Бронзы

Бронзы оловянные представляют собой сплав меди с оловом.

В сплавах системы Cu — Zn образуются следующие фазы: α-фаза — твердый раствор замещения олова в меди имеющий гранецентрированную кристаллическую решетку; β-фаза — твердый раствор на базе электронного соединения Cu₅Sn (отношение числа валентных электронов к числу атомов 3/2) имеет решетку объемно-центрированного куба;

δ-фаза — твердый раствор на базе электронного соединения Cu₃₁Sn₈. Электронное соединение Cu₃₁Sn₈ имеет сложную кристаллическую решетку. Отношение числа валентных электронов к числу атомов 21: 13.

В первую очередь необходимо обратить внимание на наличие в начальной области диаграммы (до15 — 20 % Sn) линий двух видов. Сплошная линия АВК характеризует состояние при очень медленном охлаждении или отжиге после литья; такие условия при обычном литье не достигаются. Штриховая линия характеризует состояние в обычных условиях литья. Такое различие структур в зависимости от условий охлаждения объясняется большим интервалом кристаллизации, доходящим до 150 - 160°С, и малой скоростью дифузионных процессов в меднооловянистых твердых растворах. Вследствие этого и в сплавах, которые должны были бы состоять только из α-фазы, существует значительная ликвация; образуется частично β-фаза, распадающаяся в конечном итоге с образованием эвтектоида α + Cu₃₁Sn₈. Совершенно очевидно, что для определения структур литых бронз лучше пользоваться диаграммой со штриховой линией.

Чтобы выяснить различие строения в зависимости от условий охлаждения рассмотрим процесс кристаллизации бронзы с 10 % Sn. Если процесс идет по сплошным линиям, т. е. в условиях медленного охлаждения, то, достигнув линии солидуса (АВ), сплав будет состоять из однородного α-раствора; ниже этой температуры никаких превращений нет, и сплав останется однофазным до конца охлаждения.

Если сплав получен в обычных производственных условиях, не являющихся равновесными, то кристаллизация идет по штриховым линиям диаграммы. До 790°С будут выделяться кристаллы α-раствора.

При 790°С по перитектической реакции α_b′ + Ж.с.→β _С образуются кристаллы β.

Ниже 790°С бронза будет состоять из фаз (α+β). При дальнейшем охлаждении β-раствор будет претерпевать следующие превращения: при 587°С β-раствор упорядочивается с образованием β′-раствора, при 520°С идет эвтектоидный распад β↔α + Cu₃₁Sn₈, и, следовательно, после полного охлаждения эта бронза будет иметь структуру α + эвтектоид (α + Cu₃₁Sn₈).

Совершенно очевидно, что такая структура получается только из-за неравновесных условий кристаллизации. Если такую бронзу отжечь при 700 — 800°С, то она получится однофазной, состоящей только из α-кристаллов.

Следовательно, во всех оловянных бронзах, содержащих олова больше 6 — 7% Sn, будет не однофазная структура, а двухфазная, включающая эвтектоид (α + Cu₃₁Sn₈).

Наличие эвтектоида в бронзах, содержащих более 6 — 7% Sn, затрудняет их пластическую деформацию, но придает им высокое сопротивление истиранию. Поэтому оловянные бронзы применяют в литом виде и используют как антифрикционный материал. Вследствие высокой коррозионной стойкости в воде и паре из оловянной бронзы отливают арматуру (краны, тройники и пр.).

В оловянные бронзы вводят некоторые добавки, улучшающие их свойства.

Свинец улучшает обрабатываемость бронзы на станках и ее анти­фрикционные свойства; свинец не растворяется в жидкой бронзе и поэтому в структуре находится в виде мелкорассеянных самостоятельных включений.

Фосфор является раскислителем для бронзы. Кроме того, он образует твердые включения, повышающие антифрикционные свойства.

Цинк улучшает технологические свойства и увеличивает количество эвтектоида, при получении той же структуры, твердости и износостойкости, что позволяет экономить олово.

Безоловянные бронзы имеют высокую прочность, хорошие антикоррозионные и антифрикционные свойства и не только с успехом заменяют оловянные бронзы, но в некоторых случаях превосходят их по свойствам.

Алюминевые бронзы. При содержании до 9% А1 образуется α-фаза — однородный твердый раствор алюминия в меди. Вследствие близкого расположения линий ликвидуса и солидуса сплавы Сu — А1 характеризуются хорошей жидкотекучестью, мало развитой дендритной ликвацией и сосредоточенной усадкой. Такие сплавы, будучи однофазными, хорошо деформируются в холодном и горячем состояниях.

Добавки Ni, Fe, Mn, Pb улучшают свойства алюминиевых бронз: Ni повышает прочность и пластичность, Fe повышает прочность и твердость и измельчает структуру; Mn повышает и прочность, и коррозионную стойкость; Рb улучшает обрабатываемость на станках и антифрикционные свойства.

Алюминиевые бронзы, содержащие А1 более 9%, относятся к двухфазным сплавам. При температуре 565°С в них происходит эвтектоидное превращение: β-раствор на основе соединения Cu₂AI распадается на эвтектоидную смесь фаз α-твердого раствора алюминия в меди и γ- твердого раствора алюминия на основе соединения CuAl. Эвтектоидная точка соответствует содержанию 11,8 % А1. Поэтому алюминиевые бронзы подобно углеродистым сталям могут иметь доэвтектоидную и заэвтектоидную структуру. В структуре доэвтектоидной бронзы БрА10 видны светлые кристаллы α-раствора и темные пластинчатые кристаллы эвтектоида (α + γ)по внешнему виду похожие на перлит в сталях.

Бронзы, содержащие около 10% A1 с добавками железа и никеля, можно подвергать закалке и отпуску. Механические свойства бронзы БрАЖН 10-4-4 после закалки с 920°С в воде и отпуска при 650°С: σ_В = 650 МПа; δ = 5%.

Структурные превращения при закалке с отпуском (закалку с отпуском называют часто облагораживанием) аналогичны превращениям в стали. После закалки получается мартенситная структура, а после отпуска — тонкая механическая смесь фаз.

Кремнистые бронзы (БрКМцЗ—1, БрКН1—3) имеют высокую пластичность и коррозионную стойкость. По механическим свойствам они превосходят оловянные бронзы, кроме того, они более дешевы.

Бериллиевые бронзы. Растворимость Be в Сu уменьшается с 2,1% при 864°С до 0,2 % при 300 °С. В системе Сu — Be образуется химическое соединение СuBe с высокой твердостью.

Бериллиевая бронза БрБ2 содержит в среднем 2 % Be. Бронза БрБНТ1,9 содержит также добавки никеля и титана (0,2—0,4 % Ni; 0,1— 0,25 % Ti).

Бериллиевую бронзу закаливают с 800 — 820°С в воде. После закалки сплав состоит из α-твердого раствора, пересыщенного атомами бериллия. Эта бронза после закалки мягка и пластична (σ_В = 500 МПа, твердость НВ 100, б = 30 %), поэтому изготовление тонкой ленты и штампованных деталей вы­полняют из сплава в свежезакаленном состоянии.

В результате окончательной термической обработки (отпуска при 325 °С) бронза становится чрезвычайно прочной и твердой: (σ_В = 1300 МПа и НВ 370), т. е. после закалки с отпуском прочность сплава повышается почти в три раза, а твердость — в четыре раза. Это упрочнение называется дисперсионным твердением, потому что при отпуске происходит упрочнение дисперсными частицами соединения γ (СuВе), выделившимися из закаленного твердого раствора.

Вследствие высокой прочности и упругости бериллиевой бронзы из нее изготавливают пружины, мембраны, пружинящие контакты.

Высокая твердость позволяет использовать эту бронзу для ударного инструмента, особенно в тех случаях, когда недопустимо искрообразование (производство взрывчатых веществ, взрывоопасные горные работы и др.).

Поиск по сайту: