Laboratorium Materiałoznawstwa
Wydział Transportu Politechniki Warszawskiej		Kamila Bałdyga	Ocena:
Rok akademicki 2005/2006	Grupa T1	Podgrupa A
Ćwiczenie nr 3 Temat: Badania mikroskopowe stali, żeliwa i metali kolorowych.
Data Wykonania Ćwiczenia 13 marca 2006 roku		Data Oddania Sprawozdania 21 marca 2006 roku

Wstęp

Do badań mikroskopowych wykorzystuje się mikroskopy: optyczne (o powiększeniu do 2500 razy), elektronowe (o powiększeniu do 100000 razy) i metalograficzne (o powiększeniu do 1200 razy). Badania te mają na celu określenie struktury badanego materiału, jego jednorodności, mikrostruktury, wielkości ziarna, wtrąceń niemetalicznych, mikropęknięć, itd.
Wyniki badań zależą od właściwego pobrania próbek. Próbka powinna być tak dobrana, aby charakteryzowała strukturę całego przedmiotu. Próbka taka nazywa się ZGŁADEM, bądź SZLIFEM. Używa się próbek ukośnych (do badania warstwy zahartowanej) i pierścieni (próbka zatopiona w innym materiale, o średnicy około 30 mm). Szlif należy wykonać bardzo ostrożnie, aby nie uszkodzić warstwy powierzchniowej (należy unikać odkształceń plastycznych).
Fazy przygotowania próbek:

• Wycięcie próbki (przy pomocy piły, palnika acetylenowego - w tym przypadku należy próbkę poddać frezowaniu).

• Szlifowanie (szlifierki mechaniczne).

• Polerowanie (elektrolityczne, rzadziej mechaniczne).

• Trawienie.

• Płukanie zgładu w wodzie destylowanej.

• Suszenie.

Ferryt uwidacznia się na ogół jako duże, jasne, o nieregularnych kształtach ziarna otoczone ciemnymi granicami.

Perlit widzimy w postaci drobnych, ciemnych pasemek rozłożonych w jaśniejszych polach ziaren.

W przypadku niżej opisanych ćwiczeń, wykorzystany został mikroskop metalograficzny.

1. CZĘŚĆ TEORETYCZNA

I STALE

STAL - jest obrabialnym plastycznie i cieplnie stopem żelaza z węglem (maksymalnie 2% C) i innymi pierwiastkami. Wszystkie stale dzielimy na stopowe i węglowe. Rozróżniamy gatunki stali, które łączymy w grupy gatunków. Gatunek stali określają: skład chemiczny oraz wymagane własności (mechaniczne, technologiczne, chemiczne i fizyczne). Łączenie poszczególnych stali w grupy przeprowadza się w zależności od składu chemicznego, podstawowego zastosowania, stopnia czystości i szczegółowego przeznaczenia.

Istnieją więc następujące grupy gatunków stali:

1. Według składu chemicznego:

a) stale węglowe, gdzie zawartość składników stopowych wynosi maksymalnie - manganu 0,8%, krzemu 0,4%, niklu 0,3%, chromu 0,3%, miedzi 0,2%, kobaltu 0,2%, glinu 0,1%, molibdenu 0,05%, tytanu 0,05%, wanadu 0,05%, a zawartość fosforu i siarki określają normy dla poszczególnych gatunków stali. Stale węglowe dzielimy na niskowęglowe do 0,25% C, średniowęglowe 0,25÷0,6% C i wysokowęglowe 0,6÷1,5% C;

b) stale stopowe, w których zawartość składników stopowych przekracza ilości podane dla stali węglowych.

2. Według podstawowego zastosowania:
a) konstrukcyjne;
b) narzędziowe;
c) o szczególnych właściwościach.

3. Według czystości określanej maksymalną zawartością fosforu i siarki:
a) zwykłej jakości;
b) wyższej jakości;
c) najwyższej jakości.

4. Według szczegółowego przeznaczenia. W poszczególnych grupach lub dla poszczególnych stali często dodaje się dodatkowe określenia dotyczące:
a) własności jak miękkie lub twarde magnetycznie, nierdzewne, kwasoodporne;
b) składników stopowych jak chromowe, molibdenowe, chromowo-niklowe i inne;
c) sposobu wytwarzania jak: konwertorowe, martenowski, elektryczne, kwaśne i zasadowe;
d) sposobu i stopnia odtlenienia jak: półuspokojone, uspokojone i nieuspokojone;
e) użytkowników jak: dla kolejnictwa, dla okrętownictwa, na nity, na druty i inne.

Rys. 1. Schemat klasyfikacyjny stali.

WPŁYW ZAWARTOŚCI WĘGLA NA WŁASNOŚCI STALI.

Węgiel jest najważniejszym składnikiem każdej stali. Jego zawartość w stali decydująco wpływa na jej własności. Węgiel w ilości do 1,5% nie ulega prawie likwidacji, sprzyja przegrzaniu stali oraz obniża temperaturę przegrzania. Wzrost węgla podwyższa wytrzymałość na rozciąganie i twardość oraz granicę plastyczności, obniża wydłużenie i przewężenie oraz udarność, obniża kujność, tłoczność, zgrzewalność i spawalność, obniża przewodnictwo cieplne, zwiększa pozostałości magnetyczne oraz zmniejsza przenikalność magnetyczną, natomiast podwyższa oporność elektryczną.

Rys. 2. Wpływ zawartości węgla na własności stali.

STALE WĘGLOWE KONSTRUKCYJNE.

Stale węglowe konstrukcyjne dzielą się pod względem jakości na trzy zasadnicze klasy:

• Stale zwykłej jakości (zawartość max P=0,05%, max S=0,055%);

• Stale wyższej jakości (zawartość max P=0,04%, max S=0,04%);

• Stale najwyższej jakości (zawartość max P=0,03%, max S=0,03%).

STALE WĘGLOWE KONSTRUKCYJNE ZWYKŁEJ JAKOŚCI.

Stosowane są na mało odpowiedzialne konstrukcje. Nie podlegają obróbce cieplnej.
Stale te, w zależności od wymaganych własności, dzielimy na trzy grupy:

• Grupa pierwsza podlega przy odbiorze tylko badaniom wytrzymałościowym (
  ,
  ,
  ) oraz próbie technologicznej gięcia. Znak tych stali składa się z liter i liczb, np. St3. Litery St powtarzają się we wszystkich stalach tej grupy i klasy, liczby oznaczają kolejny numer, który zmienia się w granicach 0÷7. Im większy numer, tym większa zawartość węgla oraz wytrzymałość stali. Jednak numer nie określa liczbowo zawartości węgla.

• Grupa druga to stale, które podczas odbioru technicznego sprawdzamy na skład chemiczny. Znak poszczególnych stali składa się z liter St , liczb oraz w niektórych przypadkach, na końcu znaku stawia się dodatkowe litery oznaczające: X - stal nieuspokojoną, Y - stal półuspokojoną.

• Grupa trzecia to stale, które podczas odbioru technicznego są badane na wytrzymałość oraz skład chemiczny. Znak tych stali stworzony jest według systemu dla poprzednich grup lub dla stali wyższej jakości albo wprowadzając na końcu oznaczenia dodatkowe litery, np. S - stale przeznaczone do spawania.

STALE WĘGLOWE KONSTRUKCYJNE WYŻSZEJ JAKOŚCI.

Stale te stosujemy na różne części maszynowe. Poddaje się je obróbce cieplnej, normalizowaniu albo zmiękczaniu. Podczas odbioru podlegają one próbom na badaniach własności mechanicznych i na badaniu składu chemicznego. Zawartość P i S nie może przekraczać 0,04%. Znak stali węglowej konstrukcyjnej wyższej jakości składa się z dwucyfrowej liczby określającej średnią zawartość węgla w setnych %. Na końcu znaku często dodaje się literę, która uzupełnia znak, np.:

G - stal uspokojona z zawartością krzemu 0,17÷0,34%, o podwyższonej zawartości manganu (0,7÷1%);
X - stal uspokojona z maksymalną zawartością krzemu do 0,07%;

Y - stal półuspokojona z zawartością krzemu 0,05÷0,17%;

U - stal uspokojona z zawartością krzemu 0,17÷0,37%, z wymaganą wysoką udarnością.

STALE WĘGLOWE NAJWYŻSZEJ JAKOŚCI.

Są to stale szczególnego przeznaczenia, np. na druty na liny. Stale najwyższej jakości oznaczamy jak stale węglowe wyższej jakości, dodając na końcu oznaczenia literą A.

STALE STOPOWE KONSTRUKCYJNE.

Dodatki stopowe zmieniają własności stali dopiero wtedy gdy przekraczają pewną granicę (tablica 1). Podział stali stopowych jest różny. Znak tego rodzaju stali najczęściej zawiera średnią zawartość węgla (w setnych %) oraz ważniejsze składniki stopowe z podaniem przybliżonej ich zawartości. Litery są symbolami głównych składników stopowych lub grup składników, a liczby określają w przybliżeniu procentową zawartość pierwiastka stopowego. W stalach tych obowiązuje symbolika:

G	mangan	F	wanad
S	krzem	W	wolfram
H	chrom	K	kobalt
N	nikiel	T	tytan
M	molibden	J	aluminium.

Litera A podana na końcu znaku oznacza podwyższoną jakość stali.

Maksymalna zawartość pierwiastków stopowych (%)
jako domieszek w stalach węglowych.

Pierwiastek	Mn	Si	Ni	Cr	W	Co	Cu	Mo	V	Ti	Al
Zawartość [%]	0,8	0,4	0,3	0,3	0,2	0,2	0,2	0,5	0,5	0,5	0,1

STALE STOPOWE KONSTRUKCYJNE DO ULEPSZANIA CIEPLNEGO.

Stale te Stosuje się tylko w stanie obrabianym cieplnie. Hartowanie ich odbywa się w temperaturach 830÷900°C, a odpuszczanie stosuje się tylko wysokie, to jest w temperaturach 500÷650°C. Do tej grupy zalicza się stale: krzemowo-manganowe, manganowe, chromowe, chromowo-molibdenowe.

STALE STOPOWE KONSTRUKCYJNE DO NAWĘGLANIA.

Podlegają one przy odbiorze badaniu składu chemicznego i własności mechanicznych. Do nawęglania nie stosujemy stali manganowych oraz stali z zawartością wolframu, krzemu i aluminium. Przy doborze materiału należy uwzględnić warunki pracy przyszłej części, twardość powierzchni oraz potrzebną wytrzymałość rdzenia.

STALE STOPOWE SPRĘŻYNOWE.

Poddajemy je obróbce cieplnej lub plastycznej. W grupie tej spotykamy stale węglowe i stopowe. Ze względu na szczególnie ciężkie warunki pracy (pracę zmęczeniową), stal należy poddawać obróbce cieplnej.

STALE KONSTRUKCYJNE SPECJALNEGO ZASTOSOWANIA.

Niektóre produkty wymagają szczególnych własności, dlatego produkuje się stale dopasowane do danych warunków pracy. Możemy wyróżnić np. stale: odporne na korozję, nierdzewne, kwasoodporne, żaroodporne. Znak tych stali składa się z liter i cyfr. Litery oznaczają pierwiastki stopowe, a cyfry stojące po literach wyrażają średnią zawartość pierwiastka wyrażoną w procentach. Gdy gatunki różnią się tylko zawartością węgla, wtedy przed pierwszą literą, która zawsze jest H, umieszczamy rozróżniającą cyfrę. Czasami dodaje się jeszcze litery mówiące o przeznaczeniu danej stali, np.:

P - dla hutnictwa.
A - automatowa.
R - na rury (drobnoziarnista).
N - na nity.
K - na blachy kotłowe.
D - na druty.
Z - zgrzewalna ogniowo i elektrycznie.
E - zgrzewalna elektrycznie.

STALE NARZĘDZIOWE.

Stale te są stosowane na przedmioty służące do bezpośredniego nadawania kształtów różnym przedmiotom i materiałom. Poddaje się je badaniom chemicznym, metalograficznym, wytrzymałościowym i technologicznym. Rozróżniamy stale narzędziowe węglowe i stopowe. Oznaczenie stali narzędziowych jest następujące:

1. Litera N na początku.

2. Liczba oznaczająca zawartość węgla w dziesiętnych %.

3. Na końcu litera oznaczająca:

E - płytka hartująca się.

H - głęboko hartująca się.

Z - zgrzewalna.

Oznaczenie stali narzędziowej stopowej:

1. na początku jest litera, która oznacza:

W - do pracy na gorąco.

N - do pracy na zimno.

S - stal szybko tnąca.

b) dalsze litery oznaczają ważniejsze składniki stopowe:

W - wolfram. V - wanad.
M - mangan. C - chrom.
N - nikiel. S - krzem.
K - kobalt. L - molibden.
Z - grupa pierwiastków Si-Cr-W.
P - grupa pierwiastków Cr-Ni-V.
c) cyfry odróżniają gatunki stali o takich samych składnikach stopowych.
d) w stalach szybko tnących liczba oznacza % składnika stopowego.

II ŻELIWA.

ŻELIWAMI nazywa się odlewnicze stopy żelaza z węglem, zawierające teoretycznie powyżej 2,06% C, a praktycznie - 2,5÷4,5% C. Poza tym żeliwa podobnie jak stale, zawsze zawierają pewne ilości krzemu, manganu, fosforu i siarki pochodzenia metalurgicznego. Takie żeliwa nazywa się zwykłymi lub żeliwami węglowymi. Oprócz tego istnieją żeliwa stopowe zawierające wprowadzane celowo składniki uszlachetniające jak: nikiel, chrom, aluminium, antymon, krzem w większych ilościach i inne. W przeciwieństwie do stali, większość żeliw odznacza się niską plastycznością. Węgiel w żeliwach może występować w dwóch postaciach, bądź w stanie wolnym jako grafit, bądź w postaci związanej - w cementycie. W zależności od tego rozróżnia się żeliwa szare, które niezależnie od struktury osnowy (ferrytycznej, perlitycznej lub ferrytyczno - perlitycznej) zawierają wydzielenia grafitu oraz żeliwa białe, w których węgiel występuje prawie wyłącznie w postaci cementytu. Nazwy ich związane są związane z kolorem ich przełomów. Niekiedy spotyka się żeliwa połowiczne, które miejscami mają budowę żeliw szarych, a miejscami - białych.
Struktura żeliw zależy zarówno od ich składu chemicznego, jak i szybkości krystalizacji metalu, co związane jest z grubością ścianek odlewu. Najbardziej istotny wpływ na strukturę żeliw wywiera zawartość węgla i krzemu, co ilustruje rys. 4. Na rysunku tym podano wykres Maurera, określający zależność struktury żeliw od zawartości węgla i krzemu. Wykres ten dotyczy odlewów wykonanych w suchych formach piaskowych przy założeniu, że grubość ścianek wynosi ok. 30 mm, a zawartość manganu jest stała i wynosi 0,5%.

Rys. 3. Wykres Maurera.

Na kolejnym rysunku 5 pokazany jest wykres Greinera - Klingensteina, określający strukturę żeliw w zależności od sumarycznej zawartości węgla i krzemu oraz od grubości ścianek odlewu piaskowego.

Rys. 4. Wykres Greinera - Klingensteina.

Krzem, którego zawartość w żeliwach waha się w przedziale 0,3÷5%, sprzyja tworzeniu się grafitu. Zmieniając zawartość krzemu można otrzymać różne rodzaje żeliw, całkowicie odmienne zarówno pod względem struktury jak i własności, od żeliwa białego do ferrytycznego szarego. Proces grafityzacji ułatwiają również takie pierwiastki jak miedź i nikiel. W przeciwieństwie do krzemu, mangan utrudnia proces grafityzacji, sprzyjając tworzeniu się cementytu. Podobnie działa siarka, której zawartość w żeliwach nie może przekraczać 0,08÷0,12% (w zależności od wielkości odlewów), ponieważ pogarsza ona własności odlewnicze i zwiększa kruchość. Poza tym do pierwiastków przeciwdziałających grafityzacji należą między innymi chrom, wolfram, molibden i wanad.
Ważnym pierwiastkiem występującym w żeliwach jest fosfor, który zwiększa ich rzadkopłynność, dzięki tworzeniu eutektyki fosforowej, nie oddziałując w wyraźnym stopniu na proces grafityzacji.

OZNAKOWANIE ŻELIW.

Oznakowanie żeliw jest podobne do oznakowania stali. Znak żeliwa składa się z liter Zl i liczb (100÷400), oznaczających wytrzymałość Rm (im większa wytrzymałość tym większa twardość). Przy żeliwach modyfikowanych do znaku dodaje się literę M (np. ZlM260). Jeśli chodzi o żeliwa sferoidalne, oznaczenie składa się z liter Zs i dwóch liczb, oznaczających doraźną wytrzymałość na rozrywanie - Rm i procentowe wydłużenie pięciokrotnej próbki
(np. Zs3817 - liczba 38 oznacza Rm = 380,liczba 17 oznacza wydłużenie próbki o 17%). Podobne oznaczenia stosuje się dla żeliw ciągliwych, z tymże oznacza się je literami Zc (np. Zc3010).

ŻELIWA SZARE.

W zwykłych żeliwach szarych grafit występuje w postaci nieregularnych płatków różnej wielkości, tworząc nieciągłości w osnowie metalicznej. Wytrzymałość grafitu w porównaniu z wytrzymałością tej osnowy można przyjąć za równą zeru. Żeliwo szare odznacza się niską wytrzymałością na rozciąganie i zginanie, przy dość dobrej wytrzymałości na ścinanie. Również wytrzymałość zmęczeniowa żeliw jest niewielka, ze względu na istnienie wspomnianych karbów strukturalnych. Z tego samego powodu, żeliwo jest mało wrażliwe na działanie sił powierzchniowych, wszelkiego rodzaju karbów konstrukcyjnych, itp.
Główną zaletą żeliwa szarego są przede wszystkim dobre własności odlewnicze, przejawiające się wysoką rzadkopłynnością, dobrym wypełnianiem form, małym skurczem odlewniczym (ok. 1%), itd. Inne zalety żeliwa szarego związane z obecnością wydzieleń grafitu, to dobre własności przeciwcierne i zdolność tłumienia drgań.
Grafit, będącym jednym z głównych składników strukturalnych żeliw szarych jest rozmieszczony w osnowie ferrytycznej, ferrytyczno - perlitycznej lub perlitycznej, przy czym ferryt jest tu nie tylko roztworem stałym węgla w żelazie
, lecz także roztworem krzemu oraz ewentualnie innych pierwiastków w żelazie
i dlatego nosi nazwę krzemoferrytu. Oczywiście perlit jest w przypadku żeliw mieszaniną krzemoferrytu i cementytu.
Inne rodzaje struktur osnowy mogą występować w niektórych żeliwach stopowych i żeliwach obrabianych cieplnie. Charakterystycznym składnikiem strukturalnym żeliw szarych jest potrójna eutektyka fosforowa. W temperaturze powstawania składa się ona z cementytu
, fosforku żelaza
i austenitu, w temperaturze pokojowej - z cementytu, fosforku żelaza oraz produktów przemiany eutektoidalnej austenitu (perlit, cementyt wtórny i trzeciorzędowy). Przy większej zawartości siarki w strukturze żeliw szarych uwidaczniają się również siarczki manganu w postaci lekko niebieskawych wieloboków. Żeliwa szare są znormalizowane, przy czym podstawą podziału na gatunki jest minimalna wytrzymałość na rozciąganie. Wytrzymałość ta wynosi zależnie od gatunku 100÷400 MPa, wytrzymałość na zginanie 250÷600 MPa, twardość HB - 159÷277. Niższe wartości wytrzymałości i twardości odpowiadają żeliwom o osnowie ferrytycznej, wyższe - żeliwom o osnowie perlitycznej. Dzięki dobrej obrabialności, dużej odporności na ścieranie, dobrym własnościom odlewniczym, zdolności tłumienia drgań oraz stałości wymiarów, żeliwo szare jest powszechnie stosowanym materiałem konstrukcyjnym w przemyśle maszynowym, kolejowym, samochodowym i innym (np.: na kadłuby maszyn, płyty fundamentowe, pierścienie tłokowe, bębny hamulcowe, tuleje cylindrowe, armaturę, itd.).

Rys. 5. Struktura żeliwa szarego.

Odmianą żeliwa szarego jest żeliwo modyfikowane, zawierające bardzo drobny grafit płatkowy. To rozdrobnienie grafitu uzyskuje się przez dodanie do żeliwa przed odlaniem tzw. modyfikatora, najczęściej w postaci sproszkowanego żelazokrzemu. Żeliwo modyfikowane ma wyższą wytrzymałość niż żeliwo zwykłe.

Rys. 6. Struktura żeliwa modyfikowanego.

ŻELIWA SFEROIDALNE.

Ponieważ wtrącenia grafitu w postaci płatków obniżają wydatnie wytrzymałość żeliwa, zaistniała konieczność takiej modyfikacji procesu odlewania, w wyniku której grafit wykrystalizowałby w postaci kulistych skupień. W takim przypadku działanie karbu jest już nieznaczne i żeliwo powinno mieć wytrzymałość zbliżoną do stali w postaci lanej, a ściśle mówiąc do staliwa. Doprowadziło to do wytworzenia nowego rodzaju żeliwa, zwanego ze względu na kulisty kształt wydzieleń grafitu - żeliwem sferoidalnym. Żeliwo sferoidalne otrzymuje się w wyniku procesu modyfikacji, który polega na wprowadzeniu do metalu - bezpośrednio przed jego odlaniem - niewielkiego dodatku magnezu (w stopie z niklem lub miedzią). Struktura osnowy żeliw sferoidalnych podobnie jak struktura osnowy zwykłych żeliw szarych, może być ferrytyczna, ferrytyczno - perlityczna lub perlityczna.
Żeliwa sferoidalne są znormalizowane. Oznaczenie poszczególnych gatunków składa się z liter oraz liczby określającej minimalną wytrzymałość na rozciąganie i minimalne wydłużenie
. Norma podaje osiem gatunków żeliw o wytrzymałości na rozciąganie 370÷880 MPa, granicy plastyczności 245÷530 MPa, wydłużeniu 17÷2% i twardości HB 140÷300. Wyższa wytrzymałość i twardość odpowiada perlitycznej strukturze osnowy, wyższa plastyczność strukturze ferrytycznej. Żeliwo sferoidalne zastępuje z powodzeniem nie tylko staliwo, lecz również niektóre odkuwki stalowe. Wytwarza się z niego takie części silników samochodowych jak wały wykorbione, wałki rozrządcze, cylindry i pierścienie tłokowe. W budowie obrabiarek żeliwo sferoidalne wykorzystuje się na koła zębate, wrzeciona, korpusy, itd. W przypadku elementów o skomplikowanych kształtach zastąpienie procesu kucia znacznie prostszym procesem odlewania ma duże znaczenie ekonomiczne, gdyż w masowej lub wielkoseryjnej produkcji umożliwia znaczne obniżenie kosztów robocizny.

Rys. 7. Struktura żeliwa sferoidalnego.

ŻELIWA BIAŁE.

Żeliwa białe ze względu na zawartość węgla dzielą się na żeliwa podeutektyczne, eutektyczne i nadeutektyczne. Struktura żeliw podeutektycznych (o zawartości węgla poniżej 4,3%), zgodnie z układem równowagi
, składa się w temperaturze 1147°C z austenitu i ledeburytu. W miarę obniżania temperatury z austenitu wydziela się cementyt wtórny. W temperaturze 723°C następuje przemiana austenitu w perlit, a ledeburytu w ledeburyt przemieniony. Przy dalszym ochładzaniu stopu do temperatury pokojowej, w miarę zmniejszania rozpuszczalności węgla w żelazie
, wydziela się cementyt trzeciorzędowy (w bardzo małej ilości). W rezultacie, w temperaturze pokojowej struktura żeliwa białego podeutektycznego składa się z perlitu, cementytu i ledeburytu przemienionego.
Struktura żeliwa eutektycznego (zawierającego 4,3% C), w temperaturze 1147°C składa się z ledeburytu, a w temperaturze pokojowej z ledeburytu przemienionego.
Struktura żeliw białych nadeutektycznych (zawierających ponad 4,3% C), składa się w temperaturze 1147°C z ledeburytu i cementytu pierwszorzędowego (pierwotnego), krystalizującego w postaci grubych igieł. W temperaturze pokojowej z ledeburytu przemienionego i cementytu pierwotnego. Żeliwa białe, jako materiał konstrukcyjny, nie mają prawie bezpośredniego zastosowania technicznego, natomiast powierzchniowa warstwa żeliwa białego na żeliwie szarym, powstająca przez tzw. zabielenie (tj. szybkie lokalne ochłodzenie odlewu) jest często stosowana w celu zwiększania odporności materiału na ścieranie. Taką twardą warstwę w żeliwie otrzymuje się umieszczając w formie tzw. ochładzalniki, czyli odpowiednie wkładki metaliczne szybko odprowadzające ciepło. Zabielenie żeliwa szarego stosuje się czasem w przypadku mniej odpowiedzialnych prowadnic korpusów maszyn, bieżników kół wagoników roboczych, itp.
Żeliwo białe jest materiałem wyjściowym przy wytwarzaniu przedmiotów z żeliwa ciągliwego.

ŻELIWA CIĄGLIWE.

Żeliwa ciągliwe charakteryzują się stosunkowo dobrą plastycznością, uzyskiwane są przez poddanie żeliw białych odpowiednim zabiegom cieplnym. Taki uplastycznione żeliwo wykorzystuje się do produkcji wielu drobnych części wytwarzanych masowo, jak: kształtki armatury wodnej, części maszyn, klucze, itp., od których wymaga się pewnej ciągliwości i udarności. Najczęściej wytwarzanie żeliwa ciągliwego polega na odpowiednio długotrwałym (rzędu kilkudziesięciu godzin) wyżarzaniu w atmosferze obojętnej, w temperaturze 950÷1000°C przedmiotów odlanych z żeliwa białego. W czasie tego wyżarzania cementyt zawarty w żeliwie rozpada się, a wydzielający się z niego węgiel w postaci grafitu tworzy skupienia, zwane węglem żarzenia. Struktura żeliwa w temperaturze wyżarzania składa się więc z austenitu i węgla żarzenia. Kolejnym zabiegiem jest bardzo wolne chłodzenie, warunkujące zachodzenie przemian fazowych zgodnie ze stabilnym układem równowagi
(z austenitu zamiast cementytu wydziela się grafit).W efekcie, w temperaturze pokojowej otrzymuje się żeliwo, którego struktura składa się ze skupień grafitu (węgla żarzenia), rozmieszczonych w ferrytycznej osnowie. Niekiedy poniżej temperatury odpowiadającej linii PSK na wykresie żelazo - węgiel stosuje się chłodzenie szybsze. Wówczas w strukturze zachowuje się część cementytu ( w perlicie) powstaje żeliwo ciągliwe o osnowie ferrytyczno - perlitycznej lub perlitycznej . Żeliwo o osnowie ferrytycznej lub ferrytyczno- perlitycznej ma przełom ciemny (duża ilość wydzieleń granitu ) i nosi nazwę żeliwa ciągliwego czarnego .Żeliwo o osnowie perlitycznej ma przełom srebrzysty i nosi nazwę żeliwa ciągliwego perlitycznego. W procesie produkcji żeliwa ciągliwego bardzo ważnym czynnikiem jest uzyskanie w odlewie żeliwa całkowicie białego, ponieważ częściowa grafityzacja podczas krzepnięcia i utworzenie się w żeliwie płatków grafitu, zakłóca zachodzące w czasie wytwarzania grafityzującego powstawanie zwartych skupień grafitu. W związku z tym zawartość pierwiastków wchodzących w skład żeliwa ciągliwego musi umieścić się w stosunkowo wąskich granicach. Zazwyczaj skład chemiczny żeliwa ciągliwego jest następujący: 2,4÷2,8% węgla,0,8÷1,4% krzemu, do 1,0%manganu, do 0,1% siarki i do 0,2% fosforu. Oprócz opisanej wyżej metody otrzymywania żeliwa ciągliwego, istnieje jeszcze druga metoda, polegająca na wyżarzaniu żeliwa białego w środowisku utleniającym, np. w rudzie żelaza. Podczas takiego wyżarzania znaczna część węgla zawartego w żeliwie utlenia się, a w warstwie powierzchniowej grubości 1,5÷2 mm zachodzi zupełne odwęglenie. Przy ochładzaniu, zazwyczaj nie wygrzewa się żeliwa w temperaturach poniżej temperatury odpowiadającej linii PSK, w wyniku czego w metalicznej osnowie rdzenia zachowuje się znaczna ilość perlitu. Przy powierzchni odlewu żeliwo to wykazuje matowobiałą barwę przełomu (ferryt) przechodzącą łagodnie w srebrzystą bliżej środka ścianki odlewu (perlit) i nosi nazwę żeliwa ciągliwego białego. Żeliwo ciągliwe odznacza się dobrą skrawalnością, dużą odpornością na działanie dymu i kwaśnej wody kopalnianej. Wykonuje się z niego odlewy o dużej wytrzymałości, dobrej plastyczności, obrabialności i odporności na uderzenia, gdyż łączy w sobie dobre własności odlewnicze żeliwa z dobrymi własnościami mechanicznymi staliwa. Jest szeroko stosowane w przemyśle maszyn rolniczych, samochodowym, obrabiarkowym, elektrotechnicznym, w kolejnictwie itp.

Rys. 8. Struktura żeliwa ciągliwego.

ŻELIWA STOPOWE.

Żeliwami stopowymi nazywa się żeliwa zawierające dodatkowo wprowadzone pierwiastki takie jak: nikiel, chrom, molibden, aluminium, tytan, wanad, miedź, antymon lub zwiększone ilości krzemu i manganu. W związku z tym noszą one nazwy odpowiednio żeliw niklowych, chromowych, molibdenowych, itd. Zawartości składników stopowych w poszczególnych gatunkach żeliw wahają się w bardzo szerokich granicach, toteż ich własności i zastosowanie są bardzo różne.

Znormalizowane są następujące rodzaje żeliw:

1. niklowe - 50 gatunków.

2. chromowe - 24 gatunki.

3. molibdenowe - 14 gatunków.

4. aluminiowe - 12 gatunków.

5. tytanowe - 3 gatunki.

6. wanadowe - 1 gatunek.

7. miedziowe - 10 gatunków.

8. antymonowe - 3 gatunki.

9. manganowe - 14 gatunków.

10. krzemowe - 10 gatunków.

Żeliwa niklowe zawierają: 0,3÷36% Ni, 1,7÷3,9% C, 0,5÷7% Si, 0,4÷8% Mn oraz fosfor i siarkę. Niektóre gatunki zawierają ponadto chrom, miedź, molibden, wanad i tytan. W zależności od składu chemicznego żeliwa niklowe charakteryzują się dobrą odpornością na ścieranie i erozję, szczelnością i jednorodnością odlewów, dobrą wytrzymałością w temperaturze otoczenia i temperaturach podwyższonych, dobrą odpornością na korozję i gwałtowne zmiany temperatury, wysoką opornością elektryczną i niską przenikalnością magnetyczną.
Żeliwa chromowe zawierają: 0,1÷36% Cr, 0,5÷3,85% C, do 3,8% Si, do 2% Mn oraz fosfor i siarkę, w niektórych przypadkach ponadto aluminium, miedź, molibden, nikiel, tytan, wanad i wolfram. Poszczególne gatunki charakteryzują się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi, dobrą żaroodpornością i ognioodpornością, wysoką odpornością na ścieranie i erozję, dobrą odpornością na korozję gazową oraz korozyjne działanie solanek i wody morskiej, a także wielu zasad, kwasów i soli.

Żeliwa molibdenowe zawierają: 0,15÷1,40% Mo, 2,9÷3,9% C, 0,9÷2,8% Si, 0,3÷1,6% Mn, siarkę, fosfor oraz niekiedy miedź, chrom, wanad i tytan. Cechuje je dobra wytrzymałość w różnych temperaturach, odporność na ścieranie oraz działanie wody słonej i słodkiej.
Żeliwa aluminiowe zawierają: 5÷31% Al., 1÷3% C, do 6% Si oraz mangan, fosfor i siarkę, a niekiedy dodatkowo chrom. Charakteryzują się dobrą ognioodpornością i żaroodpornością na działanie ośrodków gazowych zawierających tlen lub związki tlenowe, związków węgla i siarki w różnych temperaturach oraz stężonych nieorganicznych kwasów utleniających. Cechuje je trudna obrabialność.

Żeliwa tytanowe zawierają: 0,08÷0,20% Ti, 2,9÷3,7% C, 1,3÷2,8% Si, 0,5÷0,9% Mn, do 0,16% V, do 0,35% P i siarkę. Wykazują dobre własności mechaniczne, dobrą obrabialność. Odlewy są ścisłe i jednorodne.

Żeliwo wanadowe zawiera: 0,1÷0,25% V, 3,4÷3,75% C, 2,4÷3,1% Si, 0,5÷0,8% S. Wykazuje bardzo wysoką odporność na ścieranie, jest więc stosowane na pierścienie tłokowe w silnikach samochodowych, maszynach parowych oraz na odlewy tłoków do silników wysokoprężnych.
Żeliwa miedziowe zwierają: 0,3÷2% Cu, 2,8÷3,8% C, 1,1÷2,5% Si, 0,4÷1,2% Mn, siarkę, fosfor oraz niekiedy dodatkowo chrom, nikiel, tytan i magnez. Charakteryzują się dobrą wytrzymałością, odpornością na ścieranie oraz korozję w produktach destylacji ropy naftowej. Stosowane są na odlewy części obrabiarek, części silników samochodowych, armaturę i części aparatury w rafineriach ropy naftowej, itd.

Żeliwa antymonowe zawierają: 0,08÷0,6% Sb, 3,1÷3,6% C oraz krzem, mangan, fosfor i siarkę. Stosowane są przede wszystkim na odlewy o podwyższonej odporności na ścieranie.
Żeliwa krzemowe zawierają: 4,5÷18% Si, 0,3÷3,3% C oraz mangan, siarkę i fosfor, a niekiedy także chrom, aluminium i molibden. Charakteryzują się dobrymi własnościami ognio-żaroodpornymi do temperatury 750°C oraz wysoką odpornością na działanie wielu kwasów i roztworów zasad i soli. Są bardzo trudno obrabialne (niektóre gatunki tylko przez szlifowanie).
Żeliwa manganowe zawierają: 7÷17% Mn, 2,8÷3,9% C, 0,5÷5% Si, do 0,6% P, siarkę oraz niekiedy dodatkowo aluminium, miedź i nikiel. W zależności od składu chemicznego, cechuje je niemagnetyczność, odporność na ścieranie i działanie utleniających ośrodków gazowych, a także stężonego kwasu siarkowego oraz ługów. Przy wyższych zawartościach manganu żeliwo jest nieobrabialne.

III METALE KOLOROWE.

Żelazo i jego stopy nie mogą spełnić wszystkich wymagań, jakie stawia współczesna technika i gospodarka materiałami. W urządzeniach elektrycznych wymagane są materiały o bardzo dużym przewodnictwie elektrycznym, w budowie maszyn potrzebne są materiały o małym współczynniku tarcia lub zapewniające mały ciężar konstrukcji albo o wysokiej żaroodporności. Powszechne zastosowanie znalazły stopy: aluminium, miedzi, manganu, niklu, kobaltu, cyny, cynku i ostatnio zwłaszcza metale i stopy o wysokiej temperaturze topnienia, jak wolfram, tytan, wanad, molibden, cyrkon i inne. Stopy metali nieżelaznych są na ogół droższe od stopów żelaza. Dlatego stosujemy je tylko w przypadkach koniecznych mając na uwadze ich własności.

Metale kolorowe i ich stopy oznaczamy podając symbol chemiczny i liczbę całkowitą, wyrażającą procentową zawartość składników podstawowych. Składnik zasadniczy, którego jest najwięcej, umieszczany jest na początku bez podania liczby określającej jego zawartość procentową. Dla przykładu oznaczenie CuZn40Pb1 jest znakiem stopu zawierającego 59% miedzi, 40% cynku oraz 1% ołowiu. Podobnie metale nieżelazne opisujemy znakiem składającym się z symbolu chemicznego i liczby wyrażającej najmniejszą zawartość procentową danego pierwiastka w metalu. Dla przykładu Cu 99,9 oznacza metal zawierający 99,9% czystej miedzi. Oprócz tego metale kolorowe i ich stopy oznaczamy za pomocą cechy, która jest tworzona w różny sposób.

ALUMINIUM I JEGO STOPY.

Aluminium otrzymuje się za pomocą metod elektrometalurgicznych, a oczyszczanie jego przeprowadza się również tymi samymi metodami. W przemysłowej produkcji rozróżnia się aluminium hutnicze i rafinowane. Aluminium jest trzy razy lżejsze od miedzi. Zarówno czyste aluminium, jak i jego stopy, pomimo dużej podatności do reakcji chemicznych, znalazły zastosowanie przemysłowe jako materiały odporne na korozję. Jest to spowodowane samorzutnym powstawaniem w krótkim czasie cienkiej, lecz szczelnie i silnie przylegającej do materiału oraz nierozpuszczalnej w wodzie, warstewki tlenku glinu, która jest doskonałą powłoką zabezpieczającą przed korozją. Wielkie zastosowanie aluminium wynika z jego małego ciężaru właściwego, dużej plastyczności i odporności na korozję mimo małej wytrzymałości, którą można zwiększyć za pomocą przeróbki plastycznej lub stosując jego stopy. Głównymi składnikami stopów aluminium są: miedź, krzem, magnez, cynk, i mangan. Mniej ważnymi dodatkami stopowymi: nikiel, żelazo, chrom, kobalt i tytan a w specjalnych przypadkach (nowe stopy łożyskowe) stosuje się jeszcze ołów i cynę. Wyżej wymienione pierwiastki tworzą z aluminium twarde i kruche fazy międzymetaliczne, ponadto powstają jeszcze gazy utworzone z samych dodatków stopowych. Miedź obniża skurcz odlewów, a Mg i Mn podwyższają własności mechaniczne i zwiększają odporność na korozję, szczególnie na działanie wody morskiej.

Do najważniejszych stopów aluminium zaliczamy:

• Durale - stopy do przeróbki plastycznej aluminium z manganem, miedzią i innymi pierwiastkami, np.: na konstrukcje lotnicze.

• Siluminy - stopy odlewnicze aluminium z krzemem. Posiadają bardzo dobrą lejność, mały skurcz odlewniczy, małą skłonność do pęknięć na gorąco oraz mały współczynnik rozszerzalności liniowej. Są odporne na korozję.

Modyfikacja siluminu i jej znaczenie.

Zawartość głównego składnika w stopach odlewniczych aluminium może dochodzić nawet do 30%. Odlewy stopów aluminiowych w kokili mają nieco wyższe własności mechaniczne niż odlewy w piasku. Stop aluminium z krzemem o zawartości 11,7% Si krzepnie jako stop eutektyczny, posiada bardzo dobre własności odlewnicze oraz dobrą wytrzymałość. Stopy te zwykle modyfikujemy za pomocą dodania małej ilości sodu lub soli sodowych. Skład eutektyki przesuwa się do 13% Si a temperatura eutektyki obniża się do 564°C i otrzymujemy strukturę drobnoziarnistą oraz dobre własności wytrzymałościowe. Stopy Al - Si o składzie zbliżonym do eutektyki nazywamy siluminami.

Obróbka cieplna stopów Al-Cu (na przykładzie DURALU).

W temperaturze pokojowej w Al rozpuszcza się ok. 0,5 % Cu. W temperaturze eutektycznej 548°C rozpuszczalność Cu w aluminium jest największa i wynosi 5,7%. Stop do zawartości 5,7 % Cu można nagrzać a następnie wygrzać oraz odpowiednio wystudzić, aby wtórne kryształy związku CuAl
rozpuściły się i przeszły do roztworu α. Ostudzony roztwór nosi nazwę roztworu przesyconego. Otrzymaliśmy układ niezgodny z wykresem równowagi Al-Cu. W takim przesyconym roztworze zachodzą zmiany w kierunku zgodności z układem równowagi, co powoduje wydzielanie fazy CuAl
i zatrzymanie w roztworze tylko 0,5 % Cu.

Rys. 9. Część układu Al-Cu.

Obróbka cieplna stopów miedzi z aluminium polega na zabiegach:

• Przesycanie - polega na zatrzymaniu rozpuszczonego składnika w roztworze stałym przesyconym(temperatura 548°C, 5,7% Cu rozpuszczone w α) i w tym celu stosujemy szybkie chłodzenie; w układzie przesyconym w wyjściowym stadium jest 5,7 % Cu w α (temperatura pokojowa), zaczynają się procesy wydzieleniowe, które ten nietrwały układ starają się doprowadzić do zgodności z wykresem równowagi.

Rys. 10. Wpływ temperatury przesycania na własności mechaniczne duraluminium.

Starzenie - powoduje znaczne zmiany własności stopu po przesyceniu. Przy starzeniu samorzutnym w temperaturze ok. 20°C stop uzyskuje wysoką wytrzymałość po upływie 3÷5 dni a maksymalną po 7 dniach.

Rys. 11. Wpływ temperatury i czasu starzenia na wytrzymałość na rozciąganie duraluminium po przesyceniu w wodzie od temperatury 600°C.

Podwyższenie temperatury starzenia przyspiesza czas uzyskania lepszych własności wytrzymałościowych, lecz własności te są nieco niższe niż w przypadku starzenia samorzutnego. Stan stopu osiągnięty w wyniku starzenia nie jest trwały i podgrzanie stopu do temperatury ok. 230°C powoduje po kilku minutach zanik wytrzymałości (odpowiadający granicy wyżarzania stopu). Po okresie 7dni stop poprzez starzenie samorzutnie nabywa ponownie wysokiej wytrzymałości (wytrzymałość uzyskana w wyniku starzenia samorzutnego jest ok. dwa razy większa od wytrzymałości dla stanu wyżarzonego). Zjawisko to może się powtarzać kilka razy i nosi nazwę nawrotu.

Zmiany zachodzące w strukturze podczas starzenia samorzutnego:

1. W początkowym okresie starzenia atomy miedzi będące w roztworze stałym przesyconym, rozmieszczone przypadkowo, zaczynają się skupiać w określonych miejscach sieci krystalicznej. W wyniku tego wewnątrz kryształu pojawiają się strefy o zwiększonej zawartości składnika rozpuszczanego (miedzi) zwane strefami GP (Guiniera-Prostona), atomy miedzi nie wydzieliły się jeszcze z roztworu jednak zmiana ich położenia w roztworze powoduje znaczne naprężenia własne w krysztale w wyniku czego wzrasta twardość stopu. Strefy GP to cienkie płytkowe układy atomów o grubości kilkudziesięciu warstw atomowych. Im wyższa temperatura starzenia tym grubsze i większe płytki.

2. Drugie stadium odbywa się w temperaturze 150÷200°C; zawartość Cu w strefach GP odpowiada związkowi CuAl
   i powstaje nowa faza tzw. faza teta θ (Wasermana). Powstała faza posiada odrębną sieć krystaliczną sprzężoną z siecią macierzystą roztworu. Dalsze podwyższanie temperatury powoduje tylko koagulację CuAl
   .

3. Trzecie stadium - po wygrzaniu w temperaturze 200°C lub wyższej, sieć krystaliczna fazy teta odrywa się od sieci macierzystej roztworu nasyconego i przekształca się w odrębną sieć związku CuAl
   . Maksymalne umocnienie stopu odpowiada jednak stadium początkowym: pierwszemu i drugiemu. Przy niskich temperaturach zachodzi tylko pierwsze stadium ze względu na małą ruchliwość atomu, natomiast przy intensywnym nagrzewaniu występuje drugie i trzecie stadium, bez pierwszego.

MIEDŹ.

Najpopularniejszym metalem kolorowym jest miedź, która ze względu na bardzo wysoką przewodność elektryczną i cieplną znalazła szerokie zastosowanie w elektrotechnice i elektryce. Ma ona budowę krystaliczną o układzie regularnym płaskocentrycznym. Jest ona materiałem o dobrej plastyczności. Daje się łatwo spawać, lutować i zgrzewać. Łatwo poddaje się obróbce plastycznej na zimno i na gorąco. Silnie na nią oddziałują: chlor, chlorek żelaza, amonu, siarkowodór, acetylen, chlorek wapnia, a także aluminium. Otrzymywana jest za pomocą procesów ogniowych stosowanych w pirometalurgii. Jednak taka miedź jest silnie zanieczyszczona i z tego powodu podaje się ją rafinacji ogniowej lub elektrolitycznej. Miedź elektrolityczną czasami rafinuje się dodatkowo w próżni. W wilgotnym powietrzu pokrywa się ona warstwą (patyny), która jest zasadowym węglanem miedzi -
, chroniącym miedź przed dalszą korozją. W ten sposób miedź jest stosunkowo odporna na korozję atmosferyczną.

Choroba wodorowa miedzi.

Miedź techniczna jest w pewnym stopniu utleniana i bardzo szybko traci swe zdolności plastyczne, jeżeli jest poddana działaniu podwyższonych temperatur i wodoru, ponieważ do metalu dyfunduje wodór i szczególnie w podwyższonych temperaturach zachodzi reakcja:

.

Para wodna nie dyfunduje i nie może wydostać się na zewnątrz. Ciśnienie pary może powstać bardzo duże i wtedy powstają mikropęknięcia materiału. Opisane wyżej zjawisko nosi nazwę choroby wodorowej miedzi. Miedź utleniona nie nadaje się do dalszej przeróbki plastycznej.

Rys. 12. Wpływ składników stopowych na elektryczną przewodność (właściwą) miedzi.

Wpływ zanieczyszczeń na własności miedzi:

• Tlen - obniża wytrzymałość na rozciąganie, podwyższa przewodność do zawartości 0,12%, przy wyższych zawartościach natomiast obniża podobnie jak zgniot.

• Ołów - obniżą plastyczność, nie rozpuszcza się w miedzi lecz wydziela się na granicach ziaren, miedź staje się krucha na gorąco już przy zawartości 0,190.

• Antymon - obniża własności plastyczne, jest bardzo szkodliwy i z tego powodu nawet w najgorszym gatunku miedzi jego zawartość nie powinna przekraczać 0,2%.

• Arsen - również szkodliwy, mało podnosi wytrzymałość na rozciąganie, obniża własności plastyczne powyżej 0,5%, zwiększa kruchość na gorąco, a powyżej 1% również na zimno, dopuszcza się zawartość arsenu w miedzi do 0,2%.

• Żelazo - podnosi wytrzymałoś, temperaturę rekrystalizacji i udarność, obniża bardzo wydatnie wydłużenie.

• Fosfor - jest najbardziej popularnym odtleniaczem miedzi, pozostałości w ilości większej niż 0,03÷0,1% są niewskazane, ponieważ powodują kruchość.

• Bizmut - wydziela się na granicy ziarna (nie rozpuszcza się w stałej miedzi), powoduje kruchość na gorąco już przy zawartości 0,01% a na zimno przy 0,05%, jest bardzo trudny do usunięcia, dopuszczalna jego zawartość wynosi 0,005%.

• Siarka - tworzy Cu
  S, obniża wytrzymałość na rozerwanie i inne własności wytrzymałościowe, dostaje się przeważnie z gazów spalinowych i do zawartości 0,1% nie jest szkodliwa.

• Nikiel, srebro i złoto są domieszkami, które rozpuszczają się w miedzi i nie są szkodliwe.

Miedź produkujemy i oznaczamy w trzech rodzajach (M0 - beztlenowa, zanieczyszczeń nie więcej niż 0,05%; M1 - zanieczyszczeń nie więcej niż 0,1%; M2, M3, M4 - do ogólnych zastosowań) i dziesięciu gatunkach o zawartości 99,97÷99% czystej miedzi.

Poza tym produkuje się tzw. miedź stopową, w której zawartość głównego składnika stopowego nie przekracza 2%. Ze względu na małą wytrzymałość (można ją umocnić tylko za pomocą zgniotu) miedź jest stosowana najczęściej do produkcji stopów.

Gatunki miedzi.

Rodzaj miedzi	Gatunek miedzi		Cu min. %	Główne zastosowania
		Znak			Cecha
Beztlenowa	Cu 99,97 B	MOOB	99,97	elektronika, radiotechnika
Beztlenowa	Cu 99,95 B	MOB	99,95	przewody elektrotechniczne i elementy o specjalnych własnościach
Katodowa	Cu 99,95 K	MOK	99,95	podstawowy produkt o wysokiej czystości, przeznaczony na miedź przewodową i specjalną
Katodowa przetopiona	Cu 99,9 E	MIE	99,9	przewody elektrotechniczne
Rafinowana ogniowa	Cu 99,96	MIG	99,9	niektóre wyroby elektrotechniczne i półwyroby o wysokiej czystości
Rafinowana ogniowa	Cu 99,7G	M2G	99,7	półprodukty dla ogólnych celów; gatunki M2R i M3R na elementy spawane
Odtleniona	Cu 99,7R	M2R	99,7
Rafinowana ogniowo	Cu 99,56	M36	99,5	-
Odtleniona	Cu 99,5R	M3R	99,5	odlewy kształtowe z miedzi i stopów miedzi
Odlewnicza	Cu 99	M4	99,5

MOSIĄDZE - STOPY MIEDZI Z CYNKIEM.

Jednym z najważniejszych układów podwójnych miedzi są jej stopy z cynkiem, które noszą nazwę mosiądzów.

Składnikami struktur w poniższym układzie są:

• Faza α - roztwór stały cynku w miedzi. Rozpuszczalność cynku do 39% do temperaturze 453° jest stała, a w temperaturze 905° maleje do 32%. Obszar α jest obszarem największego zastosowania technicznego.

• Faza β - roztwór stały na osnowie związku międzymetalicznego CuZn o wiązaniu elektronowym

• Faza β′ - roztwór stały miedzi w związku CuZn (uporządkowany).

• Faza γ - roztwór stały miedzi w związku Cu
  Zn
  , o sieci sześciennej zwartej, graniczna temperatura uporządkowania do 270°C.

• Faza γ′ - roztwór stały miedzi w związku Cu
  Zn
  (uporządkowany).

Techniczne zastosowanie mają mosiądze z zakresu α i α+β nie przekraczające 45% cynku. Mosiądze wykazują dużą podatność do obróbki plastycznej. Zakres maksymalnej plastyczności jest w obszarze 15÷30% cynku.

Mosiądze o zawartości cynku 32÷40% są mniej plastyczne, możliwe jest jeszcze walcowanie. W zakresie α+β przeróbka plastyczna powinna się odbywać na gorąco w temp. 780÷820°C. Następnie zalecane jest wyżarzanie rekrystalizujące (700÷770°C).

KOROZJA MOSIĄDZÓW.

Sezonowe pękanie mosiądzu:

Mosiądze w pewnych szczególnych środowiskach korozyjnych, zdolnych do wywołania ataków lokalnych i rozpuszczania produktów korozji, ulegają korozyjnemu pękaniu naprężeniowemu. Zjawisko to, tzw. pękanie sezonowe, zachodzi w wyrobach mosiężnych, które przeszły obróbkę plastyczną, ale nie zostały poddane wyżarzaniu odprężającemu lub podczas pracy były narażone na naprężenia. Pod wpływem działania naprężeń wewnętrznych i atmosfery szczególnie zawierającej amoniak (wydzielający się z np. mas plastycznych), po niedługim czasie następują mikropęknięcia (głównie granicy ziaren). Aby tego uniknąć wyroby po przeróbce plastycznej należy poddać wyżarzaniu odprężającemu w temperaturze 250°C. Najbardziej podatne na zjawisko są mosiądze z zakresu α+β, ponieważ faza β jest bardziej elektroujemna niż α i ona ulega korozji. Najczęściej temu zjawisku podlegają rurki mosiężne, łuski karabinowe, itp. Podatność mosiądzów do sezonowego pękania można określić za pomocą próby amoniakalnej, wykrywającej w stopach miedzi obecność naprężeń mogących spowodować pękanie na skutek korozji naprężeniowej.

Odcynkowanie:

Ma miejsce, gdy mosiądz narażony jest na działanie chloru lub elektrolitu i polega na przejściu miedzi i cynku do roztworu ciekłego, z którego wytrąca się częściowo miedź w postaci gąbczastej. Uważa się, że proces odcynkowania zachodzi w ogniwach lokalnych, w których cynk rozpuszcza się na anodach, zaś proces katodowy polega na depolaryzacji rozpuszczonego tlenu. Przyjmuje się, że miedź tworzy ruchliwe atomy dyfundujące na powierzchnię metalu i osadzając się na niej przypomina miedź elektrolityczną. Wytrącanie miedzi wzmago proces korozji nie uwidaczniając jej na zewnątrz. Odcynkowanie nie zmienia kształtu przedmiotu, ale bardzo obniża wytrzymałość. Odcynkowaniu ulegają zarówno mosiądze jednofazowe (zawierające ponad 20% Zn), jak i dwufazowe. Jeśli proces odcynkowania ma charakter miejscowy, to jego efektem są wżery. Wprowadzenie kilku setnych procenta arsenu, antymonu lub fosforu zapobiega odcynkowaniu mosiądzów
.

BRĄZY.

Stopy miedzi z innymi pierwiastkami niż cynk, nazywamy brązami. Należą do nich przede wszystkim układy Cu-n, Cu-Al, Cu-Si, Cu-Mn, Cu-Ni, Cu-Pb, Cu-Be.

W większości przypadków brązy zawierają dalsze składniki stopowe jak: Zn, Sn, Pb, Ni, P, Si, Mn, Al., Fe. Jednym z najstarszych i najbardziej rozpowszechnionym brązem jest układ podwójny miedź - cyna, nazywamy go brązem cynowym. Praktyczne zastosowanie znalazły stopy o zawartości cyny 3÷32%, przy czym stopy do przeróbki plastycznej stosuje się o zawartości cyny 3÷10%, a na odlewy stosujemy składy 10÷32% cyny. W strukturze stopów miedzi z cyną w postaci odlewanej istnieją dosyć duże odstępstwa od stanu równowagi wynikającej z wykresu. Brązy posiadają bardzo dobre własności odlewnicze, skurcz poniżej 1%. Dla porównania skurcz dla mosiądzu i żeliwa - 1,5%, a dla stali - 2%.

Struktura brązów cynowych zależy od następujących czynników:

• składu chemicznego,

• warunków topnienia i odlewania,

• warunków krzepnięcia i chłodzenia,

• obróbki cieplnej

• rodzaju przeróbki plastycznej.

Odlewy wykazują na ogół strukturę dendrytyczną i wymagają ujednorodnienia.

W praktyce najczęściej spotykamy brązy wieloskładnikowe. W tych przypadkach nazwy tworzymy od głównych składników na przykład brąz cynowo-ołowiowy. Dodatek ołowiu zwiększa odporność na ścieranie polepsza lejność brązu, pogarsza własności wytrzymałościowe. Składniki szkodliwe w brązach: antymon, arsen, kadm, magnez, krzem, selen, tellur, bizmut. Fosfor wprowadzony do brązu cynowego 0,02÷0,05% działa odtleniająco. Natomiast w celu polepszenia własności na ścieranie wprowadza się go ok. 0,5%. Większe zawartości fosforu powodują kruchość. Dodatki Fe i Ni wpływają na rozdrobienie struktury. Oprócz brązu cynowego występują także brązy: cynowo fosforowe, aluminiowe (zwane dawniej brązalami) i niklowe. Obróbka cieplna brązów jest różna w zależności od ich rodzajów. Brązy cynowe, cynowo-cynkowe, ołowiowe i niektóre bezcynowe są obrabiane cieplnie, podobnie jak mosiądze. Natomiast brązy krzemowoniklowe, niklowomanganowo - krzemowe i berylowe, poza obróbką cieplną taką samą jak dla mosiądzów, mogą być utwardzane dyspersyjne (przesycanie i następujące po nim starzenie stopu).

2. CZEŚĆ PRAKTYCZNA. OPIS WYKONYWANYCH ĆWICZEŃ I WICH WYNIKI.

Ćwiczenia wykonywane były w warunkach laboratoryjnych przy użyciu mikroskopu metalograficznego. Ćwiczenie polegało na rozpoznaniu uprzednio przygotowanych próbek. Otrzymaną próbkę należało dokładnie umieścić na mikroskopie i za pomącą okularu mikroskopu bądź za pomocą komputera rozpoznać próbkę. Z każdą próbką należało obchodzić się ostrożnie z uwagi na możliwość zarysowania lub ubrudzenia próbki co w rezultacie mogło się przyczynić do błędnego jej rozpoznania. Każdą rozpoznaną próbkę należało opisać na uprzednio przygotowanej do tego karcie. W opisie musiało się znajdować:

• Numer rozpoznawanej ,

• Rysunek opisanej ,

• Nazwa rozpoznanej,

• Skład chemiczny,

• Opis struktury

• I czym została wytrawiona.

Rezultat wykonanych ćwiczeń:

Próbka Pierwsza

Nr	2.5
Nazwa	45 Stal wyżarzona pow. 300 PN/H 45 wg PN/H 84019
Skład chemiczny	C- 0,47%; Mn- 0,62%; Si- 0,21%; P- 0,031%; S- 0,036%; Cr- 0,24%; Ni- 0,022%.
Opis struktury	Jasne ziarna ferrytu i ciemne perlitu.
Trawienie	Odczynnikiem „Nital” o składzie: 4 ml kwasu azotowego HNO3/14l 96 ml alkoholu etylowego C2H5OH

Próbka Druga

Nr	1.6
Nazwa	Żeliwo sferoidalne perlityczne ZsP 50 wg PN/H 83123
Skład chemiczny	C- 2,60%; Si- 2,26%; Mn- 0,62%; P- 0,11%; S- 0,002%; Cr- 0,08%; Mg- 0,07%.
Opis struktury	Grafit kulkowy w otoczce ferrytu na tle perylitu
Trawienie	Odczynnikiem „Nital” o składzie: 4 ml kwasu azotowego HNO3/14l 96 ml alkoholu etylowego C2H5OH

Próbka Trzecia

Nr	6.3
Nazwa	Elektron M15 znak Mgat82nnMn wg PN/H 88050
Skład chemiczny	Al.- 8,2%; Zn- 2,1%; Mn- 2,6%; Mg- reszta
Opis struktury	Faza międzymetryczna Ag4Al8 na tle roztworu stałego granicznego na bazie magnezu.
Trawienie	5g kwasu cytrynowego COOH CH2C/OH/COOH CH2 CO 95 ml wody destylowanej

XXI

---