Stopy miedzi, 1) Cel ćwiczenia:

Cel ćwiczenia:

Zapoznanie się ze składem chemicznym, właściwościami mechanicznymi, strukturami, wytrzymałością zmęczeniową i zmęczeniowo-korozyjną oraz erozją i spawalnością stopów miedzi przeznaczonych na śruby napędowe.

Wstęp:

Stopy miedzi na śruby napędowe dzielą się wg przepisów IACS-u (PRS-u) na:

mosiądze manganowe - oznaczone Cu1,
mosiądze manganowo-niklowe - oznaczone Cu2,
brązy aluminiowo-niklowe - oznaczone Cu3,
brązy manganowo-aluminiowe - oznaczone Cu4.

Przepisy PRS-u określają wymagania dla stopów miedzi na śruby napędowe, dotyczące:

składu chemicznego poszczególnych gatunków,
właściwości mechanicznych,
rodzaju zastosowanej obróbki cieplnej.

Przewidują one także równoważnik cynku w stopach Cu1 i Cu2, który nie powinien być większy niż 45%, a obliczany jest ze wzoru:

gdzie:

A - suma algebraiczna następujących składników stopowych:

1 x Sn % ; 5,0 x Al % ; -0,5 x Mn % ; -2,3 x Ni % ; -0,1 x Fe %

Skład chemiczny stopów miedzi na śruby napędowe zgodnie z przepisami PRS-u powinien odpowiadać wymaganiom ujętym w poniższej tabeli.

Kategoria stopu:	Skład chemiczny [%]
Kategoria stopu:		Cu	Al	Mn	Zn	Fe	Ni	Sn_max	Pb_max
mosiądz manganowy Cu1	52÷62	0,5÷3,0	0,5÷4,0	35÷45	0,5÷2,5	1,0 max	1,5	0,5
mosiądz manganowo-niklowy Cu2	50÷57	0,2÷2,0	1,0÷4,0	33÷38	0,5÷2,3	2,3÷8,0	1,5	0,5
brąz aluminiowo-niklowy Cu3	77÷82	7,0÷11,0	0,5÷4,0	1,0 max	2,0÷8,0	3,0÷6,0	0,1	0,03
brąz manganowo-aluminiowy Cu4	70÷80	6,5÷9,0	8,0÷20,0	6,0 max	2,0÷5,0	1,5÷3,0	0,1	0,05

Stopy różniące się składem chemicznym do podanych mogą być dopuszczone do wykonania śrub napędowych po uzgodnieniu z PRS.

Właściwości mechaniczne odlewów śrub napędowych ze stopów miedzi zależą od ich składu chemicznego i technologii wykonania. Właściwości te kreślone na próbkach oddzielnie odlanych powinny opowiadać poniższym wymaganiom:

Kategoria stopu wg PRS-u:	R _0,2 [MPa]	R_m [MPa]	A₅ [%]
mosiądz manganowy Cu1	175	440	20
mosiądz manganowo-niklowy Cu2	175	440	20
brąz aluminiowo-niklowy Cu3	245	590	16
brąz manganowo-aluminiowy Cu4	275	630	18

Dla każdego odlewu należy oddzielnie odlać próbki. Z każdego wlewka należy wykonać próbkę na rozciąganie o przekroju okrągłym Dla stopów Cu1 i Cu2 należy dodatkowo pobrać z próbki na rozciąganie próbki do badań metalograficznych celem określenia udziału fazy α. Zawartość fazy α w stopach Cu1 i Cu2, określona jest przy powiększeniu 100x, jako średnia arytmetyczna wartość z pięciu pomiarów, powinna wynosić co najmniej 25%.

Spawalnie śrub ze stopów miedzi można wykonywać metodami MIG i TIG ze względu na różnorodność materiałów, a zatem potrzebę stosowania materiałów o różnym składzie chemicznym. Najczęściej stosujemy metodę TIG. Druty spawalnicze w tej metodzie powinny być wykonane z tego samego materiału co materiał rodzimy, np. do brązów aluminiowo-niklowych i mosiądzu manganowego stosuje się druty spawalnicze z brązu aluminiowego: 10% Al, 1÷4% Fe.
Przenikalność magnetyczna stopów miedzi Cu1, Cu2, Cu3, Cu4 zależy przede wszystkim od ich składu chemicznego (zwłaszcza żelazo wpływa na jej wzrost), struktury, a zwłaszcza obróbki cieplnej. Poniżej zamieszczono wartości współczynnika przenikalności magnetycznej stopów miedzi przeznaczonych na śruby napędowe:

Lp.	Rodzaj stopu	μ _śr.
1	MM55	1,1
2	Novoston	1,1
3	Sonoston	1,05
4	Superston	2,5
5	BM-HT	1,5

Odporność na erozję. Mosiądze wykazują małą odporność na erozję. Dużo większą odpornością charakteryzują się brązy wieloskładnikowe stosowane na śruby napędowe. Wśród nich największą odporność erozyjną, charakteryzującą się zarodkowaniem i tworzeniem wżerów erozyjnych, wykazał Novoston, a następnie Nikalium i Sonoston. Prędkość zużycia erozyjnego w etapie równomiernej intensywności zniszczeń ( w trzecim etapie erozji) była najmniejsza dla Sonostonu, nieco większa dla Novostonu i znacznie większa dla Nikalium.

(T₁+T₂)10³[s]

Novoston

Nikalium

Sonoston

V₃ [kg/s]

Sonoston

Novoston

Nikalium

Rys. 1 - porównanie odporności erozyjnej wieloskładnikowych brązów stosowanych na śruby napędowe.

Badania stopu BM-HT (CuAl10Mn9Fe4Ni2Cr0,8) po obróbce cieplnej wskazały, że posiada on największą odporność na erozję. Czas zarodkowania wżerów erozyjnych jest 2,5 razy dłuższy niż dla Novostonu, a prędkość zużycia erozyjnego V₃ w etapie równomiernej intensywności zniszczeń ponad sześciokrotnie mniejsza niż dla Novostonu.

Przepisy PRS-u wymagają określenia wytrzymałości zmęczeniowej i zmęczeniowo-korozyjnej dla odlewniczych stopów miedzi przeznaczonych na śruby napędowe. Największą wytrzymałość na zmęczenie posiada stop Superston, potem Novoston, Nikalium i na końcu MM55. W przypadku zmęczenia korozyjnego największą wytrzymałość ma stop Nikalium, a najmniejszą mosiądz manganowy. Poza tym Novoston, Sonoston i brązy aluminiowo niklowe nie posiadają wyraźnej skłonności do pęknięć korozyjnych pod naprężeniem w wodzie morskiej.

Metodyka:

Opis mikroskopu: Ćwiczenie zostało wykonane przy użyciu mikroskopu świetlnego. Był to mikroskop metalograficzny z pionową osią optyczną, pracujący w świetle odbitym od powierzchni zgładu. Obserwacji dokonano przy powiększeniu 100x.

Opis próbek: Po wycięciu z badanej części jedna powierzchnia każdej próbki została wyszlifowana papierem ściernym i wypolerowana. Po uzyskaniu zgładu wolnego od rys powierzchnię umyto wodą i alkoholem, a następnie wytrawiono dziesięcioprocentowym chlorkiem żelazowym (Cl₃Fe), w celu ujawnienia granicy ziaren.

Wnioski:

Analiza właściwości stopów miedzi stosowanych na śruby napędowe wykazuje, że mosiądze mające strukturę α+β′ z wydzieleniami faz bogatych w żelazo i nikiel nie mogą być stosowane na śruby szybkoobrotowe ze względu na małą wytrzymałość na rozciąganie i małą wytrzymałość zmęczeniową i zmęczeniowo-korozyjną i słabą odporność na erozję kawitacyjną. Zaletą tych mosiądzów jest dobra spawalność i duża plastyczność na gorąco, co ułatwia naprawy śrub.
Brązy kategorii Cu2 i Cu4 w porównaniu z mosiądzami mają lepsze właściwości wytrzymałościowe (R_m=500÷750 MPa) oraz większą wytrzymałość zmęczeniową i zmęczeniowo-korozyjną, lepszą odporność na korozję naprężeniową i erozję kawitacyjną.
Najlepsze właściwości mechaniczne posiadają stopy Cu4 - tzw. Novostony i Superstony.
Superstony mają największy współczynnik przenikalności magnetycznej spośród stopów miedzi (μ=2,5), jednak jego wartość jest i tak bardzo mała, niewiele większa os przenikalności magnetycznej w próżni. Jest to szczególnie ważne w przypadku śrub napędowych trałowców małomagnetycznych i okrętów podwodnych, dla których zastosowany materiał powinien się charakteryzować małymi właściwościami parametrów magnetycznych.
Najlepszą spawalnością spośród stopów miedzi stosowanych na śruby okrętowe, ujętych w przepisach PRS, charakteryzują się również stopy Cu4. Nie wykazują one również pęknięć spawalniczych na gorąco.
Bardzo istotną cechą stopów miedzi jest wzrost właściwości mechanicznych wraz ze wzrostem prędkości odkształcenia jednostkowego. Ma to szczególne znaczenie dla śrub napędowych okrętów ze względu na odporność na tzw. wybuchy niekontaktowe oraz dla statków pracujących w warunkach arktycznych (lodołamacze, statki ze wzmocnieniami lodowymi).