2. 0 ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI TECHNICKÝCH MATERIÁLŮ A JEJICH ZKOUŠENÍ

SPSKS

-1-

1.0 ÚVOD Učebnice nauka o materiálech má sloužit nově zavedenému předmětu „Nauka o materiálech“, který je obsažen v rámcovém vzdělávacím programu „Geotechnika“ a navazujících školních vzdělávacích programech „Těžba a zpracování ropy a zemního plynu“ a „Těžba a zpracování kamene“. Důvodem zavedení předmětu je skutečnost, že obor materiálového inženýrství se postupně vyděluje z obecných poznatků. Vývoj nových materiálů je neobyčejně dynamický a ukazuje se, že zevrubná znalost technických materiálů představuje velmi důležitou kompetenci u stupně vzdělání střední s maturitou. Technické materiály dnes nejsou vyvíjeny pouze s ohledem na užitné vlastnosti, ale nově se zde objevuje aspekt udržitelného rozvoje, kdy se předpokládá, že každý výrobek či stavba v budoucnu doslouží a bude nutné materiál posuzovat nikoli jako odpad, ale surovinový zdroj. Tzv. R materiály jsou zajímavou skupinou materiálů a vývoj technologií jejich dalšího využití je předmětem výzkumu na všech úrovních. Technický a technologický vývoj je naprosto nemyslitelný bez vývoje nových materiálů. Věk informačních technologií je podmíněn vývojem materiálů, které jsou schopny plnit požadavky na integrované obvody, počítačové paměti apod. s exponenciálním růstem jejich parametrů. U klasických materiálů se hledají další možnosti zlepšení jejich užitných vlastností a vývoj se ubírá k materiálům, které se obnovují v přírodě a po skončení jejich životnosti nekontaminují životní prostředí. V době globalizace dochází i k horečné normotvorné činnosti, která umožňuje zlepšit komunikaci v technické praxi. Proto se kniha, až na výjimky u slitin železa, vyhýbá označování některých materiálů, protože v krátké budoucnosti dojde ke změnám. Změny jsou výrazné i v oblasti zkoušení materiálů, zejména kamene. Škola pro tento účel vydává speciální učebnici „Úvod do zkoušení kameniva“. Je to proto, že řada zkoušek je do nových podmínek netransformovatelná, protože mají úplně jiný princip. Zkoušení materiálů a hledání jejich vlastností nebo prohlašování shody je rovněž novým aspektem technického rozvoje. Učebnice zařazuje do materiálů i zeminy a kámen, což není úplně obvyklé. S ohledem na orientaci rámcového vzdělávacího programu jsou i tyto materiály používány ke stavbám hrází, svahování, uložišť odpadu apod. Velkou perspektivu zaměstnanosti má i environmentální geotechnika, kdy sledujeme cíl sanovat vytěžené přírodní prostředí a dát mu jinou funkci v designu krajiny. Přeji všem, kteří budou tuto učebnici užívat, aby získali ucelené široké vědomosti o materiálech užívaných v oboru i mimo něj. Získané vědomosti by následně měly motivovat absolventy k vyhledávání bližších a speciálních informací v následné praxi, kterou život přinese. Josef Moravec

SPSKS

-2-

2. 0 ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI TECHNICKÝCH MATERIÁLŮ A JEJICH ZKOUŠENÍ K pochopení materiálního světa je třeba určité metriky, která srozumitelným a dohodnutým způsobem dává informaci o vlastnostech technického materiálu. To platí obecně o každé hmotě ať je ve formě matérie nebo pole. U technických materiálů můžeme členit vlastnosti na: - fyzikální vlastnosti - mechanické vlastnosti - technologické vlastnosti 2.1 FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI Jsou vlastnosti materiálu, které udáváme v základních jednotkách mezinárodní měrové soustavy. Jejich oddělení od vlastností mechanických není zcela prosté. Způsob provádění měření je standardizován a jde o samostatnou technickou disciplínu. Není cílem tohoto textu vyjmenovat všechny, protože některé fyzikální vlastnosti nemají pro obor vzdělání uplatnění a některé jsou dokonce běžně nedostupné. Především se jedná o technické materiály související s jadernou fyzikou. Měrná hmotnost (dříve také hustota) je fyzikální veličina, která dává informaci o hmotnosti jednoho krychlového metru libovolného materiálu. Hodnota měrné hmotnosti dává informaci o atomové stavbě látky, chemickém složení a případné krystalické stavbě, pokud se jedná o pevné skupenství. m hmotnost materiálu [kg] -3 ρ = —— [kg . m ] V objem materiálu [m³]

SPSKS

Měrný objem je fyzikální veličina, která dává informaci o objemu jednoho kilogramu materiálu. Jde tedy o obrácenou veličinu měrné hmotnosti. V technické praxi se s touto veličinou pracuje u plynů, kde je výhodná pro matematické modelování tepelných jevů. V objem materiálu [m³] v = —— [m³ . kg-1] m hmotnost materiálu [kg] Teplota tání a teplota tuhnutí θ [ºC] je teplota, při které materiál (látka) mění své skupenství. U čistých kovů nastává tavení a tuhnutí při jedné hodnotě teploty, která se při předpokládaném pomalém ohřevu v průběhu tavení nemění (přestane růst teplota i když je materiál zahříván). U slitin tomu obecně tak není (pokud se nejedná o tzv. eutektika) a teplota tavení má určitý teplotní interval. Teplota varu a kondenzace θ [ºC] je teplota, při které dochází ke změně skupenství látky z kapalného na plynné a naopak. Poznámka: Teplota varu a kondenzace závisí také na tlaku, při kterém je látka zkoumána. Platí, že čím vyšší tlak, tím vyšší teplota varu a naopak. V praxi to znamená u vody, že varu dosahujeme za rozdílných teplot ve vysokohorském prostředí (nízký tlak) a např. v tlakovém hrnci. Ve vakuu voda vře při teplotě 0 ºC.

-3-

Existují i látky, které mění za normálního tlaku (101 325 Pa) skupenství pevné přímo na skupenství plynné. Tento jev se nazývá sublimace. Z čistých prvků sublimuje berylium a jód, ze sloučenin např. voda (led) při změně tlaku. T K[K]

tavení - prodleva

tavení -prodleva

čas t [s] tavení čistého kovu nebo eutektika

tavení slitiny

Obr. 1. Průběh měření teploty při tavení pevných látek

Délková a objemová roztažnost je prodloužení délky nebo zvětšení objemu vlivem zvýšení teploty. Pro všechny materiály platí, že se zvyšující teplotou zvětšují své délkové rozměry. Teplotní součinitel délkové roztažnosti αl [K-1] a teplotní součinitel objemové roztažnosti αV [K-1] podává informaci o kolik se zvětší délkový rozměr, nebo objem při změně teploty o 1 K.

SPSKS

Poznámka: U plynu je změna objemu v závislosti na teplotě složitější jev, který bude předmětem stavby a provozu strojů. Takže uvedené platí pro pevné skupenství a pro skupenství kapalné, kde pojem délková změna nemá smysl a předpokládá se změna pouze objemová. Tepelná vodivost l [W . m -1 . K-1] je teplo Q [J], které při ustáleném stavu projde za jednotku času mezi dvěma protilehlými stěnami krychle o délce hrany 1 m při rozdílu teplot mezi těmito stěnami 1K. Tepelná vodivost u kovů je díky tzv. kovové vazbě velmi vysoká. U materiálů s vazbou převážně kovalentní nebo iontovou je menší. Elektrická vodivost G [S] (siemens). Podle vodivosti materiály dělíme na vodiče a nevodiče (izolanty). Mezi těmito mezními hodnotami existují ještě polovodiče, které vedou elektrický proud za určitých podmínek. Měrný elektrický odpor ρ [ Ω. m] je veličina charakterizující schopnost vést elektrický proud. Existují kovy a látky, které za nízkých teplot dosahují vlastnosti nazývané supravodivost. Tyto mají měrný elektrický odpor nulový. Magnetické vlastnosti (permeabilita) bez bližšího popisu je rozdělujeme na: - Diamagnetické, které nezesilují účinek vnějšího magnetického pole (většina organických sloučenin a z kovů měď, stříbro, zlato, rtuť, cín, olovo), - Paramagnetické nezesilují ani příliš nezeslabují vnější magnetické pole (kyslík a soli vzácných zemin),

-4-

-

Feromagnetické velmi silně zesilují vnější magnetické pole (železo, nikl, kobalt a slitiny chrómu a manganu).

Poznámka: Materiály feromagnetické lze přitáhnout magnetem s „velkou silou“ u diamagnetického materiálu je to s malou silou (lamda sonda ve spalovacích motorech). Vedle taxativně vyjmenovaných fyzikálních vlastností lze na materiálech měřit řadu dalších elektrických vlastností, optických vlastností, radioaktivitu apod. Tyto však nejsou s ohledem na studovaný obor důležité a lze se o nich dočíst v odborné literatuře.

2.2 MECHANICKÉ VLASTNOSTI 2.2.1 MECHANICKÉ VLASTNOSTI – STATICKÉ ZKOUŠKY Jsou vlastnosti vyplývající z požadavků techniků na namáhání strojních součástí. Hodnoty se získávají, podobně jako u vlastností fyzikálních, jejich měřením. Každá zkouška musí podléhat standardizovanému postupu, kde jsou definovány všechny podmínky. Obvykle to bývá normou. Základní mechanické vlastnosti vycházejí z jednotlivých druhů namáhání. Mechanické namáhání je tah, tlak, střih, krut a ohyb. Tato namáhání často působí v kombinacích. Konstrukční materiál musí odolávat těmto druhům namáhání a jejich kombinaci. Mechanické vlastnosti proto dělíme na: Pevnost je schopnost materiálu přenášet vnější zatížení bez ztráty konzistence, tj. bez rozdělení vzorku nebo součásti na více kusů. Pevnost materiálu se určuje především v tahu a tlaku. Získané hodnoty lze použít pro posouzení chování daného materiálu k ostatním druhům materiálu. Pevnost je udávána v jednotkách [MPa]. Při zkouškách se hodnoty vypočítají podle vztahu: F síla v tahu [N] Napětí v tahu σt = —— [MPa] S průřez kolmý k vektoru síly [m2]

SPSKS

F Napětí v tlaku σd —— [MPa] S

síla v tlaku [N] průřez kolmý k vektoru síly [m2]

Poznámka: na obrázku 2 jsou znázorněny průběhy zkoušky tahem a tlakem pro různé materiály. Kromě skutečnosti, že některé materiály jsou pevnější (snesou větší zatížení) je zde patrný i rozdílný průběh deformace v závislosti na zatěžující síle. U oceli je zřejmý v tahové i tlakové větvi lineární charakter (přímka) části. Dále je zřejmé, že pevnost v tahu i tlaku je u oceli stejná. U některých materiálů jako je šedá litina, kámen, beton, keramika apod. je hodnota pevnosti v tlaku několikanásobně vyšší (3 – 20), než je tomu v tahu. To má velký význam, pro konstrukci strojů a zařízení, ale i staveb.

-5-

schéma namáhání a deformace

namáhání

zatížení

výpočet napětí

tah

síla

F σt = —— [MPa] S

tlak

síla

F σd = —— [MPa] S

krut

kroutící moment

Mk τk = —— [MPa] Wk

SPSKS střih

ohyb

Tabulka 1. Druhy mechanického namáhání

-6-

síla

F τs = —— [MPa] S

ohybový moment

Mo σo = —— [MPa] Wo

σ [MPa]

ε[-]

ocel

hliníková slitina

šedá litina, beton, keramika

Obr. 2 Závislost vnějšího zatížení na deformaci

Tvrdost je odolnost materiálu proti vnikání cizího tělesa do jeho povrchu. Tvrdost lze zkoušet několika způsoby. V mineralogii se používá desetistupňová stupnice tvrdosti (Mohse), kde se u zkoušeného minerálu určuje poloha ve vztahu ke známé tvrdosti řady minerálů, které mají známé chemické a krystalografické složení: 1. mastek 2. sůl kamenná 3. kalcit 4. fluorid 5. apatit 6. živec (ortoklas) 7. křemen 8. topaz 9. korund 10. diamant

SPSKS

Pro technické materiály je třeba exaktnějšího měření tvrdosti. Proto se do povrchu zkušebních vzorků, ale i reálných konstrukčních součástí vtlačují za přesně definovaných podmínek tělíska. Měří se tak průměr, úhlopříčka, nebo hloubka otisku. Pokud se při měření nepřipouští otisk, nebo materiál je velmi pružný, používají se k měření zkoušky odrazem, nebo se měří hloubka zatlačení tělíska na jakési jehle. schéma zkoušky

zkušební tělísko

název zkoušky

podmínky měření

kulička ø 1 mm ø 2,5 mm ø 5 mm ø 10 mm

Brinell HB

měří se ø otisku ve zkoušeném materiálu měkké materiály

-7-

kulička ø 1/16“ tj. 1,5875mm

Rockwell HRB (kulička)

měří se hloubka otisku zkoušeného materiálu

HRC (kužel)

měkké materiály (kulička)

diamantový kužel s vrcholovým úhlem 120º

tvrdé a velmi tvrdé materiály (kužel)

čtyřboký diamantový jehlan s vrcholovým úhlem 136º

Vickers HV

měří se úhlopříčka otisku tvrdé a velmi tvrdé materiály

Tab. 2 Statické měření tvrdosti kovových materiálů odrazové tělísko 100 g

zátěž t = 5 s

výška pádu

SPSKS průměr 1 mm

výška odrazu

měří se hloubka zaboření v 0,1 mm zkoušený materiál

Obr. 3 Měření tvrdosti asfaltu a pryže

Pružnost je schopnost materiálu navrátit se do původního tvaru a rozměru po odeznění účinků vnějších sil. Poznámka: Pružnost může být v čase velmi rychlá, např. u ocelové pružiny, ale navrácení do původního tvaru a rozměru může trvat i relativně dlouho. Pokud se deformace odehrávají v delším čase beze změny vnějšího zatížení, tak se jedná o tzv. reologii což je chování materiálu při deformaci. Houževnatost je schopnost materiálu zachovat si konzistenci (celistvost) (nerozdělit se na více částí) v důsledku účinku vnějších sil. Křehkost je opakem houževnatosti, tedy schopnost materiálu reagovat na účinky vnějších zatěžujících sil ztrátou konzistence (rozpadem).

-8-

Poznámka: Většina materiálů má mechanické vlastnosti určitým způsobem zastoupené v různé míře. Neexistuje materiál s nulovou nebo nekonečnou hodnotou libovolné mechanické vlastnosti. Jako příklady s vysokou mírou jedné mechanické vlastnosti lze uvést sklo. Je křehké, ale má určitou míru pružnosti. Na mechanické vlastnosti nelze pohlížet jako na žádoucí a nežádoucí, ale na jejich míru. Křehkost u ocelové konstrukce mostu je vlastnost absolutně nežádoucí, ale u pojistky proti přetížení např. u spojky motoru, vzpěrné desky drtiče apod. je to vlastnost žádoucí. 2.2.2

MECHANICKÉ VLASTNOSTI –DYNAMICKÉ ZKOUŠKY

Mechanické vlastnosti ověřované dynamickými zkouškami se od zkoušek statických odlišují rychlostí s jakou rostou účinky vnějšího zatížení. Je obtížné najít ostrou hranici mezi zkouškami statickými a dynamickými. Pro snadnější pochopení statická zkouška např. měření tvrdosti znamená, že zatěžující síla působí v trvání desítek sekund. Dynamická zkouška by trvala v řádu setin sekundy. Na rychlosti nárůstu vnějších silových účinků závisí deformace a chování materiálu velmi dramaticky. Při extrémních rychlostech, např. při srážce kovových předmětů rychlostí v řádu 103 m.s-1, se jinak křehký materiál, např. šedá litina, chová jako materiál tvárný a ocel jako nestlačitelná kapalina. Mechanické vlastnosti ověřované dynamickými zkouškami dělíme na: Zkouška rázem v ohybu kdy jde o nejpoužívanější zkoušku. Lze samozřejmě provádět rázovou zkoušku v tahu, tlaku, krutu apod. Tato však poskytuje výsledky, které lze použít i pro jiné druhy materiálu. Nejčastějším měřením je měření tzv. vrubové houževnatosti materiálu. U této zkoušky se neměří vnější zatížení silou nebo napětím, ale spotřebovaná energie k přeražení nebo ohnutí vzorku. Vrubová se nazývá proto, že vzorek má vrub ve tvaru písmene V nebo U. Kinetická energie se získává nejčastěji pádem kladiva známé hmotnosti, nebo pádem kladiva v podobě kyvadla (Charpyho kyvadlové kladivo). Kinetická energie

SPSKS

m .v2 Ek = —— [J] 2 Zkoušky opětovným namáháním jsou zkoušky kdy ověřujeme počet cyklů, které materiál vydrží do jeho lomu. Tyto jsou nutné pro součásti cyklicky namáhané. Cyklické namáhání může být jednosměrné např. namáhání tahem u šroubů hlav spalovacích motorů. Při každé expanzi jsou namáhané tahem. Další možností je střídavé namáhání, např. tah - tlak, které nastává na povrchu rotujících hřídelí namáhaných ohybem. Cyklické namáhání může být také asymetrické, kdy hodnoty napětí v jednom směru jsou jiné, než ve směru opačném. Existuje však tzv. mez únavy materiálu, kdy zkušební vzorek a po přepočtení reálná součást vydrží nekonečný počet zatěžujících cyklů. Zabývá se jimi tzv. Wőhlerova křivka.

-9-

σ [MPa]

počet cyklů log n

Obr. 4 Wőhlerova křivka

2.2.4 MECHANICKÉ VLASTNOSTI – ZKOUŠENÍ ZA VYŠŠÍCH A NIŽŠÍCH TEPLOT

SPSKS

Pro konstrukci součástí, které mají pracovat za vyšších nebo naopak nižších teplot, nemají výše uvedené zkoušky význam, protože jejich výsledky nelze použít pro např. dimenzování. Nejčastějšími zkouškami statickými za jiných teplot je zkouška tahem, protože z teorie pružnosti pevnosti lze řadu vlastností prostě z výsledku bezpečně přepočítat. Z dynamických zkoušek je to nejčastěji zkouška vrubové houževnatosti. Obecně platí, že u kovů se vzrůstající teplotou klesá jejich pevnost, ale roste tažnost a naopak. Při klesajících teplotách řada materiálů považovaných za houževnaté křehne.

20°C

100°C

200°C

300°C

Obr. 5 Pracovní diagramy zkoušky tahem měkké oceli v závislosti na teplotách

-10-

450°C

2. 3 TECHNOLOGICKÉ VLASTNOSTI Technologické vlastnosti souvisejí s vlastnostmi technologickými, tedy jak materiál zpracovat. Zda je možné jej odlévat, tvářet za tepla (kovat), nebo za studena (tvářet), tepelně zpracovat (kalit, popouštět, patentovat, cementovat, nitridovat apod.). Bez bližšího vysvětlení nejdůležitější z nich: - tvárnost je schopnost materiálu zachovat si tvar daný působením vnějších sil, - lámavost posuzuje tvárnost s ohledem na lámavost, kdy vznikne trhlina, - kovatelnost je schopnost materiálu zachovat si tvar daný působením vnějších sil za tepla, - svařitelnost je schopnost materiálu ke sváření za určitých podmínek, - obrobitelnost je schopnost materiálu být obráběn ve vztahu k určitému etalonu, - slévatelnost je schopnost materiálu vyplnit dokonale formu.

2. 4 MAKROSKOPICKÉ VLASTNOSTI MATERIÁLŮ Materiály lze posuzovat z mnoha dalších hledisek pro jejich speciální vlastnosti, které jsou dány povahou jejich složení. Pro účely této učebnice jsou uvedeny jenom některé: Polymorfie znamená mnohotvárnost. U pevných látek, které mají krystalickou mřížku (nejsou amorfní), se polymorfie projevuje tím, že chemicky stejná látka krystalizuje ve více než jedné krystalické soustavě. Záleží na podmínkách krystalizace. Nejznámějším příkladem je krystalizace uhlíku. Ten může krystalizovat v podobě grafitu, který je měkký. Může však za jistých podmínek vysokých teplot a tlaků krystalizovat v kubické soustavě v podobě diamantu, který je nejtvrdším nerostem. Polymorfie velmi závisí na teplotě a také na tlaku. Při výrobě technických materiálů se tlak uplatňuje velmi obtížně, ale teplota a rychlost chlazení mohou měnit krystalickou stavbu materiálu. Polymorfním materiálem je železo a jeho slitina s uhlíkem – ocel. Strukturou krystalů oceli lze měnit zásadně vlastnosti. Toho lze docílit např. tepelným zpracováním. V mineralogii známe celou řadu minerálů, které krystalizují v různých soustavách. Zde se při jejich vzniku uplatňoval vedle vysokých teplot i vysoký tlak. Při změně teplot dochází k překrystalizaci u polymorfních materiálů. To se projevuje spotřebou nebo uvolňováním latentního tepla (skryté teplo). Průběh překrystalizace se projeví v diagramu T - t (teplota – čas) změnou směrnice oteplovacích a ochlazovacích přímek. Výjimkou jsou tzv. eutektika. Těleso z polymorfního materiálu mění také svůj objem a tím i měrnou hmotnost.

SPSKS

-11-

T [K]

tavení

kapalná fáze

tuhnutí

tuhá fáze

modifikace δ modifikace β modifikace α

čas t [s]

Obr. 6 Průběhy teplot při ohřevu a ochlazování polymorfních materiálů čistých kovů nebo eutektika a eutektoidu

Izotropie a anizotropie. Izotropní materiál má ve všech směrech stejné vlastnosti. Vlastnostmi jsou zde myšleny fyzikální, mechanické, technologické apod. Anizotropní materiál nemá ve všech směrech stejné vlastnosti. Anizotropie může být vlastností přirozenou dané látce díky např. chemickým vazbám. Jako příklad nechť poslouží např. slída nebo dřevo. Dají se štípat pouze v jednom směru, v ostatních směrech k jejich dělení musíme použít jinou technologii. Horniny s ohledem na svůj vznik mají také anizotropní vlastnosti (hont, dobrá a špatná strana). Anizotropie je i „vyrobitelná“ s ohledem na technologii zpracování, plechy – válcování, drát – tažení, vlasec – tažení a tuhnutí, fólie – válcování a tuhnutí. Znalost anizotropních vlastností do značné míry určuje technologii např. těžby a zpracování materiálů.

SPSKS

Homogenita a heterogenita (stejnorodost a nestejnorodost). Homogenní materiál je takový materiál (bez ohledu na jeho skupenství), který se skládá z jedné nebo více látek určitého chemického složení. Částice s různým chemickým složením jsou však menší než 0,000 001 mm. Pokud jsou částice větší jde o heterogenní látku. Jde o tzv. disperzní soustavu. Ta může obecně existovat podle tabulky. disperzní prostředí

dispergovaná fáze

tuhé

tuhá kapalná plynná

název disperzní soustavy tuhá směs tuhá pěna tuhá pára

kapalné

tuhá kapalná plynná

suspenze emulze pěna

hašené vápno, barviva, maziva mléko, asfaltová emulze mýdlová pěna

plynné

tuhá kapalná plynná

dým, kouř mlha, déšť neexistuje

popel a prach ve vzduchu mlha neexistuje

Tabuka 3. Disperzní soustavy

-12-

příklady šedá litina, sklo, žula formela, tmely pemza

3.0 KOVOVÉ MATERIÁLY - CHEMICKÉ PRVKY Kovové materiály, přes nepochybný nárůst moderních materiálů jako jsou kompozity a speciální slitiny, představují největší podíl na konstrukci strojů a zařízení ve většině oborů spojených s hornickou činností a činnostmi vykonávanými hornickým způsobem. Jaké prvky Mendělejevovy periodické soustavy lze považovat za kovy? Pojem kov v sobě zahrnuje alkalické kovy, kovy alkalických zemin, přechodné kovy, aktinoidy, lanthanoidy a kovy. Bližší poznatky nabízí právě Mendělejevova tabulka. Ta existuje tzv. zkrácená a je častěji používaná při výuce, a prodloužená. Prodlouženou lze považovat za exaktně přesnější. Tisk lanthanoidů a aktinoidů mimo tabulku je přípustný, protože jejich použití je v praxi vzácné. Výjimkou bude prvek cer u tvárných litin. Obě tabulky jsou v textu spolu s tabulkou základních vlastností a použití některých prvků tabulky. Kov je prvek, který má většinu těchto vlastností: - charakteristický lesk, tj. vysokou odrazivost pro viditelnou část spektra. Jinak kovy jsou neprůhledné i pro velmi tenké vrstvy což je důsledek velmi husté struktury, kdy na jednotku plochy resp. objemu se vyskytuje velký počet atomů. - vysokou tažnost a kujnost. Neboli lze je natahovat nebo jim měnit tvar - obecně jsou houževnaté. Je to důsledek kovové vazby, která dovoluje mřížkovým rovinám se navzájem přeskupovat. - vysokou tepelnou a elektrickou vodivost. To je důsledkem dostatečného počtu nabitých částic, které se snadno pohybují krystalickou mřížkou. - vysoký elektropozitivní charakter, který dovoluje relativní snadnost odtržení valenčních elektronů, kdy vzniká např. iontová vazba.

SPSKS

Mezi kovy a nekovy neexistuje nějaká ostrá hranice. Existují prvky, které svými vlastnostmi hraničí mezi kovy a nekovy.

-13-

MENDĚLEJEVOVA TABULKA PRVKŮ ("ZKRÁCENÁ")

Li

Be

Na Mg K

Ca

Sc

Ti

Rb

Sr

Y

Cs

Ba

Fr

Ra

V

Cr

Mn

Fe

Co

Zr

Nb Mo

Te

Ru

Rh

*

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

**

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

*Lanthanoidy

La Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

** Aktinoidy

Ac Th

Pa

U

Np

Pu

SPSKS

H

He B

C

N

O

F

Ne

Al

Si

P

S

Cl

Ar

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

Ds

Rg

Uub

Uut

Uuq

Uup

Uuh

Uus

Uuo

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tn

Yb

Lu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr

kapaliny plyn

-14-

MENDĚLEJEVOVA TABULKA PRVKŮ ("PRODLOUŽENÁ")

Li

Be

Na Mg K Rb

Ti

Ca Sc Sr

SPSKS

H

Y

C

N

O

F

Ne

Al

Si

P

S

Cl

Ar

Cr Mn Fe Co Ni Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

Zr Nb Mo Te Ru Rh Pd Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

Uup

Uuh

Uus

Uuo

Eu

Fr

Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Uub Uut Uuq

U

Np

Pu

Er

B

Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Ra Ac Th Pa

Gd Tb Dy Ho

V

He

Tn Yb Lu Hf Ta

-15-

W

Re Os

Ir

Pt Au

VYBRANÉ CHEMICKÉ PRVKY značka

název

at.hmotn.

vlastnosti

použití

ALKALICKÉ KOVY IA

Lithium

6,941

Kov s velmi malou měrnou hmotností (lehčí než voda), velmi měkký, ρ = 534 kg.m-3 , teplota tání 180°C.

Sodík

22,989

Kov s velmi malou měrnou hmotností (lehčí než voda i než lithium), velmi měkký.

Draslík

39,098

Rubidium

85,468

Kov s velmi malou měrnou hmotností (lehčí než voda i než lithium a sodík), velmi měkký podle Moohse 0,5. Velmi měkký stříbrný kov, s nízkou teplotou tání 39,31°C.

Li

Na

K

Rb Cesium

Organogenní prvek, vyskytuje se hojně v minerálech, součást ledku, hnojiv, kovových mýdel (mazlavé), při výrobě skla. Vyskytuje se v minerálech vedle dalších alkalických kovů, v zábavné pyrotechnice, fotočláncích, používá se jako getr. Vyskytuje se v minerálech spolu s ostatními alkalickými kovy, pro výrobu katodových trubic, fotočlánků apod. Vyskytuje se v uranových a thoriových rudách, jeho izotopy jsou velmi nestabilní.

SPSKS 132,90

Velmi měkký nažloutlý kov, s nízkou teplotou tání 28,44°C.

Francium

223,019

Má největší měrnou hmotnost ze skupiny ρ = 1870 kg.m-3 , teplota tání 27°C.

Berylium

9,012

Křehký kov velmi tvrdý, měrná hmotnost ρ = 1850 kg.m-3 , teplota tání 1287°C.

Hořčík

24,305

Tažný středně lehký stříbřitý kov ρ = 1738 kg.m-3 , teplota tání 650°C.

Vápník

40,06

Poměrně lehký reaktivní kov ρ = 1550 kg.m-3 , teplota tání 842°C.

Stroncium

87,62

Velmi reaktivní kov ρ = 2640 kg.m-3 , teplota tání 777°C.

Cs

Pro výrobu akumulátorů, chladící médium jaderných reaktorů, zvyšuje u skla index lomu – optická skla, speciální slitiny s Mg, Al a pod. Součást plastických maziv – kovové mýdlo L-V-2-3, váže na sebe oxid uhličitý. Chladící médium jaderných reaktorů, sloučeniny pro výrobu skla, silné redukční činidlo, kovová mýdla, váže na sebe oxid uhličitý.

Fr

KOVY ALKALICKÝCH ZEMIN IIA

Be

Mg

Ca

Sr

-16-

Vyskytuje se hojně v minerálech, ve slitinách se železem zabraňuje jiskření ( beryliové bronzy), v rentgenové optice jako čočka, moderátor v jaderných reaktorech. Vyskytuje se hojně v minerálech, používá se v metalurgii, ve slitinách s Cu, Al, Mn. Jeho některé chemické reakce se vyznačují intenzivními světelnými efekty. Je pátým prvkem s největším výskytem v přírodě, hojně v minerálech, redukční činidlo při výrobě kovů U, Zr, Th v materiálech typu sádra, cement. Vyskytuje se v minerálech, barví plamen – pyrotechnika, zvyšuje index lomu skla až k indexu diamantu.

Baryum

137,34

Poměrně lehký reaktivní kov ρ = 3510 kg.m-3 , teplota tání 727°C.

Radium

226,02

Velmi reaktivní kov ρ = 5500 kg.m-3 , teplota tání 700°C.

Ba

Ra

Vyskytuje se v minerálech, jako suspenze ve vodě má velkou měrnou hmotnost a využívá se u ropných vrtů jako výplach, v optice, a pyrotechnice – barví plamen. Vyskytuje se ve smolinci a je produktem rozpadu uranové i thoriové řady, má luminiscenční vlastnosti, v čistém stavu několik gramů ročně pro veškerou spotřebu.

PRVKY OSTATNÍCH SKUPIN

Skandium

44,95

Titan

47,88

Zirkonium

91,22

Sc

Ti

Zr Vanad V

Vyskytuje se při zpracování uranových rud, používá se u výkonných zdrojů světla, při rafinaci ropy a ve speciálních slitinách pro kosmonautiku. Vyskytuje se hojně v minerálech, chemický a kosmický průmysl tam, kde nevyhovují levnější slitiny, velmi těžce se získává z rud, hojný v barvivech a keramice. Vyskytuje se v minerálech, použití v jaderné energetice, pro speciální účely, keramika.

SPSKS 50,94

Niob

92,90

Tantal

180,94

Chrom

51,99

Molybden

95,94

Stříbřitý tvrdý a křehký kov, ρ = 10280 kg.m-3 , teplota tání 2623°C.

Wolfram

183,85

Šedý až stříbřitě bílý kov s nejvyšší teplotou tavení elementárního kovu, ρ = 19250 kg.m-3, teplota tání 3422°C.

Nb Ta Cr

Mo

W

Stříbřitě bílý měkký kov na vzduchu oxiduje a vlastnostmi se podobá Al a Ti ρ = 2985 kg.m-3 , teplota tání 1541°C. Šedý až stříbřitě bílý kov s mimořádnou chemickou stálostí, vysokou pevností a malou měrnou hmotností ρ = 4506 kg.m-3 , teplota tání 1668°C. Šedý až stříbřitě bílý tvrdý kov s mimořádnou chemickou stálostí, ρ = 6520 kg.m-3 teplota tání 1855°C. Šedobílý tvrdý kujný kov s vysokou teplotou tání ρ = 6110 kg.m-3 , teplota tání 1915°C.

Šedý kujný za nízké teploty chemicky stálý kov ρ = 8570 kg.m-3, teplota tání 2477°C. Tvrdý modrošedý vysoce inertní kov, ρ = 16690 kg.m-3, teplota tání 3017°C. Nejtvrdším elementárním kovem, mimořádná chemická stálost ρ = 7150kg.m-3, teplota tání 2670°C.

-17-

Je 19 tým nejrozšířenějším prvkem, ale je velmi rovnoměrně zastoupen, používá se ve slitinách s hliníkem a ocelí s vysokou pevností a žárupevností, pro supravodivé materiály. Je velmi rovnoměrně zastoupen a těžce se hledají těžitelné rudy, pro supravodivé materiály, slitiny. V minerálu tantalitu, použití ve speciálních slitinách pro chemický, letecký a kosmický průmysl. V minerálech – drahokamech, doprovodné sloučeniny železných rud, použití ve slitinách – oceli, na geologické vrtné nástroje a speciální materiály. Minerál molybdenit a měďnaté rudy, legující prvek v oceli, jako katalyzátor při odsiřování ropy, v chemickém průmyslu.

V minerálech, použití v elektrotechnice, technologiích svařování, jako legující prvek v ocelích, v chemickém průmyslu, prášková metalurgie – WC.

Mangan

54,98

Světle šedý tvrdý a křehký kov ρ = 7210kg.m-3, teplota tání 1246°C, tři modifikace.

Vyskytuje se v minerálech a je doprovodným prvkem v železných rudách, většinou se používá jako legující prvek u ocelí – Hadfieldova ocel, pro speciální slitiny a usměrňovače hoření u raket na pevná paliva.

Železo

55,847

Poměrně měkký, světle šedý až bílý feromagnetický kov, dvě modifikace ρ = 7860 kg.m-3, teplota tání 1538°C

Osmium

190,2

Kobalt

58,93

Ušlechtilý značně tvrdý a křehký kov s druhou nejvyšší měrnou hmotností ρ = 22610 kg.m-3, teplota tání 3033°C, patří do skupiny platinových kovů . Stříbrolesklý velmi tvrdý a pevný prvek s feromagnetickými vlastnostmi ρ = 8900kg.m-3, teplota tání 1495°C, dvě modifikace.

Vyskytuje se hojně v minerálech a železných rudách, používá se ve slitinách v obrovském množství, v elektrotechnice pro magnetické vlastnosti. Vyskytuje se jako doprovodný prvek v platinových a iridiových rudách, v čistém stavu se nepoužívá, pouze ve slitinách pro chirurgické použití, hroty per apod.

Iridium

192,22

Mn

Fe

Os

Co

Ir

SPSKS

Nikl

58,69

Palladium

106,4

Platina

195,09

Měď

63,546

Typický kov červenohnědé barvy ρ = 8960kg.m-3, teplota tání 1084°C.

Stříbro

107,86

Ušlechtilý kov bílé barvy ρ = 10490kg.m-3, teplota tání 961°C.

Ni

Pd

Pt

Cu

Ag

Ušlechtilý, tvrdý a křehký kov, velmi odolný vůči chemickým vlivům nejvyšší hodnota měrné hmotnosti ρ = 22650kg.m-3, teplota tání 2446°C. Stříbrolesklý tvárný feromagnetický kov ρ = 8908kg.m-3, teplota tání 1455°C.

Vyskytuje se v olověných a měděných rudách, používá se do slitin, slinutin, keramik, skla, glazur a barev – pigmentů, jaderných technologiích hojně jeho izotopy. Vyskytuje se v rudách platinových kovů, ve speciálních slitinách, na stroje sklářských technologií při tažení optických vláken, elektrody zapalovacích svíček, etalony měr a vah. Vyskytuje se v mořské vodě, železných rudách a minerálech, používá se jako legující prvek do slitin, při galvanickém pokovování, Monelův kov apod. Vyskytuje se v platinových rudách, použití jako katalyzátor v organických syntézách, v automobilovém průmyslu apod. Vyskytuje se v ryzím stavu, použití katalyzátory, konstrukční materiál pro sklářské pece na tažení optických vláken, v medicíně – cytostatika.

Drahý kov šedivé barvy, s vysokým stupněm reakcivity ρ = 12023kg.m-3, teplota tání 1555°C. Ušlechtilý kujný a tažný kov ρ = 21450kg.m-3, teplota tání 1768°C.

-18-

Vyskytuje se v ryzím stavu, častěji v minerálech a rudách, použití v elektrotechnice, slitiny (mosaz, bronzy, dělovina), legura u ocelí. Vyskytuje se v ryzím stavu, v mořské vodě a jako příměs zlata, nejlepší tepelná a elektrická vodivost, optika optoelektronika, speciální slitiny.

Zlato

196,96

Ušlechtilý chemicky velmi odolný kov typické barvy ρ = 19300kg.m-3, teplota tání 1064°C.

Vyskytuje se v ryzím stavu (minerál 1. skupiny), použití v mikroelektronice, sklářský průmysl (barví sklo do rubínové barvy), šperkařství.

Zinek

65,39

Kadmium

112,41

Kovový prvek se silným leskem za vyšších teplot kujný a tažný, ρ = 6570 kg.m-3, teplota tání 419°C. Měkký lehce tavitelný bílý toxický kov, ρ = 8650kg.m-3, teplota tání 321°C

Rtuť

200,59

Stříbřitě bílý kapalný kov nápadně velké měrné hmotnosti, ρ = 13534kg.m-3, teplota tání -38,83°C.

Vyskytuje se v minerálech, použití jako ochrana před korozí galvanicky nebo žárově nanášený na kovy, ve slitinách. Vyskytuje se v rudách olova a zinku jako příměs nikoli v minerálech, použití jako ochrana proti korozi (galvanické pokovování), v akumulátorech apod. Vyskytuje se jako ryzí kov nebo v minerálu cinabaritu (rumělka), používá se ve rtuťové metalurgii, elektrotechnice, amalgám je kov rozpuštěný ve rtuti.

Hliník

26,98

Stříbřitě šedý nestálý kujný kov, ρ = 2700kg.m-3, teplota tání 660°C.

Au

Zn

Cd

Hg

Al Gallium Ga

SPSKS 69,72

Velmi řídce se vyskytující kov s nízkou teplotou tavení, ρ = 5910kg.m-3, teplota tání 29,74°C Je typicky nekovový prvek, vyskytuje se ve dvou modifikacích jako grafit ρ = 2267kg.m-3 teplota tání 3527°C a jako diamant, ρ = 3513kg.m-3 .

Uhlík

12,011

Křemík

28,08

Polokovový prvek, ρ = 2330kg.m-3, teplota tání 1410°C.

Cín

118,69

Olovo

207,2

Stříbrolesklý kov vyskytující se ve třech alotropiích modifikacích , základní ρ = 7260kg.m-3, teplota tání 231°C. Šedý, měkký, těžký a toxický kov, ρ = 11340kg.m-3, teplota tání 327°C.

C

Si

Sn

Pb

Je nejčastěji se vyskytujícím prvkem v zemské kůře, díky své reaktivitě zásadně ve sloučeninách a minerálech (rubín, safír, smaragd), použití v lehkých slitinách, elektrotechnice. Vyskytuje se jako příměs v rudách zinku a železných rudách, použití v polovodičové elektronice, ve speciálních teploměrech Vyskytuje se v anorganických i organických sloučeninách, ve kterých tvoří základ, v čisté formě grafitu v technických disciplínách, ve formě diamantu u špičkových technologií, v jaderné fyzice, optice, samostatnou kapitolou jsou organické látky (ropa, zemní plyn, uhlí).

-19-

Vyskytuje se v zemské kůře velmi hojně a ve velkém množství minerálů, použití je elektrotechnika (polovodiče), silikátová chemie, legující prvek řady slitin, keramika apod. Vyskytuje se v několika rudách, použití v potravinářství, sklářský průmysl, ve slitinách (bronz). Vyskytuje se v rudách stříbra a několika minerálech, používá se v akumulátorech, slitinách a jaderných zařízeních.

Dusík

14,01

Je plyn bez barvy, chuti a zápachu, málo reaktivní, teplota varu -195,8°C.

Vyskytuje se v atmosféře země, používá se v kapalném stavu jako chladivo, chemicky vázaný ve výbušninách, v pevných a kapalných palivech raket, jako ochranná atmosféra v hutnictví apod.

Fosfor

30,97

Nekovový prvek v pevné fázi, vyskytuje se ve třech alotropních modifikacích, teplota tání 44,2°C.

Arsen

74,92

Polokov vyskytující se ve čtyřech alotropních modifikacích.

Bizmut

208,98

Kov bílé barvy, křehký a hrubě krystalický, ρ = 9780kg.m-3, teplota tání 271°C.

V přírodě se vyskytuje výhradně ve sloučeninách a minerálech, používá se do slitin (bronzy) a v pyrotechnických aplikacích, je jedovatý. Vyskytuje se jako doprovodný prvek v několika rudách a v uhlí, používá se v polovodičové elektronice (vodivost typu N). Vyskytuje se v minerálech, používá se do slitin a díky teplotě tání a varu pro bezpečnostní zařízení, při výrobě glazur, v metalurgii tvárná litina.

Kyslík

15,99

Je plynný biogenický prvek, teplota varu -218°C.

N

P

As

Bi

O Síra S

SPSKS 32,066

Nekovový prvek vyskytující se v několika alotropních modifikacích. Nekovový prvek vyskytující se ve čtyřech modifikacích, ρ = 4810kg.m-3, teplota tání 221°C. Patří spíše mezi kovy, stříbřité barvy vyskytuje se vzácně, ρ = 6240kg.m-3, teplota tání 449°C.

Selen

78,96

Tellur

127,6

Fluor

18,99

Zelenožlutý dráždivý plyn, extrémně reaktivní, teplota varu -188°C.

Chlor

35,453

Toxický světlezelený plyn s velmi vysokou reaktivitou, teplota varu -101°C.

Vyskytuje se v minerálech, používá se pro extrémní reaktivnost v chemické výrobě, jako součást raketových paliv s velkým specifickým impulsem, v organické chemii, chladírenské technologie - (freony). Vyskytuje se v mořské vodě (soli) a minerálech, používá se v chemii při výrobě kyselin.

Brom

79,904

Toxická červenohnědá kapalina, ρ = 3102kg.m-3, teplota tání -7,3°C.

Vyskytuje se v mořské vodě a minerálech, použití v jaderných technologiích a klasické fotografii.

Se

Te

F

Cl

Br

Vyskytuje se v atmosféře, ve vodě jako sloučenině, minerálech apod., používá se v metalurgii a je základním okysličovadlem v řadě technologicky využívaných reakcí (hoření). Vyskytuje se v mořské vodě a minerálech, použití v chemii a biochemii. Vyskytuje se poměrně vzácně, obvykle doprovází rudy síry a telluru, používá se při výrobě fotočlánků. Vyskytuje se v rudách, kde doprovází síru a selen, používá se k barvení skla, jako mikrolegura v metalurgii, k výrobě fotočlánků.

-20-

Jód

126,90

Helium

4,002

Neon

20,17

Argon

39,948

Kr

Krypton

83,8

Xe

Xenon

131,3

Rn

Radon

I

He

Ne

Velmi vzácný prvek skupiny halogenů, pevná látka tmavě fialové barvy v podobě krystalových destiček, ρ = 4933kg.m-3, teplota tání 114°C. Vzácný plyn téměř inertní, teplota varu – 268,9°C, supravodivost, supratekutost, helium II.

Vzácný plyn úplně inertní, teplota varu – 248,4°C. Vzácný plyn úplně inertní, teplota varu – 189,4°C.

Ar Vzácný plyn úplně inertní, teplota varu – 210,5°C. Vzácný plyn téměř inertní, chemické sloučeniny tvoří velmi vzácně, teplota varu – 111,4°C. Vzácný plyn nestabilní inertní, teplota varu –65°C.

Vyskytuje se ve sloučeninách rozpuštěných v mořské vodě a minerálech, používá se v chemickém průmyslu, je výrazně biogenním prvkem. Vyskytuje se ve vyšší atmosféře a vyskytuje se jako součást rozpadu těžkých jader, poprvé byl izolován ve smolinci, fyzikálně může být vázán v trhlinách v zemi a v zemním plynu, použití ve speciálních chladících zařízeních, k plnění vzducholodí. Vyskytuje se v atmosféře, použití v osvětlovací technice. Výskyt v atmosféře, použití v metalurgii titanu a speciálních slitin, ve svařovací technice, při růstu krystalů superčistých polovodičů. Výskyt v atmosféře. Výskyt v atmosféře, je součástí rozpadové řady uranu a plutonia, použití ve výbojkách světlo je baktericidní. Vyskytuje se jako produkt rozpadu uranu, radia a thoria, dále se rozpadá, využití v geologii.

SPSKS 22,01

-21-

4. 0 METALOGRAFIE Metalografie se zabývá zkoumáním vnitřní stavby, tedy struktury kovů a slitin. Stavba souvisí s chemickým složením a různými vlastnostmi materiálu. Zásadní vliv mají tyto znalosti např. na tepelné zpracování kovů. Jako věda je metalografie velice rozsáhlá a tato učebnice nemá ambici postihnout alespoň encyklopedicky její průřez. Na druhou stranu je nutné pro technicky vzdělaného člověka vědět některé zákonitosti.

4.1 VNITŘNÍ STAVBA KOVŮ A SLITIN Všechny látky typu materie jsou složeny z prvků Mendělejevovy periodické soustavy, viz kapitola 3. Na planetě Zemi se vyskytuje 92 prvků, z nichž 77 má charakter kovů. Pevná látka může z pohledu metalografie být látkou amorfní (beztvarou), která nemá krystalickou strukturu a podobá se kapalině s extrémně vysokou viskozitou. Druhou možností je krystalická stavba látky. Poznámka: Pojem viskozita vyjadřuje odpor tekutiny proti smykovému tření, nebo přilnavost. V běžném hovoru se identifikuje s hustotou ve smyslu odporu proti např. míchání. Pro pochopení významu viskozity udělejme myšlenkový pokus. Mějme pět skleněných nádob naplněných různými látkami. Z pokusu je zřejmé, že z hlediska skupenství hmoty se jedná o plyn (vzduch), kapaliny (voda, olej) až po zdánlivě pevné látky (asfalt, sklo).

SPSKS

vzduch

voda

olej

asfalt

sklo

Obr. 7 Schéma měření viskozity

Do těchto nádob vhodíme kuličku a budeme měřit čas potřebný k tomu, aby kulička dopadla na dno nádoby. Tekutiny (plynné + kapalné skupenství) jsou na obrázku v takovém pořadí, že první dopadne kulička na dno nádoby naplněné vzduchem. Dopad kuličky v asfaltu nebo dokonce ve skle bude trvat desítky a možná i tisíce let. Příčinou je viskozita.

-22-

Krystalická látka má atomy uspořádány s určitou pravidelností a z pohledu chemie jsou jednotlivé atomy drženy kovovou nebo iontovou vazbou. Nejmenší část krystalické mřížky, na které je možné prokázat zákonitost celé mřížky, se někdy nazývá elementární buňka. Elementární buňka může mít různý tvar. Rozeznáváme několik krystalografických soustav. Jsou to krychlová, čtverečná, kosočtverečná, šesterečná, jednoklonná a trojklonná. Technicky důležité kovy krystalizují nejčastěji v soustavě krychlové (kubické) a šesterečné (hexagonální). Mnohem větší pestrost v krystalografické skladbě je u minerálů. Základním tvarem krychlové soustavy je krychle, v jejichž rozích jsou uloženy těžiště atomů. Vzdálenost těchto pomyslných bodů označujeme jako mřížkovou konstantu.

Obr. 8 Schéma prostorové mřížky s vyznačenou elementární buňkou a elementární buňka

V takovéto nejjednodušší mřížce však nekrystalizuje žádný kov. Nalezneme ji v mineralogii u diamantu, nitridu bóru a u několika dalších minerálů. Variantou krychlové soustavy je soustava krychlová prostorově středěná. Tato vznikne tak, že se jedna mřížka posune po tělesové úhlopříčce do těžiště druhé buňky svým rohovým bodem. V této soustavě krystalizuje 13 kovů. Jsou to železo α a železo δ, chrom, lithium, draslík, molybden, sodík, tantal, wolfram, vanad, rubidium, cesium, baryum a niob. Jde v převážné většině o kovy za studena málo plastické. Další variantou krychlové soustavy je soustava krychlová plošně středěná. Tato vznikne tak, že sousední buňky se posouvají po stěnové úhlopříčce. Je zřejmé, že toto uspořádání je za podmínky stejného parametru buňky mnohem těsnější, než u mřížky prostorově středěné. V této soustavě krystalizují kovy jako je železo γ, vápník α, stroncium, hliník, rhodium, iridium, niob, platina, měď, stříbro, zlato, olovo. Všechny tyto kovy jsou velmi tvárné.

SPSKS

Obr. 9 Plošně středěná mřížka a prostorově středěná mřížka

-23-

Šesterečná mřížka má tvar šestibokého hranolu. Atomy jsou umístěny v rozích, ve středech obou základen, a tři atomy leží uvnitř elementární buňky. V této soustavě krystalizuje např. zinek, kadmium, hořčík, berylium, titan, kobalt a další.

Obr. 10 Šesterečná mřížka

Poznámka:V kapitole 2.4 byl zmíněn pojem alotropie. To je schopnost kovů a slitin krystalizovat ve více krystalických soustavách. Značíme je postupně podle teplot v jakých se vyskytují v pořadí řecké abecedy.U některých slitin mají tyto soustavy speciální názvy.U vyjmenovaných příkladů je zřejmé o jaké kovy se jedná.

4.2

NEDOKONALOSTI SKUTEČNÉ MŘÍŽKY

Kovové materiály se skládají z většího počtu krystalů, které tvoří shluk nazývaný též konglomerát. Taková látka se nazývá polykrystalickou. Opakem jsou materiály, které jsou tvořeny jediným krystalem zvaným monokrystal. Růst monokrystalu je velmi složitý a umělý růst podobných materiálů patří do mikroelektroniky, optoelektroniky a do nanotechnologií. Při krystalizaci polykrystalických látek vzniká velký počet zárodků krystalů a tyto se setkávají s dalšími zárodky a navzájem si omezují prostor růstu z taveniny. Takto vznikají zrna. Vzniká tak velké množství nepravidelností, nedokonalostí a mřížkových poruch. Na jednom zrnu se vyskytuje běžně kolem jednoho milionu poruch.

SPSKS

Obr. 11 Mřížka bez poruch a mřížka s vakancí (chybí atom)

Poruch mřížek je více druhů, vedle chybějícího atomu v mřížce, který mřížku deformuje existují poruchy typu cizí atom v mřížce, atom v mezimřížkovém prostoru apod.

-24-

Obr. 12 Zrna kovů a jejich slitin

Doposud jsme popsali materiály krystalické a amorfní, ale vedle těchto struktur existují určité přechodové fáze. Pevné látky mohou mít sice povahu struktury takovou, že nenalezneme důkaz jejich krystalické stavby, přesto lze ve struktuře molekul zaznamenat určitý řád. Z pohledu chemie se jedná obvykle o kovalentní vazby. Ty se vyskytují u uhlovodíků a polymerů. Zde lze technologií polymerace a dalšího zpracování docílit určitého síťování řetězců - C - H -. Pak mohou existovat tzv. lineární polymery, kde převládá dlouhý řetězec v nějakém směru. Druhou možností je síťový polymer, kde řetězce tvoří texturu podobnou síti. Takové materiály logicky vynikají také anizotropií, protože např. při statistické dominaci řetězce - C – H – v nějakém směru je např. pevnost v tahu větší, než v příčném směru. Některé amorfní látky se proto dopují látkami, které vyvolávají síťování struktury. Typickým příkladem jsou asfalty. Dále jsme u kovů uvedli krystalickou stavbu za podmínek teploty. Doposud jsme nehovořili o rychlosti tuhnutí nebo rychlosti změny krystalické stavby (pravá část obrázku č. 6). Rychlost s jakou odebíráme tepelnou energii a latentní teplo určité krystalické stavby má vliv na stavbu krystalů. Rychlost ochlazování při tuhnutí nebo při překrystalizaci je podstatou tepelného zpracování např. oceli (kalení – rychlé ochlazování, žíhání a popouštěnípomalé ochlazování). Rychlost ochlazování může být dokonce tak velká, že tavenina ztrácí teplo takovou rychlostí, že atomy „nemají čas“ zaujmout polohu v potenciální krystalické mřížce. Technologií extrémně rychlého ochlazování se vytvářejí tzv. kovová skla. Je to materiál, který je chemicky kov, např. železo, ale není krystalickou látkou. Takové materiály mají zvláštní vlastnosti a to především fyzikální. V praxi slouží jako materiály snímající magnetizmus apod. U kapaliny hovořit o krystalické stavbě nemá smysl, protože částice hmoty jsou vázány jinými silami. Přesto existují tzv. tekuté krystaly, které v kapalném stavu vykazují řadu vlastností typických pro látky krystalické. V praxi slouží jako displeje s extrémně malým příkonem, v biologii jsou na koncích neuronů apod. Nabízí se logická otázka – jaké vlastnosti by měly materiály, kdyby nedokonalosti nebo poruchy krystalických mřížek neexistovaly. Materiál by vynikal o dva řády vyšší pevností v tahu a měl by řadu jiných pozoruhodných vlastností. V dnešní době se daří vyrábět vlákna s jednou jedinou vadou a to šroubovou dislokací. Odborně se nazývají whiskery. Na obrázku 12 jsou nakreslena zrna kovů, která vznikají jako shluky krystalů. Statisticky na nich lze vyčíst určitý směr chladnutí. To proto, že ve směru, kde je odebíráno při tuhnutí teplo, rostou krystaly převážně ve směru gradientu (spádu )teploty. Obrázek vpravo svědčí o tuhnutí rovnoměrném k souřadné soustavě. Levý obrázek poukazuje na skutečnost, že převládá chladnutí ve směru vodorovné osy.

SPSKS

-25-

4.3 SLITINY KOVŮ Slitinou kovů nazýváme materiál, který je svým složením ze dvou a více prvků, nejčastěji kovů. Podle významu slova je zřejmé, že k jejich mísení došlo v tekutém stavu. Nabízí se otázka, zda existují nějaké limity pro mísení dvou kovů v tekutém stavu? Existují a to např. teplotní. Mísit lze takové kovy nebo obecně látky, které jsou při dané teplotě v kapalném stavu. V kapitole 3 jsou u většiny prvků uvedeny teploty tavení, případně varu. Pokud se látka A taví při teplotě, kdy látka B se již odpařuje (vře), není možné tyto slít. V metalurgii se pro účely popisu slitin používají tzv. binární diagramy (dvousložkové diagramy – sléváme dvě látky). Slitiny však obsahují obvykle více složek. Takové diagramy jsou pak pro matematiku n-rozměrného prostoru. Je nutné podotknout, že některé slitiny při změně koncentrace výrazně mění své vlastnosti, u některých tomu tak není. Tyto diagramy se konstruují z křivek chladnutí viz obrázek 6 vpravo. Na křivkách ochlazování, a to ochlazování velmi pomalém, se měří body, kdy směrnice ochlazovací křivky mění svůj směr. To nastává v případě změny skupenství, kdy se kapalina mění v pevnou látku a při změnách krystalické stavby.

1

2

3

4

1

2

3

4

T °C

SPSKS čas t [s]

A

koncentrace v %

B

Obr. 13 Sestrojení rovnovážného diagramu z křivek chladnutí

Jak se „čte“ rovnovážný diagram a jak se konstruuje? Roztavíme čistý kov A, výraz čistý znamená, že kovu A je 100%. Následně taveninu ochlazujeme a měříme teplotu. Při ochlazování se náhle pokles teploty zastaví, což je signál, že nastává krystalizace a látka tuhne. Po úplném ztuhnutí opět počne klesat teplota. Příkladem takovéhoto tuhnutí jsou čáry tuhnutí č. 1 a 4. Dále smísíme dvě látky nebo kovy v nějakém hmotnostním poměru např. 30% kovu Aa 70% kovu B. Taveninu opět pomalu ochlazujeme a zjistíme, že teplota počala klesat s jinou směrnicí v určitém bodě. Tavenina tuhne a po přeměně látky na pevnou opět počne klesat teplota původní rychlostí podle směrnice. Tentokráte jsme získali dva body a ty

-26-

označíme do pravého grafu. Příkladem takového tuhnutí je ochlazovací křivka č. 2. Takto můžeme pokračovat při různých poměrech kovu látky A a látky B. Za určitých podmínek můžeme narazit na poměr složek takový, že tavenina tuhne za konstantní teploty jako čistý kov. Taková slitina se nazývá eutektikum. Pro pochopení rovnovážných diagramů je nutné se seznámit se základními případy vzájemné rozpustnosti kovů. Mohou nastat tyto případy: - oba kovy se rozpouštějí v každém poměru - oba kovy se nerozpouštějí vůbec - oba kovy se rozpouštějí jen částečně Pro technickou praxi jsou nejdůležitější slitiny na bázi dokonalé rozpustnosti. Kovy v kapalném stavu rozpustné dokonale se mohou v tuhém stavu vzájemně rozpouštět takto: - oba kovy se vzájemně rozpouštějí dokonale - oba kovy se vzájemně nerozpouštějí vůbec - oba kovy se vzájemně rozpouštějí částečně Poznámka: Projít v této učebnici všemi kombinacemi možností není účelné. Na částečnou rozpustnost v tuhém stavu (tuhý roztok) je možné nahlédnout jako na paralelu rozpustnosti kuchyňské soli (NaCl) ve vodě. Pokud ve vroucí vodě rozpustíme tolik soli, že vznikne nasycený roztok (více soli už nelze rozpustit) a následně roztok ochlazujeme, počnou vznikat krystalky soli. Okolní kapalina je slaná a je nasycená, ale za jiné teploty. Postupným ochlazováním se vylučuje stále více krystalické soli. Kdybychom vodu zmrazili na led, měla by jen velmi slabou koncentraci soli. Stejně je tomu u tuhých roztoků, kdy se v tuhé fázi počnou vylučovat krystaly, které jsou odlišné od krystalů látky, ze které se vylučují. Hlubším studiem rovnovážných diagramů lze dospět ke kvantitativnímu i kvalitativnímu rozboru. Čára, podle které dochází k vylučování v tuhém roztoku, se nazývá segregační čára.

SPSKS

Pro pochopení pojmu rozpustnosti v tekutém stavu nebo tuhém stavu, anebo naopak nerozpustnosti, je nutné nahlédnout do atomové struktury krystalů. S určitým zjednodušením jsou dokonale rozpustné kovy navzájem jak v tekutém, tak v tuhém stavu charakteristické tím, že mají přibližně stejnou velikost atomů. To předpokládá, že v Mendělejevově periodické soustavě prvků jsou „blízko sebe na řádku“. Slitiny typu Cu – Zn – mosaz, Au – Ag, Au - Pt jsou slitiny tohoto typu. Diagram vypadá jako smyčka a body udávají teplotu tavení každé složky např. Cu (1084°C) a Zn (419°C). Pro nerozpustnost v tuhém stavu, nebo částečnou rozpustnost, je částečné vysvětlení ve velikosti atomů a jejioch chemických vlastnostech. Příkladem je ocel, což je slitina kovu – železa s nekovem – uhlíkem.

-27-

kovy jsou v tekutém i tuhém stavu dokonale rozpustné

kovy jsou v tekutém stavu dokonale rozpustné, v tuhém stavu nerozpustné

kovy jsou v tekutém stavu dokonale rozpustné, v tuhém stavu částečně rozpustné

Obr. 14 Rovnovážné diagramy

5.0 SLITINY NA BÁZI ŽELEZA Slitiny na bázi železa představují i přes obrovskou dynamiku vývoje nových materiálů velkou část hmot, které slouží k výrobě strojů, staveb apod. Pokud hovoříme o slitinách tak základní slitinou je železo a uhlík. Uhlík, ač je typickým nekovem, má mimořádný vliv na vlastnosti slitiny. V kapitole metalografie jsme si vysvětlili základní chování slitin. Pro rozdělení slitin na bázi železo – uhlík je nejlepší grafickou interpretací rovnovážný diagram železo – uhlík. Na tomto diagramu budeme vysvětlovat rozdělení slitin, tepelné zpracování a vlastnosti slitin podle obsahu uhlíku. Diagram vypadá s ohledem na dosavadní znalosti složitě, ale postupně pochopíme řadu vlastností. Teplota tání slitiny železo – uhlík při pohledu na plné čáry po linii A – B - C – D, která se odborně nazývá likvidus a odděluje kapalnou fázi slitiny od počínající fáze tuhnutí, je zřejmé toliko: - čisté železo se taví při teplotě 1536°C a je to nejvyšší teplota ve slitině s uhlíkem. Nejnižší teplotu tavení má slitina, která obsahuje 4,3% C a je to eutektikum. Slitina se stává tekutou při teplotě 1147 °C. Slitina s maximálním množstvím C, tedy 6,67%, má teplotu tuhnutí v rozmezí 1320 - 1147 °C. - na ploše ohraničené lomenou čarou likvidu a body E – C – F dochází ke krystalizaci při snižující se teplotě, kdy odvádíme teplo. Na zmíněné čáře už není žádná tavenina, ale toliko pevná látka. Z tvarů křivek lze odvodit okamžité složení krystalů, které se s poklesem teploty mění. Čára, která ukončuje tuhnutí kapalné fáze, se nazývá odborně solidus. - pod lomenou čarou A – E – C – F se vyskytuje pouze tuhá fáze. Slitina Fe – C má omezenou rozpustnost v tuhém stavu, čemuž odpovídají šikmé čáry podobně jako u třetího obrázku č. 16. To se projevuje vylučováním krystalů. - pod lomenou čárou G – S – K nastává rekrystalizace krystalů železa γ na železo α, což má za následek mj. změnu měrné hmotnosti a vlastností materiálu. Opět tu dochází k vylučování tzv. cementitu, které souvisí s klesající teplotou. - teplota 769°C je tzv. Curieho bod, kdy materiál ztrácí feromagnetické vlastnosti.

SPSKS

-28-

-29-

SPSKS

Obsah uhlíku ve slitině vyžaduje prvotní vysvětlení. Dosavadní diagramy pracovaly s tím, že na levé ose diagramu bylo 100% kovu A a 0% kovu B. Na pravé ose bylo naopak 100% kovu B a 0% kovu A. Ocel jako slitina železa a uhlíku je případem částečné rozpustnosti v tekutém stavu. Uhlíku se v tekutém stavu nerozpustí v železe více než 6,67%. Obsah uhlíku po vodorovné ose určuje odbornou terminologii slitin železa a uhlíku takto: - 0, 000 – 0,02% C železa, jejich použití je v elektrotechnice s ohledem na magnetické vlastnosti, - 0, 02 – 0,8% C podeutektoidní oceli, - 0,8 – 2,1% C nadeutektoidní oceli, - 2,1 – 4,3% C podeutektické litiny, - 4,3 – 6,67%C nadeutektické litiny. Poznámka: Pojem eutektikum a eutektoid. Eutektikum je bodem C diagramu. Je to taková koncentrace uhlíku v železe, že se při tavení chová jako čistý kov – taví se za konstantní teploty. Eutektoid je bod S v diagramu. Zde dochází k překrystalizaci za konstantní teploty, stejně jako je tomu u čistého kovu. Tento bod je opět definován přesnou koncentrací uhlíku hodnotou 0,8 hmotnostních %. Poznámka: Vodorovná osa končí na hodnotě 6,63% C. Ta osa udává hmotnostní procenta. Pokud bychom však diagram železo - uhlík koncipovali jako problém počtu atomů, tedy v molární metrice, je hodnota hmotnostních 6,63% rovna 100% chemické látky zvané cementit F3C (chemicky je to karbid železa). Částečná rozpustnost v tuhém stavu znamená, že s klesající teplotou je z tuhého roztoku postupně vylučován buď cementit, nebo grafit. Cementit je velmi tvrdý a křehký materiál, jeho tvrdost v Morseho stupnici je 6.

SPSKS

Cementit F3C je velmi tvrdá chemická sloučenina, pokud je vyráběna jako finální výrobek, nazývá se bílá litina. Odlitky vynikají vysokou tvrdostí a otěruvzdorností. Druhou možností je vylučování uhlíku v podobě grafitu, kdy nedošlo na chemickou vazbu. Typickým materiálem, kde došlo k segregaci grafitu, je potom šedá litina. „Ocel versus litina“ Z obrázku 15 je patrné, že rozdíl mezi ocelí a litinou je v obsahu uhlíku, kdy dělící hranicí je 2,1% C. V makroskopickém měřítku je rozdíl mezi ocelí a litinou v mechanických a fyzikálních vlastnostech. Ocel je tvárný materiál, podle obr. 2 se chová při deformaci tak, že do určitého napětí je pružný a po překonání meze elasticity je tvárný. To znamená, že oceli lze vnějším zatížením za normální teploty vnutit libovolný tvar. Pokud se tváření provádí za tepla (kování, válcování apod.), postačí zahřátí na teplotu nad 900°C (A3). Litina není materiál tvárný (vyjma tvárné litiny viz dále). Podle obr. 2 vpravo se do určité míry chová pružně, ale po dosažení meze pevnosti praská. Tedy nelze ji za studena ani za tepla vnutit žádný tvar. Litiny lze tvarovat tedy výhradně litím. Poznámka: V praxi se používá pojmu „ocelolitina“; nejedná se o žádný přechod mezi litinou a ocelí, ale jde o litou ocel. Ocel se dá také odlévat, ale je to problematický materiál. Ocel při odlévání má velkou smrštivost, která je asi 5%. To znamená, že při odlití odlitku do formy se při změně skupenství z kapalného na pevné zmenší rozměry a tedy i objem asi o 5%.

-30-

Je to způsobeno tím, že ocel rekrystalizuje a díky změně mřížkového parametru mění svoje rozměry. Litiny, a zvláště litina složení s obsahem 4, 3% C(eutektická) velmi dobře teče a tuhnutí a rekrystalizace má vodorovnou prodlevu. Důsledkem je mnohem menší smrštivost a zatékavost.

SPSKS železa podeutektoidní oceli nadeutektoidní oceli oceli podeutektické litiny

nadeutektické litiny litiny

Obr. 15 Rozdělení slitin železo – uhlík podle obsahu uhlíku

5.1 ROZDĚLENÍ OCELÍ

-31-

Vedle základní definice oceli, že je to slitina železa a do 2,14 hmotnostních % uhlíku, patří do slitiny i další legující prvky, které významně ovlivňují její vlastnosti. Patří sem Mn, Si, P, S, Cu, Cr, Co, W, Mo, V, Ni a další. Ocel se vyrábí ze surového železa procesem zvaným zkujňování. Terminus technicus zkujňování nemá nic společného s kováním. Znamená pouze to, že tekuté surové železo se podrobuje technologii, která z něj vyrobí kujný materiál – ocel. Zkujňování se dnes provádí v konvertorech. Je to nádoba, do které se nalije tekuté surové železo. Ve dně této nádoby jsou trysky, kterými se pod tlakem pustí čistý kyslík. Ten spálí v surovém železe nežádoucí příměsi a sníží obsah uhlíku. Za nežádoucí se považuje především fosfor a síra. Ty jsou součástí železné rudy s obsahem kyselinotvorných prvků. Tato ruda se těží na Ukrajině. Po dosažení požadovaných parametrů obsahu uhlíku a nechtěných přísad se ocel může dopovat chtěnými přísadami – legovat. Po legování se odlije technologií kontinuálního lití, kdy vzniknou silné tyče kruhového, čtvercového nebo obdélníkového průřezu. Ty se za tepla válcují na hutní materiál. Hutním materiálem rozumíme plechy, tyče různých průřezů (kruhový, čtvercový, obdélníkový. I, U, Z, L, kolejnice, trubky a mnoho dalších). Takovouto ocel je možné také odlévat na složité odlitky.

ocel (surová)

SPSKS

k tváření

na odlitky

konstrukční

nástrojové

obvyklé jakosti

uhlíkové

ušlechtilé

slitinové

uhlíkové

slitinové

Označování a použití ocelí

-32-

nástrojové

konstrukční

slitinové

uhlíkové

Pro konstruktéry je nutné oceli označovat pro výběr jejich jakosti z pohledu mechanických vlastností. Označování je pomocí číselného kódu, který lze částečně „dešifrovat“. U některých materiálů se navíc používá obchodní název jako obrazit Hadfieldova ocel, hardox, radeco apod. Pro podrobnější informace jsou k dispozici normy a materiálové listy. Pro účely této učebnice postačí nejjednodušší zatřídění: Systém značení ocelí je poměrně složitý.

1X XXX. XX doplňkové číslice (tepelné zpracování, stupeň přetváření) základní číselná značka

třída oceli – ocel tvářená

třída oceli

vlastnosti a použití

SPSKS

Oceli konstrukční. Jsou to nejlevnější oceli z pohledu technologie jejich výroby. Mají obvykle nízký obsah uhlíku. Představují z pohledu výroby největší hmotnostní podíl. Vyznačují se tím, že kromě uhlíku nemají zaručený obsah žádných legujících prvků. Pro použití v praxi jsou to oceli konstrukční. To znamená, že jsou většinou dobře 10 (nepodmíněně) svařitelné. Jejich minimální zaručená pevnost v tahu je 350 – 550 MPa. Vyrábějí se z nich válcované profily pro ocelové konstrukce, betonové výztuže, ale také drážní kolejnice (10 750). Oceli konstrukční. Oproti ocelím třídy 10 mají tyto oceli vedle předepsané (garantované) pevnosti v tahu také garanci meze kluzu a tažnost. Pro účely technologie jejich zpracování. Jsou odstupňovány podle obsahu uhlíku a pevnosti v tahu od 280 - 900 MPa. Jsou to 11 nejčastěji používané konstrukční oceli. Vyrábí se z nich většina válcovaných profilů pro ocelové konstrukce. Dále plechy určené k tváření za studena. Jsou dobře, nebo u vyšších pevností podmíněně svařitelné. Dají se do určité míry tepelně zpracovat normalizačním žíháním a pak se získávají tzv. hlubokotažné plechy. Oceli konstrukční ušlechtilé. V porovnání se třídami 10 a 11 mají tyto oceli lepší a spolehlivější vlastnosti. Především mají vyšší zaručenou chemickou čistotu a chemické složení. Obsah uhlíku je nízký od 0,2 – 0,9%. Tyto oceli jsou vhodné pro obrábění a chemicko - tepelné zpracování. Tím získávají vysokou povrchovou tvrdost a velkou 12 houževnatost. Vyrábějí se z nich ozubená kola, hřídele, vodítka, součásti spalovacích motorů apod. Pokud tato skupina ocelí má obsah uhlíku více než 0,4% jsou kalitelné a to do hloubky až 40 mm. Z nich se vyrábějí součásti větších spalovacích motorů jako jsou kliky, ojnice, vačkové hřídele, čepy. Zušlechtěním mohou dosahovat pevnosti v tahu až 1200 MPa.

-33-

Oceli konstrukční ušlechtilé. Tato třída je legována chrómem a někdy ještě manganem. Jsou vhodné ještě k cementování. Mají nízký obsah uhlíku. Používají se na nejnamáhanější 14 součásti jako jsou vačkové hřídele spalovacích motorů a klikové hřídele. Jsou prokalitelné až do hloubky 60 mm a některé se dají i nitridovat. Z této skupiny ocelí se vyrábějí valivá ložiska. Oceli konstrukční ušlechtilé. Tato skupina se vyznačuje velkým počtem kombinací legujících prvků. Patří sem asi 40 značek. Vyznačují se vysokou mezí pevnosti a mezí kluzu při normální teplotě. Jsou obzvláště vhodné k zušlechťování a jsou prokalitelné až 15 do průměru 150 mm. Používají se na výrobu mimořádně namáhaných součástí leteckých motorů, torzních tyčí apod. Do této skupiny patří i žáropevné oceli, které se používají v chemickém průmyslu na výrobu vysokotlakých zařízení, součástí parních turbín apod. Lze je nitridovat i cementovat pro získání povrchové tvrdosti. Oceli konstrukční ušlechtilé. Jsou to oceli legované niklem až do hodnoty 5%. Nikl je zde 16 obsažen zásadně s chrómem. Jsou vhodné na nejnamáhavější součásti. Jsou prokalitelné až do průměru 140 mm, lze je cementovat a zušlechťovat. Používají se u součástí pracujících za nízkých teplot. Oceli konstrukční ušlechtilé se zvláštními vlastnostmi. Tato skupina zahrnuje oceli korozivzdorné (nerez), žárovzdorné, žáropevné a speciální. Materiálů této třídy je asi 50. Základním legujícím prvkem pro žárupevnost a koroziodolnost je chróm. Dalšími legurami je mangan, nikl apod. Samostatnou pozornost zaslouží tzv. Hadfieldova ocel, což 17 je manganová ocel (13% Mn), která je austenitická, je vysoce houževnatá a otěruvzdorná. Při deformaci mění strukturu na vysokou tvrdost. Používá se na články housenic, zuby rypadel, čelisti drtičů a extrémně namáhané součásti, lze ji zpevňovat detonací. Oceli nástrojové. Všechny nástrojové oceli jsou oceli ušlechtilé. Samotná třída 19 obsahuje asi 70 druhů. První členění je na uhlíkové a slitinové. Jejich další členění je na 19 manganové, křemíkové, vanadové, chrómové, molybdenchrómové, nikové, wolframové a rychlořezné. Používají se na výrobu nástrojů a proto je u nich požadována vysoká tvrdost a houževnatost

SPSKS

-34-

Označování a použití ocelí na odlitky Oceli na odlitky je slitina železa s uhlíkem, křemíkem, manganem a dalšími prvky. Opět zde platí hranice obsahu uhlíku do 2,14 %. Podle stupně legování se oceli na odlitky dělí na: - uhlíkové oceli na odlitky - legované oceli na odlitky Systém značení je méně složitý a první dvojčíslí 42 je vždy stejné a značí oceli na odlitky. označení název a použití 42 26XX Uhlíkové oceli na odlitky. Jsou to materiály bez speciálních požadavků na garantované vlastnosti. Používají se pro technologicky a konstrukčně méně náročné odlitky tam, kde je technologie lití výhodnější než svařovaná konstrukce (části elektromotorů, součásti parních kotlů a turbín do 450°C). 42 27XX Nízkolegované a středně legované oceli na odlitky odlévané do pískových forem. Použití na namáhané díly strojů a zařízení (články housenicových podvozků, zuby rypadel, srdcovky výhybek – Hadfieldova ocel litá). 42 28XX Nízkolegované a středně legované oceli na odlitky odlévané jinými technologiemi než do pískových forem. Používají se pro lití namáhaných strojních dílů (klikové hřídele, permanentní magnety s usměrněnou krystalizací apod.).

SPSKS

42 29XX Vysokolegované oceli na odlitky. Jde o analogii tvářené oceli třídy 17, tedy korozivzdorné, žárovzdorné a žáropevné materiály. Použití jako součásti parních turbín, v chemickém a petrochemickém průmyslu. Patří sem lité nástroje, což je ekvivalent tvářených ocelí třídy 19. .

5.2 ROZDĚLENÍ LITIN Obecně je litina slitinou železa s uhlíkem na odlitky. Z definice dle ČSN je tedy jasné, že litina je materiál, který se primárně zpracovává jako odlitek. Od oceli se odlišuje množstvím uhlíku, kde jej musí být minimálně 2,14 hmotnostních procent. Maximální rozpustnost uhlíku je pak 6,67 hmotnostních procent, což je z pohledu molárního množství čistý karbid železa Fe3C, který se v metalurgii nazývá cementit. Litiny se vyrábějí v kuplovnách přetavováním tzv. šedého surového železa a vratného materiálu ze sléváren a přidává se i ocelový šrot. Stejně jako v případě ocelí mohou i litiny být legovány přísadami, které zlepšují jejich užitné vlastnosti. Základní členění litin se dále odvíjí od způsobu vylučování (segregaci grafitu), který je částečně rozpustný v tuhém roztoku. Zjednodušeně to znamená, že při tuhnutí taveniny se počne grafit vylučovat. Segregační čárou je čára C D. Protože je to první segregace v procesu,

-35-

nazývá se takový cementit primárním. Po ukončení fáze tuhnutí nastává prosté chladnutí slitiny a pokračuje nadále segregace grafitu podle čáry S E, zde se vylučuje sekundární cementit. Proces pokračuje i za relativně nízkých teplot vylučováním terciárního cementitu podle čáry Q P. Grafit je vylučován (segregován) do prostoru na okraje zrn. Na vlastnosti litin má tento tvar a velikost vyloučeného grafitu základní vliv. Podle tvaru grafitu lze vyrobit litiny: - šedá litina – litina, kde grafit se vyloučil ve tvaru lupínků na okraji zrn. Takový materiál má malou pevnost v tahu (asi 3x menší než v tlaku), má však vynikající vlastnosti v tlumení vibrací a rázů. - bílá litina – je litina, kde nedošlo k vyloučení grafitu, ale uhlík zůstal chemicky vázán na železo jako karbid železa - cementit. Takový materiál je mimořádně tvrdý, jako všechny cementity, a je velmi křehký. - tvárná litina – je litina, kde uhlík se sice vyloučí na okraje zrn, ale metalurgové pomocí legur (cer a hořčík) jej donutí ke koagulaci. Namísto tvaru lupínku má tvar kuličky. Takový materiál ztrácí křehkost. - temperovaná litina – je litina, kde tepelným zpracováním změníme tvar grafitu na vločky. Poznámka: Použití adjektiv bílá a šedá litina vyjadřuje velmi dobře jejich barvu na lomu. Grafit je černý a jeho drobné částice mezi zrny skutečně zbarvují lom šedé litiny do šeda. Grafit vázaný chemickou vazbou s železem na karbid je bílý a lom skutečně je bílý. Grafit krystalizuje v hexagonální soustavě a proto je mj. výborným mazivem. Proto se šedé litiny velmi dobře obrábějí. To, jak bude segregován grafit při tuhnutí, je základní součást know how metalurgů. Záleží na rychlosti ochlazování (rychlé ochlazení má tendenci ke vzniku karbidu železa a naopak). Dále záleží na obsahu dalších prvků ve slitině ať již chtěných, nebo tolerovaných. Záleží i na tvaru formy, protože tenké výběžky rychle chladnou. Pro snadné pochopení mechanických vlastností litin slouží obrázek 16.

SPSKS

¨

homogenní materiál

litina

lupínek ve směru napětí v tahu

kuličkový grafit (tvárná litina)

lupínek kolmý na směr tahu

Obr. 16 Napětí v tahu ve vztahu k poloze a tvaru vysegregovaného grafitu v litině

-36-

-

Šedé litiny lze podle složení dělit na: šedé litiny nelegované šedé litiny legované

42 24 XX Jejich vlastnosti a označení je zjevné z tabulky druh slitiny železa na odlitky

dvojčíslí

vlastnosti

00 - 49 Nenáročné odlitky bez speciálních požadavků na mechanické šedé litiny vlastnosti, mez pevnosti v tahu je asi 10 MPa. Pro velmi dobrou nelegované zabíravost se používají na tenkostěnné odlitky s tloušťkou stěny 42 24 4 – 15 mm – válce kompresorů, rámy strojů, části turbín apod. Čím vyšší dvojčíslí, tím větší minimální tloušťka stěny odlitku. 50 - 59 Šedé litiny se speciálními vlastnostmi. Těmito vlastnostmi je schopnost snášet smykové tření s nízkým součinitelem tření – kluzná ložiska a ložisková pouzdra. 60 – 79 Nízko a středně legované šedé litiny na výrobu odlitků šedé litiny náročnějších na pevnost a zvláštní slitiny 80 – 89 Vysokolegované šedé litiny s hlavními legujícími prvky Mn, Si, železa na Al. odlitky 90 – 99 Vysokolegované šedé litiny, kde hlavními legujícími prvky jsou 42 24 Cr, Ni, Mo. Použití je na součásti vystavené namáhání za vysokých teplot a zároveň zatížených agresivním prostředím např. výfukových plynů.

SPSKS

Tvárná litina Je velmi moderním konstrukčním materiálem. Vyrábí se očkováním šedé litiny do pánve, tzn. očkuje se těsně před odléváním. Její pevnost v tahu je až 900 MPa. Z hlediska pevnosti, slévatelnosti a poměrem meze pevnosti v tahu a meze kluzu úspěšně nahrazuje lité oceli. Slovo „tvárnost“ nevyjadřuje, že součástí technologie je její tváření. Díky kuličkovému grafitu není tento materiál křehký. V dnešní době se tento materiál objevuje v automobilovém průmyslu, pro speciální výrobu např. kontejnerů pro jaderný odpad s extrémními požadavky na spolehlivost a životnost. Z hlediska slévatelnosti ve srovnání např. s ocelí na odlitky je extrémní. Byly odlévány např. jehly na šití včetně otvoru pro navlékání nitě.

-37-

Označení je 42 23 XX

druh slitiny železa na odlitky

dvojčíslí

03 - 04

05 tvárné litiny 42 23

06

07

vlastnosti Tvárná litina feritická. Základní hmota je ferit. Jejich pevnost je menš, asi 380 MPa. Má však vysokou mez únavy a houževnatost. Používají se na odlitky tloušťky 5 – 100 mm i více. Jsou využívané u součástí silničních strojů (skříně převodovek, tělesa armatur a na dynamicky namáhané součásti). Tvárná litina perliticko-feritická. Má strukturu tvořenou feritem a perlitem. Je vhodná na odlitky tloušťky stěny 5 – 100 mm. Nejmenší pevnost v tahu je 500 MPa. Vhodná i pro dynamicky namáhané součásti. Tvárná litina perliticko-feritická. Má strukturu tvořenou perlitem a feritem. Je vhodná na dynamicky namáhané součásti jako jsou klikové hřídele, vačkové hřídele, ozubená kola. Nejmenší pevnost v tahu je 600 MPa. Tvárná litina perlitická. Má nejmenší pevnost v tahu 700 MP. Vedle dynamického namáhání je vhodná i pro konstrukci součástí namáhaných otěrem. Vyrábějí se z ní ozubená kola, brzdové bubny, rozváděcí kola čerpadel. Tvárné litiny mají strukturu tvořenou perlitem a sorbitem. Jejich pevnost je nejvyšší u tvárných litin 800 – 900 MPa. Jsou vhodné pro nejnamáhanější součásti namáhané navíc otěrem. Tvárná litina má strukturu tvořenou feritem. Je tepelně stálá s pevností 300MPa. Používá se jako konstrukční materiál pro roštnice, vrata pecí a podobné aplikace.

SPSKS 08 – 09 40

Temperovaná litina Je materiál, který se vyrábí tzv. temperováním, což je dlouhodobé žíhání. Výsledkem je rozklad ledeburického cementitu (bílá litina) na železo a grafit. Takto vyloučený grafit má tvar nepravidelných zrn. Ta sice nejsou tak oblá jako je tomu u tvárné litiny, ale jejich účinek je podobný. Dnes jsou tyto litiny nahrazovány modernějšími materiály, především tvárnou litinou. Důvodem je energetická náročnost technologie temperování. Jinou cestou náhrady je i tzv. vermikulární litina. Zde je grafit vyloučen bez rozpouštění ve formě červíkovité. Dosahuje se toho opět legováním v kombinaci Mg – Ti – Ce a očkováním ferosiliciem. Červíkovitý grafit si lze představit jako „srolovaný lupínek“ a ten je prostorově rozložen.

-38-

Poznámka: Mechanické vlastnosti litin jsou, jak je zřejmé z textu, závislé na tom, zda se při tuhnutí a následně chladnutí vyloučí díky nerozpustnosti uhlík v podobě grafitu, nebo ve formě chemické sloučeniny karbidu uhlíku – cementitu. Ve většině výroby převládá technologie, která vede k vylučování uhlíku v podobě grafitu. Mechanické vlastnosti jsou závislé na tvaru vyloučeného grafitu.

grafit ve tvaru grafit ve tvaru prostorových lupínků lupínků Obr. 17 Možné tvary vyloučeného grafitu u litin

grafit ve tvaru globulí (kuliček)

grafit ve tvaru zrn

5.3 TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ SLITIN ŽELEZA A UHLÍKU Tepelné zpracování je technologický postup, při kterém cíleně ohříváme materiál součásti a to v tuhém stavu, který následně řízeně ochlazujeme. Algoritmus všech druhů tepelného zpracování je zřejmý z obrázku 18.

T [°C]

SPSKS

ohřev

prodleva

ochlazení

čas [s] [min] [h] Obr. 18 Obecné schéma průběhu tepelného zpracování

-39-

V některých případech mohou tyto operace probíhat vícekrát za sebou v jakémsi sledu. Z obrázku je patrné, že ze směrnice (sklonu) čar ohřevu a ochlazení lze vyčíst rychlost změn teploty v čase. U rychlých změn to bude v jednotkách [°C.s-1], u pomalejších změn [°C.min-1] a [°C.h-1]. Rychlosti nemusí být rovnoměrné, tedy v grafu vyjádřené přímkou, ale obecnější křivkou a pak se uvažuje o průměrných rychlostech. Tepelným zpracováním ovlivňujeme především mechanické vlastnosti jako je pevnost, tvrdost, vrubovou houževnatost, tažnost, odolnost proti opotřebení apod. V řadě případů je tepelné zpracování spojeno se změnou struktury. Základní členění tepelného zpracování je na: - žíhání - kalení - popouštění - zušlechťování 5.3.1 ŽÍHÁNÍ Žíhání je technologický postup tepelného zpracování, kterým chceme dosáhnout u materiálu součástí zpravidla stavu blízkého rovnovážnému stavu. Základním postupem je rovnoměrný ohřev (tedy blízký přímce) na teplotu žíhání. Tato teplota je pro různé druhy žíhání různá a může být i proměnlivá v čase. Po proběhnutí prodlevy následuje zpravidla velmi pomalé ochlazování. Žíhání se neuplatňuje pouze u kovů na bázi železa, tedy ocelí a litin. Uplatní se i v případě neželezných kovů a jejich slitin zvláště pokud jsou alotropní. 5.3.1.1 ŽÍHÁNÍ OCELÍ

SPSKS

Oceli lze v zásadě žíhat bez překrystalizace a s překrystalizací. Tím je v zásadě dána teplota prodlevy patrná z obrázku, kde je v diagramu železo – uhlík pro oblast ocelí vymezena teplota. Terminologicky jsou tyto technologie zřejmé z tabulky. název žíhání žíhací teploty [°C] naměkko 680 - 790 bez rekrystalizační 550 - 700 překrystalizace protivločkové 650 - 700 ke snížení pnutí 500 - 650 pro odstranění křehkosti po moření 300 - 500 homogenizační 1000 - 1300 s normalizační 750 - 950 překrystalizací izotermické 700 - 850 rozpouštěcí nad 950

-40-

normalizační žíhání

910° C

723°

žíhání na měkko rekrystalizační žíhání Žíhání ke snížení pnutí

2,16

0,8

%C

Obr. 20 Oblasti teplot žíhání v rovnovážném diagramu Fe - C

SPSKS

Žíhání na měkko se používá zejména v případě nástrojových a některých konstrukčních ocelí. Cílem tepelného zpracování je dosažení nejnižší možné tvrdosti. Takovýto postup volí technologie při potřebě opracování před závěrečnou operací, kterou je kalení. Tímto postupem lze díky rekrystalizaci dosáhnout jemnějšího zrna. Jemnější zrno vyniká obecně větší vrubovou houževnatostí při nízkých teplotách. Délka prodlevy je 2 – 8 hodin. Rychlost chladnutí je do 50 °C.h-1. Po dosažení teploty při ochlazování kolem 450 550°C lze nechat součást vychladnout na vzduchu, nebo tzv. řízeně vychladnout, pokud nejsou přísnější požadavky na vnitřní pnutí.

723°C T [°C]

čas t [h]

podeutektoidní ocel

nadeutektoidní ocel

Obr. 21 Schéma postupů žíhání na měkko

-41-

nástrojová ocel

Rekrystalizační žíhání je technologická operace, která obnovuje tvárnost materiálu po předchozím zpevnění oceli tvářením za studena. Je důležité si uvědomit, že teplota rekrystalizačního žíhání je nižší než teplota rekrystalizace. K zotavení nedochází překrystalizací, ale probíhá na původní krystalické mřížce. Protože se jedná zpravidla o operaci, která není poslední, provádí se v ochranné atmosféře, aby se zabránilo vzniku okují.

Poznámka: Terminus technicus tváření za studena znamená, že materiál byl podroben za běžné teploty např. ohybu. Tváření za tepla je naopak změna tvaru při teplotě nad teplotou rekrystalizace, taková technologie se nazývá kování. Řada ocelí po tváření za studena ztrácí tvárnost a křehne. To je známé např. při opakovaném ohnutí drátu se drát zlomí, dále u tažení drátu za studena apod. Pokud požadujeme, aby zóna součásti, kde proběhla plastická deformace měla stejné mechanické vlastnosti, používáme rekrystalizační žíhání. Tato technologie se při velkých plastických deformacích může i opakovat. To se děje při objemovém tváření součástí s vysokou mírou přetvoření (matice, šrouby, nábojnice apod.). Žíhání ke snížení pnutí se používá jako technologická operace, která snižuje napjatost uvnitř výrobku, která vznikla díky technologii jejich výroby. Takovéto pnutí nastává při svařování, tváření za tepla, obrábění, po nerovnoměrném a rychlém ochlazování apod. Součást prodlévá na teplotě 500 – 650 °C po dobu 1 – 10 hodin, následuje pomalé ochlazování do teploty 250 – 300 °C, následuje prosté ochlazení na vzduchu.

SPSKS

Poznámka: Vnitřní pnutí vzniká několika způsoby. Nejsnáze vysvětlitelný je vznik pnutí při svařování. To se děje za velmi vysokých teplot, kdy se součást vlivem lokálního ohřevu roztahuje (dilatuje). Vedle tuhnutí samotného sváru, které je doprovázeno rekrystalizací, se však součást následně nemůže vrátit do původního tvaru a rozměru. Zůstává proto vystavena napětí, aniž by existovalo nějaké vnější zatížení. Tato napětí nabývají dokonce hodnoty meze pevnosti a materiál může prasknout. Je zřejmé, že některé ocelové konstrukce bez této technologické operace nelze zatížit, protože se napětí od vnějšího zatížení sčítá podle principu superpozice. Výsledkem je přinejmenším snížení koeficientu bezpečnosti. Homogenizační žíhání je technologický postup tepelného zpracování v případě, že ocel je vyráběna odléváním ingotů. Tato technologie je na okraji hutnické výroby, neboť je vytlačena tzv. kontilitím. Pro speciální účely se však ještě používá. Základní charakteristikou speciálního užití je skutečnost, že materiál se dále příliš za tepla netváří. Homogenizační žíhání má za cíl homogenizovat chemické složení, které při chladnutí nemůže být díky segregaci stejné v celém objemu. Teplota ohřevu je v rozmezí 1100 – 1250°C. Prodleva na teplotě je značná až několik desítek hodin. Žíhání normalizační je způsob žíhání, kdy dochází při ohřevu k překrystalizaci, což je zřejmé z obrázku 20. Teplota ohřevu závisí na obsahu uhlíku v oceli a je o několik desítek stupňů celsia nad čarou. Prodleva při teplotě je dostatečně dlouhá, protože rekrystalizace probíhá v čase. Ochlazování je relativně rychlé oproti ostatním druhům žíhání. Výsledkem je poměrně jemnozrnná struktura. Rekrystalizaci lze chápat jako rozbití jedné krystalické struktury při ohřevu a nahrazení jinou (austenit), která je prostorově středěná a následně při ochlazování opět rozbití austenitu a překrystalizace zpět na mřížku plošně středěnou. Tato

-42-

dvojitá transformace krystalové mřížky umožňuje odstranění nerovnoměrností struktury, které běžně vzniká při válcování a kování za tepla i za studena. Téměř vždy je nutné po základním zpracování odlitků (vytlučení z formy a zbavení vtokové soustavy a švů). Někdy se nedovoluje ochlazení na vzduchu, protože mohou u složitějších tvarů nastat problémy s generováním vnitřních pnutí. Taková technologie se nazývá žíhání základní, kdy se povoluje rychlost ochlazování v rozmezí 50 - 200°C.h-1. Ohřev se pak volí s rychlostí 80°C.h-1. Izotermické žíhání je v zásadě podobné žíhání základnímu, nebo na měkko. Důvodem existence tohoto žíhání je větší hospodárnost v nákladech na energii, kdy jsou žíhací doby kratší.

5.3.1.2 ŽÍHÁNÍ LITIN U litin používáme prakticky identických postupů žíhání jako u ocelí. V prvé řadě se jedná o žíhání na odstranění vnitřního pnutí, které se logicky při tuhnutí odlitků objevuje. Rychlost ohřevu je menší než u ocelí, protože zvláště šedá litina má nízkou hodnotu meze pevnosti v tahu a tahová napětí vnitřního pnutí mohou vyvolat prasknutí křehkým lomem. Rychlost ohřevu podle členitosti odlitku je kolem 100°C.h-1. Prodleva na teplotě 550°C trvá 5 – 8 h. Rychlost ochlazování je 25 – 75°C.h-1 . Vedle toho ještě používáme žíhání na zmenšení tvrdosti (feritizační žíhání). Teploty jsou kolem 600°C a prodleva 2 – 8 h. Tato operace je nutná při segregaci cementitu vlivem rychlejšího chladnutí a tuhnutí materiálu např. ve výběžcích a tenkých žebrech odlitku, které je nutné následně obrábět. Pokud je materiál litiny na odlitku málo tvrdý, použije se normalizační žíhání, kdy výsledkem je vznik perlitu, který je tvrdší než ferit. Temperování litiny je dlouhodobé žíhání za teplot 930 1000°C. Vedle teplot slouží k dosažení efektu i atmosféra v peci, která může snižovat obsah uhlíku (oxidační), nebo jej ponechat. Jde o technologii velmi náročnou na energii.

SPSKS

Poznámka: Existují i technologie žíhání neželezných kovů. Protože v čisté podobě, nebo jejich slitiny jsou obvykle dokonale rozpustné v tekutém i tuhém stavu, připadá do úvahy pouze žíhání pro obnovení tvárných vlastností po jejich ztrátě tvářením za studena. Teploty žíhání mají obvyklou souvislost s rekrystalizační teplotou. U slitin neželezných kovů pak je častěji užíváno homogenizační žíhání. Jeho cílem je homogenizovat chemické nestejnorodosti a fluktuace. Protože v kapitole 3. nejsou informace o teplotách rekrystalizace u alotropních čistých kovů, jsou uvedeny v tabulce.

-43-

kov olovo cín zinek kadmium hliník hořčík

teplota rekrystalizace [°C] 0 0 15 50 150 150

kov

teplota rekrystalizace [°C] 200 200 200 450 620 1210

měď stříbro zlato platina nikl wolfram

5.3.2 KALENÍ Kalení je technologií tepelného zpracování, která je charakteristická rychlostí ochlazování větší než je rychlost kritická. Průběh kalení je stejný jako u žíhání obr. 18. Jde tedy o ohřev, krátkou prodlevu a rychlé ochlazení. Teploty ohřevu jsou patrny z části diagramu železo – uhlík (obr. 18).

T [°C]

910° C

SPSKS teploty kalení

723°

2,16

0,8

%C

Obr. 18 Oblast teplot kalení v diagramu Fe – C

Teorie procesů při kalení je dosti složitá. Dochází zde k tzv. martenzitické nebo bainitické přeměně. Výraz o rychlosti kalení větší než je kritická neznamená, že ochlazení je rychlé, i když tomu tak většinou je. Obrázek 18 ukazuje na rekrystalizaci ocelí, která je zřejmá z diagramu Fe – C. Opačný proces, tedy ochlazování v sobě nezahrnuje dynamiku, tedy rychlost. Pokusme se zvolit myšlenkový postup. Vybereme si několik vzorků oceli s určitým obsahem uhlíku. Vzorek několikrát ohřejeme na teplotu, která je doporučena grafem

-44-

obrázku 18. Následně jej ochladíme s různou rychlosti ochlazování. To lze např. prostým ponecháním na vzduchu, ponořením do tekuté soli (NaCl kuchyňská sůl), ponořením do vody, ochlazením ve vodní sprše, ponořením do kapalného dusíku. Při měření krystalické stavby třech vzorků zaznamenáme jakési body , které proložíme čarou. Digram pak ukazuje vztah mezi teplotou a časem a dané křivky ukazují nějakou změnu ve struktuře materiálu. Takto vzniklé diagramy lze interpretovat pro technologické účely. Každý materiál, což znamená, že každá ocel s určitým podílem uhlíku a každá ocel s určitým podílem uhlíku a navíc dalších legur, bude mít svůj vlastní diagram. Ac1

T [°C]

Ms

Mf žíhání

SPSKS

kalení

patentování

čas t [s]

Obr. 19 Schéma martenzitického a bainitického kalení v diagramu

Uvedený diagram ukazuje křivky chladnutí. Martenzitické kalení vyžaduje, aby čárkovaná červená čára rychlosti ochlazování [°C.h-1] byla tak vysoká, že mine čelo první „S“ křivky a projde čarami Ms (martenzit start) a Mf (martenzit finiš). Strmost ochlazovací křivky je nejvyšší. Bainitické kalení spočívá v tom, že obě „S“ křivky protne ochlazovací čára nad maximem přiblížení ke svislé ose. Následuje prodleva a ochlazení, které musí protnout čáru Mf. Pro ilustraci je uvedeno žíhání, které zcela míjí oblast vodorovných čar Ms a Mf. Jak se dociluje chladnutí s určitým spádem? U kalení záleží na teplotě chladící lázně. Pokud jsou „S“ křivky dál od svislé osy diagramu, postačí ochlazení na vzduchu. Pokud jsou blízko, musí se použít chladnější prostředek. U ocelí legovaných a kalitelných leží dokonce vodorovná čára Mf pod bodem mrazu. Takové oceli je nutné chladit v kapalném vzduchu nebo kapalném dusíku. Dále záleží na hmotnosti kalené části, protože chladící lázeň musí ve velmi krátkém čase odvést značné hodnoty tepelné energie. Kalení nemá smysl pro masivní výrobky. Pokud masívní jsou, kalí se povrchově. U patentování se prodleva realizuje ponořením součásti do tekuté soli nebo olova. Tvrdost martenzitu je asi 800 HB a bainitu 500 HB.

-45-

Poznámka: Grafy konstruované podle obrázku 19 mají i složitější tvary, kdy jsou „S“ křivky dvojité. Jde o to zda se jedná o tzv. diagramy IRA (izotermického rozpadu austenitu), nebo ARA (anizotermického rozpadu austenitu). U ARA diagramů se uplatňuje sdílení tepla z jádra součásti. Teplo jako energie se uvolňuje z jádra s určitou časovou prodlevou.

T [°C]

0°C čas t [s]

Mf

SPSKS Obr. 20 Příklad ARA diagramu legované oceli „mražená ocel“

Poznámka: Existuje pojem prokalitelnost a kalitelnost. Prokalitelnost je schopnost martenzitické nebo bainitické přeměny do určité hloubky materiálu. Je zřejmé, že tloušťka materiálu způsobuje při odvádění tepla jako energie problém s rychlostí chladnutí, kterou narůstající tloušťka prodlužuje. Obvykle se součásti nekalí na plný rozměr a preferuje se spíše tvrdý povrch a houževnatější jádro. Kalitelnost je schopnost oceli dosáhnout zvýšení tvrdosti kalením. Ta není stejná pro různé druhy ocelí. Závisí mj. na obsahu uhlíku. Oceli s nízkým obsahem uhlíku se kalí hůře, nebo obsah martenzitu ve struktuře je tak malý, že zvýšení obecné tvrdosti se nenaměří. To se projevuje u ocelí tř. 12, např. 12 010, 12 020 apod. Tyto materiály ale vynikají vysokou houževnatostí. Pokud chceme dosáhnout také tvrdého povrchu, tak volíme chemickotepelné zpracování (cementování, nitridování apod.).

5.3.3 POPOUŠTĚNÍ Ocel zakalená zvláště pak na martenzitickou strukturu vykazuje vysoké hodnoty vnitřního pnutí. To namáhá tahem součást, aniž by byla zatížena vnějšími silami. Pokud se tyto sečtou s vnějším zatížením, dochází k praskání součástí křehkým lomem. Toto vnitřní

-46-

pnutí je proto nutné snížit. Popouštění je tedy tepelné zpracování následující po kalení. Technologicky se jedná o opakovaný ohřev na teplotu pod tzv. Ac1 , jmenovitě jsou to teploty od 180°C do 700°C. Existuje proto tzv. popouštění za nízkých teplot do 400°C a za vyšších teplot. Popouštění se obvykle několikrát opakuje. Kalení a popouštění za vyšších teplot se pak odborně nazývá zušlechťování. Popouštěcí teplota je pro každý materiál a jeho užitné vlastnosti dána diagramy IRA nebo ARA. Teplo potřebné k popouštění se za určitých podmínek získá z materiálu součásti, kdy chladíme jen části, které potřebujeme „vytvrdit“. Poznámka. Teplo pro popouštění u jednoduchých součástí lze získat ze zbytku tepla při kalení, který zůstal naakumulován ve hmotě celé součásti. Jako příklad nechť slouží zakalení ostří dláta. Větší část dláta se ohřeje na teplotu kalení. Následně se do chladící lázně, např. vody, ponoří jen vlastní ostří na několik sekund. Následuje vytažení. Teplota v celé součásti má tendenci se vyrovnat a proto se teplo jako energie samovolně šíří po teplotním gradientu (spádu) do chladnějších míst. Tím dojde k tomu, že se opětovně ohřeje zakalená část a tu následně při dosažení požadované teploty opět „zbavíme“ teploty ochlazením a celé popouštění můžeme několikrát opakovat. V diagramu např. ARA pak průběh vypadá podle obrázku 21.

Ac1

T [°C]

SPSKS popouštění Ms

Mf

kalení

čas t [s]

Obr. 21 Schéma kalení a následného popouštění

Tepelné zpracování ocelí přes značnou exaktnost vyžaduje zcela mimořádnou zkušenost v technologii provádění. Dosavadní úvahy o oceli se redukovaly na poměr železo – uhlík. Postačí mnohdy nepatrná přísada jiného chemického prvku a mění se výrazně vlastnosti materiálu při ochlazování. Tato problematika narůstá s množstvím vyráběných druhů ocelí a zvláště pak se skutečností, že do „oběhu“ se dostává šrot, který se přidává do finálního výrobku oceláren, kde se vyskytují materiály vysoce legované.

-47-

šedá

1250-1350

bílá

320

šedomodrá

1150-1250

světle žlutá

310

světle modrá

1050-1150

tmavě žlutá

300

chrpově modrá

880-1050

žlutočervená

290

tmavě modrá

830-880

světlečervená

280

fialová

800-830

světle třešňovitě červená

270

purpurově červená

780-800

třešňovitě červená

260

hnědočervená

750-780

tmavě třešňovitě červená

250

hnědožlutá

650-750

tmavě červená

240

tmavě žlutá

580-650

hnědočervená

230

žlutá

520-580

černohnědá

220

slámově žlutá

210

bíložlutá

200

žádná

Pro běžné kovářské práce se teploty ocelí při tepelném zpracování ocelí měří podle barvy. Pro zběžnou informaci jsou teploty uvedeny v obrázku 22 s tím, že za přesnou barvu lze ručit výhradně v elektronické podobě této učebnice.

330

TEPLOTY OHŘEVU PRO KALENÍ

barva

TEPLOTY PRO POPOUŠTĚNÍ A ŽÍHÁNÍ

teplota [şC]

SPSKS

Obr. 22 Barvy povrchu ocelí pro kalení a popouštění (žíhání)

-48-

teplota [şC] barva

5.3.4 ZUŠLECHŤOVÁNÍ Cílem tepelného zpracování ocelí, které se nazývá zušlechťování, je dosažení vysoké meze kluzu, vysoké meze pevnosti a odolnosti proti únavě při vysoké houževnatosti. To jsou požadavky na řadu strojních součástí. Snad je dobré připomenout, že lze takto na povrchu dosáhnout i vysoké tvrdosti. Pro vědomosti na úrovni absolventů oborů postačí vědět, že se zušlechťování týká ocelí třídy 12 a u ocelí slitinových. Z technologického hlediska se jedná o tepelné zpracování – žíhání, kalení a popouštění, které zajistí dosažení maximálních hodnot meze kluzu a pevnosti. Takovéto vlastnosti potřebujeme např. pro ozubená kola, lana, řetězy, ložiska (kroužky i kuličky), vačkové hřídele apod. Zvláště se zde sleduje vrubová houževnatost, tedy energie potřebná pro přeražení průřezu vzorku rázem za určitých teplot. Bez bližšího vysvětlení technologie zušlechťování má průběh podle diagramu. prodleva

T [°C]

kalení

ohřev

A1

SPSKS 1. popouštění

2. popouštění

3. popouštění

čas t [h] Obr. 23 Schéma zušlechťování

5.3.5 CHEMICKO - TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ OCELÍ Technologie chemicko – tepelného zpracování zahrnují vedle krystalických přeměn ještě určité chemické reakce. Obecně platí, že drtivá většina chemických reakcí u pevných látek (vyjma detonace) probíhá na jejich povrchu. Tyto technologie předpokládají chemickou změnu povrchu téměř dokončené součásti v tenké vrstvičce. Povrch součásti je sycen některými prvky, které se železem vytvářejí tvrdé a odolné chemické sloučeniny. Děje se tak za vysokých teplot srovnatelných s teplotou kalení. Mechanizmus sycení povrchu součásti je difúze. Podle sytícího prvku chemicko – tepelné zpracování dělíme na: - cementování - nitridování - nitrocementování - sulfonitridace

-49-

CEMENTOVÁNÍ Je to jedna z nejpoužívanějších technologií chemicko – tepelného zpracování. Povrch součásti je zde sycen uhlíkem. Podstata této technologie spočívá ve skutečnosti, že oceli s nízkým obsahem uhlíku (podeutektoidní) jsou velmi houževnaté. Takový materiál je vhodný pro mnohé aplikace a do této skupiny patří např. oceli třídy 12. Jejich kalením však nelze získat dostatečně tvrdý povrch. Ten docílíme u ocelí s vysokým obsahem uhlíku, což jsou uhlíkové oceli třídy 19. Tato technologie tak nasycením povrchu uhlíkem vytváří na povrchu součásti jiné složení, neboli součást je po průřezu nehomogenní, v diagramu Fe - Fe3C. Tak máme k dispozici určité „dvojí složení“.

T [°C]

jádro součásti ocel 0,1%C (12 010)

povrch součásti 1,9%C

910°C

723°C

SPSKS 2,16

0,8

%C

Obr. 24 Složení ocelí v jádru a na povrchu cementované součásti

Cementování je vhodné pro oceli s obsahem uhlíku do 0,2%. Tato tenká vrstvička se následně zakalí na vysokou tvrdost a jádro zůstává houževnaté. Cementování se používá u strojních součástí vystavených otěru na povrchu. Cementovat lze jenom ty části povrchu, které jsou zatíženy otěrem. Typickými součástmi s cementovanými částmi jsou osazení hřídelí pro kluzná ložiska, vačky vačkových hřídelí apod. Tloušťka nauhličené vrstvy bývá 0,5 – 1,5 mm. Poslední technologií je broušení povrchu. Uhlík se do povrchové vrstvy součástí dostává difuzí z cementačního prášku, kterým je obvykle směs dřevěného uhlí a uhličitanu barnatého BaCO3. Modernější technologie využívají směsi uhlovodíků a vzduchu. Tloušťka vrstvy se řídí dobou vystavení součástí procesu a teplotou.

-50-

NITRIDOVÁNÍ Nitridy jsou podobně jako cementity velmi tvrdé chemické sloučeniny. V tomto případě se povrch součástí sytí atomárním dusíkem N. Oceli vhodné pro tento způsob chemicko – tepelného zpracování musí obsahovat legující prvky, především hliník a chróm. Zdrojem atomárního dusíku je čpavek a teplota nitridace je v rozmezí 500 – 600 °C. Nitridační teploty jsou nižší než teploty při cementování a proto není nutné součásti brousit, obvykle se pouze leští. Tloušťky nitridovaných vrstev jsou menší a jejich vznik trvá 10 i více hodin, což ovlivňuje cenu. Příkladem nitridovaných částí jsou pístnice lineárních hydromotorů.

Poznámka: Atomární dusík má chemickou značku N. Dusík, který je většinově zastoupen ve vzduchu je dusík molekulární N2. Proto k nitridaci je nutné rozkládat čpavek, abychom tento atomární dusík získali. Molekulární dusík je totiž za běžných teplot málo reaktivní.

NITROCEMENTOVÁNÍ Kombinace iniciování chemických reakcí, za vzniku cementitů (karbidů) a nitridů se nazývá nitrocementace. Technologie zůstává stejná. Součást je vystavena teplotám od 750 880°C po dobu několika hodin. Zdrojem difundujících látek je kyanidová sůl. Součásti je následně nutné kalit s ochlazením v olejové lázni.

SPSKS

SULFONITRIDACE Tato technologie tvrzení povrchu součástí předpokládá sycení povrchu uhlíkem, dusíkem a také sírou (někdy ještě bórem). Takto vytvořená povrchová vrstva má vynikající kluzné vlastnosti při poruchách mazání. Vedle karbidů a nitridů tak vznikají ještě boridy a sulfidy.

-51-

5.4 VÝROBKY Z OCELÍ Obecně pro ocel, tedy slitinu železa a uhlíku do obsahu 2,16 hmotnostních %, platí, že materiál lze odlévat na odlitky, nebo zpracovávat na tzv. hutní materiál. Hutní materiál představuje velmi širokou škálu výrobků, které jsou polotovarem pro konstrukce. Technologie jejich výroby lze rozdělit do dvou skupin na: - válcovaný materiál - tažený materiál Válcovaný materiál Válcování je technologie, která mění průřez výchozího hutního materiálu (bramy nebo sochoru) na průřez jiný. válec

SPSKS válcovaný materiál

Obr. 25 Schéma válcování ocelového polotovaru

Mezi dva protisměrně rotující válce je vtahován opakovaně materiál, který je vystaven tlaku a mění v jeho důsledku průřez. Tento postup se několikrát opakuje. Válce mohou být hladké a výsledným produktem je plech, pás, plochá ocel. Nebo mohou být válce opatřeny profilováním a takto vznikají tyče různých průřezů. Nejznámější průřezy jsou L profil, U profil, kruhový profil, šestihran, čtverec, I profil apod. Poněkud složitější je technologie výroby trubek. Konečného profilu dosáhneme postupnou změnou průřezu. Válcování může probíhat za tepla nebo za studena. Za studena se válcuje v poslední operaci a vznikají tak tzv. hlubokotažné plechy. Tažený materiál Tažení je redukce průřezu, která probíhá v tzv. průvlaku namísto mezi válci. Průvlak je tvarovaný kuželový otvor. Tažený materiál se pomocí tažného zařízení protahuje. Touto technologií se vyrábí dráty, tyče kruhového a šestihranného průřezu apod. Polotovar musí být dokonale mazán a získává tak zajímavé vlastnosti vlivem plastické deformace. Takto vyrobený materiál je také anizotropní.

-52-

tažený materiál

průvlak

Obr. 26 Schéma tažení materiálu

6.0 NEŽELEZNÉ KOVY A JEJICH SLITINY Železo je s ohledem na studované obory stále nejpoužívanějším materiálem, přesto je zjevný trend pro některé aplikace používat materiály s vyššími užitnými vlastnostmi. Důvody preference železa jako konstrukčního materiálu spočívají v jeho ekonomické dostupnosti, která souvisí s jeho výskytem v zemské kůře a energetické náročnosti jeho výroby. V Mendělejevově tabulce tvoří kovy asi 75% prvků, což opticky slibuje obrovskou škálu možností vytvářet slitiny a využívat jejich zvláštních vlastností. Ty jsou u čistých kovů popsány v kapitole 3.0. Za čistý kov je považována čistota 99,9 až 99,99%. Takováto čistota kovů není pro konstrukční materiál vhodná ani cenou, ani užitnými vlastnostmi. Praktické využití většího sortimentu kovů naráží na ekonomické problémy jejich získávání. Proto jejich použití je omezené pro speciální aplikace, kde cena nehraje zásadní roli – vojenská a kosmická technika.

SPSKS

Slitiny neželezných kovů Slitina je tuhá látka složená ze dvou a více kovů nebo i prvků nekovových. Od chemických sloučenin se odlišují chemickou vazbou, která je zde kovová a nezávisí na vzájemných poměrech atomových hmotností. Toto je zřejmé i u oceli, která je slitinou železa a uhlíku, kde chemická sloučenina karbid železa (cementit) Fe3C je maximální hranicí obsahu uhlíku, která představuje 6,63 hmotnostních % nebo 25% atomů v pohledu molárního množství. Slitina se odlišuje od směsí tím, že složky slitin lze zpětně oddělit jedině chemickou cestou nikoli cestou fyzikální. Slitiny mají obvykle lepší užitné vlastnosti než kovy čisté a tyto vlastnosti lze účelově měnit podle potřeb. Analogií může být opět ocel. Pokud potřebujeme tvrdou a kalitelnou ocel zvyšujeme obsah uhlíku, pokud potřebujeme ocel houževnatou obsah uhlíku snižujeme. Slitiny se vyrábějí míšením v tekutém stavu. Nejčastěji tak, že se roztaví hlavní kov (ten kterého je největší hmotnostní podíl) a do něj se přidává další kov. Míšení v tekutém stavu vyvolává dojem, že lze mísit libovolné kombinace kovů. Míšení kovů v tekutém stavu předpokládá, že kovy jsou tekuté za rozdílných teplot

-53-

nepřesahujících určitou mez. Kov s vysokou teplotou tání v tisících °C nelze smísit s kovem s teplotou tání ve stovkách °C, protože se už nevyskytuje v tekutém stavu, ale jako pára. Základní rozdělení slitin neželezných kovů je na: - těžké neželezné kovy a jejich slitiny (měrná hmotnost nad 5000 kg.m-3) - lehké neželezné kovy a jejich slitiny (měrná hmotnost do 5000 kg.m-3)

6.1 TĚŽKÉ NEŽELEZNÉ KOVY A JEJICH SLITINY Hlavním představitelem těžkých neželezných kovů je měď a její slitiny. Další technické kovy jsou pak antimon, cín, zinek, kadmium, nikl a olovo.

6.1.1 MĚĎ A SLITINY MĚDI Měď je v čistém stavu kov, který svými fyzikálními vlastnostmi je velmi odlišný od oceli. Její tepelná a elektrická vodivost je asi 6x vyšší, pevnost v tahu asi 215 MPa a tažnost 40%. Tvářením za studena se zdvojnásobí pevnost, ale poklesne tažnost. Odolnost proti korozi je dobrá ve vztahu k atmosférickým vlivům a organickým kyselinám. Její použití je převážně v elektrotechnickém průmyslu. Pro konstrukční účely se používá ve slitinách a pro galvanické povlaky. Hlavní slitiny mědi jsou: - bronzy - mosazi

SPSKS

BRONZY Za bronzy se považují slitiny mědi s různými kovy vyjma zinku. Bronz se pak pojmenovává přívlastkem podle hlavního legujícího prvku. Bronz je historicky starou slitinou a většina bronzů je slitinou mědi a cínu. Bronzy cínové obsahují nanejvýše 20% cínu. Při obsahu cínu do 8% jsou bronzy tvárné a dají se takto zpracovávat. Při obsahu vyšším jsou slitiny zpracovatelné pouze litím. Jsou odolné proti opotřebení a korozi. Vyrábějí se z nich pružiny pro speciální užití, membrány, pouzdra kluzných ložisek, šroubová kola, kola šnekových převodovek, oběžná kola čerpadel, tělesa armatur apod. Bronzy olověné jsou slitiny mědi a olova, případně mědi, cínu a olova. Jsou to typické materiály kluzných ložisek. Obsah olova může dosahovat až 30%. Bronzy červené jsou slévárenské bronzy, které obsahují vedle cínu a olova i zinek v malém množství. Používají se na armatury pracující s teplou tlakovou vodou a párou, dále na přesná kluzná ložiska např. obráběcích strojů. Bronzy hliníkové jsou materiály jak slévatelné, tak tvářitelné. Namísto cínu obsahují hliník v množství 3 – 11%. Vyrábějí se z nich armatury pro potrubí přepravující agresivní látky, např. důlní vody. Dále pak součásti vystavené vysokým teplotám agresivních plynů, např. výfukové potrubí a ventily. Bronzy beryliové obsahují 1 – 2% berylia, ale jsou obvykle legovány i dalšími prvky. Vyrábějí se z nich nástroje v nejiskřivém provedení pro hlubinné doly, speciální síta do třídičů, kuličky korozivzdorných valivých ložisek, pružiny vystavené koroznímu prostředí apod.

-54-

Bronzy niklové jsou používány především v elektronice. Vedle niklu se přidává ještě mangan a železo. Takto lze získat materiál jako konstantan a nikelín. Přidáváním manganu lze získat i feromagnetickou látku bez obsahu železa – Heuslerovy slitiny. MOSAZI Mosaz je slitina mědi a zinku. Jejich vzájemný poměr určuje vlastnosti mosazi. Je-li ve slitině více než 80% mědi, nazývají se vzniklé slitiny tombaky. Technické vlastnosti mosazí vynikají korozivzdorností. Mají vynikající tažnost, proto se z mosazi vyrábějí nábojnice, těla rozbušek, chladiče, lopatky parních turbín apod. Mosazí je podobně jako bronzů více druhů, kde přidaná legura je přívlastkem názvu (niklové, cínové, hliníkové).

6.2 LEHKÉ NEŽELEZNÉ KOVY Mezi nejvýznamnější lehké neželezné kovy patří hliník, hořčík a titan. Tyto kovy jsou obecně důležitými legujícími prvky železných i neželezných slitin.

6.2.1 HLINÍK A SLITINY HLINÍKU Hliník a jeho slitiny jsou nejpoužívanějším lehkým kovem. Hliníku je v zemské kůře obrovský podíl, ale získávání čistého kovu je energeticky mimořádně nákladné. Je to způsobeno technologií, která je spojena s elektrolýzou roztaveného bauxitu. Hliník má malou měrnou hmotnost ρ = 2700 kg.m-3, dobrou elektrickou a tepelnou vodivost, dobrou chemickou vodivost, velmi dobré mechanické a technologické vlastnosti (tvárnost, slévatelnost, svařitelnost apod.). Slitiny hliníku zvyšují vybrané užitné vlastnosti. Hlavními přísadami jsou měď, hořčík, křemík a zinek. V menším množství to může být ještě nikl a mangan. Pro účely této učebnice budou uvedeny slitiny podle obchodního názvu. Jsou to: - dural - superdural - hydronalium - pantal - silumin

SPSKS

Dural je nejrozšířenější skupina slitin hliníku (Al-Cu4-Mg). Je to vytvrditelná slitina, která dosahuje ve vytvrzeném stavu pevnosti až 400 MPa. Její odolnost proti korozi je malá. Někdy se plátuje čistým hliníkem. Vyrábějí se z něho tyče a plechy. Hlavní použití je při stavbě letadel a dopravních prostředků, kde je nutné omezit hmotnost. Superdural (Al-Cu4-Mg1) vykazuje vyšší hodnoty mechanických vlastností daných zvýšeným obsahem manganu. Dosahuje po vytvrzení pevnosti až 500 MPa. Dobré mechanické vlastnosti si zachovává i při vyšších teplotách. Vyrábějí se z něho lité a kované písty spalovacích motorů. Hydronalium je slitina hliníku obsahující 2 – 8% hořčíku. Dosahuje pevnosti až 400 MPa. Vyrábějí se z něj profily podobně jako v případě ocelí. Je vhodné na výrobu letadel, v potravinářském a chemickém průmyslu apod. Pantal je slitina obsahující mangan a křemík. V měkkém stavu má pevnost 110 MPa, ve vytvrzeném pak 300 MPa. Využívá se při stavbě letadel, potravinářských zařízení apod.

-55-

Silumin je slitina hliníku, křemíku a manganu. Je většinou vytvrditelný, houževnaté. Z technologických vlastností má velmi dobrou slévatelnost, velmi špatnou obrobitelnost. Typickým výrobkem jsou písty spalovacích motorů lité do kokil. Poznámka: Technologie vytvrzení hliníku se podobá zušlechťování, ale je poněkud složitější. Kokila je kovová forma na lití kovů s nižší teplotou tavení. 6.2.2 TITAN A SLITINY TITANU Titan jako čistý kov má podobné mechanické vlastnosti jako oceli. Jeho měrná hmotnost je však mnohem menší ρ = 4500 kg.m-3. Odolnost proti korozi je velmi vysoká. Jeho zásadní nevýhodou je vysoká cena, protože se v zemské kůře a mořské vodě vyskytuje v malých koncentracích. Jeho svařitelnost je dobrá za předpokladu užití speciálních technologií. Má velmi špatnou obrobitelnost podobně jako hliník (má sklony ke „kousavosti“). Lze jej odlévat i zpracovávat tvářením. Je to kov nemagnetický. Jeho pevnost relativně rychle klesá se zvyšující se teplotou. Slitiny obsahují kovy jako chrom, molybden, wolfram a hliník. Používá se v potravinářském průmyslu v leteckém a kosmickém průmyslu tam, kde již nevyhovují slitiny hliníku.

6.3 SPECIÁLNÍ SLITINY NEŽELEZNÝCH KOVŮ

SPSKS

Pro účely této učebnice postačí speciální slitiny, které se používají jako pájky a materiály kluzných ložisek. Pájky jsou slitiny neželezných kovů, které se používají v tekutém stavu pro vytvoření spoje „materiálovým stykem“, který je nerozebíratelný. Rozlišujeme pájky měkké a tvrdé, kdy dělící čára obou skupin je dána teplotou tavení do 500°C měkké a nad 500°C tvrdé. Tomu odpovídají pájky na bázi slitin kovů jako je cín, olovo, stříbro (měkké) a hliník, měď, mosaz a nikl (tvrdé). U materiálu kluzných ložisek již byly uvedeny bronzy. Další skupinou slitin pro tyto účely jsou tzv. kompozice. Tyto dělíme na kompozice cínové a kompozice olověné. Na kompozici pohlížíme jako na slitinu. Její charakteristickou vlastností je nehomogenita její krystalické stavby. S určitou mírou zjednodušení si tuto slitinu lze představit jako disperzi krystalů určitého složení a určitých vlastností v nějaké matrix. Na výbrusu vypadá taková kompozice jako plovoucí krystaly. Takováto struktura je velmi vhodná pro kluzná ložiska. Slitina elektron je obchodní označení slitiny hořčíku s 3 – 10% hliníku, dále pak zinku, manganu a v některých případech ještě zirkonia a thoria. Používá se tak, kde požadujeme nízkou měrnou hmotnost, např. u rotujících součástí, kde dosahujeme nízké hodnoty momentu setrvačnosti. Zejména se používá pro lití disků kol automobilů vyšších tříd.

-56-

6.4. KOROZE KOVŮ Obecně pojem koroze znamená degradaci materiálů snížením jejich užitných vlastností. Je třeba upozornit na skutečnost, že koroze se netýká pouze materiálů kovových, tedy materiálů s kovovou vazbou. Korodují i materiály jako je beton, silikátové stavební materiály, plasty (nejčastěji izolanty), textilie apod. Z pohledu vzniku koroze se jedná o chemické nebo chemicko-fyzikální mechanizmy. Statisticky nejčastějším případem je koroze v prostředí zemské atmosféry. Za významná korozivní prostředí můžeme považovat i zeminy, mořskou a říční vodu , dokonce i kosmický prostor. Kromě přírodního korozivního prostředí existuje i korozivní prostředí vzniklé díky technologiím zejména v průmyslu. Do této skupiny patří roztavené kovy, kyseliny, páry a agresivní plyny apod. Podle mechanizmu korozních dějů členíme korozi na: - chemickou - elektrochemickou Chemická koroze je čistě chemická reakce povrchu materiálu s prostředím nebo jeho jednou složkou. Typickým příkladem je vznik souvislé matné vrstvy na hliníkovém povrchu z jeho oxidů. Elektrochemická koroze je případ, kdy proces koroze probíhá ve vodném prostředí, ve kterém se vyskytují ionty schopné vést elektrický proud. Takováto koroze je mnohem častější než koroze chemická, protože vodný roztok může být i ve formě vlhkosti ať již atmosferické, nebo zemní. Povrch kovových materiálů lze pak chápat jako elektrochemický článek. V něm mohou být elektrodami nejenom součásti z různých kovů, ale také krystaly nebo zrna s různým složením ve slitině. Taková koroze má za následek vznik povrchové vrstvy, která může být souvislá nebo např. bodová, nitková, selektivní, mezikrystalová, transkrystalová, apod.

SPSKS

Poznámka: K pochopení elektrochemické koroze je dobré znát tzv. elektrochemickou řadu napětí kovů. Ta měří potenciál kovu vztažený k vodíkové elektrodě, jejíž potenciál má hodnotu 0. Obecně víme, že pokud vodivě spojíme elektrody např. z mědi a zinku a ponoříme je do vodného roztoku s ionty, získáváme tak určité napětí. Toto napětí vzniká přeměnou chemické energie na energii elektrickou. Na podobném principu pracují např. nejčastěji používané olověné akumulátory.

-57-

Podle převažujícího faktoru vzniku koroze rozeznáváme druhy koroze: - bludným proudem - relativně častý výskyt zejména v zeminách a velkostrojích, - chvěním – vibrace součástí (fretting corosion), valivá tělíska ložisek, vnitřní plochy pružin, nýtované spoje leteckých konstrukcí, šroubové spoje apod., - koroze pnutím – při kombinaci mechanického napětí a korozivního prostředí (korozivní praskání), - po vrstvách, - při částečném ponoru (sloupy mostů), - při střídavém ponoru (vrtné plošiny na moři). Mechanizmus elektrochemické koroze umožňuje i protikorozní ochranu tzv. anodickou a katodickou ochranu. Katodická ochrana se využívá při protikorozní ochraně plynovodů a ropovodů a ocelových konstrukcí vystavených působení např. mořské vody, olověných plášťů kabelů apod. Např. k ocelovému potrubí ropovodu jsou po určitých vzdálenostech vodivě připojeny zemnící anody. Obvykle je do tohoto vodivého spojení přiváděno určité elektrické stejnosměrné napětí. Zemnící anoda je obvykle vyrobena ze slitiny hořčíku, nejčastěji je to hořčík. Tato zemnící anoda velmi rychle koroduje na úkor chráněného potrubí. Protože korozní děje dokážeme soustředit na několik málo míst chráněného potrubí o délce i tisíce kilometrů, není problém zemnící anody časem prostě vyměnit. potrubí ropovodu

SPSKS

-

+

desítky kilometrů

zemnící anoda

Obr. 27 Schéma katodické ochrany s vnějším zdrojem proudu

-58-

7.0 PLASTY Materiály, které nazýváme plasty jsou syntetické, polosyntetické nebo dokonce přírodní makromolekulární látky, které jsou schopné tváření za určité teploty. Jsou teplem tvářitelné (a to opakovaně) nebo teplem tvrditelné. Tváření je nutné chápat jako přijetí a ponechání si nového tvaru. V technické praxi mají velmi hojné použití pro své užitné vlastnosti a možnosti širokého řízení vlastností při technologiích jejich výroby a zpracování. U kovových materiálů jsou možnosti řízení, např. hmotnosti, pevnosti, tvrdosti, tažnosti apod. omezeny na relativně úzké fyzikální mantinely. U slitin se uplatňuje především kovová vazba, u makromolekulárních látek dominuje vazba kovalentní. Tato skutečnost má řadu důsledků ve fyzikálních a mechanických vlastnostech. U kovalentní vazby je nemožná elektrická a tepelná vodivost. Pevnost je nižší a při namáhání zaznamenáme viskoelastické chování, což zjednodušeně formulováno znamená, že při zatížení materiál teče. U kovových materiálů je ostře zřejmý rozdíl mezi pevnou fází a fází kapalnou při tavení. U látek s kovalentní vazbou nedosáhneme tekutého stavu, ale materiál je měkký nebo měkne (kaučukový stav). Poznámka: Rozdíly v chemických vazbách vazby kovové, kovalentní a iontové jsou v elektronovém obalu jednotlivých atomů látky. Řada sloučenin nemá ostře jeden typ vazby, např. iontovou, ale uplatňuje se v převážné míře. Kovová vazba je charakteristická velkým počtem volných elektronů v krystalické stavbě látek.

SPSKS

jádra atomů kovů ve slitině

elektrony v krystalické mřížce

Atomy kovů jsou vázány v krystalické mřížce určitými silami v polohách, které jsou dány tzv. parametrem mřížky (vzdálenost těžiště dvou sousedících jader) a krystalickou soustavou daného kovu nebo slitiny. Elektronové obaly vyplňují volné prostory v mřížce, podobně jako by v makrosvětě vyplňoval prostory koulí vzduch. Někdy se tyto elektrony nazývají elektronovým plynem. Tato vazba vysvětluje kujnost kovů, tepelnou a elektrickou vodivost, protože při vedení elektrického proudu dochází pouze k tomu, že se elektrony pohybují jedním směrem. Tavení kovu je dodání takového množství tepla, že atomy opustí krystalickou mřížku vzdálením se nad hodnotu parametru mřížky.

-59-

Kovalentní vazba je taková vazba, kdy atomy sdílejí valenční elektrony. Jako příklad nechť slouží molekula vodíku H2. V první elektronové slupce K , která je také poslední, tedy valenční, se vyskytují u všech atomů nejvýše dva elektrony. Atomární vodík H má však pouze elektron jeden. Dva atomární vodíky, pokud jim dovolíme se přiblížit na určitou vzdálenost, počnou elektrony sdílet. S určitým zjednodušením to znamená, že v čase má jádro vodíku jednou dva elektrony, tedy plnou slupku K, a následně je (v čase) bez elektronů. Toto střídání probíhá nesmírnou rychlostí a postačí k udržení jader v přesné vzdálenosti, čímž je vytvořena molekula vodíku.

SPSKS

Z modelu je zřejmé, že elektron nemůže opustit sdílené orbity, které tvoří tvar jakési prostorové osmičky. Proto takové látky nevedou elektrický proud a jsou špatnými vodiči tepla. Iontová vazba je chemická vazba, kde jeden atom má neúplný poslední orbita, nejlépe v něm má pouze jeden elektron. Druhému atomu v posledním orbitu chybí do plného počtu málo elektronů, ideálně jenom jeden. Plný počet elektronů v jednotlivých orbitalech je dán tzv. hlavním kvantovým číslem n =1, 2, 3, 4 podle vzorce N = 2n2. Tedy činí 2 elektrony pro orbit K, 8 elektronů pro orbit L, 18 elektronů pro orbit M, 32 elektronů pro orbit N. Typickým příkladem iontové sloučeniny je chlorid sodný NaCl, kdy sodík má jeden valenční elektron a chlóru do plného obsazení jedenáct chybí. Vedle hlavního kvantového čísla se zde však uplatní ještě vedlejší kvantové číslo. To se značí malými písmeny s, p, d, f. Hlavní slupka nebo orbit tak má jakési podslupky. Ta první podslupka s má 2 elektrony, druhá podslupka p 6 elektronů. Do plného počtu podslupky chybí jeden elektron. Tady nejsou splněny podmínky pro sdílení elektronu a nastane stav, že chlór při určitém přiblížení k atomu sodíku volný elektron přesune a doplní částečně svůj orbit na počet elektronů stejný jako má argon. V tom okamžiku jsou se oba atomy stávají ionty s opačným nabitím. Sodík vykazuje o jeden náboj protonu + navíc a chlór o jeden náboj elektronu navíc -. Rozdílná polarizace se přitahuje a chemická sloučenina vytvoří pevnou krystalickou látku. Tato vazba vydrží i roztavení do tekutého stavu. Z podstaty vazby je zřejmé, že takováto pevná látka nemá volné elektrony a nevede elektrický proud. Dále je křehká, protože při posunutí mřížky deformací se postaví

-60-

proti sobě stejně nabité částice a ty se odpuzují. Rozpuštěna ve vodě naopak vede elektrický proud dobře.

SPSKS Nejreaktivnější prvek je potom fluor, kterému chybí v posledním orbitu N jeden elektron. Ten chybí v podslupce p. Takové sloučeniny se i obtížně rozkládají chemickou cestou.

-61-

7.1 MOLEKULÁRNÍ STRUKTURA PLASTŮ Plasty jsou makromolekulární látky. Tento pojem je nutné ozřejmit. V anorganické chemii, nebo např. v mineralogii má chemická látka vzorec. Z tohoto vzorce je mj. možné vypočítat molekulární hmotnost anorganické sloučeniny. Tyto anorganické látky mohou být v libovolném skupenství a mohou být v pevném nebo kapalném stavu udržovány molekulárními silami. Makromolekulární látky se vyskytují v organické chemii. U makromolekul se vytvářejí chemické vazby, které spojují jednu nebo více jednoduchých organických látek v řetězce, nebo složitější rovinné nebo prostorové útvary. Molekuly tak nabývají obrovských rozměrů a molekulární hmotnost je zde statistická veličina průměrné velikosti makromolekul v polymeru. Velikost těchto řetězců a jejich tvar má vliv na makroskopické vlastnosti polymeru. Monomer je nízkomolekulární látka. Vyskytují se v něm atomy uhlíku, vodíku, ale také chloru a fluoru. Monomer má chemický vzorec, podobně jako je tomu v anorganické chemii. Příkladem monomeru může být např. etylen. Monomery se spojují chemickými vazbami do polymerů. Jeho strukturální vzorec je: H H | | C=C | | H H etylen (monomer)

H H H H H ……. H H | | | | | | | H ─ C ─ C ─ C ─ C ─ C ─ …. ─ C ─ C ─ H | | | | | | | H H H H H ……. H H

SPSKS polyetylen (lineární polymer)

Sumární vzorec vypadá takto:

n CH2 = CH2 → [- CH2 - CH2 -]n, kde n má hodnotu 100 - 106 Polymerace je chemická reakce, při které polymer vzniká spojováním základních monomerních jednotek jednoho typu monomeru (polystyren, polyetylen, polyamid) při současném rozrušení násobné vazby v monomeru.

kovalentní vazba

Obr. 28 Schéma polymerace z monomeru

Polyadice je chemická reakce, při které polymer vzniká spojováním různého typu monomerů. Výsledný polymer má chemickou stavbu od nich odlišnou (vyjádřeno barvami).

-62-

Obr. 29 Schéma polyadice z monomerů

Polykondenzace je chemická reakce, při které polymer vzniká z různých typů monomerů, ale při slučování se odštěpují (kondenzují)vedlejší produkty, kterými je např. voda, čpavek a alkohol. Výsledný polymer má podobně jako u polyadice jinou stavbu.

reakční zplodiny

Obr. 30 Schéma polykondenzace z monomerů

SPSKS

Smíšené polyreakce jsou chemické reakce, při kterých vzniká polymer polyreakcí tří nebo více typů monomerů. Probíhá tak více druhů polyreakcí paralelně a vytvářejí se tak příčné chemické vazby mezi základními řetězci. Výsledné makromolekuly mají tvar sítí a tím i odlišné makroskopické vlastnosti.

Obr. 31 Schéma smíšené polyreakce

7.2 STRUKTURA POLYMERŮ Již ze základních polyreakcí je zřejmé, že makromolekula může polymerovat ve tvaru samostatného řetězce. Řetězce mohou být hladké nebo mohou mít jakési „odbočky“. Pokud jsou větších rozměrů (delší), polymer je lineární nebo rozvětvený. Zesíťované polymery mají řetězce propojené ve všech směrech chemickými vazbami a vytvářejí tak trojrozměrnou síť. Lineární polymery mají tedy řetězce monomerů vázané v makromolekule polymeru. Tyto řetězce mají tvar buď nepravidelný, který se podobá klubku zmuchlané nitě. Takový polymer je amorfní látka. Při dosažení pravidelného a těsného uspořádání lineárních tvarů makromolekul, např. do tvaru lamel vznikají krystalické útvary mezi amorfními zónami.

-63-

V případě takovéto textury hovoříme o částečně krystalických polymerech. Samotné řetězce jsou mezi sebou drženy silami, které jsou menší než síly chemických vazeb. Působením tepla pak lineární polymery měknou a získávají vlastnosti podobné kaučukům. Při zvýšení teploty nad určitou hranici se polymer podobá viskózní kapalině. V takovém stavu se dá polymer velmi dobře tvářet. Lineární úseky makromolekul lze pomocí určitých technologií statisticky orientovat určitým směrem. Výsledkem je pak anizotropní materiál. Takovými výrokby jsou vlákna, vlasce, fólie apod. Protože jsou lineární polymery teplem tvářitelné, nazývají se někdy termoplasty. Zesíťované polymery mají řetězce propojené v trojrozměrné síti. Při zvyšování teploty se řetězce nemohou oddělit. Tento stva lze přirovnat k zauzlování vláken. V makroskopickém měřítku se to projeví nemožností polymer roztavit do kaučukovitého stavu, nebo stavu viskózní kapaliny. Tvar takovýmto polymerům se dává již při polymeraci a následně již nelze tvar měnit. Pokud vzniká husté síťování, hovoříme o vytvrzování a hmoty vzniklé touto technologií nazýváme reaktoplasty. Při řídkém zesíťování, které se vyznačuje jednou příčnou vazbou na několik set vazeb lineárních, vznikají tzv. elastomery a technologie se nazývá vulkanizace.

7.2.1 MECHANICKÉ VLASTNOSTI POLYMERŮ Mechanické vlastnosti polymerů závisejí u hmot bez plnidla výrazně na teplotě. Mezi pevnou fází (stavem) a kapalnou fází (stavem) existuje ještě další stav kaučukovitý. Pevná fáze je sklovitá amorfní nebo polokrystalická. Hranicí mezi sklovitým stavem a kaučukovým stavem je tzv. teplota přechodu Tg, která je charakteristická pro každý polymer. Její hodnota je přibližně od +40°C u polyamidu do -65°C u polyetylénu. Teploty nižší než je teplota Tg zajišťují polymeru vlastnosti podobné vlastnostem ocelí při velmi malých deformacích a platí tu přibližně hookeův zákon. Za teploty kolem Tg klesá prudce hodnota yangova modulu v závislosti na struktuře makromolekul (krystalická nebo amorfní). Za teploty nad Tg se hmota polymerů chová jako elastická a viskózní zároveň (viskoelasticita). Při dalším zvyšování teploty na teplotu Tf, která se nazývá teplotou měknutí, se polymer chová jako viskózní kapalina. V tomto stavu materiál teče. Odborný název pro tečení pod napětím je creep. Jako konstrukční materiál tedy musí být polymery používány v rozmezí teplot, kde vyhovují svými vlastnostmi.

SPSKS

vlastnost měrná hmotnost pevnost v tahu tepelná odolnost

teplotní roztažnost

základní makroskopické vlastnosti plastů rozměr poznámka -3 900 – 2200 kg.m podstatně menší než u kovových materiálů 30 – 80 MPa u nevyztužených polymerů je menší, ale lze velmi zvýšit vyztužením - kompozity 60 - 90°C u běžných termoplastů 100 - 120°C u běžných reaktoplastů až 300°C u speciálních polymerů s fluorem namísto vodíku asi 10 x větší než u rozměry výrobku při změnách teploty vyžadují oceli speciální konstrukční řešení

-64-

tepelná vodivost hořlavost elektrická vodivost vrubová houževnatost svařitelnost chemická odolnost

100 – 200 x menší jsou dobrými tepelnými izolanty, špatně než u kovů odvádějí teplo vzniklé třením jsou samozhasínající protože vůbec dokáží hořet, mají limity použití u konstrukcí a aplikací s nebezpečím požáru nevodivé výborné izolanty, vodivost lze zajistit vyztužením kovovými vlákny nebo plnivem grafitem závislá na teplotě a lze ji vhodnou technologií polymerace měnit a textuře prostorově orientovat makromolekul u lineárních dobrá sváření teplem do kaučukovitého stavu u síťovaných špatná nekorodují vodou nutno chránit před navlhnutím a nasáknutím lepší než u kovů vodou např. u výztuh vlákny

7.2.2 DALŠÍ SLOŽKY VÝROBKŮ Z POLYMERŮ Vlastnosti jak samotného materiálu polymerů, tak jejich výrobků se dají účelově měnit s ohledem na jejich technickou aplikaci. Vlastnosti, které lze přidáním dalších složek aktivně měnit jsou: - měrná hmotnost, - pevnost nebo orientovaná pevnost (pevnost v některém směru), - barva, - kluzné vlastnosti (součinitel tření), - chemickou a fyzikální stálost (životnost), - stabilita houževnatosti v čase.

SPSKS

Plniva jsou látky fyzikálně a chemicky odlišné od materiálu polymerů. Jejich účelem je měnit některé užitné vlastnosti finálního výrobku. Kromě ceny, kdy plnidlo je určitým levným balastem, mění i řadu mechanicko - fyzikálních vlastností. Vzniká tak heterogenní hmota. Plnidla mají různý tvar. Prášková plnidla mění cíleně fyzikální vlastnosti polymeru tak, že obvykle zvyšují tepelnou vodivost a snižují tepelnou roztažnost; mezi taková plnidla patří břidlicová a křemičitá moučka. Pro snížení součinitele tření, tedy zlepšení kluzných vlastností, se používají práškový grafit a sirník molybdeničný, které mají hexagonální krystalickou stavbu. Při požadavku na houževnatost a rázovou houževnatost jsou nepoužitelná. S ohledem na tvar zrn nemění izotropii hmoty. Vláknitá plnidla podstatně zvyšují pevnost v orientovaném směru. Mohou mít podobu jednotlivých vláken, nebo tkaných textilií. Mohou se vrstvit, nebo umísťovat do exponovaných míst konečného výrobku. Materiály vláken mohou být stejné jako se používají v textilním průmyslu na tkaniny. Dále lze materiály dělit podle původu na přírodní a syntetické. Jmenovitě sem patří bavlna, skleněná vlákna, vlákna z jiných polymerů s orientovanými makromolekulami. Mezi špičkové materiály pro speciální užití patří skleněná, a grafitová a bórová vlákna. Takovéto materiály patří do skupiny kompozitů a mají vlastnosti, které v některých vlastnostech předčí i kovy. Mezi takto speciální vlastnosti patří tepelná odolnost a pevnost.

-65-

Změkčovadla jsou chemikálie, které se přidávají do polymerů, které mají větší tvrdost než vyžaduje určitý výrobek. Snížení tvrdosti je obvykle kompenzováno zvýšením houževnatosti, nebo měkkosti a ohebnosti. Barviva jsou přidávána do polymerů s cílem získat barvu nebo kvůli neprůhlednosti nebo neprůsvitnosti, pokud je požadována výrobkem. Barviva mohou mít i jiné vlastnosti např. fluorescenci apod. Maziva jsou látky které snižují viskozitu při zpracování polymerů. (Neplést se snižováním koeficientu tření). Nadouvadla jsou látky, které při zpracování vytvářejí v objemu polymeru v tekutém a nízkoviskózním stavu plyny. Ty způsobují vznik pěny a následně dojde k polymeraci. Takové polymery se nazývají lehčené. Mohou být tvrdé, ale také měkké. Dutiny pěny mohou být otevřené nebo uzavřené. Je zřejmé, že otevřené jsou schopny nasáknout kapaliny, uzavřené nikoli (mycí houba – pěnový polystyren).

7.2.3 TERMOPLASTY monomer

vinylchlorid

forma polyvinilchlorid tvrdý polvinylchlorid měkčený

SPSKS kopolymer vinychloridu

polyetylén polyetylén rozvětvený etylén lineární polyetylén vysokomolekulární polyetylén propylen

použití a vlastnosti Je jedna z nejpoužívanějších plastických hmot, vyrábějí se z něj desky, potrubí a armatury pro stavebnictví a chemický průmysl. Obsah změkčovadel umožňuje jeho ohebnost za nižších teplot, typickým výrobkem jsou podlahové krytiny a materiál na obuv, těsnění, izolace vodičů apod. Jiný název je vinilacetát. Otiskuje s velkou přesností povrch formy, vyrábějí se tak analogové gramofonové desky. Odolává velmi dobře zásadám i kyselinám, snáší teploty do 75°C, vynikající vysokofrekvenční izolátor, měrná hmotnost je menší než u vody. Je měkký a ohebný za nízkých teplot pod bodem mrazu, používá se na výrobu lahví, v medicíně, potravinářském a farmaceutickém průmyslu. V běžném životě jsou to balící fólie, pytle, sáčky, ubrusy. Používá se k povlakování kovových součástí (komaxit). Má vyšší molekulovou hmotnost, vyniká vyšší pevností. Používá se na výrobu větších a velkých nádob jako jsou nádrže, kanystry, barely apod. Odolává rázům a má vysokou vrubovou houževnatost je vhodný na výrobu pojezdových kladek, lanových kotoučů, nárazníků, ozubených kol, nárazníků automobilů apod. Jeho vlastnosti jsou obdobné jako u tvrdého polyetylénu, snáší však teplotu až 90°C, proto je vhodný na teplovodní potrubí a armatury, sterilizovatelné lékařské potřeby, na vlákna plovoucích lan, speciální textilie apod.

polypropylen

-66-

polystyren

Je tvrdý a křehký, průhledný, odolává teplotě do styren 75°C, velmi dobře se lepí a snadno zpracovává, má velmi široké uplatnění. pěnový Má vynikající tepelně izolační vlastnosti, proto se polystyren užívá masově ve stavebnictví a chladírenském průmyslu. Existuje varianta tzv. strukturního pěnového polystyrenu, kdy je napěněn vnitřek součásti a povrch je kompaktní a tvrdý. butadien kopolymer styren Od polystyrenu se liší houževnatostí a odolností proti butadien rázům. Poměr mezi monomery styrenu a butadienu určují vlastnosti. Pokud je více butadienu, používá se na vulkanizaci při výrobě pneumatik, dopravních pásů, těsnění apod. Ve formě monomerů se přidávají styren i butadien do asfaltů, vznikají tak tzv. modifikované asfalty. akrylonitril kopolymer Snáší teploty do 85°C je pevný a vysoce houževnatý. butadien (ABS) Používá se na výrobu částí karoserií, člunů a pro styren namáhané součásti se plní vlákny. Lze jej pokovit a dosáhnout lesku na jeho povrchu. celulóza acetát celulózy Monomer je přírodní látka, polymer je pevný a houževnatý. Použití na drobnější výrobky a pásy fotografických filmů, základ výbušnin, mírně absorbuje vodu. tetrafluoretylen polytetrafluoretylen Známý jako teflon. Jeho rozsah teplot pro použití je největší od -250°C do + 250°C. Jako fluorovaný monomer je polymer odolný vůči všem agresivním chemikáliím, má vynikající kluznost (nízký součinitel tření). Používá se na speciální ucpávky armatur u agresivních médií za vysokých teplot. Plní se někdy grafitem nebo bronzem pro zvýšení otěruschopnosti a zlepšení odvodu tepla, na výrobu speciálních kluzných ložisek. Je to typický produkt kosmického výzkumu. polyamid Polyamidů je několik druhů. Všechny jsou pevné a cyklický amid houževnaté. Snášejí teplotu do 80°C. Vyrábějí se nebo z nich kluzná ložiska, ozubená kola, pojezdové aminokyselina kladky a vlákna pro textilní průmysl. Je vhodný pro výrobu kompozitních materiálů, kdy se plní skleněnými vlákny. Pod různými názvy tvoří textilie jeho vláken armatury pneumatik a dopravních pásů. polyformaldehyd Je vysoce krystalický, pevný a velmi tuhý (vysoká hodnota yangova modulu), odolává teplotám do formaldehyd 90°C. Vhodný na výrobu kluzných ložisek, ozubených kol, kladek. Vhodný pro výrobu kompozitů s vlákny. polymetylmetakrylát Plexisklo, je netříštivá hmota vynikající tzv. metylester dvojlomem, velmi dobrých optických vlastností. Vhodný pro výrobu kompozitů.

SPSKS

-67-

7.2.4 REAKTOPLASTY monomer

forma fenolformaldehydová pryskyřice

fenolformaldehyd

močovinaformaldehyd

močovinoformaldehydová pryskyřice

melaninmelaminformaldehyformaldehyd dová pryskyřice dioly polyestery (etylenglykol – butylenglykol+ dikarbonová kyselina)

použití a vlastnosti Je tvrdý křehký materiál, odolný rozpouštědlům. Snáší teploty do 120°C. V čitém stavu se používá na elektroizolátory a ve slévárenství. Největší využití má však s plnivy: bakelit – plněný dřevěným prachem, pertinax – plněný vlákny a tkaninami, umakart, kartit – plněný papírovinou. Velmi dobré elektroizolační vlastnosti, snáší teplotu do 75°C. V čistém stavu se nepoužívá a plní se celulózou nebo dřevěným prachem (moučkou). Stejné použití jako močovinoformaldehyd, ale snáší teplotu do 120°C. Jsou nejčastěji používanou pryskyřicí pro skleněná vlákna a skleněné tkaniny (lamináty). Pevnost dosahuje až 280 MPa. Používají se na velké nádrže na agresivní kapaliny do 120°C teploty, na části karoserií a v leteckém průmyslu. Při použití speciálních vláken lze dosáhnou pevnosti až 800 MPa ve směru vláken. Jsou pevné odolné materiály, snáší teplotu do 120°C. Čistá pryskyřice se používá na zalévání elektrotechnických prvků, dále jako lepidla a pojiva pro různé hmoty (umělý kámen, slévárenské modely, skelné lamináty, konstrukční prvky v letectví). Pevnost dosahuje až 320 MPa podle použitých vláken.

SPSKS

dian+ epichlorhydrin

epoxidy

7.2.5 ELASTOMERY monomer

glykol+ polyizokyanát

forma polyuretan

použití a vlastnosti Je tuhá kaučukovitá hmota s velkou otěruvzdorností a hysterezí. Používá se na tlumící prvky (silentbloky), těsnění, manžety apod. Lze u nich modifikovat tvrdosti a odolnost proti agresivnímu prostředí. Lehčený polyuretan ve zpěněné formě se vyrábí v různých tuhostech podle velikosti dutin. Má vynikající tepelněizolační a zvukoizolační vlastnosti. Nejvíce pěněná forma se nazývá molitan, méně pěněné hmoty neoprén.

-68-

siloxan

silikony

Chemická stavba neobsahuje pouze uhlík a vodík, ale také křemík (namísto uhlíku) a kyslík (namísto vodíku). Hmota odpuzuje vodu a odolává teplotám až do 200°C. Jako lineární polymery jsou používány jako syntetické oleje nebo mazací hmoty. Mají vysokou stabilitu viskozity v širokém teplotním rozsahu, protože tuhnou až při -70°C. Ve formě síťovaného polymeru se používají jako elektroizolační materiál do vlhkého prostředí a na mechanicky namáhané izolační materiály. Silikonové kaučuky mají rozsah pružnosti od -60°C do +200°C, používají se na izolace kabelů v letectví a potravinářství.

polyizopren

Syntetické kaučuky mají vynikající pružné vlastnosti a otěruvzdornost, neodolávají však obecně agresívnímu prostředí chemikálií a vysokým teplotám nad 100°C. Nitrilkaučuk je chemicky odolný proti benzínům a olejům, proto se používá na hadice palivových potrubí, těsnění apod. Butylkaučuk většinou svých vlastností předčí přírodní kaučuk, na těsnění v hydraulických mechanizmech. Vynikající odolnost proti kyselinám a rozpouštědlům, teplotní odolnost do 200°C. Používá se pro výrobu speciálních těsnění. Vyniká dobrou otěruvzdorností a s plnivem saze se používá na výrobu pneumatik a technickou pryž.

izopren butadien akrylonitril

kopolymer

izopren – izobutilen

kopolymer

SPSKS

vinylendichlorid kopolymer hexefluórpropylen butadien polybutadien

-69-

8.0 DŘEVO Dřevo je technický materiál, který se stává po letech útlumu a nahrazování jinými materiály opět zajímavým a perspektivním. Filozofie trvale udržitelného rozvoje, a environmentální aspekty dávají dřevu velmi dobrou perspektivu. Je to přírodní materiál, který se může vracet při své zkáze do koloběhu živé hmoty. U jiných matriálů tomu není beze zbytku. Recyklované materiály sice povinně vstupují do většiny technologických procesů, ale vyžadují složitou organizaci a technologie náročné na energii. Z biologického pohledu je dřevo pevné pletivo stonků vyšších rostlin, které označujeme jako dřeviny. Vzniká v rostlinách fotosyntézou z buněk. Z pohledu chemického složení je dřevo složeno z vody těchto organických látek: -

celulóza (40 – 50%) lignin (20 – 30%) hemicelulóza (20 – 30%) ostatní doprovodné složky

Celulóza se dříve nazývala buničina. Chemicky se jedná o polysacharid, což je nejrozšířenější biopolymer. Jako polymer vytváří dlouhé řetězce bez rozvětvení, podobně jako lineární polymery. Sumární vzorec [C6H10O5] n a molární hmotnost 300 – 500 tisíc g.mol-1. Celulóza jako polysacharid je tedy štěpitelná na menší jednotky. Toho využívá řada živočichů, kteří dokážou pomocí trávících enzymů zpracovat celulózu na nižší cukry. Neděje se tak přímo, ale prostřednictvím bakterií v zažívacím traktu býložravých živočichů. Nejznámější z nich jsou termiti a býložravci. To je princip biologické likvidace. Polymery tvoří buněčné stěny rostlinných buněk dřeva. Celulóza se vyrábí ze dřeva izolací, tj. odstraněním ostatních složek. Takto vzniklá hmota je hlavní složkou papíru. Průmyslově se celulóza používá jako acetát celulózy nebo viskóza. Takto vznikají polysyntetické polymery, které se komerčně nazývají celofánem nebo umělým hedvábím. Nitrací celulózy se vyrábí nitrocelulóza známá pod obchodním označením střelná bavlna. Lignin je organickou složkou dřeva, která způsobuje dřevnatění buněčných stěn dřeva. U jehličnatých stromů je obsah ligninu vyšší než u listnatých stromů. Proces dřevnatění lze chápat jako zpevňování buněčných stěn tvořených celulózou, které nemají potřebnou pevnost. Lignin však není polymer, protože postrádá pravidelnost výskytu určitých skupin chemických organických látek.

SPSKS

8.1 VLASTNOSTI DŘEVA Vlastnosti dřeva závisí v první řadě na druhu dřeva, dále jsou ovlivněny podmínkami růstu, stářím, způsobem zpracování apod. Mechanické vlastnosti dřeva jsou rozdílné podle směru namáhání ve vztahu k jeho struktuře. Jde o anizotropii, kdy dřevo má největší pevnost v tahu a tlaku ve směru osy kmene. Mechanické vlastnosti při namáhání kolmo k ose kmene jsou výrazně horší. Z fyzikálních vlastností je dřevo lehký materiál s měrnou hmotností asi 500 kg.m-3. Nízká je tepelná vodivost a schopnost tlumit zvuk. Nevýhodou je sesychavost a bobtnavost, což jsou objemové změny způsobené měnícím se obsahem vody ve dřevní hmotě. Dřevo je hydrofilní materiál, tedy vodu přijímá i ze vzdušné vlkosti. Chemické vlastnosti jsou dány odolností celulózy a pryskyřic vůči chemikáliím a podle nich jsou umístitelné někde mezi kovy a plasty.

-70-

Biologické vlastnosti dřeva jsou spojené se zdravotní nezávadností u „zdravého dřeva“, avšak zejména vlivem obsahu vody a jejím působením může být dřevo napadáno houbovými chorobami a plísněmi, které způsobují hnilobu. Technologické vlastnosti jsou dobrá obrobitelnost, ohebnost a snadné spojování. Dřeva rozdělujeme formálně podle tvrdosti na dřeva měkká a tvrdá. Mezi měkká dřeva patří většinou jehličnany a jsou to smrk, jedle, borovice, modřín. Z listnatých stromů jsou to lípa, olše a javor. Tvrdá dřeva jsou dub zimní (drnák), dub letní (křemelák), buk, habr, akát, apod. Nejtvrdším dřevinou v naší zemi je hruška. Pevnost dřeva s ohledem na jeho hmotnost vyniká srovnáním s jinými materiály podle tabulky: materiál smrk, jedle borovice dub cihla obyčejná cihla zvonivka beton cementový beton cementový vyztužený žula pískovec konstrukční ocel konopné lano sklo

tlak 30 - 75 45 45 – 90 7,5 – 30 60 – 120 20 – 43 40 – 87 150 – 300 40 – 220 340 - 800

napětí v MPa tah 60 – 150 90 70 – 170 0,3 – 1,7 3–6 1–2 1–2 4–6 0,6 – 2,5 340 - 800 70 - 100 30 - 90

SPSKS 320 - 1200

životnost dřeva v suchém stavu druh dřeva životnost roků smrk, jedle 150 - 900 borovice, modřín 200 – 1000 dub 800 – 1800 buk 400 - 1000

ohyb 50 - 130 65 60 - 150 0,5 – 3 7 - 14 2,5 - 6 10 - 25 2 - 15 25 - 55

životnost dřeva pod vodou (piloty) životnost roků 60 – 100 200 – 400 800 – 1200 500 - 900

Sesychání dřeva Dřevo jako biologický materiál obsahuje vodu, která u syrového dřeva představuje 25 – 50% jeho hmotnosti. Dřevo vyschlé na vzduchu obsahuje asi 15% vody. V takovém poměru se mění také jeho měrná hmotnostI. Vysycháním dřeva se zmenšují jeho rozměry, zejména v příčném směru ve vztahu k vláknům. Použití dřeva zejména pro konstrukční účely vyžaduje počítat se změnou rozměrů. Mechanizmus bobtnání suchého dřeva vyvozuje velké síly, které dokážou trhat i kámen. Poznámka: Změna rozměrů dřeva ve vyschlém a mokrém stavu se využívala k těžbě bloků kamene zejména pro sochařské účely.

-71-

druh dřeva smrk jedle borovice modřín dub buk

% obsah vody 45 37 40 26 30 32

sesychání dřeva do vysušení ┴ || 0,10 6,10 0,08 6,20 0,12 4,50 0,08 6,30 0,35 7,60 0,25 8,00

bobtnání dřeva ponořením ┴ || 0,1 8,10 0,08 6,20 0,12 5,70 0,08 6,30 0,40 7,60 0,20 8,10

┴ sesychání nebo bobtnání kolmo k vláknům dřeva || sesychání nebo bobtnání rovnoběžně s vlákny dřeva Sesychání dřeva není rovnoměrné. Proto je třeba znát chování dřeva při sesychání nejlépe řeziva fošen. Kmen lze řezat několika způsoby. Radiální řez je řez jehož rovina je kolmá na osu kmene. Takto se krátí kulatina na požadovanou délku. Řez tečný je řez, který je rovnoběžný s vlákny nebo osou kmene, ale rovina řezu neobsahuje osu kmene, tedy duši. Řez meridiální je podélný řez kmenem stromu kdy osa kmene leží v rovině řezu.

SPSKS

-72-

SPSKS Vady a nemoci dřeva mají různý původ. Mezi nejčastější patří radiální a podélné praskliny. Jsou způsobeny větrem, mrazem apod. Další častou vadou je nerovný a točitý růst kmene, kdy podélná vlákna sledují namísto přímek spíše šroubovicový tvar. Ve dřevě se dále vyskytují suky, z nichž nejzávažnější poruchou jsou suky vyhnilé. Doba růstu stromu je v řádu desetiletí a po dobu svého růstu je dřevina předmětem útoků celé řady škůdců. Poškozené a oslabené stromy jsou následně napadány dalšími vlnami škůdců. Ochrana a ošetřování nakažených stromů byla dříve jednoznačně řešena vykácením napadených dřevin, jejich zpracováním a bojem se škůdci. Dnes jsou tyto metody předmětem revize a řešení jsou nacházena v jakési přirozenosti. Mezi nejznámější škůdce dřevin patří: -

-

dřevokazné houby, kterých je asi 65 druhů. Mnohem rychleji ničí dřeva jehličnatých stromů. Mezi nejznámější patří koniofora sklepní, dřevomorka domácí, bělochoroš důlní, tramovka jedlová a houževnatec šupinatý. Dřevokazné houby odnímají dřevní hmotě bílkoviny a minerály, což způsobuje ztrátu pevnosti dřeva, morákové houby, které způsobují modrání běli jehličnatého dřeva, motýli a hmyz, jejich housenky požírají jehličí (mniška). Larvy vyžírají chodbičky v lýku i dřevu. Pokud nebylo dřevo impregnováno hrozí nebezpečí jejich působení i po jeho zpracování. Nejznámější škůdci této skupiny jsou tesaříci, pilořitky, nosatci a zejména lýkožrouti a kůrovci.

-73-

Způsoby ochrany dřeva Ochrana dřeva se v technologii jeho zpracování člení na přechodné ošetření, které se používá do zpracování kulatiny a následné ošetření. Přechodné ošetření dřeva je vynuceno nerovnoměrností při jeho těžbě a rovnoměrností možnosti jeho zpracování. Tato disproporce vyžaduje po dlouhou dobu skladování vytěženého dřeva. Provádí se hustým uskladněním, postřikem vodou, balením do neprodyšných fólií, nebo potápěním ve vodě. Následné ošetřování dřeva u hotových výrobků nebo řeziva se provádí chemickou nebo fyzikální cestou. K fyzikálním metodám patří vysoušení, ošetřování párou v parních komorách, kdy dochází ke sterilizaci ukládáním ve sladké nebo mořské vodě. Povrch je možné také opalovat. Chemická cesta ochrany dřeva spočívá v nátěrech povrchu, postřicích chemikáliemi, v máčení apod. Patří sem též impregnace dřeva pod tlakem metodou plných a prázdných buněk.

8.2 ÚPRAVA A POUŽITÍ DŘEVA Dřevo jako výchozí surovinu lze zpracovat mnoha způsoby a mnoha technologiemi. Pro stavební účely se dřevo dělí podle způsobu zpracování do několika skupin a to podle tvaru průřezu. Průřez řeziva se musí za určitých podmínek „vejít“ do průřezu kulatiny, která je výchozím polotovarem. Podle toho dělíme řezivo na: - ostře hraněné, kdy řezivo má po celé délce průřez bez oblin, - dřevo hraněné s částečnou oblinou, kdy průřez má na části své délky oblinu nebo obráceně, nemá ostrou hranu, - dřevo hraněné oblinovité, které má po celé délce oblinu.

SPSKS

Podle rozměru průřezu dělíme řezivo na: - prkna s tloušťkou od 4 do 35 mm - fošny s tloušťkou od 40 do 100 mm - hranoly od 50 x 50 do 180 x 280 mm - lišty a latě K jiným způsobům zpracování dřeva patří výroby dýh, kdy kmen je řezán na tenké plátky o tloušťce asi 1 mm. Tyto se dále zpracovávají v nábytkářském průmyslu s ohledem na fládr dřeva. Zejména pro stavební účely se z dýh vyrábí překližka lepením několika vrstev dýh pootočených svými lety o 90°. Překližka může být i v provedení vodovzdorném nalepením nepropustné vrstvy. Výsledkem jsou velkoplošné dřevěné výrobky s vynikající pevností. Ke konstrukčním prvkům z rostlého dřeva lze přiřadit ještě laťovky a spárovky. Ze dřevní hmoty - aglomerátu, který není vhodný na výrobu řeziva ani dýh, se vyrábí řada dalších výrobků. Z pilin a štěpků se lepením a lisováním vyrábí desky jako je dřevotříska apod. Zbytky dřeva lze rozvlákňovat, což je technologie, která neporušuje vlákna řezem a z této hmoty se vyrábí desky s obchodním názvem např. sololit. Z dřevité vlny se rovněž vyrábí desky. Všechny deskovité výrobky mají velmi dobré mechanické vlastnosti, které jsou odvislé od pojiva nebo lepidla.

-74-

Zvláštní technologií zpracování dřeva je pak rozbrušování pro účely papírenského průmyslu. Vedle dřev rostoucích u nás jsou využívána i dřeva z jiných podnebních pásem. Jsou ke speciálnímu užití pro své užitné vlastnosti. Patří sem eben, mahagon, palisandr a mnoho dalších. Ke dřevní hmotě je možné přiřadit i korek, který je vyráběn z kůry tzv. korkového dubu. Jeho izolační vlastnosti určují jeho užití pro speciální účely.

9.0 SPÉKANÉ MATERIÁLY Spékané materiály jsou materiály, které vznikají spékáním jejich složek. Spékání (slinování, sintrace), představuje ohřev výlisků z práškových materiálů. Tato teplota je nižší než je teplota tání jeho složek. Mechanizmus spojení jednotlivých složek zrn prášků souvisí s molekulárními silami ve styčných místech dotyku zrn. Tento mechanizmus je obdobný jako je splývání dvou kapek kapaliny, které mají tendenci „srůst“ v jednu kapku. Slinování může probíhat i v prostředí taveniny některé složky. Takový mechanizmus je podstatou zpevňování keramických hmot. Tato technologie výroby slinutých materiálů umožňuje získat neobyčejné a velmi často protichůdné vlastnosti, např. vysokou tvrdost a zároveň houževnatost. Dále umožňuje kombinovat materiály, které jinou cestou kombinovat nelze. Např. nelze vyrobit libovolnou slitinu dvou kovů. Není tomu jenom z důvodů vzájemné nerozpustnosti, ale také např. u kovů s rozdílem teplot tavení, kdy se oba kovy „míjí“ skupenstvím. Jeden kov je za určité teploty již párou a druhý taveninou nebo pevným skupenstvím. Dále lze takto spojovat materiály kovů a chemických sloučenin, které nelze tavit. Materiál je porézní s určitou pórovitostí, která je řiditelná v technologickém procesu jemností frakce slinovaného prášku materiálu. Makroskopické vlastnosti jsou řiditelné výběrem kombinací použitých materiálů.

SPSKS

Obr. 36 Vnitřní stavba slinutého materiálu ve 2D

9.1 VÝROBA PRÁŠKŮ A VÝROBKŮ Základem technologie spékaných materiálů je výroba prášků. Zde jsou sledovanými parametry velikost zrn, tedy jeho frakce a tvar. Prášky kovů a slitin kovů lze vyrábět technologií mletí. Existuje řada mlýnů, které mechanickou cestou dokáží vyrobit práškový kov. Tvar zrna zde může být různý, protože je

-75-

závislý na mechanizmu porušení kovové struktury. Ten může být kulovitý, ostrohranný, vláknitý, šupinkovitý apod. Kovy a slitiny kovů lze na prášek převést také rozprašováním taveniny v inertní atmosféře. Tato technologie se podobá rozprašování pomocí sprejů. Zrna mají tvar kulovitý. Možné jsou i technologie s využitím elektrochemických reakcí. Prášky nekovových materiálů a chemických sloučenin lze vyrábět mletím a jinými cestami (grafit) na hranici fyzikálních a chemických metod. Nebo jsou svou podstatou zrny např. u syntetického diamantu. Poznámka: Pro mletí se používají kulové mlýny. Drtícím faktorem je využití kinetické energie koulí v otáčejícím se bubnu. Druhou možností je planetový mlýn, kdy se prášek rozmělňuje v bubnech, které se otáčejí v opačném směru než unášecí deska s lopatkami. Chemický způsob výroby práškových materiálů je postaven na redukci oxidů příslušného kovu vodíkem, uhlíkem nebo čpavkem např. podle těchto rovnic: FeO + H2 → Fe + H2O FeO + 2C →FeC + CO Elektrochemický způsob je postaven na rozpustnosti anody, kdy se následně vylučuje ve formě prášku na katodě. Jinou možností je elektrolýza ve vodním roztoku. Tato technologie je energeticky velmi náročná. Technologie slinování se orientuje přímo na finální výrobek. To je podstatný rozdíl od např. kovových materiálů, kdy se vyrábí především válcovaný materiál, který je dále polotovarem např. pro výkovky, svařence, obrobky, výlisky apod. Prášky se třídí pomocí sít na jednotlivé frakce, vysouší se a míchají dle potřeby. Následně se z nich lisují potřebné výrobky. Následuje proces slinování v elektrické peci v ochranné atmosféře. Někdy se slinování provádí ve dvou teplotních stupních a po prvním slinování se výrobek obráběním zpřesní na požadovaný rozměr nebo drsnost povrchu. Lisovací tlaky jsou velmi vysoké a dosahují až hodnot 1000 MPa. Směr lisovací síly je rovněž velmi důležitý, protože řídí osy anizotropie slinutého materiálu.

SPSKS

SLINUTÉ KOVY Skupina výrobků ze slinutých kovů zahrnuje výrobky z prášku jednoho kovu nebo slitiny, nebo více kovů. Tato technologie je vhodná ke zpracování kovů s vysokou teplotou tání, které jsou tvárné. Do této skupiny patří výrobky z prášků wolframu, molybdenu, tantalu apod. Jejich využití je pro vakuovou elektrotechniku. V případě prášků z kovů feromagnetických vlastností jsou pak finálním výrobkem součásti v elektrotechnice pro aplikace pracující s magnetizmem (permanentní magnety). Z hlediska složení jde o slitiny železo – hliník, železo – kobalt a železo – nikl). Častým případem jsou slitiny železa v podobě ocelí nebo nerez ocelí pro speciální aplikace.

-76-

SLINUTINY KOV - NEKOV V tomto případě v technologickém procesu mícháme prášky kovu nebo jeho slitiny a nekovu. Příkladem takové slinutiny může být měď – grafit. Výsledný materiál má velmi dobrou elektrickou vodivost a zároveň kluzné vlastnosti což determinuje jeho použití. Technickou aplikací jsou kluzná ložiska, kde mazací účinky realizuje grafit a únosnost ložiska zajišťuje matrice kovu.

SLINUTINY KERAMIKA (NEBO CHEMICKÁ SLOUČENINA) – KOV Tato skupina představuje velmi široké uplatnění. Nejvýznamnější skupinou jsou slinuté karbidy. Karbidy jsou sloučeniny kovu s uhlíkem. Nejznámější představitelé těchto karbidů jsou Fe3C – karbid železa, TiC – karbid titanu a WC – karbid wolframu. Karbidy jsou obecně velmi tvrdými sloučeninami. Avšak jejich mimořádná křehkost musí být potlačena použitím materiálu, který potlačí křehkost a tvoří jakousi matrix (matrici), která částice drží. Vznikají tak skupiny slinutých karbidů na bázi TiC + Co, TiC + WC + Co. Kobalt zde hraje roli slinovala. Ze slinutých karbidů se vyrábějí pracovní části nástrojů pro obrábění tvrdých materiálů včetně kamene a hornin. Jsou pracovní částí vrtacích korunek všech typů, ostří nástrojů pro zpracování kamene, ostří nástrojů fréz pro rozrušování betonů apod. Další významnou skupinou jsou tzv. cermenty což je skupina slinutých materiálů, která spéká kov s keramikou, oxidy nebo zeminami. Jejich výsledné vlastnosti jsou dány poměrem prášků. Vyznačují se žárupevností a elektrickou a tepelnou vodivostí. Z těchto materiálů se vyrábí součásti spalovacích komor tryskových a raketových pohonů nebo se jimi povlakují ocelové součásti. Mají extrémní chemickou odolnost za vysokého tepelného a mechanického namáhání. Používají se i na řezné nástroje ve strojírenství. Porézní kovy (houby) jsou skupinou materiálů, kde základní požadovanou vlastností je poréznost za vysoké pevnosti. Takto se vyrábí např. superjemné filtry. Práškový kov se smíchá s frakcí mleté kuchyňské soli NaCl. Velikost požadovaných pórů je úměrná velikosti frakce soli. Součást se vylisuje a slinuje. Následuje ponoření do horké vody, která sůl rozpustí a zbude porézní kovová hmota. Nejčastějším kovem je zde nerezocel. Stejným způsobem se vyrábějí speciální kluzná ložiska, kdy se póry vyplní mazivem.

SPSKS

10.0 KOMPOZITNÍ MATERIÁLY Kompozit materiál je materiál, ve kterém jsou specifickým (nenáhodným) způsobem, kombinovány dvě nebo více složek, které se výrazně liší ve svých fyzikálních a chemických vlastnostech. Výsledkem tohoto spojení je materiál, jehož vlastnosti jsou výrazně jiné, než vlastnosti jeho složek. V přírodě se vyskytují kompozity velmi často v rostlinné říši, kdy různá přírodní vlákna zpevňují v určitém směru např. stébla trav. Nejznámějšími kompozity užívanými v technické praxi je železobeton, asfaltové směsi apod. V této kapitole bude pojednáno o kompozitech, kde je jednou ze složek polymer, který slouží jako matrice. Matrice je složka kompozitu, která zajišťuje: - spojení dalších složek a tvar konečného výrobku, - přenáší vnější zatížení na ostatní složky, - odděluje vzájemně jednotlivé prvky (např. vlákna) čímž brání např. šíření trhliny, - chrání ostatní složky před účinky vnějšího prostředí.

-77-

Dalšími složkami, které se někdy nazývají sekundární složky, mohou být: -

částice ve formě zrn, krátká vlákna s různou orientací, dlouhá vlákna nebo tkaniny, viskery.

Viskery jsou téměř bezporuchové vláknové krystaly délky až několik centimetrů. Jejich průměr je v řádu několika µm (0,001 mm). Jejich jedinou vadou je tzv. šroubová dislokace. Viskery se vyznačují velmi vysokou pevností v tahu přesahující 1000 MPa, ale jsou velmi křehké.

SPSKS Obr. 37 Schéma konstrukce kompozitu

Technické použití kompozitních materiálů má jinou filozofii návrhu než je tomu u jiných materiálů, např. oceli. U oceli obvykle předpokládáme izotropní vlastnosti, tedy v každém směru stejnou např. pevnost. U kompozitů navrhujeme mechanické vlastnosti podle potřeby v různých směrech. Pro pochopení změny filozofie návrhu běžné konstrukce si uveďme příklad. Máme navrhnout trubku pro přenos vysokého tlaku. Pokud použijeme jako konstrukční materiál ocel, provedeme výpočet na tah.

-78-

ocelová trubka

pevnost v tahu ┴

pevnost v tahu =

orientace trhliny

Z obrázku je patrné, že ocelová trubka je ve směru kolmém na osu namáhána dvakrát více než na směru podél osy. Proto také trubka praskne vždy podle obrázku, tedy vytvoří se podélná trhlina. Výsledek lze také interpretovat tak, že izotropní materiál trubky má v příčném směru poloviční bezpečnost, než ve směru podélném. Konstrukce je dobře navržená tehdy (v ideálním případě), když všechny body součásti mají stejnou bezpečnost ve vztahu k nějakému meznímu stavu. Takže trubka pro přenos vysokých tlaků by měla být vyrobena z materiálu, který by měl ve směru kolmém na osu dvakrát větší pevnost než ve směru rovnoběžném s osou. Takový materiál by byl anizotropní s hlavní osou kolmou na osu trubky. Takovým materiálem může být anizotropní kompozit, který bude v příčném směru zpevněn dlouhými vlákny navinutými do šroubovice. Podle obrázku.

SPSKS

kompozitní trubka

levotočivá 2. vrstva

pevnost v tahu ┴

pevnost v tahu =

způsob vinutí dlouhých vláken ve šroubovici (pravotočivá) 1. vrstva

Matrice mohou být z materiálů kov, keramika a nejčastěji polymer. Polymer jako matrice je nejlépe technologicky zpracovatelný. Jeho výhodou je obvyklá odolnost proti agresivnímu prostředí např. rozpouštědla. Jeho další výhodou je elektrická nevodivost. Technologicky se postupuje formou nátěrů nebo odlévání. Kovové matrice vyžadují malé tloušťky a matrice se odlévá v tekutém stavu a konstrukci vláken. Jako matrice se používá především hliník a jeho slitiny, které lze použít do teploty 300 - 400°C, dále titanové slitiny s tepelnou odolností 500 - 600°C a speciální slitiny (Ni, Fe, Co) do teploty 100 - 1150°C. Kovové matrice vyžadují použití karbidouhlíkových vláken, protože matrice nesmí v tekutém stavu roztavit vlákna.

-79-

Keramické matrice se vyznačují vysokou odolností proti teplotě, ale křehkostí. Jejich použití je v letecké a kosmické technice, jako tepelné štíty, lopatky spalovacích turbín, voštinové konstrukce ploch křídel apod. Vlákna jsou nejčastěji skleněná, kovová, polyamidová (kovral), bórová, uhlíková, karbidokřemíková apod. V souvislosti s kompozitními materiály existují speciální výrobky, které mohou sloužit jako polotovary pro další použití. Tyto polotovary mají nejčastěji tvar desek. Jsou to sendviče a voštiny. Sendvič je vrstvený materiál, kde k sobě přiléhá několik vrstev materiálu odlišných vlastností. Jako příklad lze uvést izolační střešní krytinu.

hliníkový trapézový plech

SPSKS pěnový polymer

Obr. 38 Schéma sendvičové konstrukce (průřez)

Voštiny jsou opět výrobky nebo polotovary deskovitého tvaru. Jejich konstrukce je podobná sendvičové, ale namísto výplně např. pěnovým polymerem podle obrázku 38, je výplň vyrobena z voštin z tenkého plechu.

-80-

desky

voština

podélný řez voštinovou deskou

voština šestiúhelník

voština čtverec

Obr. 39 Konstrukce voštiny

SPSKS

11.0 INTELIGENTNÍ MATERIÁLY

Samotný pojem inteligentní materiály je trochu nadsázkou. Je to nejspíše z důvodu vzniku tohoto pojmu v devadesátých letech dvacátého století, kdy pod dojmem blížícího se 21 století nebo třetího tisíciletí se objevují sklony k terminologii zavádějící k určité nadsázce. Nicméně jsou to materiály, které mají jednu z užitných vlastností jakousi logiku. Ta umožňuje změnu některých materiálových vlastností na základě změn podmínek. Materiál je tak schopen plnit jinou funkci. Příklady takových matriálů jsou např. čočky brýlí, které mění propustnost světla na základě jeho intenzity. Činí tak samotný materiál bez vnějšího zdroje a nějakého řízení. Dalším příkladem mohou být slitiny s tvarovou pamětí, kdy se součásti vrací k původnímu tvaru účinkem nejčastěji teploty. V médiích se tyto materiály třídí dokonce podle jakéhosi stupně inteligence, což je problematické přirovnání. Nicméně např. u polymerů existují teoretické předpoklady pro regeneraci kovalentních vazeb v makromolekulách nebo dokonce k jakési samotvorbě jiných vazeb v závislosti např. na zatížení. S určitou skepsí je možné uvést příklad použití Hadfieldovy oceli, která byla vyrobena v průběhu 2. světové války. Ta při silném rázovitém mechanickém namáhání např. výbuchem nebo nárazem střely mění svoji strukturu, činí tak bez vnějších zdrojů. Podle měřítek inteligentních materiálů by měla mít stejné vlastnosti. Z této oceli se vyrábějí díly namáhané kromě standardních druhů namáhání ještě abrazí.

-81-

12.0 TECHNICKÁ KERAMIKA Technická keramika je skupinou hmot obecně nazývaných keramika, které jsou užívány v technických aplikacích. Jsou to hmoty uměle vyrobené žárovým zpevněním (pálením) upravených surovin. Chemické složení technické keramiky je dáno především oxidy a křemičitany u speciálních keramik i jinými sloučeninami. Z pohledu petrografie jsou tyto materiály směsí drobných krystalů různých minerálů. Fyzikálně keramické hmoty vynikají tvrdostí, velkým modulem pružnosti, vysokou pevností v tlaku a malou tepelnou a elektrickou vodivostí. Jejich nedostatkem je nízká pevnost v tahu, křehkost (rázem). Keramické hmoty lze rozdělit podle použití na: -

keramiku užitkovou, keramiku zdravotnickou, keramiku technickou.

Rozdělení keramiky podle chemického složení: - křemičitany hlinité bez taviv (mullitové a silimanitové), - křemičitany hlinité a alkalická taviva (porcelán, kamenina, pórovina), - hlinitokřemičitany a kovy alkalických zemin (bezalkalický porcelán), - křemičitany a hlinitokřemičitany hořčíku (steatity), - sloučeniny titanu, - titaničitany a zirkoničany olovnaté (piezoelektrické hmoty), - keramika s feromagnetickými vlastnostmi, - čisté kovy a jejich oxidy, - bezkyslíkatá keramika (titankarbidy, nitridy, koridy), - kovokeramické materiály (cermenty kapitola 8).

SPSKS

Mineralogické složení keramiky je velmi různorodé podle požadovaných vlastností. Nejčastější minerály zastoupené v keramice udává následující tabulka.

-82-

NaAlSi3O8 Al2SiO5 CaAl2Si2O8

TiO2

Andalusit Anortit

Anatas

složení

tvrdost

6 - 6,5

5,5 - 6

6,5 7,5

6 - 6,5

hustota

2,60 - 2,63

3,82 - 3,97

štěpnost

zřetelná

dokonalá bazální

lom

nerovný

triklinická

pololastur- trigonální, natý hexagonální

3,13 - 3,16

nerovný zřetelně až prizmatická pololasturnatý

2,74 - 2,76

lasturnatý až nerovný

dokonalá

soustava

agregáty

tabulkovité destičkovité krystaly celistvý zrnitý

barva

bílý bezbarvý modravý šedý nazelenalý červenavý

SPSKS

Albit

nerost

pyramidální tabulkovité krystaly

hnědá temně modrá černá

rhombická

prizmatické krystaly celistvý vláknitý sloupcovitý

růžová načervenalá nahnědlá bělavá šedavá nazelenalá

triklinická

prizmatické krystaly destičkovitý celistvý

šedý bílý růžový bezbarvý

-83-

vryp

lesk

doprov. nerosty

vznik

výskyt

skelný perleťo vý průhled ný průsvitný

ortoklas křemen biotit muskovit

vyskytuje se jako důležitá složka mnoha vyvřelých hornin a v některých metamorfovaných horninách jako jsou krystalické břidlice kromě toho se může tvořit na hydrotermálních žilách

polokovový bezbarvý diamantový bílý slabě žlutý průhled ný opakní

brookit rutil titanit křemen hematit živec

tvoří se v krystalických břidlicích ve vyvřelých horninách v náplavech

bezbarvý

skelný průhledný opakní

křemen živec turmalín slída

tvoří se v granitech a pegmatitech a v mnoha metamorfovaných horninách

bílý

skelný průhledný – průsvitný

-

tvoří se v mnoha vymřelých horninách zvláště bazických vznikajících za vysokých teplot

bílý

obrázek

K(Mg, Fe+2)3(Al, Fe+3)Si3O10(OH, F)2 TiO2 Mg(OH)2 AlOOH Mg2Al4Si5O18

Biotit Brookit Brucit Böhmit

3

5,5 - 6

7 - 7,5

2,7 - 3,4

4,1 - 4,2

špatná

nerovný

pololasturnatý až nerovný

monoklinická

tabulkovité prizmatické krystaly

SPSKS

7,5

Cordierit

2,5 - 3

dokonalá, bazální

tvoří se jak ve vyvřelých tak v metamorfovaných horninách

bílý šedý žlutavý

polokov ový diamantový průhledný opakní

anatas rutil křemen živec hematit titanit

vzniká v metamorfovaných krystalických břidlicích

-

tvoří se v metamorfovaných vápencích v krystalických břidlicích

tabulkovité prizmatické krystaly

tabulkovité krystaly celistvý lístkovitý vláknitý zrnitý

bílý světle zelený,šedý namodralý

bílý

voskový skelný perleťový hedvábný

bílá

bílá

matný

limonit diaspor

hlavní součást bauxitu

bezbarvý

skelný průhledný – průsvitný

granát sillimanit spinel pyrhotin

vzniká ve vyvřelých a kontaktně metamorfovaných horninách

dokonalá

nerovný

3,07

neznatelná

nerovný, zemitý, křehký

rhombická

tabulkovitý masivní zemitý

rhombická

prizmatické krystaly celistvý zrnitý

lasturnatý

křemen muskovit živec

rhombická

2,38 - 2,40

zřetelná

bezbarvý

kovový skelný průhledný opakní

hnědá červenavě hnědá hnědavě černá

trigonální, hexagonální

2,53 - 2,78

černá tmavě hnědá červenavě hnědá zelená bílá

-84-

hnědá

modrý nazelenalý nažloutlý šedý hnědý

CaMgSi2O6 Mg2Si2O6 Fe2[SiO4] Fe2SiO4 Mg2SiO4 Al2Si2O5(OH)4

Diopsid Enstatit Fayalit (odrůda olivínů)

5,0 6,0

6,5

6,5 - 7

2 - 2,5

3,22 - 3,38

3,2 - 3,4

4 - 4,1

3,27 - 4,32

2,6 - 2,63

dobrá

dobrá

zřetelná

nedokonalá

dokonalá, bazální

nerovný

nerovný

lasturnatý, křehký

lasturnatý

nerovný

monoklinická

rhombická

kosočtverečná

rhombická

triklinická

SPSKS

Halloysit (odrůda Forsterit (odrůda kaolinitu) olivínu)

5,5 6,5

prizmatické krystaly celistvý destičkovitý zrnitý sloupcovitý

bezbarvý bílý šedý zelený nazelenale černý nažloutle hnědý červenavě hnědý

prizmatické krystaly celistvý vláknitý destičkovitý

bezbarvý zelený hnědý nažloutlý bezbarvý šedý

tabulkovitý sloupcovitý zrnitý celistvý

žlutá zelená hnědočervená šedá - černá

tabulkovité krystaly celistvý kompaktní zrnitý

zelená zelenavě žlutá žlutavě hnědá hnědá bílá

pseudohexagonální destičky šupinky celistvý kompaktní zemitý jílovitý

-85-

bezbarvý - bílý nažloutlý červenavý modravý

bílý šedý

skelný průhledný opakní

kalcit glosulár

tvoří se v mnoha metamorfovaných horninách a v bazických vyvřelých horninách

skelný perleťový průhledný - opakní

nerovný křehký

apatit flogopit olivín bronzit

tvoří se v bazických a ultrabazických vyvřelých horninách jako jsou gabro dolerit norit a peridotit

bílý

skelný kovově třpytivý průsvitný neprůhledný

spinel augit diopsid amfiboly

v pegmatitech na cínovcových rudných žílách v obsidiánech

bezbarvý

skelný průhledný – průsvitný

spinel augit diopsid amfiboly

vzniká v bazických a ultrabazických vyvřelých horninách a objevuje se také v mramorech

bílý

perleťo vý matný zemitý průhledný – průsvitný

křemen slídy

vzniká přeměnou živců děje se tak zvětráváním v humidních oblastech

Fe2O3 SiO2 FeCr2O4

Hematit Chalcedon

7

5,5

5,26

2,65

4,5 - 4,8

žádná

žádná

žádná

lasturnatý až nerovný

nerovný

trigonální, hexagonální

krychlová

hnědá červená ocelově šedá černá

SPSKS

Chromit

5,0 6,0

tabulkovité rhomboedrické prizmatické nerovný pyramidální krystaly až celistvý kompaktní trigonální, pololastur- hexagonální sloupcovitý natý vláknitý ledvinovitý hroznovitý krápníkovitý lupenitý zrnitý

bradavičnatá ledvinovitá forma

oktaedry celistvý zrnitý peckovitý

-86-

bílý modrý červený zelený hnědý černý

černý hnědavě černý

hnědavě červený

bílý

tmavě hnědý

kovový matný opakní

skelný voskový průhledný průsvitný nebo opakní

kovový opakní

magnetit pyrit

vzniká jako druhotný minerál na hydrotermálních žilách

kalcit živec rudy turmalín granát atd.

tvoří se v dutinách hornin různého typu zvláště v lávách mnohé chalcedony vznikají při relativně nízkých teplotách jako sraženina ze silikátových roztoků

olivín magnetit anortit pyroxeny

tvoří se na vyvřelých horninách zvláště v ultrabazických a bazických horninách také rýžoviska často obsahují chromit

CaCO3 Al2Si2O5(OH)4 Al2O3 SiO2

Kalcit Kaolinit Korund

2 - 2,5

9

7

2,71

2,6 - 2,63

4,0 - 4,1

2,65

dokonalá

dokonalá, bazální

žádná

žádná

nerovný

lasturnatý až nerovný

lasturnatý až nerovný

rhomboedrické skalenoedrické krystaly celistvý zrnitý vláknitý krápníkovitý

triklinická

pseudohexagonální destičky šupinky celistvý kompaktní zemitý jílovitý

trigonální, hexagonální

bipyramidální prizmatické tabulkovité rhomboedrické krystaly celistvý zrnitý

trigonální, hexagonální

bílý bezbarvý šedý červený hnědý zelený černý

SPSKS

Křemen

3

pololastur- trigonální, natý hexagonální

hexagonální prismata celistvý zrnitý konkrece krápníkovitý kryptokrystalický

-87-

bezbarvý - bílý nažloutlý červenavý modravý

mnoho barev

mnoho barev

bílý šedavý

bílý

bílý

bílý

skelný perleťový matný průhledný – průsvitný

perleťový matný zemitý průhledný – průsvitný skelný diamantový průhledný průsvitný

skelný průhledný průsvitný

dolomit křemen rudní minerály

vzniká v mnoha horninách podstatná část vápenců a mramorů

křemen slídy

vzniká přeměnou živců děje se tak zvětráváním v humidních oblastech

spinel magnetit diaspor kalcit

tvoří se ve vyvřelých horninách chudých na křemen a v metamorfovaných horninách bohatých na hliník

kalcit živec rudy turmalín granát atd.

tvoří se ve vyvřelinách metamorfovaných a sedimentárních horninách nachází se na nerostných a rudních žílách

KAlSi2O6 MgCO3

Leucit Magnezit

3 - 4,0

Montmorillonit

(Al, Mg) [(OH)2[Si4O10]. (Na, Ca)x.4H2O

1-2

Mullit

Al8[O3/OH/AlSi3O16]

1

-

2,5

3,0 - 3,1

2,58 - 2,83

dokonalá klencová

lasturnatý

lasturnatý až nerovný

tetragonální

trapezoedrické krystaly celistvý zrnitý

bílý šedý bezbarvý

trigonální, hexagonální

klencové prizmatické tabulkovité skalenoedrické krystaly celistvý šupinkovitý vláknitý zrnitý

bezbarvý bílý šedý nažloutlý hnědý

světle - tmavě zelená šedá hnědavá bílá

SPSKS

Mastek

5,5 - 6

velmi špatná

dokonalá

nerovný

krychlová

tabulkovité krystaly celistvý kompaktní lístkovitý vláknitý

jednoklonná

kompaktní kusový zrnitý drobivý

šedobílá žlutavá hnědavá zelenavá růžová

-

stébelnatý jemně paprsčitý vláknitý plstnatý

bezbarvý bílý žlutý růžový červený

2,2 - 2,3

-

jemný, drobivý, ve vodě bobtná

3,14 - 3,26

zřetelná

-

bezbarvý

skelný průhledný – průsvitný

augit biotit

tvoří se v lávách bazického složení zvláště bohatých na sodík

bílý

skelný matný průhledný perleťový

aragonit kalcit dolomit apatit mastek serpentin

tvoří se na hydrotermálních žílách v metamorfovaných horninách a sedimentech

bílý

matný perleťový mastný průsvitný

dolomit magnezit serpentin křemen

tvoří se alterací ultrabazických vyvřelých hornin a dolomitů

bílý

matný neprůhledný

-

vzniká v jílech v sopečných tufech

-

-

-

v úlomcích jílu které byly roztaveny

bílá

-88-

KAl2(Si3Al)O10(OH, F)2 Al2Si2O5(OH)4 SiO2.nH2O

KAlSi3O8

Fe2SiO4 - Mg2SiO4

Muskovit Nakrit (odrůda kaolinitu) Olivín Ortoklas

2 - 2,5

6,5 - 7

6 - 6,5

5,5 6,5

2,77 - 2,88

2,6 - 2,63

3,27 - 4,32

2,55 - 2,63

1,9 - 2,3

dokonalá, bazální

dokonalá, bazální

nedokonalá

dokonalá

žádná

nerovný

nerovný

lasturnatý

nerovný až lasturnatý

lasturnatý

monoklinická

triklinická

rhombická

monoklinická

amorfní

bezbarvý bílá - šedá žlutý zelený hnědý červený fialový

SPSKS

Opál

2,5 - 4

tabulkovité pseudohexagonální krystaly destičkovitý kryptokrystalický

pseudohexagonální destičky šupinky celistvý kompaktní zemitý jílovitý

bezbarvý - bílý nažloutlý červenavý modravý

tabulkovité krystaly celistvý kompaktní zrnitý

zelená zelenavě žlutá žlutavě hnědá hnědá bílá

prizmatické tabulkovité krystaly celistvý zrnitý destičkovitý

bílý načervenalý bezbarvý žlutý šedý zelený

amorfní celistvý hroznovitý ledvinovitý krápníkovitý kulovitý peckovitý konkrece

-89-

bílý černý červená modrá žlutá šedý zelený

bezbarvý

skelný perleťový průhledný

křemen živec biotit

tvoří se ve vyvřelých horninách a v metamorfovaných horninách jako krystalické břidlice

bílý

perleťový matný zemitý průhledný – průsvitný

křemen slídy

vzniká přeměnou živců děje se tak zvětráváním v humidních oblastech

bezbarvý

skelný průhledný – průsvitný

spinel augit diopsid amfiboly

vzniká v bazických a ultrabazických vyvřelých horninách a objevuje se také v mramorech

bílý

skelný perleťový průhledný – průsvitný

-

tvoří se v mnoha vyvřelých a metamorfovaných horninách může se vyskytovat také v některých sedimentárních horninách

bílý

skelný smolný voskový perlezeolit ťový chalcedon skelný průhledný opakní

při nízkých teplotách z vody bohaté na křemík hlavně kolem horkých pramenů

Al2Si4O10(OH)2 TiO2 CaSO4.2H2O FeCO3 CaTiSiO5

Pyrofylit Rutil Sádrovec Siderit

6 - 6,5

2

4

5 - 5,5

2,65 - 2,90

4,23

2,32

3,96

3,45 - 3,55

dokonalá

zřetelná

dokonalá

dokonalá klencová

zřetelná

nerovný

lasturnatý až nerovný

monoklinická

tetragonální

prizmatické jehlicovité krystaly celistvý

červenavě hnědá červená žlutá černá

tabulkovité krystaly celistvý zrnitý vláknitý

bezbarvý bílý šedý nazelenalý nažloutlý hnědavý červenavý

tříšťnatý

monoklinická

nerovný

klencové tabulkovité prizmatické trigonální, skalenoedrické hexagonální krystaly celistvý zrnitý kompaktní hroznovitý oolitický

lasturnatý

monoklinická

bílý šedý modrý žlutý zelený hnědý

SPSKS

Titanit

1,0 2,0

tabulkovité krystaly lístkovité vláknité paprsčité destičkovité

klínovité krystaly celistvý destičkovitý kompaktní

-90-

bledě nažloutlá šedá hnědá nazelenalá načervenalá černá

hnědá žlutá zelená šedá červená černá bezbarvý

bílý

perleťový matný průhledný – průsvitný

křemen disten

tvoří se v krystalických břidlicích nalázá se také na hydrotermálních žilách

hnědý žlutý

polokovový diamantový průhledný opakní

anatas brookit titanit hematit

tvoří se jako akcesorický minerál v mnoha vyvřelých horninách a také v metamorfovaných krystalických břidlicích

bílý

skelný hedvábný matný průhledný opakní

anhydrit halid sulfidy

tvoří se jako evaporit kolem horkých pramenů a ve vrstvách jílovitých hornin

bílý

skelný perleťový hedvábný průsvitný

chalcedon baryt kalcit rudní minerály

tvoří se na hydrotermálních žílách a také v sedimentárních konkrecích

bílý

diamantový smolný průhledný opakní

křemen živec anatas rutil kalcit

vzniká jako akcesorický minerál v mnoha vyvřelých horninách

Tridymit

SiO2 Ca3[Si3O9]

4,5 - 5

2,2

2,8

nezřetelná

velmi dobrá

Tab. 3 Důležité minerály pro keramiku

křehký

křehký

tence tabulkovitý vějířovitý

jednoklonná

tlustě tabulkovitý stébelnatý vláknitý lupenitý jehlicovitý vlasovitý celistvý kusový

SPSKS

Wollastonit

7

kosočtverečná

-91-

bez barvy bílá šedá žlutavá

bez barvy bílá šedá žlutavá

bílý

skelný perleťový matný průhledný průsvitný

cristobalit křišťál hematit pseudobrookit augit amfiboly

v dutinách trachytů andezitů porfyritů

bílý

skelný hedvábný průsvitný

křemen granát vesuvian pyroxen grosulár diopsid kalcit

v kontaktně metamorfovaných vápencích v krystalických břidlicích

12.1 FYZIKÁLNĚ CHEMICKÉ VLASTNOSTI NĚKTERÝCH OBSAŽENÝCH V KERAMICE chemická značka

bod tání [°C]

měrná hmotnost [kg.m-3]

C Ta Mo Ir Rh Th V

3500 2850 2650 2350 1955 1845 1710

2500 16600 9000 22400 12400 11500 5700

BaO CeO2 Ga2O3 SiO2 Li2O NiO Ta2O5 TiO2 VO2 WO3 ZnO Fe2O3

1923 2810 1740 1710 1700 2090 1470 1640 1967 1473 1800 1565

5720 7300 6440 2640 2010 7450 8730 3840 4400 7160 5470 5240

3Al2O3.2SiO2 BaO.2SiO2 2BaO.3SiO2 BaO.ZrO2.SiO2 CaO.MgO.SiO2 FeO.SiO2 MgO.ZrO2.SiO2 K2O.Al2O3.2SiO2 Na2O.ZrO2.SiO2 2SrO.SiO2 2ZnO.ZrO2.SiO2

1810 1420 1450 1573 1498 1550 1793 1790 1708 1700 1509

3000 3730 3930 4650 3200 3500 4350 2600 3580 3840 3900

BaO.Al2O3 CoO.Al2 FeO.Cr2O3 MgO.Al2O3 MgO.Fe2O3

2000 1960 1770 2135 1780

B 4C Cr3C2 MoC TiC U2C2 Zr4C3

2350 1890 2570 3140 2400 2750

BaO.ZrO2 MgO.ZrO2

2620 2150

chemická značka

prvky W Os Ru B U Pt Zr sloučeniny (oxidy) BeO Cr2O3 Al2O3 CoO MgO SrO ThO2 UO2 V 2O 3 Yt2O3 ZrO

KOMPONENT

bod tání [°C]

měrná hmotnost [kg.m-3]

3370 2700 2450 2300 1850 1775 1700

19000 22500 12100 2500 18700 21400 6400

2510 1990 2050 1800 2800 2430 3030 2176 1970 2410 2700

3000 5210 4000 6470 3650 4700 9690 10900 4870 4840 5490

1605 1755 1700 1590 1582 1890 1320 1810 1526 1580 2500

4400 3840 3370 3040 4300 3200 4040 2470 2600 3650 4500

1600 1600 1538 1780 1950

3670 4220 5180 4410 4540

2300 1837 2700 2777 2830

2220 7400 3170 15700 5400

2350 2800

4780

SPSKS 4930 3530 4610 2500 8400 4250 11300

sloučeniny (silikáty) BaO.SiO2 2BaO.SiO2 BaO.Al2O3.2SiO2 2CaO.Al2O3.SiO2 CaO.ZrO2.SiO2 2MgO.SiO2 2MnO.SiO2 K2O.Al2O3.4SiO2 Na2O.Al2O3.2SiO2 SrO.SiO2 ZrO2.SiO4 sloučeniny (spinely) CaO.Al2 FeO.Al2O3 FeO.Fe2O3 MgO.Cr2O3 ZnO.Al2O3 sloučeniny (karbidy) CaC2 Fe3C SiC WC VC

sloučeniny (zirkonáty) CaO.ZrO2 SrO.ZrO2

92/102

AlN TiN

2150 2930

MgO.2TiO2 CaO.TiO2

1670 1980

AlPO4 Ca3(PO4)2

1500 1670

sloučeniny (nitridy) ZrN VN sloučeniny (titanáty) BeO.TiO2 MnO.TiO2 sloučeniny (fosfáty) 2560 10CaO.3P2O5 3140 5CaO.SiO2.P2O5

3050 5180

2980 2050

5630

1720 1404

4540

1540 1760

2890 3010

Tab.4 Fyzikálně chemické vlastnosti některých sloučenin keramických materiálů

12.2 JEDNOTLIVÉ KERAMICKÉ HMOTY - KAMENINA Kamenina je typ keramické hmoty, která se vyznačuje hutným barevným střepem. Podle složení její směsi rozlišujeme kameninu slinutou a kameninu pórovitou. V makroskopickém měřítku se tyto dva typy kameniny liší nasákavostí. Slinutá kamenina má nasákavost 0,6 – 1,4% a pórovitá kamenina má nasákavost po výpalu asi 6%. Mineralogicky obsahuje jíl, kaolín, živec a mastek. Podle použití ještě někdy korund, křemen, pegmatit a jiné příměsi. Z kameniny se vyrábí velmi rozličný sortiment výrobků od dlaždic, přes zdravotní keramiku až po výrobky ve stavebnictví (trubky). Poznámka. Každá keramická hmota obsahuje tzv. tavivo a ostřivo. Ostřivo je zrnitá složka keramické hmoty. Ta vytváří makroskopické mechanicko – plastické vlastnosti směsi. Má vliv na velikost smrštění při sušení a vypalování. Velikost zrn má vliv na pórovitost. Obvyklými ostřivy jsou písek, křemen, šamot, keramické střepy, korund apod. Tavivo je složka syrové keramické hmoty, která snižuje potřebnou teplotu výpalu. Při pálení vytváří taveninu, která často i chemicky reaguje s ostatními složkami a v makroskopickém měřítku urychluje slinutí a zpevnění hmoty. Je dobré vědět, jaký je rozdíl mezi tavivem a pojivem. Pojivo plní velmi podobnou funkci jako tavivo. Spojuje zrna a je schopné přecházet bez výraznějších objemových změn ze stavu pevného do stavu plastického nebo viskózního a naopak. Avšak nevznikají při spojení chemické vazby. Pojivy jsou tedy látky typu cement v betonu, asfalt v asfaltových směsích, tmely, vápna apod.

SPSKS

PORCELÁN Porcelán je keramická hmota, která obsahuje větší podíl kaolínu než např. kamenina. Podle vlastností se rozlišuje porcelán tvrdý a porcelán měkký. Rozdíl je ve složení, kdy tvrdý porcelán obsahuje 15 -25%, měkký více než 30%. Další příměsi výrazně mění vlastnosti porcelánu. Z porcelánu se vyrábí vedle kuchyňského nádobí především izolátory pro vysoká napětí, součásti pro užití v chemické výrobě. Zlepšení elektroizolačních vlastností se zvyšuje přidáním korundu. Porcelán se odlišuje od ostatních keramických hmot barvou střepu, která je bílá.

93/102

KORDIERITOVÉ HMOTY Kordieritové hmoty jsou složením MgO – Al2O3 – SiO2 . Chemický vzorec krystalu cordieritu je pak 2MgO.2Al2O3.5SiO2. Tyto hmoty se vyznačují velmi nízkým koeficientem teplotní roztažnosti a velmi vysokou odolností proti náhlým změnám teploty. Jejich mechanická pevnost je rovněž vysoká. Povrch kordieritových hmot vytváří sám glazuru na povrchu, což u jiných hmot je nutné provádět jako závěrečnou technologickou operaci. Složením jsou odlišné v nízkém podílu kaolínu a relativně vysokém podílu plastického jílu. Použití kordieritových hmot je v chemickém a automobilovém průmyslu ať už v podobě porézní nebo slinuté. V automobilových konstrukcích se používá kordieritový substrát s voštinovou strukturou jako hlavní součást reaktoru pro katalytické odstraňování škodlivých součástí výfukových plynů spalovacích motorů.

STEATITOVÉ HMOTY Steatitové keramické hmoty mají velmi dobré mechanické, elektrické a dielektrické vlastnosti. Jejich hlavním praktickým použitím je oblast konstrukčních dílů v elektrotechnice a to slaboproudé i silnoproudé. Chemicky je steatit 3MgO.4SiO2.H2O. Krystalická fáze steatitové hmoty se skládá převážně z krystalů MgO.SiO2 . Podíl skelné fáze v hmotě je 25 – 35%, tedy velmi vysoký, protože musí zcela obalit krystaly, jinak dochází k rozpadu (zprašivění ) hmoty. Steatitové hmoty obsahují mastek, který je zde hlavní složkou (75 – 85%), dále plastický jíl a bentonit a řadu dalších složek.

SPSKS

FORSTERITOVÉ HMOTY

Složením jsou podobné hmotám steatitovým, ale hlavní výchozí surovinou je mastek. Obsahují dále oxid bority a oxid zirkoničitý. Praktické použití forsteritu je ve vakuové technice, protože hmota vykazuje výbornou vakuotěsnost a koeficient teplotní roztažnosti je shodný s roztažností kovů a tvrdých pájek.

MULLIT-KORUNDOVÉ HMOTY Složením se jedná o porcelánovou hmotu, do které se přidává více korundu Al2O3. Tyto hmoty se vyznačují vysokou odolností proti otěru, čemuž odpovídá jejich použití v konstrukční praxi (koule a tělíska pro mlýny). Dalším výrobkem jsou sítka pro hutní průmysl k cezení tekutých kovů při lití.

KORUNDOVÉ HMOTY Podle názvu je zřejmé, že hlavní složkou těchto hmot je korund. Tyto hmoty snášejí vysoké teploty a používají se k výrobě hořáků vysokotlakých sodíkových výbojek.

94/102

SPINELOVÉ HMOTY Vyznačují se vysokým bodem tání a žáruvzdorností, což je předurčuje k použití při konstrukci součástí vystavených vysokým teplotám. Spinelová hmota je založena na bázi MgO. CERMENTY Jsou popsány v jiné kapitole 8.0 - spékané materiály. Zde se jedná o kovokeramický materiál. Takto se zpracovávají prášky kovů s vysokou teplotou tavení na výrobky. Z kovů přítomných v cermentech jde o W, Mo, Ta, Nb, Hf..

PIEZOKERAMIKA Keramická feroelektrika mají piezoelektrické vlastnosti. Při mechanickém namáhání, nejčastěji tlakem, se na destičce objevuje elektrický náboj. Obráceným piezoelektrickým jevem je nepřímý piezoelektrický jev, kdy se v elektrickém poli mění tloušťka destičky. V praxi se používají tyto materiály jako generátory ultrazvuku (defektoskopie, pračky, v lékařství), výkonové měniče a např. u zapalovačů.

SLINUTÁ BEZKYSLÍKATÁ KERAMIKA

SPSKS

Technologie slinování byla popsána v kapitole 8.0. Jde obecně o keramický materiál, kde se zpracovávají nebo začleňují do struktury nitridy a karbidy, které nemají v chemickém vzorci kyslík. Patří sem BN (nitrid bóru), SiC (karbid křemíku), Si3N4 (nitrid křemíku). Jde o extrémně tvrdé sloučeniny, které v keramice v makroskopickém měřítku určují zajímavé mechanické vlastnosti. Tato skupina keramiky se jeví velmi perspektivní, protože některé prameny udávají, že nitrid bóru může ve vhodné aplikaci překonat tvrdostí i diamant s ohledem na technickou aplikaci. Teplotní zatížení snese diamant asi do 700°C a následně se vypaří. U BN je tato teplota zhruba dvojnásobná. To vede k užití např. vyšších řezných rychlostí u chlazených nástrojů.

12.3 CIHLÁŘSKÉ VÝROBKY Cihlářské výrobky jsou vyráběny pálením cihlářských hlín. Mechanizmus vzniku střepu je stejný jako u ostatních keramik. Cihla má ve stavebnictví nezastupitelné místo i v době, kdy vznikají nové a perspektivní materiály. Důvodem je vynikající schopnost odvádět a nasávat vodu, kterou ostatní stavební materiály nemají. Podle normy se výrobky dělí do čtyř skupin: - prvky pro svislé konstrukce - prvky pro vodorovné konstrukce - pálená krytina - prvky pro zvláštní účely

95/102

Podle průměrné měrné hmotnosti rozlišujeme cihlářské výrobky na šest skupin: - max. 900 kg.m-3 - max. 1000 kg.m-3 - max. 1250 kg.m-3 - max. 1400 kg.m-3 - max. 1850 kg.m-3 - nad 1800 kg.m-3 Podle mrazuvzdornosti existují 3 typy výrobků: - nemrazuvzdorné - mrazuvzdorné při 15 zmrazovacích cyklech M 15 - mrazuvzdorné při 25 zmrazovacích cyklech M 25

cihly plněné – dělivky

SPSKS cihly podélně děrované

tvarovky CD

96/102

deska Hurdis

stropní vložka Miako

12.4 PERSPEKTIVA KERAMICKÝCH MATERIÁLŮ Keramické materiály skýtají ještě mnoho zajímavých možností aplikace. Jejich použití v kompozitech je hlavním proudem ve vývoji špičkových zařízení, která jsou použitelná v kosmické technice a ve vojenském použití. Jde o materiály, kde můžeme v mnohem větším měřítku vytvářet mechanické vlastnosti „namíru“. V této kapitole bylo zdůrazněno, že keramika má vlastnosti izolátorů. Avšak ve stádiu vývoje jsou vysokoteplotní supravodiče na bázi keramických materiálů. Slitiny kovů k takovým teplotám nedospěly a zdá se, že nedospějí. V praxi se tak budeme setkávat s těmito materiály mnohem častěji a musíme si přivyknout na jejich speciální užití, kdy je nelze renovovat, svářet, obrábět apod. Jejich použití je prostě technologicky jiné.

SPSKS

97/102

OBSAH SLOVO ÚVODEM………………………………………………………………………….1 1.0 ÚVOD ………………………………………………………………………………….2 2.0 ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI TECHNICKÝCH MATERIÁLŮ A JEJICH ZKOUŠENÍ …………………………………………………..……………….……….3 2.3 FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI…………………………….……………………….……..3 2.4 MECHANICKÉ VLASTNOSTI………………………….…………………………….5 2.2.1 MECHANICKÉ VLASTNOSTI – STATICKÉ ZKOUŠKY………..………………5 2.2.3 MECHANICKÉ VLASTNOSTI –DYNAMICKÉ ZKOUŠKY……………………..9 2.2.4 MECHANICKÉ VLASTNOSTI – ZKOUŠENÍ ZA VYŠŠÍCH A NIŽŠÍCH .........10 TEPLOT 2.3 TECHNOLOGICKÉ VLASTNOSTI………………………………………………….11 2.4 MAKROSKOPICKÉ VLASTNOSTI MATERIÁLŮ…………………………………11 4.0 KOVOVÉ MATERIÁLY - CHEMICKÉ PRVKY………………………………..…13 4.0 METALOGRAFIE……………………………………………………………………22 4.1 VNITŘNÍ STAVBA KOVŮ A SLITIN………………………………..…..…..…….22 4.4 NEDOKONALOSTI SKUTEČNÉ MŘÍŽKY……………………………………..…24 4.5 SLITINY KOVŮ……………………………………………………………………..26 5.0 SLITINY NA BÁZI ŽELEZA………………………………………………………...28 5.1 ROZDĚLENÍ OCELÍ…………………………………………………………………32 5.2 ROZDĚLENÍ LITIN……………………………………………………………..…...35 5.3 TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ SLITIN ŽELEZA A UHLÍKU…………………..…..….39 5.3.1 ŽÍHÁNÍ…………………………………………………………………………….40 5.3.1.1 ŽÍHÁNÍ OCELÍ …………………………………………………………….……40 5.3.1.2 ŽÍHÁNÍ LITIN………………………………..…………………………….……43 5.3.2 KALENÍ……………………………………………………………………………44 5.3.3 POPOUŠTĚNÍ…………………………………………….………………….…….46 5.3.4 ZUŠLECHŤOVÁNÍ………………………………………………………….….…49 5.3.5 CHEMICKO - TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ OCELÍ…………………………..……...49 5.4 VÝROBKY Z OCELÍ………………………………………………………….….….52 6.0 NEŽELEZNÉ KOVY A JEJICH SLITINY………………………………….…...….53 6.1 TĚŽKÉ NEŽELEZNÉ KOVY A JEJICH SLITINY………………………..……….54 6.1.1 MĚĎ A SLITINY MĚDI…………………………………………………….……54 6.2 LEHKÉ NEŽELEZNÉ KOVY……………………………………………….….….55 6.2.1 HLINÍK A SLITINY HLINÍKU…………………………….……………….…......55 6.2.2 TITAN A SLITINY TITANU……………………………………………………....56 6.3 SPECIÁLNÍ SLITINY NEŽELEZNÝCH KOVŮ…………………..……….….…...56 6.4. KOROZE KOVŮ………………………………………………………………….....57 7.0 PLASTY ………………………………………………………………..……….…..59 7.1 MOLEKULÁRNÍ STRUKTURA PLASTŮ …………………………………..……62 7.2 STRUKTURA POLYMERŮ …………………………………………………….…63 7.2.1 MECHANICKÉ VLASTNOSTI POLYMERŮ …………………………………64 7.2.2 DALŠÍ SLOŽKY VÝROBKŮ Z POLYMERŮ…………………………….…....65 7.2.3 TERMOPLASTY……………………………….…………………………..…....66 7.2.4 REAKTOPLASTY ……………………………………..…………………….….68 7.2.5 ELASTOMERY ………………………………………………………….…..….68 8.0 DŘEVO…………………………..………………………………………………….70 8.1 VLASTNOSTI DŘEVA …………………………………………………………...70 8.2 ÚPRAVA A POUŽITÍ DŘEVA ….………………………………………………...74

SPSKS

98/102

9.0 SPÉKANÉ MATERIÁLY …..………………………………………………………75 9.1 VÝROBA PRÁŠKŮ A VÝROBKŮ……………………………..…………………75 10.0 KOMPOZITNÍ MATERIÁLY …………………………………………………..…77 11.0 INTELIGENTNÍ MATERIÁLY ……………………………………………….…..81 12.0 TECHNICKÁ KERAMIKA ………………………………………….………….…82 12.1 FYZIKÁLNĚ CHEMICKÉ VLASTNOSTI NĚKTERÝCH KOMPONENT OBSAŽENÝCH V KERAMICE ….…………………………….92 12.2 JEDNOTLIVÉ KERAMICKÉ HMOTY – KAMENINA ….…………………….....93 12.3 CIHLÁŘSKÉ VÝROBKY………………………………………………………..…95 12.4 PERSPEKTIVA KERAMICKÝCH MATERIÁLŮ…………………………………97

SPSKS

99/102

SPSKS

100/102

SPSKS

101/102

SPSKS

102/102

SPSKS