Numer ćwiczenia: 6		Mikroskopowe badania stopów metali nieżelaznych.	Ocena:
Zespół: 3	Marcin Zawadzki		Uwagi:
Data: 17.03.99		MiIM II rok PPM

1. Celem przeprowadzonego ćwiczenia było zapoznanie się ze strukturą i własnościami stopów metali nieżelaznych.

2. Wstęp teoretyczny.

Główne grupy stopów metali nieżelaznych jakie można wyróżnić to stopy miedzi i aluminium oraz stopy łożyskowe, lutownicze i niskotopliwe.

Zestawienie własności miedzi i aluminium:

Pierwiastek	Temperatura topnienia [°C]	Ciężar właściwy [g/cm^3]	Ciężar atomowy	Liczba atomowa	Układ krystalograficzny
Miedź	1083	8,9	63,54	29	Regularny, ściennie centrowany
Aluminium	660	2,7	26,98	13	Regularny, ściennie centrowany

Miedź.

Miedź Cu jest metalem plastycznym (wysoka symetria sieci krystalicznej) o barwie czerwonozłotej. W stanie zimnym daje się kuć i walcować. Miedź jest odporna na wpływy atmosferyczne, trudno się utlenia w suchym powietrzu, a w wilgotnym powoli pokrywa się zielonym nalotem, tzw. patyną (szczelna warstwa zasadowego węglanu miedzi (CuCO₃·Cu(OH)₂) na powierzchni miedzi zabezpieczająca ją przed dalszym utlenianiem). Ze względu na dobrą przewodność elektryczną miedzi (najwyższa po srebrze) używa się ją w przemyśle elektrotechnicznym np. do wyrobu drutu na przewody i kable. Ponadto znalazła zastosowanie w galwanotechnice i galwanoplastyce. Miedź jest podstawowym składnikiem wielu stopów technicznych. Spośród nich najbardziej są rozpowszechnione mosiądze i brązy. Miedź pozyskuje się z rud: chalkozynu (Cu₂S), chalkopirytu (CuFeS₂), kuprytu (Cu₂O) oraz bronitu (Cu₅FeS₄). Miedź surowa pozyskiwana jest z wyżej wymienionych rud, lecz poddaje się ją dalej rafinacji.

Aluminium.

Aluminium Al jest metalem o barwie srebrzystobiałej, odpornym na wpływy atmosferyczne i działanie słabych kwasów. Odznacza się dużą przewodnością elektryczną i cieplną; jest kowalny, ciągliwy i daje się odlewać. Na powietrzu pokrywa się cienką, zwartą i przezroczystą warstwą tlenku Al₂O₃, co również zapobiega jego dalszej korozji. Zastosowanie aluminium w stanie czystym jest ograniczone, głównie ze względu na małą wytrzymałość. Dużo większe zastosowanie mają stopy aluminium, które ze względu na małą gęstość są nazywane stopami lekkimi. Najczęściej stosowanymi dodatkami stopowymi są: miedź, krzem, magnez, mangan, nikiel i cynk. Dodatki stopowe zwiększają przede wszystkim wytrzymałość, odporność na korozję i polepszają obrabialność. W przyrodzie miedź występuje jako boksyt (AlO(OH)) i jako kryolit (Na₃(AlF₆)). Czyste aluminium otrzymuje się na drodze elektrolitycznej.

Stopy:

Miedzi

Aluminium

Mosiądze

Stopy miedzi z cynkiem zawierające 55 - 85% miedzi. Mosiądze specjalne zawierają oprócz miedzi i cynku jeszcze aluminium, nikiel, cynę, ołów, żelazo, krzem, mangan. Stopy zawierające powyżej 45% cynku są kruche i nie mają technicznego znaczenia.

Stopy odlewnicze

Najczęściej zawierają krzem (do 10,5%), magnez, mangan i miedź.

Siluminy (stopy aluminium i krzemu do 89% Al i do 13%Si).

Podeutektyczne(4 - 10% Si)

Wysokie własności wytrzymałościowe, duże wydłużenie. Dodatek magnezu (0,2 - 0,5%) umożliwia obróbkę cieplną.

Eutektyczne (10 - 13% Si)

Mają najlepsze własności odlewnicze - dobrą lejność, niski skurcz, skupiona jama usadowa.

Do przeróbki plastycznej

Z przeznaczeniem na armaturę kotłową, hydrauliczną itp. Mosiądze α są plastyczne przy temperaturze pokojowej. Fazy β lub α+β powyżej 500°C są bardziej plastyczne

Do przeróbki plastycznej na zimno (do 30% Zn)

Nadeutektyczne (17 - 30% Si)

Posiadają mały współczynnik rozszerzalności cieplnej i dobrą odporność na ścieranie (tłoki do silnników spalinowych).

Do przeróbki na zimno i na gorąco (35 - 40% Zn)

Stopy Al-Cu

Mają zawsze strukturę podeutektyczną, składającą się z roztworu stałego α i eutektyki α+CuAl2. Można je poddawać obróbce cieplnej.

Do przeróbki na gorąco (41 - 45% Zn)

Odlewnicze

Wykonuje się z nich części maszyn dla przemysłu komunikacyjnego, lotniczego i okrętowego.

Brązy

Stopy miedzi z cyną (o zawartości cyny do 11%), odporny na działanie wpływów atmosferycznych i słabszych kwasów, daje się dobrze odlewać i obrabiać. W przypadku małej zawartości cyny stosuje się go na wyroby kute

Stopy do przeróbki plastycznej

Stopy nie obrabiane cieplnie

Alumen - AlMn1, jest odporny na korozję oraz bardzo dobrze się spawa

Brązy cynowe

Stopy miedzi z cyną. Występujące fazy: α, β, γ, δ, ε, η i Sn. W stopach technicznych - fazy α i δ. Stosuje się brązy o zawartości cyny do 24%, w stanie wyżarzonym - do 14% Sn (struktura jednofazowa). Wykazują mały skurcz odlewniczy.

Do przeróbki plastycznej (do 10% Sn)

Przerabiane na gorąco (zawartość około 10% Sn) i na zimno (mała zawartość cyny). W temperaturze 700°C - bardzo łatwe walcowanie (jednorodny roztwór α z małą ilością fazy β - obie fazy są plastyczne).

Stopy aluminium z magnezem, np. AlMg5Mn - hydronalium, odporny na korozję pod działaniem słonej wody.

Odlewnicze (powyżej 10% Sn)

Zazwyczaj stosowane brązy cynowe mają do 16% Sn. O wyższej zawartości stosuje się rzadko gdyż są kruche. Brązy wysokocynowe (16 - 22% Sn) stosuje się do odlewania dzwonów i odlewów artystycznych. Brązy cynowe z dodatkiem cynku - spiże, np. CuSn5Zn11.

Maszynowe - brąz CuSn10. Ma dobre własności mechaniczne i przeciwcierne. Dodatek cynku poprawia własności odlewnicze i obniża porowatość.

Stopy obrabiane cieplnie

Stop AlMgSi - Aldrey, posiada zmienną rozpuszczalność związków Mg2Si i Al3Mg2 w fazie α. Obok miedzi stosowany na przewody elektryczne (wysokie przewodnictwo)

Armaturowe - brązy wieloskładnikowe, np. CuSn6Zn6Pb3. Mogą wykazywać mikroporowatości

Stop AlMgSiMn - Antikorodal, odporny na korozję po utwardzeniu wydzielinowym, bardzo dobrze się poleruje.

Łożyskowe - brązy wieloskładnikowe: CuSn10P1, CuSn5Pb25. Dobre własności mechaniczne, odlewnicze, brak mikroporowatości. Dodatek ołowiu - niejednorodność struktury, dodatek fosforu - skłonność do segregacji dendrytycznej.

Stopy zawierające miedź i magnez. Najlepsze własności wytrzymałościowe - Durale lub Duraluminy (Cu - 3,8 - 5,7%; Mg - 0,4 - 1,8%; Mn - 0,8 - 1%; Si - 0,7%; Fe - 0,5%, Al -

Łożyskowe

Stopy używane do wyrabiania panewek łożysk ślizgowych. Mały współczynnik tarcia, mała ścieralność, odporne na korozję, wysoki współczynnik przewodnictwa cieplnego.

Żeliwa - panewki z żeliwa szarego. Łożyska wolnoobrotowe (wysoki współczynnik tarcia)

Brązy - cynowe, fosforowe, ołowiowe (30% Pb) miękkie kryształy czystego ołowiu w osnowie miedziowej - łożyska pracujące w ciężkich warunkach.

Stopy na osnowie cyny lub ołowiu

Materiały spiekane

Lutownicze

Stopy - spoiwa, służące dołączenia metali (temperatura topnienia, <450°C, jest niższa od temperatury topnienia metali łączonych). Stopy cynowo ołowiowe - do łączenia stali, miedzi, mosiądzów, cynku, ołowiu, blach ocynkowanych. Spoiwa brązowe, mosiężne, niklowe, miedziane i srebrne - do łączenia miedzi, stali, żeliwa, mosiądzów, brązu i niklu.

Niskotopliwe

Stopy o niskich temperaturach topnienia (poniżej 100°C), wieloskładnikowe - bizmut, ołów, cyna, kadm. Używane jako spoiwa do łączenia elementów nie nagrzewających się oraz do odlewania.

Newtona (50% Bi, 31% Pb, 19% Sn, 95°C)

Wooda (50% Bi, 25% Pb, 12,5% Sn, 12,5 Cd, 68°C)

Próbka nr. 1 - Siluminium niemodyfikowane

AlSi11 - stop aluminium z krzemem o zawartości 11, badana próbka jest stopem niemodyfikowanym.

Siluminy, czyli odlewnicze stopy aluminium z krzemem. Aluminium tworzy z krzemem układ eutektyczny o ograniczonej rozpuszczalności krzemu i bardzo małej rozpuszczalności aluminium w krzemie.

Siluminy o składzie zbliżonym do eutektycznego charakteryzują się dobrą lejnością, małym skurczem i nie wykazują skłonności do pękania na gorąco. Wadą jest powstawanie gruboziarnistej struktury z pierwotnymi kryształami krzemu, co wiąże się z obniżeniem własności mechanicznych. Aby zapobiec temu stosuje się modyfikacje polegającą na dodaniu modyfikatorów lub przyśpieszeniu chłodzenia. Modyfikatorem może być np. sód. Ilość modyfikatora to około 0,1%. Dodatek sodu powoduje obniżenie temperatury przemiany eutektycznej i w konsekwencji Rm rośnie z około 110 do 250 Mpa, As z około 1% do 8%.

Modyfikatorem może być także fosfor, lecz w znacznie mniejszej ilości 0,01% masy stopu.

Próbka nr. 2 - Siluminum modyfikowane

Próbka nr. 3 - Midź hutnicza tlenowa

Próbka nr. 4 - Mosiądz

Próbka nr. 5 - Mosiądz ołowiowy - CuZn39Pb2

Podatny do przeróbki plastycznej na gorąco, bardzo dobrze skrawalny. Stosowany często w postaci sprężystych taśm w przemyśle zegarowym.

Stop lany, zawierający 39% Zn i 2% dodatek ołowiu, poprawiający lejność. Na rysunku widoczna jest struktura dendrytyczna roztworu stałego α. Odczynniki: 25g FeCl₃, 25ml HCl, 100ml H₂O

Próbka nr.9 - brąz cynowy

Próbka nr. 11 - Babbit - SnSb11Cn6

Jest to stop łożyskowy stosowany do wylewania łożysk ślizgowych w parowozach, samochodach, wagonach i innych maszynach. Powinny one posiadać wielofazową strukturę złożoną z miękkiej i plastycznej osnowy, w której zawarte są twarde kryształy dające odporność na ścieranie, lub odwrotnie: z miękkiego składnika w twardej osnowie.

Najlepsze własności mają stopy cyny z dodatkiem miedzi i antymonu, zwane babbitami. Mogą one przenosić wysokie naciski powierzchniowe (pow 10Mpa) przy prędkości obrotowej ponad 5 m/s. Nasza próbka to SnSb11Cn6. Struktura tych stopów składa się z kryształów twardego Sn₃Sb₂ i iglastych kryształów Cn₆Sn₅. Osnowę stanowi najpóźniej krzepnąca drobnoziarnista eutektyka bogata w cynę, o najniższej twardości.

Obróbka cieplna durali

Obróbka cieplna tych stopów polega na przesycaniu i starzeniu.

Jeśli stop, zawierający np. 4% Cu nagrzejemy do temperatury wyższej od linii solvus (poniżej 548 stopni Celcjusza), to uzyskamy jednorodny roztwór stały ω. Szybkie chłodzenie takiego roztworu zwane jest przesycaniem. Nie zmienia ono struktury lecz powoduje że staje się on nietrwały, gdyż zawiera więcej rozpuszczonej miedzi niż wynosi granica rozpuszczalności w temp. otoczenia.

Stop dążąc do osiągnięcia stanu równowagi usiłuje wydzielić nadmiar rozpuszczonej miedzi w postaci dyspersyjnych cząstek bogatych w miedź. Proces ten, który przebiega samorzutnie w określanym czasie, nazywamy starzeniem. Durale ulegają starzeniu w wyniku wydzielenia się z przesyconego roztworu faz CuAl₂ i Mg₂Si, które są rozpuszczalne i w wyniku nagrzewania do temp. 500* C przechodzą do roztworu.

Durale są skłonne do przegrzania polegającego na nadtopieniu eutektyki rozłożonej na granicach ziarn i dlatego nie należy nagrzewać ich powyżej 505*C. Temp. nagrzania można regulować stopień przesycenia roztworu, a tym samym własności po starzeniu. Im niższa jest temp. przesycania, tym mniej związków przechodzi do roztworu i mniejszy jest wzrost twardości po starzeniu, a wyższe własności plastyczne. Najwyższe własności wytrzymałościowe otrzymuje się po starzeniu naturalnym.

---