TECHNOLOGIA MATERIAŁÓW 

METALICZNYCH - LABORATORIUM

2010/2011

Gałek Dariusz, Kowaleczko Krzysztof

Rok

III

Grupa 2

Zespół 4

Numer

Ćwiczenia

4

Obróbka cieplna stopów metali (na 

przykładzie mosiądzu w gat. M63)

Ocena

I. Cel ćwiczenia

Praktyczna identyfikacja skutków obróbki cieplnej stopów metali (struktura jednofazowa, 

struktura dwufazowa, twardość).

II. Wstęp teoretyczny

Klasyfikacja stopów miedzi

Stopy miedzi dzieli się na:

•

odlewnicze,

•

przeznaczone do obróbki plastycznej.

Wyróżnia się następujące grupy stopów miedzi:

•

z cynkiem,

•

z cynkiem i ołowiem,

•

z cynkiem i niklem,

•

z niklem,

•

z cyną,

•

z aluminium,

•

z innymi pierwiastkami stopowymi, których łączne stężenie przekracza 5%,

•

niskostopowe, w których stężenie pierwiastków stopowych jest mniejsze niż 5%.

Stopy miedzi – w zależności od tego, czy oprócz głównego dodatku zawierają jeszcze inne 

pierwiastki stopowe – mogą być:

•

dwuskładnikowe,

•

wieloskładnikowe.

Większość stopów miedzi ma swoje tradycyjne nazwy. Mosiądze to stopy zawierające Zn 

jako   główny   dodatek   stopowy,   miedzionikle   –   stopy,   w   których   głównym  dodatkiem   jest   Ni,  

natomiast  brązy  to  stopy miedzi  zawierające  ponad 2%  dodatków  stopowych,  spośród  których 

głównym nie jest Zn lub Ni. Brązy, w zależności od głównego dodatku stopowego dzieli się m.in.  

na cynowe, aluminiowe, berylowe, ołowiowe. Tradycyjne nazwy stopów miedzi nie są używane w 

nowych normach, a podane są tylko określenia związane ze składem stopów, np. stopy miedzi z 

cyną  lub   stopy   miedzi   z   niklem.   W   grupie   stopów   miedzi   niskostopowych   umieszczono  tak  

zróżnicowane stopy jak miedzi z berylem (np. CuBe2 o bardzo dużej wytrzymałości) i miedzi z 

0,5% Zn (CuZn0,5 o własnościach zbliżonych do czystej miedzi). Używane w kraju tradycyjne 

nazwy różnych stopów miedzi podano przy opisie kolejnych grup tych stopów.

Oznaczanie stopów miedzi

Stopy   miedzi   (zgodnie   z   ISO   1190-1:1982)   są   oznaczane   z   wykorzystaniem  symboli  

pierwiastków  chemicznych.  Na  początku  znaku  jest  symbol  Cu,  po nim kolejno  symbole  oraz  

średnie stężenie głównych pierwiastków stopowych, np. CuZn20Al2As. Po znaku stopu miedzi  

można   podać   dodatkowo   oznaczenie   stanu   materiału   (według   PN-EN   1173:1999),   np.   R550 

oznacza   stan   zapewniający  minimalną   wytrzymałość   na   rozciąganie   równą   550   MPa.   Stopy  

odlewnicze mają znak zakończony kreską i literą C (lub B, jeśli są dostarczone w postaci gąsek),  

np.   CuSn5Pb9–C   (według   projektu   PN-EN   1982).   Znak   stopu   odlewniczego  uzupełnia   też  

oznaczenie   rodzaju   procesu   odlewania:   GS   –   do   form   piaskowych,  GM   –   kokilowego,   GZ   –  

odśrodkowego, GC – ciągłego oraz GP – ciśnieniowego, np. CuAl11Fe6Ni6–C–GM.

Układ Cu–Zn

Miedź tworzy z cynkiem dwa roztwory stałe graniczne α – o sieci A1 i η – o sieci A3 oraz 

trzy fazy międzymetaliczne β, γ, ε typu elektronowego. Faza β jest roztworem stałym wtórnym na 

osnowie fazy elektronowej CuZn o stężeniu elektronowym 3/2. W temperaturze niższej od 456°C 

roztwór ten występuje jako uporządkowany i jest oznaczany jako β′. Faza γ jest roztworem stałym 

wtórnym   na  osnowie   fazy   elektronowej   Cu5Zn8   o   stężeniu   elektronowym   21/13.   Faza   ε   jest  

roztworem stałym wtórnym na osnowie fazy elektronowej CuZn3 o stężeniu elektronowym 7/4. W 

zakresie temperatury 558÷730°C występuje ponadto roztwór stały graniczny δ o sieci A1, ulegający

w temperaturze 558°C rozpadowi eutektoidalnemu na mieszaninę faz γ + ε. Spośród wymienionych 

faz   jedynie   faza   α   krystalizuje   bezpośrednio   z   cieczy,  a   pozostałe   powstają   w   wyniku   reakcji  

perytektycznych.   Zakresy   stężenia   oraz  temperatury   występowania   poszczególnych   faz   i   ich  

mieszanin przedstawia wykres równowagi układu Cu–Zn, pokazany

na rysunku 1.

Rys. 1. Wykres równowagi Cu-Zn (wg. D.T. Hawkinsa)

Struktura i własności dwuskładnikowych stopów miedzi z cynkiem

Stopy miedzi z cynkiem, jako głównym pierwiastkiem stopowym, są nazywane mosiądzami. 

Mosiądze dwuskładnikowe – ze względu na skład fazowy – dzieli się na:

•

jednofazowe – o strukturze roztworu α i stężeniu od 2 do 39% Zn,

•

dwufazowe o strukturze mieszaniny α + β i stężeniu od 39 do 45% Zn.

Mosiądze jednofazowe cechuje bardzo duża plastyczność, co umożliwia stosowanie ich na 

produkty głęboko tłoczone i obrabiane plastycznie na zimno. Duża plastyczność w podwyższonej 

temperaturze umożliwia ich obróbkę plastyczną na gorąco. Mosiądze zawierające 5 do 20% Zn są 

nazywane   tradycyjnie   tombakami.  Dodatek   Zn   do   ok.   30%   zwiększa   plastyczność   oraz  

wytrzymałość   mosiądzu  (rys.   2).  Wytrzymałość   mosiądzów   zawierających   ok.   30   do   45%   Zn  

zwiększa się przy znacznym zmniejszeniu plastyczności (rys. 2). Wiąże się to z obecnością fazy β′ 

w mosiądzach dwufazowych i dlatego można je obrabiać plastycznie wyłącznie na gorąco. 

Rys. 2. Wpływ stężenia Zn na wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie mosiądzów (według W.W. Malcewa)

Mosiądze dwufazowe obrabia się plastycznie na gorąco w temperaturze, w której wykazują 

one strukturę jednofazową β (rys. 1). Stopy Cu z Zn w znacznym stopniu umacniają się w wyniku 

zgniotu. W zależności od stopnia gniotu mogą być dostarczane w różnym stanie. Przy większych  

stopniach   gniotu   jest   stosowane   międzyoperacyjne   wyżarzanie   rekrystalizujące   mosiądzów   w 

temperaturze 500÷580°C.

Wymagania   dotyczące   m.in.   stopów   Cu   z   Zn   znajdują   się   w   normach   obejmujących 

produkty   hutnicze:   płyty,   blachy,   taśmy   i   krążki   ogólnego   przeznaczenia  (PN-EN   1652:1999),  

taśmy   na   sprężyny   i   złączki   (PN-EN   1654:2001),   pręty   ogólnego   przeznaczenia   (PN-EN 

12163:2002), pręty do obróbki skrawaniem na automatach (PN-EN 12164:2002), druty ogólnego 

przeznaczenia,   na   sprężyny   i   elementy   złączne   (PN-EN   12166:2002),   kształtowniki   i   pręty 

prostokątne   ogólnego  przeznaczenia   (PN-EN   12167:2002),   pręty   z   otworem   do   obróbki  

skrawaniem na automatach (PN-EN 12168:2002), odkuwki (PN-ISO 1640:1999), łożyska ślizgowe

(PN-ISO 4382-2:1996). Krajowe gatunki mosiądzów podano w dotychczasowych normach PN-

92/H-87025, PN-91/H-87026 i PN-93/H-87027.

III. Przebieg ćwiczenia

1. Przygotować 3 próbki i oznaczyć Nr 1, 2, 3.

Na próbce Nr 1 zmierzyć  twardość,  wykonać  szlif i  po wytrawieniu  obejrzeć  strukturę 

(zrobić zdjęcie).

2. Próbkę Nr 2 włożyć do pieca temp. 500°C i wytrzymać przez 45 min, następnie wyjąć i 

szybko wrzucić do wody. Zmierzyć twardość, wykonać szlif i po wytrawieniu obejrzeć 

strukturę (zrobić zdjęcie).

3. Próbkę Nr 3 włożyć do pieca temp. 800°C i wytrzymać przez 45 min, następnie wyjąć i 

szybko wrzucić do wody. Zmierzyć twardość, wykonać szlif i po wytrawieniu obejrzeć 

strukturę (zrobić zdjęcie).

IV. Opracowanie wyników

 

1. Schemat aparatury i urządzeń stosowanych podczas przeprowadzania ćwiczenia.

Rys. 3. Twardościomierz

Rys. 4. Piec do wygrzewania próbek

2. W  oparciu   o   uzyskane   dane   doświadczalne   zestawić   zdjęcia   struktury   w   powiązaniu   z 

układem podwójnym Cu-Zn

Rys. 5. Układ podwójny Cu-Zn

Twardość próbek HB

2a [μm]

Próbka Nr 1

200

170

200

Próbka Nr 2

250

270

250

Próbka Nr 3

230

210

210

Tabela 1. Wyniki pomiarów – przekątne odcisku

Twardość HB obliczono wg wzoru (1)

HB=

1,8544 P

2a

2

[

GPa]

(1)

gdzie:

P – siła wciskająca wgłębnik w [N] (P = 49N)

2a – przekątna odcisku w [μm]

Twardość HB dla poszczególnych próbek:

1)

HB

1

=

1,8544 P

2a

2

=

1,8544⋅49

200

2

=

0,00227164 GPa

  

   

HB

2

=

1,8544 P

2a

2

=

1,8544⋅49

170

2

=

0,00314414GPa

   

HB

3

=

1,8544 P

2a

2

=

1,8544⋅49

200

2

=

0,00227164 GPa

2)

HB

1

=

1,8544 P

2a

2

=

1,8544⋅49

250

2

=

0,00145385 GPa

 

   

HB

2

=

1,8544 P

2a

2

=

1,8544⋅49

270

2

=

0,00124644GPa

   

HB

3

=

1,8544 P

2a

2

=

1,8544⋅49

250

2

=

0,00145385 GPa

3)

HB

1

=

1,8544 P

2a

2

=

1,8544⋅49

230

2

=

0,00171768 GPa

 

   

HB

2

=

1,8544 P

2a

2

=

1,8544⋅49

210

2

=

0,00206044GPa

   

HB

3

=

1,8544 P

2a

2

=

1,8544⋅49

200

2

=

0,00206044 GPa

2a [μm]

HB [GPa]

HB [GPa]

Próbka Nr 1

200

0,00227164

0,00256247

170

0,00314414

200

0,00227164

Próbka Nr 2

250

0,00145385

0,00138471

270

0,00124644

250

0,00145385

Próbka Nr 3

230

0,00171768

0,00194620

210

0,00206044

210

0,00206044

Tabela 2. Zestawienie wyników

Rys. 6. Struktura próbki Nr 1

Rys. 7. Struktura próbki Nr 2

Rys. 8. Struktura próbki Nr 3

V. Dyskusja wyników i wnioski

Mosiądze   dwuskładnikowe,   czyli   stopy   miedzi   z   cynkiem,   są   najczęściej   stosowanymi 

stopami miedzi. Jak wynika z układu równowagi miedź-cynk (rys. 9). stopy zawierające do 39% Zn 

mają strukturę roztworu stałego α cynku w miedzi, powyżej tej zawartości – strukturę dwufazową, 

będącą mieszaniną roztworu stałego α i roztworu stałego β (β' 

–   uporządkowany   roztwór   stały   β   na  osnowie   fazy  

międzymetalicznej   CuZn).  Roztwór   stały   α   odznacza   się  

dobrymi własnościami wytrzymałościowymi, łatwo poddaje  

się przeróbce plastycznej na zimno i jest odporny na działanie 

wielu   ośrodków  korozyjnych.   Roztwór   β   jest   twardszy   od  

roztworu stałego α, mniej jednak ciągliwy i mniej odporny na 

korozję.

W   zasadzie   cynk   zwiększa   wytrzymałość   i 

plastyczność  stopu,   ale   maksymalną   plastyczność   ma   stop  

zawierający około 30% Zn. Przekroczenie granicy obszaru  

jednofazowego  powoduje   gwałtowne   pogorszenie  

plastyczności.  Z  tego powodu  do  przeróbki   plastycznej  na  

zimno (cienkie blachy i druty) stosuje się raczej mosiądze o 

maksymalnej  plastyczności   w   temperaturze   pokojowej,   tj.  

mosiądze   jednofazowe   α   zawierające   około   30%   Zn. 

Natomiast do strony miedzi przeróbki plastycznej na gorąco  

lepiej nadają się mosiądze zawierające więcej niż 32% Zn,  

gdyż w wysokiej temperaturze struktura takich stopów składa

się z kryształów α+ β (roztwór stały β w temp. 300 ÷ 700°C

Rys. 9. Część układu

jest mniej wytrzymały i bardziej plastyczny niż roztwór stały α). 

Mosiądze do przeróbki plastycznej są stosowane przeważnie w stanie utwardzonym przez 

zgniot, dzięki czemu uzyskuje się znaczne podwyższenie ich wytrzymałości, przy pewnym jednak 

pogorszeniu własności plastycznych. 

Mosiądze charakteryzują się dobrą odpornością na korozję, szczególnie atmosferyczną i w 

wodzie morskiej. Odporność na korozję stopów miedzi z cynkiem zwiększa się wraz ze wzrostem 

stężenia   Cu.   Najczęściej   spotykanymi   rodzajami   korozji   mosiądzów   jest   odcynkowanie   oraz 

korozja naprężeniowa, zwana pękaniem sezonowym mosiądzów.

Badany mosiądz CuZn37 (M63 – oznaczenie CuZn37 wg DIN, M63 wg PN) charakteryzuje 

się dobrą podatnością do obróbki plastycznej na zimno, jest lutowalny. Obróbka skrawaniem jest 

utrudniona i zaleca się niskie prędkości skrawania. Odporność na korozję jest dobra w większości 

środowisk.   Po   obróbce   plastycznej   spada   odporność   na   korozję   naprężeniową   i   zaleca   się 

odprężenie   przez   wyżarzanie.   Nie   nadaje   się   do   stosowania   z   kwasem   octowym,   związkami 

amoniaku, kwasu solnego i kwasu azotowego. Mosiądz CuZn37 znajduje zastosowanie w produkcji 

chłodnic, podzespołów elektrycznych, części tłoczonych.