OCEL A SUBSTITUČNÍ MATERIÁLY: KONKURENCE A KOOPERACE. STEEL SUBSTITUTE MATERIALS: COMPETITION AND COOPERATION

18. - 20. 5. 2011, Brno, Czech Republic, EU

OCEL A SUBSTITUČNÍ MATERIÁLY: KONKURENCE A KOOPERACE. STEEL SUBSTITUTE MATERIALS: COMPETITION AND COOPERATION. Ivo JANÍK, Emilie KRAUSOVÁ, Jaroslav BŘEZINA Technická univerzita – Vysoká škola báňská, Ostrava, 17. listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava – Poruba, Česká republika, [email protected], emilie.krausová@vsb.cz,

Abstrakt. Definice substitučního materiálu. Porterův model konkurenčních sil. Stručná historie základních inovací materiálu. Závislost ceny kovu na roční světové těžbě. Identifikace potenciálních substitučních materiálů oceli: plasty, hliník,beton, dřevo, kámen, měď, hořčík, sklo, keramika, titan, uhlíková vlákna zinek, olovo, cín. Tržní charakteristiky oceli a substitučních materiálů. Charakteristika a porovnání oceli a substitučních materiálů. Technickoekonomická kriteria porovnání. Diskuse konkurenceschopnosti materiálů. Výhody kooperace materiálů. Klasifikace potenciálních substitučních materiálů oceli podle intenzity substitučního vlivu vůči oceli a rozvojového potenciálu materiálu. Obecné vývojové tendence materiálů. The definition of substitute material. Porter's model of competitive forces. Brief history of basic material innovations. Dependence of metal price on annual metal world production. Identification of potential steel substitute materials: plastic, aluminum, concrete, wood, stone, copper, magnesium, glass, ceramics, titanium, carbon fiber, zinc, lead, tin. Market characteristics of steel and its substitute materials. Characterization and comparison of steel and substitutes. Technical economic comparative criteria. Discussion on competitiveness of the materials. Benefits of material cooperation. Classification of potential steel substitute materials according to the intensity of their substitutability of steel and the development potential of the materials. General development trends of the materials. Klíčová slova: ocel, substituční materiály, ceny kovu, plasty, hliník,beton, dřevo, kámen, měď, hořčík, sklo, keramika, titan, uhlíková vlákna zinek, olovo, cín, technickoekonomická kriteria porovnání, konkurence, kooperace, Klasifikace potenciálních substitučních materiálů, vývojové tendence materiálů. O budoucnosti oceli, jako již dlouho tradičním materiálu, se vyslovují protichůdné soudy. Od těch, které ocel označují za neperspektivní, za vrcholem růstu, nahraditelnou novými materiály, až k těm názorům, které zdůrazňují její široký růstový potenciál. Jak tedy pohlížet na ocel a její reálné substituční materiály? 1. Širší souvislosti substitučních materiálú. Substituční materiál je takový materiál, který je svými užitnými vlastnostmi schopen konkurovat a nahradit v užití dosud spotřebovávaný. V Porterově modelu tržních sil jsou substituční materiály (a produkty) jednou z pěti podstatných tržních a konkurenčních sil. Substituty limitují horní mez ceny a tím potenciální výnosy prodeje. S růstem atraktivity cen substitutů je cenová a tím i zisková bariéra pro materiál (odvětví) nezdolnější. Potenciální hrozba substituce oceli se projevuje:   

prostou záměnou oceli jiným materiálem (obvykle tržní či ekonomické důvody) trvalou záměnou oceli materiálem, převyšujícím ji užitnými vlastnostmi pro určitý účel uplatnění (spíše technické důvody) všestrannou trvalou záměnou oceli výhodnějším materiálem, převyšujícím ji v dané oblasti (asi jen teoretická možnost, která může být vyvolána image či módou materiálu)


Tato substituční ohrožení jsou tím vyšší, čím výhodnější je poměr užitkových vlastností a ceny materiálu, čím menší jsou přechodové náklady na substituční materiál a čím flexibilnější je uživatel (zákazník). Nelze však zapomínat na to, že každý z materiálů potřebuje specifické komplementární (doplňující, podporující) materiály a produkty, specifické servisní služby a celkově specifickou infrastrukturu. Investice a náklady, spojené s těmito druhotnými aktivitami, je nezbytné zahrnout do obecných komparací substitučních materiálů. Kromě hrozeb si substituční materiály konkurují vzájemně a touto konkurencí podněcují výzkum a vývoj svých odvětví, což vede ke zdokonalení technologie a materiálů a narušování zmíněných limitních ekonomických mezí. Tyto nové příležitosti se pak promítají nejen do vlastního materiálu, ale zahrnují i modifikace technologií, komplementárních materiálů a produktů a zejména kooperaci materiálů ve všech jejích podobách (prosté spojení, plátování a povlakování, kompozity). 2. Stručná historie významných inovací materiálu. Přibližme si uvedené skutečnosti pohledem do historicky nejvýznamnějších materiálových inovací (obr. 1).

Obr. 1: Historie vzniku základních materiálových inovací Fig. 1: The history of basic material innovations Jako prvotní materiál se uvádí kámen v různých podobách (např. pazourek, rohovec, sopečná skla a další horniny, také jako barva: křída, okry, Mn-hlinka). Souběžně s ním byly určitě využívány přírodní organické materiály (kosti, kůže, vlákna, dřevo) a to jak jako konkurenční materiál, tak jako materiál kooperující, zejména při výrobě nástrojů. Tato základní inovace měla a má až do dneška i návazné inovace, uveďme alespoň cement/beton, dnes geopolymery a řadu nekovových anorganických materiálů (se specifickými


vlastnostmi: optické materiály, polovodiče, fotokatalyzátory, …). Objevily se i komplementární materiály, zejména pojiva: přírodní pryskyřice, klihy, asfalt. Druhou významnou materiálovou inovací byla keramika a návazně i sklo, obojí podmíněné znalostí a uplatněním energie a teploty ohně. A opět zde byl konkurenční vývoj (nyní ve vztahu ke kameni) od jednoduché pórovité keramiky ke kamenině, stavební keramice až k porcelánu a k dnešní technické keramice: žáruvzdorné a isolační keramice, filtrační a konstrukční keramice. I u tohoto materiálu brzy nastoupila kooperace: prvý komposit – cihla s rostlinným plnivem. Za komplementární materiály můžeme považovat glazury. S ohněm a teplotou je spojena i další inovace – uplatnění tehdy známých neželezných kovů. Zprvu kovů ryzích (zlata, stříbra, mědi, přírodní slitiny elektrum a příp. meteorického železa), následně pak získaných z rud, zejména ve formě bronzu. Bronz a brzy i další slitiny (přirozený arzénový bronz, umělá slitina tertiarium s olovem , se zinkem mosaz) úspěšně konkuroval kameni i keramice, největší uplatnění však nacházel ve zbrojní technice a výrobě šperků. Výroba kujného železa a později oceli z rud je dosud hospodářsky nejvýznamnější inovací. Na počátku cena železa převyšovala cenu zlata, s růstem produkce však výrazně klesala. Postupně nahrazovala, zejména ve zbraních, bronz. Skutečným substitučním materiálem se stala až po nástupu průmyslové revoluce. Tento nástup byl doprovázen rozvojem věd, objevy nových chemických prvků a vývojem jakostí oceli s netušenými vlastnostmi. Ocel se stala substitutem všech dosavadních materiálů (snad s výjimkou skla). Zejména také proto, že náklady na její výrobu s využitím fosilních paliv řádově klesaly. Nové legující prvky a modifikace technologií umožňovaly výrobu jakostí oceli do té doby s netušenými vlastnostmi. Zdálo se, že ocel nemůže mít konkurenta, byla to „královna ocel“, nacházející uplatnění v nejrůznějších oblastech. Pro úplnost této historické reminiscence uveďme zlomovou inovaci prvé umělé hmoty (plastu) z neorganických látek počátkem minulého století a nanomateriálů v jeho závěru. Celé dvacáté století lze charakterizovat explozí materiálových inovací vyšších i nižších řádů. V současné době se počet různých druhů materiálů odhaduje na více než sto tisíc. Jak za tohoto stavu vybrat vhodné představitele substitučních materiálů, postavených proti oceli? 3. Identifikace podstatných substitučních materiálů oceli. Již jsme zmínili, že masovému uplatnění oceli napomohlo mnohonásobné snížení nákladů výroby a tím i její tržní ceny. Na obr. 2 je znázorněn vztah mezi objemy světové výroby kovových materiálů a jejich kilogramovou cenou (obě stupnice jsou logaritmické, jsou použita průměrná roční data z různých zdrojů). Příčiny kolísání cen jednotlivých surovin jsou velmi rozmanité a vyžadují případ od případu samostatnou analýzu. Souvisí to jak s vývojem nákladů výroby matriálu (těžitelnými zásobami, objemem vytěžených surovin a těžebními náklady, energetickou náročností výroby i rozvojem technologie), tak s vývojem trhu (zejména s kurzovními změnami, nerovnováhou vývoje poptávky, spekulativními nákupy a prodeji, kapacitami skladů i výrobními kapacitami).


Obr. 2: Závislost ceny kovu na jeho roční světové těžbě Fig. 2: Dependence of metal prices on annual world production of metal Přestože i zde platí tržní ovlivnění momentální ceny, ukazuje se primární hlubší závislost, související s rovnováhou trhu a s celkovým objemem vyráběného konkrétního kovu ve světě (koeficient determinace r2 = 0,78). Z poměrně jednoznačné závislosti vybočují drahé kovy, které jsou dominantněji ovlivněny vytvářením či uvolněním zásob, politickou situací a spekulativními faktory. Výpovědní hodnotu závislosti lze zvýšit vícerozměrným regresním vztahem, který byl doplněn o proměnné: minimální využitelná kovnatost rudy a teplota tavení kovu. Zhodnotíme-li z tohoto ekonomického a množstevního pohledu získané výsledky, tak jako potenciální konkurenční materiály oceli můžeme identifikovat tyto kovy: 

V prvé řadě lehké neželezné kovy: hliník s hořčíkem a jejich slitiny (duraly, siluminy)



za druhé klasické těžké neželezné kovy: měď, cín, zinek, olovo se svými slitinami (mosazi, bronzy)



za třetí titan a jeho slitiny (s hliníkem a vanadem, nitinol)

Ostatní potenciální kovy, patřící do skupiny železných kovů jako mangan či chrom, patří k materiálům převážně legujícím ocel, i když vytvářejí některé konstrukčně zajímavé neželezné slitiny (např. Heuslerovy ferromagnetické slitiny). Měřítkem úspěšnosti substitučního materiálu je také velikost tržního podílu a vývoj tržního podílu. Takové hodnocení lze provádět z údajů na obr. 3, na kterém jsou v souřadnicích: průměrný meziroční růst hmotné výroby (spotřeby) materiálu a průměrná hmotnostní roční výroba materiálu. Třetí souřadnice je znázorněna velikostí kruhu a vyjadřuje objem roční výroby materiálu. Kritériem výběru uvedených materiálů byly prvé dvě dimenze.


Obr. 3: Srovnání tržních charakteristik oceli a substitučních materiálů Fig. 3: Comparison of market characteristics of the steel and steel substitute materials Z tržního a užitkového pohledu lze identifikovat tyto potenciální konkurenční materiály oceli: 

pokud jde o rychlost růstu výroby materiálu: sklo, hliník a plasty



pokud jde o velikost hmotné výroby pak cement (sekundárně beton), kámen a dřevo



pro úplnost jsou uvedena i uhlíková vlákna, keramika a kompozity (u nichž se nepodařilo zjistit některá data

Posledním krokem kontroly úplnosti identifikace bylo vyhledání hlavních oblastí použití oceli (ze zobecněných hodnot dodávek viz tab. 1). Pro tyto oblasti pak byly vyhledány základní materiály, které jsou v těchto oblastech používány. Podle táto identifikace nebylo zapotřebí seznam substitučních materiálů doplňovat.


Tab. 1: Přehled hlavních konkurenčních materiálů (vč. slitin) v jednotlivých oblastech užití oceli. Table 1: Overview of the major competing materials (including alloys) in various application areas of steel

. 4. Charakteristika a porovnání oceli a substitučních materiálů. Pro identifikované substituční materiály byla z různých zdrojů, případně vlastním rozborem, charakteristická data jednotlivých materiálů. Jsou uvedena v tab. 2. Tab. 2: Charakteristická data vlastností jednotlivých materiálů. Table 2: The characteristic data of materials properties

získána


K údajům je nutno sdělit tři metodické poznámky: 1. stanovení míry recyklace MR materiálu nelze považovat za triviální výpočet vycházející z ročních ůdajů o výrobě G a o sběru/recyklaci druhotné suroviny R. Musí se brát v ůvahu i průměrná doba životnosti T výrobku/ů z analyzovaného materiálu. Míra recyklace (zjednodušeně bez rozlišení různé životnosti výrobků), se pak vypočte ze vztahu: MR =   Rj  /   Gi  kde i   D – T , D j D– 2*T,D–T D – rok, ke kterému se analýzuje míra recyklace Takto zjednodušeně lze postupovat při propočtech z celosvětových hodnot. Při analýze národních čísel se výroba G musí nahradit národní spotřebou materiálu S, stanovenou z hodnot exportu materálu E, importu materiálu I a meziroční změny zásob Z: S = G + I – E + Z Snaha o co největší míru recyklace plyne z úspor primárních surovin a z výrazně menší energetické náročnosti výroby materiálu z recyklovaných zdrojů 2. Pro identifikované materiály byla propočtena změna tržního podílu (z ročních výrob jednotlivých materiálů a jejich průměrné meziroční změny, vztažené k součtu všech ročních výrob). U většiny materiálů byly zjištěny zanedatelné změny tržních podílů. Výraznější růst tržního podílu byl pouze u oceli a kamene, obdobně pokles u dřeva a cementu. 3. Výchozí posouzení konkurenceschopnosti materiálů, uvedených v tab. 2, se pro následnou diskusi provedlo na základě pevnostních, hmotnostních a cenových ůdajů podle kriteria: kriterium = pevnost / ( měrná hustota * cena ) Podle tohohto technickoekonomického kriteria obsadily přední pozice: dřevo, plasty, ocel, kámen a hliník. Překvapivě se k těmto předním pozicím nepřiřadil beton a titan. Poslední pozice mají: cín, olovo, měď, zinek a uhlíková vlákna. 5. Porovnání a diskuse konkurenceschopnosti materiálů. Materiály jsou diskutovány podle pořadí, odpovídajícího hodnotám kriteria v předcházejícím bodě 3. Jsou posuzovány materiálové přednosti a slabiny, rizika a možnosti uplatnění (v podstatě analýza SWOT, bez sestavení tabulek). Důraz je kladen také na potenciál rozvoje materiálu. Potenciálem rozvoje rozumíme zdroje dalších modifikací materiálu a tím i jeho uplatnění. Dřevo zaujímá svou pozici zejména díky své nízké ceně a malé měrné hustotě vysušeného materiálu. K jeho přednostem patří také nízká teplotní vodivost, výborná zpracovatelnost. Za přednost lze do určité míry považovat skutečnost, že přes nízkou míru recyklace lze dřevo po skončení životnosti využít jako zdroj energie. Životnost dřeva bývá kratší příp. vyžaduje náročnější ošetření a údržbu. K určité ekologické výhodě patří také obnovitelnost zdroje. Ta je ale pouze dílčí pro potřebu určitého vzrůstu stromu a současné nadměrné těžbě, snižující plochu lesů a zejména deštných pralesů. K zachování příznivých vlastností musí být dřevo ošetřeno proti nasákavosti (chemicky i konstrukčně), která výrazně snižuje většinu parametrů (po nasáknutí se ale rychleji vysuší). Ke slabinám patří hořlavost, nízký bod vzplanutí a tím i vyšší požární riziko. Nevýhodou je i rozdílnost vlastnosti v různých směrech a nehomogenita. Uplatnění jako konstrukční materiál proto nachází v upravené formě (lepené konstrukce, překližka, dřevotříska, lisované prvky). Větší nároky vyžaduje řešení akustiky (v prostorách), řemeslnost projektování i konstrukce, také riziko bionapadení. Kompensování slabin výrazně zvyšuje náklady, tím snižuje výhodnost dřeva a srovnává je nákladově s jinými materiály. Dřevo přesto nachází uplatnění ve stavebnictví (domy, haly, mosty, obklady, interiéry), při


tlumení otřesů a výrobě nábytku. Ve stavebnictví konkuruje oceli v menších stavbách. Rozvojový potenciál dřeva je relativně nízký (nanocelulóza). Plasty tvoří velmi nesourodou skupinu materiálů. Nejdůležitější předností je nízká měrná hmotnost a velká cílená variabilnost vlastností. Podobně jako dřevo mají plasty nízkou teplotní vodivost a výbornou zpracovatelnost. Výhoda nízké teploty výroby a zejména zpracování se stává slabinou při hodnocení požární odolnosti. K ní navíc většinou přistupuje jedovatost zplodin hoření. Mají velký rozvojový potenciál jak ze své podstaty organických polymerů, tak schopností modifikace vlastností v širokých mezích pomocí nejrůznějších plniv. Ekologickou slabinu představuje ropa jako základní výrobní surovina i zdroj potřebné technologické energie. Tato slabina se v perspektivě může přeměnit ve výrazné riziko. Variabilita plastů představuje základní problém jejich nízké míry recyklovatelnosti. Nacházejí uplatnění v širokém spektru oblastí: stavebnictví, obalové technice, dopravě, elektroprůmyslu (výborné izolační vlastnosti) i domácnostech. Při posuzování konkurenceschopnosti proti oceli se musí uvažovat širší technické a ekonomické souvislosti konkrétního užití – cílem není jen minimalizace konstrukčních nákladů, ale např. minimalizace spotřeby paliva u automobilu. Musí se tedy zohlednit i kontext konkrétního užití. Ocel je z pohledu historie i současnosti jeden z nejúspěšnějších materiálů, jak to jednoznačně prokazuje růst tržního podílu. Má také po uhlíkových vláknech a technické keramice nejrychlejší průměrný růst spotřeby i výroby. Její velkou konkurenční výhodou je vysoká pevnost při nízké ceně, v níž je srovnatelná se dřevem a výrazně předčí hliník, titan, keramiku i plasty. Další konkurenční výhodou je velký rozvojový potenciál oceli. Změnami chemického složení, velikosti a tvaru zrn, mezizrnového prostoru, modifikací vměstků, tepelným zpracováním, tvářením, úpravami povrchových vrstev i povlakováním lze dosáhnout téměř neomezené variability vlastností. Lze takto kompenzovat i slabiny běžných jakostí oceli, jako je nižší korozivzdornost nebo zlepšovat žádané vlastnosti jako hlubokotažnost, žárupevnost apod. Samostatnou oblastí jsou kovové pěny a skla. Ocel lze dobře tvářet, spojovat s jinými materiály i recyklovat. K přednostem patří i řada výrobních technologií, které se mohou variabilně přizpůsobovat jak různým zdrojům železa (čisté rudy, metalizované meziprodukty i znečištěný šrot) tak vyvíjejícím se požadavkům zákazníků. Ocel je spotřebovávána ve všech oblastech hospodářství ve formě investičních i konečných výrobků, zejména ve stavebnictví, dopravě, strojírenství, elektrotechnice i domácnostech. Rizikem nejsou ani zdroje surovin, protože železo je s 5% v zemské kůře čtvrtým nejhojnějším prvkem a většina ložisek má charakter velkých ložisek. Kámen má ve vztahu k ostatním substitučním materiálům dvojí úlohu. Jednak je surovinou pro využití jiného materiálu: cementu ve formě betonu (obsahuje  40 % kamene), stavební keramiky (cihly) a skla. Jednak, v menším množství ve formě přírodního kamene, je samostatnou konkurencí. Mezi jeho hlavní přednosti patří vysoká pevnost v tlaku, nízká tepelná vodivost, protipožární vlastnosti a v závislosti na složení horniny poměrně dobrá korozivzdornost (odolnost proti atmosfrickým vlivům, kyselinám i jiným chemickým činidlům). Nasákavost a tím mrazuvzdornost horniny závisí na její měrné hustotě (poréznosti). Má příznivé architektonické vlastnosti, pro něž je používán i v umění. Za slabinu lze považovat nerovnoměrnost vlastností, závislost vlastností na konkrétní hornině a konkrétním ložisku. Kámen má také horší opracovatelnost a tvarovatelnost. Hlavní oblastí použití je stavebnictví. Budoucím rizikem mohou být ekologické aktivity, bránící těžbě kamene. Protože jde o surovinu užívanou převážně v přírodním stavu, nemá velký smysl mluvit o jeho rozvojovém potenciálu. Snad bychom do ní mohli zahrnout technologie úpravy povrchu a výrobu tzv. „umělého kamene“ nebo i rozvoj geopolymerů (produkt alkalické aktivace hlinitokřemičitanových látek), příp. výrobu minerálních vláken, expandovaných jílů a vulkanických skel. Geopolymery i umělý kámen jsou na rozhraní směrem k betonu. Hliník a zejména jeho slitiny jsou spolu s ocelí nejčastěji používaným konstrukčním materiálem. K jeho hlavním přednostem patří zejména nízká měrná hustota, kujnost a tažnost, umožňující dobrou tvařitelnost. Problémy však působí jeho třískové obrábění. Přes poměrně vysokou pevnost v tahu však kriterium pevnost/hmotnost vychází příznivěji pro ocel. Má dobrou odolnost proti korozi: po vytvoření pasivované


(tenké zkorodované) povrchové vrstvy se koroze zastavuje. Působení kyselin však tuto ochranu narušuje a koroze může pokračovat. Rizikem je možnost elektrochemické koroze na stycích různých kovů. Další předností je vysoká elektrická a tepelná vodivost, umožnující použití v elektrotechnice. Hliník také patří k dobře svařitelným materiálúm (ochranná atmosféra), sváry ale mají sklon k pórovitosti a trhlinatosti za tepla, což snižuje pevnost sváru a konstrukce. Rizikem hliníku je jeho nízká tvrdost a tím možnost snadného poškození povrchu. Velkou slabinou je technologická i energetická náročnost výroby a rafinace hliníku, která vede k nárůstu nákladů. Tomu napomáhá i nízký stupeň recyklace hliníku. Proto v kriteriu, zahrnujícím i cenu materiálu, hliník s ocelí prohrává. Ekologickým rizikem je malá míra zpracování „červených kalů“ jako sekundární suroviny. Hliníku se dává přednost tehdy, když hlavním důvodem použití je nízká hmotnost i za cenu horších pevnostních či jiných vlastností. Podobně jako u plastů však nachází hliník a jeho slitiny uplatnění všude tam, kde je požadován jiný – obecnější cíl než pouhá minimalizace výrobních nákladů. Je to ve stavebnictví (architektonické důvody spolu s větší barevností a v kombinaci se sklem), dopravě (letecké i automobilové pro lehčí konstrukce a úsporu paliv), elektrotechnice, strojírenství a obalové technice. Rozvojový potenciál je ve slitinách dosud nevyčerpán, odhadujeme však, že je menší než u oceli. V zemské kůře je klastrový podíl hliníku 8,1 % (třetí nejčetnější prvek), takže podobně jako u železa nejsou rizikem zdroje surovin. Hořčík je v mnohém srovnatelný s hliníkem. Mezi jeho přednosti patří nízká měrná hustota, dobrá pevnost i opracovatelnost, rozměrová stálost, vysoká tepelná vodivost. Ke slabinám patří zejména nízká korozivzdornost, nedostatečné creepové vlastnosti a nízká odolnost proti opotřebení. Jeho slabiny lze částečně kompenzovat povrchovými úpravami. Hlavním využitím hořčíku jsou slitiny s hliníkem, při uplatnění produktů v dopravě a strojírenství, částečně také jako surovina pro odsiřování a výrobu titanu v hutnictví a v chemickém průmyslu. Rizikem při použití je vysoká chemická reaktivnost. Rozvojový potenciál slitin je vázán zejména na hliník, částečně i křemík a mangan. Jako přímého substituta oceli lze hořčík vyloučit. Sklo (anorganické, nekovové) má ve srovnání s ocelí jedinečnou vlastnost ve své průhlednosti pro viditelné světlo (sklo s nezdrsněným povrchem a nepopraskané). K dalším přednostem patří nízká tepelná a elektrická vodivost, vysoká tvrdost a pevnost v tlaku, vysoká korozivzdornost a nízká chemická reaktivnost. 0 U některých druhů skel i dobrá teplotní odolnost až do teplot 700 C. Slabiny představuje vysoká křehkost skla (i při zvýšení teploty) a tím i špatná opracovatelnost: má prakticky nulovou plastickou tvařitelnost (za nezvýšených teplot). Viskozita a povrchové napětí skelné taveniny umožňují tažení skelných vláken, trubek i téměř libovolných tvarů. Využívá se ve stavebnictví (architektonický a prosvětlovací materiál, skleněné bloky a střešní tašky, skleněná vata), dopravě (kompozity), elektrotechnice (isolátory, světelná vlákna a optoelektronické prvky), v chemii, potravinářství a zdravotnické technice. Sklo má vysoký rozvojový potenciál jak z hlediska složení a tepelné úpravě při výrobě, tak z hlediska uplatnění: vrstvená skla, fotosenzitivní materiály, kombinace s jinými materiály, tekuté sklo. Pro ocel ale představuje sklo spíše komplementární než substituční materiál. Beton (cement) je umělý slepenec, skládající se z plniva a pojiva, svázaných hydraulickou nebo keramickou vazbou. Nejrozšířenějším je beton, jehož plnivo tvoří přírodní kámen a pojivo je portlandský cement. Při výrobě betonu je důležité také dodržení optimálního podílu vody. K přednostem betonu patří poměrně vysoká pevnost v tlaku, dostatečná tvrdost, trvanlivost a odolnost vůči vodě, klimatickým podmínkám, mechanickému působení a v závislosti na plnivu i dobré protipožární vlastnosti. Má dobrou tvarovatelnost litím (potřeba bednění), spojenou s jednolitostí: možností postupného vytváření složitého tvaru, jež zvyšuje jeho tuhost (monolity). Tyto přednosti se stávají riziky pro budoucnost, protože způsobují problémy při likvidaci stavby a recyklaci materiálu. Slabinou je nízká pevnost v tahu, která je v nutných případech kompenzována výztuží betonu, případně jejím předepjetím. Výstuží je většinou ocel (tyče, dráty, rohože), zkoušena jsou také polymerní či uhlíková vlákna. Velkou slabinou betonu je dlouhá doba základního tvrdnutí a zpevňování. Ke slabinám můžeme přičíst také sklon k síranové korozi. Ke slabým stránkám také patří velká objemová hmotnost, větší tepelná vodivost, velká zvuková vodivost a obtížná spojitelnost starého a


nového betonu při sanaci. Uplatnění nachází beton převážně ve stavebnictví a dopravě. Přírodní původ plniva, které je většinou upraveno jen granulometricky, obsahuje primárně riziko nechtěné variability jeho vlastností. Varabilitu vlastností zvyšují sekundárně i drobné odchylky technologie v celém cyklu výroby betonového tvaru. Riziko představuje i skutečnost, že tvrdnutí a zpevňování betonu, doprovázené objemovými změnami, probíhá v podstatě stále. Rozvojový potenciál betonu nebyl dosud vyčerpán. Změny druhu a skladby plniva (kamenivo, opuky, písek, čedič, korund, baryt, škvára, drcené cihly, keramika, sklo, tufy, pemza, keramzit, expandit, průmyslové odpady, polyuretan, přírodní organické látky), hydraulických vlastností pojiva (různé cementy, vápno, sádra, asfalt, syntetické pryskyřice), pórovitosti (pěny, plynotvorné látky, úzké granulometrické spektrum určité velikosti plniva, vibrace, dusání) a použití různých přísad (provzdušňovací, plastifikátory, urychlovače / zpomalovače, železné piliny, abrazit, drátky, skelná a polypropylénová vlákna, polystyrénové kuličky) příp. impregnací, umožňují vytvářet betony specifických vlastností (lehké, těžké, pórobetony, žáruvzdorné, ohnivzdorné, pancéřový, drátkový, vláknobeton, barytový, otěruvzdorný). Specifické je pak i jejich užití. Beton je významným konkurentem oceli. Jeho význam se jeví podle použitého pořadacího kriteria nadhodnocen. Zdroje surovin nejsou rizikem, jsou prakticky nevyčerpatelné. Keramika je v průmyslové oblasti využívána jako žáruvzdorný materiál, pokročilá technická konstrukční keramika a skelná keramika (částečně). Hlavními přednostmi jsou elektrické a tepelné izolační vlastnosti, odolnost za vysokých teplot při vysokém bodu tavení, nižší teplotní roztažnost, vysoká pevnost v tlaku a vysoká tvrdost, nízká až střední hustota, biologická snášenlivost. Většinou má také dobrou chemickou odolnost. Lze vytvářet i keramiku se speciálními vlastnostmi. Technologie výroby umožňuje vytvářet nejrůznější tvary produktu (lisování a další metody tvarování, vypalování). Největší slabinou je nízká houževnatost, malá odolnost proti teplotním rázům, obtížné opracování a větší variabilita výsledných vlastností. Hlavní užití je v elektrotechnice, strojírenství (výroba nástrojů a tepelně silně namáhaných částí), dopravě a chemii (části chemických reaktorů) a také jako složka kompozitů. Dílčí rizika jsou v zabezpečení některých zdrojů surovin (ZrO2, Y2O3, W, B, Ta). Keramika má vysoký rozvojový potenciál jak z hlediska složení, zlepšení struktury (homogenity, podílu fází, pórovitosti, defektů i velikosti) a tepelné úpravě při výrobě, tak z hlediska uplatnění. Lze se domnívat, že keramika není vážným substitutem oceli, spíše úspěšně vyplňuje mezery v materiálových vlastnostech. Kompozity jsou složené materiály se synergickým efektem, kde každý vstupující materiál byl vyroben samostatně. Většina kompozitů (částicové, vláknové) obsahuje matrici (sklo, kov, keramika, plast, minerální látky) a vloženou fázi (ocel, částice a vlákna přírodní, skleněná, minerální, kovová, uhlíková, whiskery), ostatní jsou vytvořeny spojením různorodých vrstev (strukturní kompozity). Tím je dána různorodost jejich vlastností. Obecně k přednostem kompozitů patří vysoká pevnost, odolnost proti opotřebení, korozní odolnost, lepší mechanické vlastnosti za vysokých teplot (žárupevnost, creep) a nízké hodnoty tepelné roztažnosti. Ke slabinám lze počítat výraznou anisotropii vlastností, závislou na geometrii zpevňující fáze a také technologickou složitost a náročnost výroby. Uplatnění kompozitu je velmi široké, v dopravě (součásti motorů a tepelně namáhaných částí, pneumatiky), strojírenství (nástroje, součásti strojů), stavebnictví. Dílčím rizikem může být kumulace drobných odchylek od technologického postupu, vedoucí k nestabilitě vlastností. Podobně jako keramika mají kompozity značný rozvojový potenciál (vlastnosti vytvářejících fází, jejich poměr a geometrie, způsob spojení fází, varianty výrobní technologie, následné tepelné zpracování). Souhrnné hodnocení kompozitů jako substitučního materiálu je obdobné jako u keramiky. Titan se uplatňuje z větší části ve formě pigmentu TiO2 (90%), zbývající část jako čistý kov nebo titanové slitiny. Nejběžnější jsou slitiny s hliníkem a vanadem. K jeho přednostem patří velká pevnost v tahu při střední hustotě (ze všech kovů má nejvyšší poměr mezi pevností a hustotou), vysoká tvrdost a odolnost proti korozi a erozi. Je nemagnetický a antialergenní. Ke slabinám můžeme počítat horší obrobitelnost, špatné třecí vlastnosti a vznik výrazné anizotropie při tváření (potřeba následného tepelného zpracování). Další slabinou je složitost výroby s vysokou energetickou náročností, s vysokými náklady a tím i s vysokou cenou. Používá se v dopravě (zejména vojenství: letecký, raketový a kosmický průmysl, ponorky a lodě),


v chemickém průmyslu, medicině a v luxusním spotřebním zboží. Největším rizikem je zařazení titanu mezi strategické materiály. Na trhu také silně kolísá objem výroby a ceny. Jeho rozvojový potenciál je nižší než u oceli. Při vysokých cenách není substitutem oceli, s výjimkou ojedinělých případů, kdy o užití nerozhoduje jen ekonomika materiálu. Uhlíková vlákna jsou materiálem s nejrychleji rostoucím trhem. Velmi nízká hmotnost spolu s vysokou pevností v tahu a vysoké chemické odolnosti patří k hlavním přednostem. Mají příznivé únavové vlastnosti, dobře absorbují vibrace a rázy. Jsou elektricky vodivá, teplotně stabilní a biokompatibilní. Hodnoty vlastností závisí na výchozí surovině pro výrobu vlákna, parametrech užitých při výrobě i způsobu ochrany povrchu vlákna. Slabinou je koroze oxidačním prostředím (včetně vzduchu), velká tuhost vláken (ohyb) a cena. Nejčastější užití je jako zpevňující fáze v kompozitech. Byly prováděny i zkoušky výroby lan či rohoží k výztuži betonu, příp. prvků větrných elektráren. Rizikem je ztráta pevnosti konstrukce při vnějším porušení vláken a také závislost na ceně ropy. Přes předpoklady růstu trhu lze považovat rozvojový potenciál uhlíkových vláken za omezený (snad nanotrubičky), větší prostor je ve vývoji užití s mimoekonomickými cíli. Uhlíková vlákna nejsou proto substitutem oceli. Zinek je pro svou korozivzdornost z větší části užíván k ochraně oceli, z menší části k výrobě slitin (s Al, Cu), které jsou pro svou dobrou tvařitelnost a odlévatelnost používány ve strojírenství (odolnost proti benzinům a olejům) a v elektrotechnice k výrobě drobných součástí. Rozvojové možnosti materiálu jsou vyčerpány. Zinek není substitutem oceli, spíše komplementárním materiálem. Měď patří k nejdéle známým kovům a je po železu a hliníku třetím nejužívanějším kovem, jak v čisté formě (asi polovina výroby), tak jako slitiny (bronzy, mosazi, tombak, alpaka). K význačným vlastnostem patří vysoká elektrická a tepelná vodivost, odolnost proti korozi, tvařitelnost za studena i za tepla a houževnatost. Největší užití je v elektrotechnice, strojírenství (pro výměníky za vysokých i nízkých teplot, méně namáhané součásti), stavebnictví, chemickém a hutním průmyslu (chladicí prvky) a pro výrobu uměleckých předmětů (vč. mincovnictví). Rozvojové možnosti materiálu jsou vyčerpány. Měď není vážným substitutem oceli, snad jen v mezních oblastech, využívajících tepelné a elektrické vlastnosti. Olovo je využíváno v čisté formě i ve formě slitin a olověných pigmentů (v protikorozní ochraně oceli). Základní předností je odolnost vůči kyselinám. Je kujné a tažné, slabinou je velká měkkost. Největší užití je v elektrotechnice (akumulátory, pájky, opláštění kabelů), chemickém průmyslu, stavebnictví (těsnění odpadních potrubí) a na ochranu před rentgenovým a radioaktivním zářením. Rizikem je jedovatost všech jeho sloučenin. Rozvojové možnosti materiálu jsou vyčerpány. Olovo není substitutem oceli, má oddělenou oblast použití. Cín je používán jako kov a pro výrobu slitin. Má velkou korozní odolnost vůči vodě a organickým kyselinám. Jeho předností je zdravotní nezávadnost. Většina výroby se spotřebuje na pocínování ocelových plechů na konzervy (potravinářský průmysl), v elektrotechnice (pájky) a ve strojírenství (kluzná ložiska). Rizikem mohou být poměrně malé zásoby v těžitelných ložiscích. Rozvojové možnosti materiálu jsou vyčerpány. Cín podobně jako zinek není substitutem oceli, spíše komplementárním materiálem. 6. Kooperace materiálů. Tradiční chápání konkurence stavělo jednotlivé materiály / produkty proti sobě, protože znamenaly změny v tržním podílu. připadně nepříznivé ovlivnění cen a tím i ziskovosti příslušného odvětví. Současné strategické analýzy vedou k závěru, že kooperace s konkurenčním materiálem: 

podněcuje výzkum a vývoj orientací na co nejlepší nabídku zákazníkovi, který dostane vysoce kvalitní materiál „šitý na míru“. Jako příklad lze uvést vývoj vysoce pevnách a hlubokotažných ocelí pro automobilový průmysl jako odezvu na pronikání hliníku a plastů do konstrukce auta. Výsledek: snížení hmotnosti konstrukce, ale také poznání, že konstrukce automobilu bez oceli nemá praktický základ.




Vede při spojení původně konkurenčních materiálů k vzájemné kompenzaci některých slabin a tím se vytváří nová kvalita materiálu. Klasickým příkladem je předpjatý beton, propojující vysokou pevnost v tlaku betonu s pevností v tahu oceli. Drátkový beton (v ČR s ocelovým produktem Dramix) umožňuje vytvářet velmi odolné plochy i sloupy. Kombinace oceli se sklem umožňuje nejen výrobu drátěného skla ale vytváří i architektonicky efektní nosné sloupy. Samostatnou kapitolou jsou v tomto směru kompozity, obsahující kooperaci skrytě ve svém názvu



zvyšuje novou kvalitu propojených materiálů, možnost diferenciace produktů a tak vytváří nové tržní příležitosti a tím i nové trhy



umožňuje diferenciací a specializací optimalizaci materiálového řešení určitého produktu, a tím může výrobě umožnit zbavit se málo přitažlivých nebo dokonce ztrátových produktů

Alternativa kooperace materiálů vede k vytváření synergických strategických výhod pro výrobce i spotřebitele a umožňuje účinnější management rizik. Může vést i k vzájemnému propojení konkurentů, případně vytváření strategických sítí i nesourodých partnerů. 7. Závěr: Analýza identifikovaných potenciálních substitučních materiálů nevedla k žádným překvapivým poznatkům. Umožnila však jejich klasifikaci, uvedenou v následující tabulce:

Umožnila ale také formulovat a částečně i kvantifikovat některé poznatky a zákonitosti, které mohou přispět ke zkvalitnění strategických úvah výrobců oceli i jiných materiálů. Ve stručném vyjádření to jsou: 1. 2. 3. 4. 5.

stálý růst mnohostrannosti typů a modifikací materiálů se specifickými vlastnostmi pokračující posun k vyšší přidané hodnotě jak substitučních materiálů, tak i v rámci určitého materiálového typu růst kooperace materiálů s prvotně nesourodými vlastnostmi rychlý přenos nových technologických inovací i mezi konkurujícími si materiály velký potenciál dalšího rozvoje nových modifikací materiálů

Je zapotřebí využít příležitostí, které nabízí možnost kooperace materiálů, včetně využití rozvojových potenciálů jednotlivých materiálových skupin.

OCEL A SUBSTITUČNÍ MATERIÁLY: KONKURENCE A KOOPERACE. STEEL SUBSTITUTE MATERIALS: COMPETITION AND COOPERATION

Recommend Documents