Brąz

(CALOSC W ZALACZNIKU)



Białystok 14.04.2004



Brązy cynowe
Brązem nazywa się stop o zawartości min. 60%Cu, w którym zawartość cynku jest mniejsza niż innych dodatków. W skrótach jest opisany liczbowo tylko główny składnik stopu, np. SnBz4, G-AlBz9. Brązy cynowe, należą do stopów o bardzo dobrych własnościach, ale ze względu na deficytowość cyny zastosowanie ich jest ograniczane przez stopy zastępcze: mosiądze i brązy aluminiowe. Zastosowanie techniczne mają stopy układu Cu-Sn o zawartości <20% Sn. Maksymalna rozpuszczalność Sn w Cu w temp. eutektoidalnej 520C wynosi 15,8 % (faza a), przy czym zmniejsza się zarówno w wyższych, jak i w niższych temperaturach (bardzo gwałtownie <350C).

W części układu bogatej w Cu występują 3 przemiany eutektoidalne: w 586C (ok.
25 % Sn) faza elektronowa b (o stężeniu 3/2) ulega rozpadowi na mieszaninę a+g, w 520C
(27 % Sn) wtórny roztwór stały g rozpada się na mieszaninę a+d, natomiast w 350C (32>6 %
Sn) faza elektronowa d (o stężeniu 21/13) rozpada się na mieszaninę roztworu a i fazy
elektronowej e (o stężeniu 7/4). W technicznych warunkach studzenia stopów ta ostatnia
przemiana nie zachodzi-faza d jest trwała do temperatury otoczenia. Budowa fazowa w temperaturze otoczenia stopów technicznych ma więc charakter metastabilny odbiegający od stanu równowagi: do ok.10% Sn stopy zawierają ziarna fazy a, a powyżej 10% Sn -ziarna fazy a i eutektoidu a+d. Podobnie jak w mosiądzach, faza a jest miękka(HB@ 50) i plastyczna, a faza d twarda(HB@22O) i krucha.
Własności brązów cynowych zależą od zawartości Sn. Maksymalna wytrzymałość i wydłużenie mają stopy o zawartości Sn odpowiadającej w przybliżeniu granicznej rozpuszczalności, natomiast twardość powiększa się w sposób ciągły z zawartością Sn. Własności mechaniczne brązów cynowych są mniej zależne od temperatury niż własności mosiądzów(mogą pracować od ok..250oC). Ponadto są odporne na obciążanie dynamiczne, ścieranie i korozję. Do przeróbki plastycznej stosowane są stopy o zawartości <8% Sn. Odznaczają się dobrą podatnością do przeróbki na zimno, a gorszą na gorąco, domieszka fosforu w postaci fazy Cu3P (rozpuszczalność P w fazie a wynosi 0,2%) tworzy w układzie Cu-Sn-P eutektykę o temperaturze topnienia ok. 640C. Domieszka ta, występuje zawsze, ponieważ miedź fosforowa .stosowana jest jako odtleniacz brązu w nadmiarze. Zgniot powoduje silne umocnienie stopu (większe niż mosiądzów), np. przy zawartości 7% Sn zgniot 50% powiększa wytrzymałość na rozciąganie z 40 do 75 kG/mm2. Zależnie od wielkości umocnienia (zgniotu) wyróżnia się stany stopu: wyżarzony, twardy i sprężysty. Brązy cynowe w postaci prętów, rur, taśm lub drutu stosuje się na elementy wymagające dużej sprężystości i odporności na korozję (np. części przyrządów pomiarowych, membrany manometrów, sprężyny).

Zależność własności mechanicznych brązu w stanie wyżarzonym od zawartości cyny


O \'S V 15 20 25 % 30
zawartość Sn

Źródło: S.Prowans „Vademecum materiałoznawstwa”, str 375


Z brązów cynowych (CuSnlO) wykonuje się odlewy silnie obciążonych i pracujących na ścieranie części maszyn oraz części osprzętu parowego i wodnego. Najlepsze własności uzyskuje się w kutych na gorąco odkuwkach (przekuty wlewek) stosowanych na koła zębate lub wirniki pomp. Dodatek ok. l % P (brąz fosforowy) wyraźnie poprawia własności ślizgowe: twardość i odporność na ścieranie. Z brązu fosforowego (CuSnlOP) wykonuje się odlewy silnie obciążonych panewek i ślimacznic.
Do brązu cynowego wprowadza się jako dodatki stopowe również Zn i Pb. Cynk (<8%) wchodzi w skład roztworu-fazy a, polepsza lejność i powiększa własności wytrzymałościowe (dwukrotnie słabiej niż Sn), ale nie zapewnia odporności na podwyższone temperatury. Ołów (< 8%) występuje w postaci wtrąceń, polepsza skrawalność i własności. Ponadto Zn i Pb zabezpieczają przed mikroporowatością odlewu.
Brązy cynowo-cynkowe do przeróbki plastycznej (<5% Sn, <5% Zn i <5% Pb) stosowane są na sprężyny do aparatury pomiarowej oraz na tulejki i panewki łożyskowe,a brązy odlewnicze (<11%Sn, <7% Zn)-na obciążone części okrętowe i maszyn papierniczych, natomiast brązy zawierające dodatkowo <7% Pb - na części maszyn, osprzęt silników i pojazdów, tuleje łożyskowe i najczęściej na armaturę wodną i parową.
Brązy aluminiowe

Brązy aluminiowe należą do stopów konkurujących z brązami cynowymi zarówno ze względu na własności, jak i cenę. Zastosowanie techniczne mają stopy układu Cu-Al o zawartości <11% Al. Maksymalna rozpuszczalność Al w Cu w temperaturze 565C wynosi 9,8% i zmniejsza się. ze wzrostem temperatury, a z obniżeniem jest stała. Podczas krzepnięcia stopu przy zawartości 12% Al krystalizuje faza elektronowa g (stężenie 3/2) o zwężającym się zakresie egzystencji, trwała tylko do 565C. W tej temperaturze ulega eutektoidalnemu rozpadowi. Przemiana eutektoidalna fazy P w stopach Cu-Al łatwo ulega przechłodzeniu. Chłodzenie z szybkością większą od krytycznej powoduje bezdyfuzyjną przemianę martenzytyczną faz p i pt w metastabilną iglastą strukturę fł\' i Pi. Przemiana martenzytyczną zachodzi w warunkach chłodzenia ciągłego i izotermicznego. Nagrzewanie metastabilnych faz martenzytycznych powoduje, powrót do struktury równowagi. Przemiana martenzytyczna brązów aluminiowych umożliwia poddawanie stopów ulepszaniu cieplnemu. Hartowanie, dzięki dużej twardości faz martenzytycznych powoduje utwardzenie stopu, a odpuszczanie początkowo (<350C) powiększa nieznacznie wytrzymałość i plastyczność umacniającym wpływem podmikroskopowych wydzieleń faz przesycających, a przy wyższych temperaturach (>450C) zmniejsza wytrzymałość i wyraźnie poprawia plastyczność skutkiem koagulacji wydzieleń faz przesycających. Brązy aluminiowe najczęściej hartuje się od 900C, a odpuszcza w 4006000C przez 23 h.

Porównanie własności stopu (10% Al.) w stanie lanym i ulepszonym cieplnie

Stan lany ulepszony
Wytrzymałość na rozciąganie Rm kG/mm2 (MN/m2) Wydłużenie A % Twardość HB kG/mm2 (MN/m2) 55 (490) 15 110(1080) 75 (735) 5150 (1470)
Źródło: S.Prowans „Materiałoznawstwo”, Warszawa-Poznań, str. 379

Własności mechaniczne stopów jednofazowych (<8% Al) powiększa się przez odkształcenie plastyczne na zimno i wyżarzenie. Efekt umocnienia przez zgniot w stopach dwufazowych jest znacznie słabszy z powodu mniejszego udziału w strukturze plastycznej fazy a. Własności mechaniczne brązy aluminiowe utrzymują do ok. 300oC. Maja dobre własności ślizgowe i bardzo dużą odporność korozyjną zwłaszcza na działanie powietrza i wody morskiej. Odporność ta jest wynikiem działania warstewki Al2O3 na powierzchni stopu.
Odlewnicze brązy aluminiowe charakteryzują się dużą wytrzymałością statyczną, odpornością na podwyższone temperatury i na ścieranie oraz dużą odpornością na korozję. Wykonuje się z nich odlewy silnie obciążonych części takich jak koła zębate, wirniki, korpusy pomp dla przemysłu maszynowego, komunikacyjnego, okrętowego i chemicznego.



Brązy krzemowe

Odznaczają się dobrymi własnościami mechanicznymi w temperaturze otoczenia i w temp. do 300oC, w szczególności dobrą wytrzymałością zmęczeniową, dobrymi własnościami ślizgowymi, dużą odpornością na korozję, a przy tym dobrą skrawalnością i lejnością. Polepszenie skrawalności zapewnia dodatek ok. 0,4% Pb.

Brązy manganowe

Miedź i mangan tworzą nieograniczony roztwór stały, którego wytrzymałość i twardość powiększają się przy wzroście zawartości Mn do ok. 10% i utrzymują się do 400oC praktycznie nie zmienione. Stop o dwuskładnikowy o zawartości 5% Mn odporny na korozję i działanie pary przegrzanej używany do wyrobu armatury kotłowej. Stop z dodatkiem niklu odznacza się dużym oporem właściwym i małym współczynnikiem temperaturowym oporności. Stopy Cu-Mn, nie należące do właściwych brązów manganowych o zawartości 6075% Mn i dużej czystości bardzo silnie tłumią drgania mechaniczne, używane są na części precyzyjnych aparatów wymagających wytłumienia drgań wywołanych pracą silników, przekładni zębatych itp.

Brązy berylowe

Własności mechaniczne brązów berylowych tylko utwardzonych zgniotem, a zwłaszcza utwardzonych dyspersyjnie po zgniocie, są porównywalne z własnościami stali. Szczególnie cenną własnością stopów jest brak skrzenia wywołanego tarciem lub uderzeniem.

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 stosuje się na sprężyny amortyzatorów lotniczych, części niemagnetycznych aparatury precyzyjnej oraz narzędzia nieiskrzące młotki, przecinaki, klucze, kleszcze itp.) przeznaczone do pracy w pomieszczeniach zagrożonych wybuchem w przemyśle chemicznym, petrochemicznym i materiałów wybuchowych.

Brązy ołowiowe

Zasadniczą zaleta brązu ołowiowego jest mała wrażliwość łożysk na awaryjne przerwy w smarowaniu. Wzrost temp. łożyska w takich warunkach do ok. 330oC powoduje wytapianie ołowiu, którego kropelki przejmują funkcję smaru, zabezpieczając wał przed zatarciem czopów. Posiada własności ślizgowe i jest odporny na ścieranie.






BIBLIOGRAFIA

1. Stanisław Prowans, „Materiałoznawstwo”, Warszawa-Poznań 1977
2. Wilhelm Domke, „Vademecum materiałoznawstwa”,Warszawa 1977