Daniel Prasał

nr albumu: 135539

Wydział Mechaniczny

MiBM

ĆWICZENIE NR 7

Stopy metali nieżelaznych

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze stopami metali nieżelaznych.

2. Wstęp

W technice oraz przemyśle, oprócz szeroko stosowanych stali węglowych i stopowych, ogromne znaczenie mają stopy metali nieżelaznych. Ciągłe poszukiwanie materiałów o właściwościach, których stale spełnić nie mogą, doprowadziło do uzyskania zupełnie innych stopów metali nieżelaznych.

3. Przebieg ćwiczenia

Ćwiczenie polegało na obserwacji przygotowanych próbek przy użyciu mikroskopu laboratoryjnego.

4. Obserwowane próbki.

1. Stopy aluminium

Aluminium jest metalem lekkim o małej gęstości rzędu 2,7g/cm³ czyli jest około 3 razy lżejszy od żelaza. Temperatura topnienia wynosi 660^oC. Czyste aluminium ma barwę srebrzysto - białą, jest odporne na czynniki korodujące i działanie słabych kwasów. Posiada dobrą przewodność cieplną i elektryczną, jest plastyczne, ciągliwe i posiada dobry stosunek wytrzymałości do ciężaru. Stopy aluminium znalazły szerokie zastosowanie w przemyśle lotniczym a ostatnimi laty w motoryzacji.

Silumin to typowy stop odlewniczy z dodatkiem krzemu, oraz innymi (o mniejszym udziale procentowym) dodatkami takimi jak miedź, magnez, mangan i nikiel, odporny na korozję, o dobrej lejności, małym skurczu i małą skłonnością do pękania, popularny w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym.

Siluminy maja bardzo dobre właściwości odlewnicze, tzn. dobrą lejność, mały skurcz, dokładnie wypełniają formę, tworzą skoncentrowaną jamę usadową i nie wykazują skłonności do pękania. Dodatki stopowe, takie jak magnez i miedz zwiększają wytrzymałość, nikiel poprawia odporność korozyjną stopu.

Pierwszą oglądaną próbką był silumin o oznaczeniu AK9 (AlSi9Mg). Jest to stop podeutektyczny, niemodyfikowany. Charakteryzuje się on duża plastycznością i małą wytrzymałością. Jego zaletą jest odporność na pękanie w wysokich temperaturach, oraz dobra lejność. Stosowany jest w mniej odpowiedzialnych konstrukcjach, gdzie wymagane są elementy o skomplikowanym kształcie, elektrotechnice, lotnictwie i przemyśle rakietowym. Poniżej przedstawiona próbka trawiona była
2% roztworem fluorowodoru w wodzie utlenionej.

Stop AK9 niemodyfikowany - powiększenie 200x

Drugą oglądaną próbką był ten sam silumin AK9, tyle że modyfikowany związkami sodu. Modyfikacja taka powoduje wydzielenie fazy  na tle eutektyki faz  i . skutkiem takiego zabiegu jest podniesieni własności wytrzymałościowych w porównaniu z siluminem niemodyfikowanym. Poniżej przedstawiona próbka była trawiona tym samym roztworem.

Stop AK9 modyfikowany - powiększenie 200x

Kolejną próbką był silumin nadeutektyczny AK22 (AlSi21CuNi) o zawartości krzemu około 22%. Siluminy te modyfikuje się związkami fosforu w odróżnieniu od siluminów eutektycznych i podeutektycznych.

Struktura siluminu nadeutektycznego AK22 cechuje się występowaniem dużych kryształów pierwotnego krzemu oraz grubokrystalicznych zbliźniaczonych płytek krzemu eutektycznego. Duże
i nierównomiernie rozłożone kryształy pierwotnego krzemu poważnie utrudniają obróbkę mechaniczną odlewów. Modyfikacja czystym fosforem lub jego związkami (CuP, CuNiP oraz AlCuP) powoduje znaczne rozdrobnienie tych kryształów. W porównaniu z siluminami podeutektycznymi, AK22 charakteryzuje się mniejszą plastycznością, wyższą wytrzymałością, większą odpornością na ścieranie i korozję. Jest to oczywiście spowodowane wyższą zawartością kruchego i twardego krzemu. Siluminy te stosuje się m.in. na tłoki mniej obciążonych silników spalinowych. Obserwowany silumin był niemodyfikowany. Zgład próbki trawiony podobnie jak w poprzednich przypadkach
2% roztworem fluorowodoru w wodzie utlenionej.

Stop AK22 niemodyfikowany - powiększenie 200x

Duraluminium (skrótowo: dural) to ogólna nazwa stopów metali, zawierających głównie aluminium oraz dodatki stopowe: zwykle miedź (2,0-4,9%), mangan (0,3-1,0%), magnez (0,15-1,8%), często także krzem, żelazo i inne w łącznej ilości ok. 6 do 8%, przeznaczony do przeróbki plastycznej. Gęstość duraluminium to ok. 2800 kg/m³ (przy 2700 dla czystego glinu). Po poddaniu stopu przesycaniu, a następnie starzeniu (utwardzanie wydzieleniowe lub inaczej dyspersyjne), posiada on wysoką wytrzymałość mechaniczną - wytrzymałość doraźna ponad 400 MPa. Najlepsze własności wytrzymałościowe uzyskuje po starzeniu naturalnym. Urale stosowane są m.in. w lotnictwie do części konstrukcyjnych, niegdyś także do ram naziemnych pojazdów sportowych, itp.

Obserwowaną próbką duraluminium był stop AM75 niemodyfikowany. Stosowany jest on w budownictwie na części maszyn oraz średnio obciążone części silników.

Stop AM75 niemodyfikowany - powiększenie 200x

2. Stopy miedzi

Mosiądze są to stopy miedzi i cynku, zawierający do 40% cynku. Może zawierać dodatki innych metali, takich jak ołów, aluminium, cyna, mangan, żelazo, chrom oraz krzem. Topnieje w temperaturze ok. 1000°C (zależnie od gatunku).

Mosiądz ma kolor żółty (złoty), przy mniejszych zawartościach cynku zbliżający się do naturalnego koloru miedzi. Stop ten jest odporny na korozję, ciągliwy, łatwy do obróbki plastycznej. Posiada dobre właściwości odlewnicze.

Z mosiądzu wytwarza się armaturę, osprzęt odporny na wodę morską, śruby okrętowe, amunicję, okucia budowlane, w szczególności klamki. Ponadto, elementy maszyn w przemyśle maszynowym, samochodowym, elektrotechnicznym, okrętowym, precyzyjnym, chemicznym. Ważnym zastosowaniem mosiądzu jest produkcja instrumentów muzycznych. Jest on wytrzymalszy od brązu, ponieważ zawiera cynk nadający mu twardość. Jest on bardzo przydatny do obróbki plastycznej na zimno, np. podczas produkcji łusek amunicji.

Kolejną oglądaną próbką był mosiądz jednofazowy () (Ni17Cu). Jest to stop miedzi z cynkiem o zawartości do 39%. Powyżej tej wartości pojawia się faza  zgodnie z wykresem fazowym. Roztwór stały α odznacza się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi, łatwo poddaje się przeróbce plastycznej na zimno i jest odporny na działanie wielu ośrodków korozyjnych. 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  zawierające około 30% Zn. Mosiądze jednofazowe znajdują zastosowanie w technice transportu cieczy (armatura wodna, zawory), na przewody oraz membrany.

Mosiądz jednofazowy () - powiększenie 200x

Natomiast do przeróbki plastycznej na gorąco lepiej nadają się mosiądze zawierające więcej niż 32% Zn, gdyż w wysokiej temperaturze struktura takich stopów składa się z kryształów  +  (roztwór stały  w temp. 300 ÷ 700°C jest mniej wytrzymały i bardziej plastyczny niż roztwór stały ). Mosiądze te stosowane są ze względu na większą wytrzymałość na elementy konstrukcyjne takie jak blachy, pręty, rury, kształtowniki. Charakteryzują się mniejszą odpornością na korozję. Mosiądz dwufazowy przedstawia kolejny rysunek.

Mosiądz dwufazowy ( + ) - powiększenie 200x

Brązy są to stopy miedzi z cyną oraz innymi metalami i ewentualnie innymi pierwiastkami, w których zawartość miedzi zawiera się w granicach 80-90% wagowych. Brązy są jednymi z najstarszych stopów wytwarzanych przez człowieka.

Brązy posiadają dobre własności wytrzymałościowe, są łatwo obrabialne. Brązy wysokostopowe poddają się także hartowaniu. Posiadają dobre właściwości przeciwcierne, są odporne na wysoką temperaturę i korozję. Zastosowanie brązów jest ograniczone ze względu na ich wysoką cenę.

Jedną z oglądanych próbek był brąz cynowy B10 (CuSn10) należący do grupy wysokocynowych. Cechy brązów cynowych są zależne od zawartości samej cyny. Największą wytrzymałość oraz wydłużenie posiadają stopy o odpowiedniej zawartości Sn oraz odpowiadającej granicznej rozpuszczalności, a twardość jest powiększana w sposób ciągły razem z zawartością cyny. Graniczna rozpuszczalność cyny w miedzi w temperaturze eutektoidalnej czyli 520^oC wynosi około 15,8%. Brązy wysokocynowe stosowane są w przemyśle mechanicznym, papierniczym oraz okrętowym na takie elementy jak na przykład ślimaki i ślimacznice w przekładniach. Stopy te charakteryzują się dobrą skrawalnością. Poniżej przedstawiona jest struktura takiego brązu.

Brąz wysokocynowy B10 - powiększenie 200x

Brąz cynowo-ołowiowo-fosforowy był kolejnym obiektem obserwacji. Należy on do grupy brązów ołowiowych. Brązy ołowiowe zawierają do 26% ołowiu oraz najczęściej mniejsze dodatki cyny, niklu, manganu itd. Odznaczają się dobrą odpornością na korozję dobrą obrabialnością, a przede wszystkim dobrą odpornością na ścieranie, w związku z czym wykonuje się z nich tulejki i panewki do silnie obciążonych maszyn. Ze względu na brak rozpuszczalności ołowiu w miedzi, w stanie ciekłym brązy ołowiowe maja skłonność do likwacji składników. Warunkiem dobrych własności przeciwciernych stopu jest równomierne rozmieszczenie ziarn ołowiu i miedzi.

Brąz ołowiowy - powiększenie 200x

Ostatnią próbką był stop łożyskowy o oznaczeniu Ł83 (SnSb11Cu6). Jest to stop brązu o szczególnych właściwościach i tak wytworzonej strukturze aby mogła przenosić duże naciski i jednocześnie zapewniać dobre smarowanie. W skład tej struktury wchodzą twarde kryształy Sn3Pb2 mających przeważnie kształt sześcianów, oraz iglaste kryształy Cu6Sn5. Stop ten posiada dobre właściwości mechaniczne, drobnoziarnistą jednorodną strukturę. Wraz ze wzrostem temperatury maleje wytrzymałość z 20°C do 80°C aż o 40%. Stopy tego typu stosujemy na łożyska szybkoobrotowe obciążone dynamicznie i statycznie, wytrzymują duży zakres prędkości obwodowych i nacisków powierzchniowych w turbinach parowych, sprężarkach, silnikach wysokoprężnych a nawet generatorach.

5. Wnioski.

Opracowanie ogromnej ilości stopów, w składzie których nie znajdziemy żelaza wywarło ogromny wpływ na rozwój technologii ostatnich lat. Dzięki lekkim stopom aluminium możliwe było zaprojektowanie znacznie bardziej zaawansowanych maszyn, pojazdów a przede wszystkim samolotów. Odpowiednio przygotowane stopy miedzi przeznaczone na łożyska ślizgowe wydatnie wydłużają okres międzyprzeglądowy pracy maszyn w przemyśle. Powyższa prezentacja materiałów nieżelaznych pozwoliła nam na zapoznanie się z ogromnymi możliwościami zastosowań i właściwości tych stopów.

3

---