Vlastnosti kovů a jejich slitin možnosti jejich identifikace Ing. Alena Selucká Vlastnosti kovů • dobrá elektrická a tepelná vodivost • kovový lesk • tvárné (kujné) v tuhém stavu • v tekutém stavu je možné je odlévat do forem • v roztoku vytvářejí kladně nabité ionty (korodují) Krystalová struktura kovů fcc – face centred cube (Au, Pb, Cu, Al, ……) bcc – body centred cube (W, Cr, V, Mo) Hexagonal (Zn, Cd, Ti) Elektronový mrak – kovová vazba Kovová vazba vytváří velmi pevnou soudržnost kovových iontů a tím PEVNOST KOVU. Struktura kovů růst krystalů z taveniny kovu feritická struktura - nízkouhlíkové svářkové železo různá orientace krystalických mřížek v polykrystalické látce Mikrostruktura kovů – poruchy mřížky Bodová porucha - vakance Čarová porucha - dislokace Bodová porucha – interstice (intersticiální atom) Vady ve struktuře kovů způsobují deformace v krystalové mřížce Slitiny kovů • Slitiny kovů jsou soustavy tvořené základním kovem (označ. A) a přidanými prvky (označ. B, C, D apod.). Cílem je dosáhnout požadované kombinace vlastností (např. tvárnost, kujnost / pevnost, tvrdost): – Kombinace dvou kovů (popř. dalších složek): Cu + Sn (bronz), Cu + Zn (mosaz), Sn + Pb (pájka) – Kombinace kovu a nekovového prvku: Fe + C (ocel, litina), (+ Cr, Ni) nerez ocel – Kov + rtuť: amalgám (amalgám zlata, stříbra) • Fázové změny ve slitinách kovů popisují rovnovážné diagramy slitin kovů (přechod látek ze stavu kapalného – likvidu do stavu pevnéhosolidu; tuhnutí probíhá v různých fázích) Klasifikace fází v kovových soustavách • Tuhé roztoky – krystalická fáze, tvořená dvěma nebo více složkami, s jednou krystalovou mřížkou; jedna složka si ponechává svou krystalovou stavbu a atomy druhé složky se v ní rozpouštějí – substituční nebo intersticiální tuhé roztoky • Intermediální fáze – vznikají při překročení vzájemné rozpustnosti základového kovu a legujícího prvku, mají povahu chemických sloučenin (označ. AxBy); pokud prvek B je kov = intermetalika; mají odlišné fyz. a mechan. vlastnosti, např. ZnS, karbidy, nitridy, boridy, Slitiny kovů - jednofázové Slitiny kovů - vícefázové Rovnovážný fázový diagram Cu-Ag α1 α2α1 – tuhý roztok bohatý na Cu α2 – tuhý roztok bohatý na Ag Slitiny kovů – uspořádané tuhé roztoky intermediální fáze Tvar zrn Různé kovy a různé typy krystalové mřížky kovu tvoří typický tvar zrn Velikost zrn Kovy mají zrna o velikosti od 1 μm až do 100 μm Materiál s jemnozrnnou strukturou má vyšší pevnost a lepší tažnost oproti materiálu s hrubozrnnou strukturou. Požadované velikosti zrna lze dosáhnout: • Tepelným zpracováním (např. žíháním) • Tvářením za tepla (válcováním) • Legováním (např. manganem v oceli) Studium mikrostruktury kovům metalografie Ze zkoumaného materiálu oddělen vzorek : • Zalit do pryskyřice • Na jedné straně vybroušena plocha a následně vyleštěna. • Vyleštěná plocha naleptána vhodným přípravkem => získaný výbrus posuzován metalografickým mikroskopem Struktura nízkouhlíkového železa Struktura šedé litiny Průzkum • Meč románský, bez pochvy, počátek 12. století, Z 184 celková délka 1030 mm, délka čepele 945 mm, délka záštity 245 mm Průzkum: RTG • Meč románský, bez pochvy, počátek 12. století, Z 184 Damascenský vzor ve středové části čepele Průzkum: metalografie • Meč románský, bez pochvy, počátek 12. století, Z 184 Průzkum: rekonstrukce technologie • Meč románský, bez pochvy, počátek 12. století, Z 184 Konzervování-restaurování • Meč románský, bez pochvy, počátek 12. století, Z 184 Identifikace kovů • Barva kovů • Barva korozních produktů • Magnetické vlastnosti (Fe, Ni, korozní produkty) • Hustota • Chemické kapkové testy (chemical spot tests) • Analytické metody identifikace (XRF, SEM-EDS, XRD, metalografie a další) • Výrobní techniky (tváření/odlévání, obrábění, spojování, povrchová úprava) značení, výrobní značky, puncy, ČSN … Barva kovů Barva korozních produktů • Al: bez barvy nebo bílá • Cu: Cu(I) - červeno černá, bez barvy; Cu(II) - zelená, modrá (žlutá) • Zlato: bez barvy • Železo: Fe(I,II) – černá; Fe(III) – červená, oranžová • Olovo: bílá, červená, žlutá • Nikl: zelená (žlutá) • Stříbro: černá, bílá • Cín: černá, bílá • Zinek: bez barvy, bílá Barva korozních produktů kovů Cu-Sn, ušlechtilá patina Cu-Sn – bez korozních produktů Cu-Sn, divoká patina – aktivní koroze Fe – aktivní korze Fe-litina, stabilní patina Au – bez koroze Aktivní korze: čerstvé/nové korozní produkty, zpráškovatěné, odpadávající od povrchu (např. chloridová korze železa, nemoc bronzu, koroze olova) Spot - test Instrumentální metody analýzy • Elementární analýzy – chemické složení prvků (XRF, SEM- EDS,…) Element Wt [%] Ag 89,18 Cu 7,51 Pb 1,27 Zn 1,45 Au 0,59 Analýza galvanického zlacení na železné desce metodou SEM-EDS Au Ni Fe Instrumentální metody analýzy • Strukturní – fázová analýza (metalografie, RTG difrakce) Hustota kovů (g.cm-3) (hmotnost na vzduchu) x (hustota kapaliny) Hustota předmětu = (hmot. na vzduchu) – (hmot. v kapalině) Voda – 0,998 g/cm3 Ethanol – 0,789 g/cm3 Magnetické vlastnosti • Fe, Ni, Co – silně magnetické kovy (některé slitiny těchto kovů mohou magnetické vlastnosti ztrácet např. 34Cu-66Ni (Monelův kov) zahřátím na vyšší teplotu Korozní produkty železe jsou nemagnetické, kromě magnetitu Fe2O3 Většina neželezných kovů (kromě Ni, Co) jsou nemagnetickými Tomografie římské náholenice Literatura - metalografie • Orbis pictus 21. století, Metalografie- vnitřní stavba kovů a slitin webové stránky: slideplayer.cz/slide/3320440/ • Selwyn L.: Metals and Corrosion, A Handbook for the Conservation Professional, Canadian Conservation Institute, 2004, str. 5 – 10. • Konzervování a restaurování kovů, Ochrana předmětů kulturního dědictví z kovů a jejich slitin, Technické muzeum v Brně, 2011, str. 104 – 117.