Laboratorium z metaloznawstwa

Ćw. nr 6	Mikroskopowe badania stopów metali nieżelaznych.	Ocena:
Zespół nr 6	Żmudzki Andrzej	Uwagi:
24.02.99	MiIM II rok KMPM

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

2. Wstęp teoretyczny.

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

Zestawienie własności miedzi i aluminium:

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

Miedź.

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

Aluminium.

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

Stopy:

Miedzi

Aluminium

Mosiądze

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

Stopy odlewnicze

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

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

Podeutektyczne(4 - 10% Si)

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

Eutektyczne (10 - 13% Si)

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

Do przeróbki plastycznej

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

Do przeróbki plastycznej na zimno (do 30% Zn)

Nadeutektyczne (17 - 30% Si)

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

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

Stopy Al-Cu

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

Do przeróbki na gorąco (41 - 45% Zn)

Odlewnicze

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

Brązy

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

Stopy do przeróbki plastycznej

Stopy nie obrabiane cieplnie

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

Brązy cynowe

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

Do przeróbki plastycznej (do 10% Sn)

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

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

Odlewnicze (powyżej 10% Sn)

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

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

Stopy obrabiane cieplnie

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

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

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

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

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

Łożyskowe

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

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

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

Stopy na osnowie cyny lub ołowiu

Materiały spiekane

Lutownicze

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

Niskotopliwe

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

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

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

Lipowitza (50% Bi, 25% Pb, 13% Sn, 10 Cd, 60°C)

3. Układy równowag fazowych dla badanych stopów.

▲Wykres równowagi układu aluminium - krzem. ▼Wykres równowagi miedź - cynk.

▼Wykres równowagi układu miedź - cyna.

▼Wykres równowagi układu cyna - antymon.

4. Rysunki mikrostruktur.

Próbka 1. Próbka 5.

Próbka 7. Próbka 9.

Próbka 10. Próbka 11.

Próbka	Nazwa stopu	Znak	Cecha	Odczynnik	Powiększ.	Opis
1	Silumin niemodyfikowany	AlSi11	AK11	10% NaOH 90% H2O	400	Stop lany, eutektyczny, zawierający 11% krzemu. Na rysunku widoczne wydzielenia krzemu (jasne pola) otoczone aluminium (ciemniejszy obszar). Układ podwójny Al-Si posiada eutektykę przy temperaturze 577°C o zawartości 11,7% Si.
5	Mosiądz ołowiowy	CuZn39Pb2	MK80	25g FeCl3 25ml HCl 100ml H2O	400	Stop lany, zawierający 39% Zn i 2% dodatek ołowiu, poprawiający lejność. Na rysunku widoczna jest struktura dendrytyczna roztworu stałego α
7	Mosiądz	CuZn40	M60	25g FeCl3 25ml HCl 100ml H2O	160	Stop lany, mosiądz Müntza, o 40% zawartości cynku. Widoczna struktura dwu fazowa α + β o dużej twardości i wytrzymałości
9	Brąz cynowy	CuSn10	B10	25g FeCl3 25ml HCl	64	Stop lany, maszynowy, zawierający 10% cyny. Widoczny roztwór α (roztwór stały cyny w miedzi) i eutektoid α+δ. Wykazuje mikroporowatości
10	Brąz cynowy	CuSn8P	B8	25g FeCl3 25ml HCl	320	Stop lany, wieloskładnikowy, o zawartości 8% cyny i 1% dodatku fosforu. Widoczna faza δ (krucha) w postaci eutektoidu (α+δ) - segregacja dendrytyczna.
11	Stop łożyskowy - babbit	SnSb11Cu6	Ł83	4% NaOH 96% H2O	64	Stop lany, cynowy, o zawartości 11% antymonu i 6% miedzi. Widoczna miękka osnowa - roztwór stały Sb w Sn. Widoczny związek (jasne igły) Cu6Sn5 i jasne kryształy SnSb.

5. Wnioski.

Stopy metali nieżelaznych dzięki swym własnościom znajdują szerokie spektrum zastosowania w większości dziedzin przemysłu (dobra przewodność elektryczna i cieplna - stopy dla przemysłu elektrotechnicznego; wysoka antykorozyjność - przemysłu spożywczego i armaturowego, wysoka wytrzymałość mechaniczna - stopy łożyskowe; dobra lejność - stopy odlewnicze). Dzięki badaniom mikroskopowym oraz znajomości układów równowag fazowych danego stopu można dokładnie określić jego mikrostrukturę oraz własności.

6. Stopy lutownicze, ich podział, własności i zastosowanie.

Stopy lutownicze to rodzaj określający stopy służące do łączenia metali. Przy czym muszą one spełniać określone warunki:

1. ich temperatura topnienia musi być niższa od temperatury topnienia łączonych metali

2. ciekły stop lutowniczy powinien dobrze zwilżać łączone metale

3. powinien po zakrzepnięciu tworzyć trwałą spoinę.

Stopy lutownicze zasadniczo dzieli się na dwie grupy:

• Spoiwa miękkie (temperatura topnienia nie przekracza 450°C)

• Spoiwa twarde (pozostałe)

Spoiwa miękkie to najczęściej stopy cynowo ołowiowe o zawartości cyny w szerokich granicach (od 3 do 96%). Charakteryzuje je niewielka wytrzymałość mechaniczna (Rm=5÷7kG/mm²). Spoiwa cynowo ołowiowe stosuje się do łączenia stali, miedzi, mosiądzów, cynku, ołowiu i blach cynkowanych.

Spoiwa twarde charakteryzują się wysoką wytrzymałością, stosowane są więc tam, gdzie jest ona wymagana. W tej grupie można wyróżnić spoiwa: brązowe, mosiężne, miedziane, niklowe i srebrne. Stosuje się je do łączenia miedzi, stali, żeliwa, mosiądzów, brązów i niklu. Stopy aluminium z krzemem stosuje się do łączenia aluminium i jego stopów. W elektrotechnice stosuje się spoiwa srebrne o zawartości 40% Ag, 40% Sb i 20% Cu.

---