Miedź i jej stopy - Notatki - Materiałoznastwo, Notatki z Materiały inżynieryjne

Pobierz Miedź i jej stopy - Notatki - Materiałoznastwo i więcej Notatki w PDF z Materiały inżynieryjne tylko na Docsity! 251 Opracowa³: Janusz Lisak Æwiczenie 30 MIED I JEJ STOPY 1. CEL ÆWICZENIA Celem æwiczenia jest zapoznanie siê ze struktur¹ i w³asnoœciami najczêœciej stoso- wanych w praktyce przemys³owej stopów miedzi, a tak¿e poznanie podstawowych zagadnieñ zwi¹zanych z ich wykorzystaniem w praktyce przemys³owej. 2. WIADOMOŒCI PODSTAWOWE MiedŸ znajduje szerokie zastosowanie w elektronice i elektrotechnice, energetyce, przemyœle chemicznym, do produkcji wyrobów artystycznych, a tak¿e jako podstawo- wy sk³adnik wielu stopów. Przy stosowaniu miedzi wykorzystuje siê jej bardzo dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne, wysok¹ plastycznoœæ i dobr¹ odpornoœæ na ko- rozjê atmosferyczn¹. Czysta miedŸ ma barwê czerwon¹, a jej ciê¿ar w³aœciwy wynosi 8,9 g/cm3. Wy- trzyma³oœæ na rozci¹ganie Rm = 220-240 MPa przy A10 = 40-60 %. Jej temperatura topnienia wynosi 1083°C. Krystalizuje tworz¹c sieæ regularn¹, œciennie centrowan¹ (A1). Nie posiada odmian alotropowych. Jest plastyczna, Z = 60-90 %, A5 = 50 %, ale niezbyt wytrzyma³a, Rm= 220-250 MPa. Dlatego czêsto stosuje siê miedŸ umocnion¹ zgniotem. MiedŸ otrzymujemy po przetopieniu rud: Cu2S – chalkozyn, Cu-FeS2 –chal- kopiryt, Cu2O – kupryt, Cu5FeS4 – bornit. W procesie wytapiania dochodzi nieuchron- nie do zanieczyszczenia miedzi co wp³ywa w sposób istotny na jej w³asnoœci. Zanie- czyszczeniami mog¹ byæ: tlen, bizmut, o³ów, siarka, fosfor, antymon i arsen. Tlen dostaje siê do miedzi podczas topienia. Ze wzglêdu na ma³¹ rozpuszczalnoœæ w stanie sta³ym wystêpuje w postaci tlenku Cu2O. Przy zawartoœci 38% tlenu miedŸ z Cu2O tworzy w temperaturze 1064°C eutektykê. W stopie nadeutektycznym wystêpuj¹ ciemne kryszta³y Cu2O o charakterze dendrytycznym na tle gruboziarnistej eutektyki. Z obec- noœci¹ tlenu wi¹¿e siê tak zwana „choroba wodorowa” miedzi. Polega ona na tym, ¿e gdy zawieraj¹c¹ tlen miedŸ wy¿arzy siê w atmosferze redukuj¹cej, wodór dyfunduje w g³¹b metalu, gdzie nastêpuje reakcja: Cu2O + H2 ® 2Cu + H2O docsity.com 252 Powstaj¹ca para wodna uwiêziona jest w materiale pod wysokim ciœnieniem i w cza- sie przeróbki plastycznej na gor¹co powoduje powstanie mikropêkniêæ. Z tego powo- du dopuszczalna zawartoœæ tlenu w miedzi to 0,001 % dla miedzi pró¿niowej i 0,15 % dla miedzi odlewniczej. MiedŸ jest odporna na korozjê atmosferyczn¹, gdy¿ w wilgotnym powietrzu pokry- wa siê patyn¹ (zasadowym wêglanem miedzi), która stanowi naturaln¹, idealnie szczel- n¹, izolacjê od œrodowiska korozyjnego. Jednak w zanieczyszczonych siark¹ atmosfe- rach przemys³owych jej odpornoœæ korozyjna zanika, gdy¿ w obecnoœci dwutlenku siarki zamiast patyny tworzy siê zasadowy siarczan miedzi, który nie posiada zdolno- œci izoluj¹cych. Bizmut i o³ów prawie nie rozpuszczaj¹ siê w miedzi i tworz¹ z ni¹ niskotopliwe eutektyki rozmieszczone na granicach uprzednio wydzielonych kryszta³ów miedzi. Dlatego przy ponownym nagrzaniu stopu do temperatur wy¿szych od temperatur top- nienia tych eutektyk materia³ staje siê kruchy. Jest to kruchoœæ na gor¹co, która mo¿e wyst¹piæ ju¿ przy zawartoœci 0,001 % bizmutu lub 0,01 % o³owiu. St¹d wyp³ywa ko- niecznoœæ ograniczenia zawartoœci tych pierwiastków poni¿ej krytycznych wielkoœci. Fosfor tworzy z miedzi¹ roztwory sta³e. Maksymalna jego rozpuszczalnoœæ w mie- dzi wynosi 1,75 % przy temperaturze 714°C i maleje ze spadkiem temperatury. Fosfor obni¿a jej przewodnoœæ ciepln¹ i przewodnictwo elektryczne. Dostaje siê do miedzi, gdy¿ jest u¿ywany jako wstêpny odtleniacz. Jego dopuszczalna zawartoœæ wynosi 0,002 % dla miedzi pró¿niowej i 0,02 % dla miedzi odlewniczej. Siarka nie rozpuszcza siê w miedzi w stanie sta³ym, ale wystêpuje w postaci Cu2S, który to zwi¹zek tworzy z miedzi¹ eutektykê o temperaturze topnienia 1067°C przy zawartoœci 0,77 % S. Znacznie obni¿a plastycznoœæ miedzi podczas przeróbki pla- stycznej zarówno na zimno jak i na gor¹co. Nie jest wyraŸnie szkodliwa, je¿eli jej zawartoœæ nie przekracza 0,1 %. Arsen i antymon wykazuj¹ doœæ znaczn¹ rozpuszczalnoœæ w miedzi w stanie sta- ³ym. Na skutek du¿ej ró¿nicy temperatur miêdzy liniami likwidus i solidus w uk³adach Cu-Sb i Cu-As powoduj¹ segregacjê dendrytyczn¹, szczególnie siln¹ przy szybkim ch³odzeniu od stanu ciek³ego. Oba pierwiastki tworz¹ z miedzi¹ niskotopliwe eutektyki i mog¹ byæ przyczyn¹ kruchoœci na gor¹co. Natomiast wystêpuj¹c w roztworze sta- ³ym bardzo silnie obni¿aj¹ w³asnoœci plastyczne miedzi, nawet gdy ich zawartoœæ w tym roztworze jest niewielka. Produkowane w Polsce gatunki miedzi technicznie czystej oraz ich oznaczenia i zastosowanie podaje Polska norma PN-77/H-82120. Dla potrzeb elektroniki konieczna jest miedŸ wysokiej czystoœci (poni¿ej 0,1% zanieczyszczeñ). Otrzymuje siê j¹ w pro- cesie rafinacji elektrolitycznej. Zgniot podnosz¹c w³asnoœci mechaniczne obni¿a znacznie przewodnictwo elek- tryczne. Z tego powodu w elektronice i elektrotechnice u¿ywa siê miedzi w stanie wy¿arzonym. docsity.com 255 Po przeróbce plastycznej na zimno mosi¹dze poddajemy sezonowaniu dla usuniêcia naprê¿eñ wewnêtrznych. 2. Mosi¹dze odlewnicze (PN-91/H-87026) W³asnoœci odlewnicze stopów zale¿¹ od wzajemnego po³o¿enia linii solidus i likwi- dus. Gdy linie te s¹ blisko siebie, to stopy wykazuj¹ ma³¹ sk³onnoœæ do segregacji i tworz¹ skupion¹ jamê usadow¹. Poniewa¿ dla mosi¹dzów linie te s¹ blisko siebie, dlatego te¿ stopy te maj¹ dobre w³asnoœci odlewnicze. Dodatek o³owiu polepsza jesz- cze te w³asnoœci. Jako stopy odlewnicze stosuje siê zwykle mosi¹dze dwufazowe. Dodatki glinu, manganu, ¿elaza i niklu polepszaj¹ wytrzyma³oœæ i odpornoœæ na korozjê odlewów. Sk³adnikami szkodliwymi s¹ zwiêkszaj¹ce kruchoœæ: cyna, magnez, anty- mon, arsen, itd. W³asnoœci mechaniczne mosi¹dzów jednofazowych mieszcz¹ siê w granicach: Rm = 300-400 MPa, A5 = 40-50 %, natomiast mosi¹dzów dwufazowych: Rm = 350-450 MPa, A5 = 20-40 %. Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie mo¿na podwy¿- szyæ poprzez zgniot i w zwi¹zku z tym s¹ dostarczane w piêciu stanach utwardzenia zale¿nie od zastosowania. Ich stosowanie ogranicza siê do temperatur poni¿ej 150°C, gdy¿ wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie znacznie spada wraz z temperatur¹. Mosi¹dze s¹ odporne na korozjê atmosferyczn¹, ale w obecnoœci elektrolitów szcze- gólnie zawieraj¹cych jony chloru ulegaj¹ odcynkowaniu. Jest to proces korozyjny po- legaj¹cy na przechodzeniu do roztworu miedzi i cynku oraz osadzaniu siê na powierzchni miedzi w postaci g¹bczastej, w wyniku czego materia³ traci swe w³asnoœci wytrzyma- ³oœciowe. Innym zagro¿eniem korozyjnym mosi¹dzów jest sezonowe pêkanie. Odmian¹ mosi¹dzów s¹ tzw. nowe srebra, czyli mosi¹dze wysokoniklowe (PN-93/ H-87027). Zawieraj¹ one oko³o 15 % niklu, charakteryzuje je srebrzyste zabarwienie wysoka plastycznoœæ, du¿a odpornoœæ na dzia³anie atmosfery, du¿a opornoœæ elek- tryczna i ma³e przewodnictwo cieplne. Maj¹ one strukturê jednorodnego roztworu sta³ego. Dziêki zgniotowi mo¿na im zapewniæ wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie rzêdu 700 MPa, któr¹ zachowuj¹ do 400°C. Te w³asnoœci decyduj¹ o przeznaczeniu mosi¹dzów wysokoniklowych na czêœci sprê¿ynuj¹ce aparatów pomiarowych, elementy elektro- techniczne, czy nakrycia sto³owe. Br¹zy s¹ to stopy miedzi z cyn¹ i innymi pierwiastkami z wyj¹tkiem cynku i niklu. Ich nazwy pochodz¹ od g³ównego sk³adnika stopu. W szerokiej gamie br¹zów naj- wiêksze znaczenie maj¹: 1. Br¹zy cynowe Stosuje siê stopy do zawartoœci 24 % cyny. Br¹zy cynowe w stanie wy¿arzonym, do oko³o 10 % Sn, maj¹ strukturê jednofazow¹. W stanie lanym, powy¿ej 5% Sn, pojawia siê druga faza w postaci eutektoidu (a + d), co jest spowodowane sk³onno- œci¹ tych stopów do segregacji dendrytycznej na skutek du¿ej odleg³oœci pomiêdzy liniami solidus i likwidus na uk³adzie równowagi fazowej (rys. 30.3). Obecnoœæ kru- docsity.com 256 chej fazy d w br¹zie cynowym uniemo¿liwia przeróbkê plastyczn¹ na zimno. Br¹zy te wykazuj¹ ma³y skurcz odlewniczy (poni¿ej 1 %), bo nie tworz¹ skupionej jamy usado- wej. W zwi¹zku z tym w odlewach wystêpuj¹ rzadzizny i pory skurczowe rozmiesz- czone w ca³ej objêtoœci. Pomimo to g³ówne zastosowanie znajduj¹ br¹zy odlewnicze zawieraj¹ce 10-12 % cyny (PN-91/H-87026). Dzieli siê je w zale¿noœci od zastoso- wania na: a) maszynowe (np. CuSn10) – czêsto z dodatkiem cynku dla polepszenia w³asnoœci odlewniczych i korzystnego wp³ywu na zanik por. Maj¹ one dobre w³asnoœci me- chaniczne i przeciwcierne, st¹d znajduj¹ zastosowanie na elementy przek³adni œli- makowych i panewki ³o¿ysk œlizgowych, b) armaturowe (np. CuSn5Zn5Pb5) – w których dodatki cynku i o³owiu usuwaj¹ mikro- porowatoœæ, c) ³o¿yskowe (np. CuSn10Pb10) – dodatek o³owiu zwiêksza niejednorodnoœæ struktu- ry i dziêki temu zdolnoœæ docierania panewek, 10 100 20 20 30 30 40 40 50 50 60 60 70 70 80 80 90 90 100 % wagowy % atomowy 200 100 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 °C Cu Sn 19,1 (30,6) 7,7 (13,5) 1083°C 798°C β α α+δ δ γ ζ ε α+ε η η’ 43,1 (58,6) 43,5 (59,0) 85,7 (92,4) 98,7 (99,3) 45,5 (60,9) 44,8 (50,3) 0,7 (1,3) 415°C 227°C 237°C 185°C 189°C ~350°C 520°C 640°C 585°C 9,1 (15,8) 9,1 6,2 (11,0) Rys. 30.3 Uk³ad równowagi fazowej Cu – Sn docsity.com 257 d) dzwonowe o zawartoœci syny od 16 do 22 %, z których najbardziej cenionym jest spi¿, czyli br¹z cynowy z dodatkiem cynku (np. CuSn5Zn11). Br¹zy cynowe do przeróbki plastycznej (PN-92/H-87050) zawieraj¹ do 8% Sn dla zapewnienia im jednorodnej struktury jednofazowej. Przerabia siê je zarówno na zim- no, jak i na gor¹co. Mo¿na je walcowaæ na gor¹co w temperaturze oko³o 700°C po wczeœniejszym wy¿arzaniu ujednorodniaj¹cym przeprowadzanym w celu usuniêcia segregacji dendrytycznej. Do przeróbki plastycznej na zimno stosuje siê br¹zy zawie- raj¹ce mniej ni¿ 5% Sn. Zgniot w jeszcze wiêkszym stopniu ni¿ w mosi¹dzach pod- wy¿sza wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie. Br¹zy do przeróbki plastycznej wykazuj¹ dobr¹ odpornoœæ na korozjê. 2. Br¹zy aluminiowe (br¹zale) S¹ materia³em znacznie tañszym od br¹zów cynowych, a przy tym ich w³asnoœci u¿ytkowe mog¹ byæ nawet lepsze. Charakteryzuje je bardzo dobra odpornoœæ na ko- rozjê, wysoka wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie, ma³y ciê¿ar w³aœciwy i zachowywanie w³asnoœci mechanicznych zarówno w podwy¿szonych, jak i obni¿onych temperatu- rach. Ich barwa jest podobna do barwy z³ota. Praktyczne zastosowanie znajduj¹ sto- py do zawartoœci 11 % aluminium. Ich w³asnoœci mechaniczne zmieniaj¹ siê wraz z zawartoœci¹ aluminium w stopie. Do zawartoœci 8 % Al posiadaj¹ strukturê jednofa- zow¹ (roztwór sta³y a). Przy wy¿szych zawartoœciach glinu obok roztworu sta³ego pojawia siê w strukturze eutektyka. Dodatek do stopu do 5,5 % ¿elaza lub niklu popra- wia w³asnoœci wytrzyma³oœciowe i odpornoœæ na œcieranie. Podobnie dzia³a mangan w iloœci do 2%. Br¹zy aluminiowe o zawartoœci 9,5 - 1,0  % Al mog¹ byæ obrabiane cieplnie. Po- dobieñstwo uk³adu równowagi Cu-Al do uk³adu Fe-Fe3C sprawia, ¿e mo¿emy prze- prowadzaæ obróbkê ciepln¹ analogiczn¹ do ulepszania cieplnego stali, otrzymuj¹c po hartowaniu w wodzie z temperatury 850°C - 900°C iglast¹ strukturê podobn¹ do mar- tenzytu, która odpuszczana w temperaturze 400°C uzyskuje wysok¹ twardoœæ przy zachowaniu dobrego poziomu w³asnoœci plastycznych. Wzrost temperatury odpusz- czania – ale poni¿ej 565°C – obni¿a twardoœæ, a zwiêksza w³asnoœci plastyczne. Podobnie jak br¹zy cynowe – br¹zy aluminiowe s¹ tak¿e przeznaczone do prze- róbki plastycznej (PN-92/H-87051), dziêki wysokiej wytrzyma³oœci na rozci¹ganie (Rm = 400 MPa, po zgniocie nawet 800-1000 MPa), zachowywanej do oko³o 300°C, stosowane s¹ na silnie obci¹¿one czêœci maszyn i odlewnicze (PN-91/H-87026). W przypadku br¹zali odlewniczych problemem jest Al2O3 powstaj¹cy jako produkt utleniania p³ynnego metalu i powoduj¹cy gêsto p³ynnoœæ. Ponadto krzepn¹c tworz¹ one g³êbok¹ jamê skurczow¹ i rzadzizny wewn¹trz odlewu. Stosuje siê je na œruby okrêtowe, korpusy i czêœci pomp oraz osprzêt statków morskich, gdy¿ wykazuj¹ œwiet- n¹ odpornoœæ na korozjê w wodzie morskiej. Wysoka wytrzyma³oœæ zachowywana w podwy¿szonych temperaturach pozwala stosowaæ je na aparaturê parow¹. docsity.com