Brązy – właściwości i zastosowanie Modelowanie w inżynierii materiałów Brązy – właściwości i zastosowanie Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej Kraków, 15.12.2009

REFERENCI Ilona Jeleńska Radosław Tondos

PLAN PREZENTACJI Informacje ogólne Definicja Rys historyczny Klasyfikacja Własności brązów Zastosowanie Sposoby otrzymywania brązów Stopy brązów Skład Właściwości Wykres fazowy

Informacje ogólne Definicja Brązy - stopy miedzi z poszczególnymi dodatkami (metalami i ewentualnie innymi pierwiastkami) występującymi w stężeniu co najmniej 2%. Główne składniki stopowe : cyna, aluminium, krzem, beryl, ołów i inne, z wyjątkiem cynku i niklu.

Informacje ogólne Rys historyczny Nazwa od łac. aes brundusinum tzn. kruszec brindyzyjski Wczesna epoka brązu: III tysiąclecie p.n.e. na Kaukazie i w obszarze Morza Egejskiego, Przełom III i II tysiąclecia p.n.e. na ziemiach polskich. W starożytności stop 90% miedzi i 10% cyny (przedmioty codziennego użytku) lub 86% miedzi i 14% cyny (ozdoby)

Brąz – Rys historyczny Nazwa od łac. aes brundusinum tzn. kruszec brindyzyjski Wczesna epoka brązu: III tysiąclecie p.n.e. na Kaukazie i w obszarze Morza Egejskiego, Przełom III i II tysiąclecia p.n.e. na ziemiach polskich. W starożytności stop miedzi i cyny Sposoby wytwarzania: Odlewanie do form kamiennych Technika na wosk tracony Obróbka plastyczna: kucie, wyciąganie, trybowanie i cyzelowanie.

Własności brązów dobre własności wytrzymałościowe, łatwo obrabialny, wysoka odporność na ścieranie, odporność na wysoką temperaturę i korozję

Zastosowanie brązów odlewy, dzwony, do wyrobu części maszyn, łożyska, panewki, ślizgi i napędy, osprzęt parowy i wodny, armatura chemiczna, przemysł okrętowy; stalówki do piór, w postaci sproszkowanej jako farba.

Proces wytwarzania brązu Surowce, substancje chemiczne, modele, formy Wytwarzanie form trwałych Wytwarzanie form jednorazowych Topienie: Piec indukcyjny Piec tyglowy Piec płomienny Modele: drewno, tworzywo szt., metal Modele jednorazowe: żywica, wosk forma piaskowa rdzeń piaskowy wkładki Formowanie: ręczne automatyczne Obróbka metalu Odlewanie: grawitacyjne przy użyciu kadzi przechylnych niskociśnieniowe wysokociśnieniowe odśrodkowe ciągłe Chłodzenie Wybijanie / wyjmowanie Wykańczanie Gotowy odlew

Wytapianie brązu (1) Piece tyglowe: Zimny wsad ładuje się do tygla, Nagrzewanie pełną mocą pieca, Po osiągnięciu temp. niższej o 50 - 100ºC od temp. topnienia wyłączenie zasilania, Dalsze nagrzewanie dzięki bezwładności cieplnej tygla, 5. Po odżużleniu można przeprowadzić obróbkę metalurgiczną, 6. Po ponownym usunięciu żużla odlewanie

Rys. Ogólny schemat pieca indukcyjnego tyglowego Wytapianie brązu (2) Piec indukcyjny tyglowy: Rys. Ogólny schemat pieca indukcyjnego tyglowego

Wytapianie brązu (3) Piece płomieniowe: nieprzechylne, obrotowe Rys. Przekrój pieca płomiennego

Obróbka ciekłego brązu Odtlenianie wprowadzanie do kąpieli reagenta, wiążącego tlen odtleniacze: P, Mn, Mg, Ca, Si Odgazowanie usuwanie z ciekłej kąpieli wodoru przedmuchiwanie przez nią gazu obojętnego: N, Ar Obróbka z pomocą żużli usuwanie aluminium za pomocą odpowiednich żużli unika się przy tym utleniania, strat ołowiu i cynku oraz zwiększenia zawartości wodoru podczas topienia

Odlewanie brązu metodą traconego wosku (odlewy precyzyjne; głównie odlewy artystyczne) w piasku (formowane maszynowo lub ręcznie), w kokilach (metalowych) odlewanie grawitacyjne odlewanie odśrodkowe (tuleje, pierścienie, panewki) odlewanie ciągłe (kęsy i placki/kęsiska płaskie)

Wykańczanie Usunięcie układu wlewowego, Śrutowanie, Obróbka mechaniczna, Obróbka cieplna, Kontrola jakości wyrobu Rys. Odlew korpusu pompy wirnikowej z brązu aluminiowego

Brązy do obróbki plastycznej: Klasyfikacja brązów Brązy do obróbki plastycznej: brąz cynowy brąz aluminiowy brąz berylowy brąz krzemowy brąz manganowy Brązy odlewnicze: brąz cynowy – B10 brąz cynowo-fosforowy – B101 brąz cynowo-cynkowy – B102 brąz cynowo-ołowiowy – B1010 brąz cynowo-cynkowo-ołowiowy B555 brąz aluminiowo-żelazowy – BA93 brąz krzemowo-cynkowo-manganowy – BK331

Brązy do obróbki plastycznej ● Brąz cynowy - cyna Sn 1% - 9% - inne dodatki stopowe: cynk Zn 2,7% - 5%, ołów Pb 1,5% - 4,5%, fosfor P 0,1% - 0,3% - zanieczyszczenia poniżej 0,3%   Oznaczenia: B2 (CuSn2), B4 (CuSn4), B6 (CuSn6), B43 (CuSn4Zn3), B443 (CuSn4n4Pb3), B444 (CuSn4n4Pb4). Własności: - dobra odporność na ścieranie i korozję - dobra skrawalność - nadaje się do lutowania i obróbki plastycznej na zimno Zastosowanie: - elementy sprężyste, trudno ścieralne, tuleje i panwie łożyskowe, - monety, - elementy pracujące w wodzie morskiej, armatura.

Brązy do obróbki plastycznej ● Brąz cynowy Rys. Fragment wykresu równowagi Cu-Sn

Brązy do obróbki plastycznej ● Brąz aluminiowy - aluminium Al 4% - 11% - inne dodatki stopowe: żelazo Fe 2,0% - 5,5%, mangan Mn 1,5% - 4,5%, nikiel Ni 3,5% - 5,5% - zanieczyszczenia poniżej 1,7%   Oznaczenia: BA5 (CuAl5), BA8 (CuAl8), BA93 (CuAl9Fe3), BA1032 (CuAl10Fe3Mn2), BA1044 (CuAl10Fe4Ni4), BA92 (CuAl9Mn4). Własności: - bardzo odporny na korozję, szczególnie w roztworach kwaśnych - łatwo poddający się przeróbce plastycznej na zimno Zastosowanie: - części do przemysłu chemicznego, - elementy pracujące w wodzie morskiej, - monety, - styki ślizgowe, części łożysk, wały, śruby, sita.

Brązy do obróbki plastycznej ● Brąz aluminiowy Rys. Fragment wykresu równowagi Cu-Al

Brązy do obróbki plastycznej ● Brąz berylowy - beryl Be 1,6% - 2,1% - inne dodatki stopowe: nikiel Ni w połączeniu z kobaltem Co 0,2% - 0,4%, tytan Ti 0,1% - 0,25% - zanieczyszczenia poniżej 0,5%   Oznaczenia: BB2 (CuBe2Ni (Co)), BB1T (CuBe1,7NiTi), BB2T (CuBe2NiTi) Własności: - bardzo wysokie właściwości wytrzymałościowe i sprężyste - bardzo duża odporność na ścieranie i korozję - brak skłonności do iskrzenia i średnie przewodnictwo elektryczne - nadaje się do przeróbki plastycznej na zimno Zastosowanie: - elementy aparatury chemicznej, - elementy maszyn w wytwórniach materiałów wybuchowych (narzędzia nieiskrzące), - szczotki silników elektrycznych, elektrody i przewody spawalnicze.

Brązy do obróbki plastycznej ● Brąz berylowy Rys. Fragment wykresu równowagi Cu-Be

Brązy do obróbki plastycznej ● Brąz krzemowy - krzem Si 2,7% - 3,5% - inne dodatki stopowe: mangan Mn 1,0% - 1,5% - zanieczyszczenia poniżej 1,0%   Oznaczenia: BK31 (CuSi3Mn1) Własności: - wysokie właściwości wytrzymałościowe - duża odporność na korozję - łatwo poddający się przeróbce plastycznej na zimno Zastosowanie: - siatki, śruby, szczególnie w środowisku morskim - elementy sprężyste, - elementy w przemyśle chemicznym, - elementy odporne na ścieranie, - konstrukcje spawane.

Brązy do obróbki plastycznej ● Brąz krzemowy Rys. Fragment wykresu równowagi Cu-Si

Brązy do obróbki plastycznej ● Brąz manganowy - mangan Mn 11,5% - 13% - inne dodatki stopowe: nikiel Ni 2,5% - 3,5% - zanieczyszczenia poniżej 1.0%   Oznaczenia: BM123 (CuMn12Ni3) Własności: - dobre własności wytrzymałościowe do ok. 3000C - nadają się do obróbki plastycznej na zimno Zastosowanie: - oporniki wysokiej jakości, - łopatki turbin, - śruby okrętowe.

Brązy do obróbki plastycznej ● Brąz manganowy Rys. Wykres równowagi Cu-Mn

Brązy odlewnicze (1) Nazwa Znak/Cecha Składniki stopowe % Własności Zastosowanie Główny Inne Brąz cynowy CuSN10/B10 Sn 9.0-11.0 - dobra lejność i skrawalność odporność na duże obciążenia statyczne, zmienne i uderzeniowe, - odporność na ścieranie, korozję i temperaturę do 2800C - silnie obciążone części maszyn np. łożyska, panewki i napędy, - osprzęt parowy i wodny Brąz cynowo-fosforowy CuSn10P/B101 P 0.5-1.0 - odporność na ścieranie, korozję i duże obciążenia mechaniczne - wysoko obciążone, źle smarowane i narażone na korozję łożyska i części maszyn, - armatura chemiczna Brąz cynowo-cynkowy CuSn10Zn2/ B102 Zn 1.0-3.0 - bardzo dobra lejność i skrawalność - odporność na korozję wody morskiej, ścieranie i naciski -wysoko obciążone i narażone na korozję części maszyn w przemyśle okrętowym i papierniczym

Brązy odlewnicze (2) Nazwa Znak/Cecha Składniki stopowe % Własności Zastosowanie Główny Inne Brąz cynowo-ołowiowy CuSn10Pb10/ B1010 Sn 9.0- 11.0 Pb 8.5-11.0 - bardzo dobra lejność i skrawalność - odporność na ścieranie - części maszyn pracujące przy dużych naciskach i szybkościach Brąz cynowo-cynkowo-ołowiowy CuSn5Zn5Pb5/ B555 Sn 4.0- 6.0 Zn 4.0-6.0 Pb 4.0-6.0 bardzo dobra lejność i skrawalność odporność na temperaturę do 2250C - części maszyn , osprzętu pojazdów, silników - części podlegające korozji wody, ścieraniu i ciśnieniu do 2,5 MPa Brąz aluminiowo-żelazowy CuAl9Fe3/BA93 Al 8.0-10.5 Fe 2.0-4.0 - bardzo dobra lejność - wysoka odporność na korozję, ścieranie, podwyższone temperatury i obciążenia statyczne - części maszyn i silników narażone na korozje i ścieranie przy jednoczesnym obciążeniu mechanicznym - w przemyśle komunikacyjnym, okrętowym, lotniczym i chemicznym Brąz krzemowo-cynkowo-manganowy CuSi3Zn3Mn/ BK331 Si 3.5-4.0 Zn 3.0-5.0 Mn 0.5-1.2 - dobra lejność - odporność na korozję, ścieranie, obciążenia zmienne i uderzeniowe - łożyska, elementy napędów, pompy narażone na korozję, zmienne obciążenia, źle smarowane

Bibliografia http://www.copper.org/resources/homepage.html http://ippc.mos.gov.pl/ippc/custom/Wytop%20i%20obrobka_1(1).doc http://ippc.mos.gov.pl/ippc/custom/BAT_met_niez_r3.pdf http://pl.wikipedia.org/wiki/Brązy http://en.wikipedia.org/wiki/Bronze Hucińska J., „Metaloznastwo”, wyd. Politechniki Gdańskiej, 1995