Безоловянные бронзы

Эти бронзы представляют собой сплавы меди с Al, Ni, Si, Be, Cr, Pb, Fe и другими элементами (таблица 3) Рассмотрим некоторые широко используемые безоловянные бронзы.

Таблица 3.

Механические свойства некоторых безоловянных бронз

Алюминиевые бронзы

Алюминиевые бронзы, таблица 3, характеризуются удовлетворительной жидкотекучестью, отличаются высокими механическими свойствами, коррозионной стойкостью. Наиболее часто применяются двойные алюминиевые бронзы (БрА5 и БрА7) и добавочно легированные Ni, Mn, Fe. Эти бронзы используют для изготовления различных втулок, фланцев, шестерен и других небольших ответственных деталей.

Диаграмма состояния системы Cu-Al приведена на рис.44. Поскольку в практически используемых алюминиевых бронзах содержание алюминия не превышает 10-11%, рассмотрим только левую часть диаграммы.

Рис.44. Диаграмма состояния системы Cu – Al.

Сплавы, содержание Al в которых ограничено линией AEOS, однофазные и состоят только из α – твёрдого раствора Al в Cu. Они содержат до ~ 9% основного легирующего элемента. При температурах выше 565°С и более высоком содержании Al в сплаве появляется β–фаза. Она представляет собой твёрдый раствор на основе электронного соединения Cu₃Al(электронная концентрация 3/2). При 565°С β–фазаиспытывает превращение с образованием электоида (α + γ₂), состоящего их двух фаз, α и γ₂. γ₂ – Фаза – это твёрдый раствор на основе соединения Cu₃₂Al₁₉. Эвтектоид содержит 11,8% алюминия. При ускоренном охлаждении эвтектоид может наблюдаться в сплавах, содержащих 6-8% алюминия. α–Фаза пластична, но прочность её не велика; γ–фаза обладает высокой твёрдостью, но пластичность её крайне низка. Сплавы, содержащие до 4-5% Al, обладают высокой пластичностью и прочностью. Двухфазные (α+γ) сплавы имеют ещё более высокую прочность, но пластичность у них заметно ниже, чем у однофазных, рис.45.

Максимальная прочность двухфазного сплава достигается при 10-11% Al. Свойства алюминиевых бронз можно улучшить за счёт их дополнительного легирования такими элементами, как железо, марганец, никель.

Железо оказывает модифицирующее действие на структуру алюминиевых бронз, повышает их прочность, твёрдость, антифрикционные свойства, уменьшает склонность к охрупчению двухфазных бронз.

Рис.45. Влияние Al на

свойства сплавов Cu – Al

Алюминиево-железистая бронза БРАЖ 9 – 4 применяется для изготовления деформируемых полуфабрикатов (прутки, поковки) и для фасонных отливок; из неё изготавливают детали, работающие на износ (зубчатые колёса, червячные шестерни, втулки).

Никель улучшает механические и технологические свойства алюминиево-железистых бронз, повышает их жаропрочность и коррозийную стойкость. Алюминиево-железистая бронза БрАЖН10-4-4 применяется в виде деформируемых полуфабрикатов (прутки, трубы) и фасонных отливок для изделий ответственного назначения. Из неё изготавливают детали, работающие в тяжёлых условиях износа при повышенных температурах (400-500°С): сёдла клапанов, направляющие втулки выпускных клапанов, части насосов и турбин, шестерни и др. Высокими механическими и технологическими свойствами обладают также алюминиево-железистые бронзы, легированные вместо никеля более дешёвым марганцем (БрАЖМц10-3-1,5).

Бериллиевые бронзы

Бериллиевые бронзы отличаются чрезвычайно высокими пределами упругости и прочности, твёрдостью в сочетании с повышенным сопротивлением усталости, ползучести и износу. Бериллиевые бронзы относятся к числу сплавов, упрочняемых термической обработкой. Они хорошо сопротивляются коррозии, свариваются и обрабатываются резанием, применяются для ответственных авиационных приборов. Бериллиевые бронзы – искробезопасный материал, поэтому из них делают контакты и некоторые инструменты для работы во взрывоопасных условиях. Диаграмма состояния системы Cu – Be приведена на рис. 45. Предельная растворимость бериллия в меди достигается при 866°С и составляет 2,7%. При понижении температуры его растворимость уменьшается, падая до 1,5% при эвтектоидной температуре (605°С) и до 0,2% при 300°С. Это даёт возможность подвергать бериллиевые бронзы упрочняющей термической обработке методом дисперсионного твердения: закалке и искусственному старению. Обычно используются бериллиевые бронзы с содержанием Be до 2% (БрБ2). На её примере рассмотрим основы теории и технологии термической обработки этого типа бронз. При нагреве (α +γ) – бронзы (БрБ2) до 760-780°С образуется однородный α–раствор. В результате быстрого охлаждения, скажем в воде, он сохраняется в структуре бронзы и при комнатной температуре. Это процедура закаливания. После закалки бронза обладает малой прочностью (σ_в ~ 50кгс/мм²), высокой пластичностью (δ – 25 – 40%) и способностью упрочняться при отпуске как непосредственно после закалки, так и после пластической деформации в закалённом состоянии. Отпуск осуществляется при температуре 300-350°С. При отпуске из перенасыщенного α–твёрдого раствора, содержание Be в котором соответствует температуре закалки, выделяются дисперсные (очень мелкие) частицы γ–фазы. Она представляет собой твёрдый раствор на основе электронного соединения CuBe (электронная концентрация – 21/13), и который сильно повышает прочность бронзы. Влияние бериллия на свойства сплава после термической обработки показано на рис 46.

Рис. 46. Диаграмма состояния системы Cu – Be

Бериллиевые бронзы выпускают преимущественно в виде полос, лент, проволоки и других деформируемых полуфабрикатов.

Из них изготавливают детали особого назначения: упругие элементы точных приборов (плоские пружины, скользящие контакты, мембраны), детали, работающие на износ (кулачки, шестерни, червячные колёса и др.), подшипники, использующиеся при высоких скоростях, больших давлениях и повышенных температурах. Основным недостатком бериллиевых бронз является их высокая стоимость.

Рис. 47 Влияние Be на свойства сплава.

Легирование бериллиевых бронз никелем (0,2-0,5%) и титаном (0,1-0,25) позволяет уменьшить содержание бериллия до 1,7% (БрБНТ11,7) без заметного снижения механических свойств.

Свинцовые бронзы

Свинцовые бронзы выгодно сочетают в себе хорошие антифрикционные свойства с высокой теплопроводностью. Кроме того, они хорошо воспринимают ударные нагрузки и работают на усталость. В связи с этим их применяют для ответственных высоконагруженных подшипников, работающих при больших скоростях (подшипники авиационных двигателей, дизелей, мощных турбин и др.). Наибольшее применение имеют бронзы, содержащие 25-30% свинца (БрС30).

При кристаллизации сплава свинец располагается по границам зёрен или заполняет междендритное пространство. Такая структура сплава обеспечивает высокие антифрикционные свойства и предопределяет его широкое применение. Так бронза БрС30 используются для изготовления вкладышей подшипников скольжения, работающих с большими скоростями и при больших давлениях. По сравнению с оловянными подшипниковыми бронзами теплопроводность бронзы БрС30 в 4 раза больше, поэтому она хорошо отводит теплоту, возникающую при трении.

Механические свойства свинцовых бронз не высоки (σ_в – 60 МПа, δ – 4%, твёрдость по Бринеллю – 25). Поэтому их применяют в виде тонкого слоя, залитого по стальной ленте или трубе, из которой изготавливают подшипники. Такие биметаллические изделия легко изготавливаются и заменяются при износе.

Нередко свинцовые бронзы легируют никелем и оловом, которые растворяясь в меди, повышают механические и коррозионные свойства сплава. Такие сплавы (БрОС8 – 12, БрОС10, БрОС10-2-3) применяют для изготовления втулок и вкладышей подшипников без стальной основы.

Кремнистые бронзы

Эти бронзы, например БрКМц3-1, содержащие до 4% Si, используют как заменитель оловянных бронз. Имея большую величину усадки, чем оловянистые бронзы, сплавы Cu-Si превосходят их по коррозионной стойкости и механическим свойствам. Никель и марганец улучшают перечисленные свойства сплавов Cu-Si. Поэтому их применяют для изготовления пружин и пружинящих деталей приборов и радиооборудования, работающих при повышенных температурах (до 500°С) и в таких агрессивных средах, как морская вода.