Témata
Reklama

Bezolovnatá alternativa mosazí pro vodovodní instalace

Pro domovní vodovodní instalace jsou používány slitiny mědi s obsahem olova. Představují téměř ideální strojírenský materiál pro toto použití. Mají odpovídající mechanické vlastnosti a v pitné vodě vysokou korozní odolnost. Snadno se odlévají, některé z nich i dobře tváří za tepla či za studena a mohou být obráběny vysokými rychlostmi, takže dovolují výrobu součástek s relativně nízkou cenou. Měděné slitiny jsou navíc známé jako silné biostatikum proti řadě patogenních organismů, takže příznivě působí na kvalitu pitné vody.

U běžně používaných obrobitelných slitin mědi se obsah olova pohybuje od 0,5 do 7,0 hm. %. Na současné úrovni znalostí je legování olova do obrobitelných měděných slitin nezbytné. Přítomnost měkkých fází olova zásadním způsobem mění charakteristiky obrobitelnosti, zjemňuje morfologii třísky, zlepšuje jakost povrchu a snižuje energii na obrábění. Děje se tak především vlivem přítomnosti měkkých olovnatých fází s nízkým bodem tání. Při lokálním zvýšení teploty v oblasti obrábění dochází k jejich natavení a tím k snadnějšímu oddělování materiálu a lámavosti třísek. Snížením třecích sil zabraňují olovnaté fáze tvorbě nárůstků na čele nástroje a významně snižují energetickou náročnost obrábění. Pro svou měkkost nepodporují růst abrazivního opotřebení nástroje.
Reklama
Reklama

Nutnost náhrady olova

Olovo je pro lidský organismus škodlivé. Nepříznivě ovlivňuje hematologický a nervový systém lidského organismu, má nepříznivé účinky na činnost ledvin a dalších orgánů. Olovo v organismu zůstává, jeho působení je kumulativní. Rozsáhlé zkoušky prováděné ve skandinávských zemích v roce 1975 ukázaly, že zvýšený obsah olova v pitné vodě je způsoben uvolňováním (vyluhováním) olova z měděných olovnatých slitin, ze kterých jsou vyráběny armatury vodovodních systémů.
Ve Spojených státech byla vydána zákonná norma, ve které se omezuje obsah olova v kovech přicházejících do styku s pitnou vodou. Úroveň olova v pitné vodě je v této normě omezena na hranici 15 mg/l [2,3]. V nové směrnici Evropského společenství 98/83/EC je dovolený obsah olova v pitné vodě omezen dokonce na hodnotu 10 mg/l. Pro srovnání - v české normě ČSN 75 7111 je povolená hranice Pb v pitné vodě 50 mg/l , tedy pětkrát větší oproti uvedené evropské směrnici.
Vlivem silných ekologických tlaků byly v USA v polovině devadesátých let zahájeny diskuse a posléze výzkum, jehož cílem je náhrada slévárenských i tvářených slitin mědi s obsahem olova pro vodovodní instalace slitinami mědi bez olova. V současnosti se výzkum v této oblasti začíná výrazně iniciovat i v Evropě. Jsou signály, že v této oblasti provádí intenzivní výzkumné práce německé, italské a polské metalurgické laboratoře a vysoké školy.

Výzkum vlivu vizmutu

Jednou z možností, jak řešit problém podstatného snížení či odstranění Pb v měděných slitinách a přitom zachovat jejich obrobitelnost, je jeho úplná nebo částečná náhrada netoxickým nízkotavitelným vizmutem. Náš výzkum se zaměřil na vliv vizmutu v množství 1 až 2 % v měděných slitinách. U a + bmosazí byl komplexně studován vliv vizmutu na mechanické a technologické vlastnosti a na korozní odolnost. Zjištěné vlastnosti jsou porovnány s vlastnostmi komerční obrobitelné mosazi CuZn40Pb2. V Evropě je tato obrobitelná slitina, dle evropských norem označovaná CW617N, nejčastěji používaným materiálem pro vodovodní armatury a další výrobky přicházející do styku s pitnou vodou.

Experimentální slitiny

Stacionárním litím do grafitové kokily 40 x 100 x 555 mm byly odlity čtyři odlitky modelových slitin Cu-Zn-Bi s různými obsahy Zn (v rozmezí 37,85 až 40,10 hm. %) a Bi (1,50 až 1,65 hm. %). Zkoušel se také další legující prvek, a to fosfor v množství 0,225 hm. %.
Odlitky z modelových slitin se staly výchozími vzorky pro studium jejich základních vlastností. Paralelně byly studovány vlastnosti technické (komerční) slitiny CuZn40Pb2 běžného složení. Tato slitina tvořila tzv. referenční materiál ke studovaným novým systémům. Na takto připravených experimentálních slitinách a na referenčním materiálu se studovaly souběžně jak strukturní a mechanické vlastnosti, tak tzv. technologické vlastnosti, jako je kujnost a obrobitelnost. Byly provedeny i korozní zkoušky, zejména zkoušky odolnosti proti odzinkování.

Strukturní vlastnosti

Strukturní vlastnosti byly studovány paralelně metodami světelné mikroskopie a elektronové mikroanalýzy na rastrovacím elektronovém mikroskopu DSM 940. Rozložení fází bylo sledováno v režimu odražených elektronů. Intermetalické fáze byly identifikovány na základě plošného rozložení jednotlivých prvků. Ve spojení s obrazovým analyzátorem IBAS-AT byla provedena kvantitativní analýza rozložení vybraných fází. Všechny slitiny vykazovaly typickou a + bstrukturu. Rozbor ukázal, že rozložení fází vizmutu ve struktuře slitin CuZn39-40Bi1,5(P) je obdobné jako rozložení fází Pb v referenční slitině. Podobně jako fáze olova ve struktuře CuZn40Pb2 tvoří fáze vizmutu v experimentálních slitinách CuZn40Bi kulové fáze, v odlitcích rozložených převážně na hranicích litých zrn a dendritů.

Mechanické vlastnosti

Mechanické vlastnosti za pokojové teploty pro odlitky z experimentálních mosazí a technické mosazi CuZn40Pb2 jsou uvedeny v tab. 1. Odsud je patrné, že mosazi s vizmutem mají poněkud nižší tažnost oproti kovárenské mosazi CuZn40Pb2.
Snížení plastických vlastností mosazí za pokojové teploty vlivem přítomnosti vizmutu oproti olovu není tak dramatické jako v případě mědi. Je známo, že na rozdíl od olova, které v mědi vytváří globule po hranicích i uvnitř zrn, takže příliš nesnižuje její mechanické a zejména plastické vlastnosti, tvoří vizmut v měděné matrici téměř spojitý film po hranicích zrn. Tento efekt vede ke značnému zkřehnutí hranic a následkem toho k výraznému snížení plastických vlastností mědi i při relativně nízkých obsazích vizmutu. Rozdílné vlastnosti hranic zrn slitin Cu-Pb a Cu-Bi jsou vysvětlovány rozdílným povrchovým napětím mezi prvky Cu a Pb na jedné straně a Cu a Bi na straně druhé. Naše výsledky ukázaly, že v případě mosazí je situace odlišná. Zinek výrazně snižuje povrchové napětí mědi, takže v mosazích s vysokým obsahem Zn (a + b) je morfologie fází s obsahem vizmutu podobná morfologii fází s obsahem olova. Tím si tyto mosazi zachovávají uspokojivou plasticitu za studena i při relativně vysokých obsazích vizmutu - kolem 1,5 hm. %.
Vzhledem k předpokládanému technickému využití mosazí s Bi k výrobě hutních výrobků i konečných součástek tvářením za tepla jsou velmi důležité jejich mechanické vlastnosti za tepla. Tyto vlastnosti byly zjišťovány tahovými zkouškami za tepla. Zkoušela se experimentální vizmutová mosaz CuZn40Bi1,5 a komerční olovnatá mosaz běžného technického složení CuZn40Pb2 při teplotách 700 a 780 °C a dvou úrovních rychlosti deformace: 0,002 a 0,33 s-1. Ukázalo se, že při vysokých teplotách a větší rychlosti deformace jsou plastické vlastnosti zkoumaných mosazí s vizmutem lepší než plastické vlastnosti mosazí s obsahem olova .

Zkoušky kujnosti a obrobitelnosti

Po kladných výsledcích tahových zkoušek za tepla bylo přistoupeno ke zkouškám zápustkového kování za tepla na výkovcích složitého tvaru (obr. 3). Zkoušky proběhly na experimentální vizmutové mosazi a na běžné olovnaté mosazi. Výsledky zkoušek potvrdily výsledky tahových zkoušek. Nová vizmutová mosaz je velmi dobře tvařitelná za tepla. Její kujnost je srovnatelná s komerční olovnatou mosazí CuZn40Pb2.
Zkoušky obrobitelnosti byly provedeny na vizmutové mosazi CuZn40Bi1,5 a olovnaté mosazi CuZn40Pb2 metodou vrtání konstantní posuvnou silou s vrtákem o průměru 6 mm, s otáčkami 850 min-1 a hmotností závaží 3 kg. Princip zkoušky spočíval ve sledování času potřebného pro vyvrtání díry o délce 7 mm. Čím kratší čas nutný pro vrtání, tím lepší obrobitelnost. Vedle toho proběhly zkoušky soustružením s hodnocením jemnosti třísky a kvality (drsnosti) obrobeného povrchu. Výsledky zkoušek jsou v tab. 2 a na obr. 4 a 5. Z tabulky a obrázků je patrné, že obrobitelnost vizmutové mosazi CuZn40Bi1,5 se vyrovnala obrobitelnosti olovnaté mosazi CuZn40Pb2 jak dobou vrtání a lámavostí třísky, tak i kvalitou obrobeného povrchu.

Odolnost proti odzinkování

Odolnost proti odzinkování byla stanovena podle metodiky ČSN ISO 6509 na odlitcích experimentálních slitin CuZn38Bi1,5P, CuZn40Bi1,5 a referenční olovnaté mosazi CuZn40Pb2. Podstata zkoušky spočívala v metalografickém měření odzinkované vrstvy po expozici zkoušeného materiálu v 1% roztoku chloridu měďnatého po dobu 24 h při teplotě 75 °C. Čím větší je hloubka odzinkované vrstvy, tím horší je odolnost proti korozi odzinkováním. Z tabulky č. 2 je zřejmé, že zkoušené vizmutové mosazi mají vyšší odolnost proti odzinkování než komerční obrobitelná mosaz CuZn40Pb2.

Shrnutí výsledků

a) Pro systémy Cu-Zn s vyšším obsahem Zn nad 38 % (a + b mosazi) se podařilo nalézt netoxický prvek, a to vizmut, který působí na zvyšování obrobitelnosti tohoto systému podobně jako toxické olovo.
b) Fáze bohaté vizmutem, podobně jako fáze bohaté olovem, ve struktuře a + b mosazí usnadňují řez oddělované vrstvy při obrábění a vedou ke snadnému dělení vznikající třísky. Drsnost soustruženého povrchu vizmutových mosazí se vyrovná drsnosti povrchu olovnaté mosazi CuZn40Pb2.
c) Vizmut podobně jako olovo vytváří ve struktuře odlitků a + b mosazí téměř kulové fáze rozložené na hranicích a uvnitř zrn, takže snížení plastických vlastností za pokojových teplot u sledovaného systému Cu-Zn-Bi oproti Cu-Zn-Pb není tak výrazné jako v případě systému Cu-Bi ve srovnání s Cu-Pb.
d) Plasticita a kujnost za vysokých teplot jsou u vizmutových a + b mosazí typu CuZn38-40Bi1,5-2 velmi dobré, jsou téměř na úrovni mosazi CuZn40Pb2. Nové vizmutové mosazi se dají kovat a průtlačně lisovat za tepla podobně jako olovnaté obrobitelné mosazi.
e) Vizmut v odlitcích z a + b mosazí zvyšuje odolnost proti odzinkování. Odlitky z mosazi CuZn40Bi1,5 vykazují větší odolnost proti odzinkování než odlitky z olovnaté obrobitelné mosazi CuZn40Pb2.
Poděkování: Autoři děkují Grantové agentuře České republiky za finanční podporu výzkumných prací v rámci grantového projektu 106/99/1476.
Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 10109
Datum: 31. 01. 2001
Rubrika: Trendy / Slévárenství
Autor:
Firmy
Související články
Náhrada drahých legur v metalurgii slitin neželezných kovů

Přesto, že tradiční a ověřené slévárenské procesy v posledních desetiletích nezaznamenaly významné změny, nedá se totéž říci o procesech metalurgických. Mimo jiné je kladen stále větší důraz na chemické složení slévárenských slitin a to jak z hlediska jejich čistoty, resp. obsahu nežádoucích či doprovodných prvků, tak z hlediska přídavků prvků zlepšujících jejich vlastnosti.

Jediná slévárna hořčíkových slitin v ČR

V posledních dvaceti letech zaznamenaly hořčíkové slitiny ve světě značný rozmach. V České republice je bohužel situace odlišná a využití hořčíkových slitin upadá. Tento trend je způsoben zejména malým povědomím konstrukčních a výrobních firem o výhodných vlastnostech těchto slitin a o existenci slévárny hořčíkových slitin v ČR.

Nejmodernější slévárna litin v Evropě

V příspěvku jsou stručně popsány segmenty výroby tekutého kovu a bentonitových forem pro odlitky ve slévárně Kasi postavené na zelené louce v letech 2010 a 2011 v Novém Bydžově - Zábědově.

Související články
Výroba modelových zařízení a forem

Výroba modelových zařízení a kovových forem patří neoddělitelně ke slévárenství. Modelárny vyrábí velmi složité tvary nejrůznějšími technologiemi. K tradičním postupům patří třískové obrábění, stále častěji s využitím elektronicky řízených obráběcích center dále CNC).

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Rheocasting otevírá nové možnosti tlakově litých odlitků

Požadavky automobilového průmyslu, jako úspora hmotnosti, zvyšování užitných vlastností a snižování nákladů vytvářejí na všechny výrobní technologie, tlakové lití nevyjímaje, tlak na zvýšení hodnot mechanických vlastností, eliminaci vnitřních vad a stabilitu procesu. Požadavkům na vyšší pevnost a tažnost jde tlakové lití vstříc především zaváděním nových sofistikovaných slitin. Tyto slitiny jsou ovšem výrazně dražší a navíc kladou vysoké požadavky jak na proces tavení, tak na vlastní proces lití, který se tak dostává na samotnou hranici stability v sériové výrobě.

Proteinové pojivo - alternativa při výrobě odlitků

Článek popisuje princip použití proteinových pojiv ve slévárenské výrobě, jejich technologické, ekologické a ekonomické výhody. Ukazuje také výsledky provozních zkoušek těchto pojiv provedených v několika slévárnách při výrobě odlitků ze slitin hliníku a šedé litiny.

Tradice a perspektivy slévárenství

Slévárenství je jedním z nejstarších výrobních oborů, odlitky velmi úspěšně nahrazují součásti, vyráběné svařováním nebo obráběním z hutních polotovarů. Slévárenství umožňuje vyrobit velmi složité dílce pro nejrůznější odvětví průmyslu. Odlitky jsou využívány také v lékařství (kloubní náhrady, dentální odlitky a podobně), slévárenské postupy jsou využívány ve šperkařství a dalších výtvarných oborech (drobné plastiky, prsteny, náramky, brože, reliéfy, sochy a podobně).

Virtuální testování aneb není čas na hrdinství

Pokud tlačí zákazník a trh do komplikovanějších, složitějších a rizikovějších projektů a pokud je zvažováno, zda vůbec daný projekt přijmout? Jestli je možné ještě snížit náklady při zachování kvality výrobků? Numerická simulace technologických procesů sama řešení nevymyslí, avšak stává se významným pomocníkem při hledání odpovědí.

Vysoce přesné odlitky pro energetiku

V dnešní době je kladen důraz na dodávky přesných odlitků vyráběných metodou vytavitelného modelu, u kterých nebude nutné provádět již další operace obrábění. Za posledních pět až sedm let se požadavky na relativní přesnost odlitků zvedly několikanásobně.

Odsávání a filtrace ve slévárnách tlakového lití

Na problematice odsávání a filtrace vzduchu ve slévárnách tlakového lití si již vylámal zuby nejeden dodavatel filtrační techniky - jedná se totiž o velmi náročné provozy s komplikovanou strukturou odsávané vzdušniny, které obsahuje jak suchý kouř, tak i částice přilnavého oleje a mnoho dalších nečistot.

Budoucnost nástrojových materiálů bez kritických kovů

V současné době jsou nejrozšířenějšími nástrojovými materiály slinuté karbidy a nástrojové oceli. Slinuté karbidy, tedy cermety tvořené vysokým podílem karbidů, převážně karbidu wolframu, a dále TiC, TaC a NbC, a kobaltem jako pojivem jsou využívány především pro výrobu výměnných břitových destiček pro strojní obrábění, případně vrtáků do zdiva a betonu. Díky výborné otěruvzdornosti a velmi dobré lomové houževnatosti jsou v poslední době tyto materiály využívány pro různé aplikace, jako je obrábění ocelí, litin i neželezných kovů.

Vysokoteplotní kluzné vrstvy vanadu

Intenzifikace řezných procesů zvyšuje teplotu řezů. S tím souvisejí mimo jiné zvýšené nároky na tepelnou stabilitu použitých otěruvzdorných povlaků. Možným řešením je vývoj PVD povlaků s funkcí vysokoteplotních lubrikantů, které jsou schopny snížením koeficientů tření řezné teploty snižovat. K jedněm ze slibných a již studovaným systémům patří PVD vrstvy s přídavkem vanadu, které za vysokých teplot tvoří Magnéliho oxidické fáze se zmíněnou schopností. Velkým problémem je však trvanlivost těchto fází při mechanickém namáhání v průběhu obrábění. Příspěvek je věnován některým praktickým aspektům přípravy PVD vrstev CrVN a jejich vlastnostem.

Trh výroby drátů a trubek

Na düsseldorfském výstavišti bude druhý dubnový týden 2014 opět představen obor technologie zpracování a opracování drátů a kabelů, resp. trubek a rour na veletrzích wire a Tube. Bližší informace k této akci jsme vám přinesli v prosincovém vydání MM Průmyslového spektra, ale jelikož se následně konala tisková konference organizátora Messe Düsseldorf, jenž tradičně dodává hodnotné analýzy a statistická data k daným oborům, přinášíme vám výběr toho nejzajímavějšího.

Regulační pohony hydraulických čerpadel

V posledních letech se hledají možnosti úspor energie i u hydraulických systémů. Tyto pohony jsou pomalu vytlačovány v oblasti menších sil a momentů elektromechanickými pohony. V oblasti vyšších výkonů - desítky a více kW - však hydraulické pohony stále představují hlavní možnost řešení, a to zpravidla ve spolupráci se stále se rozvíjející elektronikou. I tady však už existují čistě elektrická řešení. U vyšších výkonů i několik procent úspor dělá výrazné snížení spotřeby energie.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit