1) Cel ćwiczenia:

- 1 -

1) Cel ćwiczenia:

Zapoznanie się ze składem chemicznym, właściwościami mechanicznymi,

strukturami, wytrzymałością zmęczeniową i zmęczeniowo-korozyjną oraz erozją i
spawalnością stopów miedzi przeznaczonych na śruby napędowe.

2) Wstęp:

Stopy miedzi na śruby napędowe dzielą się wg przepisów IACS-u (PRS-u) na:



mosiądze manganowe – oznaczone Cu1,



mosiądze manganowo-niklowe – oznaczone Cu2,



brązy aluminiowo-niklowe – oznaczone Cu3,



brązy manganowo-aluminiowe – oznaczone Cu4.

Przepisy PRS-u określają wymagania dla stopów miedzi na śruby napędowe, dotyczące:



składu chemicznego poszczególnych gatunków,



właściwości mechanicznych,



rodzaju zastosowanej obróbki cieplnej.

Przewidują one także równoważnik cynku w stopach Cu1 i Cu2, który nie powinien być
większy niż 45%, a obliczany jest ze wzoru:

[%]

100









gdzie:
A – suma algebraiczna następujących składników stopowych:

1 x Sn % ; 5,0 x Al % ; -0,5 x Mn % ; -2,3 x Ni % ; -0,1 x Fe %

a) Skład chemiczny stopów miedzi na śruby napędowe zgodnie z przepisami PRS-u
powinien odpowiadać wymaganiom ujętym w poniższej tabeli.

Kategoria stopu:

Skład chemiczny [%]

max

mosiądz manganowy Cu1

52÷62

0,5÷3,0 0,5÷4,0

35÷45

0,5÷2,5 1,0 max

1,5

0,5

mosiądz manganowo-niklowy Cu2 50÷57 0,2÷2,0 1,0÷4,0 33÷38 0,5÷2,3 2,3÷8,0

1,5

0,5

brąz aluminiowo-niklowy Cu3

77÷82 7,0÷11,0 0,5÷4,0 1,0 max 2,0÷8,0 3,0÷6,0

0,1

0,03

brąz manganowo-aluminiowy Cu4

70÷80

6,5÷9,0 8,0÷20,0 6,0 max 2,0÷5,0 1,5÷3,0

0,1

0,05

Stopy różniące się składem chemicznym do podanych mogą być dopuszczone do wykonania
śrub napędowych po uzgodnieniu z PRS.

b) Właściwości mechaniczne odlewów śrub napędowych ze stopów miedzi zależą od ich
składu chemicznego i technologii wykonania. Właściwości te kreślone na próbkach
oddzielnie odlanych powinny opowiadać poniższym wymaganiom:

Kategoria stopu wg PRS-u:

0,2

[MPa]

[%]

mosiądz manganowy Cu1

175

440

mosiądz manganowo-niklowy Cu2

175

440

brąz aluminiowo-niklowy Cu3

245

590

brąz manganowo-aluminiowy Cu4

275

630

- 2 -

Dla każdego odlewu należy oddzielnie odlać próbki. Z każdego wlewka należy wykonać
próbkę na rozciąganie o przekroju okrągłym Dla stopów Cu1 i Cu2 należy dodatkowo pobrać
z próbki na rozciąganie próbki do badań metalograficznych celem określenia udziału fazy



Zawartość fazy



w stopach Cu1 i Cu2, określona jest przy powiększeniu 100x, jako średnia

arytmetyczna wartość z pięciu pomiarów, powinna wynosić co najmniej 25%.

c)  Spawalnie  śrub ze  stopów miedzi  można wykonywać  metodami MIG  i TIG ze względu
na  różnorodność  materiałów,  a  zatem  potrzebę  stosowania  materiałów  o  różnym  składzie
chemicznym. Najczęściej stosujemy metodę TIG. Druty spawalnicze w tej metodzie powinny
być  wykonane  z  tego  samego  materiału  co  materiał  rodzimy,  np.  do  brązów  aluminiowo-
niklowych  i  mosiądzu  manganowego  stosuje  się  druty  spawalnicze  z  brązu  aluminiowego:
10% Al, 1÷4% Fe.

d) Przenikalność magnetyczna stopów miedzi Cu1, Cu2, Cu3, Cu4 zależy przede
wszystkim od ich składu chemicznego (zwłaszcza żelazo wpływa na jej wzrost), struktury, a
zwłaszcza obróbki cieplnej. Poniżej zamieszczono wartości współczynnika przenikalności
magnetycznej stopów miedzi przeznaczonych na śruby napędowe:

Lp.

Rodzaj stopu



śr.

MM55

1,1

Novoston

1,1

Sonoston

1,05

Superston

2,5

BM-HT

1,5

e)  Odporność  na  erozję.  Mosiądze  wykazują  małą  odporność  na  erozję.  Dużo  większą
odpornością  charakteryzują  się  brązy  wieloskładnikowe  stosowane  na  śruby  napędowe.
Wśród  nich  największą  odporność  erozyjną,  charakteryzującą  się  zarodkowaniem  i
tworzeniem  wżerów  erozyjnych,  wykazał  Novoston,  a  następnie  Nikalium  i  Sonoston.
Prędkość  zużycia  erozyjnego  w  etapie  równomiernej  intensywności  zniszczeń  (  w  trzecim
etapie  erozji)  była  najmniejsza  dla  Sonostonu,  nieco  większa  dla  Novostonu  i  znacznie
większa dla Nikalium.

)10

]

ton

[

kg/s

]

ton

Rys. 1 – porównanie odporności erozyjnej wieloskładnikowych brązów stosowanych na śruby
napędowe.

12

9

5

3

0

malejąca odporność erozyjna

- 3 -

Badania stopu BM-HT (CuAl10Mn9Fe4Ni2Cr0,8) po obróbce cieplnej wskazały, że posiada
on największą odporność na erozję. Czas zarodkowania wżerów erozyjnych jest 2,5 razy
dłuższy niż dla Novostonu, a prędkość zużycia erozyjnego V

w etapie równomiernej

intensywności zniszczeń ponad sześciokrotnie mniejsza niż dla Novostonu.

f)  Przepisy  PRS-u  wymagają  określenia  wytrzymałości  zmęczeniowej  i  zmęczeniowo-
korozyjnej  dla  odlewniczych  stopów  miedzi  przeznaczonych  na  śruby  napędowe.
Największą wytrzymałość na zmęczenie posiada stop Superston, potem Novoston, Nikalium i
na  końcu  MM55.  W  przypadku  zmęczenia  korozyjnego  największą  wytrzymałość  ma  stop
Nikalium,  a  najmniejszą  mosiądz  manganowy.  Poza  tym  Novoston,  Sonoston  i  brązy
aluminiowo  niklowe  nie  posiadają  wyraźnej  skłonności  do  pęknięć  korozyjnych  pod
naprężeniem w wodzie morskiej.

3) Metodyka:

Opis  mikroskopu:  Ćwiczenie  zostało  wykonane  przy  użyciu  mikroskopu  świetlnego.  Był  to
mikroskop  metalograficzny  z  pionową  osią  optyczną,  pracujący  w  świetle  odbitym  od
powierzchni zgładu. Obserwacji dokonano przy powiększeniu 100x.
Opis  próbek:  Po  wycięciu  z  badanej  części  jedna  powierzchnia  każdej  próbki  została
wyszlifowana  papierem  ściernym  i  wypolerowana.  Po  uzyskaniu  zgładu  wolnego  od  rys
powierzchnię  umyto  wodą  i  alkoholem,    a  następnie  wytrawiono  dziesięcioprocentowym
chlorkiem żelazowym (Cl

Fe), w celu ujawnienia granicy ziaren.

4) Wnioski:

 Analiza właściwości stopów miedzi stosowanych na śruby napędowe wykazuje, że

mosiądze mające strukturę





z wydzieleniami faz bogatych w żelazo i nikiel nie mogą

być  stosowane  na  śruby  szybkoobrotowe  ze  względu  na  małą  wytrzymałość  na
rozciąganie  i  małą  wytrzymałość  zmęczeniową  i  zmęczeniowo-korozyjną  i  słabą
odporność  na  erozję  kawitacyjną.  Zaletą  tych  mosiądzów  jest  dobra  spawalność  i  duża
plastyczność na gorąco, co ułatwia naprawy śrub.

 Brązy kategorii Cu2 i Cu4 w porównaniu z mosiądzami mają lepsze właściwości

wytrzymałościowe (R

=500÷750 MPa) oraz większą wytrzymałość zmęczeniową i

zmęczeniowo-korozyjną, lepszą odporność na korozję naprężeniową i erozję kawitacyjną.

 Najlepsze właściwości mechaniczne posiadają stopy Cu4 – tzw. Novostony i

Superstony.

 Superstony mają największy współczynnik przenikalności magnetycznej spośród

stopów miedzi (



=2,5), jednak jego wartość jest i tak bardzo mała, niewiele większa os

przenikalności  magnetycznej  w  próżni.  Jest  to  szczególnie  ważne  w  przypadku  śrub
napędowych  trałowców  małomagnetycznych  i  okrętów  podwodnych,  dla  których
zastosowany materiał powinien się charakteryzować małymi właściwościami parametrów
magnetycznych.

 Najlepszą spawalnością spośród stopów miedzi stosowanych na śruby okrętowe, ujętych

w przepisach PRS, charakteryzują się również stopy Cu4. Nie wykazują one również
pęknięć spawalniczych na gorąco.

 Bardzo istotną cechą stopów miedzi jest wzrost właściwości mechanicznych wraz ze

wzrostem prędkości odkształcenia jednostkowego. Ma to szczególne znaczenie dla śrub
napędowych okrętów ze względu na odporność na tzw. wybuchy niekontaktowe oraz dla
statków pracujących w warunkach arktycznych (lodołamacze, statki ze wzmocnieniami
lodowymi).