Sakausējums

Ferosilīcijs — dzelzs un silīcija sakausējums

Sakausējums ir augstā temperatūrā iegūts makroskopiski viendabīgs divu vai vairāku izkausētu ķīmisko elementu maisījums. Parasti ar terminu ‘sakausējums’ saprot metāliskas dabas sakausējumus, tādēļ vismaz vienai sakausējuma sastāvdaļai jābūt metālam. Sakausējumos mēdz lietot arī nemetālus, piemēram, oglekli, silīciju un boru. Turklāt sakausējumu komponenti var būt ne tikai metāli vai citi elementi, bet arī ķīmiski savienojumi, visbiežāk metālu karbīdi, piemēram, volframa karbīds vai dzelzs karbīts čuguna un tērauda sastāvā. Sakausējumus nevajadzētu jaukt ar intermetāliskiem savienojumiem, kuriem ir noteikta stehiometrija un kristāliskā struktūra.

Sakausējumi tiek veidoti, lai uzlabotu tīro metālu īpašības, piemēram, mehānisko izturību, korozijas noturību, cietību vai elektrovadītspēju. Tiem ir liela nozīme dažādās nozarēs — būvniecībā, mašīnbūvē, elektronikā, medicīnā un citur, piemēram, tērauds, kas ir dzelzs un oglekļa sakausējums, tiek izmantots ēku, tiltu un mašīnbūves konstrukcijās, savukārt alumīnija sakausējumi to viegluma un izturības dēļ ir nozīmīgi aviācijas un kosmosa tehnoloģijās. Specifisko īpašību dēļ sakausējumi ir neaizstājami arī mūsdienu tehnoloģiju attīstībā, tostarp mikroelektronikas un nanotehnoloģiju jomā.

Klasifikācija

Tēraudu sakausē no dzelzs un oglekļa

Sakausējumus var klasificēt pēc dažādiem kritērijiem, piemēram, pēc to sastāva, struktūras un fizikālajām īpašībām. Klasifikācija palīdz labāk izprast sakausējumu īpašības un to pielietojuma iespējas dažādās nozarēs, sākot no celtniecības un transporta līdz elektronikai un medicīnai.

Pēc to galvenās sastāvdaļas jeb bāzes metāla sakausējumus var iedalīt:

• dzelzs sakausējumos, pie kuriem pieder tērauds un čuguns (tos plaši izmanto celtniecībā un mašīnbūvē);
• vara sakausējumos, piemēram, bronza (varš un alva) un misiņš (varš un cinks), kas tiek izmantoti elektrotehnikā un dekoratīvos pielietojumos;
• alumīnija sakausējumos, kas ir viegli un izturīgi materiāli, un tiek izmantoti aviācijā un transportā;
• niķeļa un kobalta sakausējumos, kas izceļas ar augstu temperatūras izturību un tiek izmantoti kodolenerģētikā un kosmosa tehnoloģijās;
• titāna sakausējumos, kas ir izturīgi un viegli materiāli, un izmanto medicīnā, aviācijā un militārajā rūpniecībā.

Pēc izmanto ķīmisko elementu skaita sakausējumus iedala divkomponentu vai daudzkomponentu sakausējumos. Divkomponentu sakausējumi sastāv tikai no diviem elementiem, un to īpašības ir atkarīgas no šo komponentu savstarpējās mijiedarbības, piemēram, tērauds, kas veidots no dzelzs un oglekļa, iegūst lielāku cietību un mehānisko izturību nekā tīrs dzelzs, savukārt misiņš, kas sastāv no vara un cinka, ir viegli apstrādājams un plaši izmantots elektrotehnikā un dekoratīvajos izstrādājumos. Daudzkomponentu sakausējumi ietver trīs vai vairākus ķīmiskos elementus, kas kopā uzlabo materiāla īpašības un padara to piemērotu specifiskiem pielietojumiem, piemēram, nerūsošais tērauds, kura sastāvā ir dzelzs, hroms un niķelis, iegūst izcilu izturību pret koroziju, padarot to par neaizvietojamu materiālu celtniecībā, pārtikas rūpniecībā un medicīnas aprīkojumā.

Pēc magnētiskajām īpašībām sakausējumus iedala feromagnētiskajos un paramagnētiskajos sakausējumos. Feromagnētiskie sakausējumi ir materiāli, kas spēj pastāvīgi uzturēt magnētisko lauku, un tie tiek plaši izmantoti elektromotoros, ģeneratoros un magnētiskās atmiņas ierīcēs. Šāda veida sakausējumi parasti satur dzelzi, kobaltu vai niķeli, jo šie metāli piešķir materiālam spēju radīt un saglabāt magnētisko lauku. Pretēji tam, paramagnētiskie sakausējumi vāji reaģē uz ārējo magnētisko lauku un pēc tā noņemšanas neuztur magnētizāciju. Šī īpašība raksturīga daudziem vara, alumīnija un titāna sakausējumiem, kas tiek izmantoti elektroniskajās un medicīnas ierīcēs, kur svarīgi izvairīties no nevēlamiem magnētiskiem traucējumiem.

Amorfie sakausējumi jeb metāliskie stikli ir materiāli, kuriem nav regulāras kristāliskās struktūras. Šo materiālu neorganizētā atomu struktūra ir galvenais faktors, kas nosaka to unikālās īpašības. Tie tiek iegūti, ļoti strauji atdzesējot izkusušu sakausējumu, novēršot kristālu veidošanos. Šiem sakausējumiem piemīt augsta izturība, laba elastība un izcila elektriskā pretestība, kas padara tos noderīgus transformatoru serdeņu, elektromagnētisko ekrānu un modernu pārklājumu ražošanā.

Veidošanās un īpašības

Sakausējumu īpašības ir cieši saistītas ar to iekšējo struktūru un sastāvu. Tie var veidot dažādas kristāliskās struktūras un fāzes, kas ietekmē mehāniskās, termiskās un ķīmiskās īpašības. Šo īpašību regulēšana ļauj pielāgot sakausējumus konkrētām vajadzībām rūpniecībā, celtniecībā un citās nozarēs. Sakausējumu īpašības ir atkarīgas no trim faktoriem — sakausējumā izmantotajiem ķīmiskajiem elementiem, to proporcionālā daudzuma un kausēšanas temperatūras. Sakausējumu īpašības atšķiras no to sastāvdaļu īpašībām, piemēram, tie var būt daudz cietāki un korozijas izturīgāki, nekā jebkurš no komponentiem, piemēram, bronza. Vispārīgi to īpašības līdzīgas metālu īpašībām — tiem piemīt metālisks spīdums, liela elektrovadītspēja un siltumvadītspēja. Sakausējumu veidošanās un īpašību kontrole ir būtiska, lai radītu materiālus ar vēlamajām mehāniskajām, termiskajām un ķīmiskajām īpašībām. Dažādas sakausējumu struktūras un apstrādes metodes ļauj pielāgot tos plašam pielietojumu klāstam — no ikdienas priekšmetiem līdz augsto tehnoloģiju risinājumiem.

Indija–gallija nitrīta kristāls

Lielākajai daļai sakausējumu ir kristāliskā struktūra, kurā atomi ir sakārtoti noteiktā kristālrežģī, un to fizikālās īpašības lielā mērā nosaka fāzes, kas veidojas sakausējuma sastāvā. Viena no izplatītākajām fāzēm ir cietie šķīdumi, kuros viena elementa atomi izkliedējas cita elementa kristāliskajā režģī, piemēram, tēraudā oglekļa atomi izšķīst dzelzs režģī, tādējādi mainot materiāla mehāniskās īpašības. Dažos sakausējumos veidojas mehāniskie maisījumi, kas sastāv no vairākām fāzēm ar atšķirīgām īpašībām, piemēram, perlīts tēraudā, kas ir ferrīta un cementīta kombinācija un nodrošina labu līdzsvaru starp cietību un elastību. Savukārt intermetāliskie savienojumi, kā niķeļa aluminīds (Ni₃Al), veido stabilas ķīmiskas fāzes ar noteiktu stehiometriju un tiek izmantoti augstas temperatūras konstrukcijās, piemēram, aviācijas dzinējos. Fāžu sastāvu un sadalījumu iespējams kontrolēt ar dažādām termiskās un mehāniskās apstrādes metodēm, pielāgojot sakausējuma īpašības konkrētām vajadzībām.

Sakausējumu mehāniskās īpašības lielā mērā nosaka to struktūra un ķīmiskais sastāvs, kas ietekmē materiāla pielietojumu dažādās nozarēs. Viena no būtiskākajām mehāniskajām īpašībām ir cietība, kas raksturo sakausējuma spēju pretoties mehāniskai iedarbībai, piemēram, nodilumam vai iespiešanai. Īpaši cieti materiāli, piemēram, rūdīti tēraudi un volframa sakausējumi, tiek izmantoti griezējinstrumentu un bruņu izgatavošanā. Tikpat svarīga ir elastība jeb sakausējuma spēja atgriezties sākotnējā formā pēc deformācijas, ko īpaši labi demonstrē niķeļa-titāna sakausējumi, piemēram, nitinols, kas tiek pielietots medicīnā ortodontijā un precīzās ierīcēs. Izturība, kas nosaka sakausējuma spēju izturēt lielas mehāniskās slodzes bez lūzuma, ir būtiska aviācijas un būvniecības nozarēs, kur tiek izmantoti titāna sakausējumi un leģētais tērauds. Savukārt plastiskums, kas raksturo materiāla spēju deformēties, nesaplīstot, ir svarīgs metālapstrādē un rūpnieciskajā ražošanā, kur bieži tiek izmantoti alumīnija un vara sakausējumi to vieglās apstrādes dēļ.

Sakausējumu termiskās īpašības nosaka to izmantošanu vidēs ar augstu vai zemu temperatūru, ietekmējot to izturību un funkcionalitāti dažādās nozarēs. Viens no būtiskākajiem faktoriem ir kušanas temperatūra, kas sakausējumiem parasti ir zemāka nekā to tīrajiem metāliem, piemēram, lodalva, kuras pamatā ir alva un svins, kūst zemākā temperatūrā nekā katrs no šiem metāliem atsevišķi, padarot tos īpaši noderīgus elektronikas un metālapstrādes procesos. Siltumvadītspēja ir vēl viena svarīga īpašība, kas nosaka sakausējuma spēju efektīvi vadīt siltumu. Vara sakausējumi, piemēram, bronza un misiņš, ir lieliski siltumvadītāji un tiek plaši izmantoti radiatoros un dzesēšanas sistēmās, kur nepieciešama efektīva siltuma izkliede. Termiskā izturība ir īpaši svarīga augstas temperatūras vidēs, piemēram, aviācijas un enerģētikas nozarēs, kur sakausējumiem jāspēj saglabāt mehāniskās īpašības ekstremālos apstākļos. Niķeļa un kobalta sakausējumi izceļas ar spēju izturēt augstas temperatūras, nezaudējot izturību un oksidācijas pretestību, padarot tos neaizvietojamus reaktīvo dzinēju un turbīnu ražošanā.

Sakausējumu ķīmiskās īpašības lielā mērā nosaka to izturība pret apkārtējās vides iedarbību, kas ietekmē to kalpošanas laiku un pielietojumu dažādās nozarēs. Viens no svarīgākajiem faktoriem ir korozijas izturība, kas nosaka materiāla spēju pretoties oksidācijai un rūsēšanai. Piemēram, nerūsošais tērauds, kura sastāvā ir hroms un niķelis, veido aizsargājošu virskārtu, kas novērš turpmāku oksidēšanos un padara to īpaši piemērotu izmantošanai mitrā vidē un pārtikas rūpniecībā. Titāna sakausējumi izceļas ar augstu ķīmisko noturību un tiek plaši izmantoti jūrniecības un medicīnas nozarēs, kur saskare ar agresīvām vielām ir būtiska problēma. Oksidēšanās ir vēl viens svarīgs ķīmiskais process, kas var gan pasargāt, gan bojāt materiālu. Daži sakausējumi, piemēram, alumīnija un hroma sakausējumi, veido blīvu oksīda slāni, kas darbojas kā dabiska aizsardzība pret turpmāku koroziju, savukārt citi materiāli augstā temperatūrā var oksidēties un zaudēt mehāniskās īpašības, kas ierobežo to pielietojumu īpaši skarbos apstākļos.

Iegūšana un apstrāde

Bronzas liešana

Sakausējumu iegūšana un apstrāde ir svarīgs rūpnieciskais process, kas ietekmē materiālu īpašības un to pielietojumu. Šie procesi ietver kausēšanu, dzesēšanu, termisko un mehānisko apstrādi, kas nodrošina nepieciešamo izturību, elastību, cietību un citus parametrus. Retāk tos iegūst ar pulveru saķepināšanas metodi (tā iegūst volframa sakausējumus), elektrolīzi vai kondensāciju no tvaika fāzes.

Sakausējumu iegūšanas process sākas ar atsevišķu metālu kausēšanu un rūpīgu sajaukšanu noteiktās proporcijās, lai nodrošinātu vēlamās īpašības. Šis process norisinās augstas temperatūras krāsnīs, kur tiek uzturēta nepieciešamā temperatūra, lai pilnībā izkausētu sakausējuma sastāvdaļas un nodrošinātu viendabīgu maisījumu. Pēc kausēšanas sakausējums tiek atdzesēts un tas sacietē, un šis posms būtiski ietekmē gala materiāla struktūru un mehāniskās īpašības. Lēna atdzesēšana veicina lielu kristālisko struktūru veidošanos, kas parasti nodrošina materiālam lielāku elastību un samazina trauslumu. Savukārt ātra atdzesēšana, piemēram, dzesējot sakausējumu ūdenī vai eļļā, rada smalkāku kristālisko struktūru un palielina materiāla cietību, kas ir svarīgi, piemēram, rūdīta tērauda iegūšanā. Atsevišķos gadījumos tiek izmantota kontrolēta sacietēšana, piemēram, metalurģiskā stiklošanās, lai iegūtu amorfus sakausējumus ar viendabīgu un nekristālisku struktūru, kas nodrošina īpašas fizikālās un mehāniskās īpašības, piemēram, augstu izturību un pretestību nodilumam.

Termiskā apstrāde ir būtisks process sakausējumu īpašību uzlabošanā, kas ļauj pielāgot materiāla cietību, stiprību un elastību atkarībā no pielietojuma. Viens no visbiežāk izmantotajiem termiskās apstrādes procesiem ir atlaidināšana, kuras laikā materiālu pakāpeniski uzkarsē un pēc tam lēni atdzesē. Šis process samazina iekšējos spriegumus, uzlabo sakausējuma elastību un padara to vieglāk apstrādājamu, tāpēc to plaši izmanto tērauda un vara sakausējumu apstrādē. Savukārt rūdīšana ietver sakausējuma sakarsēšanu līdz noteiktai temperatūrai un strauju atdzesēšanu, parasti eļļā vai ūdenī. Tā rezultātā ievērojami palielinās materiāla cietība un mehāniskā izturība, padarot to piemērotu augstas slodzes konstrukcijām un instrumentu ražošanai. Lai nodrošinātu īpašu virsmas izturību, tiek izmantota cementācija, kurā tērauda virsmas slāņi tiek piesātināti ar oglekli augstā temperatūrā, ļaujot tam difūzijas ceļā iekļūt materiāla struktūrā. Tā rezultātā sakausējums iegūst ļoti cietu un nodilumizturīgu virsmu, vienlaikus saglabājot kodola elastību un triecienizturību.

Pēc termiskās apstrādes sakausējumi bieži tiek pakļauti mehāniskai apstrādei, lai iegūtu vēlamo formu un virsmas īpašības. Galvenās mehāniskās apstrādes metodes ir šādas:

• velmēšana, kur metālu caur veltņiem izlīdzina vai padara plānāku, veidojot loksnes vai lentes;
• kalšana ir deformēšana zem spiediena, kas palielina materiāla blīvumu un mehānisko izturību;
• slīpēšana un pulēšana uzlabo virsmas kvalitāti un samazina nelīdzenumus;
• frēzēšana, urbšana un virpošana tiek izmantotas, lai iegūtu precīzus konstrukcijas elementus dažādās nozarēs, piemēram, mašīnbūvē un aviācijā.

Izmantošana

Sakausējumi ir vieni no visbiežāk izmantotajiem konstrukciju materiāliem. Dažos gadījumos sakausējumi samazina konstrukciju izmaksas, saglabājot nozīmīgas fizikālās īpašības. Citos gadījumos sakausējumu spēja pretoties korozijai vai mehāniskā izturība ir labāka nekā izejmateriālam. Svarīgākie ir dzelzs sakausējumi (tērauds, čuguns), vara sakausējumi (bronza, misiņš) un alumīnija sakausējumi (dūralumīnijs). Tehnikā tiek lietoti vairāk nekā 5000 dažādu sakausējumu.

Sakausējumu uzskaitījums

Uzskaitījumā nav visi sakausējumi. Alfabētiskā secībā uzskaitīti izplatītākie sakausējumi.

• amalgama
• baltais zelts
• bronza
• čuguns
• dūralumīnijs
• konstantāns
• leģētais tērauds
• lodalva
• misiņš
• nerūsošais tērauds
• nihroms
• tērauds

Literatūra

• V. Ņikiforovs. Metālu tehnoloģija un konstrukciju materiāli. R : Zvaigzne, 1984. 76.—85. lpp.
• A. Anteins. Krāsainie metāli un sakausējumi. R : Latvijas Valsts Izdevniecība, 1959.

Ārējās saites

• Vikikrātuvē par šo tēmu ir pieejami multivides faili. Skatīt: Sakausējums.

• Encyclopædia Britannica raksts (angliski)
• Krievijas Lielās enciklopēdijas raksts (krieviski)
• Encyclopædia Universalis raksts (franciski)
• Enciklopēdijas Krugosvet raksts (krieviski)