Vlastnosti kovů a slitin

V pevném stavu vykazují všechny kovy krystalickou stavbu. Jejich kombinacemi jsou vytvořeny základní typy slitin splňujících většinu našich protetických požadavků. Jsou v nich však zastoupeny např. i nekov uhlík C a polokov křemík Si.

Kovy vynikají dobrou elektrickou a tepelnou vodivostí, dobrou tvárlivostí, houževnatostí, silným leskem, snadným přechodem do kapalného stavu a slévatelností. Z našeho odborného hlediska musíme klást na první místo z fyzikálních vlastností pevnost a zpracovatelnost, po nich následují tvrdost, pružnost, ale také pokud možno nižší bod tání, malá oxidace při zahřívání a odolnost vůči korozi. Žádný z prvků sám o sobě tuto řadu požadavků nemůže splnit, a proto z nich vytváříme už zmíněné slitiny, v nichž se vlastnosti jednotlivých prvků vhodně doplňují.

Jednou z charakteristik kovů jsou optické vlastnosti. Kovy jsou opákní a pozorujeme-li jejich povrch v odraženém světle, vidíme jejich rozdílnou barevnost. Většina je šedé barvy (ve stupnici od bílého stříbra až k šedomodrému olovu), výjimkou jsou jen červená měď a žluté zlato. Lesk kovů zvyšujeme zpravidla uměle leštěním.

Mechanické vlastnosti kovů zkoušíme nejrůznějším způsobem. Jako pevnost označujeme odpor, který kov klade snaze o porušení celistvosti, a zkoušíme ji v tahu, tlaku nebo v rázu. Jednou z nejdůležitějších zkoušek je zkouška trhací, kterou při zkoušení pevnosti v tahu získáme řadu údajů, jako jsou pružná deformace, modul (míra) pružnosti v tahu a mez pevnosti v tahu.

Tvrdostí rozumíme odpor, který kov klade tělesu do něj vnikajícímu. Tento odpor je ovlivněn především vlastnostmi kovu a jeho homogenitou. Podstatou všech modernějších zkoušek tvrdosti je postup, při němž do zkoumaného vzorku vtlačujeme tělísko určeného tvaru a rozměru a měříme hloubku a rozměry otisku, které v kovu zanechá. Nejznámější metody měření tvrdosti jsou metoda Brinellova (vtlačování ocelové kuličky), Vickersova nebo Rockwellova (vtlačování diamantových kuželíků nebo tupých pyramid). Podle jednotlivých metod se naměřená tvrdost označuje BHN, VHN, RHN (Brinell, Vickers, Rockwell, přičemž HN znamená hardness number – číslo tvrdosti).

Krystalická struktura kovů

Kovy jsou látky s krystalickou strukturou. Krystal je fyzikálně i chemicky homogenní částice hmoty s přesným uspořádáním atomů v atomové mřížce a s určitou krystalickou strukturou. Většina známých kovů krystalizuje v krychlové soustavě s plošně centrovanou mřížkou – z kovů užívaných v protetice např. zlato, stříbro, platina, iridium, palladium, měď, nikl nebo kobalt.

Krystalická mřížka plošně centrovaná a krystalická mřížka středově centrovaná

V krychlové soustavě se středově (nebo prostorově) centrovanou mřížkou krystalizuje např. chrom, molybden nebo wolfram. Mřížka šesterečná je méně častá a je typická pro kadmium, zinek nebo kobalt. V kosočtverečné soustavě krystalizují např. antimon a bismut.

Při přechodu z kapalného do pevného skupenství, tedy při chladnutí, začíná krystalizace z tzv. krystalových jader (zárodků), které jsou v tavenině ve formě neroztavených částic nebo přísad. Na ně se připojují další atomy, a tak narůstá prostorová krystalová mřížka, jejímž růstem postupně vznikne homogenní krystal. Mřížky, vznikající na jednotlivých zárodcích čistého kovu, jsou sice totožné, ale navzájem různě prostorově orientované. Při růstu spotřebovává rostoucí krystal tekutý kov ve svém okolí a ve svém růstu je vlastně omezován sousedními rostoucími krystaly, proto tvar krystalů není nikdy pravidelný a jejich hranice jsou deformovány tlakem sousedů. Deformované kovové krystaly se proto spíše nazývají zrna.

Struktura ztuhlého kovu je závislá na počtu krystalizačních zárodků, na rychlosti krystalizace a tzv. teplotním gradientu, tj. rychlosti a směru chladnutí v licí formě. Protože optimální vlastnosti dodává kovu jemnozrnná struktura, musíme pro její vznik zachovat maximální počet zárodků, dodaných výrobcem.

V praxi je proto nutné nikdy nepřehřát taveninu a odlévat při licí teplotě přesně určené výrobcem.

Z praktických důsledků krystalizace je třeba vědět, že roztavený kov vždy tuhne od stěny formy dovnitř. Protože povrch odlitku je chladnější formou rychleji ochlazován, vznikne rychle jemnozrnná vrstva, na niž navazují podlouhlá, k povrchu kolmo orientovaná zrna. Ve středu odlitku je opět struktura jemnozrnnější. Krystalizace je vždy doprovázena smrštěním projevujícím se nejnápadněji v centru odlitku, chladnoucím naposled, v němž vznikají tzv. kontrakční defekty. Kontrakce zlatých slitin dosahuje hodnot okolo 1,3 %, kontrakce vysokotavitelných slitin obecných kovů 2,3- 2,7 %.

Tváření kovů

Tvárlivost kovů je vlastnost, která jim dovoluje měnit tvar vlivem zevního mechanického násilí bez porušení celistvosti. Nazýváme ji také plasticitou kovů a rozumíme jí tažení, válcování, kování a lisování.

Tažením kovů měníme tvar tahem do délky – příkladem je tažení drátů. Válcování je také výsledkem jejich tažnosti, tvar ale měníme do plochy – výsledkem je plech. Modifikací tažení je ale i kování, kdy měníme tvar údery – tedy násilím působíme v rázech. Dříve hojně užívané ražení bylo vlastně také jen kombinací tažení a kování.

Během mechanického tváření kovu za studena měníme jeho tvar a vnitřní strukturu. V krystalech kovů se nejprve objeví tzv. suvné plochy, podle nichž se krystaly protahují a s pokračujícím tvářením deformují. Při velké deformaci mohou zdeformované krystaly vytvořit až krystalovou drť.

S postupující deformací krystalů se mění i mechanické vlastnosti kovů. Z počátku stoupá pružnost i pevnost, pak kov tvrdne. Návrat k původním vlastnostem se dá urychlit zahřátím. Tvrdost se zmírní a současně se vytvoří nová struktura. Výsledek závisí na teplotě, době tepelného ošetření a stupni předchozího tváření. Čím výraznější bylo předchozí tváření, tím jemnější bude nová struktura. Užitá tzv. rekrystalizační teplota je maximálně 40 % tavicí teploty.

Při tváření kovů za tepla se krystaly nedeformují a kov netvrdne.

Při rekrystalizačním žíhání i tváření za tepla musíme dbát, abychom málo vytvarovaný kov nevystavovali příliš velké teplotě. V obou případech by vznikla hrubozrnná struktura. Uvedené postupy slouží hlavně ve výrobě kovových prefabrikátů plechu a drátů. V laboratoři se používá prakticky pro formování drátů (ohýbání je modifikované tažení) a zcela výjimečně zpracování plechu.

Pohlcování plynů čistými kovy

V roztaveném stavu pohlcují čisté kovy některé plyny. Vznikají tak plynové inkluze, které jsou nebezpečné tím, že oslabují odlitek, protože část plynu v něm zůstane po ochlazení uzavřena ve formě bublinek. Z protetických kovů pohlcují stříbro a platina kyslík, palladium a nikl pohlcují vodík. Jedinou spolehlivou cestou, jak předejít poškození odlitku, je zabránit přehřátí slitiny při tavení.

Fyzikální a chemické vlastnosti kovů

Přehled fyzikálních vlastností kovů, užívaných v protetice, uvádí tabulka.

Z údajů v tabulce je vhodné si povšimnout rozdílné výšky bodů tání a rozdílů mezi bodem tání a bodem varu, které jsou významné pro tvorbu slitin. Kovy jsou dobré vodiče tepla a elektřiny, při zahřívání se kovy roztahují více než tvrdé zubní tkáně.

Chemické vlastnosti kovů určují způsob jejich chování v ústní dutině. Reakcí s kyslíkem vznikají oxidy a reakcí se sírou vznikají sirníky, které vedou ke zbarvování povrchu s výjimkou zlatých a nerezavějících slitin. V prostředí ústní dutiny, v němž slina působí jako elektrolyt, se projevují elektrogalvanické vlastnosti kovů – tvoří elektrody galvanického článku, který vznikajícími nepatrnými proudy může v extrémních situacích způsobit až rozrušení slitiny. Z kovových prvků jsou proti takto vznikající korozi odolné pouze zlato a platina.

Slitiny kovů

Jako slitinu označujeme materiál získaný stavením nejméně dvou prvků, z nichž alespoň jeden je kov. Dvousložkové slitiny označujeme jako binární, třísložkové ternární, čtyřsložkové kvarternární. Při větším počtu složek označujeme slitiny jako komplexní. Složky tvořící slitinu jsou obvykle dobře navzájem rozpustné v kapalném stavu, v pevném stavu po ochlazení může být vzájemná rozpustnost různá.

Tak mohou vzniknout slitiny kovů, které jsou v pevném stavu navzájem dokonale rozpustné. Jiné jsou ale v pevném stavu jen částečně rozpustné nebo i zcela nerozpustné. Kovy tvořící slitiny však spolu mohou také chemicky reagovat a vytvářet sloučeniny.

Možností tvorby slitin je víc, ale pro použití v protetické technologii nemají význam.

Vlastnosti slitin se značně liší od vlastností čistých složek. Průmyslově se připravují nejčastěji roztavením jednotlivých kovů, popřípadě spékáním práškových kovů v žáru.

Slitiny kovů navzájem rozpustných v tekutém i tuhém stavu

Do skupiny patří zlaté slitiny užívané v protetice; pro dokonalou rozpustnost kovů tvořících tyto slitiny v tuhém stavu je nazýváme tuhé roztoky. Jako každý roztok se skládají z rozpouštědla a z látek rozpuštěných. Dělíme je na dva typy: substituční roztoky, kdy atomy rozpuštěného kovu nahrazují atomy rozpouštědla v jeho krystalové mřížce, a intersticiální roztoky, kdy do volných prostor mezi atomy neporušené krystalové mřížky rozpouštědla vstupují atomy rozpouštěného kovu.

Krystaly substitučních roztoků nazýváme směsné krystaly, čímž vyjadřujeme homogenní rozdělení kovů tvořících slitinu i uvnitř krystalů.

I tuhé roztoky jsou ale heterogenní ve fázi mezi likvidem a solidem. Pokud by ochlazení taveniny proběhlo příliš rychle, vytvořily by se nehomogenní krystaly a tuhý roztok by zůstal heterogenní. Jelikož ale samovolné chladnutí probíhá relativně pomalu, vzniknou požadované homogenní krystaly. Heterogenita z fáze mezi likvidem a solidem se totiž vyrovná tzv. difuzí, vlastností podobnou vlastnosti plynných nebo tekutých soustav.

Následkem heterogenity vzniklé prudkým ochlazením může být odmísení v krystalech, kdy se uvnitř jednotlivých zrn vytvoří oddělené vrstvy základních kovů tvořících slitinu (lze ho odstranit difuzí). Druhým následkem je odmísení krystalů, kdy kovy tvořící slitinu vykrystalizují odděleně a zrna jsou různého složení. Znamená to nenapravitelné poškození slitiny, difuzí neodstranitelné.

Teplota, při níž se difuze uplatní, se pohybuje podle druhu slitiny od 400 do 900 °C; z kovů dobře difunduje zlato, stříbro a měď.

Slitiny kovů rozpustných v tekutém stavu a nerozpustných nebo částečně rozpustných v tuhém stavu

První skupina slitin nerozpustných v tuhém stavu se nepřesně nazývá eutektická. Po zchladnutí nejsou pravou slitinou, ale jen heterogenní směsí krystalů kovů. Typické pro ně je to, že jejich teplota tání leží hluboko pod průměrem bodů tání kovů ve slitině. Ze všech slitin tohoto typu, dříve hojně používaných, dnes nezůstala žádná.

Druhá skupina slitin s částečnou rozpustností v tuhém stavu představuje nejčastěji se vyskytující typ slitin užívaných především v průmyslu. Z protetických slitin mezi ně patří slitiny stříbra s mědí nebo niklu s chromem.

Intermetalické sloučeniny

Vzájemná chemická reakce některých dvojic kovů, které tvoří slitinu, se projevuje především v tuhé fázi. Charakteristické je, že ji vždy doprovázejí změny mechanických vlastností slitiny, která obvykle tvrdne a křehne. Vznik sloučenin je proto základem tzv. tepelného zlepšování, jehož se využívá k vytvrzování slitin. V protetických slitinách se tak využívá reakcí zlata s mědí a mědi s palladiem nebo platinou. Jejich sloučeniny vznikají působením tepla v tuhé fázi pod solidem.

Struktura slitin

Vnitřní struktura slitin, podobně jako struktura čistých kovů, je krystalická. Krystaly homogenních tuhých roztoků jsou podobné krystalům čistého kovu. Při chladnutí roztavené slitiny se krystaly tvoří dvěma hlavními způsoby:

1. Atomy rozpouštěného kovu obsazují volná místa v mřížce rozpouštědla – vznikají tuhé substituční roztoky. Schéma substitučního roztoku
2. Je-li mřížka rozpouštědla plně obsazena atomy, vnikají atomy rozpouštěného kovu do mezer mezi nimi a vznikají tuhé intersticiální roztoky. Schéma vměstnaných směsných krystalů

Nemají-li rostoucí krystaly stejný poměr základních kovů a nepůsobí-li při rychlém chladnutí současně dostatečná difuze, probíhá tuhnutí nepravidelně. Z krystalizačních zárodků vyrůstají v jednom směru prodloužené krystaly, k nimž se kolmo připojují další větve vytvářející tzv. dendrity, a vznikne heterogenní dendritická struktura.

Pokud krystalizují kovy navzájem nemísitelné (nerozpustné), vykrystalizuje každý z nich ve své vlastní mřížce a vznikne heterogenní směs.
Nečistoty v tavenině (např. oxidy) se při tuhnutí ukládají na hranicích zrn v tzv. intergranulárním cementu.

Vlastnosti slitin

Při vzniku slitin se někdy podstatně mění i typické vlastnosti zúčastněných kovů a slitina může mít i takové vlastnosti, které jednotlivé kovy nikdy neměly. Například dva měkké kovy zlato a měď vytvoří tvrdou slitinu, která pak přidáním platiny získá navíc i pružnost.

Protetické slitiny jsou všechny nemagnetické a jejich elektrická vodivost je nižší než u čistých kovů, tyto vlastnosti jsou však závislé na zpracování: mechanicky tvářená slitina je méně elektricky i tepelně vodivá.

Mechanické tváření je možné stejně jako u čistých kovů a je doprovázeno stejnými jevy (vnitřní pnutí, rekrystalizace). I zde platí, že při pokračujícím tváření za studena stoupá pevnost, tvrdost a pružnost, zatímco tvárlivost klesá. Praktický význam má i zjištění, že se zvyšujícím se tvářením klesá odolnost proti korozi. Formovaný drát nesmíme nikdy rekrystalizovat (změkne).

Jestliže krystalickou strukturu ztuhlého odlitku označujeme jako granulární – zrnitou, vznikne mechanickým tvářením a deformací krystalů struktura fibrózní – vláknitá.