1. Popis materiálu a slitin
Tantal (Ta) je tmavě šedý, těžký refraktorní kov s mimořádně vysokým bodem tání (2996 °C) a excelentní tažností, díky které je skvěle tvárný za studena i při velmi nízkých teplotách. Z hlediska korozní odolnosti se jedná o jeden z nejstabilnějších kovů vůbec – při teplotách pod 150 °C vykazuje téměř absolutní inertnost vůči napadení agresivními kyselinami včetně kyseliny chlorovodíkové, dusičné a lučavky královské. Tato vlastnost je dána extrémně hustou a odolnou pasivační vrstvou oxidu tantaličného (Ta2O5). Tantal je navíc vysoce biokompatibilní a lidské tělo na něj nereaguje jako na cizí těleso. Pro zvýšení mechanické pevnosti při zachování korozní odolnosti se čistý tantal leguje zejména wolframem.
2. Chemické složení standardních jakostí
Složení nejběžnějších průmyslových a metalurgických jakostí (dle ASTM B365 / B708):
| Jakost (UNS) / Typ | Obsah Ta | Obsah W | Nb | Fe | O | C | N |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| R05200 / Čistý tantal (tavený v elektronové peci) | ≥ 99,95 % | ≤ 0,05 % | ≤ 0,10 % | ≤ 0,01 % | ≤ 0,015 % | ≤ 0,01 % | ≤ 0,01 % |
| R05400 / Čistý tantal (sintrovaný práškovou metalurgií) | ≥ 99,90 % | ≤ 0,05 % | ≤ 0,10 % | ≤ 0,01 % | ≤ 0,030 % | ≤ 0,01 % | ≤ 0,01 % |
| Ta-2.5W (R05252) / Slitina s 2,5 % W | Zbytek | 2,0 – 3,5 % | ≤ 0,20 % | ≤ 0,01 % | ≤ 0,015 % | ≤ 0,01 % | ≤ 0,01 % |
| Ta-10W (R05255) / Slitina s 10 % W | Zbytek | 9,0 – 11,0 % | ≤ 0,20 % | ≤ 0,01 % | ≤ 0,015 % | ≤ 0,01 % | ≤ 0,01 % |
3. Výrobní normy a formy polotovarů
Specifikace norem:
- ASTM B708: Standardní specifikace pro plechy, desky, pásy a fólie z čistého tantalu a jeho slitin.
- ASTM B365: Standardní specifikace pro kované a tažené tantalové tyče a dráty.
- ASTM B521: Bezešvé a svařované trubky z tantalu a slitin tantalu pro výměníky tepla.
- ASTM F560: Standardní materiálová specifikace pro čistý tantal pro medicínské implantáty.
Dodávané polotovary:
- Tažené a kované tyče: Průměry od 3 mm do 120 mm.
- Fólie a tenké plechy: Tloušťky od 0,01 mm (fólie pro kondenzátory) do 15 mm (desky).
- Výměníkové trubky: Tenkostěnné bezešvé trubky pro vysoce korozivní prostředí.
- Tantalové dráty: Průměry od 0,1 mm do 2,5 mm na cívkách.
- Tantalové kelímky: Lisované a svařované nádoby pro chemické tavení.
- Plátované desky (Tantal na oceli): Kompozitní materiály vyráběné výbuchem pro ekonomickou stavbu velkých chemických reaktorů.
4. Popis typického použití
- Elektronický průmysl: Výroba vysoce spolehlivých tantalových elektrolytických kondenzátorů s vysokou kapacitou v minimálním objemu (využití v mobilních telefonech, automotive elektronice a letectví).
- Chemické strojírenství: Srdce provozů pracujících s kyselinou sírovou, chlorovodíkovou či bromovodíkovou – konstrukce topných hadů, plášťů termočlánků, ventilů, míchadel a trubkových výměníků tepla.
- Lékařství a implantologie: Kraniální destičky, kostní šrouby, kloubní svorky, stenty a náhrady kostních struktur. Tantal nevyvolává žádné imunologické reakce a podporuje růst kostní tkáně přímo na svém povrchu.
- Vysokoteplotní technologie: Díly vakuových pecí, stínicí plechy a topné elementy stabilní do teplot nad 2000 °C.
5. Fyzikální a mechanické vlastnosti
Fyzikální vlastnosti:
| Vlastnost | Čistý Tantal (R05200) | Slitina Ta-10W (R05255) |
|---|---|---|
| Hustota (g/cm3) | 16,65 (velmi těžký kov) | 16,85 |
| Teplota tavení (°C) | 2996 °C | 3025 °C |
| Měrná tepelná vodivost (W/m·K při 20 °C) | 57,5 (dobrý přenos tepla ve výměnících) | 48,0 |
| Koeficient tepelné roztažnosti (10-6/K) | 6,5 | 6,2 |
| Modul pružnosti ve smyku (GPa) | 69 GPa | 76 GPa |
Mechanické vlastnosti (při 20 °C ve stavu žíhaném):
| Mechanický parametr | Čistý Tantal (R05200) | Ta-2.5W (R05252) | Ta-10W (R05255) |
|---|---|---|---|
| Pevnost v tahu Rm (MPa) | 220 – 300 (měkký a tvárný) | 350 – 450 | 520 – 680 (dvojnásobná pevnost legováním W) |
| Mez kluzu Rp0,2 (MPa) | ≥ 140 | ≥ 240 | ≥ 450 |
| Tažnost A5 (%) | 25 – 40 % (mimořádná plasticita) | 20 – 30 % | 15 – 25 % |
| Tvrdost (HB / HV) | ~ 80 – 110 HV | ~ 130 – 160 HV | ~ 180 – 220 HV |
Modul pružnosti v tahu (E): 186 GPa (čistý Ta) | 205 GPa (Ta-10W).
Pozor na grafitové a plynové zkřehnutí: Tantal má extrémní afinitu ke kyslíku, dusíku, vodíku a uhlíku. Nad 300 °C na vzduchu začíná absorbovat plyny do mřížky, což vede k jeho okamžitému zpevnění a trvalému zkřehnutí (ztrátě tažnosti). Při teplotách nad 600 °C na vzduchu podléhá katastrofické oxidaci. Tantal nesmí přijít do kontaktu s grafitovými materiály ve vakuových pecích při teplotách nad 1000 °C – dochází k reakci za vzniku extrémně křehkých karbidů tantalu!
6. Popisy a podmínky obrábění
Čistý tantal je extrémně houževnatý a "lepkavý" kov. Při obrábění má tendenci se trhat a vytvářet dlouhou, nekonečnou třísku, která se omotává kolem nástroje podobně jako u čisté mědi nebo olova. Dochází k extrémnímu tření na čele nástroje a vzniku obrovského lokálního tepla.
Soustružení
- Doporučení: Používejte zásadně velmi ostré nástroje s vysokým pozitivním úhlem řezu. Nástroj nesmí obrobek tupě tlačit. Tříska musí být plynule odváděna.
- Nástroje: Slinutý karbid třídy ISO K20 s vysoce leštěným čelem nebo nástroje z rychlořezné oceli s vysokým obsahem kobaltu (HSS-Co). Geometrie: úhel čela (γ) = 15° až 25° (velmi pozitivní), úhel hřbetu (α) = 10° až 12°.
- Parametry: Řezná rychlost vc = 30 – 50 m/min, posuv f = 0,1 – 0,2 mm/ot. Jako mazivo a chladivo se používá výhradně čistý trichlorethan nebo těžké řezné oleje s obsahem síry. Standardní vodní emulze jsou neúčinné.
Frézování
- Doporučení: Používejte sousledné frézování (climb milling) pro zamezení tření břitu o zpevněný povrch z předchozího zubu. Zuby frézy musí mít velký prostor pro odchod třísky.
- Parametry: vc = 25 – 40 m/min. Posuv na zub fz = 0,04 – 0,08 mm/zub.
Vrtání
- Doporučení: Vrtání hlubokých děr je u čistého tantalu kritickou operací. Drážky vrtáku musí být leštěné, aby nedocházelo k ucpání lepkavou třískou a následnému zalomení nástroje. Vrták se musí často zvedat z řezu.
- Parametry: Nízké otáčky (vc = 10 – 15 m/min), posuv f = 0,03 – 0,06 mm/ot. Doporučují se vrtáky s upravenou geometrií šroubovice pro hliník/měď.
Řezání
- Mechanické řezání: Klasické řezání pilou za studena je obtížné kvůli svírání pilového listu. Ideální metodou dělení je drátové elektroerosivní řezání (Wire-EDM) nebo řezání vodním paprskem (AWJ), které zamezuje deformacím a tepelnému zkřehnutí materiálu.
Broušení
- Doporučení: Broušení čistého tantalu standardními metodami je téměř neúčinné, protože houževnatý kov okamžitě "zalepí" póry brusného kotouče. Broušení se používá pouze minimálně za trvalého a masivního chlazení řezným olejem s otevřenou strukturou kotouče (SiC).
7. Svařování a spojování
Tantal vykazuje výbornou svařitelnost díky své plasticitě, ale svar nesmí být kontaminován plyny. Veškeré plochy nad 300 °C musí být stoprocentně chráněny čistým Argonem.
- Svařování TIG (GTAW): Používá se výhradně čistý Argon (čistota 5.0). Svařování je nutné provádět v hermetických komorách s řízenou atmosférou nebo s masivními ochrannými hubicemi (trailing shields) na lícové i rubové straně svaru. Svařuje se bez přídavného materiálu (autodestruktivně) nebo s čistým tantalovým drátem.
- Svařování elektronovým paprskem (EBW): Nejdoporučovanější metoda pro průmyslovou výrobu tantalových aparátů. Vakuum garantuje absolutní čistotu svaru bez rizika plynem vyvolaného zkřehnutí.
8. Tepelné zpracování
Tepelné zpracování tantalu se smí provádět výhradně ve vysokém vakuu (tlak pod 10-5 mbar). Použití ochranného plynu v komorových pecích je rizikové z důvodu zbytkových nečistot.
- Žíhání na odstranění pnutí: Provádí se po intenzivním tváření za studena při teplotách 700 °C až 800 °C po dobu 1 hodiny.
- Rekrystalizační žíhání: Pro plné obnovení plasticity (změkčení materiálu) se čistý tantal žíhá při teplotách 1050 °C až 1200 °C (u slitiny Ta-10W se teploty pohybují mezi 1300 °C až 1450 °C).
9. Čištění a moření
Tantal nesmí být nikdy čištěn nebo exponován v roztocích obsahujících i stopové množství kyseliny fluorovodíkové (HF) nebo fluoridových iontů – tyto látky jako jediné okamžitě narušují pasivační vrstvu Ta2O5 a způsobují bleskovou korozi a destrukci kovu.
- Odmašťování: Povrch lze bezpečně odmašťovat běžnými organickými rozpouštědly (aceton, líh) nebo horkými alkalickými odmašťovadly (NaOH).
- Moření (odstranění oxidů a kontaminace železem): Provádí se v roztoku směsi kyseliny dusičné (HNO3) a kyseliny sírové (H2SO4) v poměru 1:1 při teplotách do 60 °C. Tato lázeň spolehlivě odleptá povrchové nečistoty bez napadení samotného tantalu. Následuje důkladný oplach demineralizovanou vodou a sušení.