Miedź

WYKAZ WĄTKÓW

1. Cel pracy i jej zakres
2. Miedz - wiadomości wprowadzające
3. Właściwości fizyczne
4. Właściwości chemiczne
5. Właściwości mechaniczne
6. Stopy odlewnicze miedzi
7. Topienie miedzi
8. Przeznaczenie miedzi oraz wpływ na otoczenie
9. Zestawienie podsumowujące wraz z wnioskami
10. Bibliografia

1. CEL PRACY I JEJ ZAKRES

Celem niniejszej pracy jest omówienie miedzi jako metalu o zróżnicowanym przeznaczeniu.

Właściwości miedzi zostaną przeze mnie przedstawione pod kątem dziedzin naukowych, to jest fizyki, mechaniki czy chemii, które fachowo zbadały ten materiał. Z uwagi na wielorakie przeznaczenie miedzi zwłaszcza w przemyśle, konieczne jest wspomnienie o stopach miedzi wychodzących naprzeciw specjalistycznym zapotrzebowaniom, niosących nieznane dotąd możliwości oraz wyzwania stawiane przed wieloma naukowcami. Biorąc pod uwagę wszystkie wymienione elementy, zawarłem w pracy także praktyczne przeznaczenie miedzi jako surowca, dzięki któremu przyspieszono postęp i rozwój współczesnego świata ułatwiając jego funkcjonowanie.

2. MIEDŹ - WIADOMOŚCI WPROWADZAJĄCE

Miedź to metal znany już w czasach starożytnych. W dzisiejszych czasach jest on otrzymywany poprzez procesów ogniowych używanych w pirometalurgii czy też w mniejszym stopniu podczas zabiegów hydroelektrometalurgicznych.

Miedź powstała podczas zabiegów pirometalurgicznych posiada liczne zanieczyszczenia, dlatego zostaje ona poddana rafinacji ogniowej bądź elektrolitycznej.

Miedź elektrolityczna posiada zbyt wiele zanieczyszczeń aby mogła być wykorzystywania w celach naukowych czy elektronicznych, dlatego musi ona ponownie być poddana rafinacji, metodą metalurgii proszkowej, co w tym przypadku odbywa się już w laboratoriach badawczych bądź zakładach użytkowych.

Materiałem wyjściowym do rafinacji jest miedź elektrolityczna, która wpierw ciekła poddawana jest procesowi redukcji tlenkiem węgla bądź węglem, podczas której powstaje beztlenowa miedz, kolejno przetapiana przy użyciu próżni. Otrzymana miedź próżniowa jest praktycznie pozbawiona gazów.

3. WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE

Najistotniejsze właściwości fizyczne miedzi zostały przedstawione w Tabeli nr 1. Zaliczają się do nich:

-wysoka przewodność elektryczna mająca duży wpływ na właściwości użytkowe metalu w przemyśle elektrotechnicznym oraz elektronicznym.

-wysoka przewodność cieplna odpowiadająca za wysoką odporność metalu na korozją nadając jej zastosowanie dla przemysłu chemicznego.

Z pozostałych własności warto zwrócić uwagę na możliwość tworzenia wielu stopów miedzi z różnorakimi pierwiastkami dających wyśmienite własności mechaniczne oraz specjalne.

Tabela 1. Właściwości fizyczne czystej miedzi

Własności	Wartość liczbowa	Jednostka
Masa atomowa	63,54	g/mol
Budowa krystaliczna typ A1 parametr a przy temperaturze 20ºC	0,36075	nm
Gęstość miedzi przerobionej plastycznie i wyżarzonej	8,87-8,89	g/cm3
Ciepło właściwe w temperaturze 18ºC	0,380	kJ/kg
Ciepło topnienia	212,00	kJ/kg
Temperatura topnienia	1083	ºC
Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej przy temperaturze 20ºC	16,69	-
Przewodność cieplna właściwa, temperatura 0ºC	0,395	1/K
Przewodność elektryczna Cu najczęściej przy temperaturze 20ºC	59,77	kW/m
Opór elektryczny właściwy rafinowanej elektrolitycznie Cu w temperaturze 0ºC	0,01577	1 MS/m
Współczynnik cieplny oporu dla najczystszej Cu	0,0043	1/K

Wysoka wartość przewodności elektrycznej miedzi jest zależna głównie od stopnia jej czystości. Wszystkie zanieczyszczenia pojawiające się w miedz mają szkodliwy wpływ na przewodność elektryczną. Wobec tego w elektronice, czy też przy przewodach elektrycznych zastosowanie ma tylko miedź o znacznej czystości.

Na rysunku nr 1. zostało pokazane jak wpływa na przewodność elektryczną zawartość różnorakich składników miedzi.

Oddziaływanie pierwiastków stopowych na właściwą przewodność elektryczną miedzi.

Na rysunku zostało pokazane, że przewodność elektryczna miedzi jest znacznie obniżana przez zanieczyszczenie pierwiastków takich jak P, Si, Fe, As, Be, Al. Sn i Ni, zaś w nieznaczny wpływ na zaniżenie tejże przewodności mają dodatki: Ag, Cd oraz Sn.

IV. WŁAŚCIWOŚCI CHEMICZNE

Najbardziej znaczącą własnością chemiczną miedzi jest to, że posiada ona odpowiednio wysoką odporność na korozją. Podczas kontaktu miedzi z wilgotnym powietrzem metal pokrywa się zielonkawą warstwą zwaną patyną. Jest to węglan miedzi o odczynie ph>7, który ochrania miedź, aby nie ulegała dalszej korozji.

Miedź jest jednak nieodporna na wilgotną atmosferę przemysłową, w której znajduje się dwutlenek siarki, z tego względu, iż powstająca na miedzi warstwa siarczanu miedzi o odczynie ph>7 już nie ma właściwości zabezpieczającej przed korozją

W przemyśle często spotykamy się z procesem (mniej lub bardziej) utleniania miedzi, który jest odpowiedzialny za utratę zdolności pozwalającej na obróbkę plastyczna po wyżarzaniu, co zachodzi przy temperaturze 500°C bądź w znacznie wyższej, lecz wtedy konieczna jest atmosfera redukująca, która zawiera wodór (czysty wodór, gaz świetlny czy tez gaz koksowniczy )

Zjawisko choroby wodorowej jest szkodliwe, a jego przyczyną jest zdolność wodoru do dyfuzji w kierunku miedzi szczególnie, przy podwyższonych temperatury. Reakcję zachodzącą pomiędzy wodorem a tlenkiem miedziawym zachodzi według równania:

Cu₂O + H₂ = 2Cu + H₂O

Powstała w równaniu obok czystej miedzi para wodna nie posiada zdolności dyfundujących i z tego względu nie wydostaje się z miedzi na zewnątrz. Może mieć ona jednak wysokie ciśnienie wywołujące miejscowe mikropęknięcia miedzi, których ujemne oddziaływanie na własności jest widoczne dopiero przy kolejnej obróbce plastycznej. W celu uniknięcia niesprzyjającej choroby wodorowej używa się jako surowca miedzi pozbawionej tlenu bądź proces wyżarzania przeprowadza się w atmosferze, która nie zawiera wodoru oraz związków posiadających wodór, a ulegających łatwo rozkładowi.

Do ważnych technicznie związków chemicznych, które silnie oddziaływają z miedzią zalicza się: Cl, NH₄Cl, AlCl₃, FeCl₃, NH₄F, H₂SO₄ przy podwyższonych temperaturach, czy H₂S. Słabiej natomiast miedź oddziałuje z acetylenem (zagrożenie wybuchu), chlorki sodu i wapnia, siarczek sodu, kwas solny, chlorowodór, siarczek sodowy, zaprawa murarska, wapno bielejące itp.

Jako rozpuszczalnika miedzi używa się kwasu azotowego, rozpuszczalność jest tym lepsza im jest on bardziej stężony.

V. WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE

Najważniejsze własności czystej miedzi elektrolitycznej w stanie wyżarzonym przedstawiono w Tabeli nr 2.

Tabela 2. Własności czystej miedzi

Właściwości	Wartość liczbowa	Jednostka
Moduł sprężystości podłużnej E	127000	MPa
Moduł sprężystości postaciowej G	48000	MPa
Liczba Poissona	3,5	-
Granica plastyczności R05	57	MPa
Wytrzymałość na rozciąganie Rm	227	MPa
Wydłużenie A10	527	%
Przewężenie Z	931	%
Twardość Brinella HB	327	MPa
Udarność U	1,08	MJ/m2

Utrwalenie miedzi osiąga się poprzez zgniot, czyli dzięki obróbce plastycznej przeprowadzanej na zimno.

Wraz ze wzrostem zgniotu miedzi jej własności wytrzymałościowe rosną, a plastyczne się obniżają .

Podczas wyżarzania zgniecionej miedzi, zapoczątkowując proces w temperaturze rekrystalizacji, własności wytrzymałościowe miedzi maleją jednocześnie podnosząc własności plastyczne

Rysunek przedstawia mechaniczne właściwości miedzi elektrolitycznej oraz hutniczej, która została umocniona poprzez zgniot. W konsekwencji temperatura procesu rekrystalizacji miedzi (punkt przegięcia dla krzywych) jest niejednoznaczna podczas wyznaczania jej z badań twardości oraz poprzez wytrzymałościowe badania na rozciąganie.

Podobnie niejednoznaczna jest temperatura zapoczątkowania procesu rekrystalizacji dla określonych rodzajów miedzi i tak dla elektrolitycznej miedzi (czystszej) ma ona wartość blisko 200°C,natomiast dla hutniczej miedzi (zanieczyszczonej) wartość ta jest wyższa. Można przyjąć, iż temperatura rekrystalizacji miedzi, która przejawia się ostrym obniżeniem wytrzymałości na rozciąganie bądź twardości, przy równoczesnym rosnącym wydłużeniu dla różnorakich rodzajów miedzi oraz różnorakich zgniotów zawiera się w zakresie temperatur 300-400°C.

Miedź elektrolityczna najwyższe wydłużenie uzyskuje podczas wyżarzania przy zakresie temperatur 400-500°C, natomiast miedź hutnicza po procesie wyżarzania przy temperaturze wynoszącej 650°C. Oddziaływanie zanieczyszczeń na mechaniczne właściwości miedzi jest zróżnicowane i zależne głownie od stanu w jakim występują oraz ich umiejscowienia.

Antymon ma bardzo niepożądany wpływ na właściwości miedzi, szczególnie plastyczne, wobec tego nawet przy najgorszy gatunek miedzi rafinowanej nie powinien zawierać powyżej 0,2% ogniwa. Także arsen negatywnie wpływa na właściwości plastyczne miedzi, jednak przy wyższym jego udziale, z powodu podwyższenia kruchości w procesie na zimno, a na gorąco po przekroczeniu 1% arsenu. Dopuszczalna ilość As w miedzi jest określona jako 0,2%, ponieważ w takiej ilości nie ma on ujemnego wpływu, a wręcz działa naprzeciw pozostałym dodatków. W tej ilości domieszkowanie arsenem nie obniżając udarności podwyższa wytrzymałość na rozciąganie.

Pierwiastkiem trudno usuwalnym z miedzi w konsekwencji rafinacji jest bizmut. Nierozpuszczalność tego pierwiastka w miedzi w postaci stałej wpływa na wydzielenie się bizmutu na granicach ziarnowych, a ponieważ posiada on dość niską temperaturę topnienia sprawia że miedź staje się krucha na gorąco przy zawartości Bi już powyżej 0,01%.Dozwolony udział bizmutu w miedzi wynosi 0,005%.

Udział pierwiastków takich jak tlen lub arsen przeciwdziała się niepożądanemu działaniu bizmutu.

Ilość bizmutu w ilości 0,05% nadaje kruchość miedzi także na zimno.

Najbardziej rozpowszechnionym utleniaczem miedzi jest fosfor. Jego pozostałość po procesie odtleniania w większości jest zazwyczaj szkodliwa , gdyż powoduje kruchość miedzi. Zastosowanie fosforu przy niewielkim nadmiarze, ok. 0,03-0,1% daje najbardziej pożądane wyniki, ponieważ gwarantuje pozbycie się tlenków. Jest to pożądane zwłaszcza dlatego, że miedź wyżarza się w atmosferze wodoru powodującego zjawisko choroby wodorowej.

Ołów nie rozpuszcza się w miedzi, wobec czego wydziela się zazwyczaj na granicach ziarnowych, co sprawia, że miedź staje się krucha na gorąco po przekroczeniu temperatury topnienia domieszkowanego ołowiu (327°C) przy ilości 0,1%. Dlatego też jest on kompletnie nie pożądanym dodatkiem do miedzi. W miedzianych blachach przeznaczonych do głębokiego tłoczenia obniża się ilość ołowiu dochodzącą do 0,2% jeśli obróbka będzie przeprowadzana na zimno.

Siarka w miedzi w zawartości 0,1% jest pierwiastkiem nieszkodliwym pochodzi zazwyczaj z gazów spalinowych.

Jest stosunkowo łatwa do wykrycia podczas badań mikroskopowych w świetle spolaryzowanym, próbkę uprzednio wytrawia się kwasem fluorowodorowym, wówczas siarczki są widoczne jako obszary niebieskie, a tlenki (przy tym samym wytrawieniu) jako obszary czarne.

Tlen z miedzią tworzy wysoce ubogie roztwory stałe oraz eutektykę o ilości tlenu 0,39% (czyli 3,5%Cu₂O) przy temperaturze 1065°C. Rozpuszczalność tlenu wraz ze spadkiem temperatury w miedzi gwałtownie maleje, a przy temperaturze 400 °C osiąga wartość bliską zera.

VI. STOPY ODLEWNICZE MIEDZI

Stopy miedzi to najbardziej rozpowszechnione techniczne stopy , zaraz po stalach oraz stopach aluminium. Mają róża zawartość miedzi, zależną od domieszkowanego pierwiastka stopowego.

Stopy podwójne miedzi to jest z Ni, Mn, Au, Pt czy Pd dają stałe roztwory ciągłe, natomiast z Ag zależnie od ilości danego pierwiastka w drugim dają roztwory stałe roztwory bądź mieszanki granicznych roztworów stałych. Inne dodatki, przykładowo : Zn, Sn, Al., Si, Be, Sb, Cd oraz Mg podwójne stopy miedzi dają dość złożone związki z powodu obecności w nich niejednolitych faz międzymetalicznych.

W omawianych układach miedzi spotykane są różnorakie zawartości roztworów stałych, które mają oznaczenie α;. Roztwory takie charakteryzują się zazwyczaj nie najgorszymi własnościami wytrzymałościowymi oraz plastycznymi, dzięki czemu znajdują zastosowanie jako stopy przemysłowe.

Stopy wielofazowe SA stosowane są rzadziej, poza roztworem α; posiadają inne roztwory utworzone na podłożu międzymetalicznych faz. Tak zbudowane stopy są mniej plastyczne, przez co stosuje się je zazwyczaj w stanie ciekłym.

Stopy miedzi do których dodawane są: Al., Si, Sn, Ni noszą nazwę brązów aluminiowych, krzemowych itd., natomiast stopy miedzi i cynku nazywane są mosiądzami.

1. Mosiądze

a) jednorodne α; β;'

b) dwufazowe α; + β;` (posiadają specyficzną mozaikową budowę oraz β;' + γ;

Budowa strukturalna mosiądzu α; + β;`: a) β;` na tle α;, b) α; na tle β;`

Faza α; to roztwór stały Sn w Cu, ulega krystalizacji w układzie regularnym mającym sieć płasko centryczną. Temperatura otoczenie sprawia, że atomy rozkładają się w sieci krystalicznej w sposób uporządkowany, przez co ona mięknie.

Faza β; to roztwór stały, który jest oparty na międzykrystalicznej fazie miedzi. Cynk posiadający stężenie elektronowe 3/2 ulega krystalizacji w regularnym, przestrzennie centrowanym układzie. Przy temperaturze otoczenia wykazuje nierównomierny rozkład atomów w sieci. Powstająca faza wydziela się w przemianie perytektycznej, przy temperaturze 903°C, natomiast przy zakresie 468-454°C. następuje przemiana w fazę β; o równomiernym rozmieszczeniu atomów w całej sieci.

Faza β;` posiada sieć w regularnym układzie przestrzennie centrowanym, jest ona twarda, lecz krucha.

Faza γ; otrzymywana jest podczas przemiany perytektycznej przy 835 °C i jest związkiem międzymetalicznym. Faza ta jest krucha i wpływa ujemnie na własności stopów.

Mozaikowata budowa strukturalna mosiądzu α; + β;`

Podniesienie ilości Zn w stopie Cu-Zn zmienia zabarwienie z złocistożółtej przy 10% Zn poprzez bladoczerwoną (20% cynku), zielono-żółtą (28-33% cynku ), czerwono-żółtą (37-40% cynku), czerwonawo-żółtą (50% cynku) aż do przy kolorze biało-różowym (53% cynku).

Podczas pojawienia się w strukturze stopu Cu-Zn fazy β;` znacznie rośnie ciepło właściwe mosiądzów, osiągając największa wartość w stopach o zawartości 40%Zn, zmienia się także współczynnik rozszerzalności cieplnej. Obniżenie w fazie α; przewodności elektrycznej powodowana jest przez wzrost zawartości Zn przy jednoczesnym wzroście fazy β;, która następnie obniża się w skutek tworzenia się fazy γ;. Wzrost wytrzymałości mosiądzów powoduje obecność fazy β;`, a zwiększenie zawartości Zn przyczynia się do wzrostu twardości.

Mechaniczne własności mosiądzów zwykłych zależnie od ilości Zn

Podwyższenie zawartości Zn powoduje obniżenie wytrzymałości na pełzanie mosiądzów oraz zmianę ich lejności.

Wpływ ilości Zn w mosiądzach zwykłych na ich lejność

Ze wzrostem zawartości cynku maleje skurcz odlewniczy. Mosiądze o wyższym udziale cynku posiadają niższą tendencję do porowatości gazowej na skutek wzrostu prężności par Zn, wykazują zaś lepszą skłonność do porowatości skurczowej kiedy zawartość fazy β;` jest większa.

Mosiądze o budowie strukturalnej α; nie powodują tylu problemów przy odlewaniu, jednak powstała struktura często jest niejednorodna.

Korozja:

Punktowa - jest powodem odcynkowania stopu, w wyniku czego powstaje gąbkowata, porowata miedź. W szczególności podlegają jej dwufazowe stopy o takiej strukturze jak α; + β;`. Korozja taka jest wykrywalna zewnętrznie, zmniejsza znacznie wytrzymałość.

Naprężeniowa - jest przyczyną znacznego zniszczenia przedmiotu i pękania materiału

Zwykłe mosiądze nie są używane w odlewnictwie, ale są wykorzystywane przy obróbce plastycznej. Przy odlewaniu używa się mosiądzów specjalnych, a więc stopów zawierających poza miedzią i cynkiem inne dodatki stopowe.

OŁÓW - jest bardzo częstym pierwiastkiem używanym do stopów specjalnych, nie rozpuszcza się praktycznie w miedzi a w fazie α;, wydziela się jako wytrącenia sferoidalne.

Rozmieszczenie Pb w mosiądzu α;

Ołów dopiero przy przekroczeniu wartości 2% na negatywny wpływ na właściwości wytrzymałościowe, plastyczne oraz spawalnicze w stopach. Jednak nawet przy obecności tego pierwiastka do 3% nie poddaje się on znaczącym przeobrażeniom. Ołów spełnia funkcje obniżenia temperatury topnienia mosiądzów, poprawia lepkość a także znacząco zwiększa skrawalność oraz własności ślizgowe stopu.

Budowa strukturalna ołowiowego mosiądzu (cynk - 39% ,ołów - 2%)

a) faza α;

b) faza β;

CYNA - ma zastosowanie w polepszeniu odporności na korozję, ale w obecności ołowiu podwyższa podatność do segregacji faz łamliwych w stopie a także obniża własności mechaniczne w wyższych temperaturach.

ALUMINIUM - na znaczny wpływ na zwiększenie obecności faz α + β` a także pomaga w powstawaniu łamliwej fazy γ, oraz układu miedź-aluminium. Dzięki Al polepsza wytrzymałość danych faz ( α i β`), przy czym obniża się wydłużenie oraz przewężenie. Sprzyja odporności na korodowanie oraz niszczenie powierzchni wody morskiej czy pary hamując przy tym procesy lutowania bądź spawania. Przez aktywność wobec tlenu obniża się ewentualność pojawienia się porowatości gazowej. Tlenek glinu który powstaje tworzy ścisłą warstwę na metalu w stanie ciekłym, chroniąc go przed wpływem atmosfery, dzięki czemu można uniknąć korzystania z pokryć izolujących. Powłoka redukuje parowanie cynku podczas topienia mosiądzów, sprzyja to powstawaniu zażużleń, niekorzystnych dla spoistości odlewów.

NIKIEL - własnościami przypomina miedź, nie powoduje znacznych przemian strukturalnych. W podwyższonych temperaturach (do 350°C), posiada znaczną odporność na korodowanie, erozję wody morskiej, a także korodowanie kwasów oraz atmosfery w podwyższonych temperaturach. Nikiel sprawia, że stop jest bardziej wrażliwy na zmianę barwy, a także sprawia problemy odlewnicze z powodu wysokiej temperatury topnienia i spore powinowactwo z pierwiastkami takimi jak O, C ,S czy H

ŻELAZO - nadaje wyższy zakres temperaturom krzepnięcia mosiądzów, a także przenosi zakres działania faz α i α + β` w kierunku mniejszego udziału miedzi. Wytrącenia faz zawierających znaczna ilość Fe nadaje lepsze właściwości mechaniczne.

KRZEM - nadaje wyższą temperaturę topnienia, oraz powoduje zwiększenie zakresu krzepnięcia, nadaje lepsza lejność oraz skurczliwość stopowi (formy piaskowe - 1.15 - 1.5%).Krzemowe mosiądze posiadają zadawalającą lejność oraz świetne właściwości mechaniczne, niskie powinowactwo do segregacji oraz porowatości. Odznaczają się dobrymi własnościami skrawalnymi, sprawnościowymi oraz są niewrażliwe na korozję wody morskiej. Domieszka Pb nadaje wzrost takich cech jak lejność, skrawalność oraz odporność na ścieranie. Wówczas stopy takie nadają się do kucia oraz prasowania przy odpowiednio niewielkiej ilości miedzi. Mosiądze zawierające Si poza fazą α, także posiadają fazę γ w układzie Cu-Si-Zn znajdujące się na w obszarach międzywęzłowych.

Budowa strukturalna mosiądzu zawierającego krzem α + γ

Mosiądze krzemowe są często stosowane zastępując brązy cynowe podczas produkcji armatury wodnej, czy parowej oraz odlewów o cienkich ścianach ze złożonym, skomplikowanym kształtem z tego względu, że nadają lepsze właściwości mechaniczne oraz spoistość struktury szczególnie odlewów kokilowych.

MANGAN - wykazuje znaczną odporność nie tylko na korozję atmosferyczną, ale też wody morskiej, chlorków czy innych. Na wzrost drobnoziarnistości struktury oraz polepszenie mechanicznych własności ma wpływ występujące często żelazo i aluminium. Mosiądze manganowe poprzez tendencje do porowatości skurczowej oraz zażużleń sprawiają trudności przy odlewaniu.

2. Brązy cynowe

Najistotniejszym pierwiastkiem stopowym są w kolejności: Sn, P, Zn, Pb oraz Ni. Struktura składa się z dwóch faz: α oraz α + ε.

Równowaga cieplna dla układu Cu-Sn

Roztwór α ulega krystalizacji w układzie sześciennym z siecią płasko centrowaną, międzymetalicznemu związkowi Cu3Sn odpowiada faza ε krystalizująca w rombowym układzie krystalograficznym. Pomimo obecności Sn nie możliwa jest modyfikacja właściwości stopów Cu-Sn poprzez obróbkę cieplną, co jest spowodowane zbyt powolnymi procesami zachodzącymi w stałym stanie skupienia. Stopy Sn charakteryzują się znaczną segregacją międzykrystaliczną, która sprawia że składnik stopowy różni się z obrzeżem nawet do 10 %.

Brązy cynowe mają zastosowanie tam gdzie potrzebne są części sprężyste oraz odporne na korozję, przy elementach przyrządów mierniczych, manometrów, membran czy sprężyn.

Do wad tych stopów można zaliczyć: możliwość przenikania roztworu wzbogaconego Sn poprzez mikropory roztworu w stanie ciekłym, krzepnięcie pojawiające się w postaci zgrubień w kształcie kulek na powierzchni, która staje się nietrwała przez swą kruchość i wskazane jest pozbycie się jej w procesie skrawania.

Brąz zawierające cynę (10% Sn) faza α - dendryty + eutektoid (α + δ)

Brąz zawierające fosfor (CuSn10P1) wytrącenia α + δ szare, wytrącenia α + ε(δ) + Cu3P czarne

CYNA - poprawia twardość stopu oraz jego wytrzymałość na rozciąganie, rosną też właściwości ślizgowe, technologiczne, lejność oraz odporność korozyjna, natomiast obniża skurczliwość, wydłużenie i rozpuszczalność. Domieszkowanie P, Pb i Zn sprawia, że zakres temperatur krzepnięcia jest szerszy i nadaje tendencję do uporządkowania grawitacyjnego. Dodatek fosforu nadaje stopowi lepszą odporność korozyjną wody morskiej, a także poprawia wytrzymałość na rozciąganie oraz powoduje pomniejszenie wydłużenia oraz udarności.

OŁÓW - w stanie stałym nie rozpuszcza się w miedzi, pojawia się jako osobne wytrącenia. Ma za zadanie zwiększyć właściwości ślizgowe, uprościć obróbkę skrawaniem, a także nadać lepszą szczelność odlewom. Niewysoka temperatura zalewania oraz to, że odlew krzepnie z dużą szybkością sprzyja równomierności rozmieszczenia ołowiu.

CYNK - dzięki niemu nie powstają nowe fazy, jedynie sprawia przesunięcie wzwyż granicy zawartości miedzi.

Brązy są odporne są na korozję dzięki powierzchniowej warstwie "patyny". Odznaczają się wysokimi własnościami łożyskowymi, są odporne na ścieranie oraz posiadają przeciętny współczynnik tarcia.

3.Brązy zawierające Al.

a) stopy proste (Cu - Al.)

b) stopy złożone zawierające Mn, Fe, Ni

Wykres przedstawiający równowagę cieplną w układzie Cu-Al.

Jak przedstawia powyższy wykres charakterystyczny dla tego układu jest wzrost roztworu w stanie stałym wraz z obniżeniem temperatury.

Faza α jest miękka i plastyczna, ulega krystalizacji w sześciennym układzie o sieci płasko centrowanej.

Faza β ulega krystalizacji w układzie sześciennym, który jest przestrzennie centrowany oraz γ, 2 roztwór wtórny oparty na związku elektronowym odznaczają się twardością oraz kruchością.

Dla odlewów wskazane jest dążenie do zatrzymania przemiany eutektoidalnej z powodu kruchości fazy γ, 2 oraz zachodzący proces krystalizacji, przy którym powstają duże ziarna. Otrzymuje się je dzięki chłodzeniu w temperaturach o zakresie 600-500°C.

Przy jednoczesnym i równym udziale faz α i β (ok. 9,5% Al) otrzymuje się optymalne właściwości mechaniczne. Z powodu wąskiego zakresu dla temperatur krzepnięcia występuje tendencja do powstawania makoporów, miejscowego krzepnięcia odlewów, a także trudności w osadzaniu się tlenków i zażużleń w metalu w stanie ciekłym, a więc otrzymaniu równomiernej i ścisłej budowy strukturalnej ścianek odlewu. Narastanie ziaren wpływa źle na trwałość struktury i jest przyczyną pęknięć. Do otrzymania odlewów stosuje się stopy przynajmniej trójskładnikowe.

MANGAN- jego obecność zmienia strukturę oraz nadaje korzystny wpływ właściwościom mechanicznym.

ŻELAZO - swoimi cechami przypomina mangan, dodatkowo poprawia wytrzymałość stopów na zużycia mechaniczne, przeciwstawia się powstawaniu grubych ziaren w stopach technicznych.

NIKIEL - podwyższa gęstość, oraz wytrzymałość na zniszczenia mechaniczne przy wyższych temperaturach, dzięki Ni rośnie odporność stopu na korozję chemiczną, wzrastają właściwości zarówno mechaniczne jak i technologiczne. W mniejszym stopniu spowalnia topnienie i odlewanie przy podwyższonej temperaturze topnienia i tendencję do zażużleń.

Poprzez proces obróbki cieplnej modyfikuje się zmiany w budowie strukturalnej oraz własności stopów Cu-Al.

Brązy zawierające Al są konkurencyjne pod względem swoich właściwości oraz ceny. Posiadają:

znaczną wytrzymałość statyczną,

wytrzymałością w wyższych temperaturach

wytrzymałością na ścieranie

odpornością korozyjną

4. Brązy zawierające krzem

Stopy Cu z Si są dosyć złożone. Poza fazą α zawierają znaczna ilość roztworów wtórnych, które podpierają się na fazach znajdujących się między metalem. Faza α ulega procesowi krystalizacji w układzie sześciennym o sieci płasko centrowanej. Udział Si w stopach Cu ma wartość nie przekraczającą 5 - 6%. 

Brązy te nieznacznie iskrzą przy procesie tarcia, dlatego odnalazły zastosowanie w górnictwie oraz gazownictwie.

a) składające się z jednej fazy α

b) składające się z dwóch faz α + (α + γ)

Budowa strukturalna brązu Si-Fe (4% Si, 2% Fe)

a) faza α, b) faza γ, c) faza żelazowa

Dodatkowa ilość Si nadaje wzrost Rm i HB oraz po przejściu granicy roztworu będącego w stanie stałym (ok. 3% Si) gorsze własności plastyczne. Dodatek pierwiastków stopowych daje poprawę własności technologicznych.

ŻELAZO - powoduje drobnoziarnistość struktury oraz polepsza właściwości mechaniczne pogarszając przy tym plastyczne (0,5 - 1,8% Fe)

MANGAN - swymi właściwościami odpowiada manganowi, dodatkowo powoduje wzrost wytrzymałości na zużycie chemiczne oraz mechaniczne.

CYNK - wpływa na obniżenie temperatury topnienia, wzrost lejności oraz zapobiega tendencji do absorpcji gazów.

5.Brązy zawierające ołów

a) dwuskładnikowe - w których domieszki stopowe nie przekraczają 2 - 3%

b) składające się z wielu składników

Obecność Pb nie przekracza wartości 10%. Zauważalna jest segregacja grawitacyjna powodowana tym, ze Pb jest nierozpuszczalny w stałej miedzi, a także szerokim zakresem temperatur topnienia oraz znacznym gradientem gęstości składników. Gazy znajdujące się w metalu w stanie ciekłym nadają stopowi porowatość oraz nierównomierne rozmieszczenie w nim ołowiu.

Brązy z Pb są używane do materiałów łożyskowych pracujących w trudnych warunkach. Kruchość oraz segregacja sprawiają że używa się ich w wylewach na panewki z stopów zawierających Fe bądź metale nieżelazne. Powstałą warstwę należy energicznie chłodzić przy pomocy sprężonego powierza.

Odznaczają się znaczną twardością, która pozwala dobrać się powierzchni łożyskowej do materiału wału oraz w czasie docierania się powierzchni. Twardość tych stopów to wartości z zakresu 20 - 35 HB. Obecność Pb w przypadku chwilowej nieobecności smaru działa przeciw zatarciu się łożyska.

6. Brązy specjalne

Brązy zawierające Be (do 2,5%) zawierają zarówno cechy charakterystyczne dla stopów miedzi ( odporność korozyjna oraz obrabialność) jak i stali (wysoka twardość, wzrastająca z zawartościom Be, oraz wytrzymałość) Stopy te nadają się do obróbki cieplnej, ich zastosowanie jest niewielkie, zazwyczaj przy urządzeniach mających być odpornymi na ścieranie oraz przy matrycach, częściach pomp i precyzyjnych częściach mechanizmów, czy instrumentach muzycznych

Brązy zawierające Mn (5-17%) są niezmienne pod względem właściwości przy temperaturze wynoszącej 300°C. Mają zastosowanie przy konstrukcyjnych częściach maszyn oraz mechanizmów, na które działają obciążenia mechaniczne przy wyższych temperaturach.

Brązy zawierające Ni (20-40%) charakteryzują się dużą odpornością na korozję oraz złymi własnościami odlewniczymi, fatalną lepkością, znaczną tendencją do jam oraz obciążeń związanych ze skurczem, zażużlenia. Odnajdują zastosowanie przy produkcji armatury, a także sprzętu dla przemysłu chemicznego czy okrętowego.

VII. TOPIENIE MIEDZI

1. Topienie stopów Cu-Zn

Zazwyczaj przy topieniu mosiądzów stosuje się piece tyglowe (galowe oraz ropne), płomienne (bębnowe oraz trzonowe) a także indukcyjne, pod warstwą pokrycia ochraniającego zazwyczaj utleniającą lub w rzadszych przypadkach przy użyciu węgla drzewnego. Proces topienia powinien odbywać się szybko z powodu utraty Zn, przegrzewa się go do momentu pojawienia się białego dymu. Nieznaczna domieszka (0,05%-Al) tworzy warstwę ochraniającą kąpiel przed działaniem utleniającym oraz odparowywaniem Zn.

Pozbycie się tlenu za pomocą fosforowanej miedzi nie jest konieczne z powodu obecności cynku, ma ona na celu jedynie upłynnienie stopu. Konieczna jest rafinacja przy użyciu gazów.

2. Topienie brązów

Do topienia brązów używa się stałych pieców płomieniowych, bębnowych oraz obrotowych: stałe tyglowe, elektryczne oraz indukcyjne.

Brązy zawierające Sn i P charakteryzują się dużymi temperaturami topnienia oraz odlewania, dzięki czemu posiadają tendencję do zagazowania oraz wydzielania tlenków.

Brązy zawierające P i Zn posiadają niższa temperaturę topnienia oraz znacznie lepszą lejność. Używane jako pokrycia mieszaniny piasków, szkła, boraksu bądź bezwodnej sody z piaskiem, a także utleniające powłoki mające ochronne właściwości dla mieszanin:

piasku, kuprytu, bosaku,

piasku, boraksu, tlenku Mn,

Topienie należy przeprowadzać w sposób szybki przy użyciu atmosfery lekko utleniającej.

Poprzez dodatek 0,05% fosforu w postaci fosforowej miedzi (CuP )prowadzi się proces odtleniania (odtlenianiu nie poddaje się brązów fosforowych)

Przy ewentualnej rafinacji stosuje się zamiast pokrycia (przeważnie N lub Cl)- rafinator.

Do zasadniczych czynników mających wpływ na właściwości odlewu oraz jego jakość należy temperatura przegrzania oraz odlewania. Podczas procesu topienia przeważającej części metali znaczne przegrzanie stopu wpływa negatywnie na własności.

Podczas wzrostu temperatury przegrzania rośnie także rozpuszczalność gazów, oddziaływanie z wykładziną pieca oraz utlenianie topionego metalu.

Zbyt wysoka temperatura odlewania powoduje wzrost skurczu odlewniczego.

Proces odlewania brązów cynowych jest ograniczony w kokilach z uwagi na pękanie skurczowe (stosowane przy nieskomplikowanych kształtach jak tuleje lub wałki) Wskazane jest aby temperatura kokili zawierała się w zakresie 300-350°C podczas podgrzewania.

VIII. PRZEZNACZENIE MIEDZI ORAZ WPŁYW NA

Miedź ze względu na swoje zastosowanie ma ogromne znaczenie przy ochronie środowiska naturalnego. Cechuje się odpornością korozyjną, ewentualnością powtórnego przetworzenia, co szczególnie sprzyja środowisku naturalnemu oraz bezpośrednio jest związane z jego zdrowiem, oraz bakteriostatycznością.

Szeroka używalność miedzi w budownictwie mechanizmów i maszyn elektrycznych pomogło w rozwoju technologii oszczędzających energię. Przeznaczenie miedzi przy budowie silników i mechanizmów elektrycznych daje perspektywę zminimalizowania wysyłania do atmosfery płynów oraz gazów szkodzących środowisku takich jak CO₂, SO₂ oraz NO_x, .Każda kilowatogodzina, która uda się zaoszczędzić to około : 1,2 kg dwutlenku węgla; 7,1 g dwutlenku siarki; 2,7 g tlenków azotu i 2,2 g pyłów. Kalkuluje się, że oszczędność jaką w Polsce można uzyskać podczas 6 lat tylko poprzez wymianę mechanizmów na energooszczędne może sięgać w ciągu roku 3,1 TWh. Taka oszczędność dużym stopniu przyczyniłaby się do zminimalizowania efektu cieplarnianego na świecie.

Miedź znajduje zastosowanie w budownictwie, głównie jako pokrycia dachowe. Efekt jaki pojawia się na starzejącej, dziesięcioletniej miedzi to oznaka długowieczności, architektonicznego gustu i elegancji.

Miedź odnajduje zastosowanie w architekturze z uwagi na swoje specyficzne własności: efektowny wygląd, odporność korozyjną oraz łatwe użytkowanie. Powszechne jest wykorzystanie miedzi do pokryć dachowych ważnych budynków. Sama miedź jest natchnieniem dla wielu architektów.

Z uwagi na szereg fizycznych właściwości takich jak: wytrzymałość, ciągliwość czy połysk miedź była preferowana przez twórców sztuki oraz rzemieślników, którzy chciane nadać niezmienne piękno swojej twórczości

Miedź odnalazła swoje zastosowanie również w świecie muzycznym; przy saksofonach, gitarach elektrycznych, kontrabasach, puzonach czy trąbkach. Interesujące jest to, że złoto staje się materiałem jubilerskim dopiero, gdy podda się je procesowi topienia z miedzią.

Miedź odznacza się wyjątkową przewodnością prądu, odpornością na korozje i łatwością w użytkowaniu. Dzięki tym właściwościom jest nade wszystko niezawodnym, najbezpieczniejszym materiałem przesyłającym energię elektryczną a przy tym bardzo oszczędnym.

Określając pod pojęciem ochrony środowiska poprawę jakości życia można niewątpliwie powiedzieć, że miedź to doskonały materiał używany przy instalacjach elektrycznych, gazowych oraz wodnych.

Miedziane rury odznaczają się odpornością na korozję, nie posiadają porów jednocześnie zapobiegają wzrostowi bakterii w wodzie. W ciągu wielu stuleci setki pokoleń otrzymywały wodę pitną właśnie dzięki miedzianym rurom.

Miedź nie traci swojej jakości mimo wielokrotnego użytkowania. Szacuje się, że minimum 80% kiedykolwiek wydobytej miedzi nadal pozostaje w różnorakiej używalności - przy rurach kanalizacyjnych bądź układach scalonych.

Rozwój w branży wysyłania danych (np. DSL) sprawiła, że dzięki użyciu instalacji telefonicznych z miedzi, wielu ludzi na całym świecie ma możliwość korzystania z usług telefonicznych o bardzo dobrej jakości, przesyłania nie tylko danych ale i elementów graficznych. Wykorzystywane instalacje miedziane dają zarówno łatwiejszy jak i szybszy dostęp do Internetu.

Miedź jest obecnie najlepszym nośnikiem informacji i na pewno jeszcze długo nim pozostanie, gdyż nawet światłowody nie posiadają wystarczającej zdolności przesyłania energii w ilości pozwalającej na obsługę systemu telefonicznego. Miedź jest odporna na korozję wywołaną wodą.

Biorąc pod uwagę dotychczasowe doświadczenia z miedzią, można przypuszczać że zachowa ona właściwości materiału odpowiadającego za czystość wody oraz jej cechy zdrowotne. Miedź jest niezbędnym oraz wydajnym przewodnikiem elektrycznym, ale też pierwiastkiem sprzyjającym zdrowiu, nadającym budowlom estetykę i wytrzymałość.

Miedź z uwagi na ogromne zastosowanie można uznać za największy dar Ziemi. Wykorzystuje się ją przy transporcie wody oraz energii, ma niebagatelny wpływ na twórców i architektów a także rozwój technologii - co sprawia, że miedź nie sposób oddzielić od postępu cywilizacji oraz życia ludzkiego.

Miedź od wielu wieków używana była w postępie cywilizacyjnym. W roku 1913 miedź została uznana za wzorzec przewodnictwa elektrycznego. Obecne, nowe technologie elektryczne dzięki własnościom przewodzenia miedzi nadają bezpieczeństwo życiu i sprawiają że staje się ono ekonomiczne.

Druty z miedzi w porównaniu do innych materiałów mają znacznie lepsze właściwości przydatne przy przesyłaniu energii. Użytkowanie miedzi minimalizuje straty cieplne, oszczędza energię i redukuje zapotrzebowanie prądu.

Napędy elektryczne w krajach uprzemysłowionych powodują zużycie ponad 50% całej energii elektrycznej. Silniki o znacznej wydajności osiągają pożądane własności poprzez użycie znacznej ilości miedzi w jej uzwojeniach, w celu redukcji strat energii, a także zminimalizowania temperatury pracy. Ograniczenie procesu emisji części gazów wraz ze zminimalizowaniem zużycia energii sprawia, że napędy posiadające dużą wydajność nie szkodzą środowisku

Wobec tego dla przewodnich przedsiębiorstw ważne, aby nabyte przez nie urządzenia były jak najlepsze oraz bardzo oszczędne.

Rury miedziane odznaczają się trwałością, odpornością na ścieranie oraz przekłuwanie, a także wraz z upływem czasu nie kruszą się. Miedź dzięki temu, że jest lita ma właściwości ochraniające wodą pitną przed szeregiem zanieczyszczeń mogących być elektem przemysłu petrochemicznego lub środków owadobójczych. Miedź dzięki własnościom biostatycznym wstrzymuje rozwój bakterii na niej jednocześnie zabezpieczając przed szerzeniem się chorób.

Poza trwałością, miedź jest również odkażająca; ogranicza rozkwit flory bakteryjnej (lub unicestwia), pasożytów, wirusów, grzybów czy innych organizmów wodnych zagrażających życiu.

Miedź to metal, naturalny najpożyteczniejszy pierwiastek używany od bardzo dawna i niewątpliwie stanowiący najbardziej pożądany przez ludzkość surowiec. Wpływa na zdrowie. Zboża, ryż, warzywa, cytrusy do odpowiedniego rozwoju potrzebują gleb zawierających miedź.

Pierwsze wzmianki z użyciem słowa "miedź" pochodzą już z czasów prasłowiańskich. Uważa się, że pochodzi ono od słowa "miód" z racji zbliżonej barwy, a jednym z przedstawicieli rodziny słów wywodzących się od "miedzi" jest "miednica".

Miedź, będąca materiałem do wykonania Statuy Wolności, przez lata znosi oddziaływanie morskiego klimatu wraz z występującym przy nim silnym wiatrem, słoną wodą, smagającym deszczem i prażącym słońcem.

Mimo działania tych czynników posąg prezentuje się nadal pięknie, a jego warstwa wierzchnia jest w prawie nietkniętym stanie.

Miedź jaką daje nam przyroda sprzyja środowisku. Już za czasów faraonów służyła do zaopatrzenia w wodę pitną ogromu ludzkości na świecie.

11. ZESTAWIENIE PODSUMOWUJĄCE WRAZ Z WNIOSKAMI

Stopy metali nieżelaznych zazwyczaj posiadają mniejszą wytrzymałość w porównaniu ze stalą, ale ich mocna stroną jest odporność na korozję. Tworzą zespół materiałów konstrukcyjnych, używalnych ze względu na szczególne możliwości:

brązy aluminiowe z możliwością hartowania

brązy cynowe - o cechach sprężystych

brązy cynowe - są nie iskrzące

Miedź to metal odnajdowany w skorupie ziemskiej w formie związków chemicznych, najczęstszymi pierwiastkami znajdującymi się obok miedzi są O, Fe i S. Głównym surowcem z którego otrzymywana jest w dzisiejszych czasach miedź są siarczkowe rudy miedziane. Zawartość w nich Cu zawiera się zazwyczaj w zakresie 1 - 2,5%, mimo iż możliwe jest napotkanie w przyrodzie miedzi znajdującej się w postaci czystych niewielkich ziaren, kryształów bądź większych kawałków. Wiele cennych własności technicznych można odnaleźć w czystej miedzi; znaczną plastyczność przewodnictwo cieplne oraz przewodność elektryczną, a także niewielką tendencję chemiczną z tlenem. Szereg właściwości nadały miedzi ogromne zastosowania. Związki z miedzią tworzą się w sposób łatwy, przy nawet słabych kwasach, wobec czego konieczne jest, aby naczynia wykonane z miedzi były wewnętrznie pobielane cyną i proces ten powinien być odnawiany wraz ze zużyciem. Miedź odznacza się specyficznym różowo-złocistym kolorem. W powietrzu o znacznej wilgotności miedź pokrywa się "patyną" o zielonej barwie, np. na dachach, które są pokryte blachą z miedzi. Powstały związek ma własności chroniące miedź przed możliwą dalszą korozją. Temperatura topnienia czystej miedzi wynosi 1083 °C., a jej ciężar właściwy 8,9 g/cm³. Do charakterystycznych własności miedzi można zaliczyć: wytrzymałość na rozciąganie Rr = 21÷24 kG/mm², twardość HB 35=50 kG/mm oraz wydłużenie a - 38÷50%.

Znaczna plastyczność i ciągliwość miedzi sprawia, że źle obrabia się ona na obrabiarkach. Wobec tego, aby polepszyć obrabialność oraz zwiększyć twardość poddaje się ją procesowi zgniotu na zimno. Miedź ciekła pochłania dużą część gazów, które podczas krzepnięcia tworzą luki. Skutki zgniotu , które powstały przy obróbce plastycznej na zimno usuwa się podczas procesu wyżarzania w zakresie temperatur 560÷7500C w przeciągu 1-2 h. Po tym procesie zostają przywrócone pierwotne właściwości miedzi. W zależności od metody produkcji miedzi w handlu jest kilka jej gatunków, które różnią się zawartością 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.