Stopy miedzi mają bardzo szerokie zastosowania w różnych gałęziach przemysłu, ze względu na swoje właściwości fizyko-chemiczne oraz dobrą podatność na różne rodzaje obróbki. W niektórych zastosowaniach, poza najczęściej używanymi stopami miedzi, takimi jak mosiądze, miedzionikle czy klasyczne brązy, zachodzi potrzeba użycia połączeń, które są w stanie zagwarantować unikalne właściwości oraz podatność na konkretny rodzaj obróbki.
Stopy miedzi mają bardzo szerokie zastosowania w różnych gałęziach przemysłu, ze względu na swoje właściwości fizyko-chemiczne oraz dobrą podatność na różne rodzaje obróbki. W niektórych zastosowaniach, poza najczęściej używanymi stopami miedzi, takimi jak mosiądze, miedzionikle czy klasyczne brązy, zachodzi potrzeba użycia połączeń, które są w stanie zagwarantować unikalne właściwości oraz podatność na konkretny rodzaj obróbki. Przykładem stopów tego rodzaju są tzw. brązy specjalne, będące stopami miedzi o wysokiej podatności na obróbkę plastyczną, w tym prowadzoną na zimno, co pozwala na ich dodatkowe umocnienie. Przyjrzyjmy się bliżej właściwościom miedzi oraz charakterystyce jej najczęściej używanych stopów, zobaczmy, jakie są rodzaje brązów i do czego się ich używa, a także sprawdźmy charakterystykę specjalnych stopów miedzi.
Stopy miedzi i ich charakterystyka
Miedź jest metalem o właściwościach pożądanych w różnych zastosowaniach przemysłowych. Charakteryzuje się znakomitą przewodnością cieplną, będąc pod tym względem zaraz po srebrze najbardziej efektywnym metalem. Świetnie przewodzi prąd elektryczny, stawiając niewielki opór i także na tym polu ustępuje jedynie srebru. Miedź posiada niezwykle wysoką odporność na korozję – choć dochodzi do niej także w przypadku tego metalu, to dzięki samorzutnemu tworzeniu się warstwy tlenku na powierzchni utlenianiu ulega zaledwie kilka warstw atomów rocznie. Miedź bardzo dobrze znosi kontakt z wieloma substancjami chemicznymi, a do jej zalet należy też bardzo dobra jak na metale kolorowe tolerancja wysokich temperatur. Niestety oprócz swoich zalet miedź ma też wadę w postaci bardzo niewielkiej twardości i stosunkowo niskiej granicy plastyczności, co sprawia, że w czystej postaci nie jest odporna na działanie nawet niewielkich obciążeń mechanicznych. O ile czysta miedź znakomicie nadaje się na przewody elektryczne, gdzie ważną cechą jest odpowiednia giętkość czy na wymienniki ciepła, które nie podlegają obciążeniom, o tyle zupełnie nie sprawdza się tam, gdzie na metal mają działać większe siły.
Zupełnie inaczej wygląda sytuacja w przypadku najbardziej popularnych stopów miedzi. Dzięki domieszce innych metali z miedzi można otrzymać elementy o bardzo podwyższonych parametrach wytrzymałościowych, a przy tym w dużej mierze zachowujących jej najważniejsze właściwości. Wśród najbardziej rozpowszechnionych i najczęściej wykorzystywanych stopów miedzi znajdują się jej połączenia z cynkiem, nazywane mosiądzami. Mają one podobnie jak czysta miedź bardzo wysoką odporność na korozję, znakomicie przewodzą ciepło, odznaczają się dobrą ciągliwością i są podatne na obróbkę plastyczną oraz ubytkową, a także dobrze tolerują wysokie temperatury, wyróżniają się jednak znaczenie lepszą wytrzymałością mechaniczną, można więc wykonywać z nich nawet bardzo obciążane elementy maszyn i urządzeń takie jak panewki czy łożyska. Poza mosiądzami dwuskładnikowymi tworzonymi wyłącznie z miedzi i cynku powstają też ich stopy z zawartością dodatkowych materiałów takich jak cyna, mangan, krzem, aluminium, ołów, nikiel lub żelazo.
Miedź jest używana również do tworzenia stopów z innymi metalami. Popularne są stopy miedzi z niklem tworzące tzw. miedzionikle. Nadają się one bardzo dobrze do obróbki plastycznej, a przy tym zachowują niezwykle wysoką odporność na korozję, ich powierzchnia jest także bardzo wytrzymała, jeśli chodzi o ścieranie. Miedzionikle wyróżniają się atrakcyjnym wyglądem, zwłaszcza w przypadku stopów wysokoniklowych, które ze względu na swoją barwę i połysk są nazywane często nowym srebrem oraz używane do wyrobu elementów dekoracyjnych i ozdobnych przedmiotów użytkowych. Klasyczne miedzionikle służą jako materiał do wyrobu elementów sprężynujących, przełączników, wtyków, wymienników ciepła w miejscach szczególnie zagrożonych korozją czy do wytwarzania części przyrządów pomiarowych.
Szeroką grupą stopów miedzi o niezwykle różnorodnych właściwościach są brązy. Do najpopularniejszych należą brązy cynowe, jednak wytapia się także brązy zawierające inne dodatki stopowe – aluminium, krzem, beryl oraz ołów, mangan, tytan, kobalt czy antymon.
Rodzaje brązów i ich zastosowanie
Brązy cynowe należą do stopów miedzi, które są wykorzystywane najdłużej. Największa zawartość cyny, przy której stopy zachowują wymagane właściwości użytkowe to 20%. Stopy poddawane obróbce plastycznej mają zwykle do 8% cyny, a dzięki zgniotowi można znacząco podnieść ich wytrzymałość. W przypadku stopów przeznaczonych do wykonywania odlewów zawartość cyny jest większa i wynosi do około 10%. Popularność brązów cynowych w odlewnictwie wynika nie tylko z własności gotowego wyrobu, ale również małego skurczu metalu wynoszącego zaledwie około 1%. Do brązów cynowych wprowadzane są także dodatki w postaci cynku, co dodatkowo poprawia własności odlewnicze, a także ołowiu podnoszącego podatność na obróbkę ubytkową. W skład stopów często wchodzi również fosfor, który zdecydowanie poprawia wytrzymałość na ścieranie oraz twardość. Brązy cynowe są odporne na korozję, świetnie sprawdzają się w środowiskach, gdzie mają kontakt z chemikaliami lub wodą morską. Używa się ich m.in. do produkcji armatury przeznaczonej do instalacji przesyłających agresywnie związki chemiczne, wodę i gazy. Ze względu na wysoką wytrzymałość mechaniczną są używane jako materiał na łożyska, ślimaki oraz sita.
Brązy aluminiowe są stopami miedzi z glinem, którego zawartość nie przekracza 11%. Jako inne dodatki stopowe do brązów aluminiowych są wprowadzane także pewne ilości manganu, żelaza oraz niklu. Ograniczeniem ich stosowania jest wysoka temperatura, ponieważ swoje właściwości mechaniczne tracą przy więcej niż 300°C. Brązy aluminiowe nadają się do obróbki plastycznej oraz cieplno-plastycznej, a także do wykonywania odlewów. Charakteryzują się wysoką odpornością na korozję, wyjątek stanowią tu stopy z domieszką żelaza. Nadają się na odlewane bloki silników bądź korpusy maszyn i urządzeń np. obudowy skrzyń biegów. Robi się z nich również koła zębate, ślizgi, łożyska, wałki i elementy złączne.
Brązy krzemowe powstają przez łączenie miedzi z dodatkiem co najwyżej około 3–4% krzemu. W celu poprawy własności mechanicznych często zawierają domieszki manganu, cynku i żelaza w przypadku stopów odlewniczych. Wyróżniają się dobrymi właściwościami odlewniczymi, choć problemem jest ich znaczny skurcz sięgający 1,6%. Z uwagi na niższe koszty produkcji używa się ich jako tańszej alternatywy dla drogich brązów cynowych. Brązy krzemowe mają znakomitą sprężystość, wysoką wytrzymałość mechaniczną oraz niską podatność na korozję, nieco gorsza jest natomiast ich plastyczność. Są używane jako materiał do produkcji części maszyn – łożysk, części pomp, sprężyn – a także do wytwarzania instalacji i aparatury chemicznej.
Brązy berylowe to stopy zawierające do około 2% berylu, a często również dodatek kobaltu i niklu na poziomie 0,2–0,4%, jak również tytanu od 0,1 do 0,25%. Ważną cechą brązów berylowych jest niewielka masa wynikająca z małej gęstości berylu. Brązy berylowe mają wysoką odporność na różne substancje chemiczne, dużą wytrzymałość mechaniczną, a także dobrą sprężystość oraz odporność na ścieranie. Nadają się do wytwarzania części pracujących w podzespołach narażonych na bardzo duże tarcie oraz podwyższoną temperaturę. Brązu berylowego używa się m.in. do produkcji gniazd zaworowych, sprężyn oraz narzędzi nieiskrzących i elementów przeznaczonych do użytku w strefach zagrożonych wybuchem.
Brązy ołowiowe mogą zawierać nawet do 30% ołowiu, często wprowadza się do nich także dodatki stopowe takie jak mangan i nikiel ograniczające segregację grawitacyjną ziaren miedzi i ołowiu, także cyną lub cynkiem, zwiększającymi twardość. Brązy ołowiowe są używane do produkcji łożysk ślizgowych.
Brązy specjalne i ich zastosowanie
Wśród wielu rodzajów i gatunków brązów można wyróżnić także takie, które są zaliczane do specjalnych stopów miedzi i nazywane potocznie brązami specjalnymi. Według wycofanej już normy PN-H-87060:1992 „Stopy miedzi do przeróbki plastycznej. Specjalne stopy miedzi. Gatunki” są to CuSi1, CuSi3Mn1, CuBe1,7, CuBe2, CuBe2Pb, CuCo2Be, CuNi2Si. Wśród brązów specjalnych można więc znaleźć dwuskładnikowy brąz krzemowy CuSi1 oraz wieloskładnikowy brąz krzemowo-manganowy CuSi3Mn1 z dodatkiem manganu, który poprawia wytrzymałość mechaniczną, a także dwuskładnikowe brązy berylowe CuBe1,7 z 1,7% zawartością berylu oraz CuBe2, w którym znajduje się 2% berylu. Przedstawicielem wieloskładnikowych brązów berylowych jest w tej grupie brąz berylowo-ołowiowy CuBe2Pb, w którym dodany ołów wpływa na poprawę własności ślizgowych stopu oraz jego obrabialność. Za specjalne stopy miedzi według przywołanej normy uznawany jest także brąz kobaltowo-berylowy CuCo2Be z 2% zawartością kobaltu i dodatkiem berylu podnoszącego m.in. wytrzymałość temperaturową oraz miedzionikiel CuNi2Si z dodatkiem krzemu.
Brąz krzemowy CuSi1 (wg norm europejskich EN oznaczenie CW115C) wyróżnia się dobrą odpornością na korozję i wysoką wytrzymałością zmęczeniową. Może być spawany i lutowany, nadaje się do obróbki plastycznej na zimno i ciepło. Używa się go m.in. do produkcji elementów szczególnie narażonych na korozję, np. elementów złącznych wykorzystywanych na statkach – śrub, nakrętek, zacisków i nitów. Ma zastosowanie także w aplikacjach przemysłowych. Brąz krzemowy z domieszką manganu CuSi3Mn1 (wg EN CW116C) jest niezwykle odporny na korozję i ma dużą wytrzymałość mechaniczną oraz zmęczeniową. Może być spawany, zgrzewany i lutowany, nadaje się do obróbki plastycznej na zimno i gorąco. Używa się go do produkcji elementów złącznych, a także zaworów i elementów pomp. Brązy berylowe CuBe1,7 oraz CuBe2 (wg EN CW100C oraz CW101C) mają bardzo wysoką wytrzymałość mechaniczną, w tym na ścieranie oraz dobrą sprężystość. Są odporne na korozję. Mogą być poddawane obróbce cieplnej. Wykonuje się z nich m.in. elementy sprężynujące, części narażone na podwyższone ścieranie – sworznie, tuleje, podkładki i pierścienie oporowe – a także zawory oraz narzędzia nieiskrzące. Brąz berylowo-ołowiowy CuBe2Pb (wg EN CW102C) poza właściwościami zbliżonymi do brązów berylowych CuBe1,7 oraz CuBe2 wyróżnia się lepszą obrabialnością w obróbce ubytkowej. Brąz kobaltowo-berylowy CuCo2Be (wg EN CW104C) to stop miedzi o podwyższonej temperaturze topnienia. Jest odporny na ścieranie i korozję, a także ma znaczną twardość. Używa się go m.in. do produkcji elektrod, przekaźników i elementów oprzyrządowania do form wtryskowych. Stop miedzi niklowo-krzemowej CuNi2Si (wg EN CW111C) wyróżnia się szerokim przedziałem wytrzymałości temperaturowej. Ze względu na dobre właściwości mechaniczne, odporność na ścieranie oraz korozję może być stosowany jako materiał na elementy złączne, gniazda i prowadnice zaworów, zawory i elementy pomp, a także narzędzia wiertnicze, element formy wtryskowych oraz podzespoły do hydrauliki siłowej.
