MIEDŹ I JEJ STOPY

1. Miedź:

Miedź - metal o charakterystycznej różowozłocistej barwie, bardzo miękka, o niskiej wytrzymałości na rozciąganie i bardzo dobrych własnościach plastycznych.

Występuje w przyrodzie w postaci rodzimej ora w rudach siarczkowych (np. chalkopiryt CuFeS₂) lub rudach tlenkowych np. Cu₂O.

Własności miedzi w stanie wyżarzonym:

wytrzymałość na rozciąganie R_m = 220÷240 N/m²

granica plastyczności R_e = 25÷50 N/m²

wydłużenie A₁₀ = 40÷60%

przewężenie Z = 60÷90%

twardość 33HB.

Miedź można umocnić tylko na drodze przeróbki plastycznej. Wzrost zgniotu powoduje podwyższenie własności wytrzymałościowych przy równoczesnym obniżeniu własności plastycznych. Charakteryzuje ją wysoka odporność na korozję. W wilgotnym powietrzu pokrywa się warstewką zasadowego węglanu miedzi (patyną). Chroni ją przed dalszą korozją pod warunkiem. że w atmosferze nie ma dwutlenku siarki, który powoduje powstanie zasadowego siarczanu miedzi. Miedź ma bardzo duże przewodnictwo cieplne (411 W/mK), dlatego jest stosowana w energetyce i przemyśle chemicznym na wymienniki ciepła, chłodnice i przewody elektryczne. Przewodność elektryczne miedzi zmniejsza się znacznie przy niewielkiej nawet ilości domieszek, głównie P, Fe, Co, Si. Z tego powodu blachy, pręty, szyny i druty stosowane w elektrotechnice wykonuje się z miedzi rafinowanej elektrolitycznie. Miedź jest szeroko stosowana w postaci różnych stopów, które są po stalach najbardziej rozpowszechnionymi stopami technicznymi.

Zaliczamy tutaj:

• mosiądze, których głównym składnikiem stopowym jest cynk

• brązy, w których głównym składnikiem stopowym jest cyna, aluminium, krzem, mangan, ołów lub beryl.

2. Mosiądze

Należą do najbardziej rozpowszechnionych stopów miedzi z następujących powodów:

• dobrych własności technologicznych (np. dobre własności odlewnicze, duża plastyczność),

• niskiej ceny (główny składnik stopowy jest bardzo tani),

• dobrych własności użytkowych,

Ze względu na technologię przeróbki dzielimy mosiądze na:

1. przerabialne plastycznie:

• do przeróbki plastycznej na zimno, mające strukturę roztworu stałego α

• do przeróbki plastycznej na gorąco poprzez zawartość fazy β powodującej zmniejszenie plastyczności

2. mosiądze odlewnicze

Zawierają dodatkowo dodatki stopowe jak ołów i krzem które polepszają lejność oraz aluminium, mangan i żelazo podwyższające własności mechaniczne. Cechuje je dobra odporność na korozję (zwiększona dzięki cynie) i ścieranie. Są stosowane na części pracujące w temperaturze nie przekraczającej 200^oC.

Zastosowanie mosiądzów:

• w postaci odlewów: do wyrobu armatury wodociągowej i osprzętu odpornego na wodę morską, na mniejsze śruby okrętowe, tulejki, koła zębate, części okuć budowlanych, części maszyn,

• w postaci wyrobów obrobionych plastycznie: pręty, druty, blachy, taśmy, rury, odkuwki, w przemyśle samochodowym, maszynowym, elektro i radiotechnicznym, okrętowym, precyzyjnym, chemicznym, instrumentów muzycznych.

Zawartość cynku ma duży wpływ na własności mechaniczne mosiądzu. W miarę zwiększania się zawartości cynku wzrasta jego wytrzymałość i wydłużenie, aż do zawartości około 32% tego pierwiastka.

Ważną cechą jest ich odporność na korozję atmosferyczną i w wodzie morskiej, która zwiększa się wraz z zawartością Cu. Najczęściej spotykanymi rodzajami korozji mosiądzów jest odcynkowanie oraz korozja naprężeniowa (pękanie sezonowe mosiądzów). Odcynkowanie zachodzi wówczas, gdy elementy mosiężne znajdują się w obecności elektrolitów zawierających jony chloru. Najniebezpieczniejsze jest to, że przebieg korozji nie uwidacznia się na zewnątrz, aż do momentu zniszczenia elementu. Pękanie sezonowe jest międzykrystaliczną korozją naprężeniową spowodowaną wewnętrznymi naprężeniami rozciągającymi.

Własności mosiądzów dwuskładnikowych można polepszyć poprzez wprowadzanie dalszych składników stopowych takich jak: mangan, żelazo, aluminium, nikiel, cyna. Al, Si, Ni i Fe podwyższają własności mechaniczne, cyna zwiększa odporność na korozję w wodzie morskiej, ołów polepsza obrabialność.

Oddzielna grupę stanowią mosiądze wysokoniklowe zwane powszechnie „nowymi srebrami”. Zawierają one oprócz cynku nikiel, dzięki któremu posiadają charakterystyczne srebrzyste zabarwienie, są bardzo plastyczne, mają małe przewodnictwo cieplne, dużą oporność elektryczną i dużą odporność na działanie atmosfery. Mają zastosowanie w przemyśle elektrotechnicznym, w urządzeniach sanitarnych, w architekturze i na nakrycia stołowe.

3. Brązy cynowe

Najstarsze stopy metali w historii. Oprócz głównych składników tj. miedzi i cyny mogą zawierać cynk, ołów, fosfor i nikiel. Zawartość cyny w technicznie stosowanych brązach wynosi około 16÷20%. Z powodu dużych cen są zastępowane przez tańsze brązy aluminiowe i krzemowe. Stosowane w technice brązy można podobnie jak mosiądze podzielić na:

• brązy przerabialne plastycznie, o zawartości cyny 7÷8%. Maja dobre własności plastyczne i dobre wytrzymałościowe (R_m = 400÷500 N/mm², A₁₀ = 55÷65%. Brązy tej grupy mają również dobrą odporność na korozję.

• brązy odlewnicze, o zawartości cyny 10÷12%. Są bardzo dobrym materiałem odlewniczym, ich skurcz wynosi poniżej 1%. Charakteryzują się dość dobrą wytrzymałością i twardością a równocześnie nie są zbyt kruche. Ze względu na zastosowanie można je podzielić na:

• brązy maszynowe, posiadające dobre własności wytrzymałościowe, wyższą granicę plastyczności oraz udarność,

• armaturowe na armaturę wodną, parową i na części pomp pracujące w niezbyt agresywnych chemicznie środowiskach. Zawierają dodatki cynku i ołowiu zapewniające dobrą lejność i zapobiegają mikroporowatości. W porównaniu z brązami maszynowymi charakteryzują się mniejszymi własnościami wytrzymałościowymi i odpornością na uderzenia,

• brązy łożyskowe stosowane na łożyska ślizgowe. Ze względu na swoją budowę posiadają bardzo dobre własności przeciwcierne. Wystające z osnowy twarde krzyształki przyjmują naciski wału, a miękka osnowa przenosi je na całe łożysko (brąz CuSn10P z którego buduje się łożyska maszyn i silników o bardzo dużych obciążeniach dynamicznych) . W celu polepszenia własności przeciwciernych dodatkowo wprowadza się ołów, który obniża jednak własności wytrzymałościowe.

W celu obniżenia kosztów można dodawać do brązów cynowych 5÷10% cynku. Brązy o zawartości cyny powyżej 16% są rzadko stosowane z powodu kruchości. Jedynie brąz tzw. dzwonowy zawiera 16÷22% cyny

4. Brązy aluminiowe

Są to stopy miedzi i aluminium. Są tańsze od brązów cynowych i mają po brązach berylowych najlepsze własności wytrzymałościowe spośród stopów miedzi oraz dużą odporność na korozję. Zachowują swoje własności przy podwyższonych i obniżonych temperaturach oraz są lekkie. Nadają się na odlewy i na materiał przerabiany plastycznie. Ich własności zależą od zawartości aluminium, którego wzrost powyżej 9% powoduje gwałtowne obniżenie własności plastycznych i udarności.

Swoją szczególnie dużą odporność na korozję zawdzięczają tworzącej się na ich powierzchni warstewki tlenku aluminium. Brązy aluminiowe odlewnicze sprawiają jednak duże trudności przy topnieniu i odlewaniu, są gęstopłynne i mają duży skurcz odlewniczy (2%).

5. Brązy krzemowe

Są stosowane jako zamienniki brązów cynowych z powodu lepszych własności mechanicznych i niższej ceny oraz większej odporności na korozję. Równocześnie krzem obniża własności plastyczne i dlatego zawierają maksymalnie 5% krzemu. Mogą zawierać dodatkowo mangan oraz nikiel podwyższające własności wytrzymałościowe, odporność na ścieranie, korozję oraz wytrzymałość przy podwyższonych temperaturach. Są stosowane jako odlewy lub brązy przerobione plastycznie. Z brązów do przeróbka plastycznej należy wymienić CuSi3Mn1 charakteryzujący się szczególnie dobrymi własnościami wytrzymałościowymi, dobrą obrabialnością i odpornością na korozję oraz wytrzymałością zmęczeniową, lepszą niż mosiądze i brązy cynowe. Ma zastosowanie min. w przemyśle materiałów wybuchowych, gdyż nie iskrzy nawet przy silnych uderzeniach. Z krzemowych brązów odlewniczych, zastępujących brązy cynowe w produkcji części maszyn można wymienić CuSiZn3Mn1 o dobrej lejności i odporności na ścieranie.

6. Brązy berylowe

Stop miedzi z berylem o zawartości berylu 2,0÷2,5%. Jest to drogi i bardzo rzadki składnik dlatego w celu jego ograniczenia można stosować dodatkowo nikiel i kobalt. Stopy te są brązami o najwyższych własnościach mechanicznych, odporności na korozję i ścieranie. Charakteryzuje je duża przewodność cieplna i elektryczna, brak skłonności do iskrzenia oraz dobra podatność na obróbkę plastyczną na zimno i gorąco. Obróbka cieplna polega na przesycaniu i starzeniu. Ich zalety powodują, że są stosowane na odpowiedzialne sprężyny, membrany, kontakty sprężynowe oraz wykonuje się z nich narzędzia do pracy w warunkach, w których nie może powstać iskra.

7. Inne stopy miedzi

Brązy manganowe o zawartości manganu 5÷6% przerabialne plastycznie na zimno lub 12÷15% przerabialne plastycznie na gorąco. Dodatek manganu obniża znacznie przewodność elektryczną. Odznaczają się odpornością na korozję w widzie morskiej i odpornością na utlenianie w wysokich temperaturach.

Brązy kadmowe charakteryzujące się dobrymi własnościami mechanicznymi do 400°C, odpornością na ścieranie i korozję i dobrym przewodnictwem elektrycznym. Wykonuje się elektrycznych nich przewody elektryczne oraz styki i kontakty maszyn elektrycznych.

Brązy ołowiowe o zawartości ołowiu do 40%, cyny do 11%, niklu 4%, cynku 3%. Znajdują zastosowanie jako materiał na łożyska.

Miedzionikle, gdzie zawartość niklu może dochodzić do 40%. Charakteryzują się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi, odpornością na korozję oraz dużą plastycznością. Można tutaj wymienić Konstanta stosowany na elementy oporowe oraz bardzo plastyczną nikieline o dużej odporności na korozję stosowaną na wyroby tłoczone i ciągnione.

1

1

Materiałoznawstwo - stopy metali nieżelaznych - Miedź

Jan Wrona

---