Rosnące wymagania co do właściwości używanych materiałów sprawiają, że coraz częściej do produkcji różnych elementów wykorzystuje się rozmaite stopy oraz wiele sposobów poprawy ich wytrzymałości. Przy konstruowaniu maszyn i urządzeń szeroko stosuje się metale, które mają podwyższone parametry, jeśli chodzi o odporność na obciążenia mechaniczne, ścieranie czy wysoką temperaturę. W wielu takich sytuacjach sięga się po zmodyfikowane odmiany stopów wykorzystywanych od bardzo dawna. Przykładem tego typu materiałów mogą być wszelkie stopy miedzi, w tym m.in. brąz aluminiowy. Przyjrzyjmy się bliżej składowi i cechom tworzących go metali i zobaczmy, w jakich zastosowaniach może sprawdzić się najlepiej.
Rosnące wymagania co do właściwości używanych materiałów sprawiają, że coraz częściej do produkcji różnych elementów wykorzystuje się rozmaite stopy oraz wiele sposobów poprawy ich wytrzymałości. Przy konstruowaniu maszyn i urządzeń szeroko stosuje się metale, które mają podwyższone parametry, jeśli chodzi o odporność na obciążenia mechaniczne, ścieranie czy wysoką temperaturę. W wielu takich sytuacjach sięga się po zmodyfikowane odmiany stopów wykorzystywanych od bardzo dawna. Przykładem tego typu materiałów mogą być wszelkie stopy miedzi, w tym m.in. brąz aluminiowy. Przyjrzyjmy się bliżej składowi i cechom tworzących go metali i zobaczmy, w jakich zastosowaniach może sprawdzić się najlepiej.
Stopy metali i ich właściwości a cechy tworzących je pierwiastków
Miedź jest jednym z cenniejszych metali o bardzo dobrych właściwościach związanych ze znakomitym przewodnictwem prądu elektrycznego oraz przewodnością cieplną, a także wysoką odpornością na korozję i czynniki atmosferyczne oraz związki chemiczne, o ile jest pozbawiona zanieczyszczeń, a zwłaszcza ołowiu oraz bizmutu. Wadą miedzi jest jej niewielka wytrzymałość na obciążenia mechaniczne, co wyłącza ją z użytku w stanie czystym w większości urządzeń poza instalacjami związanymi z przewodzeniem ciepła oraz prądu elektrycznego. Walory miedzi mogą być jednak w pełni wykorzystywane i wzmocnione, jeśli zostanie ona użyta w postaci jednego z licznych stopów: z cynkiem jako mosiądz, niklem jako miedzionikiel albo jako brąz w połączeniu z pozostałymi metalami.
W większości zastosowań przemysłowych szczególnie cenione są właśnie brązy, które co ciekawe były pierwszymi wykorzystywanymi metalami, znajdywanymi najczęściej w formie bryłek naturalnych stopów, a z czasem dopiero tworzonych sztucznie. Zwykle były to stopy miedzi i cyny, ze zdecydowaną przewagą tej pierwszej, która stanowiła od 80 do 90% zawartości. Własności łączenia różnych metali do dziś są szeroko stosowane w nowoczesnej metalurgii. Dzieje się tak dlatego, że wprowadzanie dodatkowych składników pozwala na znaczną poprawę własności mechanicznych materiału oraz zyskanie innych potrzebnych cech. Uzyskuje się w ten sposób np. podwyższoną odporność na rozciąganie oraz zwiększoną twardość. W zależności od charakterystyki metalu istnieje możliwość stopów dwu-, trzy lub nawet wieloskładnikowych, które mogą osiągać właściwości znacznie odbiegające od tych, jakimi charakteryzują się przetworzone metale w stanie czystym. Własność tę wykorzystuje się szeroko przy produkcji stali stopowych, w których np. obecność miedzi w tzw. stali kortenowskiej sprawia, że staje się ona niema całkowicie odporna na korozję. Podobne stopy są wytwarzane w przypadku brązów.
Dziś w użyciu jest wiele rodzajów brązów, uzyskiwanych za sprawą rozmaitych dodatków stopowych, używanych w ilości przekraczającej 2%. Najczęściej stosowanymi dodatkami jest cyna, krzem, aluminium i beryl. Nazwy stopów pochodzą od dominującego składnika, np. przy brązie aluminiowym będzie to oczywiście glin, ale w składzie stopów brązu mogą się też znaleźć dwa pierwiastki, jak przy brązie aluminiowo-żelazowym lub trzy, jak choćby w brązie cynowo-cynkowym dawniej zwanym spiżem, albo cztery jak w brązie cynowo-cynkowo-ołowiowym.
W zależności od składu stopu brązy można stosować jako materiał do przygotowywania odlewów, które charakteryzują się niezwykle niskim skurczem sięgającym jedynie ok. 1%, ale także obrabiać plastycznie. Wiele brązów sprawdza się również przy obróbce cieplnej oraz ubytkowej.
Jaka jest charakterystyka brązu aluminiowego?
Jednym z często używanych stopów jest połączenie miedzi z glinem, tworzące brąz aluminiowy. W normalnych warunkach połączenie tych metali jest ryzykowne ze względu na wysokie ryzyko korozji zachodzącej w obecności elektrolitu tworzonego przez wodę i wynikającego z różnicy potencjałów obu metali. W przypadku stopu, w którym atomy jednego metalu są rozpuszczone w innym, podobne niebezpieczeństwo nie zachodzi, a uzyskany materiał ma szereg cennych właściwości. Obecność aluminium podnosi twardość i wytrzymałość stopu, zapewniając jednocześnie możliwość stosowania obróbki plastycznej na zimno lub na gorąco, a także obróbki termicznej łącznie z hartowaniem. Do składu brązu aluminiowego często wprowadza się także inne pierwiastki wpływające na charakterystykę materiału. Zazwyczaj jest to żelazo, nikiel albo mangan.
Stop brązu aluminiowego z domieszką żelaza charakteryzuje się wyższą odpornością na ścieranie oraz twardością, jednocześnie pociąga jednak za sobą wzrost zagrożenia korozją. Wprowadzenie manganu powoduje zwiększenie wytrzymałości na korozję, a dodatek niklu oznacza poprawę odporności mechanicznej. Możliwy udział żelaza w brązie aluminiowym to od około 2 do 5,5%, mangan może stanowić między 1,5 a 4,5%, zaś nikiel 3,5–5,5%. Jeśli chodzi o zawartość samego aluminium, to waha się ono od 4 do 11%.
Najpopularniejszymi obszarami zastosowań brązu aluminiowego są dziedziny, które wymagają zwiększonej wytrzymałości mechanicznej. W większości przypadków z materiału tego wykonuje się elementy łożysk, ślizgów, wałów, ale także elementy złączne np. śruby i nakrętki o wysokiej obciążalności. Stopy tego rodzaju nadają się również na podzespoły i części odlewane – korpusy, silniki i ich składowe. Można z nich wytwarzać również koła zębate, gniazda zaworów oraz wymienniki ciepła. Z brązu aluminiowego produkuje się pompy i armaturę, a zwłaszcza części zaworów, ponadto złączki oraz wszelkiego rodzaju zamknięcia. Ze względu na to, że brąz aluminiowy może być bardzo odporny na korozję, wykonuje się z niego podzespoły mające ciągły kontakt z silnie zasoloną wodą morską m.in. elementy osprzętu i armatury okrętowej, w tym śruby i fragmenty mocowań. Dobra tolerancja kwasów powoduje, że brąz aluminiowy okazuje się znakomitym surowcem do produkcji armatury i części dla przemysłu chemicznego.
Dodatek aluminium jest jednym ze sposobów na znaczące zmodyfikowanie właściwości miedzi i sprawienie, że w postaci brązu aluminiowego staje się ona jednym z cenniejszych materiałów o wysokiej wytrzymałości, który można szeroko stosować przy produkcji maszyn i urządzeń. Brązy aluminiowe są dostępne w wielu postaciach, w zależności od potrzeb i planowanego zastosowania. W sprzedaży można znaleźć m.in. BA5 (CuAI5As), BA8 (CuAI8), BA83 (CuAI8Fe3), BA1032 (CuAI10Fe3Mn2) albo BA1054 (CuAI10Ni5Fe4).
