LABORATORIUM NAUKI O MATERIAŁACH

Politechnika Łódzka Wydział Mechaniczny Instytut Inżynierii Materiałowej LABORATORIUM NAUKI O MATERIAŁACH Ćwiczenie nr 8 Temat: Stopy metali nieżelaznych. Stopy Cu, Al i stopy łożyskowe. Łódź 2010

Wprowadzenie LABORATORIUM MATERIAŁOZNAWSTWA I OBRÓBKI CIEPLNEJ Aluminium i jego stopy Własności wytrzymałościowe czystego aluminium są stosunkowo niskie, z tego powodu stosuje się stopy aluminium, które w wyniku odpowiedniej obróbki cieplnej osiągają kilkukrotnie lepsze własności mechaniczne. Na rysunku 1 przedstawiono wpływ niektórych pierwiastków na wytrzymałość stopów aluminium. Rys. 1. Wpływ niektórych pierwiastków na wytrzymałość stopów aluminium (wg K. Wesołowkiego). Przykładowe oznaczenie: EN AW Al99,99 (aluminium o czystości 99,99% czystego Al) wg PN EN 573 3:2005. Przykłady zastosowań : transport, budowa maszyn, elektrotechnika, budownictwo, opakowania, AGD, elementy pracujące w niskich temperaturach itp.. Stopy aluminium cechują się wysokim stosunkiem wytrzymałości do ciężaru właściwego, większym niż dla stali, a ich udarność nie maleje w miarę obniżania się temperatury, dzięki czemu w niskich temperaturach mają większą udarność niż stal. Stopy aluminium cechują się jednak niską wytrzymałością zmęczeniową. Stopy te dzieli się na stopy odlewnicze oraz na stopy do obróbki plastycznej. Niektóre natomiast nadają się zarówno do odlewania jak i obróbki plastycznej. Odlewnicze stopy aluminium Aluminium tworzy z krzemem układ fazowy z rozpuszczalnością w stanie stałym i eutektyką podwójną o zawartości 11,6% Si, krzepnącą w temperaturze 577 o C. Eutektyka ta złożona ona jest z kryształów roztworu stałego granicznego krzemu w aluminium a oraz z kryształów wolnego krzemu. Rozpuszczalność krzemu w aluminium w temperaturze eutektycznej 577 C wynosi 1,65% i zmniejsza się do 0,05% w temperaturze 200 C. Stopy odlewnicze Al z Si zwane są siluminami. 2

Według zawartości krzemu siluminy dzieli się na: Rys. 2. Układ Al Si (A. L. Willey). podeutektyczne o zawartości 4 10 % Si, eutektyczne o zawartości 10 13 % Si, nadeutektyczne o zawartości 17 30 % Si. Siluminy o składzie zbliżonym do eutektycznego mają bardzo dobre własności odlewnicze, cechuje się dobrą lejnością, małym skrczem i nie wykazuje skłonności do pękania na gorąco. Jego wadą jest powstawanie, zwłaszcza po niezbyt szybkim chłodzeniu, gruboziarnistej struktury z pierwotnymi kryształami krzemu (rys. 15.3), co prowadzi do znacznego obniżenia własności mechanicznych stopu. Można temu zapobiec przez modyfikację, która polega na wprowadzeniu do ciekłego stopu dodatków zwanych modyfikatorami, lub przez przyspieszone chłodzenie. Siluminy podeutektyczne i eutektyczne modyfikuje się sodem, najczęściej w postaci NaF zmieszanego z NaCl i KCl, rzadziej sodem metalicznym, który silnie odtlenia stop. Ogólna ilość modyfikatora nie przekracza 0,1%. Dodatek sodu powoduje obniżenie temperatury przemiany eutektycznej oraz przesunięcie punktu eutektycznego w prawo ku wyższej zawartości krzemu (ok. 13%). Dzięki temu stopy, które normalnie są nadeutektyczne, krzepną jako podeutektyczne z dendrytycznymi wydzieleniami roztworu α (ubogiego w Si) na tle drobnoziarnistej eutektyki. W wyniku modyfikacji rośnie wytrzymałość na rozciąganie siluminu z ok. 110 do 250 MPa, a wydłużenie A 5 rośnie z ok. 1 do ok. 8%. Siluminy nadeutektyczne modyfikuje się za pomocą fosforu. Tworzy on związek AlP, który stanowi zarodki krystalizacji dla krzemu, w wyniku czego następuje rozdrobnienie wydzieleń. Siluminy mogą zawierać dodatki pierwiastków stopowych, jak miedź, magnez oraz mangan, które zwiększają ich wytrzymałość. Dodatek magnezu do 1,5% umożliwia stosowanie utwardzania wydzieleniowego drogą przesycania i starzenia. Również miedź stwarza taką możliwość, z tym że 3

pogarsza ona odporność na korozję. Z kolei dodatek ok. 1% Ni poprawia odporność korozyjną stopu. Ujemny wpływ na właściwości stopów aluminium mają domieszki żelaza. Niweluje się go poprzez dodatek ok. 0,5% Mn. Stopy odlewnicze z miedzią i magnezem. Poza siluminem jako stopy odlewnicze mogą być stosowane podeutektyczne stopy Al Cu. Ich struktura składa się z eutektyki ω Al 2 Cu rozłożonej na granicach dendrytów roztworu stałego omega. Stopy te mają dobrą lejność, ale stosunkowo niską wytrzymałość. Można ją podwyższyć przez odlewanie do kokili lub przez obróbkę cieplną, jednak pociąga to za sobą zmniejszenie własności plastycznych. Stopy Al Mg cechują się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi i plastycznymi (R m = 280 MPa, A 5 = 8%), mają jednak gorszą lejność. Można z nich wykonywać odlewy ciśnieniowe. Nadają się do obróbki cieplnej. Są bardzo odporne na działanie wody morskiej. Stopy Al Si Mg mają bardzo dobrą lejność, a poza tym cechują się dobrą spawalnością i odpornością chemiczną; nadają się do obróbki cieplnej. Stopy aluminium do obróbki plastycznej Są to przeważnie stopy wieloskładnikowe, zawierające najczęściej magnez i mangan lub miedź, magnez i mangan. Niektóre zawierają dodatki Si, Ni, Fe, Zn, Cr, Ti. Stopy aluminium z miedzią są typowymi stopami aluminium (do ok. 5% Cu) nadającymi się do obróbki plastycznej oraz obróbki cieplnej, zwanej utwardzaniem wydzieleniowym. Cechą charakterystyczną struktury tych stopów jest eutektyka podwójna (ω + Al 2 Cu), rozmieszczona w przestrzeniach między dendrytycznych roztworu stałego ω. W układzie tym występuje znaczna ilość perytektyk oraz roztwór stały graniczny miedzi w aluminium ω. Rozpuszczalność Cu w Al w stanie stałym w temperaturze eutektycznej 548 o C wynosi ok. 5,7% Cu i maleje do 0,1% Cu w temperaturze otoczenia.) Faza Al 2 Cu krystalizuje z cieczy i jest to faza o zmiennej, zależnej od temperatury zawartości miedzi. Oprócz stopów Al Cudo obróbki plastycznej i utwardzania wydzieleniowego nadają się stopy Al Mg, Al Mn oraz stopy wieloskładnikowe, w których oprócz Mg i Mn znajduje się dodatek Si, Zn, Cr. Przykłady oznaczeń stopów Al: EN AC AlSi11 stop odlewniczy aluminium z krzemem wg PN EN 1706:2001 EN AW AlSi2Mn stop aluminium z krzemem do obróbki plastycznej wg PN EN 573 3:2005 EN AC AlMg5 odlewniczy stop aluminium z magnezem wg PN EN 1706:2001 EN AW AlMg2,5 stop aluminium z magnezem do obróbki plastycznej wg PN EN 573 3:2005 EN AC AlCu4Ti odlewniczy stop aluminium z miedzią wg PN EN1706:2001 Przykłady zastosowań stopów Al: lotnictwo, samochody, zbiorniki, elementy dekoracyjne, przemysł spożywczy, części pracujące do 350 o C itp.. 4

Miedź i jej stopy Miedź jest metalem krystalizującym w sieci Al (RSC) o parametrze sieci a = 0,362 nm. Nie ma odmian alotropowych. Temperatura topnienia wynosi 1083 C, gęstość 8933 kg/m 3. Czysta miedź ma bardzo dobrą przewodność elektryczną, dochodzącą do 60,9 10 6 S/m. Stąd wynika jej główne zastosowanie w elektrotechnice i elektronice. Ze względu na bardzo dobrą przewodność cieplną wyrabia się z niej różnego rodzaju wymienniki ciepła. Jest bardzo plastyczna i można ją przerabiać na zimno. Czysta miedź znalazła zastosowanie głównie w elektrotechnice, a jako tworzywo konstrukcyjne stosuje się przede wszystkim stopy miedzi, ze względu na ich wyższe własności wytrzymałościowe. Stosowane pierwiastki stopowe to głównie: cynk, cyna, aluminium, beryl, krzem, nikiel, mangan, ołów (Pb nie jest szkodliwy przy zawartości Zn > 32%). Stopy miedzi z cynkiem nazywamy mosiądzami, natomiast z cyną lub innymi metalami brązami. Stopy miedzi z niklem nazywa się miedzioniklami. Mosiądze Biorąc pod uwagę strukturę mosiądze dzieli się na jednofazowe α, dwufazowe (α + β) i rzadziej stosowane mosiądze jednofazowe β. Skład strukturalny mosiądzu ma bardzo duży wpływ na jego własności ze względu na znaczne różnice własności faz α i β. Roztwór α cechuje się dobrą plastycznością w temperaturze pokojowej, a gorszą w zakresie 300 700 C i dlatego mosiądze o takiej strukturze są obrabiane plastycznie na zimno. Twardość i wytrzymałość mosiądzu α wzrasta ze zwiększeniem zawartości cynku (rys. 3.). Faza β ma dużą wytrzymałość (R m = 420 MPa), ale jest mniej plastyczna (A = 7%) niż roztwór stały α i jest trudno obrabialna plastycznie na zimno. Dlatego też mosiądze dwufazowe α + β obrabia się zwykle na gorąco. Rys. 3. Wpływ cynku na własności wytrzymałościowe i plastyczne mosiądzów (K. Wesołowski). Przykłady zastosowania mosiądzów: metaloplastyka, rury dla wymienników ciepła, do głębokiego tłoczenia, do obróbki na automatach, rury dla przemysłu okrętowego, elementy odporne na ścieranie i korozję, koszyczki łożysk tocznych, armatura gazowa, hydrauliczna i budowlana, przemysł okrętowy itp.. 5

Własności antykorozyjne mosiądzów Mosiądze należą do stopów o dobrej odporności na korozję atmosferyczną. Lepszą odporność mają mosiądze jednofazowe α, gdyż w mosiądzach dwu fazowych faza β ulega łatwiej korozji jako bardziej elektroujemna. W elektrolitach w obecności jonów Cl następuje charakterystyczna korozja mosiądzów, polegająca na przechodzeniu atomów cynku do roztworu i zmianie miedzi w gąbczastą masę. Ten rodzaj korozji, zwany odcynkowaniem, zachodzi łatwiej w mosiądzach dwufazowych (powstają charakterystyczne czerwone plamy). Mosiądze łatwo ulegają korozji naprężeniowej, objawiającej się tzw. sezonowym pękaniem. Elementy mosiężne, pozostające pod wpływem naprężeń (własnych lub wywołanych przez siły zewnętrzne), w obecności nawet małych ilości par amoniaku są skłonne do pękania międzykrystalicznego podczas magazynowania lub w czasie pracy. Wyżarzanie odprężające przez 4 h w temp. 250 C usuwa naprężenia i uodparnia mosiądz na pękanie sezonowe. Brązy Brązy były najstarszym tworzywem metalicznym stosowanym przez człowieka. Ze względu na doskonałe własności odlewnicze używano ich do odlewania wielu wyrobów (rzeźb, armat, dzwonów itp.). Wyróżniamy brązy: cynowe, aluminiowe, ołowiowe, krzemowe berylowe oraz manganowe. Najszerzej stosowane są 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; przy wyższych zawartościach wydłużenie gwałtownie maleje. Spadek wytrzymałości następuje dopiero przy zawartości powyżej 25% Sn, gdy przeważa eutektoid (α + δ). Brązy cynowe 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 (< 1%), nie występuje w nich jama usadowa, co powoduje, że odlewy z brązu są mało zwarte (zawierają rzadzizny i pory). Zawartość cyny w brązach odlewniczych wynosi zwykle ok. 10%, przy czym mogą również zawierać dodatek fosforu (do 1,2%) oraz cynku i ołowiu. Fosfor odtlenia stop, powoduje jego utwardzenie, ale obniża plastyczność, co sprawia że brązy cyno wo fosforowe są stosowane na odlewy, od których wymaga się odporności na ścieranie (np. panewki, koła ślimakowe, sprężyny, sita). Przykłady zastosowań brązów: sprężyny, aparatura pomiarowa, narzędzia nie iskrzące, oporniki itp.. Przykładowe oznaczenia stopów miedzi: Cu OF miedź beztlenowa wg PN EN 1976:2001 CuZn40 stop miedzi z cynkiem do obróbki plastycznej wg PN EN 1652:1999 CuZN35Pb1 stop miedzi z cynkiem i ołowiem do obróbki plastycznej wg PN EN 1652:1999 CuNi12Zn29 stop miedzi z niklem i cynkiem do obróbki plastycznej wg PN EN 1654:2001 CuNi10Fe1Mn1 C odlewniczy stop miedzi z niklem wg PN EN 1982:2002 6

Stopy łożyskowe Dużą rolę w technice odgrywają stopy używane do wylewania panewek łożysk ślizgowych w parowozach, samochodach, wagonach i innych maszynach. Muszą one spełniać wiele wymagań, z których najważniejszym jest wielofazowa struktura złożona albo z miękkiej i plastycznej osnowy, w której są zawarte twarde kryształy dające odporność na ścieranie i spełniające rolę cząstek nośnych, albo odwrotnie z miękkiego składnika w twardej osnowie. Faza miękka łatwiej się wyciera i dzięki temu między twardymi cząstkami gromadzi się smar zmniejszający współczynnik tarcia. Poza tym stopy łożyskowe powinny mieć dobre własności odlewnicze i niezbyt wysoką temperaturę topnienia. Najlepsze własności mają stopy na osnowie cyny z dodatkiem miedzi i antymonu, które zaczęto stosować jeszcze w XIX w., zwane babbitami (np. SnSb8Cu4 wg PN ISO 4381:1997). Mogą one przenosić wysokie naciski powierzchniowe (powyżej 10 MPa) przy prędkości obwodowej ponad 5 m/s. Później opracowano tańsze stopy, w których część cyny zastąpiono ołowiem lub w ogóle wyeliminowano cynę. Są jednak stosowane przy niższych naciskach powierzchniowych (< 10 MPa) oraz prędkościach obwodowych nie przekraczających 1,5 m/s. Składnikami strukturalnymi w tych stopach są następujące fazy: faza α roztwór potrójny Cu i Sb w Sn; faza β związek SnSb; faza γ związek CuSn lub Cu 6 Sn 5. Przykłady zastosowań: panewki łożysk ślizgowych pracujących przy dużych prędkościach obwodowych np. pomp, turbin i sprężarek. Tytan i jego stopy Tytan ma dwie odmiany alotropowe: α i β. W postaci metalicznej otrzymuje się go z rudy różnymi metodami: jodkową (metal o wyższej czystości: 99,9%) lub redukcji czterochlorku tytanu za pomocą magnezu (niski koszt, przez co stosowana jest na skalę przemysłową). Stopy tytanu dwufazowe (α + β np. TiAl6V4), otrzymuje się przy określonej zawartości pierwiastków stabilizujących fazę α i pierwiastków stabilizujących fazę β. Pierwiastki stabilizujące fazę β przy temperaturze 25 o C rozszerzają zakres temperatury przemiany fazowej (α + β β). Roztwór stały a w stopach (α + β) umacnia się przez wprowadzenie np. Al, które dobrze rozpuszcza się w tym stopie i powoduje wzrost wytrzymałości. Poza tym Al zwiększa stabilność cieplną fazy β i powoduje zmniejszenie gęstości stopu. Faza β różni się od fazy α większą wytrzymałością przy granicznej rozpuszczalności pierwiastków. Dlatego w obszarze dwufazowym (α + β) wytrzymałość stopów powinna wzrastać addytywnie (zgodnie z regułą mieszania według linii prostej) przy przejściu od stopów o strukturze α, do stopów β. Trawienie tytanu i jego stopów odbywa się w 10% kwasie fluorowodorowym (skład: 10 ml HNO 3 + 20 ml HF + 20 ml gliceryny); czas trawienia dobiera się w na podstawie obserwacji w trakcie trawienia. 7

Zalety stopów Ti decydują o stosowaniu tych stopów w budowie samolotów oraz silników odrzutowych i rakiet, w budowie kadłubów okrętów, wytwarzaniu części armatury należącej do wyposażenia statków, w przemyśle chemicznym na aparaturę i zbiorniki kwasu azotowego oraz przy wytwarzaniu narzędzi chirurgicznych. Nikiel i jego stopy Nikiel jest metalem cięższym od żelaza (ρ = 8900 kg/m 3 ), ale jego temperatura topnienia jest nieco niższa niż żelaza i wynosi 1452 C. Krystalizuje w sieci A1 o parametrze a = 0,35238 nm. Nikiel cechuje duża odporność na korozję (stąd jego zastosowanie do galwanicznego pokrywania żelaza). Własności wytrzymałościowe niklu w stanie wyżarzonym są następujące: R m = 440 MPa, R0,2 = 150 MPa, A10 = 45%, 90 HB. Może być znacznie umocniony przez zgniot. Nikiel stosuje się głównie jako pierwiastek stopowy do stali i innych stopów metali. Wytwarza się również stopy na osnowie niklu, np. z miedzią lub chromem, a także stopy wieloskładnikowe. Nikiel otrzymuje się metodą elektrolityczną, karbonylkową lub ogniową jako hutniczy. Stopy niklu Stopy z miedzią (tzw. monele) są głównie stosowane jako stopy odporne na korozję. Można je poddawać obróbce plastycznej na zimno i gorąco, a także spawać. Monele zawierają 20 40% Cu i niewielkie dodatki żelaza i manganu. Mają wysokie własności wytrzymałościowe (R m do 700 MPa) i antykorozyjne, które zachowują aż do temp. 500 C. Są stosowane na łopatki turbin parowych oraz elementy aparatury chemicznej, a także jako druty oporowe i do wytwarzania wyrobów galanteryjnych. Do moneli odlewniczych wprowadza się niewielki dodatek krzemu, który poprawia ich lejność. Stopy z miedzią i cynkiem mają barwę podobną do srebra i dlatego nazywa się je nowymi srebrami (argentan, alpaka). Zawierają 20 30% Ni, 45 60% Cu i 20 35% Zn. Znalazły zastosowanie do wyrobu galanterii, przedmiotów ozdobnych i sztućców. Stopy z chromem, zwane nichromami, są żarowytrzymałe. Oprócz niklu zawierają 10 20% Cr, 0 10 % Fe i 2 4% Mn. Są stosowane głównie na elementy grzewcze pieców. Podobnie wieloskładnikowymi stopami niklu są nimoniki, stosowane także jako stopy żarowytrzymałe m.in. do wyrobu łopatek turbin gazowych. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z najpopularniejszymi stopami metali nieżelaznych, z ich właściwościami, zastosowaniem, sposobem identyfikacji oraz ich metalografią. Przebieg ćwiczenia 1. Omówienie właściwości i możliwości zastosowania stopów metali nieżelaznych. 2. Dokonanie obserwacji mikrostruktury poszczególnych stopów. 3. Wykonanie rysunków/zdjęć mikrostruktur wskazanych próbek wraz z opisem. 8

Opracowanie sprawozdania z laboratorium 1. Cel ćwiczenia 2. Wstęp teoretyczny 3. Rysunki struktur wraz z opisem wg schematu: a. Materiał b. Stan materiału c. Struktura d. Powiększenie e. Trawienie 4. Wnioski i uwagi Literatura 1. Wykłady; Nauka o materiałach I i II ; 2. Perliński J., Kubiak M.; Tablice metali nieżelaznych"; 3. Wesołowski K.; Metaloznawstwo tom 3"; 4. Przybyłowicz K.; Metaloznawstwo"; 5. Sztaub F.; Metaloznawstwo"; 6. Wendorff Z.; Laboratorium materiałoznawstwa tom 3"; 7. Tokarski M. Metaloznawstwo metali i stopów nieżelaznych w zarysie"; 8. Bylica, Sieniawski Tytan i jego stopy"; 9. Poradnik mechanika część 1". UWAGA: Przed przystąpieniem do wykonania ćwiczenia student zobowiązany jest zapoznać się z przepisami BHP 9