Modelowanie w Inżynierii Materiałów Miedź i jej stopy Zieliński Bartłomiej Kurek Krzysztof Przetocki Mateusz Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej Kierunek: Informatyka Stosowana Kraków, 10.11.2009 Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Plan prezentacji Właściwości chemiczne i fizyczne Uwagi historyczne Zastosowanie Wydobycie rudy Wytwarzanie czystego metalu Stopy miedzi i ich własności Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Własności atomowe miedzi Cecha Wartość Jednostka Symbol Cu Miejsce w układzie okresowym 11 (IB), 4, d Masa atomowa 63,546 u Promień atomowy 135 pm Konfiguracja elektronowa [Ar]3d104s1 Poziom energetyczny 2, 8, 18, 1 Stopień utlenienia 1, 2, 3, 4 Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Własności fizyczne miedzi Cecha Wartość Jednostka Stan skupienia stały Kolor czerwonobrunatny Gęstość 8920 kg/m3 Temperatura topnienia 1357 K Temperatura wrzenia 2840 Objętość molowa 7,11×10-6 m³/mol Ciepło parowania 300,3 kJ/mol Ciepło topnienia 13,05 Opór właściwy 1,7 ×10-8 Ωm Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

okres połowicznego rozpadu Izotopy miedzi izotop występowanie okres połowicznego rozpadu produkt rozpadu 63Cu 69,17% stabilny – izotop z 34 neutronami - 64Cu syntetyczny 12,7 godz. 64Ni 64Zn 65Cu 30,83% stabilny – izotop z 36 neutronami 67Cu 61,9 godz. 67Zn Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Historia miedzi Pierwszy metal wydobywany przez człowieka już kilka tysięcy lat p.n.e Łacińska nazwa cyprum pochodzi od Cypru, gdzie w starożytności wydobywano ten metal. Początkowo nazywano go metalem cypryjskim (łac. cyprum aes), a następnie cuprum. Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Wydobycie miedzi na świecie Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Wydobycie Największa kopalnia odkrywkowa Chuquicamata w Chile Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Recykling Pozyskiwanie miedzi Występuje w ilości 55 ppm ( 0,0055% skorupy ziemskiej ) Miedź rodzima jest rzadko spotykana. Głównym źródłem tego metalu są minerały: Siarczki: chalkopiryt CuFeS2 chalkozyn Cu2S bornit Cu5FeS4 Węglany: azuryt Cu3(CO3)2(OH)2 malachit Cu2CO3(OH)2 Recykling miedź rodzima Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Przemysł energetyczny – linie przesyłowe, uzwojenia prądnic Zastosowanie miedzi Przemysł energetyczny – linie przesyłowe, uzwojenia prądnic Przemysł elektroniczny – obwody drukowane, złącza, radiatory Budownictwo – dachy, elementy instalacji np. CO, barwnik do szkła Dodatek stopowy – w celu poprawy własności mechanicznych i fizycznych Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Zastosowanie miedzi Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Czystość miedzi Czysta miedź jest jednym z najlepszych metali przewodzących 99,999% Cu (temp 20°C) – przewodność 59,5 S Minimalna ilość zanieczyszczeń znacznie obniża przewodność elektryczną, Wprowadzanie dodatki (As,Se,Te,Ag,Ti,Li) w celu uzyskania właściwości antykorozyjnych (do 0.1%), lub właściwości mechanicznych takich jak twardość, odporność na ścieranie(0.5-2%) Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Wydobycie miedzi Złoża zalegające na niewielkich głębokościach: – górnictwo odkrywkowe Złoża zalegające głęboko: – górnictwo podziemne Kopalnia odkrywkowa w Cassa Grande (Arizona, USA) Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Wzbogacanie rudy Ruda miedzi (wydobywana w Polskich złożach) zawiera 0.6-3% Cu, Koncentrat miedziowy do 30% Cu, Etapy wzbogacania: Mielenie rud, Flotacja, Odwadnianie koncentratu Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Wzbogacanie rudy Źródło: kghm.pl Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Wstępna obróbka - kruszenie Kruszarka młotkowa Wsad: wstępnie przesiane kawałki rudy miedzi Proces: kruszenie Efekt: ziarna o wielkości <40mm Wsad: ziarna o wielkości <40mm Proces: kruszenie Efekt: ziarna o wielkości <16mm Kruszarka stożkowa Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Wstępna obróbka - mielenie Mielenie odbywa się w młynach bębnowych, - prętowych oraz kulowych Młyn kulowy Wsad: ziarna <16mm Proces: Mielenie ziaren Efekt: ziarna o wielkości <3mm Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Wstępna obróbka - klasyfikacja Klasyfikacja polega na rozdziale (za pomocą klasyfikatora ) produktów mielenia na: gruboziarnisty drobnoziarnisty Gruboziarniste produkty są przekazywane do kolejnego mielenia. Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Wzbogacanie rudy - flotacja Wsad: rozdrobniona ruda, Proces: zalewanie wsadu wodą, z dodatkami (np. kwasu siarkowego, amoniaku). Nadmuchiwanie od spodu sprężonym powietrzem. Efekt: Powstanie dużej ilości piany, związki miedzi przechodzą do piany, a zanieczyszczenia opadają na dno. Powstaje koncentrat o zawartości do 30%Cu Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Odwadnianie koncentratu Zagęszczacz Dorra Prasa filtracyja Suszarka termiczna Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Przetwarzanie Źródło: kghm.pl Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Przetapianie w piecu szybowym Wsad: koncentrat z dodatkiem topników Proces: roztopienie koncentratu Efekt: powstaje kamień miedziowy (60% Cu)+ żużel Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Przetapianie w konwertorze Wsad: kamień miedziowy (w stanie ciekłym) Proces : nadmuchiwanie powietrzem od spodu Efekt: spalenie większości zanieczyszczeń, powstaje miedź konwertorowa( 98% Cu) Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Przetapianie w piecu anodowym Wsad: miedź konwertorowa, Proces: rafinacja ogniowa, dodanie powietrza oraz reduktora(gaz ziemny) Efekt: pozbycie się tlenków siarki, miedź anodowa 99% Cu Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Elektroliza Elektroliza w roztworze siarczanu miedzi CuSO4 z dodatkiem kwasu siarkowego  H2SO4 CuSO4 -> Cu++  + SO4- 2 Otrzymanie 99,99% Cu Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Stopy miedzi Stopy, w których główny metal to miedź Za wyjątkiem stopów ze srebrem i złotem (>10%) Bardzo rozpowszechnione materiały konstrukcyjne Podział: Odlewnicze Do przeróbki plastycznej Szczegółowy podział: Stopy wstępne miedzi Miedź stopowa Mosiądze Miedzionikle Brązy Stopy oporowe miedzi Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Stopy wstępne miedzi Stopy pomocnicze, wytwarzane by ułatwić wprowadzanie dodatków stopowych lub technologicznych (odtlenianie) Dwu- lub trzyskładnikowe Np. stop z 50% aluminium stosowany jako dodatek przy produkcji brązów i mosiądzów aluminiowych Albo stop z 12% fosforu jako dodatek stopowy albo odtleniacz Proste stopy, Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Miedź stopowa Ogólna nazwa stopów do przeróbki plastycznej, zawierających nie więcej niż 2% głównego dodatku stopowego. Wyróżnia się: miedź arsenową, chromową, cynową, kadmową, manganową, niklową, siarkową, srebrową, tellurową i cyrkonową. Arsenowa: 0.3-0.5% As, elementy aparatury chemicznej, Chromowa: 0.4-1.2% Cr, elektrody zgrzewarek, Srebrowa: 0.045-2% Ag, uzwojenia silników elektrycznych, luty, elektrody do spawania. Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Mosiądze = miedź + cynk>2% Cechy: kolor żółty, różowo-czerwony, srebrny odporne na korozje, ciągliwe, do przeróbki plastycznej, dobre własności odlewnicze Zastosowanie: Wyroby armatury, osprzęt odporny na wodę morską, śruby okrętowe, okucia budowlane, przemysł maszynowy, samochodowy, elektrotechniczny, okrętowy, samolotowy, precyzyjnym, chemiczny Korozja: Odcynkowanie w miękkiej zawierającej chlor wodzie Sezonowe pękanie po umocnieniu przez zgniot, zapobieganie: odprężenie po zgniocie, unikanie przechowywania na wolnym powietrzu Srebrny – wysokoniklowe (nowe srebro), Okucia – klamki, precyzyjny – instrumenty muzyczne Odcynkowanie – miedź i cynk do roztworu ciekłego, miedź wytrąca się w postaci gąbczastej, korozja się wzmaga ale nie ujawnia na zewnątrz, znaczne zmniejszenie wytrzymałości Sezonowe pękanie – nagłe pękanie produktów mosiężnych, naprężenia wewnętrzne spowodowane obróbką plastyczną, naprężenia własne, korozja międzykrystaliczna, pękanie półproduktów lub gotowych wyrobów, niebezpieczny amoniak i jego roztwory, odprężanie 200-300C Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Mosiądze = miedź + cynk>2% Odlewnicze: Zn + Mn, Fe + Inne (Pb, Sn, Al, Ni, Si) Cechy: + Rzadkopłynne i dobrze wypełniają formy – dobre na odlewy płaskie, kokilowe, pod ciśnieniem. - skłonność cynku do parowania (907°C), topić pod przykryciem i nie przegrzewać - Duży skurcz odlewniczy (1.8-2%) Do przeróbki plastycznej Dwuskładnikowe: do 40.5% Zn Wieloskładnikowe Ołowiowe: Zn + Pb Bezołowiowe (mosiądze specjalne): Zn + inne (As, Sn, Al, Ni, Si) Wysokoniklowe: 11-19.5% Ni Kokila – dwu częściowa, sferoidalna, żeliwna, mała dokładność, wymaga obróbki skrawaniem Ołowiowe – 0.3-3.5% Pb Specjalne - <2% Nowe srebro – ozdoby, sztućce, sprzęt medyczny, instrumenty Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Wykres fazowy Cu-Zn Fazy: α, β, β’, γ, δ, ε, η Mosiądze: 45%>Zn α – sieć regularna płasko centrowana β – sieć regularna przestrzennie centrowana, nieuporządkowane ułożenie atomów β’ – uporządkowane ułożenie atomów Mosiądze do 45%, perytektyki Beta – roztwór stały na osnowie fazy międzykrystalicznej, powstaje w wyniku reakcji perytektyczne Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Mikrostruktura Cu-Zn CuZn40, stan lany, powiększenie 8x8x1.25, iglasta struktura Aluminium – podnosi plastyczność mosiądzów CuZn40Al2, po przeróbce plastycznej, struktura dwufazowa, powiększenie 12,5x8x1.25 α + β. Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Miedzionikle = miedź + nikiel>2% Stopy do przeróbki plastycznej Dodatki: Mn, Sn, Fe Bardzo dobra odporność na korozje i ścieranie Dobra plastyczność Zastosowanie: Blachy, taśmy, Pręty, rury, druty Monety (MN25) Elementy sprężynujące, połączenia wtykowe, przełączniki Rury wymienników ciepła, elementy urządzeń klimatyzacyjnych Oporniki urządzeń pomiarowych, elementy elektroniczne Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Brązy = miedź + 2% < Sn, Al, Si, Be, Pb Podział: odlewnicze oraz do przeróbki plastycznej Wg dodatku stopowego (brązy cynowe, aluminiowe, …) Dwu- oraz wieloskładnikowe Cechy: Bardzo dobre własności odlewnicze (szczególnie +Sn) Duża odporność korozyjna, wytrzymałość odporność na ścieranie, lepsze własności ślizgowe niż mosiądze Zastosowanie: Dawniej: miecze, ozdoby, naczynia, Skomplikowane kształty, pomniki Armatura wodna i parowa, panewki do łożysk ślizgowych Koła zębate Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Wykres fazowy Cu-Sn Fazy: α, β, γ, δ (α+δ), ε, η Brązy cynowe: 20%>Sn α – roztwór stały cyny w miedzi δ– krystalizuje w złożonej sieci układu regularnego, duża twardość i kruchość alfa – rozpuszczalność graniczna, perytektyka, dalej rozpuszczalność rośnie, maleje, 1.3% - jedynie przy długotrwałym wygrzewaniu w odpowiednich temperaturach Normalnie alfa może uzyskać 10% cyny w miedzi Delta – duża kruchość, gdy więcej cyny to jedynie na odlewy! Brązy cynowe – wyjątkowo mały skurcz odlewniczy, skomplikowane kształty, niezbyt dobra jakość odlewów Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Wykres fazowy Cu-Al – Brązy aluminiowe (Brązale) Fazy: α, β, γ, Brązy aluminiowe: 11%>Al Wyróżniamy: Stopy proste złożone (+Fe, Mn, Ni) Niższa zawartość Al – struktura jednofazowa, wyższa – dwufazowa, Wada: duża skłonność do gruboziarnistości przy powolnym stygnięciu – obniżenie własności mechanicznych – więc trzeba szybko chłodzić, składniki rozdrabniające strukturę, Dobre własności wytrzymałościowe, twardość+, własności plastyczne + (zimno, gorąco), Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Stopy oporowe miedzi To stopy z niklem (<41%), cynkiem (<28%), manganem (<13%), aluminium (<3.6%) bądź żelazem (<1.5%) np.: konstantan, nikielina, nowe srebro Cechy: Struktura jednofazowa Stosunkowo wysoki opór elektryczny Mały współczynnik cieplny oporu Stabilnością ww. własności Zastosowanie: Elektryczne oporniki pomiarowe Rozruszniki Konstantan – miedz 55, nikiel 45 Nikielina – miedz 50, 20-40 nikiel, dodatek manganu lub cyku Nowe srebro – mosiądz wysokoniklowy, miedz 40-70, cynk 5-40, nikiel 10-20, Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki

Bibliografia: Wykład o stopach miedzi, dr inż. Walenty Jasiński, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny, http://www.zmio.ps.pl/jasinski.htm Z. Górny, J.Sobczak. Nowoczesne tworzywa odlewnicze na bazie metali nieżelaznych. http://pl.wikipedia.org/ Wykłady z Materiałoznawstwa, prof. dr hab. inż. Henryk Adrian Kraków, 10.11.2009 Miedź i jej stopy - Zieliński, Kurek, Przetocki