Vrste i svojstva metala
Uvod
Otkriće metala, obrada i njegovo korištenje značajno je za razvoj ljudske civilizacije.
Za razliku od kamenog doba gdje čovjek nije poznavao metale, u metalnom dobu čovjek izrađuje oružje, oruđe i različite predmete. Metalno doba dijeli se na tri razdoblja. Tako danas možemo razlikovati ‘bakreno doba, ‘brončano doba’ i ‘željezno doba’, razdoblja u povijesti kada su ljudi otkrivali nove načine obrade metala i koristili ih za različite svrhe.
Danas metale susrećemo u svim oblicima u našoj okolini. Kroz metalurgiju (znanost koja se bavi dobivanjem, preradom i proučavanjem metala) možemo ih u potpunosti upoznati i proučiti njihova svojstva.
U Hrvatskoj se metalurgija može studirati na Metalurškom fakultetu Sveučilišta u Zagrebu koji se nalazi u Sisku.
Proizvodnja metala
Danas je na Zemlji poznato 112 elemenata, od tog broja 17 su nemetali, 7 su polumetali, a svi ostali su metali. Metali se u prirodi nalaze u kemijskim spojevima s drugim elementima, a te spojeve nazivamo rude.
Metali su neprozirni i metalnog sjaja. Zajedničko svojstvo svih metala (osim žive) jest da su na sobnoj temperaturi u čvrstom stanju. Dobro provode toplinu i električnu struju.
Živa je poznata od davnih vremena. To je sjajni, srebrno bijeli metal. Pri sobnoj temperaturi je tekućina. Loše vodi toplinu i električnu struju. Koristi se u liječničkim termometrima. Živin termometar sastoji se od uske zatvorene staklene cjevčice koja je na jednom kraju (dnu) proširena i tu je smještena živa. Cijev je na drugom kraju zatvorena te iznad žive nema zraka.
VAŽNO! Živin toplomjer ne koristite bez nadzora jer je živa vrlo otrovna. Iz tog razloga danas se češće koriste digitalni toplomjeri.
Zbog svojih dobrih svojstava mnogi metali se upotrebljavaju u čistom stanju. Kako bi se poboljšala njihova svojstva metali se često miješaju s drugim metalima ili nemetalima te tako nastaju legure ili slitine.
Neke od najpoznatijih slitina su:
- čelik
- bronca
- bijelo zlato
- nordijsko zlato
- mjed.
Zanimljivost!
Nordijsko zlato je legura koja se rabi za izradu medalja ili kovanica. Kovanice EU od 10, 20 i 50 centi načinjene su od nordijskog zlata. Zanimljivo je da unatoč nazivu zlato nije sastojak ove legure, nego: bakar, aluminij, cink i kositar.
Najviše legura ima željezo, a njegova najpoznatija legura je čelik. Željezo se dobiva preradom željezne rude u visokoj peći. Visoka peć izrađena je od čelika i obložena je vatrostalnom opekom. Puni se pročišćenom i usitnjenom željeznom rudom, koksom i dodatcima koji pospješuju odvajanje željeza iz rude topljenjem na temperaturi do 1800 °C.
Proizvodi visoke peći su sirovo željezo, troska i različiti plinovi. Na dnu peći odvaja se sirovo željezo, a na površini pliva troska.
Troska je sporedni proizvod visoke peći koji se upotrebljava kao dodatak pri proizvodnji cementa, opeke i kao izolacijski materijal.
Podjela metala
Metali se dijele na crne i obojene metale. Obojeni metali dijele se na lake, teške i plemenite metale.
Zlato više nije najtraženiji plemeniti metal, prestigao ga je paladij koji je trenutno najskuplji plemeniti metal na tržištu.
Paladij je sjajni, sivobijeli kovki i žilavi metal. Paladij odolijeva hrđi te se zbog toga koristi u visokokvalitetnim liječničkim instrumentima. Također se upotrebljava pri izradi nakita, u medinini, elektronici i automobilskoj industriji.
Svojstva metala
Osnovna svojstva metala mogu biti:
Mehanička svojstva
čvrstoća, tvrdoća,
žilavost (plastičnost),
elastičnost
Fizikalna svojstva
gustoća, električna vodljivost, toplinska vodljivost, magnetska svojstva itd.
Kemijska svojstva
otpornost na kiseline,
lužine i koroziju,
vatrootpornost itd.
Tehnološka svojstva
sposobnost kovanja, valjanja, lijevanja i zavarivanja, lemljenje, obrada rezanjem itd.
Mehanička svojstva metala
Mehanička svojstva metala su:
- čvrstoća
- tvrdoća
- žilavost
- elastičnost.
Čvrstoća je otpor koji pruža metal opterećen rastezanjem ili sabijanjem.
Metal se napreže zbog čega u nekoj konstrukciji može doći do loma. Poznavanje čvrstoće metala važno je i zbog njegove obrade rezanjem.
Zanimljivost!
Leonardo da Vinci početkom 16. stoljeća ispitivao je čvrstoću materijala tako što je na tanku žicu objesio posudu u koju je ulijevao pijesak. Bila su to prva značajna otkrića o čvrstoći materijala.
Tvrdoća je otpor koji površina metala pruža prodiranju nekog znatno tvrđeg tijela. Želimo li ispitati tvrdoću metala tako da pritom ne oštetimo njegovu površinu, to ćemo napraviti tako da mjerimo odskok kuglice.
Postoji nekoliko načina određivanja tvrdoće metala. Primjerice, na površinu se utiskuje mala čelična kuglica pa se pod mikroskopom mjeri veličina otiska. Umjesto kuglice može se utiskivati mali stožac. Problematično je što se pri takvom ispitivanju oštećuje površina metala.
Žilavost (katkad se naziva i plastičnost) svojstvo je metala da se djelovanjem sile trajno oblikuje. Ako ispitujemo koji je metal žilaviji npr. aluminij ili bakar, učinit ćemo to brojanjem presavijanja do loma.
Suprotnost žilavosti jest krtost. Krti metal lomi se savijanjem već pri malim opterećenjima i pri slabim udarcima bez da mijenja oblik.
Elastičnost je svojstvo metala da mijenja oblik djelovanjem sile i da nakon prestanka djelovanja sile opet poprima prethodni oblik.
Ispitujemo li koji je metal elastičniji, npr. aluminij ili čelik, učinit ćemo to mjerenjem veličine savijanja.
Zanimljivost!
Paučina je prirodni materijal čija je čvstoća pet puta veća od čvrstoće čelične žice uz uvjet da se uspoređuju uzorci jednake mase.
Ostala svojstva metala
Kovkost ili sposobnost kovanja metala svojstvo je plastične obrade metala u toplom ili hladnom stanju. Ručno kovanje metala udarcima čekića po užarenom komadu metala na nakovnju jedno je od najstarijih zanimanja.
Limovi se danas proizvode isključivo valjanjem u valjaonicama. Komadi metala u toplom stanju provlače se između valjaka kako bi im se smanjila debljina.
Sposobnost lijevanja metala svojstvo je pri kojemu se metal u rastaljenom stanju ulijeva u kalup čiji oblik poprima.
Vatrootpornost je svojstvo metala da ne gubi mehanička svojstva na visokim temperaturama. Metali otporni na visoke temperature nazivaju se vatrostalni metali, a odlikuju se visokom temperaturom taljenja (visokim talištem) i velikom gustoćom. Najpoznatiji vatrostalni metali su volfram, molibden i tantal. Postoje i lako zapaljivi metali kao što su magnezij, natrij itd.
Zavarivanje je svojstvo koje opisuje mogućnost zavarivanja nekog metala. Pri zavarivanju se rastali površina metala, najčešće čelika.
Mjesto spajanja naziva se var. Zavarivanjem se ostvaruje vrlo čvrst nerastavljivi spoj. Razlikuju se plinsko i elektrolučno zavarivanje.
Zanimljivost!
Plamen pri plinskom zavarivanju ima temperaturu 3200 °C, a električni luk pri elektrolučnom zavarivanju na mjestu dodira s materijalom ima temperaturu 4200 °C.
Postupci zaštite metala
Korozija je štetno trošenje metala uslijed kemijskog djelovanja okoliša. U kemijskom smislu nema razlike između korozije i hrđe. Razlika je u tome što se hrđa odnosi na štetno trošenje čelika, a korozija se odnosi na sve metale.
Oksidacija na površini obojenih metala stvara sloj koji se zove patina.
Patina štiti obojene metale od daljnje korozije pa za obojene metale kažemo da su otporni na koroziju. Oni koji su naročito otporni na koroziju zovu se plemeniti metali (zlato, srebro, platina, osmij).
Čelik se od hrđe štiti na tri načina:
- metalnim prevlakama - presvlačenjem olovom, cinkom, kositrom, itd
- bojanjem - olovnim bojama od kojih je najpoznatija minij
- premazivanjem raznim uljima i mastima.
Svakih sedam godina Eiffelov toranj premazuje se sa 50 tona antikorozivne troslojne boje. Boja se periodično mijenja. Na prvom katu su interaktivne konzole na kojima se može vidjeti koja boja će se upotrijebiti u budućim premazima.
Eiffelov toranj građen je od čelika, što je slitina željeza i ugljika, koji se širi na toplijim temperaturama. Iz tog razloga je Eiffelov toranj viši na ljeto nego što je zimi.