Медь и ее сплавы (Часть 3. Бронзы)

Бронзами называют сплавы на медной основе с добавкой олова, алюминия, свинца, кремния, бериллия, хрома, сурьмы. Соответственно различают бронзы оловянные, кремниевые, свинцовые и т.д. В некоторые бронзы вводят также железо, никель, марганец, цинк.

Бронзы отличаются высокой коррозийной устойчивостью и хорошей обрабатываемостью резанием. Многие из них имеют высокие антифрикционные свойства, т.е. хорошо работают в условиях трения. Большинство бронз обладает также хорошими литейными свойствами.

Маркировка бронз осуществляется следующим образом: в начале марки ставят буквы Бр (бронза), затем следуют буквенные обозначения элементов, входящих в состав бронзы (см. табл. 1 в статье "Медь и ее сплавы (Часть 2. Латуни)"), и за ними — цифры, указывающие среднее содержание элементов в процентах. В отличие от латуней, у бронз содержание меди не указывается, а определяется вычитанием из 100% суммы всех входящих в бронзу элементов. Например, бронза марки БрОФ10-1 содержит 10% олово, 1% фосфора и 89% меди и неизбежных примесей; марка БрАЖН10-4-4 — 10% алюминия, 4% железа, 4% никеля, 82% меди и примесей.

Оловянные бронзы по структуре могут быть однофазными, состоящими из твердого раствора олова в меди, и двухфазными, состоящими из смеси кристаллов твердого раствора и кристаллов химического соединения меди с оловом (Cu₃Sn). Это соединение отличается большой хрупкостью.

Практически однофазными являются бронзы, содержащие не более 5-6% олова. Они обладают хорошей пластичностью и поэтому являются деформируемыми бронзами, т.е. изделия из них изготовляют ковкой, штамповкой и прокаткой. Бронзы с высоким содержанием олова кроме твердого раствора имеют эвтектоид. Это — литейные бронзы.

Применяемые в машиностроении оловянные бронзы содержат не более 10% олова, при более высоком его содержании бронза отличается значительной хрупкостью. Для улучшения обрабатываемости резанием к оловянным бронзам добавляют небольшое количество свинца, а для удешевления и повышения прочности часть олова заменяют цинком.

Механические свойства (наименьшие показатели) по ГОСТу 613-65 и примерное назначение отливок из оловянных бронз приведены в табл. 1.

Для особо ответственных деталей кроме перечисленных в табл. 1 применяют также бронзы марок БрОЦ10-2, БрОФ10-1 и некоторые другие. Первая из этих бронз имеет повышенные значения предела прочности (20-25 кг/мм²) и используется для арматуры высокого давления и других нагруженных деталей. Бронза марки БрОФ10-1 наряду с высокими значениями предела прочности (25-35 кг/мм²) и твердости (HB до 120) имеет низкий коэффициент трения. Из нее изготовляют различные антифрикционные детали — подшипники, вкладыши, червячные колеса и др.

Ввиду высокой стоимости оловянных бронз их применяют только для наиболее ответственных изделий. В настоящее время в машиностроении чаще используют более дешевые бронзы, не содержащие олова.

В качестве заменителей оловянных бронз наибольшее распространение получили алюминиевые бронзы, как двойные, так и более сложные, содержащие железо, марганец и никель (БрАЖ9-4, БрАЖН10-4-4 и др.). Влияние алюминия на механические свойства бронз показано на рисунке.

Механические свойства сплавов меди с алюминием

Медноалюминиевые сплавы имеют сложную диаграмму состояния. При содержании алюминия менее 9,5% структура сплавов представляет собой твердый раствор алюминия в меди; при большем содержании алюминия в растворе появляется хрупкий эвтектоид, и сплавы приобретают значительную хрупкость. Благоларя наличию эвтектоида двухфазные алюминиевые бронзы могут подвергаться закалке и отпуску.

Добавка к медноалюминиевым сплавам марганца, железа и никеля устраняет хрупкость алюминиевых бронз и приводит к повышению их прочности. Особенно благоприятное влияние оказывает никель, который способствует повышению жаропрочности бронз.

По механическим свойствам алюминиевые бронзы превосходят оловянные. В зависимости от химического состава и термической обработки механические свойства их характеризуются: σ_в=30-70 кг/мм²; δ=5-40%; HB 80-200 кг/мм².

Алюминиевые бронзы могут подвергаться упрочняющей термической обработке — закалке, в то время как большинство других бронз проходит только рекристаллизационный отжиг. Так, например, термическая обработка бронзы БрАЖН10-4-4 состоит из закалки с температуры 900-920º в воде и последующего отпуска при температуре 650º в течение 1,5 часа. После такой обработки она приобретает следующие механические свойства: σ_в=65 кг/мм²; δ=5%; НВ 200-240 кг/мм².

По коррозийной стойкости алюминиевые бронзы значительно превосходят оловянные, особенно по устойчивости в морской воде, а также при повышенных температурах. По сопротивлению эрозии они в 5-12 раз устойчивее оловяных бронз и в 2-3 раза нержавеющих сталей.

Наряду с указанными достоинствами алюминиевые бронзы имеют и некоторые недостатки, в частности, они дают бóльшую усадку и более склонны к образованию трещин при усадке, чем оловянные бронзы, кроме того труднее поддаются пайке.

Примерное назначение алюминиевых бронз некоторых марок показано в табл. 2.

В качестве заменителей оловянных бронз широко применяют также более дешевые кремнистые бронзы марок БрКМц3-1, БрКС3-4, БрКЦ4-4, БрКЦ3-9 и др. У таких бронз в отожженном состоянии предел прочности при растяжении составляет 20-40 кг/мм², а относительное удлинение 10-20%.

Наиболее высокие механические свойства могут быть получены у бериллиевой бронзы (БрБ2, БрБ2,5), содержащей 2-2,5% бериллия. Эти бронзы подвергают закалке в воде с температуры 780º и последующему отпуску при температуре 300-350º — так называемому старению, или облагораживанию. В результате такой термической обработки твердость бериллиевой бронзы увеличивается весьма значительно и достигает HV 350-400 кг/мм², предел прочности и предел текучести также возрастают, например, σ_в до 150 кг/мм², что превосходит такие же характеристики многих конструкционных сталей.

Интересно отметить, что непосредственно после закалки предел прочности бериллиевой бронзы составляет всего 50 кг/мм².

Таким образом, эффект упрочнения достигается в процессе старения.

Термическая обработка бериллиевой бронзы основана на неодинаковой растворимости бериллия и меди при различных температурах: при 800º растворяется около 2% бериллия, а при комнатной температуре — 0,2%. При закалке бериллиевой бронзы получают пересыщенный твердый раствор бериллия в кристаллической решетке меди, а при старении из твердого раствора выделяется избыточный бериллий в виде весьма измельченных включений химического соединения CuBe, что и является причиной упрочнения.

В бериллиевых бронзах сочетается ряд замечательных свойств: электропроводность, коррозийная стойкость, упругость и прочность. Из них изготовляют особо ответственные специальные детали, такие, как мембраны, контактные пружины, работающие при повышенных температурах и в условиях коррозийного воздействия, сильфоны, щеткодержатели и т.п. Инструменты из бериллиевой бронзы при работе не дают искр, поэтому они применяются при изготовлении взрывчатых веществ. Серьезным недостатком бериллиевых бронз является их высокая стоимость.

В последние годы созданы меднотитановые сплавы, содержащие около 5% титана. По физико-механическим свойствам эти бронзы близки к бериллиевым, но значительно дешевле их. В ряде случаев они могут заменять бериллиевые бронзы. Титановые бронзы жаропрочны, они могут надежно работать при нагреве до температур 500-550º (бериллиевые — до 300-350º).

Кроме перечисленных в промышленности используют также свинцовые бронзы, содержащие 25-30% свинца (БрС30). Эти бронзы обладают высокой износостойкостью и применяются преимущественно для заливки вкладышей подшипников.

Ознакомиться с нашим предложением по бронзе можно здесь.