STOPY ALUMINIUM

2.1. Właœciwoœci aluminium

Aluminium jest jednym z najczęœciej używanych metali w różnych dziedzi-

nach techniki, zarówno w postaci czystego metalu (tab. 1), jak i wielu stopów.

Jest jednym z najczęœciej występujšcych w skorupie ziemskiej pierwiastków

(8,13%) po tlenie i krzemie.

Aluminium krystalizuje w układzie regulamym 0 sieci przestrzennie cen-

trowanej (Al) i parametrze sieci a = 0,40493 nm. Istotny wph."l na właœciwoœci

flzyCZne aluminium ~ywierajš zAnieczyszczenia. Zw~ększen~e zAwartoœc~ zanie-

czyszczeń powoduje:

. wzrost gęstoœc~ (w temperaturze 20°C gęstoœć stopu AI 99,996 wynosi

2,6989 glcm3, natomiast stopu Al 99,9998 - 2,6980 glcm3),

. obniżen~e temperatury topnien~a i wrzenia,

. zmn~ejszen~e przewodnoœc~ c~eplnej (rys. 1 a),

. zmn~ejszen~e przewodnoœci elektrycznej (rys. 1 b).

Alumin~um charakteryzuje dobra lejnoœć i podatnoœć na przeróbkę pla-

stycznš na zimno ~ na goršco oraz dobra spawalnoœć. W stanie wyżarzo-

nym alumin~um 1a następujšce właœc~woœci mechan~czne: Rn, = 60-100 MPa,

Ro.2 = 20-30 MPa, twardoœć 15-20 HB, As = 30-50%, 2 = 80-95%.

Aluminium jest bardzo odpome na korozję atmosferycznš w wyniku two-

rzenia się na powierzchni cienkiej i œciœle przylegajšcej warstwy tlenku A12O3.

Nie koroduje również pod działaniem wodoru, chloru, bromu, jodu i fluoru oraz

większoœci ich zwišzków.

2.2. Podział stopów aluminium

Stopy aluminium dzielš s~ę ze względu na:

1. skład chemiczny.

. dwuskładnikowe,

. wieloskładnikowe,

2. technologię przetwarzania (rys. 3):

. odlewnicze,

. do przeróbki plastycznej,

. stopy typu SAP j SAS otrzymywane metodarni metalurgii proszków.

Właœciwoœc~ mechan~czne alum~n~um istotnie zależš 0d czystoœci, w~elko-

ŒC~ odkształcenia i temperatury wyżarzania (rys. 2).

Zwiększenie właœciwoœci mechanicznych aluminium można uzyskać przez

napromieniowanie szybkimi neutronami (Rn, wzrasta 0 ~9O%, Ro.2 0 ~ 150%)

przy jednoczesnym pogorszeniu właœcjwoœci plastycznych ok. 45%.

Do zanieczyszczeń wpływajšcych na właœciwoœci fizyczne i mechaniczne

aluminium należš przede wszystkim:

. żelazo: nie rozpuszcza się w aluminium, tworzšc kruchš fazę A13Fe

(tworzy eutektykę A13Fe + Al, w której aluminium ulega koalescencji),

. krzem: nie rozpuszcza się w aluminium i nie tworzy z nim zwi~ów,

występuje w nim w postaci wolnej; wraz z żelazem może tworzyć fa-

zy międzymetaliczne ~ (AlSiFe) i ~ (AlSiFe) wydzielajšce się na gra-

nicach ziam i silnie zmniejszajšce plastycznoœć oraz odpomoœć na ko-

rozję.

2.2.1. Odlewnicze stopy aluminium

Do tej grupy stopów stosowanych w Polsce zalicza się stopy aluminium

z krzemem, miedziš i magnezem (tab. 2). Odlewy z tych stopów otrzymuje się

przez odlewanie do form piaskowych lub kokil oraz wtryskiwanie pod ciœnie-

niem.wych, gdyż efekty poprawy właœciwoœci mechanicwych sš niewielkie. Umanianie wydzieleniowe wykonuje się dla siluminów wieloskładnikowych

Silurniny podeutektycwe i eutektycwe poddaje się modyfikacji sodem

metalicznym lub jego solami (NaF lub NaCI). Do ciekłego stopu wprowadza się

modyfikator w iloœci 0.05-0,08% masy wsadu. W wyniku bardzo małej rozpusz-

czalnoœci sodu w krzemie na powierzchni rozdziału faz krzem-fazA ciekła two-

rzy się warstewka NaZSi utrudniajšca wzrost kryształów krzemu. Działanie mo-

dyfikatora powoduje przechłodzenie ciekłego stopu, obniżenie temperatury

krzepn ięc ia eutektyki oraz przesun ięc ie punktu eutektycznego w prawo - tym

samym stop eutektyczny staje się stopem podeutektycznym- W wyniku modyfi-

kacji zostaje rozdrobniona eutektyka (rys. 5), a tym samym zwiększajš się

właœciwoœci mechanicwe stopu- Siluminy dwuskładnikowe, ze względu na nie-

zbyt duże właœciwoœci mechaniczne, sš utywane na œrednio obci~one elementy

maszyn-

Powszechnie sš stosowane siluminy wieloskładnikowe, w których jako

dodatki stopowe wykorzystuje się mangan, miedŸ i magnez, poprawiajšce wy-

trzymałoœć i twardoœć oraz umożliwiajšce umacnianie wydzieleniowe silumi-

nów.

Magnez - przy zawartoœci 0,2-1,5% tworzy z krzemem zwiĽZek międzyme-

taliczny Mg2Si 0 zmiennej rozpuszczalnoœci w aluminium, w stanie statym

umożliwiajšcy umacnianie wydzieleniowe.

MiedŸ - w iloœci do 4% zwiększa ~-ytrzymałoœć siluminów w podwyższo-

nej temperaturze, polepsza skrawalnoœć, w iloœci przekraczajšcej 4% zmniejsza

odpomoœć na korozję.

Mangan - w iloœci do 0,2-Q,5% jest stosowany w celu obniżenia szkodliwe-

90 wpływu żelaza (występujšcego zawsze jako zanieczyszczenie), tworzšcego

kruchy i twardy zwiĽZek AI4Si, ~Fe krystalizujšcy w postaci długich igieł. Doda-

tek manganu (lub kobaltu) powoduje rozdrobnienie igieł zwi~u AI4Si, ~Fe.

Wieloskładnikowe silurniny podeutektyczne i eutektyczne umacniane wy-

dzieleniowo (tab. 3) sš używane na odlewy tłoków i głowic silników spalino-

wych, elementy pomp i różnego rodzAju armaturę.

Siluminy nadeutektyczne - zawierajšce 17-30% krzemu sš stopami wielo-

składnikowymi z dodatkiem niewielkich iloœci miedzi, magnezu, niklu, manganu

i kobaltu (np. AKZ0 - AlSi21CuNi). Dodatki stopowe poprawiajš żarowytrzy-

małoœć (miedŸ, nikiel, kobalt), odpomoœć na korozję (mangan), skłonnoœć do

umacniania wydzieleniowego (magnez).

Siluminy nadeutektyczene modyfikuje się fosforem, którego działanie po-

woduje rozdrobnienie ziam wolnego krzemu, a tym samym zwiększenie wła-

œciwoœci mechanicwych i podatnoœć na obróbkę skrawaniem.

Silurniny nadeutektyczne poddaje się umacnianiu wydzieleniowemu pol~

gajšcemu na: przesycaniu z temperatury 500°C w wodzie 0 temperaturze 60°C

i starzeniu przez 24 h w temperaturze 180°C.

Ponadto wyżarzanie odprężajšce odlewów prowadzi się w temperaturZe

230-350°C w czasie 6- 12 h.

Odlewy z silurninów nadeutektycwych stosowane na silnie obci~one tłoki

silników charakteryzujš się:

. dobrš spawalnoœciš,

. dostatecwš skrawalnoœciš,

. dobrš odpomoœciš na korozję (szczególnie w œrodowiskach kwaœnych),

. dobrymi właœciwoœciami mechanicwymi w temperaturze podwyższo-

nej,

. dużš odpomoœciš na œcieranie,

. matym współczynnikiem tarcia i cieplnej rozszerzAlnoœci liniowej.

stopy AI-Cu - mniejsze zastosowanie tej grupy stopów w porównaniu

z siluminami jest zwi~ne ze skłonnoœciš do pękania i trudnoœciami techno-

logicwymi podczas odlewania na goršco. W Polsce sš stosowane wg normy

PN-76/H-88027 (tab. 1) stopy AM4 i AM5; natorniast wg ZN-86IMH-MN-

-260- 14 (ZML "kęty") dodatkowo stopy: AM75 (AICu7Si5) i AM 10

(AICu 10SiZFe). Stopy AI-Cu mšjš budowę roztworu stałego ~ i podwójnej

eutektyki ~+A12Cu rozrnieszczonej w przestrzeniach międzydendrytycwych

Stopy AI-Cu poddaje się umacnianiu wydzieleniowemu. Po przesyceniu

stopy starzy się naturalnie lub sztucwie. Starzenie naturalne ułatwiajš niewiel-

kie dodatki magnezu i manganu, natomiast starzenie sztuczne dodatki cynku,

tytanu i kadmu.

Dwuskładnikowe stopy AI-Cu sš stosowane na silnie obci~one elementy

maszyn 0 prostych kształtach i niewielkich wymiarach.

Wieloskładnikowe stopy AM 10 i AM75 sš utywane na odlewy tłoków

i innych częœci samochodowych, elementy maszyn pracujšce w podwyższonej

temperaturze, odlewy pomp, cylindrów hamulcowych i sprzęgieł.

stopy AI-Mg - charakteryzujš się najmniejszš gęstoœciš i największš odpor-

noœciš na korozję z całej grupy stopów aluminium. W praktyce stosuje się stopy

0 zawartoœci 4-11% magnezu. Optymalne właœciwoœci mechaniczne uzyskuje

się przy zawartoœci ok. 1 1% magnezu (rys. 7).

stopy AI-Mn - zawartoœć manganu w tych stopach wynosi 1 - 1,6%. Mikro-

struktura stopów AI-Mn składa się z roztworu stałego ~ i wydzieleń fazy mię-

dzymetalicznej Al6Mn (rys. 8).

2.2.2. Stopy aluminium do przeróbki plastycznej

Stopy aluminium do przeróbki plastycznej dzielš się na:

. stopy AI-Mn,

. stopy AI-Mg,

. stopy AI-Cu-Mg (durale),

. stopy AI-Cu-Mg-Zn (durale cynkowe),

. stopy żarowytrzymałe.

Skład chemiczny oraz właœciwoœci mechaniczne niektórych

przeróbki plastycznej podano w tab. 4.

Dwuskładnikowe stopy AI-Mn po odlaniu majš budowę gruboziamistš

i skłonnoœć do mikropęknięć. Niewielka zmienna rozpuszczalnoœć manganu

w aluminium w stanie stałym nie pozwala na umacnianie wydzieleniowe. Obec-

noœć żelaza i krzemu powoduje tworzenie fazy AIMnSiFe bardzo utrudniajšcej

przeróbkę plastycznš.

Do tych stopów stosuje się obróbkę cieplnš:

. wyżarzanie homogenizujšce w temperaturze 500-520°C w czAsie 6- 12 h;

chłodzenie po wyżarzaniu prowadzi się w powietrzu,

. wyżarzanie rekrystalizujšce w temperaturze 350-400°C; chłodzenie po

wyżarzaniu prowadzi się w powietrzu.

Właœciwoœci mechaniczne stopów AI-Mn: Rm = 220 MPa, Ro.2 = 180 MPa,

AlO~15%, Z~5O%. Stopy te charakteryzujš się bardzo dobrš podatnoœciš do prze-

róbki plastycznej na zimno i na goršco, sš odpome na korozję oraz spawalne.

Wykonuje się z nich urZĽdzenia dla przemysłu spożywczego i chemicznego,

spawane zbiomiki cieczy i gazów.

stopy AI-Mg - zawierajš 1,0-5,8% magnezu oraz niewielkie iloœci manganu

(0,2- 1,0%) i chromu (0,15-0,35%), które poprawiajš właœciwoœci mechaniczne

nie zmieniajšc mikrostruktury stopu. Dodatek tytanu 0,02-0,20% powoduje

wzrost odpomoœci na korozję i rozdrobnienie ziama w odlewach. Stopy AI-Mg

majš budowę dwufazowš składšjšcš się z roztworu stałego ~ i wydzieleń fazy ~

(A13Mg2). TworZĽ się w nich również fazy bogate w mangan (AIMg2MN), żelazo

(AIFeSi) oraz faza Mg2Si.

Do stopów AI-Mg stosuje się operacje obróbki cieplnej:

. wyżarzanie homogenizujšce (rzAdko stosowane) w temperaturze 500-

-520°C w czasie 8- 12 h, chłodzenie na powietrzu,

Dla odlewów wykonanych ze stopów AI-Mg wykonuje się następujšce ope-

racje obróbki cieplnej:

. wyżarzanie homogenizujšce: wytrzymanie 10-12 h w temperaturze

450-480°C, powolne chłodzenie do temperatury 350°C i następnie szyb-

kie chłodzenie,

. wyżarzanie odprężajšce przez 12-16 h w temperaturze 120-150°C,

. umacnianie wydzieleniowe (stopów wysokomagnezowych):

. wytrzymanie 15-20 h w temperaturze 435~5°C i przesycanie w wodzie

0 temperaturze 80°C,

. starzenie sztuczne w temperaturze 150°C przez 24 h lub naturalne

w czasie do 60 dni.

Najczęœciej z wieloskładnikowych stopów aluminium z magnezem i dodat-

karni krzemu, tytanu, cyrkonu, manganu, hafnu, cyny oraz neodymu sš stosowa-

ne stopy AI-Mg-Si, które się umacnia wydzieleniowo. Wykonuje się z nich ele-

menty maszyn, 0d którychjest wymagana dobra odpomoœć na korozję.

wYżarzAnie rekrystalizujšce w temperaturze 280-300°C w czasie 3-6 h,

chłodzenie na powietrzu,

wyżarzanie odprężajšce w temperaturze 100-150°C w czasie 8-12 h, po

spawaniu lub przeróbce plastycznej na zimno.

kowych. Wykonuje się z nich urZšdzenia dla przemysłu chemicwego i spo-

żywczego, złożone odkuwki matrycowe, elementy dla przemysłu lotniczego,

sportowego i budowlanego.

dodatek krzemu (do 1,5%) do stopów AI-Mg powoduje możliwoœć umac-

niania wydzieleniowego stopów AI-Mg-Si, gdyż aluminium tworzy z krzemem

układ pseudopodwójny AI-MgZSi (rys. 9).

Tabela 4. Sklad chemicwv i zastoso'~'anie stopów aluminium do przeróbki plastycwej (wg

PN-791H-88026) .

znak cecha

Stopy AI-Mg 0 zawartoœci magnezu do 8% nie sš poddawane umacnianiu

wydzieleniowemu, ponieważ nie ulegajš zmianie właœciwoœci mechaniczne sto-

pu. Jest natomiast możliwe wykonywanie obróbki cieplno-plastycznej, która

zwiększa właœciwoœci mechaniczne 0 blisko 20%.

Stopy AI-Mg charakteryzujš się dobrš odpomoœciš na korozję wodnš

i morskš, dobrš podatnoœciš na przeróbkę plastycznš na zimno i na goršco, spa-

walnoœciš, podatnoœciš na polerowanie i wykonywanie anodowe powłok tlen-

Mikrostruktura tych stopów jest złożona z roztworu stałego a, fazy umac-

niajšcej MgZSi, fazy 13 (A13Mg2), fazy AI6Mn oraz fazy AlzCu. Do tych stopów

stosuje się obróbkę cieplnš:

. wyżarzAnie odprężajšce w temperaturze l 00- 150°C przez kilkanaœcie

godzin (rzadko stosowane),

. wyżarzanie rekrystalizujšce w temperaturze 350-400°C w czasie 6-8 h,

. utwardzanie wydzieleniowe:

. przesycanie z temperatury 515-525°C w wodzie 0 temperaturze 20°C,

. starzenie w temperaturze 150-170°C przez 8-12 h.

Stopy po umacnianiu wydzieleniowym majš bardzo dobre właœciwoœci mecha-

niczne (Rm-400 MPa, Ro.2-300 MPa, AlO-19%).

Stopy AI-Mg-Si sš bardzo podatne na przeróbkę plastycznš na zimno i na

goršco, na polerowanie i anodowe wytwarzanie powłok tlenkowych oraz spa-

walne i zgrzewalne. Wykonuje się z nich elementy aluminiowej stolarki bu-

dowlanej, sprzęt sportowy i turystyczny, złożone odkuwki matrycowe, œrednio

obcišżone elementy konstrukcji lotniczych, pojazdów mechanicznych i mecha-

nicznego sprzętu domowego.

stopy AI-Cu-Mg - durale to populama nazwa tej grupy stopów z dodatkiem

manganu.

Durale dzielš się na:

. niskostopowe: 2,2-3,0% Cu, 0,2-0,5% Mg, 0,3-0,5% Mn,

. œredniostopowe: 3,8-4,8% Cu, 0,4-0,8% Mg, 0,4-0,8% Mn,

. wysokostopowe: 2,6-3,2% Cu. 2,0-2,4{Fc Mg, 0,45-0,70% Mn.

Mikrostrukturę durali okreœla się na podstawie potrójnego układu

AI-Cu-Mg, w którym występujš:

. roztwory stałe na osnowie aluminium (~AI), miedzi (~u), magnezu

Właœciwoœci mechaniczne durali po umacnianiu wydzieleniowym zależš 0d

iloœciowego stosunku miedzi i magnezu (rys. 10).

~~MgJ,

. fazy międzymetaliczne e, Tl, El, EZ, y, X z układu AI-Cu,

. roztwory stałe p i y na osnowie zwišzków Mg3Al, i A13Mg~ z układu

AI-Mg,

. fazy MgzCu i MgCuZ,

. fazy potrójne S, T, V , Q, v.

Oprócz wymienionych faz pierwotnych przy niewielkiej zawartoœci żelaza,

krzemu i manganu mogš powstawać fazy. AIMgzMN, AIFeSiMn, AIFeCuSi

wpływajšce szkodliwie na właœciwoœci technologiczne i odpomoœć korozyjnš.

Durale poddaje się następujšcej obróbce cieplnej:

. wyżarzAniu rekrystalizujšcemu w temperaturze 390-430°C w czasie

3-6 h z chłodzeniem w powietrzu (niekiedy dwustopniowo: z piecem do

260°C i następnie w powietrzu),

. wyżarzaniu homogenizujšcemu w temperaturze 485 ~5°C,

. umacnianiu wydzieleniowemu :

. przesycaniu z temperatury 490-510°C (po wytrzymaniu 1 -2 h) w wo-

dzie 0 temperaturze kilku stopni,

. starzeniu naturalnemu lub przyœpieszonemu.

Właœciwoœci mechaniczne durali zależš 0d temperatury i szybkoœci przesy-

cania. Po prawidłowo wykonanym przesycaniu durale majš mikrostrukturę zło-

żonš z roztworu stałego a i nierozpuszczAlnych faz bogatych w żelazo oraz

mangan. Przekroczenie zalecanej temperatury przesycania powoduje znaczne

zmniejszenie właœciwoœci mechanicznych. Aby zapewnić odpowiedniš szybkoœć

przesycania, czas pomiędzy wyjęciem stopu z pieca a zamoczeniem w wodzie

nie powinien przekraczać 30 5.

Podczas starzenia zachodzš w kilku stadiach zmiany strukturalne wpływa-

jšce na właœciwoœci mechaniczne durali. Mechanizm rozpadu przesyconego

roztworu stałego jest bardzo złożony i zAlEŻY przede wszystkim 0d iloœciowego

stosunku rniedzi do magnezu. Jeden ze schematów rozpadu przesyconego roz-

tworu stałego jest przedstawiany następujšco:

przesycony roztwór staty ~ strefy GPI ~ strefy GPII ~ faza S'~

~ faza S (AIzCuMg)

Strefy GPI powstajš w stopach, w których stosunek Cu : Mg = 3 : 1, natorniast

strefy GPII w stopach, w których Cu : Mg = 1 : 1.

Durale charakteryzujš się doœć dużym oporem plastycznym podczas prze-

róbki plastycznej na zimno i na goršco, małš odpomoœciš na korozję (w celu jej

zwiększenia wyroby z durali plateruje się czystym aluminium), podatnoœciš na

umacnianie wydzieleniowe. Wykonuje się z nich blachy, druty, odkuwki i

kształtowniki wykorzystywane w przemyœle lotniczym, budowlanym, maszy-

nowym i sportowym na obcišżone elementy konstrukcyjne.

stopy AI-Zn-Mg-Cu - zawierajšce: 5-8% cynku, 0,8-2,8% rniedzi, 1,2-3,2%

magnezu, 0,2-0,6% manganu, 0,10-0,25% chromu i niekiedy do 0,08% tytanu

sš nazywane duralarni cynkowyrni.

Mikrostruktura durali cynkowych jest bardzo złożona i należy jš rozpatry-

wać na podstawie układów równowagi fazowej AI-Mg-Zn oraz AI-Zn-Mg-Cu.

W duralach cynkowych występujš:

. roztwory stałe na osnowie aluminium (~AI) i cynku (azn), . szeœć faz na osnowie zwišzków dwuskładnikowych ~, 5, E, 5, Tl, p, . faza T na osnowie zwišzku trójskładnikowego.

Durale cynkowe poddaje się następujšcej obróbce cieplnej:

. wyżarzaniu rekrystalizujšcemu w temperaturze 390-430°C lub 400-

-440°C w czasie 4-6 h i dwustopniowemu chłodzeniu,

. umacnianiu wydzieleniowemu:

. przesycanie z temperatury 510-520°C w wodzie 0 temperaturze do

20°C,

. starzenie przyœpieszone w temperaturze 165-175°C w czasie 16-18 h.

Durale cynkowe nie sš odpome na korozję i wymagajš platerowania czy-

stym aluminium, majš lepsze właœciwoœci mechaniczne niż durale miedziowe.

Sš stosowane w przemyœle mechanicznym, lotniczym i kolejowym do produkcji

wysokoobcišżonych elementów konstrukcyjnych.

Rys. l 0. Wpływ stałej zawattoœci

miedzi i magnezu na wytrzymałoœć

durali na rozcišganie

2.2.3. Żarowytrzymałe stopy aluminium

Żarowytrzymałe stopy aluminium charakteryzujš się dobrymi właœciwo-

œciami mechanicznymi w temperaturze pokojowej i podwyższonej, dużš odpor-

noœciš na korozję, dobrš przewodnoœciš cieplnš i przede wszystkim żaroodpor-

noœciš. Skład chemiczny, właœciwoœci mechaniczne i zastosowanie tych stOpów

podano w tab. 5.

2.2.4. stopy aluminium SAP i SAS

stopy aluminium SAP i SAS sš otrcymywane metodš metalurgii proszków.

SAP - stopy aluminium z tlenkiem aluminium 0 zawartoœci 6-22%, otrzy-

mywane przez brykietowanie proszków w prasach hydraulicznych, spiekanie

i przeróbkę plastycznš. Elementy maszyn z nich wykonane (tłoczone lub wyci-

skane) pracujš w temperaturze 300-500°C (w czasie 104 h), a przez krótki okres

w temperaturze do 1000°C.

SAS - stopy alurninium z krzemem (25-30%) i niklem (5-7%) lub żelazem

(3-5%) i krzemem (25-30%). Charakteryzujš się bardzo małym współczynni-

kiem rozszerzAlnoœci liniowej i stšd wykonuje się z nich elementy pracl{jšce

w temperaturze do 200°C.

STOPY MIEDZI

2.1. Właœciwoœci fizyczne i mechaniczne miedzi

MiedŸ krystalizuje w temperaturze 1084,5°C przyjmujšc strukturę Al

(sieć płasko centrowana układu regulamego), parametr sieci 0,3607 nm. Tempe-

ratura wrzenia miedzi wynosi ok. 2600°C. MiedŸ 1a gęstoœć p = 8,889 glcm3.

Wytrzymałoœć miedzi na rozcišganie w stanie rekrystalizowanym Rm = 200-

-250 MPa, granica plastycznoœci Ro.2 = 35 MPa, twardoœć 45 HB, a wydłużenie

A5 = 30-35%. W wyn iku przeróbki plastycznej na zimno wytrzymałoœć miedzi

się zwiększa do 400-450 MPa, a twardoœć do 120 HB, z jednoczesnym zmniej-

szeniem wydłużenia do 1-2%.

MiedŸ jest stosowana w elektrotechnice na przewody, gdzie wykorzystuje

się jej dużš przewodnoœć elektrycznš, oraz w energetyce i przemyœle chemicz-

nym na chłodnice, a tahe wymienniki ciepła - ze względu na dużš przewodnoœ cieplnš. MiedŸ jest odpoma na korozję atmosferycznš (dzięki pokrywaniu się

patynš, tj. zasadowym węglanem miedziowym) i na działanie wody, nie wyka-

zuje natomiast odpomoœci na działanie amoniaku. Znormalizowane gatunki

miedzi wyrnieniono w tab. 1. Mikrostruktura rniedzi w stanie rekrystalizowanym

MiedŸ zAwierajšca niewielki dodatek pierwiastków stopowych (do 2%) -

tzw. miedŸ stopowa - charakteryzuje się zwiększonymi właœciwoœciami mecha-

nicznymi przy nieznacznie zrnniejszonej przewodnoœci elektrycznej. Zgodnie

z normš PN-79/H-87053, jest stosowana miedŸ stopowa: arsenowa (MR), chro-

mowa (MH), cynowa (MC, MCl), cyrkonowa (MY), kadmowa (MD, MDl),

krzemowo-manganowa (MKM), manganowa (MMZ), niklowa (MN), siarkowa

(MI), srebrowa (MS, MS 1, MSZ) i tellurowa (MTF).

2.2. Klasyfikacja stopów miedzi

Przyjęto, że w stopach miedzi zawartoœć dodatków stopowych jest większa

0d 2%. W zależnoœci 0d rodzaju głównego dodatku stopowego wyróżnia się:

. mosišdze - głównym dodatkiem stopowym jest cynk,

. miedzionikle - głównym dodatkiem stopowym jest nikiel,

. br~ - głównym dodatkiem stopowym nie jest cynk lub nikiel, lecz inny

pierwiastek, jak np. cyna, aluminium, beryl, krzem, mangan, ołów.

Mosišdze, miedzionikle i brW mogš być dwu- lub wieloskładnikowe

w zAleżnoœci 0d tego, czv oprócz głównego dodatku zawierajš jeszcze inne

~

pierwiastki stopowe.

Ze względu na technologię wytwarzania wyrobów, stopy miedzi dzieli się

na odlewnicze i do przeróbki plastycznej.

MiedŸ technicznie czysta zawiera 0d 0,01 do 1,0% zanieczyszczeń, zależ-

nie 0d sposobu wytwarzania i oczyszczania. Większoœć domieszek silnie

zmniejsza przewodnoœć elektrycznš miedzi (fosfor, żelazo, kobalt, krzem, ar-

sen). Domieszki utrudniajš również przeróbkę plastycznš na goršco, jak np.

bizmut i ołów - nie rozpuszczAjšce się w miedzi i tworZĽce niskotopliwe eutek-

tyki czy też siarka tworZĽca niskotopliwš eutektykę z siarczkiem Cu2S. Wyża-

rzanie miedzi zAwierajšcej tlen w atmosferze zawierajšcej wodór jest przyczynš

występowania tzw. choroby wodorowej. W wyniku redukcji powstałego tlenku

miedzi wodorem tworzy się woda, której pary w wysokiej temperaturze prze-

róbki plastycznej powodujš pęknięcia i naderwania (rys. 2).

2.2.1. Mosišdze

Mosišdze to stopy miedzi z cynkiem i ewentualnie innymi pierwiastkami.

MiedŸ tworzy z cynkiem dwa roztwory stałe graniczne: ~ - 0 strukturze Al

i Tl - 0 strukturze A3 oraz trzy fazy międzymetaliczne typu elektronowego:

~, y, E (rys. 3).

Faza ~ jest różnowęzłowym roztworem stałym 0 strukturze Al. Parametr

komórki elementamej się zwiększa ze wzrostem zawartoœci cynku w mztworze

do 0,3695 nm przy 39% cynku. Zniekształcenie krystalicznej sieci miedzi

spowodowane obecnoœciš atomów cynku jest przyczynš umocnienia stopu.

Wytrzymałoœć fazy ~ się zwiększa wraz z zAwartoœciš cynku z zachowaniem

dobrej plastycznoœci. faza 13', twarda i krucha, jest uporZĽdkowanym wtómym

roztworem stałym 13 na osnowie fazy międzymetalicznej CuZn, krystal izujšcej

w strukturze BZ.

Wpływ zawartoœci cynku na właœciwoœci mechaniczne mosišdzu przedsta-

wiono na rys. 6. Mosišdze jednofazowe cechuje bardzo duża plastycznoœć, co

umożliwia stosowanie ich na wymby głęboko tloczone i obrabiane plastycznie

na zimno. Duża plastycznoœć w podwyższonej temperaturze umożliwia ich prze-

róbkę plastycznš na goršco. Obecnoœć fazy 13' w mosišdzach dwufazowych po-

woduje zmniejszenie plastycznoœci i dlatego można je obrabiać plastycznie tyl-

ko na goršco w temperaturze, w której wykazujš strukturę jednofazowš 13. Mo-

sišdze w znacznym stopniu umacnišjš się w wyniku zgniotu (tab. 2).

Mosišdze charakteryzujš się dobrš odpomoœciš na korozję, szczególnie

atmosferycznš i w wodzie morskiej. Odpomoœć na korozję mosišdzów się

zwiększa wraz ze wzrostem zawartoœci miedzi. Najczęœciej spotykanym rodza-

jem korozji mosišdzów, szczególnie dwufazowych, jest koro~a elektroche-

miczna, zwłaszcza w oœrodkach utleniajšcych, prowadZĽca do tzw. odcynkowa-

nia stopu. Mosišdze jednofazowe w stanie zgniecionym ulegšjš korozji naprę-

żeniowej, zwanej pękaniem sezonowym mosišdzu, szczególnie w obecnoœci

amoniaku. Większoœć mosišdzów jest też podatna na korozję w takich samych

oœrodkach korozyjnych, wjakich koroduje miedŸ techniczna.

chemicmego. Ze wzrostem zawartoœci niklu roœnie odpornoœć na korozję mo-

sišdzów wysokoniklowych; sš one jednak mało odporne na działanie takich

kwasów, jak: HCl, HN03, H- 7S04 i H3P04, a odporne na działanie kwasów orga-

nicznych.

2.2.2. Miedzionikle

ważnš grupę technicmych stopów miedzi przemaczonych do przeróbki

plastycmej stanowiš miedzionikle, w których głównym dodatkiem stopowym

jest nikiel 0 stężeniu do 40%, zawierajšce także 1 -2% krzemu, aluminium, żela-

zA lub manganu (PN-921H-87052). Nikiel powoduje poprawę właœciwoœci me-

chanicmych, odpornoœci na koro~ę, opomoœci elektrycmej właœciwej oraz siły

termoelektrycznej miedzionikli. Miedzionikle sš oparte na układzie Cu-Ni

0 nieograniczonej rozpuszczalnoœci składników w stanie ciekłym i stałym. Moż-

na wydzielić dwie grupy miedzionikli:

. odporne na korozję, takie jak CuNi30Mn 1 Fe, CuNi 19 (nikielina) i Cu-

Ni25 (stosowany do wytwarzania monet),

. oporowe, w tym główn ie CuNi44Mn 1 (konstantan), który znalazł za-

stosowanie w elektrotechnice oraz do wytwarzania termoelementów,

np. że lazo-konstantan, m iedŸ-konstantan lub chromonikielina-konstan-

tan.

Mosišdze dwuskładnikowe, zgodnie z PN-921H-87025, sš przeznaczone do

przeróbki plastycmej na zimno i na goršco w przypadku mosišdzów jednofazo-

wych lub tylko na goršco w przypadku mosišdzów dwufazowych.

Mosišdze wieloskładnikowe. Mosišdze wieloskładnikowe zawierajš oprócz

cynku takie dodatki stopowe, jak: krzem, aluminium, cyna, ołów, żelazo, man-

gan, nikiel i arsen, zwykle 0 łšcznym stężeniu nie przekraczajšcym 4%. Doda-

wane pierwiastki stopowe powodujš zwiększenie wytrzymałoœci i odpornoœci na

korozję mosišdzów. Mosišdze wieloskładnikowe w przeciwieństwie do dwu-

składnikowych sš stosowane głównie jako stopy odlewnicze. Cechuje je dobra

odpornoœć na korozję i œcieranie oraz dobre właœciwoœci wytrzymałoœciowe

przy obci~eniach statycznych. Stosuje się je głównie na armaturę, osprzęt, ło-

żyska, œruby okrętowe i elementy maszyn. Mosišdze wieloskładnikowe sš rów-

nież stosowane do przeróbki plastycmej.

Mosišdze wysokoniklowe (tzw. nowe srebra) sš przeznaczone do wyrobu

przedmiotów artystycznych, naczyń stołowych, widelców, łyżek, jako imitacja

srebra, częœci sprężynujšcych aparatów, opraw narzędzi chirurgicmych itp.

(PN-931H-87027). W zależnoœci 0d zawartoœci cynku i niklu mosišdze wysoko-

niklowe mogš mieć budowę jednofazowš roztworu stałego ~ lub wielofazowš.

Ich właœciwoœci mechaniczne zależš bardziej 0d stopnia gniotu niż 0d składu

2.2.3. Bršzy

Br~ cynowe. Fragment wykresu równowagi fazowej stopów Cu-Sn przed-

stawiono na rys. 7a. MiedŸ tworzy z cynšjeden roztwór stały granicmy ~ kry- stalizujšcy w strukturze Al oraz szeœć roztworów stałych wtórnych na osnowie maksymalnej rozpuszczalnoœci 15,8% w temperaturze 520QC. Rozpuszczalnoœć ta maleje w miarę zmniejszania temperatury do ok. 1,3% w Z00QC.

W praktyce, ze względu na małš szybkoœć dyfuzji cyny w miedzi i niskštempe-

raturę, osišgnięcie stanu równowagi jest mało prawdopodobne.

Duża różnica temperatury między likwidusem i solidusem jest prZyczynš

macznej skłonnoœci br~ów cynowych do segregacji, w wyniku której pojawiajš

się, oprócz fazy ~, również fazy występujšce w warunkach równowagi dopiero

przy większej zawartoœci cyny (rys. 7b, 8). Segregacja może być w pewnym

stopniu usunięta przez długotrwałe wyżarmnie ujednorodniajšce w cišgu 24 h

w temperaturze 700-750QC. Na ogół odlewnicze br~ cynowe 0 zawartoœci

4-6% cyny majš strukturę roztworu ~, a w stopach 0 większej zawartoœci cyny

występuje jeszcze eutektoid ~+8.

się dobrymi właœciwoœciami mechanicznymi, co umożliwia stosowanie ich

w przemyœle chemicznym, papiemiczym i okrętowym, m.in. na elementy apa-

ratury kontrolno-pomiarowej, slatki, sprętyny, tulejkl, łotyska œlizgowe, œli-

macznlce i œlimaki (PN-92/H-87050).

bršzy cynowe wieloskładnlkowe mogš również zawlerać:

. fosfor - stosowany do odtlenlania odlewniczych brĽZów cynowych przed

wprowadzeniem cyny do kšpleli metalowej w celu zapobieżenia wy-

dzlelanlu się bardzo twardego tlenku cyny Sn0Z. W bršZach do przeróbki

plastycznej zAwartoœć fosforu nie może przekraczać 0,3%, gdyż pierwia-

stek ten bardzo nlekorzystnie wpływa na plastycznoœć, zwlększajšc jed-

nak właœclwoœcl wytrzymałoœciowe i odpomoœć brĽZów na œcieranie.

bršzy cynowo-fosforowe sš stosowane na panewkl, koła œllmakowe,

sprętyny,

. cynk - przeclwdzlała segregacji brĽZów cynowych przez zmniejszenie

zakresu temperatury krystalizacji fazy ~, sprzyjajšc ujednorodnieniu ich

właœclwoœcl mechanlcznych l zwiększeniu właœciwoœci wytrzymało-

œclowych. Cynk jest dobrym odtlenlaczem l poprawia lejnoœć tych sto-

pów. bršzy cynowo-cynkowe (zwane dawnlej spiżaml) mšjš zastosowa-

nle podobne do zastosowanla cynowych dwuskładnikowych,

. ołów - nle tworZĽc roztworów, polepsza skrawalnoœć brĽZu cynowego,

zmniejszA współczynnlk tarcla i korzystnie wpływa na szczelnoœć odle-

wów. Przy większej zawartoœci powoduje pogorszenie właœclwoœci me-

chanlcznych. bršzy cynowo-cynkowo-ołowlowe stosuje się głównie na

tulejki i panewkl łotyskowe.

Wieloskładnikowe bršzy cynowe sš stosowane głównle jako odlewnicze.

Charakteryzujš slę dobrš odpornoœclš na korozję i na œcleranle (PN-91/H-

-87026).

Bršzy aluminiowe (br~le). Fragment wykresu równowagi fazowej stopów

Cu-Al przedstawiono na rys. 9. W układzle podwójnym Cu-AI występujš dwa

roztwory stałe granlczne aCu i ~AI(m) oraz dziewięć roztworów stałych wtómych

na osnowie faz międzymetalicznych. W układzle Cu-AI występujš trzy eutekto-

idy, a także jeden perytektoid. Dwuskładnikowe, jednofazowe bršzy alumlniowe

zawieršjš do 8% aluminlum i ze względu na dużš plastycznoœć mogš być obra-

biane plastycznie na zlmno oraz na goršco. bršzy 0 składzie eutektoidalnym

można obrablać plastycznle wyłšcznie na goršco w temperaturze, w której wy-

stępuje strukturajednofazowa ~.

W bršzach wieloskładnikowych najczęœciej stosuje się dodatki żelaza, niklu

i manganu (PN-92/H-87051):

. żelazo i nikiel - powodujš zwiększenie właœciwoœci wytrzymałoœcio-

wych i odpomoœci na œcieranie w wyniku działania modyfikujšcego

i sprzyjania drobnoziamistoœcl stopów. Ze względu na niewielkš roz-

puszczalnoœć w roztworze aCu plerwlastki te mogš być dodawane w nie-

BrW cynowe wykazujš dobrš odpomoœć na korozję, szczególnle w œro-

dowlsku atmosfery przemysłowej i wody morskiej. Odpomoœć ta polepszA się

wraz ze zwiększeniem stężenla cyny, lecz do wartoœci nie większej 0d zapew-

niajšcej wystšpienle struktury dwufazowej, decydujšcej 0 ułatwleniu korozji.

BrW cynowe 0 strukturze jednorodnego roztworu ~ cechuje duża plastycznoœć

i z tego względu mogš być kształtowane plastycznie na zimno, podobnie jak

stopy 0 niejednorodnej strukturze roztworu ~, zawierajšce nie więcej niż 4%

cyny. W stanie obrobionym plastycznie na zimno brW cynowe charakteryzujš

wielkiej iloœci. gdyż wydzielajšce się fazy bogate w żelazo i nikiel po-

wodujš zmnieJszenie odpomoœci korozyjnej,

mangan rozpuszcza się w roztworze ~u w stężeniu do ok. 10%, powo-

dujšc znaczne zwiększenie odpomoœci tych stopów na korozję i na œcie-

ranie oraz właœciwoœci mechanicznych.

Odlewnicze wieloskładnikowe brW aluminiowe wykazujš większy skurcz

odlewniczy niż bršzy cynowe, lecz znacznie mniejszš skłonnoœć do segregacji

dendrytycznej. BrW aluminiowe majš dobrš odpomoœć na korozję w œrodowi-

sku wody morskiej i kwasów utleniajšcych, dzięki pasywacji i tworzeniu się

warstewki A12O3 na ich powierzchni. Charakteryzujš się dobrymi właœciwo-

œciami mechanicznymi w temperaturze pokojowej i podwyższonej oraz dużš

odpomoœciš na œcieranie. Znalazły zAstoSOwanie na panewki łożysk œlizgowych,

koła zębate, gniazda zaworowe, a także œruby okrętowe.

Wieloskładnikowe bršzy aluminiowe 0 zawartoœci aluminium w zakresie

odpowiadajšcym występowaniu eutektoidu a+Y2 obrabia się cieplnie przez har-

towanie z temperatury 950- 1000°C i odpuszczanie w temperaturze 300-450°C.

Jest to możliwe, ponieważ w przypadku zastosowania szybkiego chłodzenia nie

następuje rozpad eutektoidalny fazy ~, lecz jej bezdyfuzyjna przemiana typu

martezytycznego w fazę ~t lub ~11, 0 strukturze listwowej (rys. 10). Przemiana ta

jest odwracalna, w odróŻllieniu 0d przemiany martenzytycznej w stali. Podczas

bowiem szybkiego grzania do temperatury znacznie wyższej 0d 565°C ponow-

nie powstaje faza ~, natorniast w czasie wolnego nagrzewania w wyniku proce-

sów dyfuzyjnych tworzy się mies~nina a+Y2.

Br~ berylowe. Zawieršjš do ok. 2,1 % głównego pierwiastka stopowego

oraz zwykle nikiel, żelazo, kobalt i tytan, zwiększajšce umacnišjšcy efekt ob-

róbki cieplnej, dzięki wystšpieniu, oprócz fazy CuB (y2), tahe innych faz mię-

dzymetalicznych.

Obróbka cieplna brĽZów berylowych polega na utwardzaniu dyspersyjnym.

Obejmuje ono przesycanie z temperatury 720-760°C i starzenie w temperaturze

300-400°C, w czasie którego wydziela się dyspersyjna FAzA Y2, powodujšca

umocnienie stopu. W wyniku obróbki cieplnej uzyskuje się twardoœć brĽZu ok.

340 hv, a wytrzymałoœć na rozcišganie Rm ok. 1250 MPa. BrW mogš być

również umacniane przez przeróbkę plastycznš na zimno.

Stopy te sš bršzami 0 największych właœciwoœciach mechanicznych, dobrej

odpomoœci na pełzanie i œcieranie. Cechujš się dużš odpomoœciš na korozję,

przewodnoœciš cieplnš i elektrycznš, brakiem skłonnoœci do iskrzenia oraz dobrš

podatnoœciš na obróbkę plastycznš na zimno i na goršco.

BrW berylowe sš stosowane na elementy maszyn w wytwómiach mate-

riałów wybuchowych i prochowniach, na szczotki silników elektrycznych i

przewody trakcji elektrycznej, a tahe na sprężyny, elementy pomp i narzędzia

chirurgiczne (PN-92/H-87060).

Br~ krzemowe. Techniczne stopy miedzi z krzemem majš strukturę jedno-

fazowš roztworu a, a zawartoœć krzemu nie przekracza w nich 3-4%. Jednofa-

zowa struktura zapewnia brĽZom krzemowym dobre właœciwoœci plastyczne,

przy czym krzem powoduje zwiększenie ich odpomoœci na korozję. Krzem pO-

prawia tahe właœciwoœci odlewnicze stopu. Wadš brĽZów krzemowych jest

duży skurcz odlewniczy i mała szczelnoœć spowodowana obecnoœciš dwutlenku

krzemu.

Praktyczne ZastosowaDie znalazły głównie br~ krzemowe wieloskładni-

kowe zAwierajšce najczęœciej dodatki manganu, żelaza, cynku i niklu. Mangan,

cynk i nikiel, ~vystępujšce w roztworze. silnie zmniejszAjš rozpuszczalnoœć

krzemu w fazie ~, mangan i nikiel zwiększajš wytrzymałoœć i odpornoœć na

korozję, natomiast cynk poprawia właœciwoœci odlewnicze (większa lejnoœć).

Żelazo prawie się wcale nie rozpuszcza w roztworze ~, wchodZĽc w skład faz

międzymetalicmych FeSi i FE3SI. Z tego względu żelazo jest wprowadzAne

wyłšcznie do br~ów krzemowych odlewniczych.

Bršzy krzemowe charakteryzujš się dobrymi właœciwoœciami mechanicz-

nymi w temperaturze pokojowej i podwyższonej do ok. 300°C, dużš ~rytrzyma-

łoœciš zmęczeniowš i dobrymi właœciwoœciami œlizgowymi. Cechuje je ponadto

duża odpomoœć na korozję, dobra lejnoœć i skrawalnoœć.

Br~ krzemowe do przeróbki plastycznej sš stosowane Da elementy apa-

ratury w przemysłach maszynowym, chemicznym i chłodniczym, w tym na

sprężyny, łożyska i częœci samochodowe. Bršzy krzemowe odlewnicze sš sto-

sowane na panewki łożysk œlizgowych, wimiki pomp, koła cieme i zębate, ele-

menty przekładni œlimakowych. Zastępujš droższe bršzy cynowe.

Bršzy manganowe. Zawierajš zwykle 5-6 lub 12- 15% manganu i sš przezna-

czone do obróbki plastycznej. Majš doœć dobre właœciwoœci wytrzymałoœciowe

utrzymujšce się do temperatury ok. 300°C. W stanie wyżarzonym stop CuMn 15

wykazuje wytrzymałoœć Rn, = 460 MPa i wydłużenie AlO = 25%.

Najczęœciej stosuje się stopy wieloskładnikowe, zawierajšce oprócz man-

ganu nikiel, a w niektórych gatunkach także krzem lub aluminium. Manganin

(CuMn12Ni3) 0 bardzo małej opomoœci elektrycznej jest stosowany na opor-

niki wzorcowe. lzabelin (CuMn 13Al13) wykazuje dużš opomoœć elektrycznš,

a stopy Heuslera, zawierajšce powyżej 20% manganu i 9% aluminium cechu-

jš się dobrymi właœciwoœciami ferromagnetycznymi. Bršzy manganowe

zawierajšce krzem (2-3%), tzw. stopy isima, majš dobrš wytrzymałoœć

(Rm = 500-750 MPa w zależnoœci 0d zawartoœci manganu) i sš stosowane m.in.

na łopatki turbin.

---