Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Алюминиевые бронзы

.doc
Скачиваний:
33
Добавлен:
12.05.2015
Размер:
289.79 Кб
Скачать

Алюминиевые бронзы

 Алюминиевые бронзы - сплавы на основе меди, в которых главным легирующим элементом является алюминий. Применяют двух- и многокомпонентные сплавы. Диаграмма состояния системы Cu-Аl в равновесном состоянии приведена на рис. 1.

 

Рис 1. Диаграмма состояния системы (равновесное состояние)

 

Из диаграммы видно, что максимальная растворимость алюминия в меди в твердом состоянии составляет 9,4% (по массе). С повышением температуры с 565 до 1037°С растворимость алюминия в меди уменьшается и достигает 7,5%.

К стабильным фазам системы Cu -Аl относятся α, β, γ2 и α2 фазы.

Фаза α - первичный твердый раствор, изоморфный, с элементарной гранецентрированной кубической кристаллической решеткой. При медленном охлаждении сплава до температуры 400°С α-фаза образует ближний порядок, что приводит к заметному снижению ее электросопротивления, которое продолжается и при температуре ниже 200°С в результате устранения дефектов упаковки.

Фаза β - твердый раствор, образующийся на основе стехиометрического состава Cu3Аl непосредственно из расплава при температуре 1036-1079°С, с элементарной центрированной кубиче­ской кристаллической решеткой. Фаза β - пластична, электропроводна и стабильна при температуре выше 565°С. При быстром охлаждении сплава (со скоростью >2°С/мин) она испы­тывает резкие превращения типа мартенситовых, образуя промежуточные фазы (рис. 1). При медленном охлаждении (< 2°С/мин) β -фаза распадается на эвтектоид α+γ2 образованием крупнозернистой γ2фазы, выделяющейся в виде непрерывных цепей, придающим сплаву хрупкость. Фаза γ2 (Cu9AI4), образующаяся из фазы γ’, стабильна при низких температурах, хрупкая и твердая, с электропроводностью меньшей, чем у β -фазы.

Фаза α2, образующаяся при температуре 363°С в результате перитектоидной реакции между фазами α и γ2, имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую решетку, но с другими параметрами.

Метастабильные фазы в сплавах: β1 - с элементарной центрированной кубической кристаллической решеткой (а - 5,84 Å, Аl - 11,9%), упорядоченная; β’ - с элементарной гранецентрированной кубической кристалличе­ской решеткой (Аl - 11,6%), очень деформированная; β1' - с элементарной ромбической кристаллической решеткой (а = 3,67 Å, с = 7,53 Å, Al - 11,8%), упорядоченная; γ1-фаза с элементарной орто-ромбической ячейкой (а = 4,51 Å, в = 5,2 Å, с = 4,22 Å, Al - 13,6%), упорядоченная. Предполагается существование других фаз, которые являются разновид­ностью фазы β1'.

Определение структуры сплавов Cu-Al затруднительно. Для получения равновесных структур сплавов необходимы очень большие скорости охлаждения (от 1 до 8°С/мин в зависимости от содержания алюминия) .  Такие структуры выявляются при травлении сплавов хлорным железом.

Однако, травление хлорным железом не всегда позволяет с уверенностью определять фазы в сплавах, охлажденных с обычной скоростью. В этом случае для выявления истинной струк­туры сплавов Cu-Al применяются специальные методики с использованием электролитического полирования.

Структура двойных медно-алюминиевых сплавов и многокомпонентных бронз на основе системы медь-алюминий в равновесном состоянии определяется диаграммой состояния (рис. 2).

Рис. 2. Диаграмма фазовых превращений алюминиевой бронзы с содержанием алюминия 12,07% (по массе)

 

Однако в производственных условиях при отливке слитков и заготовок, обработке их давлением в горячем и холодном состоянии скорости охлаждения и нагрева значительно отличаются от тех, при которых построена равновесная диаграмма состояния.

Поэтому и структуры литых и деформированных полуфабрикатов отличаются от тех, которые определены равновесной диаграммой состояния.

Для определения свойств и микроструктуры сплавов в метастабильном состоянии строят С-образные кривые, показывающие кинетику фазового превращения в зависимости от скорости охлаждения и изотермической выдержки при температурах ниже температуры эвтектоидного превращения.

Однофазные сплавы (α-алюминиевые бронзы) пластичны и хорошо обрабатываются давлением, двухфазные сплавы (α+γ2-алюминиевые бронзы) с высоким содержанием алюминия менее пластичны и применяются, главным образом, как литейные.

Необходимо отметить, что фактическое содержание алюминия в промышленных сплавах колеблется в широких пределах, что сказывается на стабильности механических свойств литых и деформированных полуфабрикатов из алюминиевых бронз.

Изменение механических свойств алюминиевых бронз, обрабатываемых давлением, (пределы прочности при растяжении σв, пропорциональности σпц и текучести σ0,2, относительное удлинение - δ и сужение ψ, ударная вязкость ан(КС) и твердость по Бринеллю (НВ) в зависимости от содержания алюминия, как показано на рис. 3.

Рис. 3. Изменение механических свойств алюминиевых бронз Cu-Al в зависимости от содержания алюминия:             а - полосы, деформированные на 40% и отожженные при температуре 650оС в течение 30 мин.;

б - прессованные прутки и трубы из алюминиевой бронзы БрАЖМц10-3-1,5

 

Эта особенность алюминиевых бронз учтена в зарубежных национальных стандартах (США, Германия, Великобритания, Франция и др.). В этих странах для повышения стабильности механических свойств алюминиевых бронз предусматривается более узкий интервал содержания в них алюминия, который, примерно, в 1,5-2 раза меньше, чем в подобных бронзах, применяемых в России и странах СНГ (см. сплавы по ГОСТ 493, ГОСТ 17328 и зарубежные сплавы-аналоги).

В США, Франции и Японии имеются группы бронз типа БрАЖМц, в которых требуемые механические свойства достигаются только за счет изменения содержания алюминия.

 

Влияние легирующих элементов на свойства алюминиевых бронз

 

Легирование двухкомпонентных алюминиевых бронз различными элементами заметно изменяет их свойства. Основными легирующими элементами сплавов Cu-Al являются железо, марганец и никель. В алюминиевых бронзах, как правило, содержание железа и никеля не превышает 5,5, марганца 3 % (по массе).

Железо в твердом состоянии незначительно растворимо в сплавах Cu-Al и образует с алюминием интерметаллическое соединение состава Fe3Al, которое выделяется как самостоятельная фаза в виде мелкодисперсных частиц. При содержании в сплавах около 1% Fe обра­зуется незначительное количество мелкодисперсных частиц, располагающихся вблизи эвтектоидной области (α + γ2) и обрамляющих ее. Однако с увеличением содержания железа их количество возрастает. Так при содержании 4% Fe мелкодисперсные частицы Fe3Al обра­зуются как в области α + γ2, так и в области α. Мелкодисперсные частицы интерметаллического соединения Fe3Al препятствуют росту зерен в алюминиевых бронзах при высоких температу­рах. Под влиянием железа, которое значительно улучшает механические свойства и задержи­вает температуру рекристаллизации, в алюминиевых бронзах исчезает так называемое явление "самопроизвольного отжига", приводящее к повышению хрупкости сплавов. Железо, измельчая структуру, останавливает образование в Cu-Al сплавах, содержащих 8,5-11,0% Al, крупнозернистой γ2-фазы, выделяющейся в форме непрерывных цепей, обусловливающих хруп­кость.

Железо в зависимости от его содержания в сплаве влияет на структуру, фазовые превраще­ния и свойства алюминиевых бронз следующим образом: при содержании до 1,2% оно нахо­дится в твердом растворе (α-фаза), а при большем содержании - выделяется в виде отдельных глобулярных включений, которые в двойных и тройных сплавах, содержащих никель, .обычно изображаются k-фазой. Приблизительный состав k-фазы: 85% Cu, 10% Al и 5% Fe; при содержании в сплаве от 1,2 до 5,5% железо оказывает сильное модифицирующее действие на изменение первичного зерна в литых заготовках; при содержании в бронзах > 5,5% Fe это действие исчезает. Поэтому в промышленных алюминиевых бронзах содержание железа обыч­но не превышает 4 %.

Железо упрочняет алюминиевые бронзы за счет повышения прочности твердого раствора (α-фазы) и выделения k-фазы. Сплавы с высоким содержанием железа типа БрАЖ10-10 отличаются повышенной сопротивляемостью абразивному износу и эрозий, однако менее стойки в морской воде.

При дополнительном легировании сплавов системы Cu-Al-Fe марганцем и никелем значи­тельно повышаются их прочностные характеристики и коррозионная стойкость, изменяются структура и состав k-фазы.

Марганец хорошо растворяется в алюминиевых бронзах в твердом состоянии. При содержании Мп > 2% в сплавах системы Cu-Al заметно ускоряется трансформация фаз α + γв фазу β (марганец понижает эвтектоидную температуру и задерживает распад β-фазы); при содержании Mn>8% распада β-фазы практически не происходит.

Особенностью добавок марганца в алюминиевые бронзы является также появление в них при охлаждении игольчатых зародышей β-фазы до превращения β-фазы в  α+ γ2

Появление игольчатых зародышей α-фазы особенно заметно при отжиге крупногабаритных полуфабрикатов. Поэтому при отливке морских винтов, имеющих разнотолщинность от 15 до 400 мм, широко применяют специальные алюминиево-марганцевые бронзы с большим содер­жанием марганца.

В бронзах типа БрАЖ10-4, БрАЖ9-4 марганец является ведущим элементом, определяющим кинетику превращения β-фазы при нагревании и улучшающим их закаливаемость на глубину. В этих бронзах допускается содержание Mn до 1,5%. Однако с ростом содержание Mn от 2 до 5% уменьшается твердость алюминиевых бронз после закалки при температуре 800-1000°С. Поэтому для повышения твердости алюминиевых бронз при термической обработке в них должно быть не более 0,5% Mn.

Марганец повышает механические и коррозионные свойства и улучшает технологические характеристики сплавов Cu-Al. Алюминиевые бронзы, легированные марганцем, отличаются повышенной коррозионной стойкостью, хладостойкостью и высокой деформируемостью в горячем и холодном состоянии.

Никель, неограниченно растворимый в твердом состоянии в меди, практически не раство­ряется в алюминии (при температуре 560°С растворимость 0,02%). Никель увеличивает область α-фазы в системах Cu-Al и Cu-Al-Fe. В сплавахCu-Al-Ni под влиянием никеля область твердого раствора с понижением температуры значительно сдвигается в сторону медного угла, поэтому их можно подвергать дисперсионному твердению. Способность к дисперсионному твердению этих сплавов обнаруживается при содержании 1% Ni. Никель повышает температуру эвтектоидного распада                                                β в α+γ2 до 615°С, задерживает превращение α+γ2 в β при нагреве. Влияние никеля становится особенно заметным при его содержании более 1,5%. Так, при содер­жании в сплаве 2% Ni β-фаза появляется при температуре 790°С, при содержании 4% Ni - при температуре 830°С.

Никель оказывает благоприятное воздействие на структуру эвтектоида α+γ2 и псевдоэвтектоида α + β, значительно увеличивает стойкость фазовых превращений β -фазы, а при отливке и закалке способствует большему образованию количества метастабильной β'-фазы мартенситового типа. При этом α-фаза приобретает более округлую форму, структура стано­вится более равномерной, повышается дисперсность эвтектоида.

Легирование никелем алюминиевых бронз заметно повышает их физико-механические свойства (теплопроводность, твердость, усталостную прочность), хладостойкость и антифрикционные характеристики, коррозионную и эрозионную стойкость в морской воде и слабых солянокислых растворах; жаростойкость и температуру рекристаллизации без заметного ухудшения технологических характеристик. При содержании в сплавах никеля значительно повы­шается модифицирующее действие железа.

Алюминиевые бронзы системы Cu-Al-Ni применяют редко. Никель, как правило, вводят в алюминиевые бронзы в сочетании с другими элементами (преимущественно с железом). Наиболее широкое распространение получили алюминиевые бронзы типа БрАЖН10-4-4. Оптимальные свойства этих бронз достигаются при соотношении Fe:Ni =1:1. При содержании в этих бронзах 3% Ni и < 2% Fe k-фаза может выделяться в двух формах: в виде мелких округлых включений твердого раствора на основе железа, легированного алюминием и нике­лем, и в виде тонких пластин, интерметаллида состава NiAl.

Наибольшее распространение получили деформированные алюминиевые бронзы следующих систем: Cu-Al, Cu-Al-Fe, Cu-Al-Mn, Cu-Al-Fe-Mn, Cu-Al-Fe-Ni.

Алюминиевые бронзы отличаются высокой коррозионной стойкостью в углекислых растворах, а также в растворах большинства органических кислот (уксусной, лимонной, молочной и др.), но неустойчивы в концентрированных минеральных кислотах. В растворах сернокислых солей и едких щелочей более устойчивыми являются однофазные алюминиевые бронзы с пониженным содержанием алюминия.

Алюминиевые бронзы менее других материалов подвергаются коррозионной усталости.

 

Особенности обработки деформируемых алюминиевых бронз

 

Для получения гомогенных деформированных полуфабрикатов с улучшенными механическими свойствами и высокой усталостной прочностью рекомендуется алюминиевые бронзы отливать непрерывным способом, а последующую обработку производить специальным методом, включающим операции:

а)        горячую обработку литой заготовки с суммарным обжатием до 30%;

б)       термическую обработку при заданной температуре (t0) с отклонением ±2°С (нагрев до заданной температуры, выдержка 20 мин на каждые 25 мм сечения материала);

в)        закалку в воде или масле при температуре 600°С;

г)         горячую обработку давлением при температуре на 35-50°С меньше той, которая принята при термической обработке на стадии "б" в зависимости от содержания алюминия в сплаве (содержание алюминия должно быть определено с точностью ±0,02%). Температура терми­ческой обработки определяется по эмпирической формуле:

t=(1990 – 1000A)°С,

где А - содержание алюминия в сплаве, % (по массе).

Графическая зависимость температуры от содержания алюминия при термической и второй горячей обработке давлением алюминиевых бронз приведена на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость температуры от содержания алюминия при термической и горячей обработке давлением  алюминиевых бронз:

                        1 - температура термической обработки;

                        2 - температура горячей обработки давлением

                       

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ БЕЗОЛОВЯННЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ БРОНЗ ПО ГОСТ 18175, %

МАРКА БРОНЗЫ

ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

ПРИМЕСИ, НЕ БОЛЕЕ

Al

Be

Fe

Mn

Ni

Si

Ti

Cu

БрА5

4-6

-

-

-

-

-

-

Остальное

1,6

БрА7

6-8

-

-

-

-

-

-

То же

1,6

БрАМц9-2

8-10

-

-

1,5-2,5

-

-

-

-"-

1,7

БрАМц10-2

9-11

-

-

1,5-2,5

-

-

-

-"-

2,8

БрАЖ9-4

8-10

-

2-4

-

-

-

-

-"-

1,7

БрАЖМц10-3-1,5

9-11

-

2-4

1-2

-

-

-

-"-

0,75

БрАЖН10-4-4

9,5-11

-

3,5-5,5

-

3,5-5,5

-

-

-"-

0,8

 

Марка бронзы

Характерные свойства

Виды полуфабрикатов

БрАМц9-2

высокое сопротивление при знакопеременной нагрузке

полосы, ленты, прутки, проволоки, поковки

БрАЖ9-4

высокие механические     свойства, хорошие    антифрикционные свойства, коррозионностойкая

прутки, трубы, поковки

БрАЖМц10-3-1,5

плохо   деформируется в холодном состоянии, деформируется в  горячем состоянии, высокая   прочность  при повышенных температурах, коррозионностойкая,  высокая  эрозионная  и кавитационная стойкости

 

прутки, трубы, проволоки, поковки

БрАЖН10-4-4

плохо   деформируется в холодном состоянии, деформируется в  горячем состоянии, высокая   прочность  при повышенных температурах, коррозионностойкая,  высокая  эрозионная  и кавитационная стойкости

 

прутки, трубы, поковки

Алюминиевые бронзы отличаются высокими механическими, антикоррозионными 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 алюминем образует α-твердый раствор (рис.10.13), концентрация которого при понижении температуры с 1035 до 565 ° С увеличивается от 7,4 до 9,4 % Al. При 565 º С β – фаза претерпевает эвтектоидное превращение: β→α+γ , где γ  - 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 % Al. Наличие эвтектоида приводит к резкому снижению пластичности алюминиевых бронз. С увеличением содержания алюминия до 4 – 5 % наряду с прочностью и твердостью повышается пластичность, которая затем резко падает, а прочность продолжает расти при увеличении содержания алюминия до 10 – 11 % (рис.10.13б).            Однофазные бронзы (БрА5,БрА7), имеющие хорошую пластичность, относятся к деформируемым. Они обладают наилучшим сочетанием прочности (400-450 МПа) и пластичности (δ=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 (600 МПа) и твердостью (более 100 НВ). Их можно подвергать упрочняющей термической обработке. При быстром охлаждении (закалке) β-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 α-фазе алюминиевой бронзы растворяется до 4 % железа, при большем содержании образуются включения Al Fe. 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 β-фазы. Наилучшей пластичностью алюминиево-железные бронзы (например,БрАЖ-4) обладают после термической обработки, частично или полностью подавляющей эвтектоидное превращение β-фазы. Отпуск закаленной бронзы при 250-300 ° С приводит к распаду β-фазы  с образованием тонкодисперсного эвтектоида 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 α-твердого раствора при понижении температуры. Это вызывает у бронз, легированных железом и никелем  (БрАЖН10-4-4), способность к дополнительному упрочнению после закалки вследствие старения. 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 (БрАЖМц10-3-1,5).

Бро́нзы — сплав меди, обычно с оловом в качестве основного легирующего компонента, но к бронзам также относят медные сплавы с алюминиемкремниембериллиемсвинцом и другими элементами, за исключением цинка (это латунь) и никеля. Как правило в любой бронзе в незначительных количествах присутствуют добавки: цинксвинецфосфор и др.

Традиционную оловянную бронзу человек научился выплавлять ещё в начале Бронзового века и очень длительное время она широко использовалась; даже с приходом века железа бронза не утрачивала своей важности (в частности вплоть до XIX века пушкиизготавливались из пушечной бронзы).[1]

Название «бронза» происходит от итал. bronzo, которое, в свою очередь, вероятно произошло либо от персидского слова «berenj», означающего «медь»[2], либо от названия города Бриндизи, из которого этот материал доставлялся в Рим.

Плотность бронзы в зависимости от марки и включения примесей, по данным разных источников, колеблется от 7 до 9 г/см3.