книги / Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки

1

1Ъ,0..Л0,0 ' 2,0...4,0

БРОНЗЫ АЛЮМИНИЕВЫЕ

меди и имеет кубическую решетку типа Мпр (кубическая решетка с 20 атомами в элемен­ тарной ячейке)3

Механические свойства, С увеличением содержания алюминия прочностные свойства бронз повышаются, достигая максимальных значений (ав = 600 МПа) при 10... 11 % А1, за­ тем заметно снижается при 12 % А1 (рис. 3.10). Однофазные а-бронзы пластичны, хорошо обрабатываются давлением при высоких и низких температурах, но прочность их невели­ ка. Например, у марки БрА7 в отожженном состоянии ав = 500 МПа, 6 = 50...70 %.

Фаза у2 имеет высокую твердость и ни­ чтожно малую пластичность, поэтому двух­ фазные бронзы, содержащие эвтектоид (а + у2), отличаются более высокой твердостью и проч­ ностью, но имеют пониженную пластичность. Двухфазные алюминиевые бронзы легко обра­ батываются давлением в горячем состоянии с нагревом в однофазную область р. Из-за ликвационных явлений у2-фаза появляется в структуре сплавов при меньших концентраци­ ях (начиная с 7,5...8 % А1), чем это следует из равновесной диаграммы состояния. Поэтому БрА7 - наиболее высоколегированный одно­ фазный сплав.

3 На рис. 3.9 область а2-фазы не показана.

ов, МПа, 8,%

Рис. ЗЛО. Влияние содержания алюминия на механические свойства отожженных алюминиевых бронз [92)

Физические свойства. Алюминий оказы­ вает существенное влияние и на физические свойства бронз.

В связи с достаточно высоким содержа­ нием алюминия плотность алюминиевых бронз значительно ниже плотности чистой меди (рис. 3.11). Это обстоятельство имеет большое зна­ чение при промышленном применении алюми­ ниевых бронз, особенно в авиакосмической технике и судостроении. Снижение плотности благоприятно сказывается и в экономическом отношении.

Алюминиевые бронзы хорошо поддаются полировке и благодаря присутствию алюминия имеют хорошую отражательную способность. В связи с наличием в бронзах алюминия мак­ симум в спектре отражения световых волн (по сравнению с медью) сдвигается в сторону бо­ лее коротких волн.

Наличие в составе бронз значительного количества алюминия приводит к резкому снижению высокой теплопроводности, харак­ терной для чистой меди. Так, теплопровод­ ность промышленных алюминиевых бронз, содержащих ~ 10 % А1, составляет в среднем 75 Вт/(м К) (390 Вт/(м-К) для чистой меди). Однако это снижение способствует некоторому расширению области применения алюминие­ вых бронз (например, в технике низких температур).

На рис. 3.12 показано изменение тепло­ проводности двойных алюминиевых бронз в зависимости от содержания алюминия. Леги­ рование алюминиевых бронз никелем, железом и марганцем приводит к дальнейшему сниже­ нию их теплопроводности. Так, например, многокомпонентная алюминиевая бронза БрАЖН 10-4-4, содержащая 10 % А1, 4 % Fe и 4%Ni, имеет теплопроводность 58,7 Вт/(м К) (табл. 3.10). Особый интерес представляет из­ менение теплопроводности алюминиевых бронз в зависимости от температуры. В то вре­ мя как для чистой меди с повышением темпе­ ратуры происходит незначительное снижение теплопроводности, для алюминиевых бронз, как и для многих других сплавов на медной основе, характерно увеличение теплопровод­ ности с повышением температуры.

Аналогично теплопроводности изменяет­ ся и электропроводность алюминиевых бронз: с увеличением содержания алюминия она сни­ жается, причем снижение электропроводности сопровождается также уменьшением темпера­ турного коэффициента электропроводности (рис. 3.13). Легирование другими элементами и прежде всего марганцем и никелем приводит к еще более резкому снижению электропровод­ ности. Так, например, сплавы с марганцем об­ ладают высоким электрическим сопротивлени­ ем и благодаря этому находят специальное применение в технике.

Превращения в алюминиевых бронзах.

Диаграмма состояния Си-Al (см. рис. 3.9) яв­ ляется базовой при разработке алюминиевых бронз и при анализе фазовых превращений, происходящих в этих сплавах при различных

у, кг/м3

Рис. 3.11. Влияние содержания алюминия на плотность алюминиевых бронз влитом состоянии [105]

X, Вт/(м К)

Рис. 3.12. Влияние содержания алюминия на теплопроводность двойных алюминиевых бронз |105]

технологических операциях. Фазовые превра­ щения в твердом состоянии имеют только те алюминиевые бронзы, в которых существует высокотемпературная p-фаза. Характер этих превращений зависит не только от химическо­ го состава, но и от ряда технологических фак­ торов, в частности, от скорости охлаждения полуфабрикатов или изделий, что объясняет большое разнообразие их свойств. Эти пре­ вращения нередко трудно предусмотреть, осо­ бенно при легировании алюминиевых бронз никелем, железом, марганцем и другими эле­ ментами. Однако многие процессы фазовых

СО, % от Си

Р ис. 3.13. Влияние содержания алюминия на электропроводность двойных алюминиевых

бронз |105|

превращений, происходящие в многокомпо­ нентных бронзах, по существу, мало отличают­ ся от процессов в двухкомпонентных сплавах системы Си-Al. Поэтому основные процессы рассматриваются на примере двойных алюми­ ниевых бронз, для которых они изучены наи­ более полно.

В сплавах системы Cu-AI в интервале концентраций 8,5... 15 % А1 p-фаза кристалли­ зуется непосредственно из жидкости (см. рис. 3.9). С понижением температуры концентраци­

онная область существования p-фазы уменьша­ ется. При температуре 565 °С высокотемпера­ турная p-фаза распадается на эвтектоид (а + у2) по реакции Р —►а + у2. Это превращение отно­ сится к стабильной равновесной системе, когда скорости охлаждения невелики и диффузион­ ное перераспределение алюминия и меди в кристаллической решетке p-фазы позволяет осуществлять ее распад с образованием двух новых фаз, отличающихся химическим соста­ вом: а - 9,4 % А1 и у2 - 15,6 % А1. Такое пре­ вращение может происходить при получении массивных слитков, больших деталей, отли­ ваемых в песчаные формы, т.е. когда невысо­ кие скорости охлаждения, близкие к равновес­ ным, могут вызвать эвтектоидный распад р- фазы.

Если скорости охлаждения высоки и диффузионное перераспеределение компонен­ тов в кристаллической решетке p-фазы осуще­ ствиться не успевает, то эвтектоидный распад не происходит. Однако p-фаза не является ста­ бильной и превращается в другие фазы. Темпе­ ратурные условия превращения p-фазы в алю­ миниевых бронзах при высоких скоростях ох­ лаждения в равновесных и неравновесных ус­ ловиях иллюстрирует рис. 3.14.

Основное превращение p-фазы в этих ус­ ловиях - это мартенситное превращение. Если сплав закалить из однофазной области сущест­ вования P-фазы, то эвтектоидное превращение подавляется, и ниже температуры Мн происхо­ дит мартенситное превращение (с увеличением содержания алюминия в бронзах Мн понижа­ ется). В зависимости от концентрации алюми­ ния в сплавах образуются различные мартен­ ситные фазы (см. рис. 3.9 и 3.14): Р', Р', и у',.

Т,°С

600

500

400

300

200

100

Рис. 3.14. Схематическое изображение превращений в алюминиевых бронзах:

а - равновесная система; б - неравновесная система

При концентрации алюминия более 11 % (по массе) P-фаза с неупорядоченной структу­ рой превращается в рг фазу с упорядоченной структурой (решетка D03 или типа Fe3Al). Превращение «порядок» «-► «беспорядок» (р' <-►Pi) осуществляется при температуре Тс (точка Курнакова), находящейся между темпе­ ратурой эвтектоидного превращения и точкой Мн (см. рис. 3.9). Это превращение'невозмож­ но предотвратить даже закалкой. Наибольшая степень упорядочения отвечает соотношению меди и алюминия равным 3/1, что соответству­ ет стехиометрическому составу промежуточ­ ной фазы Си3А1.

Мартенситное превращение в алюминие­ вых бронзах происходит без участия диффузии атомов в кристаллической решетке. Поэтому концентрация атомов легирующих элементов в исходной (Р) и мартенситной фазе (Р', Р'| или y'l) одинакова. Мартенситная фаза от исходной отличается только типом кристаллической решетки. Мартенситная фаза Р', которая обра­ зуется из неупорядоченной p-фазы (Р —*• Р'), также имеет неупорядоченное расположение атомов в кристаллической решетке. Мартен­ ситные фазы Р'| и у'| (Pi —►Р'| и р| —^ у'|), на­ следуя упорядоченность исходной фазы, также имеют упорядоченную структуру. Цифровой индекс «1» относится к фазам с упорядочен­ ным расположением атомов в кристаллической решетке.

Для промышленных алюминиевых бронз, содержание алюминия в которых обычно не превышает 12%, структура в закаленном со­ стоянии состоит из Р'- или Р'|-мартенсита и

продуктов его превращения (мартенситная фаза y'l в этих сплавах не образуется). Отпуск сплава с мартенситной структурой может при­ близить ее к равновесной с наличием двухфаз­ ной смеси (а + у2) той или иной дисперсности при реализации распада мартенсита: Р' -> - M I + yV На практике экспериментально мож­ но установить температуру отпуска, требуемо­ го для получения в сплаве определенной структуры с необходимым уровнем механиче­ ских свойств. Закаленные алюминиевые брон­ зы с мартенситной структурой отличаются повышенной твердостью и низкой пластично­ стью. Распад мартенсита при отпуске с образо­ ванием эвтектоидной смеси (а + у'2) с тонким игольчатым строением не приводит к сущест­ венному снижению твердости. Только с увели­ чением количества и размеров частиц a-фазы в структуре сплава твердость падает и, соответ­ ственно, повышается пластичность.

Таким образом, наличие мартенситного превращения в алюминиевых бронзах обуслов­ ливает возможность применения упрочняющей термической обработки (закалки с последую­ щим отпуском) к этим материалам». Однако эффект упрочнения от упрочняющей термиче­ ской обработки у алюминиевых бронз не столь велик, как в углеродистых и легированных сталях, поэтому применяют ее только для кон­ кретных деталей из высоколегированных мно­ гокомпонентных бронз (типа БрАЖН 10-4-4).

Особый интерес представляют алюми­ ниевые бронзы на основе P-фазы, так как именно эти сплавы могут применяться в каче­ стве материала с эффектом памяти формы (ЭПФ). В них возможность получения мате­ риалов с ЭПФ основана на обратимости мар­ тенситного превращения и сверхупругости. Наиболее полно требованиям, необходимым материалам с ЭПФ, отвечают сплавы тройной системы Cu-Al-Ni. Составы этих сплавов ог­ раничиваются областью, где при высокой тем­ пературе существует p-фаза. Эта область близ­ ка составу тройного сплава Си - 14 % А1 - 4 % Ni. Именно эта композиция является исходной при разработке алюминиевых бронз с ЭПФ.

Влияние легирующих элементов на структуру и свойства алюминиевых бронз и характеристика многокомпонентных бронз. В промышленности России применяются две марки двухкомпонентных алюминиевых бронз БрА5 и БрА7. Это однофазные сплавы (см. рис. 3.10), они обладают хорошим сочетанием прочностных свойств и пластичности, отлича­

ются высокой технологичностью: отлично об­ рабатываются давлением в горячем и холодном состояниях, коррозионностойки. С увеличени­ ем содержания алюминия прочность однофаз­ ных а-бронз повышается (см. рис. 3.11), поэто­ му бронза БрА7 превосходит бронзу БрА5 по прочностным свойствам (табл. 3.11, 3.12). Единственным способом повышения прочно­ стных свойств этих материалов является нагартовка при холодной пластической деформации (рис. 3.15).

В процессе производства деформирован­ ных полуфабрикатов для снятия нагартовки и повышения пластичности бронзы подвергают рекристаллизационному отжигу. Как следует из рис. 3.16, пластичность холоднодеформированной бронзы БрА7 практически полностью восстанавливается после отжига прй темпера­

туре 600...700 °С. Более высокие температуры отжига применять не следует, так как это при­ водит к сильному росту зерен рекристаллизованного металла. Следует иметь в виду, что при обработке давлением в горячем состоянии бронзы с содержанием алюминия, близким к границе а/(а + Р) (типа БрА7), в ее структуре может появиться небольшое количество р-фа- зы. В связи с тем, что деформируемость (тех­ нологическая пластичность) p-фазы в горячем состоянии лучше, чем a-фазы, горячую прокат­ ку бронз подобного состава во избежание обра­ зования трещин следует проводить с меньшей интенсивностью и с меньшими обжатиями. Для улучшения механических, технологических свойств, коррозионной стойкости алюминие­ вые бронзы дополнительно легируют марган­ цем, железом и никелем.

Марганец. В качестве легирующего эле­ мента в деформируемые алюминиевые бронзы марганец обычно вводят до 3...4 %. Он в зна­ чительных количествах растворяется в а- и P-фазах, снижает в сплавах системы Си-Al тем­ пературы эвтектического L —►а + р (Си3А1) - 1037 °С и эвтектоидного (Р —►а + У2 (CU9 AI4 ) - 565 °С превращений. Поэтому в сплавах сис­ темы Cu-Al-Mn эти превращения реализуются в интервалах температур соответственно ниже 1037 и 565 °С.

О влиянии марганца на структуру можно судить по изотермическим разрезам системы Cu-Al-Mn, приведенным на рис. 3.17. На ри­ сунках видно, что область существования вы­ сокотемпературной p-фазы расширяется с уве­ личением содержания марганца за счет умень­ шения области твердого а-раствора. Одновре­ менно понижается температура эвтектоидного распада: трехфазная область а + Р + у2 этого превращения существует на разрезе при 500 °С (рис. 3.17, в).

В промышленности применяются две бронзы системы Cu-Al-Mn: БрАМц9-2 и БрАМц10-2. Составы этих сплавов находятся в области первичной кристаллизации р-фазы, поэтому обе бронзы после окончания кристал­ лизации являются однофазными сплавами со структурой р (Си3 А1)-фазы. При последующем охлаждении в твердом состоянии из-за умень­ шении растворимости меди в фазе Р в обоих бронзах происходит превращение р —►а. При температурах несколько ниже 565 °С остав­ шаяся фаза Р претерпевает эвтектоидный рас­ пад Р —►а + у2 [25]. В бронзе БрАМц10-2, со­ держащей больше алюминия (в среднем 1 0 %), эвтектоидной смеси (а + у2) больше, чем в бронзе БрАМЦ9-2.

Марганец повышает механические и кор­ розионные свойства и улучшает технологиче­ ские характеристики сплавов системы Си-А1. Он повышает не только прочность, но и пла­ стичность и обрабатываемость давлением. Так, бронза БрАМц9-2 хорошо обрабатывается давлением в горячем и холодном состоянии, в то время как бронзы БрАЖ9-4, БрАЖМцЮ-3-1,5 и БрАЖН10-4-4 хорошо деформируются толь­ ко в горячем состоянии [92].

Железо повышает прочностные свойства алюминиевых бронз при некотором снижении их пластичности. В алюминиевых бронзах же­ лезо растворяется в небольших количествах. При содержании железа более 2...3 % в струк­ туре бронз появляется железистая составляю­ щая yFe - твердый раствор на основе железа. Первичные, кристаллы этой фазы измельчают литую структуру и вместе со вторичными кристаллами yFe измельчают структуру эвтектоида (а +у2), тормозят рост зерен а-фазы при горячей деформации и рекристаллизации, что положительно сказывается на прочностных свойствах бронз [32, 92, 47].

Наиболее широко в промышленности применяется алюминиевая бронза БрАЖ9-4, легированная железом. Она используется для изготовления деформированных полуфабрика­ тов и фасонных отливок, применяется в авиа­ ционной промышленности (шестерни, втулки, седла клапанов и т.п.) и других областях маши­ ностроения. Обладает высокими механическимк и антифрикционными свойствами и хорошей коррозионной стойкостью. Отожженные полось имеют ов = 500.. .600 МПа, 6 = 20.. .30 %.

Комплексно легированная алюминиевая бронза БрАЖМц10-3-1,5 применяется в авиа­ космической технике (втулки, шестерни, дис­ ки, ниппели и т.п.) и других отраслях машино­ строения, поставляется в виде прутков и труб. Прессованные полуфабрикаты имеют ав = 600 МПа, 5=12% . Хорошо обрабатывает­ ся давлением в горячем состоянии, удовлетво­ рительно сваривается и обрабатывается реза­ нием, пайка вызывает значительные трудности.

Никель является одним из наиболее важ­ ных легирующих элементов в алюминиевых бронзах. Он улучшает механические свойства и коррозионную стойкость бронз, повышает температуру их рекристаллизации и жаропроч­ ность. Сплавы меди, легированные алюминием и никелем, хорошо обрабатываются давлением, имеют высокие антифрикционные свойства и не склонны к хладноломкости.

Никель имеет неограниченную раствори­ мость в меди. Однако он сильно уменьшает растворимость алюминия в меди при пониже­ нии температуры (рис. 3.18). О чем также сви­ детельствует сопоставление изотермических разрезов системы Cu-Al-Ni при 1000 и 400 °С (рис. 3.19). Поэтому медные сплавы, легиро­ ванные алюминием и никелем, существенно упрочняются при термической обработке, со­ стоящей из закалки и старения, из-за выделе­ ния дисперсных интерметаллидов 0(Ni3 Al) и NiAl. К преимуществам этих материалов отно­ сится то, что при достаточно высоком содер­ жании никеля они способны к старению после охлаждения с температур горячей деформации без применения специальной закалки на твер­ дый раствор, которую в ряде случаев техниче­ ски осуществить невозможно [105].

Алюминиевые бронзы, как правило, од­ новременно легируют никелем и железом. При

этом железо вводят главным образом для из­ мельчения зерна. Фазовый состав и структура этих сплавов контролируется диаграммой со­ стояния системы Cu-Al-Ni-Fe, политермические разрезы которой представлены на рис. 3.20. Этими разрезами удобно пользоваться для определения структурных составляющих в промышленных сплавах.

Многокомпонентные алюминиевые брон­ зы, легированные никелем и железом, отлича­ ются от двойных главным образом присутстви­ ем в их структуре ae-фазы. Она является про­ межуточной фазой с ОЦК решеткой и пред­ ставляет собой твердый раствор железа в фазе NiAl, т.е. (Ni, Fe)Al. Благодаря равномерному распределению в матричном а-растворе и тон­ кому строению ае-фазы повышается прочность бронзы. Такая структура может быть получена путем закалки и старения. О возможности применения упрочняющей термической обра­ ботки к алюминиевым бронзам, легированным никелем и железом, свидетельствует перемен­ ная, уменьшающаяся с температурой раство­ римость ae-фазы в a-твердом растворе (см. рис. 3.20, в) [105].

Другая особенность четырехкомпонент­ ных сплавов системы Cu-Al-Ni-Fe заключает­ ся в том, что при совместном введении в алю­ миниевые бронзы железа и никеля увеличива­ ется концентрация алюминия, при которой в структуре появляется хрупкая эвтектоидная смесь. Так, например, если в двойных сплавах системы Си-Al эвтектоид (а + у2) появляется в структуре при концентрации алюминия 9,4 % А1 (рис. 3.20, а), то в сплавах системы Cu-Al-Ni-Fe при содержании 5 % Ni и 5 % Fe эвтектоидная реакция осуществляется в спла­ вах при содержании алюминия 1 1 % и более (рис. 3.20, б, в). Поэтому в присутствии никеля