LABORATORIUM MATERIAŁOZNAWSTWA

Transkrypt

1 LABORATORIUM MATERIAŁOZNAWSTWA Materiały pomocnicze do ćwiczeń: "Mikroskopowe badania metali nieżelaznych "Badania mechaniczne metali nieżelaznych PRZYGOTOWAŁ: Marcin Czerwiński I. Zebranie najważniejszych wiadomości na temat metali nieżelaznych i ich stopów: 1. Metale nieżelazne Metalami nieżelaznymi nazywa się wszystkie metale nie będące żelazem, a stopy metali nieżelaznych to stopy utworzone na bazie innych metali niż żelazo. 2. Miedź Miedź ma liczbę atomową równą 29, a jej masa atomowa wynosi 63,546. W związkach chemicznych miedź jest jedno lub dwuwartościowa. Jest metalem barwy czerwonawej. Miedź nie wykazuje odmian alotropowych i krystalizuje w sieci ściennie centrowanej układu regularnego A1 o parametrze 0,3607 [nm]. Temperatura topnienia miedzi wynosi 1084,5 [ C], a wrzenia ok [ C]. Miedź ma gęstość 8,889 [g/cm 3 ]. Wytrzymałość miedzi na rozciąganie wynosi R m = [MPa], granica plastyczności R e = 35 [MPa], twardość 45 HBW a wydłużenie A = [%].W wyniku obróbki plastycznej na zimno wytrzymałość miedzi zwiększa się do [MPa], a twardość do 120 HBW, przy zmniejszeniu wydłużenia do 1 2 [%]. Przeróbkę plastyczną na gorąco przeprowadza się w temp [ C]. Utwardzenie metalu usuwa się przez wyżarzanie rekrystalizujące w temperaturze [ C]. Miedź ma bardzo dużą przewodność elektryczną (małą oporność elektryczną), dlatego znajduje bardzo szerokie zastosowanie w elektrotechnice i elektronice. Inne jej własności, a mianowicie duża przewodność cieplna, plastyczność, odporność na korozję atmosferyczną powala na stosowanie w budowie maszyn i okrętów, budownictwie, komunikacji, chemii (itp.). Stopy miedzi dzieli się na odlewnicze oraz przeznaczone do obróbki plastycznej. Wyróżnia się brązy zawierające ponad 2 [%] dodatków stopowych (spośród których głównym nie jest Zn lub Ni), mosiądze zawierające Zn jako główny dodatek stopowy oraz miedzionikle, w których głównym dodatkiem jest Ni. Mosiądze, miedzionikle i brązy w zależności od tego, czy oprócz głównego dodatku zawierają jeszcze inne pierwiastki stopowe mogą być dwuskładnikowe lub wieloskładnikowe. ~ 1 ~

2 2.1. Brązy Brąz to stop miedzi z cyną i (lub) z innymi metalami (Al, Si, Be, Ni, Mn, Pb i in.), których zawartość jest większa od 2 [%]. W zależności od rodzaju głównego dodatku stopowego wyróżnia się brązy: cynowe, aluminiowe, berylowe, manganowe, inne np. ołowiowe nie znormalizowane w Polsce Brązy cynowe Brązy cynowe należą do najstarszych znanych stopów. Wykres równowagi Cu - Sn (rys. 1) charakteryzuje się dużym zakresem temperatur likwidus - solidus. Dlatego stopy podwójne miedź-cyna są skłonne do znacznej segregacji dendrytycznej, wywołanej utrudnioną dyfuzją cyny w miedzi. Miedź tworzy z cyną jeden roztwór stały graniczny α krystalizujący w sieci Al oraz 6 roztworów stałych wtórnych na osnowie faz międzymetalicznych. Zgodnie z omawianym układem, graniczna rozpuszczalność cyny w miedzi wynosi 15,8 [%]. Warunki takiej rozpuszczalności mogą jednak zaistnieć tylko przy bardzo wolnym studzeniu (około 2000 godzin). W związku z tym. uwzględniając skłonność stopów Cu - Sn do krzepnięcia nierównowagowego w realnych warunkach chłodzenia, zakres istnienia roztworu α (sieć Al) zawęża się. Już przy zawartości 5-6 [%] cyny w strukturze brązu pojawia się eutektoid α + δ w którym faza δ jest twardą i kruchą fazą elektronową Cu 31 Sn 6. Pojawienie się fazy δ powoduje spadek plastyczności i udarności stopu (rys. 2). W związku z tym w praktyce nie stosuje się brązów o zawartości cyny większej od 12 [%]. Podwójne brązy cynowe są deficytowe. Dążąc do obniżenia ich ceny i ewentualne nadania im innych właściwości, stopuje się je między innymi dodatkowo cynkiem, ołowiem, niklem, fosforem. Rys. 1. Układ równowagi Cu-Sn ~ 2 ~

3 Własności brązów zależą od zawartości cyny (rys. 2). Zwiększenie zawartości cyny do około 8 [%] powoduje zarówno wzrost wytrzymałości na rozciąganie, jak i plastyczności. Przy wyższych zawartościach cyny następuje gwałtowny spadek plastyczności a powyżej zawartości 25 [%] Sn obserwuje się spadek wytrzymałości. W praktyce nie stosuje się brązów o zawartości cyny większej od 12 [%]. Rys. 2. Wpływ zawartości cyny na właściwości wytrzymałościowe i plastyczne brązu cynowego Brązy cynowe dzieli się w zależności od przeznaczenia na odlewnicze oraz przeznaczone do przeróbki plastycznej. Zgodnie z normą PN-92/H brązy cynowe do przeróbki plastycznej zawierają 1 4,5 [%] Sn, do 4,5 [%] Zn i Pb oraz do 0,5 [%] P. Struktura takich stopów jest jednofazowa i stanowi ją stopowy roztwór stały. Dzięki bardzo wysokiej plastyczności, brązy cynowe łatwo poddają się przeróbce plastycznej, dlatego też wytwarza się z nich pręty, taśmy a także rozmaite części dla przemysłu maszynowego. Brązy o niższej zawartości cyny przerabia się plastycznie na zimno, a te o większej zawartości cyny na gorąco przy temperaturach około 700 [ C]. Ich wytrzymałość na rozciąganie wynosi R m = [MPa], przy wydłużeniu A = [%]. Eutektoid pojawiający się w strukturze sprawia, że przy zawartości 9 10 [%] cyny przeróbka plastyczna brązu na zimno staje się praktycznie niemożliwa. Brązy zawierające około 10 [%] Sn mogą być przerabiane plastycznie, ale należy poddać je przed odkształceniem wyżarzaniu ujednorodniającemu w celu uzyskania jednorodnej struktury zbudowanej z fazy α. Brązy odlewnicze mają powszechniejsze zastosowanie dzięki małemu skurczowi (poniżej 1 [%]). Z tego powodu w odlewach nie występuje jama skurczowa, występują jednak rzadzizny i pory. Brązy odlewnicze są to zazwyczaj stopy zawierające do 10 [%] cyny oraz dodatek do 1,2 [%] fosforu. Ze względu na wpływ fosforu, brązy cynowo-fosforowe są twardsze, ale o mniejszej plastyczności. Stosuje się je na odlewy od których oczekuje się odporności na ścieranie. Są to panewki, koła ślimakowe, sprężyny i sita. Mikrostruktura brązu odlewniczego (rys. 3) zawiera roztwór stały α i eutektoid (α + δ) rozmieszczony w przemieszczeniach międzydendrytycznych. ~ 3 ~

4 W tym przypadku segregacja ta w przeciwieństwie do przeróbki plastycznej jest zjawiskiem korzystnym, gdyż twarde cząstki fazy δ stanowią elementy nośne, a faza α spełnia rolę plastycznej osnowy dzięki czemu brązy cynowe o takiej strukturze są pełnowartościowym materiałem łożyskowym, odpornym na ścieranie. Rys. 3. Mikrostruktura brązu cynowego zawierającego około 10 [%] Sn; pow. 100 Wyroby z brązów dostarcza się w stanie zrekrystalizowanym (miękkim) lub utwardzonym przez zgniot (sprężystym, twardym). Wytrzymałość brązu w stanie twardym może być dwukrotnie większa od wytrzymałości tego samego brązu w stanie miękkim. Brązy cynowe stosuje się najczęściej w przemyśle okrętowym, papierniczym, chemicznym i maszynowym. Są stosowane na panewki i łożyska ślizgowe, na armaturę w tym również armaturę kotłów parowych, a także elementy napędów pracujące w środowiskach korozyjnych i słabego smarowania Brązy aluminiowe Brązy aluminiowe zawierają 5 11 [%] aluminium. Układ równowagi Cu Al (rys. 4) przypomina układ równowagi z cyną. Występuje tu zakres roztworu stałego, prawie o stałej zawartości Cu (od ok. 7 [%] w temperaturze eutektycznej 1034 [ C] oraz do 9,4 [%] w temperaturze eutektoidalnej 565 [ C]). Przy większej zawartości Al pojawia się w strukturze eutektoid (α + γ ) który powstaje z rozkładu fazy β. Faza ta o sieci A2 jest nietrwała poniżej temp. 565 [ C]. Składnik eutektoidu γ jest fazą elektronową Cu 9 Al 4. Tak więc brązy o niższych zawartościach Al są jednofazowe natomiast o wyższych dwufazowe. Rys. 4. Część układu równowagi Cu Al ~ 4 ~

5 Wzrost zawartości aluminium w miedzi aż do 10 [%] aluminium powoduje dwukrotny wzrost własności wytrzymałościowych. Równocześnie do zawartości 6 [%] aluminium w stopie rośnie wydłużenie, które przy większych zawartościach aluminium (mimo iż maleje) wciąż zachowuje dużą wartość [%]. W porównaniu do brązów cynowych, brązy aluminiowe oprócz lepszych własności wytrzymałościowych i plastycznych, mają większą odporność chemiczną i żaroodporność, lepszą rzadkopłynność i mniejszą skłonność do segregacji. Do ich wad natomiast należy duży skurcz rzędu 2 [%], skłonność do tworzenia dużych kryształów w odlewach, skłonność do pochłaniania gazów i tworzenia wtrąceń tlenkowych (Al 2 O 3 ) w czasie odlewania. Stopy miedzi z aluminium o zawartości do 11 [%] tego pierwiastka składają się z następujących faz: α roztwór stały Al w Cu, krystalizujący w sieci A1, β roztwór stały na bazie związku międzymetalicznego Cu 3 Al krystalizujący w sieci A2, γ 2 związek elektronowy Cu 33 Al 19 bardzo twardy i kruchy. Brązy aluminiowe dzieli się podobnie jak inne stopy miedzi na dwie grupy czyli brązy do przeróbki plastycznej oraz brązy odlewnicze. Do przeróbki plastycznej nadają się szczególnie brązy jednofazowe o strukturze roztworu α, z uwagi na swe dobre własności plastyczne. Zgodnie z normą PN-92/H wyróżnia się brąz CuAl5 o zawartości około 5 [%] Al (zastępujący cynowy brąz monetowy), oraz brąz CuAl18 o zawartości około 8 [%] Al, używany na części sprężynujące różnych aparatów i urządzeń. Wytrzymałość brązu CuAl5 w stanie miękkim wynosi R m = 400 [MPa] przy wydłużeniu A 10 = 40 [%]. Własności wytrzymałościowe tych brązów, podobnie jak innych stopów miedzi, można podwyższyć przez zgniot. W przypadku brązu CuAl5 można wówczas osiągnąć wytrzymałość na rozciąganie R m = [MPa] przy wydłużeniu A 10 2 [%]. Brązy aluminiowe sprawiają duże trudności przy topieniu i odlewaniu. Są gęstopłynne i mają duży skurcz odlewniczy (2 [%]). Wtrącenia tlenków pozostałe w zakrzepniętym materiale obniżają własności mechaniczne odlewów. Brązy odlewnicze są głównie wieloskładnikowe. Zgodnie z normą PN-EN 1982:2002 są bardzo odporne na obciążenia statyczne, na korozję, ścieranie oraz na podwyższone temperatury. Używane są na silnie obciążane części maszyn i silników oraz na osprzęt i aparaturę narażoną na korozję i ścieranie. Strukturę brązu aluminiowego w stanie lanym (rys. 5) charakteryzują jasne kryształy roztworu stałego α na tle fazy β w częściowym stadium przemiany eutektoidalnej β α + γ 2. Roztwór α jest miękki i plastyczny a faza γ 2 twarda i krucha. ~ 5 ~

6 Rys. 5. Mikrostruktura brązu aluminiowego CuAl9Fe3-C; pow. 500 Brązy aluminiowe odznaczają się szczególnie dużą, w porównaniu z innymi stopami miedzi, odpornością na korozję. Powstająca na ich powierzchni warstewka tlenku aluminium jest nadzwyczaj ścisła i chroni elementy przed przenikaniem korozji w głąb. Szczególnie dużą odporność wykazują brązy aluminiowe na korozyjne działanie wody morskiej. Z tego względu znajdują one zastosowanie do wyrobu śrub okrętowych, korpusów i części pomp a także osprzętu okrętowego. Inne zastosowanie brązów aluminiowych to urządzenia energetyczne (zwłaszcza armatura parowa, turbiny parowe), urządzenia elektryczne (armatura transformatorowa, przełączniki), urządzenia w przemyśle chemicznym i pokrewnym (papierniczy i naftowy) oraz urządzenia wodociągowe i armatura siłowni wodnych Brązy krzemowe Brązy krzemowe są stopami zastępującymi brązy cynowe, w których droga i deficytowa cyna zostaje zastąpiona krzemem. Zawierają one do 4,5 [%] krzemu gdyż przy większych zawartościach krzemu (rys. 6) następuje gwałtowny spadek własności plastycznych i wytrzymałościowych brązu, pojawia się bowiem faza γ (tabela 4). Faza γ jest związkiem międzymetalicznym Cu 5 Si o zawartości 8,3 [%] Si. Jest ona twarda i krucha. W miarę dalszego chłodzenia stopu rozpuszczalność Si maleje nadal do ok. 3 [%]. Rys. 6. Fragment wykresu równowagi Cu Si ~ 6 ~

7 Brązy krzemowe mogą być stosowane zarówno jako materiał przerobiony plastycznie, jak i w postaci odlewów. Z brązów do przeróbki plastycznej szczególnie rozpowszechniony jest brąz z dodatkiem manganu CuSi3Mn1 zawierający około 3 [%] krzemu i około 1 [%] manganu, znany pod nazwą ewerdur. Odznacza się on dobrymi własnościami wytrzymałościowymi (R m = 300 [MPa] przy wydłużeniu A 5 = 38 [%]), dużą wytrzymałością zmęczeniową większą od mosiądzów i brązów cynowych, dobrą obrabialnością i odpornością na korozję. Z krzemowych brązów odlewniczych najbardziej rozpowszechniony jest brąz CuSi3Zn3Mn1 o dobrej lejności i dobrej odporności na ścieranie. Jest on stosowany do wyrobu części maszyn. Struktura brązów Cu Si (rys. 7) jest analogiczna jak w brązach cynowych. Roztwór stały α i eutektoid (α + δ) rozmieszczony jest w przestrzeniach międzydendrydycznych. Rys. 7. Mikrostruktura brązu krzemowo cynkowo manganowego; pow. 500 Brązy krzemowe stosuje się zawsze z dodatkami innych metali jak: Mn, Fe, Zn i Ni. Mangan i nikiel poprawiają własności mechaniczne, a cynk odlewnicze. Żelazo występuje tylko w brązach krzemowych odlewniczych. Brązy krzemowe stosowane do przeróbki zawierają mniej dodatków stopowych. Zaletami brązów krzemowych są dobre własności wytrzymałościowe, duża sprężystość i duża odporność na korozję. Wadami tych stopów jest duży skurcz (1,6 [%]), skłonność do mikro i makrosegregacji oraz absorpcja gazów w stanie ciekłym. Brązy krzemowe do przeróbki plastycznej stosowane są w przemyśle spożywczym, papierniczym, chemicznym oraz w przemyśle materiałów wybuchowych (nie iskrzą nawet przy silnym uderzeniu). Wyrabia się z nich siatki, sprężyny, łożyska i części samochodowe. Natomiast brązy krzemowe odlewnicze stosuje się na panewki łożysk ślizgowych, wirniki pomp, koła cierne i zębate, elementy przekładni ślimakowych, zastępując droższe brązy cynowe Brązy ołowiowe Brązy ołowiowe zawierają do 35 [%] ołowiu i zawsze inne składniki stopowe jak cynę, cynk, nikiel lub mangan a czasem fosfor. Dodatki te zwiększają wytrzymałość i przeciwdziałają makrosegregacji. Brązów ołowiowych nie obrabia się cieplnie. Brązy te są stosunkowo miękkie (25 HBW). Wprowadzenie cyny poprawia jednak twardość brązu i tak CuSn5Pb20 ma już twardość 45 HBW. Ołów w miedzi prawie się nie rozpuszcza w stanie stałym. Maksymalna rozpuszczalność prawdopodobnie nie przekracza 0,005 [%] Pb. ~ 7 ~

8 Rys. 8. Układ równowagi fazowej Cu - Pb Jak wynika z układu równowagi stopy o składzie 41 92,6 [%] Pb, nagrzane do temperatur powyżej 1000 [ C] stanowią jednorodną ciecz (rys. 8). W pewnej temperaturze, którą podaje linia przerywana na wykresie przy ochładzaniu następuje rozdział cieczy na dwie fazy ciekłe: jedną bogatszą w ołów i drugą bogatszą w miedź. Ciecze te tworzą zawiesinę lub emulsję, a przy dłuższym przetrzymywaniu w temperaturze 980 [ C] rozdzielają się według ciężarów właściwych. Ciecz bogatsza w ołów opada na dno, ciecz bogatsza w miedź zbiera się u góry. W temperaturze 953 [ C] ciecz bogatsza w miedź zawiera 41 [%] Pb, a ciecz bogatsza w ołów 92,6 [%] Pb. W tej temperaturze występuje tzw. przemiana monotektyczna, podczas której zachodzi rozkład fazy ciekłej na mieszaninę fazy stałej i ciekłej. Fazą stałą jest miedź natomiast fazą ciekłą jest roztwór ciekły. Fazą krzepnącą w niezmiennej temperaturze monotektyki jest roztwór L 1 no zawartości 41 [%] Pb. Po skrzepnięciu części miedzi temperatura dalej obniża się i w zakresie temperatur 953 do 326 [ C] następuje ubożenie roztworu ciekłego w miedź, która wydziela się z cieczy L 2 w stanie stałym. Gdy temperatura obniży się do 326 [ C] praktycznie cała miedź wykrystalizowała, a pozostały ołów krzepnie w stałej temperaturze. Rys.9. Mikrostruktura brązu cynowo ołowiowego: a) pow 100 b) pow 500 Ołów w miedzi występuje w strukturze w postaci czystej (rys. 9). Twarde ziarna roztworu α oraz miękkie ziarna ołowiu w strukturze zapewniają dobre własności ślizgowe i odporność na ścieranie. Brązy ołowiowe wykazują ~ 8 ~

9 skłonność do segregacji grawitacyjnej. Lżejsze kryształy miedzi wypływają ku górze, cięższe (zawierające więcej Pb) opadają na dno. Zjawisku temu można zapobiegać dodając 1 2 [%] Ni lub Mn, które tworzą szkielet ze związków międzymetalicznych, zapobiegając opadaniu kryształów. Biorąc pod uwagę dobrą przewodność cieplną i wytrzymałość zmęczeniową brązów ołowiowych można je z powodzeniem stosować na łożyska ślizgowe. Zasadniczą zaletą brązów ołowiowych jest mała wrażliwość na awaryjne przerwy w smarowaniu. Przy wzroście temperatury łożyska następuje wytapianie ołowiu, którego kropelki przejmują funkcje smaru, zabezpieczając wał przed zatarciem czopów Mosiądze Stopy miedzi z cynkiem, zwane mosiądzami, należą do najbardziej rozpowszechnionych stopów miedzi, zarówno dzięki swoim dobrym właściwościom użytkowym i technologicznym, jak również ze względu na swoją niską w porównaniu z innymi stopami miedzi cenę. Główny bowiem składnik stopowy mosiądzów cynk jest metalem tanim. Zawartość cynku w praktycznie stosowanych mosiądzach nie przekracza 45 [%], gdyż stopy o większej zawartości cynku są bardzo kruche. Zgodnie z układem równowagi (rys. 10) w zależności od zawartości cynku mosiądze mogą być jednofazowe α (do zawartości 32 [%] Zn), przejściowe (32 39 [%] Zn) oraz dwufazowe α + β (39 45 [%] Zn). Rys. 10. Wykres równowagi Cu-Zn W zakresie praktycznie stosowanych stopów, tj. do około 45 [%] Zn, występują dwie fazy: Faza α, która jest roztworem cynku w miedzi o sieci płasko centrowanej układu regularnego (Al). Rozpuszczalność cynku w miedzi, wynosząca w temperaturze perytektycznej 903 [ C] około 33 ~ 9 ~

10 [%], wzrasta z obniżeniem temperatury do 39 [%] w temperaturach normalnych. Faza β, która jest roztworem stałym na osnowie fazy międzymetalicznej CuZn o stężeniu elektronowym 3/2. Powstaje w wyniku reakcji perytektycznej pomiędzy kryształami a cieczą w temperaturze 903 [ C]. Faza β krystalizuje w sieci przestrzennie centrowanej układu regularnego (A2), o nieuporządkowanym rozmieszczeniu atomów. Poniżej [ C] roztwór nieuporządkowany przechodzi w roztwór uporządkowany (nadstruktura) i fazę tę oznacza się symbolem β. Ze względu na technologie przeróbki oraz przeznaczenie stopy Cu - Zn dzieli się na: mosiądze przerabiane plastycznie (PN-92/H i PN-93/H-87027) oraz mosiądze odlewnicze (PN-EN 1982:2002). Mosiądze do przeróbki plastycznej są mosiądzami dwuskładnikowymi lub wieloskładnikowymi mającymi budowę jednorodnej fazy α. Mosiądze odlewnicze są to stopy wieloskładnikowe zawierają liczne pierwiastki stopowe, które z reguły pogarszają własności plastyczne ale polepszają własności wytrzymałościowe i technologiczne (np. lejność, skrawalność). Własności mechaniczne mosiądzów zależą od zawartości cynku. Ze wzrostem zawartości cynku podwyższa się wytrzymałość i plastyczność stopu, przy czym optymalne własności mechaniczne mają mosiądze zawierające około 30 [%] Zn. Powyżej tej zawartości cynku ciągliwość mosiądzów zmniejsza się znacznie, a twardość i wytrzymałość powiększa (rys. 10). Właściwości mechaniczne mosiądzów bardzo szybko pogarszają się w temperaturze powyżej 200 [ C]. Rys. 10. Wpływ zawartości cynku na właściwości wytrzymałościowe i plastyczne mosiądzów Składnikami stopowymi mosiądzów są między innymi: ołów, aluminium, żelazo, krzem oraz cyna. Wprowadzając te pierwiastki możemy w znacznym stopniu poprawić ich własności. Zdecydowanie szkodliwymi składnikami, których obecności w stopie należy unikać, są natomiast: bizmut, antymon, kadm, siarka, selen i tellur. Pierwiastki te nie rozpuszczają się w stopie i zwiększają istotnie kruchość mosiądzów. ~ 10 ~

11 Ważną cechą mosiądzów jest ich odporność na korozję atmosferyczną. W pewnych warunkach mosiądze podlegają jednak korozji. Do najgroźniejszych rodzajów korozji można zaliczyć: Odcynkowanie zachodzi w obecności niektórych elektrolitów zwłaszcza zawierających jony chloru. Cynk i miedź przechodzą wtedy do roztworu, z którego następnie wydziela się z powrotem miedź w postaci gąbczastej. Po wytrąceniu się miedzi korozja dodatkowo się nasila i po dłuższym okresie znaczną część przekroju wyrobu zajmuje gąbczasta miedź. Prowadzi to w efekcie do powstawania pęknięć. Niebezpieczny jest fakt, że ta forma korozji nie uwidacznia się na powierzchni elementów konstrukcyjnych, która do momentu pęknięcia zachowują pierwotny wygląd. Sezonowe pękanie polega na selektywnym oddziaływaniu ośrodków korozyjnych na granice ziarn elementów z mosiądzu, w których występują naprężenia wewnętrzne, czyli jest międzykrystaliczną korozją naprężeniową. Skłonność mosiądzów do sezonowego pękania można ograniczyć poprzez wyżarzanie odprężające przy temperaturze [ C] Mosiądze do przeróbki plastycznej Jak wynika z układu Cu Zn (rys. 11), stopy zawierające do około 32 [%] Zn mają strukturę jednofazową roztworu stałego α cynku w miedzi. Mikrostruktura takiego mosiądzu (rys. 12a) zawiera jasne kryształy roztworu stałego α z bliźniakami, a powyżej tej zawartości (32 48 [%]) strukturę dwufazową, będącą mieszaniną roztworu stałego α i roztworu stałego β (rys. 12b). Rys. 12. Mikrostruktura mosiądzu a)zn 32 [%]; pow. 100, b)32 [%] Zn 48 [%]; pow. 200 Roztwór stały α, cechuje się dobrą plastycznością przy temperaturze pokojowej i gorszą w zakresie [ C]. Z tego względu mosiądze o takiej strukturze są przerabiane plastycznie na zimno. Pojawienie się fazy β w mosiądzach o wyższej zawartości cynku powoduje spadek własności plastycznych i zwiększenie kruchości stopów, co utrudnia ich przeróbkę plastyczną. Aby uniknąć tej kruchości mosiądze te są obrabiane plastycznie na zimno a mosiądze dwufazowe (α + β ) tylko na gorąco. Mosiądze do przeróbki plastycznej są stosowane zazwyczaj w postaci odkuwek, prętów, kształtowników, ~ 11 ~

12 drutów, blach, rur, taśm, pasów. Własności technologiczne tych mosiądzów są różne. Najłatwiej obrabiają się plastycznie mosiądze dwuskładnikowe. Są one odporne na korozję, również na korozję wody morskiej (zwłaszcza zawierające aluminium lub cynę) i dobrze skrawalne, szczególnie przy pewnej zawartości ołowiu. Mosiądze do obróbki plastycznej stosuje się na części maszyn w przemyśle okrętowym, lotniczym jak i samochodowym Mosiądze odlewnicze Wszystkie mosiądze odlewnicze są stopami wieloskładnikowymi, zawierającymi [%] Cu. W zależności od zawartości miedzi występują w nich fazy: α, α + β, β, oraz fazy międzymetaliczne zawierające pierwiastki stopowe. Wszystkie pierwiastki stopowe wprowadzane są w niewielkich ilościach 1 2 [%], rzadko przekraczających 4 [%]. Struktura mosiądzów odlewniczych (rys. 13) zawiera jasne ziarna fazy α na tle fazy β, z drobnymi wydzieleniami ołowiu. Rys. 13. Mikrostruktura mosiądzu odlewniczego CuZn38Mn2Pb2-C, 100 Wytrzymałość na rozciąganie mosiądzów odlewniczych wynosi w granicach [MPa] przy wydłużeniu A 5 w granicach 5 20 [%] i twardości HBW. Wszystkie mosiądze odlewnicze wykazują dużą odporność na korozję i ścieranie. Są stosowane na części maszyn i armaturę w przemyśle komunikacyjnym, lotniczym i okrętowym. Są stosowane do wyrobu części pracujących w temperaturze nie przekraczającej 200 [ C] Miedzionikle Miedzioniklami nazywamy stopy miedzi, w których głównym dodatkiem stopowym jest nikiel. Są one oparte na układzie Cu - Ni, w którym występuje nieograniczona rozpuszczalność składników w stanie ciekłym i stałym. Miedzionikle dzieli się na dwie grupy: odporne na korozję takie jak CuNi3Si1Mn (melchior), CuNi6Al2 (kunia), CuNi3Si1Mn, CuNi19 (nikielina) i CuNi25 (stosowany do wytwarzania monet) oraz oporowe, w tym głównie CiNi44Mn1 (konstant). Miedzionikle odznaczają się wysoką plastycznością, dobrymi własnościami wytrzymałościowymi, odpornością na korozję, a przy dużej zawartości Ni znacznym elektrycznym oporem właściwym. Największe zastosowanie znalazł stop o zawartości ok. 20 [%] Ni zwany nikieliną (np. CuNi19) oraz stop o zawartości 40 [%] Ni zwany konstantanem (CuNi40Mnl). Nikielina cechuje się dobrymi własnościami plastycznymi i dużą odpornością na korozję dlatego ze stopu CuNi25 wyrabia się monety. Konstantan znalazł głównie zastosowanie w elektrotechnice oraz do wyrobu termoelementów ~ 12 ~

13 (np. w połączeniu z żelazem lub miedzią). Inne zastosowanie miedzionikli to rury, wymienniki ciepła w urządzeniach krętowych, oporniki urządzeń pomiarowych, przemysł elektroniczny. 3. Aluminium Aluminium jest pierwiastkiem metalicznym, krystalizującym w układzie regularnym płaskocentrowanym A1, o gęstości 2,7 [g/cm 3 ], temperaturze topnienia 660 [ C] i temperaturze wrzenia 2450 [ C]. Cechuje go dobra przewodność cieplna i elektryczna (ta ostatnia wynosi 66 [%] przewodności elektrycznej miedzi), duży współczynnik rozszerzalności cieplnej (23, [1/ C]) i dość dobra odporność na korozję atmosferyczną, gdyż aluminium samorzutnie tworzy na powierzchni cienką, ale bardzo szczelną i ściśle przylegającą warstewkę tlenku aluminium, która zabezpiecza go przed dalszym utlenianiem. Wyróżnia się również odpornością na działanie wody, niektórych kwasów organicznych, dwutlenku siarki i wielu innych związków chemicznych. Zwiększenie odporności korozyjnej aluminium (a także jego stopów) uzyskuje się przez sztuczne wytwarzanie powłoki tlenkowej bądź chemicznie (alodynowanie), bądź elektrochemicznie (eloksalacja). Obecnie proces eloksalacji jest powszechnie stosowany w budownictwie (blachy osłonowe, ramy okienne i drzwiowe), w przemyśle samochodowym, przy wyrobie naczyń i sprzętu gospodarstwa domowego. Warstewka tlenków Al 2 O 3 ma grubość 5 30 [µm], a jej porowatość umożliwia barwienie na dowolny kolor. Aluminium technicznie czyste zawiera 0, [%] zanieczyszczeń (głównie żelazo, krzem, miedź, cynk i tytan, w mniejszych ilościach Mg, Mn, Cr, V, Pb i Ni), zależnie od sposobu oczyszczania. W Polsce, zgodnie z PN-EN 573-3, produkowane są dwa rodzaje aluminium technicznie czystego: rafinowane, o zawartości 99,995, 99,9 oraz 99,95 [%] Al, hutnicze, o zawartości 99,8, 99,7, 99,5 i 99,0 [%] Al. Aluminium rafinowane stosuje się przede wszystkim do budowy specjalnej aparatury chemicznej oraz na wyroby dla elektrotechniki i elektroniki. Aluminium hutnicze stosuje się do produkcji kabli i przewodów elektrycznych, do platerowania i budowy aparatury chemicznej. Własności wytrzymałościowe czystego aluminium są stosunkowo niskie, dlatego stosuje się stopy, które po odpowiedniej obróbce cieplnej mają wytrzymałość nawet kilkakrotnie większą. Stopy aluminium dzieli się na stopy do przeróbki plastycznej (PN-EN 573-3:2004 (U)) oraz odlewnicze (PN-EN 1676:2002). Stopy do przeróbki plastycznej zawierają na ogół mniejsze ilości pierwiastków stopowych, głównie Cu, Mg, i Mn, rzadziej Si, Zn, Ni, Cr i Ti. Zgodnie z typowym układem równowagi (rys. 14) Al Me (pierwiastek stopowy) stopy aluminium do przeróbki plastycznej dzieli się na stopy stosowane bez obróbki cieplnej oraz stopy stosowane w stanie utwardzonym dyspersyjnie. Stopy odlewnicze są stopami wieloskładnikowymi o większej zawartości pierwiastków stopowych (5 25 [%]). Zawierają najczęściej: Si, Cu, Mg, i Zn. Cechują się dobrą lejnością i małym skurczem. ~ 13 ~

14 Rys. 14. Klasyfikacja stopów aluminium według układu równowagi I - Stopy do przeróbki plastycznej, II - Stopy odlewnicze; 1 - Stopy nie podlegające obróbce cieplnej, 2 - Stopy obrabialne cieplnie Stopy aluminium cechują się korzystnym parametrem konstrukcyjnym, tzn. stosunkiem wytrzymałości do ciężaru właściwego, który jest większy niż dla stali, a oprócz tego ich udarność nie maleje w miarę obniżania temperatury, dzięki czemu w niskich temperaturach mają większą udarność niż stal. Mają jednak niską wytrzymałość zmęczeniową Stopy do przeróbki plastycznej Istnieje bardzo wiele stopów aluminium do przeróbki plastycznej spośród których na największą uwagę zasługuje duraluminium. Są to wieloskładnikowe stopy, głównie na bazie Al Cu Mg przeznaczone do przeróbki plastycznej. W stopach układu Al Cu Mg (rys. 15), w zależności od zawartości miedzi i stosunku zawartości Cu do Mg, mogą powstawać fazy międzymetaliczne podwójne: CuAl 2 lub Al 3 Mg 2 (przy malej zawartości odpowiednio magnezu lub miedzi) ewentualnie potrójne: Al 2 CuMg i CuMg 5 Al 5. Dzięki zmiennej rozpuszczalności miedzi i magnezu w stanie stałym, fazy te podczas ogrzewania do wysokiej temperatury stopów leżących pomiędzy linia a b i a 1 b 1 ulegają rozpuszczeniu, tworząc jednorodny roztwór stały. Studzenie stopu o takiej strukturze, przeprowadza się z szybkością większą od szybkości rozpadu roztworu stałego. Rys. 15. Część układu równowagi Al Cu Mg Durale dzięki temu że nie wykazują przemian alotropowych, lecz charakteryzują się zmienną rozpuszczalnością jednego ze składników ~ 14 ~

15 w roztworze stałym mogą być poddawane utwardzaniu wydzieleniowemu dzięki czemu polepszają swoje własności. Proces ten stanowią połączone operacje technologiczne przesycania oraz starzenia. Temperatura przesycania duraluminium wynosi [ C]. Studzenie następuje w wodzie, oleju lub nawet na powietrzu. Po przesyceniu otrzymuje się stop o budowie jednofazowej, miękki o niskiej wytrzymałości i dużej plastyczności. Przesycone aluminium podlega następnie starzeniu. Może ono zachodzić samorzutnie w temperaturach otoczenia i wówczas zwane jest starzeniem naturalnym, przy czym najlepsze właściwości mechaniczne osiąga duraluminium po 5 7 dniach. Proces starzenia można przyspieszyć przez podgrzanie i takie przyspieszone starzenie nosi nazwę sztucznego. W czasie starzenia naturalnego (w temperaturze 20 [ C]) po czterech dniach od chwili przesycenia duraluminium osiągnie największą wytrzymałość (rys. 16). Starzenie w wyższych temperaturach przyspiesza wprawdzie zachodzące procesy, jednakże uzyskane wartości wytrzymałościowe na rozciąganie są niższe z uwagi na koagulację wydzielonych faz. Zjawisku starzenia można zapobiec przez wytrzymywanie duraluminium w niskich temperaturach. W ten sposób można zachować właściwości plastyczne duraluminium dla dalszego kształtowania plastycznego, jeśli wykonanie tych zabiegów technologicznych bezpośrednio po przesycaniu nie jest możliwe. Rys. 16. Wykres wpływu temperatury i czasu starzenia na zmiany twardości duraluminium Stopy Al Cu - Mg w wyniku utwardzania dyspersyjnego uzyskują wysoką wytrzymałość na rozciąganie, przy znacznej plastyczności. Wadą tych stopów jest stosunkowo niska odporność na korozję i z tego powodu zazwyczaj plateruje się je obustronnie czystym aluminium i 1 [%] Mn. Żelazo i krzem występują w nim jako domieszki i są ograniczone do 0,7 [%]. W stopie tym powstają różne fazy międzymetaliczne, w stanie przesyconym składa się on z roztworu stałego z wydzieleniami nierozpuszczalnych związków manganu i żelaza. Stosowane są one do wykonywania nitów elementów konstrukcji lotniczych, części maszyn, pojazdów mechanicznych. Używane są w budownictwie i architekturze Stopy odlewnicze Odlewnicze stopy aluminium są przeważnie stopami wieloskładnikowymi o dużym stężeniu od 5 do 25 [%] pierwiastków stopowych, głównie Si, Cu, Mg i Ni. Największe znaczenie i najbardziej rozpowszechnione spośród stopów odlewniczych aluminium są siluminy będące stopami aluminium zawierającymi [%] krzemu. Pod względem zawartości zgodnie z układem równowagi (rys. 17) siluminy dzielą się na podeutektyczne (2 10 [%] Si), eutektyczne (10 13 [%] Si) oraz nadeutektyczne (13 30 [%] Si). ~ 15 ~

16 Rys. 17. Układ równowagi Al-Si Siluminy o składzie eutektycznym charakteryzują się bardzo dobrymi własnościami odlewniczymi oraz nie wykazują skłonności do pękania na gorąco. Własności mechaniczne stopów obniżają jednak wydzielenia kryształów roztworu β (praktycznie kryształów Si), co występuje szczególnie po wolnym chłodzeniu z temperatury odlewania. Struktura siluminu (rys 18a) zawiera grube, iglaste lub pierzaste kryształy krzemu ujemnie wpływające na własności mechaniczne stopu. Strukturę tego siluminu można polepszyć przez szybkie chłodzenie po odlaniu lub modyfikowanie. Siluminy eutektyczne modyfikuje się sodem, najczęściej w postaci NaF zmieszanego z NaCl oraz KCl. Dodatek sody hamuje krystalizację pierwotnego krzemu oraz powoduje obniżenie temperatury przemiany eutektycznej i przesuniecie punktu eutektycznego w prawo, ku wyższej zawartości krzemu (rys. 17). Dzięki temu stopy, które normalnie są eutektyczne krzepną jako podeutektyczne z wydzieleniami dendrytycznymi kryształów α na tle drobnoziarnistej eutektyki α + β (rys 18b). W efekcie otrzymuje się ponad dwukrotny wzrost wytrzymałości na rozciąganie. Rys. 18. Mikrostruktura siluminu eutektycznego; a) przed modyfikacją, b) po modyfikacji; 100 Siluminy nadeutektyczne wykazują duże wydzielenia kryształów roztworu β (praktycznie kryształów Si). Stopy te są modyfikowane fosforem, który tworzy dyspersyjne cząstki AlP, stanowiące zarodki heterogeniczne w czasie krystalizacji cząstek roztworu β bogatego w Si. W wyniku tego w strukturze stopu ochłodzonego do temperatury pokojowej występuje eutektyka α + β i drobne cząstki roztworu β o znacznej dyspersji (rys 18). Modyfikacja sodem wykazuje szereg wad jak niszczenie wymurówki pieca, krótki okres ~ 16 ~

17 działania (20 40 minut). Lepsze efekty daje modyfikacja strontem w ilości około 0,01 [%] masy stopu. Modyfikacja taka pozwala na ponowne jego przetopienie bez utraty efektów poprzedniej modyfikacji. Rys. 18. Mikrostruktura siluminu nadeutektycznego; a) przed modyfikacją, b) po modyfikacji; pow. 100 Siluminy podeutektyczne modyfikuje się jak eutektyczne sodem, dodawanym w postaci mieszaniny NaF, NaCl i KCl. Dodatek sodu obniża temperaturę przemiany eutektycznej i powoduje przesunięcie punktu eutektycznego do większego stężenia ok. 13 [%] Si. Strukturę stopów modyfikowanych stanowi podobnie drobnoziarnista eutektyka α+β z wydzieleniami fazy α. Ogólna ilość modyfikatora nie przekracza 0,1 [%]. W wyniku modyfikacji R m rośnie z około 110 do 250 [MPa], A 5 z około 1 [%] do 8 [%]. Siluminy stosowane są głównie na odlewy o złożonych kształtach, silnie obciążonych części maszyn i urządzeń, np. pomp, silników, armatury okrętowej, do budowy aparatury chemicznej oraz na wyroby galanteryjne. 4. Stopy łożyskowe Ołów znajduje zastosowanie na stopy łożyskowe, służące do wylewania panewek. Poza ołowiem stopy te zawierają cynę (do 17 [%]), antymon (do 17 [%]), miedź (do 6,5 [%]), arsen (do 1,0 [%]), kadm (do 2,25 [%]), wapń (do 1,15 [%]) i sód (do 0,90 [%]). Pod względem metalograficznym wymaga się od stopów łożyskowych, aby stanowiły przynajmniej dwufazową mieszaninę stosunkowo twardych kryształów, rozmieszczonych równomiernie w plastycznym podłożu. Twarde kryształy mieszaniny mają na celu zmniejszenie tarcia, a plastyczne podłoże umożliwienie dotarcia się czopa do łożyska. Wymagania stawiane stopom łożyskowym obejmują szereg własności z których najważniejsze to: dobra smarowność, wysoka odporność korozyjna, niewrażliwość na zacieranie się, dobre przewodnictwo cieplne, odporność na ścieranie i mały współczynnik tarcia, dobra plastyczność i wytrzymałość na ściskanie, odporność na zmęczenie i duża udarność, dobre własności odlewnicze. Struktura stopu łożyskowego powinna się składać z plastycznej osnowy z równomiernie rozmieszczonymi w niej wydzieleniami fazy o wysokiej twardości. Po pewnym okresie eksploatacji łożyska na powierzchni panewki wystąpią różnice wysokości między fazą twardą a osnową i powstaną przestrzenie, które zapełni smar (rys. 20). ~ 17 ~

18 Rys. 20. Schemat wpływu struktury stopu łożyskowego na przemieszczanie się warstewki smaru oraz współpracę panewki i wału W praktycznych rozwiązaniach łożysk ślizgowych spotykane są konstrukcje trójwarstwowe (rys. 21), w których zastosowano niklową powłokę przeciwdyfuzyjną znajdującą się pomiędzy warstwą ślizgową brązu ołowiowego a warstwą stopu łożyskowego. Zabezpiecza ona przed dyfundowaniem składników stopowych. Rys. 21. Konstrukcja wielowarstwowego łożyska ślizgowego Stopy łożyskowe dzieli się na trzy grupy: stopy cynowo antymonowo miedziowe, stopy cynowo ołowiowo antymonowe, stopy ołowiu z metalami ziem alkalicznych. Typowymi stopami łożyskowymi są babbity z pierwszej grupy (np. SnSb 8 Cu 3 lub SnSb ll Cu 6 ) zawierające [%] cyny, 4 13 [%] antymonu i 3 6 [%] miedzi. Miedź i antymon podwyższają wytrzymałość stopów łożyskowych przy obniżeniu ich plastyczności (rys. 22). Rys. 22. Wpływ miedzi i antymonu na własności mechaniczne stopów cyny Stopy o najczęściej spotykanej zawartości miedzi 3 6 [%] mają najwyższą wytrzymałość przy 9 10 [%]. Doświadczalnie stwierdzono, że najlepsze własności wykazują stopy o zawartości nie większej niż [%] Sb i 7 8 [%] Cu. W stanie lanym mają one miękką drobnoziarnistą osnowę będącą eutektyką bogatą w cynę w której rozmieszczone są twarde nośne kryształy Sn 3 Sb 2 oraz iglaste kryształy Cu 6 Sn 5 (rys. 23). ~ 18 ~

19 Rys. 23. Struktura stopu łożyskowego babbitu; pow 100 Taka struktura stopów zapewnia wymagane własności stawiane materiałom na łożyska ślizgowe. Każdy z elementów mikrostruktury odgrywa w tym stopie istotną funkcję. Drobnoziarnista i miękka osnowa cynowa zapewnia dobrą smarowność, ma dobrą plastyczność i dobre przewodnictwo cieplne. Odporność na ścieranie wynika z obecności w strukturze twardych kryształów Sn 3 Sb 2. Stop ten ze względu na skład chemiczny ma wysoką odporność korozyjną. Istotną rolę w tym stopie odgrywają również iglaste kryształy Cu 6 Sn 5 zapobiegając tzw. segregacji grawitacyjnej. Zjawisko to polega na wypływaniu na powierzchnię lub opadaniu na dno, krzepnących w odlewach w pierwszej kolejności, kryształów, o ciężarze właściwym odpowiednio mniejszym lub większym od ciężaru właściwego wciąż płynnego stopu. W babbitach tendencję do wypływania na powierzchnię mają lżejsze kryształy Sn 3 Sb 2. Przeciwdziała temu obecność w stopie miedzi, która tworzy krzepnącą w pierwszej kolejności siatkę iglastych kryształów Cu 6 Sn 5. Jej obecność w stopie uniemożliwia wypływanie krzepnącym później kryształom Sn 3 Sb 2 i tym samym zapewnia jednorodną strukturę stopu w całej objętości odlewu. Jako tańsze wprowadzono stopy cynowo-ołowiowo-antymonowe, w których cynę zastąpiono częściowo ołowiem. W stopach tych miękką osnowę stanowi potrójna eutektyka o dużej zawartości ołowiu. Poza tym ich struktura podobna jest do babbitów, gdyż na tle tej osnowy występują sześcienne kryształy SnSb. W stopach tych prawie zawsze występuje miedź, która zmniejsza segregację spowodowaną różnicą ciężarów składników stopu, tworząc twarde związki Cu 2 Sb o kształcie igiełek. Do tych stopów należy stop PbSn l6 Sb l6 Cu 2. Są one tańsze od babbitów, lecz też od nich gorsze (stosowane są przy małych obciążeniach i małych szybkościach). Trzecim rodzajem miękkich stopów łożyskowych są stopy ołowiu z metalami ziem alkalicznych czyli pierwiastkami chemicznymi występującymi w drugiej grupie układu okresowego: wapniem, barem, strontem i innymi. Pierwiastki te tworzą z ołowiem twarde związki chemiczne (np. Pb 3 Ca, Pb 3 Ba) które są rozmieszczone w miękkiej osnowie prawie czystego ołowiu. Aby ołów był twardszy, dodaje się do stopu nieco sodu, w ilości paru dziesiątych procenta. Istnieje wiele takich stopów o rozmaitych nazwach. Z uwagi na niewielką zawartość dodatków stopowych nie są one drogie, a jakość ich jest dobra (pod niektórymi względami dorównują one nawet brązom cynowym). Stąd też stopy te znajdują szerokie zastosowanie, zwłaszcza w kolejnictwie. Wadą stopów ~ 19 ~

20 ołowiu jest mała odporność na korozję atmosferyczną i wypalanie się składników stopowych przy ich przetapianiu. 5. Stopy lutownicze Lutowanie metali jest procesem polegającym na łączeniu przedmiotów za pomocą dodatkowego nadtopionego metalu, zwanego lutem. Temperatura topnienia lutu powinna być niższa od temperatury topnienia łączonych metali. Lut powinien dobrze zwilżać ich powierzchnie oraz przynajmniej w sposób ograniczony rozpuszczać się w łączonych metalach. W stanie stopionym lut powinien wykazywać dobrą lejność, a zakres jego krzepnięcia nie powinien być zbyt duży. W zależności od temperatury topnienia dzielimy je na luty łatwo topliwe (miękkie), które topią się do temperatury 450 [ C] oraz luty trudno topliwe (twarde), które topią się w temperaturze powyżej 450 [ C]. Luty miękkie cechuje mała twardość, niewielka wytrzymałość oraz dobra plastyczność. Zapewniają one jedynie dobrą szczelność łącza i nie przeznaczone są do przenoszenia obciążeń. Do najbardziej rozpowszechnionych lutów miękkich należą stopy cynowo ołowiowe. Jak widać z układu równowagi ołów cyna (rys. 24) przy zawartości 61,9 [%] Sn występuje eutektyka o temperaturze topnienia 183 [ C]. Jest ona mieszaniną nasyconych kryształów roztworu stałego cyny w ołowiu oraz ołowiu w cynie. Luty miękkie wyrabia się w postaci drutów lub tak zwanych past lutowniczych. Przed przystąpieniem do lutowania powierzchnie łączonych metali winny być oczyszczone z tlenków. Do tego celu używamy topników takich, jak chlorek cynku lub kalafonia. Rys. 24. Układ równowagi cyna-ołów Luty twarde mają wysokie temperatury topnienia rzędu [ C] i są stosowane przede wszystkim w przypadkach gdy od lutowanego połączenia wymagana jest duża wytrzymałość. Wytrzymałość połączeń lutowanych lutami twardymi wynosi [MPa]. 6. Stopy niskotopliwe Stopami niskotopliwymi umownie nazywamy stopy, których temperatura topnienia jest niższa od temperatury topnienia cyny, tj. 232 [ C]. Do sporządzania tych stopów wykorzystuje się eutektykę, a mianowicie to że ma ona najniższą z możliwych temperaturę topnienia. Są to stopy na osnowie bizmutu, ołowiu, cyny lub cynku o stosunkowo niskiej temperaturze topnienia. ~ 20 ~

21 Do najbardziej znanych stopów niskotopliwych należą tzw. stopy Wooda, Newtona, Matrix, Lipowitza. Bazą dla nich są: ołów, cyna. kadm i bizmut. W innych stopach tego typu występują też antymon i miedź. Sporządza się też stopy na bazie cynku z cyną, ołowiem i miedzią. Stosowane są między innymi na elementy regulatorów, automatycznych wyłączników, urządzeń sygnalizacyjnych i przeciwpożarowych, w mechanizmach precyzyjnych oraz sprzęcie medycznym i ortopedycznym. 7. Metale szlachetne Do metali szlachetnych zalicza się złoto, srebro, platynę, osm, iryd, pallad, rod i ruten. Wszystkie te pierwiastki wykazują bardzo dużą odporność na korozję, są całkowicie odporne na działanie powietrza, wody i wielu agresywnych środowisk chemicznych. Mają dużą gęstość i wysoką temperaturę topnienia (z wyjątkiem srebra i złota), w większości są bardzo plastyczne (tabela 1). Stopami metali szlachetnych nazywa się stopy, w których średnia nominalna zawartość metali szlachetnych jest większa od 10 [%]. Pierwiastek Symbol Tabela 1. Wybrane własności metali szlachetnych Liczba atomowa Temp. Typ topnienia sieci [ C] Gęstość [g/cm 3 ] Opór elektryczny właściwy w 20 [ C] [µω m] Współczynnik rozszerzalnoś ci cieplnej α 10 6, [1/ C]. Twardość HBW Ruteb Ru A3 12,2 0,0680 9,1 200 Rod Rh A1 12,4 0,0433 8,3 150 Pallad Pd A1 12,0 0, ,6 50 Srebro Ag ,8 A1 10,5 0, ,7 26 Osm Os A3 22,6 0,0812 6,1 350 Iryd Ir A1 22,5 0,0471 6,8 160 Platyna Pt A1 21,4 0,0986 9,1 50 Złoto Au A1 19,3 0, , Srebro Srebro krystalizuje w sieci regularnej ściennie centrowanej typu A1. Występuje w przyrodzie bardzo rzadko w stanie czystym, najczęściej zaś w postaci związków chemicznych z arsenem, siarką, antymonem itd. Podstawowym minerałem do produkcji srebra jest błyszcz srebrowy. Srebro ma barwę srebrzysto białą o silnym połysku, ciężar właściwy 10,5 [g/cm 3 ], temperaturę topnienia 960 [ C], wytrzymałość na rozciąganie R m = 160 [MPa], wydłużenie A = [%], twardość 25 HBW. Srebro odznacza się bardzo dobrą podatnością dla obróbki plastycznej, jest dobrym przewodnikiem ciepła i elektryczności. Srebra używamy zazwyczaj do galwanicznego powlekania innych metali. Zastosowanie srebra w przemyśle jest bardzo małe. Czyste srebro ma zastosowanie do posrebrzania zarówno chemicznego, jak i galwanicznego, do ~ 21 ~

22 wyrobu przewodów w urządzeniach elektrycznych oraz aparatury w przemyśle chemicznym Złoto Złoto krystalizuje w sieci regularnej ściennie centrowanej typu A1. Jego gęstość wynosi 19,3 [g/cm 3 ]. Topi się w temperaturze 1063 [ C]. Ze względu na bardzo dużą plastyczność może być obrabiane plastycznie na zimno, a wytwarzane folie osiągają grubość mniejsza od 0,1[µm]. Wytrzymałość na rozciąganie złota wynosi 130 [MPa]. Twardość Au jest jednak niewielka, mniejsza od 20 HBW, co wiąże się z bardzo małą odpornością złota na ścieranie. Dlatego zwykle nie stosuje się czystego metalu, lecz stopy Au o znacznie większej twardości i wyższych własnościach wytrzymałościowych Najczęściej składnikami stopów złota są Cu i Ag a także Ni, R, Pd, Mn i Zn. Niekiedy są stosowane dodatki Cd, Co i Be. Stopy Au z Ni poniżej 340 [ C] cechują się własnościami ferromagnetycznymi. Dodatek Ag do Au w zależności od stężenia zmienia jego zabarwienie od żółtego przez zielonożółte do białego. Dodatek Cu powoduje zmianę, zabarwienia stopów Au od żółtego przez czerwono - żółte do czerwonego w zależności od stężenia Cu. Zabarwienie stopu jest zależne również od stanu, w jakim znajdują się stopy, gdyż zgniot powoduje przesuniecie zabarwienia w kierunku żółtego. Złoto ze względu na bardzo wysoką cenę w przemyśle używane jest w wyjątkowych przypadkach. Ze złota wykonuje się urządzenia laboratoryjne oraz ma ono zastosowanie do złocenia zarówno chemicznego, jak i galwanicznego, a także w elementach używanych w elektronice Platyna Platyna występuje w przyrodzie jako stop z innymi metalami, jak osm, rod, pallad, iryd, i ruten, zwanymi też platynowcami. Platyna ma barwę srebrzystą, ciężar właściwy 21,46 [g/cm 3 ], temperaturę topnienia 1773 [ C], wytrzymałość na rozciąganie R m = 150 [MPa], wydłużenie A = 50 [%] oraz twardość 55 HBW. Platyna ma bardzo dużą odporność na działanie kwasów oraz na wpływy atmosferyczne. Wykazuje ona bardzo dobrą podatność dla obróbki plastycznej. Praktyczne przemysłowe zastosowanie znajduje platyna przy produkcji drutów do termopar. Ze względu na jej wysoką cenę wykorzystywana jest jeszcze jedynie do prac laboratoryjnych oraz w przemyśle chemicznym w postaci katalizatorów. ~ 22 ~

23 II. Zebranie najważniejszych wiadomości na temat pomiaru twardości metodą Brinella: 1. Podstawowe informacje o twardości Twardość - jest miarą odporności materiału przeciw lokalnym odkształceniom trwałym, powstałym na powierzchni badanego przedmiotu, wskutek wciskania w nią drugiego twardszego ciała, zwanego wgłębnikiem. Twardościomierz - to szeroko rozpowszechniony, nieskomplikowany przyrząd służący do badań twardości. Pomiar twardości metodą Brinella: Według normy PN-EN ISO w metodzie Brinella jako wgłębnika używa się kulek z węglików spiekanych o znormalizowanych średnicach: 10; 5; 2,5 [mm]. Twardość Brinella oznacza się symbolem HBW. Sposób Brinella umożliwia pomiar twardości w zakresie do 650 HBW. Symbol poprzedzany jest wartością twardości i uzupełniany przez indeks wskazujący przyjęte warunki próby, tj. średnicę próbki ([mm]) i liczbę określającą siłę obciążającą ([kg]) oraz czas działania pełnego obciążenia ([s]) jeśli jest on dłuższy niż 15 [s], np. 500 HBW 10/3000/20 twardość Brinella równą 500 jednostek, zmierzoną za pomocą kulki z węglików spiekanych o średnicy 10 [mm], przy zastosowaniu siły obciążającej 3000 [kg] (29420 [N]) i czasie obciążenia 20 [s]. Podczas pomiaru czas obciążenia powinien wynosić sekund. Twardość tą określa stosunek siły F wciskającej wgłębnik do pola A trwałego odcisku, który w postaci czaszy kulistej utworzy się na powierzchni materiału. kg mm Uwzględniając zależności geometryczne powyższy wzór można przedstawić następująco: HBW F = ( D D πd 2 2 d 2 ) 2 2F HBW = π D( D D gdzie: F siła obciążająca [kg] D średnica kulki [mm] d średnica odcisku [mm] 2 d 2 ) kg mm 2 Jeżeli tą samą kulką wykona się w tym samym materiale szereg odcisków, kolejno zwiększając siłę F i otrzymując coraz większe odciski, to obliczone każdorazowo liczby twardości HBW nie będą jednakowe, lecz będą się zmieniały. Jako wskaźnik twardości charakteryzujący materiał przyjmuje się HBW max która jest maksymalną wartością HBW. Dopuszczając możliwość ~ 23 ~

24 odchyłek liczby twardości od wartości maksymalnej zostało przyjęte w normie, że średnica odcisków powinna się zawierać w granicach 0,24D d 0,6D. Zalety metody Brinella: możność uzależnienia twardości Brinella dla materiałów ciągliwych od wytrzymałości na rozciąganie R m. Wady metody Brinella: niemożność stosowania jej do pomiaru twardości wyrobów twardych, drobnych oraz cienkich warstw utwardzonych i powierzchni niepłaskich, kłopotliwy pomiar twardości (mikroskop do pomiaru średnicy odcisku), zależność wyniku pomiaru twardości od zastosowanego obciążenia na kulkę, znaczne uszkodzenie powierzchni. ~ 24 ~

25 III. Zebranie najważniejszych wiadomości na temat statycznej próby rozciągania: Podstawową próbą badań własności mechanicznych metali jest próba statyczna rozciągania metali, ujęta normą PN-EN AC1. Dzięki tej próbie otrzymujemy podstawowe informacje o własnościach wytrzymałościowych i plastycznych danych metali. Próba taka realizuje najprostszy stan naprężeń, jaki powstaje przy prostym rozciąganiu. Badanie wytrzymałościowe w trakcie tej próby polega na osiowym rozciąganiu próbki odpowiednio ukształtowanej na maszynie wytrzymałościowej zwanej zrywarką. Próba polega na rozciąganiu próbki na ogół do zerwania, zarejestrowaniu zależności użytej siły od wydłużenia próbki (rys. 25) i wyznaczeniu jednej lub więcej własności mechanicznych przy temperaturze otoczenia (10 35 [ C]). Rys. 25. Zależność siły od wydłużenia dla materiału wykazującego wyraźną granicę plastyczności. Próbki przeznaczone do badań mają część pomiarową o stałym przekroju, a zakończone są obustronnie główkami o zwiększonym przekroju. Część pomiarowa o długości L 0 przechodzi w sposób łagodny do główek, dzięki czemu możemy przyjąć, że stan naprężenia i odkształcenia w każdym punkcie części pomiarowej jest jednakowy. Przeprowadzając statyczną próbę rozciągania metali należy pamiętać, iż uzyskane wyniki pochodzą z badań przeprowadzonych na próbkach, a zatem nie mogą odzwierciedlać zachowania się gotowych konstrukcji pod obciążeniem. Wskaźniki wytrzymałości: Wskaźniki wytrzymałości są ilorazem siły w określonej chwili badania i początkowej powierzchni przekroju poprzecznego (S o ) próbki. 1. Wytrzymałość na rozciąganie R m - jest to naprężenie, powodujące przyrost odkształcenia plastycznego odpowiadające największej sile F m. 2. Wyraźna granica plastyczności R e jest to naprężenie, powodujące przyrost odkształcenia plastycznego bez wzrostu siły. ~ 25 ~