Miedź i jej stopy
Miedź (rys. nr 1) jest metalem o barwie czerwonozłotej. Jest odporna na korozję, plastyczna i dobrze przewodzi ciepło i prąd elektryczny. Miedź można obrabiać plastycznie na zimno lub na gorąco w temperaturze ok. 700°C. Miedź stosuje się na przewody elektryczne, elementy chłodnic i innych urządzeń w przemysłach spożywczym i chemicznym oraz – przede wszystkim – jako składnik stopów. Niskie własności wytrzymałościowe czystej miedzi ograniczały jej zastosowanie i dlatego rozpoczęto wprowadzanie do miedzi różnych składników stopowych.
Rys. nr 3.1. Miedź rodzima
Źródło: http://www.home.agh.edu.pl
Miedź stopowa zawiera niewielkie ilości składników stopowych, które nie przekraczają 3%.
Miedź arsenowa zawiera 0,3÷0,5% As; jest stosowana na części aparatury chemicznej i innych urządzeń. Jest odporna na utlenianie w podwyższonej temperaturze.
Miedź chromowa zawierająca 0,4÷1,2% Cr i do 0,5 Zn jest używana na elektrody do zgrzewarek.
Miedź kadmowa zawiera 0,9÷1,2% Cd i jest używana na przewody trakcji elektrycznej.
Oprócz wyżej wymienionych gatunków miedzi stopowej stosuje się też miedź srebrową, manganową, cynową, cynkową i telurową.
Znak miedzi stopowej jest określony symbolem miedzi, następnie symbolem składnika stopowego i liczbą określającą zawartość procentową składnika stopowego, np. symbol gatunku CuAg2 oznacza miedź srebrową o zawartości 1,85÷2,15% Ag.
I. Rodzaje i charakterystyka stopów miedzi
Stopy miedzi znajdują bardzo duże zastosowanie. Do najważniejszych stopów miedzi należy zaliczyć mosiądze i brązy.
Znakowanie stopów miedzi i wszystkich innych stopów metali nieżelaznych jest następujące. Na początku znaku stawia się symbol metalu zasadniczego, po nim umieszcza symbol głównego dodatku stopowego z liczbą całkowitą, która wskazuje jego procentową zawartość w stopie, wyrażoną w liczbach całkowitych. Dalej w kolejności zmniejszających się zawartości procentowych podaje się pozostałe dodatki stopowe z liczbami ich procentowych zawartości. Gdy zawartość składnika dodatkowego nie przekracza 1%, wtedy cyfrę się opuszcza. Na przykład CuZn40Mn3Fe jest znakiem mosiądzu manganowo-żelazowego, w którym zawartość cynku wynosi ok. 40%, manganu ok. 3% i żelaza ok. 1 %, a resztę stanowi miedź.
Mosiądz jest to stop miedzi z cynkiem, zawierającym 46÷97% miedzi. Mosiądze specjalne zawierają (oprócz miedzi i cynku) mangan, ołów, żelazo, aluminium, krzem, nikiel i cynę.
Rys. nr 3.2. Amunicja wykonana z mosiądzu
Źródło: http://pl.wikipedia.org/wiki/Mosi%C4%85dz
Mosiądz jest odporny na korozję, ma dobre własności plastyczne i odlewnicze oraz odznacza się dobrą skrawalnością. Własności mechaniczne mosiądzów zależą od zawartości cynku. Ze wzrostem zawartości cynku zwiększa się wytrzymałość i plastyczność. Największą plastyczność ma mosiądz zawierający ok. 30% cynku, natomiast zawartość cynku powyżej 39% gwałtownie pogarsza plastyczność stopu. Największą wytrzymałość (ok. 420 MPa) osiąga mosiądz o zawartości 45% cynku. Dalszy wzrost zawartości cynku powoduje kruchość stopu. Mosiądze dają się łączyć przez lutowanie miękkie i twarde oraz przez spawanie acetylenowe.
Mosiądze dzieli się na odlewnicze i do obróbki plastycznej. Mosiądze odlewnicze są stopami wieloskładnikowymi i zawierają: ołów do 4%, mangan do 4%, aluminium do 3%, żelazo do 1,5% i krzem do 4,5%. Ołów i krzem poprawiają lejność, a aluminium, mangan i żelazo podwyższają własności wytrzymałościowe. Aluminium i krzem podwyższają odporność na korozję i dlatego mosiądze aluminiowe i krzemowe są stosowane na odlewy części, które powinny być odporne na korozję i ścieranie.
Mosiądze do obróbki plastycznej mają mniejszą zawartość składników stopowych niż mosiądze odlewnicze, ponieważ zwiększona zawartość niektórych dodatków stopowych pogarsza własności plastyczne stopu. Mosiądze do obróbki plastycznej są stosowane w postaci odkuwek, prętów, kształtowników, drutów, blach, rur i taśm. Mosiądze dwuskładnikowe, tj. bez dodatków stopowych, mają dużą podatność do obróbki plastycznej, szczególnie na zimno. Mosiądze wieloskładnikowe, tzw. specjalne, są z dodatkiem aluminium, niklu (w tym wysokoniklowe, zwane nowym srebrem), manganu, żelaza i ołowiu. Nadają się do obróbki plastycznej na gorąco, są odporne na korozję i mają podwyższone własności mechaniczne. Stosuje się je głównie w przemysłach okrętowym i elektromaszynowym oraz samochodowym (mosiądz CuZnlOsn, zawierający ok. 10% cynku i 0,25÷75% cyny).
Brązy dzieli się na odlewnicze i do obróbki plastycznej. W zależności od nazwy głównego składnika stopowego rozróżnia się brązy: cynowe, aluminiowe, berylowe, krzemowe, manganowe i inne. Gdy są stopami wieloskładnikowymi (w tym wysokoniklowe, zwane nowym srebrem) są bardziej złożone (np. brąz krzemowo-cynkowo-manganowy).
Brązy odlewnicze są przeważnie wieloskładnikowe i zawierają: cynę do 11%, ołów do 33%, aluminium do 11%, krzem do 4,5%, cynk do 7%, mangan do 2%, żelazo do 5,5%, nikiel do 5,5% i fosfor do 1,5%. Ołów polepsza lejność stopu, a aluminium, żelazo, mangan i nikiel podwyższają własności mechaniczne. Cynk stosuje się głównie w celu zastąpienia drogiej cyny. Zastosowanie brązów odlewniczych jest wszechstronne. Stosuje sieje m. in. na części maszyn, osprzęt parowy i wodny, łożyska ślizgowe, aparaturę chemiczną w przemysłach chemicznym, okrętowym, lotniczym, papierniczym, górniczym i wielu innych.
Brązy do obróbki plastycznej zawierają: mangan do 5,5%, aluminium do 11%, cynę do 7%, krzem do 3,5%, nikiel do 6,5%, beryl do 8,6%, fosfor do 0,3%, cynk do 5%, ołów do 3,5% i żelazo do 5,5%. W brązach do obróbki plastycznej stosuje się mniejsze ilości dodatków stopowych niż w brązach odlewniczych w celu uzyskania lepszych własności plastycznych stopów.
Brązy cynowe o zawartości cyny ok. 11% mają największe zastosowanie. Ze wzrostem cyny do 13% wzrasta również wytrzymałość brązów (do 470 MPa), ale dalszy wzrost zawartości cyny powoduje obniżenie wytrzymałości.
Brązy cynowe do obróbki plastycznej na zimno zawierają najczęściej 3,5÷9% cyny i ok. 0,2% fosforu. W brązach do obróbki plastycznej na gorąco zawartość fosforu musi być mniejsza i wynosi do 0,15%. Obróbkę plastyczną na gorąco wykonuje się w temperaturze do 700°C. Z brązów cynowych z dodatkiem fosforu wykonuje się sprężyny, elementy przyrządów kontrolno-pomiarowych, rurki manometryczne, sita papiernicze, elementy przeciwcierne i druty do spawania.
Jako stopy odlewnicze stosuje się brązy o zawartości ok. 10% cyny, niekiedy z dodatkiem ok. 1% fosforu, poprawiającego lejność. Brąz ten jest stosowany na łożyska ślizgowe, osprzęt parowy i wodny. Często stosuje się brązy cynowe z dodatkiem cynku i ołowiu. Na przykład brązy CuSn4ZnPb4 i CuSn4ZnPb3 (zawierające 3÷5% Sn, 3÷5% Zn i 1,5÷4,5% Pb) stosuje się z powodzeniem jako stopy łożyskowe na łożyska ślizgowe. Brąz ten służy do obróbki plastycznej na zimno i na gorąco.
Brązy krzemowe zawierają 2,5÷4,5% Si oraz dodatkowo mangan, cynk lub żelazo. Krzem i cynk polepszają znacznie własności odlewnicze, a mangan i żelazo własności mechaniczne. Charakteryzują się dobrą lejnością i są odporne na korozję.
Są stosowane na łożyska ślizgowe i części pracujące przy dużych zmiennych obciążeniach. Brąz CuSi3Mnl o zawartości 2,7÷3,5% Si i 1,0÷1,5% Mn nadaje się do obróbki na zimno i gorąco. Jest stosowany na części narażone na ścieranie oraz na siatki, sprężyny i armaturę w przemysłach chemicznym i maszynowym.
Brązy aluminiowe (rys. nr 2) odlewnicze zawierają 8+11% Al oraz 2÷5,5% Fe, a niektóre dodatek do 2% Mn lub 3,5÷5,5% Ni. Odznaczają się dobrymi własnościami mechanicznymi, lecz słabymi własnościami odlewniczymi. Do obróbki plastycznej są przewidziane brązy aluminiowe zawierające 4÷11% Al, a niektóre z nich – dodatkowo 2,0÷5,5% Fe, 1,0÷2,5% Mn i 3,5÷5,5% Ni. Są one stosowane na części pracujące w wodzie morskiej, monety, części dla przemysłu chemicznego, sprężyny, styki ślizgowe, sita rurowe wymienników ciepła, gniazda zaworów, koła zębate i części narażone na ścieranie.
Brązy berylowe zawierają 1,9÷2,10% berylu oraz 0,2÷0,5% niklu i kobaltu, a niektóre dodatkowo 0,10÷0,25% tytanu. Są to brązy do obróbki plastycznej na zimno i na gorąco. Mają bardzo dobrą wytrzymałość {Rm = 1275 MPa) i twardość (370 HB), dużą odporność na korozję oraz dobrą przewodność elektryczną i przewodnictwo cieplne. Przy uderzeniach brązy te nie iskrzą i dlatego znalazły zastosowanie na urządzenia pracujące w ośrodkach grożących wybuchem, np. na narzędzia górnicze. Ponadto są używane na sprężyny, membrany i części narażone na ścieranie. Brązy manganowe są stosowane jako odlewnicze i do obróbki plastycznej. Brąz krzemowo-manganowy odlewniczy zawiera 0,5÷1,5% Mn, 3,0÷5,5% Zn, 0,5÷1,2% Fe i 3÷4% Si. Jest stosowany jako żaroodporny w armaturze pary wodnej. Brąz manganowy CuMnl2Ni3 do obróbki plastycznej zawiera 11,5%÷13% Mn i 2,5÷3,5% Ni. Jest to brąz do obróbki plastycznej na zimno i na gorąco. Stosuje się go na rezystory najwyższej jakości do precyzyjnych aparatów. Brązy ołowiowe są głównie odlewnicze. Brąz CuPb30 zawiera 27÷33% ołowiu. Stosuje się go jako stop łożyskowy na łożyska ślizgowe.
Wymienione tradycyjne nazwy stopów miedzi, jak: mosiądze, brązy itd., nie występują w nowych normach PN-EN. Podaje się tam tylko określenia związane ze składem chemicznym stopów, np. stopy miedzi z cynkiem, stopy miedzi z cyną, stopy miedzi z niklem, z berylem, z cyną oraz miedzią i ołowiem. Według PN-EN stopy miedzi dzieli się ogólnie na odlewnicze i do obróbki plastycznej, a ich oznaczenia rozpoczynają się od symbolu Cu, następnie podaje się kolejno symbole i średnie stężenie pierwiastków stopowych, np. CuZn20AlAs. Według PN-EN 1173:1999 po znaku stopu można podać minimalną wymaganą wytrzymałość na rozciąganie, np. R560 (w MPa). Stopy odlewnicze wg PN-EN 1982:2002 są wyróżnione na końcu oznaczenia literą C (lub B, gdy są dostarczane w postaci gąsek) poprzedzoną poziomą kreską, np. CuSn5Zn5Pb5-C. Uzupełnieniem oznaczenia stopu odlewniczego może być symbol rodzaju procesu odlewania: GS – do form odlewniczych, GM - kokilowy, GZ - odśrodkowy, GC – ciągły i GP – ciśnieniowy, np. CuAl11Fe6Ni6-C-GP.
Spoiwa do lutowania twardego na bazie miedzi, ujęte w normie PN-EN1044:2002, są stosowane do lutowania: stopów miedzi, stopów metali szlachetnych, stali i innych materiałów. Są oznaczane na początku literą B, np. B-Cu97Ni (B) 1085/1100.
Opracowano na podstawie materiałów KOWEZIU.
