STOPY METALI

Stop metali - jest mieszaniną dwóch lub większej ilości metali lub metalu z innymi pierwiastkami niemetalicznymi, doprowadzoną do temperatury powyżej temperatury topnienia, a następnie schłodzoną. Stop najczęściej posiada odmienne charakterystyki od jego elementów składowych.

Struktury stopów metali

Istnieją trzy sposoby na połączenie różnych pierwiastków w stop i tym samym trzy podstawowe rodzaje stopów. Jednak dany stop może zawierać pierwiastki połączone ze sobą na więcej niż jeden z tych sposobów.

Pierwszy rodzaj stopu stanowi roztwór stały z atomami podstawionymi. W tym wypadku składniki stopu rozpuszczone są jeden w drugim. W niektórych miejscach sieci krystalicznej jednego pierwiastka zamiast jego atomów znajdują się atomy drugiego pierwiastka. Innymi słowy, atomy pierwszego pierwiastka są podstawione atomami drugiego. Innym rodzajem stopu jest roztwór stały międzywęzłowy, gdzie jeden pierwiastek również rozpuszczony jest w drugim, lecz w nieco inny sposób. Tu atomy drugiego pierwiastka ulokowane są nie w tych miejscach, gdzie powinny znajdować się atomy pierwszego pierwiastka (czyli w węzłach sieci krystalicznej), lecz pomiędzy tymi atomami (czyli między węzłami). Wreszcie trzeci rodzaj stopu to tak zwany związek międzymetaliczny. W tym wypadku atomy obu metali wiążą się ze sobą w cząsteczki związku posiadającego własną całkowicie niezależną strukturę krystaliczną. Każda z takich cząsteczek umieszczona jest w określonej pozycji w węźle sieci krystalicznej, a więc atomy obu pierwiastków są w tym wypadku wysoce uporządkowane.

W niektórych stopach ich struktura ulega przekształceniom wskutek obróbki zmieniającej ich własności fizyczne. Przykładem może być tutaj duraluminium, nabywające szczególnych własności w procesie utwardzania wydzieleniowego. Podobne efekty uzyskuje się również w przypadku innych stopów.

Brązy - stopy miedzi z innymi metalami i ewentualnie innymi pierwiastkami, w którym zawartość miedzi zawiera się w granicach 80-90% wagowych.

Brązy cynowe były znane już w starożytności z powodu jednoczesnego występowania w tym samym miejscu rud obu metali.

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

Brązy dzieli się na brązy do obróbki plastycznej, dostarczane w formie wyrobów hutniczych - blach, pasów, taśm, prętów, drutów i rur oraz brązy odlewnicze dostarczane w postaci sztab lub kęsów.

Pośród brązów do obróbki plastycznej wyróżnia się:

Brąz cynowy - zawierający 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 nie przekraczającymi 0,3%. Symbole brązów cynowych to B2 (CuSn2), B4 (CuSn4), B6 (CuSn6), B43 (CuSn4Zn3), B443 (CuSn4n4Pb3), B444 (CuSn4n4Pb4). Brązy cynowe używane są na elementy sprężyste, trudno ścieralne, a przy większej zawartości ołowiu na tuleje i panwie łożyskowe.

Brąz aluminiowy - zawierający od 4% do 11% aluminium

Może zawierać także inne dodatki stopowe, takie jak żelazo (2,0% do 5,5%), mangan (1,5% do 4,5%) oraz nikiel (3,5% do 5,5%), z zanieczyszczeniami nie przekraczającymi 1,7%. Symbole brązów cynowych to BA5 (CuAl5), BA8 (CuAl8), BA93 (CuAl9Fe3), BA1032 (CuAl10Fe3Mn2), BA1044 (CuAl10Fe4Ni4), BA92 (CuAl9Mn4). Brązy aluminiowe stosowane są na części do przemysłu chemicznego, elementy pracujące w wodzie morskiej, monety, styki ślizgowe, części łożysk, wały, śruby, sita.

Brąz berylowy - zawierający 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 nie przekraczającymi 0,5%. Symbole brązów berylowych to BB2 (CuBe2Ni (Co)), BB1T (CuBe1,7NiTi), BB2T (CuBe2NiTi). Brązy berylowe stosowane są na elementy sprężyste, elementy aparatury chemicznej, elementy żaroodporne, np. gniazda zaworów, narzędzia nieiskrzące.

Brąz krzemowy - BK31 (CuSi3Mn1)

zawierający 2,7% do 3,5 krzemu i 1,0% do 1,5% manganu, przy zanieczyszczeniach nie przekraczających 1,0%. Stosowany jest na siatki, elementy sprężyste, elementy w przemyśle chemicznym, elementy odporne na ścieranie, konstrukcje spawane.

Brąz manganowy - BM123 (CuMn12Ni3)

zawierający 11,5% do 13% manganu i 2,5% do 3,5% niklu przy dopuszczalnych zanieczyszczeniach do 1%. Stosowany na oporniki wysokiej jakości.

Pośród brązów odlewniczych wyróżnia się:

• 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 (CuSn6ZnPb3) 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. Stopem zaliczanym czasami do brązów jest także spiż. Ponadto brązami nazywa się potocznie lub fachowo szereg innych metali i stopów metali kolorowych, nawet tych o znacznie mniejszym udziale miedzi, lub nawet jej całkowitym braku, np. pigmenty metaliczne stosowane w poligrafii.

Duraluminium

Duraluminium (skrótowo: dural) to ogólna nazwa stopów metali, zawierających głównie glin, 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. 2,8 g/cm³ (przy 2,7 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. Wadą durali jest niewielka odporność korozyjna. Zastosowanie: m.in. w lotnictwie do części konstrukcyjnych, niegdyś także do ram naziemnych pojazdów sportowych, itp. Podobnymi stopami, jednak o gorszych właściwościach wytrzymałościowych, są hydronalium i magnal.

Mosiądz

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.

Mosiądz ma kolor żółty (złoty), lecz przy mniejszych zawartościach cynku zbliża się do naturalnego koloru miedzi. Stop ten jest odporny na korozję, ciągliwy, łatwy do obróbki plastycznej. Posiada dobre właściwości odlewnicze.

Mosiądze stosuje się na wyroby armatury, osprzęt odporny na wodę morską, śruby okrętowe, okucia budowlane, np. klamki. Na elementy maszyn w przemyśle maszynowym, samochodowym, elektrotechnicznym, okrętowym, precyzyjnym, chemicznym. Ważnym zastosowaniem mosiądzu jest produkcja instrumentów muzycznych. Mosiądz dostarczany jest w postaci sztab do odlewania lub prętów, drutów, blach, taśm i rur.

Ze względu na skład mosiądze dzieli się na:

• Mosiądze dwuskładnikowe - M95 (CuZn5), M90 (CuZn10), M85 (CuZn15), M80 (CuZn20), M80 (CuZn20), M75 (CuZn25), M70 (CuZn30), M68 (CuZn32), M63 (CuZn37), M60 (CuZn40).

• Mosiądze ołowiowe - zawierające dodatki ołowiu. Ołów dodawany jest w celu polepszenia skrawalności materiału. Do mosiądzów ołowiowych należą MO64 (CuZn34Pb3), MO62 (CuZn36Pb1.5), MO61 (CuZn36Pb3), MO58A (CuZn39Pb2), MO58b (CuZn40Pb2), MO58 (CuZn40Pb2) oraz także odlewnicze MO60 (CuZn38Pb1.5), MO59 (CuZn39Pb2),.

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

Należą do nich:

o Mosiądze cynowe - MC90 (CuZn10Sn), MC70 (CuZn28Sn1), MC62 (CuZn38Sn1),

o Mosiądze aluminiowe - MA77 (CuZn20Al2), MA59 (CuZn36Al3Ni2) i także odlewnicze MA58 (CuZn38Al3Mn2Fe1) i MA67 (CuZn38A13)

o Mosiądze manganowe - MM59 (CuZn40Mn), MM57 (CuZn40FeMnSnAl), MM56 (CuZn40Mn3Al) oraz odlewnicze MM47 (CuZn43Mn4Pb3Fe), MM55 (CuZn40Mn3Fe), MM58 (CuZn38Mc2Pb2),

o Mosiądz niklowy - MN65 (CuZn29Ni6).

o 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.

Stal

Stal - stop żelaza z węglem plastycznie obrobiony i plastycznie obrabialny o zawartości węgla nie przekraczającej 2,06%. Węgiel w stali najczęściej występuje w postaci perlitu płytkowego. Niekiedy jednak, szczególnie przy większych zawartościach węgla cementyt występuje w postaci kulkowej w otoczeniu ziaren ferrytu. Stal obok żelaza i węgla zawiera zwykle również inne składniki. Do pożądanych - składniki stopowe - zalicza się głównie metale (chrom, nikiel, mangan, wolfram, miedź, molibden, tytan). Pierwiastki takie jak tlen, azot, siarka oraz wtrącenia niemetaliczne, głównie tlenków siarki, fosforu, zwane są zanieczyszczeniami. Stal otrzymuje się z surówki w procesie świeżenia - stary proces, w nowoczesnych instalacjach hutniczych dominują piece konwertorowe, łukowe, próżniowe, pozwalające na uzyskanie najwyższej jakości stali. Stal dostarczana jest w postaci różnorodnych wyrobów hutniczych - wlewki, pręty okrągłe, kwadratowe, sześciokątne, rury okrągłe, profile zamknięte i otwarte (płaskowniki, kątowniki, ceowniki, teowniki, dwuteowniki), blachy. Im większa zawartość węgla, a w konsekwencji udział twardego i kruchego cementytu, tym większa twardość stali, węgiel w stalach niskostopowych wpływa na twardość poprzez wpływ na hartowność stali, im większa zawartość węgla tym dłuższy czas jest potrzebny do przemiany perlitycznej - co w konsekwencji prowadzi do przemiany bainitycznej i martenzytycznej. W stalach stopowych wpływ węgla na twardość jest również spowodowany tendencją niektórych metali, głównie chromu, do tworzenia związków z węglem - głównie węglików o bardzo wysokiej twardości.

Stal znalazła zastosowanie w różnych dziedzinach techniki. W budownictwie stanowi jeden kilku podstawowych materiałów konstrukcyjnych.

Najczęściej używane w tej dziedzinie gospodarki gatunki stali to stale niskostopowe i ogólnego przeznaczenia (nazywane także stalami niestopowymi).

Właściwości fizyczne stali

• gęstość ρ = 7850 kg/m3

• współczynnik liniowej rozszerzalności αT = 0,000012oC-1

• współczynnik przewodzenia ciepła λ = 58 W/mK

• współczynnik Poissona ν = 0,30

Właściwości mechaniczne i technologiczne stali

Są to parametry charakteryzujące przydatność stali w gospodarce. Ich wielkość uzależniona jest od składu stopu i obróbki. Podane poniżej wartości są charakterystyczne dla stali stosowanych w budownictwie.

• Wytrzymałość na rozciąganie określana wielkością naprężenia wywołanego w przekroju próbki przez siłę powodującą jej zerwanie. Badane są także inne parametry określające naprężenia w próbkach stali, takie jak wytrzymałość na ściskanie, zginanie, ścinanie i skręcenie. Podczas badania próbki stali na zerwanie określane są także:

o naprężenie rozrywające, czyli rzeczywista wartość naprężenia w miejscu przewężenia rozciąganej próbki bezpośrednio przed jej zerwaniem (jest to wartość siły powodującej zerwanie w odniesieniu do przekroju zerwanej próbki w jej najwęższym miejscu);

o wydłużenie względne, czyli procentowy przyrost długości zerwanej próbki w stosunku do jej początkowej długości,

o przewężenie względne, czyli procentowe zmniejszenie powierzchni przekroju poprzecznego zerwanej próbki w miejscu zerwania do jej przekroju pierwotnego.

• Sprężystość rozumiana jako zdolność materiału do odzyskiwania pierwotnej postaci po zaprzestaniu działania na niego sił powodujących odkształcenie. W zakresie naprężeń sprężystych obowiązuje prawo Hooke'a. Sprężystość materiału określa:

o współczynnik sprężystości podłużnej (moduł Younga) E, który dla stali ma wartość w granicach od 205 do 210 GPa (Gigapaskali)

o współczynnik sprężystości poprzecznej G (moduł Kirchhoffa), który dla stali ma wartość 80GPa

• Plastyczność, czyli zdolność materiału do zachowania postaci odkształconej na skutek naprężeń od obciążeń po zaprzestaniu ich działania. Są to odkształcenia trwałe, które powstają po przekroczeniu wartości tzw. granicy plastyczności, po przekroczeniu której następuje znaczny przyrost wydłużenia rozciąganej próbki, nawet bez wzrostu a często przy spadku wartości siły rozciągającej. Umownie przyjmuje się granicę plastyczności dla wartości naprężenia, przy którym trwałe wydłużenie próbki wynosi 0,2%.

• Ciągliwość - zdolność materiału pozwalająca na zachowanie jego właściwości podczas obróbki polegającej na jego tłoczeniu, zginaniu lub prostowaniu itp. Właściwość ta wykorzystywana jest podczas produkcji wyrobów (np. blach trapezowych, ościeżnic itp.). • Udarowość, czyli odporność na obciążenia dynamiczne.

• Twardość, czyli zdolność przeciwstawienia się materiału przy próbie wciskania przemiotów twardszych. Twardość stali związana jest z zawartością węgla, manganu, chromu itp.

• Spawalność, to cecha stali pozwalająca na wykonanie trwałych połączeń przez spawanie

• Odporność na działanie środowiska:

o odporność na działanie podwyższonych i niskich temperatur

o odporność na działanie czynników powodujących korozję chemiczną i atmosferyczną

Stal dzieli się:

• ze względu na zawartość węgla i strukturę wewnętrzną:

o stal podeutektoidalna

o stal eutektoidalna

o stal nadeutektoidalna

• ze względu na zastosowanie:

o stal konstrukcyjna

 ogólnego przeznaczenia

 niskostopowa

 wyższej jakości

 automatowa

 łożyskowa

 sprężynowa

 do azotowania

 do ulepszania cieplnego

o stal narzędziowa:

 węglowa

 stopowa:

 do pracy na zimno

 do pracy na gorąco

 szybkotnąca.

o stal specjalna

 nierdzewna

 kwasoodporna

 magnetyczna

 odporna na zużycie

 transformatorowa

 zaworowa

 żaroodporna

 żarowytrzymała

• ze względu na rodzaj i udział składników stopowych:

o stal węglowa

 niskowęglowa

 średniowęglowa

 wysokowęglowa

o stal stopowa

 niskostopowa

 wysokostopowa

• stale historyczne:

o stal damasceńska

STOPY METALI - ICH WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIE

Większość metali nie jest używana przez nas w postaci czystej, lecz jako stopy, których co najmniej jednym składnikiem jest metal. Dzieje się tak, ponieważ czyste metale rzadko mają właściwości dostosowane do potrzeb, a można je łatwo poprawić, stosując różnorakie dodatki.

Własności fizyczne metalu, takie na przykład jak wytrzymałość, twardość, temperatura topnienia czy przewodność elektryczna i cieplna, zależą od jego struktury krystalicznej. Ta zmienia się zaś, gdy dodajemy doń domieszki. Powstały w procesie mieszania stop ma strukturę różną od struktur swoich składników, różne są także jego własności fizyczne. Niektóre stopy zawierają substancje niemetaliczne, jak węgiel, krzem czy fosfor, lecz większość składa się wyłącznie z metali. Jednym z najbardziej popularnych stopów jest stal - stop żelaza i węgla. Stale stopowe natomiast są stopami stali z innymi pierwiastkami, przykładowo chromem, niklem, krzemem czy manganem. Zmieniają one strukturę stali tak, że możliwe jest poddawanie jej różnym procesom pozwalającym nadać jej pożądaną twardość, sprężystość i wytrzymałość.

Obecnie stale stopowe wytwarzane są w wielkiej różnorodności gatunków. Zmienia się nie tylko substancje dodawane do stali, ale także sposoby obróbki cieplnej, by uzyskać materiał o pożądanych własnościach. Stal manganowa zawiera na przykład około 1% węgla i 11 do 14% manganu. Używa się jej do wytwarzania elementów narażonych na wzmożone ścieranie, przykładowo zębów do łyżek koparek.

Typowa stal nierdzewna, znana jako 18-8, składa się z żelaza oraz 18% chromu, 8% niklu oraz 0,08% węgla. Inne odmiany stali nierdzewnej zawierają od 12 do 30% chromu, często wraz z mniejszymi ilościami innych metali, jak nikiel, molibden czy miedź. Stopy te są szeroko stosowane w przemyśle oraz w wyrobach codziennego użytku. Wykonuje się z nich łożyska kulkowe, instalacje w fabrykach chemicznych, łopatki turbin, zlewozmywaki i sztućce.

Kolejną grupę stanowią stopy na bazie miedzi, które obejmują brąz, mosiądz oraz stopy miedziowo-niklowe. Brąz jest najstarszym znanym stopem. Pierwotnie składał się z 75% miedzi oraz 25% cyny. Dzisiaj nazwa brąz odnosi się do szerokiej gamy stopów na bazie miedzi, zawierających różne dodatki, a niekiedy zupełnie nie zawierających cyny. Spośród najważniejszych odmian brązu należy wymienić fosforobrązy, wytwarzane przez dodanie do 0,5% fosforu do brązu o zawartości 85-90% miedzi. Przy zawartości fosforu nie większej niż 0,3% stop jest sprężysty i niemagnetyczny. Te własności decydują o jego szerokim zastosowaniu w przekaźnikach elektromagnetycznych. Styki wykonane z takiego stopu łatwo złączyć, a jako że nie ulegają namagnesowaniu, po ustaniu działania siły ściskającej łatwo się rozłączają, przerywając przepływ prądu w obwodzie. Gdy zawartość fosforu jest wyższa od 0,3% to stop staje się znacznie twardszy, wskutek powstawania w nim fosforku miedzi. Ta twarda forma fosforobrązu jest z kolei używana do wytwarzania łożysk w silnikach.

Brąz aluminiowy, czyli brązal, jest stopem miedzi i aluminium, często z niewielkim dodatkiem innych metali, na przykład niklu, żelaza lub manganu. Mimo że nazywany brązem, stop ten zwykle nie zawiera w ogóle cyny. Brązal jest tak wytrzymały, jak miękka stal i cechuje się doskonałą odpornością na korozję, w tym także na działanie rozcieńczonych kwasów. Wytwarza się zeń śruby okrętowe, elementy hydrauliki siłowej oraz elementy instalacji przemysłu chemicznego, jak kwasoodporne zbiorniki i pompy.

Następnym, dzisiaj często zastępowanym stopem jest mosiądz, czyli stop miedzi i cynku, łączonych ze sobą w różnych proporcjach. Do tego podstawowego składu dodaje się często inne metale, przykładowo cynę, ołów i aluminium. Dawniej instrumenty pomiarowe, wagi, odważniki i tym podobne wykonywano z mosiądzu, często lakierując powierzchnię w celu zapobiegania matowieniu. Dziś mosiądz został zastąpiony stalą nierdzewną i innymi stopami.

Ostatnimi, najmłodszymi stopami, są stopy aluminium. Ich wytwarzanie zaczęto w XX wieku. Nadające się do odlewania stopy aluminium zawierają do 15% krzemu oraz niewielkie dodatki metali, takich jak cynk, miedź, żelazo, nikiel i mangan. Z tych lekkich stopów odlewane są bloki cylindrów, inne elementy silników spalinowych, a także elementy kadłubów samolotów.

Stopy aluminium nadające się do kształtowania w trakcie takich procesów jak kucie, walcowanie lub ciągnięcie zawierają około 7% magnezu i około 1% manganu. Bardzo wytrzymałe stopy z tej grupy, używane w przemyśle lotniczym zawierają 5% cynku i mniejsze ilości miedzi, magnezu i manganu.

Jednym z najistotniejszych odkryć w metalurgii stopów aluminium było wynalezienie procesu utwardzania wydzieleniowego. Po raz pierwszy zwrócił nań uwagę niemiecki metalurg dr Alfred Wilm. W roku 1909 przeprowadza! on eksperymenty ze stopem aluminium zawierającym 3,5% miedzi oraz 0,5% magnezu. Próbował zwiększyć twardość stopu, poddając go różnym formom obróbki cieplnej, między innymi podgrzewając go w temperaturze około 500°C i zanurzając do wody w celu szybkiego ostudzenia.

Działania te nie dały efektów natychmiastowych, lecz kilka dni później dr Wilm stwierdził, że metal stał się dużo twardszy, mimo że nie poddawano go później żadnym procesom. Na wytłumaczenie tego zjawiska trzeba było trochę poczekać, lecz technologia produkcji w końcu została opracowana i będący jej owocem lekki i wytrzymały stop, znany jako duraluminium, został szybko zastosowany przy produkcji sterowców i samolotów. Dziś stopy tego rodzaju używane są również w przemyśle kosmicznym. Skład ich zmienia się, ale zwykle zawierają one, oprócz aluminium, 3,5-4,5% miedzi, po 0,4-0,7% magnezu i manganu oraz do 0,7% krzemu.

Naukowcy nieustannie badają różne tworzywa w poszukiwaniu nowych, i bardziej wytrzymałych materiałów. Dzisiejszy rozwój w przemyśle metalurgicznym doprowadził do powstania wielu pożytecznych tworzyw, których właściwości i zastosowanie wymieniłem wyżej. Dzięki takim odkryciom możliwy jest rozwój wielu innych dziedzin nauki i przemysłu, który, mam nadzieję, będzie rozwijał się w przyszłości i doprowadzi do poprawienia naszego komfortu życia.

---