Обрабатываемые давлением оловянные бронзы

Обрабатываемые давлением оловянные бронзы — это трех- и четырехкомпонентные сплавы. Кроме олова (4—8 %) они могут содержать фосфор, цинк и свинец. До­бавка фосфора (до 0,4 %) входит в α-раствор и образует частицы фосфида Сu₃Р, повышая прочностные и антифрикционные свойства. Цинк (до 4 %) полностью входит в α-раствор и заменяет более дефицитное олово. Свинец практически нерастворим в α-фазе и обра­зует включения, улучшающие обрабатываемость резанием и антифрикционные свойства. Таким образом, деформируемые оловянные бронзы или полностью однофазные, или со­держат в виде включений небольшое количество второй фазы (Cu₃₁Sn₈, Cu₃P).

Бронзу БрОФ65-ОД5 производят главным образом в виде холоднокатаных лент, идущих на изготовление различных пружинных элементов приборов, а также силовых токоведущих пружинных контактов.

Бронзу БрОЦС4-4-2,5 производят в виде полос и лент, идущих на изготовление прокладок в подшипниках и втулках в автомобильной и других отраслях промышлен­ности.

Литейные оловянные бронзы

Оловянные бронзы - древнейший литейный материал. Хотя они имеют широкий интервал кристаллизации (до 150—200 °С), приводящий к низкой жидкотекучести, у них сильно развита дендритная ликвация и значительна зональная обратная ликвация (см. гл. 10. Т. I). Все это вызывает образование множество меж- и внутридендритных рассеянных усадочных пор и негерметичность отливок.

Однако оловянные бронзы имеют самую низкую среди других медных сплавов усадку кристаллизации (линейная усадка при литье в землю ~ 0,8 %) и поэтому низкую горячеломкость. Если герметичность отливки не важна, для заполнения формы расплав перегревают до 1200—1300 °С. Из-за малой усадки оловяные бронзы хорошо воспроизводят детали рельефа формы и резкие переходы сечения отливки.

В сочетании с коррозионной стойкостью в воздушной атмосфере и красновато- зеленоватым цветом оловянная бронза является незаменимым материалом для худо­жественного литья. При взаимодействии с воздухом на бронзе образуется защитная пленка (патина), которая в зависимости от влажности и состава атмосферы, а также длительности пребывания в ней имеет разный состав и различные оттенки — от чер­ного и коричневого до зеленого и синего. Современые художественные бронзы содер­жат до 10-15 % Sn и Zn и до 3 % РЬ.

Лучшие колокольные бронзы являются двойными сплавами высокой чистоты, со­держащими 18-22 % Sn. Звучание колокола определяется количеством δ-фазы (Cu₃₁Sn₈) в бронзе.

В машиностроении в настоящее время используют литейные бронзы 11 марок (ГОСТ 613-79), содержащие от 3 до 10 % Sn. В сплавах с более высоким содержанием олова пластичность сильно понижена из-за хрупкости δ-фазы. Высокооловянные бронзы самые прочные и самые дефицитные. Цинк, входя в α-раствор, заменяет бо­лее дефицитное олово, но он является менее эффективным упрочнителем.

Бронза БрО10Ф1 благодаря высокому содержанию олова является наиболее проч­ной, а из-за значительного количества фосфида Сu₃Р имеет высокие антифрикцион­ные свойства. Эту бронзу используют только для отливки деталей ответственного на­значения, например венцов червячных шестерен.

Бронза Бр05Ц5С5 благодаря включениям свинца хорошо обрабатывается резани­ем и имеет высокие антифрикционные свойства: ее используют для отливки армату­ры, антифрикционных деталей, вкладышей подшипников.

Бронзу БрОЗЦ7С5Н1, обладающую повышенной коррозионной стойкостью, при­меняют для отливки арматуры, работающей в масле, пресной и морской воде.

Недостаток всех оловянных бронз — низкая гидравлическая плотность отливок из-за развитой усадочной пористости. Если литейная корка не удаляется при обработ­ке резанием, то гидравлическая плотность детали получается большей.

Безоловянные бронзы

Безоловянные бронзы подразделяют по основному легирующему элементу на алюминиевые, свинцовые, бериллиевые и др.

Алюминиевые бронзы — наиболее многочис­ленная группа. В системе Сu—А1 (рис. 18.9) сплавы, содержащие < 9,4 % А1, состоят из од­ной фазы — α-раствора замещения алюминия в меди. В литом и рекристаллизованном состоя­ниях их микроструктура аналогична микрост­руктуре α-латунёй (см. рис. 18.6). При более высокой концентрации алюминия в бронзе, кроме первичных α-кристаллов, содержится эвтектоид α+γ₂, где γ₂ — соединение электрон­ного типа.

По прочности и коррозионной стойкости алюминиевые бронзы превосходят оловянные. Однофазную двухкомпонентную бронзу БрА7 (см. табл. 18.4) производят в виде холодноката­ной ленты, идущей на изготовление упругих элементов, в частности скользящих контактов. Наиболее широко используют алюминиевые бронзы БрАЖ9-4 и БрАЖМц10-З- 1,5, содержащие помимо α-раствора эвтектоид α + γ₂. Эти бронзы, выпускаемые в ви­де горячедеформированных прутков и труб, обладают высокими прочностными свой­ствами, антифрикционностью и коррозионной стойкостью. Их используют для изго­товления ответственных деталей в судостроении и тяжелом машиностроении — ше­стерен, втулок подшипников и др.

Бронза БрАЖН 10-4-4 обладает наибольшей прочностью и твердостью среди алю­миниевых бронз, так как упрочняется закалкой и отпуском. Особенность ее состоит в том, что при закалке с 980 °С (3-фаза по мартенситному механизму превращается в β'- мартенсит. Во время отпуска при 400 °С 2 ч мартенсит распадается на дисперсную эвтектоидную смесь (β '→ α+ γ²), и при этом выделяется еще одна дисперсная χ-фаза — (Ni,Fe)Al — раствор железа в фазе NiAl. Используя разные температуры отпуска — 400, 500 и 570 °С — можно варьировать твердость бронзы по Викерсу (HV), соответствен­но 430, 300 и 280, тогда как в прессованном состоянии ее твердость 200. Эта бронза коррозионно-стойкая в атмосферных условиях, в пресной и морской воде, может ра­ботать при повышенных температурах. Она хорошо обрабатывается давлением в горя­чем состоянии. Ее применяют в разных машиностроительных отраслях для изготовления ответственных деталей (шестерни, клапаны, втулки и т. п.).

Бронзы близкого состава БрАЮЖЗЛ и БрА10ЖЗМц2 (см. табл. 18.4) применя­ют в качестве литейных. Первично кристаллизующиеся частицы твердого раство­ра на основе железа способствуют измельчению зерна. Марганец входит в α-раствор и повышает коррозионную стойкость. Структура литой бронзы БрА10ЖЗМц2 показана на рис. 18.10: видны мелкие частицы (точки внутри светлой фазы) желе­зистой составляющей (стрелка) на фоне светлого α-раствора и темный эвтектоид α + γ₂.

Алюминиевые бронзы имеют узкий интервал кристаллизации, что способствует получению плотных отливок, но возникает склонность к образованию концентриро­ванных усадочных пустот. Эти бронзы применяют для отливки арматуры и ан­тифрикционных деталей, отличающих­ся повышенной прочностью (данные табл. 18.4 показывают, что отливки из алюминиевых бронз намного прочнее, чем из оловянных).

Свинцовую бронзу БрСЗО - двойной сплав Си — 30 % РЬ (см. рис. 18.1) при­меняют для заливки вкладышей под­шипников. В этой бронзе мягкие вклю­чения свинца распределены в более прочной и высокотеплопроводной мед­ной матрице. Высокая теплопровод­ность бронзы БрСЗО облегчает условия работы подшипника при больших удельных давлениях и высоком числе оборотов, когда при трении выделяется много теплоты. Недостаток сплава — склонность к лик­вации по плотности. Для ее предотвращения необходимо ускоренное охлаждение при заливке вкладыша.

Подавляющее большинство алюминиевых бронз — и деформируемых, и литей­ных, кроме бронзы БрАЖН 10-4-4, — термически неупрочняемые, их используют без какой-либо термообработки или подвергают только отжигу.

Классический представитель термически упрочняемых бронз — бериллиевая бронза БрБ2 (см. табл. 18.4). По составу она близка к точке предельной растворимо­сти бериллия в меди при перитектической температуре (рис. 18.11). С понижением температуры растворимость бериллия в меди резко падает. Бронзу БрБ2 закаливают с 780 °С в воде и подвергают старению при 320 °С 2-5 ч. При старении из пересы­щенного α-раствора сначала выделяются моноатомные дискообразные зоны Гинье- Престона диаметром ~ 2 нм, затем они превращаются в пластинки размерами 5—10 нм дисперсных частиц метастабильной полукогерентной фазы γ-состава СuВе, что и приводит к сильному упрочнению. Для получения высокой прочности, необходи­мой искробезопасному инструменту, подшипникам гироскопов и т. п. достаточно 2 ч старения. Характеристики упругости этой бронзы — предел упругости с малым до­пуском, релаксационная стойкость (см. пп. 13.2.5) и др. достигают своих наивысших значений только после 4—5 ч старения. У состаренной бериллиевой бронзы предел упругости после НТМО (холодная деформация на 40 % между закалкой и старени­ем) может достигать рекордного для медных сплавов уровня (σ₀,₀₀₅ — 1150 МПа), по­этому ее широко используют для изготовления разнообразных упругих элементов. Высокие характеристики упругости бериллиевых бронз сочетаются с довольно вы­сокой электропроводностью, которая составляет ~ 23 % от Сu марки Ml, поэтому у этой бронзы нет конкурентов для изготовления токоведущих контак­тов. Недостатки бронзы БрБ2 — это вы­сокая стоимость бериллия и высокая токсичность паров бериллия, что требует соответствующей техники безопасно­сти при плавке. В промышленных мар­ках бериллиевых бронз содержание бе­риллия варьируется от 1,7 до 2,5 %. Кро­ме того, всегда присутствует 0,2—0,5 % Ni для снижения критической скорости закалки и 0,1—0,3 % Ti, понижающего (как и Ni) склонность этих бронз к пре­рывистому распаду (см. пп. 11.5.1) на границах зерен, из-за которого пластич­ность бронз понижена.

Таблицы 18.5. Состав и свойства медно-никелсвых сплавов

малой термо-ЭДС (0,2 мкВ/град.) в паре с медью, что позволяет широко его приме­нять в электроизмерительных приборах, образцовых катушках сопротивления, шун­тах и т. п. В электрических цепях приборов, где соединения выполнены из медного провода, при разогревах джоулевым теплом в контактах меди с манганиновыми рези­сторами практически не возникают паразитные термо-ЭДС.

Система Cu-Ni-Al из-за переменной растворимости компонентов с повышением температуры послужила основой для разработки ряда термически упрочняемых спла­вов.

Сплавы под названием куниали типа А(МНА 13-3) и Б(МНА 6-1,5) характеризуют­ся способностью к термическому упрочнению. Обработка по режиму: закалка с 900—1000 °С, холодная деформация на 25 %, старение при 500 ºС обеспечивает предел прочности α_в = 800—900 МПа, 5 = 5—10 %. Куниаль типа А используется в деталях по­вышенной прочности и коррозионной стойкости. Куниаль типа Б не имеет аналога за рубежом, его применяют для пружин ответственного назначения в различных облас­тях техники. Куниали имеют высокие механические свойства, коррозионную стой­кость, удовлетворительно обрабатываются давлением в горячем и холодном состоя­ниях. Упрочнители в них — фазы θ-Ni₃Al и (З-NiAl. Куниали не склонны к хладнолом­кости, с понижением температуры до отрицательной их прочность и пластичность растут.

На базе той же системы Си—Ni—А1 в России разработан ряд сплавов взамен бериллиевых бронз. Например, сплав под названием камелон, содержащий 20 % Ni, 4 % А1, 3 % Сr, 4 % Мп, также имеет два главных упрочнителя — Ni₃Al и NiAl. В фазе Ni₃Al часть атомов может заменяться на медь, марганец упрочняет твердый раствор. Хром формирует фазу, которая полностью не растворяется, зато сохраняет зерно мелким (20 мкм) при нагреве под закалку (800—980 °С). В результате НТМО (40 % деформации после закалки) камелон имеет предел прочности σ_в = 1500 МПа, σ_0,005 = 1100 МПа, уд­линение δ= 1,5 %, твердость 420HV, циклическую стойкость до разрушения N = 20-10⁴ при нагрузке 600 МПа, но электросопротивление ρ = 0,35 мкОм м. Бериллиевая брон­за БрБ2 имеет σ₀,_оо5 ⁼ 1150 МПа, N= 7-10⁴ и ρ = 0,068 мкОм-м. Поэтому камелон мо­жет использоваться как пружинный материал взамен бериллиевых бронз, но не для токопроводящих пружин.