Dlaczego warto stosować dodatek cyny do miedzi?

Podróż  superszybkim pociągiem lub samochodem po Europie jest dużo łatwiejsza dzięki stopom miedzi i cyny.

Warto wiedzieć, że stopem miedzi i cyny nazywamy miedź niskostopową o zawartości od 0,04% do 0,55% cyny. Oznacza to, że ten artykuł nie dotyczy brązu, czyli stopu składającego się głównie z miedzi z zawartością ok. 12% cyny, a często też innych metali. Brąz znany jest od przeszło pięciu tysięcy lat, a stopy miedzi i cyny opracowano w latach 1960–1998.

Ze względu na korzystniejszy stosunek właściwości elektrycznych i mechanicznych oraz wyższą wytrzymałość w porównaniu z czystą miedzią stop miedzi i cyny jest materiałem, z którego wykonane są profilowane przewody jezdne szybkich kolei w Europie.

Inny istotny obszar, w którym są stosowane takie stopy — zresztą już od wielu lat — to samochodowe instalacje elektryczne, a konkretnie ich przewody. W wielu takich instalacjach znaleźć można przewody ze stopu miedz i cyny (0,25–0,35%) o polu przekroju poprzecznego 0,13 mm², minimalnej przewodności wynoszącej 72% IACS i minimalnej wytrzymałości na rozciąganie wynoszącej 620 N/mm².

Jakie są korzyści stosowania dodatku cyny?

Najważniejszymi korzyściami stosowania dodatku cyny do miedzi jest zwiększenie jej wytrzymałości oraz podniesienie odporności na mięknięcie.

W porównaniu z innymi stopami miedzi stopy miedzi i cyny wyróżniają się wyższą wytrzymałością w porównaniu z miedzią katodową przetopioną, ze stopami miedzi i srebra czy miedzi i stali, lecz nie są tak wytrzymałe jak stopy miedzi i magnezu czy stopy miedzi z niklem i krzemem. Na przykład wytrzymałość na rozciąganie przewodu ze stopu miedzi i cyny wynosi nawet >620 N/mm², a przewodu z Cu-ETP — około 350 N/mm². Tak wysoka wytrzymałość na rozciąganie ma też dodatkową zaletę, jaką jest nawet trzykrotne zmniejszenie powierzchni przekroju, np. z 0,35 mm² do 0,13 mm².

Miarą odporności na mięknięcie jest czas połowicznego zmięknięcia mierzony w minutach. Jest to czas działania wysokiej temperatury, po upływie którego twardość próbki poddanej obróbce plastycznej na zimno obniża się do wartości równej połowie twardości uzyskanej w wyniku wyżarzania. Poniższa tabela zawiera porównanie stopu miedzi i srebra oraz stopu miedzi i cyny. Dowodzi ono, że stop miedzi i cyny wyróżnia się znacznie wyższą odpornością na mięknięcie.

Czas połowicznego zmięknięcia (min.)
W temp. 343°C W temp. 371°C W temp. 399°C W temp. 427°C
CuAg0.4 (CW011A) 22 3,3 0,65 0,20
Cu-0.09Sn 240 64 17 4,8

Przewodność elektryczna

Z poniższej tabeli wynika, że dodatek cyny do miedzi obniża jej przewodność elektryczną proporcjonalnie do procentowej ilości dodatku cyny:

% cyny % wg IACS
0,1 98
0,15 88
0,2 83
0,5 70

Dlaczego warto stosować dodatek telluru do stopu miedzi i cyny?

Dodatek telluru (w ilości 0,005–0,05%) do stopu cyny i miedzi był przedmiotem badań prowadzonych w USA w latach 1983–1987 oraz wniosków patentowych. Stop miedzi i cyny z dodatkiem telluru zaczęto stosować jako alternatywny dla stopu miedzi i kadmu, a także jako znacznie oszczędną alternatywę do stopu miedzi i cyny. Stop ten zasługuje na szczególną uwagę, gdyż pozwala on uzyskać jeszcze większą odporność na mięknięcie przy niewielkiej utracie przewodności. Poniższa tabela zawiera porównanie odporności na mięknięcie stopu miedzi i cyny oraz stopu miedzi i cyny z dodatkiem telluru:

Czas połowicznego zmięknięcia (min.)
W temp. 343°C W temp. 371°C W temp. 399°C W temp. 427°C
Cu0.09Sn 240 64 17 4,8
Cu0.07Sn0.01Te >5 000 600 50 10

Jak widać dodatek telluru spektakularnie zwiększa odporność na mięknięcie w temperaturze wynoszącej nawet 427°C, co znacznie przewyższa wartości tego parametru w przypadku zwykłego stopu miedzi i cyny. Dla porównania, stop Cu-ETP ulega mięknięciu już w temperaturze 150°C. Stopy cyny i miedzi zyskały również ogromne uznanie dzięki właściwościom umożliwiającym poddawanie ich różnym procesom obróbki, na przykład formowania na zimno i ciepło czy lutowania. Stopy te są również odporne na kruchość wodorową w przypadku ich podgrzewania w atmosferze, w której zachodzi redukcja wodorowa. Stopy te wykazują się dość dobrą odpornością na korozję powodowaną czynnikami atmosferycznymi oraz na naprężeniowe pękanie korozyjne.

Inne zastosowania

Oprócz dwóch najważniejszych zastosowań, które opisano powyżej (przewody jezdne w kolejnictwie oraz przewody samochodowych instalacji elektrycznych) innymi zastosowaniami stopów miedzi i cyny (wymagającymi jednak kombinacji różnych parametrów, np. minimalnej swoistej przewodności elektrycznej, wysokiej plastyczności oraz większej wytrzymałości i oporności na mięknięcie w porównaniu z czystą miedzią), są m.in. ramki wyprowadzeniowe, styki złączy, przełączniki i przekaźniki, zaciski, szyny zbiorcze, nity i śruby specjalnego zastosowania.

Zobacz także: Przyszłość elektromobilności – transport publiczny i pojazdy specjalnego przeznaczenia