24/14 Solidilication ot' Metais and Alloys, No.24, 1995

Transkrypt

1 24/14 Solidilication ot' Metais and Alloys, No.24, 1995 Krzep11iecie Metali i Stopów, Nr 24, 1995 PAN - Oddział Katowice PL ISSN WIELOSKŁADNIKOWY MOSIĄDZ BEZOŁOWIOWY O DOBREJ SKRA W ALNOŚCI l ODPORNOŚCI NA ZUŻYCIE ŚCIERNE PACAŁOWSKI Janusz*, TALACH-DUMAŃSKA Marta**, SPODAR YK Adam* *) Wydz. Budowy Maszyn Filii Politeclmiki Łódzkiej Bielsko-Biała, ul. Willowa 2, POLAND **) Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN Kraków, ul. Reymonta 25, POLAND Opracowano bezołowiowy mosiądz zawierający Mn 2,5+5%, Si 1+2%, AI1+3%, Ni 2+4% reszta Zn, o wysokich właściwościach mechanicznych, znacznej odporności na zużycie ścierne i korozję, dobrej lejności i s krawalności. Pozwala to skutecznie zastąpić mosiądze ołowiowe w armaturze wodnej oraz stopy miedzi na elementy trące w środow i sku korozyjnym. l. WSTĘP Wzrastające wymagania jakościowe dotyczące stopów miedzi stanowią zespół wysokich właściwości wytrzymałościowych, odporności na ścieranie i korozję przy dobrej skrawa ln ości, oraz uwz ględniają warunki zdrowotne wynikające z zaleceń WHO eliminujących z szeregu zas to sowa ń stopy miedzi z zawartośc ią ołowiu. Równoczesne spełnienie tych wymagań sk łania do zainteresowania s ię mosiądzami, których budowa fazowa zależy od wprowadzonych dodatków: Mn, Si, Al, Ni [1 +8] oraz od modyfikacji i szybkości krystalizacji. Największe znaczenie praktyczne mają stopy układu Cu-Zn (45 -;..65% wag. Cu) Rodzaj i koncentracja wprowadzonych dodatków stopowych oraz zadane warunki chłodzenia wpływają na przebieg krystalizacji, wielkość niejednorodności dendrytycznej roztworu stałego a, zmiany w składzie fazowym, zróżnicowanie rozpuszczalności dodatków stopowych w fazach a i 0'. skłonność do wydzielania faz międzymetalicznych oraz zmiany parametrów sieci i uporządkowan ia faz. Przeprowadzone badania mosiądzów w obszarze faz (a+ P') i P' o zmiennej zawartości dodatków stopowych: 0 ~ 7% wag. Mn, 0.;-3% wag. Si przy stałym stosunku Mn Si =3,27, oraz Q.;-4% wag. Al i Q.;-3 %wag. Ni w zróżnicowanych warunkach krzepnięcia pozwoliły określić

2 90 skład fazowy oraz wynikające stąd właściwości mechaniczne, trybologiczne i technologiczne [3, 7,8,9]. Ustalono skład chemiczny mosiądzu o optymalnych właściwościach spełniających funkcje mosiądzów konstrukcyjnych odportjych na zużycie ścierne oraz armaturowych o dobrej odporności na korozję, odcynkowanie i ścieralność [8, 9, l 0]. 2. WYNJKJ BADAŃ Prowadzono badania stopów z wielewariantowym doborem składników, których ilości oraz wyniki objętościowej analizy fazowej wybranych mosiądzów przedstawiono w tabeli l. Tabela l Skład chemiczny i fazowy wybranych próbek mosiądzów Nr Skład chemiczny % wag. Udział objętościowy faz % stopu C u AJ M n S i Ni Z n a 13 Y Mn 5 Si, 2 60, ,70-1,76 0,47" - r ,2 e 14 62,86 1, s ,72 2, z - osnowa ,00 2,43 4,58 2,49 - t - osnowa 30 12,5 a l b 57,41 1, , llb 53,96 1,46 3,59 1,4 1 2, Równoczesne wprowadzenie dodatków Mn i Si do tych mosiądzów powoduje wykrystalizowanie krzemku manganu Mn 5 Si 3 bądź w postaci eutektyki (a + Mn 5 Si 3 ) lub wydzieleń pierwotnych, co uwzględniono przy ocenie udziału objętościowego tych faz. Dodatki AJ i Si, które przeszły do roztworu, a nie wydzieliły s ię w postaci faz międzymetalicznych z Ni i Mn oddziaływują głównie na przesunięcie układu fazowego Cu-Zn w kierunku miedzi z równoczesnym przesunięciem do niżs zy ch temperatur przemiany uporządkowującej fazę 13. AJ dodatkowo wchodząc do roztworów a i 13' ogranicza rozpu szcz alno ść w nich Mn. równoc ześ ni e wzbogacając Je w S i. W tabeli 2 pokazano jak zmieniają się właściwości mechaniczne i trybologiczne badanych mosiądzów. Stwierdzono, że krzemek manganu wywołuje efekt znacznego rozdrobnienia (średnio dwukrotnie) składników strukturalnych, co wpływa na wzrost właściwości wytrzymałościowych i trybologicznych mosiądzów. Znaczne obniżenie zużycia ściernego mosiądzów zauważa się w przypadku wykrystalizowania fazy Mn 5 Si 3 w postaci kryształów pierwotnych, zwłaszcza gdy występuje ona w stopach o strukturze 13'.

3 Tabela 2 Właściwości mechaniczne i trybologiczne próbek mosiądzów Nr stopu Rrn [MPa] A; [%] kv [J/cm'J HV30 lpw. l o 4 [g/m l 2 381,4 48,9 140,9 105,0 1, ,2 21,1 28,2 125,0 1, ,0 29,4 95,6 154,0 0, ,8 16,3 87, l 174,0 1, ,1 1,2 4,9 287,0 0,78 - '')' 1b 470,2, --' ~k' 39,7 133,7 0,64 - llb 591,3 4,3 57,5 246,0 0,79 Porównanie właściwości mechanicznych mosiąd zów o opracowanych składach z mo siądzem armaturowym M059A przedstawiono w tabeli 3. IJ Tabela 3 Porównawcze wyniki właściwości mechanicznych wybranych mosiądzów z M059A Nr Skład chemiczny % wag. Właściwości stopu C u Al Ni M n S i Pb Z n R.m As kv HB M059A 59,6 0,56 0,01 0,01 0,002 1,26 f 400,1 25,4 20,0!09 e A 55,5 0,023 0,007 3,96 1,50 - s 517,9 8,4 7,7 157 B 53,67 1,44 0,206 4,06 l,38 - z 494,3 14,0 9,2 152 t c 53,02 1,90 2,39 4,04 1,47 - a 586,4 7,3 5,9 159 Wyniki właściwości wytrzymałościowych wytypowanych mosiądzów kształtują się bardziej korzystnie niż mosiąd zu ołowiowego wskazując na możliwość zastosowania ich w miejsce M059A w elementach konstrukcyjnych. Natomiast wyniki badań właściwości trybo1ogicznych, skrawalności i lejności nie odbiegają zbytnio dla stopu C od właściwości mosiądzu armaturowego (Tabela 4). Tabela 4 Porównawcze wyniki wybranych właściwości trybologicznych i technologicznych. Nr stopu HB lpw!0' 4 [g/m] L [ms/mm] A [ms/mm] Lejność w kokili M059A 109 2,38 2,1 A 157 1,68 185,8 B 152 0,91 51,7 c 159 0,64 61, , , , , lpw - zużycie ścierne L - wskaźnik intensywności tępienia się ostrza A - wskaźnik oporów skrawania.

4 92 Struktury proponowanego stopu (C wg tabeli 3) krzepnącego z szybkośc iami 0,4 K/s (odlew piaskowy) i 3,2 K/s (odlew kokilowy) pokazano na rysunkach l i 2 odpowiednio... ~ Rysunek l. piaskowego C v chł = 0,4 K/s 250 x Microstructure ofbrass sand casting C v cool = 0,4 K/s 250 x Rysunek 2. Mikrostruktura odlewu kokilowego C v chi = 3,:2 K/s 250 x Microstructure ofbrass mould casting C v cool = 3,2 K/s 250 x Mikrofotografie przed s tawiają m orfo l og ię pierwotnych wydzie l eń fazy Mn,Si, w postaci igłaslej lub nieregularnych wieloboków oraz anormalnej globularno-pasemkowej eutektyki (a + Mn 5 Si,) i potrójnej (a + Mn Ni Si) ujawnionych na tle faz a i 0'. gruboziarnistych przy wolnym chłodzeniu. Rozpuszczone w fazach a i 0', Al i nadmiarowe zawartości Mn i Si umacniają te fazy do mikrotwardości : faza a- 182,5 ~thv, faza 13'- 330,8 ~thv i z ł ożony potrójny krzemek Mn-Ni ,3 ~thv. Budowa strukturalna stopu C kształtuje wysokie właściwoś c i wytrzymałościowe i trybologiczne przy dostatecznych wła ś ciwościach plastycznych. Wydzielenia faz międzymetalicznych oddziaływują na skrawa lno ść i łamliwość wióra podobnie jak ołów w mosiądzach ołowiowych. Dodatki stopowe spowalniają szybkość korozji w syntetycznej wodzie morskiej, co porównawczo przedstawiono w tabeli 5. Tabela 5 S zybko ść korozj i wybranych stopo w miedzi po l 000 h w sztucznej wodzie morskiej (-1-' 5%NaCI) Stop B l O B I Ol BAI032 BAI044 MOS9A Stop C Szybkoś ć korozji 1,5 l,s 0,7 0,13 0,59 0, 10 [ghn 2 /dobę] 3. PODSUMOW ANIE Przeprowadzone badania pozwoliły stwierdzić, że wprowadzenie dodatków trzecich takich jak: Mn, Si, Al i Ni do mosiądzów powoduje powstanie charakterystycznych struktur na bazie faz a+ 0' i 0' z wydzieleniami krzemku manganowo-niklowego i eutektyki (a + Mn 5 Si,), które determinują korzystny zespół właściwości mechanicznych i trybologicznych. Występowanie Mn 5 Si 3 w tych stopach działa modyfikująco, rozdrabniając składniki strukturalne, a

5 równocześme poprawia skrawalność materiału, który mo że skutecznie zastąpić mosiądze ołowiowe. BazuJąc na powyższych wynikach opracowano wieloskładnikowy mosiądz krzemowy o składzie chemicznym: 52,5+54,0 % wag. Cu, 34,0+39,0 % wag. Zn. 1,5+2,0 % wag. Al, 2,5+3,0% wag. Ni, 3,0+4,0% wag. Mn. 1,2+ 1,6% wag. Si [lo]. Wła ści wości odlewów tego mosiądzu przedstawiono w tabeli 6. Tabela 6 Średnie właściwości mechaniczne i trybologiczne wieloskładnikowego mosiądzu krzemowego - Rodzaj odlewu Rrn A, kv lpw 10-4 [MPa] [%] [J/cm' ] [g/m] r-- - Piasek 403 2,0 6,0 0,41 Kokila 592 4,5 58,0 0,72 93 Mo s iądz ten mo że znaleźć zastosowanie do wykonania elementów urządzeń pracujących w warunkach gdzie wymagane są wysokie właściwości mechaniczne w powiązaniu z od porn ością na z u życ ie ścierne, korozję i odcynkowanie. Dobre właściwości technologiczne, a szczególnie lejność i skrawa ln ość predestynują ten stop do wykonania elementów armatury sanitarnej i przemysłowej bez zawartości ołowiu, w zamian za dotychczas stosowany M059A. ABSTRACI Multiple lead-free brass of good machinability and abrasion wear resistance. Lead-free brassof 2,5+5% Mn, 1+2% Si, 1+3% Al, 2+4% Ni and Zn balance, which reveals high mechanical properties, signitkant resistant to abrasive wear and machinability has been designed. The brass can succesfully substitute lead-brasses used in plumbing products also capper alloys used in abrasive wear elementsin corrosion conditions. LITERATURA [l] Ellis W. Copper and Copper-Base Alloys. ASM (Ohio) [2] Dies K.: Kupfer und Kupferlegierungen in der Technik. Berlin, 1967 [3] Pacałowski J., Spodaryk A., Głowacki J.. Zużycie ścierne stopów Cu-Zn zawierających krzemek manganu. Trybologia, 1989, nr 4, s (4] Dreyer K.L Quasibinar gleichgenichtzustand Cu-Mn;Si,. Metali, 1953, nr 5/6, s [5] Gersman G. B., Kotor V V.. Primienienie antifrikcjonnych kriemnijmangancovistych latuniej vzamian bronz. Cvietnyje mietalły, 1985, nr 11, s [6] Masateru S.: Effects o f Mn,Si, eontent on t he wear o f co p per alloys. Jap. Inst.Met 1978, t.42, nr 7, s [7] Talach-Dumańska M., Pacałowski L Rola manganu, krzemu i aluminium w kształtowaniu struktury i włliściwości mosiądzów. Rudy i M'etale Nieżelazne, 1992, nr 1, s [8] Pacałowski J., Głowacki J, Spodaryk A, Talach-Dumań ska M. Oddziaływanie M n i Si na skład fazowy oraz właściwości stopów Cu-Zn. Krzepnięcie metali i stopów, Gliwice 1988, S

6 94 [9] PacałowskiT, Talach-Dumańska M. Wieloskładnikowy mosiądz dla gospodarki morskiej. Metale nieżelazne w przemyśle okrętowym cz.ii, Szczecin- Świnoujście 1993, S. :!43-:!5:!. [l O] Patent RP Nr :!89493, 1994: Wieloskładnikowy mosiądz krzemowy.