Kdy taje hliník?

Otázka „Kdy taje hliník?“ se zdá jednoduchá, ale odpověď má víc vrstev než by se zdálo. Záleží, zda mluvíme o čistém kovu, o slitině, o tloušťce materiálu nebo o tom, v jakém prostředí se zahřívá. Čistý hliník taje při zhruba 660 °C (přesněji kolem 660,3 °C). V praxi se ale k tomuto okamžiku často dochází různými cestami, a proto je dobré pochopit, co se v hliníku při zahřívání skutečně děje.

• Hliníkové pásky na Heuréce

U čistého hliníku je bod tání termodynamická konstanta definující rovnováhu mezi pevným a kapalným stavem za normálního tlaku. Při ohřevu se nejdřív zvyšuje teplota a roste vnitřní energie, ale struktura kovu zůstává pevná, jen se zvětšují kmity atomů. Když teplota dosáhne přibližně 660 °C, přidávané teplo se už neprojeví dalším růstem teploty, ale utrácí se na změnu fáze – na překonání vazeb v krystalové mřížce. Tomu se říká latentní teplo tání a u hliníku je poměrně vysoké, takže i malé množství kovu může absorbovat hodně energie, než se úplně roztaví. Zároveň se děje zajímavá věc na povrchu: prakticky okamžitě vzniká tenká, velmi pevná vrstvička oxidu hlinitého, která chrání kov, ale při tavení vytváří šedý „škraloup“ zvaný struska. Tahle oxidická blána netaje s hliníkem – má bod tání vysoko nad dvěma tisíci stupni – a proto někdy klame, že kov ještě „nedrží“ tekutý, i když uvnitř už dávno teče. V laboratorních podmínkách se proto pracuje s tavidly nebo se povrch přikrývá inertním plynem, aby se k tekutému kovu nedostával kyslík. Jinak by se při každém promíchání zanesl povrch novým kyslíkem a tvořil další strusku, která brání smáčivosti i následnému lití. Důležité je také si uvědomit, že hustota hliníku po natavení klesne, kapalina se rozpíná a má jinou viskozitu než třeba roztavená měď. Proto se s ní při odlévání zachází opatrně, aby se nezavzdušnila a nevznikly póry.

• Jak vybrat těsnící pásku do dveří?

Jakmile do hliníku přimícháme další prvky, z „jednoho bodu tání“ se stává „rozsah tání“ a celé chování slitiny se dramaticky změní. Slitiny mají obvykle teplotu, kdy začínají měknout a tvořit první kapalné kapky (solidus), a vyšší teplotu, kdy je materiál už celý kapalný (liquidus). Mezi těmito mezemi existuje pastovitá oblast, v níž se materiál tváří pevně, ale už v něm teče část taveniny a zpracování je zrádné. Typickou slitinou pro odlitky je Al–Si: křemík snižuje teplotu tavení, zlepšuje tekutost a stabilizuje odlévání tenkostěnných dílů. Právě u této dvojice existuje eutektium, kdy slitina kolem 12–13 % Si taje najednou při zhruba 577 °C, což je výrazně níž než čistý hliník. Proto mají automobilové hlavy válců, klikové skříně nebo elektronické skříně často solidus/liquidus v rozmezí přibližně 500–630 °C, a procesy se jim přizpůsobují. Naopak u tvářených slitin s mědí, hořčíkem či zinkem se rozsah tání posouvá a rozšiřuje, takže je nutné dávat pozor na „horké trhliny“ a nezahrát materiál při tepelném zpracování. Slitiny řady 6xxx s Mg a Si bývají dobře svařitelné, ale už nad asi 300–400 °C rychle ztrácejí pevnost, ačkoliv fakticky ještě zdaleka netají. Slitiny 2xxx bohaté na měď se chovají při ohřevu citlivěji a jejich solidus může klesat k pětistupňovým hodnotám, zatímco liquidus zůstává poblíž šestistupňových. Proto v tabulkách najdete vedle „bod tání“ vždy raději dvojici „solidus/liquidus“ a technologové je používají místo jediné hodnoty. Pro laiky z toho plyne jednoduché pravidlo: když jde o slitinu, nečekejte jeden kouzelný údaj, ale ptejte se na rozmezí a přesné složení.

Na „kdy taje hliník“ má překvapivě vliv i okolní tlak a velikost částic. Vyšší tlak obecně zvyšuje teplotu tání hliníku, protože kapalina má větší objem než pevná fáze, zatímco naopak extrémní zmenšení částic na nanometry teplotu tání výrazně snižuje (Gibbsův–Thomsonův jev). V praxi to s tlakem pocítíte málokdy, protože změny jsou v běžném rozmezí tlaků malé, ale ve vysokotlakých lisech nebo v planetárních jádrech na tom skutečně záleží. U nanočástic či velmi tenkých filmů je efekt mnohem dramatičtější: kvůli obrovskému podílu povrchu na objemu a povrchové energii mohou tát i o stovky stupňů níž než masivní kousky. To vysvětluje, proč prášková metalurgie potřebuje často jen relativně mírné teploty na slinování, zatímco plný blok materiálu by se ve stejné peci ani „nepohnul“. Podobně i stopová množství nečistot, vlhkosti nebo rozpustných plynů v tavenině mění lokální podmínky na rozhraních a mohou vytvářet mikrookénka, kde tavení začne dřív. Nejde o kouzla, ale o rovnováhy energií: povrch chce být co nejmenší, tlak tlačí na hustší fázi a příměsi narušují uspořádání mřížky. Všechny tyto jevy sice posunují okamžik tání, ale základní číselný „maják“ – 660 °C pro čistý kov – zůstává pro orientaci pevně na mapě. Proto se v přesných aplikacích měří teploty dotykovými termočlánky, kalibrovanými pyrometry a kontroluje se atmosféra pece, aby do hry nevstupovaly neočekávané vlivy. Teprve součet všech faktorů dá odpověď na praktickou otázku, kdy a kde se z pevného stane tekuté.

V každodenním životě se často ptáme, zda hliník roztaje v troubě, na grilu nebo v ohni. Domácí trouba běžně topí na 200–250 °C, takže hliníkový plech, pekáč ani fólie se neroztaví, jen ztrácejí část pevnosti a snadněji se mačkají. Zahradní gril se v horkých bodech umí vyšplhat ke 400–500 °C, což je pořád pod hranicí tání, ale dlouhý ohřev může urychlit oxidaci a fólie se pak trhá. Oheň z dřeva má ve špičkách plamene lokálně i přes 800–900 °C, přesto velký masivní kus hliníku často nepovolí, protože stíhá rozvádět teplo pryč a ochlazují ho plyny a okolí. Tenoučké předměty však podlehnou snáz: nápojové plechovky mohou změknout, prohořet a v horkém jádru ohně se reálně roztavit. Koncentrovaný zdroj, jako je propan-butanový hořák či indukční kelímek, hliník roztaví spolehlivě, protože dodává energii rychleji, než ji materiál stačí odvádět. Svíčkový plamen sice dosahuje velmi vysokých lokálních teplot, ale má malý výkon: na masivní předmět nestačí, zato tenký drátek nebo vločka se u něj může roztavit rychle. V automobilu se hliníkové díly při poruše chlazení nikdy nerozpustí v bloku motoru, dřív dojde k zadření nebo deformacím, protože provozní teploty jsou od tání bezpečně daleko. V kuchyni tedy fólii klidně používejte, ale vyvarujte se kontaktu s agresivními kyselinami a solí při vysoké teplotě, které mohou urychlit korozi a zhoršovat vzhled. Ke skutečnému tavení v domácích podmínkách dojde spíš záměrně, když někdo použije kahan, pec anebo stíní materiál před prouděním vzduchu, aby teplo neunikalo. Pak je až překvapivé, jak rychle se stříbrný kov promění v zrcadlovou, pohyblivou hladinu a jak ochotně vyplní formu. Je to pěkná ukázka rozdílu mezi teplotou, výkonem zdroje a schopností materiálu odvádět teplo, které lidé často zaměňují.

Když hliník taje záměrně, přichází na řadu bezpečnost a správná technika. Roztavený hliník nereaguje s vodou tak dramaticky jako sodík, ale vlhkost v kovu, formě či nářadí se okamžitě mění v páru a může vyvolat prudké vystříknutí taveniny, proto musí být vše dokonale suché. Používají se žáruvzdorné kelímky z grafitu nebo oceli, tavidla na potlačení oxidace a inertní plyny či tablety k odplynění, protože horký kov snadno rozpouští vodík a vznikají póry. Povrchová struska se sbírá a nevhazuje se zpět, aby se do kovu nevmíchal oxid a nepoškodil budoucí odlitek. Teplotu je vhodné sledovat termočlánkem, ne odhadem podle barvy, protože hliník září méně než ocel a vizuální signály jsou zrádné. Formy se předlívají a temperují, aby se minimalizoval tepelný šok a aby se kov rozlil rovnoměrně bez zamrzlých „zátek“. Při domácím recyklování šrotu je dobré materiál roztřídit, odstranit barvy, maziva a cizí kovy, které mění složení a snižují kvalitu taveniny. Když jde o svařování, jiný typ „tání“ probíhá lokálně v oblouku: tam příprava spočívá hlavně v perfektním očištění oxidu a volbě správného drátu, aby se nerozpadla tepelně zpevněná struktura. V průmyslu se k dosažení stálé kvality kombinuje měření chemického složení, kontrola teploty a regulace atmosféry; teprve pak mají údaje o solidu či likvidu praktický význam. Z ekologického pohledu je dobrá zpráva, že hliník lze tavit stále dokola s malou ztrátou a s mnohem menší energetickou náročností než při primární výrobě. Proto v odpovědi na otázku „kdy taje hliník“ zůstává krom čísla ještě jedna pointa: tehdy, když mu zajistíme správnou energii, prostředí a disciplínu procesu – teprve pak se z faktu stává užitečná technologie. A jestli jde o jednorázový pokus nebo o výrobu, vždycky platí, že rozumět okolnostem tání je stejně důležité jako znát samotnou teplotu.