13. Медь и ее сплавы. Бронзы.

Бронзы

Все медные сплавы, кроме латуней и медно-никелевых сплавов называют бронзами.

 

Оловянные бронзы

Максимальная растворимость олова в меди при комнатной температуре составляет около 8%, не изменяясь при нагревании до 800°С. В пределах растворимости олова в меди (a-фаза) прочность и пластичность сплавов увеличивается с ростом концентрации олова. При больших концентрациях образуется соединение между медью и оловом твердая d-фаза (Cu₃₁Sn₈), появление которой уменьшает пластичность сплава.

Бронзы обладают незначительным уменьшением объема при кристаллизации после литья (малой усадкой), что является их достоинством, так как они точно повторяют заполняемую форму. К недостаткам следует отнести низкую жидкотекучесть вследствие большого интервала кристаллизации. Это же обстоятельство вызывает неравномерность состава внутри фаз, которая устраняется диффузионным отжигом.

Дополнительное легирование фосфором:

-       улучшает жидкотекучесть,

-       увеличивает прочность и износостойкость за счет образования твердых частиц фосфида Сu₃P, но снижает пластичность.

Цинк вводится в пределах растворимости в меди. Легирование цинком способствует:

-       уменьшению интервала кристаллизации,

-       повышению прочности,

-       получению более плотного литья.

Никель позволяет производить для сплавов дисперсионное упрочнение.

Свинец увеличивает жидкотекучесть бронз и их антифрикционные свойства, а также улучшает обрабатываемость резанием.

Оловянные бронзы хорошо паяются, но плохо свариваются.

 

Примеры промышленных оловянных бронз

БрО3Ц12С5 - литейный сплав, используемый для литых изделий точной и сложной формы.

БрО10Ф1 - литейный сплав, имеющий двухфазную структуру, что позволяет его использовать в качестве антифрикционного материала с мягкой основой и твердыми включениями. Среди антифрикционных материалов обладает наибольшей прочностью

БрОФ6,5-0,4 - деформируемый сплав, имеющий однофазную структуру, обладающий (как и все деформируемые бронзы) большей прочностью и гораздо большей пластичностью, чем литейные бронзы. Выпускается в виде лент, проволоки и прутков. Часто используется для изготовления упругих элементов.

 

Алюминиевые бронзы

В меди при нормальных условиях растворяется около 9% алюминия, образуя a-твердый раствор. При более высокой концентрации образуется твердая, но хрупкая g₂-фаза на основе соединения Cu₉Al_l4.

Алюминиевые бронзы обладают, по сравнению с оловянными, рядом достоинств:

- лучшую жидкотекучесть за счет малого температурного интервала кристаллизации,

- более высокую прочность и пластичность,

- отсутствие дефицитного олова,

- более высокую коррозионную стойкость.

К недостаткам, характерным для данного типа бронз, являются значительная усадка при кристаллизации, сложность пайки.

 

Примеры алюминиевых бронз

БрА5, БрА7 - деформируемые наиболее пластичные бронзы, используются для упругих элементов.

БрАЖ9-4, (БрА9Ж4Л) - деформируемая (и литейная) бронза обладает хорошими антифрикционными свойствами за счет присутствия эвтектоида (a+g₂) и железистых включений, играющих роль твердых частиц. Применяется для шестерен, гаек силовых винтовых пар, втулок, направляющих. После закалки, подавляющей образование эвтектоида, обладает большой пластичностью, которая понижается при последующем старении с выделением тонкодисперсного эвтектоида, увеличивающего твердость.

БРА9Мц2Л - литейная бронза, присутствие марганца в твердом растворе вызывает повышение и прочности и пластичности.

Кремнистые бронзы

Растворимость кремния в меди при комнатной температуре составляет 3,5%. В состав кремнистых бронз входит не более 3% кремния, поэтому данные бронзы являются однофазными. Дополнительное введение в твердый раствор никеля и марганца вызывают дальнейший рост прочности и коррозионной стойкости.

 

Примеры кремнистых бронз

БрКМц3-1 - деформируемая бронза, обладающая высокими пластическими и прочностными свойствами, находясь в однофазном состоянии. Используется для изготовления упругих элементов.

БрКН1-3 - термически упрочняемый сплав, подвергаемый закалке и старению.

 

Марганцевые бронзы

Марганец растворяется в меди при нормальных условиях до 22%, поэтому данные бронзы являются однофазными. С ростом содержания марганца постепенно растет прочность при малом изменении пластичности.

В технике используется деформируемая бронза БрМц5, главные достоинства которой заключаются в высокой жаропрочности и коррозионной стойкости.

На основе системы Cu-Mn (60-85% Mn) созданы сплавы, обладающие высокой демпфирующей способностью, которая проявляется после термообработки (закалка и старение), вызывающей появление мартенсита - пересыщенного твердого раствора марганца в меди. В структуре мартенсита формируются микродвойники с подвижными границами, которые, перемещаясь под действием внешних переменных нагрузок, поглощают энергию деформирования, вызывая тем самым быстрое затухание вибраций (демпфирование).

 

Свинцовые бронзы

Свинец не растворяется в меди, поэтому присутствует в виде мягкой фазы. Данные сплавы используются как антифрикционные.

При содержании свинца 30%  (БрС30) формируется медная основа с мягкими включениями свинца, который обеспечивает твердую смазку, выдавливаясь из меди за счет теплового расширения.

При содержании свинца 60% (БрС60Н2,5) основой сплава становится свинец, а медь присутствует в роли твердых включений, соприкасающихся с шейкой вала при трении. Никель способствует выделению меди в виде объемной сетки (скелета), что уменьшает ликвацию меди в свинце по удельному весу. Данные бронзы выпускаются в основном как литейные сплавы.

 

Бериллиевые бронзы

Бериллий растворяется в меди в количестве 2,7% при 864°С и 0,2% при нормальных условиях. Поэтому бериллиевые бронзы, содержащие около 2% Be, подвергаются дисперсионному упрочнению - закалка с температур 780°С с последующим старением при 300°С. В результате формирования оптимальной структуры когерентных выделений CuBe очень сильно возрастает прочность, но снижается пластичность. Наибольшей пластичностью (δ ~ 50%) данные бронзы обладают в закаленном состоянии. Они применяются для деталей и упругих элементов ответственного назначения, обладают рекордной для медных сплавов прочностью, износостойкостью, высокой электро- и теплопроводностью.

БрБ2 - обладает невысокой технологичностью, так как требует при закалке очень большой скорости охлаждения.

БрБНТ1,9 - введение никеля замедляет фазовые превращения, потому закалка проводится с небольшой скоростью. Кроме этого задерживается рост зерна при рекристаллизации, что способствует повышению теплостойкости. Титан, образуя соединения TiBe₃ и Cu₃Ti, еще больше увеличивает прочностные свойства.