METALE NIEŻELAZNE I ICH STOPY

Metale lekkie:

Beryl, Magnez , Aluminium, Tytan

I a

II a

III b IV b V b

VI b VII b

VIII b

II b III a

Porównanie wybranych właściwości metali lekkich i żelaza

Metal

Liczba atomowa

Masa atomowa

9,01

24,30

26,98

47,86

55,84

Gęstość g/cm

1,848

(23%)

1,738

(22%)

2,69

(34%)

4,51

(57%)

7,87

Temp. topnienia,

1283

650

660

1668

1538

Struktura krystaliczna

A3, A2

Tiα A3,

od 882

Tiβ A2

A2, A1

Rm, MPa

~ 600

~ 200

~ 45

~ 235

~ 300

0,2

, MPa

~ 310

~ 130

~10

~ 140

~ 150

Stopy metali lekkich

Stopy Aluminium: Al-Si; Al-Mg; Al-Cu; Al-Zn; Al-Mn; Al-Fe;

Stopy Tytanu: Ti-Al; Ti-Sn; Ti-Mo; Ti-V; Ti-V-Cr-Al-Sn;

Stopy Berylu: Be-Al; Be-Ag

Stopy Magnezu: Mg-Al.; Mg-Zn; Mg-Zn; Mg-Zn-Cu; Mg-Al.-Zn;

ALUMINIUM i JEGO STOPY

L. atomowa 13
Masa atomowa 26,98
Krystalizuje w sieci A1 o parametrze a = 0,404 nm., bez odmian alotropowych,
t

topn.

660

C, gęstość 2,70 g/cm

70 –120 MPa, R

20 – 40 MPa, A

30 – 45%,

Wysoka przewodność elektryczna (65% przew. el. Cu),
Wysoka odporność na korozję w środowisku wody oraz kwasów utleniających, dzięki
warstewce ochronnej wytworzonego tlenku Al

. Nie jest odporne na działanie kwasów

redukujących HF, HCl.
Zastosowanie:  w   budo w ni ct w i e,  na  pr z ew ody  el ekt r y cz ne ,  w   el e kt r ot e chni ce  i
elektronice,  na  urządzenia  chemiczne,  urządzenia  w  przemyśle  spożywczym,
do  produkcji  stopów,  przedmiotów  codziennego  użytku,  sp rzętu  sportowego  i
t ur ys t y cz n ego.

W   p r z y r o d z i e   A l   w y s t ę p u j e   w   w i e l u   m i n e r a ł a c h   i   j e s t   t r z e c i m   p o
t l e n i e   i   k r z e m i e   p i e r w i a s t k i e m   p o d   w z g l ę d e m   u d z i a ł u   w   s k o r u p i e
z i e m s k i e j .   G ł ó w n ą   r u d ą   A l   j e s t   b o k s y t ,   z   k t ó r e g o   w y t w a r z a   s i ę
c z y s t y   t l e n e k   A L

, a n a s t ę p n i e p r z e z e l e k t r o l i z ę t l e n k u

r o z p u s z c z o n e g o   w   s t o p i o n y m   k r i o l i c i e   ( f l u o r o g l i n i a n i e   s o d u ) ,
o t r z y m u j e   s i ę   A l   h u t n i c z e .   A l   p r o d u k u j e   s i ę   w   1 7   o d m i a n a c h
( g a t u n k a c h )   o   c z y s t o ś c i   o d   9 9 , 0   –   9 9 , 9 9 % .   W g   P N = E N   5 7 3 - 3 :   2 0 0 4
o z n a c z e n i e   g a t u n k ó w   A l   s k ł a d a   s i ę   z   l i t e r   E N   A W - A l ,   a   n a s t ę p n i e
l i c z b y   o k r e ś l a j ą c e j   j e g o   c z y s t o ś ć ,   n p .   E N   A W - A l 9 9 , 9 0 .

STOPY AL.

Dzielą się na odlewnicze i do przeróbki plastycznej.

Odlewnicze stopy są stopami wieloskładnikowymi zawierającymi od 5 – 25 pierwiastków
stopowych, głównie: Cu, Si, Mg, Ni. Stopy te wykazują dobrą lejność i mały skurcz.

Stopy do przeróbki plastycznej zawierają do 5% pierwiastków stopowych, zwykle: Cu, Mg,
Mn a czasami także Si, Zn, Ni, Cr, Ti.

Stopy aluminium z krzemem

W układzie równowagi Al - Si występują dwa roztwory stałe: α (Si w Al) i β (Al w Si) oraz
eutektyka. W temperaturze eutektycznej 577

C w Al rozpuszcza się 1,65% Si.

Rozpuszczalność Si maleje przy obniżaniu temperatury i przy 300

C wynosi zaledwie

0,05%. Rozpuszczalność Al w Si jest jeszcze mniejsza gdyż w temp. eutektycznej wynosi ok
0,07%, a w temperaturze 300

C jest bliska zeru. Stopy eutektyczny zawiera 12,6% Si.

Podstawową grupę stopów stanowią siluminy zawierające od 4 – 30% Si. Najlepszą lejność
wykazują siluminy o składzie eutektycznym. Własności mechaniczne siluminów obniżają
kryształy roztworu o ostrych krawędziach. Polepszenie własności mechanicznych
siluminów uzyskuje się w wyniku modyfikacji stopów za pomocą soli sodu lub potasu (NaF,
NaCl, KCl).

Siluminy  wieloskładnikowe  oprócz  krzemu  zawierają  dodatki  Cu,  Mg,  Ni,  Mn,  Fe.
Pierwiastki  te  umożliwiają  utwardzanie  wydzieleniowe  stopu  w  wyniku  występowania
dyspersyjnych  faz:  CuAl

Si. Dodatek Mn zmniejsza szkodliwy wpływ domieszki Fe

tworzącego fazy międzymetaliczne z Si i Al.

Przykładowe gatunki siluminów

Stopy odlewnicze:

EN AC-AlSi11; EN AC-AlSi5Cu1Mg, EN AC-AlSi5Cu1Mn,
EN AC-AlSi7Cu3Mg, EN AC-AlSi12CuNiMg

Zastosowanie:  tłoki  i  głowice  silników  spalinowych,  odlewy  w  przemyśle  maszynowym,
okrętowym i elektrycznym.

Do  przeróbki  plastycznej  stosuje  się  siluminy  o  zawartości  Si  do  ok.  2%.
Są one przeznaczone na średnio obciążone elementy samolotów i pojazdów mechanicznych.
Stopy o wyższej zawartości Si od 5 – 12% mogą być poddawane przeróbce plastycznej, np. w
celu wytworzenia drutów spawalniczych.

Stopy do obróbki plastycznej:

EN AW-AlSi1Fe; EN AW-AlSiMnMgCu, EN AW-AlSi2Mn;
EN AW-AlSi7Mg, EN AW-AlSi10Mg, EN AW-AlSi12,5MgCuNi

STOPY Al z Mg

Mg  rozpuszcza  się  w  Al  tworząc  roztwór  stały  graniczny  α  o  zm niejszającej
się  rozpuszczalności  wraz  z  obniżaniem  temperatury.  Rozpuszczalność  Mg  w
Al w t emp. eut ekt ycz nej  451

C w ynosi 14,9%.

W  zakresie  stężenia  35,5%  Mg  występuje  eutektyka  składająca  się  z  roztworu
stałego podstawowego α i roztworu stałego wtórnego  β.
W stopach przemysłowych stężenie Mg zawarte jest w przedziale od 0,5 do 13%.

Stopy o małym stężeniu Mg od 0,4 – 5,8%, zwane hydronaliami, są

przeznaczone do obróbki plastycznej.

Zawierają one niewielkie dodatki Mn, Si, Fe, a niekiedy Cr, Cu, Ti.

Stopy te podlegają wyżarzaniu ujednorodniającemu, rekrystalizującemu, odprężaniu,

utwardzaniu wydzieleniowemu.

Przykładowe gatunki stopów do przeróbki plastycznej:

EN AW-AlMg2,5; EN AW-AlMg3,5Cr, EN AW-AlMg5, EN AW-AlMg5Mn,
EN AW-AlSiMg, EN AW-AlSi1MgMn.
Stopy te znajdują zastosowanie do wyrobu średnio obciążonych elementów w przemyśle
okrętowym i lotniczym oraz w budowie urządzeń przemysłu spożywczego i chemicznego.

Stopy odlewnicze zawierają od 3 – 9% Mg. Jako pierwiastki stopowe w stopach
odlewniczych stosuje się Si, Fe, Mn, Cu, Ti, Zn. Stopy Al z Mg są popularne ze względu na
wysoką odporność na korozję, znacznie wyższą od siluminów. W celu usunięcia dwufazowej
struktury stopy poddawane są one przesycaniu. W wyniku starzenia stopy Al-Mg ulegają
utwardzeniu dzięki wydzieleniom fazy Mg

Si.

Przykładowe gatunki stopów odlewniczych

EN AC-AlMg3, EN AC-AlMg5, EN AC-AlMg9

Zastosowanie: odlewy o dużej odporności na korozję, np. armatura morska, elementy
aparatury chemicznej itp.

STOPY Al z Cu

W układ zi e równowagi Al – Cu w yst ępują dwa rozt wor y s tał e podst awowe.
Roztwór ω (Cu w Al) i roztwór α (Al w Cu) oraz 9 roztworów stałych
wtórnych na osnowie różnych faz międzymetalicznych. W stopach
technicznych istotną rolę odgrywa międzymetaliczna faza θ C uAl

o sieci

tet ragonal nej . W t em peraturze eut ekt ycz nej 548

C w Al rozpuszcza się 5,65%

Cu. W miarę obniżania temperatury do 20

C rozpuszczalność Cu w Al maleje

do 0,5%. Stop o składzie 33,2% Cu stanowi mieszaninę eutektyczną roztworu
stałego podstawowego ω i roztworu stałego wtórnego θ (CuAl

Stopy odlewnicze zawierają ok. 5% Cu i niekiedy Ti. Nie są one często stosowane ze
względu na trudności technologiczne. Cu w stopach Al zwiększa żaroodporność, lecz obniża
ich odporność na korozję, zwłaszcza korozję międzykrystaliczną z uwagi na obecność fazy θ
(CuAl

). Stopy Al z Cu podlegają utwardzaniu dyspersyjnemu osiągając R

= 210MPa, HB

60 i A

= 6%.

Umocnienie w wyniku samorzutnego starzenia stopu oraz w temp. niższej od 100

wywołują strefy GP. Starzenie w temp wyższych daje mniejszy efekt umocnienia wywołany
przemianą faz GP w fazy półkoherentne Al

3,6

a następnie w koherentną fazę CuAl

Gatunki: EN AC-AlCu4MgTi, EN AC-AlCu4Ti .

Stopy Al z Cu i Mg do obróbki plastycznej (durale miedziowe)
Stopy te poddawane są obróbce cieplnej: Wyżarzaniu ujednoradniającemu, wyżarzaniu
rekrystalizującemu oraz utwardzaniu dyspersyjnemu.
Po obróbce cieplne polegającej na: przesycaniu z temp. 510 – 540

C, a następnie starzeniu

160 – 200

C, durale osiągają wytrzymałość 600 MPa. Umocnienie stopów wywołują fazy:

Cu, Al

CuMg, Mg

Si, FeNiAl

Gatunki: EN AW-AlCu6Mn, EN AW-AlCu4SiMg, EN AW-AlCu2,5NiMg.

Stopy Al z Cu i Mg stosowane są na: elementy maszyn, pojazdów mechanicznych, taboru
kolejowego, samolotów oraz w budownictwie.
Zastosowanie tych stopów jest ograniczone z powodu małej odporności korozyjnej.

Oprócz dotychczas wymienionych stopów stosowane są stopy:
Al – Zn, Al – Mn, Al – Fe.

Beryl i jego stopy

Beryl

Metody wytwarzania Be:

- Redukcja BeF

w temp. 900-1300

- Elektroliza mieszaniny BeCl

+NaCl

z następną destylacją próżniową.

Metody wytwarzania:

- półprodukty: metalurgia proszków,

- blachy: walcowanie na gorąco,

- pręty, rury, kształtowniki:
wyciskanie na zimno w temp. 400-500

wyciskanie na gorąco w temp. 900-1100

Be można skrawać wyłącznie narzędziami z węglików
spiekanych.

Be można spawać łukiem krytym w osłonie argonu.

Liczba atomowa

Masa atomowa

9,01

Gęstość g/cm

1,848

Temp. topnienia,

1283

Struktura krystal.

A3, A2

Rm, MPa

~ 600

0,2

, MPa

~ 310

Stopy berylu:

Be-Al zawierają od 24-43%Al. Wykazują strukturę eutektyczną (miękką i plastyczną) z
twardymi i kruchymi kryształami berylu,
Be-Ag zawierają do 60% Ag oraz dodatki Li i La.

Zastosowanie stopów Be:

elementy silników rakietowych, w tym komór spalania i dysz,

poszycia oraz osłon termicznych promów kosmicznych,

powłoki wytwornic ciepła w reaktorach atomowych,

systemy anten statków kosmicznych i sztucznych satelitów,

zwierciadła teleskopów montowane na obiektach kosmicznych,

tarcze hamulcowe samolotów i samochodów wyścigowych,.

Magnez i jego stopy

Magnez

Metody wytwarzania Mg:

Metoda elektrolityczna pozwala na uzyskanie
magnezu zawierającego 0,5 i 0,05% zanieczyszczeń.

Magnez w stanie czystym jest stosowany jako

składnik, odtleniacz i modyfikator stopów metali.

Liczba atomowa

Masa atomowa

24,30

Gęstość g/cm

1,738

Temp. topnienia,

650

Struktura krystal.

Rm, MPa

~ 200

0,2

, MPa

~ 130

Stopy magnezu:

Mg-Al zawierają od 3-11%Al,
Wieloskładnikowe stopy Mg-Al zawierają: do 5% Zn, do 3,7% metali ziem rzadkich
(lantanowców), do 0,7% Zr, 0,6%Mn.
Niektóre stopy zawierają: do 2,5%Ag, do 2,7%Cu i do 5%Y.

Zn jako składnik powyższa wytrzymałość, plastyczność i lejność stopów, natomiast dodatek
Mn zwiększa odporność na korozję.

Zr, Ce oraz pierwiastki ziem rzadkich podwyższają właściwości stopów Mg w
podwyższonych temperaturach.

Zastosowanie stopów Mg:

budowa samolotów,

przemysł motoryzacyjny,

aparatura automatyczna,

sprzęt użytku domowego i biurowego,

systemy anten statków kosmicznych i sztucznych satelitów,

zwierciadła teleskopów montowane na obiektach kosmicznych,

tarcze hamulcowe samolotów i samochodów wyścigowych.

TYTAN i jego stopy

L. atomowa 22; Masa atomowa 47,86, t

topn.

1668

Krystalizuje w sieci A2 o parametrze a = 0,332 nm (Ti

). Podczas chłodzenia w temp. 882

w wyniku przemiany alotropowej przebudowuje sieć Tiβ

w Tiα o komórce elementarnej A3 (a

= 0,295 nm, c = 0,468 nm).

Gęstość tytanu w temp. pokojowej wynosi 4,35 g/cm

i jest znacząco mniejsza od Fe, Ni lub

Cu.

Metaliczny tytan jest metalem drogim ze względu na duże zużycie surowców i wysoką
energochłonność procesów produkcyjnych. Tytan jest trudnym metalem w obróbce
mechanicznej, zarówno podczas skrawania jak kształtowania metodami obróbki plastycznej.
Stopy techniczne tytanu  charakteryzują się wysoką wytrzymałością i  żarowytrzymałością  w
połączeniu  z  dobrą  odpornością  na  korozję.  Są  one  stosowane  w  przemyśle  lotniczym,
kosmicznym, okrętowym, chemicznym, jądrowym, a także w produkcji sprzętu medycznego i
sportowego.  W  porównaniu  z  innymi  materiałami  konstrukcyjnymi  tytan  i  jego  stopy
wyróżniają  się  dużą  wytrzymałością  względną  (stosunek  wytrzymałości  do  gęstości)  w
szerokim  zakresie  temperaturowym.  Wytrzymałość  względna  stopów  tytanu  jest  około  1,5
razy  większa  od  wysokowytrzymałych  stali  stopowych.  Wytrzymałość  względna  innych
stopów, np. Al lub Mg również ustępuje stopom Ti, zwłaszcza im wyższa jest temp. pracy.
Tytan  wykazuje  wysoką,  znacznie  wyższą  niż  żelazo,  odporność  na  korozję  atmosferyczną
oraz w wielu innych środowiskach.
Przykładowe stopy tytanu:

TiAl6V4, TiAl8Mo1V1, TiAl7Mo4, TiAl4Mo3V1, TiV13Cr11Al3.

Wybrane metale ciężkie i ich stopy

NIKIEL i jego stopy

L. atomowa 28; Masa atomowa 58,71

Krystalizuje w sieci A1 o parametrze a = 0,3561 nm., bez odmian alotropowych,

topn.

1452

C, gęstość: 8,91 g/cm

, R

450 MPa, A

45%,

Wykazuje wysoką odporność na korozję atmosferyczną, w środowisku wody morskiej i
kwasów organicznych. Nie wykazuje odporności korozyjnej na działanie związków siarki
oraz kwasów azotowego i fosforowego.

Zastosowanie: dodatek stopowy do stali i stopów metali nieżelaznych oraz jest osnową dla licznych stopów.

Nikiel jest pierwiastkiem deficytowym.
W zależności od technologii wytwarzania rozróżniamy: nikiel elektrolityczny, nikiel
karbonylkowy, nikiel hutniczy i rafinowany ogniowo.

STOPY Ni dzielą się na:

konstrukcyjne – wśród których występują monele zawierające 27 – 31% Cu,
1 - 2% Mn, 0,5 – 3% Fe. Ze względu na dużą odporność korozyjną i dobrą spawalność
monele stosowane są na elementy aparatury i urządzeń w przemyśle chemicznym.

Oporowe: chromel 10% Cr i alumel 2,5% Al, 2% Mn i 2% Si, stosowane na termoelementy.

Na elementy oporowe do temp. 800 – 1200

C stosowane są nichromy: 15 – 20% Cr z

dodatkiem 0,1% Ce i ewentualnie Fe do 25%,

Na elementy oporowe do temp. 1300

C stosowany jest kanthal: 20 – 35% Cr,

4 – 7% Al, 3% Co i 0,1% C.

Stopy o szczególnych własnościach fizycznych:
stopy o qasistałym współczynniku rozszerzalności liniowej: Inwar 36 – 52% Ni reszta Fe,

kowar lub fernico 30% Ni, 15 – 20% Co, reszta Fe,
stopy o dużej przenikalności magnetycznej: permalloye zawierają 20 – 22% Fe reszta Ni.
Stopy odporne na korozję: hastelloye zawierające 25% Mo częściowo zastępowanego
dodatkiem Cr oraz dodatki Si, Mn, V, W i do 0,1% C.

Stopy żarowytrzymałe:
o nazwie nimonic zawierają oprócz Ni dodatek Cr do 20%, Mo do 20%, Fe do 10%, oraz 5 –
10% Al lub Cu.
Stopy o nazwie inconel, zawierają dodatkowo Co w ilości do 15%.

MIEDŹ i JEJ STOPY

L. atomowa 29

Masa atomowa 63,54

Krystalizuje w sieci A1 o parametrze a = 0,361 nm., bez odmian alotropowych,

topn.

1084,5

gęstość: 8,89 g/cm

200 – 250 MPa, R

35 MPa, A

30 – 35%, 45HB

Wykazuje wysoką przewodność elektryczną i cieplną.

W atmosferze nie zawierającej związków siarki miedź jest odporność na korozję dzięki

pokrywaniu się patyną. Nie jest odporna na działanie amoniaku.

Zastosowanie: przewody elektryczne, w elektrotechnice i elektronice, w przemyśle energetycznym i chemicznym stosowana jest na
chłodnice i wymienniki ciepła.

Miedź jest produkowana w kilkunastu gatunkach różniących się stopniem
zanieczyszczenia: Cu 99,99 K (katodowa) – Cu 99 (odlewnicza).

STOPY Cu
Dzielą się na odlewnicze i do przeróbki plastycznej.

Tradycyjnie wyróżnia się następujące stopy:
Mosiądze – główny dodatek stopowy Zn (do 45%),

Miedzionikle – główny dodatek stopowy Ni (do 40%),

Brązy – główny dodatek stopowy: Sn (do 11%) – brązy cynowe,

Al (do 11%) – brązy aluminiowe,

Be (do 2,1%) – brązy berylowe,

Si (do 3,5%) – brązy krzemowe,

Mn (do 13%) – brązy manganowe.

Wszystkie wymienione stopy nogą być dwuskładnikowe lub wieloskładnikowe.

W nowych normach nie występują tradycyjne nazwy stopów Cu.
Nowe określenia związane są ze składem stopów, np. stopy miedzi z cyną, stopy miedzi z
cynkiem, itd.

Stopy miedzi z cynkiem

Stopy dwuskładnikowe przeznaczone do obróbki plastycznej
zawierają 4 – 39,5% Zn.
Przykładowe oznaczenia gatunków: CuZn5, CuZn20, CuZn30, CuZn40.

Stopy o zawartości Zn do 39% wykazują strukturę jednofazową roztworu stałego α. Powyżej
39% Zn w strukturze oprócz roztworu stałego α występuje roztwór stały wtórny β’. Stopy o
strukturze  jednofazowej  cechują  się  dużą  plastycznością,  co  umożliwia  wytwarzanie  z  nich
wyrobów  metodą  głębokiego  tłoczenia  oraz  obróbki  plastycznej  na  zimno.  Pojawienie  się
fazy  β’  w  strukturze  wywołuje  wzrost  wytrzymałości  stopu  przy  obniżeniu  własności
plastycznych. Stopy dwufazowe można obrabiać plastycznie na gorąco.
Zastosowanie:  produkty  hutnicze  ogólnego  przeznaczenia  (pręty,  rury,  blachy,
kształtowniki), taśmy i druty na sprężyny i złączki, pręty do obróbki na automatach, łożyska
ślizgowe.

Stopy wieloskładnikowe
Dodawane  do  stopów  Cu-Zn  pierwiastki  stopowe  zwiększają  ich  wytrzymałość
i odporność na korozję. Odporność na ścieranie poprawia Si, Mn i Al. Odcynkowaniu stopu
zapobiega dodatek Al, As, Ni oraz Sn. Złą skrawalność stopów poprawia dodatek Pb.
Wieloskładnikowe  stopy  Cu  z  Zn,  stosowane  są  zarówno  jako  materiały  przeznaczone  do
obróbki  plastycznej  oraz  materiały  odlewnicze  na  armaturę,  łożyska,  śruby  okrętowe,
elementy maszyn itp.
Stopy  miedzi  z  cynkiem  i  ołowiem  przeznaczone  do  obróbki  plastycznej  zawierają:  35-
43% Zn, 0,45 – 3,9% Pb.
Przykładowe oznaczenia gatunków: CuZn35Pb1,  CuZn39Pb3, CuZn43Pb2.

Stopy miedzi z cynkiem i innymi pierwiastkami do obróbki plastycznej zawierają: 13 –
40% Zn, 0 – 1,8% Al, 0 – 4,3% Mn, 0,1 – 2,8% Fe, 0 – 2,5% Ni, 0 – 1,85% Pb, 0 – 1,25% Sn,
0 – 0,6% Si, 0 – 0,04%As.
Przykładowe oznaczenia gatunków: CuZn13Al1Ni1Si1, CuZn36Pb2Sn1, CuZn20Al2As,
CuZn40Mn1Pb1AlFeSn, itp.

Odlewnicze

stopy

miedzi

cynkiem

innymi

pierwiastkami

zawierają:

14 – 39% Zn, 0 – 5% Al, 01 – 3,8% Mn, 0,15 – 1,5% Fe, 0,1 – 6% Ni,
0,5 – 2,2% Pb, 0,3 – 1% Sn, 0 – 1% Si, 0 – 0,15% As.
Przykładowe oznaczenia gatunków: CuZn15As-C, CuZn16Si4-C,
CuZn33Pb2-C, CuZn25Al5Mn4Fe3-C, CuZn35Mn2Al1Fe1-C.

Stopy miedzi z niklem i cynkiem

zawierają ok 60% Cu, 7 – 18% Ni i 19 – 42% Zn a także 0,5 – 5,3% Mn,
0 – 2,8% Pb.

Tradycyjna nazwa tych stopów to mosiądze wysokoniklowe lub nowe srebro. Stopy
zawierające ok. 60% Cu, 8 – 30% Ni i 10 – 30% Zn wykazują strukturę jednofazową α,
wysokie własności wytrzymałościowe, są podatne do obróbki plastycznej na zimno i gorąco
oraz charakteryzują się dobrą odpornością na korozję. Stopy o stężeniu 45% Cu, 8 – 18% Ni i
35 – 42% Zn charakteryzują się strukturą dwufazową α + β’ i są obrabialne tylko na gorąco w
zakresie temperatur 600 – 750

Przykładowe oznaczenia gatunków:
CuNi7Zn39Pb3Mn2, CuNi10Zn42Pb2, CuNi18Zn20, CuNi18Zn27.

Zastosowanie: elementy maszyn, elementy urządzeń elektrochemicznych, chemicznych,
sanitarnych i w architekturze.

Stopy miedzi z niklem

zawierają: do 40% Ni, 1-2% Si, Al, Fe lub Mn.
Tradycyjna nazwa tych stopów to miedzionikle. Stopy Cu z Ni wykazują nieograniczoną
rozpuszczalność składników w stanie stałym. Produkowane są jako gatunki przeznaczone do
obróbki plastycznej oraz gatunki odlewnicze.
Przykładowe stopy do przeróbki plastycznej:
CuNi30Mn1Fe , CuNi19, CuNi25, CuNi2Si, CuNi1Si.

Przykładowe stopy odlewnicze:
CuNi10Fe1Mn1-C, CuNi30Fe1Mn1-C, CuNi30Cr2FeMnSi-C.
Stopy do 30% Ni stosowane są jako materiał odporny na korozję.
Stopy o wyższym stężeniu Ni przeznaczone są na elementy oporowe, np. stop CuNi44Mn1,
tradycyjnie zwany konstantanem.

Stopy miedzi z cyną

Techniczne stopy Cu z Sn tradycyjnie zwane brązami cynowymi zawierają od
4 – 12% Sn. Duży zakres temperatury krystalizacji stopów Cu – Sn sprzyja podczas
chłodzenia segregacji, która powoduje, że w strukturze stopów nawet o niewielkim stężeniu
Sn oprócz niejednorodnego roztworu α występują twarde fazy bogate w Sn. Z tego względu
dobrą podatność do obróbki plastycznej wykazują stopy zawierające do 4% Sn. Stopy o
stężeniu od 4 – 8% Sn stosowane są również do obróbki plastycznej, lecz wykazują skłonność
do pęknięć.
W celu polepszenia niektórych własności oraz zaoszczędzenia deficytowej Sn produkowane
są stopy zawierające oprócz Cu i Sn dodatki: Zn, Pb, P.

P - dodawany do niektórych stopów jako odtleniacz zapobiega powstawaniu bardzo twardego
tlenku SnO

Zn – dodawany w ilości do 8,5% sprzyja ujednoradnianiu składu chemicznego roztworu α i
własności mechanicznych. Cynk ponadto jest dobrym odtleniaczem i poprawia lejność
stopów.

Pb - ołów nie wchodzi w skład roztworów stałych, poprawia skrawalność stopów Cu – Sn,
zmniejsza współczynnik tarcia i poprawia szczelność odlewów.
Tradycyjna nazwa stopów Cu-Sn-Zn to spiże.

Przykładowe gatunki stopów Cu – Sn przeznaczonych do obróbki plastycznej:
CuSn4, CuSn5, CuSn6, CuSn8.

Przykładowe gatunki stopów wieloskładnikowych przeznaczonych do obróbki plastycznej:

CuSn3Zn9, CuSn4Pb2P, CuSn4Pb4Zn4, CuSn8Pb

Przykładowe gatunki odlewniczych stopów Cu – Sn:
CuSn10-C, CuSn12-C

Przykładowe gatunki wieloskładnikowych odlewniczych stopów CuSn11Pb2-C,
CuSn11P-C, CuSn7Zn4Pb2-C, CuSn5Pb9-C.

Zastosowanie: Stopy miedzi z cyną charakteryzują się dobrą odpornością na korozję między
innymi w środowisku przemysłowym oraz wody morskiej. W stanie obrobionym plastycznie
na zimno stopy te wykazują wysokie własności wytrzymałościowe, co umożliwia stosowanie
ich w przemyśle chemicznym, papierniczym i okrętowym na aparaturę kontrolno –
pomiarową, siatki, sprężyny, tulejki, łożyska ślizgowe, ślimacznice i ślimaki.

Stopy miedzi z aluminium

Tradycyjna nazwa tych stopów to Brązy aluminiowe. Stopy o zawartości do 9% Al wykazują
strukturę jednofazową roztworu stałego podstawowego α. Stop o składzie 11,8% Al jest
stopem eutektoidalnym. Podczas powolnego chłodzenia roztwór stały β poniżej temperatury
565

C ulega rozpadowi eutektoidalnemu na mieszaninę faz α + γ

. Przy szybkim chłodzeniu

nie następuje rozpad eutektoidalny fazy β lecz jej bezdyfuzyjna przemiana martenzytyczna w
fazę β’ o strukturze listwowej. Przemiana martenzytyczna zachodzi w stopach o stężeniu Al
powyżej 9,4% i poniżej 15,6 %.
Jednofazowe stopy miedzi z aluminium o zawartości do 8% Al można obrabiać plastycznie na
zimno  i  na  gorąco.  Stopy  zawierające  w  strukturze  eutektoid  można  obrabiać  plastycznie
wyłącznie na gorąco, w temperaturze zapewniającej występowanie jednofazowej struktury β.
W zastosowaniach technicznych duże znaczenie odgrywają stopy wieloskładnikowe z Fe, Mn
i Ni. Pierwiastki te podwyższają wytrzymałość stopów oraz odporność na ścieranie.

Stopy Cu – Al znalazły zastosowanie na panewki łożysk ślizgowych, koła zębate, gniazda
zaworów, elementy konstrukcyjne w przemyśle chemicznym, elementy pracujące w wodzie
morskiej, w tym śruby okrętowe.

Przykładowe gatunki stopów Cu – Al do przeróbki plastycznej:

CuAl5As, CuAl6Si2Fe, CuAl8Fe3CuAl10Fe1, CuAl11Fe6Ni6.

Przykładowe gatunki odlewniczych stopów Cu – Al:

CuAl9-C, CuAl10Fe2-C, CuAl10Fe5Ni5-C, CuAl11Fe6Ni6-C.

Stopy miedzi z berylem

Stopy Cu – Be zawierają do 2,1% Be oraz dodatki: Co, Ni, a niekiedy Ti. Tradycyjnie stopy te
nazywano  brązami  berylowymi.  Spośród  wszystkich  stopów  Cu  charakteryzują  się  one
najwyższą wytrzymałością (Rm do 1250MPa), wysoką odpornością na korozję i na ścieranie.
Cechują  się  ponadto  dużą  podatnością  do  obróbki  plastycznej  na  zimno  i  na  gorąco,  dobrą
przewodnością  cieplną  i  elektryczną  oraz  brakiem  skłonności  do  iskrzenia.  Stopy  Cu  z  Be
umacnia  się  w  wyniku  utwardzania  dyspersyjnego  lub  w  wyniku  obróbki  cieplno
mechanicznej.

Zastosowanie: Stopy Cu z Be stosowane są na elementy maszyn w wytwórniach materiałów
wybuchowych i prochowniach, szczotki silników elektrycznych, przewody trakcji
elektrycznej, sprężyny, łożyska ślizgowe, elementy pomp i narzędzia chirurgiczne.

Przykładowe gatunki stopów Cu – Be do przeróbki plastycznej:

CuBe1,7, CuBe2, CuBe2Pb, CuNi2Be, CuCo1Ni1Be, CuCoBe.

Stopy Cu – Si dwu i wieloskładnikowe

Techniczne stopy Cu z Si, nazywane tradycyjnie brązami krzemowymi wykazują strukturę
roztworu stałego, gdy stężenie krzemu nie przekracza 4%. Praktyczne zastosowanie znalazły
stopy wieloskładnikowe zawierające oprócz Cu i Si dodatki Mn, Fe, Zn i Ni a niekiedy także

Co  i  Cr.  Stopy  te  charakteryzują  się  wysokimi  własnościami  mechanicznymi  oraz  wysoką
odpornością na korozję.
Stopy przeznaczone do przeróbki plastycznej są stosowane na elementy aparatury chemicznej,
elementy chłodnic, siatki, sprężyny, łożyska.
Odlewnicze  stopy  Cu  z  Si  są  stosowane  na  panewki  łożysk  ślizgowych,  wirniki  pomp,
elementy przekładni ślimakowych, zastępując droższe stopu Cu z Sn.

Przykładowe gatunki stopów Cu – Si do przeróbki plastycznej:

CuSi1, CuSi3Mn1.

Stopy Cu – Mn

Tradycyjnie zwane brązami manganowymi zawierają: 5 – 6 lub 12 – 15% Mn, oraz dodatki
Ni, Si i Al. Stopy te wytwarzane są jako gatunki przeznaczone do obróbki plastycznej lub
jako gatunki odlewnicze. Stopy Cu – Mn stosowane są na rezystory wzorcowe, łopatki turbin,
śruby okrętowe

Przykładowe gatunki stopów Cu –Mn:

CuMn12Ni3, CuMn13Al13, CuMn12Si3, CuMn13Al18Fe3Ni2, CuMn11Al18Fe3Ni3-C.

Cyna (Sn) i jej stopy

L. atomowa 50; masa atomowa 118,69

Krystalizuje w sieci A3 jako odmiana alotropowa (biała) i jest trwała do temperatury 13,2

Poniżej temperatury 13,2

C cyna ulega przemianie alotropowej w cynę szarą o sieci

regularnej (ta odmiana ma konsystencję proszku).

topn.

232

C, gęstość cyny białej 7,29 g/cm

25 MPa, A

40%, HB 5,5

Cyna  wykazuje  dobrą  odporność  na  korozję  w  kwasie  octowym,  w  zetknięciu  ze  środkami
spożywczymi oraz wodą morską.
Zastosowanie: folie do opakowania żywności, powłoki ochronne na blachy stalowe i
przewody elektryczne w izolacji gumowej.

STOPY cyny:

Stopy do obróbki plastycznej : Sn-Sb do 2,5% Sb

Stopy odlewnicze : Sn-Sb-Cu-Pb (15% Sb, 5% Cu, do 10%Pb) stosowane na odlewy
ciśnieniowe i części aparatury pomiarowej.

Stopy łożyskowe (na panewki łożysk ślizgowych)

Dla łożysk o parametrach pracy: naciski powierzchniowe ok. 1 kN/cm

i prędkości

obwodowej ok. 5m/s. stosujemy babbity cynowe:
Sn + 7-13% Sb, 3-7% Cu, 1,2% Cd

SnSb12Cu6Pb (25 HB), SnSb8Cu4 (22 HB), SnSb8Cu4Cd 928).

Dla łożysk o parametrach pracy: naciski powierzchniowe powyżej
1 kN/cm

i prędkości obwodowej mniejszej od 1,5m/s. stosujemy babbity ołowiowe: PB + 9-

16Sb, 1-11Sn, 1,5% Cu i 1,2% As

PbSb15SnAs (18 HB), PbSb15Sn10 (22 HB),
PbSb14Sn9CuAs (22 HB), PbSb10Sn6 (27 HB).

Metale trudno topliwe i ich stopy

1.  Niob i jego stopy
2.  Tantal i jego stopy
3.  Molibden i jego stopy
4.  Wolfram i jego stopy
5.  Ren i jego

I a

II a

III b IV b V b

VI b VII b

VIII b

II b III a

1667

2182

1907

1244

1534

1495

1854

1859

2468

2610

2156

2333

1964

1555

920

2233

3016

3410

3180

3033

2446

1768

Pomimo wysokiej temperatury topnienia, Osm i Iryd nie mają zastosowań w technice jako
pierwiastki i stopy trudnotopliwe.

Osm łatwo rozpuszcza się w wodzie i jest pierwiastkiem o dużej toksyczności. Stosowany
jest w przemyśle chemicznym jako katalizator.

Iryd jest metalem szlachetnym, w podwyższonej temperaturze reaguje z tlenem, tworząc
tlenki: IrO

, Ir

, które ulegają dysocjacji w wyższych temperaturach. Iryd ma podobne

właściwości  chemiczne  do  dwóch  sąsiednich  pierwiastków:  osmu  i  platyny.  Pierwiastki  te
łączone są w grupę o nazwie platynowce ciężkie,  w analogii do platynowców lekkich: Ru,
Rh, Pd.

Metal

Liczba
atomowa

Masa atomowa

92,9

95,9

180,9

183,9

186,3

190,2

192,2

Gęstość
g/cm

8,57

10,22

16,6

19,25

21,04

22,61

22,42

Temp.
topnienia,

2468

2610

3016

3410

3180

3033

2446

Struktura
krystaliczna

Rm,
MPa

300

2500

400

800

1100

Metale  trudnotopliwe  mają  zastosowane  w  technice  kosmicznej,  technice  jądrowej,
fizyce wysokich energii, przemysłowych procesach chemicznych oraz elektronice.

Niob w przeważającej części stosowany jest w postaci żelazostopów do produkcji
wysokowytrzymałych stali niskostopowych oraz węglików spiekanych. Do wytwarzania
stopów na osnowie niobu stosuje się ok. 6% całej produkcji tego pierwiastka.
Składnikami  stopów  Nb  są:  Zr,  Hf,  W,  Ta  i  Mo  zwiększające  żarowytrzymałość.  Dla
zwiększenia  żaroodporności  wyrobów  ze  stopów  Nb  powierzchnie  ich  pokrywa  się
krzemkami.
Zastosowanie stopów Nb: na elementy rakiet i statków kosmicznych, rurki osłonowe
elementów paliwowych w reaktorach atomowych, kapsuły do przechowywania
radioizotopów, zbiorniki i obiegi ciekłych metali i soli, elementy turbin gazowych.
W  licznych  przypadkach  dla  wyrobów  ze  stopów  Nb  konkurencyjne  są  tańsze  produkty  ze
stopów Mo.

Molibden: tylko ok. 5% produkcji Mo przeznacza się na wyroby ze stopów zawierających Zr,
Nb, Hf. Większość produkcji Mo stosowana jest jako dodatki stopowe do stali oraz stopów i
nadstopów Fe.
Mo i jego stopy stosowane są na katody, przewody prądowe w magnetronach, trzpienie
uzwojeń wolframowych w żarówkach. Stosowany jest również na oprzyrządowanie radarów,
elementy oporowe w piecach elektrycznych, elementy grzejne i odbłyśniki w piecach
próżniowych. Stopy Mo mogą pracować w wysokiej temp. w atmosferze obojętnej (azot,
argon, hel), próżni, oraz w atmosferze wodoru. W atmosferach utleniających powyżej 680

wyroby z Mo i jego stopów wymagają zabezpieczenia przed utlenianiem, np. przez
platerowanie stopem Cr-Al.-Ni.
Ta: tantal jest łatwiejszy w obróbce niż bardziej od niego kruche stopy Nb i Mo. Można go
obrabiać w temperaturze otoczenia oraz spawać. Ze względu na mniejsze zasoby Ta jest on
pierwiastkiem droższym od Nb i Mo
.
Stopy tantalu zawierają sumarycznie do 10% składników: Ti, Zr, Hf, Mo i W.

Metalurgia proszków

Metalurgia proszków – metoda wytwarzania przedmiotów z proszków metali bez topienia
ich. Oddzielne cząstki proszków łączą się ze sobą w jednolitą masę podczas wygrzewania
silnie sprasowanych kształtek w atmosferze redukującej lub obojętnej. Proces metalurgii
proszków jest ekonomiczną metodą wielkoseryjnej produkcji elementów o niewielkich
prostych kształtach, w wyniku której uzyskuje się w pełni zwarte sprasowane komponenty.
Technologia ta umożliwia uzyskanie jednorodnej

mikrostruktury

wolnej od niemetalicznych

wtrąceń i defektów.

Produkty metalurgii proszków charakteryzują się wyjątkowymi właściwościami
mechanicznymi i odpornością na zużycie, dzięki czemu znajdują szerokie zastosowanie w
różnych branżach, takich jak m.in. przemysł lotniczy i kosmonautyczny, przemysł drzewny
(zęby pił) itp.

Metodami metalurgii proszków wytwarzamy:

przedmioty z metali trudno topliwych jak np.

wykazujących znaczne różnice

temperatury topnienia

jak np.

materiały na styki elektryczne z wolframu i

srebra

, szczotki do maszyn elektrycznych

grafitu

miedzi

materiały porowate na

łożyska

samosmarujące,

materiały, które w stanie ciekłym są gęstopłynne i trudne do

odlewania

jak np.

materiały na specjalne

magnesy

trwałe.

Korzyści wynikające z zastosowania metalurgii proszków w zastępstwie konwencjonalnej
metalurgii:

można otrzymać materiały których innymi metodami wytworzyć się nie da,

własności fizyczne i chemiczne otrzymanych wyrobów można regulować w szerokim
zakresie,

można uzyskać materiał o określonej, zaprojektowanej i wolnej od

segregacji

strukturze, o kontrolowanej

lub o kontrolowanej

wyrobów może się zmieniać w szerokich granicach.

Metody wytwarzania proszków dzielimy na 5 podstawowych grup, od których zależny jest
kształt proszku, a co za tym idzie własności w późniejszych procesach

prasowania

spiekania

mechaniczne (mielenie, kruszenie, rozbijanie)

fizykomechaniczne (

rozpylanie

granulacja

)

fizyczne (odparowanie i

kondensacja

)

fizyko-chemiczne (redukcja tlenków i innych związków, dysocjacja tlenków i innych
związków, samorozpad)

chemiczne (

elektroliza

stopionych soli lub roztworów wodnych soli)

W metalurgii proszków surowcami są proszki różnych metali, stopów, proszki niemetaliczne.

NANO MATERIAŁY

Olbrzymia większość materiałów z jakimi ma się do czynienia na co dzień posiada mniej lub
bardziej złożoną mikrostrukturę. Np. w

metalach

występują domeny

krystaliczne

poprzedzialne

domenami

amorficznymi

. Podobna sytuacja ma też miejsce w przypadku wielu

i wielu

. Szczególnie złożone i bardzo regularne mikrostruktury są

obecne w wielu materiałach naturalnych takich jak

drewno

czy

włókna naturalne

Mikrostruktura tworzy się z trzech zasadnicznych powodów:

niemieszalności składników tworzących materiał,

"zablokowania" przemian fazowych, w wyniku czego w tym samym materiale, nawet
jednorodnym chemicznie, występują na raz dwie fazy fizyczne,

powstawania

wiązań chemicznych

(np.

wiązanie wodorowe

) między powierzchniami

różnych składników

przy czym wszystkie te czynniki mogą mieć miejsce jednocześnie, w tym samym materiale.

Mikrostruktura - subtelna,

nadcząsteczkowa

struktura materii, występująca w wielu

Mikrostruktura przejawia się w istnieniu

domen

różnych

faz fizycznych

, które mogą posiadać

najróżniejsze kształty i między którymi występują wyraźnie granice fazowe. Często rozmiary
domen są na tyle małe, że na pierwszy rzut oka substancje posiadające mikrostrukturę wydają się
zupełnie "lite". Domeny te tworzą rodzaj "mozaiki", którą można obserwować i analizować przy
pomocy np. metod

mikroskopowych

. Mikrostruktura ma bardzo silny wpływ na rozmaite

własności fizyczne materiałów (

), które mają

decydujący wpływ na ich praktyczną zastosowalność i dlatego stanowi przedmiot intensywnych

badań

alecana literatura uzupełniająca:

Nanomateriały inżynierskie konstrukcyjne i funkcjonalne

Kurzydłowski K.

Materiały te charakteryzują się szczególnymi właściwościami, w tym nieosiągalną
wcześniej wytrzymałością oraz wyjątkowymi właściwościami cieplnymi, elektrycznymi,
chemicznymi i biologicznymi.
Omówiono: strukturę i właściwości materiałów inżynierskich,
strukturę, właściwości, charakteryzowanie i modelowania nanometali, nanoceramiki,
nanokompozytów, nanopowłok i nanowarstw, nanowłókien, nanorurek, nanomateriałów
proszkowych. Poruszono również temat zrównoważonego rozwoju nanomateriałów i
przedstawiono per

spektywy nanorewolucji materiałów inżynierskich.

Podręcznik jest przeznaczony dla studentów i wykładowców wydziałów inżynierii
materiałowej, inżynierii chemicznej, mechatroniki, metalurgii, wydziałów mechanicznych,
fizyki, biochemii na uczelniach technic

znych i uniwersytetach, a także naukowców

praktyków i entuzjastów nanotechnologii.
Wydawnictwo:

Wyd.Naukowe PWN S.A.

Rok wydania: 2010, Stron: 353

Biomateriały

są to materiały inżynierskie stosowane w medycynie na implanty oraz na urządzenia i
narzędzia medyczne

Grupy biomateriałów:

Metalowe

Ceramiczne

Węglowe

Polimerowe

Kompozytowe

Biomateriały metalowe

Stale Cr-Ni-Mo o strukturze austenitycznej

Tytan i jego stopy

Stopy na osnowie kobaltu

Tantal, niob i ich stopy

Metale szlachetne

Materiały metalowe z pamięcią kształtu

Przykładowe biomateriały metalowe stosowane na implanty:

X2CrNiMo18-14-3, X2CrNiMnMoN22-13-6

Ti, TiAl6V4,

CoCr28Mo6, CoCr20W15Ni10, CoNi35Cr20Mo10

Na narzędzia i przyrządy medyczne stosowane są stale odporne na korozję o strukturze:

martenzytycznej (0,1-1%C; 12-19%Cr; do 1%Mo, do 1%Ni;),

ferrytycznej (do 0,08%C; 16-18%Cr, do 1%Ni),

austenitycznej (do 0,15%C, 1%Si, 2%Mn, 8-14% Ni).