1. CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi właściwościami

i strukturami miedzi i jej stopów.

2. CZĘŚĆ TEORETYCZNA

Miedź jest metalem barwy czerwonozłotej charakteryzująca się bardzo dużą przewodnością elektryczną i cieplną. Można ją przerabiać plastycznie na zimno i gorąco. Z technicznie ważnych materiałów chemicznych działają na miedź: chlor, chlorowodór, kwas siarkowy i acetylen. Rozpuszczalnikiem miedzi jest kwas azotowy, szczególnie stężony. W wilgotnym powietrzu miedź pokrywa się warstewką tzw. patyny, która jest zasadowym węglanem miedzi i która w pewnym stopniu chroni leżącą pod nią miedź przed dalszą korozją. Natomiast na działanie wilgotnej atmosfery przemysłowej, zawierającej dwutlenek siarki miedź jest nieodporna, ponieważ wytwarzająca się wtedy na powierzchni miedzi warstewka zasadowego siarczanu miedzi nie zabezpiecza jej przed dalszą korozją. Szkodliwy wpływ na własności mechaniczne miedzi mają: tlen, bizmut, antymon, arsen, siarka, żelazo i ołów. Natomiast nikiel, cynk i cyna wybitnie polepszają własności wytrzymałościowe miedzi z jednoczesnym nieznacznym pogorszeniem własności plastycznych. Składniki te nie mogą być uważane za zanieczyszczenia lecz raczej za domieszki miedzi, podobnie zresztą jak występujące w miedzi często, lecz w bardzo niewielkich ilościach srebro i złoto. Wszystkie własności wytrzymałościowe miedzi w miarę wzrostu zgniotu rosną, a plastyczne maleją.

Najważniejszymi stopami miedzi są jej stopy z cynkiem - mosiądze, które mogą zawierać w mniejszych ilościach jeszcze inne składniki stopowe, jak ołów, mangan, żelazo, aluminium, cynę, krzem i nikiel oraz stopy miedzi z cyną, miedzi z aluminium, miedzi z krzemem, miedzi z manganem, miedzi z niklem i miedzi z ołowiem, noszące ogólną nazwę brązów.

MOSIĄDZE o zawartości 15 ÷ 30% cynku mają strukturę roztworu stałego i z tego powodu odznaczają się dobrymi własnościami plastycznymi, co umożliwia stosowanie ich na wyroby walcowane, a dalej na wyroby tłoczone. Natomiast mosiądze o zawartości 37÷40% cynku są już mniej plastyczne jednak dają się także łatwo walcować, ciągnąć i prasować wpływowo, chociaż nie nadają się już tak dobrze do tłoczenia, za to doskonale obrabiają się mechanicznie przez skrawanie. Dla ułatwienia obróbki mechanicznej przez skrawanie dodaje się do mosiądzów 1÷2% ołowiu. Otrzymujemy wtedy podczas skrawania wiór krótki

i łatwo łamliwy. Dalszemu polepszeniu obróbki, przez zwiększenie ilości ołowiu, stoi na przeszkodzie znaczne pogorszenie się własności mechanicznych. Przez wprowadzenie do mosiądzów dodatkowo takich metali, jak nikiel, mangan, aluminium, ołów, żelazo, cyna, krzem itp. Otrzymujemy nowy rodzaj stopów, noszący nazwę mosiądzów specjalnych.

Wyróżniamy mosiądze odlewnicze i mosiądze do przeróbki plastycznej.

W mosiądzach odlewniczych ołów i krzem poprawiają lejność, natomiast aluminium, mangan i żelazo polepszają własności wytrzymałościowe.

Mosiądze podatne do przeróbki plastycznej stosuje się przeważnie w stanie słabo zgniecionym, jako tzw. mosiądze prasowane wpływowo, o małym stopniu zgniotu. Własności wytrzymałościowe mosiądzów przerobionych plastycznie na zimno, podobnie jak własności miedzi, polepszają się, a plastycznie pogarszają.

BRĄZY CYNOWE są najstarszymi stopami znanymi w historii, gdyż były stosowane w stanie kutym, jak i lanym już we wczesnej starożytności. Brązy te do przeróbki plastycznej są to stopy o zawartości 3÷10% cyny. Stopy te dają się stosunkowo łatwo kuć, walcować i przeciągać.

BRĄZY ALUMINIOWE są to stopy miedzi z aluminium. Ze stopów tych największe zastosowanie techniczne mają brązy aluminiowe o zawartości 9÷10% Al, najczęściej z dodatkiem żelaza (2,0 ÷ 5,5%), manganu (1,0 ÷ 2,0%), lub niklu (3,5 ÷ 5,5%). Stopy te mają dobre własności mechaniczne i odznaczają się znaczną odpornością na ścieranie.

3. PRZEBIEG ĆWICZENIA

Podczas ćwiczenia obserwowaliśmy pod mikroskopem metalograficznym budowę struktur próbek z miedzi i jej stopów. Otrzymaliśmy następujące wyniki:

MIEDŹ katodowa przetopiona - M1E ( Cu 99,9E )

Miedź elektrolityczna otrzymana przez przetopienie katod w atmosferze utleniającej, przy kontrolowanej rozpuszczalności tlenu (do 0,08%);

Skład chemiczny: 99,9% Cu; 0,005% Pb; 0,005% Fe; 0,004% S; 0,002% Sb, As, Ni; razem zanieczyszczeń do 0,10%;

Właściwości: dobra przewodność cieplna i elektryczna, odporność na korozję;

Zastosowanie: w przemyśle chemicznym, elektrotechnicznym, architekturze (krycie dachów zabytkowych budowli);

MOSIĄDZ - M59 ( CuZn40Pb1 )

Skład chemiczny: 59% Cu; 40% Zn;

ok. 1% Pb;

Własności mechaniczne: A = 12÷20%;

Rm = 250 ÷400 MPa; HB = 70÷100 MPa;

Bardzo dobra lejność i skrawalność, dobra odporność na niewielkie obciążenia dynamiczne korozję i ścieranie;

Zastosowanie: armatura hydrauliczna, gazowa, budowlana, obudowy i części maszyn;

MOSIĄDZ ALUMINIOWY - MA67 ( CuZn30Al3 )

Skład chemiczny: 66÷68% Cu; 30% Zn; 2,0÷3,0% Al;

max 2,0% zanieczyszczeń;

Własności mechaniczne: Rm = 400 MPa,

HB = 900 MPa, A = 15%;

dobre właściwości wytrzymałościowe, są lejne, dobrze skrawalne, odporne na korozję i ścieranie w stanie lanym;

zastosowanie: części maszyn i armatury szczególnie odporne na korozję wody morskiej;

MOSIĄDZ krzemowo - ołowiowy - MKO80 ( CuZn13Si4Pb3 )

Skład chemiczny: 78,5÷81% Cu; 2,5÷4,5% Si; 2,5÷4,0% Pb; reszta Zn;

Własności mechaniczne: Rm = 30÷50 MPa,

HB = 100÷120 MPa, A = 10÷18%;

spawalny, odporny na korozję wody morskiej, ścieranie, dobra lejność i skrawalność;

zastosowanie: armatura i osprzęt, części maszyn stosowane w przemyśle komunikacyjnym, maszynowym, okrętowym

i chemicznym;

BRĄZ aluminiowo - żelazowo - niklowy - BA1044 ( CuAl10Fe4Ni4 )

Skład chemiczny: 9,0÷11,2% Al; 3,6÷5,7% Fe 3,5÷5,5% Ni; max 1,5% zanieczyszczeń;

Własności mechaniczne: A = 5÷8 %,

Rm = 600÷650 MPa, HB = 600÷800 MPa;

odporny na obciążenia statyczne, korozję, ścieranie, podwyższone temperatury, dobra lejność i skrawalność;

zastosowanie: silnie obciążone części maszyn oraz osprzętu i aparatury narażonej na korozję i ścieranie; w przemyśle okrętowym, chemicznym;

BRĄZ cynowy - B10 ( CuSn10 )

Skład chemiczny: 9,0÷11% Sn, reszta Cu,

max 1% zanieczyszczeń;

Własności mechaniczne: Rm = 220÷360 MPa; HB = 600÷700 MPa;

odporny na duże obciążenia stałe, zmienne i uderzeniowe, korozję i podwyższone temperatury; dobra lejność i skrawalność, odporny na działanie niektórych kwasów;

zastosowanie: silnie obciążone części

maszyn (łożyska, napędy), osprzęt parowy, wodny;

4. WNIOSKI

Dodatki do stopów miedzi mają bardzo duży wpływ na własności wytrzymałościowe. Ołów polepsza skrawalność, aluminium i krzem zwiększają odporność na korozję, a mangan - odporność na działanie wody morskiej. Fosfor w ilości do ok. 0,02% polepsza własności wytrzymałościowe. Dodanie aluminium do obserwowanego mosiądzu MA67 spowodowało powstanie powierzchniowej warstewki ognioodpornej, a także zmniejszenie skłonności mosiądzu do powstawania wżer. Mosiądz ten nadaje się najlepiej do głębokiego toczenia (zawartość 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 powoduje charakterystyczną chropowatość powierzchni - wadę wyrobów tłoczonych.

Podczas obserwacji próbki brązu B10 mogliśmy zaobserwować makrosegregację dendrytyczną spowodowaną długim procesem krzepnięcia. Zauważamy także cynę, która unoszona jest przed frontem krystalizacji ze względu na jej niską temperaturę topnienia. Dodanie ok. 1% fosforu do tego brązu wyraźnie poprawiłoby jego własności ślizgowe, twardość i odporność na ścieranie, natomiast cynk i ołów zabezpieczyłyby przed mikroporowatością odlewu. W przypadku brązu BA1044 dodanie manganu spowodowałoby powstanie najodpowiedniejszego ze względów własności wytrzymałościowych materiału na śruby okrętowe.

---