Struktura i właściwości stopów miedzi
MIEDŹ
Liczba atomowa - 29
Masa atomowa - 63,5463.
Cu nie wykazuje odmian alotropowych
Krystalizuje w sieci ściennie centrowanej układu regularnego A1 o parametrze sieci równym 0,3617 nm.
Temperatura topienia tego metalu wynosi 1083 oC
Gęstość w 20C wynosi 8,93 g/cm3.
Właściwości miedzi: bardzo duża przewodność elektryczna i duże przewodnictwo cieplne.
Dzięki dużej przewodności cieplnej miedź daje się lutować i spawać.
Ważną własnością miedzi jest jej duża odporność na korozję. Miedź dzięki pokrywaniu się zasadowym węglanem miedziowym tzw. patyną jest odporna na korozję atmosferyczną i działanie wody. Na miedź silnie działają także: chlor, chlorek amonu, chlorek glinu, chlorek żelaza, fluorek amonu, kwas siarkowy (w wyższych temperaturach), siarkowodór oraz acetylen, chlorek sodowy, chlorowodór, wapno bielące i zaprawa murarska. Utleniona miedź po wyżarzeniu jej w temperaturze 5000C lub wyższej w atmosferze redukującej zawierającej wodór, traci zdolność do obróbki plastycznej. Zjawisko to nosi nazw choroby wodorowej miedzi.
czysta miedź jest do miękka i charakteryzuje się dużą plastycznością. Jedynym sposobem na umocnienie miedzi jest przeróbka plastyczna na zimno. W miarę wzrostu zgniotu wszystkie własności wytrzymałościowe wzrastają zaś własności plastyczne maleją. Pierwiastki występujące w miedzi, traktowane jako zanieczyszczenia, wywieraj duży wpływ na własności wytrzymałościowe. Niekorzystnie na własności plastyczne wpływają: antymon, arsen, fosfor. Fosfor wpływa także negatywnie na własności wytrzymałościowe. Nieznaczne podwyższenie własności wytrzymałościowych powoduje żelazo oraz arsen w stężeniu nie większym niż 0,2%.
Zastosowanie miedzi
elektrotechnika (produkcja kabli i przewodów)
przemysł chemiczny i energetyczny (wyrobu chłodnic, aparatów chemicznych oraz wymienników ciepła)
budownictwo (pokrywanie dachów oraz produkcja rur wykorzystywanych do wykonywania instalacji ciepłej i zimnej wody, centralnego ogrzewania oraz instalacji sanitarnych)
Miedź stopowa
Stopy o zawartości niewielkich ilości (do 2% wag.) pierwiastków stopowych takich jak srebro, arsen, fosfor, cyna, chrom, nikiel, mangan, kadm, cyrkon, tellur, krzem noszą nazw miedzi stopowej. Miedź stopowa posiada znacznie wyższe własności mechaniczne ni czysta miedź. W praktyce stosowane jest nazewnictwo wywodzące się z zastosowanego pierwiastka stopowego, i tak wyróżnia się: miedź srebrową, arsenową, fosforową, cynową, chromową, niklową, manganową, kadmową, krzemowo-manganową, cyrkonową i tellurową.
Stopy miedzi, w zależności od tego, czy oprócz głównego dodatku stopowego posiadaj jeszcze inne pierwiastki stopowe, podzieli można na:
Stopy dwuskładnikowe (proste),
Stopy wieloskładnikowe (złożone).
Stopy miedzi z poszczególnymi dodatkami (wyłączając cynk i nikiel jako główne pierwiastki stopowe) występującymi w stężeniu co najmniej 2% tradycyjnie noszą nazw brązów. Stopy miedzi i cynku nazywane są tradycyjnie mosiądzami.
Spiżami nazywane są stopy miedzi z cyną i cynkiem, za miedzioniklami nazywane są stopy miedzi, w których głównych pierwiastkiem stopowym jest nikiel.
W obecnie stosowanych normach nie są używane tradycyjne nazwy stopów, podawane są jedynie określenia związane ze składem chemicznym stopów np. stopy miedzi z cyn lub stopu miedzi z berylem.
Stopy miedzi można podzieli także na:
Stopy do przeróbki plastycznej, o bardziej złożonym składzie chemicznym i ograniczonej zawartości domieszek,
Stopy odlewnicze, o podobnym składzie lecz przeważnie z większą dopuszczalną zawartością domieszek.
Wyróżniamy następujące grupy stopów Cu:
z cynkiem,z cynkiem i ołowiem,z cynkiem i niklem,z niklem,z cyną,z aluminium,z innymi pierwiastkami stopowymi, których łączne stężenie przekracza 5%,niskostopowe - stężenie pierwiastków stopowych mniejsze niż 5%.
Stopy Cu-Sn (brązy cynowe)
Brązy cynowe wykazuj dobrą odpornością na korozję w środowisku atmosfery przemysłowej i wody morskiej. Struktura cynowych brązów technicznych w temperaturze otoczenia jest nierównowagowa. Do zawartości cyny około 4% stopy wykazuj struktur jednofazową a powyżej tej zawartości w strukturze stopów występują ziarna fazy oraz eutektoidu + . Struktura brązów cynowych zależy w dużej mierze od szybkości chłodzenia. Duża różnica pomiędzy temperaturą likwidusu a temperaturą solidusu jest powodem występowania mikrosegregacji dendrytycznej cyny, gdzie rdzeń dendrytu jest bogatszy w miedź niż strefa zewnętrzna. Zjawisko to jest bardzo niekorzystne z punktu widzenia obróbki plastycznej. Prowadzi ono do nierównomiernych własności plastycznych, co powoduje pękanie brązu podczas odkształcania.
Mikrosegregacja - jest to ograniczenie się do mikroobszarów niejednorodności składu stopu, zwane także segregacją dendrytyczną. Spowodowana jest ona tworzeniem się podczas krystalizacji dendrytów, które powodują pogorszenie się właściwości odlewu o jednorodnym składzie. Mikrosegregacja prowadzi do topienia się obszarów międzydendrytycznych w znacznie niższych temperaturach od temperatury solidusu, powodując przy tym powstanie kruchości na gorąco. Zmniejszenie mikrosegregacji i kruchości na gorąco można uzyskać przez wyżarzanie ujednorodniające. Mikrosegregacja dotyczy różnic w składzie między częścią środkową i przypowierzchniową wlewka lub odlewu.
Własności fizyczne, takie jak przewodność cieplna i elektryczna maleją wraz ze zwiększaniem zawartości cyny. Maksymalne wydłużenie posiadają stopy o zawartości cyny w przybliżeniu równej granicznej rozpuszczalności. Natomiast wytrzymało stopów rośnie do zawartości cyny około 25% a następnie maleje. Własności wytrzymałościowe zależą od szybkości chłodzenia. Zwiększenie zawartości cyny w brązach odlewanych do form piaskowych zwiększa wytrzymałość i twardość stopów zaś zmniejsza ich wydłużenie. W brązach odlewanych do form metalowych wpływ cyny na własności wytrzymałościowe jest zmienny. Wzrost zawartości cyny zwiększa także lejność, obniża skurcz oraz rozpuszczalność wodoru.
Stopy Cu-Al (brązy aluminiowe)
Stopy miedzi z aluminium dzielą się na stopy proste, oraz na stopy złożone, które zawieraj oddzielnie lub łącznie takie pierwiastki jak: Fe, Mn, Ni. Stopy o niższych zawartościach Al cechują się strukturą jednofazową a stopy o większej zawartości Al posiadają strukturę dwufazową.
Zastosowanie techniczne mają stopy o zawartości Al do 11%. Poważną wadą stopów miedzi z aluminium jest ich duża skłonność do gruboziarnistości przy powolnym stygnięciu, zjawisko to nasila się szczególnie w przypadku stopów z dużą zawartością aluminium. Struktura gruboziarnista znacząco wpływa na obniżenie własności mechanicznych.
W celu zmniejszenia rozrostu ziarn stosuje się szybkie chłodzenie odlewu, wprowadzanie do stopu składników wpływających na rozdrobnienie struktury, a także jeśli to możliwe stosuje się odlewanie do kokili metalowej zamiast odlewania do form piaskowych. Stopy miedzi z aluminium odznaczaj się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi. Dodatek aluminium podwyższa twardość i wytrzymałość miedzi. Przy zawartości 10% Al stop posiada dwukrotnie większe własności wytrzymałościowe niż czysta miedź. Stopy zawierające do 8% Al mają dobre własności plastyczne i możliwa jest ich obróbka plastyczna na zimno i gorąco. Stopy o zawartości do 10% Al obrabia się plastycznie na gorąco po ogrzaniu stopu do temperatury występowania fazy.
Stopy posiadające zawarto Al od 8,6 do 11,8% mogą by poddawane obróbce cieplnej składającej się z hartowania i odpuszczania. Obróbką cieplną umożliwia występowanie w tych stopach przemiany martenzytycznej. Przemiana martenzytyczna zachodząca w stopach miedzi z aluminium, w przeciwieństwie do przemiany martenzytycznej występującej w stalach, jest odwracalna. Obróbka cieplna stosowana jest głównie do stopów wieloskładnikowych, znacznie rzadziej do stopów dwuskładnikowych. Stężenie aluminium w brązach wpływa na temperaturę rozpoczęcia i zakończenia przemiany martenzytycznej. Wraz ze wzrostem stężenia aluminium temperatura Ms oraz temperatura Mf maleją. Obróbka cieplna powoduje znaczne polepszenie własności wytrzymałościowych stopów.
Stopy Cu-Si (brązy krzemowe)
Stopy miedzi z krzemem zwane brązami krzemowymi zawierają od 3 do 4% krzemu. Brązy krzemowe można podzieli na proste, dwuskładnikowe oraz na złożone, wieloskładnikowe. Stopy podwójne nie znalazły zastosowania w technice ze względu na niskie własności mechaniczne. Szersze zastosowanie znalazły wieloskładnikowe stopy miedzi z krzemem z dodatkiem takich pierwiastków jak mangan, żelazo, cynk oraz nikiel. Stopy Cu-Si mogą zastępować stopy Cu-Sn, co pozwala na redukcję zużycia bardzo drogiej cyny. Dodatek krzemu powoduje wzrost twardości i wytrzymałości, oraz obniżenie plastyczności stopu. Ponadto krzem działa w miedzi jako silny odtleniacz, przez co polepsza własności odlewnicze, a uzyskane odlewy posiadaj gładką i czystą powierzchnię.
NIE MA OPISU DO WYKRESU !
Stopy Cu-Mn (brązy manganowe)
Stopy miedzi z manganem, zwane brązami manganowymi, są to stopy zawierające najczęściej 5-6% Mn lub 12-15% Mn. Stopy te do zawartości 30% Mn można obrabia plastycznie na gorąco, a stopy o mniejszej zawartości Mn 5-6% można także obrabia plastycznie na zimno. Dodatek Mn powoduje wzrost wytrzymałości na rozciąganie i zmniejszenie wydłużenia. Odlewy o zawartości Mn do 20% maja strukturę roztworu stałego, a powyżej tej zawartości stopy posiadają struktur + . Roztwór jest roztworem dość plastycznym i miękkim, natomiast roztwór jest nieco twardszy. Dodatek manganu powoduje znaczne obniżenie przewodności elektrycznej. Ze względu na duży skurcz odlewniczy oraz małą lejność wykonywanie odlewów z tego typu stopów jest utrudnione.
Najpopularniejszymi stopami Cu-Mn są:
Stop zwany Manganinem, stop miedzi z manganem i niklem wyróżniający się małą siłą termoelektryczną względem miedzi i bardzo małym współczynnikiem cieplnym oporu.
Stop Izabelin, stop miedzi z manganem i aluminium. Stop ten jest ognioodporny i charakteryzuje się stałymi własnościami mechanicznymi do temperatury 300C.
Stop Heuslera, stop o zawartości Mn powyżej 20% i Al powyżej 9%, który posiada silne własności ferromagnetyczne.
Stop Isima, stop miedzi z manganem i krzemem, posiadający wysokie własności wytrzymałościowe zarówno wstanie lanym jak i w stanie walcowanym
Stopy Cu-Be (brązy berylowe)
Stopy miedzi z berylem zwane brązami berylowymi zawieraj około 2,1% berylu i są przeznaczone głównie do obróbki plastycznej. Oprócz berylu stopy te mogą zawierać także dodatki niklu, kobaltu oraz cynku tworząc wieloskładnikowe stopy miedzi z berylem. Stopy te łączą zalety miedzi, a więc łatwą obrabialność, odporność na korozję, na wysokie temperatury i na ścieranie, a także wysokie przewodnictwo cieplne i elektryczne, z zaletami stali, czyli wytrzymałości i twardości. Techniczne zastosowanie mają stopy miedzi z berylem o zawartości berylu do 2,5%. Stopy te posiadaj także dobrą lejność i niewielki skurcz odlewniczy wynoszący 1,2-1,5%.
Zmienna rozpuszczalność berylu w miedzi umożliwia stosowanie obróbki cieplnej. Na proces obróbki cieplnej składa się przesycanie i starzenie stopów. W wyniku utwardzania wydzieleniowego stopy Cu-Be posiadają budowę dwufazową, składając się z roztworu stałego oraz fazy , gdzie fazą utwardzającą jest faza . Przesycanie stopów miedzi z berylem przeprowadza się w temperaturze od 720 do 760 0C. Po przesycaniu uzyskuje się strukturę jednorodną złożoną z roztworu. Starzenie w temperaturze 300 - 350 0C powoduje wydzielenie umacniającej fazy. Czas starzenia zależy od temperatury tego procesu. Możliwe jest także umacnianie zgniotowe przez obróbkę plastyczną. Bardzo ważną własnością stopów Cu-Be jest brak iskrzenia przy tarciu i przy uderzeniu. Wad tych stopów jest ich bardzo wysoka cena oraz toksyczność związków i par berylu wydzielających się podczas topienia i szlifowania.
Stopy Cu-Ni (miedzionikle)
Stopy miedzi z niklem zwane także miedzioniklami są to stopy w których głównym pierwiastkiem stopowym jest nikiel. Zawartość niklu w tych stopach dochodzi maksymalnie do 40%, zawierają także 1-2% Si, Al, Fe lub Mn. Stopy miedzi z niklem posiadaj dobre własności wytrzymałościowe, wysoką plastyczność i odporność na korozję. Miedzionikle posiadaj niekorzystne własności odlewnicze. Ich temperatura odlewania sięga 1500 0C, ponadto stopy te wykazuj dużą skłonność do absorbowania gazów, szczególnie H2 oraz związków C i S, a także do rozpuszczania dużych ilości O2.
Można wyróżni dwie grupy miedzionikli:
Odporne na korozję (CuNi30Mn1Fe - zwany melchiorem, CuNi6Al2 - zwany kunialem, CuNi3si1Mn, CuNi19 - zwany nikielin), Oporowe (CuNi44Mn1 - zwany konstantanem).
Stopy Cu-Zn (mosiądze)
Mosiądze są to stopy miedzi w których głównym pierwiastkiem stopowym jest cynk. Mosiądze zawierające 5 do 20% Zn są nazywane tombakami. Ze względu na bardzo szeroki zakres własności mechanicznych oraz niskie koszty i łatwość wytwarzania stopy te stanowią bardzo liczną grupę stopów miedzi stosowanych w technice.
Stopy Cu-Zn charakteryzują się dobrą odpornością na korozję, która maleje wraz ze zwiększaniem zawartości cynku. Najgroźniejszymi rodzajami korozji, którym ulegają mosiądze są:
Odcynkowanie
pękanie sezonowe.
Odcynkowanie zachodzi w stopach jedno oraz dwufazowych zawierających powyżej 20% Zn, które są narażone na działanie chloru lub elektrolitu zawierającego chlor. W środowisku takim dochodzi do przejścia miedzi i cynku do roztworu ciekłego, z którego wytrąca się częściowo miedź w postaci gąbczastej, co dodatkowo wzmaga korozję. Odcynkowanie nie powoduje zmian kształtu korodującego przedmiotu ale powoduje znaczne obniżenie własności wytrzymałościowych stopu. W celu wyeliminowania odcynkowania należy dodać do stopu kilka setnych procent arsenu, antymonu lub fosforu.
Pękanie sezonowe jest to międzykrystaliczna korozja naprężeniowa występująca zarówno w stopach jednofazowych jak i w dwufazowych, poddanych obróbce plastycznej na zimno i działaniu ośrodka zawierającego amoniak. Skłonność stopów do pękania sezonowego może zostać ograniczona poprzez zastosowanie wyżarzania odprężającego przedmiotów w temperaturze 200-300 0C. Podatność mosiądzów na pękanie sezonowe można zbadać za pomoc próby amoniakalnej i próby rtęciowej.
W zależności od przyjętego kryterium stopy Cu-Zn możemy podzielić:
ze względu na ilość składników wyróżniamy stopy dwuskładnikowe i wieloskładnikowe,
ze względu na strukturę stopów wyróżniamy stopy jednofazowe (od 2 do 39% Zn) oraz dwufazowe (od 39 do 45% Zn),
ze względu na sposób wytwarzania gotowych wyrobów wyróżniamy stopy odlewnicze oraz stopy do przeróbki plastycznej.
Znaczenie techniczne znalazły stopy o strukturze roztworu stałego lub + ', czyli stopy o zawartości cynku do około 45%. Powyżej tej zawartości występuje faza ', która powoduje kruchość stopów, co w znaczny sposób ogranicza możliwość stosowania takich stopów na odlewy i do przeróbki plastycznej. Stopy zawierające do 39% Zn posiadaj strukturę jednofazową i dzięki temu posiadają dobrą plastyczność w temperaturze pokojowej oraz nieco gorszą w zakresie temperatur 300-700 0C. Z tego powodu stopy o strukturze jednofazowej obrabiane są plastycznie na zimno. Stopy zawierające od 39 do 45% Zn mają strukturę dwufazową + '. Faza ma dużą wytrzymałość lecz posiada o wiele mniejszą plastyczność niż faza . Dlatego mosiądze o strukturze dwufazowej obrabia się zwykle na gorąco w temperaturze, w której wykazuj one strukturę jednofazową.
Stopy Cu-Ni-Zn (mosiądze wysokoniklowe -nowe srebra)
Nikiel powoduje zwiększenie wydłużenia, udarności, wytrzymałości w podwyższonych temperaturach oraz twardości, zmniejsza także skłonność stopu do odcynkowania. Nikiel utrwala mikrostrukturę jednofazową. Stopy zawierające nikiel posiadaj dużą odporność na korozję wody morskiej i kwasów. W przypadku mosiądzów niklowych wykonywanie odlewów jest utrudnione ze względu na skłonność tych stopów do powstawania wad skurczowych, porowatości oraz zażużleń. Mosiądze wysokoniklowe posiadają bardzo dobre własności wytrzymałościowe a także dobrą podatność na obróbkę plastyczną na zimno i na gorąco.
Zastosowanie stopów miedzi
Stopy miedzi z cyną znalazły zastosowanie głównie w przemyśle chemicznym, papierniczym i okrętowym na elementy sprężyste, na elementy aparatury kontrolo pomiarowej, siatki, sprężyny, tulejki, łożyska ślizgowe, ślimacznice i ślimaki a także na diafragmy, zaciski bezpieczników i armaturę parową, wodną oraz do wyrobu części maszyn narażonych na korozję niektórych kwasów, ze stopów tych wytwarzane są także rurki Bourdona stosowane w manometrach. W przeszłości stopy te stosowane były do wytwarzania broni i przedmiotów domowego użytku. Wieloskładnikowe stopy Cu-Sn stosowane są głównie na panewki łożyskowe i sprężyny.
Stopy miedzi z aluminium stosuje się na elementy maszyn narażonych jednocześnie na duże obciążenia mechaniczne, ścieranie, korozję i podwyższoną temperaturę. Ze stopów tych wykonywane są panewki, łożyska ślizgowe, koła zębate, oraz dna sitowe, armatura parowa i chemiczna.
Stopy miedzi z krzemem stosowane są na elementy aparatury w przemysłach maszynowym, chemicznym, chłodniczym w tym na siatki, sprężyny, łożyska, elementy samochodowe oraz panewki, wirniki pomp, koła cierne i przekładnie ślimakowe.
Stopy miedzi z manganem znalazły zastosowanie na części maszyn i urządzeń pracujących w podwyższonych temperaturach. Stop o nazwie Manganin używany jest do wyrobu oporników wzorcowych, a stop Isima stosowny jest do wyrobu łopatek turbin.
Stopy miedzi z berylem znalazły zastosowanie do wyrobu sprężyn, części pomp, narzędzi chirurgicznych a także na szczotki silników elektrycznych, przewody trakcji elektrycznej, elektrody i przewody spawalnicze, formy szklarskie, wkładki do kokili i form ciśnieniowych. Brązy berylowe nadają się także do produkcji wysoko obciążonych części, które muszą być niemagnetyczne, a ze względu na brak iskrzenia przy uderzeniu i tarciu stosowane są do wytwarzania narzędzi dla górnictwa i przemysłu chemicznego.
Stopy miedzi z niklem stosowane są do odlewania armatury i części dla przemysłu okrętowego. Stop CuNi25 znalazł zastosowanie do wyrobu monet. Ponadto stopy Cu-Ni stosuje się do wytwarzania płytek kondensatorów, sprężyn, śrub, nitów, tabliczek znamionowych a także części zegarków i aparatów fotograficznych. Ze względu na duży opór elektryczny stopy te wykorzystuje się na elementy oporowe Stop CuNi10 stosuje się do pokrywania kadłubów statków. Popularne stopy CuNi20Fe20 i CuNi21Co29 stosowane są do wyrobu magnesów trwałych, zaś nowe srebra, czyli stopy Cu-Ni-Zn stosowane są głównie jako luty. Szczególnie znane są stopy o nazwie Nikielina i Konstantan. Nikielin stosuje się do platerowania oraz do wyrobów wytłaczanych i ciągnionych. Konstantan używa się do produkcji termopar.
Jednofazowe stopy Cu-Zn stosowane są do wyrobu części współpracujących w ruchu obrotowym, a także na kształtowniki i armatur w przemyle budowlanym. Tego typu mosiądze bardzo często stosowane są do wyrobów artystycznych. Ponadto z mosiądzów jednofazowych wytwarzane są części stosowane w przemyśle komunikacyjnym, maszynowym, okrętowym i chemicznym, a także rurki kapilarne i chłodnicowce, wężownice, instrumenty muzyczne oraz elementy otrzymywane przez głębokie tłoczenie.
Dwufazowe stopy Cu-Zn stosowane są do produkcji elementów ślizgowych a także w przemyśle okrętowym. Stopy te nadają się do wykonywania nieskomplikowanych i dużych odlewów części maszyn i pojazdów, a także do produkcji śrub okrętowych.