21 MEĎ A MEDENÉ ZLIATINY

Transcript

1 21 MEĎ A MEDENÉ ZLIATINY 21.1 Všeobecne o medi a medených zliatinách Najčastejšie používané konštrukčné materiály na báze medi sa uvádzajú v tab spolu s uvedením ich smerného chemického zloženia a mechanických vlastností v tvárnenom a žíhanom stave podľa platných STN. Tab Základné druhy technickej medi a medených zliatin hutnícke Označenie STN Chemické zloženie (%) Pevnosť v ťahu (MPa) Technická meď Cu O 2 Nečistoty Žíhaný stav Tvrdosť (HB) Cu 99, ,9 0,06 0, Cu 99, ,85 0,02 0, Cu 99, ,75 0,04 0, Cu 99, ,5 0,10 0, Mosadze Cu Zn Legúry Žíhaný stav Cu90Zn zvyšok Cu80Zn zvyšok Cu70Zn zvyšok Cu63Zn zvyšok Cu58ZnPb zvyšok Pb Cu65ZnNi zvyšok Ni Cínové bronzy Cu Sn Legúry Žíhaný stav CuSn zvyšok 0, CuSn zvyšok CuSn zvyšok Hliníkové bronzy Cu Al Legúry Žíhaný stav CuAl zvyšok CuAl9Mn zvyšok 7-9 Mn Niklové bronzy Cu Ni Legúry Žíhaný stav CuNi zvyšok Mn

2 Zváraním sa spracúvajú najmä tvárnené polotovary plechy, pásy, profily a drôty z technickej medi, z mosadzí a bronzov. Zlievárenské materiály sa zvárajú v malom objeme. Konštrukčné materiály na báze medi sa delia na technickú meď (obsah Cu min. 99 %) a na medené zliatiny (obsah legúr nad 1 %). Technická meď (ďalej iba meď) obsahuje niektoré nečistoty, ktoré už v malých množstvách výrazne ovplyvňujú fyzikálne a chemické vlastnosti medi, najmä tepelnú a elektrickú vodivosť a chemickú stálosť v niektorých prostrediach. Preto sa pre účely elektrotechniky, tepelnej techniky a na stavbu zariadení pre chemický priemysel používa meď vysokej čistoty. Zvariteľnosť medi najviacej ovplyvňujú prvky v medi prakticky nerozpustné kyslík, síra, antimón a olovo. Zvlášť škodlivý je kyslík. Na zváranie sa preto odporúča používať meď s nízkym obsahom kyslíka. Obsah kyslíka v medi podstatnejšie neovplyvňuje jej spájkovateľnosť. Všetky druhy medi dodávané podľa STN možno preto úspešne spájkovať. Podľa použitia sa meď delí do týchto skupín : a) meď elektrovodná, čistoty Cu 99.9 (max obsah nečistôt 0,1 %), b) meď zvlášť vhodná na zváranie, čistoty Cu 99,85 (maximálny obsah nečistôt 0,15%, z toho kyslíka max 0,02 %), c) meď vhodná na zváranie, čistoty Cu 99,75 (maximálny obsah nečistôt 0,25%, z toho kyslíka max 0,04 %), d) meď bežnej akosti, čistoty Cu 99,5 (maximálny obsah nečistôt 0,5%, z toho kyslíka max. 0,1 %). Medené zliatiny sú prevážne jednofázové zliatiny tuhé roztoky legujúcich prvkov v medi. Rozpustnosť mnohých legúr v medi býva často vysoká, napr. niklu 100%, zinku 32%, cínu 10%, hliníka 7%. V širokom rozsahu koncentrácií legujúcich prvkov možno preto získať medené zliatiny v tvare tuhých roztokov a vhodných úžitkových vlastností. Medené zliatiny tvoria niekoľko samostatných skupín, podľa ktorých sa tiež odporúča študovať ich zvariteľnosť a spájkovateľnosť: a) mosadze sú zliatiny medi a zinku, tzv. bežné mosadze, alebo zliatiny medi, zinku a ďalších prvkov tzv. špeciálne mosadze, b) bronzy sú zliatiny medi s cínom (cínové bronzy), s hliníkom (hliníkové bronzy), s kremíkom (kremíkové bronzy), s olovom (olovené bronzy), s niklom (niklové bronzy), s berýliom (berýliové bronzy), c) červené kovy sú viackomponentné zliatiny medi s cínom, zinkom a ďalšími legujúcimi prísadami. Technická meď a jej jednofázové zliatiny nemajú prekryštalizáciu v tuhom stave. Nemožno ich preto kaliť ani normalizačne žíhať. Jediným spôsobom na zjemnenie ich štruktúry je tvárnenie za tepla alebo tvárnenie za studena a naň nadväzujúce rekryštalizačné žíhanie. Iba niektoré vysokolegované dvojfázové medené zliatiny (napr. hliníkové bronzy s obsahom 9 až 10 % Al) majú štruktúrnu premenu v tuhom stave. Tieto druhy hliníkových bronzov možno preto tepelne spracovať podobne ako uhlíkové ocele. 265

3 21.2 Zvariteľnosť a spájkovateľnosť medi Meď ako technický prvok má teplotu tavenia 1083 o C, hustotu 8900kg.m -2, vysokú elektrickú vodivosť 58 MS.m- 1, vysokú tepelnú vodivosť 380 W.m -1. o C. V liatom stave má pevnosť cca 160 MPa, v tvárnenom a žíhanom stave MPa. Meď je jediný kov červenej farby. Prísadami legúr však mení svoju pôvodnú farbu a taktiež svoje mechanické, fyzikálne a chemické vlastnosti. Operatívna zvariteľnosť a spájkovateľnosť medi Pri tavnom zváraní a spájkovaní medi vznikajú viaceré operatívne problémy, ktoré vyplývajú predovšetkým z vysokej tepelnej vodivosti všeobecne a z charakteristických vlastností medi v intervale teplôt 300 až 750 o C (obr. 21-1): Obr.2.-1 Vlastnosti medi pri zvýšených teplotách a) intenzívne sálanie tepla z povrchu predhriateho zvarku do okolia výrazne zhoršuje podmienky pre miestne natavenie ako aj pracovné podmienky pre zvárača (najmä pri výrobe zváraných spojov na materiáloch väčších hrúbok), b) rýchle šírenie tepla vo zváranom materiáli zhoršuje podmienky pre zabezpečenie miestneho tavenia v oblasti zvaru, c) veľké rozmery a vysoká tekutosť zvarového kúpeľa sťažujú ovládateľnosť kúpeľa a formovanie zvaru najmä pri zváraní v polohách, d) nízke plastické vlastnosti medi v intervale teplôt o C vytvárajú možnosť vzniku prasklín za studena. Problémy operatívneho rázu sa najvýraznejšie prejavujú pri zváraní a spájkovaní medených materiálov väčších hrúbok a dielcov väčších hmotností. Preto sa pri zváraní a spájkovaní medi väčších hrúbok (už nad 3 mm) odporúčajú používať tieto účinné opatrenia: 266

4 a) aplikovať typy spojov s malým odvodom tepla do základného materiálu, uprednostniť tupé spoje pred kútovými spojmi, b) obložiť spájané dielce na ich povrchu vhodným tepelne izolačným materiálom (okrem oblasti vlastného spoja), znížiť tak straty tepla sálaním a vytvoriť vhodné pracovné podmienky pre zvárača, c) predhriať spájané dielce na dostatočne vysokú teplotu (podľa ich hrúbky a hmotnosti od 200 do 600 o C), d) vystužiť spájané dielce oceľovými výstuhami (najmä pri použití vysokého predhrevu) v záujme zabezpečenia ich tuhosti a dobrej manipulácie pri výrobe spoja, e) použiť dohrev aj počas výroby spoja (dodávať do miesta spoja čo najväčšie množstvo tepla sekundárnym tepelným zdrojom), f) spoje vyhotovovať prednostne vo vodorovnej polohe zhora (PA), prípadne zabezpečiť aj vhodné naklonenie dielca, g) používať podložky na formovanie koreňa a príložky na formovanie okrajov zvaru, h) zabezpečiť pomalé ochladzovanie dielcov po zváraní alebo spájkovaní, napr. v peci alebo vo vhodnom zábale z teplo izolujúceho materiálu. Materiálová zvariteľnosť medi Materiálovú zvariteľnosť medi nepriaznivo ovplyvňujú niektoré jej nečistoty, najmä kyslík, síra, bizmut, antimón a olovo, z plynov vodík a uhľovodíky všetkého druhu. Kyslík sa zlučuje s meďou veľmi aktívne najmä pri zvýšených teplotách (nad 300 o C). Vytvára s meďou dva oxidy. Pri vysokých koncentráciách kyslíka v okolitej atmosfére vzniká čierny povrchový oxid meďnatý CuO, pri nízkych koncentráciách kyslíka oxid meďný Cu 2 O. Zvariteľnosť technickej medi nepriaznivo ovplyvňuje najmä oxid meďný - Cu 2 O, ktorý sa v tekutej medi rozpúšťa vo všetkých koncentráciách, v tuhej medi je však nerozpustný. V štruktúre liatej medi (obr. 21-2) sa vylučuje ako krehké eutektikum Cu+Cu 2 O na hraniciach zŕn a spôsobuje krehkosť medi v liatom stave. Preto má liata meď v porovnaní s tvárnenou a rekryštalizovanou meďou (v tvare plechov) veľmi nízke plastické vlastnosti. Obr Štruktúra liatej medi (0,06% O 2 ) 267

5 Z metalurgického hľadiska je treba technickú meď považovať za zliatinu medi s kyslíkom, pozri rovnovážny diagram Cu-O na obr Ide o rovnovážny diagram dvoch prvkov navzájom nerozpustných v tuhom stave, ktoré pri koncentrácií 0,39% O 2 vytvárajú eutektikum Cu+Cu 2 O. Čím vyšší je obsah kyslíka v medi, tým väčší je podiel krehkého eutektika Cu+Cu 2 O v štruktúre liatej medi. Tým nižšie sú tiež plastické vlastnosti medi v liatom stave. Obr Rovnovážny diagram sústavy Cu-O Prítomnosť liatej štruktúry s vylúčeným eutektikom Cu+Cu 2 O na hraniciach zŕn v oblasti zvarového kovu je príčinou krehkosti aj zváraných spojov, vyrobených na technickej medi bez prídavného materiálu, alebo s prídavným materiálom na báze čistej medi (bez dezoxidačných prísad). Krehkosť zváraných spojov je tým väčšia, čím väčší je obsah kyslíka v základných a prídavných materiáloch. Úpravu krehkej liatej štruktúry technickej medi na vhodnejšiu tvárniteľnú rekryštalizovanú štruktúru s vylúčenými oxidickými zrnami Cu 2 O (obr. 21-4) možno realizovať dvomi postupmi: a) tvárnením za studena a naň nadväzujúcim rekryštalizačným žíhaním, b) tvárnením za tepla (pri ktorom prebiehajú súčasne oba deje tvárnenie i rekryštalizačné žíhanie. Obr Rekryštalizovaná štruktúra medi 268

6 Popísané spôsoby úpravy štruktúry liatej medi možno úspešne použiť aj na úpravu štruktúry zváraných spojov, vyrobených na technickej medi bez prídavného materiálu, alebo s prídavným materiálom z čistej medi, t.j. bez dezoxidačných prísad. Najčastejšie používaným doplnkovým spracovaním medených zváraných spojov tohoto druhu je ich prekovanie za tepla. Prekovanie sa realizuje pri teplotách 800 až 850 o C. Na riešenie popísaných problémov materiálovej zvariteľnosti technickej medi spôsobených kyslíkom možno odporúčať tieto postupy: a) limitovanie obsahu kyslíka v základných a prídavných materiáloch hranicou 0,04% O 2, u dôležitých zvarkov hranicou 0,02% O 2, b) dezoxidáciu zvarového kúpeľa počas zvárania, použitie prídavných materiálov obsahujúcich dezoxidačné prísady, napr. kremík, mangán alebo bór, c) doplnkové spracovanie zváraných spojov po zváraní tvárnením za tepla, najčastejšie prekovaním za tepla pri teplotách 800 až 850 o C (realizuje sa iba spojov vyrobených bez prídavného materiálu alebo s prídavnými materiálmi z medi bez dezoxidačných prísad v šírke rovnej trojnásobku šírky povrchovej húsenice). Pri zváraní medi plameňom sa využívajú varianty a) a c), pri zváraní TIG a MIG variant b). Ďalším veľmi vážnym problémom vznikajúcim pri tavnom zváraní medi je pórovitosť zváraných spojov spôsobená vodíkom. Vodík môže vyvolať v medených zvaroch dutiny predovšetkým svojím priamym účinkom. Dutiny sú dôsledkom rýchleho chladnutia a rozdielnej rozpustnosti vodíka v tekutej a tuhej medi (vyskytujú sa predovšetkým vo zvarovom kove). Pórovitosť zváraných spojov medi môže byť spôsobená aj nepriamym účinkom vodíka. Necelistvosti tohoto druhu sa najčastejšie vyskytujú v zóne stavenia a v TOO veľmi blízkej prechodu zvar základný materiál (obr. 21-5). Vodík difundujúci do vyhriateho materiálu po hraniciach zŕn vyredukuje oxid Cu 2 O nachádzajúci sa na hraniciach zŕn podľa rovnice: Cu 2 O+H 2 = 2Cu + H 2 O Produktom tejto redukčnej rovnice je vodná para, ktorá svojím pretlakom vytvára v plastickej medi výrazné dutiny v miestach pôvodných oxidov. Obr Dutiny vo zváranom spoji medi (0,06%O 2 ) vyvolané vodíkom 269

7 Oba popísané deje je potrebné pri tavnom zváraní medi redukovať na minimálnu možnú mieru realizovaním týchto odporúčaní: a) eliminovaním zdrojov vodíka z celej oblasti zvaru zabezpečením vysokej čistoty povrchu základných a prídavných materiálov, odstránením povrchových oxidov, organických nečistôt a vlhkosti, použitím ochranných plynov argónu, hélia, zmesi Ar+He vysokej čistoty, zabezpečením vysokej efektívnosti plynovej ochrany, b) vylúčením prehriatia zvarového kúpeľa, c) skrátením času priameho tavenia pri zváraní, napr. pri zváraní TIG jednosmerným pulzujúcim prúdom. Napriek snahe eliminovať vplyv vodíka a kyslíka pri zváraní technickej medi, vykazujú zvárané spoje vyrobené na medi s vyšším obsahom kyslíka (nad 0,04% O 2 ) takmer vždy dutiny vyvolané vodíkom. Treba však zdôrazniť, že tieto necelistvosti sú charakteristické najmä pre zvarové kovy z čistej medi, vyhotovené prídavnými materiálmi bez dezoxidačných prísad. Zvary vyrobené metódou TIG na medi s nízkym obsahom kyslíka (pod 0,04% O 2 ) prídavnými materiálmi s dezoxidačnými prísadami sú naopak takmer celistvé (obr. 21-6). Obr Celistvý zváraný spoj medi (TIG) Spájkovateľnosť technickej medi Popísané problémy materiálovej zvariteľnosti medi spôsobené kyslíkom sú typické iba pre tavné zváranie. Vôbec sa nevyskytujú pri tvrdom alebo mäkkom spájkovaní, ako aj pri metódach metalurgického spájania medi v pevnom stave. Tieto metódy majú totiž pracovné teploty podstatne nižšie ako 1065 o C, čo je teplota solidu sústavy Cu-O (obr. 21-1). Pri spájkovaní nedochádza preto v oblasti spoja ani k zníženiu plastických vlastností ani k výraznejšiemu vzniku necelistvostí typu pórov alebo dutín. Tvrdé a mäkké spájkovanie možno preto úspešne realizovať na všetkých druhoch dodávanej technickej medi podľa STN, uvedených v tab. 21-1, teda aj na medi bežnej akosti s obsahom kyslíka do 0,1%. Metódy zvárania a spájkovania medi Zváranie TIG je dnes dominantnou metódou tavného zvárania medi. Ako prídavné materiály sa najčastejšie používajú nízkolegované cínové bronzy s obsahom 0,7 až 1,0 % cínu a s malým obsahom dezoxidačných prísad kremíka, mangánu a bóru. Prednosťou spojov TIG je ich primeraná 270

8 celistvosť a dobré mechanické vlastnosti, ktoré možno dosiahnuť bez doplnkovej úpravy spojov po zvarení. Prekovanie spojov tohto druhu sa preto nevyžaduje, dokonca sa vylučuje. Zvarové kovy majú však iba 50% elektrickej vodivosti elektrovodnej medi. To však nevylučuje použitie týchto spojov aj v elektrotechnike. Úspešne sa používa pri spájaní medených vodičov väčších prierezov, ktorých prúdové zaťaženie neprekročí hodnotu 2A/mm 2. Zváranie MIG sa aplikuje pri zváraní medených pásov väčších hrúbok. Vyžaduje relatívne vysoký predhrev (až do 600 o C). Prídavné materiály (drôtové elektródy) majú podobné chemické zloženie ako prídavné materiály TIG. Spoje MIG nevyžadujú doplnkovú úpravu po zváraní, prekovanie spojov sa taktiež nevyžaduje. Zváranie plameňom je klasická metóda spájania medi. V praxi sa používa pri výrobe špeciálnych zvarkov pre elektrotechniku, potravinárstvo a chemický priemysel. Zabezpečuje totiž zvárané spoje chemickým zložením, vlastnosťami a štruktúrou najviac podobné základnému medenému materiálu. Spoje sa vyhotovujú neutrálnym kyslíko-acetylénovým plameňom, prídavnými materiálmi z čistej medi alebo zo zliatiny CuAg1 s nízkym kyslíkom. Po zvarení spoje vždy vyžadujú doplnkové prekovanie za tepla pri teplote 800 až 850 o C, čo je pomerne pracnou a nákladnou operáciou. Spájkovanie je univerzálnou metódou na spájanie všetkých druhov medi až do 0,1% O 2. Pri tvrdom spájkovaní sa používajú mosadzné a strieborné spájky, pri mäkkom spájkovaní cínoolovnaté spájky. S ohľadom na rozdielne chemické zloženie spájky a základného materiálu majú spájkované spoje znížené fyzikálne vlastnosti a odolnosť voči korózii v porovnaní so zváranými spojmi. Pre účely elektrotechniky a potravinárskeho priemyslu treba preto používať špeciálne spájky. Odporové stykové zváranie možno použiť pri spájaní medených drôtov malých priemerov. Pri bodovom zváraní a švovom zváraní treba použiť špeciálne zváračky. Zváranie tlakom za studena a difúzne zváranie sa pri spájaní medi používajú ojedinelo. (napr. difúzne zváranie pri spájaní hliníka s meďou) Zvariteľnosť a spájkovateľnosť mosadzí Mosadze sú zliatiny medi a zinku (bežné mosadze). Niektoré druhy mosadzí obsahujú okrem zinku ešte ďalšie legúry, napr. Al, Mn, Pb, Ni (legované alebo špeciálne mosadze). Ich niektoré druhy sú v tab Ako vidieť z tab so zvyšovaním obsahu zinku sa podstatne menia mechanické vlastnosti mosadzí. Mení sa tiež ich farba (z červenej až po žltú farbu pri 20 % Zn). Je potrebné pripomenúť, že pri veľmi vysokých obsahoch zinku (nad 40% Zn), majú mosadze opäť načervenalú farbu (podľa obsahu ß fázy, ktorá je červenej farby). Podľa farby nemožno preto presne identifikovať druh mosadze. Bežné mosadze majú obsah zinku od 5 do 42 %. Rovnovážny diagram sústavy Cu-Zn je na obr Z neho vyplýva, že mosadze s obsahom zinku do 32 % Zn sú jednofázové (obr. 21-8), nad 32 % Zn sú dvojfázové (obr. 21-9). Po kryštalizácii z taveniny sa štruktúrny stav jednofázových mosadzí nemení - jednofázové mosadze nemajú štruktúrne premeny v tuhom stave. Naopak dvojfázové mosadze sú citlivé na rýchle ochladzovanie, ktoré môže vyvolať nežiadúcu nerovnovážnu štruktúru (zvýšený obsahu β fázy), zvýšenie tvrdosti a pokles plastických vlastností (nejde však o prekryštalizáciu v tuhom stave). 271

9 Obr Rovnovážny diagram sústavy Cu-Zn Obr Štruktúra jednofázovej (α) mosadze 272

10 Obr Štruktúra dvojfázovej (α+β) mosadze Špeciálne mosadze sú obyčajne mosadze s vysokým obsahom zinku, legované najčastejšie olovom (automatové mosadze), hliníkom (kondenzátorové mosadze) alebo niklom (niklové mosadze, alpaka, pakfong). Zvariteľnosť mosadzí Mosadze nižšie legované zinkom (tombaky) majú pomerne vysokú tepelnú vodivosť, čo treba rešpektovať už pri ich príprave na zváranie. Naopak zinkom vysokolegované mosadze majú tepelnú vodivosť relatívne malú, takmer na úrovni uhlíkových ocelí. Nevyžadujú preto zvláštnu prípravu na zváranie a často ani predhrev. Špecifickým operatívnym problémom pri zváraní mosadzí je vyparovanie zinku zo zvarového kúpeľa a najmä z odtaveného prídavného materiálu. Vyparovanie zinku je tým intenzívnejšie, čím väčšia je koncentrácia tepla, čím vyššia je teplota zvarového kúpeľa a čím vyššia je koncentrácia zinku v mosadzi. Preto sú problémy s vyparovaním zinku väčšie pri oblúkovom zváraní ako pri zváraní plameňom. Najväčšie sú pri oblúkovom zváraní MIG mosadzí s vysokým obsahom zinku. Pri oblúkovom zváraní mosadzí je vyparovanie zinku tak intenzívne, že narušuje horenie oblúka a výrazne zhoršuje tiež formovanie zvaru. Pri ručnom zváraní TIG mosadzí nemôže zvárač vizuálne kontrolovať tvorbu zvarového kúpeľa a vedenie horáka pozdĺž zvarovej medzery, čo spôsobuje často ďalšie technologické chyby zváraných spojov. Prídavné materiály s vyšším obsahom zinku sa oblúkom veľmi zle odtavujú, pretože vyparujúci sa zinok vyvoláva ich veľký rozstrek. Zváranie MIG mosadzí s prídavnými mosadznými materiálmi je z dôvodov veľkého rozstreku úplne vylúčené. Taktiež pri zváraní TIG sa odporúčajú používať tupé a lemové spoje, ktoré možno vyrobiť bez prídavného materiálu. Výpary zinku sú látky silno toxické, škodia zdraviu už pri veľmi malých koncentráciách vo vzduchu (0,005 mg v litri vzduchu). Preto sa ručné zváranie TIG mosadzí používa v zváračskej praxi len vo veľmi obmedzenom rozsahu, napr. pri spojovaní tenkých plechov z mosadzí zinkom nízkolegovaných, pri výrobe lemových spojov na tenkých plechoch bez prídavného materiálu, pri naváraní mosadzí s nízkym obsahom zinku na ocele a pod. Všetky uvedené zváračské práce vyžadujú zvláštne podmienky z hľadiska bezpečnosti a hygieny práce intenzívne miestne odsávanie výparov zinku priamo z miesta zvárania a použitie respirátorov pre zvárača i pomocníka. 273

11 Riešenie problémov spojených s vyparovaním zinku pri zváraní mosadzí vychádza priamo z podstaty tohto problému. Zinok je totiž nízkotaviteľný kov teplota tavenia je 419 o C, teplota varu je 905 o C. Pri teplotách tavenia bežných mosadzí (900 až 1050 o C) sa všeobecne prekračuje teplota varu zinku, čo je príčinou jeho intenzívneho vyparovania. Pri zváraní mosadzí je vyparovanie zinku tým intenzívnejšie, čím väčší je obsah zinku v základných a najmä v prídavných mosadzných materiáloch a čím väčšie je prehriatie zvarového kúpeľa a kvapiek kovu odtavených z prídavného materiálu. Z tohto základného poznatku treba vychádzať pri voľbe metódy, podmienok a parametrov zvárania. Odporúča sa použiť minimálny tepelný príkon zvárania, malé zváracie prúdy a nízko koncentrovaný zdroj tepla, najmä plameň, prípadne relatívne dlhý zvárací oblúk TIG. Uprednostňovať treba spoje, ktoré možno vyhotoviť bez prídavného materiálu. Pri plameňovom zváraní treba používať vhodné tavivá a oxidačný kyslíko-acetylénový plameň. Vyparovanie zinku pri zváraní mosadzí možno znížiť tiež malou prísadou kremíka a bóru do mosadzných prídavných materiálov. Okrem vyparovania zinku nevznikajú pri zváraní mosadzí ďalšie vážnejšie problémy metalurgického rázu (popísané pri zváraní medi). Mosadze neobsahujú totiž kyslík ani oxidy medi, kyslík v nich bol totiž vyredukovaný chemicky aktívnejším zinkom. Zvárané spoje vyrábané na mosadziach majú vyhovujúcu plastickosť. Výnimkou sú iba spoje na niektorých druhoch dvojfázových mosadzí. Pri zváraní mosadzí pôsobí vyparujúci sa zinok ako efektívna plynová ochrana zvarového kúpeľa. Preto sú zvárané spoje vyhotovené na mosadziach metódou TIG pomerne celistvé (obr a 21-11). Necelistvosti typu pórov a dutín sa však môžu vyskytnúť u spojov vyrobených na mosadziach plameňovým zváraním (najmä pri použití nevhodného redukčného plameňa). Obr Štruktúra zvaru TIG jednofázovej mosadze 274

12 Obr Štruktúra zvaru TIG dvojfázovej mosadze Dvojfázové mosadze s vyšším obsahom zinku ako 32 %, vykazujú v tuhom stave určité štruktúrne zmeny, ktoré však nemajú charakter prekryštalizačných zmien (alotropických premien). Sú spôsobené charakteristickou zmenou rozpustnosti zinku v medi pri poklese teploty (pozri rovnovážny diagram Cu-Zn zliatin na obr. 21-7). Pri teplote 454 o C dochádza u týchto mosadzí k premene ß fázy na fázu ß. S touto zmenou úzko súvisí zmena plastických vlastností týchto mosadzí pri uvedenej teplote. Väčšina dvojfázových mosadzí sa preto odporúča tvárniť výlučne za tepla (pri teplotách podstatne vyšších ako je uvedená teplota premeny tuhého roztoku. Pri rýchlom ochladzovaní dvojfázových mosadzí z taveniny, napr. pri zváraní TIG, sa potlačia difúzne deje a vzniká nerovnovážny štruktúrny stav, zodpovedajúci štruktúrnemu stavu bezprostredne po stuhnutí z taveniny, teda pri teplotách tesne pod solidom. V oblasti zvaru a v TOO dochádza tak k zvýšenému obsahu β fázy (obr ), čo sa môže prejaviť na zvýšení tvrdosti a na poklese plastických vlastností v uvedených charakteristických oblastiach zváraného spoja. Popísaný nerovnovážny štruktúrny stav a ním vyvolané zmeny vlastností spojov TIG sú tým výraznejšie, čím väčšia je rýchlosť chladnutia zváraných spojov. Zvárané spoje TIG, vyrobené na dvojfázových mosadziach majú preto chladnúť pomaly až do teploty cca 500 o C. V odôvodnených prípadoch sa odporúča ich doplnkové difúzne žíhanie pri teplotách 600 až 650 o C (v oblasti maximálnej rozpustnosti zinku v medi). Špeciálne (legované) mosadze treba zaradiť medzi materiály obtiažne zvariteľné, čo platí predovšetkým pre automatové mosadze s obsahom 1 až 3 % Pb. Spájkovateľnosť mosadzí Popísané problémy zvariteľnosti mosadzí sa nevyskytujú pri spájkovaní mosadzí. Takmer všetky druhy mosadzí (s výnimkou automatových mosadzí s obsahom 1 až 3% Pb) možno úspešne spájkovať na tvrdo striebornými spájkami a na mäkko cíno-olovnatými spájkami za použitia vhodných tavív. Metódy zvárania a spájkovania mosadzí Spájkovanie je najvhodnejšou metódou na metalurgické spájanie mosadzí. Pri tvrdom spájkovaní mosadzí sa používajú strieborné spájky alebo spájka na báze fosforovej medi. Pri 275

13 mäkkom spájkovaní sa používajú cíno-olovnaté spájky alebo iné nízkotaviteľné spájky na ťažké kovy. Plameňové zváranie je najvhodnejšou metódou tavného zvárania mosadzí. Mosadze sa zvárajú oxidačným kyslíko-acetylénovým plameňom a prídavnými materiálmi na báze mosadzí. Je vhodné použiť prídavné materiály s malým obsahom kremíka (cca 0,2 % Si) v záujme zníženia prepalu zinku. Pri plameňovom zváraní mosadzí sa vždy používajú vhodné tavivá na báze bóraxu a kyseliny bóritej. Zváranie TIG má pri zváraní mosadzí obmedzené použitie, a to aj napriek tomu, že zabezpečuje spoje vysokej celistvosti. Ručné zváranie TIG sa odporúča používať iba na spojovanie mosadzí s nízkym obsahom zinku (do 20 % Zn). Strojné zváranie TIG možno používať aj pri spojovaní mosadzí s vyšším obsahom zinku, výlučne však iba vo forme zvárania bez prídavného materiálu (ide o výrobu tupých a lemových spojov na tenkých plechoch do hrúbky 4 mm). Zváranie MIG sa používa iba pri zváraní mosadzí s nízkym obsahom zinku (do 20 % Zn) v kombinácii s prídavnými materiálmi z čistej medi. Poznámka: Pri všetkých druhoch zvárania a spájkovania mosadzí treba používať účinné odsávanie zinkových pár a respirátory Zvariteľnosť a spájkovateľnosť bronzov Bronzy sú zliatiny medi s cínom, hliníkom, niklom, kremíkom a ďalšími prvkami okrem zinku. Podľa hlavnej legúry má bronz svoj názov, napr. cínový, hliníkový, niklový a pod. Prísadou uvedených legúr sa mení farba medi. Cínové bronzy sú prevažne zlatistej farby, hliníkové bronzy žltej farby, niklové bronzy šedej oceľovej farby. Prísadou legúr sa výrazne menia aj mechanické vlastnosti bronzov (pozri v tab. 21-1). Charakteristickou vlastnosťou niektorých bronzov je ich vysoká odolnosť voči korózii (najmä niklové a hliníkové bronzy). Vysokolegované niklové bronzy (30 až 45% Ni) sú tiež známe odporové materiály. Cínové bronzy s obsahom cínu 1 až 8 % sa najčastejšie spájajú zváraním TIG jednosmerným prúdom na priamej polarite. V žíhanom stave sú tieto bronzy jednofázové. Bronzy s obsahom cínu 6 až 8 % sa používajú na naváranie klzných vrstiev na ocele. Hliníkové bronzy s obsahom hliníka 5 až 10 % sú materiály vhodné na zváranie a naváranie TIG striedavým prúdom. Do 8 % Al sú jednofázové, nad 8% Al sú dvojfázové. Dvojfázové hliníkové bronzy možno tepelne spracovávať ako uhlíkové ocele, napr. kaliť a popúšťať a dosiahnuť tak vysokú pevnosť a tvrdosť. Niklové bronzy sú pri všetkých koncentráciách niklu jednofázové materiály. To umožňuje ich použitie v širokom sortimente. Známe sú najmä niklové bronzy s obsahom niklu 30 až 45 %, používané ako odporové materiály v elektrotechnike. Vďaka ich odolnosti proti korózii nachádzajú uplatnenie aj v chemickom priemysle. Niklové bronzy sa prednostne zvárajú metódou TIG jednosmerným prúdom na priamej polarite. Kremíkové bronzy s obsahom cca 3 % kremíka a cca 1 % mangánu sa používajú na naváranie funkčných vrstiev na ocele. Úspešne ich možno navárať metódou TIG jednosmerným prúdom na priamej polarite ako aj striedavým prúdom. Olovené bronzy s vyšším obsahom olova (až do 30 %) sú klasické ložiskové bronzy, používané ako klzné vrstvy rýchlobežných ložísk. Jedná o obtiažne zvariteľné materiály. Berýliové bronzy sú typické pružinové materiály, ktoré sa zvárajú iba výnimočne. Najčastejšie používané druhy bronzov, ich smerné chemické zloženie a mechanické vlastnosti sa uvádzajú v tab

14 Cínové, niklové a kremíkové bronzy možno úspešne spájkovať za použitia klasických spájok na ťažké kovy a vhodných tavív. Plameňové zváranie sa pri spájaní bronzov neodporúča používať. Bolo takmer v celej šírke nahradené vhodnejšími oblúkovými metódami, najmä zváraním TIG. Preto sa aj problematika zvariteľnosti bronzov v ďalších kapitolách prednostne zameriava na zváranie TIG. Zvariteľnosť cínových bronzov Cínové bronzy majú veľmi široký interval teplôt tuhnutia, veľkú schopnosť rozpúšťať plyny v tekutom stave, nízke plastické vlastnosti v intervale teplôt 200 až 600 o C, malú pevnosť a tuhosť pri vyšších teplotách nad 500 o C. Difúzia cínu v medi prebieha veľmi pomaly, čo sa pri kryštalizácii cínových bronzov prejavuje výraznou dendritickou štruktúrou. Táto často spôsobuje aj skrehnutie liatej štruktúry, ktoré je spôsobené vylúčením nerovnovážnych štruktúr pri rýchlom ochladzovaní cínových bronzov z taveniny. Všetky uvedené skutočnosti sa môžu nepriaznivo prejaviť aj pri zváraní TIG cínových bronzov a ovplyvniť ich zvariteľnosť. Cínové bronzy sú náchylné na vznik horúcich trhlín pri tuhnutí zvaru a na vznik studených trhlín pri chladnutí spojov v intervale teplôt 200 až 300 o C. Jednofázové cínové bronzy až do obsahu cca 15 % Sn nevykazujú štruktúrne premeny v tuhom stave. Uvedené však platí iba pre rovnovážny stav (podmienky veľmi pomalého ochladzovania) pozri rovnovážny diagram Cu-Sn zliatin na obr Vplyvom podmienok chladnutia sa však diagram mení, ako to vidieť na obr Zmeny sú spôsobené predovšetkým malou difúznou rýchlosťou cínu v medi. Za bežných podmienok chladnutia nedochádza k vyrovnaniu rozdielov chemického zloženia v rámci tvoriaceho sa dendritu. Výsledkom je výrazná dendritická segregácia, ktorá môže v miestach bohatých na cín vyvolať štruktúry zodpovedajúce dvojfázovým zliatinám sústavy Cu-Sn. Diagram (a) na obr charakterizuje teoretický rovnovážny diagram z obr , diagram (b) dokumentuje stav zliatin za reálnych podmienok pomalého chladnutia a diagram (c) zachytáva stav po rýchlom chladnutí (napr. po zváraní TIG). Pri rýchlom ochladzovaní jednofázových cínových bronzov z taveniny, napr. pri zváraní TIG, môže sa vo zvare z dôvodu výraznej dendritickej segregácie cínu vylúčiť aj krehká fáza - eutektoid α+δ (obr ), odpovedajúca cínovým bronzom s vysokým obsahom cínu (nad 15 % Sn). Prítomnosť eutektoidu sa zistila dokonca aj u niektorých zváraných spojov TIG vyrobených na bronze CuSn3 (3 % Sn). Obr Rovnovážny diagram sústavy Cu-Sn 277

15 a b c Obr Vplyv podmienok chladnutia na diagram sústavy Cu-Sn Obr Štruktúra zvaru cínového bronzu s vylúčeným eutektoidom (α+δ) Problémy súvisiace s výraznou dendritickou štruktúrou možno u spojov cínových bronzov riešiť iba doplnkovým tepelným spracovaním po zváraní difúznym žíhaním pri teplotách tesne pod solidom. Pri zváraní TIG jednofázových cínových bronzov (1 až 8 % Sn) treba dodržiavať tieto technologické zásady: a) používať jednosmerný zvárací prúd a zapojenie na priamej polarite (W - elektróda na mínus póle zváracieho zdroja), b) pri zváraní tenkých plechov možno tiež úspešne použiť jednosmerný pulzujúci prúd, pri ručnom zváraní TIG s frekvenciou 0,25 až 2Hz, pri mechanizovanom zváraní s frekvenciou 0,25 až 10 Hz, 278

16 c) zabezpečiť vysokoefektívnu ochranu zvarového kúpeľa ochranným plynom používať argón vysokej čistoty (min. 99,95 % Ar), krátky oblúk, vhodný priemer plynovej dýzy a dostatočné vyloženie netaviacej sa elektródy z dýzy, d) používať minimálne tepelné príkony zvárania, neprehrievať zvarový kúpeľ. Pri zváraní TIG zlievárenských cínových bronzov a červených kovov, napr. pri opravách odliatkov, treba ešte naviac rešpektovať tieto zásady: e) zabezpečiť tuhosť odliatkov ich vystužením pomocou oceľových výstuh alebo skeletu, tepelne izolovať zvarok, f) predhriať zvarok na relatívne vysokú teplotu (až 500 o C podľa hrúbky steny a hmotnosti) a počas zvárania udržiavať túto teplotu, g) po zvarení nechať zvarok pomaly chladnúť v peci alebo vo vhodnom tepelno-izolačnom zábale, h) v odôvodnených prípadoch treba zvarky difúzne žíhať pri teplotách cca 100 o C pod solidom danej zliatiny. Teplota ( o C) Obr Rovnovážny diagram sústavy Cu-Al Zvariteľnosť hliníkových bronzov 0 Koncentrácia Al v zliatine Cu-Al (%) Hliníkové bronzy s obsahom hliníka do 8 % sú jednofázové (obr ). Po stuhnutí z taveniny nevykazujú v tuhom stave žiadne prekryštalizačné premeny. Na rozdiel od cínových bronzov majú hliníkové bronzy pomerne úzky interval teplôt tuhnutia. Rozpustnosť plynov v tekutom stave je u hliníkových bronzov podstatne menšia ako u cínových bronzov. Z pohľadu zvariteľnosti hliníkových bronzov sú to všetko pozitívne ukazovatele. Špecifickým problémom pri zváraní hliníkových bronzov je ale prítomnosť vysokotaviteľného oxidu Al 2 O 3 na ich povrchu. Tento problém možno však pri zváraní TIG celkom uspokojivo riešiť použitím striedavého prúdu. Hliníkové bronzy s obsahom hliníka nad 8 % sú dvojfázové. V tuhom stave majú eutektoidnú premenu podobnú uhlíkovým oceliam. Možno ich tiež kaliť a popúšťať ako uhlíkové ocele. S tým tiež úzko súvisia problémy zvariteľnosti dvojfázových hliníkových bronzov. Jednofázové hliníkové bronzy sú materiály vhodné na zváranie TIG. Ako jediné materiály na báze medi vyžadujú zváranie TIG striedavým prúdom. Zo všetkých druhov medených materiálov sú jednofázové hliníkové bronzy najmenej náchylné na vznik kryštalizačných prasklín a dutín pri 279

17 zváraní TIG. Zvárané spoje vysokej celistvosti sa pri zváraní TIG dosahujú pri bežných podmienkach zvárania, t.j. bez predhrevu, treba však používať argón vysokej čistoty (min. 99,95 % Ar), prídavné materiály vhodného chemického zloženia s vysokou akosťou ich povrchu, vhodne upravené a kovovo čisté zvarové plochy a postup zvárania podobný postupom zaužívaným pri zváraní TIG hliníkových konštrukčných materiálov. Prídavné materiály na zváranie TIG jednofázových hliníkových bronzov majú chemické zloženie rovnaké alebo veľmi blízke základným materiálom. Dvojfázové hliníkové bronzy sú materiály ťažko zvariteľné. Pri ich zváraní metódou TIG môžu vzniknúť v oblasti spoja nežiaduce tvrdé krehké štruktúry, prípadne aj necelistvosti typu prasklín. Pri ich zváraní metódou TIG sa používa striedavý prúd. Jednofázové i dvojfázové hliníkové bronzy možno úspešne navárať na rôzne druhy ocelí. Pre tento účel sa používa naváranie TIG striedavým prúdom. Zvariteľnosť niklových bronzov Niklové bronzy sú jednofázové materiály. V celom rozsahu koncentrácií vytvára meď s niklom tuhé roztoky, pozri diagram na obr V tuhom stave niklové bronzy nevykazujú žiadne štruktúrne premeny, preto ich nemožno tepelne spracovávať zušľachťovať. Prísadou niklu k medi sa výrazne znižuje tepelná a elektrická vodivosť niektorých bronzov. Niektoré druhy niklových bronzov, napr. CuNi30 a CuNi45 sa používajú v elektrotechnike ako odporové materiály. Vysoká rozpustnosť plynov v niklových bronzoch spôsobuje, že niklové bronzy majú veľkú náchylnosť na vznik dutín pri zváraní. Niklové bronzy možno úspešne zvárať metódou TIG pri rešpektovaní týchto zásad a odporúčaní : a) používať jednosmerný zvárací prúd a zapojenie na priamej polarite, b) pri zváraní tenkých plechov sa odporúča používať jednosmerný pulzujúci prúd (najmä pri mechanizovanom zváraní TIG), tavenina Teplota ( o C) 1200 tuhý roztok Obr Rovnovážny diagram sústavy Cu-Ni Koncentrácia Ni v zliatine Cu-Ni (%) 280

18 c) veľkú pozornosť treba venovať čistote povrchu zvarových plôch, akosti použitých prídavných materiálov a hygiene práce, d) používať ochranný plyn zvlášť vysokej čistoty (min. 99,95 % Ar) a vytvoriť podmienky pre vysokoefektívnu ochranu celej pri zváraní vysokovyhriatej oblasti na povrchu i v koreni spoja, e) používať krátky oblúk, minimálny potrebný tepelný príkon zvárania, malé zváracie prúdy a nižšie zváracie rýchlosti, f) pri zváraní tenkých plechov prednostne používať tie typy spojov, ktoré nevyžadujú použitie prídavných materiálov, napr. lemové, rohové a tupé I spoje bez medzery v stykových plochách, g) nepoužívať predhrev ani dohrev počas zvárania. Postup pri zváraní TIG niklových bronzov je takmer rovnaký ako pri zváraní technického niklu alebo vysokolegovaných chrómniklových ocelí. Vysokú celistvosť zváraných spojov možno dosiahnuť iba pri efektívnej plynovej ochrane a pri rešpektovaní zásad vysokej hygieny práce. Zvariteľnosť bronzov vhodných na vytvrdzovanie Do tejto skupiny bronzov možno zaradiť chrómovú meď (používanú na elektródy odporových zváračiek) a berýliový bronz (1 až 2 % Be). Tieto nízkolegované zliatiny medi dodávané vo vytvrdenom stave možno úspešne zvárať metódou TIG jednosmerným prúdom na priamej polarite. Treba však vždy počítať s výrazným poklesom pevnosti a tvrdosti v mieste zváraného spoja v porovnaní s vytvrdeným základným materiálom. Spájkovateľnosť bronzov Cínové a niklové bronzy možno úspešne spájkovať na tvrdo i na mäkko za použitia vhodných spájok a tavív. Pri spájkovaní hliníkových bronzov vznikajú podobné problémy ako pri spájkovaní hliníka a hliníkových zliatin, ktoré spôsobuje prítomnosť vysokotaviteľného a stabilného oxidu Al 2 O Návary medi a bronzov na ocele Meď a ocele sú z metalurgického hľadiska rozdielne materiály. Ich vzájomná rozpustnosť je veľmi malá, napr. rozpustnosť železa v medi je nižšia ako 1 % Fe. Návary medi a bronzov na ocele treba preto zhotovovať tak, aby obsah železa v návare bol menší ako 1 %. Pri vyššom obsahu železa v návaroch ako 1 % sa v nich vytvára nežiadúca tvrdá fáza (kupromartenzit), ktorá môže veľmi nepriaznivo ovplyvniť rozhodujúce úžitkové vlastnosti návarov, napr. ich klzné vlastnosti alebo odolnosť proti korózii. Ďalším veľmi vážnym problémom pri zhotovovaní návarov z medi a bronzov na ocele je pórovitosť, vyvolaná vodíkom alebo uhľovodíkmi. Najvážnejším problémom, typickým pre návary z medi a bronzov na nelegovaných a nízkolegovaných oceliach, sú tzv. zatečeniny. Mechanizmus ich vzniku sa vysvetľuje podobne ako mechanizmus vzniku úkazu tzv. spájkovacej praskavosti pri tvrdom spájkovaní ocelí mosadznými spájkami. Ide o zvláštny úkaz difúzie citlivej na štruktúru, prebiehajúci prednostne po hraniciach zŕn do vnútra ocele. Výstupom tohoto difúzneho deja sú zatečeniny medi alebo bronzu v podnávarovej oblasti ocele, sledujúce prednostne hranice zŕn orientované kolmo na prechodovú líniu návar-oceľ (obr ). 281

19 Niektorí autori považujú zatečeniny za neprípustné chyby návarov a zaraďujú ich medzi trhliny. Dlhé zatečeniny (dĺžky nad 1 mm) treba naozaj považovať za zvláštnu formu trhlín. Krátke zatečeniny (<0,5mm) vytvárajú však s oceľou určitú fyzikálnu väzbu, niekedy dokonca aj difúznu väzbu. Krátke zatečeniny nemusia mať preto vždy charakter trhlín. Prax potvrdzuje výskyt zatečenín takmer na všetkých návaroch z medi a cínových bronzov vyrobených na nelegovaných oceliach všetkými metódami oblúkového navárania. Naváranie TIG je metóda, ktorá z prístupných metód oblúkového navárania najúčinnejšie rieši všetky tri uvedené problémy. Pri správnom postupe navárania môže zabezpečiť návary vysokej čistoty (bez vtrúsenín železa), vysokej celistvosti (bez dutín) a bez neprípustných dlhých zatečenín. Treba však rešpektovať tieto zásady a odporúčania: Obr Zatečeniny cínového bronzu v podnávarovej oblasti ocele a) pri naváraní medi, cínových, kremíkových a niklových bronzov používať jednosmerný prúd a priamu polaritu (W-elektróda na mínus póle zdroja), b) pri naváraní hliníkových bronzov používať striedavý prúd, c) používať prídavné materiály zaručujúce v prechode návar-oceľ aspoň minimálnu difúznu medzivrstvu, napr. prídavné materiály s prísadou 0,2 až 0,3 % Si, d) používať ochranné plyny vysokej čistoty, napr. argón minimálnej čistoty Ar 99,95 %, e) používať dlhší zvárací oblúk TIG a kývavý pohyb horáka v priečnom smere, aby nedošlo k výraznejšiemu nataveniu povrchu ocele, oblúk vhodne orientovať na predošlú navarenú vrstvu návaru, f) používať minimálny potrebný tepelný príkon zvárania, postupovať rovnomernou rýchlosťou a udržiavať stálu dĺžku oblúka v záujme vylúčenia prehriatia zvarového kúpeľa, g) odvádzať prebytočné teplo a zabrániť vyhriatiu ocele na vyššie teploty, h) ohrev a postup pri naváraní priblížiť podmienkam pri tvrdom nánosovom spájkovaní (vylúčiť podľa možnosti priame tavenie ocele). 282

20 V záujme potlačenia nepriaznivého úkazu zatečenín sa ďalej odporúča: a) používať prídavné materiály s vyšším obsahom niklu, b) v prípade, že zatečeniny treba úplne vylúčiť, je pred naváraním potrebné zhotoviť na povrchu ocele medzivrstvu z niklu alebo zo zliatiny s vysokým obsahom niklu, napr. z niklového bronzu alebo z Monelovho kovu (zliatina Ni-Cu). Na vznik zatečenín pri naváraní medi a bronzov na ocele má súčasne vplyv niekoľko činiteľov: chemické zloženie a štruktúrny stav ocele (najmä prítomnosť štruktúrnych porúch), chemické zloženie prídavného materiálu na báze medi a predovšetkým veľkosť ťahových napätí v prechode návar-oceľ. Odporúča sa preto venovať pozornosť najmä výberu vhodnej kombinácie návar-oceľ a technologickou cestou riešiť problémy súvisiace so stavom napätosti v prechodovej oblasti návar-oceľ. 283