K O M I S J A   B U D O W Y   M A S Z Y N   P A N   –   O D D Z I A Ł   W   P O Z N A N I U 

Vol. 25 nr 1 lub 2 

 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 

2005 

                                                

 

MARCIN KONDRACKI*, JÓZEF GAWROŃSKI**, JAN SZAJNAR*** 

 

ELIMINACJA OŁOWIU Z ARMATUROWYCH STOPÓW 

MIEDZI Z CYNKIEM 

 

W pracy przedstawiono stosowane do tej pory metody eliminacji ołowiu ze stopów miedzi. 

Szczególną uwagę poświęcono możliwości zastąpienia mosiądzów armaturowych przez stopy 
wieloskładnikowe. Omówiono metodykę prowadzanych badań i ich wyniki. Porównano własności 
nowych stopów z własnościami klasycznych mosiądzów ołowiowych. 

 

Słowa kluczowe: stopy Cu, mosiądze bezołowiowe, mosiądze wieloskładnikowe, własności, 

optymalizacja 

 

1. WPROWADZENIE 

 

Spośród najważniejszych stopów odlewniczych miedzi na pierwszym miejscu 

należy wymienić stopy miedź – cynk, popularnie nazywane mosiądzami. Ich 
produkcja pochłania ok. 20% światowej produkcji miedzi [2]. Największe 
zastosowanie znalazły stopy CuZn z dodatkiem ołowiu (80% produkcji [2]). Stopy 
CuZnPb zawierają do 3% ołowiu i uzyskują dzięki temu dodatkowi wysokie 
własności technologiczne i użytkowe, takie jak dobra lejność, znakomita 
skrawalność i wysoka odporność korozyjna, dlatego znalazły zastosowanie 
w wielu gałęziach techniki [2]. 

Zwiększająca się  świadomość ekologiczna spowodowała wystąpienie na 

początku lat 90. ubiegłego wieku tendencji do wyeliminowania ołowiu ze stopów 
miedzi stosowanych na elementy armatury wodnej do użytku domowego. 
W połowie lat 90. ustanowiono normy prawne, wyznaczające dopuszczalne ilości 
ołowiu w wodzie pitnej na 15 

μg/l [1, 2, 15]. Przy stosowaniu typowych stopów 

armaturowych zawierających ołów jego ilość w wodzie pitnej, w zależności od jej 
składu i kwasowości często przekraczała 50 

μg/l . Do akcji eliminowania ołowiu 

 

*     Dr inż. 
**   Prof. dr inż. 
*** Dr hab. inż., Prof. Pol. Śl. 

Zakład Odlewnictwa, Instytut Materiałów Inżynierskich 
i Biomedycznych,  Wydział Mechaniczny Technologiczny, 
Politechnika Śląska, Gliwice, marcin.kondracki@polsl.pl 

 

M. Kondracki, J. Gawroński, J. Szajnar 

2 

ze stopów Cu włączyła się również Światowa Organizacja Zdrowia wyznaczając 
trend obniżania zawartości Pb w wodzie pitnej na kolejne lata do 10, a następnie 
5 

μg/l [2]. W Europie podjęto również ten problem i w 1998 roku powstała 

dyrektywa UE dotycząca jakości wody używanej do celów domowych. 

Spośród rozwiązań, które pojawiły się w tym okresie należy wymienić proces 

modyfikacji, pasywację powierzchni wewnętrznej odlewu, stopy z dodatkiem 
bizmutu, kompozyty stop Cu – grafit oraz stopy wieloskładnikowe. 

Najwięcej uwagi w literaturze fachowej poświęcono stopom miedzi, w których 

ołów został zastąpiony bizmutem [1, 7, 15 – 17]. Przy wyborze tego pierwiastka 
kierowano się głównie jego silnym wpływem na skrawalność. Podejście takie jest 
jak najbardziej słuszne, gdyż w przypadku elementów armatury około 20 – 60% 
kosztów produkcji stanowią koszty obróbki [2]. Bizmut wykazuje wiele 
podobieństw do ołowiu, ma wysoką  gęstość, niską temperaturę topnienia 
i 

praktycznie nie rozpuszcza się w stopach miedzi [1, 15]. Poza tymi 

podobieństwami bizmut poprawia skrawalność stopów Cu [7]. Wpływ bizmutu na 
skrawalność jest większy nawet od wpływu ołowiu, obniżeniu ulegają opory 
skrawania (rys. 1.), a powstające wióry ulegają większemu rozdrobnieniu (rys. 2). 

 
 
 

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

MO59

MO59

1% Bi

2% Bi

3% Bi

si

ła ob

w

odow

a,

 [

N

]

V = 40 m/min.

V = 100 m/min.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 1. Wartości siły obwodowej przy toczeniu dla różnych prędkości skrawania i zmiennej ilości 

Bi, dla porównania pokazano wartości sił skrawania dla mosiądzu ołowiowego CuZn39Pb2 

(MO59) [4] 

Fig. 1. Circumferential component of cutting force for various cutting speed and brasses with 

different Bi additions, leaded brass for comprison [4] 

 
 

  Przez wielu bizmut uznawany jest za nieszkodliwy dla człowieka [1, 17]. 
Stopy Cu zawierające bizmut wykazują jednak bardzo wysoka kruchość, co 

Eliminacja ołowiu z armaturowych stopów miedzi z cynkiem 

3 

wiąże się ze sposobem wydzielania się bizmutu. Ze względu na dużą 
zwilżalność w stanie ciekłym układa się on na granicach ziarn Cu tworząc 
kruchą siatkę [2, 15, 17]. 

 
 
 

a 

b 

1 mm

1 mm 

1 mm

1 mm

1 mm

1 mm 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 2. Kształt wiórów dla stopów CuZn zawierających (a, b) 2% Pb, (c) 1% Bi, (d) 1,5% Bi, (e) 

2% Bi, (f) 3% Bi [4] 

Fig. 2. Chip shape for CuZn alloys containing (in mass %): (a, b) 2% Pb, (c) 1% Bi, (d) 1,5% Bi, 

(e) 2% Bi, (f) 3% Bi [4] 

 
 

Żeby uniknąć takiego rozłożenia bizmutu należy zwiększyć  kąt zwilżania 

poprzez wprowadzenie do ciekłej miedzi dodatków P, Sn, In, Sb, przy czym 
najlepsze efekty daje In. Stop z dodatkiem 1% Bi i 0,5% In wykazuje zbliżone 
własności do mosiądzu ołowiowego. Bizmut można też wprowadzać w postaci 
związków: siarczków, selenków lub tellurków. Skład chemiczny i własności 
użytkowe tych stopów są bardzo zbliżone do typowych mosiądzów 
armaturowych. 

Stopy CuZn z bizmutem mają niższą lejność od stopów z ołowiem [4, 7]. 

O wiele  łatwiej ulegają też korozji, a w szczególności odcynkowaniu [17]. 
Należy też zauważyć,  że oprócz pogorszenia prawie wszystkich własności 
użytkowych stopu (poza skrawalnością) bizmut jest znacznie droższy od ołowiu 
(rys. 3), podobnie jak dodatki sferoidyzujące wprowadzane z nim [2, 14]. Poza 
tym bizmut ma szkodliwy wpływ na zdrowie człowieka i może powodować 
zatrucia [2, 14]. Objawy mają jednak charakter przejściowy, a nie jak to ma 
miejsce w przypadku ołowiu, chroniczny [14]. Jeszcze groźniejszy dla zdrowia 
jest selen, a większa skłonność do korozji stopów zawierających te dodatki 
wyklucza ich „ekologiczność”. 

M. Kondracki, J. Gawroński, J. Szajnar 

4 

Niewielka liczba publikacji poświęcona jest natomiast możliwości 

zastąpienia mosiądzów ołowiowych stopami wieloskładnikowymi (na bazie 
CuZn). 

 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Rys. 3. (a) Ocena szkodliwości wybranych pierwiastków, mogących znaleźć zastosowanie w 

stopach miedzi jako dodatki poprawiające ich obrabialność (złoto dla porównania), (b) 

porównanie kosztów 1 dcm

3

 wybranych pierwiastków [14] 

Fig. 3. Evaluation of toxicity to human for different elements, gold given for comparison (a) and 

cos comparison of alloying elements in USD/ dcm

3

 [14] 

 
 

Główny powód takiego stanu rzeczy, to występowanie w stopach szeregu 

oddziaływań pierwiastków stopowych na strukturę i własności stopu jak również 
na działanie wzajemne takich dodatków. Dokładne określenie wpływów oraz 
wzajemnych oddziaływań pierwiastków stopowych w świetle własności stopu 
umożliwiłoby sterowanie własnościami stopu, a matematyczny zapis takich 

Eliminacja ołowiu z armaturowych stopów miedzi z cynkiem 

5 

zależności pozwoliłby dobierać optymalny skład chemiczny stopu w zależności 
od zastosowania Niniejsza praca stanowi próbę opisu wzajemnych oddziaływań 
pierwiastków stopowych i ich rolę w kształtowaniu struktury i własności stopów 
na bazie CuZn. Matematyczny zapis relacji pomiędzy własnościami a składem 
chemicznym umożliwiłby optymalizację składu stopów pod kątem wysokich 
własności użytkowych i technologicznych. Pozwoliłoby to zastąpić stosowane 
do tej pory stopy z dodatkiem ołowiu, ekologicznymi stopami 
wieloskładnikowymi o zbliżonych własnościach. 

 

2. METODYKA BADAŃ 

 
 

Prowadzone badania dotyczyły wpływu następujących dodatków: Sn, Ni, Si, 

Fe, Al, P wprowadzanych w łącznej ilości do 3% zawartości przy udziale Cu 
równym 59% dla wszystkich stopów (Zn stanowił dopełnienie). Badania 
prowadzono według eksperymentu czynnego, w którym wymuszeniem był skład 
chemiczny a odpowiedzią była zmiana własności użytkowych badanego stopu. 
Wytopy prowadzono w warunkach laboratoryjnych. Stop przygotowywany był 
ze składników technicznie czystych (Cu99,99, Zn99,9, Sn99,9) i zapraw 
(CuNi13, CuFe12, CuSi16, CuAl50 i CuP10) w piecu indukcyjnym tyglowym 
średniej częstotliwości. Odlewy, z których pobierano próbki do badań 
wykonywane były w kokilach żeliwnych. 
  W celu kompleksowego zbadania zależności pomiędzy składem 
chemicznym, strukturą i własnościami stopu wykonano następujące badania: 
–  analiza składu chemicznego 
–  badania procesu krystalizacji za pomocą analizy termicznej i derywacyjnej 
–  wyznaczenie ilości składników struktury metodami mikroskopowej analizy 
ilościowej 
–  określenie składu chemicznego składników struktury przy pomocy 
mikroanalizy rentgenowskiej 
–  wyznaczenie własności mechanicznych 
–  badania lejności 
–  określenie skrawalności przy wierceniu ze stałą siłą posuwową 
–  badania odporności korozyjnej. 
Skład chemiczny uzyskanych stopów badany był przy pomocy spektrometru 
rentgenowskiego ALR typu 8420+XRS (nr seryjny 8420 – 150). Dokładność 
aparatu pozwala określić udział Cu z dokładnością do 0,15%, a pozostałych 
dodatków stopowych z dokładnością 0,004%. 

Do zbadania procesu krystalizacji stopów wykorzystano analizę termiczną 

i derywacyjną [2, 3, 5, 6]. 

Dane zebrane podczas analizy termicznej i derywacyjnej zostały 

wykorzystane do określenia zależności pomiędzy składem chemicznym 

M. Kondracki, J. Gawroński, J. Szajnar 

6 

a temperaturą w punktach charakterystycznych krzywych ATD. Ponadto, 
wykorzystując wyniki analizy ilościowej składników struktury zaproponowano 
równania opisujące ich udział w funkcji parametrów charakterystycznych 
punków krzywych ATD [3]. 

Strukturę uzyskanych stopów zbadano przy pomocy mikroskopu świetlnego 

wykonując analizę ilościową poszczególnych składników stopowych. 
W strukturze obserwowano oprócz podstawowych składników (fazy 

α i β’) 

również liczne wydzielenia międzymetaliczne (rys. 4) [6, 8 – 11, 13]. Ich 
identyfikację wykonano przy pomocy mikroskopu skaningowego z przystawka 
EDAX. 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 4. Wyniki mikroanalizy rentgenowskiej wydzieleń międzymetalicznych obserwowanych w 

strukturze stopu, a) pole pomiarowe b) wyniki analizy punktowej (w % mas. 59.61 Fe, 18.22 Si, 

11.54 Cu, 10.23 Zn, 0.40 Al) 

Fig. 4. Roentgenographic analysis of hard inclusions; a) measuring field, b) point analysis of the 

inclusion pointed by arrow (% mas. content: 59.61 Fe, 18.22 Si, 11.54 Cu, 10.23 Zn, 0.40 Al) 

Eliminacja ołowiu z armaturowych stopów miedzi z cynkiem 

7 

W ramach badań 

własności mechanicznych wykonano badania 

wytrzymałości na rozciąganie, próbę udarności i twardości metodą Vickersa. 
Badania ujawniły wpływ składników stopowych na własności, jak również 
wpływ składników struktury na te własności. 

Spośród własności technologicznych zbadano te, na które korzystny wpływ 

ma ołów [2]. Wykonano badania lejności przy użyciu próby technologicznej 
zaproponowanej przez Navarro – Alcacero, badania skrawalności przy wierceniu 
ze stałą siłą posuwową metodą Dagnell’a i badania odporności korozyjnej 
w środowisku powodującym odcynkowanie [2, 10, 12]. 

Na rysunku 5 porównano czas wiercenia otworu w funkcji jego głębokości 

dla przebadanych stopów wieloskładnikowych oraz stopu z dodatkiem ołowiu 
i bez dodatków stopowych.  

 
 

 

160 

 

 

120 

 

 

 

80 

40 

15                  30                 45                  60                  75                 90                105 

badane stopy 
wieloskładnikowe 

C

 
 
 

uZn41

CuZn39Pb2 

 
 

, s 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

głębokość otworu, mm

czas wi

erce

nia

 

Rys. 5. Czas wiercenia otworu w funkcji jego głębokości dla różnych stopów CuZn 

Fig. 5. Drilling time in function of hole depth for different CuZn alloys 

 
 

Jak widać, dla stopów wieloskładnikowych można uzyskać korzystną 

poprawę tej własności materiału. Stopy wieloskładnikowe wykazują również 
przy obróbce korzystny kształt wiórów (rysunek 6). 

Stopy wieloskładnikowe charakteryzują się w porównaniu do mosiądzów 

ołowiowych wyższą lejnością (w zależności od składu chemicznego jest ona 
wyższa o około 30%) i dobrą odpornością na odcynkowanie. 

Własności mechaniczne bezołowiowych mosiądzów wieloskładnikowych są 

znacznie wyższe od własności mosiądzów ołowiowych [2]. 

M. Kondracki, J. Gawroński, J. Szajnar 

8 

 

 

 

20 mm 

a 

 

 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

20 mm

Rys. 6. Kształt wiórów dla stopu CuZn41 (a), CuZn39Pb2 (b) i wybranych stopów 

wieloskładnikowych (c) 

Fig. 6. Chip shape for different alloys: CuZn41 (a), CuZn39Pb2 (b) and selected multi-component 

brasses (c)

 

 
 

Uzyskane w badaniach wyniki pozwoliły opracować model matematyczny 

wpływu składu chemicznego na wymienione własności i strukturę oraz 
wykorzystać je przy optymalizacji składu chemicznego i projektowaniu stopów 
bezołowiowych. Opracowany w ten sposób model matematyczny umożliwił 
opracowanie składu chemicznego stopu zapewniającego wysokie własności 
technologiczne (skrawalność, lejność) i użytkowe (własności mechaniczne 
i 

strukturalne oraz odporność korozyjna). Model został zweryfikowany 

doświadczalnie z pozytywnym wynikiem [2].  
 

 

 

3. PODSUMOWANIE 

 
 

Przeprowadzone badania wykazały,  że w zamkniętym układzie dodatków 

stopowych można ich wpływ na własności i wzajemne oddziaływania opisać 
w sposób  ilościowy. Uzyskany model pozwala projektować stop o zadanych 
własnościach użytkowych i technologicznych. W badaniach wykonano 

20 mm 

b 

c 

Eliminacja ołowiu z armaturowych stopów miedzi z cynkiem 

9 

eksperymentalną weryfikację proponowanych równań, która wykazała wysoką 
zgodność wartości doświadczalnych i wyznaczonych z równań [2]. 

Analiza termiczna i derywacyjna podczas krzepnięcia odlewu pozawala 

diagnozować strukturę stopu i pośrednio jego własności. 

Należy stwierdzić,  że prezentowane badania umożliwiły dobór składu 

chemicznego wieloskładnikowych mosiądzów bezołowiowych zapewniającego 
własności technologiczne zbliżone do własności mosiądzów ołowiowych, przy 
znacznie wyższych własnościach mechanicznych. Określone w 

badaniach 

zakresy dodatków stopowych oraz sposób doboru dodatków stopowych stały się 
przedmiotem zgłoszenia patentowego P 378845.  

 
 

LITERATURA 

 

[1] 

Janus A., Ankudowicz B., Possibility of lead elimination from CuZn39Pb2 brass, 
Krzepnięcie Metali i Stopów, vol. 43, PAN Katowice 2000  

[2] 

Kondracki M., Praca doktorska, Politechnika Śląska, Gliwice 2006 

[3] 

Kondracki M., Gawroński J., Szajnar J., Diagnozowanie struktury odlewniczych stopów 
CuZn przy pomocy ATD, Międzynarodowa Konferencja Naukowo -Techniczna 
Odlewnictwa Metali Nieżelaznych Nauka - Technologie, Wysowa 2005 

[4] 

Kondracki M., Gawroński J., Szajnar J., Dyrbuś G., Własności technologiczne 
bezołowiowych mosiądzów armaturowych, Archiwum Odlewnictwa, rocznik 3, nr 9, PAN 
Katowice 2003 

[5] 

Kondracki M., Gawroński J., Szajnar J., Grzelczak R., Podsiadło K., Badanie procesu 
krystalizacji mosiądzu ołowiowego MO59 przy pomocy ATD, Archiwum Odlewnictwa, vol. 
4, PAN Katowice 2002  

[6] 

Kondracki M., Gawroński J., Szajnar J., Role of the intermetallic phases in technological 
process of fixture brasses, Elsevier Journal o Materials Processing Technology, vol. 162-
163, 2005 

[7] 

Kondracki M., Gawroński J., Szajnar J., The alloy additions influence on technological 
properties of fixture brasses, AMME, Gliwice – Zakopane 2003  

[8] 

Kondracki M., Szajnar J., Improvement of modification process of some copper alloys, 
Slevarenstvi 9/2004, Brno 2004 

[9] 

M. Kondracki, J. Gawroński, J. Szajnar, Hard inclusions in fixture brasses, AMME, Wisła, 
2005 

[10]  M. Kondracki, J. Gawroński, J. Szajnar, Wpływ składu chemicznego na skrawalność 

bezołowiowych mosiądzów odlewniczych, Archiwum Odlewnictwa, vol. 18, PAN Katowice 
2006  

[11]  M. Kondracki, J. Gawroński, J. Szajnar: Identyfikacja wybranych składników struktury 

odlewniczych stopów CuZn, Archiwum Odlewnictwa, vol. 15, PAN Katowice 2005 

[12]  Miernik M., Metals machinability, Wyd. Pol. Wroc., Wrocław 2000  
[13]  Pacałowski J., Tałach-Dumańska M., Spodaryk A., Wieloskładnikowy mosiąz 

wieloskładnikowy o dobrej skrawalności I odporności na ścieranie, Krzepnięcie Metali i 
Stopów, vol. 24, PAN Katowice 1995 

[14] 

Rohatagi P. K. i inni, Odlewane kompozyty o osnowie miedzi zbrojone cząsteczkami grafitu, 
II Konferencja Stopy Miedzi, materiały konferencyjne, Wrocław – Szklarska Poręba 1996

 

[15]  Rzadkosz S., Holtzer M., Aspekty ekologiczne w zakresie stosowania mosiądzów 

armaturowych, Konferencja „Nowoczesne Tendencje w Odlewnictwie Metali 
Nieżelaznych”, Kraków 1997 

M. Kondracki, J. Gawroński, J. Szajnar 

10 

[16]  Sadayappan M., Thomson J.P., Sahoo M., Grain refinement of permanent mold cast copper 

base alloys, World Foundry Congress, Istambul 2002 

[17]  Umeda T. i inni, Development of lead free copper alloy castings, mechanical properties, 

castability and machinability, World Foundry Congress , Istambul 2002 

 
 

LEAD ELIMINATION FROM FIXTURE COPPER-ZINC ALLOYS 

 

S   u   m   m   a   r   y  

 

In this work lead elimination methods from fiture brasses were described. Special attention 

was pointed on possibility of leaded brass replacement with multi-component brass. Studies 
methodology was shown with some results. The properties of new multi-component alloys were 
compared with traditional leader brass CuZn39Pb2. 

 

Key words: Cu alloys, non-leaded brasses, multi-component brasses, properties, optimization