Jakub Koziołek Data: 16 grudnia 2013

Akademia Techniczno-Humanistyczna

W Bielsku-Białej

Wydział Budowy Maszyn i Informatyki

Automatyka i Robotyka

Grupa 3a, semestr 1

Stopy miedzi

1. Cel ćwiczenia:

Przeprowadzenie próby tłoczności blachy metodą Erichsena oraz przeprowadzenie obserwacji mikroskopowych wybranych stopów miedzi.

2. Wstęp teoretyczny:

Właściwości mechaniczne i fizykochemiczne czystej miedzi:

• Gęstość - 8,92 g/cm³

• Temp. topnienia 1084°C

• Temp. wrzenia 2567 °C

• Wytrzymałość na rozciąganie Rm = 200-250 MPa

• Granica plastyczności Re = 35 MPa,

• Twardość 45 HB

• Wydłużenie A = 30-35%

• Wysoka przewodność cieplna 401 W/m*K (Watt/metr*Kelwin)

• Odporność na korozję

Stopami miedzi nazywa się stopy, w których metalem podstawowym (głównym składnikiem) jest miedź, z wyjątkiem stopów zawierających złoto lub srebro, które uważa się za stopy złota lub srebra, jeśli zawartość tych metali wynosi co najmniej 10%.

Ogólnie stopy miedzi dzielą się na:

• stopy wstępne miedzi,

• miedź stopową,

• mosiądze,

• miedzionikle,

• brązy,

• stopy oporowe miedzi.

W zależności od przeznaczenia stopy miedzi dzielą się na odlewnicze i do przeróbki plastycznej.

Stopy wstępne miedzi są pomocniczymi, 2- lub 3-składnikowymi stopami, wytwarzanymi w celu ułatwienia wprowadzenia dodatków stopowych lub technologicznych (odtlenianie)

Miedź stopowa jest ogólną nazwą stopów do przeróbki plastycznej, zawierających nie więcej niż 2% głównego dodatku stopowego. Gatunki obejmują miedź arsenową, chromową, cynową, kadmową, manganową, niklową, siarkową, srebrową, tellurową i cyrkonową. Miedź arsenowa 0,3-0,5% As, miedź chromowa (0,4-1,2% Cr), miedź srebrowa (0,045-2% Ag)

Mosiądze- głównym składnikiem stopowym jest cynk w ilości powyżej 2%. Dzielą się na mosiądze odlewnicze i do przeróbki plastycznej.

Miedzionikle są przerabialnymi plastycznie stopami miedzi, w których głównym składnikiem stopowym jest nikiel w ilości powyżej 2%. Bardzo dobra odporność na korozję i ścieranie oraz dobra plastyczność..

Brązy są stopami miedzi, w których głównym składnikiem stopowym (ponad 2%) jest Sn, Al, Si, Be, Pb i inne, z wyjątkiem Zn i Ni. W zależności od głównego składnika stopowego (aluminium, beryl, cyna, krzem, kobalt, ołów, antymon, mangan, tytan) noszą nazwę brązów aluminiowych, berylowych itd. Podobnie jak mosiądze, dzielą się na odlewnicze i do przeróbki plastycznej.

Stopy oporowe miedzi są stopami z Ni (do 41%), Zn (do 28%), Mn (do 13%), Al (do 3,6%) i Fe (do 1,5%). Wysokim opór elektryczny i małym współczynnikiem cieplnym oporu. Stopy te mają strukturę jednofazową.

Mosiądz - stop miedzi z cynkiem. Daje się dobrze obrabiać plastycznie na zimno i na gorąco. Mosiądz jest wytrzymały, odporny na korozję.

Brąz powstaje przez połączenie cyny i fosforu z miedzią. Brąz jest twardszy niż mosiądz, wytrzymały i odporny na zużycie, można go obrabiać.

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. Wytrzymałość mosiądzów zawierających ok. 30 do 45% Zn zwiększa się przy znacznym zmniejszeniu plastyczności. Wiąże się to z obecnością fazy β′ w mosiądzach dwufazowych i dlatego można je obrabiać plastycznie wyłącznie na gorąco. Mosiądze dwufazowe obrabia się plastycznie na gorąco w temperaturze, w której wykazują one strukturę jednofazową β. Stopy Cu z Zn w znacznym stopniu umacniają się w wyniku zgniotu. W zależności od stopnia gniotu mogą być dostarczane w rożnym stanie. Przy większych stopniach gniotu jest stosowane międzyoperacyjne wyżarzanie rekrystalizujące mosiądzów w temperaturze 500-580°C.

Stopy miedzi z niklem - miedzionikle. Stopy te, których głównym dodatkiem jest Ni o stężeniu do 40%, zawierają także 1÷2% Si, Al, Fe lub Mn. Nikiel powoduje podwyższenie własności mechanicznych, rezystywności oraz siły termoelektrycznej miedzionikli.

Charakteryzują się dobrą wytrzymałością, żaroodpornością i odpornością na korozję.

Miedzionikle są oparte na układzie Cu-Ni o nieograniczonej rozpuszczalności składników w stanie ciekłym i stałym. Można wydzielić dwie grupy miedzionikli, a mianowicie: odporne na korozję, takie jak CuNi30Mn1Fe (tradycyjnie zwany melchiorem), CuNi6Al2 (zwany kunialem), CuNi3Si1Mn, CuNi19 (zwany nikieliną) i CuNi25 (stosowany do wytwarzania monet), oporowe, w tym głownie CuNi44Mn1 (zwany konstantanem). Miedzionikle krzemowo-manganowy, a także miedzionikiel aluminiowy, poza wyżarzaniem rekrystalizującym mogą być utwardzane wydzieleniowo, dzięki wydzielaniu odpowiednio faz Ni2Si oraz NiAl lub NiAl2. Stop CuNi44Mn1 znalazł główne zastosowanie w elektrotechnice oraz do wytwarzania termoelementów, np. żelazo–konstantan lub miedź–konstantan

Zastosowanie: blachy, druty, pręty, taśmy, rury, elementy oporowe, klimatyzacje, monety, termoelementy, elementy lamp próżniowych. Elementy w przemyśle maszynowym i okrętowym.

Metoda Erichsena jest to próba tłoczności wykonana na przyrządzie Erichsena. Ma ona na celu określenie przydatności do tłoczenia na zimno cienkich blach i taśm metalowych o grubości nie przekraczającej 2 milimetrów. Polega ona na powolnym wtłaczaniu kulisto zakończonego tłocznika w próbkę blachy dosuniętą do matrycy, aż do momentu pojawienia się na wgłębieniu pierwszego pęknięcia. Miarą próby jest głębokość wytworzonego wgłębienia e mierzona w milimetrach.

3. Przyrządy wykorzystywane w ćwiczeniu:

• Pięć próbek stopów miedzi do obserwacji;

• Dwa rodzaje blachy do próby tłoczności;

• Smar;

• Przyrząd do wykonywania próby tłoczności;

• Nożyce do cięcia blachy;

• Mikroskop;

• Suwmiarka;

4. Opis przebiegu ćwiczenia:

Najpierw przeprowadzono próbę tłoczenia metodą Erichsena na dwóch próbkach. Pierwszą próbką była blacha miedziana a druga była mosiężną blachą. Badanie rozpoczęto od przygotowania próbek. Próbki wycięto z arkuszów blach a następnie zmierzono ich grubość:

• próbka miedziana – 0,6 mm

• próbka mosiężna – 0,4 mm

Próbki miały różną zawartość miedzi a więc zadaniem było sprawdzenie wpływu miedzi na wytrzymałość próbek i przydatność plastyczną do głębokiego tłoczenia.

Po przygotowaniu próbek przystąpiono do badania. Zamocowano próbkę w urządzeniu przedtem smarując ją smarem od strony wtłaczanej, odpowiednio wkładając ją pod matrycę oraz dociskając kołem sterowym. Następnie należało wyzerować liczniki, ustawić lusterka w celu wygodnej obserwacji, puścić sprzęgiełko i powoli wtłaczać badaną próbkę kręcąc kołem sterowym. Podczas kręcenia występował coraz większy opór.

Następnie przeprowadzono to samo badanie na mosiężnej blasze.

Po wykonania badań metodą Erichsena przystąpiliśmy do analizy zdjęć spod mikroskopu pięciu próbek wyświetlonych na ekranie rzutnika.

5. Wyniki i analiza:

Próba tłoczności blachy metodą Erichsena:

Wartość na jaką wtłoczył się sworzeń i pojawiło się obwodowe pęknięcie:

• blacha miedziana - 8,85 mm odczytane z licznika;

• blacha mosiężna - 8,85 mm odczytane z licznika;

Blachy o różnych grubościach wtłoczyły się na tą samą odległość.

Obserwacje mikroskopowe wybranych stopów miedzi:

Próbka 5.0

mikrofotografia

Materiał: Miedź rafinowana ogniowo, gatunek/cecha/M2G znak Cu99 7G wg PN/H-82120.

Stan: Wyżarzona.

Skład chemiczny: Cu 99.75%, Bi 0,001%, Pb 0,008%, Sb 0,004%, As 0,008%, Fe 0,04%, Ni 0,18%, Sn 0,04%, S 0,009%, 02 0,07%.

Opis struktury: ziarna oddzielone ciemnymi granicami. Proste linie wewnątrz ziaren - granice bliźniacze. Wewnątrz ziaren oraz na granicach wydzielone tlenki miedzi.

Trawiono odczynnikiem o składzie: 30ml kwasu solnego, 10g chlorku żelazowego krystalicznego, 120ml alkoholu etylowego.

Próbka 5.1

mikrofotografia

Materiał: Mosiądz dwuskładnikowy, gatunek/cecha/M80 znak CuZn 80 wg PN/H-87025.

Stan: Po odlaniu, przerobiony plastycznie na zimno, a następnie wyżarzony.

Skład chemiczny: Cu 80.50%, Zn 19,6%, Fe 0,09%, Pb 0,02%, Bi 0,001%, P 0,009%

Opis struktury: kryształy roztworu stałego cynku w miedzi. Proste linie wewnątrz ziaren- granice bliźniacze. Wewnątrz ziaren drobne wydzielenie tlenku miedzi oraz związków międzymetalicznych.

Trawiono odczynnikiem o składzie: 30ml kwasu solnego, 10g chlorku żelazowego krystalicznego, 120ml alkoholu etylowego.

Próbka 5.2

mikrofotografia

Materiał: Mosiądz ołowiowy, gatunek/cecha/Mo58, znak CuZn40 Pb2 wg PN/H-97025.

Stan: odlew.

Skład chemiczny: Cu 59%, Zn 38, Fe 0,4%, Pb 2%, Sn 0,3%, Sb 0,01%, Bi 0,004%, F 0,012%

Opis struktury: jasne kryształy roztworu stałego cynku w miedzi. Ciemne kryształy roztworu stałego opartego na bazie fazy międzykrystalicznej CuZn.

Trawiono odczynnikiem o składzie: 30ml kwasu solnego, 10g chlorku żelazowego krystalicznego, 120ml alkoholu etylowego.

Próbka 5.3

mikrofotografia

Materiał: brąz ołowiowo-srebrowy.

Stan: po wylaniu panewki.

Skład chemiczny: Pb 21,2%, Ag 1,9%, Cu- reszta.

Opis struktury: Ciemne wydzielenia prawie czystego ołowiu na tle roztworu stałego srebra w miedzi.

Uwaga! Oglądać nietrawione.

Próbka 5.4

Materiał: miedzionikiel, brązal

Stan: kształtowanie na zimno

Skład chemiczny: rdzeń – CuNi25, pierścień – CuAl6Ni2

Próbka 5.0

Fotografia wykonana podczas badania

Próbka 5.1

Fotografia wykonana podczas badania

Próbka 5.2

Fotografia wykonana podczas badania

Próbka 5.3

Fotografia wykonana podczas badania

6. Wnioski:

Próba tłoczności blachy metodą Erichsena:

• blacha mosiężna miała obwodowe pęknięcie, blacha miedziana na części utwardzonej nie miała widocznego pęknięcia.

• mosiądz 1-fazowy powinien być bardziej plastyczny od miedzi.

• pęknięcie obwodowe świadczy o walcowaniu na gorąco.

• półksiężyc i to zmieniające kierunek świadczą o walcowaniu na zimno.

• dzięki tej próbie można określić właściwości mechaniczne stopów miedzi oraz ustalić ich przydatność do tłoczenia na zimno.

• próba ta daje informacje o ostatnim sposobie kształtowania badanej próbki.

• właściwości nie zależą tylko od składu chemicznego ale także od ostatniego procesu kształtowania.

Próbka 5.0:

• drobne ziarna i równoległe linie świadczą o granicach bliźniaczych a to z kolei świadczy o tym, że ostatnim etapem kształtowania była obróbka na zimno;

• sieć krystaliczna posiada defekty;

• materiał ten jest bardzo plastyczny;

Próbka 5.1:

• materiał posiada większe ziarna co opóźnia proces chłodzenia;

• jest bardzo plastyczny;

• poddany został obróbce plastycznej na ciepło;

Próbka 5.2:

• puste jasne miejsca oznaczają przekroje przez dendryty;

• materiał został kształtowany poprzez odlewanie;

• jasne miejsca – roztwór stały α;

• ciemne miejsca – roztwór stały β;

• zawiera dużo cynku;

• na podstawie struktury mosiądzu można określić rodzaj obróbki końcowej i zawartości poszczególnych pierwiastków stopowych;

Próbka 5.3:

• stop składa się z dwóch faz – ciemne miejsca to ołów, jasne to srebro;

• został kształtowany poprzez odlew;

• ołów uległ segregacji między dendrytycznej;

• stop ten posiada dobre właściwości użytkowe;

Próbka 5.4 (moneta):

• duża wytrzymałość mechaniczna;

• odporność na ścieranie;

• kształtowana na zimno;

Oprócz tego:

• Na podstawie badań mikroskopowych można określić strukturę i skład badanej próbki;

• Na podstawie próbek określiliśmy efekt modyfikowania;