tepelnou vodivost o polovinu větší, při w=50% je tepelná vodivost více než dvojnásobná). Výhodou dřeva je,

31

že se v běžné praxi nemusí počítat s jeho tepelnou roztažností (při teplotách nad 0°C). Při zvýšení teploty totiž dřevo ztrácí vlhkost a sesychá. Makroskopická stavba dřeva Makroskopickou stavbou dřeva rozumíme vše, co lze na dřevě pozorovat pouhým okem. Pro určení jednotlivých druhů dřev je nutné znát: - základní řezy dřevem - znaky makroskopické stavby dřeva Rozlišujeme tři základní řezy dřevem. - příčný (také transverzální, čelní) - řez vedený rovinou kolmou na podélnou osu kmene. - radiální (také poloměrový) - řez vedený rovinou rovnoběžnou s podélnou osou kmene, která touto osou prochází. - tangenciální - řez vedený rovinou rovnoběžnou s podélnou osou kmene, která touto osou neprochází. Radiální a tangenciální řez jsou řezy podélné. Šikmý řez je vedený libovolnou rovinou, která neodpovídá žádnému základnímu řezu. Znaky makroskopické stavby dřeva • • • • • • • • •

letokruhy dřeňové paprsky cévy pryskyřičné kanálky dřeňové skvrny barva (jádro a běl) lesk vůně hustota a tvrdost

Obr.22 Stavba dřeva – makroskopická

32

3.3.2 Vlastnosti jednotlivých druhů dřev Jehličnatá dřeva jsou v našich lesích zastoupena z větší části. Vlastnosti těchto dřev jsou uvedeny u nejčastěji se vyskytujících stromů u nás. Smrk je nejběžnější v našich podmínkách, ale dřevo má nepříliš kvalitní, měkké a poměrně lehké, pružné. Používá se ve stavebnictví, k výrobě dřevotřískových desek apod. Jedle má dřevo tmavší barvy než smrk, je měkké, tvrdší než dřevo smrkové, lehké, pevné a pružné, méně štěpné než dřevo smrkové. Použití je obdobné jako u dřeva smrkového. Borovice má pryskyřičnaté dřevo měkké, avšak je značně trvanlivé. Štípatelnost dřeva je horší. Modřín poskytuje nejtvrdší a nejkvalitnější dřevo z našich jehličnatých stromů. Je velmi tvrdé, trvanlivé, pevné, málo sesychá a dobře se zpracovává. Má výrazně oddělenou běl a jádro, proto se také využívá jeho estetického vzhledu a používá se na výrobu nábytku, obložení apod. Dřeva listnatých stromů jsou měkká až velmi tvrdá, mají často velmi pěkný vzhled. Buk poskytuje pevné, tvrdé, těžké dřevo, dobře se zpracovává. Bukové dřevo je načervenalé, husté dřevo s jemnými léty a paprsky. Nízká trvanlivost tohoto dřeva se zvyšuje impregnací a povrchovými úpravami. Používá se ve stavebnictví, nábytkářství atd. Dub má tvrdé, velmi pevné těžké dřevo. Je vysoce trvanlivé, málo sesychané a dobře se moří, čímž se zvyšuje jeho trvanlivost. Používá se ve stavebnictví, nábytkářství atd. Topol poskytuje velmi měkké, lehké a málo pevné dřevo. Má nízkou trvanlivost, je dobře štípatelné s poměrně malou sesychavostí. Používá se na výrobu překližek, na nábytek apod. Lípa má měkké a lehké dřevo. Lipové dřevo je bílé a jednotně zbarvené. Používá se v řezbářství, uměleckém truhlářství, modelářství apod. Olše má měkké, lehké dřevo, snadno štípatelné, vysoce odolné vodě, málo pevné a pružné. Používá se při výrobě překližek, v modelářství, k imitaci vzácných dřevin apod. Bříza má bílé dřevo, houževnaté, tvrdé a pružné, zvláště pevné, těžko štípatelné a málo trvanlivé. Dřevo je bílé až šedožluté s jednotným zabarvením. Používá se na výrobu dýh a překližek, v řezbářství, lze jej obrábět. Osika má dřevo měkké, lehké, málo pevné, dobře štípatelné, málo sesychané s dobrou obrobitelností. Je šedobílé až žlutobílé s jednotným zabarvením. Je dobrou surovinou na výrobu loupaných dýh a překližek. Javor má dřevo tvrdé, husté, pevné, těžké, ohebné a pružné. Je dobře zpracovatelné, dobře se moří a leští. Je to bílé dřevo s hedvábným leskem a výraznými letokruhy. Používá se na výrobu dýh, nábytku a při výrobě slévárenských modelů. Ovocné stromy – třešeň, jabloň, švestka, Hruška ořech – mají dřeva hustá, červenohnědá a používají se při výrobě kvalitního nábytku hlavně na dýhy, dále na soustružnické práce, slévárenské modely a na přesné výrobky.

33

3.4

Technické sklo a keramika

3.4.1 Technické sklo Základními surovinami při výrobě skla jsou čistý křemičitý písek, oxid uhličitan sodný nebo draselný a oxid hlinitý. Z těchto surovin se připraví tzv. kmen, který se taví ve sklářské peci. Tekutá sklovina se pak zpracovává tažením, válcováním, lisováním, odléváním apod. Vzniklé polotovary pak pokovovat, brousit nebo leštit.

vápenatý, sklenářský foukáním, lze leptat,

Největší význam má sklo ve strojírenství na výrobu optických přístrojů nebo jako doplněk pro strojní zařízení. Optická skla lze rozdělit na skla pro optické čočky a hranoly a na skla se zvláštní světelnou propustností (zadržují určitá záření). Elektrotechnická skla se rozdělují na skle izolační, ze kterých se vyrábějí izolátory, podložky apod., skla zátavová, která se používají na výrobu baněk žárovek, elektronek, obrazovek apod. Dále se ze skla vyrábějí potrubí a pomůcky pro chemický a potravinářský průmysl, části přístrojů a měřidel, u nichž se vyžaduje odolnost proti otěru. Sklo se také používá pro laboratorní potřeby.

3.4.2 Technická keramika Keramické materiály se získávají z rozemletých minerálních hmot. Potřebného tvaru se dosahuje formováním. Konečných vlastností se dosahuje slinováním (pálením) v žáru. Nejčastěji se takto vyrábějí tyto materiály: • • •

technický porcelán technická kamenina tavený čedič

Technický porcelán se vyrábí z kaolinu (asi 50 %, křemene 25 % a živce 25 %). Rozemletá směs se po odležení zpracovává lisováním, vytlačováním nebo litím. Na vysušený výrobek se nanáší povlak zvaný glazura; vypaluje se při 1 500 °C. Vzniká hutný výrobek s nepatrnými póry. Porcelán vyniká vysokou mechanickou pevností (na závadu je pouze nižší rázová houževnatost), velmi dobrými elektroizolačními vlastnostmi a velkou tepelnou odolností. Těchto vlastností se využívá nejvíce u součástí strojů, přístrojů a zařízení v elektrotechnickém průmyslu. Za normálního tlaku nepropouští vodu ani plyny a snese teplotu až 1 000 °C. Technická kamenina se vyrábí z kameninových jílů a vypaluje se při teplotě 1 200 až 1 300 °C. Od bílého porcelánu se liší tmavohnědou barvou a je mnohem křehčí. Pro chemickou odolnost je vhodná k výrobě van a podobných výrobků. Je levná, ale stále více je nahrazován plasty. Tavený čedič. Rychlým chladnutím vznikne výrobek sklovitý, pomalým chladnutím krystalický. Podobně jako u kovů závisí vlastnosti, zejména mechanické, na druhu a velikosti krystalů. Ty je možno regulovat rychlostí chladnutí, a tak vytvořit řadu výrobků s různými vlastnostmi. Čedič se slévá jako litina, tj. do forem. Výrobky se vyznačují velkou tvrdostí (téměř jako korund) a velmi vysokou odolností proti opotřebení, a dobrou chemickou odolností.

34

Používá se ho nejvíce u zařízení, která jsou namáhána na otěr (např. zařízení pro dopravu uhlí, štěrku, strusky apod.) nebo i chemicky. Vykládají se jím dopravníkové pásy, žlaby, potrubí, nádrže apod.

3.5

Brusivo a mazivo

3.5.1 Mazací prostředky Součásti nejsou nikdy dokonale hladké. Drsnost jejich povrchu je závislá na druhu a stupni obrobení. Dvě součásti, jejichž povrchy se o sebe otírají, se časem opotřebí. Vystupující vrcholky povrchových nerovností k sobě totiž pevně přilnou nebo se do sebe zaklíní. Při posouvání se součásti od sebe odtrhují, a tím se deformují nebo i vylamují podle povahy materiálu. Hladké plochy se třením opotřebují méně než plochy drsné. Přidáme-li mezi troucí se plochy určité množství příslušného maziva, tření se sníží.

Obr. 23 Tření ploch Při tření dvou součástí může být: tření suché - při otírání kovových součástí bez mazání; tření polosuché vzniká při nedokonalém mazání. Mazivo nevytvoří souvislou vrstvu, takže dotýkající se plochy nejsou od sebe dokonale odděleny; tření kapalinné - souvislá vrstva maziva, tzv. olejový film, zcela oddělí kluzné plochy a tření kovu o kov se nahradí třením kovu o mazivo. Maziva se nepoužívají jen k snížení tření mezi vzájemně se otírajícími plochami, ale i k ochraně čistého kovu proti účinkům koroze, zejména atmosférické. Druhy maziv: 1. Rostlinné oleje; získávají se lisováním jader a semen různých rostlin (olej řepkový, ricinový, lněný, slunečnicový aj.). 2. Živočišné tuky; získávají se z tučných částí těl zvířat nebo z kostí (např. lůj, rybí tuk, kostní tuk atd.). 3. Minerální maziva; vyrábějí se zejména z ropy. Z ropy se destilací získávají jednak podíly lehčí (benzíny, petroleje, motorová nafta) a jednak podíly těžší (mazací oleje). Většina těchto látek se pak ještě dále zušlechťuje rafinací.

35

Protože se rostlinné oleje a živočišné tuky delším skladováním znehodnocují, používá se ve strojírenství nejčastěji minerálních olejů. Podle skupenství se maziva dělí na oleje (při normální teplotě jsou kapalné) a mazací tuky (při normální teplotě jsou tuhé). Základním rozlišovacím znakem mazacích olejů je viskozita. Viskozitou se rozumí míra vnitřního tření v kapalině. Čím větší má kapalina vnitřní tření, tím pomaleji teče, a tím má tedy větší viskozitu. Některé oleje se zušlechťují přísadami (aditivy), a tím se zlepšují jejich vlastnosti. K uměle zušlechtěným minerálním olejům patří i oleje používané k mazání a chlazení při obrábění kovů. Jsou to tzv. řezné oleje, které jsou zušlechtěny umělou nebo mastnou přísadou pro zvýšení přilnavosti. Zvláštní skupinu tvoří tzv. emulzní kapaliny, používané pro chlazení a mazání při obrábění. Emulze je složena ze dvou kapalin, z nichž jedna je rozptýlena ve tvaru jemných kapek v kapalině druhé. Pro obrábění se nejčastěji používá emulzní kapaliny, která se připravuje rozpouštěním oleje ve vodě. Schopnost emulgace se zvětšuje přidáním některých cizích látek, tzv. emulgátorů (sodná, draselná a jiná mýdla mastných kyselin). Mazací tuky jsou látky, které se vyrábějí z minerálních olejů, ze zmýdelněného organického tuku a z různých přídavných látek. Mazacích tuků se . používá zejména u ložisek o malé obvodové rychlosti a velkých tlacích, u ložisek pracujících v prašném prostředí a u špatně přístupných ložisek. Nedá se jich použít tam, kde má mazivo za úkol zároveň chladit.

3.5.2 Brousící prostředky Broušení je nejrozšířenější způsob obrábění kovových i nekovových materiálů. Brusiva jsou tvrdé, houževnaté a ostrohranné krystalické látky, kterými lze brousit jiné (měkčí) materiály. Lze je dělit podle různých hledisek. Podle původu jsou přírodní a umělá. Podle tvaru mohou být brusiva rozdělena na volná zrna, tj. brousicí, lešticí a lapovací prášky, a na brousicí nástroje a pomůcky, kde jsou zrna brusiva spojena nebo stmelena různými pojivy a různými způsoby. Brousicí pomůcky jsou brousicí a lešticí pasty, v nichž jsou zrna brusiva rozptýlena v tucích a mazadlech. Dále jsou to též brousicí a lešticí plátna a papíry, kde jsou zrna přilepena různými tmely k poddajné podložce. Největší skupinu tvoří brousicí nástroje, kde jsou zrna spojena různými pojivy v tuhá nebo pružná tělesa vhodného tvaru a slohu. Brusivo lze třídit i podle jiných hledisek, např. podle tvrdosti, houževnatosti, popř. podle jiných mechanických, fyzikálních, chemických i mineralogických hledisek. Přírodní brusiva Jsou to minerály, popř. horniny, které jsou vhodné pro broušení nebo leštění. Jde o řadu látek vyskytujících se v zemské kůře. Mezi přírodní brusiva patří tyto nerosty nebo horniny: lešticí růže a okry, pemza, břidlice, pískovec, pazourek, křemen, granát, smirek, přírodní korund a diamant.

36

Brusivo

Tvrdost podle Mohse

Lešticí růže a okry

1 až 2

Břidlice

2 až4

Pemza

2

Pískovec

6 až 7

Pazourek

7

Křemen

7

Granát

6,5 až 7,5

Smirek

7,5 až 8,5

Přírodní korund Diamant

9 10

Přírodní brusivo se používá tehdy, nelze-li umělým brusivem dosáhnout stejných výsledků, nebo je-li levnější než umělé. Z přírodních brusiv jediný diamant dosud nebyl překonán v tvrdosti žádnou jinou hmotou. I diamanty se však pro průmyslové použití vyrábějí synteticky. Cena umělých diamantů je zatím stejná, nebo i vyšší než cena diamantů přírodních. Rozhodujícím činitelem, ovlivňujícím použití přírodních brusiv, je velikost zrna, která je dána buď již při vzniku nerostu, nebo drcením a tříděním brusiva. Dalšími činiteli jsou (stejně jako u umělých brusiv) i tvar zrn a jejich houževnatost. Nejdůležitější vlastností však je tvrdost, která je podstatně nižší než u umělých brusiv (s výjimkou diamantu). I když je Mohsova stupnice tvrdosti stará přes 140 let a byla již několikrát upravována, stále se jí používá při hodnocení tvrdosti zrn přírodního i umělého brusiva. Protože přírodní brusivo bývá nestejné kvality, je stále více vytlačováno brusivem umělým. Umělá brusiva Mezi obvyklá umělá brusiva patří: umělý korund (tavený oxid hlinitý, Al203), karbid bóru (B4C) a někdy též sklo (tříděná skleněná drť jako posypový materiál pro výrobu skelných pláten a papírů). Jednotlivá umělá brusiva je pak možno roztřídit ještě na další druhy podle kvality, čistoty apod.

37

Většina umělých brusiv se vyrábí elektrochemickými pochody. Brusivo

Označeni

Tavený oxid hlínitý

černý

A 85

(umělý korund)

hnědý

A 96

růžový

A 98

bílý

A 99

černý

C47

šedý

C48

zelený

C49

Karbid křemiku

Karbid boru

B Obr. 24 Označení brusiv dle ČSN

Výroba brousicích nástrojů a pomůcek Převážná většina součástí se nebrousí volným brusivem, ale nástroji a pomůckami. V ČSN jsou uvedeny brousicí pomůcky: • brousicí, lešticí a lapovací prášky, • brousicí a lešticí plátna, • brousicí a lešticí papíry, a brousicí nástroje, tj. tělesa složená ze zrn brusiva a příslušného pojiva: • brousicí pilníky, • obtahovací kameny, • honovací a superfinišovací kameny, • brousicí, řezací a lešticí kotouče. Pojiva na výrobu brousicích nástrojů jsou anorganické "nebo organické látky, spojující drcené brusivo v nástroje tak, aby měly žádanou tvrdost, sloh, tvar a rozměry. Na druhu, složení a množství pojiva v nástroji jsou závislé jeho vlastnosti. Pojivo musí vzdorovat vlivům chladicí směsi při broušení za mokra, nesmí podléhat tepelným vlivům a zrna brusiva v něm musí být dokonale uložena. Na jejich správném uložení, tj. na volbě správného pojiva, závisí výkon brousicích nástrojů právě tak, jako na řezivosti samotného zrna. Pojiva jsou: 1. anorganická

2. organická

a) keramická (označení V) b) silikátová (označení S) c) magnezitová (označení O)

a) šelaková (označení E) b) pryžová (označení R) c) syntetické pryskyřice (B)

38

Výroba brousících pomůcek Z těchto pomůcek se nejvíce používají brousicí plátna, papíry a pásy. Do této skupiny jsou zařazeny i brousicí a lapovací pasty. Brousicí plátna, papíry a pásy jsou pomůcky s naneseným brusivem. Skládají se ze dvou částí: podkladové (nosné) vrstvy a ze zrn brusiva, které je na ní vhodným tmelem nebo lepidlem přilepeno. Jako podkladového materiálu se používá papíru, textilu nebo Brusiva jsou buď přírodní (pazourek, smirek a granát) nebo umělá korund, karbid křemíku). Pojivo, které pojí zrno k podkladovému materiálu, má velký vliv na jakost nástroje nebo pomůcky. Pojiva se rozdělují na vodě odolná a na vodě neodolná. Mezi odolná patří fenolformaldehydové pryskyřice a alkydové pryskyřice, do druhé skupiny patří klíh a vodní sklo. Použije-li se pojiva odolného vodě, mají pomůcky vyšší výkonnost a životnost, ale v porovnání s klihovým pojivem jsou méně pružná a dražší. Proto se někdy používá tenké krycí vrstvy pryskyřičného pojiva přes základní pojivo klihové. Technologie výroby pomůcek s naneseným brusivem záleží v nanesení vrstvy lepidla na podkladový materiál. Zrno brusiva se dříve nanášelo posypem, dnes se nanáší elektrostaticky, což umožňuje dobrou orientaci zrn. Podkladová vrstva s nanesenými zrny se vysuší, a pak se nanese krycí vrstva pojiva, buď klihová, nebo pryskyřicová. Tyto operace se dělají na pásech širokých asi 1 m. Hotový pás s klihovým pojivem se suší v sušárně při teplotě asi 40 °C, s pryskyřičnými pojivy při teplotě 100 až 120°C. Brousicí nástroje se označují a posuzují podle těchto hledisek: • • • • •

druh brusiva, zrnitost brusiva, tvrdost (soudržnost) nástroje, struktura nástroje, druh použitého pojiva.

Označení je v tomto pořadí: A 98 36 L S V

A 98 36 L S V – nástroj z růžového korundu - zrnitost - tvrdost - pórovité struktury - keramické pojivo

Při označování kotouče se udávají tyto rozměry: D – velký průměr d – průměr upínací díry kotouče š – šířka kotouče

39

4.

Elektrotechnické materiály

4.1

Základní charakteristické vlastnosti

Struktura materiálů je uspořádání částic, ze kterých se daný materiál skládá. Jsou to atomy, ionty, molekuly apod. Podle toho o jaké se jedná částice rozlišujeme: -

makrostrukturu – jedná se o uspořádání oblastí v základním materiálu, jejichž rozměry jsou podstatně větší než rozměry atomů a molekul.

-

mikrostrukturu – jedná se o uspořádání atomů, iontů a molekul.

Kromě běžných technických vlastností (mechanická pevnost, tvrdost, tepelná vodivost apod.) vyžadujeme u materiálů pro elektrotechniku také další vlastnosti, proto rozeznáváme v elektrotechnice tyto materiály: -

vodivé materiály (vodiče),

-

polovodivé materiály (polovodiče),

-

nevodivé materiály (izolanty, dielektrika, nevodiče),

-

magnetické materiály (magnetika).

U elektrotechnických materiálů sledujeme zpravidla tyto vlastnosti: -

mechanické – pevnost v tahu, ohybu, tlaku, tvrdost apod.

-

tepelné – měrná tepelná kapacita, tepelná vodivost atd.,

-

elektrické – rezistivita (měrný odpor), permitivita, el. pevnost apod.

-

magnetické – permeabilita, koercivita, remanentní indukce apod.

-

chemické – odolnost proti kyselinám, zásadám, proti oxidaci apod.

Podle skupenství rozeznáváme látky: -

pevné

-

kapalné

-

plynné

-

plazmu

Plazma je soubor elektricky nabitých a neutrálních částic bez pevné vzájemné vazby, který se v určitém, nepříliš malém objemu projevuje jako elektricky neutrální. Plazma může vzniknout působením vysoké teploty (horká plazma), dále působením ionizačního (např. ultrafialového) záření nebo působením elektrického pole (studená plazma) apod.

4.2

Vodivé materiály

4.2.1 Materiály pro elektrické vodiče Nejdůležitější vlastností, kterou musí materiály pro elektrické vodiče mít, je velká měrná elektrická vodivost, označovaná γ (gama): Dobré vodiče tedy musí mít velké množství volných nosičů, nábojů. Při výrobě neželezných kovů a jejich slitin ztuhnou kovy v krystalických strukturách. Volné elektrony se také nazývají vodivostní elektrony. Tyto volné elektrony jsou pro svůj neregulovaný pohyb všemi směry, analogický pohybu molekul plynu, nazývány elektronový plyn. Měrná vodivost je ovlivněna počtem volných

40

elektronů v jednotce objemu a pohyblivostí volných elektronů. Vlivy zmenšující pohyblivost elektronů zmenšují také měrnou vodivost. Příkladem je četnost vzájemných srážek vodivostních elektronů s ionty kovu při průtoku proudu a zvyšování teploty vodiče. Také poruchy pravidelnosti krystalové mřížky, např. umělé přimísení atomů legujícího nebo znečišťujícího prvku nebo i tváření za studena při výrobě drátu zmenšují vodivost materiálu. Z těchto důvodů je například za studena tažený měděný drát znovu žhaven, aby se odstranily poruchy ve struktuře a jeho vodivost opět narostla.

Důležité požadavky na vodiče elektrické -

velká měrná elektrická vodivost

-

malá teplotní závislost odporu

mechanické -

dobrá ohebnost

-

tvarová stálost pod tlakem

-

velká pevnost v tahu

tepelné -

teplotní stálost

-

dobrá pájitelnost a svařitelnost

chemické -

malá chemická interakce s okolím

-

odolnost proti korozi

Použití vodiče určuje volbu vodiče a pořadí důležitosti jednotlivých vlastností. Například pro výrobu kabelu je důležitá kromě velké vodivosti také ohebnost vodiče. Pro vzdušná vedení jsou pak (kromě vodivosti) důležitými vlastnostmi mechanická pevnost a odolnost proti korozi.

Měď (Cu) Vysoký stupeň čistoty kolem 99,98% je u mědi dosahován elektrolytickým postupem. Tato měď je označována jako katodová měď (KE – Cu). Jejím přetavením se získává v elektrotechnice nejpoužívanější elektrolytická měď (E – Cu), která obsahuje nepatrné množství kyslíku (0,01-0,05%). Měď se dá dobře pájet naměkko (cínem) i natvrdo (mosazí). Ke svařování se však hodí jen ty druhy, které neobsahují kyslík. Vlastnosti mědi. Měď je velmi dobrý elektrický vodič a je po stříbře druhý nejlepší vodič tepla i elektrického proudu. V suchém prostředí měď nekoroduje. Ve vlhkém prostředí se měď zvolna pokrývá zeleným povlakem měděnky neboli patiny (zásaditého uhličitanu CuCO3), který pak chrání měď před další korozí. Při použití mědi v kabelech s gumovou izolací je třeba měděné vodiče chránit před účinky síry (uvolňující se z pryže) pocínováním. Obrobitelnost čisté mědi je špatná, protože se maže (stejně jako čistý hliník). Měď se snadno tváří za studena, např. válcováním (plechy) nebo tažením (výroba drátů). Tvářením za studena však měď křehne a kujnost (měkkost) je nutno jí vrátit vyžíháním. Měď je ,odolná proti vodě.

41

Sloučeniny mědi jsou většinou jedovaté (např. měděnka, která vzniká nejen na vzduchu, ale i působením kyseliny octové a ovocných kyselin). Použití mědi. Elektrolytická měď se spotřebuje ze 40% v elektrotechnice, a to především na výrobu nejrůznějších vodičů (rozvody, vinutí motorů a transformátorů), plošných spojů, lamel komutátorů elektrických točivých strojů a kontaktů. Pro dobrou tepelnou vodivost jsou z mědi zhotovovány hroty pájedel a někdy i chladiče polovodičových součástek. Velká část mědi (40%) se spotřebuje na výrobu slitin a asi 20% mědi se spotřebuje jinak (střešní krytina, okapy a topné a varné trubky, topeniště).

Hliník (Al) Hliník je nejrozšířenější prvek v zemské kůře. K výrobě se ze všech rud hodí nejlépe bauxit a kryolit. Výroba se děje v elektrické peci, v níž se oxid hlinitý, připravený pálením bauxitu, taví elektrickým proudem s přídavkem kryolitu (který usnadňuje tavení) a současně se rozkládá. K výrobě 1 tuny hliníku je třeba 4 tun bauxitu a 15 MWh elektrické energie. Čistota elektrolytického hliníku je v rozmezí 99,5-99,99%. Vlastnosti hliníku. Hliník je dobrým vodičem elektřiny i tepla. Na vzduchu se hliník pokrývá pevnou vrstvou oxidu hlinitého, která jej chrání před dalšími povětrnostními vlivy. Z kyselin narušuje hliník pouze HCl, avšak alkalické roztoky hliník leptají. Oproti mědi je hliník lehký, měkký ohebný a málo pevný ( viz. tabulka). Vlivem tlaku hliník pomalu "teče", hliníkové vodiče utažené ve svorkách a pod šrouby se postupně rozmáčknou a uvolní, což může být příčinou vzniku elektrického oblouku a následně požáru. Použití hliníku. V elektrotechnice nachází hliník uplatnění jako vodič (rozvodné lišty, vodiče kabelů a v kombinaci s ocelí vzdušné vedení), jako opláštění kabelů, jako vinutí transformátorů a jako fóliové elektrody kondenzátorů. Používá se též k výrobě žebrovaných chladičů výkonových polovodičových prvků. Při pájení a sváření je nutno použít tavidlo, které odleptá ochrannou vrstvičku oxidu hlinitého. Pro přímé napojení na měděný vodič je hliníkový vodič nevhodný. K domovním rozvodům se již hliníkové vodiče nepoužívají. Tabulka: Vlastnosti vodivých materiálů měrná měrná bod elektrická tepelná hustota ς materiál vodivost A tání 3 vodivost γ v kg/dm v ve ve °C m/(Ω.mm2) W/(m— K) měď

8,9

> 57

372

1085

hliník

2,7

> 36

209

658

teplotní pevnost tažnost do součinitel v tahu odporu ά přetržen í Rm v K-1 Av% 2 v N/mm (O-100°C) 200 až 0,0039 20-45% 250 0,0040

65 až 170

4-40%

Čistý hliník pro elektrotechniku má označení E - Al xx.x, např. E - Al 99,5. Pro konstrukční účely se používají hliníkové slitiny (např. dural: Al-Cu 4-Mg), které mají větší pevnost, ale horší (menší) elektrickou vodivost.

42

Slitiny mědi a slitiny hliníku Vlastnosti čistých kovů lze ovlivnit slitinovými příměsemi, tj. legováním. Při legování se příměsi přidávají do taveniny při výrobě legovaného kovu čili slitiny. Legováním se většinou zvětšuje pevnost a tvrdost, zatímco naopak klesá tažnost. Měrná elektrická vodivost se legováním vždy zmenší. Slitina má většinou nižší bod tání, než samotné kovy převažující ve slitině. Slitiny neželezných kovů se označují chemickými značkami složek a číslicemi označujícími procentní obsahy příměsí, a to v pořadí: základní kov, 1. příměs, obsah 1. příměsi, 2. příměs, obsah 2. příměsi, ... Např. slitina Cu Zn 10 obsahuje 90% mědi a 10% zinku. Některé slitiny mědi a hliníku jsou důležité vodivé materiály.

Nízkolegované měděné slitiny označení

příklady použití

CuTe P

vzdušná vedení, trolejová vedení

CuCd 1

vidlice, zásuvky

CuSe 2

pružiny vedoucí proud

CuNi 2 Si

pouzdra diod a tranzistorů

Nízkolegované měděné slitiny. Nepatrné příměsi berylia (Be), kadmia (Cd), manganu (Mn), niklu (Ni), fosforu (P), křemíku (Si) a teluru (Te) zlepšují pevnost a obrobitelnost při zachování velké elektrické a tepelné vodivosti, jakož i odolnost proti korozi. Podíl příměsí je v těchto slitinách 1 až 2%. Slitiny mědi a zinku (mosazi) označení (% Zn)

příklady použití

Ms 95 (5% Zn)

objímky, svorky

Ms 90 (10% Zn)

hřídele, šrouby, matky

Ms 65 (35% Zn)

kontaktní péra, svorky pro venkovní vedení

Slitiny mědi a zinku s obsahem zinku 5 až 45% se nazývají mosazi. Mají zlatožlutou až tmavě oranžovou barvu. Elektrická vodivost mosazi je podstatně horší než vodivost mědi, je jenom 10 až 30 m/(Ω . mm2). Pevnost v tahu je 300600 N/mm2. Slitina mědi a cínu se nazývá cínový bronz a obsahuje 2-13% cínu a nepatrné přísady olova, zinku nebo niklu. Elektrická vodivost je jen 25-10 m/{Ω . mm2). Pevnost v tahu lze tvářením za studena zvýšit z 300 až přes 1200 N/mm2. Materiály CuSn6 (423016) a CuSn8 (423018) se používají pro výrobu pružin do elektrických přístrojů, pružných trubek a membrán tlakoměrů a kontaktů do plochých zásuvek. Cínový bronz je odolný proti korozi, je tvrdý a pružný. Slitina mědi a hliníku se nazývá hliníkový bronz a obsahuje většinou 5-10% Al a další legující prvky. Hliníkové bronzi mají velkou pevnost a jsou odolné proti korozi. Vyrábějí se z nich konstrukční díly přístrojů, šrouby, části ložisek a ozubená kola.

43

Slitiny hliníku se většinou používají jako konstrukční materiály, z nichž nejznámější je dural (Al-Cu4-Mg). Pro elektrotechniku má význam slitina zvaná Aldrey (E - Al Mg Si) používaná na vzdušná vedení. Má pevnost v tahu nejméně 300 N/mm2, avšak menší elektrickou vodivost 30-33 m/(Ω . mm2).

Otázky k opakování 1. Jmenujte faktory ovlivňující měrnou vodivost vodiče. 2. Jmenujte vlastnosti elektrolytické mědi. 3. Jaké nedostatky má hliník oproti mědi jako elektrický vodič? 4. Co je to legování? 5. Jak ovlivňuje legování elektrickou vodivost kovu?

4.3

Odporové materiály

Materiály pro odpory jsou v elektrotechnice používány k výrobě rezistorů a topných odporů. Rozsah použití zahrnuje techniku tenkých vrstev na tělískách rezistorů, odporové prvky v integrovaných obvodech, měřicí odpory a výkonové odpory. V souladu s růzností použití odporových materiálů jsou také různé požadavky na jejich vlastnosti.

Důležité požadavky na odporové materiály elektrické − − − −

velký měrný odpor malý teplotní koeficient odporu velká proudová zatížitelnost malé termoelektrické napětí vůči mědi (u měřicích odporů)

mechanické − − −

dobrá opracovatelnost dobrá tažnost stabilní vlastnosti při zpracování zastudena

tepelné − − − −

malá teplotní roztažnost dobrá tepelná odolnost dobrá pájitelnost vysoký bod tání

chemické − −

odolnost proti korozi odolnost proti tvorbě okují při rozžhavení (proti okysličování)

K výrobě odporových drátů jsou používány slitiny kovů. Legováním dobře vodivé mědi lze dosáhnout mnohonásobného zvýšení měrného odporu. Tyto slitinové příměsi změní současně i ostatní vlastnosti mědi, a to vlastnosti mechanické,

44

tepelné i chemické. Slitinové kovové materiály dobře odvádějí i vyzařují teplo. Slitiny mědi a slitiny niklu patří k nejdůležitějším odporovým materiálům . Pro topné odpory bývají také využívány slitiny železa. Kromě drátů k výrobě vinutých a topných odporů jsou připravovány slitiny, např. PtAg, NiCr a oxidy kovů, např. ZnO, jakož i uhlík pro výrobu vrstvových rezistorů. Pro výrobu masivních rezistorů se používá např. směs práškového uhlíku s izolantem, který zároveň tvoří pojivo. Hodnota měrného odporu odporového materiálu musí být taková, aby mohl mít rezistor s požadovanou hodnotou odporu vhodné geometrické rozměry, které na jedné straně umožňují vyzářit ztrátové teplo a na druhé straně se odporové těleso (rezistor) musí vejít do vymezeného prostoru.

Slitiny pro odporové dráty a topné odporové spirály

složení v %

měrný odpor v Ω.mm2/m

max. dovolená teplota na vzduchu ve °C

CuNi2

2% Ni, zbytek Cu

0,05

300

odpory malých hodnot

CuNi6

6% Ni, zbytek Cu

0,10

300

topné vodiče

CuMn12Ni

12% Mn, 2% Ni, zbytek Cu

0,43

140

CuNi44 (konstantan)

44% Ni, 1% Mn, zbytek Cu

0,49

600

NiCr8020

80% Ni, 20% Cr

1,08

600 - 1200

označení

příklady použití

měřicí a přesné odpory odpory, potenciometry, topné vodiče odpory velkých hodnot, topné spirály

K vnitřnímu propojování i k vnějšímu připojení měřicích přístrojů se používají měděné vodiče, proto musí být měřicí odpory z materiálů, které nemají při zahřátí vůči měděným vodičům termoelektrické napětí, tedy ze slitin s velkým obsahem mědi. Otázky k opakování 1.Jaké vlastnosti musí mít odporové materiály? 2.Proč jsou k výrobě rezistorů používány slitiny kovů? 3.K čemu se používají topné vodiče?

4.4

Materiály pro kontakty

Spínací kontakty vypínačů, právě tak jako kluzné kontakty reostatů a potenciometrů, musí vyhovět různým požadavkům. Rozpínací kontakty musí přerušovat v krátkých časech (např. 10 ms) proudy od několika mA až do 60 kA. Na sepnutých kontaktech by měl být co nejmenší přechodový odpor, tj. co nejmenší úbytek napětí. Na výrobu kontaktů se používají speciální materiály, které musí vyhovět náročným požadavkům. Ke splnění požadavků kladených na kontakty je třeba volit vhodný materiál i vhodný tvar kontaktů. Materiály na

45

kontakty tvoří buď celé kontaktní péro, nebo jen malou kontaktní destičku, bodově svařenou s kontaktovým pérem.

Požadavky na materiál pro kontakty -

velká měrná elektrická vodivost

-

velká tepelná vodivost

-

vysoký bod táni, vysoký bod varu

-

malý otěr

-

malé ztráty opalováním

-

malý sklon ke spékáni kontaktů

-

dostatečná pevnost a tvrdost

-

odolnost proti chemickým vlivům

Při spínání a hlavně při rozpínání kontaktů pod proudem se tvoří jiskry nebo elektrický oblouk o teplotě až 6000°C, který způsobuje tavení a odpařování části drahého kontaktového materiálu. Při sepnutí kontaktu nesmí dojít ke spečení kontaktů, které by zabránilo jejich dalšímu rozpojení. Změny na povrchu kontaktů jsou určující pro jejich životnost a zvětšují také přechodový odpor mezi sepnutými kontakty. Náročné požadavky na kontakty, tj. dobrá elektrická vodivost a odolnost proti opalování, nesplňuje žádný z čistých kovů. Kovy s dobrou vodivostí, např. stříbro, mají nízký bod tání (u stříbra 960°C). Naopak wolfram má vysoký bod tání (3410°C), ale třikrát menší vodivost (γ = 18 m/(Ω . mm2)) než Ag. Slitina těchto dvou kovů má však již vlastnosti vhodné pro kontakty s velkou odolností proti opalování. U spínačů pro velké proudy bývají kontakty provedeny tak, že jsou oba požadavky (na dobrou vodivost a dobrou odolnost proti opalování) rozloženy na 2 kontakty. Hlavní kontakty jsou z dobře vodivého materiálu a rozpínací (opalovací) kontakty jsou z materiálu odolného proti opalování. Při rozpínání se nejdříve odpojuje hlavní kontakt a pak rozpínací kontakt. Při spínání sepne nejprve rozpínací kontakt, odolný proti spečení a pak hlavní kontakt. Kontakty lze rozdělit na rozpínací (nebo spínací) a kluzné. Rozpínací kontakty dělíme pak podle velikosti spínaného proudu a podobně dělíme kluzné kontakty na potenciometry (děliče napětí) a reostaty nebo trimry (proměnné odpory). V tabulce jsou uvedeny kovy a slitiny používané na jednotlivé typy kontaktů. Čisté (ryzí) stříbro (Ag) je odolné proti oxidaci, má však sklon ke tvoření sirníku, proto se odolnost jeho povrchu zlepšuje galvanickým pozlacením. Stříbro je také používáno k postříbření mosazných kontaktů Hi-Fi přístrojů. Ve vf. technice jsou používány postříbřené vodiče využívající skinefekt (vedení proudu po povrchu vodiče). Stříbro je však využíváno hlavně v ušlechtilých slitinách, např. jemnozrnné stříbro (AgNi 10) . Čisté (ryzí) zlato (Au) je používáno, je-li požadován malý a konstantní přechodový odpor mezi kontakty. Příklady: zlacené zástrčky HiFi techniky, zlaté propojovací drátky mezi vývody integrovaného obvodu a nožkami jeho pouzdra a zlacený povrch kontaktů relé. Zlato je ve sdělovací technice používáno jako základ ušlechtilých slitin a pájek. Povrchy desek plošných spojů včetně přímých konektorů u špičkových

46

zařízení výpočetní techniky bývají také zlaceny. Čistá měď je používána na kontakty jen zřídka, protože snadno oxiduje. Měď je proto používána na kontakty hlavně ve slitinách.

Materiály na kontakty oblast použití -příklady použití

složení materiálů

rychlé spínání napětí (nepatrných proudů) - mikrospínače

Ag, Au, Pt, Rh AgCd, AgNi, AgPd, Ptlr

kontakty pro spínání proudů (výkonů) - pomocné spínače - přístrojové spínače - programovatelné spínače - regulátory

malých CuAg, CuAgCd, AgCd,AgPd,Pd AgSn02, PdCu Pt, Ptlr

kontakty pro spínání středních proudů(výkonů) - stykače - jističe - nízkonapěťové výkonové spínače

AgC,AgCd AgNi, AgSn02, AgZn CuAg,CuAgCd PdCu, Ptlr

kontakty s velkou odolností proti opalování - nízkonapěťové výkonové spínače - vysokonapěťové výkonové spínače

CuCr WAg, WCu

posuvné a kluzné kontakty - kartáče elektrických točivých strojů - trolejové sběrače lokomotiv

C,AgC,Cu

Slitiny jsou v případě materiálů na kontakty používány pro dobré vlastnosti, kterých se podařilo u některých slitin dosáhnout. Tyto slitiny jsou pevné, tvrdé a odolné proti otěru. Jsou také odolné proti opalování, vypalování materiálu a spékáni. Nevýhodou je snížená vodivost. Významné legující prvky do slitin pro kontakty jsou: měď, stříbro, zlato, platina a paladium. Kompozitní materiály pro kontakty jsou tvořeny spékáním nebo smícháním a vy tvrzením. Tyto materiály spojují vlastnosti více látek, např. kovů, slitin a nebo grafitu v jednom novém materiálu. Obzvláště materiály s velkou vodivostí, velkou tvrdostí, malým sklonem ke spékáni a materiály odolné proti opalování jsou vhodné ke spojení do nového materiálu vhodného pro kontakty. Zvláště významný prvek spojovaných materiálů je porézní wolfram pro svoji odolnost proti opalováni. Při smíchání se stříbrem a s mědí se zvýší tepelná i elektrická vodivost. Uhlík má sice menší vodivost než kovy, ale je stálý a odolný jako ušlechtilé kovy. Při spínání malých proudů nedochází ani k opalování, ani ke ztrátě materiálu z kontaktů. U kluzných kontaktů se využívá samomazací schopnost uhlíku. Uhlík se netaví, ale až při teplotě 3847°C přechází v plyn. Uhlík rozlišujeme ve formě diamantu, tuhy, sazí a karbidů (kde je vázán s kovy). Otázky k opakování 1.Jaké jsou požadavky na kontaktní materiály?

47

2. Proč jsou pro kontakty v elektrotechnice využívány převážně slitinové a kompozitní materiály? 3.Jaké vlastnosti má hlavní kontakt a rozpínací kontakt výkonového vypínače?

4.5

Magnetické materiály

Magnetické materiály se dělí na materiály magneticky tvrdé a materiály magneticky měkké. Zmagnetování magneticky tvrdé látky vyžaduje velkou energii a rovněž tak odmagnetování (odstranění magnetických vlastností), resp. přemagnetizace na opačnou polaritu vyžaduje velkou energii, která se přemění v teplo. Magneticky měkké materiály lze přemagnetizovat malou energií elektromagnetického pole, tj. s malými hysterezními (přemagnetizačními) ztrátami. Magneticky tvrdé materiály Používají se pro výrobu trvalých (permanentních) magnetů. Feritové magnety jsou nejpoužívanější permanentní magnety. Jsou spékané z práškového oxidu železitého (Fe203) a Ba02 (bariumferit) nebo Sr02 (stronciumferit). Tyto tvrdé ferity se svou tvrdostí a křehkostí podobají keramickým materiálům a lze je opracovávat jen diamantovými nástroji. Magnety AINiCo jsou trvalé magnety ze slitiny hliníku, niklu a kobaltu s malým obsahem železa, mědi a titanu. Magnety s velkou magnetickou energií jsou spékány z práškových materiálů, a to s využitím vzácných zemin. K nejznámějším patří kombinace samarium-kobalt a kombinace neodym-železo-bor. Tyto magnety dosahují hustoty energie až 280 kJ/m3, což umožňuje vyrábět malé silné magnety. Magnety s plastovým pojivem jsou vyráběny práškovou lisovací nebo vstřikovací technologií z prášku magnetického materiálu a z prášku pojiva. Vyrobené magnetické desky nebo magnetické pásky procházejí silným magnetickým polem, kterým jsou předmagnetizovány. Použití trvalých magnetů. Permanentní magnety jsou používány např. jako budicí magnety stejnosměrných motorů a malých dynam (např. na jízdních kolech), jako trvalé magnety měřicích přístrojů, snímačů, reproduktorů, mikrofonů a sluchátek, jakož i k obrazové korekci u obrazovek s elektromagnetickým vychylováním, k výrobě magnetických spojek a upínacích desek obráběcích strojů (brusek). Magneticky měkké materiály Jádra cívek, která svým malým magnetickým odporem zaručují velký magnetický tok i velkou magnetickou indukci, tj. zesilují oproti bezjádrové cívce magnetický tok a po odpojení napájení cívky ztratí magnetismus, jsou tvořena magneticky měkkými materiály. Také cívky střídavých strojů potřebují magneticky měkká jádra s malými hysterezními ztrátami. Elektroplechy (transformátorové, statorové, ... ) jsou vyráběné z konstrukční oceli, legované 4% Si pro zvětšení měrného odporu, omezujícího vířivé proudy. Vyšší obsah křemíku činí materiál křehkým a lámavým. Povrch plechů je potažen izolační vrstvou, např. fosfátováním, která je silná 1 až 10 11m. Volbou materiálu elektroplechů lze ovlivnit ztráty v železe a tedy i účinnost elektrických strojů.

48

Neorientované elektroplechy jsou válcovány zatepla nebo zastudena na sílu 0,35 až 0,65 mm. Tyto elektroplechy se používají v elektrických točivých strojích (rotorové a statorové plechy), svářecích transformátorech, tlumivkách pro zářivková tělesa a elektromagnetických ovládačích, např. v elektromagnetech stykačů. Orientované plechy jsou magneticky orientované díky výrobní technologií žíhání a válcování zastudena, při kterém se hrany krystalů zorientují jedním směrem. Plechy tím získají předmagnetizaci, odpovídající orientací směru válcování. V tomto směru mají tyto plechy menší induktivní odpor, než neorientované plechy. Orientované plechy se vyrábějí v tloušťkách 0,2-0,35 mm. Orientované plechy jsou používány především pro transformátory velkých výkonů. Orientované speciální plechy ze slitin Fe - Ni s obsahem 45-83% Ni lze technologií střídavého žíhání a válcování zpracovat tak, že mají nepatrné hysterezní ztráty (tedy nepatrný zbytkový magnetismus) a velkou permeabilitu. Tyto plechy se používají v elektromagnetech jističů, stykačů a ovládačů, kde musí mít elektromagnety malé rozměry a malý zbytkový magnetismus (nesmí bez proudu lepit). Plná jádra elektromagnetů se vyrábějí spékáním práškového čistého železa s práškovými feroslitinami (FeNi, FeCo, FeSi). Tato jádra se používají v relé. Pro jádra ovládacích elektromagnetů (pohyblivá jádra solenoidů - válcových elektromagnetů) se používají jádra ze slitin FeAl, FeSi, FeCo, FeCrAl a FeAlSi. Tato jádra se používají i pro vyšší kmitočty proudu. Ferity spékané z magneticky měkkých slitin a oxidů jsou používány ve vf sdělovací technice nad 10 kHz. Otázky k opakování 1.Jaké vlastnosti mají magneticky tvrdé a magneticky měkké materiály? 2. Jak ovlivňuje příměs křemíku vlastnosti materiálu pro elektroplechy?

4.6

Izolační materiály

Izolační materiály se dělí na anorganické a organické látky. Jsou to většinou pevné látky, mohou však být i ve formě kapalné nebo plynné. Izolační materiály jsou látky s velkým elektrickým odporem. Zabraňují nežádoucím elektrickým proudům, např. jako izolace elektrických vodičů. Izolace zabraňuje dotyku živých částí pod napětím, např. u elektrických spotřebičů (ochranná izolace), nebo dotyku vodičů s okolními vodivými předměty (provozní izolace). Použitelnost izolantů je závislá na jejich elektrických, teplotních a mechanických vlastnostech. Výběr dále závisí na odolnosti izolantu proti vlivům okolí a na zpracovatelnosti do potřebného tvaru. Elektrické požadavky na izolační materiály K elektrickým vlastnostem izolantů patří měrný elektrický průchozí odpor ςp, povrchový odpor Rp,odolnost proti elektrickému oblouku, vytváření povrchových vodivých cest (svodů) a průrazná (napěťová) pevnost. K důležitým elektrickým vlastnostem izolantů při jejich použití jako dielektrik kondenzátorů nebo izolace vf kabelů patří poměrná permitivita a ztrátový činitel. Měrný průchozí odpor ςp může být definován jako odpor krychle o hraně 1 cm

49

mezi 2 protějšími stranami v Ω— cm, což je praktická jednotka blízká hodnotám při měření této veličiny. Měrný průchozí odpor izolantů ςp v Ω.cm (1 Ω cm = 0,01 Ω m) dřevo

109

porcelán

1011

polyamid

1012

fenolformaldehydová pryskyřice (bakelit)

1012

polyesterová pryskyřice

1011

sklo

1014

polyetylen

1015

silikonová pryskyřice

1015

PVC

1016

polystyren

1016

epoxidová pryskyřice

1016

slída

1017

polytetrafluoretylen

1018

Povrchový odpor Rp charakterizuje izolační vlastnosti povrchové vrstvy izolantu a měří se v Ω. Povrchový odpor se může zmenšovat vnějšími vlivy, jakými jsou vlhkost a usazování nečistot. Z tohoto důvodu je povrch desek plošných spojů konzervován ochranným lakem. Odolnost proti elektrickému oblouku, který se vytvoří např. ve vlhkém vzduchu nad povrchem izolátoru, je pro trvanlivost izolantů velmi důležitá. Odolnost izolantu se testuje mezi dvěma elektrodami tak, že je vyvolán a udržován elektrický oblouk a pak jsou zkoumány změny na povrchu izolantu. Izolant přitom nesmí ani vzplanout, ani se nesmí roztavit. Elektrická průrazná pevnost Ep izolantu je maximální intenzita elektrického pole, při které ještě nedojde k průrazu, tj. k průchodu elektrického proudu. Při měření průrazné pevnosti je mezi elektrody vložena destička testovaného izolantu, napětí (střídavé) se pomalu zvyšuje na jmenovitou hodnotu udávanou výrobcem a pak je ponecháno 1 minutu na této hodnotě. Povrchové proudy (plazivé proudy) tečou vodivými cestami vytvořenými nečistotami. Nečistoty mohou při zkratech a obloucích zuhelnatět a vytvořit pak vodivé cesty ve tvaru úzkých stop (proužků), nazývaných též povrchové svody. Odolnost proti povrchovým proudům je právě odolnost proti vzniku povrchových svodů při povrchových proudech (např. při přepětí při úderu blesku může povrchový zkrat vytvořit na povrchu zaprášeného vlhkého izolátoru vodivou uhlíkovou cestu, která se udrží stejně nesnadno jako nečistoty na dokonale hladkém porcelánovém izolátoru), Odolnost proti vzniku svodů na povrchu izolantu se testuje na vodorovném povrchu vzorku zkoušeného izolantu mezi dvěma elektrodami přitlačenými na povrch. Na testovaný povrch kape vodivá kapalina, např. 0,1% roztok chloridu amonného NH4Cl. Při střídavém napětí 100 až 600 V a maximálně 50 kapkách je měřen proud. Protéká-li proud větší než 0,5 A déle než 2 sekundy, je povrch

50

považován za narušený povrchovým proudem. Vytváření povrchových svodů je v praxi významné na deskách plošných spojů a na izolátorech vysokonapěťových vedení rozvodů a spínačů. Měřením se stanovuje porovnávací index odolnosti proti plazivým proudům. Poměrná permitivita U izolantů je žádoucí malá permitivita (kapacita koaxiálního vf kabelu, např. televizního svodu, způsobuje útlum signálu) a u dielektrik kondenzátorů je naopak žádoucí velká permitivita. Anorganické izolanty Anorganické izolanty jsou přírodní minerály s krystalickou strukturou. V elektrotechnice se používají především křemičitany, např. slída (používá se flogopit, tj. hořečnatá slída a muskovit, tj. světlá slída - křemičitan hlinitodraselný). Častěji jsou však přírodní minerály používány jako surovina k výrobě jiných látek, např. skla, porcelánu nebo keramických materiálů. Slída (muskovit i flogopit) krystalizuje v jednoklonných šestibokých tabulkách a dá se dokonale štípat v perleťově lesklé a pružné průhledné lupínky. Je odolná proti vysokým teplotám (používala se na okénka dvířek kamen) a má velmi dobré vlastnosti jako izolant. Štípaná slída se používá jako dielektrikum kondenzátorů nebo jako izolace, např. mezi lamelami komutátorů elektrických točivých strojů nebo mezi výkonovým tranzistorem a tělesem chladiče. Materiály na bázi slídy se označují jako mikanit (podle anglického slova mica = slída). Z plátků slídy a pryskyřičného pojiva jsou vysokým tlakem lisovány destičky. Mikanitu se v elektrotechnice využívá jako nosičů topných spirál, nebo k izolaci mezi vinutími elektrických strojů. Azbest nebo též osinek je vláknitou odrůdou hadce nebo serpentinu (chryzolit), tvořeného vodnatým křemičitanem hořečnatým, nebo též vláknitou odrůdou amfibolové břidlice, která navíc obsahuje křemičitan vápenatý, případně ještě další křemičitany, hlavně křemičitan železitý. Chryzolit se roztřepuje v hedvábně lesklá vlákna, užívaná ke tkaní nespalitelných látek. Azbest je poměrně odolný proti kyselinám, je lámavý a po delším zahřátí křehký. Chryzolitový prach je velkým nebezpečím pro plíce, protože po vdechnutí ulpí dlouhodobě v plicích a může vyvolat rakovinu. Z tohoto důvodu již není používán k výrobě žáruvzdorných tkanin a je zde nahrazován akrylátovými a skleněnými vlákny. Dnešní brzdová obložení již také neobsahují azbest. S chryzolitem je možno se ještě setkat v žáruvzdorných azbestocementových tvárnicích. Amfibolový azbest nedosahuje vlastností chryzolitu; používá se zejména na kyselinovzdorné výrobky. Keramické izolanty jsou v elektrotechnice hojně používány pro zvláště dobré elektrické i tepelné izolační vlastnosti, mechanickou pevnost, trvanlivost a teplotní stálost. Keramické součástky a polotovary z anorganických surovin, např. jílu, kaolínu, nebo mastku jsou ve formách vytvaroványa pak vypáleny v peci. Vypálením se zbaví vody a získají velkou pevnost. Mimořádnou pevnost získají vypálením (resp. spékáním) součástky z oxidů, např. z oxidu hlinitého (AlO3), který je základem korundu, rubínu i safíru. Oxidová keramika (slinuté oxidy) je tvrdší než ocel, má vysoký bod tání (2000°C-3000°C), je chemicky odolná, teplotně stabilní a odolná proti teplotním šokům, je velmi dobrým elektrickým izolátorem. Tyto materiály je možno řezat jen diamantovými nástroji nebo laserem. Keramické materiály jsou používány jako dielektrikum, např. pro kondenzátory.

51

Součástky z oxidové keramiky (ze slinutých, tj. spékaných oxidů) jsou základem pro výrobu čipových odporů, trimrů, termohlav inkoustových tiskáren nebo pro substrát (základovou desku) integrovaných obvodů větších rozměrů (pro malou teplotní roztažnost) Sklo je průhledné, bezbarvé, tvrdé a křehké. Jeho izolační vlastnosti závisí na teplotě. Ze skla se vyrábějí v elektrotechnice baňky žárovek, výbojek, elektronek a obrazovek, trubice zářivek a světlovodná vlákna. Základem je křemičitan sodnovápenatý nebo křemičitan draselnovápenatý.

Organické izolanty Struktura a rozdělení organických izolantů K izolačním účelům v elektrotechnice jsou používány z organických látek hlavně látky s makromolekulární strukturou. Tyto makromolekulární látky lze rozdělit na přírodní látky, chemicky změněné přírodní látky a syntetické látky, tzv. umělé hmoty nebo plasty. Organické přírodní látky Z přírodních látek jsou v elektrotechnice používány jako izolanty především papír, minerální oleje, parafín a bavlna. K důležitým chemicky změněným přírodním látkám patří např. vulkanizovaný kaučuk (guma) a výrobky z celulózy Syntetické látky (umělé hmoty) Nejdůležitějšími základními surovinami pro výrobu umělých hmot jsou ropa a zemní plyn. Řízenou polymerací lze vyrábět umělé hmoty různých vlastností. Tyto umělé hmoty jsou lehké, odolné proti vodě, elektricky nevodivé, tepelně dobře izolující a chemicky odolné. Polymerací, polykondenzací nebo adiční polymerací lze k makromolekulám připojovat různé jednotlivé molekuly a tak vyrábět různé umělé hmoty. Podle chování se umělé hmoty dělí na termoplasty, termosety a elastomery. Termoplasty Termoplasty jsou opakovaně tepelně tvarovatelné. Lze je za tepla lisovat, vstřikovat do forem a svařovat.

52

Důležité termoplasty materiál polyvinylchlorid (PVC)

polyetylen (PE)

polyamid (PA)

polytetrafluoretylen(PTFE)

polystyren (PS)

vlastnosti

použití 3

hustota: 1,35 kg/dm , nejvyšší provozní teplota 80°C bezbarvý, průhledný, nepitelný, svařitelný hustota: 0,92 kg/dm3 nejvyšší provozní teplota 110°C bezbarvý až mléčný, voskovitý svařitelný, nelepitelný hustota: 1,14 kg/dm3 nejvyšší provozní teplota 150°C, rohovitý (neprůhledný). mléčně bílý hladký, odolný proti roztržení, svařitelný hustota: 2,2 kg/dm3, nejvyšší provozní teplota 250°C, voskovitý, nelepitelný, velmi hladký, odolný proti většině chemikálií hustota: 1,1 kg/dm3, nejvyšší provozní teplota 90°C lepitelný, odolný proti zředěným kyselinám a louhům sklovitě čirý, leštitelný, tvrdý, křehký,

izolace vodičů a kabelů, izolační pásky, fólie (měkčený PVC). zásuvky, instalační trubky (novodur) izolace vodičů a kabelů (hlavně pro vf techniku)., fólie, tvarovatelné díly smršťovací obalové fólie hmoždinky, ochranné helmy, (silon, nylon) ovládací knoflíky, zásuvky, pouzdra přístrojů, nosné části izolačních krytů povrch domácích přístrojů, těsnění, izolační hadice, izolace vodičů, kostry cívek, desky plošných spojů šablony pro kreslení, kryty elektrických přístrojů, tlačítka průzory (průhledné kryty), pěnový polystyren pro výplně přepravních obalů

Termosety (termoaktivní pryskyřice) Termosety jsou umělé hmoty, které lze po vy tvrzení třískově obrábět, ale nelze je tvářet. Vytvrzený termoset při ohřívání nikdy nezměkne, nýbrž zkřehne a pak se rozpadne. Při normální teplotě 20°C jsou termosety tvrdé a křehké. Při překročení nejvyšší provozní teploty ztratí pevnost a rozpadnou se. Při vysoké teplotě zuhelnatí nebo shoří.

53

Tabulka: Důležité termosety materiál fenolformaldehydová pryskyřice (PF)

epoxidová pryskyřice (EP)

nenasycené polyesterové pryskyřice (UP)

polyuretanová pryskyřice (PUR)

melamin- formaldehydová pryskyřice (MF)

silikonová pryskyřice (SI)

vlastnosti hustota: 1,25 kg/dm3, nejvyšší provozní teplota 130°C, tvrdá, křehká, odolná proti povrchovým svodům, tmavé zbarvení hustota: 1,2 kg/dm3, nejvyšší provozní teplota 150°C, tvrdá, houževnatá, dobře zatéká do formy, dá se dobře lepit, chemicky stálá hustota: 1,2 kg/dm3, nejvyšší provozní'teplota 150°C, tvrdá až měkká, houževnatá, čirá, dobře zatéká do formy, lepitelná hustota: 1,25 kg/dm3, nejvyšší provozní teplota 100°C, tvrdá až měkká, elastická, zpěnovatelná, dobrá přilnavost hustota: 1,5 kg/dm3, nejvyšší provozní teplota 120°C, tvrdá, houževnatá při rázech, odolná proti povrchovým svodům, stálá na světle, křehká hustota: 1,9 kg/dm3, nejvyšší provozní teplota 300°C, tvrdá až měkká, resp. elastická velmi malá nasáklivost vodou stabilní v oleji

použití hlavní materiál pro desky plošných spojů. kostřičky cívek, svorkové lišty, části vypínačů zalévací pryskyřice pro elektromotory, kabelové spojky a vícevrstvé desky plošných spojů (str. 545). kryty přístrojů krabice pro odbočky a vypínače, magnetofonové a video pásky, diskety, zalévací hmota, pouzdra a kryty skříně rozhlasových a televizních přijímačů, lepidla a laky, pěna pro izolace chladniček, zalévací pryskyřice vypínače, zásuvkové a odbočovací krabice, držadla žehliček, lepidla, laky a pojiva, díly pro autoelektriku impregnace vinutí motorů a transformátorů, uložení elektronických prvků, hmota pro odlévání

Umělé pryskyřice patřící k termosetům, např. epoxidové pryskyřice, jsou často používány jako spojovací materiál při výrobě laminovaných výrobků. Nosným materiálem jsou pak vrstvy papíru nebo tkaniny ze syntetických nebo skelných vláken. Je-li nosným materiálem tkanina z nekonečného vlákna, např. uhlíkového, je možno postupným střídáním tkaniny a pryskyřice získat velmi pevné laminované (sendvičové) materiály. Laminováním na formě lze vyrábět helmy, kajaky, obytné přívěsy nebo části jízdních kol či letadel. Při použití uhlíkových vláken se mluví o karbonových materiálech a při kombinaci více druhů vláken se mluví o kompozitních materiálech. Umělé pryskyřice se připravují jako dvousložkové. Po smíchání složek (základní hmoty a tužidla) je třeba touto směsí vyplnit nachystanou formu a směs během několika minut nebo desítek minut ztvrdne za vývinu tepla. Kombinací skelné tkaniny a epoxidové pryskyřice lze získat velmi pevný a stabilní laminát.

Elastomery Elastomery se skládají z dlouhých polymerových řetězců, které se při vulkanizaci (vpravení síry do chemické struktury, ve které síra vytvoří tzv. sirné můstky)

54

propojí v síť. která může být pružná (1-2% síry) nebo velmi pevná (např. 35% síry v kaučuku vytvoří ebonit používaný na výrobu hřebenů). Rozlišujeme přírodní kaučuk (dlouhé řetězce tvořené z izopentanových jednotek), styrenbutadienový kaučuk, butadienový kaučuk a chlorprenový kaučuk. Zahříváním přírodního kaučuku s práškovou sírou (vulkanizací) se získává guma, která se v elektrotechnice používá především jako izolace ohebných kabelů. Styren-butadienový kaučuk a butadienový kaučuk se vyrábí synteticky (uměle) a používá se jako technická pryž k opláštění vodičů a kabelů a k zalévání vidlic přívodních šňůr. Chlorprenový kaučuk má velkou tepelnou odolnost i dobrou odolnost proti zředěným kyselinám i proti povětrnostním vlivům, dá se jen obtížně zapálit. Používá se k opláštění pohyblivých kabelových přívodů se středním mechanickým namáháním.

Tekuté izolanty Tekuté a voskovité izolanty se v elektrotechnice používají buď samotné jako zalévací hmota nebo k impregnaci izolačních papírů či tkanin. Používají se většinou ropné produkty, jako vazelína, parafin a bitumeny. Vedle těchto přírodních produktů se používají i produkty syntetické, např. silikony nebo fluorizované uhlovodíky. Úlohou izolačního oleje je zlepšení izolace, zalití nežádoucích dutin a odvod tepla, např. u transformátorů. Tyto oleje nesmí poškozovat ostatní izolační materiály, se kterými přicházejí do styku (papír, tkaniny). musí se dobře vsakovat a tím chránit impregnované látky před vlhkostí. Polychlorované bifenyly (PCB), např. chlophen vyráběný z benzenu a chloru, jsou používány jako izolační kapalina. Chlophen hasí oheň a je používán jako chladicí a izolační prostředek v transformátorech. Při zahřátí na teploty 300°C až 1000°C se z chlophenu uvolňuje velmi jedovatý dioxin, proto je postupně chlophen nahrazován silikonovými oleji. PCB jsou dnes již ve většině zemí zakázány pro uvolňování toxických a těžko likvidovatelných látek při jejich likvidaci ve spalovnách. Silikonové oleje jsou čiré kapaliny bez barvy a zápachu. Silikonový olej zůstává tekutý až do - 50°C a nemá sklon ke zpryskyřičnění. Používá se v transformátorech a ve spínačích. Bitumen je směs přírodních uhlovodíků podobná asfaltu, používaná impregnační nebo zalévací hmota, např. na zalévání spojek zemních kabelů.

4.7

jako

Polovodičové materiály

Tyto materiály se nazývají polovodiče, protože jejich měrný odpor (měrná vodivost) je mezi odporem (vodivostí) vodičů (kovů) a nevodičů (izolantů), Vodivost polovodičů lze velmi ovlivnit příměsemi (ve složení materiálu) nebo jinými vlivy, např. světlem, elektrickým polem nebo magnetickým polem. Jako polovodičové materiály jsou téměř výhradně používány buď prvky (křemík nebo germanium) a chemické sloučeniny galiumarsenid nebo indiumantimonit, které krystalizují v krychlové soustavě jako diamant. Zde je každý atom spojen čtyřmi vazbami se sousedními atomy. Polovodičové materiály jsou potřebné v mimořádné čistotě. Pomocí zvláštní technologie tažení monokrystalu a zónové tavby je možno docílit čistoty, při které na 1010 atomů (křemíku nebo germania) krystalu polovodiče připadne jen jeden atom jiné látky. Tato čistota odpovídá znečištění bazénu s 500 m3 vody

55

jedinou kapkou jiné látky (0,05 ml). Křemík jako základní materiál je dnes v polovodičové technice nejdůležitější prvek. Více než 90% polovodičových součástek je na bázi křemíku. Upřednostňování křemíku má tyto tři důvody: -

křemíkové součástky vydrží teploty až do 150 °C(oproti 75 °C u germania),

-

čištění i tažení monokrystalu křemíku je technologicky dobře zvládnuté a usnadněné tím, že se jedná o čistý prvek (a ne sloučeninu),

-

při vysoké teplotě se křemík pokryje vrstvičkou oxidu Si02, který dobře izoluje.

Jiné polovodiče se uplatňují jen v případech, kdy jsou vlastnosti křemíku v něčem nevyhovující. Např. germanium má při vysokých kmitočtech proudu výhodnější vlastnosti a dvouprvkový polovodič galiumarsenid má velkou pohyblivost nosičů elementárních nábojů.

Stavba atomů. Jádro atomu křemíku obsahuje 14 protonů a 14 neutronů. Elektronový obal má ve vnitřní vrstvě 2 elektrony, ve druhé vrstvě 8 elektronů a ve vnější valenční vrstvě 4 elektrony. Elektrony ve valenční vrstvě se mohou účastnit chemických vazeb a nazývají se valenční elektrony'. Atomy stejného typu jsou spojeny kovalentní (chemickou) vazbou tvořenou elektronovými páry. Atomy jsou tak blízko, že se jejich obaly prolínají. Přitom se přitáhnou ,elektrony, vždy po jednom z obou atomů a vytvářejí elektronové páry. Touto vazbou mohou 4 elektrony valenční vrstvy atomu křemíku vázat 4 další atomy křemíku

Vlastní vodivost polovodičů Při velmi nízkých teplotách nejsou v krystalech křemíku žádné volné nosiče nábojů. Při pokojové teplotě kmitají atomy křemíku neuspořádaně kolem svých rovnovážných poloh (tepelný pohyb). Tím se některé kovalentní vazby (zpřetrhají) rozpadnou. Jednotlivé valenční elektrony se vzdálí od svých atomů a volně se pohybují uvnitř krystalu (vodivostní elektrony). Napětí připojené na polovodičový krystal vytvoří elektrické pole, které pak unáší elektrony od minus pólu k plus pólu. Jakmile se nějaký valenční elektron vzdálí ze své pozice jako volný elektron, vznikne po něm mezera, zvaná díra nebo P-elektron. Díry tedy rovněž přispívají k vlastní elektrické vodivosti. Valenční elektron sousední vazby totiž může tuto díru zaplnit, pokud je přítomno elektrické pole. Na místě, ze kterého se přesunul, vznikne pak opět díra. Tento průběh se průběžně opakuje. Díra se pohybuje celým krystalem (v opačném směru než elektrony) Nevlastní vodivost polovodičů (dotování polovodičů) Přidáním nepatrného množství příměsi do taveniny čistého polovodičového materiálu stoupne enormně vodivost polovodičového krystalu, např. jediný atom trojvazného bóru na 100000 atomů křemíku zvětší tisíckrát vodivost. Cizí atomy, také např. hliníku nebo fosforu, naruší krystalovou mřížku (poruchy). Přidání cizích atomů do čistého polovodičového materiálu nazýváme dotování (legování, znečišťování). Dotované polovodiče nazýváme nevlastními polovodiči.

56

Polovodičové materiály materiál

použití

křemík (Si)

diody, tranzistory, integrované obvody, tyristory,solární články

germanium (Ge)

vysokofrekvenční —tranzistory, detektory radioaktivního záření

galiumarsenid (GaAs)

světelné diody, laser, vf - tranzistory

indiumantimonid (InSb) indiumarsenid (InAs)

magnetorezistory, Hallovy generátory

kadmiumsulfid (CdS)

fotoodpory, solární články

karbid křemíku (SiC)

topné spirály, varistory, světelné diody

Otázky k opakování 1.

Co rozumíme izolační látkou?

2.

Jmenujte tři organické izolanty?

3.

K čemu se používá slída?

4.

Co je to kysličníková keramika?

5.

Co je to termoplast?

6. 7.

4.8

Který je nejpoužívanější materiál pro výrobu polovodičů Co způsobuje vlastní vodivost polovodičů?

Elektrochemická koroze

Při chemické korozi se slučují kovy, např. hliník s kyslíkem, na oxidy, např. oxid hlinitý (Al203) nebo např. stříbro se sírou (z oxidu siřičitého ve vzduchu) na sulfid stříbrný Ag2S. Při elektrochemické korozi probíhají chemické procesy podobně jako u galvanickém článku. Koroze při vzniku článku Různé kovy nebo slitiny kovů a elektrolyt vytvářejí korozní články. Korozní proudy pak rozpouštějí méně ušlechtilý kov. V místě dotyku dvou různých kovů vzniká ve spojení se vzdušnou vlhkostí kontaktní koroze (dotyková koroze), např. mezi ocelovým šroubem a hliníkovým plechem. Hliník je méně ušlechtilý než železo a je rozrušován jako záporná elektroda. Je výstupním místem proudu, proto odevzdá elektrolytu kladné ionty. Kladné ionty putují elektrolytem k železu, které je místem vstupu proudu a je před korozí chráněno. Chemické

korozi

je

možno

zabránit

57

ochrannými

kovovými

vrstvami.

Praskliny a otvory v ochranném pokovení však umožňují vznik článků, když do prasklin vnikne voda a vytvoří elektrolyt. Je-li ochranný kovový povlak z ušlechtilejšího kovu než základ (např. cín na oceli), bude materiál základu rozrušován, a ochranný povlak (např. chrom nebo cín) se začne odlupovat. Je-li ochranný pokov z méně ušlechtilého kovu než základ, např. zinek na oceli je povrch základu chráněn tak dlouho, pokud tečou korozní proudy a rozrušují kovový povlak (např. Zn). Koroze bludnými proudy Elektrický proud někdy teče mimo připravená vedení a má podobu tzv. bludných proudů. Protéká-li takový proud přes dva různé kovy, mezi kterými je nějaký elektrolyt, dochází na výstupu proudu do elektrolytu ke korozi. Elektrolytickou korozí jsou obzvláště ohroženy svorky akumulátoru, protože se mohou vibracemi uvolnit (ocelová pozinkovaná svorka na olověném kolíku elektrody akumulátoru) a mezi oba kovy se může dostat voda . Také zemní proudy telekomunikačních zařízení mohou způsobovat korozi. Ochrana proti elektrochemické korozi Konstrukčními opatřeními lze zabránit, aby se mezi díly z různých kovů dostal elektrolyt. Při vodivém přechodu je možno díly oddělit izolační vložkou . Na vodivém přechodu musí být spoj mezi kovy chráněn proti vlhkosti. Například při přechodu z hliníkového na měděný vodič musí být použita přechodová svorka, která má dotykové plošky pro jednotlivé vodiče pokoveny vždy odpovídajícím kovem. Elektrická antikorozní ochrana zabraňuje tomu, aby proud tekl do elektrolytu. Bludné proudy telekomunikačních zařízení nebo napájecí troleje tramvají či vlaků mohou narušovat materiál kovových (např. vodovodních) trubek v zemi, musí být proto na mnoha místech odvedeny z trubek kovovými spojkami. Mluví se pak o svodu bludných proudů. Elektrickou antikorozní ochranu lze také provádět ochrannými proudy, např. u kovových nádrží uložených v zemi. Ochranné proudy jsou do elektrolytu (vlhké zeminy) přiváděny výstupní elektrodou, nazývanou operační anodou, nebo též obětní anodou, protože se vlivem elektrokoroze rozpadne. Chráněný objekt je potom katodou. Tento způsob ochrany se nazývá katodová antikorozní ochrana. Operační anoda může být aktivní. Je vyrobena z neušlechtilého kovu, např. z hořčíku nebo zinku a vytváří s chráněným objektem galvanický článek. Mezi operační anodu a chráněný objekt lze též zapojit zdroj stejnosměrného napětí. Anoda je pak označována jako anoda bludných proudů. Ta však může být jako napájená naopak z kovu, který je ušlechtilejší než kov chráněného objektu (protože proud je vynucený) a je tak odolnější proti postupnému rozpadu (proti ocelové nádrži např. měděná nebo grafitová anoda).

58