Stopy metali – ich właściwości i zastosowanie

Większość metali nie jest używana przez nas w postaci czystej, lecz jako stopy, których co najmniej jednym składnikiem jest metal. Dzieje się tak, ponieważ czyste metale rzadko mają właściwości dostosowane do potrzeb, a można je łatwo poprawić, stosując różnorakie dodatki.

Własności fizyczne metalu, takie na przykład jak wytrzymałość, twardość, temperatura topnienia czy przewodność elektryczna i cieplna, zależą od jego struktury krystalicznej. Ta zmienia się zaś, gdy dodajemy doń domieszki. Powstały w procesie mieszania stop ma strukturę różną od struktur swoich składników, różne są także jego własności fizyczne. Niektóre stopy zawierają substancje niemetaliczne, jak węgiel, krzem czy fosfor, lecz większość składa się wyłącznie z metali. Jednym z najbardziej popularnych stopów jest stal - stop żelaza i węgla. Stale stopowe natomiast są stopami stali z innymi pierwiastkami, przykładowo chromem, niklem, krzemem czy manganem. Zmieniają one strukturę stali tak, że możliwe jest poddawanie jej różnym procesom pozwalającym nadać jej pożądaną twardość, sprężystość i wytrzymałość.

Obecnie stale stopowe wytwarzane są w wielkiej różnorodności gatunków. Zmienia się nie tylko substancje dodawane do stali, ale także sposoby obróbki cieplnej, by uzyskać materiał o pożądanych własnościach. Stal manganowa zawiera na przykład około 1% węgla i 11 do 14% manganu. Używa się jej do wytwarzania elementów narażonych na wzmożone ścieranie, przykładowo zębów do łyżek koparek.

Typowa stal nierdzewna, znana jako 18-8, składa się z żelaza oraz 18% chromu, 8% niklu oraz 0,08% węgla. Inne odmiany stali nierdzewnej zawierają od 12 do 30% chromu, często wraz z mniejszymi ilościami innych metali, jak nikiel, molibden czy miedź. Stopy te są szeroko stosowane w przemyśle oraz w wyrobach codziennego użytku. Wykonuje się z nich łożyska kulkowe, instalacje w fabrykach chemicznych, łopatki turbin, zlewozmywaki i sztućce.

Kolejną grupę stanowią stopy na bazie miedzi, które obejmują brąz, mosiądz oraz stopy miedziowo-niklowe. Brąz jest najstarszym znanym stopem. Pierwotnie składał się z 75% miedzi oraz 25% cyny. Dzisiaj nazwa brąz odnosi się do szerokiej gamy stopów na bazie miedzi, zawierających różne dodatki, a niekiedy zupełnie nie zawierających cyny. Spośród najważniejszych odmian brązu należy wymienić fosforobrązy, wytwarzane przez dodanie do 0,5% fosforu do brązu o zawartości 85-90% miedzi. Przy zawartości fosforu nie większej niż 0,3% stop jest sprężysty i niemagnetyczny. Te własności decydują o jego szerokim zastosowaniu w przekaźnikach elektromagnetycznych. Styki wykonane z takiego stopu łatwo złączyć, a jako że nie ulegają namagnesowaniu, po ustaniu działania siły ściskającej łatwo się rozłączają, przerywając przepływ prądu w obwodzie. Gdy zawartość fosforu jest wyższa od 0,3% to stop staje się znacznie twardszy, wskutek powstawania w nim fosforku miedzi. Ta twarda forma fosforobrązu jest z kolei używana do wytwarzania łożysk w silnikach.

Brąz aluminiowy, czyli brązal, jest stopem miedzi i aluminium, często z niewielkim dodatkiem innych metali, na przykład niklu, żelaza lub manganu. Mimo że nazywany brązem, stop ten zwykle nie zawiera w ogóle cyny. Brązal jest tak wytrzymały, jak miękka stal i cechuje się doskonałą odpornością na korozję, w tym także na działanie rozcieńczonych kwasów. Wytwarza się zeń śruby okrętowe, elementy hydrauliki siłowej oraz elementy instalacji przemysłu chemicznego, jak kwasoodporne zbiorniki i pompy.

Następnym, dzisiaj często zastępowanym stopem jest mosiądz, czyli stop miedzi i cynku, łączonych ze sobą w różnych proporcjach. Do tego podstawowego składu dodaje się często inne metale, przykładowo cynę, ołów i aluminium. Dawniej instrumenty pomiarowe, wagi, odważniki i tym podobne wykonywano z mosiądzu, często lakierując powierzchnię w celu zapobiegania matowieniu. Dziś mosiądz został zastąpiony stalą nierdzewną i innymi stopami.

Ostatnimi, najmłodszymi stopami, są stopy aluminium. Ich wytwarzanie zaczęto w XX wieku. Nadające się do odlewania stopy aluminium zawierają do 15% krzemu oraz niewielkie dodatki metali, takich jak cynk, miedź, żelazo, nikiel i mangan. Z tych lekkich stopów odlewane są bloki cylindrów, inne elementy silników spalinowych, a także elementy kadłubów samolotów.

Stopy aluminium nadające się do kształtowania w trakcie takich procesów jak kucie, walcowanie lub ciągnięcie zawierają około 7% magnezu i około 1% manganu. Bardzo wytrzymałe stopy z tej grupy, używane w przemyśle lotniczym zawierają 5% cynku i mniejsze ilości miedzi, magnezu i manganu.

Jednym z najistotniejszych odkryć w metalurgii stopów aluminium było wynalezienie procesu utwardzania wydzieleniowego. Po raz pierwszy zwrócił nań uwagę niemiecki metalurg dr Alfred Wilm. W roku 1909 przeprowadza! on eksperymenty ze stopem aluminium zawierającym 3,5% miedzi oraz 0,5% magnezu. Próbował zwiększyć twardość stopu, poddając go różnym formom obróbki cieplnej, między innymi podgrzewając go w temperaturze około 500^oC i zanurzając do wody w celu szybkiego ostudzenia.

Działania te nie dały efektów natychmiastowych, lecz kilka dni później dr Wilm stwierdził, że metal stał się dużo twardszy, mimo że nie poddawano go później żadnym procesom. Na wytłumaczenie tego zjawiska trzeba było trochę poczekać, lecz technologia produkcji w końcu została opracowana i będący jej owocem lekki i wytrzymały stop, znany jako duraluminium, został szybko zastosowany przy produkcji sterowców i samolotów. Dziś stopy tego rodzaju używane są również w przemyśle kosmicznym. Skład ich zmienia się, ale zwykle zawierają one, oprócz aluminium, 3,5-4,5% miedzi, po 0,4-0,7% magnezu i manganu oraz do 0,7% krzemu.
Naukowcy nieustannie badają różne tworzywa w poszukiwaniu nowych, i bardziej wytrzymałych materiałów. Dzisiejszy rozwój w przemyśle metalurgicznym doprowadził do powstania wielu pożytecznych tworzyw, których właściwości i zastosowanie wymieniłem wyżej. Dzięki takim odkryciom możliwy jest rozwój wielu innych dziedzin nauki i przemysłu, który, mam nadzieję, będzie rozwijał się w przyszłości i doprowadzi do poprawienia naszego komfortu życia.