Stopy miedzi

oprac. Krzysztof Krzysztofowicz

Miedź - Cu

• w postaci rodzimej
• w rudach siarczkowych
np. chalkopiryt CuFeS

2

kupryt Cu

2

O

•Temp topnienia 1084

o

C

•Duża gęstość 8,9 g/cm

3

•Wysokie przewodnictwo cieplne i elektryczne (przewody
elektryczne)
•mała wytrzymałość

(R

m

=200-250 MPa R

e

= 35 MPa A

5

= 35%)

•Wysoka odporność na korozję atmosferyczną)

pokrywa się

patyną – zasadowym węglanem miedziowym

• nie jest odporna na działanie amoniaku (może być w atmosferze)

(pokrycia dachów)
•Obróbka plastyczna na zimno zwiększa własności
wytrzymałościowe miedzi. Po zgniocie 60%, R

m

około 400 MPa, HB

– 110, przy wydłużeniu A

5

– 2%.

Występowanie miedzi

Kraj

Wielkość wydobycia

Zasoby

Chile

5320

360 000

Peru

1260

120 000

USA

1190

70 000

Chiny

960

63 000

Indonezja

950

38 000

Australia

900

43 000

Rosja

750

30 000

Zambia

655

35 000

Kanada

520

20 000

Polska

440

48 000

Stan na rok 2009 wg

MFW, LME, CIA Factbook wyrażone w tys. ton

Klasyfikacja stopów miedzi

•

stopy jednoskładnikowe

• stopy wieloskładnikowe

DODATKI STOPOWE

:

Podwyższają wytrzymałość
obniżają odporność korozyjną

Podział ze względu na wprowadzone

dodatki



Cu-Zn - mosiądze



Cu-X

i

- brązy

Podział stopów ze względu

na przeznaczenie



Stopy metalurgiczne (np. zaprawy),



Stopy do przeróbki plastycznej

(jednofazowe),



Stopy odlewnicze (dwufazowe)

MOSIĄDZE

Stopy Cu - Zn ( zaw. Cu od 45 do 75% )

Podział na :



mosiądze zwykłe,



mosiądze specjalne

Uwaga !!!

TOMBAK – stop Cu – Zn ( 5-20%),

SPIŻ- stop Cu-Sn-Zn-Pb ( 85%+5%+5%+5% )

STRUKTURA STOPÓW Cu-Zn



Jednofazowe (faza



lub faza



`),



Dwufazowe (faza



+



` lub faza



`+



),

Fazy :

Faza



- roztwór stały cynku w miedzi,

Faza



`- (z przemiany fazy



) roztwór stały fazy

międzymetalicznej CuZn,

Faza



- roztwór stały na bazie fazy międzymetalicznej Cu

5

Zn

8

o stężeniu elektronowym 21/13 i złożonej sieci krystalicznej.
Pojawienie się tej fazy w stopach Cu-Zn pogarsza wyraźnie
własności mechaniczne, więc zastosowanie praktyczne mają
stopy do zawartości 45 ÷ 47% cynku, w których faza γ nie
występuje.

WYKRES RÓWNOWAGI Cu-Zn

czerwony, żółty, czerwono-żółty
Miedź, 1 5%Zn powyżej 37%Zn

Struktury mosiądzów

Fot. 13.1. Dendrytyczna struktura roztworu α

w mosiądzu. Trawiono FeCl

3

+HCl, pow. 100x

Fot. 13.2. Ujednorodniony roztwór α
w mosiądzu. Trawiono FeCl

3

+HCl, pow. 100x

Struktura mosiądzów

Fot. 13.3. Komórkowa budowa roztworu α

z bliźniakami rekrystalizacji. Trawiono

FeCl

3

+HCl, pow. 400x

Fot. 13.4. Struktura mosiądzu α + β' po odlaniu:

białe igły fazy α na tle ciemnej fazy β’. Trawiono

FeCl

3

+HCl, pow. 200x

Fot. 13.5. Komórkowa budowa mosiądzu

α + β'. Trawiono FeCl

3

+HCl, pow. 200x

Fot. 13.6. Struktura mosiądzu jednofazowego β’.

Trawiono FeCl

3

+HCl, pow. 200x

Wpływ dodatków stopowych na

właściwości stopów Cu-Zn



Pb – od 1-2 % poprawia obrabialność, obniża

temperaturę topnienia, poprawia lejność i właściwości
ślizgowe,



Sn – stosowana jako dodatek poprawiający odporność

na korozję, sprzyja segregacji faz twardych, pogarsza
właściwości

mechaniczne

w

podwyższonych

temperaturach,



Al – sprzyja powstawaniu fazy



, zawęża zakres

krzepnięcia, zapobiega porowatości gazowej,

Wpływ pierwiastków stopowych



Ni – podwyższa wytrzymałość w podwyższonych

temperaturach i odporność na korozję,



Fe – działa modyfikująco na strukturę (0.6 - 1,5% Fe),



Si – w ilości 1,15 – 1,5 % poprawia lejność,

zmniejsza skurcz, poprawia właściwości

mechaniczne,



Mn – poprawia odporność na korozję

Do przeróbki
plastycznej

Odlewnicze



+



(CuZn)(dwufazowa)

druga faza AlZn

utwardza stop

Budowa roztworu



(jednofazowa)

Wytrzymałość R

m

w funkcji % Zn w mosiądzu

R

m

%Zn

HB

Mosiądze – oznaczenia PN

• CuZn43MnPb3Fe
• CuZn40Mn3Fe
• CuZn38Mn2Pb2
• CuZn38Al2Mn1Fe
• CuZn39Pb2
• CuZn38Pb2
• CuZn38Al13
• CuZn16Si4

• MM47
• MM55
• MM58
• MA58
• MO59
• MO60
• MA67
• MK80

Wybrane gatunki mosiądzów do przeróbki plastycznej wg PN-H-

87025:1992

Gatunek

Skład chemiczny

%

[Zn – reszta]

Orientacyjne własności

Główne zastosowanie

Grupa gatunków

Znak/Cecha

Cu

średnio

Inne

Mosiądze
dwuskładni-kowe

CuZn10
M90

90

-

bardzo podatny na przeróbkę
plastyczną na zimno, odporny na
korozję naprężeniową, dobry do
lutowania

elementy wykonane różnymi metodami
przeróbki plastycznej, szczególnie przez
głębokie tłoczenie

CuZn30
M70

70

-

bardzo podatny na przeróbkę
plastyczną na zimno, dobry do
lutowania

taśmy do produkcji chłodnic, elementy
wykonane różnymi metodami przeróbki
plastycznej, w tym przez głębokie
tłoczenie

CuZn40
M60

60

-

bardzo podatny na przeróbkę
plastyczną na zimno, dobry do
lutowania

elementy wykonane różnymi metodami
przeróbki plastycznej

Mosiądze ołowiowe

CuZn36Pb3
MO61

61

Pb~3

bardzo dobrze skrawalny,
o bardzo ograniczonej
podatności na przeróbkę
plastyczną na zimno

elementy wykonywane różnymi
metodami skrawania, w tym na
automatach

CuZn40Pb2
MO58

58

Pb~2

dobrze skrawalny,
o ograniczonej podatności na
przeróbkę plastyczną na zimno

elementy wykonane różnymi metodami
skrawania

Mosiądze wielo-
składnikowe
bezołowiowe
(mosiądze specjalne)

CuZn28Sn1
MC70

70

Sn~1

bardzo odporny na korozję

rury na wymienniki ciepła

CuZn39Al1Fe1Mn1
MA58

58

Al.~1

Fe~1

Mn~1

odporny na korozję

elementy aparatury, elementy ślizgowe

CuZn40Mn1,5
MM58

58

Mn~1,5

odporny na korozję
atmosferyczną, dobry do
lutowania

elementy aparatury, architektura

CuZn31Si1
MK68

68

Si~1

dobre własności ślizgowe

elementy ślizgowe

Wybrane gatunki mosiądzów odlewniczych wg

PN-EN 1982:2010

Oznaczenia gatunku

stopu wg systemu

europejskiego*

Skład chemiczny, %

[Zn reszta]

Sposób

odlewania

1)

Własności mechaniczne

minimum

Orientacyjna charakterystyka -

zastosowanie

Cu

Inne

R

m

R

e

A HB

N/mm

2

%

CuZn39Pb1Al-C

CC754S

58,0

÷ 63,0

Pb 0,5 - 2,5
Ni do 1,0
Sn do 1,0
Al do 0,8

GM

GP

350 180 13 90
(350) (250) (4) (110)

bardzo dobra lejność,
skrawalność; odporny na korozję
ścieranie, odporny na niewielkie
obciążenia dynamiczne;
armatura niskociśnieniowa,
obudowy części maszyn,
koszyczki łożysk tocznych

CuZn25A15Mn4Fe3

CC762S

60,0

÷ 67,0

Al 3,0 – 7,0
Mn 2,5 – 5,0
Fe 1,5 – 4,0
Ni do 3,0

GS

GM

GZ

GC

750 450 8 180
750 480 8 180
750 480 5 190
750 480 5 190

dobra lejność, odporny na
ścieranie oraz bardzo wysokie
obciążenia statyczne
i dynamiczne; części maszyn i
urządzeń silnie obciążonych,
stosowane
w przemyśle maszynowym,
hutniczym i okrętowym

CuZn16Si4-C

CC761S

78,0

÷ 83,0

Si 3,0 – 5,0
Ni do 1,0
Pb do 0,8
Al do 0,1

GS

GM

GP
GZ

400 230 10 100
500 300 8 130
(530) (320) (5) (150)
500 300 8 130

dobra lejność i skrawalność
odporny na ścieranie, korozję
wody morskiej; spawalny;
armatura i części maszyn w
przemyśle chemicznym,
okrętowym, komunikacyjnym

)

GS – do form piaskowych, GM– kokilowy, GZ – ośrodkowy, GP– ciśnieniowy, GC – ciągły

Copper Development
Association

Zastosowania - przewodność

Elektryczna

Elementy styków 13A

Cieplne

Chłodnica samochodowa

Copper Development
Association

Typowe odlewy

Courtesy of The Enfield Foundry Co Ltd

Courtesy of Saunders Valve Co Ltd

Courtesy of J W Singer Ltd

Courtesy of Boosey and Hawkes Ltd

Copper Development
Association

Typowe profile wyciskane

Courtesy of Cerro Extruded Metals Ltd

Copper Development
Association

Typowe odkuwki na gorąco

Copper Development
Association

Wyciskanie rury

Courtesy of Dorset Tube Company

Copper Development
Association

Przykłady drutów i rur

Courtesy of Dorset Tube Company

Courtesy of Cerro Extruded Materials

CuZn40Mn3Fe-
mosiądz na śruby okrętowe odlewane – dwufazowy
Części maszyn: np. tuleje, w kontakcie z wodą
odlewane, skrawane

CuZn4 – nity i do głębokiego tłoczenia
- jednofazowy

CuZn37 rury, blachy –
najważniejszy stop do przeróbki plastycznej
(na gorąco) pręty skrawane np. na

śruby

Przykłady zastosowań mosiądzów

Odlewy artystyczne i maszynowe

rury instalacji: ciepłowniczej, wodnej, gazowej

BRĄZY

A. Brązy cynowe ( stopy Cu – Sn )

B. Brązy cynowo-fosforowe(Cu-Sn-P )

C. Brązy cynowo-cynkowo-(Cu-Sn-Zn)

D. Brązy berylowe (Cu-Sn-Be)

E. Brązy cynowo – ołowiowe ( Cu-Sn-Pb)

Zawierają: Sn – (6 – 11 %), Zn – (1,5- 6,0 %)

Pb- (4-11% ), P – (0,5 –1,0 %)

stopy miedzi z pierwiastkami innymi niż cynk i Ni

Dodatki stopowe

• Cyna - zwiększa R

m

,HB i polepsza właściwości

ślizgowe i technologiczne (wzrasta lejność, maleje skurcz,
wzrasta odporność na korozję ), obniża A

5

• Fosfor - tworzy w przestrzeniach międzydendrytycznych
potrójną eutektykę



Cu

3

P, podwyższa odporność na

korozję w środowisku wody morskiej,zwiększa R

m

oraz

obniża A

5

i KCV.

Dodatki stopowe



Cynk– nie wywołuje istotnych zmian w strukturze,

przesuwa granicę występowania faz



oraz



ku

wyższym zawartościom Cu



Ołów – nierozpuszczalny w miedzi w stanie stałym,

w postaci drobnych wydzieleń, polepsza właściwości
ślizgowe brązu oraz obrabialność i szczelność odlewów

Struktura

Najczęściej dwufazowa :

faza



oraz faza



lub



- Faza



- roztwór stały cyny w miedzi (zakres występowania do 15,8%Sn a po

wyrzarzaniu ujednoradniającym – 16-17% Sn)

-faza δ - roztwór stały na bazie fazy elektronowej (o stężeniu 21/13)

- Faza



- związek międzymetaliczny Cu

3

Sn.

Struktura cynowych brązów technicznych w temperaturze otoczenia jest
nierównowagowa: do ok. 8% Sn stopy są jednofazowe α, a powyżej 8% Sn
zawierają ziarna fazy α i eutektoidu α + δ. Szeroki zakres temperatur między
likwidusem, a solidusem oraz mała szybkość dyfuzji powoduje silną skłonność
brązów do segregacji dendrytycznej. Ciemniejsze rdzenie dendrytów są bogatsze
w miedź niż warstwy zewnętrzne. Zjawisko segregacji jest bardzo niekorzystne z
punktu widzenia przeróbki plastycznej, gdyż prowadzi do nierównomiernych
własności plastycznych, a to z kolei powoduje pękanie w czasie odkształcania
brązu

Brązy cynowe Cu-Sn

%Sn

Cu

Problem: stop odlany do walcowania
np. na blachę
musi być jednofazowy (plastyczny)

Odlane wlewki są niejednorodne

Segregacja dendrytyczna

Pomiędzy dendrytami



eutektoid



(twardy, nie nadający się

do walcowania na zimno





Przestrzenie
międzydendrytyczne

Dendryt

Wyżarzanie ujednorodniające

Wysoka temperatura (100-200

o

C poniżej solidus )

-

wielogodzinne, kosztowne wyrównywanie

składu

Przed obróbką plastyczną

konieczne

wyżarzanie ujednorodniające

Konsekwencja segregacji dendrytycznej:

Właściwości brązów

lepsze niż mosiądzów

1.wytrzymałość,
-

mosiądz dwufazowy

max

400

MPa

-

brąz Al do 550MPa

i więcej po obróbce cieplnej (hartowanie)

2. odporność na korozję,
3. odporność na ścieranie

Wpływ zawartości cyny na
własności mechaniczne
brązów lanych

Stopy Cu-Sn są skłonne do porowatości i segregacji odwrotnej.
Mikroporowatość brązów spowodowana jest skurczem krzepnącego w
ostatniej fazie roztworu ciekłego bogatszego w Sn; jest szczególnie wyraźna na
granicach dendrytów.
Zjawisko segregacji odwrotnej polega na przenikaniu przez mikropory w
kierunku warstw zewnętrznych odlewu (w kierunku odprowadzania ciepła)
roztworu ciekłego bogatego w Sn. W skrajnych przypadkach krzepnie on na
powierzchni w postaci kulistych zgrubień (pot cynowy).

CuSn4 (4% cyny) na śruby,
CuSn8 druty blachy, taśmy, sprężyny

Brązy cynowe do przeróbki plastycznej

CuSn20 brąz na dzwony,
o pięknej barwie związanej z wysoką
granicą sprężystości

Brązy cynowe odlewnicze

Oznaczenia – zgodnie z PN

• CuSn10
• CuSn10P
• CuSn10Zn2
• CuSn10Pb10
• CuSn6Zn6Pb3
• CuSn5Zn5Pb5
• CuSn4Zn7Pb6
• CuSn5Pb20

• B10
• B101
• B102
• B1010
• B663
• B555
• B476
• B520

Wybrane gatunki brązów odlewniczych wg PN-EN 1982:2010

Nazwa grupy

stopów

Oznakowanie

wg PN-EN

1982:2010*

Skład

chemiczny

%

Sposób

odlewania

1

Własności mechaniczne

minimum

Własności - zastosowanie

R

m

R

ρ0,2

A HB

N/mm

2

%

Stopy
miedź -
cyna

CuSn10-C

CC480K

Cu 88,0 – 90,0
Sn 9,0 –11,0
Ni do 2,0
Pb do 1,0
P do 0,2

GS

GM

GC

GZ

250 130 18 70
270 160 10 80
280 170 10 80
280 160 10 80

odporny na duże obciążenia stałe, zmienne i
uderzeniowe, korozję temperatury do 280°C, ścieranie;
lejność i skrawalność dobra; łożyska, napędy, osprzęt
parowy i wodny, odporny na działanie niektórych
kwasów

CuSn11P-C

CC481K

Cu 87,0 – 89,5
Sn 10,0 – 11,5
P 0,5 – 1,0

GS

GM

GC

GZ

250 130 5 60
310 170 2 85
350 170 5 85
330 170 4 85

własności podobne jak B10; lepsza lejność, skrawalność,
wyższa wytrzymałość i odporność na ścieranie;
wysokoobciążone, szybkoobrotowe, narażone na korozję
łożyska, części maszyn oraz armatura chemiczna

Stopy
miedź –
cyna - ołów

CuSn10Pb10-C

CC495K

Cu 78,0 – 82,0
Sn 9,0 – 11,0
Pb 8,0 – 11,0
Zn, Ni po
max 2,0

GS

GM

GZ

GC

180 80 8 60
220 110 3 65
220 110 6 70
220 110 8

bardzo dobra lejność i skrawalność; odporny na
ścieranie; łożyska i części maszyn pracujących przy
dużych naciskach i szybkościach

CuSn5Zn5Pb5-C

CC491K

Cu 83,0 – 87,0
Sn 4,0 – 6,0
Zn 4,0 – 6,0
Pb 4,0 – 6,0

GS

GM

GC

GZ

200 90 13 60
220 110 6 65
250 110 13 65
250 110 13 65

lejność i skrawalność bardzo dobra; odporny na korozję i
ścieranie do temperatury 230°C; części maszyn, osprzęt
aparatury pojazdów, silników i traktorów narażony na
korozję, ścieranie i ciśnienia do 2,5 MPa

Stop miedź
–
aluminium

CuAl10Fe2-C

CC331G

Cu 83,0 -89,5
Al 8,5 – 10,5
Fe 1,5 – 3,5
Ni max. 1,5
Mn max. 1,0

GS

GM

GC

GZ

500 180 18 100
600 250 20 130
550 200 18 130
550 200 15 130

lejność dobra; bardzo odporny na obciążenia statyczne,
korozję, ściera-nie i podwyższone temperatury; silnie
obciążone części maszyn, silników oraz osprzętu
aparatury narażone na korozję i ścieranie przy
równoczes-nym obciążeniu mechanicznym; stosowane w
przemyśle komunikacyj-nym, okrętowym, chemicznym
itp.

BRĄZY ALUMINIOWE

A. PROSTE (Cu-Al )

B. ZŁOŻONE ( Cu - Al – Mn – Fe – Ni )

Właściwości brązów

Zależą od budowy fazowej

:

Jednofazowa



wysokie własności plastyczne, mała twardość,

dwufazowe (



+



2

)

twardsze i mniej plastyczne





2





2



2

faza Cu

9

Al

4

STOPY ODLEWNICZE

Na odlewy stosuje się stopy :

-Stopy trójskładnikowe Cu - Al – Fe (2-4%)

-Stopy wieloskładnikowe:

Cu–Al–Fe (2-4%)-Mn(1-2%) lub Cu-Al-Fe-Mn-Ni

Oznaczenia – zgodnie z PN

• CuAl9Fe3
• CuAl10Fe3Mn2

• BA93
• BA1032

Właściwości mechaniczne CuAl10Fe3Mn2

Stan

R

m

min., MPa

A

10

min., %

HB min.

surowy

hartowany 950°C, woda

hartowany jw. i odpuszczony

w 300 ÷ 350°C

hartowany jw. i odpuszczony

w 500 ÷ 600°C

600
600
700

690

12

2
2

15

120
130
320

215

Brązy aluminiowe jako jedyne stopy
miedzi podlegają ulepszaniu cieplnemu

Brązy berylowe (Cu-Be)

Fragment wykresu układu
równowagi Cu-Be

Brązy berylowe

Beryl -metal lekki

r

=1,85 Mg/m

3

Połączenie wytrzymałości i twardości jak
stal ulepszona cieplnie,
odporność na korozję R

m

=1250 MPa,

Zastosowanie m.in.
na szczotki silników elektrycznych

Umacnianie przez utwardzanie wydzieleniowe
lub zgniot

Brązy ołowiowe

Wykres równowagi Cu-Pb

Struktura brązu ołowiowego: jasne ziarna
miedzi, ciemne ołowiu. Bez trawienia

Ołów nie rozpuszcza się w miedzi w stanie stałym
Budowa twarda osnowa miedzi z wydzieleniami czystego ołowiu
stop samosmarujący - ołów wytapia się w wysokiej temp. w przypadku
zacierania łożyska (typowy stop CuPb30)

Brązy do obróbki plastycznej –b. krzemowe (Cu-Si)

Skład:
-Si 2,7% -3,5%
-dodatki stopowe:
Mn 1,0% -1,5%

Właściwości:
-wysokie właściwości
wytrzymałościowe
-duża odporność na korozję
-łatwo poddający się przeróbce
plastycznej na zimno

Zastosowanie:
-siatki, śruby, szczególnie w
środowisku morskim
-elementy w przemyśle
chemicznym,
-elementy odporne na ścieranie,
-konstrukcje spawane.

UKŁAD RÓWNOWAGI Cu-Si

Oznaczenia zgodne z PN

• CuSi3Zn3Mn

• BK331

Miedzionikle

• Miedzioniklami nazywane są stopy miedzi, w których głównym dodatkiem

stopowym jest nikiel w ilości 2-45%Mają one dobre własności
wytrzymałościowe, wysoka plastyczność i odporność na korozję. Stopy o
dużej zawartości niklu mają też dużą elektryczną oporność właściwą.

• Miedzionikle o zaw. 5-10% Ni oraz 1% Fe i 0,5% Mn (dla wzrostu

wytrzymałości) są stosowane na rury skraplaczy w przemyśle okrętowym.
Stopy o zaw. 15-25% Ni – do wyrobu moment ze względu na dużą
odporność na ścieranie.

• Szczególnie znane są dwa stopy o międzynarodowych nazwach; nikielina

(ok. 20% Ni) i konstantan ok. 40% Ni). Zbliżony składem do nikieliny jest
stop CuNi19 o bardzo dobrych własnościach plastycznych i dużej
odporności na korozję, stosowany głównie do platerowania. Konstantan
stosowany jest prawie wyłącznie w elektrotechnice. Ponieważ siła
termoelektryczna konstantanu jest duża i rożnie proporcjonalnie z
temperaturą, używa się go często do budowy termopar.

Wybrane miedzionikle odlewnicze

według PN-EN 1982: 2010

Znak

(Numer stopu wg

europejskiego systemu

numerycznego*)

Skład chemiczny, %

Sposób

odlewania

*

Własności

R

m

N/mm

2

R

ρ0,2

N/mm

2

A

%

HB

CuNi10Fe1Mn1-C

(CC 380H)*

Cu min 84,5
Ni 9,0 – 11,0
Fe 1,0
Mn 1,0 – 1,8

GS

GZ

GC

280

280

280

120

100

100

20

25

25

70

70

70

CuNi30Fe1Mn1-C

(CC 381H)*

Cu min 64,5
Ni 29,0 – 31,0
Fe 0,5 – 1,5
Mn do 1,2

GS

GZ

340

340

120

120

18

18

80

80

CuNi30Cr2FeMnSi-C

(CC 382H)*

Ni 29,0 – 32,0
Cr 1,5 – 2,0
Cu reszta
Fe 0,5 – 1,0
Mn 0,5 – 1,0

GS

440

250

18

115

Klasyfikacja stopów miedzi wg UNS

• Znaki C10100 do C79900 opisują

stopy do przeróbki plastycznej

.

• znaki C80000 do C99900 opisują stopy

odlewnicze

.

9-41