JAN WESOŁOWSKI Rudy Metale R53 2008 nr 5 WOJCIECH GŁUCHOWSKI UKD 539.4/.5:620.18:669. 4.45: :669-122:669-41:621.98.004 STRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI BLACH Z WYBRANYCH STOPÓW OŁOWIU W artykule określono mikrostrukturę i właściwości blach ze stopów PbCuTe, PbCu i PbSbSn. Podobna mikrostruktura stozrekrystalizowanych w trakcie i po walcowaniu. Praktycznie pów przedstawia komórkową budowę ziaren w różnym stopniu wszystkie stopy są roztworami stałymi zastosowanych składników stopowych. Dwa stopy PbCu i PbSbSn posiadają zbliżoną twardość (średnio 4,4 HB) natomiast trzeci stop PbCuTe jest znacznie twardszy (7,5 HB). Badane stopy różnią się również właściwościami wytrzymałościowymi i plastycznością. Całkowite odkształcenie względne próbek ze stopu PbCuTe jest ponad 2-krotnie mniejsze aniżeli próbek z pozostałych stopów PbCu i PbSbSn. Dla wszystkich badanych stopów ołowiu gra- wycięcia próbek (równoległy i prostopadły do kie- nica plastyczności i wytrzymałości praktycznie nie zależy od kierunku runku walcowania). Różnica ujawnia się dopiero dla ich wydłużenia całkowitego. Liczba przegięć dwustronnych (L p ) dla stopów PbCuTe i PbCu jest podobna. Natomiast w przypadku stopu PbSbSn L p jest wyższa i w mniejszym stopniu zależna od kierunku wycięcia próbek. Ponadto stop PbSbSn wyróżnia największy stopień izotropowości. Słowa kluczowe: ołów, stopu ołowiu, struktura, właściwości blach, powłoki kabli STRUCTU RE AND PROPERTIES OF THE SHEETS FROM LEAD ALLOYS The structure and properties of sheets from the PbCuTe, PbCu and PbSbSn alloys were studied showing that their microdiversified degree of re-crystallisation during and after roll- structure was similar, characterised by the cellular grains with ing. All these alloys are practically solid solutions of the applied alloy components. Two of them, the alloys PbCu and PbSbSn, have similar hardness (4.4 HB on an average), whereas the third alloy, PbCuTe, appeared to be considerably harder (7.5 HB). The studied alloys differ also in strength properties and ductility. The total relative deformation of the samples from the PbCuTe alloy is over twice smaller than that of the samples from the PbCu and PbSbSn alloys. The yield point and strength of all studied alloys does not practically depend on whether they were cut out in the direction parallel or perpendicular. However, the differences total elongation were observed. The number of contra flex- PbCu is similar, whereas in the case of PbSbSn alloy it is ures on either side of the samples (L p ) for the alloys PbCuTe and higher and to smaller degree dependant on the direction, along which the samples were cut out. Besides, the PbSbSn alloy is characterized by the highest degree of isotropy. Keywords: lead, lead alloys, structure, sheet properties, cable coatings Wprowadzenie chemicznym na pogłębioną ocenę stosowanych obecnie w kraju stopów w tym zakresie i wskazywały jednocześnie kierunek postępu [3]. W artykule przewiduje się określenie struktury i wła- wy- ściwości kilku wybranych stopów w dostosowaniu do krajowych warunków ich wytwarzania i stosowania na powłoki kabli elektrycznych i osprzętu elektrycznego, celem typowania najlepszego z nich. Przebieg i wyniki badań Wzrastające wymagania stawiane powłokom kabli elekm ufy do kabli (PN-EN 12548). trycznych spowodowały konieczność zastosowania innych materiałów oraz stopów ołowiu o lepszych właściwościach mechanicznych i technologicznych, zgodnych dodatkowo z europejską normą na powłoki kabli elektrycznych i na Na świecie i w kraju ołów w czystej postaci i stopów stosowany jest przede wszystkim w przemyśle akumulatorowym. W literaturze i zagranicznych normach, dotyczących tej grupy stopów można spotkać wymagania dotyczące ich składów chemicznych oraz innych właściwości, którymi powinny się charakteryzować [1, 2]. Drugim o rząd mniejszym kierunkiem zastosowania ołowiu pozostaje przemysł kablowy, w którym stosuje się na powłoki kabli kilka różnych grup stopów ołowiu. W wymienionej normie przedstawiono składy chemiczne stopów, oznaczenie i literę określającą grupę materiałową K. Nie ma danych dotyczących, np. właściwości mecha- nicznych, które pozwalałyby w zestawieniu ze składem Do wykonania wybranych stopów ołowiu (PbCuTe, PbCu, PbSbSn) użyto czystego ołowiu w gatunku 990R z dodatkami stopowymi czystej miedzi, telluru, antymonu i cyny. Wtopienie telluru i antymonu odbywało się poprzez przygotowane wcześniej zaprawy dwuskładnikowe z oło- w zaprawie wynosiła od 1 wiem. Ilość składnika stopowego do 3 %. Miedź i cynę wtopiono bezpośrednio do ciekłego ołowiu. Z poszczególnych stopów przygotowano płaskie wlewki Dr inż. Jan Wesołowski, mgr inż. Wojciech Głuchowski Instytut Metali Nieżelaznych, Gliwice. 7
o wadze ok. 2 kg. Otrzymane wlewki walcowano początkowo w temperaturze otoczenia do grubości końcowej ok. 2 mm. Z tak przygotowanych odcinków taśm wycinano próbki do badań o długości pomiarowej l 0 = 20 mm i szerokości ok. 4 mm. Przeprowadzono próbę jednoosiowego rozciągania na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej INSTRON 4505 w temperaturze otoczenia z początkową prędkością odkształcenia 8,3 10 3 s 1. Dla badanych stopów określono granicę plastyczności R 0,2, granicę wytrzymałości R m i całkowite wydłużenie względne A 20. Dla wszystkich badanych stopów wykonano również pomiar twardości metodą Brinella, stosując kulkę stalową o średnicy 1 mm, obciążenie 10 N i czas pomiaru 120 s. Próbki wycięte równolegle i prostopadle do KW w kształ- o wymiarach: długość 100 mm, cie prostokąta szerokość 20 mm i grubość 2 mm poddano także dwustronnemu przene i przedstawiają jednofazową, komórkową budowę ziaren ginaniu, zgodnie z wymaganiami podanymi w normie PN-EN ISO 7799. Z otrzymanych blach przygotowano zgłady metalograficzne, które posłużyły do udokumentowania struktury badanych stopów z wykorzystaniem mikroskopu metalograficznego OLYMPUS GX71. Trzy wybrane stopy ołowiu reprezentują cztery grupy stopów, przeznaczonych na powłoki kabli, umieszczone w normie PN-EN 12548. W tablicy 1 przedstawiono składy chemiczne wytypowanych stopów oraz przedstawiono ich oznaczenia zgodne z wymienioną normą. Na rysunku 1 przedstawiono mikrostruktury blach wykonanych z badanych stopów ołowiu. Ich obrazy są podob- w różnym stopniu zrekrystalizowanych w trakcie oraz po walcowaniu. Najwyraźniejsze efekty rekrystalizacji dynamicznej i statycznej widoczne są w przypadku blach ze stopów PbCu i PbSbSn (rys. 1b i c). Wszystkie stopy w praktycznym wydaniu są roztworami stałymi zastosowanych składników stopowych w ołowiu. Dwa stopy PbCu i PbSbSn posiadają zbliżoną twardość (odpowiednio 4,2 i 4,6 HB rys. 2), natomiast trzeci stop PbCuTe jest znacznie twardszy (7,5 HB). Próby jednoosiowego rozciągania przeprowadzono na próbkach wyciętych równolegle i prostopadle do kierunku walcowania. Przykładowe krzywe rozciągania przedstawiono na rysunku 3. Analiza tych krzywych pozwala wyod- a b c Tablica 1 Skład chemiczny badanych stopów ołowiu, w % masowych Table 1 Chemical composition of the studied alloys, in mass % Nr próbki oznaczenie Cu Te Sb Sn 1 PbCuTe 0,04 0,03 PB041K 2 PbCu 0,04 PB061K 3 PbSbSn 0,11 0,18 PB023K Rys. 1. Mikrostruktura blach wykonanych z badanych stopów ołowiu a PbCuTe (nr 1), b PbCu (nr 2), c PbSbSn (nr 3) Fig. 1. Microstructure of sheets from the studied lead alloys a PbCuTe (No 1), b PbCu (No 2), c PbSbSn (No 3) 8
dla wszystkich stopów granica plastyczności i wytrzymałonie zależą od kierunku wycięcia próbek. Już ści praktycznie wcześniej w oparciu o obrazy mikrostruktury analizowanych stopów zaznaczono ich zrekrystalizowany stan, który Rys. 2. Twardość HB badanych stopów ołowiu Fig. 2. HB hardness of the studied lead alloys Rys. 4. Własności wytrzymałościowe blach ze stopu PbCuTe. Fig. 4. Strength properties of the sheets from the PbCuTe alloy. Rys. 3. Krzywe jednoosiowego rozciągania badanych stopów ołowiu Fig. 3. Uniaxial tensile curves for the studied lead alloys rębn ić ich trzy różne przebiegi, odpowiadające trzem badaści. Dla stopu PbCuTe jest to zdecydowany wzrost umoc- ny m stopom o praktycznie identycznym module sprężysto- nienia praktycznie w całym zakresie próby z wyłączeniem końcowego odcinka, prowadzą cego do zerwania próbki w wy- niku makrolokalizacji odkształcenia. Całkowite odkształcenie próbki jest ponad 2-krotnie mniejsze aniżeli pozost ałych próbek. W przypa dku próbki ze stopu Pb SbSn po łagodniej- szym zakresie umocnienia mniej więcej w połowie od- następuje jego równie łagodny spadek aż do kształcenia zerwania próbki. Całkowite odkształcenie próbek ze stopów PbSbSn i PbCu jest podobne. W zastosowanych warunkach rozciągania tylko w przypadku próbki ze stopu PbCu występuje wyraźna rekrystalizacja dynamiczna, prowadząca do znacznego (o 40 %) obniżenia umocnienia po przekroczeniu ok. połowy odkształcenia całkowitego. Własności wytrzymałościowe w formie graficznej, badane w dwóch kierunkach rozciągania względem kierunku walcowania (równolegle i prostopadle), przedstawiono na rysunkach 4 6. Ich porównanie pozwala ustalić, że stopy PbSbSn i PbCu posiadają podobne właściwości, przy czym nieco bardziej plastyczny, mierzony wydłużeniem względnym, jest stop PbCu. Natomiast wyższą granicą plastyczności (ok. 70 %) i wytrzymałości (ok. %) przy mniejszej plastyczności (średnio 2-krotnie) cechuje się stop PbCuTe. Na rysunkach 4 6 dokonano jednocześnie porównania właściwości wytrzymałościowych badanych stopów ołowiu w zależności od kierunku wycięcia próbek. Okazuje się, że Rys. 5. Własności wytrzymałościowe blach ze stopu PbCu. Fig. 5. Strength properties of the sheets from the PbCu alloy. Rys. 6. Własności wytrzymałościowe blach ze stopu PbSbSn. Fig. 6. Strength properties of the sheets from the PbSbSn alloy. 9
z pewnością składa się na przytoczony obraz właściwości badanego materiału. Różnica ujawnia się dopiero we względnym wydłużeniu całkowitym próbek wykonanych z poszczególnych stopów. Ich plastyczność dla każdego badanego stopu jest większa w kierunku równoległym do kierunku walcowania. Przy czym najmniejsza różnica w tym zakresie występuje dla stopu PbCu (3 %) poprzez ok. 6 % dla stopu PbSbSn i największa dla stopu PbCuTe ok. 11 %. Średnia granica plastyczności R 0,2 dla poszczególnych stopów, uwzględniająca kierunek wycięcia próbek, wynosi: PbCuTe 15,1 MPa, PbCu 8,5 MPa, PbSbSn 9,1 MPa. Średnia granica wytrzymałości R m dla takich samych warunków wynosi: PbCuTe 24,5 MPa, PbCu 18,2 MPa, PbSbSn 19,9 MPa, a średnie całkowite wydłużenie względne A 20 : PbCuTe,6 %, PbCu 56,8 %, PbSbSn 52,6 %. Płaskie próbki w kształcie prostokąta (100 20 mm), Tablica 2 Liczba przegięć dwustronnych L p próbek płaskich o grubości 2 mm, wykonanych z badanych stopów ołowiu, wyciętych równolegle ( KW) i prostopadle ( KW) do kierunku walcowania wg normy PN-EN ISO 7799 Table 2 The number of contra flexures L p in the 2 mm thick flat samples prepared from the studied lead alloys, cut out in parallel ( KW) and perpendicularly ( KW) to the rolling direction in accordance with the standard PN-EN ISO 7799 Nr próbki oznaczenie 1 PbCuTe PB041K KW KW 29 26 22 40 19 32 24 29 21 31 25 Średnia 31 24 2 PbCu PB061K 36 31 32 31 21 22 25 23 18 24 Średnia 32 23 3 PbSbSn PB023K 40 38 35 36 33 35 27 33 Średnia 36 wycięte równolegle i prostopadle do kierunku walcowania, poddano próbie przeginania dwustronnego. Wyniki zamieszczono w tablicy 2. Liczba przegięć odnotowana do momentu pęknięcia próbek zależy od kierunku ich wycięcia i oczywiście od rodzaju stopu. Przy czym liczba przegięć dla stopów PbCuTe i PbCu jest podobna. Mniejsza (23 24) dla próbek wyciętych prostopadle do KW i większa (31 32) dla próbek wyciętych równolegle do KW. W przypadku stopu PbSbSn omawiana liczba przegięć jest wyższa i wynosi dla próbek wyciętych prostopadle do KW oraz 36 dla próbek wyciętych równolegle do KW. W mniejszym stopniu niż dla poprzednich stopów liczba ta jest zależna od kierunku wy- cięcia próbek. Biorąc pod uwagę analizowane właściwości i zastoso- wane warunki przeróbki plastycznej badanych stopów oło- można powiedzieć, że stop PbSbSn w postaci blachy wiu wyróżnia największy stopień izotropowości przy porów- nawczej średniej twardości 4,6 HB, średnim stopniu zrekry- średniej granicy plastyczności 9,1 MPa oraz stalizowania, wytrzymałości 19,9 MPa i średniego wydłużenia względnego 52,6 %. Właściwości zbliżone do przedstawionych dla stopu PbSbSn lecz nieco niższe posiada blacha ze stopu PbCu. Natomiast wyraźnie wyższe właściwości wykazuje blacha ze stopu PbCuTe. Wnioski Przeprowadzone badania pozwoliły na określenie mikrostruktury i właściwości blach ze stopów PbCuTe, PbCu i PbSbSn. Ich mikrostruktury są podobne i przedstawiają komórkową budowę ziaren w różnym stopniu zrekrystalizowanych w trakcie i po walcowaniu. Praktycznie wszystkie stopy są roztworami stałymi zastosowanych składników stopowych. Dwa stopy PbCu i PbSbSn posiadają zbliżoną twardość (odpowiednio 4,2 i 4,6 HB) natomiast trzeci stop PbCuTe jest znacznie twardszy (7,5 HB). Badane stopy różnią się również właściwościami wy- i plastycznością. Całkowite odkształce- trzymałościowymi nie względne próbek ze stopu PbCuTe jest ponad 2-krotnie mniejsze aniżeli próbek z pozostałych stopów PbCu i PbSbSn. W zastosowanych warunkach rozciągania tylko w przypadku próbek ze stopu PbCu występuje rekrystalizacja dynamiczna, prowadząca do znacznego obniżenia umocnienia po przekroczeniu ok. połowy odkształcenia całkowitego. Dla wszystkich stopów ołowiu granica plastyczności i wytrzymałości praktycznie nie zależy od kierunku wycięcia próbek (równoległy i prostopadły do kierunku walcowania). Zrekrystalizowany statycznie i dynamicznie stan blach wpływa z pewnością na przytoczony obraz właściwości badanego materiału. Różnica w kierunku wycięcia próbek z poszczególnych stopów ujawnia się dopiero dla ich wydłużenia całkowitego. Tak określona plastyczność jest większa w kie- runku równoległym do KW. Najmniejsza różnica w tym zak resie występuje dla stopu PbCu (3 %) poprzez ok. 6 % dla stop u PbSbSn i największa dla stopu PbCuTe ok. 11 %. Liczba przegięć dwustronnych dla stopów PbCuTe i PbCu jest podobna. Mniejsza (23 24) dla próbek wyciętych prostopadle do KW i większa (31 32) dla próbek wyciętych równolegle do KW. W przypadku stopu PbSbSn omawiana liczba przegięć jest wyższa i wynosi dla próbek wyciętych prostopadle do KW oraz 36 dla próbek wyciętych rów- 290
nolegle do KW. W mniejszym stopniu niż dla poprzednich stopów liczba ta jest zależna od kierunku wycięcia próbek. Biorąc pod uwagę analizowane właściwości i zastosowane warunki przeróbki plastycznej badanych stopów ołowiu można powiedzieć, że stop PbSbSn w postaci blachy wyróżnia największy stopień izotropowości przy porównawczej średniej twardości 4,6 HB, średnim stopniu zrekry- plastyczności R 0,2 = 9,1 MPa stalizowania, średniej granicy oraz wytrzymałości R m = 19,9 MPa i średniego wydłużenia względnego A 20 = 52,6 %. Właściwości zbliżone do przedstawionych dla stopu PbSbSn lecz nieco niższe posiada blacha ze stopu PbCu. Natomiast wyraźnie wyższe właściwości wykazuje blacha ze stopu PbCuTe. Literatura 1. Prengaman R. D., Lam L. T.: Lead & Zinc 05. International Symposium on Lead & Zinc Processing. Kyoto, JAPAN, 17 19 October 2005, t. II, s. 15 1389. 2. Młodożeniec W. M.: Rudy Metale 1993, t. 38, nr 1, s. 27. 3. Wesołowski J., Turoń J.: Badania nad doborem składu chemicznego oraz opracowanie składu chemicznego stopu ołowiu o lepszych własnościach mechanicznych i technologicznych, przeznaczonego na powłoki ochronne kabli. Sprawozdanie IMN nr 22/84 [niepublik.]. Praca finansowana przez MNiSzW w ramach środków statutowych IMN. MARCIN LIS MIECZYSŁAW WOCH Rudy Metale R53 2008 nr 5 UKD 5.56:669.017:546.3: :621.762:620.1.001 TECH NIKA PLAZMOW A W INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ METALI Artykuł ma charakter przeglądowy i przedstawia aplikacyjne aspekty zastosowania plazmy i urządzeń plazmowych we współczesnej inżynierii materiałowej metali. W artykule opisano podstawowe właściwości plazmy, rodzaje urządzeń stoso- wanych w technice plazmowej oraz przykłady zastosowań tej techniki, głównie w metalurgii proszków i w inżynierii porozwijania techniki plazmowej w Instytucie Metali Nieżela- wierzchni. Uwzględniono doświadczenia własne, wynikające z znych. Słowa kluczowe: techniki plazmowe, inżynieria powierzchni, metalurgia proszków THE PLASMA TECHNIQUE IN MATERIALS ENGINEERING OF METALS The paper outlines the application aspects of u sing plasma and relevant plasma installations in contemporary materials engineering of metals. The basic plasma propert ies, types of the equipment used in plasma technique and the examples of application of this technique mainly in powder metallurgy and in surface engineering of metals, are presented. Our own experiences resulting from the development of plas ma technique at the Institute of Non-Ferrous Metals have been described. Keywords: plasma techniques, surface engineering, powders metallurgy Wstęp Nowe materiały metaliczne, w tym nanomateriały: stopy, kompozyty, proszki, ukierunkowane są na zwiększenie funkcjonalności wyrobów, poprawę ich własności oraz na- powszechniej stosowana we danie wyrobom nowych własności. Osiągnięcie tego celu wymaga stosowania nowych technik i technologii, do których zalicza się, coraz współ- czesnej inżynierii materiałowej, technika plazmowa, Wysoka temperatura strumienia plazmy (w przypadku tzw. zimnej plazmy wynosi ona 2000 000 K) stwarza możliwość stapiania nawet wysokotopliwych metali, a dzięki temu możliwość natryskiwania, napawania, atomizacji metali oraz rozkładu lub syntezy związków chemicznych. Rosnące znaczenie techniki plazmowej we współczesnej inżynierii materiałowej metali, a także rozwój tej techniki w Instytu- Mgr inż. Marcin Lis, dr Mieczysław Woch Instytut Metali Nieżelaznych, Gliwice. 291