פרק 9: סגסוגות אל-ברזליות
בפרק הקודם עסקנו במשפחת החומרים הנפוצה ביותר בהנדסה — סגסוגות הברזל. עם זאת, במקרים רבים פלדה איננה הפתרון הטוב ביותר, ולעיתים נדרשות תכונות שקשה או אי אפשר להשיג בה: משקל נמוך, מוליכות חשמלית גבוהה, עמידות קורוזיה מיוחדת, עמידות בטמפרטורות גבוהות, או תאימות ביולוגית.
דרישות אלה הובילו לפיתוח מגוון רחב של סגסוגות אל-ברזליות. אף שחלקן יקרות משמעותית מפלדות, הן ממלאות תפקיד מרכזי בתעופה, בחלל, באנרגיה, ברפואה ובמיקרואלקטרוניקה. כדאי להעיר כבר עתה: בעוד שבמדינות בעלות תעשייה כבדה ותיקה הברזל תופס מקום מרכזי, במשק הישראלי — שבו אין כלל תעשיית ברזל ראשונית, וייצור הפלדה מצומצם — דווקא המתכות האל-ברזליות, ובראשן האלומיניום והמגנזיום, נפוצות בייצור המקומי. לכן פרק זה רלוונטי במיוחד למהנדס הפועל בארץ.
הרעיונות שלמדנו על מתכות (פרק 7) — קשר מתכתי, מבנה גבישי, חיזוק בעיבוד, טיפולים תרמיים והתקשות בהפרשה — חלים על כל הסגסוגות שנפגוש כאן. ההבדלים נובעים בעיקר מן המתכת הבסיסית ומתכונותיה.
9.1 נחושת וסגסוגותיה
הנחושת היא אחת המתכות הראשונות שהאדם למד להפיק ולעבד (תקופת הנחושת ותקופת הברונזה נקראו על שמה ועל שם סגסוגתה), ועד היום היא נותרה מן החשובות ביותר טכנולוגית.
תכונות אופייניות
הנחושת מאופיינת במוליכות חשמלית גבוהה מאוד, מוליכות תרמית גבוהה, משיכות מצוינת (מבנה FCC — זוכרים שהוא מקנה משיכות?) ועמידות קורוזיה טובה. מבין המתכות ההנדסיות הנפוצות, רק הכסף מוליך חשמל טוב ממנה. מסיבה זו היא חומר הבחירה לחוטים וכבלים, לפסי מוליכים, למגעים חשמליים ולמחליפי חום — כל היישומים שבהם המוליכות (פרק 3) היא העיקר.
פליז (Brass)
פליז הוא סגסוגת של נחושת ואבץ — והרי לנו שוב מערכת ה-Cu–Zn שהזכרנו בפרק על דיאגרמות הפאזות כדוגמה למערכת מורכבת. הוספת האבץ מגדילה את החוזק (חיזוק בתמיסה מוצקה), משפרת את העבידות ומקטינה את העלות (אבץ זול מנחושת). פליזים נפוצים בברזים, במחברים, ברכיבי אינסטלציה וברכיבים דקורטיביים (צבעם הזהוב הוא יתרון).
ברונזה (Bronze)
ברונזה היא משפחה רחבה של סגסוגות נחושת. היסטורית הכוונה הייתה לנחושת–בדיל, אך כיום המונח משמש גם למשפחות נוספות (ברונזת אלומיניום, ברונזת סיליקון ועוד). ברונזות מצטיינות בעמידות קורוזיה, בעמידות שחיקה ובתכונות החלקה טובות — ולכן הן נפוצות במיסבים (חיבור לפרק הטריבולוגיה: ברונזה היא חומר מיסב קלאסי) וביישומים ימיים, שבהם עמידות הקורוזיה קריטית.
9.2 אלומיניום וסגסוגותיו
האלומיניום הוא מן החומרים החשובים ביותר בהנדסה המודרנית, ובעל חשיבות מיוחדת בייצור הישראלי (שיחול פרופילים, יציקה ועיבוד שבבי נפוצים מאוד בארץ). יתרונו המרכזי הוא צפיפותו הנמוכה — כשליש בלבד מזו של פלדה.
תכונות אופייניות
האלומיניום מאופיין במשקל נמוך, עמידות קורוזיה טובה, מוליכות חשמלית טובה ועבידות מצוינת. עמידותו לקורוזיה ראויה להדגשה, שכן היא מנגנון יפה שכבר פגשנו: האלומיניום עצמו מתכת פעילה למדי, אך הוא יוצר באופן ספונטני שכבת תחמוצת () דקה, צפופה וצמודה, המפסיבת אותו ומגינה מפני המשך קורוזיה (פרק 4). זוהי אותה תכונה שניצלנו במכוון באנודיזציה (פרק 5).
סגסוגות אלומיניום
אלומיניום טהור רך יחסית, ולכן ביישומים מבניים משתמשים בסגסוגות. יסודות הסגסוג העיקריים הם נחושת, מגנזיום, צורן ואבץ. נקודה חשובה: רבות מסגסוגות האלומיניום ניתנות להתקשות בהפרשה — בדיוק התהליך שלמדנו בפרק 7, ושמערכת Al–Cu שימשה לו כדוגמה המרכזית. זוהי הסיבה העמוקה לכך שאפשר לקבל מן האלומיניום חוזק גבוה תוך שמירה על משקל נמוך, ובלעדיה היה קשה לנצלו כחומר מבני.
נציין הבחנה מעשית: יש סגסוגות אלומיניום לעיבוד (wrought — לערגול, שיחול ומשיכה) ויש ליציקה (cast — עם תכולת צורן גבוהה לנזילות טובה, על בסיס המערכת האיטקטית Al–Si שראינו). שתי המשפחות נפוצות בתעשייה הישראלית.
יישומים
תעופה, תחבורה, בנייה (פרופילי חלונות מאולגנים), אריזות (פחיות ורדידים) וציוד אלקטרוני.
9.3 מגנזיום וסגסוגותיו
המגנזיום הוא המתכת המבנית הקלה ביותר הנמצאת בשימוש הנדסי רחב — צפיפותו נמוכה בכשליש מזו של אלומיניום (וכרבע מזו של פלדה). למגנזיום חשיבות מיוחדת בהקשר הישראלי, שכן יציקת מגנזיום היא ענף מבוסס ומפותח בארץ, ורבים מן הרכיבים הקלים בתעשיית הרכב והאלקטרוניקה הניידת מיוצרים ביציקת מגנזיום בלחץ.
יתרונות
- משקל נמוך מאוד (יחס חוזק-למשקל אטרקטיבי);
- עבידות מצוינת ביציקה, ובמיוחד ביציקה בלחץ (die casting) — המגנזיום ממלא תבניות מורכבות בדופן דקה היטב;
- שיכוך רעידות יעיל.
חסרונות
- עמידות קורוזיה מוגבלת — זהו החיסרון המרכזי. בניגוד לאלומיניום, שכבת התחמוצת של המגנזיום אינה צפופה ומגינה דיה בסביבה לחה, והמגנזיום, בהיותו מן המתכות הפעילות ביותר, נוטה לקורוזיה — ובמיוחד לקורוזיה גלוונית במגע עם מתכות אצילות יותר (נושא שנרחיב עליו בפרק הקורוזיה). הבנת מנגנוני קורוזיה אלה והדרכים להגן מפניהם (ציפויים, אנודיזציה ייעודית, סגסוג מבוקר) היא תחום מחקר פעיל;
- קשיחות נמוכה יחסית, ומספר מערכות החלקה מוגבל (מבנה HCP — זוכרים שהוא מגביל משיכות?);
- רגישות לבעירה: שבבי מגנזיום דקים וחום עלולים להידלק, ולכן עיבודו דורש זהירות.
יישומים
מגנזיום משמש בעיקר היכן שהחיסכון במשקל הוא שיקול מכריע: רכיבי רכב (גלגלי הגה, מארזי תיבות הילוכים), מארזי אלקטרוניקה ניידת (מחשבים ניידים, מצלמות), וציוד ספורט.
9.4 טיטניום וסגסוגותיו
הטיטניום הוא מן המתכות ההנדסיות המרשימות ביותר, משום שהוא משלב תכונות שקשה למצוא יחד.
תכונות אופייניות
חוזק גבוה, צפיפות נמוכה יחסית (כ-60% מזו של פלדה), עמידות קורוזיה מצוינת ותאימות ביולוגית טובה. יחס החוזק-למשקל של סגסוגות טיטניום הוא מן הגבוהים בין המתכות. עמידות הקורוזיה שלו, כמו באלומיניום, נובעת משכבת תחמוצת פסיבית () יציבה במיוחד — וזו גם הסיבה לתאימותו הביולוגית: הגוף “סובל” את שכבת התחמוצת היציבה, ולכן הטיטניום מצוין לשתלים.
מגבלות
למרות יתרונותיו, הטיטניום יקר, והפקתו ועיבודו מורכבים בהרבה מאלה של פלדה או אלומיניום (הוא מגיב בקלות עם חמצן וחנקן בטמפרטורה גבוהה, ולכן דורש עיבוד בסביבה מוגנת).
יישומים
מנועי מטוסים, מבני תעופה, שתלים רפואיים (מפרקי ירך, שתלי שיניים — בזכות התאימות הביולוגית), וציוד כימי עמיד קורוזיה.
9.5 מתכות עקשניות (Refractory Metals)
מתכות עקשניות הן מתכות בעלות נקודות התכה גבוהות במיוחד. החשובות שבהן: טונגסטן (W, נקודת ההתכה הגבוהה מכל המתכות — מעל 3400°C), מוליבדן (Mo), טנטלום (Ta) וניוביום (Nb).
תכונות אופייניות
נקודת התכה גבוהה מאוד, חוזק טוב בטמפרטורות גבוהות, ועמידות לזחילה (creep — אותה דפורמציה איטית תחת עומס מתמשך, חמורה במיוחד בחום). לעיתים הן שבירות יחסית בטמפרטורת החדר, מה שמקשה על עיבודן — וזו אחת הסיבות שמייצרים אותן לעיתים קרובות במטלורגיית אבקות (פרק 7), שכן יציקתן קשה בשל נקודת ההתכה הגבוהה.
יישומים
היכן שטמפרטורת העבודה קיצונית: גופי חימום בתנורים, רכיבי חלל, אלקטרוניקה מיוחדת (חוטי להט, אלקטרודות), ומערכות אנרגיה. הטונגסטן מוכר גם כקרביד (WC) בכלי חיתוך — חיבור לקרמטים שראינו.
9.6 סופר-סגסוגות (Superalloys)
סופר-סגסוגות הן קבוצת חומרים שפותחה במיוחד לעבודה בטמפרטורות גבוהות תחת עומס — ובלעדיהן קשה לדמיין את תעשיית התעופה המודרנית.
הדרישה
בטמפרטורות גבוהות, חומרים רבים מתרככים, זוחלים (creep) ומתחמצנים. האתגר ההנדסי הוא חומר שיעמוד בעומס מכני ובמשך זמן רב בטמפרטורה קרובה לנקודת ההתכה שלו — דרישה קיצונית.
מבנה וחיזוק
רוב הסופר-סגסוגות מבוססות על ניקל (לעיתים קובלט או ברזל), וחוזקן מושג בשילוב מנגנונים שכולם מוכרים לנו: התקשות בהפרשה — וכאן נסגר מעגל יפה עם פרק 7, שכן פאזת המשקע המחזקת היא , אותה תרכובת בינמתכתית שהזכרנו; בקרה קפדנית של המיקרוסטרוקטורה (עד כדי יציקת להבים כגביש יחיד, ללא גבולות גרגר כלל, כדי למנוע זחילה לאורכם); ויסודות סגסוג רבים.
יישומים
השימוש המפורסם ביותר הוא בלהבי טורבינות גז במנועי סילון, העובדים בטמפרטורות הקרובות מאוד לגבול החומר (ולעיתים אף מעליו, בעזרת קירור פנימי וציפויי מחסום תרמי קרמיים — חיבור לפרק הציפויים). הסופר-סגסוגות נחשבות לאחד ההישגים המרשימים של המטלורגיה המודרנית.
9.7 מתכות אצילות (Noble Metals)
המתכות האצילות מאופיינות בעמידות כימית גבוהה במיוחד — הן אינן מתחמצנות בקלות ואינן מחלידות בתנאים רגילים. ה”אצילות” הזו היא ההפך הגמור מן המגנזיום הפעיל. החשובות שבהן: זהב (Au), כסף (Ag), פלטינה (Pt) ופלדיום (Pd).
תכונות אופייניות
עמידות קורוזיה יוצאת דופן, מוליכות חשמלית טובה (הכסף הוא המוליך הטוב מכל המתכות, והזהב קרוב אחריו), ויציבות כימית.
יישומים
למרות מחירן הגבוה, תפקידן חשוב: מגעים חשמליים (זהב על מגעים — מוליכות מצוינת ללא חמצון, כפי שראינו בפרק הציפויים), מיקרואלקטרוניקה, תכשיטים, קטליזה (פלטינה ופלדיום בממירים קטליטיים — חיבור לקטליזה מפרק פני השטח), וציוד רפואי. נקודה מעשית: לעיתים די בשכבה דקה מאוד של מתכת אצילה (בציפוי) כדי להקנות למוצר כולו את התכונה הרצויה — הנדסת פני שטח במיטבה.
סיכום הפרק
- סגסוגות אל-ברזליות מספקות תכונות שקשה להשיג בפלדות, ולמשק הישראלי (ללא תעשיית ברזל) הן רלוונטיות במיוחד.
- נחושת וסגסוגותיה (פליז — עם אבץ; ברונזה — קלאסית עם בדיל) מצטיינות במוליכות ובעמידות קורוזיה.
- אלומיניום משלב משקל נמוך, פסיבציה טבעית והתקשות בהפרשה — ונפוץ מאוד בייצור המקומי.
- מגנזיום הוא המתכת המבנית הקלה ביותר, מצוין ליציקה בלחץ (ענף מבוסס בארץ), אך מוגבל בעמידות קורוזיה — תחום הדורש הנדסה והגנה מיוחדות.
- טיטניום משלב חוזק, משקל נמוך, פסיבציה יציבה ותאימות ביולוגית — מצוין לתעופה ולשתלים.
- מתכות עקשניות (טונגסטן ועוד) לטמפרטורות קיצוניות; סופר-סגסוגות ניקל ללהבי טורבינה, מחוזקות ב-.
- מתכות אצילות מספקות יציבות כימית יוצאת דופן, ולעיתים די בשכבה דקה שלהן.
- העיקרון המאחד: אותם מנגנונים (מבנה גבישי, פסיבציה, התקשות בהפרשה, חיזוק בתמיסה מוצקה) חלים על כל המתכות — וההבדלים נובעים מן המתכת הבסיסית.
בפרק הבא נעבור למשפחה שונה לחלוטין של חומרים — הקרמיקות — שבהן הקשרים היוניים והקוולנטיים יוצרים תכונות שונות מאוד מאלו של המתכות.