Brązy cynowe

Brąz to stop w którym zawiera się min. 60%Cu, ma on mniejszą zawartość cynku, a większą innych dodatków. W skrótach opisuje się go liczbowo jako najważniejszy składnik stopu. Przykładem jego jest SnBz4 oraz G-AlBz9.[1] Brązy cynowe, przynależą do stopów które mają dobre własności, ale na wskutek deficytowości cyny przeznaczenie tych brązów jest blokowane ze względu na stopy zastępcze takie jak mosiądze oraz brązy aluminiowe. Przeznaczenie techniczne posiadają stopy układu o symbolu Cu-Sn i zawartości <20% Sn. Największa rozpuszczalność Cyny w miedzi w temperaturze eutektoidalnej, która ma 520°C stanowi 15,8 %, czyli w fazie a, przy czym jest zmniejszana zarówno w temperaturach wyższych, oraz niższych bardzo szybko zmierzając do temperatury <350°C).

W części układu obfitej w miedź znajdują się trzy przemiany eutektoidalne w temperaturze 586°C o zawartości ok. 25 % cyny. Faza elektronowa b, której stężenie wynosi 3/2, rozpada się na mieszaninę a+g, w temperaturze eutektoidalnej 520°C o zawartości 27 % Sn. Wtórna substancja stała g ulega rozpadowi na mieszaninę (a+d), zaś w temperaturze 350°C i zawartości (32>6 %

Sn) faza elektronowa d której stężenie 21/13 rozkłada się na mieszaninę substancji a oraz fazy

elektronowej e (która ma stężenie 7/4). W technicznych przesłankach studzenia stopów ta

przemiana, która to jest ostatnią nie zachodzi-faza d jest przedłuża się do temperatury środowiskowej. Struktura fazowa w tej to temperaturze stopów technicznych ma zatem charakter metastabilny różny od postaci równowagi; do ok.10% cyny w stopach mieszczą się ziarna fazy a, natomiast powyżej 10% cyny -ziarna fazy a oraz eutektoidu a+d. Porównywalnie jest w mosiądzach, gdzie faza a, której twardość wynosi (HB@ 50) a także jest plastyczna, oraz faza d o twardości(HB@22O) i konsystencji kruchej.

Cechy brązów cynowych są zależne od zawartości samej cyny. Największą wytrzymałość oraz wydłużenie posiadają stopy o odpowiedniej zawartości Sn oraz odpowiadającej granicznej rozpuszczalności, a twardość jest powiększana w sposób ciągły razem z zawartością cyny. Właściwości mechaniczne brązów cynowych mniej zależą od temperatury aniżeli od własności mosiądzów, które mogą pracować w 250 stopniach Celsjusza. Oprócz tego mają dużą odporność na obciążanie dynamiczne oraz ścieranie a także korozję. W przeróbce plastycznej stosuje się stopy które zawierają <8% Sn. Ich podatność dobrze służy przeróbce na zimno, a gorzej na gorąco, gdyż domieszka fosforu, której faza ma postać Cu3P o rozpuszczalności P w fazie 0.2%, stanowi w układzie: Cu-Sn-P eutektykę gdzie temperatura topnienia wynosi 640°C. Domieszka ta, jest zawsze, gdyż miedź fosforowa ma zastosowanie jako odtleniacz brązu w jego nad­miarze. Zmiażdżenie jego spowoduje mocne umocnienie stopu i będzie większe on niż mosiądzów, na przykład przy zawartości 7% cyny zgniot 50% zwiększa odporność na rozciąganie (od 40 do 75 kG/mm2). W zależności od wielkości podłoża (zgniotu) rozróżniamy stany stopu, takie jak: wyżarzony, twardy oraz sprężysty. Brązy cynowe których postaciami są pręty, np. rury, taśmy albo druty są stosowane na elementy o bezwzględnie dużej sprężystości oraz odporności na czynniki atmosferyczne, czyli korozję, do których można zaliczyć przyrządy pomiarowe, ich części, membrany manometrów oraz sprężyny.

Relacja pomiędzy własnościami mechanicznymi brązu wyżarzonego a zawartością cyny.

O 'S V 15 20 25 %

Zawartość cyny

Źródło układu: S. Prowans "Vademecum materiałoznawstwa", s. 375

Z brązów cynowych o wzorze CuSnlO są wykonywane odlewy mocno obciążonych oraz pracujących na ścieranie różnych części maszyn oraz ich osprzętu parowego, a także wodnego. Optymalne własności są uzyskiwane w odkuwkach kutych na gorąco zwanych przekutym wlewkiem, stosuje się je na koła zębate oraz wirniki pomp. Dodanie jednego procentu P, czyli brązu fosforowego ewidentnie polepsza własności ślizgowe do których zaliczamy odporność na ścieranie, a także twardość. Z takiego brązu o symbolu (CuSnlOP) wykonywane są odlewy solidnie obciążonych panewek oraz ślimacznic.

Do tego rodzaju brązu cynowego dokłada się również dodatki stopowe o symbolach Zn oraz Pb. Cynk poniżej 8% zawiera się w roztworze-fazy a i zwiększa lejność a także zwiększa własności wy­trzymałościowe prawie dwa razy słabiej od cyny, ale nie odpowiada za odporności na podwyższenie temperatury. Ołów poniżej 8% występuje w formie wtrąceń, również polepsza skrawalność oraz własności. Oprócz tego cynk z ołowiem osłaniają przed mikroporowatością danego odlewu.

Brązy ze stopów cyny oraz cynku do przeróbki plastycznej o zawartościach mniejszych od: 5% Sn, <5% Zn i <5% Pb) mają zastosowanie na sprężyny do urządzeń pomiarowych, a także na tulejki oraz panewki łożyskowej, natomiast brązy odlewnicze w zakresie niższych od 11% cyny i 7% cynku, na obciążone moduły okrętowe, a także maszyny pa­piernicze, zaś brązy mające dodatkowo 7% ołowiu, na części różnych maszyn, osprzętów silników oraz pojazdów, również na tuleje łożyskowe, a najczęściej na instalacje wodne i parowe.

Brązy aluminiowe

Brązy aluminiowe zalicza się do stopów, które konkurują z brązami cynowymi zarazem ze względu na cechę jak również na cenę. Przeznaczenie techniczne mają te stopy o układzie Cu-Al i zawartości poniżej11% Al. Największa rozpuszczalność glinu w miedzi w temperaturze 565°C stanowi 9,8% i jest zmniejszana wraz ze wzrostem temp., natomiast z obniżeniem jest niezmienna. Podczas gdy stop krzepnie przy zawartości glinu 12%, faza elektronowa g krystalizuje ze stężeniem 3/2 o zakresie zwężającym się danej egzystencji, utrzymywała się tylko do temperatury 565°C. W takiej temperaturze prowadzi do eutektoidalnego rozpadu. Przemiana eutektoidalna danej fazy P w stopach o symbole Cu-Al często ulega przechłodzeniu. Zachodzi ono z szybkością większą niż krytyczna sprawiając bezdyfuzyjną przemianę martenzytyczną tych faz p oraz pt w metastabilną iglastą budowę fł' oraz Pi. Przemiana ta zachodzi w następujących warunkach chłodzenia stałego izotermicznego. Ogrzewanie metastabilnych faz martenzytycznych prowadzi do powrotu kompozycji równowagi. Przemiana taka brązów aluminiowych daje możliwość poddawanie stopów polep­szaniu cieplnemu. Hartowanie przez które duża twardość faz martenzytycznych dąży do utwardzenia stopu, a poza tym odpuszczanie początkowo do temp. 350°C powiększa wytrzymałość a zarazem gibkość, umacniającym działaniem mikroskopowych oddziaływań faz przesycających., a ponad temperaturę 450°C zmniejsza jego wytrzymałość i znacznie poprawia plastyczność wynikiem krzepnięcia wydzieleń przesycających się faz. Takie to brązy najczęściej są hartowane od 900°C, i odpuszczane w 400¸6000C w czasie 2¸3 h.

Porównując własności stopu glinu (10% Al), który jest w stanie lanym oraz ulepszonym cieplnie, przedstawiamy następujące zestawienie:

Stan Lany Ulepszony

- Wytrzymałość na rozciąganie Rm kG/mm2 w [MN/m2] 55 (490) 75 (735)

- Wydłużenie A % 15 5

- Twardość podana w HB kG/mm2 [MN/m2] 110(1080) 150 (1470)

Źródło: S. Prowans "Materiałoznawstwo", Warszawa-Poznań, str. 379

Właściwości mechaniczne stopów jednofazowych zawierających do 8% Al., zwiększa się przez obróbkę odkształ­cenia plastycznego na zimno oraz wyżarzenia. Wynikiem umocnienia na skutek zgniotu w stopach dwufazo­wych osłabia się znacznie pod wpływem mniejszego udziału w budowa plastycznej fazy (a). Właściwości mechaniczne brązów aluminiowych podtrzymują się do temp. +/-300oC. Posiadają niezwykłe własności ślizgowe oraz znaczną odporność korozyjną, a w szczególności na działanie powietrza, a także słonej wody z morza. Odporność taka jest efektem funkcjonowania warstewki o wzorze Al2O3 na powierzchni tego stopu.

Brązy odlewane aluminiowe cechują się znaczną wytrzymałością statyczną, a także odpornością na wyższe temperatury oraz na ścieranie i dużą wytrzymałością na korozję. Wykonywane są z nich odlewy mocno obciążonych części do których można zaliczyć koła zębate, wszelkiego rodzaju wirniki oraz korpusy pomp produkowanych do przemysłu maszynowego i komunikacyjnego, a także okrętowego i niekiedy chemicznego.

Brązy krzemowe

Wyróżniają się dobrymi właściwościami mechanicznymi w temperaturze ok. 20oC, czyli otoczenia oraz w temperaturze maksymalnie 300oC, a w specyfice dobrą wytrzymałością na zmęczenia, dobrymi właściwościami ślizgowymi oraz dużą wytrwałością na korozję przy dobrej skrawalności, a także lejności. Poprawienie skrawalności odpowiada dodatek ołowiu, który wynosi 0,4%.

Brązy manganowe

Miedź z manganem tworzą roztwór stały bez ograniczeń, którego odporność oraz twardość zwiększają się gdy następuje wzrost zawartości manganu do niecałych 10% oraz utrzymane są do 400oC to praktycznie się nie zmienią. Stop dwuskładnikowy którego zawartość manganu wynosi 5% jest odporny na korozję, a także działanie pary przegrzanej używa się go do wytworów armatury kotłowej. Taki stop z domieszką niklu odznacza się bardzo dużym oporem właściwym, a także małym wskaźnikiem temperaturowym oporności. Takie stopy o symbolu Cu-Mn, które nie należą do właściwych brązów, których zawartość manganu wynosi 60¸75% oraz dużej czystości, maja bardzo dużą skłonność do tłumienia drgań mechanicznych, najczęściej używane są jako części precyzyjnych aparatów, które wymagają dużego wytłumienia drgań wywołanych pod wpływem pracy silników, a także przekładni zębatych oraz innych urządzeń narażonych na niewyrównoważenia dynamiczne lub statyczne.

Brązy berylowe

Właściwości mechaniczne brązów berylowych, ale tylko takich, które są utwardzane zgniotem, a w szczególności utwardzonych dyspersyjnie następnym po zgniocie, mają niewielką różnicę z właściwościami stali. Szczególnie ważną własnością stopów jest właśnie brak iskrzenia wywołanego przez tarcie lub przez uderzenie.

Własności mechaniczne brązu berylowego

Stan

Własności mechaniczne

Rm kG/mm2

Re kG/mm2

As %

HB kG/mm2

Wyżarzony

55

30

50

200

Zgniot 70%

75

50

4

240

Utwardzony dyspersyjnie

120

80

25

380

Źródło: S. Prowans, "Materiałoznawstwo", Warszawa-Poznań, str. 383

Brązy berylowe mają szczególne zastosowanie pod sprężyny amortyzatorów, najbardziej lotniczych, części niemagnetycznych do aparatury precyzyjnej, a także na narzędzia nie iskrzące, różnego rodzaju młotki, przecinaki, oraz narzędzia. Przeznaczone są do pracy w pomieszczeniach, które są zagrożone wybuchem, stosuje się również w przemyśle chemicznym, petrochemicznym, a także materiałów wybuchowych.

Brązy ołowiowe

Ogromna zaleta brązu ołowiowego to mała wrażliwość łożysk, które są czasami narażone na brak smarowania w sensie awaryjnego przerwania. Kiedy w łożysku wytwarza się wzrost temperatury do ok. 330oC, to w takich warunkach powoduje się wytapianie ołowiu. Kropelki tego ołowiu przejmują stanowisko smaru, który zabezpiecza wał z powodu zatarcia się czopów. Ponieważ ołów posiada własności ślizgowe, zatem jest wytrzymały na ścieranie.[2]

BIBLIOGRAFIA

1. Stanisław Prowans, "Materiałoznawstwo", Warszawa-Poznań 1977

2. Wilhelm Domke, "Vademecum materiałoznawstwa", Warszawa 1977

[1] Wydawnictwo Domke, pod tytułem : "Vademecum materiałoznawstwa", Warszawa 1977

[2] Ścieranie - jest najpowszechniejszym rodzajem zużycia, występującym wszędzie tam, gdzie luźne ścierniwo przesuwa się po powierzchni ciała stałego. W elementach maszyn ścieranie powoduje głównie twarde zanieczyszczenia, przedostające się do środków smarnych lub do szczeliny smarowej.