Stopy miedzi - instrukcja, Studia, SEMESTR 3, NOM, struktury i właściwości stopów miedzi - prezentacja, ...

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Stopy miedzi
Miedź występuje w przyrodzie w postaci rodzimej oraz w rudach siarczkowych. Jest
pierwiastkiem odznaczającym się bardzo dobrą przewodnością elektryczną i cieplną oraz
znaczną plastycznością lecz niewielką wytrzymałością na rozciąganie, którą moŜna
zwiększyć przez obróbkę plastyczną na zimno. Ma barwę róŜowo-czerwoną, temperaturę
topnienia 1083°C. W wilgotnym powietrzu miedź pokrywa się warstewką patyny, która jest
zasadowym węglanem miedzi CuCO
3
·Cu(OH)
2
, zabezpieczającym w pewnym stopniu
materiał przed dalszą korozją. Atmosfera przemysłowa zawierająca SO
2
lub NH
3
działa na
miedź agresywnie.
Norma PN-92/H-82120 obejmuje dziesięć gatunków miedzi otrzymywanych metodą rafinacji
elektrolitycznej i ogniowej, a róŜniących się stopniem zanieczyszczenia oraz przeznaczeniem.
W zaleŜności od sposobu otrzymywania, miedź moŜe zawierać róŜne ilości zanieczyszczeń.
Miedź hutnicza moŜe zawierać 0,5 ÷ 1%, rafinowana ogniowo 0,1 ÷ 0,5%, a miedź katodowa
oczyszczona przez elektrolizę 0,05% zanieczyszczeń.
Zanieczyszczenia miedzi, takie jak: O, Bi, Pb, S, występujące w postaci wtrąceń (wobec
pomijalnej rozpuszczalności w stanie stałym), powodują kruchość metalu. Natomiast Sb, Fe,
As, P tworzą roztwory stałe i z tego powodu są niewykrywalne metalograficznie. Do bardzo
szkodliwych zanieczyszczeń miedzi naleŜy tlen. Tlen dostaje się do miedzi w procesie
topnienia. Występuje w miedzi w postaci trwałego do temperatury 380°C tlenku miedziowego
CuO, natomiast powyŜej temperatury 380°C trwały jest tlenek miedziawy Cu
2
O.
Struktura miedzi utlenionej zaleŜy od zawartości tlenu. Przy małych zawartościach tlenu (stop
podeutektyczny), na wytrawionym szlifie obserwuje się jasne kryształy miedzi na tle
ciemniejszej eutektyki (Cu + Cu
2
O). Przy większym stopniu utlenienia stop moŜe posiadać
strukturę eutektyczną lub nadeutektyczną. W czasie wyŜarzania miedzi utlenionej w
atmosferze redukującej (np. gaz świetlny) – wodór dyfunduje w głąb miedzi i reaguje z
tlenkiem miedziawym według reakcji:
Cu
2
O + H
2
→ 2Cu + H
2
O
Powstająca cząsteczka pary wodnej, ze względu na wysoką temperaturę i duŜą pręŜność,
prowadzi do spadku plastyczności i powstawania mikropęknięć (tzw. choroba wodorowa
miedzi). Dopuszczalna zawartość tlenu w miedzi zaleŜy od jej gatunku i waha się w granicach
od 0,001% dla miedzi próŜniowej do 0,15% dla miedzi odlewniczej.
Ze względu na wspomniane zalety miedzi, jak równieŜ zdolność do tworzenia stopów z
róŜnymi pierwiastkami stwarza moŜliwość szerokiego zastosowania miedzi w przemyśle
zarówno w stanie czystym, jak i stopach.
Miedź beztlenowa znajduje zastosowanie głównie w przemyśle elektrotechnicznym,
elektronicznym i telekomunikacyjnym. Małą wytrzymałość miedzi powiększa się stosując
tzw. miedź przewodową, którą jest stop Cu z 1% dodatkiem Cd (przewody trakcyjne) albo z
0,1% Mg (druty nawojowe, przewody instalacyjne). Na napowietrzne przewody trakcyjne
albo linie wysokiego napięcia stosuje się niekiedy znacznie wytrzymalsze bimetaliczne druty
o rdzeniu stalowym i powłoce z miedzi (wykorzystanie zjawiska naskórkowości).
Miedź w postaci blach lub rur uŜywana jest równieŜ do wyrobu aparatury chemicznej
(wymienniki ciepła, zbiorniki, przewody).
DuŜe ilości miedzi zuŜywa się jako materiał wyjściowy licznych stopów. Do najwaŜniejszych
naleŜą: mosiądze – są to stopy miedzi z cynkiem, brązy – stopy miedzi z takimi
pierwiastkami, jak: Sn, Al, Si, Mn, Be, Pb oraz miedzionikle – stopy miedzi z Ni.
Miedź stosuje się równieŜ jako składnik stopowy w róŜnych stopach technicznych: stopach z
aluminium, łoŜyskowych, w stalach.
Stopy miedzi z cynkiem
Mosiądzami nazywane są stopy miedzi z cynkiem jako głównym składnikiem. Mosiądzami
zwykłymi nazywa się stopy zawierające tylko miedź i do 45% cynku. JeŜeli mosiądze
zawierają oprócz miedzi i cynku inne dodatki stopowe, wówczas nazywane są mosiądzami
wieloskładnikowymi.
Rys. 1. Fragment układu równowagi Cu–Zn
Układ równowagi Cu–Zn (rys. 1) składa się z pięciu przemian perytektycznych zachodzących
w temperaturach 903, 835, 700, 594 i 424°C, jednej przemiany eutektoidalnej w 585°C oraz
przemiany nieporządek → porządek w temperaturach 454 ÷ 468°C.
Na podwójnym układzie Cu–Zn występuje sześć róŜnych faz, z których praktyczne znaczenie mają
dwie:
α – roztwór stały cynku w miedzi o sieci
A
1
i wzrastającym parametrze sieci wraz ze
wzrostem zawartości cynku;
β – roztwór stały na bazie fazy międzymetalicznej Cu–Zn.
Praktyczne zastosowanie znalazły stopy, które przy temperaturze otoczenia mają strukturę
roztworu stałego α + β. PowyŜej 45% Zn mosiądze stają się kruche i nie nadają się zarówno
do przeróbki plastycznej, jak i na odlewy.
Z uwagi na budowę strukturalną mosiądze zwykłe dzieli się za trzy grupy:
a)
mosiądze jednofazowe α w całym zakresie temperatur, zawierające do 32% Zn;
b)
mosiądze przejściowe zawierające 32 ÷ 39% Zn;
c)
mosiądze dwufazowe α + β, zawierające 39 ÷ 45% Zn.
Mosi
ą
dze
α, bardzo podatne do przeróbki plastycznej na zimno, są mniej plastyczne przy
temperaturach 300 ÷ 700°C. MoŜna je utwardzać zgniotem
i zmiękczać przez wyŜarzanie.
W stanie odlanym mosiądze α wykazują strukturę dendrytyczną (rys. 2),
a w stanie wyŜarzonym komórkową. Gdy wyŜarzanie nastąpiło po przeróbce plastycznej, w
ziarnach występują bliźniaki rekrystalizacji (rys. 3). Wzrost zawartości cynku w mosiądzach
α powoduje wzrost parametru sieci, podwyŜszenie wytrzymałości i plastyczności.
Rys. 2. Mosiądz α po odlaniu; pow. 100×
Rys. 3. Mosiądz α po wyŜarzaniu i przeróbce plastycznej; pow. 100×
Najlepsze właściwości plastyczne wykazuje mosiądz o zawartości około 30% Zn (mosiądz
łuskowy), stosowany do głębokiego tłoczenia. Tłoczność jest tym lepsza, im bardziej
drobnoziarnista struktura, przy czym im cieńsza ma być np. blacha, tym drobniejsze powinno
być ziarno. Do tej grupy zalicza się mosiądze: M90 (CuZn10), M85 (CuZn15), M80
(CuZn20), M70 (CuZn30), M68 (CuZn32). Liczby przy symbolu M (wg PN – mosiądz),
oznaczają średnią zawartość miedzi w procentach. Mosiądze te stosowane są w przemyśle
motoryzacyjnym, okrętowym, maszynowym oraz do wyrobu ozdób.
Mosi
ą
dze przej
ś
ciowe
w zaleŜności od obróbki cieplnej mogą mieć budowę jednofazową α
lub dwufazową α + β.
JeŜeli mosiądze tej grupy wyŜarzy się w temperaturze wyŜszej od granicznej rozpuszczalności
Zn w α (rys. 1) i gwałtownie ochłodzi, to uzyskuje się albo samą fazę β (przechłodzoną) lub
mieszaninę α + β. Pojawienie się fazy β w strukturze powoduje wyraźny wzrost właściwości
wytrzymałościowych mosiądzów. Faza β w temperaturze pokojowej posiada wyŜsze
właściwości wytrzymałościowe niŜ faza α, co jest związane z inną budową krystaliczną.
Do grupy mosiądzów przejściowych zaliczyć moŜna mosiądze M63 (CuZn37) i M62
(CuZn38), które mają dobre właściwości plastyczne na zimno
i na gorąco. Stosuje się je między innymi na odkuwki, druty i do głębokiego tłoczenia.
Mosi
ą
dze dwufazowe
α
+
β są przy temperaturze pokojowej mniej plastyczne ze względu na
występowanie mało plastycznej fazy β΄. Pojawienie się w stopie stosunkowo twardej w
temperaturze otoczenia fazy β΄ powoduje zwiększenie twardości HB, wytrzymałości na
rozciąganie
R
m
i jednoczesne pogorszenie plastyczności. Plastyczność tej fazy zmienia się
jednak wraz ze zmianą temperatury i przy temperaturach powyŜej 500°C jest ona juŜ bardziej
plastyczna od fazy α. Dlatego do przeróbki plastycznej na gorąco najbardziej przydatne są
mosiądze z zawartością cynku powyŜej 32,5%, tak aby przy temperaturze przeróbki
plastycznej ich struktura składała się z faz α + β lub β.
Mosiądze α + β moŜna obrabiać cieplnie, podobnie jak mosiądze przejściowe, jednak z
mniejszym efektem.
Mosiądze są podatne na korozję elektrochemiczną (szczególnie stopy dwufazowe α + β).
Korozja ta powoduje tzw. odcynkowanie stopu, tj. wytrącanie miedzi na powierzchni wyrobu
w postaci gąbczastej powłoki. Odcynkowaniu ulegają mosiądze szczególnie w ośrodkach
utleniających.
Mosiądze α w stanie umocnionym są wraŜliwe na korozję napręŜeniową, zwaną sezonowym
pękaniem, a szczególnie intensywnie w środowisku zawierającym amoniak nawet w
śladowych ilościach. Zabezpieczenie przed sezonowym pękaniem uzyskuje się wykonując
dokładne odpręŜenie wyrobów w temperaturze 250°C, w czasie 4 ÷ 5 godzin.
Większość mosiądzów ulega tym samym czynnikom korodującym co czysta miedź. Zgodnie
z PN/H-87025 wszystkie stopy (mosiądze) dwuskładnikowe przeznaczone są do przeróbki
plastycznej na zimno lub gorąco. Odlewy wykonuje się z mosiądzów specjalnych
(wieloskładnikowych). Z mosiądzów dwufazowych charakterystyczny jest mosiądz M60
(CuZn40).
Do podstawowych właściwości technologicznych mosiądzów naleŜą: ich zdolność do
przeróbki plastycznej oraz względnie dobre parametry odlewnicze, dlatego pod względem
technologicznym stopy miedzi z cynkiem dzieli się na mosiądze: do przeróbki plastycznej i
odlewnicze.
Mosi
ą
dze do przeróbki plastycznej
Ogólnie, ze względu na przeróbkę plastyczną mosiądze moŜna, w zaleŜności od zawartości cynku,
podzielić na zawierające:
do 30% Zn – do przeróbki plastycznej na zimno;
35 ÷ 40% Zn – do przeróbki plastycznej na zimno i gorąco;
41 ÷ 45% Zn – do przeróbki plastycznej na gorąco.
Zastosowanie
wymienionej
grupy
stopów,
uzaleŜnione
od
zawartości
Zn,
a tym samym właściwości mechanicznych, jest następujące:
4% Zn
– rurki chłodnicowe, rurki włoskowate, łuski amunicji małokalibrowej;
7% Zn
– rurki do chłodnic samochodowych;
10% Zn
– blachy do platerowania;
15 ÷ 20% Zn – wyroby artystyczne, węŜownice, membrany manometrów, siatki;
30 ÷ 32% Zn – blachy do głębokiego tłoczenia, łuski pocisków, rury skraplaczy pary;
40% Zn – elementy kute i prasowane na gorąco, śruby z wygniatanym gwintem.
W zaleŜności od wymaganych właściwości mechanicznych, rodzaju przeróbki plastycznej,
wyŜarzania rekrystalizacyjnego i stopnia umocnienia – Polska Norma ujmuje dostawę
półwyrobów mosięŜnych w stanie spręŜystym, twardym, półtwardym i wyŜarzonym (tabela
1).
Tabela 1
Charakterystyka stanów mosiądzu CuZn37 i brązu CuSn7
Stan stopu
Wytrzymałość na rozciąganie
R
m
[MPa]
WydłuŜenie
A
[%]
CuZn37
CuSn7
CuZn37
CuSn7
WyŜarzony
285
393
45
70
Półtwardy
342

25

Twardy
393
785
15
7
SpręŜysty
500
883
5
3
Mosi
ą
dze odlewnicze
Mosiądze odlewnicze, obok miedzi i cynku zawierają dodatki Pb, Mn, Fe, Ni – polepszające
właściwości wytrzymałościowe i odporność na korozję. Mosiądze takie nazywa się równieŜ
mosiądzami specjalnymi lub stopowymi.
Właściwości odlewnicze mosiądzów z powodu bliskiego połoŜenia linii solidusu i likwidusu
są dobre. Właściwość tę polepsza jeszcze dodatek Pb. Lejność mosiądzów rośnie wraz z
zawartością cynku aŜ do około 38% Zn, skurcz odlewniczy maleje stopniowo ze wzrostem
zawartości Zn. Mosiądze te nadają się na odlewy cienkościenne oraz odlewy pod ciśnieniem
w formach piaskowych i kokilowych na części maszyn naraŜone na działanie środowiska
korozyjnego, odpornych na ścieranie, armaturę.
Właściwości mechaniczne i przykłady zastosowania poszczególnych gatunków mosiądzów
odlewniczych oraz do przeróbki plastycznej przedstawiono w tabeli 2.
Tabela 2
Właściwości i zastosowanie wybranych mosiądzów
Gatunek
Właściwości mechaniczne
Przykłady zastosowań
R
m
[MPa]
A
[%]
HB
cecha
znak
MO59
CuZn39Pb2
247
20
100
armatura, obudowy części maszyn
MK80
CuZn16Si4
292
15
110
armatura, osprzęt, części maszyn
M85
CuZn15
256
43
55
membrany, wyroby artystyczne
M63
CuZn37
354
49
56
nity, rury do skraplaczy
Mn65
CuZn39Ni6
292
40
rurki do manometrów, membrany
Wpływ cyny na struktur
ę
, wła
ś
ciwo
ś
ci i zastosowanie br
ą
zów cynowych
Brązami nazywa się stopy miedzi z cyną oraz podwójne stopy miedzi z takimi pierwiastkami,
jak: Al, Pb, Si, Mn, Be.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]