Slitiny mědi

Měď tvoří základní prvek ve velmi rozmanitém okruhu slitin. Je-li nutno u součásti lepších vlastností, je třeba pouţít slitiny mědi s vhodnými přídavnými prvky. Slitiny se často vyuţívají pro jejich zvláštní mechanické, frikční, fyzikální, antikorozní a jiné vlastnosti, které u jiných druhů slitin nejsou dostupné.

Slitiny mědi se dle hlavního legujícího prvku dělí do dvou základních skupin – na bronzy a mosazi. Některé slitiny se určují podle názvu hlavních prvků – např.

mědinikl, chromová měď, nebo se pouţívají speciální názvy pro slitiny určitého

19 Mosaz

Mosazi tvoří asi 80% všech slitin mědi. Nejrozšířenější mosazí jsou mědi obsahující mezi 5 aţ 40% zinku a kromě toho často další přídavné prvky (Al, Mn, Ni, Pb, Si atd.). Přidáním určitých legujících prvků má příznivý vliv na mechanické vlastnosti nebo korozní odolnost mosazi. Ţelezo se přidává do mosazi, protoţe působí jako krystalizační zárodky, tudíţ zjemňuje velikost zrna a zpevňuje matrici.

Obsah ţeleza je maximálně do 0,5%. Pro zvýšení houţevnatosti a odolnosti proti korozi se přidává nikl. Obsah niklu v mosazi je do 1%, výjimečně vyšší.

Mangan zvyšuje mechanické vlastnosti a odolnost proti korozi. Přidává se ho do 0,2 aţ 0,5%, u legovaných mosazí bývá aţ do 5%. Cín se přidává za účelem zvýšení zabíhavosti taveniny, pevnosti slitiny a zlepšení chemické odolnosti obzvláště proti mořské vodě. Obvyklý obsah do 0,5 aţ 1% Sn. Hliník nejčastěji bývá obsaţen ve slitinách určené pro kokilové lití. Zvyšuje odolnost proti korozi armaturních odlitků a zabraňuje zatuhnutí pohyblivých dílů. Antikorozní účinek hliníku souvisí s tvorbou vrstvy Al2O3 na povrchu součástí. Na druhou stranu hliník v důsledku tvorby oxidů zhoršuje slévárenské vlastnosti a způsobuje porezitu odlitků. Při lidí to písku je obsah hliníku pod 0,1%. Obvyklý obsah je 0,15 aţ 0,3% hliníku a u speciálních mosazí do 3%. Přidáním olova do mosazi se vytvoří slitiny nazývající automatové mosazi, které obsahují aţ do 3% Pb. Olovo zlepšuje obrobitelnost, ale sniţuje houţevnatost, proto běţný obsah olova v mosazi je kolem 1%. Nepříznivý vliv na vlastnosti mosazí mají křemík, selen, telur, antimon, síra a některé další prvky. Jejich obsah je limitován pod hodnotu 0,01%. [3,6,7,10]

Binární diagram slitin mědi se zinkem je na obr. 2.5. Jde o poměrně komplikovaný diagram, který obsahuje pět peritektických reakcí, při kterých vznikají intermetalické fáze β, γ, δ, ε, a η. Zinek tvoří s mědí substituční tuhý roztok α(Cu), s maximální rozpustností 32,5% Zn při teplotě 903°C. S klesající teplotou rozpustnost zinku roste aţ na hodnotu 39%Zn při teplotě 456°C. Při dalším sniţování teploty se změna rozpustnosti na struktuře neprojeví. Fáze α se vykazuje kubickou plošně centrovanou mříţkou a má tedy dobré plastické vlastnosti. Fáze β se objevuje v mosazi s obsahem více neţ 38% zinku a vlastní kubickou prostorově centrovanou mříţku. Vysokoteplotní fáze β je velmi houţevnatá a umoţňuje tváření za tepla.

Fáze β tvoří neuspořádaný tuhý roztok na bázi elektronové sloučeniny CuZn

20

a v rozmezí teplot 468 aţ 456°C se transformuje na pravidelně uspořádanou fázi β´.

Fáze β´je křehká a sniţuje houţevnatost. Mosaz, která je tvořena pouze fází β´je technicky nepouţitelná, proto obsah mědi v této slitině obvykle přesahuje 55%. [3,6,7,10]

Obr. 2.5 Rovnovážný diagram mosazi (Cu – Zn) [7]

Podle chemického sloţení se dělí na dvousloţkové a vícesloţkové a podle způsobu zpracování na tvářené a slévárenské. Vliv zinku na pevnost a taţnost mosazi je na obr. 2.6. S rostoucím obsahem zinku se zvyšuje pevnost i taţnost slitiny.

Mosaz dosáhne maximální pevnost při 46% zinku, ale maximální taţnosti lze ovšem dosáhnout při 32% zinku. [3]

Obr. 2.6 Vliv zinku na pevnost a tažnost mosazi v měkkém stavu [3]

21

Slitiny obsahující měď nad 80% se nazývají tombaky a lze je tvářením za studena zpevnit aţ na Rm ≈ 600 MPa. Tombaky jsou vhodné pro povrchové úpravy a mají dobrou korozní odolnost. Pouţívají se na měřicí přístroje, síta a biţuterii. Hlubokotaţná mosaz s obsahem 30 aţ 33% zinku se pouţívá pro výrobu nábojnic, hudebních nástrojů, v chemickém a potravinářském průmyslu. Automatová mosaz obsahuje 37 aţ 42% zinku a 1 aţ 4% olova. Zpracovávají se na obráběcích automatech a pouţívají se pro výrobu šroubů, tlakových ventilů atd. Zvláštním druhem mosazi je niklová mosaz (pakfong) s 58 aţ 60% mědi, s 8 aţ 20% niklu a zbytek tvoří zinek. Od běţné mosazi se liší vzhledem, protoţe nikl dává pakfongu stříbřitou barvu.

Slévárenské mosazi jsou zpravidla heterogenní a pouţívá se jich podstatně méně neţ mosazí tvářených. Obsahují 25 aţ 39% zinku. Často se tyto slitiny legují prvky Mn, Ni, Pb, Al a Sn pro zlepšení obrobitelnosti. Slitiny na bázi prvků CuZn(Sn, Pb) se nazývají jako „ţlutá mosaz“ a slitiny obsahující vysoký podíl manganu (10 aţ 20%) jako „bílá mosaz“. Jejich mechanické vlastnosti jsou podstatně horší neţ u mosazí tvářených. Mají dobrou zabíhavost a malý sklon ke vzniku ředin.

Vykazují se značným lineárním smrštěním, které činí cca 1,5%. Slévárenské mosazi se pouţívají pro výrobu vodovodních armatur, součástí čerpadel, pouzder, součástí, pracujících v prostředí solných roztoků. [3,6,7,10]

Bronzy

Stejně jako mosazi mohou být bronzy binární nebo vícesloţkové.

Homogenní bronzy jsou určené pro tváření a heterogenní se zpracovávají sléváním.

Nejpouţívanější odlévací technologií je lití do pískových forem. Poměrně nízká licí teplota umoţňuje i gravitační neb odstředivé lití do kovových forem. Tlakové lití se pouţívá jen výjimečně. [3,6,7,10]

Cínové bronzy

Cínové bronzy jsou nejstarším druhem pouţívaných bronzů. Obsahují legující prvek cín v mnoţství aţ do cca 22% Sn. Někdy obsahují do 2% Ni a do 0,5 aţ 1%

Pb. Přidáním niklu se zlepšují slévárenské vlastnosti a odolnost proti korozi.

22

Olovo zlepšuje obrobitelnost bronzu a podporuje samomazací schopnost loţisek.

Bohuţel pevností a plastické vlastnosti olovo sniţuje. Rovnováţný diagram slitin mědi s cínem je na obr. 2.7. [3,6,7,10]

Obr. 2.7 Rovnovážný diagram cínového bronzu (Cu – Sn) [7]

Rozpustnost cínu v tuhém roztoku α(Cu) je omezena a docílí největší teoretické hodnoty 15,8% Sn při teplotě 520°C. Rozpustnost cínu v tuhém roztoku s klesající teplotou klesá, při pokojové teplotě je zanedbatelná. Fáze α(Cu) má kubickou plošně centrovanou mříţku a disponuje dobrými plastickými vlastnostmi. Vysokoteplotní fáze β a γ mají kubickou prostorově centrovanou mříţku s poměrně dobrými plastickými vlastnostmi. Cínové bronzy, které obsahují fázi β a mají do 15%Sn, je moţné tvářet za tepla v rozmezí teplot 650 aţ 750°C.

Elektronová sloučenina Cu31Sn8 je obsaţena ve fázi δ se sloţitou kubickou mříţkou, která vzniká při ochlazování eutektoidní transformace fáze β resp. γ. Díky velké mikro segregaci cínu se fáze γ vylučuje na hranicích zrn fáze α. Tato fáze je křehká a tvrdá a poskytuje cínovému bronzu dobrou pevnost a vynikající kluzné vlastnosti.

Pod teplotou 450°C při běţných podmínkách ochlazování nedochází k dalším transformacím a za normální teploty je struktura tvořena směsí fáze α a fáze

23

eutektoidní (α+δ). Tato strukturní sloţka vede k nárůstu tvrdosti a pevnosti, ale klesá houţevnatost. Křehkou eutektoidní sloţku lze odstranit dlouhodobým ţíháním při teplotě 500°C u slitin s obsahem cínu do 10%. Vliv cínu na základní mechanické vlastnosti je na obr. 2.8. [3,6,7,10]

Obr. 2.8 Vliv cínu na pevnost a tažnost cínových bronzů (Cu-Sn) v měkkém stavu [3]

Cínové bronzy s homogenní strukturou a obsahem cínu do 9% jsou určené na tváření. S malým obsahem cínu se pouţívají v elektrotechnice. Na namáhaná kluzná loţiska a pruţiny se pouţívají slitiny s 6 aţ 9%Sn. Heterogenní slitiny s obsahem 10 aţ 12% Sn jsou slévárenské. Disponují dobrou pevností, houţevnatostí, kluznými vlastnostmi a odolnosti proti korozi. Přidáme-li do této slitiny 5 aţ 10% olova, zlepšíme její jiţ tak dobré kluzné vlastnosti. Pouţívají se na velmi namáhané armatury, kluzná loţiska atd. Speciální cínové bronzy tzv. zvonovina, která obsahuje kolem 22% cínu, je pruţný a velmi tvrdý bronz pro výrobu zvonů. Vysoce leštěný bronz pro optická zrcadla se nazývá zrcadlovka, která obsahuje cca 33% Sn. [3,6,7,10]

Červené bronzy

Jsou to méně ušlechtilé slitiny, které vznikají částečnou náhradou cínu u cínových bronzů zinkem. Mají dobré slévárenské a kluzné vlastnosti, přidáním olova se zlepšuje obrobitelnost. Pouţívají se na méně namáhané odlitky armatur nebo jako umělecké sochy. [3,6,7,10]

24 Hliníkové bronzy

Jedná se o slitiny obsahující aţ 12% Al s výbornými mechanickým vlastnostmi, vysokou odolností proti únavě, opotřebení, korozní odolností a odolností proti kavitaci. Vliv obsahu hliníku ve slitině na pevnost a taţnost je na obr. 2.9.

Další hlavními legujícími prvky jsou ţelezo, mangan a nikl. Hliníkové bronzy z hlediska chemického sloţení mohou být binární nebo polykomponentní, [3,6,7,10].

Obr. 2.9 Vliv hliníku na pevnost a tažnost hliníkových bronzů [5]

V binárním diagramu Cu-Al (obr. 2.10) je velmi úzký interval mezi teplotami likvidu a solidu. Díky tomu je velký sklon k tvorbě soustředěných staţenin a nutnost velmi masivního nálitkování. Na druhé straně je zanedbatelný sklon k tvorbě rozptýlených staţenin a ředin. Struktura odlitků je kompaktní a mají dobrou těsnost.

Rozpustnost hliníku v mědi je maximální při eutektické teplotě 1048°C a má hodnotu 7,4% Al. Fáze α je substitučním roztokem s kubickou plošně centrovanou mříţkou a disponuje s velmi dobrými plastickými vlastnostmi. Během ochlazování se rozpustnost hliníku zvyšuje na maximálních 9,4% Al při eutekttoidní teplotě 565°C. Fáze β ve struktuře vzniká po překročení maximální rozpustnosti, která se při pomalém ochlazování transformuje při eutektioidním rozpadu na eutektoid (α+γ2). Fáze γ2 je elektronová sloučenina Cu9Al4, která je tvrdá a křehká. Vlivem fáze γ2 je růst tvrdosti slitiny a zároveň pokles houţevnatosti s rostoucím obsahem hliníku nad 10%Al velmi strmý. Tudíţ slitina při obsahu 14%

Al je velmi křehká, obtíţně obrobitelná a pro běţné technické účely nevhodná.

Při velmi rychlém ochlazení z homogenní fáze β dochází k transformaci za vzniku neuspořádané fáze β´, [3,6,7,10].

25

Obr. 2.10 Rovnovážný diagram hliníkového bronzu (Cu-Al) [18]

Struktura v litém stavu je tvořena směsí fáze α a eutektoidu (α+γ2), který vznikl rozpadem vysokoteplotní fáze β. Ve slitinách, kde se objevuje obsah niklu, je fáze γ2 nahrazena vícesloţkovou fází κ, obsahující Fe, Ni a Al.

Norma EN ČSN 1982 uvádí 5 druhů hliníkových bronzů. Tyto bronzy mají obsah hliníku v rozmezí od 8 aţ 11% Al, které se liší především obsahem legur Fe, Mn a Ni. Ţelezo do 3% zjemňuje strukturu a precipitačně zpevňuje matrici slitiny.

Mangan zuţuje oblast fáze α. Současně zvyšuje pevnost a zlepšuje odolnost proti korozi. Obsah manganu je maximálně do 3%. Nikl zvyšuje mechanické vlastnosti díky precipitačnímu zpevnění intermetalickou fází CuFeNi a sniţuje houţevnatost. Niklu se přidává od 1 do 6%.

Hliníkové bronzy jsou vhodné pro výrobu součástí silně namáhaných na otěr jako např. šneková kola, loţiska pro velké tlaky a malé rychlosti, součásti do nejiskřivého prostředí, součástky odolné proti mořské vodě, solným roztokům a organickým kyselinám. Slouţí také k výrobě plaket a mincí. [3,6,7,10]

26 Olověné bronzy

Měď a olovo jsou v kapalném stavu částečně rozpustné a v tuhém stavu téměř nerozpustné. Struktura je tedy tvořena krystaly téměř čisté mědi a krystaly olova.

Vzhledem rozdílných teplot tuchnutí a hustoty jsou oba prvky velmi náchylné na segregaci. Proto se musí provádět časté míchání roztaveného kovu a speciální metalurgické zásahy. Jsou-li obě fáze rovnoměrně a jemně rozptýleny rychlím ochlazením, mají slitiny velmi dobré kluzné vlastnosti. Další předností je dobrá tepelná vodivost. Pouţívají se na kluzná loţiska pro vysoké tlaky a značné obvodové rychlosti. Na obr. 2.11 je zobrazen rovnováţný diagram olověného bronzu. [3,6,7,10]

Obr. 2.11 Rovnovážný diagram olověného bronzu (Cu-Pb) [19]

Křemíkové bronzy

Rovnováţný diagram křemíkového bronzu je na obr. 2.12. Největší rozpustnost křemíku v mědi je 5.3%Si, při vyšším mnoţství křemíku vznikají křehké fáze, které zamezují technickému vyuţití slitiny. Proto nejčastější obsah křemíku je do 3,5%. Vliv křemíku na pevnost a taţnost slitiny je zobrazen na obr. 2.13.

27

Do křemíkových slitin se přidávají legury Mn, Zn, Ni a Sn. Disponují dobrou pevností do 250°C, vysokou taţností a jsou vhodné pro pouţití za nízkých teplot aţ do -180°C. Nevýhodou je poměrně špatná obrobitelnost, která lze zlepšit přidáním 0,5%Pb. Slitiny na tváření obsahují do 3,5Si, slévárenské mají aţ 5%Si.

Mají dobrou chemickou odolnost v chemickém prostředí a mají velmi dobré třecí vlastnosti. Slouţí jako náhrada za drahé cínové bronzy. [3,6,7,10]

Obr. 2.12 Rovnovážný diagram křemíkového bronzu (Cu-Si) [20]

Obr. 2.13 Vliv křemíku na pevnost a tažnost křemíkových bronzů [5]

Beryliové bronzy

Kromě binárních slitin, které mají do 0,7% Be dobrou elektrickou vodivost, se častěji poţívají komplexní slitiny s prvky Ni, Co, Mn, Ti, které mají vynikající mechanické vlastnosti a dobrou odolnost proti korozi. Jsou to nejpevnější slitiny

28

na bázi Cu. Vytvrzené slitiny mají pevnost v tahu aţ 1400 MPa a tvrdost aţ 400 HV.

Při obsahu 2% Be dosahují slitiny nejlepších mechanických vlastností. Jsou vhodné na pruţiny, nejiskřící nástroje, zápustky pro tváření, loţiska, lodní šrouby sportovních člunů apod. Na obr. 2.14 je rovnováţný diagram beryliového bronzu.

[3,6,7,10]

Obr. 2.14 Rovnovážný diagram beryliového bronzu (Cu-Be) [21]

Niklové bronzy

Nikl je s mědí dokonale rozpustný v tuhém stavu. S rostoucím obsahem niklu se zvyšuje tvrdost a pevnost (aţ 600 MPa), ale bohuţel klesá taţnost. Tyto slitiny mají dobrou houţevnatost, odolnost proti tečení a vynikající odolnost vůči korozi.

Nejčastěji se vyskytují v ternární bázi Cu-Ni-Mn s menším mnoţstvím dalších legur (Si, Al a Fe). Slitina s obsahem 18 aţ 27% Zn a cca 18% Ni se nazývá alpaka.

Niklové bronzy se pouţívají v chemickém průmyslu, na lékařské nástroje, mince, termočlánky. [3,6,7,10]