Laboratorium z Materiałoznawstwa.

Przemysław Chrzanowski Z-13

Stopy metali nieżelaznych.

Stopy miedzi

Stosowana w technice miedź jest zanieczyszczona różnymi domiesz­kami. Głównymi jej zanieczyszczeniami są: bizmut, antymon, arsen, żelazo, nikiel, ołów, cyna, cynk, siarka, fosfor i tlen. Wszystkie prawie domieszki wpływają ujemnie na przewodność elektryczną miedzi.

Tlen tworzy z miedzią związek Cu₂O. Zawartość tlenków w miedzi jest przyczyną tzw. „choroby wodorowej". Polega ona na redukującym działaniu wodoru na tlenek miedzi wg reakcji

Cu₂O +H₂→2Cu+H₂o

Ponieważ reakcja zachodzi podczas ogrzewania miedzi w atmosferze zawierającej wodór, woda wydziela się w postaci pary, której prężność wzrasta w miarę upływu czasu i wzrostu temperatury. Prężność pary wytworzonej w tych warunkach jest tak duża, że powoduje drobne pęknięcia miedzi w tych miejscach, w których znajdowały się zgrupowa­nia tlenków.

Odtlenienie podczas wytwarzania stopów osiąga się wskutek redu­kującego działania fosforu, dodawanego zwykle w tym celu do roz­topionej miedzi. Zwykle pozostawia się w miedzi pewien jego nadmiar nie przekraczający O, l %.

Arsen, znajdujący się w miedzi w niewielkich ilościach — do 0,1%, nie wpływa na pogorszenie jej własności mechanicznych. Gdy zależy nam na poprawieniu żaroodporności oraz zmniejszeniu wpływu tlenu na miedź, stosuje się pewien niewielki dodatek arsenu (0,3—0,5%).

Pozostałe domieszki, jak żelazo, cyna, cynk i nikiel, poprawiają własności wytrzymałościowe miedzi, lecz jednocześnie pogarszają jej własności plastyczne.

Stopy miedzi z cynkiem noszą nazwę mosiądzów. Rozróżnia się mosiądze odlewnicze i mosiądze do przeróbki plastycznej.

Mosiądze odlewnicze zawierają 30—40% cynku i niekiedy pewne ilości manganu, krzemu, aluminium oraz ołowiu, który ułatwia obróbkę skrawaniem, czyniąc wiór kruchym. Dzięki dobrej lejności mosiądze te dobrze wypełniają formę i można je odlewać w kokilach pod ciśnieniem lub w formach piaskowych. Wadą mosiądzów odlewniczych jest tendencja do odparowywania cynku, którego temperatura wrzenia jest niższa od temperatury odlewania mosiądzów. Wadą jest również duży skurcz, powodujący powstawanie jam skurczowych w odlewach. Naj­częściej odlewy mosiężne są stosowane na armaturę do wody i pary.

Mosiądze do przeróbki plastycznej zawierają 20—40% cynku oraz niekiedy również inne składniki stopowe. Mosiądze o strukturze jednofazowej poddają się dobrze obróbce plastycznej, natomiast skra­waniu lepiej poddają się mosiądze o strukturze dwufazowej. Mosiądze produkuje się w postaci prętów, rur, blach, taśm, kształtowników oraz odkuwek. Odpowiednio do ich własności stosuje się je na części podlegające obróbce skrawaniem, części kute i wytłaczane nie pod­dawane obróbce skrawaniem, śruby z wygniatanym gwintem, części odporne na ścieranie, rury do skraplaczy, wężownice itp.

Oprócz mosiądzów zwykłych w przemyśle stosuje się również tzw. mosiądze specjalne. Otrzymuje sieje przez wprowadzenie do mosiądzów zwykłych dodatkowo innych składników stopowych, takich jak nikiel,

krzem, cyna, aluminium, mangan i inne. W zależności od składnika stopowego nadaje się im nazwy, np. mosiądz niklowy, mosiądz krzemo­wy itd. Składniki stopowe są dodawane do mosiądzów w celu poprawy niektórych ich własności.

Stopy miedzi z cyną noszą nazwę brązów. Brązy wykazują tendencję do segregacji, którą można usunąć jedynie po długotrwałym żarzeniu ujednorodniającym. Do obróbki plastycznej nadają się tylko brązy o zawartości cyny nie przekraczającej 7%. Obróbka plastyczna jest wykonywana zawsze na zimno, gdyż na gorąco brązy nie dają się obrabiać plastycznie.

Brązy o zawartości do 6% cyny odznaczają się dużą plastycznością i dobrymi własnościami wytrzymałościowymi. Zgniot powoduje zwięk­szenie wytrzymałości i twardości. Z takich brązów wykonuje się sprężyny i oprawki stosowane w precyzyjnych urządzeniach elektrycz­nych i mechanicznych.

Dodatek cyny podwyższa własności wytrzymałościowe i sprężyste stopu. Z tego powodu brązy zawierające do 10% cyny są stosowane na koła zębate.

Brązów o zawartości cyny przekraczającej 10% używa się na odlewy. Aby poprawić własności odlewnicze, do brązów dodaje się w niewielkiej ilości cynk, który poprawia własności wytrzymałościowe.

Brązy zawierające około 14% cyny mają budowę dwufazową. Dzięki takiej strukturze nadają się one doskonale na panewki łożysk ślizgowych, w których czop powinien się punktowo wspierać na twardych kryształach spoczywających na plastycznym podłożu.

Dalszą dodatnią cechą brązów jako materiałów łożyskowych jest łatwość odprowadzania ciepła, powstającego w wyniku tarcia podczas pracy łożyska. Ponadto brązy o takim składzie chemicznym są odporne na korozję i z tego powodu można je stosować na części armatur.

Oprócz cyny w skład brązów wchodzą niekiedy również cynk, ołów, nikiel i fosfor. Częściej jednak miedź z innymi składnikami tworzy stopy bez cyny. Wszystkie te stopy nazywa się brązami. Dla odróżnienia ich jednak od brązów cynowych wymienia się zawsze nazwę charak­terystyczną składnika, np. brązy aluminiowe, brązy niklowe, brązy berylowe itd.

Stopy aluminium

Aluminium odznacza się małym ciężarem właściwym, dobrą prze­wodnością elektryczną, dobrym przewodnictwem cieplnym. Ponadto z niektórymi metalami tworzy stopy o dobrych własnościach odlew­niczych oraz stopy o dobrych własnościach plastycznych.

Zależnie od stopnia czystości rozróżnia się wiele rodzajów alumi­nium. Aluminium hutnicze, otrzymywane zwykle metodą elektro-metalurgiczną, zawiera zazwyczaj zanieczyszczenia przekraczające w sumie 0,5%. Po rafinacji elektrolitycznej ilość zanieczyszczeń w alu­minium można zmniejszyć do 0,1%, niekiedy nawet do 0,02%. Głów­nymi zanieczyszczeniami aluminium są: żelazo, krzem i miedź.

Poprawę własności wytrzymałościowych aluminium można uzyskać przez zastosowanie zgniotu na zimno lub dodanie odpowiednich składników stopowych. Miedź wprawdzie poprawia znacznie wytrzy­małość aluminium na rozciąganie, lecz równocześnie zmniejsza jego zdolność do wydłużania się. Podobnie na własności stopów aluminium wpływa krzem.

Jako główne składniki stopów aluminiowych należy wymienić miedź i krzem oraz magnez, mangan i cynk. W stopach aluminium spotyka się również i inne domieszki. Do rzadziej stosowanych w stopach alumi­nium domieszek zalicza się nikiel, żelazo oraz chrom, kobalt i tytan.

W celu zwiększenia odporności na korozję stopów aluminium stosuje się pokrywanie przedmiotów warstwą tlenków wytwarzanych na ich powierzchni metodą elektrolitycznego utleniania anodowego (eloksalacja). Ponadto stosuje się często platerowanie stopów alumi­nium czystym aluminium, które jest bardziej odporne na korozję niż jego stopy.

Stopy aluminium z miedzią dają się obrabiać cieplnie, dzięki czemu wzrasta ich wytrzymałość.

Stopy niklu

Nikiel wytwarza się sposobami hutniczymi, chemicznymi i elektro­litycznymi.

Głównymi zanieczyszczeniami niklu, wpływającymi na pogorszenie własności mechanicznych, są siarka, węgiel i tlenki niklu.

W stanie czystym nikiel jest stosowany do powlekania powierzchni narażonych na korozję: w przemyśle spożywczym i chemicznym — do wyrobu zbiorników, armatury i ponadto urządzeń parowych, różnych przyrządów itd. Najczęściej nikiel jest używany jako składnik stopowy wielu stali oraz różnych innych stopów.

Liczne zastosowania znajdują stopy niklu z miedzią o różnej zawartości niklu. Z tej grupy stopów należy wymienić nikielinę o zawar­tości około 20% niklu, konstantan zawierający około 40% niklu i stop Monela o zawartości około 70% niklu.

Nikielina odznacza się dobrą plastycznością, odpornością na koro­zję i ładnym wyglądem po wypolerowaniu. Z tych powodów służy do wyrobu przedmiotów tłoczonych, narażonych na korozję głównie atmosferyczną.

Konstantan odznacza się stałością oporu elektrycznego w dużym zakresie temperatur oraz dużą siłą termoelektryczną. Znajduje za­stosowanie głównie na termoelementy z żelazem lub miedzią.

Stop Monela jest bardzo odporny na działanie korozyjne czynników chemicznych. Stosuje się go przede wszystkim do budowy łopatek niektórych turbin parowych, niekiedy i wodnych. Ponadto bywa używany w budownictwie okrętowym, dzięki odporności na działanie wody morskiej, i w przemyśle chemicznym do wyrobu autoklawów, wirówek itd.

Stopy niklu z miedzią i cynkiem mają wygląd podobny do srebra;

stąd ich nazwa — nowe srebro. Stopy te odznaczają się dobrą plastycznością, odpornością na korozję i pięknym srebrzystym kolo­rem. Mimo tych zalet są obecnie rzadko stosowane ze względu na wysoką cenę.

Stopy cynku

Rozróżnia się cynk hutniczy, rafinowany, elektrolityczny i rek­tyfikowany. Główne zastosowanie cynku to powłoki ochronne przeciw­korozyjne, nakładane głównie na wyroby z blachy stalowej. Ponadto cynk w postaci wszelkiego rodzaju blach jest używany w budownictwie i gospodarstwie domowym. Folię cynkową stosuje się na opakowania towarów do transportu morskiego. W przemyśle poligraficznym używa się klisz z cynku do druku offsetowego (cynkografia).

Jako składnik stopowy cynk jest szeroko stosowany w stopach z miedzią, aluminium, manganem i innymi.

Spośród stopów, w których cynk jest składnikiem podstawowym, najważniejsze to stopy z aluminium, zwane znalami. Oprócz cynku w ich skład wchodzi aluminium w ilości 4—30%, miedź w ilości 1—3% oraz niekiedy w niewielkich ilościach magnez lub mangan. Znale dzieli się na odlewnicze i przeznaczone do przeróbki plastycznej.

Stopy odlewnicze cynku są szeroko stosowane na odlewy pod ciśnieniem. Wykonuje się z nich części maszyn do pisania i do liczenia, części maszyn drukarskich, armaturę wielu rodzajów maszyn, korpusy skrzynek przekładniowych, obudowy aparatury pomiarowej i wiele innych. Niektóre stopy odlewnicze są stosowane na panewki łożysk ślizgowych.

Stopy przeznaczone do przeróbki plastycznej odznaczają się dobrą wytrzymałością i plastycznością. Obróbkę plastyczną wykonuje się w podwyższonej do około 300°C temperaturze. Ze stopów do przeróbki plastycznej wykonuje się przez walcowanie blachy, rury, pręty, druty oraz różnego rodzaju kształtowniki.

Obecnie znale stosuje się w wielu przypadkach tam, gdzie dawniej stosowano droższe od nich mosiądze.

---