MIEDŹ I JEJ STOPY.
Miedź – jest metalem krystalizującym w układzie A1. Nie ma odmian alotropowych. Temp. topnienia 1083°C, gęstość 8,9 g/cm3. Czysta miedź ma bardzo dobrą przewodność elektryczną, stąd jej główne zastosowanie w elektrotechnice i elektronice. Ze względu na b. dobrą przewodność cieplną wyrabia się z niej różnego rodzaju wymienniki ciepła. Jest bardzo plastyczna i można ją przerabiać na zimno. Zgniot, wszystkie domieszki z wyjątkiem tlenu w ilości do ok. 0,05% obniżają przewodność elektryczną miedzi. Miedź jest odporna na korozję atmosferyczną pod warunkiem, że atmosfera nie zawiera SO2. Własności wytrzymałościowe miedzi są niskie Rm = 200¸220 MPa i 30 HB. Można ją umocnić przez zgniot. Dodatek 0,5¸1% Cd do miedzi zwiększa jej wytrzymałość, nie obniżając prawie przewodności elektrycznej. Miedź taka zwana kadmową jest stosowana na przewody napowietrzne i trakcyjne. Ze względu na łatwą zgrzewalność z żelazem lub aluminium można wytwarzać z niej wyroby bimetaliczne, np. rury, druty.
Stopy miedzi.
Czysta miedź znalazła zastosowanie głównie w elektrotechnice, a jako tworzywo konstrukcyjne stosuje się przede wszystkim stopy miedzi, ze względu na ich wyższe właściwości wytrzymałościowe. Pierwiastki stopowe to głównie: cynk, cyna, aluminium, beryl, krzem, nikiel, mangan, ołów. Stopy miedzi z cynkiem nazywamy mosiądzami, natomiast z cyną lub innymi metalami – brązami. Stopy miedzi z niklem nazywa się miedzioniklami.
Mosiądze. Układ Cu-Zn.
Klasyfikacja mosiądzów. Biorąc pod uwagę strukturę mosiądze dzieli się na: jednofazowe a, dwufazowe (a + b) i rzadziej stosowane mosiądze jednofazowe b. Skład strukturalny mosiądzu ma bardzo duży wpływ na jego własności ze względu na znaczne różnice własności faz a i b. Roztwór a cechuje się dobrą plastycznością w temp. pokojowej, a gorszą w zakresie 300¸700°C i dlatego mosiądze o takiej strukturze są obrabiane plastycznie na zimno. Twardość i wytrzymałość mosiądzu a wzrastają ze zwiększeniem zawartości cynku. Faza b ma dużą wytrzymałość (Rm = 420 MPa), ale jest mniej plastyczna (A = 7%) niż roztwór stały a i jest trudno obrabialna plastycznie na zimno. Dlatego też mosiądze dwufazowe a + b obrabia się zwykle na gorąco. Dwufazowy skład mosiądzów wpływa na zwiększenie ich twardości i wytrzymałości kosztem obniżenia plastyczności. Oprócz mosiądzów do obróbki plastycznej stosuje się również mosiądze odlewnicze o większej zawartości cynku z dodatkiem ołowiu w celu polepszenia ich skrawalności. Mosiądze o niższych zawartościach cynku obrabia się plastycznie na zimno. Szczególnie plastyczny jest mosiądz CuZn30 nadający się do głębokiego tłoczenia. Można go odkształcać na zimno do 75%. Przy większym odkształceniu należy stosować między operacyjne wyżarzenie rekrystalizujące w temp. od 500¸580°C. Mosiądze można znacznie umocnić przez zgniot. W zależności od stopnia rekrystalizacji można też uzyskać dość znaczne zróżnicowanie własności mechanicznych mosiądzów. Własności mosiądzu CuZn37: sprężysty, ma prawie dwa razy większą wytrzymałość od wyżarzonego i 9 razy mniejsze wydłużenie. Mosiądze przeznaczone do głębokiego tłoczenia powinny mieć drobnoziarnista strukturę, aby zapewnić równomierne odkształcenie. Mosiądze o większej zawartości cynku (ok. 36%) są obrabiane plastycznie na zimno lub gorąco; jeśli jednak mosiądz jest dwufazowy (>37% Zn) stosuje się zwykle obróbkę plastyczną na gorąco. Mosiądze przerabia się drogą wyciskania wypływowego, walcowania, ciągnienia. Do odlewania stosuje się mosiądze (a + b), są one rzadkopłynne i mają skupioną jamę usadową. Struktura mosiądzów. W stanie lanym w mosiądzach występuje wyraźna struktura dendrytyczna. Rdzenie dendrytów bogatsze w miedź są ciemniejsze. W wyniku wyżarzenia ujednorodniającego, które przeprowadza się zwykle w temp. 800¸850°C, może nastąpić pewne wyrównanie składu chemicznego. Jednak zasadniczą zmianę struktury osiąga się dopiero po obróbce plastycznej i rekrystalizacji.
W pewnym stopniu na strukturę mosiądzu można wpływać drogą obróbki cieplnej (przesycania). Przez szybkie ochładzanie można utrwalić strukturę istniejącą w wysokiej temp.. Np. przesycanie mosiądzu CuZn37 od temp. ok. 850°C daje fazę b, od ok. 450°C fazę a, a od temp. 450¸850°C – fazy (a + b), przy czym ze wzrostem temp. ilość fazy b będzie się zwiększać. Natomiast wyżarzenie mosiądzu i powolne studzenie prowadzi do powstania struktury równowagowej, zgodnie z układem Cu-Zn.
Własności antykorozyjne mosiądzu. Mosiądze mają dobrą odporność na korozje atmosferyczną. Lepszą odporność mają mosiądze jednofazowe a, gdyż w mosiądzach dwufazowych faza b ulega łatwiej korozji jako bardziej elektroujemna. Mosiądze łatwo ulegają korozji naprężeniowej, objawiającej się tzw. sezonowym pękaniem. Elementy mosiężne, pozostające pod wpływem naprężeń, w obecności nawet małych ilości par amoniaku są skłonne do pękania międzykrystalicznego podczas magazynowania lub w czasie pracy. Wyżarzenie odprężające przez 4 h w temp. 250°C usuwa naprężenia i uodpornia mosiądz na pękanie sezonowe.
Mosiądze stopowe. Dodatki stopowe są wprowadzane zarówno do mosiądzów przeznaczonych do obróbki plastycznej, jak i odlewniczych w celu nadania im odpowiednich własności. Np. dodatek aluminium (do 1%) bardzo zwiększa wytrzymałość stopu, lecz obniża jego plastyczność i zmniejsza straty cynku podczas topienia.
Ołów polepsza skrawalność; większa jego zawartość pogarsza własności mechaniczne stopu. Żelazo (do 2%) rozdrabnia strukturę i umożliwia utwardzanie wydzieleniowe stopu, a mangan, który jest stosowany łącznie z innymi pierwiastkami poprawia własności mechaniczne mosiądzu. Nikiel (do 1%) zwiększa ciągliwość stopu (wydłużenie, udarność) oraz wytrzymałość w podwyższonych temp.. Cyna polepsza własności stopu pod warunkiem że jest rozpuszczona. W postaci związków zmniejsza znacznie plastyczność mosiądzu. Krzem poprawia lejność. Mosiądze stopowe z dodatkiem cyny znalazły zastosowanie w galanterii pod nazwą złota mannheimskiego (służą do wyrobu sztucznej biżuterii).
Mosiądze wysokoniklowe, zwane nowymi srebrami (ze względu na ich srebrzyste zabarwienie), zawierają 9¸19% Ni i 19¸28% Zn. Mają budowę jednofazową a, a w związku z tym bardzo dobrą odporność na korozję oraz dobrą plastyczność. Mogą być umacniane przez zgniot. Są stosowane w przemyśle galanteryjnym do wyrobu nakryć stołowych, okuć i części aparatów.
Brązy.
Brązy cynowe. Cyna w zasadniczy sposób wpływa na własności brązu, jej zawartość w brązach nie przekracza na ogół 20%. Dodatek do ok. 8% Sn powoduje wzrost wytrzymałości i plastyczności. Spadek wytrzymałości następuje przy zawartości powyżej 25% Sn. Struktura brązów cynowych wynika z układu równowagi Cu-Sn.
Klasyfikacja brązów cynowych. Brązy dzielimy w zależności od ich przeznaczenia na odlewnicze i do obróbki plastycznej. Stopy odlewnicze są stosowane częściej i mają większe zastosowanie. Cechują się wyjątkowo małym skurczem, nie występuje w nich jama usadowa, co powoduje, że odlewy z brązu są mało zwarte. Zawartość cyny w brązach odlewniczych wynosi zwykle ok. 10%, mogą również zawierać dodatek fosforu, cynku i ołowiu. Fosfor odtlenia stop, powoduje jego utwardzenie, ale obniża plastyczność, co sprawia że brązy cynowo-fosforowe są stosowane na odlewy, od których wymaga się odporności na ścieranie np. panewki, koła ślimakowe, sprężyny, sita.
Cynk występuje w niektórych brązach odlewniczych zwykle w ilości 2¸4%. Cynk rozpuszcza się w miedzi nie wpływając na strukturę brązu. Ołów w ilości 3¸6% występuje w postaci oddzielnej fazy polepszając skrawalność brązu.
Do obróbki plastycznej stosuje się brązy o niższej zawartości cyny 4¸6%. Po odlaniu mają one strukturę złożoną z dendrytów i eutektoidu. Przed obróbką plastyczną brązy takie należy poddać wyżarzaniu ujednorodniającemu w temp. 720¸750°C przez kilka godzin, w wyniku czego uzyskują jednorodną strukturę a podatną do obróbki plastycznej. Brązy o niższej zawartości cyny można obrabiać na zimno, o wyższej zawartości na gorąco.
Z brązów cynowych wytwarza się drut, blachy, rury, taśmy, pręty, kształtowniki, sprężyny. Brązy cynowe cechują się dobrą odpornością na korozję i dobrymi własnościami mechanicznymi. Ich główne zastosowanie to panewki, łożyska ślizgowe, ślimaki, ślimacznice, siatki i sprężyny, armatura kotłów parowych: przemysł chemiczny, okrętowy i papierniczy.
Brązy aluminiowe – stopy miedzi z aluminium. Zawartość aluminium w tych stopach wynosi 5¸11%. Brązy aluminiowe cechują się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi. Aluminium bowiem podwyższa twardość i wytrzymałość miedzi: przy zawartości 10% Al zwiększają się ponad dwukrotnie. Wydłużenie wzrasta do ok. 6%, poczym maleje, ale zachowuje wysoką wartość 20¸40%. Po obróbce cieplnej twardość stopu CuAl10 może osiągnąć 160¸180 HB. Brązy aluminiowe stosuje się w stanie lanym lub obrobionym plastycznie.
Stopy odlewnicze cechuje rzadkopłynność, mała segregacja dendrytyczna i skupiona jama usadowa. Mają jednak duży skurcz (2%). Podczas topienia należy je chronić przed utlenieniem, gdyż wtrącenia Al2O3 zwiększają gęstopłynność i obniżają wytrzymałość stopu. Dodatek Al zapewnia im dobrą odporność na korozję. Stopy odlewnicze stosuje się na łożyska, elementy napędu, armaturę parową i chemiczną oraz części maszyn narażone na korozję, obciążenie, ścieranie. Brązy do obróbki plastycznej zawierają zwykle mniej aluminium: przy większej zawartości wprowadza się dodatki Fe, Mn, Ni, w ilości 2¸4%. Brązy te przerabia się tylko na gorąco w temp. ok. 870°C. Wytwarza się z nich pręty, rury, taśmy, kształtowniki, które znajdują zastosowanie w przemyśle chemicznym, papierniczym, okrętowym.
Brązy ołowiowe. Na ogół ołów występuje w brązach łącznie z takimi składnikami jak: Sn, Zn, Ni, Mn. Znany jest tylko jeden brąz ołowiowy dwuskładnikowy CuPb30. Jest on stosunkowo miękki. Brązy ołowiowe wykazują skłonność do segregacji grawitacyjnej: lżejsze kryształy miedzi wypływają ku górze, cięższe (zawierające więcej Pb) opadają na dno. Aby przeciwdziałać temu zjawisku należy stosować przyspieszone studzenie stopu, a więc odlewanie do kokili chłodzonych wodą. Segregacji grawitacyjnej zapobiega również dodatek 1¸2% Ni lub Mn, które tworzą szkielet ze związków międzymetalicznych, zapobiegając tym samym opadaniu kryształów zawierających ołów. Główne zastosowanie brązów ołowiowych zawierających Pb to panewki łożysk pracujących przy małych naciskach i dużych prędkościach. Brązy krzemowe. Krzem rozpuszcza się w miedzi do 5,3% w temp. perytektycznej 853°C, po czym jego rozpuszczalność maleje do 4,6% w temp. 555°C, przy której zachodzi przemiana eutektoidalna. Zwiększenie zawartości Si powoduje wzrost twardości i wytrzymałości, a pogarsza plastyczność. Brązy krzemowe stosuje się zawsze z dodatkiem innych metali, jak Mn, Fe, Zn, Ni, Co, Cr. Mangan i cynk zwężają zakres roztworu stałego. Mangan poprawia wytrzymałość i odporność na korozję, a cynk – lejność. Żelazo wprowadza się tylko do stopów odlewniczych. Nikiel zwiększa wytrzymałość i odporność na korozję. Do stopów odlewniczych zaliczamy brąz krzemowo - żelazowy oraz krzemowo - cynkowo - manganowy. Brązy stosowane do obróbki plastycznej zwierają mniej dodatków stopowych, mają dość dobre własności mechaniczne. Obróbka cieplna brązów krzemowych polega na wyżarzaniu ujednorodniającym i odprężającym. Brązy do obróbki plastycznej poddaje się wyżarzaniu rekrystalizującemu. Niektóre nadają się do utwardzania wydzieleniowego. Wadami brązów krzemowych są: duży skurcz, skłonność do segregacji dendrytycznej i grawitacyjnej oraz absorbcja gazów w stanie ciekłym; zaletami – dobre własności wytrzymałościowe i odporność na korozję.
Brązy berylowe – stopy Cu-Be zawierające ok. 2% Be. Są one przeznaczone do obróbki plastycznej. Brązy berylowe mają bardzo korzystne własności. Oprócz wysokiej wytrzymałości, dorównującej ulepszanym cieplnie stalom, są odporne na zmęczenie, ścieranie, na działanie temp. do 250°C, mają również własności antykorozyjne. Przy tarciu i uderzaniu nie iskrzą, co zadecydowało o ich zastosowaniu na części maszyn w prochowniach i wytwórniach materiałów wybuchowych. Ich dobra przewodność elektryczna i odporność na ścieranie spowodowały, że stosuje się je na szczotki silników elektrycznych lub przewody trakcji elektrycznej. Znalazły również zastosowanie do wyrobu sprężyn, części pomp, narzędzi chirurgicznych.
Brązy manganowe. Są to stopy miedzi zawierające 5¸6 lub 12¸15% Mn, nadające się do obróbki plastycznej. Niżej stopowe można przerabiać na zimno i tym samym umacniać je przez zgniot. Mają dość dobre własności wytrz.
ALUMINIUM I JEGO STOPY.
Aluminium cechuje się dobrą plastycznością, ma temp. topnienia 660,4°C, temp. wrzenia 2060°C. Mała gęstość 2,7 g/cm3 kwalifikuje ten metal do grupy metali lekkich. Dzięki tej własności i stosunkowo bogatemu występowaniu w przyrodzie (ok. 7%) jest szeroko stosowany w przemyśle lotni...
mechanikk