Zastosowanie brązów w odlewnictwie

Pierwszymi metalami, jakie nauczono się odlewać były brązy, będące stopami miedzi z różnymi metalami (poza cyną i niklem, które stanowią główny składnik materiału). Brązy odlewnicze stanowią znaczną część stopów metali nieżelaznych używanych w różnych zastosowaniach przemysłowych. Poznaj rodzaje brązów odlewniczych i dowiedz się, gdzie i w jakim celu są one wykorzystywane.

Na czym polegają procesy odlewnicze?

Zanim przejdziemy do rodzajów brązów i ich zastosowania, wyjaśnimy, na czym polegają procesy odlewnicze. Odlewanie metali jest jedną z podstawowych metod ich obróbki, pozwalającą na wytwarzanie różnego rodzaju części i podzespołów wykorzystywanych przede wszystkim w maszynach i urządzeniach – od obudów, korpusów pomp czy bloków silników aż po mniejsze detale o nierzadko skomplikowanych kształtach. Kluczowe procesy związane z technologią odlewniczą to przygotowanie formy, która nada metalowi odpowiednią geometrię, rozgrzanie stopu, a po wypełnieniu nim formy wystudzenie w celu zakrzepnięcia i umożliwienia ewentualnej dalszej obróbki ściernej lub skrawania.

Dzięki odlewaniu można uzyskać bardzo dobrą dokładność wymiarową, czyli niewielkie odstępstwa od założonych rozmiarów poszczególnych elementów odlewu. Technika ta umożliwia osiąganie powierzchni o niewielkiej chropowatości, nie stawia również istotnych ograniczeń co do wymiarów wytwarzanych wyrobów – gama produkowanych w ten sposób przedmiotów obejmuje zakres wagowy od kilku gramów do nawet kilkuset ton. Liczy się także jednolita struktura, którą ciężko byłoby uzyskać np. przez spawanie poszczególnych fragmentów.

Jednym z najważniejszych etapów przygotowania do procesu odlewania jest tworzenie odpowiedniej formy. Powstaje ona na podstawie wykonanego wcześniej modelu, który odzwierciedla geometrię gotowego wyrobu. W zależności od zastosowań i wymaganej precyzji oraz złożoności modele mogą powstawać z drewna, metalu, tworzywa sztucznego i ceramiki. Na ich podstawie tworzy się tzw. komplet modelowy, który obejmuje również rozmieszczenie wlewów, którymi metal będzie wprowadzany do formy oraz konieczne otwory przelewowe.

Forma, która posłuży do odlania przedmiotu, może być wytworzona z odpowiedniej masy formierskiej, składającej się z bardzo drobnego kruszywa oraz dodatków będących spoiwem i poprawiających właściwości podstawowego materiału. Formy tego rodzaju mogą być jednorazowe, a także służyć wielokrotnie. Inną możliwością jest stworzenie formy metalowej tzw. kokili, która może być z powodzeniem używana przy produkcji seryjnej.

Sam proces odlewania obejmuje wprowadzenie metalu do formy i może się odbywać grawitacyjnie, gdy ciekły metal samoczynnie rozpływa się po formie, niskociśnieniowo, gdy jest podawany pod niewielkim ciśnieniem ok. 0,2 Mpa oraz wysokociśnieniowo, gdy sięga ono nawet kilkuset MPa. Stosowane jest również odlewanie odśrodkowe, w ramach którego metal trafia do wirującej formy o takiej geometrii, że może się swobodnie rozpłynąć po jej ściankach.

Po uformowaniu odlewu następuje proces krystalizacji, w ramach którego metal oddaje swe ciepło. Na tym etapie istotna jest w miarę równomierna temperatura utrzymująca się w różnych punktach materiału. Po wystygnięciu często prowadzona jest obróbka wykańczająca, która może służyć wyłącznie do usunięcia pozostałości w postaci wlewaka czy powstających nadlewów, ale także oczyszczania wyrobu z resztek masy formierskiej. Do czyszczenia powierzchni i jej wygładzania używa się zwykle różnych metod szlifowania – od stosowania rozmaitych ścierniw po precyzyjne honowanie. Usuwanie większych fragmentów lub choćby przygotowanie potrzebnych otworów odbywa się na ogół przez obróbkę skrawaniem – toczenie, frezowanie lub wiercenie.

Odlewanie wiąże się także nieodłącznie z towarzyszącymi zastyganiu materiału zjawiskami – głównie skurczem metalu. Jest on związany ze zmianą stanu skupienia i zachodzącymi przemianami w strukturze metalu. Skurcz może mieć charakter objętościowy lub liniowy – łączy się ze zmniejszaniem się objętości albo konkretnego wymiaru następujących wraz ze spadkiem temperatury aż do osiągnięcia poziomu solidusu, czyli stałej wartości, która nie ulega dalszym zmianom. Podczas krzepnięcia dochodzi również do powstawania tzw. wad odlewniczych, czyli na ogół jam skurczowych pojawiających się w razie wystąpienia znaczących różnic w tempie wychładzania między poszczególnymi obszarami w strukturze materiału.

Z punktu widzenia technologii odlewana do najważniejszych cech używanego stopu odlewniczego należy jego zdolność do dobrego wypełniania formy (płynięcia), odtwarzania wszystkich szczegółów dzięki odpowiedniej zwilżalności, czyli możliwości dobrego rozpływania się po powierzchni, a także możliwie niskiego skurczu. Liczy się także przewodność cieplna, która ułatwia sukcesywne odprowadzanie ciepła podczas studzenia, niska skłonność do tworzenia się porów wskutek odprowadzania gazów, a także tworzenia się naprężeń w materiale.

Brązy jako materiały odlewnicze

Brązy są stopami miedzi z innymi pierwiastkami, które występują w ilości przynajmniej 2%. Metalami, które mogą być składnikami stopowymi brązów, są cyna, aluminium, ołów, kobalt, tytan, beryl, lub mangan. Brązy mogą być również połączeniem miedzi z krzemem. Brązy występują w dwóch odmianach związanych z ich przeznaczeniem – jako stopy do obróbki plastycznej albo brązy odlewnicze. Do brązów odlewniczych zalicza się różne rodzaje stopów. Dobre właściwości odlewnicze mają brązy cynowe, także zawierające domieszki innych pierwiastków.

W odlewnictwie używane są m.in. brązy cynowo-fosforowe, cynowo-cynkowe, cynowo-ołowiowe, a także cynowo-cynkowo-ołowiowe. Poszczególne gatunki można odlewać w różnych technologiach – w formach piaskowych, metalowych, a także metodą ciągłą albo półciągłą, jak również odśrodkowo. Stopy zawierające cynę wyróżniają się dobrą lejnością, jeśli natomiast chodzi o inne parametry np. ścieralność lub twardość, to są one uzależnione od składu stopu.

Odlewnicze brązy cynowe, które można nabyć m.in. w hurtowni metali nieżelaznych w Zielonce koło Bydgoszczy, nadają się do wykonywania elementów narażonych na działanie ścierne, korozję czy wysokie obciążenia. Do zalet brązów cynowych należy niski skurcz na poziomie poniżej 1%, mogą jednak pojawiać się w nich wady odlewnicze – jamy skurczowe, rzadzizny oraz pory. Do brązów odlewniczych zalicza się także brązy aluminiowe, zwłaszcza stopy zawierające większą ilość glinu. Mogą one jednak przysparzać pewnych kłopotów ze względu na skurcz na poziomie 2%, a także tendencję do tworzenia wtrąceń składających się z tlenków oraz powstawania dużych kryształów. W odlewnictwie używa się również brązów krzemowych oraz brązów ołowiowych.

Przykładami brązów odlewniczych, jeśli chodzi o brązy cynowe, jest CuSn10 (B10), z którego mogą powstawać elementy zagrożone korozją i ścieraniem – łożyska, podzespoły napędów, a także armatura mająca kontakt z wodą bądź parą. Odlewniczym brązem cynowo-fosforowym będzie CuSn10P (brąz B101), charakteryzujący się dobrą wytrzymałością mechaniczną, niską ścieralnością, z którego można produkować m.in. wysokoobciążone łożyska, armaturę i części urządzeń narażonych na korozję.

Brązem cynowo-cynkowym o przeznaczeniu na odlewy jest CuSn10Zn2 (B102), nadający się na elementy pracujące pod dużym obciążeniem i w środowiskach korozyjnych, w tym w wodzie morskiej – robi się z niego np. śruby okrętowe, armaturę okrętową i chemiczną, a także podzespoły, które będą pracować w dużej wilgotności. Odlewniczy brąz cynowo-ołowiowy to CuSn10Pb10 (B1010), wyróżniający się odpornością na ścieranie, który często jest używany do wytwarzania łożysk ślizgowych.

Brązem odlewniczym będzie także brąz cynowo-cynkowo-ołowiowy CuSnZn5Pb5 (B555), wykorzystywany do produkcji części silników oraz osprzętu i elementów narażonych na korozję i ścieranie. Do brązów odlewniczych zalicza się też brąz aluminiowy CuAl10Fe3 (BA93), szeroko używany przy wytwarzaniu elementów do silników i mocno obciążanych podzespołów stosowanych w przemyśle lotniczym, stoczniowym, chemicznym i w górnictwie, a także przy produkcji części do pojazdów mechanicznych. Brązem odlewniczym jest także brąz krzemowo-cynkowo-manganowy CuSi3Zn3Mn1 (BK331) charakteryzujący się wytrzymałością na udary i zmienne obciążenia, nadający się do pracy przy ograniczonym smarowaniu.

Warto przypomnieć, że brązy odlewnicze, zwłaszcza cynowe mają bardzo długą historię stosowania i były wykorzystywane przez zarówno przez ludwisarzy zajmujących się wytwarzaniem odlewów o dużych rozmiarach, jak i konwisarzy, którzy wykonywali odlewy niewielkich, nierzadko bardzo precyzyjnych wyrobów użytkowych. Z brązu cynowego zwanego spiżem przez wieki odlewano posągi, a także dzwony i armaty. Służył również jako materiał do wyrobu naczyń oraz ozdób.