5.2. Медные сплавы

Химические элементы, применяемые в качестве компонентов медных сплавов, подразделяются на основные, вспомогательные и технологические добавки.

Для легирования применяют элементы, хорошо растворяющиеся в твёрдой меди.

Медь образует непрерывные твёрдые растворы с пятью элементами:

Ni, Pd, Pt, Au, Mn.

В качестве основных компонентов медных сплавов применяют элементы, приведенные в таблице 5.1.

Таблица 5.1.

ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ МЕДНЫХ СПЛАВОВ

Наименование элемента	Растворимость элемента при 350ºС	Химическое соединение	Растворимость элемента в жидкой меди
Цинк (Zn)	32,5%	CuZn	32,5%
Олово (Sn)	4,0%	Cu3Sn	13,5%
Сурьма (Sb)	4,0	Cu3Sb	7,5
Алюминий (Al)	9,0	Cu3Al	7,4
Титан (Ti)	1,0	Cu3Ti	7,4
Железо (Fe)	0,1	-	4,0
Кремний (Si)	3,5	Cu31Si8	5,3
Бериллий (Ве)	0,2	β- фаза	2,7
Фосфор (P)	0,6	Cu3P	1,75
Никель (Ni)	Непрерывный раствор	-	Непрерывный раствор
Марганец (Mn)	Непрерывный раствор	-	Непрерывный раствор

Основными легирующими элементами медных сплавов являются: цинк, олово, алюминий, никель, марганец. Общей особенностью этих элементов является то, что при понижении температуры их растворимость не снижается. Следовательно, в этих сплавах дисперсионное упрочнение невозможно. Необходимая прочность достигается растворным упрочнением либо дополнительным легированием Fe, Ti, V, Cr, которые измельчают зерно, повышают прочность, жаропрочность, улучшают пластичность. Эти элементы вводят в количестве, не превышающем пределы растворимости в твёрдом сплаве. Наиболее упрочняющее действие оказывают кремний и алюминий при содержании более 3%.

Пластичность меди повышается при легировании алюминием, кремнием, железом до определённой концентрации, а затем резко снижается.

Как правило, в медные сплавы вводят один основной элемент, определяющий комплекс механических и технологических свойств, и вспомогательные элементы, придающие сплаву дополнительные свойства.

Механические и технологические свойства медных сплавов очень разнообразны и зависят от комплекса легирующих элементов. Прочность сплавов колеблется от 150 до 600 МПа, пластичность – от 1,0 до 20%.

Основные положительные свойства медных сплавов:

- высокая коррозионная стойкость во многих средах;

- высокая тепло- и электропроводность;

- хорошее сопротивление износу, низкий коэффициент трения;

- хорошая притираемость;

- высокая прочность при минусовых температурах. Хорошо работают до - 250ºС.

Недостатки медных сплавов:

- высокая плотность;

- низкие свойства при повышенных температурах.

По основному легирующему элементу медные сплавы классифицируют на следующие группы:

- медно-цинковые сплавы называют латунями;

- медные сплавы, легированные другими элементами называются бронзами (оловянными и безоловянными – алюминиевыми, марганцевыми, свинцовыми, никелевыми и др.).

Медные сплавы всех групп подразделяются на деформируемые и литейные (Табл.11).

Бронзы оловянные литейные – ГОСТ 613-79.

Бронзы оловянные, обрабатываемые давлением, - ГОСТ 5017-2006.

Бронзы безоловянные литейные – ГОСТ 493-79.

Бронзы безоловянные, обрабатываемые давлением, - ГОСТ 18175-78.

Сплавы медно-цинковые (латуни) литейные – ГОСТ 17711-93.

Сплавы медно-цинковые (латуни), обрабатываемые давлением, - ГОСТ 15527 -2004.

Маркировка литейных медных сплавов производится с помощью букв, обозначающих элемент, и цифр, указывающих на количество этого элемента. Приняты следующие обозначения элементов:

0 – олово, А – алюминий, Ц – цинк, Ф – фосфор, С – свинец, Ж – железо, Н – никель, К – кремний, Мц – марганец, Су – сурьма, Б – бериллий, Х - хром. Маркировка бронз начинается с букв Бр, а латуней – с буквы Л. В обозначениях литейных сплавов цифры ставятся сразу после буквенного обозначения элемента. Например: БрА10Ж4Н4Л обозначает литейную бронзу состава: 10% алюминия, 4% железа, 4% никеля, медь – остальное.

ЛЦ38Мц2С2 обозначает литейную латунь состава: 38% цинка, 2% марганца, 2% свинца, медь – остальное.

Сплавы, обрабатываемые давлением, обозначаются сначала буквами, затем цифрами с обозначением процентного содержания элемента.

Например, БрАЖМц10-3-1,5 означает бронзу, обрабатываемую давлением состава: алюминий- 10%, железо – 3%, марганец – 1,5%, остальное – медь.

состав латуней, обрабатываемых давлением, обозначаются несколько иначе.

Например, ЛЖМц59-1-1 означает латунь, обрабатываемую давлением, содержащую: медь – 59%, железо – 1%, марганец – 1%, цинк – остальное.

Простые латуни обозначают буквой Л и цифрой, показывающей содержание меди. Например, латунь Л80 содержит 80% меди и 20% цинка.

5.2.1. ЛИТЕЙНЫЕ БРОНЗЫ

Бронзами первоначально называли только сплавы меди с оловом, теперь это название распространилось на сплавы меди со всеми элементами кроме цинка и никеля.

В зависимости от основного легирующего элемента бронзы классифицируются на оловянные и безоловянные бронзы.

ОЛОВЯННЫЕ БРОНЗЫ

Олово хорошо растворяется в меди и склонно к дендритной ликвации.

Прочность меди повышается до 20-25% олова, однако ГОСТ предусматривает содержание олова в сплаве только до 10% в связи с дороговизной олова.

Пластичность сплава до 5-7% олова повышается, затем падает при 12-15% олова.

При содержании олова до 10% сплав обладает хорошими литейными свойствами, небольшой литейной усадкой (до 0,8%), хорошей жидкотекучестью, концентрированных раковин не образуется, но возникает усадочная пористость в связи с широким интервалом кристаллизации.

Оловянные бронзы применяют в основном для изготовления деталей, от которых не требуется высокой герметичности. При литье в кокиль из оловянной бронзы получают более плотные отливки, линейная усадка при этом составляет 1,4%. Из оловянных бронз можно получать отливки с разной толщиной стенки и художественное литьё. Оловянные бронзы являются отличным антифрикционным материалом.

Рис 4. Диаграмма медь-олово

Структура бронз, содержащих до 8% олова, представляет собой α-твёрдый раствор олова в меди дендритного строения с неравномерным распределением элементов вследствие дендритной ликвации. Структура сплавов, содержащих олова более 8% состоит из эвтектоида α +δ (δ – фаза – Cu3Sn8). Появление интерметаллической фазы Cu3Sn8 вызывает повышение твёрдости и прочности сплава. Максимум этих значений достигается при 20-25% олова. Нижний предел содержания олова (2-3%) определяется необходимостью получения минимального растворного упрочнения.

В зависимости от содержания олова оловянные бронзы подразделяют на бронзы общего назначения (содержание олова до 6-10%) и высокопрочные (содержание олова 16-19%).

Бронзы с высоким содержанием олова применяют в тех случаях, когда требуется более высокая прочность, более высокая коррозионная стойкость или более высокие антифрикционные свойства.

Чистые оловянные бронзы в настоящее время практически не применяются. Для придания бронзам специальных свойств применяют дополнительное легирование.

Для получения литых деталей применяют в качестве исходного шихтового материала в основном стандартные оловянные бронзы в чушках по ГОСТ 614-97, а для ответственных деталей в качестве шихты применяют бронзы, полученные из первичных чистых металлов.

Оловянные бронзы (ГОСТ 613-79, включает 11 марок), применяют главным образом для изготовления арматуры, антифрикционных деталей, деталей, работающих в масле, паре, пресной и морской воде, деталей трубопроводов, деталей, работающих в узлах трения при высоком давлении пара и воды. По коррозионной стойкости в морской воде оловянные бронзы превосходят медь и медноцинковые сплавы.

В зависимости от содержания вспомогательных легирующих элементов оловянные литейные бронзы подразделяют на следующие типы:

- оловянноцинковые (БрО8Ц4, БрО10Ц2);

- оловянно-цинко-свинцовые (БрО4Ц7С17, БрО5Ц5С5, БрО3Ц12С5, БрО6Ц6С3, БрО4Ц7С5, БрО3Ц7С5Н1);

- оловянно-свинцовые (БрО5С25, БрО10С10).

Таблица 5.2.Влияние легирующих элементов на свойства оловянных бронз

№ п/п	Химический элемент	Влияние на структуру	Влияние на литейные свойства	Влияние на механические и физические свойства	Влияние на прочие свойства
1	Олово (Sn)	Хорошо растворяется в меди, склонно к дендритной ликвации, расширяет интервал кристаллизации.	До 10% хорошие литейные свойства. Линейная усадка 0,8%. Хорошая жидкотекучесть. При содержании 10-12% снижает жидкотекучесть. Повышает склонность к газоусадочной пористости.	До 20-25% повышает прочность и твёрдость. Пластичность повышает до 5-7%, затем при 12-15% и далее резко снижает.	Повышает коррозионную стойкость и антифрикционные свойства, затрудняет свариваемость.
2	Цинк (Zn)	Снижает интер –вал кристал-лизации. В сплавах со свинцом способствует равномерному распределению Pb по сечению отливки.	Повышает жидкотекучесть, уменьшает склонность бронз к газонасыщению, уменьшает линейную усадку.	До 5% повышает прочность и пластичность.	Несколько снижает антифрикционные свойства. Повышает герметичность. Свыше 5% снижает антикоррозионные свойства. Повышает стойкость в морской воде.
3	Фосфор (Р)	До 0,3% применяют в качестве раскислителя.	При содержании более 0,3% повышает жидкотекучесть, повышает интервал кристаллизации, повышает склонность к газоусадочной пористости.	Повышает прочность и износостойкость из-за появления фосфидов меди.	Уменьшает склонность к газонасыщению. Улучшает антифрикционные свойства, облегчает сварку и пайку, повышает коррозионную стойкость.
4	Свинец (Pb)	Находится в сплаве в виде мягкой структурной составляющей. Повышает плотность. Практически нерастворим в матрице, находится между дендритами и заполняет усадочные поры.	Повышает жидкотекучесть, герметичность.	Снижает прочность и пластичность (до 2% - незначительно)	Свинцовая составляющая играет роль смазки в трущихся поверхностях, поэтому бронзы для подшипников скольжения всегда содержат свинец. Свинец улучшает обрабатываемость резанием, улучшает антифрикционные свойства. Содержание свинца обычно = 8-12%.
5	Никель (Ni)	Входит в твёрдый раствор, измельчает структуру сплава.		Повышает твёрдость и механические свойства.	Никель (до 1%) способствует повышению изотропности свойств отливок в различных сечениях, повышает антифрикционные св-ва, затрудняет механическую обработку, повышает плотность и коррозионную стойкость.
6	Алюми- ний (Al)	Вредная примесь	Снижает жидкотекучесть	Снижает механические свойства (До 5,0% повышает твёрдость бронзы)	Снижает коррозионную стойкость. 2,0…5,0% Al повышает жаростойкость оловянной бронзы при 700…900ºС в 20 раз. Повышается растворимость водорода.
7	Кремний (Si)	Вредная примесь	Снижает жидкотекучесть	Повышает прочность и твёрдость, снижает пластичность.	Резко снижает коррозионную стойкость. Повышается растворимость водорода.
8	Железо (Fe)	Вредная примесь	Снижает жидкотекучесть	Повышает прочность и твёрдость, снижает пластичность и плотность.	Снижает жидкотекучесть. Резко снижает коррозионную стойкость.

Цинк.

Цинк благоприятно влияет на свойства оловянных бронз:

- снижает интервал кристаллизации, повышает жидкотекучесть, уменьшает линейную усадку;

- уменьшает склонность бронз к газонасыщению, повышает герметичность;

- способствует получению более плотного литья;

- раскисляет расплав и уменьшает в нём содержание водорода;

- до 5% повышает прочность, коррозионную стойкость бронзы. Более 5% снижает антикоррозионные и антифрикционные свойства.

Цинк – один из основных компонентов оловянных бронз позволяет экономить дефицитное олово. В сплавах со свинцом способствует равномерному распределению свинца по сечению отливки.

Оловянно-цинковые бронзы применяют для изготовления антифрикционных деталей, работающих в морской воде, в паровой среде, в маслах, в условиях повышенного давления (до 250 МПа), арматуры (например, БрО8Ц4).

Фосфор. Фосфор вводят в бронзу для раскисления (до 0,3%). При содержании фосфора более 0,3% повышается прочность бронзы и износостойкость из-за образования фосфидов меди. Бронза БрО10Ф1, содержащая 1% фосфора обладает непревзойдённой износостойкостью и антифрикционными свойствами при трении без смазки.

Фосфор, раскисляет медь, уменьшает содержание водорода в расплаве, снижает склонность бронз к газонасыщению, повышает жидкотекучесть сплава, улучшает антифрикционные свойства, повышает антикоррозионные свойства, облегчает сварку и пайку, фосфор является упрочнителем бронз, как по растворному типу, так и вследствие образования химических соединений. Однако фосфор повышает интервал кристаллизации и повышает склонность бронз к газоусадочной пористости, ухудшает технологическую пластичность, поэтому в деформируемые бронзы фосфор добавляют не более 0,5%.

Свинец. Свинец находится в сплаве в виде мягкой структурной составляющей. Свинец повышает плотность сплава, жидкотекучесть и герметичность, но снижает прочность и пластичность (до 2% - незначительно). Он практически нерастворим в матрице, находится между дендритами и заполняет усадочные поры. Свинцовая составляющая играет роль смазки в трущихся поверхностях, поэтому бронзы для подшипников скольжения всегда содержат свинец. Свинец улучшает обрабатываемость резанием.

Бронзы с содержанием свинца 8 – 12% обладают хорошими антифрикционными свойствами, что делает их незаменимыми для подшипников в точном машиностроении.

Никель. Никель входит в твёрдый раствор, измельчает структуру сплава, повышает механические свойства, особенно твёрдость при комнатной и повышенной температурах. При содержании никеля более 4% твёрдость настолько повышается, что затрудняется механическая обработка. Если бронза обрабатывается давлением, то содержание никеля должно быть не более 0,3%.

Никель измельчает структуру, способствует изотропности свойств в различных сечениях, повышает механические и антифрикционные свойства, плотность и коррозионную стойкость (до1%). Бронзы с никелем термически упрочняются закалкой и старением.

Вредные примеси в оловянных бронзах.

Наиболее вредными примесями в оловянных бронзах являются алюминий и кремний. В бронзах марок БрО3Ц7С5Н1, БрО3Ц12С5, БрО8Ц4 и БрО10Ц2 сумма примесей кремния и алюминия не должна превышать 0,02%.

Сурьма, висмут и мышьяк также являются вредными примесями в оловянных бронзах. Эти элементы снижают прочность и пластичность бронз.

По назначению оловянные бронзы можно разделить на следующие группы:

- Первая группа – литейные стандартные оловянные бронзы для получения разных деталей методами фасонного литья. К этим бронзам предъявляются следующие требования:

- хорошие литейные свойства;

- хорошая обрабатываемость резанием;

- достаточная коррозионная стойкость;

- высокая плотность отливок;

- высокие механические свойства.

- Вторая группа – литейные нестандартные бронзы ответственного назначения, обладающие высокими антифрикционными свойствами и хорошим сопротивлением истиранию. Эти сплавы применяют для изготовления подшипников скольжения и других деталей, работающих в условиях трения. К этой категории относится бронза БрО10Ф1, обладающая уникальным сочетанием высокой износостойкости и высокими антифрикционными свойствами.

- Третья группа – деформируемые бронзы (ГОСТ 5017-2006). Они отличаются от литейных более высокой прочностью, вязкостью, пластичностью, сопротивлением усталости.

Основные легирующие элементы деформируемых бронз – олово, фосфор, цинк и свинец.

Деформируемые бронзы можно разделить на сплавы, легированные оловом и фосфором (БрОФ6,5-0,4; БрОФ6,5-0,15; БрОФ4-0,25), и сплавы, не содержащие фосфора (БрОЦ4-3 и БрОЦС4-4-2,5). Из этих бронз наилучшая обрабатываемость давлением у бронзы БрОЦ4-3.

Бронза БрОЦС4-4-2,5, содержащая свинец, совсем не обрабатывается давлением в горячем состоянии из-за присутствия в ней легкоплавкой эвтектики. Эта бронза предназначена для деталей, работающих в узлах трения. Поэтому содержит свинец.

-Четвёртая группа – сплавы для художественного литья (БХ1, БХ2, БХ3). Для изготовления художественных деталей – бронза самый подходящий материал. Она достаточно жидкотекучая, хорошо заполняет самые сложные конфигурации формы, обладает очень небольшой усадкой при затвердевании и поэтому очень хорошо передаёт форму изделия. Эта бронза отличается красивым цветом. На поверхности бронзы под воздействием естественной среды образуется патина – тончайшая оксидная плёнка различных цветовых оттенков, от зелёного до тёмно-коричневого.

Механические свойства, применяемость и химический состав литейных оловянных бронз регламентированы ГОСТ 613-79 (таблицы 5.3. и 5.4).

Таблица 5.3. Механические свойства и применяемость литейных оловянных бронз

(ГОСТ 613-79)

Марка	σb,МПа	δ,%	Твёрдость, НВ	Применяемость
БрО3Ц12С5	206/176	5/8	60	Арматура общего назначения и детали, работающие в морской воде, насыщенном паре при 225°С, масле под давлением 2,5 МПа и более; антифрикционные детали. Детали сложной тонкостенной конфигурации с резкими переходами по толщине стенок.
БрО3Ц7С5Н1	206/176	5/8	60	Детали, работающие в масле, паре и в пресной воде, антифрикционные детали, детали, работающие под давлением до 2,5 МПа в насыщенном паре при температуре до 225ºС. Герметичная литая арматура в судостроении, химическом машиностроении и др. отраслях
БрО4Ц7С5	176/147	4/6	60	Арматура, антифрикционные детали автомобилей и тракторов (втулки поршневых головок и др.).
БрО4С4С17	147/147	12/5	60	Литые антифрикционные станочные детали (втулки в станках)
БрО5Ц5С5	176/147	4/6	60	Арматура, антифрикционные детали, вкладыши подшипников, червячные колёса; арматура, работающая в морской и пресной воде, паре.
БрО5С25	137/147	6/5	60/45	Биметаллические подшипники скольжения, работающие при небольших давлениях и больших скоростях, маслоуплотнительные кольца
БрО6Ц6С3	176/147	4/6	60/60	Арматура, антифрикционные детали, вкладыши подшипников.
БрО8Ц4	200/200	10/10	75/75	Арматура, насосы, работающие в морской воде, детали арматуры, работающие при высоких давлениях и температурах до 250-280ºС.
БрО10Ф1	250/220	3/3	90/80	Узлы трения арматуры, высоконагруженные детали шнековых приводов, нажимные и шпиндельные гайки, венцы червячных шестерён, вкладыши при недостаточной подаче смазки. Свариваемая бронза.
БрО10Ц2	230/220	10/10	75/65	Арматура, антифрикционные детали, вкладыши подшипников, детали трения и облицовки гребных винтов, зубчатые колёса и шестерни, червячные зацепления при высоких давлениях и невысоких скоростях скольжения. Детали сложной конфигурации, стойкие против коррозии и эрозии в морской, пресной воде и в других средах..
БрО10С10	196/176	6/7	78/65	Литые детали подшипников скольжения, работающие в условиях высоких удельных давлений, детали химического машиностроения и приборостроения.

Таблица 5.4.

Химический состав некоторых литейных оловянных бронз (ГОСТ613-79)

Марка бронзы	Легирующие элементы, %					Сумма примесей, %, не более
	Sn	Zn	Pb	Ni	P
БрО3Ц7С5Н1	2,5-4,0	6,0-9,5	3,0-6,0	0,5-2,0	-	1,3
БрО10Ц2	9,0-11,0	1,0-3,0	-	-	-	1,0
БрО5Ц5С5	4,0-6,0	4,0-6,0	4,0-6,0	-	-	1,3
БрО4Ц4С17	3,5-5,5	2-6	14-20	-	-	1,3
БрО10Ф1	9,0-11,0	-	-	-	0,4-1,1	1,0
БрО3Ц12С5	2-3,5	8-15	3-6	-	-	1,3
БрО4Ц7С5	3-5	6-9	3-6	-	-	1,3
БрО5С25	4-6	-	23-26	-	-	1,2
БрО10С10	9-11	-	8-11	-	-	0,9

Примечание. Медь – остальное.

Оловянные литейные бронзы по ГОСТ613-79 получают из оловянных бронз в чушках по ГОСТ 614-97.

Примерное назначение бронз, условия применения и заменяемые материалы приведены в таблице 3.

Таблица 3

Марка	Примерное назначение	Является заменителем
БрА9ЖЗЛ	Несложное фасонное литье, арматура (за исключением паровой), шестерни, венцы зубчатых колес, коробки и тарелки клапанов, подшипники, втулки, корпуса насосов, нажимные кольца, штоки, гайки, сальники и другие антифрикционные детали. Применяется, когда Р=200кгс/см2 в паре со стальным цементированным червяком. Является жаростойкой (температура среды до 2650С) и антифрикционной (устойчива к действию атмосферы, пресной и морской воды). Рекомендуется как заменитель оловянных бронз.	Бр010Ф1 БрА10ЖЗМц2
БрА10ЖЗМц2	Детали, требующие, кроме антифрикционных свойств, повышенной твердости и прочности. Арматура трубопроводов и системы для различных сред с температурой не выше 2650С, втулки, подшипники, тарелки и седла клапанов, штоки, гайки, накидные грундбуксы, зубчатые колеса, гайки ходовых винтов.	Бр010Ф1
БрА10Ж4Н4Л	Крупные отливки венцов и втулки массой до 1т

^{127. Влияние химических элементов на свойства медных сплавов /13/}

Оловянные бронзы	Безоловянные бронзы	Латуни
Алюминий
Снижает жидкотекучесть, механические свойства, коррозионную стойкость и плотность.	Снижает жидкотекучесть, плотность и механические свойства	Повышает жидкотекучесть, механические свойства и коррозионную стойкость
Олово
Понижает относительное удлинение, ударную вязкость и уменьшает плотность. Повышает коррозионную стойкость и антифрикционные свойства	Снижает в марганцовистых бронзах коррозионную стойкость, а в свинцовых бронзах повышает прочность, твердость	Повышает жидкотекучесть, механические свойства и коррозионную стойкость, но в меньшей мере, чем алюминий
Цинк
Снижает линейную усадку, а при увеличении содержания до 4% повышает жидкотекучесть, уменьшает плотность. При содержании до 5% повышает прочность, свыше — снижает коррозионную стойкость и антифрикционные свойства, повышает герметичность	Повышает жидкотекучесть, улучшает антифрикционные свойства	-
Оловянные бронзы	Безоловянные бронзы	Латуни
Свинец
Улучшает антифрикционные свойства. Образует в структуре мягкую металлическую фазу. Прочность и твёрдость снижается.	Снижает механические свойства, но повышает антифрикционные	Повышает жидкотекучесть алюминиевых и, марганцевых латуней, но ухудшает механические свойства. Улучшает антифрикционные свойства
Никель
Измельчает структурные составляющие сплава, способствует выравниванию свойств в различных по толщине сечениях отливки. Повышает механические и антифрикционные свойства, плотность и коррозионную стойкость	Снижает жидкотекучесть. В кремнистых бронзах понижает механические свойства, а в свинцовых и сурьмяно-никелевых их повышает. В последних улучшает жидкотекучесть, повышает коррозионную стойкость	-
Фосфор
Повышает жидкотекучесть, коррозионную стойкость, механические и антифрикционные свойства, является интенсивным раскислителем	Повышает жидкотекучесть	Повышает твердость, снижает механические свойства (относительное удлинение и ударную вязкость)
Оловянные бронзы	Безоловянные бронзы	Латуни
Железо
Снижает жидкотекучесть. Прочность и твердость повышает, уменьшая пластичность и плотность. Резко снижает коррозионную стойкость	В свинцовых бронзах снижает механические и антифрикционные свойства. В кремнистых бронзах повышает жаропрочность, измельчает структурные составляющие сплава, понижает коррозионную стойкость	Снижает жидкотекучесть, измельчает структурные составляющие, повышая механические свойства. При содержании свыше 0,03 % придает сплаву магнитные свойства
Кремний
То же	В кремнистых бронзах повышает жидкотекучесть, коррозионную стойкость, прочность, твердость, а при содержании до 3% — относительное удлинение. В сурьмяно-никелевых бронзах снижает жидкотекучесть, механические свойства	Повышает жидкотекучесть, прочность, коррозионную стойкость и антифрикционные свойства
Оловянные бронзы	Безоловянные бронзы	Латуни
Сурьма, висмут, мышьяк
Снижают прочность и пластичность	Висмут, мышьяк снижают механические свойства, жаропрочность, коррозионную стойкость. Сурьма на марганцовистые бронзы заметного влияния не оказывает; в кремнистых бронзах снижает механические свойства; в сурьмяно-никеле-вых бронзах повышает прочность и твердость, снижает относительное удлинение и уменьшает линейную усадку	Сурьма, висмут уменьшают прочность, относительное удлинение и ударную вязкость. Мышьяк повышает твердость, снижает прочность, относительное удлинение и ударную вязкость. При содержании около 0,02% повышает коррозионную стойкость
	Сера
Снижает механические свойства	Заметного влияния на безоловянные бронзы не оказывает	-
Марганец
-	Повышает механические и антифрикционные свойства, а также коррозионную стойкость	Несколько снижает жидкотекучесть; повышает механические свойства и коррозионную стойкость. При наличии в сплаве свинца повышает антифрикционные свойства

Безоловянные бронзы

Литейные безоловянные бронзы (ГОСТ 493-79) по основному легирующему элементу подразделяют на четыре группы: алюминиевые, марганцевые, свинцовые и сурьмянистые (табл. 5.3.). По механическим, коррозионным и антифрикционным свойствам безоловянные бронзы не уступают оловянным, а некоторые превосходят их.

Наиболее широко применяют алюминиевые бронзы. Они имеют хорошую коррозионную стойкость в пресной и морской воде, хорошо противостоят разрушению в условиях кавитации, обладают меньшим, чем оловянные бронзы, антифрикционным износом. Алюминиевые бронзы применяют для изготовления гребных винтов крупных судов, тяжело-нагруженных шестерён и зубчатых колёс, корпусов насосов и других отливок.

Алюминий является основным легирующим элементом.

Система Cu-Al (рис. 5) характеризуется значительной областью α-твёрдого раствора алюминия в меди.

Рис. 5. Диаграмма состояния системы Cu-Al

Промышленное использование находят бронзы с содержанием алюминия от 5 до 10-12%, имеющие либо однофазное (до 7,4% алюминия), либо двухфазное строение. Однофазные сплавы отличаются высокой пластичностью и хорошо обрабатываются давлением. Эти сплавы не склонны к ликвации, кристаллизуются в узком температурном интервале (46ºС), обладают хорошей жидкотекучестью, но имеют повышенную объёмную усадку. Сплавы с более высоким содержанием алюминия отличаются высокой прочностью и твёрдостью, но имеют пониженную пластичность, поэтому применяются преимущественно как литейные.

Алюминиевые бронзы при содержании алюминия до 7,4% не имеют фазовых превращений, поэтому не могут подвергаться закалке. При более высоком содержании Al сплав может быть закалён. С понижением температуры растворимость алюминия в меди повышается до 9,4%. Алюминий является более сильным упрочнителем, чем олово. Прочность сплава повышается до содержания алюминия 11%. Далее прочность падает, твёрдость растёт. При содержании алюминия более 10% бронза имеет двухфазную структуру. Дополнительно образуется фаза β-твёрдый раствор на основе интерметаллического соединения Cu3Al. До 9% пластичность высокая, более 9% - пластичность падает. Оптимальное содержание алюминия 5…8%. Наряду с повышенной прочностью они сохраняют высокую пластичность. Характерной особенностью двойных алюминиевых бронз является так называемый самоотжиг при медленном затвердевании (литьё в песчаные формы), при котором происходит рост зерна и снижение прочности и пластичности. Для предотвращения этого в алюминиевые бронзы добавляют железо (1-4%), марганец, никель и др. элементы.

Железо водят в сплав для измельчения зерна, упрочнения твёрдого раствора и предотвращения самопроизвольного отжига. Железо незначительно растворяется в алюминиевых бронзах. При повышенном содержании оно выделяется в виде самостоятельной фазы (Fe3Al). Железо устраняет хрупкость двойных сплавов, повышает прочность и жаростойкость. Сплавы Cu-Al-Fe пластичны после нормализации при 600-700ºС. Железо несколько снижает жидкотекучесть.

Алюминиевые бронзы, содержащие железо, широко применяют для изготовления деталей ответственного назначения.

Марганец хорошо растворяется в алюминиевых бронзах (до10%). Марганец повышает прочность бронз, их пластичность, коррозионную стойкость, антифрикционные свойства, способность к холодной обработке давлением. Двойные сплавы меди с алюминием не обрабатываются давлением в холодном состоянии. Тройная бронза БрАМ9-2 хорошо обрабатывается давлением как в горячем, так и в холодном состоянии.

Никель в алюминиевых бронзах образует фазы Ni3Al и NiAl, измельчает структуру. Бронза становится способной к дисперсионному твердению. Никель сильно уменьшает растворимость алюминия в меди при понижении температуры. Поэтому медные сплавы, одновременно легированные алюминием и никелем, существенно упрочняются при термообработке, состоящей из закалки и старения, из-за выделения интерметаллидов Ni3Al и NiAl. Например, в бронзе БрА10Ж4Н4Л после закалки с 480ºС и старения при 400 ºС твёрдость повышается с 170 до 400 НВ, а прочность повышается до 700 МПа. Никель улучшает механические свойства, жаропрочность и коррозионную стойкость алюминиевых бронз. Сплавы меди, легированные алюминием и никелем, хорошо обрабатываются давлением, имеют высокие антифрикционные свойства и не склонны к хладноломкости.

Титан. Небольшое содержание титана увеличивает плотность отливок и их прочность. Благоприятное действие титана обосновано его действием как дегазатора, уменьшающего газонасыщенность сплава, и модификатора, измельчающего зерно.

Марганец хорошо растворим в алюминиевых бронзах, его вводят для повышения коррозионной стойкости, антифрикционных свойств, повышения прочности и пластичности. Однако марганец сильно снижает жидкотекучесть.

Свинец улучшает обрабатываемость режущим инструментом, повышает жидкотекучесть. До 1-1,5% не влияет на механические свойства.

Кремний повышает жидкотекучесть, но снижает герметичность.

Олово, сурьма, мышьяк, фосфор – вредные примеси, снижают антикоррозионные свойства. Олово снижает механические свойства, вызывает пористость, хрупкость.

Цинк повышает жидкотекучесть, улучшает антифрикционные свойства, но несколько снижает антикоррозионные и технологические свойства алюминиевых бронз, поэтому является нежелательной примесью.

Фосфор – вредная примесь, но несколько повышает жидкотекучесть.

Алюминиевые бронзы начали применять значительно позже, чем оловянные, однако по комплексу физико-механических и эксплуатационных свойств начали вытеснять оловянные бронзы.

Алюминиевые бронзы имеют некоторые преимущества перед оловянными:

- меньшую склонность к дендритной ликвации;

- лучшую жидкотекучесть;

- большую герметичность;

-более высокую прочность и жаропрочность;

- меньшую хладноломкость;

- более высокие антикоррозионные свойства (выше, чем БрО10Ф1), более высокую противокавитационную стойкость, но хуже антифрикционные свойства.

К недостаткам алюминиевых бронз относятся:

- значительная усадка при кристаллизации, поэтому более склонна к трещинообразованию, что требует специальных мер при получении отливок;

- алюминиевые бронзы склонны к образованию концентрированных усадочных раковин. Линейная усадка достигает 2,2%;

- алюминиевые бронзы менее пластичны, чем оловянные;

- алюминиевые бронзы имеют более высокую склонность к образованию крупнокристаллической структуры. Для измельчения структуры в алюминиевые бронзы вводят бор (0,02%), ниобий, ванадий для модифицирования;

- алюминиевые бронзы при повышенной температуре склонны к образованию плён и окислению;

- алюминиевые бронзы склонны к вспениванию при заливке форм;

- трудность пайки твёрдыми и мягкими припоями;

- недостаточная коррозионная стойкость а перегретом паре.

Для устранения этих недостатков алюминиевые бронзы дополнительно легируют марганцем, железом, никелем, свинцом.

Применяют алюминиевые бронзы для изготовления тяжелонагруженных деталей с повышенными антифрикционными свойствами (червячные шестерни, работающие в условиях повышенной коррозии, ответственная арматура, гребные винты и др.).

Таблица 5.5.

Химический состав, %, безоловянных литейных бронз (ГОСТ493-79).

Марка сплава	Легирующие элементы									Сумма примесей (не более)
	Al	Fe	Mn	Ni	Pb	Zn	P	Sb
БрА9Мц2Л	8,0-9,5	-	1,5-2,5	-	-	-	-	-	2,8
БрА10Мц2Л	9,6-11,0	-	1,5-2,5	-	-	-	-	-	2,8
БрА9Ж3Л	8,0-10,5	2,0-4,0	-	-	-	-	-	-	2,7
БрА10Ж3Мц2	9,0-11,0	2,0-4,0	1,0-3,0	-	-	-	-	-	1,0
БрА10Ж4Н4Л	9,5-11,0	3,5-5,5	-	3,5-5,5	-	-	-	-	1,5
БрА11Ж6Н6	10,5-11,5	5,0-6,5	-	5,0-6,5	-	-	-	-	1,5
БрА9Ж4Н4Мц1	8,8-10,0	4,0-5,0	0,5-1,2	4,0-5,0	-	-	-	-	1,2
БрС30	-	-	-	-	27,0-31,0	-	-	-	0,9
БрА7Мц15Ж3Н2Ц2	6,6-7,5	2,5-3,5	14,0-15,5	1,5-2,5	-	1,5- 2,5	-	-	0,5
БрСу3Н3Ц3С20Ф	-	-	-	3,0-4,0	18,0-22,0	3,0-4,0	0,15-0,30	3,0-4,0	0,9

Механические свойства и применяемость безоловянных бронз приведены в таблице 5.6.

Таблица 5.6. Механические свойства и применяемость безоловянных бронз (ГОСТ 493-79)

Марка	Способ литья	σb, МПа	δ, %	Твёрдость, НВ	Область применения
БрА9Мц2Л БрА10Мц2Л	к п к п	392 392 490 490	20 20 12 12	80 80 110 110	Антифрикционные детали, работающие на истирание при давлении до 3,43 МПа и скоростях до 1,9 м/с(зубчатые колёса, венцы зубчатых колёс, ходовые гайки, втулки и др.); корпуса насосов, тарелки клапанов и другие детали, работающие в пресной воде, жидком топливе и паре при температуре до 250ºС; могут заменять оловянные бронзы марок БрО10Ц2 и БрО8Ц4.
БрА9Ж3Л	к п	490 392	12 10	100 100	Несложное фасонное литье, арматура для работы в различных средах при температурах до 265 ºС; Может быть использована для замены бронз БрО10Ц2 и БрО6Ц6С3. Шестерни, венцы зубчатых колес, коробки и тарелки клапанов, подшипники, втулки, корпуса насосов, нажимные кольца, штоки, гайки, сальники и другие антифрикционные детали. Применяется, когда Р=200кгс/см2 в паре со стальным цементированным червяком. Является жаростойкой и антифрикционной (устойчива к действию атмосферы, пресной и морской воды за исключением паровой).
БрА10Ж3Мц2	к п	490 392	12 10	120 100	Антифрикционные детали (цилиндрические и конические зубчатые колёса, шестерни, червячные колёса, гайки ходовых винтов), детали, работающие в условиях высоких статических нагрузок; детали, работающие в среде соляной кислоты и сероводорода при 30-90 ºС; арматура для работы в пресной воде, жидком топливе, паре при температуре до 260 ºС, кроме морской воды.
БрА10Ж4Н4Л	к п	587 587	6 5	170 160	Детали химической и пищевой промышленности, а также детали, работающие при повышенных температурах до 500 ºС; антифрикционные детали, работающие при повышенных давлениях и скоростях, арматура, работающая в морской воде. Бронза наиболее стойкая в морской воде по сравнению с другими безоловянными бронзами. Коррозионностойкая арматура (судостроение, химическое машиностроение и др.)
БрА11Ж6Н6	к п	587 587	2 2	250 250	Арматура, антифрикционные детали, работающие при высоких давлениях и больших скоростях, арматура, работающая в морской воде.
БрА9Ж4Н4Мц1	к п	587 587	12 12	160 160	Арматура для морской воды. Фасонное литьё неответственного назначения.
БрС30	к	58,7	4	25	Антифрикционные детали (биметалл со сталью), работающие при высоких скоростях скольжения (4-5м/с) и при повышенных давлениях (9,8-14,7 МПа), когда баббиты непригодны (подшипники авиационных двигателей, втулки и вкладыши мощных дизелей).
БрСу3Н3Ц3С20Ф, БрА7Мц15Ж3Н2Ц2	к п	157 607	2 18	65 -	Антифрикционные детали

Физические и технологические свойства безоловянных бронз приведены в таблице 5.7.

Таблица 5.7.

Физические и технологические свойства безоловянных литейных бронз

Свойства	БрА9Мц2Л	БрА9Ж3Л	БрА10Ж3Мц2	БрА10Ж4Н4Л		БрС30		БрА7Мц15Ж3Н2Ц2
Плотность, кг/м³	7600	7500	7500	7800		9500		9400
Температура плавления, °С	1060	1040	1045	1040		980		990
К-т линейного расширения α·106(1/°С) при 20-100°С	17,0	16,2	16,0	-		18,4		-
Теплопроводность, Вт/(м·°С)	71,18	58,62			75,36		142,35		-
Температура литья, °С	1120-1150	1060-1100	1120-1150	1150-1180		1120		-
Жидкотекучесть, мм	500	850	700	700		350		-
Линейная усадка, %	2,0	2,49	2,4	1,8		1,6		-
Коэффициент трения: со смазкой без смазки	0,082 0,18	0,004 0,18	0,063 0,19	0,12 0,23		0,01 0,17		- -

СВИНЦОВАЯ БРОНЗА

Бронза БрС30 (ГОСТ 493-79).

Свинцовые бронзы обладают наилучшими антифрикционными свойствами по сравнению с другими сплавами на основе меди, поэтому наиболее широко применяются для изготовления подшипников скольжения. К подшипниковым материалам предъявляются следующие требования:

- хорошая начальная прирабатываемость;

- небольшой коэффициент трения;

- способность работать при достаточно большой нагрузке, скоростях вращения и температурах без выдавливания, размягчения и выкрашивания;

- способностью образовывать самосмазывающие или легко притирающиеся продукты истирания;

- более низкая, чем у шейки вала, твёрдость;

- высокая теплопроводность, достаточная для интенсивного отвода тепла от зоны трения;

- высокая ударная вязкость в случае работы при ударных нагрузках.

Идеальная структура подшипникового сплава – пластичная основа, в которую вкраплены твёрдые зёрна.

Классическую структуру подшипникового материала имеет свинцовая бронза БрСН60-2,5. Мягкая составляющая представлена свинцом, а твёрдая – медью.

Бронза обладает хорошими антифрикционными свойствами, низким коэффициентом трения, хорошо прирабатывается, способна выдерживать значительные ударные нагрузки, высокое сопротивление заеданию.

Сплав меди со свинцом имеет очень большой интервал кристаллизации (700°С). При охлаждении сначала кристаллизуется чистая медь как бы пропитанная свинцом (α-раствор). При 326°С кристаллизуется остаток свинца. Свинцовые бронзы чрезвычайно склонны к гравитационной ликвации, что требует применения специальных мер при литье – диспергирования, ускоренного охлаждения. При медленном охлаждении происходит расслоение. При быстром охлаждении (350-400°С/мин) с помощью спрейеров кристаллизуется мелкая взвесь свинца в меди. Для равномерного распределения свинца в меди вводят никель, образующий разветвлённые дендриты, препятствующие ликвации свинца.

Свинцовые бронзы применяют для авиационных двигателей и прокатных станов для узлов с высокими механическими нагрузками и скоростями. Они имеют высокую теплопроводность (в 4 раза больше, чем оловянные бронзы и в 6 раз больше, чем баббиты). Однако свинцовые бронзы имеют низкие механические свойства (σb= 6кг/мм², δ = 4-5%), поэтому свинцовые бронзы наливают на стальную основу и получают двухслойные подшипники.

Кроме никеля в свинцовые бронзы вводят фосфор для раскисления, олово до 5-6% для повышения прочности и сурьму.

Вредными примесями являются железо и алюминий, которые вызывают ликвацию и ухудшают литейные свойства.

Кремниевые бронзы.

Растворимость кремния в меди при 300°С составляет 3,4%, при 842°С – 5,3%.

Кремний увеличивает прочность, уменьшает газонасыщенность сплавов и окисляемость, способствует получению плотных отливок, повышает жидкотекучесть, но увеличивает усадку. Двойные сплавы системы Cu-Si не применяют, они не выдерживают гидравлических испытаний. Эти бронзы дополнительно легируют никелем и марганцем, которые улучшают их механические и коррозионные свойства, что позволяет изготавливать ответственные детали, работающие в тяжёлых условиях (высокая температура и недостаточная смазка) и заменить более дорогую бронзу БрОФ7-2 и другие. Кремнистые бронзы отличаются высокими пружинящими и антифрикционными свойствами, хорошей коррозионной стойкостью. Они отлично обрабатываются давлением как в горячем, так и в холодном состоянии.

В промышленности применяют бронзы БрКМц3-1 и БрКН1-3. Эти бронзы применяют как деформируемые. После закалки с 850ºС эти бронзы имеют прочность около 350 МПа при относительном удлинении 30%. После старения при 450ºС в течение 1 часа прочность равна 750 МПа при удлинении 8%.

Недостатком этих бронз является большая склонность к поглощению газов.

Легирующие добавки – марганец и никель.

Свинец улучшает литейные и антифрикционные свойства, но снижает прочность и твёрдость.

Цинк ухудшает антифрикционные свойства, но улучшает литейные и механические свойства.

Фосфор до 0,2-0,3% улучшает механические свойства.

Алюминий, железо, олово, сурьма, мышьяк, висмут являются вредными примесями.