Metale, dobrze przewodzące ciepło i elektryczność

Metale, dobrze przewodzące ciepło i elektryczność pierwiastki chemiczne, odznaczające się zazwyczaj
kowalnością i charakterystycznym połyskiem. Na 111 znanych obecnie pierwiastków 88 stanowią metale.
Metale można podzielić na żelazne do których zliczamy: surówkę, żeliwo, staliwo i stal oraz na metale
nieżelazne.
METALE ŻELAZNE
Stal jest to stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami, obrabiany plastycznie i otrzymywany w procesach
hutniczych. Podział stali na gatunki zależy głównie od jej składu chemicznego, właściwości mechanicznych,
technologicznych oraz użytkowych. W zależności od składu chemicznego rozróżnia się stale nie stopowe
(węglowe) i stopowe, a w zależności od innych cech i przeznaczenia: stal konstrukcyjną, narzędziową, stal o
szczególnym przeznaczeniu oraz o specjalnych właściwościach. W budownictwie największe zastosowanie
mają wyroby hutnicze ze stali niestopowej konstrukcyjnej ogólnego przeznaczenia np. St3SX, St3SY, St3S
oraz ze stali niskostopowej o podwyższonej wytrzymałości np. 18G2, 18G2A. W śród stali niestopowych
występują także gatunki: StOS,St3V, St3W, St4VX, St4VY i St4W, a wśród stali niskostopowych 18G2AY.
Stal niskostopową o podwyższonej odporności na korozję atmosferyczną nazywa się stalą trudno
rdzewiejącą. Do najczęściej produkowanych gatunków tej stali zalicza się: 10H, 10HA, 10HAV, 10HNAP.
Oprócz wymienionych gatunków stali odpowiadających II, Ul i IV klasie odporności na korozję
atmosferyczną są produkowane również zwykłe stale konstrukcyjne z dodatkiem miedzi np. St3SCu,
St4SCu, 18G2ACu które zalicza się do I klasy odporności korozyjnej. Do stali niestopowych o szczególnym
przeznaczeniu zalicza się m.in. stal na rury gatunków R, R35, R45 i 12X, z których są produkowane rury
konstrukcyjne walcowane na gorąco i zgrzewane lub spawane. Ten sam gatunek stali nie stopowych może
mieć kilka odmian jakościowych które powinny decydować o przydatności materiału na określone rodzaje
konstrukcji. Podstawowym wyróżnikiem jakości tych stali jest określenie stopnia odtlenienia czyli tzw.
uspokojenia stali. Stosując odpowiednie zabiegi i dodatki w procesie metalurgicznym stali węglowych
uzyskuje się stal uspokojoną, półuspokojoną (oznaczana jako Y) i nieuspokojoną (z literą X lub stal StOS).
Stal niskostopową o podwyższonej wytrzymałości może być produkowana w kilku kategoriach
wytrzymałości: E305, E325, E355, E390, E420, E440. Oznaczenie liczbowe kategorii wytrzymałości określa
minimalną granicę plastyczności stali w megapaskalch. Dla stali określa się właściwości takie jak:
-wytrzymałość- jest to wartość naprężenia po którego przekroczeniu następuje zniszczenie materiału
-sprężystość- jest to zdolność do odzyskania pierwotnych wymiarów i kształtu po usunięciu obciążenia.
-plastyczność- jest cechą przeciwstawną sprężystości. Jest to zdolność materiału do odkształceń pod
wpływem działającej siły i zachowaniu nowych kształtów po ustąpieniu tej siły.
-ciągliwość- jest to właściwość stali umożliwiająca walcowanie, wyginanie, prostowanie, i skręcanie bez
zniszczenia materiału.
-twardość- jest to odporność stali na odkształcenia trwałe podczas działania nacisku na powierzchnię tego
materiału.
-udamość- jest to zdolność do przenoszenia obciążeń dynamicznych
Podstawowymi produktami hutniczymi stosowanymi powszechnie w konstrukcjach budowlanych są
wyroby walcowane na gorąco tj. kształtowniki, blachy, pręty, taśmy i rury.
Dwuteowniki należą do grupy najpopularniejszych kształtowników stalowych. Produkuje się także
ceowniki, kątowniki, teowniki i zetowniki. Rury koliste walcowane na gorąco (rury bez szwu) oraz
zgrzewane (ze szwem) są coraz powszechniej stosowane jako elementy konstrukcyjne. Z rur
kolistych można wytwarzać rury kwadratowe i prostokątne za pomocą ich przeciągania na gorąco
przez specjalną głowicę. Z innych elementów konstrukcyjnych stosowanych w konstrukcjach
stalowych należą także: blachy, pręty i taśmy. Blachy grube walcowane na gorąco o grubości od
3mm stosuje się na konstrukcje powłokowe np. zbiorniki.
Żeliwo jest stopem żelaza zawierającym ponad 2% węgla oraz inne pierwiastki z których krzem, mangan,
fosfor, i siarka są zawsze obecne. Wyróżnia się dwa rodzaje żeliwa: ciągliwe obejmujące żeliwo białe
(powstaje przez wyżarzanie żeliwa w atmosferze odwęglającej), żeliwo czarne ( powstaje przez wyżarzanie
żeliwa w atmosferze obojętnej) i żeliwo szare (stop żelaza zawierającym ponad 2% węgla wydzielonego w
postaci grafitu(oraz domieszka krzemu,manganu, fosforu i siarki). Głównymi wyrobami z żeliwa są żeliwne
płyty kuchenne, drzwiczki piecowe, kratki wentylacyjne, rury i kształtki do wykonania instalacji
wodociągowej i kanalizacji oraz wyroby sanitarne np. wanny, zlewy i grzejniki, ławki parkowe, balustrady,
latarnie, fontanny.
Stopami o specjalnych własnościach nazywa się stopy o własnościach fizycznych lub chemicznych
jednoznacznie warunkujących ich zastosowanie . Są to stale , staliwa i żeliwa wysokostopowe . Wyróżnia
się :
• Stopy o specjalnych własnościach chemicznych - stopy odporne na korozję
• Stopy o specjalnych własnościach chemicznych i mechanicznych :
o Stopy żaroodporne
o Stopy zaworowe
o Stopy żarowytrzymałe
• Stopy o specjalnych własnościach fizycznych o Stopy odporne na ścieranie
o Stopy o specjalnym współczynniku rozszerzalności liniowej o Stopy o
specjalnych własnościach elektrycznych
• Stopy oporowe
• Stopy przewodowe
• Stopy o specjalnych własnościach magnetycznych
• Stopy magnetyczne miękkie
• Stopy magnetyczne twarde
• Stopy niemagnetyczne
Stale żaroodporne są to stale odporne na korozyjne działanie gorących gazów lub powietrza o temperaturze
wyższej od 550°C. Zależnie od składu chemicznego stale żaroodporne dzielimy na:
• chromowo - krzemowe,
• chromowe z dodatkiem aluminium i zwiększoną zawartością krzemu,
• chromowo - niklowe ze zwiększoną do 2 - 3% zawartością krzemu.
Stale żarowytrzymałe są to stale wykazujące w podwyższonych i wysokich temperaturach lepsze
własności wytrzymałościowe niż typowe stale konstrukcyjne (odporna na odkształcenia w wysokich
temperaturach).
Od stali nierdzewnych jest wymagana odporność na działanie atmosfery powietrza, wilgoci i
słabych roztworów soli lub kwasów. Odporność korozyjna stopów jest związana z ich zdolnością do
pasywacji, a ta zależy od składu chemicznego stopu.
METALE NIEŻELAZNE
Stopy metali nieżelaznych na ogół ustępują stalom wytrzymałością, ale często górują nad nimi odpornością
na korozję. Stanowią równorzędną grupę materiałów konstrukcyjnych, których zastosowanie jest
podyktowane szczególnymi wymaganiami. Klasyfikacja stopów metali nieżelaznych uwzględnia metal
podstawowy, decydujący o właściwościach i zastosowaniu. Ponadto w poszczególnych grupach wyróżnia
się stopy do przeróbki plastycznej i stopy odlewnicze .Miedź znalazła bardzo dobre zastosowanie, przede
wszystkim z powodu swojej wysokiej przewodności elektrycznej i cieplnej, dużej odporności na korozję
znacznej plastyczności oraz zdolności do tworzenia wielu bardzo cennych stopów. Ponieważ miedź ma
bardzo dużą przewodność elektryczną, jest ona najważniejszym materiałem na przewody. Połowa całego
zużycia miedzi przypada na elektrotechnikę, w której znajduje zastosowanie w postaci drutów, blach, taśm
itp. Z powodu dużej przewodności cieplnej miedź znalazła również zastosowanie w przemyśle chemicznym
do wyrobu chłodnic, aparatów chemicznych. Zdolność miedzi do pokrywania się szczelnymi i związanymi z
podłożem produktami korozji (patyną) spowodowała jej zastosowanie
do krycia dachów zabytkowych budowli oraz do wyrobu dzieł sztuki. Mosiądze (stop miedzi z cynkiem).
Zastosowanie techniczne mają stopy układu Cu - Zn do 48%Zn, ponieważ większa zawartość powoduje
nadmierną kruchość. Właściwości mechaniczne mosiądzów zależą od zawartości Zn, osiągając wartości
optymalne przy ok. 30%Zn: największe wydłużenie dobrej wytrzymałości i twardości. Mosiądze do
przeróbki plastycznej dostarczone są w postaci:
blach, taśm, rur, prętów, kształtowników lub drutu. Wyroby po obróbce plastycznej na zimno
zależnie od stopnia zrekrystalizowania są w stanie miękkim lub umocnionym: wyżarzonym,
półtwardym, twardym i sprężystym. Najważniejsze mosiądze przeznaczone do obróbki plastycznej
to: mosiądze ołowiowe, cynowe, aluminiowe, niklowe, krzemowe.
Mosiądze odlewnicze, zawierające najczęściej ok. 38 - 40% Zn. Wobec odporności korozyjnej w
wodzie głównym zastosowaniem mosiądzów odlewniczych jest armatura sanitarna.
Brązy cynowe, należą do stopów o cennych własnościach i stosuje się do wyrobu elementów
wymagających dużej sprężystości i odporności na korozję, np. części przyrządów pomiarowych,
membrany manometrów, sprężyny.
Brązy aluminiowe, należą do stopów konkurujących z brązami cynowymi zarówno właściwościami
jak i ceną. Odznaczają się dużą wytrzymałością utrzymującą się do ok. 300°C. Mają dobre
właściwości ślizgowe i znaczną odporność na korozję, zwłaszcza w wodzie morskiej.
Stopy aluminium w porównaniu z technicznie czystym aluminium, mają mniejszą odporność
korozyjną, ale znacznie lepsze właściwości mechaniczne. Wobec małego ciężaru właściwego stopy
Al są powszechnie stosowane w produkcji środków transportu, kontenerów itp.
Stopy aluminium do obróbki plastycznej:
-Stop Al - Mg o zawartości mniej niż 6% Mg na części urządzeń dla przemysłu spożywczego i chemicznego
oraz na elementy głęboko tłoczone i odkuwki matrycowe dla przemysłu samochodowego i lotniczego.
-Stop z 0,5%Mg i 0,5%Si dzięki małemu oporowi właściwemu stosowany jest do wyrobu przewodów
energetycznych, a ponadto elementów konstrukcji budowlanych i sprzętu turystycznego.
-Stop Al - Mn o zawartości ok. l%Mn odznacza się dużą odpornością na korozję i dobrą spawalnością. W
postaci blach używany jest na spawane zbiorniki cieczy i gazów w aparaturze spożywczej i chemicznej.
-Stop Al - Cu - Mg (durale), zawierają ok. 2-5%Cu, poniżej 2%Mg i dodatki mniej niż 1% Mn, Ni, Fe, Si.
Stopy poniżej 3% Cu mają dużą plastyczność, a powyżej 4% Cu - dużą wytrzymałość. Durale w postaci
blach i kształtowników stanowią najważniejszy materiał na silnie obciążone konstrukcje budowlane,
pojazdów i samolotów. Stopy odlewnicze
-Stop Al - Cu odznaczają się dobrą lejnością i skrawalnością, ale mniejszą odpornością korozyjną.
Stosowane są do wyrobu odlewów galanterii metalowej. Dodatki Mg i Ti powiększają wytrzymałość i
umożliwiają zastosowanie ich jako odpowiedzialne odlewy dla przemysłu samochodowego, lotniczego i
maszynowego. Dodatek 6% Si zapewnia żaroodpomość i umożliwia zastosowanie jako odlewy części
samochodowych.
-Stop Al - Mg (hydronalium), jest bardzo odporny na korozję wody morskiej pod warunkiem ograniczenia
zawartości 5% Mg są wrażliwe na korozję naprężeniową, przed którą zabezpiecza staranne odprężenie
odlewu albo wprowadzenie dodatków Si, Mn, Cr, V chroniący również przed starzeniem.
-Stop Al- Si (silumin), zawiera on 9 - 22% Si i odznacza się doskonałymi właściwościami odlewniczymi:
niską temp. topnienia, małym skurczem i małą skłonnością do pęknięć.
Metale lekkie
Lit szerokie zastosowanie znalazł w technice jądrowej. Wykorzystywany jest także w reaktorach
wysokotemperaturowych jako chłodziwo wewnętrznego obiegu. W metalurgii służy do odgazowywania i
uszlachetniania stopów. Jest podstawowym składnikiem wydajnych baterii i akumulatorów. Pełni funkcję
katalizatora chemicznego w niektórych reakcjach. Jest także dodawany do smarów.
Magnez w stopach z innymi pierwiastkami tworzy wytrzymałe, lekkie i obojętne chemicznie materiały,
wykorzystywane głownie do budowy samolotów, a także przedmiotów codziennego użytku. Czysty magnez
używany był dawniej jako proszek fotograficzny i pełnił rolę dzisiejszej lampy błyskowej. Obecnie
stosowany jest do wypełniania amunicji oświetlającej, jako materiał na pokrycia innych metali i w technice
próżniowej.
Metale Ciężkie
Efektownym zastosowaniem chromu jest chromowanie, czyli pokrywanie błyszczącą warstwą
chromu, innych, mniej szlachetnych i połyskliwych metali. Niektóre jego związki są także używane
jako składniki farb i w fotografice (materiały światłoczułe).
Wolfram wykorzystywany jest przede wszystkim w przemyśle elektrycznym jako podstawowy
budulec drutów żarzących w piecach elektrycznych, kontaktach i żarówkach. Stosowany jest
również jako składnik stopów z żelazem (daje stali wytrzymałość). Stale w wolframem służą do
produkcji m.in. narzędzi tnących.
Metale szlachetne
Złoto jest wykorzystywane wjubilerstwie i do produkcji monet. Metal ten używany jest również do
produkcji specyficznych barwników, jest również używane w stomatologii i w medycynie jako
promieniotwórczy izotop do leczenia raka.
Powszechnie znanym wykorzystaniem srebra jest użycie go w wyrobach jubilerskich. Metal ten
zwykle stapia się z innymi w celu zwiększenia twardości i wytrzymałości stopu.
Srebro wykorzystywane jest również jako warstwa odbijająca w niektórych lustrach. Ze względu na
mały opór elektryczny używane jest w przemyśle elektrotechnicznym. Niektóre związki tego
pierwiastka stosowane są jako środki antyseptyczne i bakteriobójcze. Ciemniejące na świetlne
związki srebra z fluorowcami używane są do produkcji błon światłoczułych.
Platyna znalazła głównie zastosowanie wjubilerstwie i technice dentystycznej. Wysoką temperaturę
topnienia platyny i jej obojętność chemiczną wykorzystuje się w technice laboratoryjnej do
produkcji różnego rodzaju przyrządów. Dodaje się do niej wtedy trochę irydu. Wykorzystuje się ją
do produkcji styków elektrycznych i czujników narażanych na wysokie temperatury. Stop platyny z
kobaltem ma ciekawe właściwości magnetyczne
"Materiałoznawstwo Budowlane" Edward Szymański
"Konstrukcja Stalowe" Wojciech Włodarczyk