Stopy żelaza są podstawowym tworzywem stosowanym we współczesnej technice, jednak nie można wyobrazić sobie rozwoju wielu jej dziedzin bez metali nieżelaznych i ich stopów. Metaloznawstwo stopów żelaza i metali nieżelaznych opierają się, na wspólnych podstawach teoretycznych; oba rodzaje stopów podlegają tym samym prawom: krystalizacji, rekrystalizacji, dyfuzji, przemian fazowych, termodynamiki itd. Własności wszystkich stopów wykazują podobne zależności np.: od wielkości ziaren, stopnia zgniotu, obecności defektów lub dyspersyjnej fazy itp. Istnieją wspólne metody badawcze obu rodzajów stopów. Wreszcie podobnie przeprowadza się obróbkę cieplną stopów metali nieżelaznych, chociaż parametry tej obróbki (np. temperatura zabiegów) są różne. Specyfika stopów metali nieżelaznych polega na ich bardzo dużej ilości i bardzo zróżnicowanych własnościach. Są one interpretowane na podstawie układów równowagi, które w różnych źródłach różnią się nieco wartościami składów faz i temperaturami przemian. Nie należy ich traktować dogmatycznie, gdyż zmieniają się w miarę stosowania coraz czystszych materiałów i coraz dokładniejszych metod analitycznych. Ponieważ te drobne różnice nie mają istotnego wpływu na interpretację struktury stopu.

Metal ten krystalizuje w sieci A1, a więc cechuje się dużą plastycznością. Ma parametr sieci α = 0,40408 nm, temperaturę topnienia 660,4°C, temperaturę wrzenia 2060°C. Mała gęstość 2,7 Mg/m³ (3 razy mniejsza niż żelaza) kwalifikuje ten metal do grupy metali lekkich. Dzięki tej własności i stosunkowo bogatemu występowaniu w przyrodzie (ok. 7%) jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym i transporcie. Aluminium cechuje się dobrym przewodnictwem cieplnym i elektrycznym (gorszym jednak niż miedź), stąd jego zastosowanie na przewody elektryczne. Ma wysoką energię błędu ułożenia 200 - 250 mJ/m2. Na powietrzu pokrywa się cienką warstwą A12O3, która chroni je przed dalszym utlenianiem. Jest odporne na działanie wody, H2CO3, H2S, wielu kwasów organicznych, związków azotowych. Natomiast nie jest odporne na działanie wodorotlenków (np. NaOH, KOH), kwasów beztlenowych (HF, HCl), wody morskiej i jonów rtęci. Wytrzymałość czystego wyżarzonego aluminium jest niska Rm = 70 - 120 MPa, Re = 20 - 40 MPa, wydłużenie A₁₀ = 30 - 45, przewężenie Z = 80 - 95%. Twardość wynosi 15 - 30 HB; może jednak być umacniane przez zgniot. Wytwarza się aluminium o różnych stopniach czystości, zgodnie z normami PN-79/H-82160 i PN-79/H-82163. Najczystszy gatunek A199,995R jest używany przy wytwarzaniu aparatury chemicznej i folii kondensatorowych; gatunek A199,8H stosuje się na folie, powłoki kablowe i do platerowania; A199,5HE na przewody elektryczne; A199 na wyroby codziennego użytku. Do najczęstszych zanieczyszczeń aluminium należą Fe, Si, Cu, Zn, Ti, które obniżają plastyczność i przewodnictwo elektryczne, natomiast zwiększają twardość i wytrzymałość. Aluminium przerabia się plastycznie - walcuje (blachy, folie) lub wyciska (pręty, rury, drut, kształtowniki). Obróbkę plastyczną można przeprowadzać na zimno lub na gorąco (ok. 450°C). Aluminium ma duże powinowactwo do tlenu, stąd jego zastosowanie w aluminotermii oraz do odtleniania stali. Oprócz tego jest szeroko stosowane w przemyśle spożywczym oraz do aluminiowania dyfuzyjnego stali.

Stopy aluminium. 

Własności wytrzymałościowe czystego aluminium są stosunkowo niskie, dlatego stosuje się stopy, które po odpowiedniej obróbce cieplnej mają wytrzymałość nawet kilkakrotnie większą. Stopy aluminium cechują się korzystnym parametrem konstrukcyjnym, tzn. stosunkiem wytrzymałości do ciężaru właściwego, który jest większy niż dla stali, a oprócz tego ich udarność nie maleje w miarę obniżania temperatury, dzięki czemu w niskich temperaturach mają większą udarność niż stal. Mają jednak niską wytrzymałość zmęczeniową. Stopy aluminium dzieli się na odlewnicze (PN-76/H-88027) oraz do obróbki plastycznej (PN-79/-88026). Niektóre nadają się zarówno do odlewania, jak i przeróbki plastycznej. Do odlewniczych zaliczamy stopy przeważnie wieloskładnikowe o większej zawartości pierwiastków stopowych (5 - 25%), np. z krzemem (AK11 - silumin); z krzemem i magnezem (AK7), z krzemem, miedzią, magnezem i manganem (AK52), z krzemem, miedzią, niklem, magnezem i manganem (AK20) i inne. Cechują się one dobrą lejnością i małym skurczem. Stopy do przeróbki plastycznej zawierają na ogół mniejsze ilości dodatków stopowych, głównie miedź (do ok. 5%), magnez (do ok. 6%) i mangan (do 1,5%), rzadziej krzem, cynk, nikiel, chrom, tytan. Niektóre stopy aluminium można poddawać utwardzaniu wydzieleniowemu, po którym ich własności wytrzymałościowe nie są gorsze niż wielu stali.

Jest to metal krystalizujący w sieci A3 (heksagonalnej zwartej) o para­metrach a = 0,321 nm, c == 0,5211 nm i c/a = 1,624. Jego własności wy­trzymałościowe i plastyczne są niskie. Temperatura topnienia wynosi 650°C, wrzenia 1107°C. Jest lżejszy od aluminium - q = 1,75 Mg/m³. Ma duże powinowactwo do tlenu i azotu, łatwo się utlenia, ale zwarta warstwa tlenku magnezu chroni metal przed dalszym utlenianiem. W wyższych temperaturach zapala się samoczynnie. W stanie czystym ma ograniczone zastosowanie, głównie w pirotechnice. Magnez hutniczy jest wytwarzany zgodnie z normą PN-79/H-82161 w dwóch gatunkach Mg 99,9 i Mg 99,95. Jest stosowany głównie do produkcji stopów oraz jako odtleniacz, reduk­tor i modyfikator stopów.

Stopy magnezu

Stopy magnezu cechują się dobrą wytrzymałością (do 350 MPa) i bardzo małą gęstością (ok. 1,8 Mg/m³). Jako dodatki stopowe stosuje się: alumi­nium, cynk, mangan, krzem, cer, cyrkon i metale ziem rzadkich (ZR). Trzy ostatnie dodatki poprawiają wytrzymałość w podwyższonych tempe­raturach.

Nikiel jest metalem cięższym od żelaza (q = 8,9 Mg/m³), ale jego tempera­tura topnienia jest nieco niższa niż żelaza i wynosi 1452°C. Krystalizuje w sieci A\ o parametrze a = 0,35238 nm. Nikiel cechuje duża odporność na korozję (stąd jego zastosowanie do galwanicznego pokrywania żelaza). Własności wytrzymałościowe niklu w stanie wyżarzonym są następujące: R_m = 440 MPa, R_g = 150 MPa, A₁₀ = 45%, 90 HB. Może być znacz­nie umocniony przez zgniot. Nikiel stosuje się głównie jako pierwiastek stopowy do stali i innych stopów metali. Wytwarza się również stopy na osnowie niklu, np. z miedzią lub chromem, a także stopy wieloskładnikowe. Nikiel otrzymuje się metodą elektrolityczną, karbonylkową lub ogniową jako hutniczy. Klasyfikacja gatunków niklu do obróbki plastycznej i prze­tapiania jest ujęta w normach, odpowiednio PN-79/H-82180 i PN-79/H-82181. 

Stopy niklu Stopy z miedzią (tzw. monele) są głównie stosowane jako stopy od­porne na korozję. Można je poddawać obróbce plastycznej na zimno i go­rąco, a także spawać. Monele zawierają 20 - 40% Cu i niewielkie dodatki żelaza i manganu. Mają wysokie własności wytrzymałościowe (R_m do 700 MPa) i antykorozyjne, które zachowują aż do temp. 500°C. Są stosowane na łopatki turbin parowych oraz elementy aparatury chemicznej, a także jako druty oporowe i do wytwarzania wyrobów galanteryjnych. Do moneli odlewniczych wprowadza się niewielki dodatek krzemu, który popra­wia ich lejność. Stopy z miedzią i cynkiem mają barwę podobną do sre­bra i dlatego nazywa się je nowymi srebrami (argentan, alpaka). Zawie­rają 20 - 30% Ni, 45 - 60% Cu i 20 - 35°/o Zn. Znalazły zastosowanie do wyrobu galanterii, przedmiotów ozdobnych i sztućców. Stopy z chromem, zwane nichromami, są żarowytrzymałe. Oprócz niklu zawierają 10H-20%Cr, 10 - 0% Fe i 2 - 4% Mn. Są stosowa­ne głównie na elementy grzewcze pieców. Podobnie wieloskładnikowymi stopami niklu są nimoniki, stosowane także jako sto­py żarowytrzymałe m.in. do wyrobu łopatek turbin gazowych. Z innych stopów niklu na uwagę zasługuje stop alumel o składzie NiA12Mn2Sil, który jest stosowany do wyrobu drutu termoparowego. Drut ten wraz z chromelem (NiCrlO) tworzy termopary powszechnie stosowane do pomiaru temperatury w zakresie do ok. 1100°C. Inną popularną kom­binację drutów termoparowych daje nikiel wraz z nichromem. Poza wymienionymi specjalnymi zastosowaniami niklu jest on po­wszechnie wykorzystywany jako pierwiastek stopowy stali.

Tytan, podobnie jak aluminium i magnez, można zaliczyć do metali lekkich (q = 4,507 Mg/m³). Biorąc pod uwagę jego własności, takie jak: dość duża wytrzymałość i plastyczność, mały ciężar właściwy, odporność na korozję, a poza tym jego dużą zawartość w skorupie ziemskiej, należy uważać tytan za metal przyszłościowy. Produkcja tytanu na skalę przemysłową rozpoczęła się dość późno, bo dopiero w latach pięćdziesiątych, pomimo odkrycia go już w XVIII w. Powodem były duże trudności techniczne przy otrzymywaniu tego me­talu, spowodowane jego znacznym powinowactwem chemicznym do tle­nu, azotu, wodoru i węgla. Wytwarza się go różnymi metodami, np. jodkową lub redukcji czterochlorku tytanu za pomocą magnezu. Pierwsza daje metal o wyższej czystości (99,9%), ale druga ze względu na mały koszt jest stosowana na skalę przemysłową. Otrzymana w wyniku reduk­cji gąbka tytanowa jest przetapiana w piecach próżniowych i łukowych, w których elektrodę stanowi sprasowana gąbka tytanowa. Tytan ma dwie odmiany alotropowe: a — o sieci heksagonalnej — A3 (a = 0,295 nm i c/a = 1,59) i β o sieci RPC — A2 (a = 0,328 nm). Temperatura przemiany alotropowej wynosi 882°C, temperatura topnie­nia 1668°C i wrzenia 3260°C. Własności mechaniczne technicznie czystego tytanu są następujące: R_m = ok. 550 MPa, A₁₀ = 27%. Jest odporny na korozję atmosferyczną, w wodzie morskiej i kwasach organicznych. Nie jest odporny na działanie HF, H₂SO₄, HNO3. Nie utlenia się do temp. 200°C. Dopiero w wyższych temperaturach tytan pochłania gazy (N, O, H) i jego własności plastyczne ulegają obniżeniu. Obróbkę plastyczną tytanu należy prowadzić w atmosferze ochronnej. Jest stosowany w postaci blach, rur, drutu i prętów, przede wszystkim w przemyśle lotniczym i rakietowym. 

Stopy tytanu. 

Głównymi dodatkami stopowymi tytanu są: Al, Sn, Mo, V, Mn, Fe, Cr, przy czym aluminium występuje prawie zawsze w ilości 3 - 6°/o. Pierwia­stki stopowe, rozpuszczając się w tytanie, zwiększają jego wytrzymałość, przy czym największy efekt umacniający dają Fe, Cr i Al. Wpływają również na położenie temperatury przemiany alotropowej. Niektóre, np. Cr, Mn, Fe, Al, wykazują ograniczoną rozpuszczalność i tworzą związki międzymetaliczne, umożliwiając utwardzanie wydzieleniowe stopu, jednak efekt jest niewielki.

 

Metale te są trudno topliwe i ciężkie. Mają sieć A2, bez odmian alotropowych. Wolfram topi się w temp. 3380°C, molibden — w 2620°C. Gęstość wolframu wynosi 19,3 Mg/m³, molibdenu 10,2 Mg/m³. Wolfram osiąga bar­dzo wysoką wytrzymałość, dochodzącą w stanie umocnionym przez zgniot do 4200 MPa, molibden — do 2500 MPa. Temperatura rekrystalizacji tych metali jest wysoka, dzięki czemu wykazują dobrą odporność na pełzanie do ok. 1000°C. Dalsze zwiększanie temperatury rekrystalizacji następuje po wprowadzeniu dodatków, np. tlenku toru do wolframu, a do molibde­nu cyrkonu lub tytanu (w ilości 0,5%). Wadą wolframu i molibdenu jest duża skłonność do utleniania; tlen­ki molibdenu są lotne i nie zabezpieczają przed dalszym utlenianiem. Od­porność na utlenianie można zwiększyć stosując powłoki dyfuzyjne z Al lub Si. Metale trudno topliwe wytwarza się metodą metalurgii proszków. Ob­róbkę plastyczną — walcowanie lub ciągnienie przeprowadza się na go­rąco. Z wolframu wytwarza się włókna lamp żarowych i do zbrojenia kom­pozytów (borsic), elementy grzewcze pieców, lamp elektronowych i aparatów, anody lamp rentgenowskich. W postaci blach jest stosowany w budowie rakiet i samolotów naddźwiękowych na osłony powierzchni narażonych na silne tarcie o powietrze (np. krawędzi skrzydeł). W formie odkuwek jest używany na dysze silników odrzutowych. Bardzo szerokie zastosowanie znalazł wolfram jako dodatek stopowy do stali i stopów specjalnych oraz do wytwarzania węglików spiekanych. Molibden jest stosowany na elementy grzewcze pieców i włókna ża­rówek oraz jako dodatek stopowy do stali. W piecach (molibdenowych można wytwarzać temp. do 2000°C, ale muszą pracować w próżni lub w atmosferze ochronnej (np. argonu lub wodoru). Duże zastosowanie zna­lazły związki molibdenu, np. dwusiarczek molibdenu, jako środek smarow­niczy do temp. 400°C, zaś tlenek jako barwnik (błękit molibdenowy). Przez spojenie drutu wolframowego z molibdenowym można uzyskać termoparę do pomiaru wysokich temperatur.

Do metali szlachetnych zalicza się złoto, srebro, platynę oraz platynowce: ruten, rod, pallad, osm i iryd, przy czym Ru, Rh, Pd należą do lekkich (q » 12 Mg/m³), a Os, Ir, Pt do ciężkich (g k 22 Mg/m³). Złoto i srebro znalazły zastosowanie głównie w jubilerstwie, nato­miast pozostałe w technice. Wszystkie metale szlachetne wykazują dobrą odporność korozyjną w atmosferze powietrza i wilgoci. Srebro, złoto i pla­tyna nie utleniają się, Au i Pt są również odporne na działanie wszystkich kwasów, a rozpuszczają się jedynie w wodzie królewskiej. Złoto krystalizuje w sieci Al, topi się w temp. 1063°C. Jego gęstość wynosi 19,3 Mg/m³. Jest bardzo plastyczne, a jednocześnie miękkie (ok. 20 HB). Można z niego wytworzyć folię o grubości 10~⁴ mm. Ze względu na małą twardość i odporność na ścieranie rzadko jest stosowane w stanie czystym. Najczęściej jako dodatki stopowe stosuje się Cu lub Cu + Ag. Miedź wywołuje znaczne utwardzenie złota, obniżając jednak jego od­porność korozyjną. Dla oznaczenia złota w stopach stosuje się próby wskazujące na jego zawartość w promilach. W Polsce są stosowane następujące próby: 960 — 1 próba, 750 — 2 próba, 583 — 3 próba, 500 — 4 próba, 375 — 5 próba, a ponadto próba 333 tylko na obrączki ślubne. W celu nadania złotu odpowiedniej barwy wprowadza sią różne do­datki stopowe, np. dodatek palladu lub niklu i cynku daje złoto białe, miedź — odcień czerwony, aluminium — purpurowy, srebro z kadmem — zielony, żelazo — niebieski. Oprócz zastosowania w jubilerstwie, złoto jest używane w dentystyce, w elektronice (do powlekania styków elektry­cznych), na medale i monety. Srebro krystalizuje w sieci Al. Temperatura topnienia wynosi 960°C, gęstość 10,5 Mg/m³. Cechuje się dobrym przewodnictwem cieplnym i elek­trycznym y — 62,9 • 10⁸ S/m. Twardość — ok. 26 HB. Srebro jest odporne na wiele zasad i kwasów organicznych. W stanie czystym srebro stosuje się w elektronice do galwanicznego pokrywania innych metali. W jubilerstwie znalazły zastosowanie stopy srebra o następujących próbach: 1 — 916, 2 — 875, 3 — 800 i 4 — 750. Stopy srebra są używane do wyrobu medali, monet, przedmiotów galan­teryjnych, naczyń, sztućców itp., a w postaci związków AgBr i AgCl w przemyśle fotochemicznym (klisze, papier światłoczuły). Platyna krystalizuje w sieci Al, topi się w temp. 1769°C. Należy do metali ciężkich (g = 21,5 Mg/m³), a twardość ma znacznie wyższą niż Au i Ag (ok. 50 HB). Znalazła największe zastosowanie w technice, chociaż jest również stosowana w jubilerstwie. Stosuje się ją do wyrobu tygli, elektrod, termopar, uzwojeń grzewczych piecyków laboratoryjnych, dysz do wytwa­rzania sztucznych włókien, oraz w chemii jako katalizator przy syntezie amoniaku. Stop Pt z Rh stosuje się na elementy grzewcze pieców oraz termopary (np. Pt-PtRhlO). Dodatek irydu do platyny zwiększa jej twar­dość (stop na międzynarodowe wzorce metra i kilograma).

---