STOPY MAGNEZU, CYNKU, CYNY, OŁOWIU l BERYLU

Stopy magnezu. Magnez jest pierwiastkiem metalicznym, krystalizującym w strukturze A3, o temperaturze topnienia T, = 650°C, mało plastycznym, o niewielkiej wytrzymałości. Charakteryzuje się dużym powinowactwem z tlenem (samozapłon w wyższej temperaturze) i azotem oraz małą odpornością na korozję. W postaci czystej znajduje zastoso­wanie w metalurgii jako odtleniacz, modyfikator i składnik stopowy oraz w pirotechnice.

W zależności od sposobu kształtowania wyrobów stopy magnezu dzielą się na odlewnicze i do przeróbki plastycznej. Stopy te przy małej gęstości charakteryzują się stosunkowo dobrą wytrzymałością na rozciąganie (R_m < 350 MPa).

Dodatkami stopowymi są najczęściej:

• aluminium 3-11% - do zawartości ok. 6% zwiększa wytrzyma­łość i wydłużenie A₅ (nawet do 100%), a następnie zmniejsza pla­styczność. Poprawia lejność, zmniejsza skurcz, ale wywołuje kruchość na gorąco. Stopy magnezu zawierające powyżej 6% aluminium umacnia się wydzieleniowo,

• cynk < 5,5% - poprawia wytrzymałość i plastyczność, ale tylko w obecności aluminium lub manganu ,

• mangan (< 2,5%) - zwiększa wytrzymałość i poprawia odporność na ko­rozję oraz umożliwia spawanie,

• krzem (< 0,2%) - poprawia właściwości odlewnicze (inne pogarsza),

• cer (< 1%) i cyrkon (<1%) - zwiększają właściwości mechaniczne, zwłaszcza w podwyższonej temperaturze,

• metale ziem rzadkich.

Zanieczyszczeniami w stopach magnezu są miedź, nikiel i żelazo.

Właściwości stopów odlewniczych bardzo silnie zależą od warun­ków odlewania, szczególnie od rodzaju formy (piaskowe, kokilowe, wtrysko­we). Mają dobre właściwości odlewnicze - dobrą lejność i mały skurcz odlewni­czy. Głównymi dodatkami w stopach odlewniczych są aluminium, cynk, mangan i krzem. Mikrododatki berylu (0,02%) i wapnia (0,2%) zmniejszają skłonność magnezu do utleniania się. Stopy z cyrkonem i metalami ziem rzad­kich mogą pracować w temperaturze do 300°C.Stopy odlewnicze poddaje się wyżarzaniu ujednorodniającemu, rekrystalizującemu oraz niekiedy umacnianiu wydzieleniowemu. Umacnianie wydzieleniowe stopów magnezu polega na przesycaniu i starzeniu. Jest możliwe dzięki obecności w stopie granicznych roztworów aluminium i cynku w magne­zie charakteryzujących się zmienną rozpuszczalnością w stanie stałym.

Zastosowanie znajdują również stopy magnezu do przeróbki plastycznej. Głównymi dodatkami stopowymi są w nich: mangan, aluminium, cyr­kon, neodym, tor i wapń. Stopy te są poddawane przeróbce plastycznej na gorą­co w temperaturze 250-450°C (kuciu, walcowaniu, wyciskaniu na gorąco) oraz rzadziej (ze względu na znaczny wzrost naprężeń) na zimno (walcowanie). Stopy magnezu przerabiane plastycznie można rekrystalizować oraz umacniać wydzieleniowo, ale powoduje to niewielkie zwiększenie właściwości mechanicznych oraz wy­maga długiego czasu starzenia. Stopy magnezu są stosowane w budowie samo­lotów, pojazdów mechanicznych, taboru kolejowego oraz w budowie maszyn dla przemysłu papierniczego, poligraficznego i drzewnego.

Stopy cynku. Cynk jest pierwiastkiem metalicznym, krystalizującym w strukturze A3, o temperaturze topnienia T, = 419°C i odpornym na korozję. Jako czysty metal jest wyko­rzystywany głównie do zabezpieczenia stali przed korozją, w elektrotechnice, poligrafii i produkcji opakowań.

Jako materiał konstrukcyjny częściej są stosowane stopy cynku ze względu na małe właściwości mechaniczne czystego metalu. W stopach cynku głównymi dodatkami stopowymi jest aluminium (dlatego stopy te są nazywane znalami) i miedź:

• aluminium (do 30%) - poprawia właściwości odlewnicze i wytrzymałość stopu na rozciąganie; rozpuszczając się w cynku, tworzy roztwór stały a i jest głównym składnikiem roztworu stałego,

• miedź (do 5%) - zwiększa wytrzymałość na rozciąganie, twardość i po­prawia odporność na korozję; w niewielkiej ilości (do 0,6%) rozpuszcza się w roztworach stałych oraz tworzy fazy międzymetaliczne .

Zanieczyszczeniami w stopach cynku są: ołów, żelazo, kadm, arsen, anty­mon, cyna.

Na mikrostrukturę i właściwości me­chaniczne stopów cynku duży wpływ ma szybkość krzepnięcia odlewów (ro­dzaje odlewów - piaskowe, kokilowe, ciśnieniowe). W mikrostrukturze stopów cynku zachodzą dość wolne (nawet do kilku lat) procesy rozpadu i przemiany występujących faz. Z procesem tym jest związana zmiana wymiarów wyrobów nawet do ok. 0,15%. W celu przyśpieszenia zmian wymiarów stosuje się starzenie wy­robów ze znali w temperaturze 95°C w suchym powietrzu przez 10 dni z chło­dzeniem z piecem do temperatury pokojowej.

Zarówno znale dwuskładnikowe (cynk-aluminium), jak i trzyskładnikowe (cynk-aluminium-miedź) są mało odporne na korozję, szczególnie międzykrystaliczną oraz w obecności zanieczyszczeń. W celu zabezpieczenia przed korozją wyroby ze stopów cynku poddaje się często niklowaniu, chromowaniu, fos­foranowaniu lub lakierowaniu. Znale obrabia się cieplnie poddając je wyżarzaniu ujednorodniającemu oraz odprężają­cemu. Mimo występowania zmiennej rozpuszczalności aluminium w cynku i cynku w aluminium umacnianie wydzieleniowe nie daje znaczącej poprawy właściwości wytrzymałościowych. Znale to głównie stopy odlewnicze stosowane do wyrobu korpusów, pokryw, armatury, matryc, gaźników, części maszyn do pisania, aparatury pomiarowej oraz dźwigni.

Na łożyska ślizgowe są stosowane stopy o większej zawartości dodatków stopowych wywołujących powstanie zróżnicowanej mikrostruktury składającej się z roztworu stałego, miękkiej, potrójnej eutektyki i twardych wydzieleń. Ich wadą jest konieczność dokładnego przygotowania powierzchni, możliwość pracy jedynie w nie korozyjnym środowisku do tempe­ratury 70°C i przy obciążeniach statycznych.

Do przeróbki plastycznej stosuje się te same stopy co do odlewania zawie­rające do 4% aluminium oraz niewielką- do 3,5% zawartość miedzi.

Stopy cyny i ołowiu. Cyna i ołów są metalami niskotopliwymi, plastycznymi, nie umacniającymi się przez gniot, odpornymi na korozję, posiadającymi pomijalnie małe właściwości wy­trzymałościowe. Cyna jest pierwiastkiem alotropowym:

• cyna szara - właściwości niemetaliczne,

• (cyna biała - właściwości metaliczne (temperatura topnienia T,= 231,9°C, gęstość p = 7,3 g/cm³).

Zanieczyszczeniami cyny są arsen, żelazo, miedź, ołów, bizmut, antymon. Czysta cyna znajduje zastosowanie do zabezpieczenia antykorozyjnego stopów żelaza, na opakowania spożywcze, w elektrotechnice oraz jako składnik stopów, głównie miedzi i lutów miękkich.

Ołów jest pierwiastkiem metalicznym, krystalizującym w strukturze Al, o temperaturze topnienia T,= 327,4°C. Zanieczyszcze­niami ołowiu są srebro, arsen, żelazo, bizmut, antymon. Ołów jest stosowany na osłony kabli elektrycznych (ołów twardy), inne zabezpieczenia przed korozją (szkodliwy dla zdrowia), osłony radiacyjne, uszczelki, podkładki, akumulatory, do budowy aparatury chemicznej, na śrut myśliwski oraz jako składnik stopowy w metalurgii. Biorąc pod uwagę zastosowanie, wyróżnia się następujące grupy stopów cyny i ołowiu:

• stopy łożyskowe (do wylewania panewek łożysk ślizgowych). Wymagane dobre właściwości cierne (mały współczynnik tarcia, odpor­ność na ścieranie, łatwe docieranie), dobre właściwości odlewnicze, do­bra przewodność cieplna, twardość, wytrzymałość statyczna i zmęcze­niowa w temperaturze do 80-100°C:

• babbity cynowe (Sn-Sb(7,5-ll,0%)-Cu(3-6%)), babbity ołowiowo -cynowe (Pb-Sn(5-15%)-Sb(5-15%)-Cu(3-6%) z ewentualnymi dodatkami do 2% kadmu, 1% arsenu, 1% niklu),

• Stopy B - ołowiowe (Pb-Na-Li-Ca (łącznie do 2%)).

• stopy specjalne:

• drukarskie Pb-Sb(ll-26%)-Sn(3-12%) wymagana dobra lejność, niska temperatura topnienia (240-330°C), niezmienność składu che­micznego podczas przetapiania,

• niskotopliwe Pb-Sn-Bi-Zn-Cd-Sb - temperatura topnienia < 230°C, zastosowanie: bezpieczniki termiczne, sprzęt lekarski i ortopedyczny, mierniki elektryczne, modele w odlewnictwie precyzyjnym,

• luty miękkie (T, < 400°C): Pb-Sn(3-90%)-Sb(l-6%). Służą do łączenia części z metali i stopów. Charakterystyczną ich cechą jest mała wy­trzymałość na rozciąganie i ścinanie. Jakość i zastosowanie poszcze­gólnych rodzajów lutów cynowoołowiowych zależy od zawartości cyny (aparatura medyczna, elektrotechnika i elektronika, budownic­two).

Stopy berylu. Beryl jest pierwiastkiem metalicznym, należy do lekkich metali ziem alkalicznych. Jest pierwiastkiem alotropowym temperatura przemiany 1250°C. Niskotemperaturowa faza a krystalizuje w układzie heksagonalnym o strukturze A3, wysokotemperaturowa krystalizuje w układzie regularnym o strukturze A2. Temperatura topnienia T, = 1778°C. Beryl jest mało plastyczny (tłoczonego na gorąco w próżni wydłużenie A₅ = 1-1,5%, wyciskanego na gorąco A₅ = 7-10%), na wytrzymałość R_m = 240-300 MPa przy tłoczeniu na gorąco w próżni i 500-700 MPa przy wyci­skaniu na gorąco, twardość 90-120 HB. Zastosowanie znajduje z powodu dużej wytrzymałości względnej i stosunkowo wysokiej temperatury topnienia. Wady berylu to duża toksyczność, małe właściwości plastyczne i duża anizotropia właściwości mechanicznych w półwyrobach obrabianych plastycznie. Utlenia się w wilgotnym powietrzu i ma małą odporność na działanie kwasów. Właści­wości mechaniczne berylu zależą od czystości, rozmiarów ziarna oraz tekstury. Zanieczyszczenia (oprócz tlenu, który zwiększa wytrzymałość i plastyczność) zmniejszają właściwości mechaniczne berylu, zwiększając jego kruchość. Czy­sty beryl jest stosowany do budowy lamp rentgenowskich i cyklotronów, w technice jądrowej oraz jako dodatek w stopach miedzi, niklu, aluminium i żelaza.

Otrzymywanie stopów berylu jest trudne ze względu na znikomo małą roz­puszczalność pierwiastków stopowych w berylu, którymi najczęściej są:

• miedź (4-5%) zwiększająca wytrzymałość przez zmniejszenie anizotropii właściwości me­chanicznych,

• aluminium (20-35%) zwiększające właściwości mechaniczne oraz właściwości technolo­giczne, z jednoczesnym zwiększeniem gęstości. Zastosowanie znalazły również stopy wieloskładnikowe na osnowie żelaza, zawierające beryl, nikiel, kobalt, molibden, wolfram, chrom i mangan zaliczane ze względu na właściwości do stopów berylu, np. FeBeO,6Ni20Crl5Mo7, FeBeO,lNil5Cr20Mo7Co4Mn2 na narzędzia chirurgiczne, igły do strzykawek, sprężyny, w przemyśle zegarmistrzowskim. Charakteryzują się dużą wytrzyma­łością i dobrą odpornością na korozję. Ponadto stopy berylu są zastosowane w przemyśle lotniczym, technice rakietowej, energetyce (części turbin gazo­wych pracujących do 400-500°C).

---