Stopy Zn, Chemia, technologia chemiczna, metaloznawstwo

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA
INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ
ZAKŁAD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA
PRZEDMIOT: PODSTAWY NAUKI O MATERIAŁACH II (Tworzywa Meta-
liczne)
Temat ćwiczenia:
STRUKTURY STOPÓW CYNKU, CYNY I OŁOWIU
1.
Celem ćwiczenia
jest zapoznanie się z podziałem i ogólną charakterystyka stopów cynku, cyny
i ołowiu oraz nabycie umiejętności identyfikacji tych stopów na podstawie obserwacji mikro-
skopowej ich struktur.
2.
Wiadomości ogólne.
Cynk jest metalem o gęstości 7,1g/cm
3
, krystalizującym w sieci A3 o parametrach a =
0,26649 nm i c = 0,49468. Temperatura topnienia cynku wynosi 419,5°C, a wrzenia 906°C. W
temperaturze 150 ÷ 200°C Zn charakteryzuje się dobrą podatnością na odkształcenia plastyczne.
Jego dobra odporność korozyjna sprawia, że jest stosowany do zabezpieczania stali przed korozją.
Cynk jest objęty normą PN–93/H–82200. W zależności od sposobu wytwarzania – jako rek-
tyfikowany, elektrolityczny, rafinowany, hutniczy lub wtórny – w różnym stopniu jest zanieczysz-
czony domieszkami, do których należą Pb, Cd, Fe, Cu, As, Sb i głównie Sn, sprzyjająca pęknięciom
n a gorąco w czasie obróbki plastycznej oraz korozji międzykrystalicznej. Wytrzymałość na rozcią-
ganie Zn wynosi ok. 100 ÷ 140 MPa przy twardości ok. 35HB, a wydłużenie A
10
=55%.
Cynk jest stosowany na powłoki ochronne, płyty poligraficzne oraz do produkcji ogniw i ba-
terii elektrycznych[1].
2.1.
Stopy cynku z aluminium.
Techniczne zastosowanie znalazły stopy Zn o zawartości aluminium 3 ÷ 30%, zwane
zna-
lami
.
Znale wieloskładnikowe zawierają ponadto do 5% Cu. Znale wykazują strukturę mieszaniny
eutektoidalnej roztworów Al w Zn oraz Zn w Al (rys. 1). Przemiana eutektoidalna wywołuje skurcz
stopu. Zmiany wymiarowe również powoduje starzenie stopu w temperaturze pokojowej, przebie-
gające nawet przez kilka lat. Tym niekorzystnym przemianom przeciwdziała dodatek do ok. 0,1%
Mg, polepszający również odporność znali na korozję międzykrystaliczną.
Wieloskładnikowe znale z dodatkiem Cu ulegają starzeniu, które nie powoduje istotnego
zwiększenia właściwości wytrzymałościow
ności na korozję. Z tego względu stopy te
powinny być starzone w temperaturze ok.
95°C.
ych, wywołuje zmiany wymiarowe i pogorszenie odpor-
Stopy o dużą z
awartością Al są
ane jako odlewnicze, głównie na
odlewy ciśnieniowe korpusów, obudów i
pokryw różnych urządzeń w przemyśle
motoryzacyjnym, precyzyjnym i elektro-
technicznym. Wykonuje się z nich. np.
elementy gaźników, maszyn do pisania i
liczników, a także łożyska ślizgowe oraz
tuleje.
Znale o małej zawartości Zn są ob-
plastycznie na gorąco w 200 ÷
300°C lub powyżej 300°C w przypadku
stopów wieloskładnikowych. Stosuje się je
Rys. 1 Układ Al-Zn.
Struktury stopów cynku, cyny i ołowiu
1
stosow
rabiane
na elementy osprzętu motoryzacyjnego i elektrotechnicznego oraz elementy zamków błyskawicz-
nych. W stanie obrobionym plastycznie właściwości znali są zbliżone do właściwości mosiądzów i
dlatego często je zastępują.
Stopy cynku do obróbki plastycznej ujęte są w normie PN–80/H–87101, a odlewnicze w
normie PN–80/H–87102.
2.2.
Cyna i ołów oraz ich stopy
.
Cyna występuje w dwóch odmianach alotropowych. Odmiana α (szara) o sieci regularnej
występuje poniżej temperatury 13,2°C. Odmiana β (biała) o sieci tetragonalnej jest trwała powyżej
tej temperatury. Ochłodzenie cyny poniżej 13,2°C, a w praktyce poniżej ok. –20°C, powoduje nie-
odwracalną przemianę β→α, związaną ze znacznym zwiększeniem objętości i naprężeń własnych,
a w konsekwencji z rozpadem cyny na szary proszek. Dodatki co najmniej 0,5% Pb zapobiega temu
zjawisku.
Temperatura topnienia cyny wynosi 232°C, a wrzenia 2270°C. Gęstość Sn wynosi
7,29g/cm
3
. Własności mechaniczne cyny są bardzo niskie: R
m
= 20 ÷ 30MPa , A
10
= 40%,
a twardość 5 ÷ 6 HB. Cyny nie można umacniać zgniotowo, gdyż temperatura rekrystalizacji jest
poniżej 0°C.
Cyna wykazuje dobrą odporność na korozję, szczególnie zaś w środowisku kwasu octowe-
go, tlenu, acetylenu, amoniaku, środków spożywczych oraz wody morskiej. Przez galwaniczne na-
noszenie powłok cynowaniu poddaje się blachy stalowe, a także przewody elektryczne w izolacji
gumowej.
Ołów nie wykazujący odmian alotropowych, krystalizuje w sieci regularnej ściennie cen-
trowanej typu A1. Jego gęstość wynosi 11,3g/cm
3
. Właściwości wytrzymałościowe są podobnie jak
cyny bardzo niskie: R
m
= 20MPa, a twardość ok. 3HB. Za to Pb ma bardzo duże własności pla-
styczne, w tym wydłużenie A ok. 70% oraz przewężenie Z ok. 100%. Wykazuje dużą podatność na
pełzanie nawet w temperaturze pokojowej. Cechuje się ponadto dobrą odpornością na korozję w
środowisku kwasu siarkowego, rozcieńczonego kwasu solnego oraz rozcieńczonych alkaliów, np.
KOH lub NaOH.
Ołów jest stosowany na płyty akumulatorowe, osłony kabli oraz w rentgenologii i radiologii
na osłony przeciwradiacyjne.
Stopy Pb z Sb (ołów twardy)
W celu polepszenia twardości i odporności na ścieranie do Pb dodaje się 1 ÷ 20% Sb,
a także niewielką ilość Sn, As, Cd lub Te. Twardość takich stopów, zwanych ołowiami twardymi,
wzrasta do ok. 17 HB. Podobnie jak ołów, stopy te są stosowane na powłoki kabli, podkładki,
uszczelki, do produkcji akumulatorów, elementów aparatury chemicznej, anod oraz galwanizacji.
Stop PbSb3As jest stosowany do produkcji śrutu.
Stopy cyny do obróbki plastycznej i odlewnicze
Stopy cyny z niewielkim dodatkiem antymonu (ok. 2,5%) są przeznaczone do obróbki pla-
stycznej. Stosuje się Stosuje się je do wytwarzania folii na otuliny i platerowania folii ołowianej.
Stopy zawierające 12–15% Sb i ok. 5% Cu, a także do 10% Pb są stosowane na odlewy ciśnieniowe
i części aparatury pomiarowej.
Stopy łożyskowe cyny i ołowiu.
Do najpowszechniejszych stosowanych stopów cyny i ołowiu należą stopy łożyskowe, sto-
sowane do wylewania panewek łożysk ślizgowych w samochodach, wagonach i różnych maszy-
nach. Stopy te mają miękką i plastyczną osnowę z cząstkami nośnymi z twardych faz międzymeta-
licznych zapewniającymi dużą odporność na ścieranie.
Najkorzystniejsze właściwości wykazują stopy na osnowie cyny, zawierające 7 ÷ 13% Sb i
2,5 ÷ 6,5 Cu, zwane
babbitami cynowymi
. Ich osnowę stanowi roztwór stały bogaty w cynę o ni-
skiej twardości, z wydzieleniami faz twardych SnSb w kształcie sześcianów oraz Cu
6
Sn
5
w kształ-
cie igieł. Babbity cynowe mogą przenosić naciski powierzchniowe ok. 1kN/cm
2
przy prędkości
obwodowej ok. 5m/s.
Ze względu na oszczędności Sn przy naciskach większych niż 1kN/cm
2
i prędkości obwo-
dowej mniejszej od 1,5m/s są stosowane
babbity ołowiowe
z dodatkiem Sn, a także Sb i Cu. Stopy
Struktury stopów cynku, cyny i ołowiu
2
 te zawierają od 5 ÷ 17% Sn, 5,5 ÷ 17% Sb, do 2% Cu, do 1% As i resztę ołów. Eutektyka wielo-
składnikowa bogata w ołów stanowi plastyczną osnowę babbitów ołowiowych, a twarde wydziele-
nia faz Sn
3
Sb
2
i Cu
2
Sb decydują o odporności tych stopów na ścieranie. Babbity ołowiowe cechują
się wysoką wytrzymałością i dobrą odpornością na korozję. Są stosowane do wylewania panewek
samochodowych, pomp i sprężarek.
Stopy drukarskie.
Stopy ołowiu zawierające 12 ÷ 26% Sb i ok. 5 ÷ 7% Sn, w niektórych przypadkach 2% Sn
lub bezcynowe, są stosowane w poligrafii na czcionki lub do odlewania składu metodą linotypową,
monotypową i stereotypową. Stopy drukarskie o dużej zawartości Sb maja osnowę trójskładnikowej
eutektyki z wydzieleniami kryształów pierwotnych roztworu Sb i Sn w Pb i faz międzymetalicz-
nych.
Stopy niskotopliwe.
Wieloskładnikowe stopy Pb, Sn lub Bi, zawierające zwykle ponadto dodatki Cd, Sb lub Cu,
maja niską temperaturę topnienia: 70 ÷ 400°C. Są stosowne na czujniki i automaty przeciwpożaro-
we, na odlewy precyzyjne, sprzęt medyczny, panewki łożysk oraz w przemyśle elektrotechnicznym.
Spoiwa cynowo – ołowiowe.
Spoiwa (lutowia) cynowo – ołowiowe są stopami ołowiu z cyną i antymonem, stosowanym
do łączenia elementów z różnych metali i stopów. Spoiwa te zapewniają dobre zwilżanie po-
wierzchni oraz mają wąski zakres temperatur topnienia.
Spoiwa cynowo – ołowiowe określone w normie PN–76/M–69400 należą do lutowi mięk-
kich, ich temperatura topnienia mieści się w zakresie od 180°C do 300°C.
Wytrzymałość uzyskiwanych złączy na rozciąganie R
m
wynosi ok. 50 ÷ 70MPa, a wy-
trzymałość na ścinanie R
t
maksymalnie osiąga ok. 22MPa.
Spoiwa oparte na miedzi, mosiądzach, brązach lub niklu (PN–70/M–69413), wykazują wyż-
szą temperaturę topnienia i wyższą wytrzymałość.
3.
Wykonanie ćwiczenia.
Ćwiczenie obejmuje identyfikację, narysowanie i opisanie mikrostruktury wytrawionych pró-
bek. Na rysunkach mikrostruktur należy zaznaczać składniki strukturalne.
4.
Pytania kontrolne.

Jakie są właściwości i zastosowanie cynku?

Jakie są stopy cynku?

Co to są znale?

Jakie są właściwości i zastosowania cyny?

Jakie są właściwości i zastosowania ołowiu?

Co to są lutowia miękkie; ich rodzaje i własności?

Co to są stopy drukarskie?

Co to są stopy łożyskowe?

Jakie są rodzaje stopów łożyskowych?

Właściwości stopów łożyskowych.
Literatura:
1.
Dobrzański L.;
Metaloznawstwo z podstawami nauk o materiałach.
WNT 1996 Warszawa.
2.
Górny Z.,
Odlewnicze stopy metali nieżelaznych,
WNT 1992 Warszawa.
3.
Przybyłowicz K.;
Metaloznawstwo.
WNT, Warszawa 1999.
4.
Waldorff Z.:
Metaloznawstwo.
WNT Warszawa 1971.
5.
Szummer A., Ciszewski A., Radomski T.;
Badania własności mikrostruktury materiałów.
Ćwiczenia laboratoryjne.
Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2000.
6.
Łatkowski A., Jarominem J., Mikułowski B.;
Ćwiczenia laboratoryjne z metaloznawstwa me-
tali nieżelaznych,
Wydawnictwo AGH, Kraków 1991.
Struktury stopów cynku, cyny i ołowiu
3
ZAŁĄCZNIK
Przykładowe struktury stopów Zn, Sn, i Pb
Rys. 1. stop ZnAl4, dendryty roztworu stałego η i eutektyka (η+α). Pow. 500x.
Rys. 2. Stop ZnAl4, dendryty roztworu stałego η i eutektyka (η+α). Pow. 1000x.
Rys. 3. Stop ZnAl4Cu3 (pow. 1000x), dendryty roztworu stałego η z drobnymi
wtórnymi wydzieleniami fazy α i ε, eutektyka (η+α).
Struktury stopów cynku, cyny i ołowiu
4
 Rys. 4. Stop ZnAl8Cu2 (pow. 100x); eutektyka (η+α), dendryty fazy α i pojedyncze krystality fazy η.
Rys. 5. Stop ZnAl10Cu5 (pow. 500x); eutektyka (α+ε) i (η+α), dendryty roztworu stałego α z
wydzieleniami faz η i ε.
Rys. 6. Stop ZnAl28Cu4 (pow. 500x), roztwór stały α z wtórnymi wydzieleniami fazy η
i ε; eutektyka (α+ε) i (α+ε+η), kryształy fazy T.
Struktury stopów cynku, cyny i ołowiu
5
  [ Pobierz całość w formacie PDF ]