Właściwości mechaniczne i fizykochemiczne czystej miedzi

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Właściwości mechaniczne i fizykochemiczne czystej miedzi.
Klasyfikacja stopów miedzi
Na czym polega choroba wodorowa miedzi
Dokładna charakterystyka mosiądzów
Wpływ Zn na właściwości czystej miedzi
Charakterystyka mosiądzów odlewniczych
Charakterystyka mosiądzów do obróbki plastycznej
Charakterystyka miedzio-niki
Ad.1. wersja1.
Miedź:










Dobra odpornośc korozyjna w wielu środowiskach
Siec SSC-plastyczna- łatwa do kształtowania – trudna do obrabiania
Jeden z najstarszych materiałów
Bardzo dobra elektryczna i cieplna przewodnośc, łatwa do spawania
Gęstośc 8,9g/cm3
Występuje w przyrodzie w postaci rodzimej i w rudach siarczkowych: błyszczu miedzi czyli
chalkozynie –Cu2S, bornicie Cu2FeS2, chalkopirycie CuFeS2, lub rudach tlenkowych np.
kuprycie Cu2O.
Uzyskiwana metodą pirometalurgiczną (przy zanieczyszczeniach w granicach 0,5-1%, po
uprzednim prażeniu związanym z odsiarczaniem u utlenianiem żelaza. Stężenie domieszek
można zmniejszyc stosując rafinację ogniową,
W związkach chemicznych jest jedno lub dwu wartościowa
Nie wykazuje odmian alotropowych
Krystalizuje w sieci ściennie centrowanej układu regularnego A1
Wersja 2
Miedź jest metalem barwy ceglastoczerwonej, o gęstości 8,96 g/cm³ i temperaturze topnienia
1083°C. Miedź metaliczna po wytopie i oczyszczeniu jest czerwono-brązowym, miękkim metalem o
bardzo dobrym przewodnictwie cieplnym i elektrycznym. Nie ulega na powietrzu korozji, ale reaguje
z zawartym w powietrzu dwutlenkiem węgla pokrywając się charakterystyczną zieloną patyną zwaną
grynszpanem szlachetnym. W środowisku o dużym stężeniu dwutlenku siarki zamiast zielonej patyny
pojawia się czarny nalot siarczku miedzi. Można ją przerabiać plastycznie na zimno i na gorąco, ale w
przypadku przeróbki na zimno następuje utwardzenie metalu (w wyniku zgniotu), które usuwa się
przez wyżarzenie rekrystalizujące (w temp. 400-600°C). Przeróbkę plastyczną na gorąco
przeprowadza się w temp. 650-800°C. Cennymi własnościami miedzi są wysoka przewodność
elektryczna i cieplna oraz odporność chemiczna (z tej przyczyny miedź określa się jako metal
półszlachetny). Miedź czysta zawiera 0,01-1,0% zanieczyszczeń, zależnie od rodzaju wytwarzania,
przetwarzania i oczyszczania. Za zanieczyszczenia uważa się takie pierwiastki jak: Bi, Pb, Sb, As, Fe, Ni,
Sn, Zn, oraz S.
Związki
Pięciowodny siarczan miedzi(II) CuSO4·5H2O ma własności odkażające, a bezwodny ma silne
własności higroskopijne i niekiedy stosowany jest do osuszania rozpuszczalników. Kompleksy miedzi
są trwałe, jednak dość łatwo jest zmieniać stopień utlenienia miedzi w takich kompleksach i dlatego
są one często stosowane jak katalizatory reakcji redoks. Związki miedzi(I) są trudnorozpuszczalne w
wodzie, natomiast wodne roztwory soli miedzi(II) z reguły mają barwę niebieską lub niebieskozieloną.
Zastosowanie miedzi
Miedź, obok żelaza odegrała wyjątkową rolę w rozwoju cywilizacji ludzkiej. Epoka brązu zawdzięcza
swoją nazwę jednemu ze stopów miedzi. Pierwiastek ten znany jest od starożytności, od kiedy to był
podstawowym składnikiem brązów. Jest masowo wykorzystywana jako surowiec do produkcji
przewodów elektrycznych i powszechnie w elektronice, a także w budownictwie (pokrycie dachów,
elementy różnych instalacji), jako barwnik szkła oraz katalizator. Miedź jest dodawana do wielu
stopów, zarówno do stali jaki i do stopów aluminium. Jest też dodawana do srebra i złota
poprawiając znacznie ich własności mechaniczne. Miedź z cyną, cynkiem, molibdenem i innymi
metalami przejściowymi tworzy cały zestaw stopów zwanych ogólnie brązami. Najbardziej znane z
nich to: udający złoto tombak i posiadający bardzo dobre własności mechaniczne oraz znaczną
odporność na korozję mosiądz. Stopy miedzi stosuje się do wyrobu kosztownej armatury, elementów
precyzyjnych urządzeń mechanicznych i w jubilerstwie.
Ad.2.
Stopy miedzi dzieli się na:


Odlewnicze
Przeznaczone do obróbki plastycznej
Nast. Grupy stopów miedzi:







Z cynkiem
Z cynkiem i ołowiem
Z cynkiem i niklem
Z niklem
Z cyną
Z aluminium
Inne pierwiastki stopowe których łączna zawartośc nie przekracza 5%
Stopy miedzi mogą by:


Dwuskładnikowe
Wieloskładnikowe
Mosiądze – zawierają Zn jako główny składnik
Miedzionikle – głównie Ni
Brązy – stopy miedzi zawierające dodatkowo ponad 2% dodatków stopowych ( dzieli się je na
cynowe, aluminiowe, berylowe i ołowiowe)
Ad.3.
Choroba wodorowa miedzi – szkodliwe zjawisko zachodzące w miedzi. Powyżej temperatury 380°C
tlen w miedzi występuje w postaci tlenku miedzi(I) Cu2O (poniżej znajduje się w postaci tlenku
miedzi(II) CuO). Wskutek wyżarzania następuje dyfuzja atomów wodoru w sieć krystaliczną tego
metalu. Atomy wodoru potrafią penetrować miedź na znaczne głębokości. Wodór w miedzi reaguje z
zawartym w niej tlenkiem miedzi, w której to reakcji wydziela się para wodna:
Cu2O + H2 = 2Cu + H2O
Para wodna, która nie będąc w stanie wydostać się na zewnątrz, gromadzi się wewnątrz struktury
krystalicznej, wytwarzają znaczne ciśnienie, które powoduje powstawanie mikropęknięć i naderwań.
Choroby wodorowej można uniknąć poprzez użycie miedzi nie zawierającej tlenu lub przez
wyżarzanie w atmosferze nie zawierającej wodoru i jego łatwo rozkładających związków
Ad.4.
Mosiądz - stop miedzi i cynku zawierający do 40% tego metalu. Mosiądze mogą zawierać także
dodatki takich metali jak ołów, aluminium, cyna, mangan, żelazo i chrom oraz krzem. Topi się w
temperaturze ok. 1000°C (zależnie od gatunku).
Mosiądz ma kolor żółty (złoty), lecz przy mniejszych zawartościach cynku zbliża się do naturalnego
koloru miedzi. Stop ten jest odporny na korozję, ciągliwy, łatwy do obróbki plastycznej. Posiada
dobre właściwości odlewnicze.
Mosiądze stosuje się na wyroby armatury, osprzęt odporny na wodę morską, śruby okrętowe,
amunicja, okucia budowlane, np. klamki. Na elementy maszyn w przemyśle maszynowym,
samochodowym, elektrotechnicznym, okrętowym, precyzyjnym, chemicznym. Ważnym
zastosowaniem mosiądzu jest produkcja instrumentów muzycznych. Jest on wytrzymalszy od brązu,
ponieważ zawiera cynk nadający mu twardość. Jest on bardzo przydatny do obróbki plastycznej na
zimno, np. podczas produkcji łusek amunicji. Mosiądz dostarczany jest w postaci sztab do odlewania
lub prętów, drutów, blach, taśm i rur. Klasyfikacje i składy mosiądzów podaje Polska Norma PN-xx/H87025
Ze względu na skład mosiądze dzieli się na:



Mosiądze dwuskładnikowe - M95 (CuZn5), M90 (CuZn10), M85 (CuZn15), M80 (CuZn20),
M75 (CuZn25), M70 (CuZn30), M68 (CuZn32), M63 (CuZn37), M60 (CuZn40).
Mosiądze ołowiowe - zawierające dodatki ołowiu. Ołów dodawany jest w celu polepszenia
skrawalności materiału. Do mosiądzów ołowiowych należą MO64 (CuZn34Pb3), MO62
(CuZn36Pb1.5), MO61 (CuZn36Pb3), MO58A (CuZn39Pb2), MO58b (CuZn40Pb2), MO58
(CuZn40Pb2) oraz także odlewnicze MO60 (CuZn38Pb1.5), MO59 (CuZn39Pb2),.
Mosiądze specjalne - zawierają dodatki takich pierwiastków jak cyna, aluminium, mangan,
żelazo, krzem lub/i nikiel. Należą do nich:
o Mosiądze cynowe - MC90 (CuZn10Sn), MC70 (CuZn28Sn), MC62 (CuZn38Sn),
o Mosiądze aluminiowe - MA77 (CuZn20Al2), MA59 (CuZn36Al3Ni2) i także odlewnicze
MA58 (CuZn38Al3Mn2Fe) i MA67 (CuZn38Al3)
o Mosiądze manganowe - MM59 (CuZn40Mn), MM57 (CuZn40FeMnSnAl), MM56
(CuZn40Mn3Al) oraz odlewnicze MM47 (CuZn43Mn4Pb3Fe), MM55 (CuZn40Mn3Fe),
MM58 (CuZn38Mc2Pb2),
o Mosiądz niklowy - MN65 (CuZn29Ni6).
o Mosiądz krzemowy - MK80 (CuZn16Si3) stosowany także jako odlewniczy.

Mosiądze wysokoniklowe - to stopy miedzi, cynku i niklu z dodatkiem manganu. Ze względu
na srebrzysty kolor stop ten popularnie nazywany jest "nowym srebrem" lub argentanem.
Stop ten ma bardzo dobre własności sprężyste i oporność na korozję - MZN18 (CuNi18Zn27),
MZ20N18 (CuNi18Zn20), MZN15 (CuNi15Zn21), MZN12 (CuNi12Zn24). Mosiądze
wysokoniklowe używane są na części sprężyste, okucia i wyroby jubilerskie. Ponieważ po
wypolerowaniu przypominają kolorem srebro, używane są do produkcji cukiernic, pater,
kielichów, sztućców i innych przedmiotów ozdobnych.
W normalnych warunkach eksploatacji mosiądz wykazuje dobrą odporność na korozję atmosferyczną
i w wodzie. Jednak w miękkiej, zawierającej chlor wodzie mosiądz podlega procesowi odcynkowania.
Mosiądz jest także narażony na mechanizm korozji zwany sezonowym pękaniem.
Ad.5.
wytrzymałośc mosiądzów
zawierających ok. 30-45% Zn
zwiększa się przy nieznacznym
zmniejszeniu plastyczności; wiąże
się to z obecnością fazy B(beta) w
mosiądzach dwufazowych i dlatego
można obrabiac je plastycznie
wyłącznie na gorąco. Mosiądze
dwufazowe obrabia się na gorąco w
temperaturze, w której wykazują
one strukturę jednofazową B(beta).
Ad.6.
Dwuskładnikowe mosiądze odlewnicze o zawartości najczęściej 38÷40% Zn mają strukturę
dwufazową, w stanie lanym dendrytyczną, a po ujednorodnieniu-komórkową. Odznaczają się dobrą
lejnością, ale przetapianie połączone jest ze znaczną stratą cynku (temperatura wrzenia Zn jest niższa
od temperatury topnienia stopu). Rozdrobnienie struktury i własności mechaniczne odlewów zależą
od szybkości krystalizacji. Z tego powodu odlewy kokilowe mają wytrzymałość i twardość o 5÷15%
większe, a ciągliwość mniejszą od odlewów z form piaskowych (np. minimalne wartości dla mosiądzu
CuZn39Pb2 wynoszą: Rm=25 kG/mm2, As = 12%, HB=70 dla odlewu piaskowego, zaś Rm=27
kG/mm2, As = 18% i HB=100 dla odlewu kokilowego). Ze względu na odporność korozyjną
najważniejszym zastosowaniem mosiądzów odlewniczych jest armatura sanitarna, gazowa i
hydrauliczna nisko-i wysokociśnieniowa (do 30 at).
Ad.7.
Mosiądze do przeróbki plastycznej
Zastosowanie dwuskładnikowych stopów tej grupy, uzależnione od własności mechanicznych (od
zawartości Zn) jest następujące:
4% Zn- rurki chłodnicowe, rurki włoskowate, łuski amunicji małokalibrowej,
10% Zn- blachy do platerowania,
15÷20% Zn- wyroby artystyczne, wężownice, membrany manometrów, siatki,
30÷32% Zn- blachy do głębokiego tłoczenia, łuski pocisków, rury skraplaczy pary,
37% Zn- rurki chłodnic samochodowych, rury skraplaczy,
40% Zn- elementy kute i prasowane na gorąco, śruby z wygniatanym gwintem.
Do głębokiego tłoczenia nadaje się najlepiej mosiądz o zawartości 30 % Zn. Tłoczność blachy jest tym
lepsza, im bardziej drobnoziarnistą ma ona strukturę, przy czym im cieńsza jest blacha, tym
drobniejsze powinno być ziarno. Nadmierna gruboziarnistość skutkiem indywidualnego wpływu
anizotropii wydłużenia poszczególnych ziaren powoduje charakterystyczną chropowatość
powierzchni-wadę wyrobów tłoczonych.
W zależności od wymaganych własności mechanicznych, zastosowanie po obróbce plastycznej na
zimno wyżarzania rekrystalizującego zapewnia stan miękki, natomiast bez tego zabiegu-stan
umocniony o powiększonych wartościach Rm i Re. Zależnie od wartości umocnienia (zgniotu)
wyróżnia się stany: wyżarzony, półtwardy, twardy i sprężysty.
Ad.8.
Miedzionikle – stopy miedzi i niklu, które mogą zawierać także takie dodatki stopowe jak krzem,
żelazo, aluminium lub mangan. Miedzionikle charakteryzują się dobrą wytrzymałością,
żaroodpornością i odpornością na korozję. Miedzionikle posiadają dobre własności oporowe.
Miedzionikle dostarczane są jako wyroby po obróbce plastycznej w postaci blach, drutów, prętów,
taśm i rur. Składy miedzionikli specyfikuje Polska Norma PN-xx/H-87052.
Miedzionikle dzielą się na:






Miedzionikle dwuskładnikowe – MN5 (CuNi5), MN19 (CuNi19) i MN25 (CuNi25), stosowane
na wyroby specjalne i monety.
Miedzionikle żelazo-manganowe – MNZ51 (CuNi5FeMn) i MNZ101 (CuNi10FeMn),
stosowane na rurociągi dla płynów korozyjnych.
Miedzionikle manganowo-żelazowe – MNM201 (CuNi20MnFe) i MNM301 (CuNi30MnFe) –
instalacje klimatyzacyjne.
Miedzionikle manganowe – MNM401 (CuNi40Mn) i MNM441 (CuNi44Mn) stosowane na
elementy oporowe, termoelementy i elementy lamp próżniowych.
Miedzionikiel aluminiowy – MNA62 (CuNi6Al2) stosowany na elementy specjalne w
przemyśle maszynowym i okrętowym.
Miedzionikiel krzemowo-manganowy – MNK31 (CuNi3SiMn) stosowany na elementy
sprężyste.