Odlewnicze stopy żelaza. Staliwa niestopowe

Transkrypt

1 Staliwa niestopowe Odlewnicze stopy żelaza Ważnym materiałem konstrukcyjnym, stosowanym w postaci odlewów jest staliwo niestopowe. Otrzymuje się je w wyniku odlewania do form, w których krzepnie, uzyskując wymagany kształt użytkowy. Staliwa niestopowe (węglowe) dzieli się na dwie grupy podlegające odpowiednio odbiorowi: - na podstawie własności mechanicznych, - na podstawie własności mechanicznych oraz składu chemicznego. Skład chemiczny staliw niestopowych według PN-ISO 3755:1994 zestawiono w tablicy 7.1. Znak staliwa składa się z dwóch liczb określających wyrazom w MPa wartości: minimalnej granicy plastyczności R e oraz minimalnej wytrzymałości na rozciąganie R m (np ), po których, w przypadku staliw niestopowych podlegających odbiorowi także na podstawie składu chemicznego, umieszczona jest litera W (np W). Tablica 7.1 Skład chemiczny i własności mechaniczne staliw niestopowych konstrukcyjnych. Własności staliw, podobnie jak stali węglowych i niestopowych, zależą głównie od stężenia węgla (rys. 7.1). Staliwa, szczególnie nisko- i średniowęglowe, cechują się dobrą spawalnością. Składnikami strukturalnymi występującymi w staliwie niestopowym są ferryt i perlit. W zależności od sposobu i szybkości chłodzenia odlewu, w staliwie niestopowym w stanie surowym może wystąpić tzw. struktura globulityczna o okrągłych ziarnach lub struktura Widmannstattena (charakteryzuje się iglastą budową ferrytu w osnowie perlitu i ma niekorzystny wpływ na własności mechaniczne staliwa). Rysunek 7.1 Wpływ stężenia węgla na własności mechaniczne staliw niestopowych w stanie wyżarzonym (wg K. Roescha i Zimmermanna). W celu usunięcia niekorzystnej struktury pierwotnej, niejednorodności składu chemicznego, a także naprężeń odlewniczych, odlewy staliwne poddaje się obróbce cieplnej, głównie wyżarzaniu ujednorodniającemu lub normalizującemu, a także wyżarzaniu odprężającemu. Odlewy staliwne można również hartować i odpuszczać, a także obrabiać cieplno-chemicznie, stosując zasady podobne jak przy obróbce cieplnej elementów stalowych o zbliżonym składzie chemicznym. 1

2 Staliwa stopowe Tablica 7.2 Orientacyjny skład chemiczny i własności staliw stopowych konstrukcyjnych ogólnego przeznaczenia Staliwa stopowe zawierają dodatki stopowe o stężeniu przekraczającym wartości graniczne takie same jak dla stali stopowych. Ze względu na zastosowanie, staliwa stopowe dzieli się na: konstrukcyjne, odporne na ścieranie, odporne na korozję, żaroodporne i żarowytrzymałe oraz narzędziowe. Gdy łączne stężenie dodatków stopowych nie przekracza 2,5%, staliwo jest uważane za niskostopowe, gdy jest zawarte w przedziale 2,5-5% - za średniostopowe, a przy stężeniu większym niż 5% - za wysokostopowe. Przeważnie są stosowane staliwa zawierające kilka składników stopowych, w tym głównie Ni, Cr, Si. Ma często dodatki Mo, V, W, Ti, Nb, Co i B. Staliwa stopowe zawierające tylko jeden z wymienionych składników są stosowane rzadko. Własności staliw stopowych często są polepszane przez modyfikowanie, np. mieszankami cerowymi, a także przez zastosowanie odpowiedniej obróbki cieplnej odlewów. Oznaczenie staliw stopowych rozpoczyna się od litery G (według PN-EN) lub L (według dotychczasowych norm PN), a następujący po nich znak jest zgodny z systemem oznaczania odpowiedniej grupy stali. 2

3 Żeliwa niestopowe Żeliwa należą do materiałów odlewniczych najpowszechniej stosowanych w budowie maszyn. Decydują o tym między innymi: stosunkowo niski koszt produktów, niska temperatura topnienia, dobre własności wytrzymałościowe oraz dobra skrawalność. Żeliwo zawiera ok. 2-4% węgla. W zależności od postaci, w jakiej występuje węgiel, rozróżnia się żeliwa: - szare, w których węgiel występuje w postaci grafitu, - białe, w których węgiel jest związany w cementycie, - połowiczne (pstre), w których występuje zarówno cementyt, jak i grafit. W wyniku celowych zabiegów technologicznych w czasie procesów metalurgicznych grafit może zostać rozdrobniony w przypadku żeliwa modyfikowanego lub doprowadzony do postaci kulistej - w przypadku żeliwa sferoidalnego. Długotrwała obróbka cieplna niektórych żeliw białych powoduje uzyskanie tzw. węgla żarzenia w strukturze otrzymanego żeliwa ciągliwego. Typowe struktury różnych żeliw przedstawiono schematycznie na rysunku 7.2. Żeliwa, zgodnie z PN-EN 1560:2001, są oznaczane na podstawie symboli lub numerów. Znak żeliwa zawierający symbole składa się z liter EN-GJ, litery określającej postać grafitu lub cementytu i jeśli to konieczne następnej litery identyfikującej mikro- lub makrostrukturę. Następne części znaku (oddzielane od siebie kolejnymi łącznikami) klasyfikują żeliwo według własności lub składu chemicznego i podają ewentualne wymagania dodatkowe. Niektóre szczegóły dotyczące oznaczeń podano przy opisie poszczególnych grup żeliw. Jednoznacznie określa dany gatunek żeliwa także oznaczenie zawierające numer. Oznaczenie to zaczyna się od liter EN-J, następnie jest litera określająca strukturę (zwłaszcza postać grafitu) i czterocyfrowy numer, np. EN-JS1131. Rysunek 7.2 Schemat struktur żeliw I - białego, IIa - połowicznego, II - szarego perlitycznego, Ilb - szarego ferrytyczno-perlitycznego, III - szarego ferrytycznego, IV - sferoidalnego, V - ciągliwego (wg W. Sakwy) 3

4 Klasyfikacja żeliwa szarego niestopowego Żeliwo szare niestopowe (węglowe) można podzielić na trzy grupy: - żeliwo szare zwykłe, - żeliwo modyfikowane, - żeliwo sferoidalne. Żeliwa szare mogą cechować się strukturą osnowy: ferrytyczną, ferrytyczno-perlityczną oraz perlityczną. W strukturze żeliwa szarego - poza osnową metaliczną - występuje również grafit płatkowy, steadyt (eutektyka fosforowa) oraz wtrącenia niemetaliczne (tabl. 10.3). Żeliwo szare ferrytyczne charakteryzuje się niską wytrzymałością, dobrą skrawalnością, małą odpornością na zużycie ścierne. Twardość i wytrzymałość żeliwa szarego zwiększa się w miarę zwiększania udziału perlitu w strukturze. Wytrzymałość żeliwa perlitycznego wynosi ok MPa przy twardości HB. Żeliwa szare cechuje dobra zdolność do tłumienia drgań. W odróżnieniu od pozostałych grup żeliw szarych bardzo dobre własności - zarówno wytrzymałościowe, jak i plastyczne - wykazuje żeliwo sferoidalne. Uzyskuje się je w wyniku modyfikowania podczas odlewania żeliwa o tendencji do krzepnięcia jako szare, lecz o bardzo małym stężeniu siarki i fosforu. Jako modyfikatorów używa się magnezu lub ceru. W wyniku tego zabiegu technologicznego grafit występuje w tych żeliwach w postaci kulistej. W zależności od struktury osnowy żeliwo sferoidalne może być ferrytyczne, ferrytyczno-perlityczne lub perlityczne. Osnową może być też bainit lub martenzyt odpuszczony, uzyskiwany po dodatkowej obróbce cieplnej. Żeliwo sferoidalne krzepnie zwykle jako perlityczne lub ferrytyczno-perlityczne. Tablica 7.3 Własności mechaniczne żeliwa szarego. Polepszenie własności i ujednorodnienie struktury odlewu z żeliwa o składzie wykazującym tendencję do krzepnięcia jako białe lub połowiczne jest możliwe dzięki modyfikacji. W tym celu bezpośrednio przed odlaniem, do kąpieli metalowej o temperaturze ok C, w rynnie spustowej lub kadzi, dodaje się ok. 0,5% sproszkowanego modyfikatora, najczęściej żelazokrzemu, wapniokrzemu lub aluminium. Najkorzystniejsze własności ma żeliwo modyfikowane o osnowie perlitycznej. Jego wytrzymałość na rozciąganie R m może wynosić MPa, stąd modyfikację stosuje się często do żeliw szarych o podwyższonej wytrzymałości. Żeliwo modyfikowane, podobnie jak żeliwo szare zwykłe, wykazuje bardzo niskie własności plastyczne. 4

5 Tablica 7.4 Własności mechaniczne wybranych żeliw sferoidalnych. Żeliwa stopowe Do żeliw stopowych są wprowadzane dodatki stopowe (tabl. 10.5), występujące oprócz domieszek. Pierwiastki te są dodawane w celu polepszenia własności użytkowych żeliw, a w szczególności: - zwiększenia własności mechanicznych, - zwiększenia odporności na ścieranie, - polepszenia odporności na działanie korozji elektrochemicznej, - polepszenia odporności na działanie korozji gazowej w podwyższonej temperaturze, - polepszenia innych własności fizycznych, np. magnetycznych lub elektrycznych. Skład chemiczny żeliw jest dobierany tak, aby w wyniku dodania pierwiastków stopowych nie zmienić niekorzystnie ich struktury i własności (tablica 7.5). Ogólną klasyfikację żeliw stopowych - ze względu na stężenie dodatków stopowych - podano w tablicy 7.6. Oprócz składu chemicznego na strukturę i własności żeliw w sposób istotny wpływa szybkość chłodzenia odlewów, którą dla jednakowych materiałów formierskich można z dopuszczalnym przybliżeniem sprowadzić do grubości ścianek odlewów. Wraz ze zwiększeniem grubości ścianek odlewu zwiększa się ilość i grubość płatków wydzielonego grafitu, co powoduje zmniejszenie własności wytrzymałościowych. Spadkowi tych własności można zapobiec przez zmniejszenie stężenia węgla i krzemu oraz innych pierwiastków grafityzujących w żeliwie. Gatunki, skład chemiczny, własności i zastosowanie krajowych żeliw stopowych podano w dotychczas obowiązującej w PN-88/H Zgodnie z tą normą znak żeliwa stopowego szarego lub połowicznego rozpoczyna się literami Zl, białego - Zb, sferoidalnego - Zs, po czym podane są symbole pierwiastków stopowych i liczby określające średnie stężenie pierwiastka w żeliwie. 5

6 Tablica 7.5 Struktury żeliw stopowych o różnym składzie chemicznym. Tablica 7.6 Orientacyjna klasyfikacja żeliw ze względu na stężenie pierwiastków stopowych 6

7 Ogólna charakterystyka metali nieżelaznych i ich stopów Porównanie własności metali nieżelaznych ze stalami Ze względu na bardzo różne własności użytkowe, szerokie jest zastosowanie metali nieżelaznych i ich stopów, niejednokrotnie konkurencyjnych w stosunku do stopów żelaza, a bardzo często komplementarnych w stosunku do nich, lub wręcz bezkonkurencyjnych. Przykładowo, w tablicy 7.7 porównano ze stalą własności mechaniczne, gęstość i koszty kilku wybranych metali nieżelaznych. Tablica 7.7 Porównanie wytrzymałości właściwej oraz relatywnych kosztów jednostki masy wybranych metali nieżelaznych ze stalą niestopową (wg D.R. Askelanda i P.P. Phulego) Rysunek 7.3 Wpływ stężenia chromu i węgla w żeliwie na: a) odporność korozyjną żeliw, b) obrabialność i żaroodporność żeliw (wg W. Sakwy). 7

8 Metale występują w skorupie ziemskiej w różnym udziale. Między innymi od powszechności występowania danego pierwiastka w skorupie ziemskiej, ale również od ceny oraz możliwych do uzyskania własności, zależy całkowite roczne zużycie metali w świecie (tabl. 7.8). Oczywiście zużycie metali nieżelaznych jest relatywnie małe. Zużycie roczne stali wynosi bowiem 10 3 Mt, a zatem jest około 50-krotnie większe, niż kolejnego w rankingu aluminium, blisko 80-krot-nie większe od kolejnej w rankingach miedzi i niemal 120-krotnie większe od czwartego z kolei cynku. Tablica 7.8 Orientacyjne roczne zużycie wybranych metali nieżelaznych (wg Natural Resources Canada). Klasyfikacja metali nieżelaznych W tablicy 7.9 przedstawiono klasyfikację przyjętą do opisu stopów metali nieżelaznych. Nie opiera się ona na jednolitych kryteriach, gdyż najczęściej stosowane metale nieżelazne zakwalifikowano do poszczególnych grup, ze względu na praktyczne, niekiedy formalne podobieństwo, np. ze względu na gęstość, temperaturę topnienia, lub odporność na korozję i cenę, w innych przypadkach ze względu na budowę elektronową, a grupę pozostałych metali nieżelaznych wydzielono po to, by je scharakteryzować, pomimo że samodzielnie właściwie nie tworzą stopów metali, chociaż mają znaczenie techniczne, występując w stopach innych metali lub w związkach chemicznych albo fazach, które są stosowane w technice. Tablica 7.9 Praktyczna klasyfikacja przyjęta w opisie metali nieżelaznych. 8

9 Klasyfikacja stopów metali nieżelaznych W tablicy 7.10 podano specyfikację stopów różnych metali nieżelaznych, równocześnie dokonując ich klasyfikacji na stopy odlewnicze i do obróbki plastyczne ważnej ze względu na praktyczne zastosowania tych stopów. Tablica 7.10 (ciąg dalszy) Tablica 7.10 Klasyfikacja i główne grupy stopów metali nieżelaznych 9

10 Metale lekkie i ich stopy Do metali lekkich zaliczono: - aluminium, - tytan, - beryl, - magnez. Tytan o gęstości 4,507 g/cm 3 często zaliczany jest do metali lekkich. W tablicy 7.11 przedstawiono wybrane własności metali lekkich. Tablica 7.11 Porównanie wybranych własności metali lekkich. Aluminium i jego stopy Aluminium należy do metali o bardzo dużym znaczeniu technicznym. Występuje w przyrodzie w bardzo wielu minerałach i jest trzecim (po tlenie i krzemie) pierwiastkiem pod względem udziału w skorupie ziemskiej. Jest natomiast drugim po żelazie metalem pod względem zastosowań technicznych. Jego główną rudą jest boksyt, z którego wytwarza się czysty tlenek Al 2 0 3, a następnie przez elektrolizę tlenku rozpuszczonego w stopionym kriolicie (fluoroglinian sodu), otrzymuje się aluminium hutnicze, które może być poddane dalszej rafinacji. Aluminium wytwarza się w 17 gatunkach o różnym stopniu czystości od 99,99 do 99,0% (wg PN-EN 573-3:2004 (U)). Oznaczenie z użyciem symboli chemicznych składa się z ciągu znaków: EN AW-A1, liczby wyrażającej czystość aluminium oraz niekiedy symbolu pierwiastka stanowiącego niewielką domieszkę, np. EN AW-A199,0Cu. Gatunki aluminium do zastosowań elektrycznych są wyróżnione literą E przed symbolem Al, np. EN AW-EA199,5. Aluminium jest stosowane zarówno w postaci czystego metalu, jak i wielu stopów. 10

11 Tablica 7.12 Skład chemiczny aluminium do obróbki plastycznej Własności fizyczne i mechaniczne aluminium Aluminium ma liczbę atomową równą 13, a jego masa atomowa wynosi 26,9815. Nie wykazuje ono odmian alotropowych i krystalizuje w sieci regularnej ściennie centrowanej typu A1 o parametrze 0,40408 nm. Temperatura topnienia aluminium wynosi 660,37 C, a wrzenia 2494 C. Gęstość aluminium wynosi 2,6989 g/cm 3 w 20 C. Aluminium w stanie wyżarzonym cechuje się wytrzymałością na rozciąganie wynoszącą R m = MPa, granicą plastyczności R e = MPa, wydłużeniem A 11,3 = 30-45% i przewężeniem Z = 80-95%. Aluminium może być obrabiane plastycznie na zimno i na gorąco. W stanie zgniecionym z 60-80% stopniem gniotu wytrzymałość na rozciąganie R m osiąga MPa, granica plastyczności R e = MPa, twardość HB, przy zmniejszonym wydłużeniu A 11,3 = 1,5-3%. Aluminium cechuje wysoka przewodność elektryczna - 37,74 MS/m, stanowiąca ok. 65% przewodności elektrycznej miedzi, oraz dobra przewodność cieplna. Przewodność elektryczna ulega znacznemu zmniejszeniu wraz ze zwiększeniem stężenia zanieczyszczeń i domieszek, głównie Fe i Si, a także Cu, Zn i Ti (rys. 7.4). Pierwiastki te powodują ponadto obniżenie plastyczności, lecz zwiększają własności wytrzymałościowe. Aluminium wykazuje dużą odporność na korozję. Na powietrzu pokrywa się cienką warstwą Al 2 0 3, chroniącą przed korozją atmosferyczną, działaniem wody, stężonego kwasu azotowego, licznych kwasów organicznych, a także siarkowodoru. W celu polepszenia odporności na korozję aluminium może być poddane utlenianiu anodowemu (tzw. anodowaniu), tj. elektrolitycznemu procesowi wytwarzania powłoki tlenkowej, np. w roztworze 10% kwasu siarkowego, połączonemu z barwieniem powierzchni metalu na różne kolory. 11

12 Zastosowanie aluminium Gatunki aluminium hutniczego (o ograniczonej czystości) są stosowane do produkcji stopów oraz licznych produktów codziennego użytku, urządzeń dla przemysłu spożywczego, na niektóre przewody elektryczne, wymienniki ciepła (PN-EN 683-2:2000), w budownictwie (PN-EN 508-2:2003), a w postaci folii - na opakowania artykułów spożywczych (PN-EN 546-2:2000). Aluminium rafinowane (o wysokiej czystości) jest stosowane w elektronice i elektrotechnice (PN-EN 14121:2003 (U)) oraz do budowy specjalnej aparatury chemicznej. W tablicy 7.14 zestawiono główne obszary zastosowania aluminium i jego stopów. Tablica 7.14 Główne obszary zastosowania aluminium i jego stopów (wg danych P Chevaliera) Rysunek 7.4 Wpływ stężenia domieszek na przewodność elektryczną właściwą aluminium typu ENAW-A199,99 (wg W.W. Malcewa) 12

13 Najogólniej - ze względu na sposób wytwarzania - stopy aluminium dzieli się na: - do obróbki plastycznej, - odlewnicze. Niektóre z tych stopów mogą być stosowane zarówno jako odlewnicze jak i przeznaczone do obróbki plastycznej. Stopy do obróbki plastycznej zawierają zwykle do ok. 5% pierwiastków stopowych, najczęściej Cu, Mg, Mn, niekiedy także Si, Zn, Ni, Cr, Ti lub Li. Niektóre z tych stopów są stosowane w stanie zgniecionym lub po wyżarzaniu rekrystalizującym, a część jest poddawana obróbce cieplnej polegającej na utwardzaniu wydzieleniowym. Odkształceniu plastycznemu, przy zachowaniu specjalnych warunków, można także poddawać stopy aluminium o stężeniu dodatków stopowych większym niż 5%. Odlewnicze stopy aluminium są przeważnie stopami wieloskładnikowymi o dużym stężeniu - od 5 do 25% - pierwiastków stopowych, głównie Si, Cu, Mg, Zn i Ni lub ich różnych zestawień. Charakteryzują się dobrą lejnością i często małym skurczem odlewniczym. W stanie lanym można także stosować stopy zawierające mniej niż 5% pierwiastków stopowych. Stopy aluminium z krzemem Aluminium tworzy z krzemem układ z eutektyką, występującą przy stężeniu 12,6% Si, i dwoma roztworami stałymi granicznymi o rozpuszczalności składników zmniejszającej się wraz z obniżeniem temperatury. Roztwór a (Si w Al) wykazuje sieć regularną typu A1. Aluminium w temperaturze eutektycznej rozpuszcza się w Si w bardzo niewielkim stężeniu - ok. 0,07%, a w temperaturze pokojowej nie wykazuje niemal zupełnie rozpuszczalności w Si. Stopy aluminium z magnezem Aluminium tworzy z Mg roztwór stały graniczny a o rozpuszczalności zmniejszającej się wraz z obniżaniem temperatury, krystalizujący w sieci ściennie centrowanej typu A1 układu regularnego. W zakresie stężenia do ok. 35,5% Mg występuje mieszanina eutektyczna roztworu a z roztworem stałym wtórnym (3 na osnowie fazy elektronowej Al g Mg 5, krystalizującej w sieci regularnej złożonej. W stopach przemysłowych Al z Mg stężenie Mg jest zawarte w przedziale od 0,5 do ok. 13%. Stopy o małym stężeniu Mg wykazują dużą podatność na obróbkę plastyczną, a o dużym stężeniu - bardzo dobre własności odlewnicze. Stopy aluminium z miedzią W układzie podwójnym Al-Cu występują dwa roztwory stałe graniczne oraz 9 roztworów wtórnych na osnowie faz międzymetalicznych. Niektóre z tych faz i roztworów wtórnych utworzonych na ich osnowie krystalizują bezpośrednio z cieczy w wyniku reakcji eutektycznej lub perytektycznej, niektóre zaś powstają w stanie stałym. Eutektyka występuje przy stężeniu 33% Cu i jest złożona z roztworu 13

14 Tablica 7.15 Orientacyjne zakresy stężenia pierwiastków stopowych w stopach aluminium z miedzią Wieloskładnikowe stopy aluminium z cynkiem Czteroskładnikowe stopy Al z Zn, zawierające Mg i Cu (tabl wg PN-EN 573-3:2004 (U) i PN-EN 573-3/Ak:1998), dotychczas nazywane duralami cynkowymi, wykazują najwyższe własności wytrzymałościowe ze wszystkich stopów aluminium. W stanie utwardzonym wydzieleniowo ich wytrzymałość na rozciąganie R m osiąga ok. 700 MPa, a granica plastyczności R 0,2 - ok. 600 MPa, przy małym wydłużeniu A = 2-5%. Ograniczenie ich stosowania jest związane z małą odpornością na działanie podwyższonej temperatury. Stopy te są także mało odporne na korozję, w szczególności naprężeniową, i z tego względu często plateruje się je aluminium lub stopem Al z Zn. Niektóre stopy aluminium z cynkiem można też stosować jako odlewnicze ( wg PN-EN 1706:2001). Tablica 7,17 Orientacyjne zakresy stężenia pierwiastków stopowych w stopach aluminium z cynkiem. Tablica 7.16 Orientacyjny skład chemiczny i własności odlewniczych stopów aluminium z miedzią 14

15 Metale ciężkie i ich stopy Tablica 7.18 Porównanie własności wybranych metali ciężkich Do metali ciężkich zaliczamy : - miedź, - cynk, - ołów, - cynę, - nikiel, - kobalt, - cyrkon, - hafn, - kadm, - ind, - bizmut. W tablicy 7.18 przedstawiono własności wybranych metali ciężkich. 15

16 Miedź i jej stopy Miedź występuje w przyrodzie w postaci rodzimej oraz w rudach siarczkowych: błyszczu miedzi, czyli chalkozynie - Cu 2 S, bornicie - Cu 3 FeS 2, chalkopirycie -CuFeS 2, lub rudach tlenkowych, np. kuprycie - Cu 2 0. Miedź jest trzecim pod względem zużycia (po żelazie i aluminium) metalem stosowanym w technice. Miedź zawierającą 0,5-1% zanieczyszczeń i domieszek można uzyskać metodą pirometalurgiczną przez redukcję, po uprzednim prażeniu związanym z odsiarczaniem i utlenianiem żelaza. Stężenie domieszek można zmniejszyć do ok. 0,1-0,5% przez rafinację ogniową. Miedź katodowa jest produktem elektrolitycznej rafinacji miedzi i może zawierać do 0,05% zanieczyszczeń, a po przetopieniu i odlaniu w próżni lub ośrodku redukującym - jako beztlenowa - 0,01-0,05%. Własności fizyczne i mechaniczne miedzi Miedź ma liczbę atomową równą 29, jej masa atomowa wynosi 63,5463. W związkach chemicznych miedź jest jedno- lub dwuwartościowa. Miedź nie wykazuje odmian alotropowych i krystalizuje w sieci ściennie centrowanej układu regularnego A1 o parametrze 0,3617 nm. Temperatura topnienia miedzi wynosi 1084,88 C, a wrzenia ok C. Miedź ma gęstość 8,93 g/cm 3 w 20 C. Wytrzymałość miedzi na rozciąganie wynosi R m = MPa, granica plastyczności R e = 35 MPa, twardość 45 HB, a wydłużenie A = 30-35%. W wyniku obróbki plastycznej na zimno wytrzymałość miedzi zwiększa się do MPa, a twardość do 120 HB, przy zmniejszeniu wydłużenia do 1-2%. Miedź cechuje duża przewodność cieplna W/(m-K) i elektryczna -59,77 MS/m. Znaczenie domieszek miedzi Przewodność elektryczna miedzi zmniejsza się bardzo znacznie przy niewielkim nawet stężeniu domieszek (rys. 7.5), głównie P, Fe, Co, Si, As, rozpuszczających się w miedzi i - ze względu na dużą różnicę średnic atomowych - powodujących znaczne zniekształcenie sieci krystalicznej miedzi w wyniku kontrakcji lub ekspansji. Pierwiastki Cd, Ag i Zn, których atomy w niewielkim stopniu różnią się wymiarami od atomów Cu, wywierają niewielki wpływ na zmniejszenie przewodności elektrycznej. Podobnie działają Bi i Pb - nierozpuszczające się w miedzi. Pierwiastki te, tworzące niskotopliwe eutektyki, wywierają jednak szczególnie niekorzystny wpływ na własności mechaniczne i technologiczne oraz sprzyjają kruchości na gorąco, co uniemożliwia obróbkę plastyczną miedzi. Obróbkę tę utrudnia również siarka tworząca niskotopliwą eutektykę z siarczkiem Cu 2 S oraz tlen tworzący eutektykę z tlenkiem Cu 2 0, zmniejszające plastyczność miedzi. Miedź jest odporna na korozję atmosferyczną dzięki pokrywaniu się patyną, tj. zasadowym węglanem miedziowym, i na działanie wody, nie wykazuje zaś odporności na działanie amoniaku. 16

17 Zastosowanie miedzi Miedź jest stosowana: - w elektrotechnice na przewody (gdzie wykorzystuje się jej wysoką przewodność elektryczną), - w energetyce i przemyśle chemicznym na chłodnice i wymienniki ciepła (ze względu na dużą przewodność cieplną), - w budownictwie są stosowane produkty z miedzi (blachy na pokrycia dachowe oraz rury na różne instalacje). Ogólna klasyfikacja stopów miedzi Stopy miedzi dzieli się na: - odlewnicze, - przeznaczone do obróbki plastycznej. Wyróżnia się następujące grupy stopów miedzi: Rysunek 7.5 Wpływ stężenia domieszek na przewodność elektryczną właściwą miedzi - z cynkiem ( tradycyjna nazwa mosiądze ), - z cynkiem i ołowiem, - z cynkiem i niklem, - z niklem ( tradycyjna nazwa miedzionikle ), - z cyną ( tradycyjna nazwa brązy ), - z aluminium, - z innymi pierwiastkami stopowymi (których łączne stężenie przekracza 5%), - niskostopowe, w których stężenie pierwiastków stopowych jest mniejsze niż 5%. Ponadto można wydzielić również spoiwa na bazie miedzi, przeznaczone do lutowania twardego m.in. stopów miedzi, metali szlachetnych, ale także innych metali. 17

18 Stopy miedzi z cynkiem Miedź tworzy z cynkiem dwa roztwory stałe graniczne o sieci A3 oraz trzy fazy międzymetaliczne. Spośród wymienionych faz jedynie faza a krystalizuje bezpośrednio z cieczy, a pozostałe powstają w wyniku reakcji perytektycznych. Stopy miedzi z cynkiem, jako głównym pierwiastkiem stopowym, są tradycyjnie nazywane mosiądzami. Dwuskładnikowe stopy Cu z Zn (tabl ze względu na skład fazowy dzieli się na: - jednofazowe - o strukturze roztworu a i stężeniu od 2 do 39% Zn, - dwufazowe o strukturze mieszaniny a + b i stężeniu od 39 do 45% Zn. Jednofazowe stopy Cu z Zn cechuje bardzo duża plastyczność, co umożliwia stosowanie ich na produkty głęboko tłoczone i obrabiane plastycznie na zimno. Duża plastyczność w podwyższonej temperaturze umożliwia ich obróbkę plastyczną na gorąco. Stopy zawierające 5 do 20% Zn są nazywane tradycyjnie tombakami. Dodatek Zn do ok. 30% zwiększa plastyczność oraz wytrzymałość stopów Cu z Zn (rys. 7.6). Wytrzymałość tych stopów zawierających ok. 30 do 45% Zn zwiększa się przy znacznym zmniejszeniu plastyczności. Wiąże się to z obecnością fazy b w stopach dwufazowych i dlatego można je obrabiać plastycznie wyłącznie na gorąco. Dwufazowe stopy Cu z Zn obrabia się plastycznie na gorąco w temperaturze, w której wykazują one strukturę jednofazową. Stopy Cu z Zn w znacznym stopniu umacniają się w wyniku zgniotu. Stopy Cu z Zn charakteryzują się dobrą odpornością na korozję, szczególnie atmosferyczną i w wodzie morskiej. Odporność na korozję stopów miedzi z cynkiem zwiększa się wraz ze wzrostem stężenia Cu. Tablica 7.19 Orientacyjne zakresy stężenia pierwiastków stopowych w stopach miedzi z cynkiem 18

19 Stopy miedzi z cyną Rysunek 7.6 Wpływ stężenia Zn na wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie stopów miedzi z cynkiem (wg W.W. Malcewa) Techniczne stopy Cu z Sn (nazywane tradycyjnie brązami cynowymi) mają zazwyczaj strukturę roztworu a. Duży zakres temperatury krystalizacji stopów Cu z Sn o strukturze a sprzyja jednak ich skłonności do segregacji. Segregacja może być w pewnym stopniu usunięta przez długotrwałe wyżarzanie ujednorodniające w ciągu 24 h w temperaturze C. Stopy miedzi z cyną wykazują dobrą odporność na korozję, szczególnie w środowisku atmosfery przemysłowej i wody morskiej. Odporność ta ulega polepszeniu wraz ze zwiększeniem stężenia Sn, lecz do wartości nie większej od zapewniającej wystąpienie struktury dwufazowej, decydującej o ułatwieniu korozji. Stopy miedzi z cyną o strukturze jednorodnego roztworu a cechuje duża plastyczność i z tego względu mogą być obrabiane plastycznie na zimno, podobnie jak stopy o niejednorodnej strukturze a, zawierające nie więcej niż 4% Sn. Wraz ze zwiększeniem stężenia Sn ponad ok. 4% w strukturze pojawiają się fazy międzymetaliczne, najczęściej przechłodzona faza d wchodząca w skład mieszaniny eutektoidalnej a + d. W praktyce do obróbki plastycznej są przeznaczone stopy miedzi z cyną zawierające do ok. 8% Sn (tablica 7.20), choć obrabia się je źle, przy dużej skłonności do pęknięć. W stanie obrobionym plastycznie na zimno stopy te charakteryzują się dużymi własnościami mechanicznymi, co umożliwia stosowanie ich w przemyśle chemicznym, papierniczym i okrętowym, m.in. na elementy aparatury kontrolno-pomiarowej, siatki, sprężyny, tulejki, łożyska ślizgowe, ślimacznice i ślimaki. Orientacyjne zakresy stężenia podstawowych pierwiastków stopowych występujących w odlewniczych stopach Cu z Sn (według normy PN-EN 1982:2002) zestawiono w tablicy Dotychczas w kraju stosowano odlewnicze stopy miedzi z cyną ujęte w wycofanej normie PN- 91/H

20 Tablica 7.20 Orientacyjne zakresy stężenia dodatków stopowych w różnych grupach stopów miedzi z cyną i/lub innymi pierwiastkami, przeznaczonych do obróbki plastycznej Tablica 7,21 Orientacyjne zakresy stężenia pierwiastków stopowych w odlewniczych stopach miedzi z cyną i/lub innymi pierwiastkami. 20

21 Wieloskładnikowe stopy miedzi z cyną W celu polepszenia niektórych własności oraz zaoszczędzenia Sn są produkowane stopy zawierające oprócz Cu i Sn dodatki Zn lub Pb, nazywane tradycyjnie brązami cynowymi wieloskładnikowymi. Dodatek Zn przeciwdziała segregacji tych stopów cynowych przez zmniejszenie zakresu temperatury krystalizacji fazy a, sprzyjając ujednorodnieniu ich własności mechanicznych i zwiększeniu własności wytrzymałościowych. Cynk jest dobrym odtleniaczem i poprawia lejność tych stopów. Ołów, nietworzący roztworów, polepsza skrawalność stopów Cu z Sn, zmniejsza współczynnik tarcia i korzystnie wpływa na szczelność odlewów, jednak przy większym stężeniu powoduje pogorszenie własności mechanicznych. Wieloskładnikowe stopy miedzi z cyną i innymi pierwiastkami, przeznaczone do obróbki plastycznej mają stężenie Sn ograniczone do ok. 5%. Stopy te są stosowane głównie jako odlewnicze (tabl ). Charakteryzują się dobrą odpornością na korozję oraz na ścieranie (wynikającą z obecności w strukturze twardych faz międzymetalicznych). Szczególnie duży udział tych faz występuje w stopach miedzi z cyną stosowanych na dzwony (np. w nieznormalizowanym stopie CuSn21-C). Stopy miedzi z cyną i cynkiem (nazywane tradycyjnie spiżami) mają zastosowanie podobne jak stopy Cu z Sn dwuskładnikowe, natomiast stopy Cu-Sn-Zn-Pb (tabl. 7.22) stosuje się głównie na tulejki i panewki łożyskowe, a także na elementy maszyn, aparatury, osprzętu silników pojazdów mechanicznych i armatury wodnej. Tablica 7.22 Orientacyjny skład chemiczny odlewniczych stopów miedzi z cyną oraz miedzi z cyną i ołowiem 21