1.2 Бронзи

Бронзи - це сплави міді з оловом, алюмінієм, свинцем, кремні­єм, марганцем, берилієм. В залежності від основного легуючого еле­мента розрізнюють олов'яні, алюмінієві, берилієві, кремнієві, марган­цеві, свинцеві та ін.

Олов'яні бронзи. Система Си - 8п . Відповідно до діаграми ста­ну (рис.1.5) в системі існують наступні фази: а-твердий розчин олова в міді з ГЦК граткою, рв-твердий розчин на основі електронної сполу­ки Си58п (електронна концентрація - 3/2), 5-твердий розчин на основі електронної сполуки Си318п8 (21/13), є-твердий розчин на основі спо­луки Си38п (7/4).

Нижче температури 586°С Р-фаза розпадається за евтектоїдною реакцією з утворенням суміші фаз а та у При 520°С у-фаза розпада­ється за евтектоїдною реакцією з утворенням суміші а- та 5-фаз. Тем­пература 350°С відповідає евтектоїдному перетворенню 5—а+є. Останнє перетворення відбувається лише за умов надзвичайно пові­льного охолодження і на практиці не реалізується. На відміну від ла-туней, внаслідок більшого інтервалу кристалізації, в олов'яних брон­зах спостерігається значна ліквація. В реальних умовах при виробниц­тві олов' яних бронз рівновага встановлюється дуже повільно, реальна розчинність олова в міді є постійною на рівні 8% та не змінюється з температурою (штрихова лінія на діаграмі).

Структура литих бронз, що містять менш 8% олова, представле­на а-розчином змінної концентрації. Структура має дендритну будову. Середня зона дендрита - світлого кольору - збагачена на мідь, зовні­шня частина - темного кольору - збагачена на олово (рис. 1.6).

Сплави, які містять понад 8% олова, мають в структурі первинні кристали а - твердого розчину змінного складу та евтектоїд (а+5).і,°С

 

'/<• (мас)

Рисунок 1.5 - Діаграма стану системи Си-Бп

 

Рисунок 1.6 - Мікроструктура олов'яної бронзи (литий стан), х340

В литому стані бронзи мають низьку пластичність через ліква-цію та включення 5-фази, що мають високу твердість та крихкість. З метою підвищення пластичності застосовують гомогенізацію при 700­750°С. Після такої обробки в сплавах, що містять менш 14% Бп, 5-фаза не виділяється.

Пластичність литих бронз різко зменшується при вмісті олова понад 8%. Границя міцності зростає із збільшенням концентрації, ма­ксимальний рівень відповідає 24% олова, надалі міцність різко змен­шується через надмірну кількість крихкої 5-фази.

Переваги олов'яних бронз: За корозійною стійкістю в морській воді - кращі за мідь та латуні. Мають низьку ливарну усадку («1%) -використовуються для складних відливок із значною різницею у пере­різах. Бронзи з наявністю в структурі евтектоїда (а+8) забезпечують стійкість до зносу і використовуються як антифрикційний матеріал.

Олов'яні бронзи легують цинком в межах його розчинності в а-фазі (14%) для підвищення технологічності, міцності, зменшення вартості. Нікель поліпшує пластичність та деформовність бронз, під­вищує корозійну стійкість, щільність, зменшує ліквацію, сприяє під­вищенню міцності. Фосфор розкисляє мідь; підвищує границю міцно­сті, пружності, витривалості; поліпшує рідкотекучість; частинки фос-фіда міді (Си3Р) підвищують зносостійкість, але в деформовних вміст фосфору обмежують (Р<0,5%).

Залізо подрібнює зерно, свинець - поліпшує обробку різанням.

З деформовних бронз виготовляють пружини, мембрани, анти­фрикційні деталі: БрОЦ4-3 (бронза олов'яна, 4% Бп, 3% 2п, решта -мідь), БрОФ6-0,15, БрОЦС4-4-2,5. Ливарні бронзи поділяють на ма­шинні (БрО3Ц12С5, БрО3Ц7С5Н1), призначені для фасонного лиття деталей машин, та антифрикційні (БрО5Ц5С5) для виготовлення під­шипників. Машинні - мають високу корозійну стійкість. Для худож­нього лиття використовують бронзи БХ1, БХ2, БХ3, що містять олово та фосфор.

Термічна обробка олов'яних бронз застосовується з метою поле­гшення обробки тиском та зменшення ліквації. Гомогенізація прово­диться при температурі 700-750°С з наступним швидким охолоджен­ням. Найкраща пластичність може бути досягнута, якщо при охоло­дженні з температури гомогенізації забезпечується витримка при тем­пературі 600-625°С та подальше прискорене охолодження. З метою зняття внутрішніх напружень у відливках проводять відпалення при 550° С впродовж 1 години. Проміжне відпалення при холодній обробці проводять при 550-700°С.

Алюмінієві бронзи. Алюмінієві бронзи за рівнем механічних властивостей близькі до олов' яних, водночас, вони мають певні пере­ваги:

- нижчу вартість,

- меншу схильність до дендритної ліквації,

- велику щільність відливок,

- кращу рідкотекучість,

- більшу міцність та жароміцність,

- вищій рівень корозійної стійкості,

- не утворюють іскор при ударі.

Недоліками цих бронз є значна усадка при кристалізації, схиль­ність до утворення стовпчатих кристалів та сильне окислення розпла­ву, що спричиняє шиферний злам у деформованих напівфабрикатах.

Алюмінієві бронзи містять до 11% А1. За діаграмою (рис.1.7) в системі існують: а-фаза - твердий розчин алюмінію в ГЦК гратці міді, рр-фаза - твердий розчин на основі електронної сполуки Си3А1 (3/2) з ОЦК граткою, у2-фаза - твердий розчин на основі сполуки Си32А119. При температурі 1035°С розчинність алюмінію в міді складає 7,4%, при 565°С - 9,4%, при кімнатній - близько 9%. При охолодженні ниж­че 565°С р-фаза розпадається за евтектоїдною реакцією: р^а+у2.

Однофазні сплави з структурою а-твердого розчину мають високу пластичність, найвищим її рівнем характеризуються сплави з вмістом алюмінію 4-5%. Міцність однофазних сплавів є невисокою. Найвищий рівень міцності мають сплави, що містять у2-фазу, при вмісті алюмінію «9%. Подальше зростання вмісту алюмінію супроводжується збільшен­ням в структурі частки у2-фази, що розміщується на межах зерен у ви­гляді суцільних ланцюжків, що приводить до окрихчення сплавів. Певна кількість у2-фази є бажаною при використанні сплаву як антифрикційно­го матеріалу (тверді частинки фази сприяють підвищенню зносостійкос­ті). Оптимальним комплексом властивостей (висока міцність - достатня пластичність) характеризуються бронзи з вмістом алюмінію 5-8%.

/да /от

350 ООО 850

ж

І50

 

 

 

а*Р

 

 

 

_

 

р*р        . я+г

■__7036 /

 

 

 

 

 

-

 

/в** "ПІ

 

 

 

 

 

Цх*г\

 

 

 

 

\ Г' /

-

 

 

 

-

а

 

 

 

-

 

 

\ Г *

й

 

 

 

V 505°

 

 

 

 

11,0 15,5

 

1

і 1

11

І І

1 I

да

СЦ 5      7,5     70      12,5    15      Ц5 ЛІ

Рисунок 1.7 - Діаграма стану системи Си-А1

Алюмінієві бронзи легують марганцем, залізом, нікелем, свин­цем. Марганець сприяє одночасному зростанню міцності та пластич­ності, підвищує корозійну стійкість, оброблюваність тиском у холод­ному стані, покращує антифрикційні властивості. Марганець може вводитись до сплавів у значній кількості, оскільки він має розчинність в твердому розчині до 10%. Залізо підвищує міцність при певному зменшенні пластичності. Позитивний вплив заліза пов'язаний з подрі­бненням структури при первинній кристалізації, рекристалізації та уповільненням евтектоїдного розпаду Р-фази. Після нормалізації з 600-700°С в сплавах, легованих залізом, зменшується кількість евтек-тоїду, пластичність є максимальною. Алюмінієві бронзи, леговані залі­зом, зміцнюються термічною обробкою (гартування 950°С + старіння 250-300°С) внаслідок утворення тонкодисперсної структури. Нікель поліпшує механічні властивості бронз, жароміцність, полегшує оброб­ку тиском. Свинець підвищує антифрикційні властивості. Титан під­вищує міцність, зменшує газонасиченність. Цинк є небажаною доміш­кою в алюмінієвих бронзах - погіршує технологічність та антифрик­ційні властивості.

За способом виготовлення деталей розрізняють деформовні та ливарні алюмінієві бронзи, склад їх може збігатися за легуючими еле­ментами, різницею є більша кількість домішок в ливарних сплавах. БрАМц9-2 - бронза алюмінієва деформовна, вміст А1 - 9%, Мп - 2%, решта - мідь. БрА10Ж4Н4 - бронза алюмінієва ливарна, містить 10%А1, 4%Р-е, 4%№, решта - мідь, призначена для виготовлення на­правляючих, втулок, шестерен (іекспл<500°С).

Для деформовних бронз застосовують рекристалізаційне та до-рекристалізаційне відпалення. Для БрАЖН10-4-4 застосовують гарту­вання 980°С та старіння 400°С, при цьому твердість та границя міцно­сті зростає вдвічі.

Кремнієві бронзи. Структура формується відповідно до діагра­ми стану Си-8і. При температурі 842°С в міді розчиняється 5,3% кре­мнію, при кімнатній цей показник - 3,5%. Поява /-фази зменшує здат­ність до кування сплавів, тому вміст кремнію в бронзах обмежують 3%. Подвійні сплави не використовують, найбільш поширене легуван­ня нікелем (до 3%) та марганцем (до 1,5%). Легування сприяє підвищенню опору корозії, збільшує міцність. Нікель утворює сполуку №28і, що забезпечує зростання міцності після гартування та старіння. Кремнієві бронзи мають високі пружні та антифрикційні властивості. Добре обробляються тиском, зварюються з бронзами та сталлю, не утворюють іскор при ударі. Недолік - поглинання газів.

БрКМц3-1 - бронза кремнієва деформовна, містить 3%8і, 1%Мп, решта - мідь. БрКН1-3 - бронза кремнієва деформовна, містить 3%№, решта - мідь.

Берилієві бронзи поєднують високу міцність та стійкість в ко­розійних умовах, високі пружні властивості, тепло- та електропровід­ність, опір втомі; використовуються у відповідальних випадках при виготовленні пружин, мембран, пружинних контактів та в електронній техніці. Використання цих бронз обмежується високою вартістю бе­рилію та його токсичністю.

При температурі 866°С розчинність берилію в міді складає 2,7%, при кімнатній - не перевищує 0,2%, це дозволяє ефективно зміцнюва­ти сплави термічною обробкою. Структура промислових сплавів (вміст Ве не більш 2,5%) складається з а-твердого розчину з ГЦК гра-ткою та у-фази, на основі СиВе (рис. 1.8).

Си 2   ¥   б   8   10 12 Ве Хмас)

Рисунок 1.8 - Діаграма стану Си-Ве

БрБ2 - бронза берилієва, деформовна, вміст Ве - 2%. Така брон­за зміцнюється гартуванням (780°С—вода) та старінням (300-350°С -3 год.). Після гартування ав=500 МПа, 8=40 %, після старіння -ав=1100-1200 МПа, 8=4-6 %. Залежність властивостей берилієвих бронз в залежності від вмісту берилію наведена на рис. 1.9.

шоо г то

800 - 80

000 400

- 60 40

200 - 10

 

1у~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

НУ 500 =(» 300 200 100

0    0,5 1,0 1,5 2.0 2,5 Ва,% (пас)

Рисунок 1.9 - Вплив берилію на властивості сплавів Си-Ве після гартування з 780°С (1) та старіння 300°С, 3 год. (2).

Для легування берилієвих бронз використовують Ті та №. Ці елементи подрібнюють зерно та утворюють сполуки, що підвищують міцність після термообробки (БрБНТ1,9).

Марганцеві бронзи. Марганець розчиняється в міді до 22% при кімнатній температурі, тому бронзи, що містять менше 22% марганцю, мають однофазну структуру - у (твердий розчин марганцю в міді)

(рис. 1.10).

Мп, %(мас)

о 5 ю   го   зо м   во бо 70 ао зо те

то

1200

1084.8І 1000

900

600

700 600 500 Ш 300

гоо

б    10   гв   ЗО   40   50   60   70   во   $о юо

си ш,%(ат.) мп

Рисунок 1.10 - Діаграма стану системи Си-Мп

Марганець дозволяє підвищити міцність бронзи без втрати плас­тичності, поліпшує корозійну стійкість, сприяє підвищенню жароміц­ності, на 150-200°С підвищує температуру рекристалізації міді. Мар­ганцеві бронзи добре обробляються тиском, мають нижчу вартість за олов'яні. Найбільш поширена бронза БрМц5, що має високу корозійну стійкість та зберігає високі показники механічних властивостей при підвищених температурах (ав=300 МПа, 8=40 %). Для легування мар­ганцевих бронз використовують алюміній, нікель, залізо, кремній, свинець. Залізо, нікель, кремній підвищують твердість та міцність,алюміній поліпшує ливарні властивості, свинець - сприяє підвищенню технологічності при обробці різанням та покращує антифрикційні вла­стивості.

Сплави з високим внутрішнім тертям - сплави високого дем-пфування .

На основі системи Си-Мп розроблені сплави, що здатні гасити коливання, що виникають в деталях машин при експлуатації. При ви­користанні цих сплавів зменшуються вібрації, шум, зменшується за­гроза руйнування через резонансні явища. Ці сплави містять 60-85%Мп. Найкращі властивості спостерігаються після гартування з у-області та старіння при 450°С (ав=620-770 МПа, 8=20-25%). При гар­туванні під час мартенситного перетворення в тетрагональній гратці виникають двійники, з відносно стабільними межами, та мікродвійни-ки (в середині крупних) з рухомими межами. Під дією напружень мік-родвійники легко пересуваються, після зняття напружень - переміщу­ються у зворотньому напрямку, на цей процес витрачається енергія коливань.

Свинцеві бронзи. Сплави характеризуються високими анти­фрикційними властивостями, застосовуються при виготовленні під­шипників ковзання потужних турбін, авіаційних двигунів, дизелів, тощо. До переваг цих матеріалів належать висока теплопровідність, здатність витримувати нагрівання до 300-320°С, що є важливим для швидкохідних машин. Відповідно до діаграми стану Си-РЬ (рис. 1.11) при температурі 327°С починається кристалізація свинцю, що запов­нює міждендритні ділянки в міді. Формується структура, що поєднує міцні ділянки міді з м'яким свинцем.

Додатково бронзи легують нікелем, що сприяє подрібненню де­ндритів, перешкоджає ліквації міді та свинцю за густиною.

Тверді кристали сприймають тиск вала, поштовхи, поступово занурюються у м' яку складову, що поступово стирається, заповнюючи відстань між валом та підшипником змащенням і дисперсними части­нками.

БрС30 - свинцева бронза, вміст свинцю - 30%, використовуєть­ся в біметалевих підшипниках. Для забезпечення більшої міцності та твердості бронза наплавляється на сталеву трубку або стрічку. БрСН60-2,5 - бронза свинцева, легована нікелем.г, "і1 1100 1000

воо

^Ш5°С

 

БрСЗО Р'+Р"

955"С

 

Си+Р

згтс.

Л6'°С

-

Са+РЬ

і        і і

Си

гя    ад ео

30

РЬ

Рисунок 1.11 - Діаграма стану Си-РЬ