Химический состав и механические свойства оловянных бронз

Марка бронзы	Sn	Pb	Zn	Прочих элементов	Е, ГПа	sв	s0,2	d	y	KCU,МДж/м2	НВ
% (мас.)	МПа	%
Деформируемые бронзы (ГОСТ5017-74)
БрОФб, 5–0,15	6–7	–	–	0,1–0,25 Р						0,49*
БрОФ6,5–0,4	6–7	–	–	0,26–0,4 Р						0,59
				0,10–0,2 Ni
БрОФ4–0,25	3,5–4	–	–	0,2–0,3 Р			-			–
БрОЦ4–3	3,5–4	–	2,7–3,3	–					–	0,39
БрОЦС4-4-2,5	3–5	1,5–3,5	3–5	–						0,36
Литейныебронзы (Г0СТ 613-79)
БрОЗЦ7С5Н1	2,5–4	3–6	6–9,5	0,5–2,0 Ni					–	–
БрОЗЦ12С5	2–3,5	3,6	8–15	–	–		–		–	–
Бр04Ц4С17	3,5–5,5	14–20	2–6	–	–		–		–	–
Бр05Ц5С5	4–6	4–6	4–6	–					–	2,05
Бр010Ц2	9–11	–	1–3	–					–	1,47
БрОЮФ!	9–11	–	–	0,4–1,1P				3–10		0,88

* В литом состоянии.

Алюминиевые бронзы

Алюминиевые бронзы отличаются высокими механическими, антикоррозионными и антифрикционными свойствами. Их преимущества перед оловянными бронзами – меньшая стоимость, более высокие механические и некоторые технологические свойства. Например, небольшой интервал кристаллизации обеспечивает алюминиевым бронзам высокую жидкотекучесть, концентрированную усадку и хорошую герметичность отливок, малую склонность к дендритной ликвации. Вместе с тем из-за большой усадки иногда трудно получить сложную фасонную отливку.

Медь с алюминием образует a-твердый раствор, концентрация которого при понижении температуры с 1035 до 565°С увеличивается от 7,4 до 9,4% Аl. При 565°С b-фаза претерпевает эвтектоидное превращение: (b ® a + g₂, где g₂ – промежуточная фаза переменного состава со сложной кубической решеткой.

При реальных скоростях охлаждения, в отличие от равновесного состояния, эвтектоид появляется в структуре сплавов при содержании 6–8% А1. Наличие эвтектоида приводит к резкому снижению пластичности алюминиевых бронз. С увеличением содержания алюминия до 4–5% наряду с прочностью и твердостью повышается пластичность, котораязатем резко падает, а прочность продолжает расти при увеличении содержания алюминия до 10–11%.

Однофазные бронзы (БрА5, БрА7), имеющие хорошую пластичность, относятся к деформируемым. Они обладают наилучшим сочетанием прочности (s_в = 400–450 МПа) и пластичности (d = 60%). Двухфазные бронзы выпускают в виде деформируемого полуфабриката, а также применяют для изготовления фасонных отливок. При наличии большого количества эвтектоида бронзы подвергают не холодной, а горячей обработке давлением. Двухфазные бронзы отличаются высокой прочностью (s_в = 600 МПа) и твердостью (> 100 НВ). Их можно подвергать упрочняющей термической обработке. При быстром охлаждении (закалке) b-фаза претерпевает не эвтектоидное, а мартенситное превращение.

К недостаткам двойных алюминиевых бронз помимо большой усадки относятся: склонность к газонасыщению и окисляемости во время плавки, образование крупнокристаллической столбчатой структуры, трудность пайки. Эти недостатки уменьшаются при легировании алюминиевых бронз железом, никелем, марганцем.

В a-фазе алюминиевой бронзы растворяется до 4% железа, при большем содержании образуются включения Al₃Fe. Дополнительное легирование сплавов никелем и марганцем способствует появлению этих включений при меньшем содержании железа. Железо оказывает модифицирующее действие на структуру алюминиевых бронз, повышает их прочность, твердость и антифрикционные свойства, уменьшает склонность к охрупчиванию двухфазных бронз из-за замедления эвтектоидного распада b-фазы и измельчения g₂-фaзы, образующейся в результате этого распада. Наилучшей пластичностью алюминиево-железные бронзы (например, БрАЖ9-4) обладают после термической обработки, частично или полностью подавляющей эвтектоидное превращение b-фазы (нормализация при 600–700°С или закалка от 950°С). Отпуск закаленной бронзы при 250–300°С приводит к распаду b-фазы с образованием тонкодисперсного эвтектоида (a + g₂) и повышению твердости до 175–180 НВ.

Никель улучшает технологичность и механические свойства алюминиево-железных бронз при обычных и повышенных температурах. Кроме того, он способствует резкому сужению области a-твердого раствора при понижении температуры. Это вызывает у бронз, легированных железом и никелем (БрАЖН 10-4-4), способность к дополнительному упрочнению после закалки вследствие старения. Например, в отожженном (мягком) состоянии БрАЖН 10-4-4 имеет следующие механические свойства: s_в = 650 МПа; d = 35%; 140–160 НВ. После закалки от 980°С и старения при 400°С в течение 2 ч твердость увеличивается до 400 НВ.

Из алюминиево-железоникелевых бронз изготовляют детали, работающие в тяжелых условиях износа при повышенных температурах (400–500°С): седла клапанов, направляющие втулки выпускных клапанов, части насосов и турбин, шестерни и др. Высокими механическими, антикоррозионными и технологическими свойствами обладают алюминиево-железные бронзы, легированные вместо никеля более дешевым марганцем (БрАЖМцЮ-3-1,5).

Кремнистые бронзы. Кремнистые бронзы характеризуются хорошими механическими, упругими и антифрикционными свойствами.

Кремнистые бронзы содержат до 3% Si и имеют однофазную структуру a-твердого раствора. При увеличении содержания кремния более 3% в структуре сплавов появляется твердая и хрупкая g-фaзa. Однофазная структура твердого раствора обеспечивает кремнистым бронзам высокую пластичность и хорошую обрабатываемость давлением.

Они хорошо свариваются и паяются, удовлетворительно обрабатываются резанием.

Литейные свойства кремнистых бронз ниже, чем оловянных, алюминиевых бронз и латуней.

Легирование цинком способствует улучшению литейных свойств этих бронз. Добавки марганца и никеля повышают прочность, твердость кремнистых бронз. Никель, обладая переменной растворимостью в a-фазе, позволяет упрочнять никель-кремнистые бронзы путем закалки и старения. После закалки от 800°С и старения при 500°С эти бронзы имеют s_в ³ 700 МПа, d » 8%.

Кремнистые бронзы выпускают в виде ленты, полос, прутков, проволоки. Для фасонных отливок они применяются редко. Их используют вместо более дорогих оловянных бронз при изготовлении антифрикционных деталей (БрКН1-3), (БрКМцЗ-1), а также для замены бериллиевых бронз при производстве пружин, мембран и других деталей приборов, работающих в пресной и морской воде.

Бериллиевые бронзы. Бериллиевые бронзы характеризуются чрезвычайно высокими пределами упругости, временным сопротивлением, твердостью и коррозионной стойкостью в сочетании с повышенными сопротивлениями усталости, ползучести и износу. Двойные бериллиевые бронзы содержат в среднем 2,0–2,5% Be (БрБ2, БрБ2,5).

Согласно диаграмме состояния системы Сu-Be, они имеют структуру, состоящую из a-твердого раствора бериллия в меди и g-фазы – электронного соединения СuВе с ОЦК решеткой. Концентрация a-твердого раствора значительно уменьшается с понижением температуры (с 2,75% Be при 870°С до 0,2% при 300°С). Это дает возможность подвергать бериллиевые бронзы упрочняющей термической обработке – закалке и искусственному старению.

Изменение механических свойств сплавов меди с бериллием (рис. 2.5, б) показывает, что их временное сопротивление резко увеличивается в интервале 1,5–2,0% Be. При содержании бериллия более 2,0% временное сопротивление повышается незначительно, а пластичность из-за большого количества твердой и хрупкой g-фазы становится очень низкой.

Наибольшей пластичностью (d = 30–40%) бериллиевые бронзы обладают после закалки с 770–780°С. В закаленном состоянии они хорошо деформируются. Пластическая деформация на 40% увеличивает временное сопротивление бронзы БрБ2 почти в два раза (с 450 до 850 МПа). Механические свойства бериллиевых бронз достигают очень высоких значений после закалки и старения. Так, БрБ2 после закалки с 780°С и старения при З00–350°С в течение 2 ч имеет следующие механические свойства: s_в = 1250 МПа, s_0,2 = 1000 МПа, d = 2,5%, твердость 700 НВ, Е = 133 ГПа. Упрочнение происходит благодаря распаду пересыщенного a-твердого раствора с образованием метастабильной g'-фазы, близкой по составу к g-фазе. Пластическая деформация закаленной бронзы и последующее старение позволяют увеличить временное сопротивление до 1400 МПа.

Бериллиевые бронзы являются теплостойкими материалами, устойчиво работающими при температурах до 310–340°С. При 500°С они имеют приблизительно такое же временное сопротивление, как оловянно-фосфористые и алюминиевые бронзы при комнатной температуре. Бериллиевые бронзы обладают высокой теплопроводностью и электрической проводимостью; при ударах не образуют искр. Они хорошо обрабатываются резанием, свариваются точечной и роликовой сваркой, однако широкий температурный интервал кристаллизации затрудняет их дуговую сварку.

Бериллиевые бронзы выпускают преимущественно в виде полос, лент, проволоки и других деформированных полуфабрикатов. Вместе с тем из них можно получить качественные фасонные отливки. Из бериллиевых бронз изготовляют детали ответственного назначения: упругие элементы точных приборов (плоские пружины, пружинные контакты, мембраны); детали, работающие на износ (кулачки, шестерни, червячные передачи); подшипники, работающие при высоких скоростях, больших давлениях и повышенных температурах.

Основным недостатком бериллиевых бронз является их высокая стоимость.

Задание и методические указания

1. Ознакомиться с микроструктурой и свойствами меди и ее сплавов.

2. Изучить особенности диаграмм состояния меди и ее сплавов.

3. Установить связь между структурой, свойствами и диаграммами состояния.

4. Изучить операции термической обработки меди и ее сплавов.

5. Изучить влияние легирования на свойства и структуру сплавов меди.

6. Просмотреть представленные микрошлифы латуней и бронз.

7. Определить области применения меди и ее сплавов.

8. Составить отчет о проделанной работе.

При составлении отчета необходимо описать микроструктуру и свойства меди и ее сплавов, привести диаграммы состояния латуней и бронз, определить связь между структурой, свойствами и диаграммами состояния, описать влияние легирования на свойства и структуру сплавов меди. Указать на чем основано получение высоких свойств сплавов меди. Когда возможно проведение термической обработки, зарисовать все просмотренные структуры с указанием названия структурных составляющих и марки сплавов.

Контрольные вопросы

1. Наиболее характерные свойства чистой меди. Механические свойства чистой меди, технической меди M1.

2. В какой решетке кристаллизуется медь.

3. Какова коррозионная стойкость меди?

4. Как различают марки меди в зависимости от содержания примесей?

5. В чем выражается вредное влияние висмута, свинца?

6. Как влияет холодная пластическая деформация на прочностные характеристики меди?

7. Как и почему вызывается «красноломкость» меди?

8. Чем вызывается «водородная болезнь» в меди и к чему она приводит?

9. Области применения чистой меди.

10. Дайте характеристику электрической проводимости и теплопроводности меди.

11. Назовите основные легирующие элементы медных сплавов.

12. Приведите график влияния легирующих элементов на твердость меди.

13. Как подразделяют медные сплавы по технологическим свойствам?

14. Как подразделяют медные сплавы по способности упрочняться с помощью термической обработки?

15. Как подразделяют медные сплавы по химическому составу?

16. Как маркируют медные сплавы, приведите примеры.

17. Приведите диаграмму состояния Сu – Zn (до 50% Zn), равновесный фазовый состав и пределы растворимости Zn в Сu.

18. Влияние цинка на структуру и механические свойства латуней.

19. На чем основана упрочняющая термическая обработка в Сu – Zn и в Сu – Sn сплавах.

20. Приведите диаграмму состояния Сu – Sn (до 15% Sn).

21. Назовите тип диаграммы состояния Сu – Sn (до 15% Sn), фазовый состав и пределы растворимости Sn в Сu.

22. Как упрочняются медные сплавы.

23. На какие две группы подразделяют двойные латуни по структуре?

24. Какие виды старения происходят в Сu сплавах?

25. Опишите структуру Сu – Zn сплава в отожженном состоянии

26. Опишите структуру Сu – Sn сплава в отожженном состоянии.

27. Что такое латунь?

28. Что такое бронза?

29. Как влияют примеси на твердость и пластичность латуней?

30. Какие примеси вызывают красноломкость в однофазных латунях?

31. В каком виде выпускают однофазные латуни?

32. Какие примеси вызывают образование легкоплавких эвтектик и как они влияют на прочность медных сплавов?

33. Как используется хорошая пластичность в закаленном состоянии в алюминиевых латунях?

34. К чему приводит склонность к неравновесной кристаллизации сплавов системы Сu – Sn?

35. Как используют оловянные бронзы, имеющие самую низшую линейную усадку среди медных сплавов?

36. Какими свойствами обладают деформируемые бронзы?

37. Дайте характеристику алюминиевым бронзам.

38. Дайте характеристику кремнистым бронзам.

39. Дайте характеристику бериллиевым бронзам.

Лабораторная работа № 3