Nauka o materiałach

Ćw 6: Analiza metalograficzna stopów metali niezależnych

Mateusz Zaniewski

Olsztyn,13-11-2008

Godz:7:30

Gr. 2a Część teoretyczna:

Stopy miedzi:

1. Mosiądz - stop miedzi i cynku zawierający do 40% tego metalu. Mosiądze mogą zawierać także dodatki takich metali jak ołów, aluminium, cyna, mangan, żelazo i chrom oraz krzem. Topnieje w temperaturze ok. 1000°C (zależnie od gatunku).

Klasyfikacja:

• Mosiądze dwuskładnikowe - M95 (CuZn₅), M90 (CuZn₁₀), M85 (CuZn₁₅),

• Mosiądze ołowiowe - zawierające dodatki ołowiu. Ołów dodawany jest w celu polepszenia skrawalności materiału. Do mosiądzów ołowiowych należą MO64 (CuZn₃₄Pb₃), MO62 (CuZn₃₆Pb_1.5), MO61 (CuZn₃₆Pb₃), MO58A (CuZn₃₉Pb₂), MO58b (CuZn₄₀Pb₂),

• Mosiądze specjalne - zawierają dodatki takich pierwiastków jak cyna, aluminium, mangan, żelazo, krzem lub/i nikiel. Należą do nich:

• Mosiądze cynowe - MC90 (CuZn₁₀Sn), MC70 (CuZn₂₈Sn), MC62 (CuZn₃₈Sn),

• Mosiądze aluminiowe - MA77 (CuZn₂₀Al₂), MA59 (CuZn₃₆Al₃Ni₂)

• Mosiądze manganowe - MM59 (CuZn₄₀Mn), MM57 (CuZn₄₀FeMnSnAl),

• Mosiądz niklowy - MN65 (CuZn₂₉Ni₆).

• Mosiądz krzemowy - MK80 (CuZn₁₆Si₃) stosowany także, jako odlewniczy.

• Mosiądze wysokoniklowe - to stopy miedzi, cynku i niklu z dodatkiem manganu. Ze względu na srebrzysty kolor stop ten popularnie nazywany jest "nowym srebrem" lub argentanem. Stop ten ma bardzo dobre własności sprężyste i oporność na korozję - MZN18 (CuNi₁₈Zn₂₇), MZ20N18 (CuNi₁₈Zn₂₀), MZN15 (CuNi₁₅Zn₂₁), MZN12 (CuNi₁₂Zn₂₄). Mosiądze wysokoniklowe używane są na części sprężyste, okucia i wyroby jubilerskie. Ponieważ po wypolerowaniu przypominają kolorem srebro, używane są do produkcji cukiernic, pater, kielichów, sztućców i innych przedmiotów ozdobnych.

Właściwości:

• Ze wzrostem zawartości cynku, barwa mosiądzu zmienia się od czerwonej do żółtej,

• Gęstość mosiądzu wynosi (zależnie od zawartości cynku) ok.8, 5 g/cm³,

• Przewodność elektryczna miedzi maleje przy 10% Zn o 60%, przy 40% Zn o 75%,

• Do topienia mosiądzu używa się pieców elektrycznych o małej częstotliwości,

• Ze wzrostem zawartości cynku w zakresie α wzrasta nieco wytrzymałość na rozciąganie i twardość, znacznie silniej rośnie wydłużenie względne,

2. Brąz - stopy miedzi z innymi metalami i ewentualnie innymi pierwiastkami, w których zawartość miedzi zawiera się w granicach 80-90% wagowych. Składy brązów specyfikuje Polska Norma PN-xx/H-87050.

Klasyfikacja:

• Brąz cynowy - Zawiera od 1% do 9% cyny: Posiada barwę szarą, której intensywność wzrasta wraz z zawartością cyny. Mogą zawierać także inne dodatki stopowe, takie jak cynk (2,7% do 5%), ołów (1,5% do 4,5%) oraz domieszki fosforu (0,1% do 0,3%) z zanieczyszczeniami nieprzekraczającymi 0,3%. Symbole brązów cynowych to B2 (CuSn₂), B4 (CuSn₄), B6 (CuSn₆), B43 (CuSn₄Zn₃), B443 (CuSn₄Zn₄Pb₃), B444 (CuSn₄Zn₄Pb₄). Brązy cynowe używane są na elementy sprężyste, trudno ścieralne, a przy większej zawartości ołowiu na tuleje i panwie łożyskowe, monety, elementy pracujące w wodzie morskiej, armaturę.

• Brąz berylowy - Zawiera od 1,6% do 2,1% berylu: Może zawierać także inne dodatki stopowe, takie jak nikiel w połączeniu z kobaltem (0,2% do 0,4%) oraz tytan (0,1% do 0,25%), z zanieczyszczeniami nieprzekraczającymi 0,5%. Symbole brązów berylowych to BB2 (CuBe₂Ni (Co)), BB1T (CuBe₁NiTi), BB2T (CuBe₂NiTi). Brązy berylowe stosowane są na elementy sprężyste, elementy aparatury chemicznej, elementy żaroodporne, np. gniazda zaworów, narzędzia nieiskrzące.

• Brąz krzemowy - BK31 (CuSi₃Mn₁): Zawiera 2,7% do 3,5% krzemu i 1,0% do 1,5% manganu, przy zanieczyszczeniach nieprzekraczających 1,0%. Stosowany jest na siatki, elementy sprężyste, elementy w przemyśle chemicznym, elementy odporne na ścieranie, konstrukcje spawane.

• Brąz manganowy - BM123 (CuMn₁₂Ni₃): zawiera 11,5% do 13% manganu i 2,5% do 3,5% niklu przy dopuszczalnych zanieczyszczeniach do 1%. Stosowany na oporniki wysokiej jakości.

Właściwości:

Brązy posiadają dobre własności wytrzymałościowe, są łatwo obrabialne. Brązy wysokostopowe poddają się także hartowaniu. Posiadają dobre właściwości przeciwcierne, są odporne na wysoką temperaturę i korozję. Zastosowanie brązów jest ograniczone ze względu na ich wysoką cenę.

Brązy odlewnicze:

• brąz cynowy - B10 (CuSn₁₀)

• brąz cynowo-fosforowy - B101 (CuSn₁₀P)

• brąz cynowo-cynkowy - B102 (CuSn₁₀Zn₂)

• brąz cynowo-ołowiowy - B1010 (CuSn₁₀Pb₁₀) i B520 (CuSn₅Pb₂₀)

• brąz cynowo-cynkowo-ołowiowy B555 (CuSn₅Zn₅Pb₅), B663 (CuSn₆Zn₆Pb₃) i B476 (CuSn₄Zn₇Pb₆).

• brąz aluminiowo-żelazowy - BA93 (CuAl₉Fe₃)

• brąz aluminiowo-żelazowo-manganowy - BA1032 (CuAl₁₀Fe₃Mn₂)

• brąz krzemowo-cynkowo-manganowy - BK331 (CuSi₃Zn₃Mn).

Brązy odlewnicze stosuje się do odlewania części i elementów do zastosowań podobnych jak w przypadku brązów do obróbki plastycznej oraz do odlewania pomników.

Stopy aluminium:

Stopy aluminium - tworzywa metaliczne otrzymane przez stopienie aluminium z jednym lub większą liczbą metali (bądź z niemetalami), celowo wytworzone dla uzyskania żądanych własności.

Stopy aluminium dzieli się na:

• Odlewnicze (PN-EN 1706:2001)

• Do obróbki plastycznej (PN-EN 573-3:2005)

Wykres równowagi faz aluminium - miedź.

Wykres równowagi faz Aluminium - Krzem

Silumin:

Silumin, alpaks - typowy stop odlewniczy - stop aluminium z dodatkiem krzemu, oraz innymi (o mniejszym udziale procentowym) dodatkami takimi jak miedź, magnez, mangan i nikiel, odporny na korozję, o dobrej lejności, małym skurczu i małą skłonnością do pękania, popularny w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym.

Silumin ma bardzo dobre właściwości odlewnicze, tzn. dobrą lejność, mały skurcz, dokładnie wypełniają formę, tworzą skoncentrowaną jamę usadową i nie wykazuje skłonności do pękania. Dodatki stopowe, takie jak magnez i miedz zwiększają wytrzymałość, nikiel poprawia odporność korozyjną stopu.

Najpopularniejsze siluminy to AK12 i AK20 (o 12% i 20% zawartości krzemu), wykorzystywane powszechnie na tłoki cylindrów. W celu poprawy własności siluminów stosuje się ich modyfikację. Siluminy podeutektyczne i eutektyczne modyfikuje się fluorkiem sodu nie przekraczającym 0,1%, a siluminy nadeutektyczne fosforem.

W celu poprawy właściwości mechanicznych siluminu, bardzo często stosuję się zabieg utwardzania dyspersyjnego, polegający na wyżarzaniu i starzeniu stopu.

Duraluminium:

Duraluminium (skrótowo: dural) to ogólna nazwa stopów metali, zawierających głównie aluminium oraz dodatki stopowe: zwykle miedź (2,0-4,9%), mangan (0,3-1,0%), magnez (0,15-1,8%), często także krzem, żelazo i inne w łącznej ilości ok. 6 do 8%, przeznaczony do przeróbki plastycznej. Gęstość duraluminium to ok. 2800 kg/m³ (przy 2700 dla czystego glinu). Po poddaniu stopu przesycaniu, a następnie starzeniu (utwardzanie wydzieleniowe lub inaczej dyspersyjne), posiada on wysoką wytrzymałość mechaniczną: wytrzymałość doraźna ponad 400 MPa. Najlepsze własności wytrzymałościowe uzyskuje po starzeniu naturalnym. Zastosowanie: m.in. w lotnictwie do części konstrukcyjnych, niegdyś także do ram naziemnych pojazdów sportowych, itp. Rozróżnia się także dural cynkowy, który ma większą zawartość cynku 5-7% oraz miedzi, manganu i magnezu.

Durale bezcynkowe: PA6, PA7, PA21, PA23, PA24, PA25

Dural cynkowy: PA9

Durale mają niewielką odporność korozyjną. W celu poprawienia odporności korozyjnej blachy z durali bezcynkowych plateruje się czystym aluminium lub stopem Al+Zn w przypadku duralu cynkowego.

Odkuwki, pręty, rury i kształtki zabezpiecza się przed korozją innymi metodami.

Stopy łożyskowe:

Stop łożyskowy, gdy mowa o konkretnym, w sensie ogólnym częściej stopy łożyskowe - to stopy metali wykorzystywane do wylewania panewek łożysk ślizgowych charakteryzujące się zazwyczaj następującymi cechami:

• Niewielką rozszerzalnością cieplną w zakresie temperatur pracy łożyska

• Dobrą przewodnością termiczną

• Odpornością na ścieranie

• Małym współczynnikiem tarcia

• Zdolnością pochłaniania niewielkich obcych cząsteczek i możliwością dopasowywania się do powierzchni czopa

• Odpornością na kwasy znajdujące się w niektórych smarach.

• Odpornością na korozję.

Rodzaje stopów łożyskowych

Powyższe właściwości można osiągnąć dzięki dobraniu specyficznego składu stopu. Najczęściej są to stopy cynowe, stopy cynowo-ołowiowe, stopy bezcynowe na osnowie ołowiowej, brązy cynowe, brązy ołowiowe, stopy aluminium. Dokładny ich skład określają normy. Do najważniejszych stopów łożyskowych należą:

• Stopy cynowe - zawierające 80-90% cyny, 4-13% antymonu i 3-6% miedzi. Struktura stopu składa się z twardej osnowy tworzonej przez igłowate kryształy stopu CuSn, z miękkimi wtrąceniami stopu SnSb. Polska Norma PN-xx/H-871111 specyfikuje dwa stopy tego typu, L89 (SnSb₈Cu₃ oraz L83 (SnSb₁₁Cu₆). Łożyskowe stopy cynowe używane są na łożyska do dużych silników wysokoprężnych.

• Stopy cynowo-ołowiowe - zawierające orientacyjnie 5-20% cyny, 60-85% ołowiu, 5-17% antymonu i do 3% miedzi oraz domieszki niklu, arsenu i kadmu. Polska Norma specyfikuje L16 (PbSn₁₆Sb₁₆Cu₂), L10As (PbSn₁₀Sb₁₄Cu₃As) i L6 (PbSn₆Sb₆). Stopy te są tańsze od cynowych, lecz posiadają gorsze własności wytrzymałościowe i cieplne. Stosowane są na łożyska słabiej obciążone i mniej odpowiedzialne.

Do budowy łożysk ślizgowych, obecnie powszechnie wykorzystuje się intermetale. Posiadają one lepsze właściwości w stosunku do dawniej stosowanych łożysk na osnowie ołowiu (babbity) itp. Ważną rolę pełni w nich tzw. przegroda niklowa zapobiegająca migracji poszczególnych składników intermetalu do innych jego segmentów.

---