Miedz praca przejściowa

SPIS TREŚCI

I. Cel i zakres pracy
II. Miedz – informacje wstępne
III. Własności fizyczne
IV. Własności chemiczne
V. Własności mechaniczne
VI. Stopy odlewnicze miedzi
VII. Topienie miedzi
VIII. Zastosowanie miedzi oraz wpływ na środowisko
IX. Podsumowanie - Wnioski
X. Bibliografia




I. CEL I ZAKRES PRACY

Praca ma na celu przedstawienie miedzi jako materiału o wielorakim zastosowaniu.
Jej właściwości zostały przeze mnie opisane z punktu widzenia różnych dyscyplin naukowych, profesjonalnie zajmujących się badaniem tego metalu: fizyki, chemii, mechaniki; Ze względu na bardzo liczne zastosowania miedzi szczególnie w przemyśle, nie sposób było nie wspomnieć o jej stopach, które stwarzają nowe możliwości i wyzwania dla wielu naukowców oraz wychodzą naprzeciw technicznym zapotrzebowaniom.
Mając na uwadze wymienione powyżej elementy, przedstawiłem również praktyczne zastosowanie miedzi jako materiału, bez którego funkcjonowanie we współczesnym świecie nastręczałoby niezwykłe trudności znacznie opóźniając jego postęp oraz rozwój.



II. MIEDŹ – INFORMACJE WSTĘPNE

Miedź była już znana w starożytności. Obecnie otrzymuje się ją za pomocą procesów ogniowych stosowanych w pirometalurgii oraz w mniejszym stopniu za pomocą procesów hydroelektrometalurgicznych.
Miedź otrzymana za pomocą procesów pirometalurgicznych jest silnie zanieczyszczona i z tego powodu poddaje się ją zazwyczaj rafinacji ogniowej lub elektrolitycznej.
Miedź elektrolityczna dla wielu celów, zwłaszcza naukowych i elektronicznych, jest jeszcze zbyt silnie zanieczyszczona i z tego powodu poddaje się ją dodatkowo rafinacji, ale najczęściej już w pracowniach naukowych lub w zakładach użytkowych, metodami metalurgii próżniowej.
Jako materiał wyjściowy do tej rafinacji służy miedź elektrolityczna, którą poddaje się najpierw w stanie ciekłym redukcji tlenkiem węgla, lub węglem i otrzymuje się miedź beztlenową. Następnie przetapia się ją w próżni i otrzymuje się miedź próżniową pozbawioną prawie całkowicie gazów.


III. WŁASNOŚCI FIZYCZNE

W tablicy 1. podano najważniejsze własności fizyczne czystej mie¬dzi. Do własności tych należą: bardzo duża przewodność elektryczna, co wpływa na znaczne zastosowanie miedzi w przemyśle elektrotech¬nicznym i elektronicznym oraz duża przewodność cieplna; co dzięki również wysokiej odporności miedzi na korozję, czyni ją bardzo uży¬teczną w przemyśle chemicznym. Z innych własności miedzi na szczególną uwagę zasługuje zdolność do tworzenia dużej liczby stopów z róż¬nymi pierwiastkami o bardzo dobrych własnościach mechanicznych i specjalnych.




Tablica 1. Własności fizyczne czystej miedzi


Właściwości

Wartość liczbowa
Jednostka

Masa atomowa
Budowa krystaliczna: typ A1
parametr a w temperaturze 200C
Gęstość
miedzi przerobionej plastycznie i wyżarzonej
Ciepło właściwe w temperaturze 180C
Ciepło topnienia
Temperatura topnienia
Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej w
temperaturze 200C
Przewodność cieplna właściwa w temperaturze 00C
Przewodność elektryczna najczęściej Cu w temperaturze
200C
Opór elektryczny właściwy:
dla Cu rafinowanej elektrolitycznie w temperaturze 00C
Współczynnik cieplny oporu 
dla Cu najczystszej

63,54

0,36075


8,87-8,89
0,380
212,00
1083


16,6910-6

0,395


59,77



0,01577




0,0043



nm









g/cm3
kJ/(kg K)
kJ/kg
0C




1/K
kW/(m. 



1 MS/m

m



1/K

Wysoka przewodność elektryczna miedzi zależy przede wszystkim od jej czystości. Wszelkie zanieczyszczenia miedzi wpływają mniej lub bardziej szkodliwie na jej przewodność elektryczną. Z tego powodu w elektronice, oraz na przewody elektryczne stosuje się tylko miedź o dużej czystości.


Na rysunku 1. podano wpływ różnych składników zawartych w miedzi na jej przewodność elektryczną.


Wpływ składników stopowych na elektryczną
przewodność właściwą miedzi


Jak wynika z rysunku, na przewodność elektryczną miedzi naj¬bardziej obniżająco działają zanieczyszczenia fosforem, krzemem, żela¬zem, arsenem, berylem, aluminium, cyną i niklem. Natomiast srebro, kadm i cynk obniżają przewodność elektryczną miedzi tylko w stopniu nieznacznym.

IV. WŁASNOŚCI CHEMICZNE

Jedną z najważniejszych własności chemicznych miedzi jest jej stosun¬kowo duża odporność na korozję. W wilgotnym powietrzu miedź pokrywa się warstwą tzw. paty¬ny, która jest zasadowym węglanem miedzi, chroniącą w pewnym stopniu miedź przed dalszą korozją.
Na działanie wilgotnej atmosfery przemysłowej, zawierającej dwutlenek siarki, jest miedź jednak nieodporna, ponieważ wytwarza¬jąca się wtedy na jej powierzchni warstewka zasadowego siarczanu miedzi nie zabezpiecza jej przed dalszą korozją.

Miedź w mniejszym lub w większym stopniu utleniona, z jaką przeważnie ma się do czynienia w przemyśle, traci zdolność do obrób¬ki plastycznej po wyżarzeniu jej w temperaturze 500C¬ lub w tempe¬raturze wyższej w atmosferze redukującej, zawierającej wodór, a więc przede wszystkim w czystym wodorze, gazie świetlnym, gazie koksow¬niczym, gazie generatorowym wodnym itp.
To szkodliwe zjawisko, zwane chorobą wodorową mie¬dzi, spowodowane jest stosunkowo dużą zdolnością wodoru do dy¬fundowania do miedzi, szczególnie w wyższych temperaturach i reak¬cją wodoru z tlenkiem miedziawym w myśl równania
Cu2 + H2 = 2Cu + H20
przy czym powstaje czysta miedź oraz para wodna, która z powodu braku zdolności do dyfuzji nie może się z miedzi wydostać na zew¬nątrz. Ponieważ wytworzona para wodna może mieć duże ciśnienie, przeto może ono wywołać lokalne mikroskopowe pęknięcia miedzi, których wpływ na własności uwidacznia się wyraźnie dopiero podczas następnej obróbki plastycznej. Uniknięcie tego szkodliwego zjawiska jest możliwe przez użycie miedzi niezawierającej tlenu lub przez za¬stosowanie wyżarzania w atmosferze niezawierającej wodoru, ani łatwo rozkładających się związków zawierających wodór.

Z technicznie ważnych materiałów chemicznych silnie działają na miedź: chlor, chlorek amonu, chlorek glinu, chlorek żelaza, fluorek amonu, kwas siarkowy w wyższych temperaturach, siarkowodór, a nie¬co słabiej: acetylen (niebezpieczeństwo eksplozji), chlorek sodowy, chlorek wapnia, chlorowodór, kwas solny, siarczek sodowy, wapno bie¬lące, zaprawa murarska itp.

Rozpuszczalnikiem miedzi jest kwas azotowy, w którym rozpusz¬cza się ona bardzo łatwo, szczególnie przy użyciu go w stanie stężo¬nym.

V. WŁASNOŚCI MECHANICZNE

W tablicy 2. podano własności mechaniczne czystej wyżarzonej mie¬dzi elektrolitycznej.

Tablica 2. Właściwości czystej miedzi




Właściwości

Wartość liczbowa
Jednostka


Moduł sprężystości podłużnej E
Moduł sprężystości postaciowej G
Liczba Poissona
Granica plastyczności R05
Wytrzymałość na rozciąganie Rm
Wydłużenie A10
Przewężenie Z
Twardość Brinella HB
Udarność U

127000
48000
3,5
57
227
527
931
327
1,08
Mpa
Mpa

Mpa
Mpa
%
%
Mpa
Mj/m2

Umocnienie miedzi może być osiągnięte tylko przez obróbkę plastyczną na zimno (zgniot).
Wszystkie własności wytrzymałości ¬miedzi rosną w miarę wzrostu zgniotu, a plastyczne maleją.



Wyżarzanie miedzi zgniecionej, poczynając od temperatury rekry¬stalizacji, powoduje znaczny spadek własności wytrzymałościowych przy jednoczesnym wzroście własności plastycznych.
Na rysunku podano własności mechaniczne umocnionej przez zgniot miedzi elektrolitycznej i hutniczej w zależności od uprzedniej temperatury wyżarzania. Z rysunku tego wynika, że temperatura rekrystalizacji miedzi, określona jako punkt przegięcia krzywych, nie jest jednoznaczna przy wyznaczaniu jej za pomocą badań twardości i za pomocą badań wytrzymałości na rozciąganie.



Tak samo nie jest jednoznaczna temperatura początku rekrystalizacji dla każdego rodza¬ju miedzi: dla miedzi elektrolitycznej (jako dla miedzi bardziej czy¬stej) wynosi ona ok. 200C, a dla miedzi hutniczej (znacznie zanie¬czyszczonej) - nieco więcej. Na ogół można stwierdzić, że temperatu¬ra rekrystalizacji dla miedzi, objawiająca się najgwałtowniejszym spadkiem wytrzymałości na rozciąganie lub twardości, a jednocześnie wzrostem wydłużenia dla różnych gatunków miedzi i różnych zgniotów waha się w zakresie temperatury ok. 300-400C. Dla miedzi elektrolitycznej, największą wartość wydłużenia otrzy¬muje się po wyżarzeniu jej w temperaturze 400-500C, a dla miedzi hutniczej - po wyżarzeniu w temperaturze 650C. Wpływ zanieczyszczeń na własności mechaniczne miedzi jest bar¬dzo różny i zależy przede wszystkim od tego, w jakim stanie one wy¬stępują się i gdzie się one umiejscawiają.
Wpływ antymonu na własności miedzi, zwłaszcza plastyczne, jest bardzo szkodliwy i z tego powodu nawet w najgorszej miedzi ra¬finowanej ogniowo nie powinno go być więcej niż 0,2%. Wpływ arsenu na własności plastyczne miedzi jest również szkodliwy, lecz dopiero przy większej zawartości, ponieważ zwiększa kruchość na zimno, a powyżej 1% As - również na gorąco. Dopuszczalna zawartość arsenu w miedzi wynosi 0,2%, gdyż w tych ilościach jest on jeszcze nie szkodliwy, a nawet przeciwstawia się innym domieszkom. Dodatek arsenu w podanej wyżej ilości podnosi wytrzymałość na rozciąganie, nie obniżając udarności.
Bizmut należy do pierwiastków trudno usuwalnych z miedzi na skutek rafinacji. Z powodu nie rozpuszczalności bizmutu w stałej miedzi, wydziela się on na granicy ziarn, a z powodu swej niskiej tem¬peratury topnienia powoduje kruchość na gorąco już przy zawartości przekraczającej 0,01% Bi. Dopuszczalna zawartość bizmutu wynosi 0,005%.
Obecność arsenu i tlenu przeciwstawia się temu szkodliwemu działaniu bizmutu.
Przy zawartości 0,05% Bi, miedź staje się krucha również na zimno.
Fosfor jest najbardziej popularnym odtleniaczem miedzi. Większa jego pozostałość w miedzi po odtlenieniu jest na ogół nie¬wskazana, ponieważ wpływa na kruchość miedzi. Najlepsze wyniki daje stosowanie fosforu z nieznacznym tylko nadmiarem, np. 0,03%0,1% P, gdyż daje to pewność całkowitego usunięcia tlenków. Oko¬liczność ta jest szczególnie pożądana, gdy miedź ma być wyżarzona w atmosferze zawierającej wodór (choroba wodorowa).
Ołów jest w miedzi nierozpuszczalny i wskutek tego wydziela się przeważnie na granicy ziarn, co czyni miedź powyżej temperatury topnienia ołowiu (327C) kruchą na gorąco i to już przy zawartości 0,1% Pb. Z tego powodu jest on w miedzi w ogóle niepożądany. W przypadku jednak blachy miedzianej do głębokiego tłoczenia, opuszcza się w niej pewną zawartość ołowiu, dochodzącą nawet do 0,2%, jednak pod warunkiem, że będzie obrabiana plastycznie tylko na zimno.

Siarka dostaje się do miedzi przeważnie z gazów spalinowych i do zawartości 0,1% nie jest jeszcze szkodliwa. Obecność jej łatwo można wykryć przez obserwację pod mikroskopem w świetle spola¬ryzowanym próbki wytrawionej kwasem fluorowodorowym; siarczki uwidaczniają się wtedy w postaci niebieskich pól, a tlenki po takim samym wytrawieniu - w postaci pól czarnych.

Tlen tworzy od strony miedzi bardzo ubogie roztwory stałe ¬i eutektykę w temperaturze 1065C o zawartości 0,39% tlenu (3,5% Cu2O). Rozpuszczalność tlenu w miedzi w miarę obniżania temperatu¬ry szybko maleje i w temperaturze 400C spada prawie do zera.
VI. STOPY ODLEWNICZE MIEDZI

Stopy miedzi są po stalach i stopach aluminium najbardziej rozpowszechnionymi stopami technicznymi. Zawartość miedzi jest w nich różna i zależy przede wszystkim od dodanego składnika stopowego.
Stopy podwójne miedzi z niklem, manganem, złotem, platyną i palladem, tworzą roztwory stałe ciągłe, a ze srebrem - w zależności od zawartości jednego składnika w drugim, tworzą roztwory stałe lub mieszaniny roztworów stałych granicznych. Z innymi składnikami, jak np. cynkiem, cyną, aluminium, krzemem, berylem, antymonem, kad¬mem i magnezem podwójne stopy miedzi tworzą układy dość skompli¬kowane na skutek występowania w nich różnych faz międzymetalicz¬nych.
We wszystkich tych układach, od strony miedzi istnieją zawsze mniej lub bardziej szerokie zakresy roztworów stałych, oznaczonych jako α. Roztwory te odznaczają się przeważnie dobrymi własność wytrzymałościowymi oraz dobrymi własnościami plastycznymi i z tego powodu stanowią zwykle użyteczne stopy przemysłowe.
Rzadziej natomiast stosowane są stopy wielofazowe, które oprócz roztworu α zawierają jeszcze i inne roztwory na bazie faz międzyme¬talicznych. Stopy o takiej budowie są już mniej plastyczne i z tego powodu stosowane są przeważnie w stanie lanym.
Stopy miedzi z dodatkami: aluminium, cyna, krzem, nikiel są nazywane brązami aluminiowymi, cynowymi itd., a stopy miedzi z cynkiem – mosiądzami.


1. Mosiądze

a) jednofazowe α, β`
b) dwufazowe α + β` (mają charakterystyczną mozajkową strukturę i β` + γ

Struktura mosiądzu α + β`: a) β` na tle α, b) α na tle β`

• Faza α jest roztworem stałym cynku w miedzi, krystalizuje w układzie regularnym o sieci płasko centrycznej. W temperaturze otoczenia wykazuje uporządkowane rozłożenie atomów w sieci krystalicznej (miękka).
• Faza β jest roztworem stałym, opartym na fazie międzymetalicznej CuZn o stężeniu elektronowym 3/2, krystalizuje w układzie regularnym przestrzennie centrycznym. W temperaturze otoczenia wykazuje nieupożądkowane rozłożenie atomów w sieci. Faza ta powstaje w wyniku przemiany perytektycznej, zachodzącej w 903ºC, a zakresie temperatur 468-454ºC przechodzi w fazę β` o uporządkowanym rozbiciu atomów w sieci.
Faza β` ma sieć przestrzennie centryczną układu regularnego (twarda i krucha)
• Faza γ powstaje w wyniku przemiany perytektycznej w 835ºC jako związek międzymetaliczny. Jest to faza krucha, wpływająca niekorzystnie na właściwości stopów.


Struktura mozaikowata mosiądzu α + β`

Ze wzrostem zawartości cynku zmienia się barwa stopów Cu-Zn od złoto żółtej (10% Zn), przez jasnoczerwoną (20% Zn), zielonawo żółtą (28-33% Zn), czerwono-żółtą (37-40% Zn), czerowonawo-żółtą (50% Zn) do różowo-białej (53% Zn).
Przy wystąpieniu w strukturze fazy β` wzrasta silnie ciepło właściwe mosiądzów, osiągając maksimum w stopach zawierających ok. 40% Zn, tak samo zmienia się współczynnik rozszerzalności cieplnej. Przewodność elektryczna obniża się w fazie α wraz ze wzrostem zawartości cynku, w tym czasie silnie wzrasta faza β, która później spada w wyniku powstawania fazy γ. Faza β` zwiększa wytrzymałość stopów a ich twardość wzrasta ze wzrostem udziału cynku.

Właściwości mechaniczne mosiądzów zwykłych
w zależności od zawartości cynku

Ze wzrostem zawartości cynku maleje za to wytrzymałość na pełzanie stopów Cu-Zn, jak również zmienia się lejność.

Wpływ zawartości cynku na lejność
mosiądzów zwykłych

Skurcz odlewniczy maleje stopniowo ze wzrostem ilości cynku. Mosiądze o większej zawartości cynku wykazują mniejszą skłonność do porowatości gazowej w skutek większej prężności par cynku, mają natomiast większą tendencję do porowatości skurczowej przez większy udział fazy β`.
Stopy o strukturze α nie sprawiają tyle trudności przy odlewaniu, lecz mają większą skłonność do tworzenia się niejednorodnej struktury.
Korozja:
• Punktowa – powoduje odcynkowanie stopu, przez co powstaje porowata gąbka miedzi. Szczególnie ulegają jej stopy o dwufazowej strukturze α + β`. Tego typu korozja nie jest zazwyczaj zauważalna na zewnątrz, ale bardzo zmniejsza wytrzymałość
• Naprężeniowa – powoduje szybkie niszczenie materiału i pękanie przedmiotów

Zwykłe mosiądze nie mają zastosowania w odlewnictwie i stosuje się je do obróbki plastycznej. Do odlewania stosuje się mosiądze specjalne czyli stopy, które oprócz miedzi i cynku mają jeszcze dodatkowe składniki stopowe.

OŁÓW – często występuje w mosiądzach specjalnych, praktycznie nierozpuszczalny w miedzi i w fazie α, wytrąca się w postaci wtrąceń sferoidalnych.



Rozłożenie ołowiu w mosiądzu α

Dopiero przy zawartości ponad 2% ma wpływ na pogorszenie własności plastycznych, wytrzymałościowych i spawalności stopów. Nawet przy zawartości ołowiu do 3% zdolność do obróbki plastycznej mosiądzów nie ulega większym zmianom. Ołów obniża temperaturę topnienia mosiądzów, zwiększa lejność oraz poprawia znacznie skrawalność i własności ślizgowe stopu.



Struktura mosiądzu ołowiowego (39% - Zn, 2% - Pb)
a) faza α b) faza β

CYNA – stosowana jest w celu zwiększenia odporności na korozję, lecz jej dodatek razem z ołowiem zwiększa skłonność do segregacji kruchych faz w stopie oraz pogarsza właściwości mechaniczne w podwyższonych temperaturach.

ALUMINIUM – w dużym stopniu zwiększa zakres istnienia faz α + β` oraz sprzyja powstawaniu kruchej fazy γ układu Cu-Al. Ma wpływ na wzrost wytrzymałości faz α i β`, natomiast maleje wydłużenie i przewężenie. Ma korzystny wpływ na odporność na korozję i erozję wody morskiej oraz pary utrudniając jednocześnie lutowanie i spawanie. Duża aktywność do tlenu zmniejsza możliwość powstawania porowatości gazowej. Powstający Al2O3 tworzy zwartą powłokę na ciekłym metalu, izolując go od wpływu atmosfery, przez co nie ma potrzeby stosowania pokryć ochronnych. Wpływ powłoki ogranicz parowanie cynku w czasie topienia mosiądzów, co przyczynia się do powstawania zażużleń, wpływając szkodliwie na zwartość odlewów.

NIKIEL – właściwościami jest zbliżony do miedzi, nie wywołuje dużych zmian strukturalnych. Mosiądze niklowe mają dobre własności mechaniczne w podwyższonych temperaturach do 350ºC, ma dużą odporność na korozję i erozję wody morskiej oraz korozję kwasów i atmosfery w wyższych temperaturach. Zwiększa zmiany barwy stopu. Nikiel w mosiądzach powoduje trudności odlewnicze przez wysoką temperaturę topnienia oraz duże powinowactwo z tlenem, węglem, siarką i wodorem.

ŻELAZO – podwyższa zakres temperatur krzepnięcia mosiądzów oraz przesuwa zakres faz α i α + β` ku mniejszym zawartościom miedzi. Wydzielenia faz bogatych w żelazo polepszają własności mechaniczne.

KRZEM – podwyższa temperaturę topnienia, zwiększa zakres krzepnięcia poprawia lejność i skurcz stopu (w formach piaskowych 1.15 – 1.5%). Mosiądze krzemowe mają bardzo dobre własności mechaniczne, dobrą lejność, małą skłonność od segregacji i porowatości. Charakteryzują się dobrą skrawalnością, sprawnością, są odporne na korozję wody morskiej. Dodanie ołowiu powoduje wzrost lejności, skrawalności i odporności na ścieranie. Stopy te można kuć i prasować przy stosunkowo małej zawartości miedzi. Mosiądze krzemowe zawierają oprócz fazy α również wydzielenia fazy γ układu Cu-Si-Zn w przestrzeniach międzydendrytycznych.



Struktura mosiądzu krzemowego α + γ

Stosuje się często mosiądze krzemowe zamiast brązów cynowych do produkcji armatury wodnej, parowej i cienkościennych odlewów o skomplikowanym kształcie ze względu na dobre własności mechaniczne i zwartą strukturę zwłaszcza odlewów kokilowych.

MANGAN – mają dużą odporność na korozję atmosferyczną, wody morskiej, chlorków i innych. Często występuje żelazo i aluminium wpływające na wzrost drobnoziarnistości struktury i poprawę właściwości mechanicznych. Mosiądze manganowe są trudne do odlewania przez skłonność do porowatości skurczowej i zażużleń.
2. Brązy cynowe

Najważniejszym składnikiem stopowym jest cyna potem fosfor, cynk, ołów i nikiel. Struktura jest dwufazowa α oraz α + ε.



Wykres równowagi cieplnej Cu-Sn

Roztwór α krystalizuje w układzie regularnym o sieci płaskocentrycznej, faza ε odpowiada związkowi międzymetalicznemu Cu3Sn i krystalizuje w układzie rombowym. Mimo zawartości cyny nie ma możliwości zmiany właściwości stopów Cu-Sn za pomocą obróbki cieplnej ze względu na zbyt powolne procesy w stanie stałym. Stopy miedzi wykazują dużą segregację międzykrystaliczną, powodującą różnicę składnika stopowego między środkiem a obrzeżem nawet 10%.
Brązy cynowe stosowane są do wyrobu elementów wymagających dużej sprężystości i odporności na korozję: części przyrządów pomiarowych, membran, manometrów, sprężyny.
Wadami są: przenikanie przez mikropory ciekłego roztworu bogatego w Sn
i krzepnącego na powierzchni w niektórych przypadkach w postaci kulistych zgrubień, warstwa wierzchnia staje się krucha i należy usunąć ją przez skrawanie.



Brąz cynowy (10% Sn) faza α – dendryty + eutektoid (α + δ)



Brąz fosforowy (CuSn10P1) wydzielenia α + δ szare,
wydzielenia α + ε(δ) + Cu3P czarne
CYNA – powoduje wzrost twardości stopu i wytrzymałości na rozciąganie, lepsze własności ślizgowe, technologiczne, wzrost lejności i odporności na korozję. Zmniejszenie wydłużenia, skurczu oraz rozpuszczalności. Dodanie fosforu, ołowiu i cynku powoduje zwiększenie zakresu temperatur krzepnięcia i skłonności do segregacji grawitacyjnej. Fosfor powoduje zwiększenie odporności na korozje wody morskiej oraz zwiększa wytrzymałość na rozciąganie a zmniejsza wydłużenie i udarność.

OŁÓW – jest nierozpuszczalny w miedzi w stanie stałym, występuje w postaci oddzielnych wtrąceń. Ma na celu polepszenie własności ślizgowych, ułatwienia obróbki skrawaniem i zwiększenia szczelności odlewów. Równomiernemu rozkładowi ołowiu sprzyja niska temperatura zalewania i szybkie krzepnięcie odlewu.

CYNK – nie powoduje powstawania nowych faz, tylko przesuwa ich granicę do wyższych zawartości miedzi

Odporność na korozję brązów powodowana jest przez tworzącą się na ich powierzchni „patynę”. Mają bardzo dobre właściwości łożyskowe, odporność na ścieranie i umiarkowany współczynnik tarcia.


3.Brązy aluminiowe

a) stopy proste (Cu – Al.)
b) stopy złożone zawierające mangan, żelazo, nikiel


Wykres równowagi cieplnej układu Cu-Al.

Układ charakteryzuje się wzrostem roztworu stałego α ze spadkiem temperatury.
• Faza α miękka, plastyczna krystalizuje w układzie regularnym o sieci płaskocentrycznej.
• Faza β krystalizuje w układzie regularnym o sieci przestrzennie centrycznej oraz γ2 roztwór wtórny na związku elektronowym są twarde i kruche. W odlewach dążymy do zahamowania przemiany eutektoidalnej ze względu na kruchość fazy γ2 i jej krystalizację w formie dużych ziaren. Można to uzyskać przez chłodzenie w zakresie temperatur 600 – 500 C.

Najlepsze własności mechaniczne możemy uzyskać przy równym udziale faz α i β (ok. 9,5% Al).
Wąski zakres temperatur krzepnięcia powoduje skłonności do tworzenia makroporowatości, strefowego krzepnięcia odlewów i utrudnione wypływanie tlenków oraz zażużleń z ciekłego metalu, czyli uzyskania jednorodności i ścisłej struktury ścianek odlewu. Gromadzenie się ziaren osłabia strukturę i zapoczątkowuje pęknięcia. Na odlewy wykorzystuje się stopy trój- i więcej składnikowe.

MANGAN- wpływa modyfikująco na strukturę i wywiera korzystny wpływ na własności mechaniczne.

ŻELAZO – ma właściwości takie jak mangan oraz zwiększa odporność stopów na zużycie mechaniczne, zapobiega gruboziarnistości w stopach technicznych.

NIKIEL – zwiększa gęstość, odporność na zużycie mechaniczne w podwyższonych temperaturach, odporność na korozję chemiczną, polepsza własności mechaniczne i technologiczne. Utrudnia nieznacznie proces topienia i odlewania przez wyższą temperaturę topienia oraz skłonność do zażużleń.

Istnieje możliwość zmiany struktury i właściwości stopów Cu – Al przez obróbkę cieplną.

Brązy aluminiowe są konkurencyjne w stosunku do zarówno własnościami jak i ceną. Odznaczają się:
• dużą wytrzymałością statyczną
• odpornością na podwyższone temperatury
• odpornością na ścieranie
• odpornością na korozję

4. Brązy krzemowe

Stopy miedzi z krzemem są dość skomplikowane. Oprócz fazy α występuje w nich wiele roztworów wtórnych opartych na fazach międzymetalicznych. Faza α krystalizuje w układzie regularnym o sieci płaskocentrycznej. Zawartość krzemu w stopach miedzi nie przekracza 5 – 6%.
Brązy te słabo iskrzą podczas tarcia przez co są stosowane w górnictwie i gazownictwie

a) jednofazowe α
b) dwufazowe α + (α + γ)



Struktura brązu krzemowo – żelazowego (4% Si, 2% Fe)
a) faza α, b) faza χ, c) faza żelazowa

Dodatek krzemu powoduje wzrost Rm i HB oraz pogorszenie właściwości plastycznych po przekroczeniu granicy roztworu stałego (ok. 3% Si). Wprowadzenie dodatków stopowych ma na celu polepszenie właściwości technologicznych.

ŻELAZO – wpływa korzystnie na rozdrobnienie struktury i wzrost własności mechanicznych, natomiast maleją własności plastyczne. (0,5 – 1,8% Fe)

MANGAN – ma podobne własności a ponadto zwiększa odporność stopów na zużycie mechaniczne i chemiczne.

CYNK – obniża temperaturę topnienia, zwiększa lejność i ogranicza skłonność do absorpcji gazów.
5. Brązy ołowiowe

a) podwójne – inne dodatki stopowe oprócz ołowiu nie przekraczają 2 – 3%
b) wieloskładnikowe

Zawartość ołowiu nie przekracza 10%. Występuje w nich segregacja grawitacyjna na skutek nie rozpuszczalności ołowiu w miedzi w stanie stałym, dużego zakresu temperatur krzepnięcia i dużej różnicy gęstości składników. Zawarte w ciekłym metalu gazy powodują porowatość i duże nieregularne wydzielenia ołowiu.
Brązy ołowiowe mają zastosowanie jako materiały łożyskowe pracujące w ciężkich warunkach. Ze względu na kruchość i segregację stosowane są jako wylewane na panewki ze stopów żelaza lub metali nieżelaznych warstwy. Warstwa taka powinna być intensywnie chłodzona sprężonym powietrzem.
Cechuje je duża twardość, która wpływa na dopasowanie się warstwy łożyskowej do tworzywa wału i na czas docierania się warstwy. Twardość zawarta jest w zakresie 20 – 35 HB. Ołów w razie chwilowego braku smaru nie pozwala na zatarcie się łożyska.

6. Brązy specjalne

Brązy berylowe – zawierają do 2,5% Be, łączą zalety stopów miedzi (obrabialność odporność na korozję) z zaletami stali (duża wytrzymałość i twardość, rosnące ze wzrostem zawartości beryli). Są obrabiane cieplnie, rzadko stosowane, przeważnie na narzędzia odporne na ścieranie i części precyzyjnych mechanizmów, instrumentów muzycznych, matryce, części pomp.
Brązy manganowe – zawierają 5 – 17% manganu, mają niezmienne własności w temperaturze do 300C. Stosowane są jako części konstrukcyjne maszyn i urządzeń narażone na obciążenia mechaniczne w podwyższonych temperaturach.
Brązy niklowe – zawierają 20 – 40% Ni, mają dużą odporność na korozję oraz bardzo złe właściwości odlewnicze, złą lejność, dużą skłonność do jam i obciążeń skurczowych, zażużlenia. Stosowane do produkcji armatury i sprzętu w przemyśle chemicznym i okrętowym.
VII. TOPIENIE MIEDZI

1. Topienie mosiądzów
Piece dowolne, przeważnie stosuje się: tyglowe (ropne i gazowe), indukcyjne i płomienne (trzonowe i bębnowe).
Pod pokryciem ochronnym najczęściej utleniającym a rzadziej pod węglem drzewnym. Topienie należy przeprowadzać szybko ze względu na straty cynku. Przegrzewać do ukazania się białego dymu. Niewielki dodatek (0,05%-Al.) tworzy błonkę chroniącą kąpiel przed utlenianiem i parowaniem cynku.
Odtlenianie miedzią fosforową jest zbędne ze względu na dodatek cynku, miedz fosforowa ma na celu upłynnienie stopu. Rafinacja gazami jest zbędna.

2. Topienie brązów
Piece płomienne stałe, bębnowe i obrotowe: tyglowe stałe, indukcyjne i elektryczne.
• Brązy cynowe i fosforowe mają stosunkowo wysoką temperaturę topienia i odlewania, przez co wykazują dużą skłonność do zagazowania i wydzielania tlenków.
• Brązy z dodatkiem fosforu i cynku mają niższą temperaturę topienia i lepszą lejność.
Jako pokrycia używa się mieszaniny piasku, boraksu, szkła lub sody bezwodnej i piasku.
Stosowane są również utleniające powłoki ochronne mieszaniny:
• kuprytu, bosaku, piasku
• tlenku Mn, boraksu, piasku
Topienie powinno przebiegać szybko w atmosferze lekko utleniającej.
Odtlenianie przez dodatek 0,05% P w postaci miedzi fosforowej CuP (nie odtlenia się tylko brązów fosforowych).
Jeśli jest wymagana rafinacja stosuje się rafinator zamiast pokrycia (zwykle azotem i chlorem).
Jednym z podstawowych czynników wpływających na jakość i właściwości odlewu jest temperatura przegrzania i odlewania. Przy topieniu większości metali nadmierne przegrzanie stopu ma ujemny wpływ na jego właściwości.
Ze wzrostem temperatury przegrzania wzrasta rozpuszczalność gazów, utlenianie metalu oraz jego reakcja z wykładziną pieca.

Nadmierna temperatura odlewania powoduje zwiększenie skurczu odlewniczego.
Odlewanie brązów cynowych jest ograniczone w kokilach ze względu na pękanie skurczowe (stosuje się do prostych kształtów jak wałki czy tuleje). Temperatura kokili nie powinna przekraczać 300-350C podczas podgrzewania.


VIII. ZASTOSOWANIE MIEDZI ORAZ
WPŁYW NA ŚRODOWISKO

Zastosowanie miedzi ma duże znaczenie dla ochrony naturalnego środowiska człowieka. Takie cechy jak odporność na korozję, bakteriostatyczność i możliwość ponownego przetwarzania czyni miedź przyjaznym naturalnemu środowisku człowieka i ma bezpośredni wpływ na jego zdrowie.
Dzięki zastosowaniu miedzi w budowie maszyn i urządzeń elektrycznych można było rozwinąć technologie energooszczędne. Zastosowanie energooszczędnych napędów i urządzeń elektrycznych to możliwość zmniejszenia emisji do atmosfery takich szkodliwych gazów jak: dwutlenek węgla, dwutlenek siarki oraz tlenki azotu jak również zmniejszenie emisji pyłów. Jedna zaoszczędzona kilowatogodzina to mniej o: 1,2 kg CO2; 7,1 g SO2; 2,7 g NOx i 2,2 g pyłów. Szacuje się, że potencjał oszczędności, możliwy do osiągnięcia w naszym kraju w okresie do sześciu lat, jedynie dzięki wymianie silników na energooszczędne może wynosić 3,1 TWh rocznie. Oszczędności tego rzędu w znacznym stopniu przyczynić się mogą do zmniejszenia efektu cieplarnianego występującego na Ziemi.
Miedź stosuje się w budownictwie, szczególnie przy pokrywaniu dachów. Efekt starzejącej się przez dziesięciolecia miedzi od dawna jest symbolem architektonicznej elegancji, długowieczności i klasy.

Zastosowanie miedzi w architekturze wynika z jej szczególnych właściwości: piękno, odporność na korozję i łatwość w użyciu. Wykorzystanie miedzi przy pokrywaniu dachów znaczących budynków jest powszechne. Miedź sama w sobie stanowi dla architektów źródło inspiracji.



Ze względu na swoje właściwości fizyczne takie jak: trwałość, ciągliwość i połysk, miedź zawsze była wybierana przez artystów i rzemieślników, którym zależało na nadaniu swoim dziełom trwałego piękna.

Miedź znajduje także zastosowanie w świecie muzyki: w gitarach elektrycznych, kontrabasach, saksofonach, trąbkach i puzonach. Ciekawym faktem jest również to, że materiałem jubilerskim złoto staje się dopiero po stopieniu z miedzią.

Miedź ma nadzwyczajną zdolność do przewodzenia prądu, jest łatwa w użyciu, odporna na korozję. Dzięki temu jest najbardziej niezawodnym, oszczędnym oraz najbezpieczniejszym na świecie materiałem do przesyłania energii elektrycznej.

Jeśli ochronę środowiska rozumie się jako polepszanie jakości życia, to można bez wahania stwierdzić, iż miedź jest idealnym materiałem do wykorzystania w instalacjach elektrycznych, wodnych i gazowych.

Rury miedziane są odporne na korozje, nie są porowate i ograniczają rozwój bakterii w wodzie. Na przestrzeni wielu pokoleń setki milionów ludzi miało dostęp do wody pitnej dzięki rurom wykonanym z miedzi.

Miedź jest produktem wielokrotnego użytku bez utraty jego jakości. Ocenia się, że przynajmniej 80% całej wydobytej kiedykolwiek miedzi wciąż używa się do rożnych zastosowań - od układów scalonych do rur kanalizacyjnych.


Postęp w dziedzinie przesyłania danych, na przykład DSL, umożliwił milionom ludzi na świecie korzystanie z wysokiej jakości usług telefonicznych, przesyłania danych i obrazów przy użyciu istniejących miedzianych instalacji telefonicznych. Oznacza to szybszy i łatwiejszy dostęp do Internetu z wykorzystaniem instalacji miedzianej.
Miedź jest i zapewne długo jeszcze będzie najlepszym nośnikiem informacyjnym. Nawet światłowody nie mają zdolności przesyłania energii w ilościach wystarczających do obsługiwania systemu telefonicznego. Poza tym miedź jest odporna na korozję spowodowaną działaniem wody.
Spoglądając w przyszłość można oczekiwać, iż miedź zachowa funkcję materiału, sprawiającego, że woda pitna jest czysta i zdrowa. Miedź jest również niezawodnym i wydajnym przewodnikiem elektryczności pierwiastkiem pomocnym w zachowaniu zdrowia, dodającym budynkom piękna i trwałości.
Miedź jest jednym z największych darów Ziemi. Jej wykorzystanie do transportu wody i energii, jej wpływ na artystów i architektów oraz wkład w rozwój technologii sprawia, iż nie sposób oddzielić miedzi od życia ludzkiego i postępu cywilizacyjnego.

Miedź od niepamiętnych czasów jest środkiem postępu cywilizacyjnego. W 1913 roku przyjęto ją jako wzorzec przewodnictwa elektrycznego. Współczesne, nowoczesne technologie elektryczne przyczyniające się do bezpiecznego i ekonomicznego życia byłyby niemożliwe do osiągnięcia gdyby nie nadzwyczajne właściwości przewodzenia miedzi.

Druty miedziane są o wiele bardziej wydajne w przesyłaniu energii niż inne materiały. Wykorzystanie miedzi powoduje zmniejszenie strat cieplnych, tym samym oszczędności energetyczne i redukcję w zapotrzebowaniu na prąd.
Silniki elektryczne zużywają ponad połowę całej energii elektrycznej w krajach uprzemysłowionych. Silniki o wysokiej wydajności osiągają swoje parametry dzięki użyciu większej ilości miedzi w swoich uzwojeniach, co redukuje straty energii oraz obniża temperaturę ich pracy. Obniżenie zużycia energii oraz ograniczenie emisji niektórych gazów sprawia, że silniki o wysokiej wydajności są przyjazne dla środowiska.

Z tego powodu wiodącym przedsiębiorstwom zależy na nabywaniu najlepszych i najbardziej oszczędnych urządzeń.



Rury wykonane z miedzi są trwałe, odporne na przekłuwanie i ścieranie, nie kruszeją z wiekiem. Miedź dzięki swej nieporowatej strukturze chroni wodę pitną przed wieloma zanieczyszczeniami, na przykład produktów przemysłu petrochemicznego, czy środków owadobójczych. Biostatyczne właściwości miedzi hamują rozwój bakterii na jej powierzchni, co zapobiega szerzeniu się chorób.

Oprócz trwałości, miedź ma także właściwości odkażające. Zabija lub ogranicza rozwój bakterii, wirusów, pasożytów, grzybów oraz innych zagrażających życiu organizmów wodnych.

Miedź jest to pierwiastek naturalny - metal, który od wieków stanowi jeden z najbardziej pożytecznych i poszukiwanych surowców dla ludzkości. Ma istotny wpływ na zdrowie. Ryż, zboża, cytrusy, warzywa do prawidłowego rozwoju wymagają gleby z odpowiednią ilością miedzi.

W języku polskim słowo miedź pojawiło się w czasach prasłowian. Według jednej z hipotez, wywodzi się od słowa "miód" (ze względu na podobny kolor). Natomiast od słowa "miedź" pochodzi wyraz "miednica".



Miedź, z której wykonano Statuę Wolności, przez ponad 100 lat była wystawiana na działanie ostrych wiatrów morskich, zacinających deszczów i palącego słońca. Teraz Statua wygląda jeszcze piękniej, a jej powierzchnia w zasadzie pozostała nienaruszona.
Miedź występująca w przyrodzie jest przyjaznym dla środowiska surowcem. Od czasów faraonów ma zastosowanie w dostarczaniu wody pitnej dla setek milionów ludzi na całym świecie.


IX. PODSUMOWANIE
WNIOSKI

Stopy metali nieżelaznych przeważnie mają mniejszą wytrzymałość od stali lecz ich atutem jest wytrzymałość na korozję. Stanowią grupę materiałów konstrukcyjnych, których zastosowanie podyktowane jest szczególnymi względami np.:

• brązy aluminiowe nadają się do hartowania
• brązy cynowe są sprężyste
• brązy cynowe nie iskrzą


Miedź jest metalem, który występuje w skorupie ziemskiej w postaci związków chemicznych, głównie z tlenem, żelazem i siarką. Miedziane rudy siarczkowe są dzisiaj podstawowym surowcem do produkcji miedzi. Zawartość miedzi w rudach wynosi zwykle 1 - 2,5%, choć zdarza się spotykać czasem w przyrodzie miedź w stanie czystym w postaci ziarenek, kryształów i większych kawałków. Czysta miedź ma wiele cennych właściwości technicznych. Dużą plastyczność, dużą przewodność elektryczną i dobre przewodnictwo cieplne, jak również małe powinowactwo chemiczne z tlenem. Te właściwości przyczyniły się do jej szerokiego zastoso¬wania. Związki miedzi, tworzące się łatwo pod wpływem nawet słabych kwasów organicznych, są trujące, dlatego wszystkie naczy¬nia miedziane muszą być wewnątrz pobielane cyną i w miarę zużycia pobielenie musi być odnawiane. Miedź ma charakterystyczną barwę różo¬wo-złocistą. W wilgotnym powietrzu pokrywa się ona zieloną patyną, np. na starych dachach pokrytych blachą miedzianą. Jest to związek chemiczny, który chroni metal przed dalszą korozją. Ciężar właściwy czy¬stej miedzi wynosi 8,9 G/cm3, temperatura topnienia 1083 C. Właściwości mechaniczne miedzi: wytrzymałość na rozciąganie Rr = 2124 kG/mm2, wydłużenie a – 3850%, twardość HB 35=50 kG/mm.



Miedź dzięki dużej plastyczności i ciągliwości źle obrabia się na obrabiarkach. W celu polepszenia obrabialności poddaje się ją zgniotowi na zimna, co powoduje zwiększenie jej twardości i poprawę obrabialności. W stanie ciekłym miedź wchłania znaczne ilości gazów, które wydzielając się podczas krzepnięcia, tworzą puste miejsca. Skutki zgniotu spowodowane obróbką plastyczną na zimno można usunąć przez wyżarzenie przy 5607500C w ciągu 1-2 godzin. Po wyżarzeniu miedzi przywraca się normalne właściwości mechaniczne. Zależnie od metody otrzymywania w handlu występuje kilka gatunków miedzi, różniących się stopniem zawartości zanieczyszczeń.

X. BIBLIOGRAFIA


Vademecum materiałoznawstwa: stal, metale nieżelazne, tworzywa sztuczne, badania materiałów / Wilhelm Domke. – Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1989.

Materiałoznawstwo i obróbka cieplna / Kornel Wesołowski. – Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1978.

Poradnik Inżyniera – Odlewnictwo / Warszawa - Wydawnictwo Naukowo Techniczne, 1986.