VLASTNOSTI A APLIKACE OSTATNÍCH NŽ KOVŮ

Výukové texty pro předmět Slitiny neželezných kovů v AP

VLASTNOSTI A APLIKACE OSTATNÍCH NŽ KOVŮ

Monika Losertová ©20010, FMMI, VŠB-TUO


MĚĎ A JEJÍ SLITINY

M = 63,57g/mol ρ = 8,94g/cm3 Tm =1083°C Tv = 2300°C vysoká elekt. 101% IACS (Ag = 103% IACS) vysoká tepelná vodivost 391 W/m dobrá korozní odolnost Cu je ušlechtilý prvek, avšak na rozdíl od Au a dalších drahých kovů může být napadána běžnými činidly a korozními prostředími; čistá Cu odolává velmi dobře ve většině korozních prostředí, avšak některé slitiny jsou omezeny při použití z důvodu korozního praskání pod napětím nebo křehnutí vodíkem snadná výroba ; avšak čistá měď se obtížně odlévá – náchylnost k prasklinám na povrchu, pórovitosti a vnitřním dutinám ⇒ může být zlepšeno přídavkem malých množství legur -Be, Si, Ni, Sn, Zn, Cr,Ag vysoká tvařitelnost (A=50%) dobrá svařitelnost, pájení struktura : KPC modul elasticity : 115 GPa dobrá pevnost a odolnost vůči únavě

Vlastnosti:

Výrobky 1) tvářené - dráty, plechy, tenké plechy, fólie, výkovky, výlisky... 2) odlévané - do pískových forem, kontinuálně, odstředivě, tlakově, ... instalatérský materiál, armatury, ventily, části čerpadel; elektrotechnické součásti, ložiska a pouzdra; ozubená soukolí, odlitky pro námořní průmysl; architektonické prvky a ozdobné předměty... 3) Práškovou metalurgií (P/M ) ložiska, filtry, konstrukční součásti - vysokopevnostní slitiny disperzně zpevněné oxidy

Čistota mědi • 99,9-99,98 hm. % - nečistoty: Ag, As, Sb, Ni, Fe, Pb, Se, Te, O, S - výrazně snižují elektrickou i tepelnou vodivost a zvyšují tvrdost • dezoxidační prvky : Si, Zn, Sn, Al a P (avšak jejich přídavek může ve zbytkovém množství snižovat vodivost) Li, Ca borid Použití: 1) Čistá měď 2) Mosazi Cu-Zn 3) Bronzy Cu-Me 4) Slitiny Cu-Ni Omezení pro aplikace : = hustota ⇒ použití pouze v případech, kdy vlastnosti nemohou zajistit lehčí a levnější materiály Cu materiály velmi dobré nízkoteplotní materiály, dolní mez teplotního intervalu použití není vymezena. Pokud ale fungují při teplotách na horní mezi, musí být pro součásti pod napětím vymezeny meze creepu Cu-Zn sklon ke creepu pod napětím jakmile teplota překročí 150°C. podléhá SCC (stress corrosion cracking) ⇒ použití v autech - oblasti mimo korozního působení (technická sůl, amoniak atd.) Ostatní Cu materiály - legovaná i nelegovaná Cu, Cu-Sn, Cu-Zn-Sn a Cu-Al – použití pouze do 200°C Cu–Ni – odolnější vůči teplu, slitina CuNi10Fe1Mn může pracovat do 250 a CuNi30Mn1Fe do 300C. použití při vyšších teplotách a pokud jsou pouze lehce zatěžovány Monika Losertová ©20010, FMMI, VŠB-TUO


ad1) Čistá měď kov s více než 99,3 % mědi a není legován, měď je často odlévána s řízeným obsahem kyslíku (např. 0,04 %) - elektrotechnický průmysl - součásti manometrů, spínače Použití: - tepelná technika – chladiče, výměníky - strojírenství – pružiny, ložisková pouzdra Slitiny Cu-Be „beryliová měď “ Tvařitelná vysokopevnostní : 1,6-2,0 % Be (+ Ni, Co, Fe, Al, Si do 1,0 %) , Rm v tahu až 1479 MPa a Rp0,2 =1344 MPa „vysokovodivostní“ slitiny : 0,2-0,7 % Be (+ Co, Ni, Fe do 2,8 %) středně vysoká elektrická vodivost (min. 45 % IACS). Vlastnosti dobrá až výborná odolnost proti korozi, výborná obrobitelnost za tepla, dobrá tvářitelnost za tepla, dobrá odolnost proti otěru. Použití vysokopevnostní - pružící vlnovce, Bourdonovy manometry, membrány, přítlačné pružiny pojistek, pružné podložky, pojistky, pružiny, součásti spínačů, upínací kolíky, ventily, vybavení pro svařovací techniku. C17200 a C17300 je využívána zejména pro své nejiskřivé vlastnosti -bezpečnostní nástroje. vysokovodivostní - pružiny pojistek, pojistky, pružiny, elektrické vodiče, části spínačů a relé, vybavení pro svařovací techniku, kokily pro plastové součásti, pouzdra, ventily, součásti čerpadel, převodová kola, součásti pro počítače, pro přenos dat a telekomunikace ad 2) Mosazi Cu-Zn (tombaky – nad 80%Cu) - obsah Zn od 5 – 44 % a) binární (Cu-Zn) b) legované : Pb (do 3 % zlepšuje obrobitelnost a tvářitelnost za tepla. Al (korozivzdornost), Si (zatékavost pájek), Mn (otěruvzdornost) atd. – binární diagram Cu-Zn

Tvářené mosazi - 3 hlavní skupiny : 1) Cu-Zn slitiny - červené a žluté mosazi 2) Cu-Zn-Pb slitiny - olověné mosazi 3) Cu-Zn-Sn slitiny - cínové mosazi - plechy, pásy, trubky, profily Monika Losertová ©20010, FMMI, VŠB-TUO


Odlévané mosazi - 4 hlavní skupiny : 1) Cu-Zn-Sn slitiny -červené a žluté mosazi 2) "manganové bronzy" vysokopevnostní žluté mosazi 3) olověné "manganové bronzy" olověné vysokopevnostní žluté mosazi 4) Cu-Zn-Si – křemíkové mosazi ; - tvarové lití: armatury, součásti čerpadel, ozubená kola Tvrdé pájky ad 3) Bronzy Cu-Me Tvářené bronzy - 4 hlavní skupiny: 1) Cu-Sn-P bronzy (fosforové) 2) Cu-Sn-Pb-P (olověné fosforové) 3) Cu-Al (hliníkové)- (do 11% Al) - těžko namáhaný ložiskový materál, součásti čerpadel, ventily, elektrické kontakty, nejiskřivé nástroje, šnekové převody 4) Cu-Si (do 4 % Si) - pružiny a pružící součásti pro teploty do 250 °C a v agresivním prostředí Odlévané bronzy - 3 hlavní skupiny: 1) Cu-Sn bronzy (cínové) ozubené a šnekové převody, ložiska, lodní armatury, pístní kroužky, součásti čerpadel 2) Cu-Sn-Pb bronzy (olověné cínové)- kluzná ložiska 3) Cu-Sn-Ni bronzy (cínové niklové) pro elektrotechnický průmysl, ložiska a pouzdra, šnekové převody, šoupátka ventilů, rotory 4) Cu-Pb bronzy (olověné)- kluzná ložiska Rozdělení cínových bronzů podle obsahu Sn: 1) do 8 % Sn – tvořeny tuhým roztokem ⇒ tvářitelné za studena Použití: plechy, dráty 2) 8-12 % Sn – korozivzdorné, vysoké namáhání Použití: strojní části, ložiska, armatury 3) 12-20 % Sn - ložiska 4) 20-25 % Sn – tvrdá a křehká slitina ⇒ litý stav ⇒ zvonovina ad 4) Slitiny Cu-Ni 1) konstantan – 45 % Ni Vlastnosti: vysoký elektrický odpor, velmi nízký teplotní koeficient el. odporu Použití: termočlánky 2) kupronikl – 10 - 30 % Ni + do 1,5 % Fe, zbytek Cu Vlastnosti : velmi dobré antikorozní vlastnosti, dobrá odolnost vůči napadání mořskými organismy, dobrá pevnost a plasticita Zpracování : tváření za tepla i za studena Použití: chemický průmysl v námořnickém průmyslu-čerpadla, ventily, chladiče v elektrárnách, zařízení pro demineralizaci, trupy lodí, výměníky tepla, chladiče • s 10 % Ni – pro lodě • s 30 % Ni – pro ponorky (vyšší tlaky) 3) niklové stříbro – 55- 65 % Cu, 10-30 % Ni, zbytek Zn Vlastnosti: bílé zbarvení, dobrá tvářitelnost, střední pevnost, velmi dobrá korozivzdornost i vůči mořské vodě, vysoký obsah Ni brání odzinkování- nahrazuje mosazi v korozním prostředí slané vody, příznivé zabarvení (jako Ag) Použití : plátování; ventily, armatury další součásti běžného vybavení, dekorativní a architektonické prvky





-

binární diagram Cu-Ni







NIKL A JEHO SLITINY Vlastnosti:

M = 58,69g/mol ρ = 8,88g/cm3 Tm =1445°C Tv = 2730°C pevnost za nízkých i vyšších teplot dobrá korozní odolnost stálý na vzduchu, v žáru oxiduje odolný proti zásadám, proti kyselinám málo

Použití: – – –

65 % - výroba nerez ocelí 12 % - výroba vysoce legovaných Ni slitin pro energetiku, letectví, automobilový průmysl (turbíny, motory aj. zařízení pracující za zvýšených a vysokých teplot) 23% -výroba jiných slitin, nabíjecích baterií, katalyzátorů a dalších chemikálií, keramiky, mincí a odlitků, k barvení skla (na zeleno) a k pokovování (galvanické poniklování) Monika Losertová ©20010, FMMI, VŠB-TUO


1) technický nikl – elektronické součástky, přepravní kontejnery pro ch. průmysl, součásti zařízení v potravinářském průmyslu, formy pro výrobu skleněných výrobků,… TD -nikl – disperzně zpevněný Ni + 2% ThO2 (1100°C)

2) Slitiny 1. Ni-Cu (monely) – odolné proti korozi, dobré pevnostní vlastnosti i za zvýšených teplot → kondenzátory, kondenzátorové plechy, destilační trubky, výparníky a tepelné výměníky, potrubí na mořskou vodu,…( Ni(65) - Cu(30) + (Si, Mn, Fe, Al) ) 2. Ni-Fe-Mo-Cr – pro silně oxidační nebo redukční prostředí → námořní a petrochemický průmysl, oxidační prostředí za vysokých teplot (až 1200°C), 3. se zvláštními vlastnostmi - slitinys vysokou rezistivitou → termočlánky, topné články - chromel (Ni9-11%Cr), chromnikl (Ni-20%Cr ), nichrom (NiFeCr), konstantan (Cu-45%Ni-1%Mn), isotan (Cu-44%Ni-1%Mn), - magneticky měkké materiály – permalloy (80Ni-20Fe), supermalloy 80Ni-5Mo-zb.Fe) - s řízenou dilatací – s malou tepelnou roztažností → invar, kovar (36Ni-74Fe) 4. superslitiny- žárupevné - odolné vůči creepu princip zpevnění superslitin : precipitační vytvrzení fází γ´(Ni3(Ti,Al)) a karbidy → vysoká odolnost proti tečení (creepu) při zvýšených teplotách

OLOVO A JEHO SLITINY M = 207,21g/mol ρ = 11,34g/cm3 Tv = 1740°C Tm =327°C páry T > 550°C čisté Pb i jeho sloučeniny - jed ochrana před RTG zářením špatně vede teplo a elektrický proud malá tvrdost a pevnost, velká tažnost stálé v prostředí kyselin, pokud nejsou silně oxidická

Vlastnosti:

Použití Slitiny - všechny toxické!! stavebnictví : použití olova pro rozvodné trubky ve stavebnictví a pro výrobu elektrických kabelů se nahrazuje plastickými hmotami. obaly a ochranné povlaky: hliník, cín, železo a plastické hmoty postupně vytlačují olovo z oblasti balení a ochranných úprav výrobků. tvrdé olovo: Pb-6-7%Sb - akumulátorové baterie (auta), chemický průmysl–odolnost proti H2SO4 - vyložení van a zařízení, pláště zemních kabelů pájky: Pb-Sn (Cd, Ag, Cu) - ↓Tm Sn: 4 - 90% podle účelu – radiotechnika, potravinářství ložiskové kovy: Pb-Sn-Sb (Cu, Ni) - babbity - dobrá pevnost v tlaku, kluzné vlastnosti, dobrá tepelná vodivost, ↓Tm, rovnoměrné rozložení složek liteřina: Pb-Sb-Sn (dnes vlivem elektronické sazby knih na ústupu) - výroba písmen v tiskařství (↓Tm, měkká ale přitom odolává tlaku při tisku, slévatelnost) Pb - jako přísada v jiných slitinách – zlepšení technologických vlastností (mosazi, automatové oceli, Pb- bronzy, ...) Sloučeniny všechny toxické!! - účinně nahrazovány jinými látkami Monika Losertová ©20010, FMMI, VŠB-TUO

Výukové texty pro předmět Slitiny neželezných kovů v AP Pb3O4 – ochranné nátěrové hmoty, PbCO3 – krycí běloba, (C2H5)4Pb – tetraetylolovo antidetonační přísada do benzínů - dnes zakázána a nahrazována přísadami aromatických uhlovodíků

Akumulátory - typ elektrochemických zdrojů -znám již více než 100 let. - poměrně levné, velmi spolehlivé a co do instalovaného výkonu tvoří v celosvětovém měřítku až 60% všech prodaných baterií (některé prameny uvádějí toto procento ještě vyšší, až 80%). - v mnoha aplikacích: klasické startovací zdroje v automobilech, záložní zdroje v počítačovém průmyslu, akumulační systémy energie ze solárních článků. Vývoj uzavřených olověných akumulátorů v sedmdesátých letech - umožnil jejich určitou miniaturizaci a následně využití například v domácím nářadí a drobné elektronice. Princip činnosti olověných akumulátorů Ponoříme-li dvě olověné destičky do zředěné kyseliny sírové, začnou probíhat následující reakce: • disociace kyseliny sírové na ionty (SO42- a H+) • z olověných destiček se uvolňují kationy olova Pb2+ a destičky získávají záporný náboj na obou destičkách se vytváří vrstva síranu olovnatého PbSO4 Elektrické napětí mezi destičkami je ovšem nulové, získali jsme pouze nenabitý olověný akumulátor.

Nabíjení K oběma destičkám připojíme externí zdroj stejnosměrného napětí. V tomto okamžiku začne probíhat elektrolýza. Na katodě začne probíhat reakce: PbSO4 + 2 H+ + 2 e- →Pb + H2SO4 Na anodě začne probíhat reakce: PbSO4 + SO42- + 2 H2O → 2 H2SO4 + PbO2 + 2 e-


Výukové texty pro předmět Slitiny neželezných kovů v AP Během nabíjení se v roztoku vytvářejí další molekuly kyseliny sírové a elektrolyt houstne. Po ukončení nabíjení vzniká článek, jehož katoda je potažená vrstvou rozptýleného šedého houbovitého olova, kdežto anoda je potažena vrstvou červenohnědého oxidu olovičitého.

Detail vnitřku akumulátoru

Napětí takového článku se obvykle pohybuje v rozmezí 2.0 - 2.1V. Množství látek obsažených v elektrolytu a vyloučených na elektrodách zůstává nezměněno, avšak vložená elektrická energie se přeměnila na chemickou. Vybíjení Připojí-li se na svorky nabitého akumulátoru elektrický spotřebič, začne tímto obvodem protékat elektrický proud a na elektrodách budou probíhat opačné reakce než při předchozím nabíjení. Reakce na katodě Pb + SO42- → PbSO4 + 2 eReakce na anodě PbO2 + 2 H+ + H2SO4 + 2 e- → PbSO4 + 2 H2O Obě elektrody se znovu pokrývají vrstvou PbSO4 a elektrolyt řídne. Tím se opět dostáváme do stavu charakteristického pro vybitý akumulátor. Vybíjení akumulátoru Během dobíjení může dojít i k tomu, že začne probíhat elektrolýza vody. Na kladné elektrodě se pak vylučuje plynný kyslík a na záporné elektrodě plynný vodík. V otevřeném článku tyto oba plyny utíkají a důsledkem je úbytek vody v akumulátoru. U uzavřeného článku kyslík vzniklý z vody reaguje za přítomnosti katalyzátoru na katodě s H2SO4. Vzniká PbSO4 a voda, přičemž se spotřebovává i vznikající vodík. Proto zde k úbytku vody prakticky nedochází.

Životnost baterií Závisí na celé řadě okolností. Mezi hlavní faktory patří například teplota okolí, způsob uložení akumulátoru, vibrace, mechanické namáhání apod.


Výukové texty pro předmět Slitiny neželezných kovů v AP Správný postup nabíjení Baterii je nutné dobíjet omezeným proudem při konstantním napětí. Jakmile je dosaženo jmenovitého napětí baterie, proud se postupně musí snížit k nule. Při dobíjení klasických baterií může dojít k plynování nebo nárůstu teploty. Proces nabíjení a vybíjení typického akumulátoru lze postihnou několika charakteristikami. První a asi nejzajímavější je závislost svorkového napětí na době nabíjení a vybíjení. Nabíjení probíhá ve třech etapách. V první etapě lze sledovat strmý nárůst napětí (oblast 1.75 - 2.2V) vyvolanou rychlou tvorbou molekul H2SO4 v pórech olověných desek. Hustota elektrolytu stoupá z 0.95 až na 1.15 g/cm3. Druhá etapa je charakterizována pozvolným nárůstem napětí (množství pórů se zmenšuje) v rozmezí od 2.2V do hodnoty 2.4V a hustota elektrolytu vzrůstá k hodnotě 1.25 g/cm3 (článek je téměř nabitý). Pokud nyní neodpojíme napájecí napětí, začne se kromě PbSO4 rozkládat i voda a článek začne plynovat (3. etapa). Po ukončení přeměny síranu dosáhne napětí článku 2.7 2.8V a poté je všechna dodávaná energie spotřebovávána na elektrolýzu vody. To se projevuje plynováním.

Zdroj : http://naftis-91.blog.cz/0902/olovenyakumulator http://www.e-chembook.eu/cz/obecnachemie/poloclanky-a-clanky



ZINEK A JEHO SLITINY Vlastnosti:

M = 65,37g/mol Tm = 420 °C

ρ = 7,13g/cm3 Tv = 906 °C

dobrá slévatelnost a tvařitelnost za tepla na vzduchu ZnCO3.3Zn(OH)2 - ochrana před korozí, ve vodě poměrně stálý Použití a slitiny: - pozinkování, plechy, pásy - především pro výrobu slitin – mosazi - výroba suchých článků (baterie) - pro slévarenské účely – výroba tenkostěnných odlitků tlakovým litím slitin Zn-4% Al, Zn-4-6%Al-1-3%Cu - strojní součásti, předměty denní potřeby, karburátory a palivová čerpadla, součásti měřících a kontrolních přístrojů, části malých elektromotorků, převody a pákové mechanismy, součásti fotoaparátů a filmových kamer, kování k nábytku a součásti kuchyňských strojků, miniaturní odlitky, např. části zdrhovadel

CÍN A JEHO SLITINY Vlastnosti: Použití : čistý Sn -

M = 118,71 g/mol Tm = 232 °C

ρ = 7,3 g/cm3 Tv = 2602 °C

výroba pájek (35 %), pocínování plechů (25 %), výroba chemikálií (15 %), výroba bronzů Cu-Sn legura do slitin .

Slitiny • • • • •

bronzy = Sn + Cu ložiskové kovy = Sn + Sb + Cu + Pb pájky = Sn + Pb liteřina = Sn + Sb + Pb titanu

RTUŤ A JEJÍ SLITINY Vlastnosti:

• • • • • • • • •

M = 200,59 g/mol Tm = -38,84°C

ρ = 13,56 g/cm3 Tv = 356,9°C

stříbřitě bílý kapalný kov těžký kov špatný tepelný vodič - tepelná vodivost 9,2 W.m-1.K-1 dobře vede elektrický proud - elektrický odpor 98,4 Ωcm nejnižší Tm a TV ze všech kovů dobrá schopnost rozpouštět kovy → slitiny – amalgámy tvoří organokovové sloučeniny metylrtuť, etylrtuť, fenylrtuť všechny sloučeniny a slitiny - velmi toxické ušlechtilý kov - reaguje pouze s kyselinami, které mají oxidační účinky

Použití : • nejvýznamnější uplatnění - ve formě svých slitin s jinými kovy → amalgámy - ochotně je tvoří s Au, Ag, Cd, Zn, Cu, Na, naopak s železnými kovy jako jsou Fe, Ni a Co nevznikají vůbec. • dentální amalgámy s Ag, Cu a Sn Monika Losertová ©20010, FMMI, VŠB-TUO


• amalgamace při výrobě zlata, stříbra a sodíku • výbojky a zářivky (direktiva EU → náhrada žárovek, potenciální nebezpečí zvýšení Hg • • • • • •

v odpadu (viz http://www.denik.cz/z_domova/usporne-zarivky-nastupuji-a-ceka-jezakaz20090830.html) vakcíny - thimerosal polarografie, analytická chemie - referenční elektroda fyzikální a elektrochemické přístroje ( teploměry, tlakoměry, rtuťové vývěvy ) červená rtuť (komplexní polymer obsahující izotopy rtuti a antimonu, vyrábí se chemickou syntézou a následným ozařováním v jaderném reaktoru) - možná rozbuška pro štěpné i fúzní nukleární zbraně výroba průmyslových rozbušek - třaskavá rtuť ( fulminát rtuťnatý Hg(ONC)2)) materiály pro polovodiče a IF detektory - selenid, teluridy (se Zn a Cd)

Ekologické aspekty průmyslového použití • vážné ekologické, zdravotní a společenské problémy: vazba rtuti na sulfhydrylové skupiny proteinů → křeče, kóma, smrt → Evropská unie přijala strategii eliminace rtuti, která má zahrnovat snížení emisí rtuti do prostředí, řešení problému dlouhodobých přebytků rtuti, ochranu lidí a podporu mezinárodních akcí týkajících se rtuti. Připravovaná strategie → dopad také na sektor nakládání s odpady. • vliv na zdravotní stav lidského organismu jednoznačně negativní, • kumulativní jed stejně jako Cd - z organismu se vylučuje jen velmi pozvolna a obtížně, jeho většina se přitom koncentruje především v ledvinách a v menší míře i v játrech a slezině, bylo prokázáno, že rtuť může v ledvinách setrvat až desítky let → při chronické otravě rtutí nejvíce ohroženy. Zdroje znečištění rtutí v roce 2000: • 65% ze spalování ve stacionárních zařízeních – tepelné elektrárny na uhlí nebo plyn • 11% z výroby zlata • 6,8% z výroby dalších neželezných kovů tavením. • 6,4% z výroby cementu. • cca 3,0% ze skládek odpadů domácích, nebezpečných a krematorií, ze spalených zbytků po čištění odpadních vod (údaj je pouze přibližný, informace jsou omezené, může tedy být 2-5 x vyšší!). • 3,0% z výroby kaustické sody. • 1,4% z výroby surového železa a ocelí. • 1,1% z výroby Hg, zejména pro baterie. • 2,0% z ostatních zdrojů.

WOLFRAM A JEHO SLITINY Vlastnosti:

M = 183,85 g/mol Tm = 3395°C

ρ = 19,32 g/cm3 Tv = 5930°C

v čistém stavu houževnatý chemicky stálý i na vlhkém vzduchu nestálý v přítomnosti oxidačních činidel při 600°C na vzduchu oxiduje – porušení Použití: vlákna žárovek, elektrody obloukových lamp, RTG lamp, elektrické kontakty, elektrody zapalovacích svíček, termočlánky pro T >2000°C, topné odpory do 2500°C legura ocelí a jiných slitin slinuté karbidy (destičky nástrojů) – widia, diadur Monika Losertová ©20010, FMMI, VŠB-TUO


wolframové pseudoslitiny (Wolfram Heavy Alloys) - vyráběny práškovou metalurgií s následným tepelným zpracováním a tvářením - podle požadavků na vlastnosti finálního výrobku. (Základní složkou je wolfram, jehož obsah se pohybuje od 91 do 96 hm.%, je doplněn niklem, železem a kobaltem v různých poměrech). Wolframové pseudoslitiny v současnosti v různých oborech plně nahrazují užívání uranových slitin. Jejich předností je vynikající korozní odolnost, jsou dobře opracovatelné, nejsou ekologickou zátěží. Využití je velmi variabilní, zahrnuje řadu průmyslových odvětví: 1. výroba radiačního stínění, kontejnery pro přepravu radioizotopů, kolimační systémy pro onkologické ozařovače 2. penetrátory probíjející vysoce pevné pancíře 3. vyvažovací závaží v letectví 4. vysoce tuhé držáky nástrojů s nízkou vibrací a vrtací tyče

MOLYBDEN A JEHO SLITINY M = 95,94 g/mol ρ = 10,22 g/cm3 Tm = 2623°C Tv = 4651°C houževnatý, dá se válcovat a pájet chemicky stálý proti vzduchu, kyselinám i zásadám za normální teploty nestálý v přítomnosti oxidačních činidel při 800°C na vzduchu oxiduje – porušení

Vlastnosti:

Použití: • slitina (předslitina) ferromolybden • legura žáruvzdorných ocelí a slitin • elektrotechnika – závěsy a jádra vinutí žárovek, součástky spojené se zatavováním do skla a křemene ve vakuové technice, stínítka elektronů • pletiva a dráty korozivzdorných sít v chemickém průmyslu • legura do speciálních pevných a houževnatých ocelí • legura do rychlořezných ocelí (s Cr, Ni, Co a V) • Mn oceli a slitiny odolné vůči kyselinám • Mo dráty slouží jako nosiče wolframového vlákna v žárovkách • MoS2 sulfid molybdeničitý - černá práškovitá sloučenina- jako mazadlo v extrémních teplotách nebo tlacích

Tantal-Niob ???

ZLATO A JEHO SLITINY Vlastnosti:

M = 196,97 g/mol Tm = 1063,7°C

ρ = 19,28 g/cm3 Tv = 2530°C

měkké, houževnaté (pevnost ses dá zvýšit přidáním jiných kovů) tvárné: z 1 g Au→ 1 m2 fólie výborný tepelný a elektrický vodič dobré slévarenské vlastnosti chemicky a korozně velmi odolné → reaguje pouze s lučavkou královskou, se směsí organických sloučenin (jodu, tetraetylamoniumjodidu a acetonitrilu) a s vodným roztokem jodidu draselného a jodu čistota: ‰, karát=1000/24 ‰; 1 unce [oz] = 28,3495 g; tradiční jednotka hmotnosti zlata : 1 trojská unce [Troy oz] = 31,1034807 gramů (→ 32,15 trojských uncí = 1 kilogram) Monika Losertová ©20010, FMMI, VŠB-TUO


Použití a slitiny: -

klenotnictví (změna barvy - slitiny s Pd, Ag, Cu, Ni, Pt ) dekorace skla a porcelánu součásti laboratorních přístrojů trysky na výrobu umělého hedvábí hroty per Ag-Au-Cu zubní lékařství – Pt-Au mechanické a galvanické pokovování elektrotechnika – kontakty fólie v kosmickém a lékařském odvětví investiční kov

STŘÍBRO A JEHO SLITINY M = 107,87 g/mol ρ = 10,49 g/cm3 Tm = 960,5°C Tv = 2212°C nejlepší elektrická vodivost ze všech kovů výborná tepelná vodivost dobře tvařitelné vysoká odrazivost pro viditelné světlo poměrně stálé i ve slabších oxidačních činidlech a rozt. solí, zřeď. H2SO4 rozpouští se v konc. silně oxidačních kyselinách HNO3 a horké H2SO4 3 Ag + 4 HNO3 → 3 AgNO3 + NO + 2 H2O - za přítomnosti kyslíku se rozpouští v roztocích alkalických kyanidů za vzniku kyanostříbrnanového iontu [Ag(CN)2]- na suchém čistém vzduchu je stříbro neomezeně stálé, stačí však i velmi nízké množství sirovodíku H2S, aby stříbro začalo černat (vznik vrstvy Ag2S na povrchu) Vlastnosti:

Použití , slitiny a sloučeniny: elektrotechnika - kontaktní slitiny -Ag-Cu-Cd, W, Mo, Ag-Ni - stříbrné pájky Ag-Zn-Cu(Cd), Ag-Sn-Cu - záznamová média – vrstvy v CD a DVD, u levnějších Ag nahrazeno hliníkem galvanické pokovování stolní nádobí a příbory zubní technika – stříbrné amalgámy Ag-Sn-Hg, slitiny Pd-Ag, Au-Ag kvalitní zrcadla katalyzátory v organochemických reakcích spotřební průmysl - antibakteriální úpravy domácích spotřebičů pomocí nanočástic Ag klenotnictví- slitiny Au-Ag, Ag-Cu, pokovování rhodiem sloučeniny využívané v průmyslu: AgNO3, AgCl a AgBr (fotografický průmysl), AgI

IRIDIUM A JEHO SLITINY Vlastnosti:

M = 192,22 g/mol Tm = 2447°C

ρ = 22,65 g/cm3 Tv = 4427°C

stříbrně bílý velmi tvrdý a křehký kov obtížně obrobitelný, tvařitelný mimořádná chemická odolnost velmi odolný vůči korozi (nejvíce ze všch kovů), i proti lučavce královské napadán pouze roztavenými solemi –NaCl a NaCN



vypočtená hustota Ir 22,562 ± 0,009 a Os 22,622,587 ± 0,009 g/cm³ z mřížkových parametrů je mnohem pravděpodobnější pro určení, který kov je těžší, než fyzikálně změřená Použití a slitiny: zpevňující prvek pro Pt legura do slitin s Rh a Pt pro tavící a spalovací kelímky a vysokoteplotní zařízení materiál do speciálních pecí na tažení optických vláken ve sklářském průmyslu elektrické kontakty elektrody zapalovacích svíček s mimořádnou životností nebo pro práci v extrémních podmínkách (motory závodních automobilů) katalyzátory

PLATINA A JEJÍ SLITINY Vlastnosti:

M = 107,87g/mol Tm = 960,5°C

ρ = 10,49g/cm3 Tv = 2212°C

ušlechtilý, odolný, kujný a tažný kov, elektricky i tepelně středně dobře vodivý snadno se rozpouští v lučavce královské, pomalu se rozpouští i v HCl za přítomnosti vzdušného kyslíku nebo peroxidu vodíku. společně s Os a Ir patří k prvkům s největší známou hustotou (Pt – 3x větší hustotu než Fe) pohlcuje značné objemy plynného H2 katalytické vlastnosti a to jak ve sloučeninách, tak ve formě kovu výjimečná chemická stálost těžkotavitelný Použití a slitiny: legura do slitin s Rh a Ir pro tavící a spalovací kelímky a vysokoteplotní zařízení materiál do speciálních pecí na tažení optických vláken ve sklářském průmyslu katalyzátor v chemickém průmyslu při organických syntézách autokatalyzátory cis-Pt ve velmi účinných cytostatikách elektrické kontakty Pt-Rh termočlánky pro sklářství a metalurgii šperky pokovování méně ušlechtilých kovů součástí některých dentálních slitin především ve spojení s moderními keramickými materiály

PALLADIUM A JEHO SLITINY Vlastnosti:

M = 106,42 g/mol Tm = 1555°C

ρ = 12,023 g/cm3 Tv = 2927°C

odolný, kujný a tažný kov elektricky i tepelně středně dobře vodivý rozpouští se v lučavce královské i koncentrované kyselině dusičné pohlcuje značné objemy plynného vodíku dobré katalytické vlastnosti jak ve sloučeninách, tak v kovové formě Použití a slitiny: Monika Losertová ©20010, FMMI, VŠB-TUO


katalyzátor v chemickém průmyslu při organických syntézách (hydrogenace) s Pt – autokatalyzátory šperky bílé zlato – legura do Au místo Ni dentální slitiny Pd-Ag investiční kov (spolu s Ag, Au)

RHODIUM A JEHO SLITINY M = 102,91 g/mol ρ = 12,41 g/cm3 Tm = 1963°C Tv = 3700°C odolný, poměrně tvrdý kov mimořádná chemická odolnost, špatně se rozpouští v lučavce královské elektricky i tepelně středně dobře vodivý

Vlastnosti:

Použití a slitiny: materiál do speciálních pecí na tažení optických vláken ve sklářském průmyslu slitiny Rh s Pt a Ir - pro tavící a spalovací kelímky a vysokoteplotní zařízení. katalyzátor v chemickém průmyslu při organických syntézách autokatalyzátory Rh-Pt termočlánky šperky, pokovování ušlechtilých kovů (např. Ag)

Ušlechtilé kovy - Pt, Pd, Rh, Ru, Ir –srovnání cen -2012/2013



Výfukový systém - katalyzátory

Obr. Vnitřní struktura katalyzátoru s prvky Pt skupiny(PGM) pro výfukový systém: Exhaust gas from the engine enters at the lower left. A thin coating of Pt, Pd, and/or Rh on the interior surfaces of the honeycomb-structured ceramic monolith catalyzes the oxidation of unburned hydrocarbons and CO into CO2 and H2O and the reduction of NOx gases into N2 and O2. Inset shows SEM micrograph of a ceramic monolith with a CeO wash coat overlain with PGMs. (Courtesy of J. Buchdahl, Manchester Metropolitan University, and of the U.S. Department of Energy.) Zdroj kniha: Structure and property relation in Nonferrous Metals



SCANDIUM A JEHO SLITINY Vlastnosti:

M = 44,96 g/mol Tm = 1541 °C

ρ = 2,99 g/cm3 Tv = 2832°C

lehký kov – obobně jako Al – ale vyšší Tm silně elektropozitivní stříbřitě bílý, měkký kov odolný vůči oxidaci (vrstvička oxidu chrání) odolný vůči vodě, vlhkosti a oxidačním kyselinám Použití a slitiny: legování Al slitin – precipitační vytvrzení s 0.1% a 0.5% Sc → - letecké slitiny pro Mig 21 a Mig 29 - sportovní vybavení - baseballové pálky, rámy kol, revolvery Smith & Wesson Sc2O3 - výbojky s velkou svítivostí ScI3 s NaI - rtuťové výbojky 46 Sc – radioaktivní izotop – detekční činidlo při rafinaci ropy

LANTHAN A JEHO SLITINY Vlastnosti:

M = 138,91 g/mol Tm = 918°C

ρ = 6,16 g/cm3 Tv = 3470°C

stříbřitě bílý, měkký polymorfie s teplotou (při 310 a 865°C) značně reaktivní - snadno oxiduje → La2O3 chemickými vlastnostmi podobný Al (stabilní oxid, který nereaguje s vodou, velmi obtížně se redukuje) s vodou reaguje zvolna → plynný H2 snadno se rozpouští v běžných minerálních kyselinách za zvýšené T - přímo reaguje s B, N, P, S a halogeny ve sloučeninách se vyskytuje pouze v mocenství La3+ Použití a slitiny: 1. v metalurgii - vysoká afinita k O2 → dezoxidace roztavených kovů - legura → optimalizace mechanických vlastností slitin (oceli nebo litiny → vyšší tvárnost a kujnost, vyšší mechanickou odolnost proti nárazu, Mo slitiny → nižší tvrdost a vyšší odolnost proti náhlým teplotním změnám) 2. sklářský průmysl - oxid lanthanitý La2O3 (→ sklo s vysokým indexem lomu a nízkým světelným rozptylem → výroba optických čoček v objektivech filmových kamer nebo dalekohledech) - s obsahem La →pohlcuje IR záření → optické filtry, propouštějící pouze viditelné světlo. 3. petrochemie - krakování ropy - katalyzátory s obsahem La 4. lékařství - Fosrenol, Shire Pharmaceuticals - uhličitan La pro absorpci fosfátů při ledvinovém selhání 5. atomová absorpční spektrometrie - spektrální iontové pufry 6. katoda do elektronových mikroskopů SEM 7. NiMH baterie - LaNi3.6Mn0.4Al0.3Co0.7 8. brusné a lešticí práškové materiály pro výrobu optických součástek



Kladná elektroda je z hydroxidu niklu, záporná je tvořena kovovou slitinou schopnou vázat vodík. Separátor oddělující obě elektrody obsahuje alkalický elektrolyt (hydroxid draselný). ¨rozdíl oproti řešení NiCd představuje vodík vázající slitina, která nahradila jedovaté kadmium. Stejně jako u NiCd článku je jmenovité napětí 1,2 V, samovybíjení je ale o něco menší: po 24 hodinách "vyprchá" (v závislosti na výrobku) 6 až 16% energie. http://www.cettra.cz/vysilackyradiostanice/MOTOROLA/Baterie-NiCd,-NiMH-.../Jakna-baterie/20

LANTHANOIDY A JEJICH SLITINY Definice : skupinou 14 kovů následujících za La, které doplňují jeho elektronovou konfiguraci do orbitalu 4f. Veškeré lanthanidy vykazují velmi podobné chemické chování. Podle IUPAC patří mezi KVZ i SC, Y a La Vlastnosti: velmi podobné chemické a fyzikální vlastnosti stříbrolesklá barva velmi měkké. velmi reaktivní (Ce, Pr, Nd a Eu) → pokrývají se ox. vrstvičkou jejich reaktivita postupně klesá se stoupajícím atomovým číslem → ost.lanthanidy (Gd, Lu) zachovávají lesk (neoxidují) s vodou reagují za vzniku plynného vodíku, snadno se rozpouští v běžných minerálních kyselinách. za zvýšené teploty přímo reagují s běžnými nekovovými prvky jako N, B, Si, P, S, O a halogeny → křehnou chemické vlastnosti solí lanthanidů - značně podobné sloučeninám Al (tvoří vysoce stabilní oxidy, které nereagují s vodou a jen velmi obtížně se redukují) ve vodě nerozpustné fluoridy a fosforečnany → separace lanthanidů od jiných kovových iontů nerozpustný šťavelan → gravimetrické stanovení těchto prvků po jejich vzájemné separaci Gd - ferromagnetické vlastnosti (podobá se tím Fe nebo Ni) Pr - v přírodě se prakticky nevyskytuje - žádný z jeho izotopů není stabilní a všechny se radioaktivně rozpadají. Použití a slitiny: rostoucí praktické využití praxe stoupá poptávka po Eu a Tb v metalurgii: - dezoxidace roztavených kovů – jejich vysoká afinita ke kyslíku; - legování – optimalizace mechanických vlastností ýsledné mechanické vlastnosti produktu (vyšší tvárnost a kujnost u ocelí a litin) sklářský průmysl - mění index lomu vyrobeného skla, působí odbarvování a čeření skloviny, upravují absorpční vlastnosti skla pro světlo různých vlnových délek a podobně. při výrobě barevných televizních obrazovek CRT byly donedávna především sloučeniny Eu, Tb a Y nezbytné pro výrobu luminoforů. jaderná energetika - těžší KVZ - velmi vysoký účinný průřez pro záchyt neutronů → součást slitin pro výrobu moderátorových tyčí pro regulaci provozu jaderných reaktorů. Monika Losertová ©20010, FMMI, VŠB-TUO


elektrotechnika: mimořádně silné permanentní magnety na bázi Nd (NdFeB) a Sm (SmxCoy) podíl různých KVZ v materiálech pro výrobu laserů. odrážejí UV a IR záření → sluneční skla katalyzátory - v petrochemii při krakování ropy a v chemii při organických syntézách Aplikace rozptýlených kovů a lanthanoidů (KVZ) –shrnutí pro AP • Legury do slitin - Sc, Y, La (např. slitiny hliníku, hořčíku) • La - baterie na bázi NiLa (NiMH) • Magnetické materiály na bázi KVZ Aplikace KVZ katalyzátory Katalyzátory pro rafinaci ropy Permanentní magnety Sklářství a keramika Metalurgie Fosfory ostatní

% 45 25 12 7 7 3 1

MAGNETY Permanent magnets are sometimes used in electric motors and alternators (which are just generators that generate alternating current), but some have raised awareness of a shortfall in the supply of the materials required to manufacture these magnets. 1) almost all power plants and combustion engine powered vehicles, including gasoline, natural gas, nuclear, coal, and diesel require alternators and dynamos (DC generators) as do wind turbines. This is because these power plants are mechanical. All alternators operate on the principle of electromagnetic induction to generate electricity using a magnetic field. So if this was an issue for wind turbines and electric vehicles, it would also be just as much an issue for fossil fueled power plants and vehicles because they require generators too. 2) Induction motors and generators are actually the most common. Induction generators and motors do not require any permanent/rare earth magnets because they utilize copper coils as electromagnets. Electromagnets are coils of wire that are supplied with electricity which then creates a magnetic field.

Elektromotory

pro auto

pro větrnou elektrárnu

magnety v AP magnety – důležité pro řízení : speedometer, tachometer, galvonometer (fuel gauge), and all the other gauges on your dash boards. Alternator mounted on an automobile engine with a serpentine belt pulley



Řez alternátorem -Cut-away of an alternator, showing the claw-pole construction; two of the wedge-shaped field poles, alternating N and S, are visible in the centre and the stationary armature winding is visible at the top and bottom of the opening. The belt and pulley at the right hand end drives the alternator.

Alternators are used in modern automobiles to charge the battery and to power the electrical system when its engine is running.

Permanentní magnety -FeNdB

V současnosti nejsilnějším typem magnetů s vynikajícími magnetickými vlastnostmi, jako je remanence a energetická hustota, jsou magnety FeNdB - na bázi kovů vzácných zemin (KVZ, rare earth elements-RE, lanthanoidy, lantanidy). Složení Jejich hlavní složkou je železo s příměsmi neodymu (Nd) a boru (B). Dalšími prvky, které se přidávají do finální slitiny jsou hlavně kobalt (Co), dysprosium (Dy) - tyto složky slouží k vylepšení magnetických vlastností (remanence, koercitivní síla) a teplotní odolnosti (maximální pracovní teplota) magnetů. Výroba Vyrábějí se lisováním v magnetickém poli a následným spékáním. Při vysoké vlhkosti vzduchu oxidují, proto se v závěrečné fázi výroby galvanizují - nejčastěji zinkem nebo niklem (vzhledově velmi pěkné, lesklé a hladké). Další možnosti povrchových úprav jsou např. Monika Losertová ©20010, FMMI, VŠB-TUO


pozlacení, chromování, epoxidace, pasivace a mezi nejnovější technologie patří povlakování hliníkem a nitridem titanu. Charakteristiky Neodymové magnety jsou dodávané nejčastěji v anizotropním provedení. Provozní teplota je max. +60 až +240°C podle třídy materiálu. Neodymové magnety jsou tvrdé, křehké a choulostivé na rozbití. Opracování je problematické, protože je při něm nutné porušit ochrannou galvanickou vrstvu. Neodymy je možné opracovat broušením pomocí diamantových nástrojů, avšak hned po opracování je nutné vytvořit novou ochrannou vrstvu. Neodymové magnety výborně odolávají vnějším demagnetizačním vlivům a za normálních podmínek si udržují permanentní magnetizmus. Použití: • Elektromotory -větrné elektrárny a elektromobily • HIFI soustavy, • HD u PC

Rozptýlené kovy a Lanthanoidy – ceny 2012

Prvek La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

Aplikace High refractive index glass, flint, hydrogen storage, battery-electrode, camera lens Chemical oxidising agent, polishing powder, yellow colors in glass and ceramics, catalyst for Self-cleaning oven etc. Rare-earth magnets, laser, green colors in glass and ceramics, flint Rare-earth magnets, laser, violet colors in glass and ceramics, ceramic capacitor Nuclear battery Rare-earth magnets, Laser, neutron capture, maser Red and blue phosphors, laser, mercury-vapor lamp Rare-earth magnets, high refractive index glass or garnets, laser, x-ray tube, computer memory, neutron capture Green phosphors, laser, fluorescent lamp Rare-earth magnets, laser, Laser Laser, vanadium steel Infrared Laser, chemical reducing agent

URAN A JEHO SLITINY Vlastnosti : M = 238,02 g/mol Tm = 1135°C poločas rozpadu t1/2

238

ρ = 19,1 g/cm3 Tv = 3818°C 4,468.109 roku

U: stříbrobílý lesklý kov paramagnetický na vzduchu se pokrývá vrstvou oxidů rozmělněný na prášek - samozápalný není příliš tvrdý za pokojové teploty se dá kovat nebo válcovat při zahřívání se stává nejprve křehkým, při dalším zvyšování teploty je však plastický Monika Losertová ©20010, FMMI, VŠB-TUO


hustota při 20 °C - 19,05 g/cm3 (různé zdroje uvádějí údaje v rozmezí 19,05 – 19,20 g /cm3) při teplotě varu - cca 17,30 g/cm3 uran patří k nejtěžším prvkům vůbec (Pt, Ir, W, Os, Re) - je o cca 70 % těžší než Pb.

Použití: 1. palivo pro jaderné elektrárny - obohacený U o izotop 235U (2 – 4 %), výroba Pu z izotopu 238U v rychlých množivých reaktorech (vysoké investiční náklady a vyšší technologická náročnost) 2. náplň do atomových bomb - koncentrace 235U zvýšena na hodnotu přes 95 % 3. ochuzený uran – (angl. DU-depleted uranium nebo tuballoy) - jako odpad po obohacování uranu (ochuzený - byl zbaven podstatné části izotopu 235U využitelného jako palivo pro jaderné reaktory) a) vyvažovací závaží : vysoká hmotnost (vyvážení, nutnost dosáhnout vysoké kinetické energie při malém objemu) letadla (Boeing 747, McDonnell Douglas DC-10), plachetnice, rotory gyroskopů, ropné vrtné soupravy, vozy Formule 1 b) součást pancíře v tancích (M1 Abrams) c) stínění před radioaktivitou d) podkaliberní střely (obdobně jako W) – vysoká hustota U, pevnost srovnatelná s konkurečním wolframem, snadná vznětlivost a relativně nízká cena → protipancéřové projektily = průměr střely je menší než průměr hlavně, ze které je vystřelena. Působí zde sice především vysoká kinetická energie střely, účinek však zesiluje i to, že po průniku projektilu za pancíř se tlakem a třením rozžhavené úlomky uranu vznítí, což zvyšuje ničivý účinek uvnitř obrněného prostoru. Střely z ochuzeného U mají výhodnější mezní úhel, pod kterým se neodrazí po zásahu do opancéřovaného cíle. Přes poměrně nízkou radioaktivitu 238U však přesto dochází k slabému radioaktivnímu zamoření, míra jeho neškodnosti nebo škodlivosti není dosud dořešena. Větší roli přitom hraje ani ne tak radioaktivita ochuzeného U (která je sice nízká, pokud se však dostane dovnitř těla, její účinky jsou vyšší), jako jeho celková toxicita, - U (stejně jako většina těžkých kovů) je pro živé organismy jedovatý. Jeho velké rozptýlení v prostředí poskytuje možnost dostat se přímo do těla živých organizmů (potravou, pitím nebo vdechnutím).

4. sloučeniny a) uranová žluť - hexahydrát diurananu sodného (Na2U2O7.6H2O) a hexahydrát diurananu draselného (K2U2O7.6H2O) - k barvení skla, glazur a porcelánu (barví na žluto až žlutozeleno, přičemž fluoreskuje). b) dusičnan uranylu (UO2(NO3)2 – dusičnan uranylu) se používá k zesilování negativů fotografií, do tónovacích lázní, zesilovačů světlotisku, kvůli chemické toxicitě se používá pro experimentální vyvolání patologického stavu ledvin u pokusných zvířat. c) octan uranylu UO2(C2H3O2)2.2H2O, NaUO2(C2H3O2) a diuranan amonný (NH4)2U2O7 má význam v analytické chemii. d) U s obsahem karbidu je vhodným katalyzátorem pro syntézu amoniaku Haberovým způsobem.



Potenciální a reálné technické aplikace kompozitů MMC s matricí na bázi nž kovů v AP - pro ! Pb, Co, Cu, Ag, aj.


VLASTNOSTI A APLIKACE OSTATNÍCH NŽ KOVŮ

Recommend Documents