Mosiądz
Białystok 19.04.2004
Zastosowanie techniczne mają stopy układu Cu-Zn o zawartości mniejszej niż 48% Zn, ponieważ większa zawartość cynku powoduje nadmierną kruchość. Stopy do ok. 38 % Zn mają jednofazową budowę podstawowego roztworu α, natomiast stopy o zawartości ok. 38÷48% Zn-dwufazową budowę roztworu α. Faza ta w wysokich temperaturach jest nieuporządkowanym wtórnym roztworem stałym β (na bazie związku CuZn), a poniżej ok. 450°C- roztworem uporządkowanym β\'. Faza α jest miękka i ciągliwa, natomiast faza β\' jest twarda i krucha.
Własności mechaniczne mosiądzów zależą od zawartości cynku. Optymalne własności mechaniczne mają mosiądze o ok. 30% Zn- największe wydłużenie przy dobrej wytrzymałości i twardości. Ze wzrostem zawartości cynku, szczególnie w obszarze α+β\' ciągliwość gwałtownie zmniejsza się a twardość powiększa. W związku z tym mosiądze α są obrabialne plastycznie na zimno, > 36 % Zn na zimno i na gorąco, natomiast mosiądze α+β\'- tylko na gorąco.
Ze wzrostem zawartości cynku, barwa mosiądzu zmienia się od czerwonej do żółtej. Kolor ten zachowuje się aż do zawartości miedzi w Ms63, aby przy pojawieniu się fazy roztworu β zmienić go na czerwonożółty(Ms58). Gęstość mosiądzu wynosi (zależnie od zawartości cynku) ok. 8,5 g/cm3.
Do topnienia mosiądzu używa się pieców elektrycznych o niskiej częstotliwości. Mimo pokrycia ciekłego metalu węglem drzewnym, szkłem lub inną warstwą ochronną pochłania on jednak tlen i musi być przed odlaniem odtleniany stopem miedzi z fosforem. Przy wyborze temperatury odlewania należy brać pod uwagę temperaturę wrzenia, obniżaną przez cynk, nieunikniona przez to strata cynku jest uwzględniana już przy ustalaniu składu wytopu.
Własności mechaniczne mosiądzów bardzo szybko pogarszają się w temperaturze powyżej 200°C, natomiast w temperaturach ujemnych są lepsze niż w temperaturze otoczenia. Odporność na korozję mosiądzów α jest znacznie większa od dwufazowych. Jest to spowodowane niższym potencjałem elektrodowym fazy β\' stanowiącej obszary anodowe (ziarna fazy α stanowią obszary katodowe) szybko korodujące. Mosiądze są wrażliwe na korozję naprężeniową, zwaną sezonowym pękaniem. Ponieważ sezonowe pękanie wywołane jest obecnością naprężeń własnych (w praktyce po obróbce plastycznej), najczęściej podlegają mu stopy jednofazowe, chociaż wrażliwością odznaczają się również dwufazowe. Zabezpieczenie przed sezonowym pękaniem zapewnia dokładne odprężenie wyrobów (rury, pręty) w 250°C przez 4÷5h. Skłonność wyrobów mosiężnych do sezonowego pękania sprawdza się próbą rtęciową. Mosiądze o zawartości ponad 20% Zn (zwłaszcza dwufazowe) podlegają pod działaniem elektrolitów zawierających jony Cl, szczególnemu rodzajowi korozji elektrochemicznej, zwanej odcynkowaniem. Oba składniki stopu- Cu i Zn przechodzą do roztworu, ale reakcja wtórna powoduje wytrącanie miedzi na powierzchni wyrobu w postaci gąbczastej powłoki. Zaawansowanie procesu korozyjnego zmniejsza czynny przekrój i doprowadza do pęknięć. Zależnie od głównych zastosowań wyróżnia się mosiądze do przeróbki plastycznej
i mosiądze odlewnicze.
Mosiądze do przeróbki plastycznej
Zastosowanie dwuskładnikowych stopów tej grupy, uzależnione od własności mechanicznych (od zawartości Zn) jest następujące:
4% Zn- rurki chłodnicowe, rurki włoskowate, łuski amunicji małokalibrowej,
10% Zn- blachy do platerowania,
15÷20% Zn- wyroby artystyczne, wężownice, membrany manometrów, siatki,
30÷32% Zn- blachy do głębokiego tłoczenia, łuski pocisków, rury skraplaczy pary,
37% Zn- rurki chłodnic samochodowych, rury skraplaczy,
40% Zn- elementy kute i prasowane na gorąco, śruby z wygniatanym gwintem.
Do głębokiego tłoczenia nadaje się najlepiej mosiądz o zawartości 30 % Zn. Tłoczność blachy jest tym lepsza, im bardziej drobnoziarnistą ma ona strukturę, przy czym im cieńsza jest blacha, tym drobniejsze powinno być ziarno. Nadmierna gruboziarnistość skutkiem indywidualnego wpływu anizotropii wydłużenia poszczególnych ziaren powoduje charakterystyczną chropowatość powierzchni-wadę wyrobów tłoczonych.
W zależności od wymaganych własności mechanicznych, zastosowanie po obróbce plastycznej na zimno wyżarzania rekrystalizującego zapewnia stan miękki, natomiast bez tego zabiegu-stan umocniony o powiększonych wartościach Rm i Re. Zależnie od wartości umocnienia (zgniotu) wyróżnia się stany: wyżarzony, półtwardy, twardy i sprężysty.
CHARAKTERYSTYKA STANÓW MOSIĄDZU CuZn37 i BRĄZU CuSn7
Stan Umocnienie Wytrzymałość na rozciąganie Rm kG/mm2 WydłużenieA%
CuZn37 CuSn7 CuZn37 CuSn7 CuZn37 CuSn7
Wyżarzony Półtwardy Twardy Sprężysty 1 1,3 1,5 1,8 1-2 2,2 29354052 40-80 90 45 25 155 70-73
Źródło: S.Prowans, „Materiałoznawstwo”, Warszawa-Poznań 1977, str. 369
Mosiądze dwufazowe (>ok. 38% Zn) podlegają obróbce plastycznej tylko na gorąco. Zakres temperatury obróbki plastycznej fazy β\' jest stosunkowo wąski (750÷850°C) i zależny od zawartości Zn. Dobra przewodność cieplna powoduje, zwłaszcza podczas prasowania, szybki spadek temperatury wyrobu i w związku z tym po ochłodzeniu do temperatury otoczenia różnice struktury wzdłuż długości; na przykład początek pręta (wyższa temperatura) ma charakterystyczną strukturę iglastych ziarn fazy α rozłożonych w osnowie fazy β\', a koniec (niższa temperatura)-drobnoziarnistą strukturę równoosiowych ziarn faz α+β`. Opisane różnice struktury powodują mierzalne różnice własności mechanicznych. Struktura i własności podlegają ujednorodnieniu przez dodatkową obróbkę na zimno niewielkim zgniotem (ok. 20%), np. przez przeciąganie i wyżarzenie w temperaturze 700°C.
Mosiądze odlewnicze
Dwuskładnikowe mosiądze odlewnicze o zawartości najczęściej 38÷40% Zn mają strukturę dwufazową, w stanie lanym dendrytyczną, a po ujednorodnieniu-komórkową. Odznaczają się dobrą lejnością, ale przetapianie połączone jest ze znaczną stratą cynku (temperatura wrzenia Zn jest niższa od temperatury topnienia stopu). Rozdrobnienie struktury i własności mechaniczne odlewów zależą od szybkości krystalizacji. Z tego powodu odlewy kokilowe mają wytrzymałość i twardość o 5÷15% większe, a ciągliwość mniejszą od odlewów z form piaskowych (np. minimalne wartości dla mosiądzu CuZn39Pb2 wynoszą: Rm=25 kG/mm2, As = 12%, HB=70 dla odlewu piaskowego, zaś Rm=27 kG/mm2, As = 18% i HB=100 dla odlewu kokilowego). Ze względu na odporność korozyjną najważniejszym zastosowaniem mosiądzów odlewniczych jest armatura sanitarna, gazowa i hydrauliczna nisko-i wysokociśnieniowa (do 30 at).
Mosiądze ołowiowe
Mosiądze, zwłaszcza dwufazowe, zawierają często dodatek 1÷3% Pb. Niewielka rozpuszczalność Pb w fazach równowagi (0,3 % w fazie a) sprawia, że występuje on w postaci drobnych wtrąceń rozłożonych głównie w fazie β\', wyraźnie polepszając skrawalność (kruchość wióra). Na przykład mosiądz do przeróbki plastycznej zawierający 34÷40% Zn z dodatkiem Pb (odpowiednik stali automatowej) stosowany jest na takie drobne elementy wymagające precyzyjnej obróbki, jak części zegarków.
Mosiądze wieloskładnikowe
Obecnie coraz częściej stosowane są mosiądze stopowe, zawierające dodatki Pb, Fe, P, Mn, Sn, Al, Ni, Si. Pierwiastki te, z wyjątkiem Pb, Fe i P rozpuszczają się w fazach α i β\', Ponadto przesuwają graniczną rozpuszczalność Zn w kierunku mniejszej (Fe, Mn) lub większej (Sn, Al, Si) jego zawartości. Wpływ dodatków na własności jest rezultatem wspomnianej zmiany rozpuszczalności Zn, działania umacniającego na fazy α lub β\', oraz działania modyfikującego podczas krystalizacji stopu.
Rola najważniejszych pierwiastków stopowych jest następująca:
— ołów polepsza skrawalność i przy zawartości <0,9% praktycznie nie wpływa na własności mechaniczne;
— fosfor, występujący głównie w postaci fazy Cu3P, utwardza i powiększa odporność na ścieranie, a dodawany jest w ilości nie przekraczającej 0,5 %;
— żelazo występuje jako odrębna faza, o rozpuszczalności zmiennej wraz z temperaturą, działa modyfikująco oraz umożliwia poddawanie stopu utwardzaniu dyspersyjnemu (przesycanie 800°C, starzenie 450-f-500°C) zapewniając umocnienie o ok. 35%; żelazo dodawane jest w ilości <1%;
— mangan i nikiel polepszają własności mechaniczne, zwłaszcza w podwyższonych
temperaturach, ponadto Mn działa modyfikująco, i dodawane są w ilościach do 2%;
— cyna i aluminium powiększają odporność na korozję oraz wytrzymałość i twardość, ale pogarszają nieco plastyczność, a stosowane są w ilości odpowiednio do 1 i 3 %.
Mosiądze cynowe, aluminiowe i manganowe dzięki odporności na korozję wody morskiej stosowane są w przemyśle okrętowym: na rury chłodnic i skraplaczy (CuZn28Snl, CuZn21A12), w postaci blach, prętów i rur (CuZn40Mn), na odlewy armatury i części maszyn (CuZn30A13) oraz na śruby okrętowe (CuZn50Mn3Fe). Dzięki dobrym własnościom sprężystym mosiądz niklowy (CuZn29Ni6) używany jest na rury i membrany manometrów. Mosiądz krzemowy o dobrych własnościach mechanicznych jest typowym materiałem na części kute i prasowane (CuZnl6Si3) oraz na odlewy armatury i osprzętu dla przemysłu komunikacyjnego, maszynowego i chemicznego (CuZnl6Si4). Typowymi mosiądzami odlewniczymi są: CuZn43Mn4Pb3Fe na części maszyn, łożyska i armaturę, CuZn38A12MnlFe na obciążone statycznie oraz CuZn5OMn3Fe na słabo obciążone duże części maszyn i silników. Mosiądzami stopowymi coraz częściej zastępuje się znacznie droższe brązy cynowe.
BIBLIOGRAFIA
1. Stanisław Prowans, „Materiałoznawstwo”, Warszawa-Poznań 1977
2. Wilhelm Domke, „Vademecum materiałoznawstwa”, Warszawa 1977