42/2 Archives of Foundry, Year 2001, Volume 1, 1 (2/2) Archiwum Odlewnictwa, Rok 2001, Rocznik 1, Nr 1 (2/2) PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 WPŁYW SKŁADU CHEMICZNEGO I PARAMETRÓW ODLEWANIA NA STRUKTURĘ I WŁAŚCIWOŚCI MOSIĄDZÓW MANGANOWO-CYNOWYCH S. RZADKOSZ 1 Wydział Odlewnictwa AGH 30-059 Kraków, ul. Reymonta 23 STRESZCZENIE Przedstawiono charakterystykę mikrostruktur, właściwości mechanicznych, korozyjnych oraz wyniki wpływu parametrów odlewania na właściwości mosiądzu. Przeprowadzono analizę wpływu różnych dodatków stopowych takich jak mangan, żelazo, cyna, krzem na właściwości mosiądzów manganowych. Zaproponowano różne warianty składu dla nowych mosiądzów MMC zawierających w składzie chemicznym oprócz miedzi (54-60%) i cynku, takie dodatki jak mangan w ilości do 4,2%, cynę i żelazo w ilości do 1,5% oraz krzem w ilości do 1%. Wykonano badania wpływu żużli, rafinacji i odtleniania na właściwości przykładowo wybranych mosiądzów. Key words: mechanical properties, structure, corrosion resistant, manganese brass 1. WSTĘP Mosiądze manganowo-cynowe zawierają w składzie chemicznym oprócz miedzi (54-60%) i cynku (34-38%), takie dodatki jak mangan, cynę, żelazo oraz krzem. Dodatek manganu polepsza wytrzymałość na rozciąganie oraz twardość. Zawartość 1,5% Mn powoduje nieznaczne tylko zwiększenie wydłużenia. Powyżej tej zawartości właściwości plastyczne mosiądzu zmniejszają się. Dodatki manganu podwyższają zarówno odporność na zużycie mechaniczne jak i na zużycie chemiczne. Negatywny wpływ dodatku manganu przejawia się w powodowaniu gruboziarnistej struktury, znacznym obniżeniu lejności 1
i zwiększeniu skłonności do zażużleń, a także zwiększeniu współczynników tarcia. W celu skompensowania negatywnego wpływu dodatku manganu do składu stopu wprowadzono dodatki cyny w ilości do 1,5%, która polepsza lejność oraz właściwości ślizgowe, a także nieco zwiększa twardość mosiądzu. W celu podwyższenia właściwości wytrzymałościowych i zwiększenia stopnia rozdrobnienia makrostruktury odlewów wprowadza się dodatki żelaza w ilości nie przekraczającej 1,5%. 2. ZAKRES BADAŃ I ANALIZA WYNIKÓW W ramach prowadzonych badań poddano analizie wpływ dodatków krzemu na właściwości mosiądzów manganowo-cynowych. Małe dodatki krzemu wprowadzone do mosiądzu manganowo-cynowego wyraźnie poprawiają lejność i zmniejszają skłonność do utleniania ciekłego stopu, skłonność do odkształcenia plastycznego, a także wytrzymałość i twardość. Zbyt duże natomiast dodatki krzemu (powyżej 1%) mogą doprowadzić do wydzielenia się w mikrostrukturze stopu faz Mn 5 Si 3 i Fe 3 Si. Krzem poza tym bardzo poprawia wygląd i gładkość powierzchni odlewów przez utworzenie w czasie krzepnięcia zwartej błonki krzemianów. Krzem zwiększa również odporność na zużycie mechaniczne, a także w pewnym stopniu również zużycie chemiczne. W mikrostrukturze mosiądzu typu MMC występują głównie fazy + z niewielkimi wydzieleniami faz międzymetalicznych. W przypadku obniżenia zawartości miedzi w stopie poniżej 54% bez względu na zawartość innych składników stopowych następuje w mikrostrukturze stopu zmniejszenie się zawartości fazy i zwiększenie ilości fazy. Obniżenie zawartości fazy w mikrostrukturze stopu MMC powoduje wzrost wytrzymałości na rozciąganie, twardości, a obniżenie wydłużenia. Podobne oddziaływanie wywiera wprowadzanie dodatków krzemu do stopu, przy czym oprócz zwiększonego udziału fazy w mikrostrukturze pojawiają się wydzielenia silnie dyspersyjne rozetkowe wydzielenia nowych faz międzymetalicznych. Nieco większe wydzielenia pojawiają się w mikrostrukturze stopów odlanych do form piaskowych. Przykładowe mikrostruktury stopów zawierających zmienne dodatki krzemu (tabela 1) przedstawiono na rysunkach 1 i 2, po odlaniu odpowiednio do form piaskowych oraz metalowych.
Rys1. Mikrostruktura stopu MMC55 zawierającego 0,06%Si (a); 0,24% Si (b); 0,73%Si (c) po odlaniu do form piaskowych. Widoczne fazy + oraz małe ilości fazy i wydzielenia faz międzymetalicznych.(b,c) Pow.x500 Traw.Roztw.FeCl 3 Fig.1. Microstructure of MMC alloys with amount of 0,04%Si (a), 0,24%Si (b), 0,75%Si (c) after solidification in die mould. The + phases are noticeable and presence of small quantity of phases and a volution of intermetallic phase evidenced. Magnit.x500, etched sol.with FeCl 3 Rys.2. Mikrostruktura stopu mosiądzu manganowego MMC zawierającego 0,06%Si (a); 0,24% Si (b); 0,73%Si (c), po odlaniu do form metalowych.. Widoczne fazy + (a,b,c) oraz wydzielenia faz międzymetalicznych (krzemków) (b,c). Pow.x500 Traw.Roztw.FeCl 3 Fig.2. Microstructure of MMC alloy with amount of 0,04%Si (a), 0,24%Si (b), 0,75%Si (c) after solidification in sand mould. The + phases are noticeable and presence of small quantity of phases and a volution of intermetallic phase evidenced. Magnit.x500, etched sol.with FeCl 3 Tabela 1. Skład chemiczny przykładowo badanych mosiądzów Cu-Zn-Mn-Fe-Si Table 1. Composition chemical of examplary investigated brasses Cu-Zn-Mn-Sn-Si Rodzaj Zawartość pierwiastków, % stopu Cu Mn Sn Si Fe Ni Al Zn MMC0 59,2 2,80 1,38 0,006 0,81 0,008 0,002 35,5 MMC1 59,1 2,58 1,42 0,24 0,88 0,004 0,009 35,6 MMC2 58,7 2,60 1,43 0,73 0,84 0,003 0,009 35,08
Wyniki badań wpływu dodatków krzemu na właściwości wytrzymałościowe zrealizowane na przykładzie stopów o składzie ujętym w tabeli 1 przedstawiono przykładowo w tabeli 2. Tabela 2. Wpływ zmiennych dodatków krzemu na właściwości mechaniczne mosiądzu MMC Table 2. Influence of variable additions of silicon contents on mechanical properties brass MMC Lp. Rodzaj stopu Właściwości mechaniczne Rm, MPa R 0,2, MPa A 5, % HB 1. MMC0 444 3548 28 112 2. MMC1 460 402 18 120 3. MMC2 482 424 10 134 Podobnie jak w przypadku innych mosiądzów, właściwości mosiądzów manganowo-cynowych MMC uzależnione są silnie od składu chemicznego, parametrów technologicznych przygotowania ciekłego metalu oraz warunków krzepnięcia stopów. Ogólnie można przyjąć, że mosiądze manganowo-cynowe MMC zawierające około 55% miedzi i do 4% manganu w obecności dodatków cyny, żelaza i krzemu wykazują stosunkowo dobre właściwości mechaniczne i przy optymalnej technologii topienia i odlewania mogą osiągać wysoką wytrzymałość na rozciąganie Rm nawet rzędu 600Mpa przy wydłużeniu rzędu kilkunastu % i twardości do 150 HB.(tab 4) Nawet w temperaturach podwyższonych badane mosiądze wykazują interesujące właściwości (tab. 3) Tabela 3. Wpływ temperatury na zmianę właściwości mechanicznych mosiądzu MMC55 oraz brązu B10.odlanego do form piaskowych. Table 3. The Influence of temperature on change of mechanical property of MMC55 brass and of B10 bronze. Poured in to sand moulds. Lp. Temperatura Mosiądz MMC55 Brąz B10 K o C Rm, MPa A 5,% Rm, MPa A 5,% 1. 293 20 446 6,6 230 8-11 2. 373 100 475 7,4 - - 3. 423 150 443 7,4 250 9-11 4. 473 200 445 7,4 200 5-10 5. 523 250 441 11,2 - - 6. 573 300 429 14,0 150 4-5
Tabela 4. Zestawienie właściwości fizycznych, mechanicznych i technologicznych mosiądzu MMC55 oraz brązów B10 i B663. Table 4. Summarising data of physical, mechanical and of technological properties for MMC55 brass as well as B10 and B663 bronzes. Właściwości MMC55 B10 B663 Ciężar właściwy, kg/m 3 8250 8800 8820 Wytrzymałość Rm, Mpa 600 230 210 Wydłużenie A5, % 8-12 10-15 10 Twardość Hb 140-160 70-90 80-90 Udarność z karbem, kj/m 2 4 6 2,5 Współczynnik tarcia ze smarem 0,006 0,006 0,009 Współczynnik tarcia bez smaru 0,33 0,14-0,27 0,16 Lejność, m 0,55 0,6 0,4 Skurcz, % 1,5 1,28 1,6 Badania właściwości stopów w podwyższonych temperaturach wykazały Szczególnie wyraźnie, że mosiądz MMC55 przewyższa właściwości wytrzymałościowe brązów cynowych [4]. Porównanie wyników badań wskazuje, że w temperaturze 300 o C brąz B10 staje się bardziej kruchy i wykazuje mniejszą wytrzymałość na rozciąganie niż mosiądz MMC. Nawet w temperaturze 350 o C mosiądz MMC55 wykazuje jeszcze stosunkowo dobre właściwości, wyższe niż właściwości brązu CuSn10 w temperaturze 20 o C. Poza tym uzyskane wyniki badań wskazują, że mosiądze manganowo-cynowe poza dobrymi właściwościami mechanicznymi charakteryzują się dobrą odpornością na korozję co najmniej równą lub większą od odporności brązu CuSn6Zn6Pb3 (B663) w 10% roztworach kwasu siarkowego lub solnego [4]. Mosiądze manganowo-cynowe typu MMC przeznaczone do badań topiono w piecu elektrycznym indukcyjnym stosując jako wsad metalowy czyste składniki tj. miedź, cynk, żelazo i cyna oraz zaprawy Cu-Mn25 i CuSi16. Podczas topienia zastosowano syntetyczny żużel pokrywajaco-rafinujący Kupmos w ilości do 1% od masy wsadu metalowego. Połowę dawki żużla wprowadzano się na zimny wsad, a resztę po stopnieniu partii wsadu metalowego. Przeprowadzone badania procesów uszlachetniania wykazały, że rafinacja azotem i argonem wyraźnie wpływa na wzrost właściwości wytrzymałościowych mosiądzów manganowo-cynowych. Wzrost właściwości mechanicznych łączy się zasadniczo ze wzrostem zwartości struktury odlewu i usunięciem wtrąceń niemetalicznych. Optymalny czas rafinacji mosiądzu azotem lub argonem, w zależności od masy ciekłego metalu mieści się w zakresie od 6-8 min. Z kolei zastosowanie zabiegu odtleniania powoduje podwyższenie właściwości wytrzymałościowych i poprawę właściwości technolo-gicznych. Największą lejność 0,6 m uzyskuje się po odtlenianiu ciekłego metalu dodatkiem 0,08-0,12%Al.. Natomiast najwyższe właściwości wytrzymałościowe oraz skurcz odlewniczy
rzędu 1,6% uzyskuje się po odtlenianiu ciekłego stopu sodem metalicznym w ilości 0,025-0,03 % od masy wsadu metalowego [4]. Właściwości mosiądzów manganowo-cynowych są uzależnione od parametrów odlewania krzepnięcia, tj od temperatury odlewania oraz szybkości odprowadzania ciepła podczas krzepnięcia, jak to pokazano przykładowo w tabeli 5. Tabela 5. Wpływ temperatury odlewania i rodzaju formy na właściwości mechaniczne mosiądzu MMC odlanego do form piaskowych jak i do form metalowych Table 5. Influence of pouring temperature and mould kind on the mechanical properties of MMC brass MMC55 poured in to sand moulds as well as into die moulds.- Temp.odlewania, Odlany do form piaskowych Odlany do form metalowych o C Rm, MPa A5,% Rm, MPa A5,% 940 544 10,0 588 16 980 578 12,6 623 17,6 1120 462 5,4 569 12,0 Z badań wynika, że podwyższone temperatury odlewania powodują silniejsze obniżenie właściwości wytrzymałościowych mosiądzu w przypadku odlewów wykonanych w formach piaskowych, a mniejsze w przypadku odlewów kokilowych. Stosunkowo niskie właściwości plastyczne mosiądzu odlanego do form piaskowych wynika z większej gruboziarnistości struktury (większe rozdrobnienie krystalitów i faz międzymetalicznych, a również z wyraźniejszej mikroporowatości struktury. Ogólnie należy stwierdzić, że odlewy z mosiądzów manganowo-cynowych zawierających dodatek krzemu charakteryzują się gładką i czystą powierzchnią bez nalotów i wżerów. Podsumowanie Na podstawie przeprowadzonych badań można stwierdzić, że: mosiądze manganowo-cynowe zawierające oprócz miedzi (54-60%) i cynku (reszta), dodatki manganu (do 4 %), cyny i żelaza (do 1,5%) wykazują interesujące właściwości mechaniczne i użytkowe, ale stosunkowo niskie właściwości technologiczne, w przypadku optymalnego doboru parametrów wytwarzania, optymalnej technologii topienia i odlewania mosiądz MMC55 może osiągać wysoką wytrzymałość na rozciąganie Rm nawet rzędu 600 MPa oraz duże wydłużenie do 15% przy twardości do około 150 HB, szczególne właściwości technologiczne i użytkowe nadają mosiądzom managanowocynowym dodatki krzemu. Dodatki krzemu wyraźnie poprawiają lejność, wytrzymałość i twardość, wygląd i gładkość powierzchni odlewów, a także w pewnym stopniu również odporność na zużycie chemiczne, w mikrostrukturze mosiądzów manganowo-cynowych występują głównie fazy + z wydzieleniami faz międzymetalicznych. W przypadku obniżenia zawartości miedzi
w stopie poniżej 54% w mikrostrukturze stopu zmniejsza się udział fazy i zwiększa ilość fazy. Pojawiają się również fazy międzymetaliczne typu krzemków. proces rafinacji i odtleniania powoduje poprawę właściwości mosiądzów manganowych, przy czym krzepnięcie w formach piaskowych nieco zmniejsza właściwości stopów. Zmiana temperatury odlewania stopów silniej wpływa w przypadku odlewów piaskowych, niż w przypadku odlewów kokilowych dobre właściwości mechaniczne, chemiczne oraz technologiczne powodują, iż badane mosiądze w wielu zakresach mogą zastąpić brązy cynowe, szczególnie przeznaczone na części maszyn i urządzeń pracujących w zakresie zmiennych obciążeń w podwyższonych temperaturach. LITERATURA [1] Adamski C: Mosiądze niskomiedziowe, Przegląd Odlewnictwa nr5-6, Kraków, 1954 [2] Adamski i inni Wpływ mikrododatków na procesy krzepnięcia i kształtowania się metastabilnych struktur stopów miedzi. Praca naukowo-badawcza 1.371.19, Wydział Odlewnictwa AGH, Kraków 1986 [3] Krupkowski A., Adamski C. Mosiądz przeciwcierny M54, Rudy i Metale, nr.7, Katowice 1963, [4] Rzadkosz S. Mosiądz manganowo-cynowy odporny na zużycie chemiczne i mechaniczne, Acta Metallurgica Slovaca, 7, 2001, 318-324 [5] Romankiewicz F. Modyfikacja miedzi i jej stopów, Wyd. Komisja Nauki o Materiałach PAN, Poznań, Zielona Góra, 1999 INFLUENCE OF THE CHEMICAL COMPOSITIONS AND CASTING PARAMETERS FOR THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF MANGANESE-TIN BRASS ALLOYS SUMMARY The characteristics of the mechanical properties, combined with the corrosion tests and microstructure analysis have been presented for different technological casting conditions influenced the creation of new brass MMC properties. In the article an analysis concerning the influence of various alloying additives contained Mn, Sn, Si on the properties of manganese brass alloy has been highlighted. The contains of different elements for new alloy composition based on brass type MMC is proposed. This alloy consist 54-60%Cu, up to 4 %Mn, not exceeded 1,5% of Sn and Fe, up to 1% Si and the residual Zn. The investigations carried out on the research of influence of flux, of effectiveness of refinement process and molten metal deoxidising on the alloy properties for arbitrary selected brasses have been executed. Recenzował Prof. Czesław Adamski