2.18 ΥΑΛΚΟ ΚΑΙ ΚΡΑΜΑΣΑ ΥΑΛΚΟΤ

Transcript

1 2.18 ΥΑΛΚΟ ΚΑΙ ΚΡΑΜΑΣΑ ΥΑΛΚΟΤ 1. ΕΙΑΓΩΓΗ Ο χαλκόσ είναι ζνα από τα μζταλλα που χρθςιμοποιοφνται από τον άνκρωπο ιδθ από τθν πρϊτθ περίοδο του πολιτιςμοφ. Δεδομζνου ότι ςτθ φφςθ είναι παρόν τόςο ωσ κακαρό ςτοιχείο όςο και ωσ ζνωςθ με άλλα μζταλλα, οι πρόγονοί μασ ςυνειδθτοποίθςαν αυτό το κόκκινο λαμπερό μζταλλο. Ωςτόςο, δεν γίνεται χριςθ του κακαροφ μζταλλου, αλλά ενόσ κράματοσ από χαλκό και καςςίτερο που ςιμερα ονομάηεται μπροφτηοσ (bronze/ tinbronze). Αυτό ςτθρίηεται ςτο γεγονόσ ότι αυτό το κράμα χαλκοφ ζχει ουςιαςτικά καλφτερεσ μθχανικζσ τεχνολογικζσ ιδιότθτεσ από τον κακαρό χαλκό, ζτςι ο μπροφτηοσ είναι το πιο ςθμαντικό μεταλλικό υλικό μζχρι τθν ειςαγωγι του ςιδιρου. Ωσ εκ τοφτου, το ςφνολο αυτισ τθσ πολιτιςτικισ περιόδου ονομάςτθκε θ περίοδοσ του χαλκοφ. Σα πρϊτα ευριματα των χάλκινων αντικείμενων ζγιναν ςε τάφουσ των ουμερίων βαςιλιάδων ςτθν Ουρ του Ευφράτθ, που είχαν καταςκευαςτεί περίπου το π.χ. τθν Κίνα τα κράματα χαλκοφ ιταν γνωςτά από περίπου το π.χ., και ςτθν Κεντρικι Ευρϊπθ θ αρχι τθσ επεξεργαςίασ του μπροφτηου υποτίκεται ότι άρχιςε περίπου το π.χ. ιμερα ο χαλκόσ και τα κράματά του εφαρμόηονται κυρίωσ λόγω τριϊν ςθμαντικϊν ιδιοτιτων του χαλκοφ οι οποίεσ είναι: οι εξαιρετικζσ θλεκτρικζσ ιδιότθτεσ, π.χ. ςτθ βιομθχανία θλεκτρικϊν ειδϊν αγωγοί ρεφματοσ θ πολφ καλι κερμικι αγωγιμότθτα, π.χ. ςτθ ςυγκόλλθςθ - υποςτιριξθ και προςταςία τθσ ρίηασ θ πολφ καλι αντοχι ςτθ διάβρωςθ, π.χ. ςτθ βιομθχανία ποτϊν και ςτον κλάδο των καταςκευϊν - ςτζγεσ Ανάλογα με το πεδίο εφαρμογισ και τισ απαιτιςεισ είτε κακαρόσ χαλκόσ είτε κράματα χαλκοφ με άλλα ςτοιχεία χρθςιμοποιοφνται. Μεταξφ αυτϊν είναι: ο καςςίτεροσ, ο ψευδάργυροσ, το νικζλιο, ο μόλυβδοσ, το μαγγάνιο, το αλουμίνιο και άλλα. 1

2 1.1 ΜΕΣΑΛΛΕΤΜΑΣΑ ΥΑΛΚΟΤ Θ περιεκτικότθτα ςε χαλκό του φλοιοφ τθσ γθσ ανζρχεται ςε περίπου 0,006%, ενϊ ο χαλκόσ εμφανίηεται ςε πολλζσ μορφζσ.σα πιο ςθμαντικά μεταλλεφματα χαλκοφ είναι: τα κειοφχα μεταλλεφματα: χαλκοπυρίτθσ (CuFeS 2 ) με 34% Cu και χαλκοςίνθσ (Cu 2 S) με 79% Cu τα μεταλλεφματα οξειδίου: μαλαχίτθσ (Cu2 (OH) 2 CO 3 ) με 57% Cu και αηουρίτθσ (Cu 3 (ΟΘ) 2 [CO 3 ] 2 ) με 55% Cu Εκτόσ αυτϊν των ορυκτϊν, ο χαλκόσ είναι επίςθσ παρόν ωσ ζνα φυςικό μζταλλο. Οι ςθμαντικότερεσ περιοχζσ εξόρυξθσ χαλκοφ βρίςκονται ςτο νότιο τμιμα τθσ Αφρικισ (Ηάμπια, Ηαΐρ, Νότια Αφρικι) και ςτθ δυτικι Νότια Αμερικι (Χιλι, Περοφ) κακϊσ και ςτισ ΘΠΑ, το Μεξικό, τον Καναδά και τθν Αυςτραλία. Σα ευρωπαϊκά κοιτάςματα δεν ζχουν καμία ςθμαςία. Σα μεταλλεφματα χαλκοφ που εξορφςςονται ςιμερα ζχουν περιεκτικότθτα χαλκοφ <1%, ςε οριςμζνα μεγαλφτερα κοιλϊματα μόνο περίπου 0,3%. ε περίπου 80% τα κειοφχα μεταλλεφματα εξορφςςονται και εμπλουτίηονται. 2

3 Σχιμα 1. Μεταλλεφματα χαλκοφ Σχιμα 2. Σα ποιο ςθμαντικά παγκόςμια κοιτάςματα χαλκοφ Θειοφχα μεταλλευμάτα Σα κειοφχα μεταλλεφματα πρϊτα τρίβονται ςε τυποποιθμζνα μεγζκθ <100 μm και ςτθ ςυνζχεια κακαρίηονται χρθςιμοποιϊντασ διεργαςίεσ εμπλουτιςμοφ μζςω επίπλευςθσ όπου λαμβάνονται ςυγκεντρϊςεισ περίπου 30%. Αυτά τα ςυμπυκνϊματα υπόκεινται ςτθν ςυνζχεια ςε περαιτζρω επεξεργαςία με μεταλλουργικζσ διεργαςίεσ ςυντιξθσ (ςχιμα 3). Μεταλλεφματα Οξειδίου Από τα μεταλλεφματα οξειδίου ο χαλκόσ παράγεται με υδρομεταλλουργικι κατεργαςία. Για το ςκοπό αυτό, το μετάλλευμα εκπλζνεται με τθ χριςθ κειικοφ οξζοσ, και ακολοφκωσ ο διαλυτοποιθμζνοσ χαλκόσ κατακρθμνίηεται από το οξφ (ςχιμα 3). 3

4 Ηλεκτρόλυςθ Και τα δφο προϊόντα, οι πλάκεσ ανόδου που δθμιουργοφνται μζςω τθσ μεταλλουργίασ ςφντθξθσ και τα ςυμπυκνϊματα που δθμιουργοφνται μζςω τθσ κατακριμνιςθσ από το οξφ τροφοδοτοφνται ςε μια θλεκτρόλυςθ εμπλουτιςμοφ και αναγωγικι θλεκτρόλυςθ, αντίςτοιχα. Μετά από αυτι τθν θλεκτρόλυςθ, οι πλάκεσ κακόδου επανατικονται και υποβάλλονται ςε επεξεργαςία ςε θμι-τελικά προϊόντα. Σχιμα 3. Προετοιμαςία και μεταλλουργικι επεξεργαςία των μεταλλευμάτων Πυρομεταλλουργικι του χαλκοφ (κειοφχων και μεταλλευμάτων οξειδίου). Παραγωγι χαλκοφ - αργοφ χαλκοφ ςε διφλιςθ. Ανάλογα με τισ απαιτιςεισ για τθν μετζπειτα κακαρότθτα του χαλκοφ τα ακολουκοφνται τα βιματα βελτίωςθσ που αναφζρονται ςτον πίνακα 1, ενϊ τα κακαρότερα προϊόντα βαςίηονται ςτα αμζςωσ προθγοφμενα από άποψθ κακαρότθτασ. Πίνακασ 1. Εξάρτθςθ τθσ κακαρότθτασ του χαλκοφ από το είδοσ τθσ βελτίωςθσ 4

5 Σχιμα 4. Πυρομεταλλουργία του χαλκοφ. Σχιμα 5. Παραγωγι του χαλκοφ 5

6 1.2 ΦΤΙΚΕ ΚΑΙ ΣΕΥΝΟΛΟΓΙΚΕ ΙΔΙΟΣΗΣΕ ΧΑΛΚΟ ΚΑΙ ΚΡΑΜΑΣΑ ΧΑΛΚΟΤ Επιλεγμζνεσ φυςικζσ ιδιότθτεσ των διαφόρων τφπων χαλκοφ ςε ςφγκριςθ με εκείνεσ των κοινϊν δομικϊν χαλφβων φαίνονται ςτον Πίνακα 2. Ο πίνακασ 3 δείχνει τισ χαρακτθριςτικζσ θλεκτρικζσ και κερμικζσ παραμζτρουσ των διαφόρων τφπων χαλκοφ. Πίνακασ 2. φγκριςθ φυςικϊν ιδιοτιτων χαλκοφ με του χάλυβα καταςκευϊν Πίνακασ 3. Επιλεγμζνεσ φυςικζσ ιδιότθτεσ χαλκοφ Επίδραςθ ςτθ κερμικι και θλεκτρικι αγωγιμότθτα Από τα πρόςκετα και τισ ακακαρςίεσ θ θλεκτρικι αγωγιμότθτα μπορεί να μειωκεί ςθμαντικά (χιμα 5). Θ υψθλότερθ τιμι κερμικισ αγωγιμότθτασ ζχει ο E-χαλκόσ, όντασ 8 φορζσ υψθλότερθ από εκείνθ του χάλυβα. Μια ςυγκρίςιμθ διαφορά δίνεται επίςθσ με τθν θλεκτρικι αγωγιμότθτα. Όπωσ μπορεί να φανεί ςτον πίνακα 2, είναι 8 φορζσ υψθλότερθ από εκείνθ του ανκρακοφχου χάλυβα. 6

7 Επίδραςθ τθσ ψυχρισ και ηεςτισ παραμόρφωςθσ Με τθ βοικεια τθσ παραμόρφωςθσ εν ψυχρϊ θ αντοχι του χαλκοφ μπορεί να ςχεδόν διπλαςιαςτεί. Αν και θ ανακρυςτάλλωςθ του παραμορφωμζνα εν ψυχρϊ χαλκοφ με υψθλό βακμό παραμόρφωςθσ ξεκινά ιδθ ςτουσ 100 C, δεν υπάρχει ηεςτι παραμόρφωςθ που κα πρζπει να πραγματοποιείται κάτω από τουσ 500 C διότι διαφορετικά υπάρχει ο κίνδυνοσ μεγζκυνςθσ των κόκκων. Οι τφποι χαλκοφ με χαμθλι κακαρότθτα, μπορεί να ευκραυςτοποιθκοφν ςε μία περιοχι κερμοκραςιϊν μεταξφ 200 και 500 C. Όπωσ μπορεί να δει κανείσ ςτο ςχιμα 6, υπάρχει μια ςθμαντικι μείωςθ του μεγζκουσ Η (μείωςθ διατομισ ςε εφελκυςμό - reduction of area). Σχιμα 5.Επίδραςθ των ςχετιηόμενων ςτοιχείων ςχετικά με τισ φυςικζσ ιδιότθτεσ του χαλκοφ 7

8 Σχιμα 6. Kακαρόσ χαλκόσ μθχανικζσ ιδιότθτεσ. 1.3 ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ Οι κωδικζσ ονομαςίεσ για τα υλικά του χαλκοφ δίνονται ςφμφωνα με το πρότυπο ISO (πίνακασ 4). ε αυτι τθν ονομαςία υλικοφ προςτίκεται μια επιπλζον κατθγοριοποίθςθ ςφμφωνα με το EN 1173 (πίνακασ 4). Σο κωδικό γράμμα ορίηει το τθν ιδιότθτα και ο αρικμόσ ορίηει τθν ελάχιςτθ τιμι του αντίςτοιχου μεγζκουσ, π.χ. ςε% ι N/mm². Πίνακασ 4. ISO (αριςτερά) και EN 1173 (δεξιά) 8

9 Αρικμθτικό Σφςτθμα χαλκοφ Παρόμοια με τα υλικά χάλυβα τα υλικά χαλκοφ μποροφνι να κατθγοριοποιθκοφν χρθςιμοποιϊντασ ζνα υλικό αρικμθτικό ςφςτθμα, ςφμφωνα με το πρότυπο EN Ο αρικμόσ του υλικοφ πρζπει να αποτελείται από 6 χαρακτιρεσ. Είναι προβλθματικι, ωςτόςο, γιατί το ςφςτθμα των αρικμϊν του υλικοφ δεν είναι ςυμβατό με το ευρωπαϊκό ςφςτθμα αρικμϊν για χάλυβεσ, αλλά με βάςθ τα πρότυπα των ΘΠΑ. Πίνακασ 5. Αρικμόσ Τλικοφ για Χαλκό και κράματα χαλκοφ κατά EN 1412 Πίνακασ6. Παραδείγματα χαρακτθριςμοφ για τον αρικμό υλικοφ ςφμφωνα με το πρότυπο EN

10 Σα υλικά χαλκοφ ταξινομοφνται ανάλογα με τουσ τομείσ εφαρμογισ τουσ και τυποποιοφνται ςτα διάφορα διεκνι πρότυπα (ISO), τθσ Ευρωπαϊκισ (EN) και τθσ Γερμανίασ (DIN). Πίνακασ 7. Πρότυπα για διάφορεσ εφαρμογζσ του χαλκοφ 2. ΕΠΙΔΡΑΗ ΣΟΤ ΟΞΤΓΟΝΟΤ ΕΠΙ ΣΩΝ ΙΔΙΟΣΗΣΩΝ ΣΟΤ ΥΑΛΚΟΤ Σα είδθ Cu που περιζχουν οξυγόνο είτε δεν είναι, είτε είναι οριακά μόνο κατάλλθλα για ςυγκόλλθςθ. Σο οξυγόνο επθρεάηει τισ ιδιότθτεσ του χαλκοφ, μζςω δφο κυρίωσ μθχανιςμϊν. Ζνα μθχανιςμό ρθγμάτωςθσ και ζνα μθχανιςμό μείωςθσ τθσ δυςκραυςτότθτασ. Μθχανιςμόσ ρθγμάτωςθσ λόγω τθσ παρουςίασ οξυγόνου Θ πολφ υψθλι περιεκτικότθτα του χαλκοφ ςε οξυγόνο μπορεί να οδθγιςει ςε ρθγμάτωςθ μζςω του μθχανιςμοφ που περιγράφεται παρακάτω (ςχιμα 7). Αυτι θ βλάβθ ςτο υλικό μπορεί να ςυμβεί κατ 'ουςίαν, κατά τθ διάρκεια τθσ οξυγονοκόλλθςθσ ι τθσ κοπισ του χαλκοφ με οξυγόνο και ζχει τισ ακόλουκεσ αιτίεσ: 10

11 Σο υδρογόνο που απελευκερϊνεται κατά τθν καφςθ του ακετυλενίου (C 2 H 2 ) λόγω του χαμθλοφ ατομικοφ του μεγζκουσ διαχζεται ςτο χαλκό και αντιδρά με το οξυγόνο του οξειδίου του χαλκοφ ςχθματίηοντασ υδρατμοφσ. Cu 2 O + Θ 2 = 2Cu + H 2 O Λόγω του μοριακοφ μεγζκουσ τουσ οι υδρατμοί δεν είναι ςε κζςθ να διαχζονται πια. Λόγω των υψθλϊν κερμοκραςιϊν που προκαλοφνται από τθ ςυγκόλλθςθ προςπακεί να διαςταλεί, οδθγϊντασ ζτςι ςε μία καταςτροφι του υλικοφ καταςκευισ μζςω τθσ αφξθςθσ τθσ εςωτερικισ πίεςθσ, με αποτζλεςμα τθ δθμιουργία ρωγμϊν. Προκειμζνου να βελτιωκεί θ αντοχι του χαλκοφ ςτον παραπάνω μθχανιςμό ρθγμάτωςθσ, ςιμερα εφαρμόηονται διάφορεσ τεχνολογικζσ διεργαςίεσ, ςτόχοσ των οποίων είναι να μειϊςουν τθν περιεκτικότθτα του χαλκοφ ςε οξυγόνο κατά τθν παραγωγι (απόξείδωςθ). Ζτςι ζχουμε: Βφκιςθ υγρϊν κορμϊν ςθμφδασ μζςα ςτο τιγμα του χαλκοφ. (με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνονται επίπεδα οξυγόνου μεταξφ 0.02 and 0.04%) Αποξείδωςθ με τθν χριςθ φωςφόρου ι λίκιου. Αυτι θ μζκοδοσ ζχει το πρόβλθμα ότι οδθγεί ςε αφξθςθ των ποςοτιτων των ακακαρςιϊν ςτο χαλκό, μειϊνοντασ ζτςι τθν θλεκτρικι αγωγιμότθτα του) Σιξθ ςε κενό. Θ αποξείδωςθ με αυτι τθν μζκοδο οδθγεί ςε μείωςθ τθσ περιεκτικότθτασ των ακακαρςιϊν ςτο τιγμα. Σχιμα 7. Ρθγμάτωςθ λόγω αυξθμζνθσ περιεκτικότθτασ ςε οξυγόνο. 11

12 Επίδραςθ του οξυγόνου ςτθν δυςκραυςτότθτα (ολκιμότθτα) ΧΑΛΚΟ ΚΑΙ ΚΡΑΜΑΣΑ ΧΑΛΚΟΤ Κατά τθ διάρκεια τθσ παραγωγισ χαλκοφ, ο χαλκόσ ςε τθγμζνθ κατάςταςθ, θ οποία ςυνικωσ είναι ελεφκερθ από οξυγόνο, ζρχεται ςε επαφι με οξυγόνο. Σο αποτζλεςμα είναι το οξυγόνο να ειςζρχεται ςτο λουτρό τιξθσ, και να αντιδρά με το χαλκό για να ςχθματίςουν οξείδιο του χαλκοφ (Cu 2 O). Σο οξείδιο του χαλκοφ διαλφεται πλιρωσ ςτον υγρό χαλκό, αλλά λόγω τθσ μειωμζνθσ διαλυτότθτασ ςε ςτερει κατάςταςθ κατακρθμνίηεται ςτα όρια των κόκκων. Θ ευτθκτικι κερμοκραςία ςτα κράματα Cu-CuΟ 2 ανζρχεται ςτουσ 1065 C. (χιμα 8). Αυτζσ οι κατακρθμνίςεισ οδθγοφν ςε μία ανεπικφμθτθ ευκραυςτόποίθςθ του χαλκοφ, ο οποίοσ χάνει ζτςι τθν ολκιμότθτα και τθν ικανότθτα να παραμορφωκεί. Εάν θ περιεκτικότθτα ςε οξυγόνο αυξθκεί πάνω από 0,1%, ο χαλκόσ δεν κα είναι ςε κζςθ να παραμορφωκεί εν ψυχρϊ. Περαιτζρω, υπάρχει ο κίνδυνοσ τθσ δθμιουργίασ ρωγμϊν λόγω ευκραυςτοποίθςθσ ςε περίπτωςθ μθχανικισ επεξεργαςίασ. Σχιμα 8. Σο διάγραμμα φάςεων χαλκοφ - οξειδίου του χαλκοφ 12

13 3. ΤΓΚΟΛΛΗΙΜΟΣΗΣΑ Για τθ ςυγκόλλθςθ του κακαροφ χαλκοφ τα παρακάτω πρζπει να λαμβάνονται υπόψθ: Μεταλλουργικζσ ιδιαιτερότθτεσ: περιεκτικότθτα ςε οξυγόνο Θερμικι αγωγιμότθτα κερμικι επιμικυνςθ περίοδοσ ςτερεοποίθςθσ και τεχνολογικζσ ιδιαιτερότθτεσ: φυρθλάτθςθ τθσ ςυγκόλλθςθσ Hammeringtheweld πλάτοσ τθσ ΘΕΗ πικανό μαλάκωμα τθσ ΘΕΗ επιλογι των κατάλλθλων διαδικαςιϊν ςυγκόλλθςθσ Μόνο τα χωρίσ οξυγόνο είδθ χαλκοφ είναι κατάλλθλα για τθ ςυγκόλλθςθ, π.χ. OFE-Cu, DLP-Cu και DHP-Cu, δεδομζνου ότι οι τφποι που περιζχουν οξυγόνο είναι επιρρεπείσ ςε ευκραυςτότθτα και ςτο ςχθματιςμό ρωγμϊν, αντίςτοιχα. Σχιμα 9. Κράματα χαλκοφ με ι χωρίσ οξυγόνο 13

14 Περιεκτικότθτα ςε οξυγόνο Πρόβλθμα: Θ περιεκτικότθτα ςε οξυγόνο είναι υπεφκυνθ για πολλά προβλιματα ςτθν ςυγκόλλθςθ. Αιτία: Ρθγμάτωςθ και ευκραυςτοποίθςθ λόγω οξυγόνου Λφςθ: Χριςθ του φωςφόρου ωσ αποξειδωτικό ι αντίςτοιχα μζταλλα πλθρϊςθσ με φϊςφορο. Πλεονζκτθμα: Ο φϊςφοροσ χειροτερεφει τθν κερμικι αγωγιμότθτα. Μειονζκτθμα: Φϊςφοροσ που περιζχουν τα μζταλλα πλθρϊςεωσ μπορεί να οδθγιςει ςε μθ προςανατολιςμζνο πορϊδεσ. Θερμικι αγωγιμότθτα Πρόβλθμα : Εκτόσ από το αςιμι ο κακαρόσ χαλκόσ ζχει τθν υψθλότερθ κερμικι αγωγιμότθτα από όλα τα τεχνικά μζταλλα. Αιτία: Πολφ γριγορθ απαγωγι τθσ κερμότθτασ ςυγκόλλθςθσ. Λφςθ: Περιοριςμόσ τθσ κερμικισ αγωγιμότθτασ Πλεονζκτθμα: Σα κράματα Cu που ζχουν αποξειδωκεί με P είναι κατάλλθλα για ςυγκόλλθςθ (αν θ κερμικι αγωγιμότθτα είναι κακοριςτικι). Μειονζκτθμα: υλικά χαλκοφ με υψθλι κερμικι αγωγιμότθτα ι διατομι πρζπει ςε οριςμζνεσ περιπτϊςεισ να προκερμαίνονται. Εκτόσ από τθν πολφ υψθλι θλεκτρικι αγωγιμότθτα ο τεχνικόσ χαλκόσ ζχει επίςθσ μια πολφ υψθλι κερμικι αγωγιμότθτα. θμαντικά υψθλότερθ κερμικι παροχι απαιτείται για τθ ςυγκόλλθςθ χαλκοφ από ό, τι με το χάλυβα. Αυτι θ υψθλότερθ ειςαγωγι ενζργειασ μπορεί να παραδοκεί με π.χ. τθν εφαρμογι ενόσ υψθλότερου ρεφματοσ ςυγκόλλθςθσ ι ςτθν περίπτωςθ τθσ οξυγονοκόλλθςθσ, με τθν χριςθ μεγαλφτερου καμινζτου. Με οξυγονοκόλλθςθ πάχοσ τοιχϊματοσ περίπου 3mm μπορεί να ςυγκολλθκεί. Θ χριςθ ενόσ ποςοςτοφ θλίου (30-70%) ςτο αζριο προςταςίασ ςτισ μεκόδουσ MIG ι TIG οδθγεί ςε μεγαλφτερθ ειςαγωγι ενζργειασ λόγω του πιο ζντονου τόξου και μπορεί να οδθγιςει ςε χαμθλότερθ απαίτθςθ προκζρμανςθσ. Μεταλλογραφικά τμιματα ςυγκόλλθςεων από υλικά χαλκοφ δείχνουν μεγζκυνςθ των κόκκων ςτο μζταλλο τθσ ςυγκόλλθςθσ και ςτθν ΘΕΗ κατά τθ διάρκεια τθσ ςυγκόλλθςθσ τόξου που προκαλείται από τθν υψθλι παροχι ενζργειασ (ςχιμα 10). 14

15 Θ κερμοκραςία προκζρμανςθσ κατά τθ ςυγκόλλθςθ των υλικϊν του χαλκοφ εξαρτάται από: το πάχοσ του τμιματοσ τον τφπο τθσ ραφισ τθν ζνταςθ του ρεφματοσ ςυγκόλλθςθσ το αζριο προςταςίασ Πίνακασ 8.Σιμζσ για τθν επιλογι τθσ ζνταςθσ ρεφματοσ ςυγκόλλθςθσ για ςυγκόλλθςθ χαλκοφ με τθν μζκοδο TIG. Σχιμα 10. Μεγζκυνςθ κόκκων ςτο μζταλλο τθσ ςυγκόλλθςθσ και τθν ΘΕΗ ςε κράματα χαλκοφ. Θερμικι επιμικυνςθ Πρόβλθμα: Λόγω τθσ αυξθμζνθσ κερμικισ αγωγιμότθτασ του χαλκοφ, μεγάλοσ όγκοσ υλικοφ κερμαίνεται κατά τθ ςυγκόλλθςθ του υλικοφ αυτοφ, οδθγϊντασ ζτςι ςε ζντονθ επιμικυνςθ. Αιτία: Κίνδυνοσ κερμικισ παραμόρφωςθσ. Λφςθ: Προςαρμογι τθσ προετοιμαςίασ ραφισ ϊςτε να λαμβάνει υπόψθ τθν κερμικι επιμικυνςθ. 15

16 Μειονζκτθμα: Σο πλάτοσ τθσ φρζηασ πρζπει να επιλεγεί πολφ μεγαλφτερο ςε ςχζςθ με αυτό κατά τθν ςυγκόλλθςθ του χάλυβα. Πλεονζκτθμα: Θ επιλογι ενόσ κενοφ ςε ςχιμα ςφινασ για τθν απόςβεςθ τυχόν κινιςεων του υλικοφ. Ο χαλκόσ ζχει 50% μεγαλφτερθ κερμικι επιμικυνςθ και ςυςτολι ςτερεοποίθςθσ 4% ςε ςφγκριςθ με το χάλυβα καταςκευϊν. Ωσ εκ τοφτου, μια μεγαλφτερθ γωνιακι και γραμμικι ςυςτολι ςυνδζεται ωσ αποτζλεςμα με τθν αφξθςθ των παραμενουςϊν τάςεων. Ωσ αντίμετρο μία διαμικθσ, ςε ςχιμα ςφινασ ραφι παραςκευάηεται ι ςυγκολλείται από το κζντρο προσ τα ζξω. Προκειμζνου να αποφευχκεί θ γωνιακι ςυρρίκνωςθ, χρθςιμοποιοφνται μεγαλφτερεσ γωνίεσ τθσ φρζηασ τθσ ςυγκόλλθςθσ ςυγκρινόμενεσ με εκείνεσ των χαλφβων ςε μετωπικζσ ςυγκολλιςεισ. Επιπλζον, το μζταλλο τθσ ςυγκόλλθςθσ ςυχνά χτυπιζται με ζνα ςφυρί μετά τθ ςυγκόλλθςθ, προκειμζνου να μειωκοφν οι παραμζνουςεσ τάςεισ. Περίοδοσ ςτερεοποίθςθσ Πρόβλθμα : Ο κακαρόσ χαλκόσ δεν ζχει διαφορετικζσ φάςεισ ςε ιςορροπία κατά τθν τιξθ, δθλαδι θ υγρι κατάςταςθ αλλάηει αμζςωσ ςε ςτερεά κατάςταςθ. Αιτία: Αιφνίδια μεταβολι του όγκου, ωσ εκ τοφτου παραμόρφωςθ. Μειονζκτθμα: Με δεδομζνθ τθν ευαιςκθςία του τιγματοσ, ςτθν απορόφθςθ αερίων, θ απελευκζρωςθ τουσ κατά τθ ςτερεοποίθςθ, είναι πολφ μειωμζνθ. Θ αφξθςθ τθσ περιεκτικότθτασ ςε αζρια μειϊνει τθν κακαρότθτα του κράματοσ. Σο οξυγόνο δθμιουργεί ανωμαλι λειτουργία του τόξου και πόρουσ. Λφςθ: Απόςβεςθ τθσ μεταβολισ του όγκου με τθν προςκικθ μζταλλου πλιρωςθσ. Ο κακαρόσ χαλκόσ ζχει ςθμείο τιξθσ αλλά καμία περιοχι ιςορροπίασ του τιγματοσ με άλλθ φάςθ. Ωσ εκ τοφτου, με το χαλκό, παρόμοια και με το αλουμίνιο, οι μεταλλουργικοί πόροι δθμιουργοφνται από το γεγονόσ, ότι θ τιξθ μπορεί να διαλφςει ουςιαςτικά μεγαλφτερεσ ποςότθτεσ αερίων και αυτά παγιδεφονται ςτο ςτερεοποιθμζνο μζταλλο λόγω τθσ μεγάλθσ ταχφτθτασ ςτερεοποίθςθσ. Από τθν άλλθ πλευρά, θ ξαφνικι υγροποίθςθ και ςτερεοποίθςθ, αντίςτοιχα, οδθγεί ςε προβλιματα χειριςμοφ και ζλλειψθ διείςδυςθσ ςτθν ρίηα. Κράματα χαλκοφ αποξειδωμζνα με P και με υψθλότερθ περικτικότθτα ςε Τ-(φττριο) ζχουν καλφτερεσ ιδιότθτεσ χειριςμοφ κατά τθν ςυγκόλλθςθ ςε ςφγκριςθ με τφπουσ με χαμθλό ι κακόλου P, λόγω τθσ μικρισ περιόδου τιξθσ τουσ. Εξαιτίασ αυτοφ, τα μζταλλα πλθρϊςεωσ που χρθςιμοποιοφνται είναι επίςθσ ελαφρά κραματωμζνα με 0,5. % ζωσ 0,7% Ag και 0,7% Sn, αντίςτοιχα. 16

17 Σφυρθλάτθςθ τθσ ςυγκόλλθςθσ Σο χτφπθμα τθσ ςυγκόλλθςθσ με ζνα ςφυρί εφαρμοηεται ςτθν ίδια τθ ςυγκόλλθςθ και τθν γειτονικι περιοχι τθσ ςυγκόλλθςθσ. Ιδίωσ μετά τθν οξυγονοκόλλθςθ με υψθλι κερμικι παροχι θ ποιότθτα τθσ ςυγκόλλθςθσ μπορεί να βελτιωκεί ςθμαντικά με ςφυρθλάτθςθ. Θ ςφυρθλάτθςθ ςυνικωσ κα εφαρμοςτεί ςε κερμοκραςίεσ 700 C ι υψθλότερεσ. Λόγω τθσ παραμόρφωςθσ ςε ςυνδυαςμό με ανακρυςτάλλωςθ κα προκφψει μια μικροδομι με λεπτοφσ κόκκουσ. Σχιμα 11. φυρθλάτθςθ τθσ ςυγκόλλθςθσ κράματοσ χαλκοφ Πλάτοσ τθσ ΘΕΖ Πρόβλθμα: Κατά τθν ςυγκόλλθςθ του χαλκοφ το πλάτοσ τθσ ΘΕΗ ενδεχομζνωσ πολφ μεγάλο και μπορεί να οξειδωκεί. ηϊνθ είναι Αιτία: Μεγάλθ κερμικι παροχι Λφςθ: Προςταςία τθσ ΘΕΗ από τθν κερμικι οξείδωςθ. 17

18 Εφαρμογι ςτθν περιοχι τθσ ΘΕΗ μίασ πάςτασ πριν από τθ ςυγκόλλθςθ. ΧΑΛΚΟ ΚΑΙ ΚΡΑΜΑΣΑ ΧΑΛΚΟΤ Θ ςυγκόλλθςθ χαλκοφ οδθγεί ςε μια εκτεταμζνθ ΘΕΗ με ςθμαντικι οξείδωςθ, αν θ κερμικι παροχι είναι μεγάλθ. Προκειμζνου να αποφευχκεί θ οξείδωςθ ςε αυτι τθν περιοχι, μια πάςτα εφαρμόηεται ςυχνά τουλάχιςτον ςτθν πλευρά τθσ ρίηασ. Επιπλζον, αργό ωσ αζριο ςχθματιςμοφ εφαρμόηεται ςυχνά κατά τθν ςυγκόλλθςθ ςωλινων. Μείωςθ τθσ ςκλθρότθτασ ςτθν ΘΕΖ Πρόβλθμα: χαλκόσ με ςκλιρυνςθ εν ψυχρϊ μαλακϊνει ςτθν ΘΕΗ. Αιτία: Θ ανακρυςτάλλωςθ Λφςθ: Διατιρθςθ τθσ ενδοτράχυνςθσ του χαλκοφ. Πικανι μείωςθ τθσ ςκλθρότθτασ, πρζπει να λαμβάνονται υπόψθ κατά τθν διαςταςιολόγθςθ τθσ ςυγκόλλθςθσ. Σα ελάςματα χαλκοφ μερικζσ φορζσ παραμορφϊνονται εν ψυχρϊ ςε μια κατάςταςθ ενδοτράχυνςθσ. Κατά τθν ςυγκόλλθςθ αυτϊν των υλικϊν πρζπει να αναμζνεται μία μείωςθ τθσ ςκλθρότθτασ ςτθν ΘΕΗ. Επιλογι μεκόδου ςυγκόλλθςθσ Πρόβλθμα: Δεν είναι όλεσ οι διαδικαςίεσ ςυγκόλλθςθσ κατάλλθλεσ για τθν ςυγκόλλθςθ του κακαροφ χαλκοφ. Δεν μπορεί να επιτευχκεί θ επικυμθτι ποιότθτα ραφισ. Λφςθ: Επιλογι τθσ κατάλλθλθσ διαδικαςίασ ςυγκόλλθςθσ. Κατάλλθλεσ είναι μεταξφ άλλων: TIG, MIG, πλάςματοσ, οξυαςετυλίνθσ, αντίςταςθσ και ςυγκόλλθςθ με δζςμθ θλεκτρονίων. Οι μζκοδοι ςυγκόλλθςθσ ΜΜΑ και βυκιςμζνου τόξου δεν είναι κατάλλθλεσ, δεδομζνου ότι δεν υπάρχουν κατάλλθλα ςυλλιπάςματα ι ςκόνεσ. ιμερα εφαρμόηοντα κυρίωσ, θ TIG, θ MIG και οι τροποποιιςεισ τουσ όπωσ θ ςυγκόλλθςθ πλάςματοσ. Επίςθσ οξυγονοκόλλθςθ χρθςιμοποιείται ςε ζνα μικρό βακμό, ιδίωσ ςε εργοτάξια. Οι μζκοδοι ςυγκόλλθςθσ ΜΜΑ και βυκιςμζνου τόξου δεν είναι κατάλλθλεσ για υλικά κακαροφ χαλκοφ, αφοφ δεν υπάρχουν ςυλιπάςματα ι ςκόνεσ διακζςιμα, τα οποία να δίνουν επαρκι ποιότθτα ραφισ. Άλλεσ διεργαςίεσ, όπωσ θ ςυγκόλλθςθ με θλεκτρικι αντίςταςθ, θ ςυγκόλλθςθ με λζιηερ ι με δζςμθ θλεκτρονίων είναι επίςθσ εφαρμόςιμεσ. Θ ςυγκόλλθςθ laser του χαλκοφ κατατάςςεται ωσ πολφ δφςκολθ λόγω τθσ υψθλισ ανάκλαςθσ. 18

19 4. ΗΜΑΝΣΙΚΑ ΚΡΑΜΑΣΑ ΥΑΛΚΟΤ ΚΑΙ ΔΙΑΔΙΚΑΙΕ τισ επόμενεσ ςελίδεσ τα ακόλουκα ςθμαντικά, από τεχνικισ άποψθσ χρθςιμοποιοφμενα ςυνικωσ κράματα Cu και θ ςυγκόλλθςθ αυτϊν κα παρουςιαςτοφν: Cu-Al bronze Cu-Al bronze Cu-Ni bronze κράματα Cu-Sn (tin bronzes) κράματα Cu-Zn (ορείχαλκοσ) Ο μπροφντηοσ χαλκοφ-αλουμινίου ι επίςθσ Cu-Al bronze με Fe, Νi και Μn (χάλκινο πολφκράμα) ζχei πολλζσ και διαφορετικζσ εφαρμογζσ, ειδικά όπου θ αντίςταςθ ςτθ διάβρωςθ, ιδίωσ ζναντι καλαςςινοφ νεροφ είναι κρίςιμθσ ςθμαςίασ. Περαιτζρω εξζχουςεσ ιδιότθτεσ ειδικά εκείνεσ του μπροφντηου πολλαπλϊν κραματικϊν ςτοιχείων είναι θ αντοχι ςτθ μθχανικι φκορά ιδιαίτερα ςτθν ςπθλαίωςθ (cavitation) και τθν μθχανικι διάβρωςθ (erosion corrosion), κακϊσ και o ευνοϊκόσ ςυντελεςτισ τριβισ. Σο αποτζλεςμα αυτό είναι εφαρμογζσ ςτο χϊρο των εγκαταςτάςεων αφαλάτωςθσ καλαςςινοφ νεροφ, εναλλάκτθσ κερμότθτασ που λειτουργοφν με καλαςςινό νερό, φτερωτζσ αντλίων και περιπτϊςεισ υδραυλικϊν εμβόλων κ.λπ. Σα πιο ςυχνά εφαρμοςμζνα κράματα είναι: CuAl8Fe3, CuAl9Ni3Fe2 ςφμφωνα με το EN Για τθ ςυγκόλλθςθ, κυρίωσ θ διαδικαςία TIG και MIG εφαρμόηεται, ενϊ το εναλλαςςόμενο ρεφμα εφαρμόηεται κατά τθν ςυγκόλλθςθ TIG. Κατά τθν ςυγκόλλθςθ αυτισ τθσ ομάδασ υλικοφ μπορεί να δθμιουργθκοφν, ρωγμζσ εν κερμϊ. Λόγω τθσ χαμθλότερθσ κερμικισ αγωγιμότθτασ ςε ςφγκριςθ με εκείνθ του κακαροφ χαλκοφ, θ προκζρμανςθ δεν είναι ωσ επί το πλείςτον απαραίτθτθ. ε πολλζσ περιπτϊςεισ, αυτά τα κράματα εφαρμόηονται ςαν επικαλφψεισ ςε χάλυβεσ, π.χ. ςε χάλυβεσ βαφισ και επαναφοράσ για μθχανολογικζσ εφαρμογζσ. Πρζπει να ςθμειωκεί, ωςτόςο, ότι ο χάλυβασ ζχει χαμθλότερθ πυκνότθτα και επιπλζει ςτθν λιωμζνο μζταλλο τθσ ςυγκόλλθςθσ. Θ ςυνζπεια είναι ζνασ τοπικά υψθλισ ςκλθρότθτασ χάλυβασ με πικανό scoring. Επιπλζον, πρζπει να ςθμειωκεί ότι αυτά τα κράματα, επίςθσ είναι ευαίςκθτα ςε ευκραυςτοποίθςθ ανάτθξθσ (liquid metal embrittlement - ζνα ειδικό είδοσ ρωγμϊν εν κερμϊ) κατά τθν ςυγκόλλθςθ τουσ με χάλυβεσ. 19

20 Σχιμα 12. Διάγραμμα φάςεων Al Cu Cu-Ni bronze Όπωσ και τα Al-bronze, τα κράματα Cu-Ni, είναι ιδιαίτερα ανκεκτικά ςτο καλαςςινό νερό και ωσ εκ τοφτου ζχουν παρόμοια πεδία εφαρμογισ. Επιπλζον, τα υλικά Cu-Ni που χρθςιμοποιοφνται ωσ υλικό νομιςμάτων, είναι δυνατόν να ζχουν διαφορετικά χρϊματα από αποχρϊςεισ του κόκκινου πάνω ςε κίτρινο χρυςό ζωσ πραςινωπό ανάλογα με το κράμα. υχνά χρθςιμοποιοφμενα υλικά είναι τα CuNi10Fe1Mn και CuNi30Mn1Fe. Σα υλικά χαλκοφνικελίου είναι εφκολα ςυγκολλιςιμα και μποροφν να ςυγκολλθκοφν χωρίσ προκζρμανςθ χρθςιμοποιϊντασ τισ διαδικαςίεσ TIG, MIG και ΜΜΑ. Απόλυτθ κακαριότθτα των εξαρτθμάτων και των μετάλλων πλιρωςθσ τθσ ίδιασ ςφνκεςθσ πρζπει να τθροφνται. Σα προκφπτοντα οξείδια επί τθσ ραφισ ςυγκόλλθςθσ είναι πολφ ανκεκτικά. Ωσ εκ τοφτου, κάκε ςθμείο πρζπει να τροχίηεται, προκειμζνου να αποφευχκοφν ελαττϊματα. 20

21 Σχιμα 13. Διάγραμμα φάςεων Cu-Ni Κράματα Cu-Zn (ορείχαλκοσ) Σα κράματα ορείχαλκου εφαρμόηονται ςε διάφορουσ τομείσ. Εκτόσ από καλι αντοχι ςτθ διάβρωςθ, τα υλικά χρθςιμοποιοφνται ςυχνά λόγω τθσ καλισ τουσ επεξεργαςιμότθτασ εν ψυχρϊ. ε πολλζσ εφαρμογζσ, θ διακοςμθτικι εμφάνιςθ παίηει επίςθσ ςθμαντικό ρόλο. Όςον αφορά ςτθ ςυγκόλλθςθ, τα περιςςότερα από αυτά τα υλικά είτε δεν μποροφν κακόλου, είτε μποροφν με μεγάλθ δυςκολία να ςυγκολλθκοφν. Αυτό είναι αφ 'ενόσ λόγω τθσ χαμθλισ κερμοκραςίασ εξάτμιςθσ του ψευδαργφρου (περίπου 900 C) και αφ' ετζρου ςτο περιεχόμενο μολφβδο μζχρι 3%, ο οποίοσ μπορεί να οδθγιςει ςτο ςχθματιςμό ρωγμϊν εν κερμϊ. Ζνα υλικό ορείχαλκου κατάλλθλο για ςυγκόλλθςθ είναι το CuZn20Al2As και εφαρμόηεται ςε ςωλινεσ εναλλάκτεσ κερμότθτασ με καλαςςινό νερό. 21

22 Σχιμα 14. Διάγραμμα φάςεων Cu-Zn Κράματα Cu-Sn (Tin Bronzes) Σα κράματα χαλκοφ καςίτερου που αρχικά ονομαηόταν χάλκινα μόνο, χρθςιμοποιοφνται ςυχνά ωσ χυτά υλικά για κουηινζτα ςτον τομζα τθσ μθχανολογίασ. Αυτά τα υλικά είναι γνωςτά ωσ κόκκινα χάλκινα (πρϊθν Rg5 ι Rg10) και ςυχνά είναι πορϊδθ λόγω του ςθμαντικοφ μικροδιαχωριςμοφ που παρουςιάηουν. Αυτό το πορϊδεσ είναι χριςιμο ωσ αποκικθ λιπαντικοφ ςτισ εφαρμογζσ του κουηινζτων. Οι ςυγκολλιςεισ επιςκευισ ςε αυτά τα υλικά είναι δυνατζσ μόνο με περιοριςμοφσ. Σα υλικά CuSn6 και CuSn8 είναι ςφυριλατα υλικά. Αυτά τα υλικά μποροφν να ςυγκολλθκοφν χωρίσ προβλιματα με τθ χριςθ ενόσ μετάλλου πλθρϊςθσ τθσ ίδιασ ςφνκεςθσ. 22

23 Σχιμα 15. Διάγραμμα φάςεων Χαλκοφ-Καςςίτερου Σχιμα 16. υγκόλλθςθ χάλκινου δοχείου πίεςθσ 23

24 Σχιμα 17.Χάλκινο δοχείο πίεςθσ 24