WYKŁAD 8

Stopy metali nieżelaznych

Metale nieżelazne posiadają ogromne znaczenie dla konstruktora, przede wszystkim jako osnowa dla wielu stopów o bardzo różnorodnych właściwościach fizycznych i chemicznych.

Metale nieżelazne a więc ich stopy można podzielić na dwie zasadnicze grupy: lekkie i ciężkie. Kryterium przynależności do danej grupy jest gęstość, której graniczną wartość ustalono na 4,5 Mg/m³. W grupie stopów lekkich, które zostaną omówione w niniejszym opracowaniu znajdują się: Mg, Al oraz Ti, zaś w grupie metali ciężkich: Cu, Ni, Co i Zn.

Metale lekkie i ich stopy

Metale lekkie i ich stopy posiadają znaczenie przede wszystkim dla przemysłu lotniczego a obecnie coraz częściej również tam, gdzie zmniejszenie masy konstrukcji umożliwia zmniejszenie zużycia energii. Przykładem może być przemysł samochodowy, w którym obserwuje się systematyczny wzrost zastosowania stopów Al. Jest on podyktowany nie tylko dążeniem do potanienia kosztów eksploatacji samochodu lecz także dbałością o środowisko. Podobnie ma się rzecz jeśli idzie o stopy Mg jak i Ti. Te ostatnie często nawet nazywa się stopami XXI wieku.

To co czyni stopy metali lekkich wyjątkowo atrakcyjnymi wynika z bardzo dobrych właściwości mechanicznych, których miarą są wskaźniki Eⁿ/ρ, gdzie n=1, ½ lub 1/3, oraz R_e/ρ, stanowiące kryterium doboru materiału pod kątem minimalizacji masy wyrobu. Właściwości mechaniczne lekkich stopów konstrukcyjnych w porównaniu do stali podaje tablica.

Właściwości mechaniczne konstrukcyjnych stopów metali lekkich

Rodzaje stopów	ρ [Mg/cm^3]	E [GPa]	Re [MPa]	E/ρ	E^1/2/ρ	E^1/3/ρ	Re/ρ
Stopy Al	2,7	71	25-600	26	3,1	1,5	9-220
Stopy Mg	1,7	45	70-270	25	4,0	2,1	41-160
Stopy Ti	4,5	120	170-1280	27	2,4	1,1	38-280
(Stale)	7,8	(210)	(220-1600)	27	1,8	0,75	28-200

Właściwości czystego aluminium

Aluminium jest jednym z dwóch metali najobficiej występujących w skorupie ziemskiej. Ze względu na złożoność i energochłonność procesu wytwarzania z rud jest metalem dość drogim. Najbardziej charakterystyczną cechą Al jest jego wszechstronność. Objawia się ona wieloma wyjątkowo cennymi właściwościami tak chemicznymi jak i fizycznymi, które co najważniejsze można zmieniać w bardzo szerokim zakresie stosując aluminium w postaci od superczystej do najbardziej skomplikowanych stopów.

Czyste Al charakteryzuje się małą gęstością wynoszącą ρ=2,7 Mg/m³ znaczną odpornością na utlenianie, niewielką opornością elektryczną i dobrą plastycznością. Jakkolwiek nie jest tak sztywne jak Fe (E_Fe ≈ 200 GPa przy E_Al ≈ 70 GPa), to jednak moduł sprężystości właściwy (E/ρ) jest praktycznie taki sam. Aluminium silnie utwardza się przez zgniot co stanowi zaletę lub wadę, zależnie od potrzeby.

Stopy aluminium

Stopy Al nie posiadają już tak dobrej odporności korozyjnej czy przewodności elektrycznej jak czyste Al, mają za to zdecydowanie lepsze właściwości mechaniczne, które można podwyższyć stosując umacnianie wydzieleniowe lub dyspersyjne.

Do najczęściej stosowanych dodatków stopowych należą: Cu, Si, Mg, Mn i Zn.

Pierwiastki te tworzą roztwory stałe ograniczone a niektóre z nich również fazy międzymetaliczne, np.: Al₂Cu (faza ) Mg₂Si (faza β) itp.

Stopy Al dzieli się na stopy przeznaczone do:

• obróbki plastycznej (oznaczone PA) - stopy jednofazowe (pomijając wtrącenia faz międzymetalicznych)

• stopy odlewnicze (oznaczone AK) - stopy wielofazowe ze strukturą mieszanin eutektycznych z wydzieleniami faz międzymetalicznych.

Inny podział, również szeroko stosowany, bazuje na składzie chemicznym. Jednym z najbardziej czytelnych jest klasyfikacja wedle systemu amerykańskiego, pokazana na rysunku.

Przykład klasyfikacji stopów Al według norm ASTM

Dla porównania w tablicy przedstawiono wybrane stopy Al i ich oznaczenia wg PN. Obok stopów pokazanych na schemacie normy amerykańskie obejmują czyste Al (>99,9% - seria 1xx,x) stopy Al z cyną (seria 8xx,x) i innymi pierwiastkami (seria 9xx,x).

Oznaczenia i skład chemiczny wybranych stopów Al do obróbki plastycznej

PN-79/H-88026		ASTM	SKŁAD CHEMICZNY
Gatunek	Oznaczenie		Si	Cu	Mg	Mn	Zn	Ti	Inne
AlCu4MgSi	PA6N	2014	0,5	4,4	0,4	0,8	-	-	-
AlCu4Mg1	PA7N	2024	0,3	4,5	1,5	0,6	-	0,1	-
AlMn1	PA1N	3003	0,3	0,2	-	1,2	-	-	-
AlMg3	PA11N	5052	0,3	-	2,5	-	-	-	0,3%Cr
AlMg1SiCu	PA10N	6061	0,6	0,25	1,0	-	-	-	0,2%Cr
AlZn6Mg2Cu2	PA9	7075	-	1,6	2,5	0,2	5,6	-	0,15%Cr

Stopy do obróbki plastycznej na zimno

Najpopularniejszymi grupami stopów aluminium są stopy aluminium - mangan Al-Mn (seria 3000) oraz Al-Mg-Mn (seria 5000).

Stopy te podlegają umacnianiu przez roztwór, które jest wyjątkowo skuteczne, szczególnie w przypadku znacznego przesycenia atomami Mg. Umożliwia to zarówno duża różnica promieni atomowych Mg i Al jak też znaczne zmniejszenie rozpuszczalności Mg w Al wraz z obniżeniem temperatury. O wyjątkowej skuteczności umacniania roztworowego w tych stopach przekonują wartości podane w tablicy.

Granica plastyczności stopów Al serii 5000 (Al-Mg)

Stop	Mg [% wag.]	Re [MPa]
5005	0,8	40
5050	1,5	55
5052	2,5	90 (przesycony)
5454	2,7	120 (przesycony)
5083	4,5	145 (przesycony)
5456	5,1	160 (przesycony)

Dodatkowe umocnienie zapewnia zgniot wywołany obróbką plastyczną. Efekt obróbki plastycznej stopów Al przedstawia tablica.

Stopy podwójne Al-Mn stosuje się na różnego rodzaju wsporniki, obudowy, do wyrobu ram okiennych, drzwiowych i w stolarce otworowej.

Granica plastyczności stopów Al do obróbki plastycznej na zimno

Stop	Re [MPa] w stanie wyżarzonym	Re [MPa] w stanie „półtwardym”	Re [MPa] w stanie „twardym”
1100	35	115	145
3005	65	140	185
5456	140	300	370

W stopach Al-Mn-Mg można uzyskać R_m nawet na poziomie 290 MPa, przy wydłużeniu A=8%. Powszechnym zastosowaniem tych stopów są popularne puszki do różnego rodzaju napojów, w których grubość ścianki bocznej wynosi 0,30mm. Wbrew pozorom, wyroby te należą do jednych z największych osiągnięć technologicznych.

Stopy aluminium umacniane wydzieleniowo

Niektóre stopu Al, obok umacniania przez zgniot, mogą podlegać umacnianiu wydzieleniowemu lub dyspersyjnemu, polegającemu na wytworzeniu w stopie dyspersyjnych wydzieleń, blokujących przemieszczanie się dyslokacji.

Do pierwiastków umożliwiających ten rodzaj umocnienia należą: Cu, Zn, Si oraz Mg.

Obróbka cieplna składa się z dwóch zabiegów: przesycania i starzenia.

Przesycanie - wyżarzanie stopu w podwyższonej temperaturze celem rozpuszczenia w Al odpowiednio dużej ilości pierwiastka stopowego.

Jeśli stop jest wolno chłodzony, nadmiar składnika stopowego wydziela się w postaci dużych cząstek, ulokowanych na granicach ziaren, które stanowią miejsca preferowane dla zarodkowania (rys. A). Nie zapewnia to umocnienia, ponieważ cząstki takie nie są w stanie skutecznie blokować ruchu dyslokacji.

Dlatego po wyżarzaniu „rozpuszczającym” (homogenizującym) następuje szybkie chłodzenie zatrzymujące nadmiar składnika stopowego w roztworze dzięki czemu uzyskuje się przesycony roztwór stały. Stop posiadający dużą nadwyżkę energii swobodnej, dąży do jej zmniejszenia co może dokonać się jedynie w drodze wydzielenia nadmiaru składnika przesycającego (rys. B).

Starzenie - zależnie od relacji między siłą napędową przemiany a barierą energetyczną procesu wydzielania, proces rozpadu przesyconego roztworu stałego może przebiegać:

• samorzutnie w temperaturze otoczenia (starzenie naturalne)

• w podwyższonej temperaturze (starzenie sztuczne).

O tym jak przebiega proces wydzielania, tj. czy bezpośrednio z tworzeniem faz równowagowych czy też poprzez tworzenie serii metastabilnych faz pośrednich, decyduje temperatura starzenia.

Starzenie w temperaturze podwyższonej pozwala na precyzyjne sterowanie procesem wydzielenia za pomocą czasu izotermicznego starzenia, dzięki czemu można uzyskać strukturę z drobnymi wydzieleniami, równomiernie rozłożonymi w całej objętości ziarna (rys. B).

Proces umacniania wydzieleniowego jest podstawową metodą umacniania stopów lekkich a także wielu innych stopów, wykazujących zmienną rozpuszczalność w stanie stałym malejącą wraz z obniżaniem temperatury.

Modelowym przykładem umacniania wydzieleniowego stopów metali jest proces wydzielania w stopach z układu Al-Cu.

Fragment układu równowagi fazowej stopu Al.-Cu

Etapy procesu rozpadu przesyconego roztworu stałego w kierunku tworzenia fazy stabilnej Al₂Cu przestawiono na rysunku (etapy rozpadu przesyconego roztworu stałego w stopie Al-Cu).

1. Proces rozpadu rozpoczyna się od powstania skupisk atomów Cu, które początkowo rozmyte, przybierają postać monoatomowych dysków zwanych strefami GP.

2. W miarę postępu starzenia część z nich ulega rozpuszczeniu a część rozrasta się tworząc wydzielenia metastabilnej fazy pośredniej θ”. Wydzielenia te posiadają odrębną sieć całkowicie koherentną z siecią roztworu α.

3. W dalszej kolejności wydzielenia fazy θ” są zastępowane przez wydzielenia fazy metastabilnej θ', które zarodkują na dyslokacjach. Utworzone wydzielenia są tylko częściowo sprzężone z osnową. Ich powstanie odpowiada największemu umocnieniu stopu (ang. peak hardness).

4. W ostatniej fazie procesów wydzieleniowych na granicach ziaren oraz na granicy rozdziału faza θ'/osnowa zarodkują cząstki równowagowej fazy θ (Al₂Cu), które są niekoherentne z osnową. Ten etap odpowiada przestarzeniu stopu co objawia się spadkiem właściwości wytrzymałościowych.

Schemat starzenia przesyconego roztworu stałego stopu AlCu₄: a) po przesyceniu, b) powstawanie stref Guinier-Prestona, c) tworzenie się koherentnych faz θ” i θ', d) wydzielenie fazy θ'

W temperaturze otoczenia zachodzą zwykle dwa pierwsze stadia starzenia, tzn. tworzenie stref GP i fazy θ”. Powstałe w temperaturze otoczenia strefy GP i fazy θ” są bardzo nietrwałe. Wystarczy stop krótko podgrzać do temperatury 200˚C, aby atomy miedzi z powrotem zajęły dowolne miejsca (tak jak było w roztworze przesyconym). Związane jest z tym zjawisko nawrotu (wzrost wytrzymałości w temperaturze otoczenia i ponowny spadek po 2-3 minutowym wygrzaniu w temperaturze 200˚C).

Etapy rozpadu przesyconego roztworu stałego w stopie Al-Cu

Wykres CTP dla stopu, np. Al-4%Cu, obok krzywych „C” dla wydzielania równowagowej fazy międzymetalicznej Al₂Cu = θ, naniesiono jeszcze krzywe „C” wydzielania, tzw stref Guinier'a-Prestona (GP) oraz faz metastabilnych θ” i θ'.

Wykres CTP dla wydzielania fazy równowagowej Al₂Cu z przesyconego roztworu stałego α = Al(Cu)

Jak bardzo skuteczne jest umacnianie wydzieleniowe pokazuje tablica

Granica plastyczności stopów Al umacnianych wydzieleniowo

Stop Oznaczenie wg ANSI	Skład chemiczny [% wagowe]	Re [MPa]
			Wolne chłodzenie	Przesycanie i starzenie
2000	Al + 4Cu + Mg, Si, Mn	130	465
6000	Al. + 0,5Mg, 0,5Si	85	210
7000	Al. + 6Zn + Mg, Cu	300	570

Stopy umacniane wydzieleniowo

Największe znaczenie mają stopy Al-Cu-Mg, znane pod nazwą durali (2-5% Cu i poniżej 2% Mg).

Zależnie od zawartości Cu stopy charakteryzują się:

• dużą plastycznością (< 3%Cu)

• wysoką wytrzymałością (> 4%Cu)

Stopy te są stosowane na silnie obciążone elementy konstrukcji w tym również samolotów i pojazdów (np. AlCu4Mg1).

Jedna z odmian durali zawierająca ok. 2,5%Cu, poniżej 2%Mg i dodatek Ni, znana pod nazwą stop RR, należy do żarowytrzymałych stopów Al, przeznaczonych do pracy w temperaturze poniżej 300˚C.

Innymi stopami umacnianymi wydzieleniowo są stopy z układu Al-Si-Mg oraz Al-Zn-Mg. Szczególnie ten ostatni odznacza się wyjątkowo wysokimi właściwościami wytrzymałościowymi dlatego jest stosowany na najsilniej obciążone elementy konstrukcji lotniczych oraz innych środków transportu.

Ich wadą jest mała odporność korozyjna a szczególnie duża skłonność do korozji naprężeniowej.

Stopy aluminium z litem (gęstość 0,53 Mg/m³) są wyjątkowo atrakcyjne dla przemysłu kosmicznego i lotniczego. Ich atrakcyjność polega na tym, iż wprowadzenie 1% Li zmniejsza gęstość stopu Al o ok. 3% zwiększając równocześnie sztywność (moduł Younga) o 6%! Ponadto lit wyjątkowo korzystnie wpływa na wytrzymałość zmęczeniową oraz wiązkość w niskiej temperaturze (-196˚C!).

Choć w Polsce wiedzą na temat tych stopów dysponują jak dotychczas tylko ośrodki naukowe, w innych krajach znajdują się one już w normach, np. 2090, 2091 czy 8090 zawierające w granicach 2-2,5%Li. Obok litu występuje zwykle Cu, Mg lub/i Zr (cyrkon). Dzięki możliwości umacniania wydzieleniowego wieloskładnikowe stopy aluminium z litem, po walcowaniu, osiągają R_m do 700MPa przy R_e dochodzącym do 670MPa!

Oddzielną grupę, o której należy pamiętać stanowią wysokowytrzymałe stopy Al otrzymywane metodą metalurgii proszków. Stwarza ona szansę lepszego wykorzystania potencjalnych możliwości stopów Al, niemożliwych do osiągnięcia innymi metodami. W szczególności metoda metalurgii proszków umożliwia uzyskanie wyjątkowej struktury, której podstawą jest fakt, iż produktem wyjściowym są drobne cząstki proszku. Cząstki te można otrzymywać przy zastosowaniu bardzo dużej szybkości chłodzenia, zasadniczo zwiększającej rozpuszczalność składników stopowych w Al. Druga możliwość polega na otrzymywaniu stopów przez mechaniczne stapianie (ang. mechanical alloying), polegające na wytwarzaniu stopu na drodze mieszania proszku o wielkości zairna 2-5μm. W obydwu wypadkach można otrzymać stopy o zawartości składników stopowych znacznie przekraczającej tę na układze równowagi i co bardzo ważne, równomiernie rozłożonych w całej objętości stopu. Dla ilustracji możliwości metody metalurgii proszków wystarczy przytoczyć, że stop Al-29,6Be-1,3Li wytworzony przez zagęszczenie proszku otrzymanego metodą szybkiego chłodzenia, przesycony i starzony do maksimum twardości osiąga R_e=497MPa, R_m=536MPa, A=2,6% i moduł Younga E=142GPa, przy gęstości ρ ok. 202Mg/m³!

Zastosowanie stopów Al-Li w konstrukcjach lotniczych

Stopy odlewnicze

Najważniejszą grupą odlewniczych stopów są stopy z układu Aluminium - Krzem Al-Si zwane potocznie siluminami, wśród których wyróżnia się siluminy podeutektyczne (4-10%Si), okołoeutektyczne (10-13%Si) i nadeutektyczne (17-30%Si).

Wykres równowagi fazowej stopów Al-Si

Wpływ podstawowego składnika jakim jest krzem na właściwości siluminów

Siluminy, szczególnie okołoeutektyczne, odznaczają się:

• doskonałymi właściwościami odlewniczymi - dobra lejność, mały skurcz odlewniczy i mała skłonność do pęknięć na gorąco (bardzo dobra lejność umożliwia otrzymanie elementów o bardzo skomplikowanych kształtach i cienkich ściankach).

• całkiem niezłymi właściwościami mechanicznymi, które można jeszcze znacznie zwiększyć na drodze umacniania wydzieleniowego o ile stop zawiera dodatek Mg lub Cu.

Wadą siluminów jest gruboiglasta eutektyka, a w siluminach nadeutektycznych duże iglaste wydzielenia krzemu pierwotnego, które znakomicie obniżają plastyczność stopów.

W celu rozdrobnienia eutektyki stosuje się tzw. modyfikację. Pod wpływem modyfikatora skład eutektyki ulega jak gdyby przesunięciu w prawo. Na skutek tego silumin w zasadzie nadeutektyczny staje się stopem podeutektycznym o strukturze kryształów α na tle drobnoziarnistej eutektyki (α + Si).

Obok tego przeprowadza się zabieg rozdrabniania dendrytów roztworu stałego α za pośrednictwem związków Ti (TiB, TiC).

Podstawowym celem modyfikacji siluminów nadeutektycznych jest zmiana kształtu wydzieleń krzemu pierwotnego, co realizuje się przez dodanie związków fosforu.

Fotomikrografia stopu AlSi9: a) bez modyfikacji, b) po modyfikacji; pow. 100x

Siluminy oznaczane są symbolem AK, po którym znajdują się cyfry wskazujące na średnią zawartość głównych dodatków stopowych, np. AK9 - AlSi9(Mg).

• Siluminy dwuskładnikowe stosuje się na odlewy o skomplikowanych kształtach, silnie obciążone elementy urządzeń elektrotechnicznych, silników i armatury okrętowej.

• W przypadku wyższych wymagań wytrzymałościowych stosuje się siluminy podeutektyczne o zawartości 4-11%Si z dodatkiem miedzi, manganu i magnezu. Magnez tworzy z krzemem związki Mg₂Si, co umożliwia obróbkę cieplną takiego siluminu na drodze utwardzania dyspersyjnego.

• Stopy umacniane wydzieleniowo wykorzystuje się na odlewy części konstrukcji latających oraz silników spalinowych.

Obok siluminów w grupie odlewniczych stopów Al znajdują się stopy Al-Cu (np. AlCu4 oznaczany symbolem AM), stosowane na odpowiedzialne odlewy dla przemysłu motoryzacyjnego i lotniczego. Innymi odlewniczymi stopami Al, najczęściej stosowanymi po siluminach, są stopy Al-Mg (hydronalium), zawierające do 10%Mg. Swoją popularność zawdzięczają wyjątkowej odporności na działanie wody morskiej.

Miedź i jej stopy

Miedź jest jednym z droższych i deficytowych metali. Posiada ona doskonałą przewodność elektryczną i cieplną. Ze względu na znaczną gęstość (8,9 Mg/m³) nie nadaje się na elementy konstrukcji, od których wymaga się dużej wytrzymałości właściwej. W stanie wyżarzonym, czysta miedź charakteryzuje się dużą plastycznością i nie najwyższą wytrzymałością. Wytrzymałość można podwyższyć przez zgniot lub wprowadzenie odpowiednich dodatków stopowych.

Stopy miedzi dzieli się na:

• brązy (miedź-cyna)

• mosiądze (miedź-cynk)

• miedzionikle (miedź-nikiel)

Brązy

Klasyczne brązy to stopy miedzi z cyną, którą jednak ze względu na jej deficyt i wysoką cenę, coraz częściej zastępuje się takimi pierwiastkami jak: Al oraz Si.

Brązy bezcynowe, a więc takie gdzie została ona w całości zastąpiona przez jeden z w/w pierwiastków, nazywamy brązami specjalnymi.

Brązy cynowe

Ilość Sn w brązach cynowych nie przkracza 20%Sn, a w przeznaczonych do obróbki plastycznej jest jeszcze mniejsza i wynosi do 8%. Zawartość cyny wynika z wpływu Sn na właściwości mechaniczne brązu cynowego.

Wpływ zawartości Sn na właściwości brązów cynowych

Ze względu na małą szybkość dyfuzji brązy cynowe są skłonne do silnej segregacji dendrytycznej. Celem jej usunięcia należy przeprowadzić długotrwałe wyżarzanie i obróbkę plastyczną.

Fotomikrografia brązu cynowego z zawartości 10%Sn po wytrawieniu amoniakiem: a) po odlaniu, b) po obróbce plastycznej, wyżarzaniu i zgniocie 50%; pow. 100x

Brązy cynowe stosuje się na elementy od których wymaga się dużej sprężystości i odporności na korozję. Brązy cynowe zawierają często dodatek Zn i Pb (zwykle poniżej 5%) zwiększające wytrzymałość i odporność na ścieranie a także skrawność. Na odlewy stosuje się głównie stop o zawartości 10%Sn (B10), z którego wykonuje się silnie obciążone, podlegające ścieraniu części maszyn. Dla poprawienia właściwości ślizgowych wprowadza się ok. 1%P. Brązy odlewnicze wieloskładnikowe, zawierające między innymi Zn i Pb, stosuje się na odporne na ścieranie elementy silników i osprzęt pojazdów (CuSn5Zn5Pb5).

Brązy aluminiowe

Brązy aluminiowe, tzw. brązale, zawierające do 11%Al. Brązy aluminiowe można ulepszać cieplnie a to dzięki przemianie martenzytycznej.

Właściwości mechaniczne brązów aluminiowych silnie zależą od zawartości Al i osiągają optimum przy 9-10% Al. W brązach zawierających dodatek Ni i Mn, efekt ulepszania cieplnego może być spotęgowany przez utwardzanie dyspersyjne.

Brązy aluminiowe charakterycują się dobrymi właściwościami ślizgowymi i znaczną odpornością na korozję, zwłaszcza na działanie wody morskiej. Dzięki temu, a także ze względu na dobrą odporność na kawitację brązale stosuje się w przemyśle okrętowym na odlewy śrub napędowych statków (CuAl10Fe3Ni4Mn2).

Brązy krzemowe i manganowe

W grupie brązów znajdują się jeszcze brązy krzemowe zawierające do 5%Si oraz manganowe. Przykładami pierwszych może być przerabiany plastycznie stop CuSi3Mn1 podlegający silnemu umocnieniu odkształceniowemu i odlewniczy stop CuSi3Zn3Mn, używany do wyrobu kół zębatych, części pomp oraz panewek łożysk pracujących w ośrodkach korodujących lub zapylonych. Ze względu na małą skłonność do iskrzenia, z brązów krzemowych wykonuje się również części dla przemysłu petrochemicznego i górnictwa.

Brązy berylowe

Jeszcze lepsze pod tym względem są brązy berylowe zawierające do 2,5%Be, które można umacniać wydzieleniowo oraz przez zgniot. Są one o tyle interesujące, że ich właściwości mechaniczne po umocnieniu wydzieleniowym i odkształceniowym są porównywalne z tymi dla stali.

Brązy berylowe stosuje się do wyrobu sprężyn amortyzatorów lotniczych, niemagnetycznych elementów aparatury precyzyjnej oraz na narzędzia do pracy w pomieszczeniach zagrożonych wybuchem.

Mosiądze

Mosiądze są stopami Cu-Zn, o zawartości cynku do 48%Zn. Właściwości mechaniczne mosiądzów zależą od zawartości cynku osiągając optimum dla ok. 30%Zn

Wpływ zawartości cynku na właściwości mechaniczne stopów Cu-Zn

Swą popularność mosiądze zawdzięczają:

• obniżeniu ceny, w stosunku do czystej miedzi, przez dodanie tańszego cynku,

• skutecznemu umocnieniu przy dobrym przewodnictwie cieplnym i elektrycznym,

• odporności na korozję w wielu ośrodkach,

• możliwości wytwarzania stopów Cu-Zn o szerokim wachlarzu właściwości, od bardzo plastycznych do odpornych na zużycie ścierne,

• możliwości modyfikacji mosiądzów przez dodanie innych składników stopowych, np. Mn, Ni, Pb i inne,

• niezłej lejności,

• możliwości wielokrotnego wykorzystania dzięki zapewnieniu atrakcyjnej ceny złomu, stymulującemu jego odzysk.

Mosiądze odznaczają się dobrą odpornością korozyjną, przy czym jest ona większa w stopach o budowie jednofazowej. Wadą mosiądzów o większej zawartości cynku jest skłonność do korozji naprężeniowej, zwanej pękaniem sezonowym. Nazwa wiąże się z pękaniem składowanych wyrobów w postaci prętów, rur itp.

Obecnie najczęściej stosuje się mosiądze wieloskładnikowe zawierające dodatek Pb, Sn, Mn, Ni, Fe, Al i innych, których celem jest zwiększenie właściwości mechanicznych mosiądzów (Mn, Ni) i odporności korozyjnej (Sn, Al).

Mosiądze do obróbki plastycznej

Posiadają budowę jednofazową i zależnie od zawarości cynku, a więc właściwości wytrzymałościowych są stosowane na łuski amunicji małokalibrowej (4%Zn), wężownice, membrany nanometrów (15-20%Zn), blachy do głębokiego tłoczenia (30-32%Zn) oraz elementy kute i prasowane na gorąco (40%Zn). Na elementy precyzyjne obrabiane metodami obróbki skrawaniem wykorzystuje się mosiądze ołowiowe (np. CuZn34Pb3), zaś mosiądze cynowe (< 1%Sn) do wyrobu części dla przemysłu motoryzacyjnego (CuZn38Sn). Z kolei mosiądze wieloskładnikowe, np. CuZn38Al12Mn2Fe, są stosowane na części w przemyśle okrętowym, motoryzacyjnym a także chemicznym.

Mosiądze odlewnicze

Mosiądze odlewnicze zawierają zwykle 38-40%Zn, są więc dwufazowe. Stopy te odlewa się zwykle w formach metalowych (kokilach), które zapewniają dużą szybkość chłodzenia a przez to odpowiednie rozdrobnienie struktury zapewniające dobre właściwości mechaniczne.

Odlewy wykonuje się na ogół z mosiądzów wieloskładnikowych, zawierających aluminium, mangan oraz żelazo. Pierwsze dwa (Al i Mn) podwyższają odporność na działanie wody morskiej i stosuje się je na odlewy dla przemysłu okrętowego (CuZn30Al13), w tym odlewy śrub okrętowych (CuZn50Mn3Fe). Ten ostatni wykorzystuje się również na duże odlewy słabo obciążone statycznie. Mosiądze wieloskładnikowe często zastępują znacznie droższe brązy cynowe.

Miedzionikle

Miedzionikle to stopy Cu-Ni, w których zawartość niklu może sięgać nawet 40%. Prócz niklu stopy te mogą zawierać do 1%Si i do 2%: Al, Fe, Mn. Miedzionikle można podzielić na dwie grupy; stopy odporne na korozję (np. CuNi30Mn1Fe) i stopy oporowe. Wszystkie miedzionikle wykazują dużą odporność na korozję, dobre właściwości mechaniczne (R_m=400-600 MPa, A₁₀=15-30%) a także znaczny właściwy opór elektryczny. Stopy są stosowane tylko po obróbce plastycznej w postaci blach, prętów lub drutów. Ze stopów tych wykonuje się części aparatury chemicznej, elementy dla przemysłu okrętowego, narzędzia medyczne, monety itp.

Stopy niklu

Właściwości niklu i kobaltu są zbliżone. Ich stopy odznaczają się bardzo dobrą odpornością na korozję i dużą wytrzymałością, w tym również w wysokiej temperaturze. Te właściwości wyznaczają ich zastosowanie tym bardziej, że obydwa pierwiastki są dość drogie.

Nikiel jest pierwiastkiem uniwersalnym, tworzącym roztwory nieograniczone (Ni-Cu) lub w szerokim zakresie rozpuszczalności (Ni-Fe, Ni-Cr). Posiada dobre właściwosci mechaniczne zarówno w temperaturze pokojowej jak i podwyższonej. Stopy mogą być umacniane przez roztwór (Co, Fe, Cr, Mo, W, V, Ti oraz Al) za pomocą węglików typu MC, M₆C, M₇C₃ oraz M₂₃C₆, wreszcie wydzieleniowo przez fazy międzymetaliczne γ', (Ni₃Ti).

Stopy niklu dzieli się na podstawowe grupy:

• konstrukcyjne,

• żaroodporne i żarowytrzymałe,

• o specjalnych właściwościach fizycznych i chemicznych

• oporowe

Konstrukcyjne - nikiel stopowy, czyli stopy niklu z niewielkimi dodatkami Si oraz Mn, których właściwości wynoszą odpowiednio R_m≈400 i 630MPa a A₁₀≈35 i 45%. Stosuje się je w przemyśle spożywczym, maszynowym, chemicznym i elektrotechnice.

Najbardziej znanymi i rozpowszechnionymi są tzw. monele, w których głównym dodatkiem stopowym jest Cu, który tworzy z Ni roztwór stały ciągły. Przedstawicielami tych stopów jest stop NiCu28Fe3Mn o wytrzymałości na rozciąganie R_m=500MPa oraz bardziej wytrzymały NiCu30Fe2Mn1 o R_m=650MPa Dodatek 3%Al zwiększa odporność korozyjną a także umożliwia umocnienie wydzieleniowe dzięki czemu stopy osiągają R_m=1100MPa, A₅=25% i twardość 320HB. Stopy typu monele stosuje się na narzędzia medyczne, zawory rozrządu, łopatki turbin gazowych, śruby okrętowe a także w przemyśle chemicznym, zwłaszcza produkującym włókna szklane.

Stopy żaroodporne i żarowytrzymałe, tzw. „nadstopy”, które mogą pracować pod obciążeniem w temperaturze 850˚C a nawet wyższej.

Wyróżnia się 3 rodzaje nadstopów, a mianowicie o osnowie:

• niklowej,

• żelazowej,

• kobaltowo-niklowej

Najważniejszą grupę stanowią jednak stopy żarowytrzymałe o osnowie Ni, zawierające ponad 10 pierwiastków stopowych, z których każdy został wprowadzony w ściśle określonym celu.

Pierwiastki te można pogrupować jako:

• umacniające przez tworzenie z Ni roztworu stałego: Co, Fe, Cr, V, Mo i W;

• umacniające wydzieleniowo przez tworzenie faz typu γ' - Ni₃Al, Ni₃Ti lub Ni₃(Ti, Al);

• tworzące węgliki typu: MC, M₆C, M₇C3 oraz M₂₆C₆: Cr, Mo, W, V, Nb, Ta i Ti;

• segregujące do granic ziaren: B, Mg i Zr;

• tworzące na powierzchni tlenki zabezpieczające przed utlenianiem: Cr i Al.

Krytycznym parametrem określającym zastosowanie w wysokiej temperaturze jest odporność na pełzanie, szczególnie w obszarze pełzania dyfuzyjnego, którego decydującym mechanizmem jest poślizg po granicach ziaren. Przeciwdziała się mu w dwojaki sposób: przez wytwarzania dyspersyjnych węglików, głównie M₂₆C₆, blokujących poślizg po granicach ziaren oraz dążenie do zwiększenia ziarna, wytwarzanie kryształów kolumnowych a nawet monokryształów. Najlepszym przykładem są łopatki turbin stosowane w silnikach odrzutowych. Żarowytrzymałe stopy Ni są drogie i dlatego podstawowym ich odbiorcą jest przemysł lotniczy i energetyczny.

Wartość wykładnika potęgi n zależy od charakteru pracy elementu konstrukcyjnego i zostanie opisana bliżej w dalszej części opracowania.

K - oznacza krzem.

1

14

---