Charakterystyka mosiądzu a gatunek

Mosiądz to jeden z metali, które mają znaczną liczbę zastosowań i są wykorzystywane od dawna w wielu obszarach. Był on jednym z najwcześniej otrzymywanych i stosowanych stopów miedzi, z których korzystano już w czasach starożytnych. Początki technologii produkcji mosiądzu sięgają połowy I tysiąclecia przed naszą erą – z tego czasu pochodzą pierwsze znaleziska z terenu Indii, w których były obecne znaczniejsze ilości tego stopu. Bardzo szybko rozpowszechnił się na terenie Imperium Rzymskiego, skąd trafił do pozostałych części Europy. W średniowieczu mosiądz nazywano łacińskim określeniem „aurichalcum” i wytwarzano oraz wykorzystywano w wielu miejscach, również na ziemiach polskich. Stosowano go zarówno jako materiał do produkcji ozdób, jak i przedmiotów codziennego użytku. Wzrost zainteresowania mosiądzem to okres od XVIII wieku, gdy opracowano przemysłowe metody jego wytwarzania. Mosiądz był używany na wiele sposobów – jako znakomity a przede wszystkim nierdzewny metal na elementy wyposażenia okrętów, z uwagi na odporność na korozję, aż po koła zębate używane w zegarkach i chronometrach, które charakteryzowały wytrzymałością mechaniczną i brakiem podatności na magnesowanie. Mosiądz jest szeroko wykorzystywany także dziś, a różne jego gatunki łatwo dostępne. Przyjrzyjmy się właściwościom mosiądzu i zobaczmy, jakie jego rodzaje są oferowane i czym się charakteryzują.

Co trzeba wiedzieć o mosiądzu?

Mosiądz jest stopem miedzi i cynku, a często także innych dodatków. Takie połączenie pozwala na wykorzystanie zalet czystej miedzi, a jednocześnie umożliwia zwiększenie jej cech użytkowych. Czysta miedź charakteryzuje się cechami, które sprawiają, że jest materiałem bardzo pożądanym. Odznacza się świetną przewodnością prądu elektrycznego, bardzo dobrze przewodzi ciepło, a przy tym jest niemal całkowicie odporna na korozję atmosferyczną, a także na działanie wielu substancji chemicznych. Wyróżnia się bardzo dobrą plastycznością, co pozwala na łatwą obróbkę mechaniczną. Dzięki tym zaletom z miedzi korzysta się m.in. przy produkcji kabli, wymienników ciepła w postaci chłodnic lub grzejników, a także do zabezpieczania przed działaniem czynników zewnętrznych – przede wszystkim wodą. Niestety miedź ma jednocześnie niewielką wytrzymałość mechaniczną, co sprawia, że liczba przedmiotów, która może być z niej wykonana, jest ograniczona.

Sytuacja zmieniła się diametralnie po wprowadzeniu do miedzi innych dodatków stopowych. Pozwoliło to na uzyskanie metalu o znacznie lepszych właściwościach wytrzymałościowych, w niektórych przypadkach zbliżając ją nawet do stali czy różnych stopów lekkich, jeśli chodzi o stosunek masy do odporności. Jednym z najważniejszych stopów miedzi jest mosiądz powstający dzięki dodatkowi cynku, wytwarzane są jednak również miedzionikle, a także brązy, do których zaliczamy wszystkie stopy miedzi, gdzie jako dodatek główny nie pojawia się cynk lub nikiel. W tej grupie znajdziemy więc brąz aluminiowy, cynowy, ołowiowy, berylowy i krzemowy.

Wśród najważniejszych cech mosiądzu znajdują się wysoka odporność na korozję, duża gęstość, przekładająca się na sporą masę, bardzo dobra ciągliwość, a także podatność na obróbkę plastyczną – szczególnie rozmaite rodzaje tłoczenia oraz różne formy obróbki mechanicznej. Mosiądzu można używać jako materiału na odlewy, można go również poddawać obróbce skrawaniem. Po obróbce plastycznej wykonywanej na zimno charakteryzuje się znacznym stopniem umocnienia, czyli podniesienia granicy plastyczności, co oznacza, że do jego odkształcenia jest potrzebna albo dużo większa siła, albo podwyższenie temperatury. Ze względu na wysoką odporność temperaturową, której granicę wyznacza temperatura parowania cynku, można go poddawać wyżarzaniu rekrystalizującemu, przywracającemu uporządkowaną strukturę wewnętrzną.

Najważniejsze gatunki stopów mosiądzu

Podstawowym składnikiem mosiądzu jest cynk, którego dodatek może wynosić do 45%, jednak wytwarza się również gatunki zawierające dodatek innych pierwiastków wprowadzanych w celu poprawy konkretnych właściwości stopu. Wśród najczęściej stosowanych dodatków znajdują się aluminium, cyna, mangan, krzem, żelazo oraz ołów i nikiel. Mosiądze, które zawierają jedynie cynk, są nazywane dwuskładnikowymi, mosiądze w których znajduje się dodatek ołowiu, są zaliczane do trójskładnikowych i nazywane mosiądzami ołowiowymi. Mosiądze z pozostałymi dodatkami to mosiądze specjalne – cynowe, aluminiowe, manganowe, niklowe i krzemowe. Spotyka się również mosiądze wysokoniklowe, które zawierają miedź, cynk, nikiel oraz mangan.

Każdy z wprowadzanych do stopu mosiądzu i cynku składników zapewnia dodatkowe właściwości użytkowe i poprawę parametrów, w konkretnym zakresie. Dodatek aluminium ma na celu poprawę odporności stopu na obciążenia mechaniczne, a dodatkowo zwiększa wytrzymałość na użytkowanie w środowiskach stanowiących zagrożenie korozyjne. Cyna jest dodawana w celu poprawienia odporności antykorozyjnej w podwyższonej zawartości chlorków, co ogranicza proces odcynkowania, który jest poza korozją naprężeniową jedynym zagrożeniem tego rodzaju występującym w przypadku stopów miedzi i cynku.

Dodawanie do mosiądzu krzemu ma na celu znaczny wzrost wytrzymałości mechanicznej, zwłaszcza wówczas, gdy zawiera on znaczną ilość cynku. Krzem wpływa również na zmniejszenie plastyczności materiału i gwarantuje wysoką odporność na ścieranie przy utrzymaniu skrawalności oraz spawalności. Wprowadzenie manganu skutkuje wzrostem wytrzymałości bez wpływu na plastyczność, oznacza też poprawę własności antykorozyjnych stopu. Ołów pozwala na znaczną poprawę własności ślizgowych, przez co mosiądzów ołowiowych można używać do produkcji łożysk ślizgowych. Stopy z ołowiem mają też niższą temperaturę topienia, co ogranicza możliwości obróbki termicznej. Ołów z uwagi na swoją miękkość w większych ilościach obniża wytrzymałość mechaniczną mosiądzu. Nikiel wpływa na poprawę plastyczności i wytrzymałości, jest jednak podobnie jak żelazo dodawany do mosiądzów wieloskładnikowych. Obecność żelaza w stopie prowadzi do pogorszenia właściwości antykorozyjnych, jednak dzięki rozdrobnieniu struktury wzmacnia wytrzymałość mechaniczną mosiądzu, jest dodawane łącznie z aluminium i manganem.

Gatunki mosiądzu i ich charakterystyki

Mosiądze występują zarówno jako gatunki odlewnicze, jak i nadające się do obróbki plastycznej. Warto pamiętać, że obróbka na zimno prowadzi do umocnienia metalu, którego skala w przypadku mosiądzu jest dość znaczna. Przy obróbce plastycznej na gorąco zjawisko to nie występuje, ponieważ osiągana jest temperatura rekrystalizacji. Różnice między gatunkami odlewniczymi i przeznaczonymi do obróbki plastycznej wiążą się z budową struktury wewnętrznej stopu – mosiądze odlewnicze mają strukturę dwufazową α + β’, a plastyczne jednofazową α. Warto pamiętać, że ze składem stopu wiąże się bezpośrednio także jego wytrzymałość mechaniczna. Stopy jednofazowe α z zawartością cynku na poziomie 30–32% mają wyższą plastyczność. Wytrzymałość będzie jednak najwyższa przy strukturze β’ i zawartości cynku na poziomie 45%.

Jeśli chodzi o różne gatunki mosiądzów to w przypadku typowych dwuskładnikowych oznaczanych literą M wraz z podaną zawartością miedzi mamy stopy poczynając od M95 aż po M60. Mają one różnorodne zastosowania – mosiądz M95 i M90 może być używany np. do produkcji rur cienkościennych wykorzystywanych w wymiennikach ciepła, mosiądz M85 i M80 nadaje się m.in. na wymienniki ciepła w postaci wężownic, a także na membrany i rurki manometryczne. Mosiądze M70, M67, M65, M63, M60 wyróżniają się dobrą lutowalnością i są dobrym materiałem np. na taśmy przeznaczone do produkcji chłodnic.

Mosiądze ołowiowe są oznaczane literami MO oraz procentową zawartością miedzi, więcej informacji można uzyskać posługując się symbolem normowym DIN. Dla najpopularniejszych gatunków mosiądzu będzie to odpowiednio MO58A – CuZn39Pb3, a Mo58B CuZn40Pb2. Gatunki, w których znajduje się dodatek cyny, mają oznaczenie MC – dla MC70 będzie to CuZn28Sn1. Mosiądz aluminiowy to symbol MA – dla MA77 oznaczenie DIN to CuZn20Al2As. Mosiądz zawierający mangan to kod MM – dla MM58 symbol DIN to CuZn40Mn1Pb. Mosiądz krzemowy będzie miał symbol MK – w przypadku MK68 oznaczenie wg DIN to CuZn31Si.