Metalowe materiały konstrukcyjne. Metale nieżelazne i ich stopy

Metale nieżelazne są szeroko stosowane zarówno w przemyśle oraz w rzemiośle, jak i praktyce amatorskiej. Główną zaletą popularnych metali nieżelaznych i ich stopów jest odporność na korozję, duża plastyczność, dobra skrawalność, a także estetyczny wygląd.

Najczęściej spotykanymi metalami nieżelaznymi są miedź i aluminium oraz ich stopy. Rzadziej mamy do czynienia z magnezem, cynkiem, cyną i ołowiem. Czyste metale nieżelazne mają ograniczone zastosowanie, dlatego częściej wykorzystuje się stopy techniczne. Ogólnie stopy metali nieżelaznych można podzielić na odlewnicze i do obróbki plastycznej.

Miedź i jej stopy
Miedź jest metalem plastycznym o barwie czerwonozłotej. Łatwo

daje się kuć i walcować. Ze względu na swoje właściwości znalazła szerokie zastosowanie w przemyśle elektrotechnicznym i chemicznym. Spośród stopów technicznych najbardziej rozpowszechnione są mosiądze i brązy.
Mosiądz jest stopem miedzi z cynkiem, przy czym miedzi może być od 55 do 85%. Nie spotyka się mosiądzów, które by zawierały więcej niż 45% cyny, ponieważ stop taki jest bardzo kruchy i nie nadaje się do technicznego zastosowania. Z mosiądzu zawierającego 20% cynku wytwarza się wyroby przemysłu artystycznego oraz tanią biżuterię; dawniej stop taki nazywano tombakiem. Mosiądz jest odporny na korozję i plastyczny. Daje się dobrze odlewać i jest łatwo skrawalny. W skład mosiądzu, oprócz miedzi i cyny, może także wchodzić aluminium, nikiel, ołów oraz krzem i mangan. Mosiądze odlewnicze są stopami wieloskładnikowymi, natomiast stopy do obróbki plastycznej zawierają mniejszą ilość składników stopowych. Większa ilość niektórych dodatków pogarsza bowiem właściwości plastyczne stopu. Dodatek ołowiu i krzemu wpływa na poprawę właściwości odlewniczych, a aluminium, mangan i żelazo zwiększają jego wytrzymałość. Wzrost zawartości cynku zwiększa wytrzymałość mechaniczną mosiądzu i jego plastyczność. Najbardziej plastyczny jest mosiądz zawierający 30% cynku, natomiast największą wytrzymałość ma stop z zawartością 45% tego składnika. Elementy mosiężne można łatwo łączyć zarówno lutami miękkimi, jak i twardymi, a także przez spawanie acetylenowe.

Z mosiężnych stopów odlewniczych wykonuje się części maszyn dla przemysłu komunikacyjnego i okrętowego oraz elementy maszyn, które powinny być odporne na ścieranie. Mosiądze do obróbki plastycznej są stosowane w postaci odkuwek, prętów, rur i kształtowników oraz wykonuje się z nich m.in. elementy armatury hydraulicznej i kotłowej.

Brąz, czyli stop miedzi z cyną, jest odporny na działanie czynników atmosferycznych i słabych kwasów. Jest łatwo obrabialny i daje się dobrze odlewać. Brąz zawiera do 11% cyny oraz takie metale jak aluminium, żelazo, mangan, ołów. W zależności od nazwy głównego, dodatkowego składnika stopowego otrzymujemy brązy cynowe, aluminiowe, krzemowe, manganowe i inne. Rodzaj i ilość składnika stopowego ma decydujący wpływ na zastosowanie stopu. Podobnie jak w mosiądzu dodatek ołowiu poprawia lejność stopu, a aluminium, żelazo, mangan i nikiel polepszają właściwości mechaniczne. Z wieloskładnikowych brązów odlewniczych wykonuje się m.in. panewki i tuleje łożysk ślizgowych (brązy ołowiowe), armaturę dla przemysłu chemicznego i okrętowego oraz części maszyn i osprzęt pracujący w środowisku sprzyjającym korozji. Brązy aluminiowe są stosowane na sprężyny, gniazda zaworów i części narażone na ścieranie. Z brązów fosforowych wykonuje się tuleje wałów rozrządu i korbowodów. Brązy z dodatkiem cynku, krzemu i manganu służą do produkcji m.in. tulei kół przesuwnych skrzyni biegów.

Aluminium j jego stopy
Aluminium jest metalem o barwie srebrzystobiałej, odpornym na wpływy atmosferyczne i działanie słabych kwasów. Odznacza się dobrą przewodnością elektryczną i cieplną. Nadaje się do obróbki plastycznej, jest ciągliwe i można je łatwo odlewać. Czyste aluminium ma ograniczone zastosowanie, głównie dlatego że jest mało wytrzymałe. Stosowane jest na przewody elektryczne, do wyrobu foli, jako składnik farb. Dużo większe znaczenie mają stopy aluminium, które z uwagi na małą gęstość zaliczamy do stopów lekkich. W stopach aluminiowych najczęściej stosowanym dodatkiem jest miedź, krzem, magnez, mangan, nikiel i cynk. Dodatki stopowe

zwiększają wytrzymałość, odporność na korozję i polepszają obrabialność. Stopy aluminium dzieli się na stopy odlewnicze i stopy do przeróbki plastycznej.

Głównymi składnikami odlewniczych stopów aluminium są: krzem, miedź, magnez, czasami dodaje się również mangan, nikiel i tytan. Stop zawierający 20–23% krzemu oraz niewielkie ilości innych składników nazywamy silusilem, który stosowany jest na wysoko obciążone tłoki silników spalinowych odlewane pod ciśnieniem. Jeżeli stop aluminium zawiera 10–13% krzemu, to nazywany jest siluminem. Jest to stop najbardziej rozpowszechniony wśród wszystkich stopów aluminium. Z siluminu wykonuje się odlewy części maszyn o skomplikowanych kształtach, średnio obciążone, pracujące w podwyższonych temperaturach i odporne na korozję nawet w morskiej wodzie. Charakteryzuje się on dobrymi własnościami wytrzymałościowymi i spawalnością. Stopy aluminium z miedzią posiadają dobre własności odlewnicze i znaczną odporność na korozję; wadą ich jest natomiast skłonność do pęknięć na gorąco. Stop aluminium z dodatkiem 4–5% miedzi jest wykorzystywany do wyrobu galanterii stołowej oraz na odlewy wymagające dobrej lejności i plastyczności. Odlewane części maszyn, które powinny posiadać wysoką odporność na korozję, wykonuje się ze stopu aluminium z magnezem.

Stopy aluminium przeznaczone do przeróbki plastycznej zawierają procentowo mniejsze ilości dodatków stopowych w porównaniu do stopów odlewniczych. Jest to podyktowane faktem, że większa ilość dodatków stopowych pogarsza własności plastyczne stopu. Podstawowe składniki stopów do przeróbki plastycznej to: magnez, miedź, mangan i krzem. Stop aluminium zawierający do 1,2% Mg stosuje się do obróbki plastycznej na zimno i na gorąco oraz dobrze nadaje się do spawania. Jest odporny na korozję i na działanie wody morskiej. Ze stopu tego wykonuje się części kute w matrycach i tłoczone, elementy urządzeń stosowanych w przemyśle chemicznym i spożywczym. Stopy aluminium zawierające do 5% magnezu nazywane są hydronalium. Duże zastosowanie przemysłowe znalazły wieloskładnikowe stopy zwane duralami. Wykonuje się z nich obciążone elementy konstrukcji w przemyśle lotniczym i samochodowym. Jest to stop lekki, dający się łatwo odlewać, kuć, walcować i wyciągać. Posiada dużą odporność na korozję, małą rozszerzalność cieplną i dobrą wytrzymałość po utwardzeniu w procesie obróbki cieplnej.
Aluminium jest ogólnie uważane za łatwo skrawalne. Podczas obróbki występujące siły skrawania są około 3-krotnie mniejsze w porównaniu z obróbką stali o tej samej wytrzymałości.

Stopy metali nieżelaznych oznacza się w dość prosty sposób za pomocą symboli chemicznych składników stopu oraz ich procentowej zawartość w liczbach całkowitych. Na pierwszym miejscu znajduje się symbol podstawowego składnika, a w dalszej kolejności pozostałe składniki w kolejności od największej zawartości do najmniejszej. Nie podaje się procentowej zawartości składnika podstawowego ani ilości składników, których jest mniej niż 1%. Na przykład symbol CuZn25Al16Mn3Fe oznacza mosiądz o zawartości 25% cynku, 16% aluminium, 3% manganu i nie więcej jak 1% żelaza, a pozostała część to miedź (ok. 55%).

Literatura pomocnicza
1. Figurski J., Popis S., Wykonywanie elementów maszyn, urządzeń i narzędzi, WSiP, Warszawa 2015.
2. Górecki A., Technologia ogólna. Podstawy technologii mechanicznych, WSiP, Warszawa 1884.
3. Mac S., Obróbka metali z materiałoznawstwem, WSiP, Warszawa 1999.
4. Poradnik GARANT. Obróbka skrawaniem.

Hoffman Group 2011.