Charakterystyka brązu. Czym cechuje się ten materiał?

0
464
Charakterystyka brązu. Czym cechuje się ten materiał?

Wśród stopów metali kolorowych szczególnie wyróżniają się stopy miedzi, które mogą uzyskiwać zróżnicowane właściwości i być przydatne w szerokiej gamie zastosowań. Dotyczy to zwłaszcza rozmaitych brązów odlewniczych, które dzięki swoim cechom są bezkonkurencyjne, gdy niezbędna jest np. wysoka odporność na ścieranie, sprężystość czy wytrzymałość na korozję. Poznaj więcej właściwości brązów i dowiedz się, gdzie i w jaki sposób są wykorzystywane.

Wykorzystywanie brązów

Brązami są nazywane te stopy miedzi, w których głównym dodatkiem jest pierwiastek inny niż cynk oraz nikiel. W przypadku cynku stopy miedzi są bowiem nazywane mosiądzami, a te z dodatkiem niklu – miedzioniklami. Brąz może więc poza miedzią zawierać przynajmniej 2% aluminium, cynku, krzemu, ołowiu, manganu, berylu, kobaltu lub tytanu. Jeśli zawartość dodatku będzie niższa, powstający stop określa się jako miedź stopową – przykładem może tu być miedź chromowa, cyrkonowa czy arsenowa.

Warto pamiętać, że wprowadzanie do stopów innych dodatków ma stosunkowo krótką historię w porównaniu z brązem będącym mieszanką miedzi i cyny oraz wiąże się z gwałtownym rozwojem metalurgii. Pierwsze używane brązy były najprawdopodobniej naturalnymi rudami polimetalicznymi zawierającymi zarówno miedź, jak i cynę, choć bardzo wcześnie wykorzystywano też rudy, w których składzie występowała wyłącznie miedź. Wraz z odkryciem i doskonaleniem technik metalurgicznych oraz postępami w obróbce złota zaczęto coraz powszechniej wytapiać i obrabiać czystą miedź, a następnie także cynę.

Celowe łączenie obu metali rozpoczęło się około 2500 lat p.n.e., kiedy to zaczęto masowe wytapianie stopu zawierającego do około 90% miedzi i 10% cyny, a także sporą ilość zanieczyszczeń. Służył on głównie do produkcji pierwszych narzędzi – początkowo związanych z polowaniem noży i grotów, a wkrótce także z zastosowaniami gospodarczo-rolniczymi, a więc siekierek i sierpów. Wykorzystywanymi wówczas rudami były najprawdopodobniej bogaty w miedź chalkozyn i zawierający dużą ilość cyny kasyteryt.

Wczesna metalurgia rozwijała się bardzo szybko, obejmując produkcję znacznie bardziej skomplikowanych przedmiotów w postaci elementów uzbrojenia – tarcz, mieczy, hełmów – ale także naczyń. Ze względu na zalety stopów miedzi ich wykorzystywania nie zahamowało nawet wynalezienie obróbki żelaza, choć od tego momentu zmienił się profil zastosowania brązów.

Współczesne zastosowania brązów odlewniczych obejmują głównie elementy wykorzystywane w przemyśle maszynowym i są dość ograniczone ze względu na stosunkowo wysoką cenę. Do najważniejszych elementów wykonywanych z różnych stopów należą m.in. mocno obciążone części maszyn produkowane z brązów cynowych, elementy narażone na korozję wytwarzane z brązów aluminiowych, elementy sprężyste oraz nieiskrzące powstające z brązów krzemowych czy części, które muszą odznaczać się bardzo wysoką wytrzymałością, robione z brązów berylowych, a także podzespoły wymagające bardzo niskiego tarcia uzyskiwane z brązów ołowiowych.

Wyroby z brązu powstają w wyniku różnych rodzajów obróbki. Znaczna część jest wytwarzana przy wykorzystaniu brązów odlewniczych – dobrym przykładem są tu stopy wg normy PN-EN 1982 CuSn10Pb10/B CB495K czy CuAl10Fe3Mn2, które najczęściej są oferowane w postaci kęsów lub sztab. Umożliwiają one uzyskiwanie detali o dużym stopniu skomplikowania za sprawą wykorzystania odpowiednich form, bardzo dokładnego wyliczenia możliwego skurczu wpływającego na dokładność wymiarową oraz możliwość pojawienia się różnego rodzaju wad.

Znaczna część brązów jest przeznaczona do obróbki plastycznej. Stopy tego rodzaju wykonane wg normy PN-H-87050 mają na ogół mniej składników niż brązy odlewnicze, a przykładami tego rodzaju materiałów mogą być CuSi3Mn1 i CuSn8. Podobnie jak inne metale obrabiane metodami plastycznymi są zwykle oferowane w postaci prętów, blach, taśm lub drutów. Elementy płaskie są najczęściej poddawane gięciu oraz różnego rodzaju cięciu, w tym także za pomocą wykrojników, ale również tłoczone. Pręty mogą być też obrabiane przy pomocy kucia swobodnego i wyciskania, jednak znakomicie nadają się także do obróbki ubytkowej. Bardzo złożone detale wykonane z brązu są wytwarzane w procesach toczenia i wytaczania – np. wszelkiego rodzaju pierścienie łożysk, panewki, wałki i koła zębate, jak również frezowane. Stopy brązu dostępne m.in. w ofercie hurtowni metali nieżelaznych w Zielonce koło Bydgoszczy – w zależności od rodzaju – nadają się także do obróbki cieplnej, poddaje się je różnym rodzajom hartowania i odpuszczania.

Rodzaje brązów i ich zastosowania

Brązy cynowe to stopy będące znacznym rozwinięciem możliwości, jakie dawały pierwsze odlewy wykonywane jeszcze w czasach starożytnych. Brązy cynowe są połączeniem miedzi z dodatkiem od 2 do 8% cyny. Pozwala ona na znaczne podniesienie wytrzymałości stopu oraz podwyższenie jego granicy plastyczności. Maksymalnym progiem, jeśli chodzi o górną zawartość cyny, w stopie jest jej 20%, ponieważ po przekroczeniu tej wartości własności mechaniczne ulegają gwałtownemu pogorszeniu.

Brązy cynowe występują jako stopy odlewnicze – ich cechą charakterystyczną jest mały skurcz poniżej 1%, który znacznie zmniejsza ryzyko występowania wad odlewniczych np. jam skurczowych oraz tzw. rzadzizn. Zazwyczaj dodatek cyny w stopach odlewniczych wynosi do 10%, często znajduje się w nich też od 1 do 1,2% fosforu, a także cynku, co korzystnie wpływa na właściwości materiału, ułatwiając obróbkę metalurgiczną.

Brązy cynowe mogą też zawierać dodatek ołowiu poprawiającego podatność na obróbkę skrawaniem, fosfor, który poza cechami odlewniczymi poprawia także twardość oraz odporność na ścieranie. W brązach, które mają być poddawane obróbce plastycznej, często znajduje się 4–6% dodatek cyny, zwykle są też poddawane obróbce cieplnej w postaci wyżarzania. Jeśli zawartość cyny jest niższa, możliwa będzie także obróbka na zimno.

Brązy cynowe można utwardzać przez zgniot, co znacznie zwiększa wytrzymałość mechaniczną stopu dzięki zmianie struktury wewnętrznej. Stopy tego rodzaju wykazują się wysoką odpornością na korozję, mogą więc być stosowane środowiskach, gdzie mają kontakt z chemikaliami albo wodą morską. Brązy cynowe są używane do produkcji armatury przeznaczonej do instalacji przesyłających agresywnie związki chemiczne, wodę i gazy, również w kotłach parowych. Sprawdzają się też m.in. jako materiał na ślimaki, łożyska, oraz sita. Przeznacza się je również na elementy napędów, które muszą pracować przy słabym smarowaniu.

Brązy aluminiowe to połączenie miedzi z glinem, którego zawartość waha się na ogół od 5 do 11%. Wyższa zawartość aluminium, przekraczająca 10% wpływa korzystnie na zwiększenie ich wytrzymałości. Stopy o dużej zawartości aluminium są używane jako odlewnicze, choć charakteryzują się wyższym skurczem niż brązy cynowe – tu wynosi on aż 2%. Przy mniejszej ilości aluminium stopy są przeznaczane do obróbki plastycznej, zwykle na ciepło.

Brązy aluminiowe mogą być poddawane ulepszaniu cieplnemu – hartowaniu w 850–950°C i odpuszczaniu w mniej niż 550°C. Stopy z glinem mogą zawierać również inne dodatki – wśród nich pojawiają się żelazo, nikiel i mangan. Brązy aluminiowe cechuje bardzo dobra odporność na korozję, lecz niezbyt duża na podwyższoną temperaturę, granicą użytecznych temperatur, w jakich można je stosować, będzie 300°C. Są również wytrzymałe na ścieranie. Z brązów aluminiowych wytwarza się m.in. śruby okrętowe, pędniki, a także korpusy maszyn i urządzeń np. obudowy skrzyń biegów. Są używane do produkcji bloków silników spalinowych, powstają z nich ślizgi i łożyska, a także koła zębate oraz wałki i niektóre elementy złączne.

Brązy krzemowe powstają przez wprowadzenie do miedzi około do 3–4,5% krzemu i są często używane jako zamiennik droższych brązów cynowych. Jako dodatki wpływające na poprawę właściwości mechanicznych stosuje się w nich także domieszki cynku, żelaza i manganu czy niklu. Wśród zalet brązów krzemowych znajdują się bardzo wysoka sprężystość, wytrzymałość na korozję, a także znakomita wytrzymałość mechaniczna.

Brązy krzemowe wyróżniają się dobrymi własnościami ślizgowymi oraz wysoką skrawalnością, co ułatwia ich obróbkę. Mogą być stosowane jako stopy odlewnicze, ponieważ krzem funkcjonuje w nich jako odtleniacz o bardzo silnym działaniu, choć jednocześnie charakteryzują się znacznym skurczem wynoszącym 1,6%. Poddaje się je obróbce cieplnej – wyżarzaniu ujednorodniającemu oraz odprężającemu, a po obróbce plastycznej na zimno również rekrystalizującym, pozwalającemu na odbudowanie pierwotnej struktury. Mogą być używane jako materiał do wytwarzania instalacji i aparatury chemicznej, a także do produkcji części maszyn i urządzeń – sprężyn, łożysk i części pomp.

Brązy ołowiowe mogą zawierać do 35% tego dodatku, a w ich skład wchodzi również mangan i nikiel, które zmniejszają makrosegregację grawitacyjną ziaren miedzi i ołowiu, zapobiegając zmianie właściwości stopu wskutek dużych różnic gęstości obu metali. Jako dodatki stopowe używana jest również cyna oraz cynk, które pozwalają na zwiększenie twardość. Brązy ołowiowe nie mogą być poddawane obróbce termicznej. Stosuje się je najczęściej do produkcji panewek łożysk ślizgowych, które nie są silnie obciążane osiowo.

Brązy berylowe są stopami miedzi z berylem, którego zawartość nie przekracza 2,1%. W ramach dodatków stopowych występują także kobalt, nikiel oraz tytan, które obniżają koszty produkcji, umożliwiając zachowanie podstawowych właściwości brązu. Cechami charakterystycznymi brązów berylowych jest przede wszystkim wysoka wytrzymałość mechaniczna, znakomita odporność na ścieranie oraz na występowanie korozji. Ich ważną właściwością jest brak iskrzenia. Wykazują się także dobrą przewodnością elektryczną oraz cieplną.

Brązy berylowe mogą być dodatkowo utwardzane przez zgniot. Nadają się nie tylko do obróbki plastycznej na zimno, lecz również na ciepło. Mogą być utwardzane za sprawą obróbki cieplnej i przesycania oraz starzenia. Brązy berylowe są wykorzystywane jako materiał do produkcji urządzeń elektrycznych i ich elementów – szczotek do silników, fragmentów trakcji elektrycznej, a ponadto sprężyn i gniazd zaworowych. Używa się ich przy wytwarzaniu narzędzi nieiskrzących, jak również elementów przeznaczonych do użytku w strefach zagrożonych wybuchem czy części pomp.

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Please enter your comment!
Please enter your name here