Metale i ich stopy

Metale to pierwiastki chemiczne charakteryzujące się obecnością w sieci krystalicznej elektronów swobodnych. Stopy metali to mieszaniny przynajmniej dwóch metali, które posiadają inne właściwości niż dane metale.

Stopy są związkami metalicznymi składającymi się z jednego metalu i jednego lub więcej elementów metalowych lub niemetalowych.

Przykłady popularnych stopów:

• Stal: połączenie żelaza (metalu) i węgla (niemetalu)
• Brąz: połączenie miedzi (metal) i cyny (metal)
• Brass: mieszanina miedzi (metal) i cynku (metal)

Właściwości metali i stopów

Poszczególne czyste metale mogą mieć użyteczne właściwości, takie jak dobra przewodność elektryczna, wysoka wytrzymałość i twardość lub odporność na ciepło i korozję. Komercyjne stopy metali próbują połączyć te korzystne właściwości, aby stworzyć metale bardziej przydatne do konkretnych zastosowań niż którykolwiek z ich elementów składowych.

Stal, na przykład, wymaga odpowiedniego połączenia węgla i żelaza (około 99% żelaza i 1% węgla), aby uzyskać metal, który jest mocniejszy, lżejszy i bardziej przydatny do użytku niż czyste żelazo.

Dokładne właściwości nowych stopów są trudne do obliczenia, ponieważ elementy nie tylko łączą się, aby stać się sumą części. Powstają one w wyniku oddziaływań chemicznych, które zależą od części składowych i konkretnych metod produkcji. W związku z tym, przy opracowywaniu nowych stopów metali konieczne jest przeprowadzenie wielu badań.

Temperatura topnienia jest kluczowym czynnikiem w tworzeniu stopów metali. Galinstan, niskotopliwy stop zawierający galu, cyny i indu, jest cieczą w temperaturze powyżej -19 °C, co oznacza, że jego temperatura topnienia jest 50 °C niższe niż czystego galu i więcej niż 100 °C poniżej indu i cyny.

Galinstan to przykład eutektycznych stopów o najniższej temperaturze topnienia spośród wszystkich kombinacji stopów zawierających te same pierwiastki.

Skład metali

Tysiące kompozycji stopowych jest w regularnej produkcji, a nowe kompozycje są opracowywane każdego roku.

Przyjęte standardowe kompozycje zawierają poziomy czystości elementów składowych (na podstawie zawartości wagowej). Skład, jak również właściwości mechaniczne i fizyczne wspólnych stopów, są standaryzowane przez organizacje międzynarodowe, takie jak Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna (ISO), SAE International i ASTM International.

Produkcja stopów metali

Niektóre stopy metali występują w sposób naturalny i wymagają niewielkiej obróbki w celu przekształcenia ich w materiały przemysłowe.

Żelazostopy, takie jak żelazochrom i żelazokrzem, są produkowane w procesie wytapiania mieszanych rud i są wykorzystywane do produkcji różnych rodzajów stali.

Jednak błędem byłoby sądzić, że metale stopowe to prosty proces. Na przykład, gdyby po prostu zmieszać stopione aluminium z roztopionym ołowiem, okazało by się, że oba te procesy dzieliłyby się na warstwy, podobnie jak olej i woda.

Komercyjne i handlowe stopy zazwyczaj wymagają większej obróbki i najczęściej powstają w wyniku mieszania stopionych metali w kontrolowanym środowisku.

Procedura łączenia stopionych metali lub mieszania metali z niemetalami różni się znacznie w zależności od właściwości stosowanych elementów.

Ponieważ elementy metalowe charakteryzują się dużymi różnicami w tolerancji na ciepło i gazy, czynniki takie jak temperatury topnienia metali składowych, poziomy zanieczyszczeń, środowisko mieszania i procedura tworzenia stopów są głównymi czynnikami decydującymi o powodzeniu procesu tworzenia stopów.

Podczas gdy elementy takie jak metale ogniotrwałe są stabilne w wysokich temperaturach, inne zaczynają wchodzić w interakcję ze swoim środowiskiem, co może mieć wpływ na poziom czystości i ostatecznie na jakość stopu.

Często w takich przypadkach, stopy pośrednie muszą być przygotowane w celu przekonania elementów do łączenia.

Na przykład, stop 95,5% aluminium i 4,5% miedzi jest wykonywany poprzez przygotowanie najpierw 50% mieszanki tych dwóch elementów. Ta mieszanka ma niższą temperaturę topnienia niż czyste aluminium lub czysta miedź i działa jak “stop utwardzacza”. Następnie jest ona wprowadzana do stopionego aluminium w tempie umożliwiającym uzyskanie odpowiedniej mieszanki stopowej.